[发明专利]一种可连续稳定运行的高温电解制氢系统、方法及其应用

说明书

本发明公开一种可连续稳定运行的高温电解制氢系统、方法及其应用。该系统主要由光伏电池阵列、太阳能集热器、可逆固体氧化物电解制氢单元、蓄电池、电蒸汽发生器、三元熔盐储热罐、蒸汽发生器和储氢单元组成。在该制氢系统中，日照足时，光伏电池阵列为可逆固体氧化物电解制氢单元及电热设备提供电能，剩余电能存储于蓄电池，储热罐储存太阳能集热器吸收的热量并随时为电解制氢过程提供蒸汽；日照不足时，蓄电池与储热罐装置分别为制氢单元及电热设备提供电能与热能，维持制氢单元工作。该系统将太阳能驱动高温固体氧化物电解制氢与三元熔盐储热、蓄电池技术耦合集成，实现可逆固体氧化物电解制氢单元在太阳能驱动下连续、稳定制氢。

技术领域

本发明属于高温电解制氢和太阳能利用领域，特别涉及一种太阳能驱动的可连续稳定运行的高温电解制氢系统；具体说是一种可连续稳定运行的高温电解制氢系统、方法及其应用。

背景技术

随着化石能源的使用所导致的能源枯竭、气候变化、环境污染等问题日益严重，新能源的使用在世界范围内逐渐推广开来。其中，氢能作为一种高效、清洁的二次能源，得到了广泛的发展。电解水制氢因其制备过程和产物中无污染物排放而被认为是最洁净的制氢方法。目前，电解水制氢技术主要采用低温电解水制氢，能耗高。而固体氧化物电解技术是在高温环境(600～1000℃)下运行，可加快电极反应速率，有效减少电解过程中的能量损失，电堆电解效率可达90％以上，是一种高效的能量转化装置。在我国双碳战略目标下，利用太阳能等可再生能源所产生的电能作为动力来驱动电解水制氢的技术具有较大的发展潜力，但由于太阳光具有波动性和不稳定性，太阳能无法作为稳定的电能、热能的来源，不足以支持制氢设备长期、连续、稳定地运行。

目前，针对以上问题，现有技术提供了部分解决方案。2021年6月11日公布的发明专利CN 112944697 A中，涉及一种太阳能光热/光伏综合能源梯级利用系统，太阳能光热通过定日镜场和吸热器将太阳能转换为热能，并将此热能通过换热系统以换热介质热能的形式在循环过程中用于不同温度下的梯级利用光伏电池阵列以直接发电和通过电解水制取氢气的形式进行太阳能高效转换。电解水制氢系统为碱性电解、质子交换膜电解、高温电解等其中之一或其组成。所述的太阳能光热/光伏综合能源系统可实现连续稳定高效梯级运行，提高太阳能的能量利用效率。该系统中，虽然通过储热装置储存了太阳能转化的热能，但未设置储电装置及相应的控制策略，光伏电池阵列产生的电能无法储存，无法连续稳定为电解池供电。当太阳辐照波动或者无太阳辐照时，高温储热器放热，此时光伏电池阵列不再发电及制氢。同时，专利中并未对电解制氢系统的待机模式进行设计。

2020年5月12日公布的发明专利CN 111139493 A中，涉及一种太阳能光伏光热高温电解水制氢系统及制氢方法，对于制出的高温氢气及高温氧气进行了两次换热，充分利用了高温电解池在大电流下电解水生成的高温气体的热量，提升了太阳能电解水系统的效率。该系统耦合了光伏光热及高温电解，合理利用太阳能制氢，避免了太阳能直接发电的不稳定性。合理利用目前成熟的光热技术解决目前低温产氢效率低，不环保等问题。该系统中，储热装置连接高温蒸汽发生器，能够为固体氧化物电解池提供800°高温水蒸气，从而为氢气与氧气降温，但同样未设置储电装置，无法储存光伏电池阵列产生的电能，当太阳能辐射不足时，由于没有电能来源，不能实现连续稳定为电解池供电，进而电解水制氢系统不可连续运行。

2017年6月23日公布的发明专利2020年5月12日公布的发明专利CN 106884179 A中，涉及一种基于槽式太阳能的电解水蒸汽装置。给水泵将水泵入槽式太阳能热利用子系统，将水加热为高温水蒸气，得到高温水蒸气送至电解子系统，电解子系统的电解池和辅助加热器所需要的电能来自于光伏阵列或蓄电池。利用槽式聚光太阳能将水加热成高温水蒸气，再利用太阳能光伏发电，电解高温水蒸气，得到氢气和氧气。该装置设置了蓄电池储存光伏阵列产生的电能，但若保证长期连续运行，所需蓄电池的容量较大，导致成本过高。相较储电系统，设置储热系统成本更低。此发明着重于水蒸气的高效转化，并未详细涉及电解系统的连续运行。