本發(fā)明涉及電解制氫的，具體而言，尤其涉及基于固體氧化物電解池的海水制氫系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、海洋約占地球表面積的71％，海水是地球上最為廣泛的資源之一。在能源需求日益增長的當(dāng)下，海水能否成為可再生能源的重要來源引起了廣泛關(guān)注。近年來，我國海上風(fēng)電裝機(jī)量持續(xù)大幅增加。截至2022年，我國海上風(fēng)電累計裝機(jī)容量已突破3000萬千瓦，約占全球的54％，近岸或離岸海上風(fēng)電就地消納問題日益凸顯。

2、氫能具有密度高、來源多樣、終端零排，用途廣泛等多重優(yōu)勢，發(fā)展前景十分光明。氫的生產(chǎn)、消耗和再生循環(huán)低碳無污染，是應(yīng)對氣候變化和實現(xiàn)零排放目標(biāo)的有效途徑之一。固體氧化物電解池電解高溫水蒸氣比堿性電解水技術(shù)和pem電解水技術(shù)效率更高，運(yùn)行成本更低，可降電耗近30％。

3、當(dāng)前電解水技術(shù)主要依賴高度凈化的淡水，在淡水資源日益稀缺的情況下，以海水為原料的電解水制氫更具吸引力，在實現(xiàn)海上風(fēng)電電解水制氫方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。所以，如何將固體氧化物電解池電解水技術(shù)、海上風(fēng)電、海水淡化技術(shù)進(jìn)行有效耦合，形成一種以海水為原料的固體氧化物電解池電解水制氫系統(tǒng)及方法，不僅可有效解決海上風(fēng)電的就地消納問題，也擺脫了海上風(fēng)電電解水制氫技術(shù)面臨的淡水資源緊缺、海水成分復(fù)雜等問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、根據(jù)上述背景技術(shù)中提到的技術(shù)問題，而提供以海水為原料的固體氧化物電解池電解水制氫系統(tǒng)及方法。本發(fā)明提供一種以海水為原料的固體氧化物電解池電解水制氫系統(tǒng)及方法，通過將固體氧化物電解池電解水技術(shù)、海上風(fēng)電、海水淡化技術(shù)進(jìn)行有效耦合，可利用固體氧化物電解池電解水過程中產(chǎn)生的廢熱作為海水低溫制淡水的熱源，建立了廢熱回收系統(tǒng)，用于海水低溫淡化，制備的淡水進(jìn)而為固體氧化物電解池電解水提供淡水源，不僅使廢熱得到再利用，且可提高制氫效率。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：

3、基于固體氧化物電解池的海水制氫系統(tǒng)，包括：固體氧化物電解池電解槽單元，氧氣冷卻單元?dú)錃饫鋮s單元，蒸汽過熱單元，空氣預(yù)熱單元，氧氣氣液分離單元，氫氣氣液分離單元；

4、所述固體氧化物電解池電解槽單元內(nèi)的高溫水蒸氣在綠電的驅(qū)動下分解成氫氣和氧氣；所述固體氧化物電解池電解槽單元產(chǎn)生的高溫氫氣經(jīng)所述蒸汽過熱單元初步冷卻后，進(jìn)入所述氫氣冷卻單元進(jìn)行冷卻，然后進(jìn)入氫氣氣液分離單元進(jìn)行氣液分離后，得到氫氣，并外輸至氫用戶；所述固體氧化物電解池電解槽單元產(chǎn)生的高溫氧氣進(jìn)入空氣預(yù)熱單元冷卻后，進(jìn)入所述氧氣冷卻單元進(jìn)一步冷卻，然后進(jìn)入氧氣氣液分離單元進(jìn)行水分分離，得到氧氣。

5、本發(fā)明還包含以基于固體氧化物電解池的海水制氫方法，包括以下步驟：

6、步驟1：整流變壓單元將綠電整流變壓為固體氧化物電解池電解槽單元可直接利用的電流；

7、步驟2：固體氧化物電解池電解槽單元內(nèi)的高溫水蒸氣在綠電的驅(qū)動下分解成氫氣和氧氣；

8、步驟3：所述固體氧化物電解池電解槽單元產(chǎn)生的高溫氫氣經(jīng)所述蒸汽過熱單元初步冷卻后，進(jìn)入所述氫氣冷卻單元進(jìn)行冷卻，然后進(jìn)入氫氣氣液分離單元進(jìn)行氣液分離后，得到氫氣，并外輸至氫用戶；所述固體氧化物電解池電解槽單元產(chǎn)生的高溫氧氣進(jìn)入空氣預(yù)熱單元冷卻后，進(jìn)入所述氧氣冷卻單元進(jìn)一步冷卻，然后進(jìn)入氧氣氣液分離單元進(jìn)行水分分離，得到氧氣；

9、步驟4：空氣依次經(jīng)空氣壓縮單元、空氣預(yù)熱單元、空氣自調(diào)溫加熱單元，得到滿足固體氧化物電解池電解槽單元溫度和壓力要求的壓縮空氣，并供給至固體氧化物電解池電解槽單元；

10、步驟5：海水經(jīng)由海水過濾駁運(yùn)單元依次作為冷卻介質(zhì)通過低溫海水淡化單元中的冷凝器、氧氣冷卻單元6、氫氣冷卻單元，使海水吸收廢熱提升溫度，然后進(jìn)入低溫海水淡化單元中的蒸發(fā)器進(jìn)行負(fù)壓低溫蒸餾，進(jìn)行淡水制備；

