CN101326310A - 电解装置 - Google Patents
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Abstract
电解装置(100)，包括用于电解第一流体以产生产物流体的电解电池(2)。电解装置(100)还包括电解电解流体和加热第二流体的燃料电池(1)。电解装置还包括流体转移设备(108B)以将加热的第二流体从燃料电池(1)转到电解电池(2)从而提供热量以驱动电解电池(1)中第一流体的电解。
Description
本发明涉及电解装置。更具体但非排它性地，本发明涉及流体产生装置(fluid generating apparatus)。本发明的实施方案涉及氢产生装置，比如结合有电解电池的氢产生装置。
水电解用作制备氢的简单明了的技术。水经电解以在阳极产生氧气，在阴极产生氢气。氢气随后可以被储存起来。
根据本方面的一个方面，提供了电解装置，所述电解装置包括：用于电解第一流体以产生产物流体的电解电池；用于电解燃料和加热第二流体的燃料电池；用于将加热的第二流体从燃料电池转移到电解电池从而提供热以驱使第一流体在电解电池中电解的机构。
在一个实施方案中，电解装置可以经设置以产生流体，比如气体。所述气体可以是氢气或者一氧化碳。
在一个实施方案中，第一流体可以包括水。在该实施方案中，产物流体可以包括氢气。在另一实施方案中，第一流体可以包括二氧化碳。在此实施方案中，产物流体可以包括一氧化碳。
电解电池可以经设置以在800-1000℃范围的温度下操作。本发明优选实施方案的优点在于该装置适于将低热值的流体转变成高热值的流体。
燃料电池可以包括固体氧化物燃料电池。电解电池可以包括固体氧化物电解电池。燃料电池和电解电池可以各自是同一电解堆(electrolysisstack)的一部分。
第二流体转移机构可以包括第二流体转移设备。在一个实施方案中，燃料电池包括用于电解燃料以提供燃料产物的阳极。在该实施方案中，燃料电池包括用于将燃料供给燃料电池的燃料供给机构。燃料电池可以包括用于从燃料电池排出燃料产物的排放设备。
电解装置可以进一步包括燃料循环设备以将至少一些燃料产物循环到燃料电池。燃料循环设备可以循环至少一些燃料产物到燃料供给设备。循环设备可以包括燃料循环器械，比如喷射器，其可以携带上述燃料产物以从燃料电池循环所述燃料产物。燃料循环器械优选设置在燃料供给设备中。
电解装置可以包括燃料转换器以将前体燃料转换成燃料。前体燃料可以包括烃燃料，优选烷烃，比如甲烷。燃料转换器提供的燃料可以包括氢气，也可以包括一氧化碳。在优选实施方案中，燃料转换器可以包括重整器。
电解装置优选包括加热机构以加热前体燃料从而实现上述转换。加热机构可以包括热流体供给组件以将加热流体转移到燃料转换器。加热流体供给组件可以经设置以将第二流体的热量转移到燃料转换器。
加热机构可以包括具有第一和第二传热侧的换热器。加热流体可以沿着第一侧通过，前体燃料可以沿着第二侧通过以被转换成燃料。
燃料电池可以包括阴极，在该处第二流体的组分被阴极电解。燃料电池可以包括第二流体供给机构以将第二流体供给燃料电池。第二流体的上述电解的组分可以包括氧气。在优选实施方案中，第二流体包括空气。
在一个实施方案中，电解电池可以包括阴极以电解第一流体。在该实施方案中，电解电池包括第一流体供给设备以将第一流体供给电解电池。电解电池可以包括产物流体排放设备以将产物流体从电解电池排出。
电解装置可以包括燃烧器以提供燃烧产物。优选地，燃烧器经设置以燃烧来自燃料电池的至少一些燃料产物。
电解装置可以包括第二流体供给设备以将第二流体供给燃料电池。第二流体供给设备可以包括压缩器以压缩第二流体。第二流体供给设备可以包括流体循环器械以将燃烧产物从燃烧器循环到燃料电池。流体循环器械可以包括流体循环喷射器，其可以携带上述燃烧产物。
第二流体供给设备可以经设置以供给第二流体到燃料电池的阴极侧。
电解装置可以包括第二流体排放设备以从电解电池排出第二流体。
