高温固体氧化物制氢装置及方法与流程

本发明涉及氢气制备，尤其涉及一种高温固体氧化物制氢装置及方法。

背景技术：

1、氢气是一种能量密度高、清洁无污染的可燃性气体。常见的制氢方式包括借助煤制气、天然气制氢，此种方式在制备的过程中会产生废水、废气、废渣等，得到的氢气也被称为灰氢。此外，也有利用风、光、水等产生可再生电能，之后利用电能转换为化学能的方式进行电解水的制氢方式，此种方式中不会产生温室气体，也不会环境污染，得到的氢气被称为绿氢。

2、目前，制备绿氢的技术主要包括：碱性电解水制氢技术(awe)、质子交换膜电解水制氢技术(pem)、高温固体氧化物电解水制氢技术(soec)。其中，awe及pem技术较为成熟，但综合能耗高，效率低，而soec技术可提供的能源转化效率最高接近100％，节省用电成本近30％，且无需使用贵金属催化剂，成本低廉，具有广阔的发展前景。

3、现有的soec技术主要是利用清洁一次能源产生的电能和热能，以h2o和/或co2为原料，通过高效电解制备氢气或碳氢燃料，其中，在制备过程中，需要在提供h2o的蒸汽侧通入5-30％的氢气进行还原气氛保护，防止催化剂氧化，从而提高soec电堆的寿命。

4、然而，在现有的soec技术中，如果将soec电堆产生的氢气循环通入蒸汽侧，则氢气需要先降温至常温，之后通过氢气纯化和压缩装置进入储氢罐，再通过调节阀通入蒸汽炉进行混合，而氢气压缩装置和储氢罐体积较大，会占据过多的空间，而且效率低、功耗高，会极大的影响制氢系统的效率。如果将外部设备的氢气通入蒸汽侧，则需要对氢气进行升温，此时，会增加入口加热器的功率，也会影响制氢系统的效率，同时系统综合成本较高。

技术实现思路

1、本发明提供一种高温固体氧化物制氢装置及方法，用以解决现有技术中在利用soec技术制备氢气的过程中，利用soec电堆产生的氢气进行循环时效率低以及功耗高的缺陷。

2、根据本发明的第一方面，提供一种高温固体氧化物制氢装置，包括：

3、蒸汽输入侧、空气输入侧和soec电堆，所述蒸汽输入侧和所述空气输入侧均连接至所述soec电堆，所述蒸汽输入侧用于将水蒸气和氢气的混合气体输送至所述soec电堆，所述空气输入侧用于将空气输送至所述soec电堆，其中，

4、所述蒸汽输入侧包括引射器，所述引射器包括主引流入口、侧引流入口和混合气体出口，所述主引流入口用于接收高温蒸汽，所述侧引流入口连接至所述soec电堆的氢气极出口，所述混合气体出口直接连接至所述soec电堆。

5、根据本发明提供的一种高温固体氧化物制氢装置，所述蒸汽输入侧包括：储水箱、水泵、蒸汽发生器和蒸汽换热器，所述储水箱、所述水泵、所述蒸汽发生器和所述蒸汽换热器依次连接，并且所述蒸汽换热器的输出端连接至所述引射器的主引流入口。

6、根据本发明提供的一种高温固体氧化物制氢装置，所述蒸汽输入侧还包括：蒸汽加热器，所述蒸汽加热器的一端连接至所述引射器的所述混合气体出口，另一端连接至所述soec电堆。

7、根据本发明提供的一种高温固体氧化物制氢装置，所述蒸汽输入侧还包括：冷凝器和汽水分离器，所述蒸汽换热器、所述冷凝器、所述汽水分离器和所述储水箱依次连接，所述soec电堆的氢气极出口还连接至所述蒸汽换热器。

