【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于制氢系统及方法，具体为一种电解水耦合碳氢燃料制氢系统及方法。
技术介绍
1、当前工业生产所需氢气的主要来源包括化石燃料重整和电解水制氢，前者存在大量的温室气体排放，电解水制氢技术包括碱性电解(alk)、质子交换膜电解(pem)和固体氧化物电解(soec)，soec属于高温电解方法，水蒸气在700-1000℃的温度下分解为氢气和氧气，与alk和pem等低温电解相比拥有更高的电解效率和更低的能量消耗；soec电解水制氢系统包括电解模块和热管理系统两大部分，其中电解模块主要发生水蒸气的电解反应，由于水蒸气电解反应系强吸热反应，故该部分能耗占据系统总能耗的80％以上，热管理系统为电解模块提供必要的热工环境和水蒸气，该部分能耗占据系统总能耗的20％以内。
2、目前我国相关产业刚起步，系统能耗高、集成度低，诸多科研机构和研发型企业在不断降低soec的系统能耗，cn118345405a在热管理系统中布置换热组件回收系统出口的热量用于蒸发水蒸气及预热入口气体，降低了系统的电能消耗；cn118547302a和cn118048642a除了布置换热组件之外还在蒸汽输入侧(氢气管路)设置引射器，降低系统对氢气伴载气的需求，进而降低了对这部分氢气加热的能量消耗，进一步降低了系统的电能消耗。然而这些改进都发生在热管理系统中，如前所述，热管理系统的能耗仅占系统总能耗的20％以内，因此对系统总体的制氢能耗降低程度有限。因此，降低电解模块的能量消耗是降低soec制氢系统能耗，帮助soec产业发展的关键。
技术
1、专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术目的是提供一种原料利用率高的电解水耦合碳氢燃料制氢电系统，本专利技术的另一目的是提供一种节能的电解水耦合碳氢燃料制氢方法。
2、技术方案：本专利技术所述的一种电解水耦合碳氢燃料制氢系统，其特征在于：包括电解模块、水供给部、碳氢燃料供给部，电解模块包括阴极入口、阳极入口、阴极出口、阳极出口，水供给部依次与第一水泵、第一蒸汽发生器、第一换热器、第一加热器、阴极入口相连；阴极出口依次通过第一引射器与阴极入口相连，阴极出口依次与第一换热器、第一冷凝器、氢气储存部相连，氢气储存部通过第一质量流量计与第一换热器相连；碳氢燃料供给部依次与第二质量流量计、第二换热器、第二加热器与阳极入口相连；水供给部依次与第二水泵、第二蒸汽发生器、第二换热器相连；阳极出口通过第二引射器与阳极入口相连；阳极出口依次与尾气处理器、第二换热器、第二冷凝器、二氧化碳储存部相连。
3、进一步地，尾气处理器与氧气发生器相连，氧气发生器向尾气处理器供应氧气使得碳氢燃料经电解模块后可以完全氧化，尾气处理器内安装有氧气传感器，监测尾气处理器内氧含量并反馈至氧气发生器，控制尾气处理器内氧含量低于100ppm。未进入循环的气体，在尾气处理器处与氧气发生器产生的氧气混合反应，反应掉混合气中(因反应不完全)而生产的少量h2，并通过氧气传感器监测混合气的含氧量，直到h2完全反应掉。
4、进一步地，第一冷凝器、第二冷凝器的冷凝后的液态水均回流到水供给部。
5、进一步地，第一加热器、第二加热器的加热温度为400～1000℃，优选为500-650℃进一步地，第一蒸汽发生器、第二蒸汽发生器的温度设置为120～150℃。
6、进一步地，第一引射器的引射系数为0.1～0.2，用来对氢气出口的部分比例的高温氢气和水蒸气进行引射回流，此时无需氢气储存部向阴极入口提供氢气，而全部依靠引射回流提供的氢气。
7、进一步地，第二引射器的引射系数为3～4，用来对二氧化碳出口的二氧化碳和水蒸气生成物进行引射回流，此时水箱不再向阳极入口提供水，而全部依靠引射回流的二氧化碳和水蒸气提供。
8、进一步地，还包括氢气储存部，氢气储存部与第一换热器相连。
