CN116096944A - 固体氧化物电解电池系统和运行固体氧化物电解电池系统的方法 - Google Patents

Abstract

一种在部分负荷下运行固体氧化物电解电池(SOEC)系统的方法，其中所述SOEC系统包括多个并联电连接的支路，并且每个支路包括至少一个SOEC堆。所述方法包括确定热中性目标电压，低于所述热中性目标电压，运行是吸热的，而高于所述热中性目标电压，运行是放热的；以及通过为每个支路循环接通阶段和断开阶段来执行脉冲宽度调制电流控制，使得所述SOEC系统在平均运行功率下运行，所述平均运行功率等于所述热中性目标电压下的所述运行功率的选定百分比。在所述接通阶段，支路中的所有所述SOEC堆在所述热中性目标电压下运行，而在所述断开阶段，所述支路中的所有所述SOEC堆在0％功率下运行。每个支路被配置成独立于其它支路运行。

Description

固体氧化物电解电池系统和运行固体氧化物电解电池系统的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2020年8月4日提交的美国临时专利申请第63/060,854号的优先权和权益，其全部公开内容通过引用并入本文。

背景技术

本公开涉及用于从电力生产燃料，主要是氢的电解电池系统。特别是，本公开涉及一种固体氧化物电解电池系统和一种针对部分负荷和快速响应能力运行固体氧化物电解电池系统的方法。

电解电池是能够通过电化学反应将电输入能量转化为储存在燃料如烃燃料中的化学能量的装置。通常，电解电池包含阳极、电解质层和阴极。电解质层用于在阳极和阴极之间转移离子，这促进了阳极和阴极内的反应以产生化学燃料。

电解电池通常以用于转移特定离子的电解质层的类型为特征。例如，一种类型的电解电池是固体氧化物电解电池(SOEC)，其包含用于将带负电的氧离子从阴极转移到阳极的固体陶瓷电解质。

在阴极处，含氧反应物(通常是CO₂蒸汽)由于施加的电流而离解，形成氢或CO以及氧离子，这些氧离子将电荷传输穿过电解质到阳极：

H₂O+2e→H₂+O^2-  (1)

CO₂+2e→CO+O^2-  (2)

氧离子在阳极处结合，根据以下反应形成气态氧：

O₂ ^-→1/2O₂+2e  (1)

SOEC的固体陶瓷电解质是固体无孔金属氧化物。例如，SOEC的固体陶瓷电解质可以包括Y₂O₃稳定的ZrO₂(YSZ)。SOEC的阴极可以包括例如金属/YSZ金属陶瓷。在一些实例中，SOEC的阴极可以包括多孔两相镍和氧化钇稳定的氧化锆(Ni/YSZ)金属陶瓷。SOEC的阳极可以是例如Sr掺杂的LaMnO₃。

SOEC运行温度通常在约650℃至约1000℃的范围内，在该温度下发生通过氧离子的离子传导。参考图1，例如对在650℃、700℃和750℃中的每一个下的实例情况示出了SOEC运行电流(水平轴)和电化学发热(垂直轴)之间的关系的非限制性实例。期望在目标运行点运行，其中SOEC在热中性状态下运行(即，低于该电压，SOEC堆运行是吸热的，而高于该电压，SOEC堆运行是放热的)。热中性状态取决于温度。例如，当SOEC运行温度为750℃时，目标运行点为大约1.285V/电池。大多数电解堆技术凭借其反应动力学仅在其各自的放热区域中运行。高性能SOEC堆提供了根据状态进行放热或吸热运行的可能性。

