高温固体氧化物制氢系统及其电解控制方法与流程

本发明属于高温固体氧化物制氢，尤其是涉及一种高温固体氧化物制氢系统及其电解控制方法。

背景技术：

1、制氢主要来源化石燃料制氢、工业副产制氢和电解水制氢。化石燃料制氢技术成熟度高，成本低，以煤和天然气制氢为主，制氢过程中会排出二氧化碳等温室气体。工业副产制氢是指以包含氢气的工业尾气为原料，通过变压吸附法回收提纯制氢。电解水制氢是指通过直流电将水分子分解为氢气和氧气，所产生的氢气纯度高，是未来最主要的绿氢生产方式。电解水制氢的技术主要包括碱性水电解、质子膜纯水电解、固态氧化物电解三种技术路线。其中高温固体氧化物电解水(soec)效率高，无污染，即可电解水也可以电解co2从而实现零碳和负碳；高温固体氧化物燃料电池可以与风电、光伏、核电厂和钢铁厂联合，利用余热、余电及余蒸汽进行电解，对废余资源进行利用，降低了能量消耗，同时电解出的氢气可以进行储存、运输。soec工作运行温度在600℃-1000℃，其高温运行一方面降低电解过程中的电能需求，另一方面较高的运行温度给电堆的热管理带来了巨大的挑战。

2、固体氧化物电解制氢系统的电解过程中，系统会经过吸热、热平衡和放热三种工况，会导致温度变化明显、温度梯度和温度变化速率较大，从而造成制氢效率低的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种高温固体氧化物制氢系统及其电解控制方法，至少部分的解决现有技术中存在的制氢效率低的问题。

2、第一方面，本公开实施例提供了一种高温固体氧化物制氢系统的电解控制方法，包括：

3、检测电堆空气侧出口温度变化速率，当电堆空气侧出口温度变化速率小于第一设定值时，则增加电加热器出口温度设定值；当电加热器出口温度达到最大目标设定值，电堆空气侧出口温度变化速率仍然小于第一设定值时，且电堆入口压力和电堆的压差在设定范围内，则增大电堆入口空气流量；

4、当电堆空气侧出口温度变化速率在第一设定值和设定限值之间时，电加热器出口温度设定值维持不变，空气流量不变；

5、当电堆空气侧出口温度变化速率大于设定限值时，降低电加热器出口温度设定值至第二设定值，所述第二设定值小于最大目标设定值，如果电堆空气侧出口温度变化速率还大于设定限值，且电堆入口压力和电堆的压差在设定范围内，则降低电堆入口空气流量。

6、可选的，所述检测电堆空气侧出口温度变化速率的步骤之前，还包括：

7、获取电堆电堆燃气侧入口温度t1、电堆燃气侧出口温度t2、电堆空气侧入口温度t4、电堆空气侧出口温度t5、电堆最小工作温度tsmin、电堆空气侧出口温度变化速率δ5、电堆空气侧入口温度允许值tainp、电堆出口温度tout和电堆的温差δt。

8、可选的，电堆出口温度tout中，tout＝min(t2，t5)；电堆的温差δt中，δt＝max(t1，t2，t4，t5)-min(t1，t2，t4，t5)。

9、可选的，所述检测电堆空气侧出口温度变化速率的步骤之前，还包括：

10、判断电堆空气侧入口温度允许值tainp和电堆的温差δt，如电堆空气侧入口温度允许值tainp小于电堆的温差δt，则降低电解电流；

11、如电堆空气侧入口温度允许值tainp不小于电堆的温差δt，则判断电堆空气侧出口温度变化速率δ5与第一设定值的大小。

12、可选的，所述第二设定值为tsmin+20℃。

13、可选的，所述检测电堆空气侧出口温度变化速率的步骤之前，还包括：

14、根据电堆出口温度tout获得电堆固定温差限定值δtlimit，获取电堆空气侧出口温度变化速率限制值δaolim、空气电加热器出口温度的最高设定值tahmax、电堆空气侧入口压力的限定值painlim和电堆压差限定值δplimit。

