一种基于高温电解制氢的氢能城市结构

摘要

本发明涉及一种基于高温电解制氢的氢能城市结构，其包括采集第一可再生能源用于发电的可再生能源发电设备；采集第二可再生能源用于产生高温熔盐的可再生能源制热设备；用于储存高温熔盐的熔盐储热设备连接在可再生能源制热设备的下游；用于产生氢气的高温电解制氢设备分别连接在可再生能源发电设备和熔盐储热设备的下游进行制氢，其中，可再生能源发电设备输送的电能和熔盐储热设备输送的热能实时匹配供给给高温电解制氢设备；用于储存氢气的储氢设备连接在高温电解制氢设备的下游；用于输送氢气的输氢设备连接在储氢设备的下游。根据本发明的基于高温电解制氢的氢能城市结构，通过高温电解制氢设备灵活地运用自然界的各种可再生能源。

说明书

技术领域

本发明涉及可再生能源，更具体地涉及一种基于高温电解制氢的氢能城市结构。

背景技术

人类社会的发展伴随着能源消耗的大规模增加。交通运输、工业生产、用电、供暖、制冷都消耗了大量的化石能源。化石燃料的利用给我们带来了重大的环境问题，严重影响了人类的生活。CO

中国大气环境面临的形势非常严峻，大气污染物排放总量居高不下。面对巨大的环境压力，中国政府从2001年开始就提出了低碳减排的政策，大力发展新能源。现有的新能源主要为风能和太阳能发电。然而新能源中风能和太阳能存在随机性和不稳定性，难以满足实时变化的用电负荷和需求。为了满足国家电网电力资源的监测、分配和调度，位置电网电压稳定，国家电网对并入电网的新能源电力进行了限定，也造成了弃风弃光的问题。2019年我国弃风电量169亿千瓦时，弃光电量为46亿千瓦时，造成了极大的浪费。

发明内容

为了解决上述现有技术中的能源浪费的问题，本发明提供一种基于高温电解制氢的氢能城市结构。

根据本发明的基于高温电解制氢的氢能城市结构，其包括采集第一可再生能源用于发电的可再生能源发电设备；采集第二可再生能源用于产生高温熔盐的可再生能源制热设备；用于储存该产生的高温熔盐的熔盐储热设备，其连接在可再生能源制热设备的下游；用于产生氢气的高温电解制氢设备，其分别连接在可再生能源发电设备和熔盐储热设备的下游以利用可再生能源发电设备输送的电能和熔盐储热设备输送的热能进行制氢，其中，可再生能源发电设备输送的电能和熔盐储热设备输送的热能实时匹配供给给高温电解制氢设备；用于储存该产生的氢气的储氢设备，其连接在高温电解制氢设备的下游；以及用于输送该储存的氢气的输氢设备，其连接在储氢设备的下游。

优选地，该氢能城市结构还包括氨水吸收式制冷设备，其连接在高温电解制氢设备的下游以将制氢过程中产生的300-500℃的热能输送到氨水吸收式制冷设备中进行制冷。

优选地，该氢能城市结构还包括固体氧化物燃料电池供电设备，其连接在输氢设备的下游以将输氢设备中的氢气输送到固体氧化物燃料电池供电设备中进行发电。

优选地，该氢能城市结构还包括加氢站，其中，加氢站连接在输氢设备的下游以将输氢设备中的氢气输送到加氢站中进行供气，加氢站连接在固体氧化物燃料电池供电设备的下游以使得固体氧化物燃料电池供电设备向加氢站供电。

优选地，该氢能城市结构还包括耗氢大型化工厂，其中，耗氢大型化工厂连接在输氢设备的下游以将输氢设备中的氢气输送到耗氢大型化工厂中用作化工厂原材料，，耗氢大型化工厂连接在固体氧化物燃料电池供电设备的下游以使得固体氧化物燃料电池供电设备向耗氢大型化工厂供电。

优选地，该氢能城市结构还包括城市住宅及商用社区，其中，城市住宅及商用社区连接在输氢设备的下游以将输氢设备中的氢气输送到城市住宅及商用社区中进行供热，城市住宅及商用社区连接在固体氧化物燃料电池供电设备的下游以使得固体氧化物燃料电池供电设备向城市住宅及商用社区供电。

优选地，第一可再生能源为风能、太阳能光伏、水能和/或潮汐能。

优选地，第二可再生能源为太阳能光热、地热能和/或核能。

根据本发明的基于高温电解制氢的氢能城市结构，通过高温电解制氢设备灵活地运用自然界的各种可再生能源，可以将热能(太阳能光热、地热能、核能)直接进行吸收转化为氢能，无需全部转化为电能。高温电解制氢设备的运行温度在700℃以上，产生的余热在设备内部进行循环吸收，可产生的余热品质较高，可以用于驱动大型的吸收式制冷冷库，为城市生鲜食品的低温物流供应提供保障。氢气通过固体氧化物燃料电池供电设备用于发电，通过加氢站满足交通用燃料要求，通过城市住宅及商用社区用于供热，同时通过耗氢大型化工厂满足化工厂原材料要求。而且，固体氧化物燃料电池供电设备采用固体氧化物燃料电池，该技术为高温电解技术原理的逆向运转，原则上制氢和发电的电堆通用，有利于电堆使用寿命的延长，经济性更佳。城市设计一步满足了人们的食住行。进一步地，该城市不存在弃风和弃光现象，能源利用率高，化工厂为城市提供了大量就业，同时能够实现“零碳排”的城市运营和发展。

