CN113906599B - Soec系统和soec系统运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种SOEC系统(1)，其具有：包括气体侧(3)和空气侧(4)的燃料电池堆(2)以及用于将工艺流体供应至该气体侧(3)进气口(6)的引射器(5)，其中，该引射器(5)具有用于将含水的初级工艺流体经由SOEC系统(1)的初级管线(8)输入到该引射器(5)初级部(9)内的初级入口(7)和用于将所回输的次级工艺流体经由该SOEC系统(1)的循环管线(11)从在该气体侧(3)的排气口(12)输入到该引射器(5)次级部(13)内的次级入口(10)，其中，SOEC系统(1)还具有控制气体供应部(14)，用于将控制气体供应入所述初级部(9)和次级部(13)以控制所述初级部(9)和次级部(13)内的压力和/或物质流，并且其中，控制气体供应部(14)为了控制所述初级部(9)和次级部(13)内的压力和/或物质流具有阀装置(19,20)。本发明还涉及一种用于运行本发明的SOEC系统(1)的方法。

Description

SOEC系统和SOEC系统运行方法
技术领域
本发明涉及一种SOEC系统，它具有包括气体侧和空气侧的燃料电池堆以及用于将工艺流体供应至气体侧进气口的引射器，其中，该引射器具有用于将含水的初级工艺流体经由SOEC系统的初级管线输入到该引射器的初级部内的初级入口和用于将所回输的次级工艺流体经由该SOEC系统的循环管线从该气体侧排气口输入到该引射器的次级部内的次级入口。本发明还涉及一种这种SOEC系统的运行方法。
背景技术
核心部件是燃料电池堆的SOEC系统能够针对有意义的功能方式和/或工作方式和期望的使用寿命在特殊工作状态下运行。它尤其是包含按照预先规定将工艺气体输送至燃料电池堆、即将含水的和/或含水蒸汽的流体输送至气体侧并将空气输送至空气侧。在SOEC系统运行中，人们就像在传统的燃料电池系统中一样区分阴极气体供应和阳极气体供应，或者换言之，区分燃料侧和空气侧，其中，在电解运行中，阴极对应于燃料侧，阳极对应于空气侧。在利用SOEC堆的高温电解中进行在燃料侧的尤其伴有水蒸汽和二氧化碳的气体输送。在空气侧，空气一般用来吹扫阳极气体室。空气在运行中按照富含氧气的方式离开燃料电池堆。为了尽量抑制在燃料侧的单池质量降低、尤其是镍催化器的氧化，应该在燃料侧存在还原性气氛，其还在气体供应装置内应该通过还原性物质如氢气和一氧化碳来保证。
在不具备检查站基础设施的孤立系统或装有还原性物质的单独储蓄容器中，还原性气氛的部分应该直接由系统本身提供。这总体上是在SOEC系统研发中的一项重要挑战并且可以通过在燃料侧的来自燃料电池堆的灼热废气的内部循环来实现。
循环需要适当的连接和用以使待循环的废气部分的压力级升高的设备。这在现代SOEC系统中通过引射器实现。这种构件是静态部件，其应该针对期望的系统工作点来专门设计并且不需要可运动的部分。在引射器内，原则上对应于来自燃料电池堆气体侧的循环产品气的次级流被添加至初级流。该初级流包含如下介质，它根据其功能性应该被送入燃料电池堆，即例如为了电解而供应水蒸汽。
与引射器的工作方式相应地，初级流能够具有专门增大的压力水平，由此，该引射器喷嘴内的初级流达到高速并且射出流在引射器的混合腔内产生负压。负压导致次级流通过抽吸作用被一起抽吸并且与初级流混合。由于引射器有固定的几何形状，故抽吸作用、即循环作用以及总体增压是与SOEC系统的相应工作状态相关的。因为初级流与燃料电池堆处的工作状态直接关联，这意味着在具有最大程度电解工作的工作状态下存在最大初级物质流。此外，因此在引射器喷嘴的固定几何形状情况下也存在最快速的射流速度，这原则上导致在引射器出口处的最大的循环率和增压。在部分负荷运行状态和进而较小的初级物质流情况下，射流速度、循环率以及可能的增压降低。为了毕竟获得在规定循环率时的所需增压，应该存在最小初级物质流。就是说，系统运行所需的循环从某个最小部分负荷运行起发挥功能并且循环率随着负荷点向满负荷升高而越来越大。
