[发明专利]一种基于小型氟盐冷却高温堆的高效制氢与发电耦合系统

说明书

本发明公开了一种基于小型氟盐冷却高温堆的高效制氢与发电耦合系统，包括小型氟盐冷却高温堆、固体氧化物电解池制氢系统和超临界二氧化碳发电系统三者的耦合系统。小型氟盐冷却高温堆作为系统热源，提供700℃高温氟盐；固体氧化物电解池制氢系统利用700℃高温预热气体同时为电堆保温，实现高效制氢；超临界二氧化碳系统利于制氢排气的余热加热二氧化碳，提高发电效率，还可以利用分流比例灵活调整发电和制氢比例，适应发电系统快速变工况。本发明提供了以小型氟盐冷却高温堆为热源的高温制氢和发电的高效耦合方案，有助于推动我国新型能量转换系统的发展。

技术领域

本发明属于新型多用途能量转换系统设计领域，具体涉及一种基于小型氟盐冷却高温堆的高效制氢与发电耦合系统。

背景技术

氟盐冷却高温堆具有高温运行、固有安全、结构紧凑等特点，可以达到700℃高温，适合用于高温发电及高温工艺。超临界二氧化碳发电系统作为新型能量转换系统具有效率高，适应性好，结构紧凑等特点，可以耦合氟盐冷却高温堆组成高效发电系统。固体氧化物电解池高温制氢系统可以实现高效、环保、绿色制氢，是目前效率最高，最有希望大规模应用的制氢方式。

但目前针对上述三者的研究相对独立，而且固体氧化物制氢需要700℃高温热源和高温气体，在平常工业系统中难以达到这种条件，而氟盐堆温度可达700℃，二者十分契合；另外小型氟盐冷却高温堆耦合超临界二氧化碳发电系统的变负荷需要堆侧的流量和温度调控，不利于堆侧的安全稳定运行。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于小型氟盐冷却高温堆的高效制氢与发电耦合系统，该系统以氟盐冷却高温堆为热源，同时耦合超临界二氧化碳发电系统与固体氧化物电解池制氢系统；固体氧化物电解池制氢系统中利用高温氟盐为电堆保温以及加热水和氮气，同时利用电堆高温排气预热水和氮气；超临界二氧化碳发电系统中有效利用中温排气预热二氧化碳提高系统发电效率；另外，通过分流阀开度调控发电量和制氢量比例，可以实现更安全稳定的发电系统变负荷控制。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于小型氟盐冷却高温堆的高效制氢与发电耦合系统，包括小型氟盐冷却高温堆、超临界二氧化碳发电系统和固体氧化物电解池制氢系统；其中小型氟盐冷却高温堆中熔融盐换热器2的高温氟盐用于加热制氢所需的高温气体并为电堆保温，同时也用于加热发电所需的高温高压超临界二氧化碳，通过分流阀14控制发电量与制氢量的比例，使得发电系统变工况运行时不需要堆侧控制；固体氧化物电解池制氢系统出口气体的余热先用于预热进入电堆的气体，排气用于超临界二氧化碳的预热，充分利用不同品味的热量，提高系统整体效率；

所述小型氟盐冷却高温堆包括小型氟盐冷却高温堆堆芯1、熔融盐换热器2和分流阀14；

所述固体氧化物电解池制氢系统包括低温气体预热器4、高温气体预热器5、电堆6、预冷器9和氢气容器13；

所述超临界二氧化碳发电系统包括预冷器9、主压缩机10、再压缩机11、低温回热器8、高温回热器7、熔盐—CO₂换热器3和透平12；

所述小型氟盐冷却高温堆堆芯1工质入口与熔融盐换热器2热侧工质出口相连通，小型氟盐冷却高温堆堆芯1工质出口与熔融盐换热器2热侧工质入口相连通；熔融盐换热器2冷侧工质入口同时与熔盐—CO₂换热器3热侧工质出口、高温气体预热器5热侧工质出口和电堆6相连，熔融盐换热器2冷侧工质出口通过分流阀14同时与熔盐—CO₂换热器3热侧工质入口、高温气体预热器5热侧工质入口和电堆6相连；

低温气体预热器4冷侧出口与高温气体预热器5冷侧入口相连，高温气体预热器5氮气侧出口与电堆6阴极入口相连，水蒸气侧出口与电堆6阳极入口相连，电堆6阳极出口和阴极出口与低温气体预热器4热侧工质入口相连，低温气体预热器4氢气侧出口与低温回热器8氢气侧入口相连，低温回热器8氢气侧出口与预冷器9氢气侧入口相连，预冷器9氢气侧出口与氢气容器13相连；