一种自供热的电解槽制氢系统
阅读说明：本技术 一种自供热的电解槽制氢系统 (Self-heating electrolytic cell hydrogen production system ) 是由 魏云豪 包成 胡浩然 刘亚迪 于 2021-09-14 设计创作，主要内容包括：本申请涉及制氢系统领域,并公开了一种自供热的电解槽制氢系统,包括固体氧化物电解槽提供压缩空气的供氧线路,为固体氧化物电解槽提供水蒸气的供水线路,导出固体氧化物电解槽中氢气的出氢线路,并在出氢线路末端设置水气分离装置,水气分离装置的出气端连接有储气罐,储气罐通过水气混合装置与供水线路连接,通过在供水线路上设置有用于加热水蒸气的第一换热器,供氧线路上设有用于加热空气的第二换热器,且供热装置分别为第一换热器及第二换热器进行供热,通过第一换热器及第二换热器来替换电加热装置,从而消除因使用电机加热器加热所存在安全隐患,减少资源浪费且提升制氢效率并降低外部电消耗。(The application relates to the field of hydrogen production systems, and discloses a self-heating electrolytic cell hydrogen production system, which comprises an oxygen supply line for providing compressed air for a solid oxide electrolytic cell, a water supply line for providing vapor for the solid oxide electrolytic cell, a hydrogen outlet line for guiding hydrogen in the solid oxide electrolytic cell, a water-vapor separation device arranged at the tail end of the hydrogen outlet line, a gas storage tank connected with the gas outlet end of the water-vapor separation device, the gas storage tank connected with the water supply line through a water-vapor mixing device, a first heat exchanger for heating the water vapor arranged on the water supply line, a second heat exchanger for heating the air arranged on the oxygen supply line, a first heat exchanger and a second heat exchanger for supplying heat respectively by the heat supply device, and an electric heating device replaced by the first heat exchanger and the second heat exchanger, thereby eliminating the potential safety hazard caused by the heating by using a motor heater, reduce resource waste, improve hydrogen production efficiency and reduce external electricity consumption.)
技术领域
本申请涉及一种制氢系统，尤其是涉及一种自供热的电解槽制氢系统。
背景技术
随着人类社会的发展，在工业生产、交通运输、用电、取暖灯等方面的能源消耗日益增加。化石类燃料在燃烧使用过程中，排放了大量的二氧化碳和污染物，导致全球变暖和严重的环境污染。特别是近年来PM2.5严重超标的问题，极大的引起了公众对于环境的担忧。日益增长的能源需求和不断恶化的环境间的矛盾日益尖锐。因此，人们迫切的需要需要新的能源，改变目前化石燃料为主的能源格局，达到减少污染物与温室气体排放的目的。
