耦合工业高温余热的高效率固体氧化物电解制氢系统和方法

本申请涉及固体氧化物电解水制氢，特别涉及一种耦合工业高温余热的高效率固体氧化物电解制氢系统和方法。

背景技术：

1、固体氧化物电解池(soec(solid oxideelectrolyzercells))可以利用可再生电力，将h2o和/或co2转化为h2和/或co，生成的h2和/或co可以进一步与下游的化工过程集成，例如合成甲烷、二甲醚和氨。除此之外，soec还具有效率高、无需稀有贵金属材料、无污染等优点。因此，该技术受到了广泛的关注，获得了迅速的发展。

2、作为一种高温电解技术，soec的工作温度通常大于650℃。因此，除了电力需求，soec系统的热量需求是巨大的。首先，合适的系统换热布局来尽可能地吸收系统内部热量是必要的，然而即便如此，仍不能满足水蒸汽蒸发和气体过热所需的热量，目前该部分热量一般采用电加热的方式供给。

技术实现思路

1、本申请提供一种耦合工业高温余热的高效率固体氧化物电解制氢系统和方法，以解决相关技术中的系统换热布局无法满足soec系统工作时水蒸汽蒸发和气体过热所需的热量的问题，以降低系统电能消耗，提高系统制氢效率。

2、本申请第一方面实施例提供一种耦合工业高温余热的高效率固体氧化物电解制氢系统，包括：固体氧化物电解soec制氢子系统、加热组件和换热组件，其中，所述换热组件用于回收所述soec制氢子系统出口的第一高温尾气和第二高温尾气的热量，并利用回收热量加热所述soec制氢子系统制氢所需的反应气和吹扫气，得到初始反应气和初始吹扫气；所述加热组件用于基于满足预设温度的热源蒸发水蒸汽，并利用满足预设温度的热源将所述初始反应气和所述初始吹扫气加热至目标温度，得到目标反应气和目标吹扫气，其中，所述目标温度由所述soec制氢子系统的工作温度和吸放热状态确定；所述soec制氢子系统用于基于所述目标反应气和所述目标吹扫气在soec燃料电极侧生成氢气，并在soec氧电极侧生成氧气。

3、可选地，上述的耦合工业高温余热的高效率固体氧化物电解制氢系统，还包括：原料供应组件，所述原料供应组件向soec制氢子系统提供预设定量的反应物，其中，所述反应物为水、氢气、空气或氧气中的至少一种。

4、可选地，所述换热组件包括：冷凝器、第二蒸汽换热器、空气-水换热器、第一蒸汽换热器、空气换热器，其中，所述第一蒸汽换热器分别与所述原料供应组件的蒸汽-氢气混合器和所述加热组件的蒸汽过热器相连，所述第二蒸汽换热器分别与所述空气-水换热器和所述原料供应组件的水分流阀相连，所述空气换热器分别与所述空气过热器和所述原料供应组件的空气压缩机相连，所述空气-水换热器分别与所述第二蒸汽换热器和所述加热组件的蒸汽发生器相连。

5、可选地，所述原料供应组件包括：冷却水泵和所述水分流阀，其中，所述冷却水泵将冷却水加压后，利用所述冷凝器基于加压后的冷却水将所述第一高温尾气降低至预设温度；所述水分流阀用于将所述冷凝器出口的部分冷却水输入至所述第二蒸汽换热器，并排出所述冷凝器出口的剩余冷却水。

6、可选地，所述原料供应组件还包括：氢气压缩机、所述蒸汽-氢气混合器和所述空气压缩机，其中，所述氢气压缩机用于将所述氢气加压后进入所述蒸汽-氢气混合器；所述蒸汽-氢气混合器用于将所述加压后的氢气与所述加热组件中蒸汽发生器出口的水蒸汽混合得到蒸汽-氢气混合气体；所述空气压缩机用于将空气加压后输入至所述空气换热器。

7、可选地，所述加热组件包括：所述蒸汽发生器、所述蒸汽过热器和空气过热器，其中，所述蒸汽发生器分别与所述空气-水换热器和所述蒸汽-氢气混合器相连，所述蒸汽过热器分别与所述第一蒸汽换热器、所述soec制氢子系统的燃料电极的入口相连，所述空气过热器分别与所述空气换热器和所述soec制氢子系统的氧电极的入口相连。

