[实用新型]一种碟式太阳能耦合SOEC电解制氢设备

说明书

技术领域

本实用新型涉及太阳能集热和电解制氢技术领域，尤其涉及一种碟式太阳能耦合SOEC电解制氢设备。

背景技术

太阳能的商业化开发和利用是可再生能源领域的一个重要发展趋势。国际能源署(IEA)预计，到2040年太阳能发电将占世界电力供应的20％以上。聚光式太阳能热发电技术作为太阳能利用的一种重要方式，已成为国际太阳能技术发展的重要方向之一。近几十年来，经过一些国家的持续研究，目前已开发出多种形式的太阳能热发电系统，单级容量从千瓦级发展到兆瓦级，并已进入大规模商业开发和运行阶段。

尽管太阳能行业潜力巨大而且清洁高效，但是由于分布式能源的间歇性及不确定性，导致应用的领域及其供能范围受到极大的限制。一旦将太阳能发电并入电网会出现很大的问题，这主要体现在以下几个方方面：电网调峰能里不足、电压控制难度加大、调度与接纳能力差、光电功率难以预测、需要大规模储能技术的支撑。由于存在种种问题，会导致整体成本较高，且难以物尽其用，很多的能源白白的浪费掉了。因此，将太阳能高效地转化为一种高热密度的能源载体显得极其重要。

当今世界开发新能源迫在眉睫，是因为所用的能源如石油、天然气、煤，石油气均属于不可再生能源。随着化石燃料的消耗量日益增加，而其储量逐渐减少，人们急于寻找替代能源。氢是一种清洁的二次能源。被认为是理想的未来能源，研究用氢作为能源载体已经成为国际上的研究热点，氢能经济已经成为一个热门的话题。21世纪，我国和美国、日本、加拿大、欧盟等都制定了氢能发展规划，并且目前我国已在氢能领域取得了多方面的进展。目前高温水蒸气电解制氢是解决大规模氢能源问题的潜在途径之一。

目前我国年产氢气千万余吨，位列世界第一。用于工业的制氢方法主要有甲烷蒸汽重整和电解水制氢。就目前而言，甲烷蒸汽重整是最经济的制氢方法。电解水制氢方法主要有三种：碱性电解水制氢，固体聚合物电解水制氢，及高温固体氧化物电解水制氢。当前比较成熟的制氢方法是碱性电解水制氢，广泛用于工业上大规模的电解水制氢。电能主要为电解制氢提供能量，用电费用占整个电解制氢生产成本的80％左右。因此，电解水制氢技术特别适用于风力发电等可再生能源发电的能源载体。但是碱性制氢系统电解效率与总制氢效率均较低，分别为56％和25％；SPE制氢系统电解效率虽有提高约76％，但其总制氢效率仍较低约35％。 高温固体氧化物电解水电解制氢与碱性电解和SPE电解水制氢相比，高温使系统降低了电能消耗，制氢效率得到有效提高，SOEC制氢系统电解效率可达90％以上，总制氢效率高达55％。高温气冷堆耦合的SOEC(固体氧化物电解池)电解制氢系统是目前已知总制氢效率最高的大规模制氢系统。

利用太阳能制氢的途径有太阳能发电与电解水制氢、太阳能光电化学制氢、太阳能热化学分解水及生物质制氢、太阳能光催化分解水制氢。其中太阳能光催化分解水制氢具有系统结构简单、便于操作且投资少的优点，有利于大规模发展。目前研究结果中，当Pt和PdS分别作为还原和氧化助催化剂负载到CdS表面组成Pt-PdS/CdS三元光催化剂体系时，可获得93％产氢量子效率，这是迄今为止报道的最高的光催化产氢量子效率。电解水制氢是最传统的制氢方法，虽然它消耗的一次能源是电，但它能把间断性不稳定的风电、太阳能等直接转化为氢能。电解水制氢的成熟技术主要有两种，即碱性电解液和质子交换膜分解水。

甲烷蒸汽重整最经济，但其消耗大量化石燃料，产生大量二氧化碳。目前常规碱性电解水制氢技术成本较高、总制氢效率较低而且大部分发电过程也消耗化石燃料排放大量CO₂。从可持续发展以及低碳环保方面考虑，这种制氢方法存在严重的弊端，并且发展前途阻力很大。

电解水制氢是一种常用的制氢方法，目前全世界生产的氢仅有约4％是靠水的电解来生产的。这是由于常规的碱性电解水制氢需要消耗大量的电能，能量转换效率较低、成本较高，因此其应用受到很大限制。

目前制氢方面的研究方向又有了新的进展，主要有超临界水气化有机质制氢、高温固体氧化物制氢这两个方向。

其中超临界水研究处于初级阶段，只能够通过大量实验常规模拟的方法进行操作，并凭借一般经验来提高制氢效率。这是由于超临界水性质复杂，在物理学及化学方面尚无法阐述其作用机理。当然，利用超临界水的强大活泼、氧化等性质可以完成普通状态下无法实现的反应。但其温度374℃、22.1MPa(即220个大气压)这种实验装置要求很高故操作困难。