一种高温电解水制氢集成热部件及工作方法与流程

本发明涉及能源工程，具体为一种高温电解水制氢集成热部件及工作方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、高温电解水制氢，是以固体氧化物电解池为核心，需要利用热部件（工作在较高温度的部件）得到高温蒸汽和空气制取氢气，常规的热部件为多个单独部件构成的高温电解水制氢系统，受到热损耗的影响，水预热器难以完全蒸发液态水，需要增加蒸汽生成器，蒸汽生成器使用外部热源，增加了系统能耗；同时蒸汽同流换热器冷侧入口温度较高，无法充分利用电解槽产气的热量，系统效率较低。

3、如果热部件采用集成化的布置，则加热器、预热器等部件之间的密封性、传热效率、热量损失、装配及维护的难易程度难以兼顾。

技术实现思路

1、为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种高温电解水制氢集成热部件及工作方法，蒸汽加热器位于中心位置，空气加热器与蒸汽预热器组成的环状结构设在蒸汽加热器的外侧上半部分，空气预热器与蒸汽发生器组成环状结构设在蒸汽加热器的外侧下半部分；空气加热器与蒸汽预热器和空气预热器与蒸汽发生器形成交叉排布的方式。在与固体氧化物电解池联合使用时，具有体积小，集成度高，功率密度大，装配便利的特点，且可以对流量及温度进行精确调节以满足工况变化需求。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明的第一个方面提供一种高温电解水制氢集成热部件，包括呈圆柱型且垂直布置的蒸汽加热器，具有上半部分和下半部分，上半部分连接第一子部件，下半部分连接第二子部件；第一子部件包括形成环状结构的空气加热器与蒸汽预热器；第二子部件包括形成环状结构的空气预热器与蒸汽发生器；第一子部件和第二子部件的直径方向相互交叉。

4、进一步的，空气加热器呈半圆环结构，具有空气加热器入口以及空气加热器出口管，空气加热器入口位于半圆环结构的其中一个端面上，空气加热器出口管位于半圆环结构另一个端面上；空气加热器入口与空气预热器的空气侧出口连接。

5、进一步的，空气预热器呈半圆环结构，具有套接在一起的空气腔和尾气腔，尾气腔位于空气腔内部，半圆环结构其中一个端面上设有空气侧入口管和空气尾气侧出口管，另一个端面上设有空气侧出口以及空气尾气侧入口；空气侧入口管和空气侧出口与空气腔连通，空气尾气侧出口管和空气尾气侧入口与尾气腔连通。

6、进一步的，空气预热器的空气侧出口和空气加热器的入口连接，空气尾气侧入口与蒸汽预热器的空气尾气侧出口连接。

7、进一步的，蒸汽发生器呈半圆环结构，具有套接在一起的电解产气腔和混合气腔，电解产气腔位于混合气腔内部，半圆环结构其中一个端面上设有蒸汽发生器蒸汽侧出口，另一个端面上设有水入口管、氢气入口管和电解产气出口管，半圆环结构圆周外侧设有电解产气入口管；蒸汽发生器的电解产气出口管和电解产气入口管与电解产气腔连通，蒸汽发生器的蒸汽侧出口、水入口管和氢气入口管与混合气腔连通。

8、进一步的，蒸汽发生器的蒸汽侧出口与蒸汽预热器的蒸汽侧入口连接。

9、进一步的，蒸汽预热器呈半圆环结构，具有套接在一起的尾气腔和蒸汽腔，尾气腔位于蒸汽腔内部；半圆环结构其中一个端面上设有蒸汽预热器空气尾气侧入口管，另一个端面上设有蒸汽预热器空气尾气侧出口和蒸汽预热器蒸汽侧入口，圆周内侧设有蒸汽预热器蒸汽侧出口；蒸汽预热器的空气尾气侧出口和空气尾气侧入口管均与尾气腔连通，蒸汽预热器的蒸汽侧入口和蒸汽侧出口均与蒸汽腔连通。

10、进一步的，蒸汽预热器的蒸汽侧入口和蒸汽发生器中的蒸汽侧出口连接，含氢蒸汽经蒸汽预热器蒸汽侧入口进入蒸汽预热器。

11、进一步的，蒸汽加热器呈圆柱型，一端设有蒸汽出口管，另一端的圆周外侧设有蒸汽入口；蒸汽入口与蒸汽预热器中的蒸汽侧出口连接，蒸汽出口管用于与固体氧化物电解池连接。

12、本发明的第二个方面提供一种高温电解水制氢集成热部件的工作方法，包括以下步骤：

13、高温电解产气进入蒸汽发生器，利用高温电解产气的热量加热水和氢气，形成的含氢蒸汽进入蒸汽预热器，利用固体氧化物电解池排出的空气尾气中的热量加热含氢蒸汽，加热后的含氢蒸汽通过蒸汽加热器二次升温，达到固体氧化物电解池所需温度后，得到满足需求的混合蒸汽，并进入固体氧化物电解池；释放热量后的高温电解产气排出蒸汽发生器；

14、固体氧化物电解池排出的空气尾气释放热量后，经蒸汽预热器送入空气预热器，用于加热空气；空气依次经过空气预热器和空气加热器，升温到固体氧化物电解池所需的温度，进入固体氧化物电解池。

