本發(fā)明涉及電解水制氫，具體而言，涉及一種固體氧化物電解制氫裝置。

背景技術：

1、現(xiàn)有油田中含有大量的高溫高壓伴生氣，目前對于這部分高溫高壓伴生氣的能量并沒有得到充分的利用，造成了能量的浪費，而固體氧化物電解制氫系統(tǒng)的前端通常需要加熱裝置來對原料氣進行加熱，而高溫高壓伴生氣中的這部分能量沒有得到充分的利用，這樣就浪費了能源。

2、因此，如何實現(xiàn)能源的合理利用是目前亟待解決的技術問題。

技術實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明旨在解決高溫高壓伴生氣中的能量沒有得到充分的利用，導致浪費能源的技術問題。

2、本發(fā)明的技術方案提供了一種固體氧化物電解制氫裝置。

3、本發(fā)明提供的固體氧化物電解制氫裝置包括：燃燒器，用于將通入其中的伴生氣和空氣混合并燃燒，隔焰加熱流經(jīng)燃燒器的水，以產生水蒸氣；加熱組件，與燃燒器連接，用于加熱從燃燒器流出的水蒸氣；電解模塊，與加熱組件連接，加熱后的水蒸氣能夠在電解模塊上發(fā)生電解反應。

4、本發(fā)明提供的固體氧化物電解制氫裝置包括燃燒器、加熱組件和電解模塊，燃燒器用于將通入其中的伴生氣和空氣混合并燃燒，隔焰加熱流經(jīng)燃燒器的水，以產生水蒸氣，加熱組件用于對水蒸氣進一步加熱，加熱后的水蒸氣通過電解模塊進行電解，進而制備出氫氣；本發(fā)明通過燃燒器代替?zhèn)鹘y(tǒng)價格高額的水蒸氣發(fā)生器，能夠大大降低企業(yè)的生產成本，同時以高溫的伴生氣為燃料，這樣還能夠實現(xiàn)伴生氣中能量的回收利用，節(jié)省了能源。可以理解的，目前油田中大量的伴生氣通常直接無效燃燒，沒有充分利用伴生氣的燃燒熱，本技術將伴生氣燃燒器與電解制氫系統(tǒng)耦合，這樣就可以實現(xiàn)能源的充分利用，符合節(jié)能減排的要求。

5、在上述技術方案中，燃燒器包括：燃燒腔，燃燒腔包括伴生氣入口和空氣入口，伴生氣入口用于通入原始溫度的伴生氣，空氣入口用于通入空氣；加熱腔，包括注水口和水蒸氣輸出口，注水口用于通入水，水蒸氣輸出口與加熱組件連接；其中，燃燒腔中的伴生氣燃燒并對加熱腔加熱，以將加熱腔內的水加熱成水蒸氣。

6、在該技術方案中，燃燒器的具體結構包括燃燒腔和加熱腔，燃燒腔包括伴生氣入口和空氣入口這樣伴生氣能夠在燃燒腔內燃燒并對加熱腔供熱，以將加熱腔內的水加熱成水蒸氣，實現(xiàn)隔焰加熱。

7、在上述技術方案中，原始溫度大于等于40℃。

8、在該技術方案中，原始溫度大于等于40℃，也即油田伴生氣的溫度大于等于40℃。

9、在上述技術方案中，固體氧化物電解制氫裝置還包括：油田伴生氣儲罐，與伴生氣入口連接，用于將儲存的原始溫度的伴生氣通過伴生氣入口通入燃燒腔。

10、在該技術方案中，固體氧化物電解制氫裝置還包括油田伴生氣儲罐，與伴生氣入口連接，這樣就可以持續(xù)向燃燒器內注入伴生氣。

11、在上述技術方案中，固體氧化物電解制氫裝置還包括：脫硫裝置，設置在油田伴生氣儲罐與伴生氣入口之間，脫硫裝置用于脫去伴生氣中的硫元素。

12、在該技術方案中，固體氧化物電解制氫裝置還包括脫硫裝置，設置在油田伴生氣儲罐與伴生氣入口之間，通過脫硫裝置脫去伴生氣中的硫元素，這樣就可以避免伴生氣在燃燒器中燃燒產生二氧化硫等有害氣體，避免對人體造成危害。