至少一些排出的第二流体可以供给燃烧器供燃烧。来自燃烧器的燃烧产物可以包括燃烧的排出的第二流体。
电解装置可以包括燃气轮机设备，并可以具有涡轮机供给机构以将一些排放的第二流体供给涡轮机。优选地，涡轮机连接到压缩器，在该处涡轮机可以驱动压缩器。
电解装置可以包括蒸发器以从排放的第二流体中回收热量，其可以被从燃气轮机递送到蒸发器。
电解装置可以进一步包括产物流体循环设备以将至少一些产物流体循环到电解电池。产物流体循环设备可以循环至少一些产物流体到第一流体供给设备。
产物流体循环设备可以包括产物流体循环器械以从电解电池循环至少一些产物流体。优选地，产物流体循环器械设置在第一流体供给设备之内。产物流体循环器械可以包括产物流体循环喷射器，其可以携带上述产物流体。
电解装置可以进一步包括第一流体加热器以加热待供给电解电池的第一流体。第一流体加热器可以包括换热器以将热量从产物流体传递到第一流体。
电解装置可以包括分离器设备以从产物流体冷凝水和将所述水循环到第一流体。分离器设备也可以经设置以允许氢气从该处供给。分离器设备可以包括第一流体泵以将第一流体泵送给电解电池。
分离器设备优选包括第一流体进料组件以将第一流体送给蒸发器。第一流体进料组件可以经设置以将第一流体从蒸发器供给第一流体加热器。
优选地，第一流体加热器加热第一流体到高于第一流体沸点的温度。当第一流体包含水时，第一流体加热器可以加热第一流体以提供过热的蒸汽。第一流体进料组件可以经设置以将加热的第一流体供给第一流体喷射器从而携带产物流体。
下面将参考附图仅仅通过举例形式描述本方面的实施方案，其中：
图1是氢产生装置的示意图；
图2是燃料电池的图解剖面图；
图3是电解电池的图解剖面图；和
图4是电解电池、燃料电池和燃料转换器的图解侧视图。
参见图1，示出了氢产生装置100的示意图，其包括燃料电池1，所述燃料电池是固体氧化物燃料电池形式，具有阴极侧1a和阳极侧1b。
参见图2，示出了燃料电池1，包括具有阴极30的阴极侧1a、具有阳极32的阳极侧1b、和设置在阴极30和阳极32之间的固体氧化物电解质34。
装置100也包括固体氧化物电解电池形式的电解电池2。电解电池2包括阳极侧2a和阴极侧2b。
参见图3，示出了电解电池2，包括具有阳极36的阳极侧2a、具有阴极38的阴极侧2b和设置在阳极36和阴极38之间的固体氧化物电解质40。
燃料电池1和电解电池2可以是电化学电池管72B的单个堆70(参见图4)的一部分。电化学电池管70可以是已知的电化学电池管形式，具有本领域熟练技术人员会熟悉的构造。在WO2004/032273中示出和描述了电化学电池管的堆的实例。
在图4中，一些电化学电池管72标记为72A，一些标记为72B。电化学电池管72A形成燃料电池1，电化学电池管72B形成电解电池2。堆70的构造在下面更详细地描述。
提供了重整器形式的燃料转换器3(图4中更详细描述)以将装置100用的燃料转换成可用的形式，如同下面所解释的那样。通过电解电池2的阳极侧2a的热空气沿着转换器3的空气侧3a(如图1中所示)通过，燃料通过转换器的燃料侧3b(参见图1)以被空气侧3a上的热空气加热并由前体燃料例如甲烷转换成燃料，也即氢气和一氧化碳。燃料随后从转换器3的燃料侧3b通到燃料电池1的阳极侧1b。
装置100还包括燃料进料设备102以将前体燃料供给转换器3的燃料侧3b。燃料进料设备102包括燃料供给站104、用于泵送燃料的泵9、和用于在燃料被供给燃料电池1之前对其进行预处理例如以从前体燃料中去除高级烃和硫化合物的外部燃料预处理器(EFP)10。燃料进料组件102也包括燃料循环器械，其可以是燃料循环喷射器4的形式，如下面所述。来自燃料循环喷射器4的前体燃料通过管线102A供给转换器3，如图1和4所示。来自转换器3的已转换的燃料经由管线102b(参见图4)供给燃料电池1的阳极侧1b。歧管103将燃料供给燃料电池的阳极侧1b。如图4可以发现，燃料进料歧管103连通性连接到燃料电池管72A上，以将燃料供给燃料电池管72A。
