048]储热高温热管换热器3将集热装置2收集到的热能输送至换热器单元19 ;
[0049]换热器单元19将集热装置2收集的热能传输给制氢及分离模块21，加热制氢及分离模块21中的水和氢气混合物至800°C以上的水蒸汽与氢气混合物。
[0050]如图2所示，换热器单元19为蒸汽换热器23，蒸汽换热器23通过储热高温热管换热器3将集热装置2存储的热能传输给制氢及分离模块21。
[0051]如图3所示，换热单元包括高温储热装置4和与高温储热装置4连接的放热高温热管换热器5 ；
[0052]高温储热装置4通过储热高温热管换热器3存储集热装置2中的热能，并保持其内部温度高于800°C ;采用高温热管技术将吸热器热能高效传导到高温储热装置，仍采用高温热换换热技术将高温储热装置热能高效传输到换热器加热水蒸汽。
[0053]放热高温热管换热器5将高温储热装置4存储的热能传输给制氢及分离模块21。
[0054]其中，制氢及分离模块21包括高温固体氧化物电解池7和氢气水蒸汽分离器8 ；
[0055]高温固体氧化物电解池7内设有阴极18、电解质17和阳极16 ;氢气与水蒸汽混合物和氧气经过不同管道收集并送出；
[0056]高温固体氧化物电解池7上设有直流电源6，高温固体氧化物电解池7利用直流电源6提供的电能将高温水蒸汽电解成为氢气与氧气；
[0057]氢气水蒸气分离器与高温固体氧化物电解池7的阴极18侧的顶端连接以接收氢气与水蒸汽的混合物并分离出纯氢气。
[0058]存储模块22包括氢气冷却器9、氢气存储装置10、氧气冷却器11和氧气存储装置12 ；
[0059]氢气水蒸汽分离器8、氢气冷却器9和氢气存储器依次连接；
[0060]高温固体氧化物电解池7的阳极16侧、氧气冷却器11和氧气存储装置12依次连接，氧气冷却器11接收并冷却高温固体氧化物电解池7的阳极16侧的氧气；
[0061]氢气冷却器9与氧气冷却器11连接，氢气冷却器9冷却氢气到常温，并回收热量到水箱13。氧气冷却器11冷却氧气到常温，并回收热量到水箱13。
[0062]换热器单元19与高温固体氧化物电解池7连接；
[0063]换热单元将热能传输至高温固体氧化物电解池7，使高温固体氧化物电解池7内温度不低于800°C。
[0064]其中，水箱13—方面用于为电解池提供给水，另一方面用于收集冷却高温氢气、氧气时所得到的热量，使热量能够循环利用而不散失，
[0065]高温固体氧化物电解池7与水箱13之间连接有给水泵14，给水泵14用于将给水送入电解池中，保持电解水系统的循环动力。
[0066]氢气冷却器9和氧气冷却器11均用循环水泵15与水箱13连接，，循环水泵15用于将水箱13中的水送入氢气冷却器9和氧气冷却器11，并循环回到水箱13。
[0067]聚光装置I为蝶式聚光装置I或塔式聚光装置1，其中聚光装置I的形式和面积根据制氢系统的热负荷需求和储热装置容量来选择，分布式系统一般采用碟式聚光系统，可以提供50-200kW热功率；规模化系统采用塔式聚光系统，可以提供30MW左右的热功率。
[0068]高温储热装置4采用高温陶瓷基复合相变储热材料或者高温陶瓷显热储热材料。其中，高温储热装置4容量根据制氢系统的热负荷需求来确定，一个要求全天候连续工作的系统需要配置15小时甚至大容量的储热系统。高温储热系统采用无机盐/陶瓷基复合储热材料，根据聚光集热系统的热功率和热负荷的功率需求设计储热、放热高温热管换热器5ο
[0069]本发明提供的一种耦合太阳能光热的高温电解水制氢系统的工作原理是由太阳能光热-储热系统提供热能至高温固体氧化物电解池7，高温固体氧化物电解池7在电能和高温工艺热能的作用下，高效地将水蒸气电解生成氢气和氧气。
[0070]太阳光经过聚光装置I聚集后，集热装置2达到1000度左右。经过储热高温热管换热器3将热量传输给换热器单元19，换热器单元19将热量交换给制氢系统中，将给水和氢气混合物加热到800°C以上。
[0071]将水加热成为高温蒸汽，混合物中的氢气保护电极不被氧化。高温状态的水蒸汽和氢气混合物进入到高温固体氧化物电解池7中分解为氢气和氧气。氢气与剩余水蒸汽进入氢气水蒸汽分离器8分离器，大部分氢气被分离，送入氢气冷却器9冷却至常温，由氢气存储装置10储存。水蒸汽和剩余氢气与给水混合后进入换热器重新开始循环。
