CN114032563A - 一种基于波浪能供电的海上固体氧化物电解池共电解*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于波浪能供电的海上固体氧化物电解池共电解***，包括水蒸气生成单元、电解能量供给单元、二氧化碳生成单元、电解单元、换热单元以及分离储存单元；水蒸气生成单元，用于生成水蒸气与高温气体换热后进行电解反应；电解能量供给单元，用于生成电解单元所需电能；二氧化碳生成单元，用于生成二氧化碳进入电解单元反应；电解单元为固体氧化物电解池，用于共电解二氧化碳和水蒸气生成高温气体产物；换热单元为换热器，为水蒸气和电解的高温气体进行换热；本发明利用海水和清洁可再生能源波浪能提供电解能量，电解生成氢气和一氧化碳，充分发挥固体氧化物电解池共电解的优势；清洁高效无污染，同时尽可能利用能源减少能源浪费。
Description
技术领域
本发明属于电化学制氢和一氧化碳领域，具体涉及一种基于波浪能供电的海上固体氧化物电解池共电解***。
背景技术
化石能源的大量使用带来了严重的能源危机和环境污染，当前全球能源正在向高效、清洁、多元化方向转型，大规模可再生能源的发展已成为全球能源转型的重要趋势。近年来，我国可再生能源装机容量迅速扩大，可再生能源正逐步成为我国重要的能源供应来源。但由于可再生能源随机性、间歇性和波动性大的特点，严重阻碍了其大规模开发利用。储能是缓解可再生能源弃电问题的一种有效途径。但常规储能方式，如抽水蓄能、压缩空气储能和电池储能等，受地域性、存储容量和经济性等方面制约而难以满足要求。氢能作为一种新的二次能源载体，具有来源广泛、能量密度高、清洁无污染等优点，是当前最具发展潜力的高效替代能源。作为一种新型电化学储能方式，电解水制氢可有效弥补电能存储性差的短板，适应可再生能源对超大规模、长周期储能的需求，有力支撑高比例可再生能源发展，同时可与电力、热能等多种能源形式相互转换，且易于存储和运输，是目前最高效的长期、大规模储能方式之一。
固体氧化物电解池（SOEC电解池）采用全固态电池结构体系，具备高效率、低成本、长寿命等诸多技术优势。与低温电解相比，SOEC在高温下运行，可有效地降低电能消耗，提高***能量转化效率，并且在电解水的同时能同步电解二氧化碳，生成的氢气和一氧化碳气体都具有相应的经济价值。
发明内容
针对上述问题情况，本发明的目的在于提供一种基于波浪能供电的海上固体氧化物电解池共电解***，解决现有技术中存在的上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于波浪能供电的海上固体氧化物电解池共电解***，包括水蒸气生成单元、电解能量供给单元、二氧化碳生成单元、电解单元、换热单元以及分离储存单元；
所述水蒸气生成单元，包括依次连接的海水收集装置、海水净化装置以及蒸发装置，用于生成水蒸气与电解单元生成的高温气体进行换热后进入电解单元进行电解反应；
所述电解能量供给单元，包括波浪能、波浪能收集装置、发电机以及发电机余热收集装置，用于生成供电解单元电解所需要的电能和热能；
所述二氧化碳生成单元为二氧化碳发生装置，用于生成二氧化碳进入电解单元进行电解反应；
所述电解单元，为固体氧化物电解池，用于共电解二氧化碳和水蒸气生成高温气体产物；
所述换热单元为换热器，为水蒸气生成单元产生的水蒸气和电解单元产生的高温气体进行换热；
所述分离储存单元，包括气体分离装置和储存装置。
作为本发明的技术方案，进一步的，所述蒸发装置的出口端与换热器的一入口端相连，所述固体氧化物电解池的出口端与换热器的另一入口端相连，在换热器内完成换热操作；所述换热器的一出口端与气体分离装置相连，换热器的另一出口端与固体氧化物电解池入口相连。
作为本发明的技术方案，进一步的，所述电解能量供给单元中，波浪能被波浪能收集装置捕获，传送到发电机，发电机利用波浪能发电给固体氧化物电解池提供电能；发电机余热收集装置回收发电机中产生的热能并提供给固体氧化物电解池电解用。
作为本发明的技术方案，进一步的，所述固体氧化物电解池进行共电解反应，在制氢气的同时利用二氧化碳生成一氧化碳。
所述二氧化碳发生装置生产的二氧化碳通过管路连接至固体氧化物电解池中进行共电解反应，所述二氧化碳发生装置还连接有副产品收集装置，用于对二氧化碳生产中生成的副产品进行收集。
作为本发明的技术方案，进一步的，二氧化碳的生成是由煅烧碳酸钙得到，在生成二氧化碳的同时生成副产物氧化钙。
作为本发明的技术方案，进一步的，所述存储装置包括储氢装置和储一氧化碳装置。
