CN117626296A - 固体氧化物电解制氢装置和制氢方法 - Google Patents

固体氧化物电解制氢装置和制氢方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及电解制氢技术领域，特别是涉及一种固体氧化物电解制氢装置和制氢方法、该装置包括：固体氧化物电解池；复合型光伏光热结构体，包括用于吸收光能的光伏组件、用于将光能转换为热能的光热转换组件、用于吸收光能转换组件产生的热能并产生固体氧化物电解池所需高温蒸汽的集热器，以及用于将光能转换为电能光电转换组件；储热组件，用于存储光热转换组件产生的热能；汽轮发电机，用于根据光照情况，将储热组件存储的热能转换为电能，为固体氧化物电解池供电。本申请能够提高系统效率。

Description

固体氧化物电解制氢装置和制氢方法
技术领域
本申请涉及电解制氢技术领域，特别是涉及一种固体氧化物电解制氢装置和制氢方法。
背景技术
清洁能源是指能够减少或避免对环境产生污染的能源形式。在过去的几十年里，清洁能源技术得到了快速发展，并成为了应对气候变化和能源安全挑战的重要解决方案之一。清洁能源技术包括太阳能、风能、水能、生物质能等多种形式。这些技术的共同特点是利用自然资源或可再生能源来产生电力或热能，并且排放的污染物和温室气体较少。其中，电解制氢是一种重要的清洁能源技术，它利用电能将水分解成氢气和氧气，氢气可以作为一种清洁的能源储存介质，用于供应电力、燃料电池和工业生产等领域。
目前固体氧化物电解水目前处于初步示范阶段，而固体聚合物阴离子交换膜电解水技术的研究刚刚开始。传统技术提供了一种太阳能光伏光热高温电解水制氢系统及制氢方法，包括供热单元、电解单元、制氢单元及氢气收集单元。
然而，该现有技术涉及多次换热和降温的过程，其中包括高温水蒸汽与电解产生的高温氢气和氧气之间的换热，以及高温氢气和氧气通过高温换热器进行降温放热，在这些能量转换和传递的过程中，会存在能量损失，导致系统的能量效率降低本。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高系统效率的固体氧化物电解制氢装置和制氢方法。
第一方面，本申请提供了一种固体氧化物电解制氢装置，该装置包括：
固体氧化物电解池；
复合型光伏光热结构体，包括用于吸收光能的光伏组件、用于将光能转换为热能的光热转换组件、用于吸收光能转换组件产生的热能并产生固体氧化物电解池所需高温蒸汽的集热器，以及用于将光能转换为电能光电转换组件；
储热组件，用于存储光热转换组件产生的热能；
汽轮发电机，用于根据光照情况，将储热组件存储的热能转换为电能，为固体氧化物电解池供电。
在其中一个实施例中，储热组件包括高温储热单元和低温储热单元；
其中，高温储热单元用于在强光照情况下，产生固体氧化物电解池所需高温蒸汽；低温储热单元用于在弱光照情况下存储光热转换组件产生的热能。
在其中一个实施例中，当光照情况由弱光照切换为强光照的情况下，且固体氧化物电解由待机状态切换为启动状态时，低温储热单元用于为固体氧化物电解池中提供热量。
在其中一个实施例中，汽轮发电机还用于在弱光照情况或非光照情况下，将高温储热单元存储的热能转换为电能，为固体氧化物电解池供电。
在其中一个实施例中，汽轮发电机还用于在弱光照情况或非光照情况下，与光电转换组件，共同为固体氧化物电解池供电。
在其中一个实施例中，固体氧化物电解制氢装置还包括余电加热单元，用于在强光照情况下，利用光电转换组件产生的余热为固体氧化物电解池提供热能。
在其中一个实施例中，固体氧化物电解池采用开放孔道结构的电极支撑体。
在其中一个实施例中，光伏组件的背光面设置有预热管，预热管中的介质循环用于带走光伏组件的废热。
在其中一个实施例中，光伏组件的向光侧设置有槽式反射玻璃板。
第二方面，本申请还提供了一种固体氧化物电解制氢方法，应用于上述任一项的固体氧化物电解制氢装置，该方法包括：
采用复合型光伏光热结构体中的光伏组件吸收光能；
采用复合型光伏光热结构体中的光热转换组件用于将光能转换为热能；
采用复合型光伏光热结构体中的集热器用于吸收光能转换组件产生的热能并产生固体氧化物电解池所需高温蒸汽；
采用储热组件，存储光热转换组件产生的热能；
在弱光照情况或非光照情况下，采用汽轮发电机将高温储热单元存储的热能转换为电能，为固体氧化物电解池供电。
