CN211848150U - 一种基于海上风电的海水电解制氢系统 - Google Patents

一种基于海上风电的海水电解制氢系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种基于海上风电的海水电解制氢系统。包括，海水蒸发装置，以及固体氧化物电解池电堆，第一换热装置，所述第一换热装置利用固体氧化物电解池电堆混合气出口气体对所述水蒸气进行预热；海水蒸发装置利用固体氧化物电解池的尾气余热将海水蒸发成水蒸气，将水蒸气经过换热装置换热后通入固体氧化物电解池电堆中，固体氧化物电解池电堆利用海上风电对水蒸气进行电解，生成氢气和氧气。将生成的氢气通入换热器对待进入固体氧化物电解池电堆的水蒸气进行预热，换热后的氢气通入海水蒸发装置作为海水蒸发的热源，实现对固体氧化物电解池的尾气余热的多级利用。

Description

一种基于海上风电的海水电解制氢系统
技术领域
本实用新型涉及水电解制氢领域，尤其涉及一种基于海上风电的海水电解制氢系统。
背景技术
利用可再生能源电解水制氢是解决未来氢能供应的清洁方案，在海上利用海上风能、太阳能发电进行海水直接电解更是具有极大吸引力的方案。
但现有的碱式电解、质子交换膜电解技术均难以直接使用海水作为电解水源，困难在于电解海水过程中的阳极析氯、阴极结垢、海水腐蚀等因素会引起电极活性降低与管路腐蚀。同时，现有的海水电解制氢制氢系统中尾气余热回收以及海水淡化的综合利用率较低。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
实用新型内容
鉴于上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于海上风电的海水电解制氢系统，旨在解决现有的海水电解制氢制氢存在余热回收利用率低的问题。
本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
一种基于海上风电的海水电解制氢系统，包括：
海水蒸发装置，用于将海水蒸发生成水蒸气；以及
固体氧化物电解池电堆，用于将所述水蒸汽电解成氢气及氧气；
第一换热装置，所述第一换热装置利用所述固体氧化物电解池电堆混合气出口气体对所述水蒸气进行预热；
所述海水蒸发装置的水蒸气出口与所述第一换热装置的水蒸气进口相连，所述第一换热装置的水蒸气出口与所述固体氧化物电解池电堆水蒸气进口相连，所述固体氧化物电解池电堆混合气出口与所述第一换热装置的混合气进口相连，所述第一换热装置的混合气出口与所述海水蒸发装置的混合气进口相连。
优选地，所述的基于海上风电的海水电解制氢系统，包括储氢容器，第一水气分离装置以及储淡水容器；所述第一水气分离装置的水气进口与所述海水蒸发装置的水气出口相连，所述第一水气分离装置的氢气出口与所述储氢容器的进口相连，所述第一水气分离装置的淡水出口与所述储淡水容器相连。
优选地，所述的基于海上风电的海水电解制氢系统，还包括氢气合成装置，
所述氢气合成装置包括，储二氧化碳容器，逆水汽变换器装置、第二水气分离器以及储合成气容器；
所述储二氧化碳容器的出口与所述逆水汽变换器装置二氧化碳气体进口相连，所述储氢容器的出口与所述逆水汽变换器装置氢气进口相连，所述逆水汽变换器装置的水气出口与所述第二水气分离器的进口相连，所述第二水气分离装置的合成气出口与所述储合成气容器的进气口相连，所述所述第二水气分离装置的淡水出口与所述储淡水容器的进口相连。
优选地，所述的基于海上风电的海水电解制氢系统，所述固体氧化物电解池电堆载气入口依次连接有第二换热器以及气泵，载气经过所述气泵压缩后进入所述第二换热器，经第二换热器换热后通过所述载气入口进入所述固体氧化物电解池电堆；所述载气为空气。
优选地，所述的基于海上风电的海水电解制氢系统，所述固体氧化物电解池电堆含氧载气出口气体经所述第二换热器换热后进入所述逆水汽变换器装置。
优选地，所述的基于海上风电的海水电解制氢系统，所述逆水汽变换器装置合成气出口与所述第二水气分离装置连接，所述第二水气分离装置的出气口与所述储合成气容器连接，所述第二水气分离装置的淡水出口与所述储淡水容器相连。