在人们探索的众多新能源中，氢气是热值高、无污染、不产生温室气体的二次能源。目前，氢气的主要生产方法是天然气重整，这种方法仍然会产生二氧化碳，制氢过程中同样存在环境污染和温室效应的问题。而水电解制氢是氢与氧燃烧成水的逆过程，因此只要提供一定的能量，即可使水分解而不产生任何污染。
常见的电解水制氢技术有碱性水电解、质子交换膜电解及固体氧化物电解池(Solid oxide electrolysis cell,SOEC)等，而固体氧化物电解池作为常见的电解水制氢技术之一，常采用电加热器对气体及水蒸气加热，因此会存在下述技术问题：1、在氢气和水混合以后还要进行电加热，存在安全隐患；2、电加热器的电能品位最高，会造成能源浪费；3、利用电加热器进行加热从而提高了整个系统的电压，因此在同样电解的情况下，系统能耗原高，制氢的效率越低。
发明内容
本申请主要解决现有技术所存在的利用电加热器加热存在安全隐患、造成资源浪费且制氢效率低的技术问题，提供一种利用换热器及氢气燃烧加热装置代替电加热装置，且通过供热装置自供热以降低外部电耗的电解槽制氢系统。
为了解决上述技术问题实现上述申请目的，本申请提供一种自供热的电解槽制氢系统，其特征在于，包括供热装置及固体氧化物电解槽，所述固体氧化物电解槽的阴极侧连接有供氧线路及供水线路，所述固体氧化物电解槽的阳极侧连接有出氢线路，所述出氢线路的末端设置有水气分离装置，所述水气分离装置的出气端连接有储气罐，所述储气罐通过水气混合装置与供水线路连接，所述供水线路上设有用于加热水蒸气的第一换热器，所述供氧线路上设有用于加热空气的第二换热器，所述供热装置分别与所述第一换热器及第二换热器连接。
在一可实施方式中，所述供热装置包括太阳能集热装置及导热管，所述导热管将所述导热流体由所述供热装置传导至所述第一换热器及所述第二换热器，所述太阳能集热装置用于加热所述导热流体。
在一可实施方式中，所述供热装置还包括回传管，所述回传管用于将所述导热流体由所述第一换热器及所述第二换热器回传至所述太阳能集热装置，所述第一换热器分别通过所述导热管和所述回传管与所述太阳集热装置连接，以形成所述导热流体的循环线路；所述第二换热器分别通过所述导热管和所述回传管与所述太阳能集热装置连接，以形成所述导热流体的循环线路。
在一可实施方式中，所述太阳能集热装置通过发电机与所述固体氧化物电解槽相连。
在一可实施方式中，所述供氧路线上还设置有用于加热空气的第三换热器，所述第三换热器的热流体来源为所述固体氧化物电解槽的阳极侧流出的高温空气，所述供水线路上线设置有用于加热水蒸气的第四换热器，所述第四换热器的热流体来源为所述出氢线路，所述出氢线路中流动有过热水氢混合物，所述供水线路通过所述第四换热器与所述出氢线路相交。
在一可实施方式中，所述供氧线路上依次串联有风机、所述第三换热器及所述第二换热器。
在一可实施方式中，所述供水线路上依次串联有水箱、水泵、蒸汽发生器、所述水气混合装置、所述第四换热器及所述第一换热器。
在一可实施方式中，所述出氢线路包括第一支路及第二支路，所述第一支路上依次串联有所述第四换热器、所述水气分离装置及所述水箱，所述第二支路依次串联有所述第四换热器、所述水气分离装置及所述储气罐，所述第一换热器与所述水气分离装置间设置有用于冷凝水氢混合物的冷凝装置，所述水气分离装置与所述储气罐间设置有增压泵，所述水气分离装置通过所述水气分离装置的出水端与所述水箱连接，所述水气分离装置通过所述出气端与所述增压泵相连。
在一可实施方式中，所述导热管上均设置有用于调节所述太阳能集热装置供热量的调节阀。
在一可实施方式中，所述第一换热装置及所述第二换热装置与所述固体氧化物电解槽间均设置有温度检检测装置，所述温度检测装置通过控制装置与所述调节阀连接，所述控制装置内设定有标准温度范围，当所述温度检测装置检测到的温度不在所述标准温度范围内时，所述控制装置通过所述调节阀控制所述太阳能集热装置流向所述第一换热器或所述第二换热器的热流体量。
相对于现有技术，本申请自供热的电解槽制氢系统具有以下有益效果：
通过多个换热器来代替电加热装置，不仅可以避免在氢气和水蒸气混合以后还要进行电加热，存在安全隐患；电加热器的电能品味最高，会造成能源浪费；利用电加热器进行加热从而提高了整个系统的电压，因此在同样的电解的情况下，系统能耗原稿，制氢的效率越低的技术问题，且第一换热器及第二换热器的热流体来源自系统中的太阳能供热装置，且太阳能供热装置可以通过与发电机连接为固体氧化物电解槽供电，从而可以取消外部电网供电，因此在不增加能耗的基础上本装置可以大大提高制氢效率。
