CN117587423B - 基于液态金属传热的一体式太阳能-soec制氢反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于液态金属传热的一体式太阳能‑SOEC制氢反应器，主要包括液态金属吸放热部件，液态金属输运部件，高温固体氧化物电池及保温部件。本发明利用液态金属对聚光太阳能进行吸热，把其所吸收的热量用于对高温固体氧化物电池及高温电解所需要的水蒸气进行加热制备清洁燃料，减少对电能的消耗。本发明采用高导热特性的液态金属对太阳能进行吸收利用，有效提高了太阳能的利用效率。太阳能吸热和放热部件和高温固体氧化物电池及保温部件一体式的设计有效减少了传输过程中的能量损失。液态金属双回路的设计配合高温和低温液态金属储存罐的设计提高了反应器的抗热震能力。本发明提高太阳能到化学能的转化效率。
Description
技术领域
本发明涉及聚焦太阳能辅助高温电解制氢领域，具体涉及基于液态金属传热的一体式太阳能-SOEC制氢反应器。
背景技术
当前工业生产氢气的主要方法包括化石燃料重整和电解水制氢，前者存在大量的温室气体排放，后者主要基于常温电解水制氢技术，能耗和成本高。相比而言，基于高温固体氧化物电池的高温电解水制氢技术具有明显优势：高温固体氧化物电池的制备不需要贵金属，其制备成本相对较低。高温状态下(600～1000℃)，电解所需要的电能有所降低(20％～30％)，电解效率可以达到90％～100％。可以和太阳能等可再生能源结合使用，有效利用廉价的太阳能作为高温热源替代电能进行大规模制氢。然而太阳能受天气等因素影响较大，频繁的升降温将加速固体氧化物电池的损坏。维持高温固体氧化物电池温度的稳定对于其使用寿命至关重要。吸收太阳能常用的吸热工质主要包括液态水、导热油和熔盐，其中液态水和导热油的沸点较低，转化为气态的水蒸气和导热油后其体积膨胀不利于能量的存储。熔盐的热导率较低，不利于对太阳能充分吸热。同时，由于高温固态氧化物电池制氢所需的温度较高，如何尽可能降低热量的损失也是一个需要解决的问题。
发明内容
为克服现有技术的缺点和不足，综合考虑太阳辐照吸收、高温固态氧化物电池温度稳定和如何降低热量损失等问题，本发明提出一种基于液态金属传热的一体式太阳能-SOEC制氢反应器，进而提高太阳能到化学能的转化效率。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于液态金属传热的一体式太阳能-SOEC制氢反应器，反应器中至少包括液态金属吸放热部件，液态金属输运部件和高温固体氧化物电池及保温部件。其中液态金属吸放热部件和高温固体氧化物电池及保温部件采用一体式设计，进而减少高温液态金属在传输过程中热量的散失。
进一步地，所述反应器采用液态金属双循环回路的设计适应于在不同太阳辐照度条件的运行，在太阳辐照较为充足的时候，保持第二阀门11常开，第一阀门10常闭状态，进而让液态金属对太阳能辐照持续吸热，并把低温液态金属储存罐8中的液态金属持续注入高温液态金属储存罐7，进而利用液态金属储存更多热量。当没有太阳光或者太阳辐照较弱的时候，保持第二阀门11常闭，第一阀门10常开状态，利用高温液态金属储存罐7内部储存的热量对高温固体氧化物电池进行持续加热。极端条件下可利用电加热丝对腔体进行加热，进而维持高温固体氧化物电池温度的稳定。
有益效果：
1.本发明采用高热导率的液态金属对太阳辐照进行吸收，提高太阳能的利用效率；
2.本发明的太阳能吸热端和高温固体氧化物电池采用一体式的设计，减少了高温液态金属在输送过程中热量损失；