使用引射器时的一个问题是可调节性有限。引射器的构件原则上具有固定的几何形状，为此，用于SOEC系统内的运行的特性被确定。原则上，引射器针对主工作点来设计并且尽可能在工作点运行。关于部分负荷区域，人们期望在此能允许更可靠运行的尽量大的工作范围。
在国际专利申请WO 2015/040270 A1中描述了一种能够可逆运行的SOFC/SOEC系统，其中，在重整器的上游设置这种类型的引射器。另外，描述了用于供应附加流体至初级流以调节流体组成和/或引射器内压力的机构。这虽然改善了该引射器处的可调节性，但尚不满足期望的要求。
发明内容
本发明的任务是至少部分考虑前述的问题。尤其是，本发明的任务是提供一种SOEC系统以及一种SOEC系统运行方法，其有助于改善SOEC系统内的引射器的可调节性。
前面的任务通过本发明来完成。尤其是，前面的任务通过根据本发明的SOEC系统以及根据本发明的方法来完成。本发明的其它优点来自说明书和图。在此，关于SOEC系统所描述的特征和细节显然也与本发明的方法相关是适用的，反之亦然，因此关于对各个发明方面的公开内容总是相互参照或可相互参照。
根据本发明的第一方面，提供一种SOEC系统。该SOEC系统具有包括气体侧和空气侧的燃料电池堆以及用于将工艺流体供应至气体侧进气口的引射器。该引射器具有用于将含水的初级工艺流体经由SOEC系统的初级管线输入到引射器的初级部内的初级入口和用于将回输的次级工艺流体经由SOEC系统的循环管线从气体侧的排气口输入到引射器的次级部内的次级入口。该SOEC系统还具有用于供应控制气体至初级部和次级部以控制所述初级部和次级部内的压力和/或物质流的控制气体供应部，其中，该控制气体供应部为了控制所述初级部和次级部内的压力和/或物质流而具有阀装置。
所述的SOEC系统是用于改善引射器以及循环管线内的次级工艺流体的可调节性的任务解决方案。本发明涉及如下的控制气体输入类型，该控制气体不仅能够在引射器的初级侧与含水的初级工艺流体混合，也在引射器的次级侧与循环流混合。在初级侧的混合可以是指在引射器的初级部之处、之中和/或上游的混合。在引射器的次级侧的混合可以是指在引射器的次级部之处、之中和/或上游的混合。
在初级部中的混合使得初级部内的物质流和体积流增大。这导致在引射器喷嘴内的相应高的预压以及喷嘴内的较高射流速度。如上所述，循环率和可能的增压增大。而通过将控制气体输入次级部来减少初级物质流。当控制气体与循环流混合时，实际的循环流减小，或换言之，循环流内的产品气分量减少。
通过该控制气体供应部，控制气体量可以在初级侧和次级侧之间、即在初级部和次级部之间被无级调整。对于SOEC系统设计成共电解SOEC系统的情况，在引射器的几何形状被设计用于在最大工作点供纯水蒸汽流过以获得期望的循环率和增压时，人们获得最大调节范围。在相应的工作状态中，该控制气体只能在次级侧被输入、即被输入次级部中。在部分负荷工作状态下，尤其呈水蒸汽物质流形式的初级工艺流体流不再对应于所设计的引射器物质流，控制气体按照负荷点不再在次级侧、而是在初级侧被引入，即被输入初级部中。这导致了该引射器功率在部分负荷工作中降低幅度不大并且工作范围能够被显著扩大。