上述固体氧化物电解制氢装置和制氢方法，本申请结合光伏光热特性，在集热器中对传热流体进行加热，产生高温过热蒸汽，从而为固体氧化物电解池制氢提供高温条件，同时，根据固体氧化物电解制氢能量消耗较低的特性，可以通过光伏组件的光电效应提供电能，满足电解能量消耗。因此，构建复合型光伏光热结构紧凑安装便捷。
附图说明
图1为一个实施例中固体氧化物电解制氢装置的环境图；
图2为一个实施例中复合型光伏光热结构体的示意图；
图3为另一个实施例中固体氧化物电解制氢装置的示意图；
图4为一个实施例中固体氧化物电解制氢方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本实施例提供了一种固体氧化物电解制氢装置，如图1所示，该装置包括：固体氧化物电解池；复合型光伏光热结构体，包括用于吸收光能的光伏组件、用于将光能转换为热能的光热转换组件、用于吸收光能转换组件产生的热能并产生固体氧化物电解池所需高温蒸汽的集热器，以及用于将光能转换为电能光电转换组件；储热组件，用于存储光热转换组件产生的热能；汽轮发电机，用于根据光照情况，将储热组件存储的热能转换为电能，为固体氧化物电解池供电。
其中，复合型光伏光热一体化系统的固体氧化物电解制氢装置具体为将光伏系统和槽式光热系统相结合，并将其应用于高温电解水制氢。
可以理解的是，太阳能的转换和利用主要有：光热转换和光电转换。其基本工作原理如下：通过特制的太阳能采光面，将投射到太阳能采光面上的太阳辐射能进行最大限度采集、吸收及转换，并通过转换的热能对复合型光伏光热结构体中的集热器内的传热流体(例如：水或空气)进行加热，获取高温过热蒸汽，以达到固体氧化物电解池的制氢条件一，满足其高温条件，同时，根据固体氧化物电解池的相关特性(能量消耗较低)，通过复合型光伏光热结构体中光伏组件的光电效应提供电能，以达到固体氧化物电解池的制氢条件二，满足其电解能量消耗条件。
进一步的，复合型光伏光热一体化系统，高度匹配固体氧化物电解制氢高温、低电耗的工作特性，在充分利用太阳能光热转换采集的基础上，同时有效控制光伏组件表面温度，提高光伏组件的光电转换效率。
上述固体氧化物电解制氢装置，本申请结合光伏光热特性，在集热器中对传热流体进行加热，产生高温过热蒸汽，从而为固体氧化物电解池制氢提供高温条件，同时，根据固体氧化物电解制氢能量消耗较低的特性，可以通过光伏组件的光电效应提供电能，满足电解能量消耗。因此，构建复合型光伏光热结构紧凑安装便捷。
如图2所示，光伏组件的背光面设置有预热管，预热管中的介质循环用于带走光伏组件的废热；光伏组件的向光侧设置有槽式反射玻璃板。
可以理解的是，由于光伏组件表面温度过高会降低光电转换效率，因此，在光伏组件背板设置预热管，管中介质循环带走光伏组件的废热并可以加以利用，同时提高了光伏组件的光电效率和集热器加热效率。
根据本实施例所设计的系统具体连接构造，并通过上述包括：预热管、在固体氧化物电解池采用高强度的开放孔道结构的电极支撑体等具体结构，在达到上述制氢条件一及制氢条件二的基础上，基于上述制氢原理公式以及固体氧化物电解特定选取物，并依靠不同模式下执行本系统的连续运行，实现结合光伏光热一体化与固体氧化物电解池的电解制氢原理。
在一个实施例中，如图3所示，储热组件包括高温储热单元和低温储热单元；其中，高温储热单元用于在强光照情况下，产生固体氧化物电解池所需高温蒸汽；低温储热单元用于在弱光照情况下存储光热转换组件产生的热能。
其中，在热吸收管末端分别装设70-100℃的低温储热组件和600-700℃的高温储热组件，并通过光伏系统余电进行加热储能，通过两阶段加热以及汽轮发电机辅助供电，使系统适应不同场景，以此保证系统在下述不同模式下实现连续运行。
可选的，模式一为：第一光照时段即强光照时段，通过高温储热组件，生成过热蒸汽，以供给固体氧化物电解池运行。其主要通过高温储热，生成过热蒸汽，用于高温电解池高效运行，同时在高温条件下，电解池耗电较少，光伏发电的余电加热储能。
进一步的，当光照情况由弱光照切换为强光照的情况下，且固体氧化物电解由待机状态切换为启动状态时，低温储热单元用于为固体氧化物电解池中提供热量。