15、与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

16、1、以蒸汽加热器为中心轴，空气加热器与蒸汽预热器环绕在蒸汽加热器上半部分，空气预热器与蒸汽发生器环绕在蒸汽加热器下半部分，上下两个部分的部件形成交叉套筒式的排列方式，使得除蒸汽加热器以外的其余部件形成半圆环筒式的结构，有利于释放热膨胀产生的应力，并且能够减少各部件外露的表面积，还能够尽可能的缩短各部件之间的连接路径，同时，装配和维护的过程简单，不需要复杂的对中或是找正过程，确保管口连接可靠即可。

17、2、对于氢气和水的混合物，分别以电解产气和空气尾气为热源进行二次加热后，再利用位于中心轴处的蒸汽加热器，得到满足需求的混合蒸汽；对于空气，则利用空气尾气放热后的残余热量进行一次升温，再利用空气加热器二次升温，得到满足固体氧化物电解池所需的温度的空气，形成了尾气热能的多级换热利用，减少额外的加热功率需求，降低制氢能耗。

18、3、热部件集成度高，体积小，功率密度大，各部件之间通过外壳上的管口直接相连，省去了额外的连接管路，有助于降低压降损失；高度集成化的结构能够大幅减少部件的外露表面积，有助于减少热量散失，提高换热效率。

技术特征：

1.一种高温电解水制氢集成热部件，其特征在于，包括呈圆柱型且垂直布置的蒸汽加热器，具有上半部分和下半部分，上半部分连接第一子部件，下半部分连接第二子部件；第一子部件包括形成环状结构的空气加热器与蒸汽预热器；第二子部件包括形成环状结构的空气预热器与蒸汽发生器；第一子部件和第二子部件的直径方向相互交叉。

2.如权利要求1所述的一种高温电解水制氢集成热部件，其特征在于，所述空气加热器呈半圆环结构，具有空气加热器入口以及空气加热器出口管，空气加热器入口位于半圆环结构的其中一个端面上，空气加热器出口管位于半圆环结构另一个端面上；空气加热器入口与空气预热器的空气侧出口连接。

3.如权利要求1所述的一种高温电解水制氢集成热部件，其特征在于，所述空气预热器呈半圆环结构，具有套接在一起的空气腔和尾气腔，尾气腔位于空气腔内部，半圆环结构其中一个端面上设有空气侧入口管和空气尾气侧出口管，另一个端面上设有空气侧出口以及空气尾气侧入口；空气侧入口管和空气侧出口与空气腔连通，空气尾气侧出口管和空气尾气侧入口与尾气腔连通。

4.如权利要求3所述的一种高温电解水制氢集成热部件，其特征在于，所述空气预热器的空气侧出口和空气加热器的入口连接，空气尾气侧入口与蒸汽预热器的空气尾气侧出口连接。

5.如权利要求1所述的一种高温电解水制氢集成热部件，其特征在于，所述蒸汽发生器呈半圆环结构，具有套接在一起的电解产气腔和混合气腔，电解产气腔位于混合气腔内部，半圆环结构其中一个端面上设有蒸汽发生器蒸汽侧出口，另一个端面上设有水入口管、氢气入口管和电解产气出口管，半圆环结构圆周外侧设有电解产气入口管；蒸汽发生器的电解产气出口管和电解产气入口管与电解产气腔连通，蒸汽发生器的蒸汽侧出口、水入口管和氢气入口管与混合气腔连通。

6.如权利要求5所述的一种高温电解水制氢集成热部件，其特征在于，所述蒸汽发生器的蒸汽侧出口与蒸汽预热器的蒸汽侧入口连接。

7.如权利要求1所述的一种高温电解水制氢集成热部件，其特征在于，所述蒸汽预热器呈半圆环结构，具有套接在一起的尾气腔和蒸汽腔，尾气腔位于蒸汽腔内部；半圆环结构其中一个端面上设有蒸汽预热器空气尾气侧入口管，另一个端面上设有蒸汽预热器空气尾气侧出口和蒸汽预热器蒸汽侧入口，圆周内侧设有蒸汽预热器蒸汽侧出口；蒸汽预热器的空气尾气侧出口和空气尾气侧入口管均与尾气腔连通，蒸汽预热器的蒸汽侧入口和蒸汽侧出口均与蒸汽腔连通。

8.如权利要求7所述的一种高温电解水制氢集成热部件，其特征在于，所述蒸汽预热器的蒸汽侧入口和蒸汽发生器中的蒸汽侧出口连接，含氢蒸汽经蒸汽预热器蒸汽侧入口进入蒸汽预热器。

9.如权利要求1所述的一种高温电解水制氢集成热部件，其特征在于，所述蒸汽加热器呈圆柱型，一端设有蒸汽出口管，另一端的圆周外侧设有蒸汽入口；蒸汽入口与蒸汽预热器中的蒸汽侧出口连接，蒸汽出口管用于与固体氧化物电解池连接。

10.基于权利要求1-9任一项所述高温电解水制氢集成热部件的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结本发明涉及能源工程技术领域，具体为一种高温电解水制氢集成热部件及工作方法，包括呈圆柱型且垂直布置的蒸汽加热器，具有上半部分和下半部分，上半部分连接第一子部件，下半部分连接第二子部件；第一子部件包括形成环状结构的空气加热器与蒸汽预热器；第二子部件包括形成环状结构的空气预热器与蒸汽发生器；第一子部件和第二子部件的直径方向相互交叉。通过交叉套筒式的集成结构，能够兼顾密封性、传热效率、热量损失、装配及维护的难易程度。技术研发人员：朱江,沈雪松,李智,段志宁,李亮受保护的技术使用者：山东国创燃料电池技术创新中心有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/20