在图1的实例中，点d是目标运行点，但是应当理解，该目标运行点可以在系统和应用之间变化。阴影区标识优选的实例运行范围。该优选的运行范围反映了当堆偏离热中性时需要从其供应或排出热量。热负荷(放热或吸热)越高，所得热管理策略越复杂且越昂贵，且施加到SOEC堆的应力越大。根据设计，SOEC堆可以以0.2W/cm²的热负载运行，然而优选的运行范围将小于0.1W/cm²，并且更优选的运行范围将小于0.05W/cm²，运行范围的每次减小都提供了更简单且更稳健的整体系统。在点d处，堆在750℃、-1A/cm²下运行，并且在热中性状态下运行。当在点d处运行时，SOEC系统仅需预热入口气体，并且可以使用工艺废气中的热量来进行预热。如果运行功率下降至例如点b，则SOEC堆在优选运行范围(阴影区)之外运行，并且SOEC堆运行是吸热的。SOEC堆将在再次达到热中性状态之前冷却至700℃(由于在较低温度下总体性能较差)，或者SOEC堆将必须接合辅助加热器以将堆保持在运行温度。如果允许SOEC堆冷却，那么SOEC系统必须应对不同的运行温度。

如果运行功率再次增加，例如增加至点a，则该增加迅速驱使SOEC堆运行进入大量放热状态。虽然这往往会驱使堆恢复至目标运行温度，但这是一个相对缓慢的过程。考虑到典型的SOEC堆，需要几分钟的时间跨度来向上转变50℃。同时，局部过热和排气温度升高会开始对SOEC堆和系统运行产生不利影响，从而对其使用寿命产生不利影响。曲线不是对称的。运行功率的给定增加的过热远大于与运行功率的相同减小量相关联的冷却。另外，热状态影响电池电压，并且从吸热运行状态到放热运行状态的变化可导致堆电压的大变化，其可能超过30％。因此，相关的功率电子器件必须能够应对更大范围的电压，这往往会增加功率电子器件的成本并降低其效率。

如果SOEC负荷一直下降至50％负荷并且SOEC堆冷却至650℃(点c)，那么在不等待堆和过程再次加热的情况下，就很难将运行功率增加超过约60％，所述再次加热是一个相对缓慢的过程。在典型的SOEC堆中，温度增加100℃可能花费几十分钟。

系统调节比被定义为系统峰值功率与其最低可持续运行点的比。对固体氧化物电解电池系统的运行调节通常通过改变工艺条件而不是堆状态来实现，特别是通过改变反应物流或浓度且/或通过改变运行温度。为了在高性能SOEC系统中存在的吸热运行范围内运行或横穿该吸热运行范围，常规解决方案包括快速横穿吸热区域以避免过冷。这固有地不允许持续的部分负荷运行。另一种常规解决方案包括向该过程添加补充热量。一些加热对于初始加热至运行温度是必要的，因此如果设计适当，那些加热器也可以用于在吸热运行期间保持温度。又一种常规解决方案包括允许堆冷却，将其效率降低到其停止吸热并在较低的运行温度下建立新的平衡的点。

需要一种运行具有高调节比的固体氧化物电解电池系统的方法，而无需在额外加热器、在大温度范围内运行的能力等方面驱使工厂要求的显著平衡。特别是，需要一种针对部分负荷和快速响应能力运行固体氧化物电解电池系统的方法。

发明内容

在某些实施例中，一种固体氧化物电解电池系统包括多个并联电连接的支路，每个支路包括至少一个固体氧化物电解电池堆，每个固体氧化物电解电池堆包括多个固体氧化物电解电池。一种在部分负荷下运行固体氧化物电解电池系统的方法包括：对于给定的运行温度，确定热中性目标电压，低于该热中性目标电压，固体氧化物电解电池系统的运行是吸热的，而高于该热中性目标电压，固体氧化物电解电池系统的运行是放热的；以及通过对支路中的每一个支路循环接通(ON)阶段和断开(OFF)阶段来执行脉冲宽度调制电流控制，使得对于固体氧化物电解电池系统的运行周期，该固体氧化物电解电池系统在平均运行功率下运行，该平均运行功率等于固体氧化物电解电池系统的运行周期的热中性目标电压下的运行功率的选定百分比。在接通阶段，给定支路中的所有固体氧化物电解电池堆在热中性目标电压下运行。在断开阶段，给定支路中的所有固体氧化物电解电池堆都被卸载至开路电压并在额定功率的0％下运行。支路中的每一个支路被配置成独立于其它支路在接通阶段或断开阶段运行。

