專利名稱：風(fēng)電高溫電解制氫系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電解制氫，更具體地講，本發(fā)明涉及一種利用多余的風(fēng)能或非并網(wǎng)風(fēng)電的高溫電解制氫系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
氫氣是一種理想的可再生燃料，氫能經(jīng)濟(jì)一直受到大家的關(guān)注和重視。氫能的開發(fā)，首先要解決既廉價(jià)又綠色的氫源問(wèn)題。但目前，全球96%左右的氫氣主要是由天然氣(CH4)、煤或石油等化石能源作為原料生產(chǎn)的，由于化石能源含碳，因此化石能源制氫 會(huì)排放出大量的C02。此外，由于化石能源制氫存在資源消耗量大和溫室氣體排放等方面的問(wèn)題，因此該工藝是不可持續(xù)的和不可取的。電解水制氫是工業(yè)上制備氫氣的一種重要技術(shù)之一，其制得的氫氣純度可高達(dá)99%以上,但目前全球僅4%的氫氣米用電解制氫。該技術(shù)米用水為原料制備氫氣，由于沒有資源限制和二氧化碳排放，優(yōu)點(diǎn)比較突出，因此具有一定的發(fā)展?jié)摿?。舉例來(lái)說(shuō)，以2011年全球氫氣的年產(chǎn)量5300萬(wàn)噸為標(biāo)準(zhǔn)，如果全球50%的氫氣通過(guò)電解生產(chǎn)，則一年可以節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤7950萬(wàn)噸和實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排29150萬(wàn)噸。目前，電解制氫成本主要取決于電耗成本，對(duì)于成熟的堿性電解水制氫技術(shù)，制氫的單位電耗高達(dá)5kWh/Nm3左右。而如果采用清潔能源發(fā)電制氫，由于發(fā)電成本很高，很難推廣應(yīng)用。因?yàn)槟壳疤?yáng)能發(fā)電成本基本是風(fēng)電發(fā)電成本的2. 5倍以上，而目前，風(fēng)電的波動(dòng)性較大，穩(wěn)定性難以保證，因此即使采用廉價(jià)的風(fēng)電，成本也較高。因此，利用新能源發(fā)電進(jìn)行的電解制氫發(fā)展緩慢、應(yīng)用受限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的多個(gè)方面在于至少解決上述問(wèn)題和/或缺點(diǎn)，并至少提供以下描述的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種風(fēng)電高溫電解制氫系統(tǒng)，包括直流電源，用于將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出的交流電整流為具有第一電壓的直流電，并輸出具有第一電壓的直流電；交流電源，用于將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出的交流電變壓為具有第二電壓的交流電，并輸出具有第二電壓的交流電；高溫超熱水蒸氣制備單元，基于交流電源輸出的交流電來(lái)制備高溫超熱水蒸氣；輔助儲(chǔ)熱單元，接收交流電源輸出的交流電以儲(chǔ)存能量；高溫電解制氫單元，采用直流電源輸出的直流電對(duì)高溫超熱水蒸氣制備單元制備的高溫超熱水蒸氣進(jìn)行電解制氫；換熱單元，用于在高溫電解制氫單元和輔助儲(chǔ)熱單元進(jìn)行熱量交換，以保證高溫電解制氫單元維持在穩(wěn)定的工作溫度，其中，當(dāng)交流電源輸出的交流電電壓顯著降低時(shí)，輔助儲(chǔ)熱單元將儲(chǔ)存的能量供應(yīng)給高溫超熱水蒸氣制備單元，以使高溫超熱水蒸氣制備單元基于交流電源輸出的交流電和輔助儲(chǔ)熱單元供應(yīng)的能量穩(wěn)定地輸出高溫超熱水蒸氣。所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以是永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)組。所述永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)組可以工作在非并網(wǎng)風(fēng)電運(yùn)行的狀態(tài)。
所述高溫超熱水蒸氣可以為700°C到900°C的超熱水蒸氣。所述輔助儲(chǔ)熱單元可以采用熔融鹽儲(chǔ)熱材料。