控制气体可以是指用于控制和/或调整在所述初级部以及次级部内的压力和/或物质流的气体。在此情况下要说明的是，通过控制和/或调整所述初级部内的压力和/或物质流也能自动地控制和/或调整该次级部内的压力和物质流。相应地，可以通过控制和/或调整该次级部内的压力和/或物质流来自动地控制和/或调整该初级部内的压力和物质流。
该控制气体供应部可以具有多个管线段以及多个安置在其中和/或其上的控制机构和/或调整机构。该控制气体供应部还可以包括流体输送机构如泵和/或鼓风机，用于输送控制气体经过各不同的管线段。
SOEC系统尤其是指高温SOEC电解系统。此外，SOEC系统也可以是指能够可逆运行的SOFC/SOEC系统。SOEC系统优选设计成共电解SOEC系统，在其中尤其是和/或主要采用二氧化碳作为控制气体。含水的初级工艺流体可以具有水、尤其是水蒸汽，其可以通过可设于该引射器上游的蒸发器来产生。即，含水的初级工艺流体可以是指含水和/或含水蒸汽的初级工艺流体。回输的次级工艺流体可以被理解为在气体侧产生的产品气。
引射器可以是指射流泵，其具有工作喷嘴、混合腔和扩流器。工作喷嘴可以被理解为初级部或者初级部的一部分。在混合腔上游和次级入口下游的区域可以被理解为次级部。该引射器优选紧接布置在该气体侧的上游，以便从那里给气体侧尽量有效高效地供应水蒸汽。
该SOEC系统可以具有用于识别SOEC系统的当前工作状态的工作状态识别装置。此外，该SOEC系统可以具有控制器，它与该工作状态识别装置通信相连并且配置用于依据所识别的SOEC系统工作状态调节送入所述初级部和/或次级部的控制气体供应。因此该引射器可以在SOEC系统内基本以自动和/或自动化方式被调整。工作状态识别装置可以具有一个或多个用于识别SOEC系统内的工作温度的温度传感器、一个或多个用于识别SOEC系统内的工作压力的压力传感器、一个或多个用于识别SOEC系统内的物质流的物质流识别机构和/或一个或多个用于识别工作流如初级工艺流体和/或次级工艺流体中的物质组成的物质传感器。
工艺流体是指如下流体，其是SOEC系统运行所需要的。在此，初级工艺流体主要具有水蒸汽并且作为补充具有二氧化碳。在引射器下游的工艺流体尤其包括初级工艺流体、次级工艺流体和/或控制气体。压力和/或物质流的控制尤其是指在SOEC系统的各功能部中的相应流体的压力和/或物质流的控制。该阀装置可被理解为用于锁闭和开通控制气体供应部内的流体管线段的机构。
根据本发明的另一个实施方式可行的是，该控制气体供应部具有用于将控制气体输入到初级入口和/或初级管线的初级控制气体管线。通过初级控制气体管线，该控制气体可以简单直接地送至引射器初级部内的期望位置。该控制气体在引射器的上游、根据需要在SOEC系统的其它功能构件的上游通入初级管线。因此例如可行的是，在本发明的SOEC系统中，在引射器的上游设置换热器的冷侧，初级管线延伸经过冷侧，其中，该初级控制气体管线在冷侧的上游通入初级管线。因此，该控制气体可以在供应至引射器之前被加热并且导致SOEC系统内的更高的效率。分支管线优选从循环管线被引出并经过换热器的热侧。因此，灼热产品气可以被用来加热该控制气体。由此，总系统的效率可被进一步提高。
作为初级控制气体管线的替代或补充，该控制气体供应部可以在本发明的SOEC系统内也具有用于将控制气体输入次级入口的次级控制气体管线。通过该次级控制气体管线，该控制气体可以简单直接地送至该引射器的次级部内的期望位置。
进一步有利的是，次级控制气体管线在本发明的SOEC系统中设计成至少部分与循环管线分开。就是说，该次级控制气体管线设计成与循环管线分开的专门的控制气体管线。由此可以在不受循环流影响的情况下给引射器供应控制气体。该引射器的可调节性因此可以相应改善。