8、可选地，上述的耦合工业高温余热的高效率固体氧化物电解制氢系统，还包括：供电组件，所述供电组件向所述soec制氢子系统和所述原料供应组件供电。

9、可选地，所述soec制氢子系统的燃料电极的入口与所述蒸汽过热器相连，所述soec制氢子系统的燃料电极的出口与所述第一蒸汽换热器相连，所述soec制氢子系统的氧电极的入口与所述空气过热器相连，所述soec制氢子系统的氧电极的出口与所述空气换热器相连。

10、可选地，所述soec制氢子系统的燃料电极出口的第一高温尾气用于预热供入所述soec制氢子系统的燃料电极的入口的反应气，所述soec制氢子系统的氧电极出口的第二高温尾气用于预热供入所述soec制氢子系统的氧电极的入口的吹扫气，其中，所述反应气为蒸汽-氢气混合气，所述吹扫气为空气或者氧气。

11、本申请第二方面实施例提供一种利用外部高温热源的高效固体氧化物电解制氢方法，采用上述的所述的耦合工业高温余热的高效率固体氧化物电解制氢系统，包括以下步骤：利用所述换热组件回收所述soec制氢子系统出口的第一高温尾气和第二高温尾气的热量，并利用回收热量加热所述soec制氢子系统制氢所需的反应气和吹扫气，得到初始反应气和初始吹扫气；利用所述加热组件基于满足预设温度的热源蒸发水蒸汽，并利用所述满足预设温度的热源将初始反应气和所述初始吹扫气加热至目标温度，得到目标反应气和目标吹扫气，其中，所述目标温度由所述soec制氢子系统的工作温度和吸放热状态确定；利用所述soec制氢子系统基于所述目标反应气和所述目标吹扫气在所述soec燃料电极侧生成氢气，并在所述soec氧电极侧生成氧气。

12、本申请实施例的有益的技术效果如下：

13、(1)利用外部高温热源将氧电极吹扫气和燃料电极反应气加热至soec制氢子系统的入口温度，并且将所需的液态水蒸发为水蒸汽，使得系统除了soec制氢子系统和原料供应组件外，不再需要额外的电能，大幅度降低制氢度电成本，提高系统制氢效率；

14、(2)根据换热温度、换热量大小和换热难度合理设置尾气路径，实现对高温尾气的有效回收利用，提高系统制氢效率；

15、(3)将部分冷却水用于参与后续电化学反应的反应物，进一步回收系统内部热量，优化了系统的水管理。

16、本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

技术特征：

1.一种耦合工业高温余热的高效率固体氧化物电解制氢系统，其特征在于，包括：固体氧化物电解soec制氢子系统、加热组件和换热组件，其中，

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述换热组件包括：

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述原料供应组件包括：冷却水泵和所述水分流阀，其中，

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述原料供应组件还包括：

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述加热组件包括：

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括：

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述soec制氢子系统的燃料电极的入口与所述蒸汽过热器相连，所述soec制氢子系统的燃料电极的出口与所述第一蒸汽换热器相连，所述soec制氢子系统的氧电极的入口与所述空气过热器相连，所述soec制氢子系统的氧电极的出口与所述空气换热器相连。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述soec制氢子系统的燃料电极出口的第一高温尾气用于预热供入所述soec制氢子系统的燃料电极的入口的反应气，所述soec制氢子系统的氧电极出口的第二高温尾气用于预热供入所述soec制氢子系统的氧电极的入口的吹扫气，其中，所述吹扫气为空气或者氧气。

10.一种利用外部高温热源的高效固体氧化物电解制氢方法，采用如权利要求1-9中任一项所述的耦合工业高温余热的高效率固体氧化物电解制氢系统，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结本申请涉及一种耦合工业高温余热的高效率固体氧化物电解制氢系统和方法，包括：固体氧化物电解SOEC制氢子系统、加热组件和换热组件，换热组件回收SOEC制氢子系统出口的第一高温尾气和第二高温尾气的热量，利用回收热量加热SOEC制氢子系统制氢所需的反应气和吹扫气，得到初始反应气和初始吹扫气；加热组件基于满足预设温度的热源蒸发水蒸汽，将初始反应气和初始吹扫气加热至目标温度，得到目标反应气和目标吹扫气；SOEC制氢子系统基于目标反应气和目标吹扫气在SOEC燃料电极侧生成氢气，在SOEC氧电极侧生成氧气。由此，解决了相关技术中系统换热布局无法满足SOEC系统工作时蒸汽蒸发和气体过热所需热量等问题，降低了系统电能消耗，提高了系统制氢效率。技术研发人员：韩敏芳,崔同慧受保护的技术使用者：清华大学技术研发日：技术公布日：2024/7/18