所述高溫電解制氫單元可以采用固體氧化物電解堆(SOEC)來(lái)實(shí)現(xiàn)。所述高溫電解制氫單元的工作溫度可以為700°C到900°C。所述第一電壓可以為36V，所述第二電壓可以為380V。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種風(fēng)電高溫電解制氫方法，包括直流電源將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出的交流電整流為具有第一電壓的直流電，并輸出具有第一電壓的直流電；交流電源將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出的交流電變壓為具有第二電壓的交流電，并輸出具有第二電壓的交流電；輔助儲(chǔ)熱單元存儲(chǔ)交流電源供應(yīng)的能量；輔助儲(chǔ)熱單元通過(guò)換熱單元保證高溫電解制氫單元維持在穩(wěn)定的工作溫度；高溫超熱水蒸氣制備單元基于交流電源提供的交流電將水從室溫轉(zhuǎn)換成高溫超熱水蒸氣；通過(guò)將高溫超熱水蒸氣泵入高溫電解制氫單元中的固體氧化物電解堆(SOEC)的陰極側(cè)，并向SOEC電解堆電極兩端施加具有第一電壓的直流電，使高溫超熱水蒸氣在SOEC電解堆的陰極側(cè)離解為H2和O2，其中，當(dāng)交流電源輸出的交流電電壓顯著降低時(shí)，輔助儲(chǔ)熱單元將儲(chǔ)存的能量供應(yīng)給高溫超熱水蒸氣制備單元，以使高溫超熱水蒸氣制備單元基于交流電源輸出的交流電和輔助儲(chǔ)熱單元供應(yīng)的能量穩(wěn)定地輸出高溫超熱水蒸氣。


通過(guò)下面結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例進(jìn)行的描述，本發(fā)明的這些和/或其他方面和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得清楚和更易于理解，其中圖I是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的風(fēng)電高溫電解制氫系統(tǒng)的框圖；圖2是示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的風(fēng)電高溫電解制氫方法的框圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在對(duì)本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述，其示例表示在附圖中，其中，相同的標(biāo)號(hào)始終表示相同部件。下面通過(guò)參照附圖對(duì)實(shí)施例進(jìn)行描述以解釋本發(fā)明。本發(fā)明采用高溫電解制氫技術(shù)(High Temperature Electrolysis,簡(jiǎn)稱HTE),在700°C到900°C左右的高溫下進(jìn)行電解制氫。這樣，高溫超熱水蒸氣制氫的部分能量可以由廉價(jià)的熱能提供。同時(shí)，由于高溫電解制氫技術(shù)是在高溫下工作，因此加速了反應(yīng)動(dòng)力，降低了電極極化導(dǎo)致的能量損失，提高了系統(tǒng)總效率，降低了電解制氫的電耗，制氫的單位電耗僅為3kWh/Nm3左右，制氫成本大大下降。另一方面，本發(fā)明采用多余的風(fēng)能或廉價(jià)的非并網(wǎng)風(fēng)電作為高溫電解制氫的電源，從而進(jìn)一步顯著地降低了高溫電解制氫的成本。此外，本發(fā)明利用高溫電解制氫系統(tǒng)本身具有高溫超熱水蒸氣制備單元的特點(diǎn)，并增加輔助儲(chǔ)熱單元，降低電解堆的功率，這樣，一方面風(fēng)能的利用率達(dá)到了 100%，另一方面多余風(fēng)電可采用儲(chǔ)熱材料進(jìn)行有效的儲(chǔ)存，既調(diào)節(jié)了風(fēng)電的波動(dòng)，保證了高溫電解制氫單元的平滑電力供應(yīng)，同時(shí)降低了電解堆的投資成本。此外，輔助儲(chǔ)熱單元中存儲(chǔ)的熱能可以通過(guò)換熱對(duì)高溫電解制氫單元進(jìn)行保溫，避免了高溫電解制氫單元的頻繁熱啟動(dòng)，提高了高溫電解制氫單元的效率和壽命。圖I是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的風(fēng)電高溫電解制氫系統(tǒng)的框圖。