可选的，模式二为：第二光照时段即弱光照时段，且判定是否仅处于光伏发电单电源模式，若处于光伏发电单电源模式，则在固体氧化物电解池处于待机情况时，通过低温储热组件进行稳定储热，低温储热组件热损失相对高温储热组件更少，适用于长时储能，当出现情况一，且固体氧化物电解池启动时，基于低温储热组件进行介质循环进一步加热到工作温度，可以缩短加热时间，从而缩短固体氧化物电解池高温电解系统启动时间；若未处于光伏发电单电源模式，则通过光伏发电+汽轮发电机双电源模式执行稳定供电。
在模式二中，储热组件示例为热储罐，用于储存光照阶段收集的热能。在光照充足的时候，太阳能热管将热能传递给储热罐，使其储存高温热能。
进一步的，汽轮发电机还用于在弱光照情况或非光照情况下，将高温储热单元存储的热能转换为电能，为固体氧化物电解池供电。
在非光照时段，储热罐中的高温热能可以被释放出来，通过热交换器将热能传递给汽轮发电机。
在汽轮发电机运行过程中，储热组件释放高温热能，高温热能用于加热水蒸汽，使其膨胀并驱动汽轮发电机转动，转动的汽轮发电机通过发电机部分将机械能转化为电能，为固体氧化物电解池进行供电，而储热组件通过释放高温热能给汽轮发电机供能，实现了从热能到机械能再到电能的能量转换，具体的能量转换效率一般受到多个因素的影响，例如：储热组件的热损失、汽轮发电机的效率等，一般汽轮发电机的能量转换效率能够达到30％到40％左右。
作为示例的，假设储热组件储存的高温热能为1000kJ，在非光照时段，这些热能被释放给汽轮发电机，若汽轮发电机的能量转换效率为35％，则能够将1000kJ的热能转化为350kJ的电能供给固体氧化物电解池使用。
相比于可逆燃料电池等现有技术，增加汽轮发电机装置在夜间非光照时段运行的技术效果更好的原理：高效能量转换：汽轮发电机能够将热能高效转化为电能，具有较高的能量转换效率，而可逆燃料电池等技术的能量转换效率较低；稳定供电：通过储热组件和汽轮发电机的组合，能够在非光照时段持续为固体氧化物电解池供电，维持系统的连续且平稳运行，而可逆燃料电池等技术在夜间非光照时段无法提供稳定的电力供应。
模式三为：非光照时段，通过高温储热装置的过热蒸汽带动汽轮发电机给电解池供电。因为光热发电效率可达20％-34％，接近于火力发电效率。所以将高温储热装置的50％热能用于汽轮机发电，50％直接为高温电解池输入过热蒸汽，具体实现过程为在管路上增加调节阀实现上述原理，可以满足高温燃料电池电解能耗，以此维持系统稳定运行。
进一步的，汽轮发电机还用于在弱光照情况或非光照情况下，与光电转换组件，共同为固体氧化物电解池供电。
进一步的，固体氧化物电解制氢装置还包括余电加热单元，用于在强光照情况下，利用光电转换组件产生的余热为固体氧化物电解池提供热能。
上述过程的热管理逻辑包括：
1)光照时段-光伏光热发电：依靠本实施例的模式一、模式二并达到制氢条件一、二，固体氧化物电解池将电能转化为化学能，用于水电解产生氢气，在这个过程中，电解装置产生的热量需要进行热管理。可以通过冷却水或热管等方式进行热量的散发和循环。夜晚时段即如上述补充内容。
固体氧化物电解池制氢是一个吸热反应，ΔH、ΔG和TΔS都为正，电解反应焓变和反应输入能量如下式(1)和式(2)：
ΔH＝ΔG+TΔS (1)
QE＝QEG+QEH＝ΔG+Q′EH+QH (2)
其中，ΔH为焓的变化量，ΔG为吉布斯自由能的变化，TΔS为反应过程吸收的热能，QE为电解所需总能量，QEG为电能转为吉布斯自由能的部分，QEH为电能转为焦耳热的部分，QH为储热组件输入的热能。
因此，本实施例通过设置的两种储热组件输入热能，降低电能转为焦耳热的部分热能，从而降低电耗。并且，当固体氧化物电解池装置工作温度达到设定温度即700℃时，可以使端电压接近热中性电压，实现高温电解水制氢装置的系统效率高达90％以上。
3)固体氧化物电解制氢根据载流子的不同将反应过程分为：氧离子型固体氧化物电解(O-SOEC)和质子型固体氧化物电解(H-SOEC)。对于O-SOEC的水蒸气是在氢电极侧通入，从外电路得电子分解成氢气，而H-SOEC是在氧电极侧通入水蒸气，因此氢电极产生的只有氢气，无须进一步分离，提高了制氢效率，并且质子导体H-SOEC的工作温度较低，适用于光伏光热一体化系统。
H-SOEC高温电解水反应方程式：
氧电极：2H2O→O2+4H++4e-
氢电极：4H++4e-→2H2
总反应：2H2O→2H2+O2