有益效果
通过本发明技术方案，利用海水和清洁可再生能源波浪能提供电解能量，电解生成氢气和一氧化碳，能够充分发挥固体氧化物电解池共电解的优势；在本发明在运行中清洁高效无污染，同时尽可能的利用能源减少能源的浪费；在利用清洁能源同时制氢气和一氧化碳，减少二氧化碳的排放。此外，用固体氧化物电解池产出的高温气体通过换热器对水蒸气进行预热是对热能的多级利用，节约能源。
附图说明
图1为本发明的装置原理示意图；
图中：1、海水收集装置；2、海水净化装置；3、蒸发装置；4、气体分离装置；5、波浪能；6、波浪能收集装置；7、发电机余热收集装置；8、发电机；9、二氧化碳发生装置；10、固体氧化物电解池；11、副产物收集装置；12、换热器；13、储氢装置14、储一氧化碳装置。具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
如图1所示，一种基于波浪能供电的海上固体氧化物电解池共电解***，包括水蒸气生成单元、电解能量供给单元、二氧化碳生成单元、电解单元、换热单元以及分离储存单元；其中，
所述蒸气生成单元，包括依次连接的海水收集装置1、海水净化装置2以及蒸发装置3，用于生成水蒸气与电解单元生成的高温气体进行换热后进入电解单元进行电解反应；所述电解能量供给单元，包括波浪能5、波浪能收集装置6、发电机8以及发电机余热收集装置7，通过波浪能收集装置6捕获海水中的波浪能5将其转化为电能供给电解单元，用于生成供电解单元需要的电能和热能；所述二氧化碳生成单元为二氧化碳发生装置9，用于生成二氧化碳进入电解单元进行电解反应；所述电解单元，为固体氧化物电解池10，用于共电解二氧化碳和水蒸气生成高温气体产物；所述换热单元为换热器12，为水蒸气生成单元产生的水蒸气和电解单元产生的高温气体进行换热，从而通过高温气体对水蒸气进行预热；所述分离储存单元，包括气体分离装置4和储存装置，其中储存装置包括储氢装置13和储一氧化碳装置14，用于将生成的氢气和一氧化碳混合气进行分离出单独的氢气和一氧化碳并且分别储存于储氢装置13和储一氧化碳装置14中。
本发明装置具体连接关系为：所述蒸发装置3的出口端与换热器12的一入口端相连，所述固体氧化物电解池10的出口端与换热器12的另一入口端相连；换热器12的低温气体（即电解反应的高温气体换热后的气体）出口端与气体分离装置4相连，换热器12的高温气体（即经过换热后的水蒸气）出口端与固体氧化物电解池10入口相连；所述二氧化碳发生装置9生产的二氧化碳管路连接至固体氧化物电解池10中进行共电解反应，所述二氧化碳发生装置9还连接有副产品收集装置10，用于对二氧化碳生产中生成的副产品进行收集。
本发明装置具体工作原理为：
海水收集装置1将海水从海中提取后输送给海水净化装置2净化处理，海水净化装置2将净化后的纯净水，输送到蒸发装置3中加热蒸发成水蒸气，生成的水蒸气进入换热器2中与固体氧化物电解池10中生成的高温气体换热，对水蒸气进行预热；波浪能5被波浪能收集装置6捕获，发电机8利用波浪能发电为固体氧化物电解池10提供电能，同时发电机余热收集装置7回收发电机8中产生的热能并将其提供给固体氧化物电解池10；二氧化碳发生装置9通过煅烧碳酸钙生成二氧化碳以及其他产物，其他产物由副产物收集装置11收集，生成的二氧化碳输送到固体氧化物电解池10中进行共电解反应，共电解生成的高温气体通入换热器12中对水蒸气进行预热后经过气体分离装置4分成氢气和一氧化碳再分别储存到储氢装置13和储一氧化碳装置14中。换热器12将固体氧化物电解池10生成的高温气体与蒸发装置3出来的水蒸气换热实现热能的二次利用后，将预热的水蒸气通入固体氧化物电解池10进行反应。
固体氧化物电解池（SOEC）由电解质层和两边的燃料电极以及氧电极三部分组成，电极层由催化层和多孔电极以及气体扩散层构成。阴极电极和阳极电极均为多孔结构，通常使用金属电极材料，SOEC共电解反应工作原理：以传导氧离子为例，在较高温度下，水蒸气和二氧化碳从阴极流道通入固体氧化物电解池中然后从多孔阴极扩散阴极与电解质之间的三相界面处被分解成氢气和一氧化碳以及阳离子，阳离子通过电解质层到达阳极与电解质之间的三相界面处失去电子生成氧气后扩散出去，共电解反应式如下：
阴极： CO2(g) + 2e- → CO(g) + O2-
H2O(g) + 2e- → H2(g) + O2-
阳极： 2O2- → O2(g) + 4e-
固体氧化物电解池（SOEC）高温电解二氧化碳和水蒸气的混合气体，既可高效制备合成气氢气和一氧化碳，又可实现二氧化碳的减排。