空气形式的第二流体通到燃气轮机设备8的压缩器8A。燃气轮机设备8也包括用于下述目的的涡轮机8B。涡轮机8B驱动压缩器8A，涡轮机8B所作的功可以用于发电。
压缩器设备8设置在空气进料设备内以将空气形式的第二流体供给燃料电池1。压缩器8A压缩的空气然后通过流体循环器械比如流体循环喷射器7用于下述原因，然后经由管线108a到燃料电池1的阴极侧1a。压缩器8压缩的空气的温度是大约800℃。正通过燃料电池1的阴极侧1a的空气发生电解，氧离子迁移穿过固体电解质34。贫氧的空气经由管线108B从燃料电池的阴极侧1a通过。
进入燃料电池1的阳极侧1b的氢气和一氧化碳形式的燃料在阳极32处和来自电解质34的氧离子发生电化学反应，从而形成水和二氧化碳。
由于电化学反应的放热本质和由于电阻和活化损失(ohmic andactivational loss)使得能量消散成热量，所以热量通过燃料电池1释放。该热量由通过阴极侧1a的空气吸收，使得通出燃料电池1阴极侧1a的空气经由管线108B通到电解电池2的阳极侧2a，并加热到大约920℃的温度。因此，热量从燃料电池1转移到电解电池2。在燃料电池1和电解电池2是同一堆电化学电池管72的部件的情况下，管线108B可以是允许空气从一个电化学电池管72通到下一个电化学电池管的机构。
通过燃料电池2中的电化学反应形成电子流(由箭头e-表示)，并如图1中110所示提供电力。图3示出了要求外部电源42的电解电池2。至少一些所述电力可以从氢产生装置100的内部获取，比如通过燃料电池1产生的电力。
来自燃料电池1阳极侧1b的排放产物，也即，通过电化学反应产生的水和二氧化碳以及一些未电解的氢气和一氧化碳，经由管线102C通出阳极侧1b到分流器112(参见图1)。
燃料循环喷射器4经由管线102C携带在分流器112中来自燃料电池1阳极侧1b的一些排放产物，以沿着管线102A循环回到燃料电池1。余下的这些排放产物从分流器112经由管线102D通到燃烧器6，下面将对此进行解释。
从燃料电池1阴极侧1a沿着管线108B通过的热空气通到电解电池2的阳极侧2a。这为电解电池2的阴极侧2b上的电化学反应提供热量。水经由第一流体进料设备114进入电解电池2的阴极侧2b。第一流体进料设备114包括具有冷凝器18的分离器16。分离器16接受来自管线17A的进水，并将所述水经由管线17B通到蒸发器12。蒸发器12将该水转换成蒸汽。蒸发器12通过来自电解电池2的空气加热，如下所述。
蒸汽经由管线17C通出蒸发器12到过热器11，以形成温度高达500℃的过热蒸汽。过热蒸汽随后经由管线17D从过热器通到产物流体循环喷射器5。在通过产物流体循环喷射器5之后，蒸汽和携带的产物经由管线17E通到歧管130(参见图4)，然后通到电解电池2的管72B内的阴极侧2b。
在于电解电池2b中电解之后，产生的氢气和水经由管线17F从中排放，所述管线将氢气和剩余水通到分流器115，分流器115中的一些氢气和水通过喷射器5经由管线17I携带并返回电解电池2的阴极侧2b。剩余的温度为800-850℃的氢气和水经由管线17G从分流器115供给过热器11。
在于过热器11中换热之后，水和氢气混合物经由管线17H通到分离器16。在该分离器中，水在冷凝器18中冷凝，氢气经由管线19去除。
冷凝的水随后供给组合器20，在该处它和脱矿水混合，如15所示。所述水随后经由管线17A通过泵14泵送到分离器16，以在冷凝器18中从氢气中冷凝水，然后经由管线17B通到蒸发器12。
从燃料电池1阴极侧1a通到电解电池2阳极侧2a的热空气接收来自输送通过电解电池中电解质40的氧离子的氧气。该空气经由管线108E从电解电池2阳极侧2a排放到分流器116。一些空气从分流器116通到燃烧器6供燃烧。来自燃烧器6的燃烧产物随后通过流体循环喷射器7携带，以经由管线108A循环回到燃料电池1的阴极侧。来自电解电池2阳极侧2a的热空气的剩余部分经由管线108F从分流体116通到燃气轮机设备8的涡轮机8B，在该处它膨胀通过涡轮机8B以驱动压缩器8A。从涡轮机8B排出的空气通过蒸发器12以加热进水。空气随后经由管线20排出。