另外，为提高水蒸气和氢气运输能力，固体氧化物电解池采用高强度的开放孔道结构的电极支撑体。因此，在一个实施例中，固体氧化物电解池采用开放孔道结构的电极支撑体。
在电解模式时，H-SOEC的氧电极侧和氢电极侧都有蒸汽、氧气、氢气的传输需求。采用开放式孔道结构电极支撑氧电极，减少气体传质阻力，促进水蒸气传输。在启动阶段，需要保证氢电极的还原性氛围，避免电极中的镍被氧化，所以要保障启动阶段的氢气供给，采用开放式孔道结构电极支撑氢电极，可以促进氢气传输，降低压差，同时可以加快升温速度，缩短系统启动时间。此外，通过高温储热组件和加热器控制氧电极支撑体和电解质的热膨胀匹配性，提高电解效率。
在一个实施例中，一种固体氧化物电解制氢方法，应用于上述固体氧化物电解制氢装置，如图4所示，该方法包括：
S401，采用复合型光伏光热结构体中的光伏组件吸收光能。
S402，采用复合型光伏光热结构体中的光热转换组件用于将光能转换为热能。
S403，采用复合型光伏光热结构体中的集热器用于吸收光能转换组件产生的热能并产生固体氧化物电解池所需高温蒸汽。
S404，采用储热组件，存储光热转换组件产生的热能。
S405，在弱光照情况或非光照情况下，采用汽轮发电机将高温储热单元存储的热能转换为电能，为所述固体氧化物电解池供电。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种固体氧化物电解制氢装置，其特征在于，包括：
固体氧化物电解池；
复合型光伏光热结构体，包括用于吸收光能的光伏组件、用于将光能转换为热能的光热转换组件、用于吸收所述光能转换组件产生的热能并产生所述固体氧化物电解池所需高温蒸汽的集热器，以及用于将光能转换为电能光电转换组件；
储热组件，用于存储所述光热转换组件产生的热能；
汽轮发电机，用于根据光照情况，将所述储热组件存储的热能转换为电能，为所述固体氧化物电解池供电。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物电解制氢装置，其特征在于，所述储热组件包括高温储热单元和低温储热单元；
其中，所述高温储热单元用于在强光照情况下，产生所述固体氧化物电解池所需高温蒸汽；所述低温储热单元用于在弱光照情况下存储所述光热转换组件产生的热能。
3.根据权利要求2所述的固体氧化物电解制氢装置，其特征在于，当光照情况由弱光照切换为强光照的情况下，且所述固体氧化物电解由待机状态切换为启动状态时，所述低温储热单元用于为所述固体氧化物电解池中提供热量。
4.根据权利要求2所述的固体氧化物电解制氢装置，其特征在于，所述汽轮发电机还用于在所述弱光照情况或非光照情况下，将所述高温储热单元存储的热能转换为电能，为所述固体氧化物电解池供电。
5.根据权利要求4所述的固体氧化物电解制氢装置，其特征在于，所述汽轮发电机还用于在所述弱光照情况或非光照情况下，与所述光电转换组件，共同为所述固体氧化物电解池供电。
6.根据权利要求2所述的固体氧化物电解制氢装置，其特征在于，所述固体氧化物电解制氢装置还包括余电加热单元，用于在强光照情况下，利用所述光电转换组件产生的余热为所述固体氧化物电解池提供热能。
7.根据权利要求1所述的固体氧化物电解制氢装置，其特征在于，所述固体氧化物电解池采用开放孔道结构的电极支撑体。
8.根据权利要求1所述的固体氧化物电解制氢装置，其特征在于，所述光伏组件的背光面设置有预热管，所述预热管中的介质循环用于带走所述光伏组件的废热。
9.根据权利要求1所述的固体氧化物电解制氢装置，其特征在于，所述光伏组件的向光侧设置有槽式反射玻璃板。
10.一种固体氧化物电解制氢方法，其特征在于，应用于权利要求1-9中任一项所述的固体氧化物电解制氢装置，该方法包括：
采用复合型光伏光热结构体中的光伏组件吸收光能；
采用复合型光伏光热结构体中的光热转换组件用于将光能转换为热能；
采用复合型光伏光热结构体中的集热器用于吸收所述光能转换组件产生的热能并产生所述固体氧化物电解池所需高温蒸汽；
采用储热组件，存储所述光热转换组件产生的热能；
在所述弱光照情况或非光照情况下，采用汽轮发电机将所述高温储热单元存储的热能转换为电能，为所述固体氧化物电解池供电。
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