3.本发明采用双循环管路及高低温液态金属储存罐设计，提高了反应器抗热震能力，更有助于维持高温固体氧化物电池温度的稳定。
附图说明
图1为本发明的基于液态金属传热的一体式太阳能-SOEC制氢反应器的结构示意图；
图2为本发明的工作过程示意图。
图中：1保温材料，2反应器外壳，3电加热丝，4放热体，5高温固体氧化物电池，6水蒸气蒸发盘管，7高温液态金属储存罐，8低温液态金属储存罐，9电磁泵，10第一阀门，11第二阀门，12吸热体，13太阳，14反应器，15定日镜。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式进一步说明本发明。
本发明基于液态金属传热的一体式太阳能-SOEC(固体氧化物电池)制氢反应器主要用于太阳能热化学制氢。如图2所示，本发明安装在太阳能镜场焦点附近，聚焦太阳光首先对反应器内部的吸热体12进行加热。
如图1所示，本发明的基于液态金属传热的一体式太阳能-SOEC制氢反应器主要包括液态金属吸放热部件、液态金属输运部件、高温固体氧化物电池及保温部件。其中液态金属吸放热部件和高温固体氧化物电池及保温部件采用一体式设计。
所述的液态金属吸放热部件由吸热体12、放热体4、高温液态金属储存罐7和低温液态金属储存罐8组成。其中吸热体12靠近聚光太阳能侧，用于吸收聚焦太阳辐照所产生的热量。放热体4位于靠近高温固体氧化物电池5的一侧，放热体4和吸热体12采用管路相连接。为了降低热量损失，其放热体4和吸热体12位于同一腔体内部。
低温液态金属储存罐8位于高温液态金属储存罐7的一侧，高温液态金属储存罐7和低温液态金属储存罐8通过管道连接。高温液态金属储存罐7中设置水蒸气蒸发盘管6，水蒸气蒸发盘管6用于把液态水在高温液态金属加热的作用下转化为水蒸气用于高温电解。所述水蒸气蒸发盘管6通过管路和高温固体氧化物电池5连接。放热体4的一端与高温液态金属储存罐7的一端通过管道连接，高温液态金属储存罐7的另一端连接电磁泵9。电磁泵9的另一端分为两路，一路经过第二阀门11利用管道和吸热体12的一端连接；一路经过第一阀门10和管道连接，两路的管道最终合并后和放热体4的一端相连。
所述的液态金属输运部件由电磁泵9、第一阀门10和第二阀门11及其配套管路组成。其中电磁泵9和高温液态金属储存罐7相连接，用于驱动液态金属在管道内部的循环。液态金属双循环回路的设计适应于在不同太阳辐照条件的运行，在太阳辐照较为充足的时候，保持第二阀门11常开，第一阀门10常闭状态，进而让液态金属对太阳能持续吸热，并把低温液态金属储存罐8中的液态金属持续注入高温液态金属储存罐7，进而利用液态金属储存更多热量。当没有太阳辐照或者太阳辐照较弱的时候，保持第二阀门11常闭，第一阀门10常开状态，利用高温液态金属储存罐7内部储存的热量对高温固体氧化物电池5进行持续加热。
所述的高温固体氧化物电池及保温部件由高温固体氧化物电池5和保温材料1及电加热丝3组成。其中高温固体氧化物电池5用于把所通入的水蒸气转化为氢气，保温材料1用于防止反应器内部热量散失，电加热丝3用于反应器内部高温固体氧化物电池5侧温度的调节。极端条件下可利用电加热丝3对腔体进行加热，进而维持高温固体氧化物电池5所处环境温度的稳定。所述电加热丝3连接电源的正极(+)和负极(-)。高温固体氧化物电池5和保温材料1及电加热丝3设置在反应器外壳2内部。