如上所述，用于由水生成氢气的有效装置采用互相串联设置的燃料电池和电解电池。该实施方案的优点在于燃料电池可以。
在不偏离本发明范围的情况下，可以进行各种修改。例如，循环设备可以不是必需的。另外，电解装置可以是一氧化碳生成器，在这种情况下二氧化碳被送到电解电池2的阴极侧2b以电解成一氧化碳。在电解装置10用作一氧化碳生成器的情况下，来自电解电池2的阴极侧2b的排放产物是一氧化碳和未反应的二氧化碳。需要本领域熟练技术人员会公知的合适分离器机构来将二氧化碳和一氧化碳分离。
优选实施方案的优点如下。在本发明优选实施方案中制备的氢气来自水，不含污染物，但是通过常规方式比如通过天然气重整制备的氢气可能要求纯化来去除硫化合物和一氧化碳。重要的是，由于生产了更多的采用氢气作为燃料的车辆，所以要求生产氢气。
而且，驱动反应的温度要求并不过分，所以对换热器或者其它部件没有苛刻的设计要求。另外，优选实施方案要求化工厂设计简单，如上所述。
在一些情况下，燃料电池1和/或燃料轮机设备8产生的电力可以由电解电池2消耗。或者，来自燃料电池1的电力输出可以在转变成AC之后供给配电网。电解电池1随后可以由来自配电网，适当转变成DC的，电力供电。
尽管在上述说明书中尽力关注的是那些据信特别重要的本发明特征，但是应该理解的是，申请人要求在前面参照附图和/或在附图中所示的任何可授权特征或特征组合方面得到保护，无论是否进行了特别强调。
Claims (33)
1.电解装置(100)，包括：
用于电解第一流体以产生产物流体的电解电池(2)；用于氧化燃料和加热第二流体的燃料电池(1)；和，用于将加热的第二流体从燃料电池(1)送到电解电池(2)以提供热量驱动第一流体在电解电池(1)中的电解的机构(108B)。
2.电解装置(100)，包括：
用于电解包含水的第一流体以产生包含氢气的产物流体的电解电池(2)；用于氧化燃料和加热第二流体的燃料电池(1)；和，用于将加热的第二流体从燃料电池(1)送到电解电池(2)以提供热量驱动第一流体在电解电池(1)中的电解的流体转移设备(108B)。
3.权利要求1或2的电解装置，其中所述燃料电池(1)包括固体氧化物燃料电池，电解电池(2)包括固体氧化物电解电池。
4.权利要求1、2或3的电解装置，其中所述燃料电池(1)包括阳极(1b，32)以氧化燃料从而提供燃料产物。
5.权利要求4的电解装置，包括燃料循环设备(102c、112、4、102A)以将至少一些燃料产物循环到燃料电池(1)。
6.权利要求5的电解装置，其中所述循环设备(102c、112、4、102A)包括燃料循环器械(4)以从燃料电池(4)循环燃料产物。
7.前述任一权利要求的电解装置，其中由燃料电池(1)产生的至少一些电力可以传送到电解电池(2)以为电解电池(2)提供电力。
8.前述任一权利要求的电解装置，包括燃料转换器(3)以将前体燃料转换成燃料。
9.前述任一权利要求的电解装置，包括加热机构以加热所述前体燃料从而实现上述转换，所述加热机构包括热流体供给组件以将热流体供给燃料转换器(3)。
10.权利要求9的电解装置，其中所述加热机构包括具有第一和第二侧(3a、3b)的换热器，热流体在第一侧(3a)上通过，前体燃料在第二侧(3b)上通过。
11.前述任一权利要求的电解装置，其中燃料电池(1)包含阴极(1b，30)，由此第二流体的至少一种组分由阴极(1a，30)电解，燃料电池(1)包含第二流体供给机构以将第二流体供给燃料电池(1)。
12.前述任一权利要求的电解装置，其中电解电池(1)包括阴极(2b，38)以电解第一流体。
13.前述任一权利要求的电解装置，包括用于提供燃烧产物的燃烧器(6)，所述燃烧器(6)经设置以燃烧来自燃料电池(1)的至少一些燃料产物。
14.权利要求13的电解装置，其中所述装置包括第二流体循环设备(108E、116、6、7、108A)，在所述第二流体循环设备中提供燃烧器(6)。