13、在上述技術方案中，固體氧化物電解制氫裝置還包括：水箱，用于儲存水；水泵，與水箱連接；水霧噴嘴，分別與水泵和注水口連接，在水泵的作用下，水霧噴嘴能夠將水箱內的水以水霧的狀態(tài)通過注水口噴送至燃燒器內。

14、在該技術方案中，固體氧化物電解制氫裝置還包括水箱、水泵和水霧噴嘴，水箱用于儲存水，水泵與水箱連接，水霧噴嘴分別與水泵和注水口連接，在水泵的作用下，水霧噴嘴能夠將水箱內的水以水霧的狀態(tài)噴送至燃燒器內，本技術通過設置水霧噴嘴，將水以水霧的狀態(tài)噴送至燃燒器內，這樣就可以提高水的加熱效率，進而提高水蒸氣產出的效率，進而提高后期水蒸氣的電解效率，提高氫氣的制備效率。

15、在上述技術方案中，固體氧化物電解制氫裝置還包括：氣體混合裝置，設置在燃燒器和加熱組件之間；氫氣發(fā)生裝置，與氣體混合裝置連接，能夠產生氫氣；其中，氫氣發(fā)生裝置產生的氫氣和燃燒器產生的水蒸氣能夠在氣體混合裝置內混合，并一同流入加熱組件內。

16、在該技術方案中，固體氧化物電解制氫裝置還包括氣體混合裝置和氫氣發(fā)生裝置，氣體混合裝置設置在燃燒器和加熱組件之間，氫氣發(fā)生裝置與氣體混合裝置連接，能夠產生氫氣，這樣氫氣發(fā)生裝置產生的氫氣和燃燒器產生的水蒸氣能夠在氣體混合裝置內混合，并一同流入加熱組件內，這樣氫氣能夠防止電解模塊的陰極被氧化，例如，防止作為陰極的鎳金屬被氧化，確保電解反應的順利進行?？梢岳斫獾?，本技術采用鎳金屬作為電解陰極，通過設置氫氣的電解環(huán)境，可以防止鎳金屬被氧化。

17、在上述技術方案中，加熱組件包括：第一換熱部，與氣體混合裝置連接，用于對混合的氫氣和水蒸氣進行一級加熱；第一電加熱器，與第一換熱部和電解模塊連接，用于對一級加熱后的混合的氫氣和水蒸氣進行二級加熱。

18、在該技術方案中，通過分段加熱，先利用第一換熱部將高溫氣體余熱進行充分利用，將混合的氫氣和水蒸氣進行預熱，然后再利用第一電加熱器將混合的氫氣和水蒸氣加熱到電解溫度，這樣可以提高系統(tǒng)能量利用效率?？梢岳斫獾?，例如鍋爐房中產生的熱量先對第一換熱部進行預熱，然后第一換熱部再與混合的氫氣和水蒸氣進行換熱，先對混合的氫氣和水蒸氣進行一級加熱，這樣就可以實現(xiàn)鍋爐房中熱量的回收利用，相比于直接用第一電加熱器進行加熱到電解溫度而言，提高了能源的利用率。也即，高溫氣體來源于鍋爐房中的氣體。當然，也不僅僅局限于鍋爐房中的高溫氣體，只要帶有一定溫度的氣體，其儲存的熱量均可以對第一換熱部進行預熱，然后第一換熱部再與混合的氫氣和水蒸氣進行換熱，進而實現(xiàn)能量的回收，進一步，一級加熱的加熱溫度為大于等于550℃，且小于等于600℃；二級加熱的加熱溫度為大于等于700℃，且小于等于750℃。

19、在上述技術方案中，電解模塊包括陰極、陽極和位于陰極、陽極之間的電解質，加熱后的水蒸氣能夠在電解模塊的陰極上發(fā)生電解反應。

20、在該技術方案中，高溫的水蒸氣流經(jīng)電解模塊后，能夠在電解模塊的陰極上發(fā)生電解反應并生成氫氣，進而實現(xiàn)氫氣的制備。

21、在上述技術方案中，電解模塊的陰極的電解反應方程式包括：h2o+2e-→h2+o2-。

22、在上述技術方案中，電解質上存在氧空位，電解過程中的陰極產生的o2-能夠通過氧空位運動到陽極，陽極的電解反應方程式為2o2--4e-→o2。

23、在該技術方案中，陰極產生的o2-能夠通過氧空位運動到陽極，然后在陽極生成氧氣，這樣生成的氧氣又可以進行回收并作為助燃劑，提高能源的利用率。

24、在上述技術方案中，固體氧化物電解制氫裝置還包括：氫氣回收罐，與電解模塊的陰極連接，用于回收電解模塊的陰極產生的氫氣。

25、在該技術方案中，電解制氫裝置還包括氫氣回收罐，氫氣回收罐與電解模塊的陰極連接，用于回收電解模塊的陰極產生的氫氣，本技術進一步設置氫氣回收罐來回收氫氣，這樣就可以將氫氣儲存起來以備后期使用，提高了能源的利用率。