本发明的基于液态金属传热的一体式太阳能-SOEC制氢反应器的工作过程为：太阳光经过定日镜15被反射至反应器14的入口处，对吸热体12进行加热。吸热体12内部的吸热工质为高热导率的液态金属。升温后的液态金属(800-1000℃)在电磁泵9的驱动作用下，沿管路输运至放热体4侧，通过热辐射的作用对高温固体氧化物电池5进行加热。放热后的液态金属(700-900℃)循环至高温液态金属储存罐7内部，利用其内部的水蒸气蒸发盘管6在高温液态金属加热的作用下把液态水转化为水蒸气用于高温电解。在太阳辐照较为充足的时候，保持第二阀门11常开，第一阀门10常闭状态，进而让液态金属对太阳能持续吸热，并把低温液态金属储存罐8中的液态金属持续注入高温液态金属储存罐7，进而利用液态金属储存更多热量。也可以增加电磁泵9的流速来增加对太阳辐照的换热量。当没有太阳辐照或者太阳辐照较弱的时候，保持第二阀门11常闭，第一阀门10常开状态，利用高温液态金属储存罐7内部储存的热量对高温固体氧化物电池5进行持续加热，水蒸气蒸发盘管6在高温液态金属加热的作用下把液态水转化为水蒸气用于高温电解。所述水蒸气蒸发盘管6通过管道和高温固体氧化物电池5连接。
该装置可以实现利用太阳能进行高温电解水制氢气，进而减少对电能的消耗。液态金属既可以进行热量传输，也可以进行能量储存，进而实现对太阳能的高效吸收，并且提高温度的稳定性。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (7)
1.基于液态金属传热的一体式太阳能-SOEC制氢反应器，其特征在于，包括液态金属吸放热部件、液态金属输运部件、高温固体氧化物电池及保温部件；利用液态金属对聚光太阳能进行吸热，利用所吸收的热量对高温固体氧化物电池（5）和高温电解所需要的水蒸气进行加热；
所述的液态金属吸放热部件由吸热体（12）、放热体（4）、高温液态金属储存罐（7）和低温液态金属储存罐（8）组成；其中吸热体（12）靠近聚光太阳能侧，用于吸收聚焦太阳辐照所产生的热量；放热体（4）位于高温固体氧化物电池（5）侧，放热体（4）和吸热体（12）采用管路相连接；放热体（4）和吸热体（12）位于同一腔体内部；
所述的液态金属输运部件由电磁泵（9）、第一阀门（10）和第二阀门（11）及其配套管路组成；其中电磁泵（9）和高温液态金属储存罐（7）相连接，用于驱动液态金属在管道内部的循环；
放热体（4）的一端连接高温液态金属储存罐（7），放热体（4）的另一端与吸热体（12）的一端连接；
所述的高温固体氧化物电池及保温部件由高温固体氧化物电池（5）和保温材料（1）及电加热丝（3）组成；高温固体氧化物电池（5）和保温材料（1）及电加热丝（3）设置在反应器外壳（2）内部；
太阳光经过定日镜（15）被反射至反应器（14）的入口处，对吸热体（12）进行加热，吸热体（12）内部的吸热工质为高热导率的液态金属；升温后的液态金属的温度为800-1000 ℃，其在电磁泵（9）的驱动作用下，沿管道输运至放热体（4）侧，通过热辐射的作用对高温固体氧化物电池（5）进行加热；放热后的液态金属的温度为700-900 ℃，其循环至高温液态金属储存罐（7）内部；利用水蒸气蒸发盘管（6）把液态水在高温液态金属加热的作用下转化为水蒸气，进而用于高温电解；
当太阳能辐照较为充足时，通过调节电磁泵（9），进而提高液态金属的流速来增加对太阳辐照的换热量，同时通过把低温液态金属储存罐（8）内的液态金属注入高温液态金属储存罐（7）的方式增加对太阳辐射的换热及热量的储存；在太阳辐照较为充足时，保持第二阀门（11）常开，第一阀门（10）常闭状态，进而让液态金属对太阳能持续吸热，并把低温液态金属储存罐（8）中的液态金属持续注入高温液态金属储存罐（7），进而利用液态金属储存更多热量；