11、步驟6：淡水存儲單元存儲來自低溫海水淡化單元制備的淡水和氫氣氣液分離單元分離的淡水，淡水通過淡水駁運(yùn)單元供給至蒸汽發(fā)生單元產(chǎn)生水蒸氣，水蒸汽進(jìn)入過熱單元進(jìn)行繼續(xù)加熱產(chǎn)生過熱蒸汽，然后過熱蒸汽經(jīng)自調(diào)溫加熱單元的加熱維溫，最后供給至固體氧化物電解池電解槽單元作為電解水蒸氣原料；

12、步驟7：氫氣氣液分離單元的少量氫氣回流至蒸汽過熱單元和水蒸氣一起進(jìn)入固體氧化物電解池電解槽單元。

13、較現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

14、本發(fā)明通過將固體氧化物電解池電解水技術(shù)、海上風(fēng)電、海水淡化技術(shù)進(jìn)行有效耦合，形成一種基于固體氧化物電解池的海水制氫系統(tǒng)及方法，可實現(xiàn)海水吸收固體氧化物電解池電解水過程中產(chǎn)生的廢熱用于海水低溫淡化，制備的淡水還可為固體氧化物電解池電解水提供淡水源，不僅使廢熱得到再利用，且可提高制氫效率。因此，本發(fā)明可有效解決海上風(fēng)電的就地消納問題，也擺脫了海上風(fēng)電電解水制氫技術(shù)面臨的淡水資源緊缺、海水成分復(fù)雜等問題，對實現(xiàn)‘雙碳’目標(biāo)具有重要意義。

技術(shù)特征：

1.基于固體氧化物電解池的海水制氫系統(tǒng)，其特征在于，包括：固體氧化物電解池電解槽單元(3)，氧氣冷卻單元(6)，氫氣冷卻單元(7)，蒸汽過熱單元(11)，空氣預(yù)熱單元(14)，氧氣氣液分離單元(16)，氫氣氣液分離單元(17)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于固體氧化物電解池的海水制氫系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還具有：整流變壓單元(2)；所述整流變壓單元(2)將綠電整流變壓為固體氧化物電解池電解槽單元(3)可直接利用的電流。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于固體氧化物電解池的海水制氫系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還具有空氣壓縮單元(13)及空氣自調(diào)溫加熱單元(15)；空氣依次經(jīng)空氣壓縮單元(13)、空氣預(yù)熱單元(14)、空氣自調(diào)溫加熱單元(15)，得到滿足固體氧化物電解池電解槽單元(3)溫度和壓力要求的壓縮空氣，并供給至固體氧化物電解池電解槽單元(3)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于固體氧化物電解池的海水制氫系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還具有：海水過濾駁運(yùn)單元(4)；海水經(jīng)由海水過濾駁運(yùn)單元(4)依次作為冷卻介質(zhì)通過低溫海水淡化單元(5)中的冷凝器、氧氣冷卻單元(6)、氫氣冷卻單元(7)，使海水吸收廢熱提升溫度。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于固體氧化物電解池的海水制氫系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還具有：低溫海水淡化單元(5)；低溫海水淡化單元(5)中的蒸發(fā)器進(jìn)行負(fù)壓低溫蒸餾，進(jìn)行淡水制備。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于固體氧化物電解池的海水制氫系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還具有：淡水存儲單元(8)；存儲來自低溫海水淡化單元(5)制備的淡水和氫氣氣液分離單元(17)分離的淡水。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于固體氧化物電解池的海水制氫系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還具有：淡水駁運(yùn)單元(9)、蒸汽發(fā)生單元(10)過熱蒸汽經(jīng)自調(diào)溫加熱單元(12)；淡水通過淡水駁運(yùn)單元(9)供給至蒸汽發(fā)生單元(10)產(chǎn)生水蒸氣，水蒸汽進(jìn)入過熱單元(11)進(jìn)行繼續(xù)加熱產(chǎn)生過熱蒸汽，然后過熱蒸汽經(jīng)自調(diào)溫加熱單元(12)的加熱維溫，最后供給至固體氧化物電解池電解槽單元(3)作為電解水蒸氣原料；氫氣氣液分離單元(17)的少量氫氣回流至蒸汽過熱單元(11)和水蒸氣一起進(jìn)入固體氧化物電解池電解槽單元(3)。

8.基于固體氧化物電解池的海水制氫方法，其特征在于，包括以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開一種基于固體氧化物電解池的海水制氫系統(tǒng)及方法，將固體氧化物電解池電解水技術(shù)、海上風(fēng)電、海水淡化技術(shù)進(jìn)行有效耦合，可實現(xiàn)海水吸收固體氧化物電解池電解水過程中產(chǎn)生的廢熱用于海水低溫淡化，制備的淡水還可為固體氧化物電解池電解水提供淡水源，不僅使廢熱得到再利用，且可提高制氫效率。本發(fā)明不僅可有效解決海上風(fēng)電的就地消納問題，也可擺脫海上風(fēng)電電解水制氫技術(shù)面臨的淡水資源緊缺、海水成分復(fù)雜等問題，對實現(xiàn)‘雙碳’目標(biāo)具有重要意義。

技術(shù)研發(fā)人員：鄧德會,朱培鑫,劉艷廷
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8