在该方法或系统的一些方面，在运行周期中的至少一个时间段内，所有支路都处于断开阶段。

在该方法或系统的一些方面，在运行周期中的至少一个时间段内，所有支路都处于接通阶段。

在该方法或系统的一些方面，在运行周期中的至少一个时间段内，至少一个支路处于接通阶段，而至少一个支路处于断开阶段。这使总输出功率在任何时间点的纹波最小化。并联电连接且单独切换的堆的数量越大，由于接通阶段和断开阶段转变所施加的纹波就越小。

在该方法或系统的一些方面，接通阶段和断开阶段之间的切换发生在运行周期中的连续时间段之间，而不是在时间段期间。

在该方法或系统的一些方面，在运行周期中：第一支路在第一时间段的持续时间内处于接通阶段，而第二支路在第一时间段的持续时间内处于断开阶段；第二支路在第二时间段开始时切换到接通阶段，并且在第二时间段的持续时间内保持在接通阶段；并且第一支路在第二时间段的持续时间内保持在接通阶段，或者在第二时间段开始时切换到断开阶段并且在第二时间段的持续时间内保持在断开阶段。

在该方法或系统的一些方面，执行脉冲宽度调制电流控制包含选择脉冲宽度调制频率和占空比，使得主要热状态以热的方式使得接通阶段和断开阶段或断开阶段和接通阶段之间的转变期占运行周期的持续时间的10％以下。

在该方法或系统的一些方面，脉冲宽度调制频率和占空比被选择使得每个支路在由于反应物耗尽而发生电池电量不足之前从接通阶段切换到断开阶段。

在该方法或系统的一些方面，脉冲宽度调制频率和占空比被选择使得主要热状态是热中性的或由控制器选择，该控制器被编程为以轻微净吸热或轻微净放热状态为目标，使得固体氧化物电解电池堆的温度是恒定的或在反映系统需求的目标运行温度之间以受控方式直线上升。

在该方法或系统的一些方面，脉冲宽度调制时间常数被选择为处于τ_e(与对电流变化的电压响应相关联的电时间常数，通常在毫秒量级)与τ_c(与SOEC堆内的电化学位置处的反应物供应和反应物耗尽相关联的化学时间常数，通常在秒量级)之间。

在该方法或系统的一些方面，主要热状态避免了整个堆运行窗口的大量吸热区域和大量放热区域。在该方法或系统的一些方面，每个支路的运行电流密度可以在接通阶段期间在热中性目标电压下的电流密度的50mW/cm²以内。

在该方法或系统的一些方面，脉冲宽度调制时间常数被选择成使得在全脉冲宽度调制周期期间的热生成由接通时间状态和断开时间状态支配，而不是由在接通与断开之间的转变期间或在断开与接通之间的转变期间的状态支配。

在该方法或系统的一些方面，接通阶段被选择为处于或接近热中性状态。如果当系统控制期望将运行温度向新的运行点偏移时(例如，在可能期望冷却的持续空闲期的准备中或在可能期望加热的持续空闲期的恢复中)，可以选择接近热中性状态。

在该方法或系统的一些方面，接通阶段被选择为处于或接近热中性状态。如果当断开时间条件由于过程平衡的过量热损失或热生成而不是完全热中性时，可以选择接近热中性状态，在这种情况下，将选择接通阶段以提供平衡整个热状态所需的吸热或放热以控制SOEC堆温度。

在该方法或系统的一些方面，选择脉冲宽度调制时间常数，使得电化学活性区域附近的产物和反应物浓度由全脉冲宽度调制周期期间的平均状态支配，而不是由运行周期的接通时间和断开时间期间的状态支配。