优选地，所述的基于海上风电的海水电解制氢系统，所述海水蒸发装置为真空沸腾式海水蒸发器、多级闪蒸海水蒸发器或太阳能蒸馏器。
优选地，所述的基于海上风电的海水电解制氢系统，所述逆水汽变换器装置中反应压力为3-9MPa。
优选地，所述的基于海上风电的海水电解制氢系统，所述逆水汽变换器装置中反应温度为200-300℃。
优选地，所述的基于海上风电的海水电解制氢系统，所述储氢容器的出口氢气与所述储二氧化碳容器出口二氧化碳气体的体积流量比为1:2-3。
有益效果：本实用新型所提出的装置中的基于海上风电的海水电解制氢系统，海水蒸发装置利用固体氧化物电解池的尾气余热将海水蒸发成水蒸气，将水蒸气经过换热装置换热后通入固体氧化物电解池电堆中，固体氧化物电解池电堆利用海上风电对水蒸气进行电解，生成氢气和氧气。将生成的氢气通入换热器对待进入固体氧化物电解池电堆的水蒸气进行预热，换热后的氢气通入海水蒸发装置作为海水蒸发的热源，实现对固体氧化物电解池的尾气余热的多级利用。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的基于海上风电的海水电解制氢系统流程示意图。
图2是本实用新型实施例提供的基于海上风电的可逆氧化物燃料电池制氢及二氧化碳逆水气变换制合成气系统流程图。
图3是本实用新型实施例提供的海水蒸发装置结构示意图。
1空气，2压缩空气，3换热后的空气，4富氧空气，5、18换热后的富氧空气，6换热后的水蒸气，7混合有水蒸气的氢气，8水蒸气，9换热后的混合有水蒸气的氢气，10浓海水，11二次换热后的混合有水蒸气的氢气，12、13海水，14、16氢气，15、21淡水,17二氧化碳，19混合有氢气的合成气，20合成气，22风电
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
如图1所示，本实用新型公开一种基于海上风电的海水电解制氢系统，其包括，真空沸腾式海水蒸发器子系统(VEP)，用于将海水蒸发生成水蒸气(8、6)；其中，8表示真空沸腾式海水蒸发器子系统(VEP)出口水蒸气，而6表示经过第一换热装置(HX1)升温后的水蒸气。固体氧化物电解池电堆(SOEC)，用于将所述水蒸汽6电解成氢气及氧气；第一换热装置(HX1)，所述第一换热装置(HX1)利用所述固体氧化物电解池电堆(SOEC)混合气出口气体7对所述水蒸气8进行预热；所述真空沸腾式海水蒸发器子系统(VEP)的水蒸气出口与所述第一换热装置(HX1)的水蒸气进口相连，所述第一换热装置(HX1)的水蒸气出口与所述固体氧化物电解池电堆(SOEC)水蒸气进口相连，所述固体氧化物电解池电堆(SOEC)混合气出口与所述第一换热装置(HX1)的混合气进口相连，所述第一换热装置(HX1)的混合气出口与所述真空沸腾式海水蒸发器子系统(VEP)的混合气进口相连。
现有技术中海上风电供应不稳定，直流交流变换与相位控制复杂，严重限制了海上风电的应用。为了节约资源，利用海上风电对海水进行电解制备氢气，但现有的海水电解制氢制氢存在余热回收利用率低的问题。
为了解决海水电解制氢制氢存在余热回收利用率低的问题，本实用新型提供一种基于海上风电的海水电解制氢系统，其中海水蒸发装置利用固体氧化物电解池的尾气余热将海水蒸发成水蒸气，将水蒸气经过换热装置换热后通入固体氧化物电解池电堆中，固体氧化物电解池电堆利用海上风电对水蒸气进行电解，生成氢气和氧气。将生成的氢气通入换热器对待进入固体氧化物电解池电堆的水蒸气进行预热，换热后的氢气通入海水蒸发装置作为海水蒸发的热源，解决了海水电解制氢制氢存在余热回收利用率低的问题。
在本实施方式中，海水蒸发装置可以包括但不限于真空沸腾式海水蒸发器、多级闪蒸海水蒸发器或太阳能蒸馏器。只要能够实现利用热能将海水蒸发成水蒸气即可。
