[发明专利]一种光伏与化学热泵耦合的太阳能高温电解水制氢系统及工艺

说明书

本发明公开了一种光伏与化学热泵耦合的太阳能高温电解水制氢系统及其工艺，该系统包括光伏发电系统、氨基化学热泵系统和高温氧化物电解池电解水系统，所述的光伏发电系统与高温氧化物电解池电解水系统连接，高温氧化物电解池电解水系统与氨基化学热泵系统通过第三换热器耦合连接，光伏发电系统将太阳能转化为电能，为高温氧化物电解池电解水系统提供电能，氨基化学热泵系统将太阳能依次转化为化学能和热能，为高温氧化物电解池电解水系统提供热能，使水电解产生氧气和氢气。本发明采用将光伏发电系统、氨基化学热泵系统和高温氧化物电解池电解水系统耦合的方式实现了零二氧化碳排放。

技术领域

本发明属于电解水制氢技术领域，具体涉及一种光伏与化学热泵耦合的太阳能高温电解水制氢系统及工艺。

背景技术

相比于风能、地热能、生物能等可再生能源，太阳能具有来源丰富以及用途广泛等独特优势：每年地球表面接收3.9×10²⁴MJ的太阳能折合成标准煤共约18.92×10⁷亿吨，仅需要其中的1%就可满足全人类的能源需求。但是太阳能利用受到时间、空间的限制：太阳辐射能不仅有随昼夜、季节、还受纬度和海拔等因素的变化。太阳能制氢过程将太阳能转化并储存在氢气的化学能之中，可以克服太阳能利用的间歇性和地域性。另一方面太阳能为唯一的输入能源，H₂O为唯一的原料气，实现零CO₂排放的“绿氢”制取。

传统光伏电解水制氢系统中与光伏系统耦合的多为低温电解水系统（LTE），相比于LTE，近年来随着固体氧化物电解池（SOEC）的发展，高温电解水（HTE）技术凭借其更高的效率，更好的反应动力学以及更低的电能需求等优势成为极具潜力的制氢技术。目前太阳能高温电解水可以通过光热以及光伏光热结合两种方式实现。由于光伏发电的效率比光热普遍要高，所以光伏光热结合更有潜力：光伏系统提供电能，光热系统提供热能（高温水蒸气），实现太阳能制氢过程中电能、热能的互补。SOEC运行温度为700-1000℃，在光热系统中直接达到这个温度需要昂贵的聚光集热装置，这对系统的稳定性以及成本造成了极为不利的影响。与此同时，由于太阳直射辐照强度在一天中随着时间变化而变化，因此由聚光装置直接加热水蒸气会导致高温水蒸气温度的波动，从而对SOEC电极材料产生热冲击影响其寿命。相对简单、粗放地利用高品位光热直接加热水，NH₃/N₂/H₂体系化学热泵具有对相对低品位光热进行提质增效并为SOEC提供稳定的高温水蒸气。

化学热泵是一种依靠可逆反应实现能量传递的装置，利用吸热和放热反应温度的差异，可以将低品位的热能转化为高品位的热能。利用正反过程的时间差，化学热泵系统还具有常温稳定储能的功能。化学热泵根据化学反应不同可分为络合反应体系，如氯化钙/甲醇、氯化钙/甲胺等；化学吸附体系，如分子筛/水、分子筛/氨等；催化反应体系，如环己烷/苯、丙酮/异丙醇等。以NH₃的可逆反应为基础的化学热泵体系相比于其他体系具有反应简单无副反应、反应物充足等优点。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种光伏与化学热泵耦合的太阳能高温电解水制氢系统及工艺。

为达到上述目的，提出以下技术方案：

一种光伏与化学热泵耦合的太阳能高温电解水制氢系统，包括光伏发电系统、氨基化学热泵系统和高温氧化物电解池电解水系统，所述的光伏发电系统与高温氧化物电解池电解水系统连接，高温氧化物电解池电解水系统与氨基化学热泵系统通过第三换热器耦合连接。

进一步地，所述的光伏发电系统包括光伏板阵列、单向控制器、双向控制器、超级电容器和控制器，光伏板阵列的输出端与单向控制器的输入端连接，单向控制器的输出端通过第一导线与控制器连接，超级电容器与双向控制器双向连接，双向控制器通过双向导线与第一导线连接，控制器与高温氧化物电解池电解水系统连接。