当没有太阳辐射或者太阳辐射较弱时，保持第二阀门（11）常闭，第一阀门（10）常开状态，利用高温液态金属储存罐（7）内部储存的热量对高温固体氧化物电池（5）进行持续加热；利用液态金属对聚光太阳能进行吸热，所吸收的热量对高温固体氧化物电池（5）和液态水加热进而产生高温水蒸气；水蒸气蒸发盘管（6）内的低温液态水通过管壁和高温液态金属储存罐（7）内的高温液态金属进行换热，所产生的水蒸气沿管路通入高温固体氧化物电池（5）内部，在电能和热能的共同作用下，利用电解的原理制备氢气。
2.根据权利要求1所述的基于液态金属传热的一体式太阳能-SOEC制氢反应器，其特征在于，所述高温固体氧化物电池（5）用于把所通入的水蒸气转化为氢气，保温材料（1）用于防止反应器内部热量散失，电加热丝（3）用于反应器内部高温固体氧化物电池（5）侧温度的调节。
3.根据权利要求1所述的基于液态金属传热的一体式太阳能-SOEC制氢反应器，其特征在于，根据需要利用吸热体（12）内部的液态金属所吸收的太阳能对腔体进行加热，进而维持高温固体氧化物电池（5）所处环境温度的稳定，其中电加热丝（3）用于辅助加热。
4.根据权利要求1所述的基于液态金属传热的一体式太阳能-SOEC制氢反应器，其特征在于，所述高温液态金属储存罐（7）和低温液态金属储存罐（8）通过管道连接，高温液态金属储存罐（7）中设置水蒸气蒸发盘管（6），水蒸气蒸发盘管（6）用于把液态水在高温液态金属加热的作用下转化为水蒸气，进而通入高温固体氧化物电池（5）进行电解；高温固体氧化物电池（5）和水蒸气蒸发盘管（6）利用不锈钢管道进行连接；高温液态金属储存罐（7）的一端连接电磁泵（9），电磁泵（9）的另一端连接第一阀门（10）和第二阀门（11）。
5.根据权利要求1-4之一所述的基于液态金属传热的一体式太阳能-SOEC制氢反应器的工作方法，其特征在于，太阳光经过定日镜（15）被反射至反应器（14）的入口处，对吸热体（12）进行加热，吸热体（12）内部的吸热工质为高热导率的液态金属；升温后的液态金属的温度为800-1000 ℃，其在电磁泵（9）的驱动作用下，沿管道输运至放热体（4）侧，通过热辐射的作用对高温固体氧化物电池（5）进行加热；放热后的液态金属的温度为700-900 ℃，其循环至高温液态金属储存罐（7）内部；利用水蒸气蒸发盘管（6）把液态水在高温液态金属加热的作用下转化为水蒸气，进而用于高温电解。
6.根据权利要求5所述的工作方法，其特征在于，当太阳能辐照较为充足时，通过调节电磁泵（9），进而提高液态金属的流速来增加对太阳辐照的换热量，同时通过把低温液态金属储存罐（8）内的液态金属注入高温液态金属储存罐（7）的方式增加对太阳辐射的换热及热量的储存；在太阳辐照较为充足时，保持第二阀门（11）常开，第一阀门（10）常闭状态，进而让液态金属对太阳能持续吸热，并把低温液态金属储存罐（8）中的液态金属持续注入高温液态金属储存罐（7），进而利用液态金属储存更多热量。
7.根据权利要求5所述的工作方法，其特征在于，当没有太阳辐射或者太阳辐射较弱时，保持第二阀门（11）常闭，第一阀门（10）常开状态，利用高温液态金属储存罐（7）内部储存的热量对高温固体氧化物电池（5）进行持续加热；利用液态金属对聚光太阳能进行吸热，所吸收的热量对高温固体氧化物电池（5）和液态水加热进而产生高温水蒸气；水蒸气蒸发盘管（6）内的低温液态水通过管壁和高温液态金属储存罐（7）内的高温液态金属进行换热，所产生的水蒸气沿管路通入高温固体氧化物电池（5）内部，在电能和热能的共同作用下，利用电解的原理制备氢气。
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