在本实施方式中，固体氧化物电解池电堆(SOEC)为现有常用的固体氧化物电解池电堆(SOEC)，其具体结构以及操作方法为已知现有技术，在此不做赘述。固体氧化物电解池电堆(SOEC)载气入口依次连接有第二换热器(HX2)以及气泵(P2)，载气经过所述气泵(P2)压缩后进入所述第二换热器(HX2)，经第二换热器(HX2)换热后通过所述载气入口进入所述固体氧化物电解池电堆(SOEC)；所述载气为空气。空气经过空气泵(P1)压缩后作为产品氧气的载气。压缩空气在进入固体氧化物电解池电堆之前通过第二换热器(HX2)进行预热。固体氧化物电解池电堆产品氧气经过第二换热器(HX2)后温度也得到一定的降低。从第二换热器(HX2)排出的气体为富氧的空气，其中氧气是来自于电解水。
在本实施方式中，如图3所示，其为真空沸腾式海水蒸发器子系统(VEP)示意图。真空沸腾式海水蒸发器子系统(VEP)包括腔体100，在腔体底部设置有海水进口110，海水通过海水泵P1泵入直接进入蒸发器腔底部。在腔体内部竖直布置高温加热器换热管120，高温加热器换热管内为(SOEC)燃料侧出口尾气，所通入的尾气为海水蒸发提供热能实现海水的沸腾换热，海水蒸发后通过水蒸气上升气道130，由蒸汽出口140排出，后续供给给(SOEC)。为了提升蒸发效率，将采用真空泵P3预抽除水蒸气腔体内部的空气，实现真空降压蒸发，降低蒸发温度，减少蒸发器换热负荷。在腔体的底部还设置有海水出口150，通过海水出口150将蒸发后的浓海水排出。避免腔体内部的海水内盐分结晶结垢腐蚀壳体。所排出的海水盐分浓度较高，可以作为海水制氯制盐的卤水原料，实现海水的循环。
在一种或多种实施方式中，如图2所示，基于海上风电的海水电解制氢系统，还包括储氢容器(HT)，第一水气分离装置(SP1)以及储淡水容器(WT)；所述第一水气分离装置(SP1)的水气进口与所述海水蒸发装置的水气出口相连，所述第一水气分离装置(SP1)的氢气出口与所述储氢容器(HT)的进口相连，所述第一水气分离装置(SP1)的淡水出口与所述储淡水容器(WT)相连。
在本实施方式中，通过设置第一水气分离装置将从海水蒸发装置中排出的含有氢气水蒸气的混合气体进行分离，得到氢气及淡水。
在一种实施方式中，基于海上风电的海水电解制氢系统还包括氢气合成装置，所述氢气合成装置包括，储二氧化碳容器(CDT)，逆水汽变换器装置(RWGS)、第二水气分离器(SP2)以及储合成气容器(ST)；所述储二氧化碳容器(CDT)的出口与所述逆水汽变换器装置(RWGS)二氧化碳气体进口相连，所述储氢容器(HT)的出口与所述逆水汽变换器装置(RWGS)氢气进口相连，所述逆水汽变换器装置(RWGS)的水气出口与所述第二水气分离器(SP2)的进口相连，所述第二水气分离装置(SP2)的合成气出口与所述储合成气容器(ST)的进气口相连，所述所述第二水气分离装置(SP2)的淡水出口与所述储淡水容器(WT)的进口相连。第二换热器(HX2)排出的富氧空气进入逆水汽变换器装置(RWGS)。
在本实施方式中，通过在系统中增加逆水汽变换器装置(RWGS)，可将电解所生成的氢气与二氧化碳反应，获得碳、氢比精确可调的氢气、一氧化碳合成气产品，该合成气产品可用于费托合成进行碳氢燃料的制取。氢气与CO2转化为合成气，可进一步合成更易储存的甲醇，或其他碳氢化合物。可解决传统可逆氧化物燃料电池制氢所面临的氢气储存成本高、泄露严重、安全性低等的问题。
在本实施方式中，将逆水气变化过程中的副产物水冷凝回收储存，提供给燃料电池作为电解反应物产氢，降低了系统对水的需求与储水系统的复杂度，从而增加系统整体效率与能耗。同时该冷凝回收的水可与固体氧化物电解池尾气回收的水一同作为淡水产品。
在本实施方式中，逆水汽变换器装置(RWGS)中反应压力为3-9MPa(如5-6MPa)。将逆水汽变换器装置(RWGS)中反应压力设为3-9MPa，在保证反应正常进行的情况下，也避免了压力过高对设备造成影响。
在本实施方式中，逆水汽变换器装置中反应温度为200-300℃。将温度设定在200-300℃提升反应速度，缩短反应进程。
在本实施方式中，储氢容器的出口氢气与所述储二氧化碳容器出口二氧化碳气体的体积流量比为1:2-3。即可以根据反应的需要对碳氢比例进行精确控制，易于适宜于后续甲醇等碳氢化合物合成的的合成气。
