[發(fā)明專利]一種基于氨基熱化學能儲能的太陽能高溫電解水耦合制氫的系統(tǒng)及工藝

有效

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• 申請日: 2021-03-12
• 公開（公告）號: CN113005475B
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發(fā)明（設計）人: 陳晨;夏起;趙建國;馮帥明;孔明民;錢挺;杜偉;何興
• 申請（專利權）人: 浙江工業(yè)大學
• 主分類號: C25B9/50
• 分類號: C25B9/50;C25B1/04;C25B1/55;C25B9/67;C25B15/021
• 代理公司: 杭州浙科專利事務所(普通合伙) 33213
• 代理人: 周紅芳

本發(fā)明公開了一種基于氨基熱化學能儲能的太陽能高溫電解水耦合制氫的系統(tǒng)及工藝，屬于太陽能光熱電解水制氫技術領域。該系統(tǒng)集成了氨基熱化學能儲能單元、再壓縮S?CO₂布雷頓循環(huán)單元和高溫電解水制氫單元，通過多個換熱器對各個單元進行連接和協(xié)同作用，氨基熱化學儲能單元吸收太陽能分解和合成氨釋放熱能的溫度，在此基礎上，針對集成太陽能制氫系統(tǒng)內(nèi)部因為各種能量傳遞過程造成的余熱，提出系統(tǒng)深度余熱回收方法，實現(xiàn)了太陽能和化學能的協(xié)同優(yōu)化、互補過程，目標能源利用率可達27%，為太陽能制氫提供了全新的路徑，對利用、儲存太陽能具有重要意義。

技術領域

本發(fā)明屬于太陽能光熱電解水制氫技術領域，具體涉及一種基于氨基熱化學能儲能的太陽能高溫電解水耦合制氫的系統(tǒng)及工藝。

背景技術

太陽能是一種清潔可再生能源，在所有的可再生能源中，太陽能分布最廣，獲取最容易。由于太陽能具有間歇性、低密度、不穩(wěn)定性、難以持續(xù)供應的缺點，純太陽能熱發(fā)電的廣泛應用目前仍有許多問題需要解決，其中如何實現(xiàn)太陽能高效、大規(guī)模的儲存，保證太陽能一天持續(xù)供給是太陽能熱發(fā)電技術的關鍵。固體氧化物燃料電池是一種理想的燃料電池，固體氧化物燃料電池技術的難點在于，它是在高溫下連續(xù)工作，但固體氧化物燃料電池排出高溫余熱可以與燃氣輪機或蒸汽輪機組成聯(lián)合循環(huán)，大幅度提高總發(fā)電效率。CO₂具有合適的臨界參數(shù)，化學性質(zhì)不活潑，且具有壓縮性好、安全無毒、儲量豐富等優(yōu)點。和常規(guī)蒸汽發(fā)電相比，S-CO₂發(fā)電系統(tǒng)的體積更小、重量更輕、熱損更小、轉(zhuǎn)換效率更高，系統(tǒng)僅需要較低的熱量即可啟動發(fā)電機、應對負荷變化調(diào)整迅速、支持快速啟停，同時還可以節(jié)約大量水資源，是太陽能熱儲能在光照資源好但水資源緊缺的荒漠地區(qū)的理想選擇。S-CO₂布雷頓循環(huán)僅需外界提供500℃到800℃的溫度，這是應用現(xiàn)有太陽能聚光器和吸熱器技術就能很容易達到的溫度。

利用可逆熱化學反應2NH₃+ΔH3H₂+2N₂，通過熱能與化學能轉(zhuǎn)換進行儲能。NH₃系統(tǒng)除原料豐富廉價、可以全天候連續(xù)供能外，還具有其他熱化學或光化學儲能所不具備的獨特優(yōu)點，如儲能密度高、可逆反應易控制且無副反應、技術成熟、應用可靠、儲存與分離簡單等，使其成為太陽能熱力發(fā)電首選的熱化學儲能物質(zhì)。國外已進行了利用氨分解反應作為太陽能儲熱發(fā)電的實驗研究，其效率多在0.6以上，因此該反應具有一定的實用前景。氨基熱化學儲能系統(tǒng)簡單且小型化，能有效地對太陽能進行收集、儲存與輸送、轉(zhuǎn)換而無需擔心太陽輻射的瞬態(tài)性，且合成反應產(chǎn)生的能量品質(zhì)高，但是NH₃/N₂/H₂熱化學儲能體系實際應用中仍然有一些問題需要解決，如H₂和N₂的長期安全儲存問題；反應在高溫、高壓、催化劑下操作，反應條件比較苛刻，儲能系統(tǒng)操作成本高；反應的不完全轉(zhuǎn)化等。

基于高溫氧化物電解池SOEC的高溫共電解技術將CO₂和H₂O作為電解原料，在高溫下進行電解，加快了電解反應速率，提高了SOEC的運行效率。在電解過程中CO₂和水蒸氣轉(zhuǎn)變?yōu)楹铣蓺猓–O+H₂）,合成氣既可以作為SOFC的燃料極氣體輸出電能，實現(xiàn)電能的高效存儲、錯開用電高峰，又可以作為原料氣體催化合成燃料油和其他化工產(chǎn)品，緩解液體燃料的需求壓力。在可再生能源的廣泛推廣下，共電解技術既提高了可再生能源的利用率，又能實現(xiàn)CO₂的減排和利用，符合能源發(fā)展的趨勢，對于能源發(fā)展和環(huán)境保護都有著極其重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于氨基熱化學能儲能的太陽能高溫電解水耦合制氫的系統(tǒng)及工藝。

為達到上述目的，提出以下技術方案：

一種基于氨基熱化學能儲能的太陽能高溫電解水耦合制氫的系統(tǒng)，主要包括氨基熱化學能儲能單元、再壓縮S-CO₂布雷頓循環(huán)單元和高溫電解水制氫單元；