一种SOEC制氢和供热一体化装置的制作方法

一种soec制氢和供热一体化装置
技术领域
1.本实用新型涉及soec制氢技术领域，尤其涉及一种soec制氢和供热一体化装置。


背景技术：

2.氢能具有能量密度高、资源丰富且环保无污染的优点，已成为当前新能源领域的研究热点。当前电解水制氢技术主要有3种，其中最成熟的技术是碱性水电解，但其效率低、安全隐患大；质子交换膜电解水对电源的波动适应性强，但造价高；固体氧化物电解池(solid oxide electrolysis cell，soec)发生的电化学反应是固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，sofc)中反应的逆过程，具有高效率、低成本、长寿命的优势。soec相比低温的质子交换膜电解池和碱性电解槽要更有优势，因为soec具有更高的化学反应速度并且只需更低的电能产氢。近年来，美国能源部启动了一些项目来开发soec制氢技术。另外，将核能以及地热能技术与soec整合来优化产氢效率也逐渐成为热门。
3.相比其它类型的电解池，soec由全固态结构组成，需要在较高的工作温度下运行，一般采用成本较低的陶瓷材料或者金属陶瓷材料来取代贵金属作为电极，同时也避免了高活性贵金属催化剂被毒化的问题，从而提高了催化剂的稳定性。