因此，本申请具有安全、节能、环保的特点。
附图说明
附图1是本申请的一种整体结构框图；
附图2是本申请的一种线路示意图。
图中标号说明：1、固体氧化物电解槽；2、水气分离装置；3、储气罐；4、水气混合装置；5、第一换热器；6、第二换热器；7、太阳能集热装置；8、导热管；9、回传管；10、发电机；11、第三换热器；12、第四换热器；13、风机；14、水箱；15、水泵；16、蒸汽发生器；17、冷凝装置；18、增压泵；19、调节阀；20、温度检测装置；21、控制装置。
具体实施方式
为使本申请的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
现有技术中利用固体氧化物电解池制氢时采用电加热器对在氢气水蒸气混合以后还要进行电加热，存在安全隐患；电加热器的电能品位最高，会造成能源浪费；利用电加热器进行加热从而提高了整个系统的电压，因此在同样电解的情况下，系统能耗原高，制氢的效率越低的技术问题。
为此，本申请提供了一种自供热的电解槽制氢系统，包括为固体氧化物电解槽1提供压缩空气的供氧线路，为固体氧化物电解槽1提供水蒸气的供水线路，导出固体氧化物电解槽1中氢气的出氢线路，并在出氢线路末端设置水气分离装置2，水气分离装置2的出气端连接有储气罐3，储气罐3通过水气混合装置4与供水线路连接，通过在供水线路上设有用于加热水蒸气的第一换热器5，在供氧线路上设置有用于加热空气的第二换热器6，以此来替换电加热装置，供热装置分别与第一换热器5及第二换热器6连接。
实施例：
图1至图2出示了本申请自供热的电解槽制氢系统的一种实施例。
本申请实施例公开了一种自供热的电解槽制氢系统，包括固体氧化物电解槽1，固体氧化物电解槽1中间是致密的电介质层，用于隔开两侧的气体和传输阳离子，材料大多采用阳离子导体，如YSZ或ScSZ等，两侧是多孔的氢电极和氧电极，多孔的结构有利于气体的扩散和传输，氢电极的材料目前常用Ni或YSZ多孔金属陶瓷，氧电极的材料主要是含有稀土元素的钙钛矿氧化物材料，，氢电极和氧电极分别连接直流电源的负极和正及，通过电极反应将电能转换为化学能，其中阴极反应 ：H2O +2e-→H2+ O2- ；阳极反应 ：O2- →2e-+ 1／2O2，总反应 ：H2O→H2+1／2O2。
请参考图1，在本申请实施中，供水线路与固体氧化物电解槽1的阴极侧连接，从而通过供水线路为固体氧化物电解槽1提供电解制氧所需的水蒸气；出氢线路与固体氧化物电解槽1的阳极侧连接，从而将固体氧化物电解槽1制得的氧气导入储气罐3，在将水蒸气导入固体氧化物电解槽1内时，为了保证固体氧化物电解槽1阴极的还原气氛，放置Ni被氧化，因此在水蒸气中需要混入少量的氢气，所以将储气罐3通过水气混合装置4与供水线路连接，通过对自身产生的氢气进行利用可有效的降低系统成本。
同时，为了保证固体氧化物电解槽1应急的氧化气氛，需要同时向固体氧化物电解槽1中导入压缩空气，供氧线路与固体氧化物电解槽1的阴极侧连接从而为其提供压缩空气。
而固体氧化物电解槽1的效率很大程度上取决于阴极、阳极上电化学反应速率和电解质中氧传递速率。电机和电解质需要在高温下运行才能有良好的导电率和反应率，而固体氧化物电解槽1的工作温度需要保持在500℃-1000℃的范围内，为了保证固体氧化物电解槽1内的工作温度，因此在压缩空气或者水蒸气导入前都需要进行加热，从而在供水线上设置有用于加热水蒸气的第一换热器5，该第一换热器5设置在水气混合装置4后，在水蒸气加热前就混入少量的氢气，可增强其加热效率，并在供氧线路上设置有用于加热空气的第二换热器6，第一换热器5与第二换热器6均与供热装置连接，加热装置常用新能源的方式对第一换热器5及第二换热器6进行供热，将原有的电加热装置统一更换成换热器，这样可以减少在对水氢混合物进行加热的过程中安全隐患，而换热器的热流体来源不是来自加热装置就是来自系统本身的热量进行重复利用，而加热装置也是通过新能源的方式进行供热，从而可以减少整个系统的能耗，降低制氢成本。
在本申请的实施例中，进一步降低制氢成本，将供热装置设置成太阳能集热装置7及导热管8，以新能源的方式进行集热，该太阳能集热装置7的优选技术方案为蝶式太阳能，但仅从提供热流体的角度来说供热装置也不仅限于太阳能集热装置7，同时也可以是太阳能热水器，太阳能集热装置7通过导热管8分别于第一换热器5或第二换热器6连接，太阳能集热装置7将热流体进行加热后通过导热管8导入第一换热器5或第二换热器6，并对空气或水蒸气进行加热，该种加热方式更加环保及节能。