此外，在根据本发明的SOEC系统中可能的是，初级控制气体管线和次级控制气体管线至少在局部彼此分开地构成。就是说，初级控制气体管线和次级控制气体管线被设计成专门的控制气体管线。在电路技术上因为可以相对简单地实现而有利的是，该初级控制气体管线和次级控制气体管线至少部分相互平行地延伸。在有利的电路布置中，该初级控制气体管线可以从源自控制气体源的主控制气体管线延伸至初级入口和/或延伸入初级管线。次级控制气体管线可以从主控制气体管线按照与初级控制气体管线分开的方式延伸至次级入口。该主控制气体管线因此可以在分叉部分支到所述初级控制气体管线和次级控制气体管线。
为了简单可靠地控制和/或调整通至引射器的控制气体，在本发明的SOEC系统中可行的是，该阀装置具有在初级控制气体管线中的初级阀和在次级控制气体管线中的次级阀。通过所述阀，所述初级控制气体管线和次级控制气体管线可以为了获得引射器的期望可调节性、即为了按期望方式将控制气体输入初级部和/或次级部而被锁闭或开通。该阀因此分别可以被理解为用于调整控制气体流通的流通调节器。
也可行的是，所述控制和/或调整通过单纯的水电解进行。为此，设置第二水管线，例如带有用于增大压力的另一个泵。在达成水蒸发之后，其作为初级工艺流体或次级工艺流体被输入到供应流中，从而蒸发的水被用作控制气体。由此可以实现简单的调整。因此水蒸汽被用作控制气体。
还可能的是，根据本发明的SOEC系统具有用于提供呈二氧化碳形式的控制气体的控制气体源。该控制气体源可以具有例如呈二氧化碳罐形式的二氧化碳储蓄器和/或用于例如呈在SOEC系统工作中来自其它过程的所循环的二氧化碳形式的二氧化碳的本地来源。使用二氧化碳作为控制气体尤其是在共电解SOEC系统中被证明是有利的。即，二氧化碳在此本来在燃料电池堆上就是所需要的。通过使用二氧化碳作为控制气体，不仅将共电解运行所需要的二氧化碳输入作为系统初级工艺流体的供应流，引射器和循环管线内的流体输送的期望的改善可调节性也被予以考虑。相比于水蒸汽，在相同的热动力学状态下二氧化碳具有更大的实际体积。在此情况下，本发明涉及如下的二氧化碳的输入类型，其不仅在引射器的初级侧可添加至水蒸汽中，也在引射器的次级侧可添加至循环流。
根据本发明的另一个方面，提供一种用于运行如前所详述的SOEC系统的方法。该方法具有以下步骤：
-通过工作状态识别装置识别SOEC系统的当前工作状态，并且
-通过控制器依据所识别的SOEC系统工作状态来调节送入初级部和/或次级部的控制气体供应。
因此，本发明的方法带来与关于本发明的SOEC系统所明确描述的一样的优点。如以上已关于SOEC系统所描述地，作为控制气体优选采用二氧化碳或富二氧化碳气体。工作状态可以依据SOEC系统内的至少一个所识别的温度、至少一个所识别的压力、至少一个所识别的物质组成和/或至少一个所识别的和/或所确定的物质流而被识别或确定。
在根据本发明的发明变型设计方案中还可行的是，在识别出SOEC系统部分负荷运行时，增大通至初级部的控制气体物质流和/或减小通至次级部的控制气体物质流。即，根据所识别的SOEC系统工作状态，在此是在识别出部分负荷运行时，在引射器处的输入气体组成、换言之是供应流或初级工艺流体和次级工艺流体被确定。通过使尤其呈二氧化碳形式的控制气体从次级侧移动到初级侧，部分负荷情况中的引射器功率可以通过简单方式被改善。
附图说明
其它的改进本发明的措施来自以下对如图示意性所示的本发明各不同实施例的说明，附图分别示意性示出：
图1示出根据本发明的一个优选实施方式的SOEC系统的框图，
图2示出在本发明的SOEC系统中的引射器的细节图，以及
图3示出用于说明本发明的方法的流程图。
具体实施方式
具有相同的功能和工作方式的零部件在图中分别带有相同的附图标记。