15.前述任一权利要求的电解装置，包括第二流体供给设备(106、108、8A、7、108A)以将第二流体供给燃料电池(1)。
16.前述任一权利要求的电解电池，其中所述第二流体供给设备(106、108、8A、7、108A)包括压缩器(8A)以压缩所述第二流体。
17.权利要求15或16的电解装置，其中所述第二流体供给设备(106、108、8A、7、108A)包括流体循环器械(7)以从燃烧器(6)循环燃烧产物。
18.权利要求17的电解装置，其中所述第二流体供给设备(106、108、8A、7、108A)为流体提供从燃料电池(1)流动到电解电池(2)的不中断的途径。
19.前述任一权利要求的电解电池，其中所述燃料电池(1)和电解电池(2)互相相对于第二流体的流动串联连接。
20.权利要求15、16或17的电解装置，其中所述第二流体供给设备(106、108、8A、7、108A)经设置以将第二流体供给燃料电池(1)的阴极侧(1a，30)，电解装置(100)包括第二流体排放设备以从电解电池(2)排放第二流体。
21.前述任一权利要求的电解装置，包括具有涡轮机(8B)和压缩器(8A)的燃气轮机(8)设备，所述涡轮机(8B)连接到压缩器(8A)上，由此涡轮机(8B)可以驱动压缩器(8A)。
22.权利要求21的电解装置，其中燃气轮机(8)设备包括涡轮机进料机构(108E、116、108F)以将至少一些排放的第二流体供给涡轮机(8B)。
23.前述任一权利要求的电解装置，包括蒸发器(12)以从排放的第二流体回收热量，所述第二流体从涡轮机(8B)传送给蒸发器(12)。
24.前述任一权利要求的电解装置，其中产物流体循环设备(17F、115、17I、5、17E)包括循环器械(5)以从电解电池(2)循环至少一些产物流体，所述产物流体循环设备(5)设置在第一流体供给设备(114)中。
25.前述任一权利要求的电解装置，进一步包括第一流体加热器(11)以加热待送到电解电池(1)的第一流体，第一流体加热器(11)包括换热器以从产物流体转移热量到第一流体。
26.权利要求23的电解装置，其中所述第一流体加热器(11)将第一流体加热到高于所述第一流体沸点的温度。
27.前述任一权利要求的电解装置，包括分离器设备(16)以从产物流体冷凝水。
28.权利要求27的电解装置，其中所述分离器设备(16)经配置以循环冷凝的水到第一流体。
29.权利要求27或28的电解装置，其中分离器设备(16)包括第一流体进料组件以将第一流体供给蒸发器(12)和将第一流体从蒸发器(12)供给第一流体加热器(11)。
30.权利要求1或2的电解装置，其中燃料电池(1)包括固体氧化物燃料电池，电解电池(2)包括固体电解电池，所述燃料电池(1)包括阳极(1b，32)和阴极(1a，30)，所述电解电池(2)包括阳极(2a，36)和阴极(2b，38)，将第二流体供给燃料电池(1)的阴极(1a，30)的机构，所述流体转移设备将加热的第二流体从燃料电池(1)的阴极(1a，30)转移到电解电池(2)的阳极(2a，36)，用于将燃料供给燃料电池(1)的阳极(1b，32)的机构，用于将第一流体供给电解电池(2)的阴极(2b，38)的机构。
31.权利要求30的电解装置，其中燃料循环设备(102c、112、4、102A)将至少一些燃料产物从燃料电池(1)的阳极(1b，32)循环到燃料电池(1)的阳极(1b，32)。
32.权利要求30或31的电解装置，其中第二流体循环设备(108E、116、6、7、108A)将至少一些第二流体从电解电池(2)的阳极(2a，36)循环到燃料电池(1)的阴极(1a，30)。
33.权利要求32的电解装置，其中燃烧器(6)设置在第二流体循环设备中以将在从电解电池(2)流到燃料电池(1)的第二流体中的来自燃料电池(1)的阳极(1b，32)的燃料产物的至少一部分燃烧。
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