在该方法或系统的一些方面，选择脉冲宽度调制时间常数，使得在全脉冲宽度调制周期期间的热状态和所得温度由平均状态支配，而不由运行周期的接通时间和断开时间期间的状态支配。

在该方法或系统的一些方面，选择脉冲宽度调制频率和占空比以限定脉冲宽度调制时间常数τ_pwm，该脉冲宽度调制时间常数τ_pwm同时允许整个系统的部分功率运行，同时也在基本上热中性状态(或与热中性具有小但受控的偏差)下运行，同时由于对应的过程时间常数的不同量值而维持接近恒定的利用率和基本上恒定的温度。

在该方法或系统的一些方面，所得运行策略允许SOEC堆在热状态(温度)下运行，该热状态在τ_e量级(例如，在毫秒量级)的时间内保持直线上升至全功率的能力，而不是像常规受控SOEC系统那样受τ_t(与SOEC堆的热质量和对热流的温度响应相关联的热时间常数，通常在分钟量级)的限制。

在该方法或系统的一些方面，所得运行策略允许SOEC堆在热状态下运行，该热状态在τ_流量级(例如，在秒量级)的时间内保持直线上升至全功率并维持在全功率下的持续运行的能力，而不是像常规受控SOEC系统那样受τ_t(与SOEC堆的热质量和对热流的温度响应相关联的热时间常数，通常在分钟量级)的限制。

在该方法或系统的一些方面，所得运行策略允许SOEC堆在部分负荷状态下运行，同时保持全运行温度并且无需大量的外部加热，所述运行策略的方式允许10:1量级的功率调节，同时以热中性方式保持运行。

在该方法或系统的一些方面，所得运行策略根据脉冲宽度调制序列以使得至少一个支路处于接通阶段而至少一个其它支路处于断开阶段的方式切换堆的两个或两个以上电并联支路。例如，50％的功率需求将在任何特定时间点只有一半的堆处于接通阶段，而所有的堆将在脉冲宽度调制的重复期内经历50％的占空比。

在该方法或系统的一些方面，所得运行策略根据脉冲宽度调制序列以使得较弱的支路可以比较强的支路负载更少以获得系统寿命和效率的总体益处的方式切换两个或更多个电并联支路。

在该方法或系统的一些方面，总功率循环是额定功率的第一预定百分比；支路中的每一个支路以100％运行时间的预定百分比；并且额定功率的第一预定百分比等于支路中的每一个支路以100％运行的时间的预定百分比。