在图1中示出了呈共电解SOEC系统形式的根据一个优选实施方式的SOEC系统1。所示的SOEC系统1具有包括气体侧3和空气侧4的燃料电池堆2。在气体侧3和空气侧4之间设置电解质膜24。此外，SOEC系统1具有用于将工艺流体供应至气体侧3进气口6的引射器5。引射器5包括用于将含水的初级工艺流体经由SOEC系统1的初级管线8输入到引射器5的初级部9内的初级入口7和用于将所循环的次级工艺流体经由SOEC系统1的循环管线11从在气体侧3的出气口12输入到引射器5的次级部13内的次级入口10。
此外，SOEC系统1具有用于将控制气体供应入初级部9和次级部13以控制在初级部9和次级部13内的压力和/或物质流的控制气体供应部14，其中，控制气体供应部14为了控制初级部9和次级部13内的压力和/或物质流而具有阀装置19、20。
确切说，控制气体供应部14具有用于将控制气体输入到初级管线8内的初级控制气体管线17。替代地或附加地，该控制气体也能被直接输入到初级部9内。在引射器5的上游，设置换热器18的冷侧，初级管线8延伸经过该冷侧，其中，该初级控制气体管线17在冷侧的上游通入到初级管线8中。灼热的产品气、即来自燃料电池堆2的气体侧3的所循环的次级工艺流体被输送经过换热器18的热侧以加热该控制气体。
在换热器18的冷侧的上游设有用于使水蒸发的蒸发器25。在蒸发器25的上游设有用于将水输送至蒸发器25的泵26。
控制气体供应部14还具有用于将控制气体输入到次级入口10内的次级控制气体管线21。次级控制气体管线21与循环管线11分开地构成。另外，初级控制气体管线17和次级控制气体管线21彼此分开地构成。
所示的SOEC系统1还具有用于提供呈二氧化碳形式的控制气体的控制气体源22。从控制气体源22延伸有主控制气体管线23，其在分叉部分支为初级控制气体管线17和次级控制气体管线21。初级控制气体管线17和次级控制气体管线21随后相互并行地一直延伸到引射器5。
该阀装置具有在初级控制气体管线17中的初级阀19和在次级控制气体管线21中的次级阀20，借此能控制和/或调整相应的控制气体管线中的物质流。
在引射器5处设置用于识别SOEC系统1内的工作状态的工作状态识别装置15。工作状态识别装置15具有传感器装置，用于依据扩流器29内的温度值和压力值来识别流过引射器5扩流器29的当前物质流。工作状态识别装置15、初级阀19以及次级阀20与依据所识别的工作状态驱控初级阀19以及次级阀20的控制器16处于信号连接中。尽管如此，控制器16也可以依据直接通知的工作状态如期望的那样驱控所述初级阀19以及次级阀20。因此可以例如由使用者和/或数字信号单元向控制器16通知SOEC系统当前处于或应即将处于何种工作状态、例如部分负荷或满负荷。
在图2中详细示出了引射器5。如图所示，引射器5具有喷嘴27、在喷嘴27下游的混合腔28并在混合腔28下游的扩流器29。在喷嘴27以及混合腔28的区域内，在初级管线8的末端有初级入口7以及初级部9。在所示的引射器5处不仅有循环管线11、也有次级控制气体管线21。这两者如放大示出的那样都通入次级部13。但或者也可行的是循环管线11和次级控制气体管线21通入引射器5上的各不同的、相互分开布置的进流段，如在图1的简化线路图中示出的那样。
图3示出用于说明根据一个优选实施方式的方法的流程图。为此，在第一步骤S1中通过工作状态识别装置15来识别SOEC系统1的当前工作状态。这可以依据SOEC系统1内的当前工作参数或者依据规定工作状态或期望工作状态进行。接着在第二步骤S2中通过控制器16依据所识别的SOEC系统1的工作状态来调节针对初级部9和/或次级部13的控制气体输入。在识别出SOEC系统1的部分负荷运行时，送向初级部9的控制气体物质流被增大和/或送向次级部13的控制气体物质流被减小。