參照?qǐng)D1，風(fēng)電高溫電解制氫系統(tǒng)100包括直流電源110、交流電源120、高溫電解制氫單元130、高溫超熱水蒸氣制備單元140、輔助儲(chǔ)熱單元150和換熱單元160。直流電源110將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出的交流電整流為具有第一電壓的直流電，并將具有第一電壓的直流電施加到高溫電解制氫單元130，以進(jìn)行電解制氫操作。交流電源120將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出的交流電變壓為具有第二電壓的交流電，并將交流電施加到高溫超熱水蒸氣制備單元140，以制備高溫超熱水蒸氣。同時(shí)，交流電源120還將具有第二電壓的交流電輸出到輔助儲(chǔ)熱單元150，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)電存儲(chǔ)。這里，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可采用永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)組，因?yàn)橛来胖彬?qū)發(fā)電機(jī)組采用永磁體勵(lì)磁，不需要單獨(dú)用電進(jìn)行發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)，可以減少發(fā)電機(jī)對(duì)電勵(lì)磁系統(tǒng)的依賴性，非常適合非并網(wǎng)風(fēng)電運(yùn)行的場(chǎng)合。然而，可選擇地，本發(fā)明也可不使用由永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)組提供的非并網(wǎng)風(fēng)電，而是使用其他類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組提供的多余的風(fēng)電或分布式風(fēng)電等廉價(jià)風(fēng)電。 高溫超熱水蒸氣制備單元140基于交流電源120施加的交流電來(lái)制備電解制氫用原料，S卩，700°C到900°C左右的超熱水蒸氣。加熱制備高溫超熱水蒸氣消耗的電能約占整個(gè)制氫系統(tǒng)總能耗的14%左右。高溫超熱水蒸氣制備單元140對(duì)電能的品質(zhì)要求較低，可以適應(yīng)供應(yīng)電能的波動(dòng)。輔助儲(chǔ)熱單元150可采用廉價(jià)的熔融鹽儲(chǔ)熱材料。輔助儲(chǔ)熱單元150可接收交流電源120輸出的交流電，從而儲(chǔ)存能量(S卩，多余的風(fēng)電)。此外，當(dāng)風(fēng)速較低導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組供電不足時(shí)(即，交流電源120輸出的交流電電壓顯著降低時(shí))，輔助儲(chǔ)熱單元150可將儲(chǔ)存的能量供應(yīng)給高溫超熱水蒸氣制備單元140，以使高溫超熱水蒸氣制備單元140基于交流電源輸出的交流電和輔助儲(chǔ)熱單元150供應(yīng)的能量穩(wěn)定地輸出足夠的高溫超熱水蒸氣。這樣，可以在很大程度上調(diào)節(jié)風(fēng)電的波動(dòng)，保證高溫電解制氫單元130的連續(xù)運(yùn)行，提高氫氣的產(chǎn)量。高溫電解制氫單元130是風(fēng)電高溫電解制氫系統(tǒng)100的核心。高溫電解制氫單元130可采用固體氧化物電解堆(SOEC)來(lái)實(shí)現(xiàn)。高溫電解制氫單元130的工作溫度在700°C到900°C，采用直流電源110施加的直流電來(lái)對(duì)高溫超熱水蒸氣制備單元140制備的高溫超熱水蒸氣進(jìn)行電解制氫。高溫電解制氫單元130消耗的電能約占整個(gè)制氫系統(tǒng)總能耗的86%左右。特別地，對(duì)于永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而言，具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，可以直接將交直交變換中的直流電施加給SOEC電解堆，不需要風(fēng)電并網(wǎng)配套的昂貴的整流設(shè)備和升壓裝置，因此可以降低風(fēng)電場(chǎng)的20-30%投資。換熱單元160用于在高溫電解制氫單元130和輔助儲(chǔ)熱單元150進(jìn)行熱量交換，以保證高溫電解制氫單元130維持在穩(wěn)定的工作溫度，例如，700°C，800°C，900°C。圖2是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的風(fēng)電高溫電解制氫方法的流程圖。