在本申请的实施例中，供热装置还包括回传管9，回传管9用于将导热流体由第一换热器5及第二换热器6回传至太阳能集热装置7，通过太阳能集热装置7重复加热然后由导热管8重新传回至第一换热器5或第二换热器6，从而形成换热流体的周向循环，其中，热流体常采用热对流系数较高的液体如水或水蒸气等，第一换热器5分别通过导热管8和回传管9与太阳能集热装置7连接，以形成导热流体的循环线路；第二换热器6分别通过导热管8和回传管9与太阳能集热装置7连接，以形成导热流体的循环线路。
其中，水气分离装置2为离心式水气分离器，一种离心式气水分离器，括壳体，壳体与外部的驱动装置传动连接，壳体的内部设有气水分离腔，气水分离腔用于对进入气水分离腔的气水混合物进行气水分离，壳体的外表面均匀开设有排水孔，气水分离腔的内部设有泡沫多孔填料，泡沫多孔填料用于增加气水分离腔的流动阻力。
在本申请的实施例中，供氧线路上还设置有用于加热空气的第三换热器11，第三换热器11的热流体来源为固体氧化物电解槽1阳极侧排除的高温空气，该高温空气为固体氧化物电解槽1排出的废气，由于固体氧化物电解槽1内的工作温度为500℃-1000℃，因此该排出气体的温度肯定比较高，在作为热流体导入第三换热器11后可以实现系统能源的充分利用。
在本申请的实施例中，供水线路上还设置有用于加热水蒸气的第四换热器12，其中第四换热器12的热流体的来源为出氢线路，出氢线路中会导出富有氢气的过热水氢混合物，在水氢混合物导出的时候温度比较高，因为固体氧化物电解槽1内的工作温度为500℃-1000℃，而水氢混合物在水氢分离前必须要进行降温，因此将水氢混合物与供水线路中的水蒸气通过第一换热器5进行换热，不仅可以降低水氢混合物的温度，还可以对水蒸气进行加温，充分利用了系统的可再生能源。
在本申请的实施例中，如图1虚线所示，供氧线路上依次串联有风机13，第三换热器11及第二换热器6。
其中，供氧线路的具体工作流程为首先通过风机13压缩空气，然后依次通过第三换热器11及第二换热器6对空气进行加热，最后导入固体氧化物电解槽1。
在本申请的实施例中，如图1点划线所示，供水线路上依次串联有水箱14、水泵15、蒸汽发生器16，水气混合装置4、第四换热器12及第一换热器5。
其中供水线路的具体工作流程为，首先水泵15将水箱14中的液态水抽取进入蒸汽发生器16，接着蒸汽发生器16将液态水蒸发形成气态水，然后通过水气混合装置4混入少量的氢气，随后将水蒸气依次导入第四换热器12及第一换热器5进行加热，最后导入固体氧化物电解槽1。
在本申请的实施例中，出氢线路包括第一支路及第二支路，第一支路上依次串联有第四换热器12、水气分离装置2及水箱14，第二支路依次串联有第四换热器12、水气分离装置2及储气罐3，第一换热器5与水气分离装置2间设置有用于冷凝水氢混合物的冷凝装置17，水气分离装置2与储气罐3间设置有增压泵18，水气分离装置2通过水气分离装置2的出水端与水箱14连接，水气分离装置2通过出气端与增压泵18相连。
其中，第一支路的具体工作流程为，将固体氧化物电解槽1中的水氢混合物导入第四换热器12进行初步降温，然后通过冷凝器将水氢混合物中的气态水冷凝成液态水，接着通过水气分离装置2将液态水分离，并最终导入水箱14进行重复使用。
其中，第二支付的具体工作流程为，将固体氧化物电解槽1中的水氢混合物导入第四热器进行降温，然后通过冷凝器将水氢混合物中的气态水冷凝成为液态水，接着通过水气分离装置2将氢气分离，并最终通过增压泵18的压缩导入储气罐3中。
请参考图2，在本申请的实施例中，导热管8上均设置有用于调节太阳能集热装置7供热量的调节阀19，第一换热装置及第二换热装置与固体氧化物电解槽1间均设置有温度检检测装置，温度检测装置20通过控制装置21与调节阀19连接，控制装置21内设定有标准温度范围，当温度检测装置20检测到的温度不在标准温度范围内时，控制装置21通过调节阀19控制太阳能集热装置7流向第一换热器5或第二换热器6的热流体量。
其中，温度检测装置20用于对第一换热器5及第二换热器6通向固体氧化物电解槽1处的温度进行检测并将检测到的温度发送至控制装置21中，控制装置21对检测到的温度与标准温度比较，当检测到的温度不在标准温度范围内时，控制装置21控制太阳能集热装置7流向第一换热器5或第二换热器6的热流体量，从而减检测到的温度控制在标准温度范围内。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。