本发明除了所示的实施方式外还允许其它的设计原理。就是说，本发明不应被视为局限于关于图所描述的实施例。
附图标记列表
1 SOEC系统
2 燃料电池堆
3 气体侧
4 空气侧
5 引射器
6 进气口
7 初级入口
8 初级管线
9 初级部
10 次级入口
11 循环管线
12 排气口
13 次级部
14 控制气体供应部
15 工作状态识别装置
16 控制器
17 初级控制气体管线
18 换热器
19 初级阀
20 次级阀
21 次级控制气体管线
22 控制气体源
23 主控制气体管线
24 电解质膜
25 蒸发器
26 泵
27 喷嘴
28 混合腔
29 扩流器

Claims (10)

1.一种SOEC系统(1)，具有：包括气体侧(3)和空气侧(4)的燃料电池堆(2)以及用于将工艺流体供应至该气体侧(3)进气口(6)的引射器(5)，其中，该引射器(5)具有用于将含水的初级工艺流体经由该SOEC系统(1)的初级管线(8)输入到该引射器(5)初级部(9)内的初级入口(7)和用于将所回输的次级工艺流体经由该SOEC系统(1)的循环管线(11)从在该气体侧(3)的排气口(12)输入到该引射器(5)次级部(13)内的次级入口(10)，
其特征是，设有控制气体供应部(14)，用于将控制气体供应入该初级部(9)和该次级部(13)以控制该初级部(9)和该次级部(13)内的压力和/或物质流，其中，该控制气体供应部(14)为了控制该初级部(9)和该次级部(13)内的压力和/或物质流具有阀装置(19,20)。
2.根据权利要求1所述的SOEC系统(1)，其特征是，该控制气体供应部(14)具有用于将该控制气体输入到该初级入口(7)和/或该初级管线(8)内的初级控制气体管线(17)。
3.根据权利要求2所述的SOEC系统(1)，其特征是，在该引射器(5)的上游设置换热器(18)的冷侧，该初级管线(8)延伸经过该冷侧，其中，该初级控制气体管线(17)在该冷侧的上游通入该初级管线(8)。
4.根据权利要求2或3所述的SOEC系统(1)，其特征是，该控制气体供应部(14)具有用于将该控制气体输入到该次级入口(10)内的次级控制气体管线(21)。
5.根据权利要求4所述的SOEC系统(1)，其特征是，该次级控制气体管线(21)设计成至少部分与该循环管线(11)分离。
6.根据权利要求4所述的SOEC系统(1)，其特征是，该初级控制气体管线(17)和该次级控制气体管线(21)设计成至少部分相互分离。
7.根据权利要求4所述的SOEC系统(1)，其特征是，该阀装置包括在该初级控制气体管线(17)内的初级阀(19)和在该次级控制气体管线(21)内的次级阀(20)。
8.根据权利要求1至3之一所述的SOEC系统(1)，其特征是，设有用于提供呈二氧化碳形式的控制气体的控制气体源(22)。
9.根据权利要求1至8之一所述的SOEC系统(1)的运行方法，具有以下步骤：
-通过工作状态识别装置(15)识别该SOEC系统(1)的当前工作状态，并且
-通过控制器(16)依据所识别的SOEC系统(1)工作状态来调整针对该初级部(9)和/或该次级部(13)的控制气体供应。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征是，在识别出该SOEC系统(1)的部分负荷运行时，增大送入该初级部(9)的控制气体物质流和/或减小送入该次级部(13)的控制气体物质流。
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