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

技术特征：
1.一种基于小型氟盐冷却高温堆的高效制氢与发电耦合系统，其特征在于，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；高温回热器(7)热侧工质入口与透平(12)出口相连，高温回热器(7)热侧工质出口与低温回热器(8)热侧工质入口相连，高温回热器(7)冷侧工质入口同时与低温回热器(8)冷侧工质出口和再压缩机(11)出口相连，高温回热器(7)冷侧工质出口与熔盐—co2换热器(3)冷侧工质入口相连，熔盐—co2换热器(3)冷侧工质出口与透平(12)入口相连；低温回热器(8)冷侧工质入口与主压缩机(10)出口相连，低温回热器(8)热侧工质出口同时与预冷器(9)入口和再压缩机(11)入口相连，预冷器(9)出口与主压缩机(10)入口相连。2.根据权利要求1所述的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，其特征在于：氮气和水分别通入所述低温气体预热器(4)冷侧入口经电堆(6)高温排气加热，再进入高温气体预热器(5)经热侧氟盐加热为高温氮气和水蒸气，分别通入电堆(6)阴极和阳极，经电解制氢后电堆(6)阳极出口为高温氢气，阴极出口为高温氮气和氧气混合物，高温气体再分别通入低温气体预热器(4)热侧利用余热加热电堆(6)入口气体，低温气体预热器(4)出口的氮气和氧气混合物直接排放，出口的氢气通入低温回热器(8)预热二氧化碳，再进入预冷器(9)冷却后进入氢气容器(13)储存。3.根据权利要求1所述的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，其特征在于：高温flibe从小型氟盐冷却高温堆堆芯(1)出口进入熔融盐换热器(2)热侧加
热低温flinak，低温flibe从熔融盐换热器(2)冷侧出口进入小型氟盐冷却高温堆堆芯(1)循环；经加热的高温flinak从熔融盐换热器(2)冷侧出口进入分流阀(14)，通过调整分流阀(14)开度改变进入超临界二氧化碳发电系统和固体氧化物电解池制氢系统的高温flinak的流量，配合固体氧化物电解池制氢系统中水和氮气流量的变化实现对制氢量的控制，配合超临界二氧化碳发电系统中二氧化碳流量的变化实现对发电量的控制，不需要堆芯侧的控制。4.根据权利要求1所述的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，其特征在于：超临界二氧化碳在主压缩机(10)中升压，依次在低温回热器(8)、高温回热器(7)、熔盐—co2换热器(3)中吸热后成为高温高压二氧化碳，然后高温高压二氧化碳进入透平(12)膨胀做功，透平(12)排气依次在高温回热器(7)、低温回热器(8)中放热后分流，一股经再压缩机(11)升压后汇入高温回热器(7)冷侧工质入口，另一股在预冷器(9)中冷却后进入主压缩机(10)，完成闭合循环。5.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述熔融盐换热器(2)冷侧出口温度为700℃，冷侧入口温度为600℃；所述电堆(6)需要维持在700℃，入口气体保持700℃。

技术总结
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。能量转换系统的发展。能量转换系统的发展。


技术研发人员：赵星宇 赵全斌 种道彤 李博涵 王进仕 陈伟雄 严俊杰
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2022.03.31
技术公布日：2022/8/1