附图说明

图1是根据本发明的一个优选实施例的基于高温电解制氢的氢能城市结构的整体示意图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

如图1所示，根据本发明的一个优选实施例的基于高温电解制氢的氢能城市结构包括可再生能源发电设备1、可再生能源制热设备2、熔盐储热设备3、高温电解制氢设备4、氨水吸收式制冷设备5、储氢设备6、输氢设备7、固体氧化物燃料电池供电设备8、加氢站9、耗氢大型化工厂10和城市住宅及商用社区11，其中，可再生能源发电设备1采集可再生能源(如风能和水能等)发电，可再生能源制热设备2采集可再生能源(如太阳能和核能等)产生高温熔盐，该高温熔盐储存在熔盐储热设备3，可再生能源发电设备1和熔盐储热设备3按照一定的比例输送电能和热能给到高温电解制氢设备4制氢，制氢过程中产生的300-500℃的热能输送到氨水吸收式制冷设备5中进行制冷，产生的氢气通过储氢设备6和输氢设备7进行储存和输送，氢气分别供给到固体氧化物燃料电池供电设备8、加氢站9、耗氢大型化工厂10和城市住宅及商用社区11中，分别用于发电、用于供气、用作化工厂原料和工商业氢气供热。

具体地，可再生能源发电设备1生成的直流电输入到高温电解制氢设备4中，可再生能源制热设备2产生高品质热，热能通过熔盐储热设备3缓冲按需输入到高温电解制氢设备4中，高温电解制氢设备4制备高品质氢气，氢气存储于储氢设备6中，氢气通过输氢设备7供给固体氧化物燃料电池供电设备8、加氢站9、耗氢大型化工厂10和城市住宅及商用社区11，固体氧化物燃料电池供电设备8向加氢站9、耗氢大型化工厂10和城市住宅及商用社区11供电，城市住宅及商用社区11接受的氢气用于供热，高温电解制氢设备4同时会产生300℃～500℃的余热蒸汽，余热蒸汽供给到氨水吸收式制冷设备5，大型氨水吸收式制冷设备5用于城市的大型生鲜食品冷库。加氢站9为城市内交通提供氢能燃料。耗氢大型化工厂10可为城市居民创造就业。

可再生能源发电设备1根据能源种类的选择进行配置，可结合当地的自然资源和地理环境，选择风能、太阳能光伏、水能、潮汐能发电中的任意一种或者多种的组合。

可再生能源制热设备2根据能源种类的选择进行配置，可根据当地的自然资源和地理环境，采用太阳能光热、地热能、核能中的任意一种或者多种的组合。

熔盐储热设备3采用熔盐储热的技术，对热能进行储存和按需供给，与可再生能源发电设备1供给的高温制氢用电能实时匹配。也就是说，熔盐储热设备3可以储存不稳定的新能源(例如用于生产电能的风能、太阳能、水能或潮汐能，又例如用于生产热能的太阳能、地热能或核能)，保证向高温电解制氢设备4按需供给需要的热能，热能供给跟随可再生能源发电设备1按需供给，避免新能源波动及可再生能源发电设备1和可再生能源制热设备2供给能源不能匹配的问题带来的影响，实现热能和电能能够同步按需供给给高温电解制氢设备4，同时还可以为高温制氢设备4中的高温运行设备进行保温，保证高温制氢设备4的使用寿命和设备安全，从而通过高温制氢设备4吸纳不稳定的新能源，按需供给下游的氢能消耗。

氨水吸收式制冷设备5利用氨水吸收式制冷进行余热回收再利用，除了兼顾城市的用电、用热需求，还满足了城市的用冷需求。

实时监测加氢站9、耗氢大型化工厂10和城市住宅及商用社区11中的用氢用电情况，根据能源需求按需调配，富裕氢能可以外输到其他用氢地区。

根据本发明的基于高温电解制氢的氢能城市结构，从可再生能源发电设备1输出的电能，从熔盐储热设备3输出的热能，进入高温制氢设备4转化成为氢能，实现电能和热能的储存，从而高效利用可再生能源，利用清洁氢能进行电能和热能的储存。城市规模可根据人口数量进行缩放和调整，可获取的可再生能源资源总量满足该城市规模下的能量需求，整个城市可满足生活所需食物、电能、热能及出行所需，实现能源自给自足，无温室气体产生。具体地，城市为独立微电网结构，无需外部电力输入。特别地，本地电能可满足城市所有用电需求，富裕电力通过氢气进行储存。

相对于采用普通水电解制氢技术和质子交换膜燃料电池发电技术的现有技术，本申请通过高温制氢设备4和固体氧化物燃料电池供电设备8来涵盖规模为50万人以上的城市的电能、热能和冷能，包括加氢站9，耗氢大型化工厂10和城市住宅及商用社区11的具体应用。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。