[0072]氧气由氧气冷却器11冷却至常温，由氧气存储装置12储存，冷却热量由循环水吸收后，被送入水箱13回收利用。
[0073]以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的【具体实施方式】进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
【主权项】
1.一种耦合太阳能光热的高温电解水制氢系统，所述制氢系统包括依次连接的热能供给模块，制氢及分离模块和存储模块，所述制氢及分离模块上设有直流电源，所述制氢及分离模块和存储模块均与水箱连接；其特征在于， 所述热能供给模块包括依次连接的聚光装置、集热装置、储热高温热管换热器和换热器单元； 所述集热装置安装在所述聚光装置的焦点处，所述集热装置吸收所述聚光装置中的热能，使得所述集热装置的内部温度不低于1000°c ; 所述储热高温热管换热器将所述集热装置收集到的热能输送至所述换热器单元； 所述换热器单元将所述集热装置收集的热能传输给所述制氢及分离模块，加热所述制氢及分离模块中的水和氢气混合物至800°c以上的水蒸汽与氢气混合物。
2.如权利要求1所述的制氢系统，其特征在于，所述换热器单元为蒸汽换热器，所述蒸汽换热器通过所述储热高温热管换热器将所述集热装置存储的热能传输给所述制氢及分离模块。
3.如权利要求1所述的制氢系统，其特征在于，所述换热器单元包括高温储热装置和与所述高温储热装置连接的放热高温热管换热器； 所述高温储热装置通过所述储热高温热管换热器存储所述集热装置中的热能，并保持其内部温度高于800°C ; 所述放热高温热管换热器将所述高温储热装置存储的热能传输给所述制氢及分离模块。
4.如权利要求1或3所述的制氢系统，其特征在于，所述制氢及分离模块包括高温固体氧化物电解池和氢气水蒸汽分离器； 所述高温固体氧化物电解池内设有阴极、电解质和阳极； 所述高温固体氧化物电解池上设有所述直流电源，所述高温固体氧化物电解池利用所述直流电源提供的电能将高温水蒸汽电解成为氢气与氧气； 所述氢气水蒸气分离器与所述高温固体氧化物电解池的阴极侧的顶端连接以接收氢气与水蒸汽的混合物并分离出纯氢气。
5.如权利要求4所述的制氢系统，其特征在于，所述存储模块包括氢气冷却器、氢气存储装置、氧气冷却器和氧气存储装置； 所述氢气水蒸汽分离器、氢气冷却器和氢气存储器依次连接； 所述高温固体氧化物电解池的阳极侧、氧气冷却器和氧气存储装置依次连接，所述氧气冷却器接收并冷却所述高温固体氧化物电解池的阳极侧的氧气； 所述氢气冷却器与所述氧气冷却器连接。
6.如权利要求4或5所述的制氢系统，其特征在于，所述换热单元与所述高温固体氧化物电解池连接； 所述换热单元将热能传输至所述高温固体氧化物电解池，使所述高温固体氧化物电解池内温度不低于800°C。
7.如权利要求4至6任一项所述的制氢系统，其特征在于，所述高温固体氧化物电解池与所述水箱之间连接有给水泵。
8.如权利要求5所述的制氢系统，其特征在于，所述氢气冷却器和氧气冷却器均通过循环水泵与所述水箱连接。
9.如权利要求1所述的制氢系统，其特征在于，所述聚光装置为蝶式聚光装置或塔式聚光装置。
10.如权利要求3所述的制氢系统，其特征在于，所述高温储热装置采用高温陶瓷基复合相变储热材料或者高温陶瓷显热储热材料。
【专利摘要】本发明提供了一种耦合太阳能光热的高温电解水制氢系统，该系统包括依次连接的热能供给模块，制氢及分离模块和存储模块，热能供给模块包括依次连接的聚光装置、集热装置、储热高温热管换热器和换热器单元，并加热制氢及分离模块中的水和氢气混合物至800℃以上的水蒸汽与氢气混合物后，电解分离氢气和氧气。和现有技术相比，本发明提供的制氢系统，无需耗费化石能源，生产过程更为绿色环保，并且大幅的减小了耗电量；其提供稳定热源，解决了光热系统随天气变化而不稳定的情况，提高了系统的可用性，同时提高了系统的电解效率。
【IPC分类】C25B9-00, C25B9-04, C25B1-04
【公开号】CN104694950
【申请号】CN201510126438
【发明人】赵波, 王乐, 杨岑玉, 肖宇, 赵鹏程
【申请人】国家电网公司, 国网智能电网研究院
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年3月20日