8、根据本发明提供的一种高温固体氧化物制氢装置，所述空气输入侧包括：空气过滤器、鼓风机和空气加热器，所述空气过滤器、所述鼓风机和所述空气加热器依次连接，所述空气加热器连接至所述soec电堆。

9、根据本发明提供的一种高温固体氧化物制氢装置，所述空气输入侧还包括：空气换热器，所述空气换热器连接于所述鼓风机和所述空气加热器之间，所述soec电堆的空气极出口连接至所述空气换热器。

10、根据本发明提供的一种高温固体氧化物制氢装置，所述空气输入侧还包括：附加引射器，所述附加引射器包括附加主引流入口、附加侧引流入口和附加出口，所述附加主引流入口用于接收来自于所述空气换热器的空气，所述侧引流入口连接至所述soec电堆的空气极出口，所述附加出口连接至所述空气加热器。

11、根据本发明提供的一种高温固体氧化物制氢装置，引射器包括喷嘴和本体，所述本体构造为筒状结构，所述本体沿其长度方向包括依次连接的收缩部、混合部和扩散部，所述收缩部的内径在靠近混合部的方向上逐渐变小，所述扩散部的内径在远离混合部的方向上逐渐变大，所述喷嘴插设在所述收缩部中，所述主引流入口连接至所述喷嘴，侧引流入口贯穿连接至所述收缩部的内腔中，所述混合气体出口连接至所述扩散部远离所述混合部的一端。

12、根据本发明的第二方面，提供一种高温固体氧化物制氢方法，所述方法用于根据本发明的第一方面中任意一项所述的高温固体氧化物制氢装置，包括：

13、将soec电堆产出的5-30％氢气引入蒸汽输入侧的引射器中与蒸汽混合，之后，将混合气体一起输送至soec电堆以提供保护气氛。

14、根据本发明提供的一种高温固体氧化物制氢方法，包括：

15、水泵从储水箱中抽取液态水输送至蒸汽发生器，蒸汽发生器将液态水转化为水蒸气，水蒸气进入蒸汽换热器中与soec电堆产出的氢气进行换热，换热后的水蒸气进入引射器中与soec电堆产出的部分氢气进行引射混合，之后，混合气输送至蒸汽加热器进行加热，加热后的混合气输送至soec电堆；

16、鼓风机抽取外部的空气并输送至空气换热器，来自于外部的空气在空气换热器中与soec电堆产出的氧气进行换热，换热后的空气进入空气加热器进行加热，加热后的空气输送至soec电堆。

17、本发明提供的高温固体氧化物制氢装置，通过利用引射器将出堆的部分高温氢气直接与入堆蒸汽混合，并输送至soec电堆，可以降低氢气压缩量，相比于传统压缩后再引入的方式，不需要引入外部的常温氢气，可以降低后端氢气压缩量，降低氢气压缩机功率，能够降低系统整体功耗，提高生产效率；而且，降低了对氢气进行加热的需求，可以降低入堆前蒸汽加热器的功率，进而提高系统效率；同时，引射器仅为机械部件，体积小巧，不需要适配电控设备，且设置在电堆附近，因此可以直接集成于系统热箱内部，有利于降低系统体积，可以大大降低系统质量；此外，引射器仅为机械部件，批量化生产难度小，可大大降低系统成本。

技术特征：

1.一种高温固体氧化物制氢装置，其特征在于，包括：蒸汽输入侧、空气输入侧和soec电堆，所述蒸汽输入侧和所述空气输入侧均连接至所述soec电堆，所述蒸汽输入侧用于将水蒸气和氢气的混合气体输送至所述soec电堆，所述空气输入侧用于将空气输送至所述soec电堆，其中，

2.根据权利要求1所述的高温固体氧化物制氢装置，其特征在于，所述蒸汽输入侧包括：储水箱、水泵、蒸汽发生器和蒸汽换热器，所述储水箱、所述水泵、所述蒸汽发生器和所述蒸汽换热器依次连接，并且所述蒸汽换热器的输出端连接至所述引射器的主引流入口。