本发明的固体氧化物电解池10进行共电解反应，在制氢的同时利用二氧化碳生成一氧化碳，减少了碳排放。所用电能由波浪能转化而来，实现了对清洁能源的利用。此外，固体氧化物电解池产出的高温气体通过换热器对水蒸气进行预热实现了对热能的多级利用，节约能源，提高了能源的利用率。
本发明装置中海水净化装置2，采用反渗透膜法净化海水，脱盐率高，首先是将海水提取上来，进行初步处理，降低海水浊度，防止细菌、藻类等微生物的生长，然后用特种高压泵增压，使海水进入反渗透膜，由于海水含盐量高，因此海水反渗透膜必须具有高脱盐率，耐腐蚀、耐高压、抗污染等特点，经过反渗透膜处理后的海水，其含盐量大大降低，淡化后的水质甚至优于自来水。
本发明装置中的换热器12，采用分离式热管换热器：分离式热管换热器是由若干根高频翅片管组焊成、彼此独立的热管束组成。它具有良好的导热性能，冷、热端相对应的各片管束通过蒸汽导管和回流导管连接，构成各自独立的封闭管路***。
本发明装置中的二氧化碳发生装置9，采用罐式煅烧炉完成；本发明的波浪能收集装置6采用点吸收式波浪能发电装置，本发明的发电机余热收集装置7主要利用板翅式空气热交换器来实现。
综上，本发明技术方案，利用海水和清洁可再生能源波浪能提供电解能量，通过固体氧化物电解池共电解反应，生成氢气和一氧化碳，能够充分发挥固体氧化物电解池共电解的优势；在本发明在运行中清洁高效无污染，同时尽可能的利用清洁可再生能源减少能源浪费，减少二氧化碳排放量，保护环境。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种基于波浪能供电的海上固体氧化物电解池共电解***，其特征在于，包括水蒸气生成单元、电解能量供给单元、二氧化碳生成单元、电解单元、换热单元以及分离储存单元；
所述水蒸气生成单元，包括依次连接的海水收集装置（1）、海水净化装置（2）以及蒸发装置（3），用于生成水蒸气与电解单元生成的高温气体进行换热后进入电解单元进行电解反应；
所述电解能量供给单元，包括波浪能（5）、波浪能收集装置（6）、发电机（8）以及发电机余热收集装置（7），用于生成供电解单元电解所需要的电能和热能；
所述二氧化碳生成单元为二氧化碳发生装置（9），用于生成二氧化碳进入电解单元进行电解反应；
所述电解单元，为固体氧化物电解池（10），用于共电解二氧化碳和水蒸气生成高温气体产物；
所述换热单元为换热器（12），为水蒸气生成单元产生的水蒸气和电解单元产生的高温气体进行换热；
所述分离储存单元，包括气体分离装置（4）和储存装置。
2.根据权利要求1所述的一种基于波浪能供电的海上固体氧化物电解池共电解***，其特征在于，所述蒸发装置（3）的出口端与换热器（12）的一入口端相连，所述固体氧化物电解池（10）的出口端与换热器（12）的另一入口端相连，在换热器（12）内完成换热操作；所述换热器（12）的一出口端与气体分离装置（4）相连，换热器（12）的另一出口端与固体氧化物电解池（10）入口相连。
3.根据权利要求1所述的一种基于波浪能供电的海上固体氧化物电解池共电解***，其特征在于，所述电解能量供给单元中，波浪能（5）被波浪能收集装置（6）捕获，传送到发电机（8），发电机（8）利用波浪能发电给固体氧化物电解池（10）提供电能。
4.根据权利要求3所述的一种基于波浪能供电的海上固体氧化物电解池共电解***，其特征在于，发电机余热收集装置（7）回收发电机（8）中产生的热能并提供给固体氧化物电解池（10）电解用。
5.根据权利要求1所述的一种基于波浪能供电的海上固体氧化物电解池共电解***，其特征在于，所述固体氧化物电解池（10）进行共电解反应，在制氢气的同时利用二氧化碳生成一氧化碳。
6.根据权利要求1所述的一种基于波浪能供电的海上固体氧化物电解池共电解***，其特征在于，所述二氧化碳发生装置（9）制得的二氧化碳通过管路连接至固体氧化物电解池（10）中进行共电解反应，所述二氧化碳发生装置（9）还连接有副产品收集装置（11），用于对二氧化碳生产中生成的副产品进行收集。
7.根据权利要求6所述的一种基于波浪能供电的海上固体氧化物电解池共电解***，其特征在于，二氧化碳的生成是由煅烧碳酸钙得到，在生成二氧化碳的同时生成副产物氧化钙。
8.根据权利要求1所述的一种基于波浪能供电的海上固体氧化物电解池共电解***，其特征在于，所述存储装置包括储氢装置（13）和储一氧化碳装置（14）。
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