9、进一步地，第一换热器包括a端口、b端口、c端口、d端口，第一质量流量计的输出端、第一蒸汽发生器的输出端与a端口相连，第一加热器的输入端与b端口相连，阴极出口与c端口相连，第一冷凝器的输入端与d端口相连。
10、进一步地，第二换热器包括e端口、f端口、g端口、h端口，第二蒸汽发生器的输出端、第二质量流量计的输出端均与e端口相连，第二加热器的输入端与f端口相连，尾气处理器的输出端与g端口相连，第二冷凝器的输入端与h端口相连。
11、本专利技术所述的一种电解水耦合碳氢燃料制氢方法，包括以下步骤：
12、步骤一，启动阶段：水供给部的水变成水蒸气，与氢气储存部输出的氢气混合经过换热升温，最终加热到反应温度400～1000℃后，进入电解模块进行阴极电解反应；水供给部的水蒸发为水蒸气，与碳氢燃料供给部输出的碳氢燃料混合经过换热升温，最终加热到反应温度400～1000℃后，进入电解模块进行阳极电解反应；
13、步骤二，稳态运行阶段：对电解模块排出的尾气进行比例循环，根据相应的引射系数将部分尾气循环到阴极入口和阳极入口，此时，氢气储存部停止向阴极入口供应氢气，水供给部停止向阳极入口供应水蒸气。
14、所回收的二氧化碳可以作为补充气体代替部分水蒸汽作为载气，起到节约能源的作用。稳定阶段是依靠引射器从尾排中循环回的气体补充入口所需的部分h2和水蒸气，阳极不需要从水供给部获取水蒸气，而是通过引射器将阳极生成的部分水蒸气和co2循环回进口，提供所需的能量和物料，起到节约能源的作用。
15、工作原理：阴极通入水蒸气，排出氢气，阳极通入碳氢燃料，排出二氧化碳和水蒸气。上述系统在电解模块反应中，如需举例时，碳氢燃料以甲烷为例，以下类同，不再赘述。在稳定的电解反应时，阴极反应方程式如下：
16、4h2o+8e-→4h2+4o2-
17、阳极反应方程式如下：
18、ch4+4o2-→co2+2h2o+8e-
19、总反应方程式如下：
20、ch4(c)+4h2o(a)→2h2o(c)+co2(c)+4h2(a)。
21、有益效果：本专利技术和现有技术相比，具有如下显著性特点：
22、1、电解模块阳极的碳氢燃料氧化反应为强吸热反应，该反应释放的能量可原位补偿阴极强吸热的电解水反应，极大地降低了电解模块的电能消耗，本专利技术中电解模块中的电能消耗可降低至现有技术的1/3～1/4；
23、2、系统核心电解模块的运行温度可优选在500～650℃，与现有技术相比，降低了电解模块的运行温度，可以提高整个系统的热承受能力，有效减小了热利用的难度；同时，对于核心电解模块以及系统零部件材料的要求降低，极大提高了使用寿命。
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1.一种电解水耦合碳氢燃料制氢系统，其特征在于，所述制氢系统包括电解模块(1)、水供给部(2)、碳氢燃料供给部(3)、氢气储存部(21)和二氧化碳储存部(22)，所述电解模块(1)包括阴极入口(101)、阳极入口(102)、阴极出口(103)、阳极出口(104)，所述水供给部(2)依次与第一水泵(4)、第一蒸汽发生器(5)、第一换热器(6)、第一加热器(7)、阴极入口(101)相连；所述阴极出口(103)依次通过第一引射器(8)与阴极入口(101)相连，所述阴极出口(103)依次与第一换热器(6)、第一冷凝器(9)、氢气储存部(21)相连，所述氢气储存部(21)通过第一质量流量计(10)与第一换热器(6)相连；所述碳氢燃料供给部(3)依次与第二质量流量计(11)、第二换热器(12)、第二加热器(13)与阳极入口(102)相连；所述水供给部(2)依次与第二水泵(14)、第二蒸汽发生器(15)、第二换热器(12)相连；所述阳极出口(104)通过第二引射器(16)与阳极入口(102)相连；所述阳极出口(104)依次与尾气处理器(17)、第二换热器(12)、第二冷凝器(18)、二氧化碳储