在该方法或系统的一些方面，最大瞬时功率阶跃是额定功率的第二预定百分比，该额定功率的第二预定百分比通过将100％除以固体氧化物电解电池系统中的支路数量来计算。

在该方法或系统的一些方面，支路中的至少一个支路在第一接通阶段在额定功率的100％下运行，并且在紧随第一接通阶段之后的下一接通阶段在额定功率的0％下运行。

在该方法或系统的一些方面，在固体氧化物电解电池系统的运行周期中，支路中的至少一个支路以规则的间隔卸载并在额定功率的0％下运行。

在该方法或系统的一些方面中，在固体氧化物电解电池系统的运行周期中，支路中的至少一个支路以不规则的间隔卸载。

在该方法或系统的一些方面，对于固体氧化物电解电池系统的运行周期中的两个连续循环，第一子集中的支路是相同的。

在该方法或系统的一些方面，对于固体氧化物电解电池系统的运行周期中的两个连续循环，第一子集中的支路是不同的。

在该方法或系统的一些方面，多个固体氧化物电解电池中的每一个固体氧化物电解电池包含阳极、阴极和固体陶瓷电解质。

在该方法或系统的一些方面，固体陶瓷电解质包含无孔金属氧化物。

本领域的普通技术人员将理解，上述方面不是互斥的并且可以组合。

这些和其它有利特征对于审查本公开和附图的人来说将变得显而易见。

附图说明

图1示出了对在650℃、700℃和750℃中的每一者下的实例情况示出了运行电流(水平轴)和电化学发热(垂直轴)之间的关系。

图2示出了在95％净功率下运行的SOEC系统的SOEC堆的独立接通/断开切换的实例。

图3示出了在53％净功率下运行的SOEC系统的SOEC堆的独立接通/断开切换的实例。

图4示出了在12％净功率下运行的SOEC系统的SOEC堆的独立接通/断开切换的实例。

图5示出了根据示范性实施例的在炉中运行的亚尺度固体氧化物电解堆的实验测试结果。

图6比较了根据示范性实施例的在从10％负荷至70％负荷的部分负荷状态下逐步阶跃的亚尺度固体氧化物电解堆的实验电压和温度响应结果。

具体实施方式

总体上参考附图，本文公开了一种针对部分负荷和快速响应能力运行SOEC系统的方法。如上文所述，SOEC系统包括至少一个固体氧化物电解电池。优选地，多个固体氧化物电解电池可堆叠并与互连板交错，该些互连板将气体分配到电极/电解质界面并充当集电器，以形成固体氧化物电解电池堆。SOEC系统可以包括形成至少一些电并联支路的多个SOEC堆，例如，40个SOEC堆可以连接在20个电并联支路中。根据该运行方法，每个SOEC支路可以独立于另一SOEC支路从开路到满负荷进行负载，同时在热中性或接近热中性状态下运行。每个SOEC支路包括一个或多个SOEC堆。该运行方法还提供了在部分负荷下但在允许快速(近似瞬时)转变到满负荷的热状态下运行SOEC系统的能力。

SOEC堆的典型部分负荷循环描述如下：

-阶段1——SOEC堆在标称运行温度下以零电流、热中性运行。根据标称功率需求设置流经电池堆的反应物流量。

-阶段2——SOEC堆在热中性状态下切换至全电流。SOEC堆电压响应接近瞬时，并且在部分负荷(吸热)状态下花费的时间是例如几毫秒。与SOEC堆的热质量相比，在该转变时间期间吸收的热量可以忽略不计。温度变化可忽略不计。

-阶段3——SOEC堆现在在热中性状态下处于全电流，并且流量可能太低而无法无限期地支持该电流。然而，在固体氧化物电解电池的活性区域附近存在一定体积的气体，足以支持一些运行时间。根据设计，这可以是例如1/10秒的量级。

-阶段4——由于反应物耗尽，SOEC堆在电池电量不足之前切换回开路。

-阶段5——堆现在处于开路电压(OCV)，持续与期望负荷目标成正比且与SOEC堆处于满负荷的时间成正比的时间段。例如，接通时间为1/10秒的全负荷运行点的40％的目标将具有1.5/10秒的断开时间。在此期间，气流继续而不中断，从而将产物从SOEC/SOEC堆的活性区域吹扫出，并为下一循环提供新的反应物。SOEC堆处于热中性状态下。然后，该循环从阶段1开始重复。

参考图1，对在650℃、700℃和750℃中的每一者下的实例情况示出了SOEC运行电流(水平轴)和电化学发热(垂直轴)之间的关系的非限制性实例。在图1的实例中，点d是目标运行点，但是应当理解，该目标运行点可以在系统和应用之间变化。在点d处，堆在750℃、-1A/cm²下运行，并且在热中性状态下运行。当在点d处运行时，SOEC系统仅需预热入口气体，并且可以使用工艺废气中的热量来进行预热。如果运行功率下降至例如点b，则SOEC堆在优选运行范围(阴影区)之外运行，并且SOEC堆运行是吸热的。例如，目标运行点可能在热中性的50mW/cm²以内，也可能更高或更低，具体取决于堆和系统设计。在优选运行范围之外运行的堆可被描述为大量放热或大量吸热。在优选运行点内而不是在热中性目标电压下运行的堆可被描述为轻微放热或轻微吸热。在从d点卸载功率时，SOEC堆将在再次达到热中性状态之前冷却至700℃(由于在较低温度下总体性能较差)，或者SOEC堆将必须接合辅助加热器以将堆保持在运行温度。如果允许SOEC堆冷却，那么SOEC系统必须应对不同的运行温度。