15、可选的，所述检测电堆空气侧出口温度变化速率的步骤之前，还包括：

16、获取电堆空气侧入口压力p5、电堆空气侧出口压力p4、电堆燃气侧入口压力p1、电堆燃气侧出口压力p2、电堆最大压力pmax、电堆最小压力pmin和电堆的压差δp，所述设定范围为电堆空气侧入口压力p5＜电堆空气侧入口压力的限定值painlim，电堆的压差δp＜电堆压差限定值δplimit。

17、可选的，电堆最大压力pmax＝max(p1，p2，p4，p5)，电堆最小压力pmin＝min(p1，p2，p4，p5)，电堆的压差δp＝pmax-pmin。

18、可选的，所述第一设定值为0℃/min。

19、第二方面，本公开实施例还提供了一种高温固体氧化物制氢系统，使用第一方面任一所述的高温固体氧化物制氢系统的电解控制方法。

20、本发明提供的高温固体氧化物制氢系统的电解控制方法及高温固体氧化物制氢系统，其中该高温固体氧化物制氢系统的电解控制方法，通过在吸热状态增加电加热器的出口温度和空气流量，提供电堆足够的热量，在放热状态降低电加热器的出口温度，降低空气流量，减少电加热器的电能消耗，从而达到提高制氢效率的目的。

技术特征：

1.一种高温固体氧化物制氢系统的电解控制方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的高温固体氧化物制氢系统的电解控制方法，其特征在于，所述检测电堆空气侧出口温度变化速率的步骤之前，还包括：

3.根据权利要求2所述的高温固体氧化物制氢系统的电解控制方法，其特征在于，电堆出口温度tout中，tout＝min(t2，t5)；电堆的温差δt中，δt＝max(t1，t2，t4，t5)-min(t1，t2，t4，t5)。

4.根据权利要求2所述的高温固体氧化物制氢系统的电解控制方法，其特征在于，所述检测电堆空气侧出口温度变化速率的步骤之前，还包括：

5.根据权利要求2所述的高温固体氧化物制氢系统的电解控制方法，其特征在于，所述第二设定值为tsmin+20℃。

6.根据权利要求2所述的高温固体氧化物制氢系统的电解控制方法，其特征在于，所述检测电堆空气侧出口温度变化速率的步骤之前，还包括：

7.根据权利要求6所述的高温固体氧化物制氢系统的电解控制方法，其特征在于，所述检测电堆空气侧出口温度变化速率的步骤之前，还包括：

8.根据权利要求7所述的高温固体氧化物制氢系统的电解控制方法，其特征在于，电堆最大压力pmax＝max(p1，p2，p4，p5)，电堆最小压力pmin＝min(p1，p2，p4，p5)，电堆的压差δp＝pmax-pmin。

9.根据权利要求1所述的高温固体氧化物制氢系统的电解控制方法，其特征在于，所述第一设定值为0℃/min。

10.一种高温固体氧化物制氢系统，其特征在于，使用权利要求1至9任一所述的高温固体氧化物制氢系统的电解控制方法。

技术总结本发明提供了一种高温固体氧化物制氢系统及其电解控制方法。其中，高温固体氧化物制氢系统的电解控制方法，包括：检测电堆空气侧出口温度变化速率，当电堆空气侧出口温度变化速率小于第一设定值时，则增加电加热器出口温度设定值，增大电堆入口空气流量；当电堆空气侧出口温度变化速率在第一设定值和设定限值之间时，电加热器出口温度设定值维持不变；当电堆空气侧出口温度变化速率大于设定限值时，降低电加热器出口温度设定值至第二设定值，降低电堆入口空气流量。达到提高制氢效率的目的。技术研发人员：于霄,张耀东,陈有鹏,胡浩然受保护的技术使用者：北京思伟特新能源科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/2