26、在上述技術方案中，固體氧化物電解制氫裝置還包括：第二換熱部，與電解模塊的陰極連接，用于對電解過程中陰極產生的氫氣進行一段降溫至第一預設溫度；第一冷卻器，一端與第二換熱部連接，另一端與氫氣回收罐連接，用于對一段降溫后的陰極產生的氫氣進行二段降溫至第二預設溫度，第二預設溫度低于第一預設溫度。

27、在該技術方案中，通過第二換熱部和第一冷卻器對陰極產生的氫氣進行降溫，這樣可以實現(xiàn)氫氣的回收利用，提高能源的利用率。

28、在上述技術方案中，第一預設溫度大于等于200℃，且小于等于250℃；第二預設溫度大于等于50℃，且小于等于60℃。

29、在該技術方案中，在對電解過程中陰極產生的氫氣進行降溫時，先通過第二換熱部降溫到200℃至250℃，然后通過第一冷卻器降溫到50℃至60℃，這樣可以提高降溫效率，避免氫氣溫度過高，單個冷卻器降溫效果不好，導致出口流出的氫氣溫度過高的問題。進一步，第一預設溫度為220℃；第二預設溫度為55℃。

30、在上述技術方案中，第一換熱部和第二換熱部設置在同一個換熱器上。

31、在該技術方案中，第一換熱部和第二換熱部設置在同一個換熱器上，例如都設置在第一換熱器上，可以理解的，第一換熱器包括第一冷端和第一熱端，第一熱端作為第一換熱部用于對水蒸氣進行預熱，第一冷端作為第二換熱部用于對氫氣進行冷卻，將第一換熱部和第二換熱部設置在同一個換熱器上，這樣就可以減少換熱器的數(shù)量，降低了裝置整體的復雜度。

32、在上述技術方案中，固體氧化物電解制氫裝置，還包括：氣體輸送組件，與電解模塊的陽極連接，用于向電解模塊的陽極輸送空氣，以使空氣與電解過程中陽極產生的氧氣混合得到富氧空氣；氣體回收組件，與陽極氣體排出口連接，用于回收富氧空氣。

33、在上述技術方案中，氣體輸送組件包括：送風機，包括送風口，用于輸送空氣；第三換熱部，與送風機的送風口連接，用于對送風口送出的空氣進行一段加熱；第四換熱部，與第三換熱部連接，用于對一段加熱后的空氣進行二段加熱；第二電加熱器，與第四換熱部和電解模塊的陽極連接，用于對二段加熱后的空氣進行三段加熱。

34、在該技術方案中，通過對送風口送出的空氣進行分段加熱，這樣可以提高能源的利用率。

35、在上述技術方案中，一段加熱的加熱溫度大于等于250℃，且小于等于300℃；二段加熱的加熱溫度大于等于550℃，且小于等于600℃；三段加熱的加熱溫度大于等于700℃，且小于等于750℃。

36、在上述技術方案中，送風口還與空氣入口連接，將送風口送出的空氣通過空氣入口通入燃燒腔。

37、在該技術方案中，送風口還與空氣入口連接，這樣就可以通過一個風機向電解制氫裝置的陽極和燃燒器共同輸入空氣，減少了送風機的使用數(shù)量，節(jié)省了成本。

38、在上述技術方案中，氣體回收組件包括：回風機，與電解模塊的陽極連接，包括回風口，回風口用于回收富氧空氣；第五換熱部，與回風口連接，用于對回風口回收的富氧空氣進行一段降溫至第三預設溫度；第六換熱部，與第五換熱部連接，用于對一段降溫后的富氧空氣進行二段降溫至第四預設溫度，第四預設溫度低于第三預設溫度。

39、在該技術方案中，回收的高溫的富氧空氣，先通過第五換熱部進行一段降溫，再通過第六換熱部進行二段降溫，這樣就可以將富氧空氣降低至儲存的溫度進行儲存，以供后期的使用。