如果运行功率再次增加，例如增加至点a，则该增加迅速驱使SOEC堆运行进入大量放热状态。虽然这往往会驱使堆恢复至目标运行温度，但这是一个与SOEC堆的热时间常数相关联的相对缓慢的过程。在重新建立热平衡之前，局部过热和排气温度升高会开始对SOEC堆和系统运行产生不利影响，从而对其使用寿命产生不利影响。曲线不是对称的。运行功率的给定增加的过热远大于与运行功率的相同减小量相关联的冷却。另外，热状态影响电池电压，并且从吸热运行状态到放热运行状态的变化可导致堆的大变化，其可能超过30％。因此，相关的功率电子器件必须能够应对更大范围的电压，这往往会增加功率电子器件的成本并降低其效率。

如果SOEC负荷一直下降至50％负荷并且SOEC堆冷却至650℃(点c)，那么在不等待堆和过程再次加热的情况下，就很难将运行功率增加超过约60％，所述再次加热是一个由热时间常数τ_t决定的相对缓慢的过程。

现在将描述一种在部分负荷下运行SOEC系统的方法(以下称为“运行方法”)。SOEC系统包括多个并联连接的固体氧化物电解电池堆。每个SOEC堆包括多个固体氧化物电解电池。该运行方法包括：对于给定的运行温度，确定热中性目标电压，低于该热中性目标电压，SOEC系统的运行是吸热的，而高于该热中性目标电压，SOEC的运行是放热的，以及通过对每个SOEC堆循环接通阶段和断开阶段来执行脉冲宽度调制电流控制，使得对于SOEC系统的运行周期，SOEC系统在平均运行功率下运行，该平均运行功率等于热中性目标电压下的运行功率的选定百分比。如本文所用，“运行周期”是指电解电池堆根据本发明的实施例运行的时间段，而不是在稳定电压下运行或长时间段内断电。当在给定运行温度下在热中性目标电压下运行时，电解电池堆被认为在“100％功率”或“全功率”下运行。这也可以称为在给定运行温度下的“额定功率”。在接通阶段期间，电解电池堆在热中性目标电压下运行。在断开阶段期间，电解电池堆被卸载并在0％功率下运行。固体氧化物电解电池堆可以分成多个电并联支路。对于任何电气支路，在接通阶段，支路中的固体氧化物电解电池堆在100％功率下运行。在断开阶段，支路中的固体氧化物电解电池堆被卸载至开路电压。固体氧化物电解电池堆电气支路中的每一个固体氧化物电解电池堆电气支路被配置成独立于其它固体电解电池堆电气支路在100％功率下运行或卸载。SOEC系统可以包括被编程以执行运行方法的步骤的控制器。

根据该运行方法，控制SOEC堆的脉冲宽度和负载，使得SOEC系统在脉冲接通(模式1)期间在热中性状态或接近热中性状态下运行。在脉冲断开(模式2)下，堆被卸载，这本质上是一种热中性状态。通过在模式1和模式2之间切换，堆可以保持在接近热中性状态，同时在部分负荷下运行，否则部分负荷将大量吸热。该运行方法利用了与以下相关联的不同时间常数：1)电压响应(电池电压对电流)，其为ms响应时间的量级；2)随利用率变化的电化学反应响应(流量对电流)，其为次秒响应时间的量级；和3)热响应(温度对电流)，其为多个秒响应时间的量级。这些时间常数是SOEC堆和系统的材料和设计的物理特性。