2.根据权利要求1所述的一种电解水耦合碳氢燃料制氢系统，其特征在于：所述尾气处理器(17)与氧气发生器(19)相连，所述氧气发生器(19)向尾气处理器(17)供应氧气使得碳氢燃料经电解模块后可以完全氧化，所述尾气处理器(17)内安装有氧气传感器(20)，监测尾气处理器(17)内氧含量并反馈至氧气发生器(19)，控制尾气处理器(17)内氧含量低于100ppm。
3.根据权利要求1所述的一种电解水耦合碳氢燃料制氢系统，其特征在于：所述第一冷凝器(9)、第二冷凝器(18)的冷凝后的液态水均回流到水供给部(2)。
4.根据权利要求1所述的一种电解水耦合碳氢燃料制氢系统，其特征在于：所述第一加热器(7)、第二加热器(13)的加热温度为400～1000℃。
5.根据权利要求1所述的一种电解水耦合碳氢燃料制氢系统，其特征在于：所述第一蒸汽发生器(5)、第二蒸汽发生器(15)的温度设置为120～150℃。
6.根据权利要求1所述的一种电解水耦合碳氢燃料制氢系统，其特征在于：所述第一引射器(8)的引射系数为0.1～0.2。
7.根据权利要求1所述的一种电解水耦合碳氢燃料制氢系统，其特征在于：所述第二引射器(16)的引射系数为3～4。
8.根据权利要求1所述的一种电解水耦合碳氢燃料制氢系统，其特征在于：所述第一换热器(6)包括A端口、B端口、C端口、D端口，所述第一质量流量计(10)的输出端、第一蒸汽发生器(5)的输出端与A端口相连，所述第一加热器(7)的输入端与B端口相连，所述阴极出口(103)与C端口相连，所述第一冷凝器(9)的输入端与D端口相连。
9.根据权利要求1所述的一种电解水耦合碳氢燃料制氢系统，其特征在于：所述第二换热器(12)包括E端口、F端口、G端口、H端口，所述第二蒸汽发生器(15)的输出端、第二质量流量计(11)的输出端均与E端口相连，所述第二加热器(13)的输入端与F端口相连，所述尾气处理器(17)的输出端与G端口相连，所述第二冷凝器(18)的输入端与H端口相连。
10.一种根据权利要求1～9任一项所述的电解水耦合碳氢燃料制氢系统的制氢方法，其特征在于，包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种电解水耦合碳氢燃料制氢系统，其特征在于，所述制氢系统包括电解模块(1)、水供给部(2)、碳氢燃料供给部(3)、氢气储存部(21)和二氧化碳储存部(22)，所述电解模块(1)包括阴极入口(101)、阳极入口(102)、阴极出口(103)、阳极出口(104)，所述水供给部(2)依次与第一水泵(4)、第一蒸汽发生器(5)、第一换热器(6)、第一加热器(7)、阴极入口(101)相连；所述阴极出口(103)依次通过第一引射器(8)与阴极入口(101)相连，所述阴极出口(103)依次与第一换热器(6)、第一冷凝器(9)、氢气储存部(21)相连，所述氢气储存部(21)通过第一质量流量计(10)与第一换热器(6)相连；所述碳氢燃料供给部(3)依次与第二质量流量计(11)、第二换热器(12)、第二加热器(13)与阳极入口(102)相连；所述水供给部(2)依次与第二水泵(14)、第二蒸汽发生器(15)、第二换热器(12)相连；所述阳极出口(104)通过第二引射器(16)与阳极入口(102)相连；所述阳极出口(104)依次与尾气处理器(17)、第二换热器(12)、第二冷凝器(18)、二氧化碳储存部(22)相连。
2.根据权利要求1所述的一种电解水耦合碳氢燃料制氢系统，其特征在于：所述尾气处理器(17)与氧气发生器(19)相连，所述氧气发生器(19)向尾气处理器(17)供应氧气使得碳氢燃料经电解模块后可以完全氧化，所述尾气处理器(17)内安装有氧气传感器(20)，监测尾气处理器(17)内氧含量并反馈至氧气发生器(19)，控制尾气处理器(17)内氧含量低于100ppm。
3.根据权利要求1所述的一种电解水耦合碳氢燃料制氢系统，其特征...
【专利技术属性】
技术研发人员：郑光普，仝永成，占忠亮，
申请(专利权)人：电堆科技合肥有限公司，
类型：发明
国别省市：
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