技术实现要素：

4.鉴于上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种soec制氢和供热一体化装置，旨在解决现有soec制氢效率较低的问题。
5.本实用新型的技术方案如下：
6.一种soec制氢和供热一体化装置，其中，包括：强排式燃气热水器、位于所述强排式燃气热水器内的soec电池堆、位于所述强排式燃气热水器外的变压吸附提纯装置；
7.所述强排式燃气热水器包括：燃烧室、位于所述燃烧室上方的主换热器、与所述主换热器连接的冷凝器；
8.所述soec电池堆位于所述燃烧室上方，所述主换热器位于所述soec电池堆上方；
9.所述冷凝器通过管道连接所述变压吸附提纯装置；
10.所述燃烧室内燃气燃烧产生的二氧化碳和水蒸气给soec电池堆提供电解所需的温度和水蒸气，所述soec电池堆电解产生的氢气和未反应的水蒸气以及二氧化碳混合气体进入主换热器中，所述混合气体与主换热器中的水热交换后，进入冷凝器冷却，冷却后的混合气体通过管道进入变压吸附提纯装置；
11.所述变压吸附提纯装置用于对冷却后的混合气体进行提纯，得到氢气。
12.可选地，所述强排式燃气热水器还包括位于所述主换热器上方的风机，所述主换热器中的混合气体在所述风机的作用下进入所述冷凝器。
13.可选地，所述主换热器设置有热水管道。
14.可选地，所述冷凝器设置有冷水管道。
15.可选地，所述燃烧室设置有燃气管道。
16.可选地，所述soec电池堆设置有对氧气进行收集的氧气管道。
17.可选地，所述soec电池堆包括：正对设置的第一固定板和第二固定板，设置于所述第一固定板和第二固定板之间的数个soec电池，所述数个soec电池通过导线并联连接。
18.可选地，所述数个soec电池由4行
×
4列呈阵列排布的soec电池组成。
19.可选地，所述soec电池为管状soec电池，所述管状soec电池从外层到内层依次为阴极、电解质层和阳极，其中阴极和直流电源负极相连，阳极和直流电源正极相连。
20.可选地，所述soec电池堆的工作温度范围为750-850℃。
21.有益效果：本实用新型将soec电池堆置于燃气热水器之中，从而实现soec电解水产氢气和尾气加热生活用水一体化，并且燃气的燃烧能够同时提供soec电解所需的温度和水蒸气，实现一举多得的目的。同时soec电池堆电解水只需在阴极一侧提供水蒸气，不必在阴阳两极同时提供水，使得soec电池堆电解水制氢有着极大的便捷性，尤其是在需收集氧气的情况下，该优势显得尤为明显。
附图说明
22.图1为本实用新型提供的一种soec制氢和供热一体化装置的结构示意图。
23.图2为soec电池高温电解水的原理图。
24.图3为管状soec电池的结构和工作原理图。
25.图4为soec电池堆的结构示意图。
具体实施方式
26.本实用新型提供一种soec制氢和供热一体化装置，为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
27.请参阅图1，本实用新型提供一种soec制氢和供热一体化装置，其中，包括：强排式燃气热水器1、位于强排式燃气热水器1内的soec电池堆2、位于强排式燃气热水器1外的变压吸附提纯装置3；
28.强排式燃气热水器1包括：燃烧室11、位于燃烧室11上方的主换热器12、与主换热器12连接的冷凝器13；
29.soec电池堆2位于燃烧室11上方，主换热器12位于soec电池堆2上方；
30.冷凝器13通过管道15连接变压吸附提纯装置3。
31.在一种实施方式中，强排式燃气热水器1还包括位于主换热器12上方的风机14，主换热器12中的混合气体(即烟气)在风机14的作用下进入冷凝器13。
32.在一种实施方式中，主换热器12设置有对热水进行收集的热水管道16。
33.在一种实施方式中，冷凝器13设置有冷水管道17。
34.在一种实施方式中，soec电池堆2设置有对氧气进行收集的氧气管道(图1中未示出)。
35.在一种实施方式中，燃烧室11设置有燃气管道18。
36.下面对soec电池、soec电池堆的结构及其工作原理作介绍。
37.固体氧化物电解池(solid oxide electrolysis cell，soec)是一种能在中高温
下将热能和电能高效环保地直接转化为燃料中化学能的全固态化学电解装置。soec可以看作固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，sofc)的逆向运行装置。图2为soec高温电解水的原理图，其中21为阴极(具有多孔结构)，22为电解质层，23为阳极(具有多孔结构)，其中阴极和直流电源负极相连，阳极和直流电源正极相连，从化学反应或能量转换的角度看，soec高温电解水制氢是氢气在sofc中与氧反应生成水的逆过程。soec中，阴极材料一般采用ni/ysz多孔金属陶瓷，阳极材料主要是钙钛矿氧化物材料，中间的电解质采用ysz氧离子导体。如图2所示，soec电极反应可表示为：
38.氢电极(阴极)：h2o+2e-→
h2+o
2-39.氧电极(阳极)：
40.电极总反应：
41.在一种实施方式中，soec电池为管状soec电池，其结构和工作原理如图3所示，该管状soec电池由三层材料构成，从外层到内层依次为阴极21、电解质层22和阳极23，其中阴极和直流电源(dc)负极相连，阳极和直流电源正极相连，将此soec电池加热到750-850℃(如800℃)，然后将soec管表面通过的高温水蒸气，在电解池的作用下，水蒸气被电解为氢气和氧气，其中氢气从soec管表面产生，氧气从soec管内层产生并排出。
42.为提高soec电池的工作效率和寻求更大的功率，本实用新型将数个管状soec电池固定成soec电池堆，如图4所示，soec电池堆包括：正对设置的第一固定板和第二固定板(图中未示出)，设置于第一固定板和第二固定板之间的数个soec电池，该数个soec电池通过导线并联连接。进一步地，第一固定板和第二固定板均可以为耐高温陶瓷材质的固定板。进一步地，数个soec电池可以由4行
×
4列呈阵列排布的soec电池组成。
43.也就是说，采用4
×
4的管式soec电池组成的电池堆，soec电池首尾部用耐高温陶瓷板固定，并用导线将16根管式soec电池并联起来，即外层阴极用导线连通并接入直流电源负极，内层阳极用导线连通并接入直流电源正极。
44.下面对本实用新型提供的soec制氢和供热一体化装置的工作原理作介绍。
45.本实用新型将soec电池堆置于燃气热水器内，具体将soec电池堆放入如图1所示的位置，即soec电池堆位于燃烧室的上方，主换热器位于soec电池堆上方，工作时，点燃燃烧室内的天然气，天然气燃烧产生二氧化碳和水蒸气，一方面给soec电池堆提供工作所需的温度(750-850℃，如800℃)，另一方面燃烧产生的高温水蒸气作为soec电池堆电解水的原料，在soec电池堆上方电解产生的氢气和未反应的水蒸气以及二氧化碳混合气体进入主换热器中，该混合气体将主换热器中的流水(冷凝器中的水在自身重力的作用下流入该主换热器的水)加热至大约80℃，该加热后的热水从热水管道流出，用作生活用水。同时，主换热器中的混合气体在风机的作用下进入冷凝器，仍具有一定温度的混合气体和冷凝器中的冷水进行热交换，将冷凝器中的冷水由室温加热至50℃，然后冷却后的混合气体通过烟气管道进入变压吸附提纯装置(psa)，在psa中对混合气体进行提纯，从而得到纯氢气。此外，soec电池堆内管壁产生的氧气也可以通过氧气管道收集起来得到纯氧气，以增加产品，从而降低成本。
46.本实用新型将soec电池堆置于燃气热水器之中，从而实现soec电池堆电解水产氢
气和尾气加热生活用水一体化，并且燃气的燃烧能够同时提供soec电池堆电解所需的温度和水蒸气，实现一举多得的目的。
47.同时，soec电池堆电解水只需在阴极一侧提供水蒸气，不必在阴阳两极同时提供水，使得soec电池堆电解水制氢有着极大的便捷性，尤其是在需收集氧气的情况下，该优势显得尤为明显。
48.与现有单纯采用soec电池制氢相比，本实用新型具有以下技术优势：
49.采用soec电池堆和燃气热水器组合的方式进行水蒸气的电解，能够同时生产氢气、氧气以及热水，使得能源得到最大化的利用。
50.采用天然气直接燃烧的方式获得soec电池堆电解需要的高温水蒸气，以及soec电池堆电解所需的高温。
51.采用主换热器和冷凝器对冷水分别加热，得到生活所需的热水，同时对电解水蒸气的高温尾气进行冷却。
52.含有氢气的混合气体通过变压吸附的方式进行提纯，同时soec电池堆电解水产生的氧气可以同时收集。
53.可以根据氢气量的需求进行装置大小的调整，不仅适合大规模制氢，也适合小型制氢场所。
54.soec电解池的中间夹层电解质可以改为输运氢离子的固体氧化物，从而实现阴阳极产品发生替换，即soec管表面产生氧气，管内壁产生氢气，这样便于氢气的收集和提纯。
55.燃料除采用天然气外，可以采用其他的碳氢化合物燃料，比如液化石油气，甲醇，乙醇等。
56.主换热器可以设置2-4个，高温尾气的流向和水流的方向相反，便于生活热水的预热和最终加热。
57.应当理解的是，本实用新型的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。