综上所述，本实用新型提供一种基于海上风电的海水电解制氢系统，系统包括：海水蒸发装置，用于将海水蒸发生成水蒸气；以及固体氧化物电解池电堆，用于将所述水蒸汽电解成氢气及氧气；第一换热装置，所述第一换热装置利用所述固体氧化物电解池电堆混合气出口气体对所述水蒸气进行预热；所述海水蒸发装置的水蒸气出口与所述第一换热装置的水蒸气进口相连，所述第一换热装置的水蒸气出口与所述固体氧化物电解池电堆水蒸气进口相连，所述固体氧化物电解池电堆混合气出口与所述第一换热装置的混合气进口相连，所述第一换热装置的混合气出口与所述海水蒸发装置的混合气进口相连。本实用新型所提供的基于海上风电的海水电解制氢系统，通过选用能够直接利用直流电能的固体氧化物电解池储能，能够克服海上风电供应不稳定、弃风严重、并网复杂(直流交流变换与相位控制)的问题。通过采用真空沸腾式海水蒸发气，降低了海水蒸发的耗能，同时利用固体氧化物电解池的高温尾气用作蒸发器的热源，进一步降低蒸发能耗。将逆水气变化过程中的副产物水冷凝回收储存，提供给燃料电池作为电解反应物产氢，降低了系统对水的需求与储水系统的复杂度，从而增加系统整体效率与能耗。同时该冷凝回收的水可与固体氧化物电解池尾气回收的水一同作为淡水产品。
应当理解的是，本实用新型的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于海上风电的海水电解制氢系统，其特征在于，包括：
海水蒸发装置，用于将海水蒸发生成水蒸气；以及
固体氧化物电解池电堆，用于将所述水蒸气电解成氢气及氧气；
第一换热装置，利用所述固体氧化物电解池电堆的混合气出口的气体对所述水蒸气进行预热；
所述海水蒸发装置的水蒸气出口与所述第一换热装置的水蒸气进口相连，所述第一换热装置的水蒸气出口与所述固体氧化物电解池电堆水蒸气进口相连，所述固体氧化物电解池电堆混合气出口与所述第一换热装置的混合气进口相连，所述第一换热装置的混合气出口与所述海水蒸发装置的混合气进口相连。
2.根据权利要求1所述的基于海上风电的海水电解制氢系统，其特征在于，还包括储氢容器，第一水气分离装置以及储淡水容器；所述第一水气分离装置的水气进口与所述海水蒸发装置的水气出口相连，所述第一水气分离装置的氢气出口与所述储氢容器的进口相连，所述第一水气分离装置的淡水出口与所述储淡水容器相连。
3.根据权利要求2所述的基于海上风电的海水电解制氢系统，其特征在于，还包括氢气合成装置，
所述氢气合成装置包括，储二氧化碳容器，逆水汽变换器装置、第二水气分离器以及储合成气容器；
所述储二氧化碳容器的出口与所述逆水汽变换器装置二氧化碳气体进口相连，所述储氢容器的出口与所述逆水汽变换器装置氢气进口相连，所述逆水汽变换器装置的水气出口与所述第二水气分离器的进口相连，第二水气分离装置的合成气出口与所述储合成气容器的进气口相连，所述第二水气分离装置的淡水出口与所述储淡水容器的进口相连。
4.根据权利要求1所述的基于海上风电的海水电解制氢系统，其特征在于，所述固体氧化物电解池电堆载气入口依次连接有第二换热器以及气泵，载气经过所述气泵压缩后进入所述第二换热器，经第二换热器换热后通过所述载气入口进入所述固体氧化物电解池电堆；所述载气为空气。
5.根据权利要求3所述的基于海上风电的海水电解制氢系统，其特征在于，所述固体氧化物电解池电堆含氧载气出口气体经第二换热器换热后进入所述逆水汽变换器装置。
6.根据权利要求3所述的基于海上风电的海水电解制氢系统，其特征在于，所述逆水汽变换器装置合成气出口与所述第二水气分离装置连接，所述第二水气分离装置的出气口与所述储合成气容器连接，所述第二水气分离装置的淡水出口与所述储淡水容器相连。
7.根据权利要求1所述的基于海上风电的海水电解制氢系统，其特征在于，所述海水蒸发装置为真空沸腾式海水蒸发器、多级闪蒸海水蒸发器或太阳能蒸馏器。
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