參照?qǐng)D2，在步驟201，直流電源110將永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)組發(fā)出的交流電整流為36V直流電，并將36V直流電輸送給高溫電解制氫單元130。在步驟202，交流電源120將永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)組發(fā)出的交流電通過(guò)變壓為380V交流電，并將380V交流電提供給輔助儲(chǔ)熱單元150和高溫超熱水蒸氣制備單元140。在步驟203，輔助儲(chǔ)熱單元150存儲(chǔ)交流電源120供應(yīng)的能量。在步驟204,輔助儲(chǔ)熱單元150通過(guò)換熱單元160保證高溫電解制氫單元130維持在穩(wěn)定的工作溫度。在步驟205，高溫超熱水蒸氣制備單元140基于交流電源120提供的交流電將水從室溫轉(zhuǎn)換成700°C到900°C的高溫超熱水蒸氣。這里，當(dāng)風(fēng)速較低導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組供電不足時(shí)，輔助儲(chǔ)熱單元150可將儲(chǔ)存的能量供應(yīng)給高溫超熱水蒸氣制備單元140，以使高溫超熱水蒸氣制備單元140基于交流電源輸出的交流電和輔助儲(chǔ)熱單元150供應(yīng)的能量穩(wěn)定地輸出足夠的高溫超熱水蒸氣。以上步驟201至步驟205的順序可以根據(jù)實(shí)際需要任意調(diào)整，只要保證步驟201至步驟205在步驟206之前執(zhí)行即可。在步驟206，通過(guò)將700°C到900的超熱水蒸氣泵入高溫電解制氫單元130中的SOEC電解堆的陰極側(cè)，并向SOEC電解堆電極兩端施加36V電壓，在催化劑的作用下使高溫超熱水蒸氣在SOEC電解堆的陰極側(cè)離解為H2和02。這里，O2透過(guò)電解質(zhì)達(dá)到SOEC電解堆的陽(yáng)極，從而生成02。本發(fā)明采用非并網(wǎng)風(fēng)電進(jìn)行高溫水蒸氣電解制氫(HTSE)。對(duì)于永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，可以直接將直流電施加給SOEC單元，不需要風(fēng)電并網(wǎng)配套的昂貴的整流設(shè)備和升壓裝置，因此能夠降低風(fēng)電場(chǎng)的20-30%投資。此外，本發(fā)明包含一個(gè)采用廉價(jià)的熔融鹽儲(chǔ)熱材料的輔助儲(chǔ)熱單元，一方面可以 儲(chǔ)存多余的風(fēng)電，另一方面當(dāng)風(fēng)速較低風(fēng)電供應(yīng)不足時(shí)，可以利用該單元儲(chǔ)存的能量補(bǔ)充高溫電解制氫系統(tǒng)需要消耗的能量，從而在很大程度上調(diào)節(jié)風(fēng)電的波動(dòng)，保證高溫電解制氫單元的連續(xù)運(yùn)行，提高氫氣的產(chǎn)量，降低投資成本。雖然已經(jīng)顯示和描述了一些實(shí)施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下，可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行修改，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)電高溫電解制氫系統(tǒng),包括 直流電源，用于將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出的交流電整流為具有第一電壓的直流電，并輸出具有第一電壓的直流電； 交流電源，用于將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出的交流電變壓為具有第二電壓的交流電，并輸出具有第二電壓的交流電； 高溫超熱水蒸氣制備単元，基于交流電源輸出的交流電來(lái)制備高溫超熱水蒸氣； 輔助儲(chǔ)熱單元，接收交流電源輸出的交流電以儲(chǔ)存能量； 高溫電解制氫單元，采用直流電源輸出的直流電對(duì)高溫超熱水蒸氣制備單元制備的高溫超熱水蒸氣進(jìn)行電解制氫； 換熱單元，用于在高溫電解制氫單元和輔助儲(chǔ)熱單元進(jìn)行熱量交換，以保證高溫電解制氫單元維持在穩(wěn)定的工作溫度； 其中，當(dāng)交流電源輸出的交流電電壓顯著降低時(shí)，輔助儲(chǔ)熱單元將儲(chǔ)存的能量供應(yīng)給高溫超熱水蒸氣制備単元，以使高溫超熱水蒸氣制備単元基于交流電源輸出的交流電和輔助儲(chǔ)熱單元供應(yīng)的能量穩(wěn)定地輸出高溫超熱水蒸氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風(fēng)電高溫電解制氫系統(tǒng)，其中，所述風(fēng)カ發(fā)電機(jī)組是永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)組。