40、在上述技術方案中，第三預設溫度為大于等于500℃，且小于等于550℃；第四預設溫度為大于等于50℃，且小于等于150℃。進一步，第三預設溫度為520℃，第四預設溫度為70℃。

41、優(yōu)選的，氣體回收組件還包括蓄熱器，蓄熱器可以設置在第五換熱部與回風口之間。

42、在該技術方案中，為了實現(xiàn)能源的回收利用，可以在第五換熱部與回風口之間設置蓄熱器，這樣在對高溫的富氧空氣進行冷卻之前可以先通過蓄熱器將熱量進行回收，這樣不僅提高了能源的利用率，還提高了后期的降溫效果。

43、進一步，蓄熱器與第一換熱部、第三換熱部或第四換熱部連接。

44、在該技術方案中，蓄熱器與第一換熱部、第三換熱部或第四換熱部連接，這樣就可以將蓄熱器內部儲存的熱量傳遞給第一換熱部、第三換熱部或第四換熱部，進而提高能源的循環(huán)利用。當然，也可以設置多個蓄熱器，例如第五換熱部與回風口之間，設置第一蓄熱器、第二蓄熱器和第三蓄熱器，這樣三個蓄熱器分別與第一換熱部、第三換熱部或第四換熱部，這樣就可以實現(xiàn)能源利用率的最大化。

45、在上述技術方案中，第四換熱部和第五換熱部設置在同一個換熱器上。

46、在該技術方案中，第四換熱部和第五換熱部設置在同一個換熱器上，例如都設置在第二換熱器上，可以理解的，第二換熱器包括第二冷端和第二熱端，第二熱端作為第四換熱部用于對空氣進行預熱，第二冷端作為第五換熱部用于對富氧空氣進行冷卻，將第四換熱部和第五換熱部設置在同一個換熱器上，這樣就可以減少換熱器的數(shù)量，降低了裝置整體的復雜度。此外，由于第四換熱部的空氣相對于第五換熱部的富氧空氣具有較低的溫度，而第五換熱部的富氧空氣具有較高的溫度，這樣將第四換熱部和第五換熱部設置在同一個換熱器上，還可以利用通過第四換熱部的空氣對通過第五換熱部的富氧空氣進行冷卻，反過來，利用通過第五換熱部的富氧空氣對通過第四換熱部的空氣進行加熱，以提高能源的利用率。

47、在上述技術方案中，第三換熱部與第六換熱部設置在同一個換熱器上。

48、在該技術方案中，第三換熱部和第六換熱部設置在同一個換熱器上，例如都設置在第三換熱器上，可以理解的，第三換熱器包括第三冷端和第三熱端，第三熱端作為第三換熱部用于對空氣進行預熱，第三冷端作為第六換熱部用于對富氧空氣進行冷卻，將第三換熱部和第六換熱部設置在同一個換熱器上，這樣就可以減少換熱器的數(shù)量，降低了裝置整體的復雜度。此外，由于第三換熱部的空氣相對于第六換熱部的富氧空氣具有較低的溫度，而第六換熱部的富氧空氣具有較高的溫度，這樣將第三換熱部和第六換熱部設置在同一個換熱器上，還可以利用通過第三換熱部的空氣對通過第六換熱部的富氧空氣進行冷卻，反過來，利用通過第六換熱部的富氧空氣對通過第三換熱部的空氣進行加熱，以提高能源的利用率。

49、在上述技術方案中，電解模塊為固體氧化物電解池。

50、在該技術方案中，固體氧化物電解池(soec，solid?oxide?electrolysis?cell)能夠以再生模式運行，通過使用固體氧化物或陶瓷電解質電解水蒸氣產生氫氣和氧氣，本發(fā)明采用固體氧化物電解池電解制氫可以提高電解效率。

51、在上述技術方案中，電解模塊的電解效率大于等于90％，且小于等于95％。

52、在該技術方案中，控制電解模塊的電解效率可以提高氫氣的產出率。進一步，系統(tǒng)效率為70％至75％。

53、本技術的有益效果為：

54、本技術將伴生氣燃燒器與電解制氫系統(tǒng)耦合，這樣就可以實現(xiàn)伴生氣能源的充分利用，符合節(jié)能減排的要求；

55、本發(fā)明通過燃燒器代替?zhèn)鹘y(tǒng)價格高額的水蒸氣發(fā)生器，能夠大大降低企業(yè)的生產成本。