【摘 要】
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随着能源枯竭,环境恶化,可再生能源成为热门研究方向,致力于寻求一种新的能源载体,氢能开始进入人们视野。其清洁环保无污染,且能量高等优势,得到各界追捧。在四种电解水制氢方法中,固体氧化物电解水（Solid Oxide Electrolysis Cell,SOEC）制氢技术在效率、能源利用率和设备成本占有很大的优势。现阶段对固体氧化物电解水制氢的研究方法主要分模拟和实验。现有研究中将余热利用运用至SO
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随着能源枯竭,环境恶化,可再生能源成为热门研究方向,致力于寻求一种新的能源载体,氢能开始进入人们视野。其清洁环保无污染,且能量高等优势,得到各界追捧。在四种电解水制氢方法中,固体氧化物电解水（Solid Oxide Electrolysis Cell,SOEC）制氢技术在效率、能源利用率和设备成本占有很大的优势。现阶段对固体氧化物电解水制氢的研究方法主要分模拟和实验。现有研究中将余热利用运用至SOEC的研究以及从宏观上分析基于不同一次能源类型对SOEC系统效率影响甚少。通过模拟研究可以节省时间和成本,可为SOEC系统设计提供有力的数据支撑。本论文通过热力学、动力学及通量平衡分析,采用Aspen Plus软件建立SOEC热力学平衡模型,并与实验结果进行对比验证。分析操作压力、温度、氧电极空气流量和氢电极水蒸气摩尔分数对系统运行特性的影响。在此基础上,建立考虑余热利用的SOEC制氢系统模型,研究余热利用对制氢效率的影响。当电流密度为1.0A/cm~2时,不同操作条件下的系统可利用热量占总输入能量的比例在26.53%～46.63%之间;在采用余热利用时,余热利用率可达52.27%以上,系统制氢效率可提高14.43%～26.54%。在950℃、0.1MPa下,阴极通入50mol/h含水量为50%的氢气、阳极通入10mol/h空气,电流密度约为0.78A/cm~2时,制氢效率达到最大值90.56%,与不采用余热利用条件下相比提高约25.89%。此外,在考虑一次能源与高温SOEC制氢系统结合的研究中,定量分析一次能源发电效率和给水预热温度对系统制氢效率的影响,并重点分析了基于不同一次能源类型的系统效率及特点。结果表明:随着给水预热温度和一次能源发电效率的提升,系统制氢效率均显著提高。当电流密度在0.4～1.2A/cm~2之间时,采用不同一次能量来源的系统制氢效率顺序为:水电>核电>火电>风电>光热>光伏。基于火力发电的制氢系统效率在31.2%～36.03%之间,但面临着碳排放问题;基于水电的制氢系统效率可达58.02%,但存在明显的地域性,发展应用受限;基于风电、光伏、光热发电的制氢系统效率较低,但分布广泛,具有广阔的应用前景;基于核能发电的制氢系统效率较高,可达41.33%,同时不产生碳排放,具有良好的推广前景。
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