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的風(fēng)電高溫電解制氫系統(tǒng)，其中，所述永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)組工作在非并網(wǎng)風(fēng)電運(yùn)行的狀態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風(fēng)電高溫電解制氫系統(tǒng)，其中，所述高溫超熱水蒸氣為700°C到900°C的超熱水蒸氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風(fēng)電高溫電解制氫系統(tǒng)，其中，所述輔助儲(chǔ)熱單元采用熔融鹽儲(chǔ)熱材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風(fēng)電高溫電解制氫系統(tǒng)，其中，所述高溫電解制氫單元采用固體氧化物電解堆(SOEC)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風(fēng)電高溫電解制氫系統(tǒng)，其中，所述高溫電解制氫單元的エ作溫度為700°C到900°C。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風(fēng)電高溫電解制氫系統(tǒng)，其中，所述第一電壓為36V，所述第ニ電壓為380V。
9.一種風(fēng)電高溫電解制氫方法，包括 直流電源將風(fēng)カ發(fā)電機(jī)組發(fā)出的交流電整流為具有第一電壓的直流電，并輸出具有第一電壓的直流電； 交流電源將風(fēng)カ發(fā)電機(jī)組發(fā)出的交流電變壓為具有第二電壓的交流電，并輸出具有第ニ電壓的交流電； 輔助儲(chǔ)熱單元存儲(chǔ)交流電源供應(yīng)的能量； 輔助儲(chǔ)熱單元通過(guò)換熱單元保證高溫電解制氫單元維持在穩(wěn)定的工作溫度； 高溫超熱水蒸氣制備単元基于交流電源提供的交流電將水從室溫轉(zhuǎn)換成高溫超熱水蒸氣； 通過(guò)將高溫超熱水蒸氣泵入高溫電解制氫單元中的固體氧化物電解堆(SOEC)的陰極偵牝并向SOEC電解堆電極兩端施加具有第一電壓的直流電，使高溫超熱水蒸氣在SOEC電解堆的陰極側(cè)離解為H2和02， 其中，當(dāng)交流電源輸出的交流電電壓顯著降低時(shí)，輔助儲(chǔ)熱單元將儲(chǔ)存的能量供應(yīng)給高溫超熱水蒸氣制備単元，以使高溫超熱水蒸氣制備単元基于交流電源輸出的交流電和 輔助儲(chǔ)熱單元供應(yīng)的能量穩(wěn)定地輸出高溫超熱水蒸氣。
全文摘要
本發(fā)明提供一種風(fēng)電高溫電解制氫系統(tǒng)和方法。所述系統(tǒng)包括直流電源，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的交流電整流為第一電壓的直流電；交流電源，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的交流電變壓為第二電壓的交流電；高溫超熱水蒸氣制備單元，基于交流電源的交流電制備超熱水蒸氣；輔助儲(chǔ)熱單元，接收交流電源的交流電以儲(chǔ)存能量；高溫電解制氫單元，采用直流電源的直流電對(duì)高溫超熱水蒸氣制備單元制備的超熱水蒸氣進(jìn)行電解制氫；換熱單元，在高溫電解制氫單元和輔助儲(chǔ)熱單元進(jìn)行熱量交換，以使高溫電解制氫單元維持在穩(wěn)定的溫度，其中，當(dāng)交流電源輸出的交流電電壓顯著降低時(shí)，輔助儲(chǔ)熱單元將儲(chǔ)存的能量供應(yīng)給高溫超熱水蒸氣制備單元，以使高溫超熱水蒸氣制備單元穩(wěn)定地輸出超熱水蒸氣。
文檔編號(hào)C25B9/04GK102851682SQ201210370229
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月28日
發(fā)明者萬(wàn)新華, 王相明, 張國(guó)濤 申請(qǐng)人:北京金風(fēng)科創(chuàng)風(fēng)電設(shè)備有限公司