3.根据权利要求2所述的高温固体氧化物制氢装置，其特征在于，所述蒸汽输入侧还包括：蒸汽加热器，所述蒸汽加热器的一端连接至所述引射器的所述混合气体出口，另一端连接至所述soec电堆。

4.根据权利要求2所述的高温固体氧化物制氢装置，其特征在于，所述蒸汽输入侧还包括：冷凝器和汽水分离器，所述蒸汽换热器、所述冷凝器、所述汽水分离器和所述储水箱依次连接，所述soec电堆的氢气极出口还连接至所述蒸汽换热器。

5.根据权利要求1所述的高温固体氧化物制氢装置，其特征在于，所述空气输入侧包括：空气过滤器、鼓风机和空气加热器，所述空气过滤器、所述鼓风机和所述空气加热器依次连接，所述空气加热器连接至所述soec电堆。

6.根据权利要求5所述的高温固体氧化物制氢装置，其特征在于，所述空气输入侧还包括：空气换热器，所述空气换热器连接于所述鼓风机和所述空气加热器之间，所述soec电堆的空气极出口连接至所述空气换热器。

7.根据权利要求6所述的高温固体氧化物制氢装置，其特征在于，所述空气输入侧还包括：附加引射器，所述附加引射器包括附加主引流入口、附加侧引流入口和附加出口，所述附加主引流入口用于接收来自于所述空气换热器的空气，所述侧引流入口连接至所述soec电堆的空气极出口，所述附加出口连接至所述空气加热器。

8.根据权利要求1所述的高温固体氧化物制氢装置，其特征在于，引射器包括喷嘴和本体，所述本体构造为筒状结构，所述本体沿其长度方向包括依次连接的收缩部、混合部和扩散部，所述收缩部的内径在靠近混合部的方向上逐渐变小，所述扩散部的内径在远离混合部的方向上逐渐变大，所述喷嘴插设在所述收缩部中，所述主引流入口连接至所述喷嘴，侧引流入口贯穿连接至所述收缩部的内腔中，所述混合气体出口连接至所述扩散部远离所述混合部的一端。

9.一种高温固体氧化物制氢方法，所述方法用于如权利要求1至8中任意一项所述的高温固体氧化物制氢装置，其特征在于，包括：

10.根据权利要求9所述的高温固体氧化物制氢方法，其特征在于，包括：水泵从储水箱中抽取液态水输送至蒸汽发生器，蒸汽发生器将液态水转化为水蒸气，水蒸气进入蒸汽换热器中与soec电堆产出的氢气进行换热，换热后的水蒸气进入引射器中与soec电堆产出的部分氢气进行引射混合，之后，混合气输送至蒸汽加热器进行加热，加热后的混合气输送至soec电堆；

技术总结本发明提供一种高温固体氧化物制氢装置及方法，涉及氢气制备技术领域，该装置包括：蒸汽输入侧、空气输入侧和SOEC电堆，蒸汽输入侧和空气输入侧均连接至SOEC电堆，蒸汽输入侧用于将水蒸气和氢气输送至SOEC电堆，空气输入侧用于将空气输送至SOEC电堆，蒸汽输入侧包括引射器，引射器包括主引流入口、侧引流入口和混合气体出口，主引流入口用于接收高温蒸汽，侧引流入口连接至SOEC电堆的氢气极出口，混合气体出口直接连接至SOEC电堆。由此，不用引入外部的常温氢气，能降低后端氢气压缩量、氢气压缩机功率和系统整体功耗；而且降低了对氢气进行加热的需求，可以降低入堆前蒸汽加热器的功率，进一步提高系统效率。技术研发人员：辛小超,姜丰,刘瑛,赵洋洋,冉霞受保护的技术使用者：紫金矿业新能源新材料科技（长沙）有限公司技术研发日：技术公布日：2024/5/19