在SOEC堆和系统内，可以确定至少三个特征时间常数：

τ_e：与对电流变化的电压响应相关联的电时间常数，通常在毫秒量级；

τ_c：与SOEC堆内的电化学位置处的反应物供应和反应物耗尽相关联的化学时间常数，通常在秒量级；和

τ_t：与SOEC堆的热质量和对热流的温度响应相关联的热时间常数，通常在分钟量级。

两个相关性的动态时间常数也可以被认为是：

τ_pwm：与上述脉冲宽度调制电流调制策略相关联的受控时间常数。

τ_流：与整个系统的例如响应于所要求的运行功率的阶跃变化而使流量直线上升的能力相关联的受控时间常数。

只要运行频率足够慢，运行就由接通时间和断开时间(而不是转变时间)支配，则堆将名义上是热中性的。如本文所用，术语“主要热状态”是指在大于90％的运行周期持续时间内电池的热状态。因此，当电解电池堆的主要热状态是热中性时，该堆在热中性状态下运行超过运行周期的持续时间的90％。特别是，只要运行频率足够快，入口气体就不会一直行进通过SOEC堆并经过电池活性区域而不发生反应，则有效利用率将由标称流量设定。这些限制了最高运行频率和最低运行频率。考虑到这两个过程的时间常数的几个数量级的差异，找到满足这两个要求的可运行频率有很大的余地。这两个过程都显著快于热加热，因此不会在堆或系统上施加任何明显的热瞬态。

例如，图5绘示了根据实范性实施例的在炉中运行的亚尺度固体氧化物电解堆的实验测试结果。这是快速瞬态响应的理想环境，其中炉热支持吸热堆运行。图5示出了首先以脉冲宽度调制模式(本公开的主题)运行，然后以典型的稳定负载策略重复的相同运行状态。每种情况的运行状态从无负荷开始，阶跃变化至30％负荷并停留30分钟，然后阶跃变化至全负荷并停留30分钟，接着卸载。

注意到较低的电压反映较高的效率，首先应当观察到在30％负荷下，脉冲宽度调制测试以更高的效率运行。这是因为它保持运行温度，因此能够以最高效率运行。相比之下，在30％负荷下的稳态运行效率降低了约5％，因为堆由于吸热运行而被冷却。这是唯一的可能，因为该测试在用于保持吸热堆周围的温度的炉中运行。在实际的系统中，保持吸热堆的运行温度将更加困难，并且所产生的冷却和效率下降可能更大。

仍然参考图5，其次应当注意，在阶跃变化至满负荷上，在脉冲宽度调制的情况下有轻微的电压恢复，但在常规情况下有大得多的恢复。这反映了在部分负荷运行期间达到的较低运行温度，以及阶跃至满负荷时相关联的低效率。在实际的生产系统中，不仅部分负荷温度可能更低，而且可用的驱动电压可能不会高到足以驱使冷堆达到峰值电流，结果吸热运行将继续潜在地大大增加转变时间。

图6比较了根据示范性实施例的在从10％负荷至70％负荷的部分负荷状态下逐步阶跃的亚尺度固体氧化物电解堆的实验电压和温度响应结果。当在脉冲宽度调制模式下运行时，填充的数据点是平均堆内温度(正方形)和平均电池电压(圆圈)，当在常规稳态模式下运行时，空数据点是相同的结果。

值得注意的是，在脉冲宽度调制模式中，无论设定点如何，堆温度都是恒定的，而在常规操作中，堆逐渐冷却，最低温度发生在约40％负荷时。这种亚尺度测试发生在具有恒定温度设定点的电炉内，在实际系统中，预计堆温度会下降的更显著。还值得注意的是，在每个部分功率运行点的堆的效率更高，并且线性响应接近完美。更高的效率是有益的，原因显而易见，例如，每体积电解气体的能量成本降低。线性有利于提高整个系统的可预测性和可控性。

此外，与常规运行相比，通过避免吸热运行，堆(和系统)能够更好地响应瞬变，因此具有更好的负荷跟随能力。然而，当用脉冲宽度调制控制策略来控制堆时，更容易的温度和电控制的额外益处也改善了系统。此外，众所周知，热瞬变是针对固体氧化物电解电池堆的老化机制，并且通过用脉冲宽度调制控制运行，可以避免大多数否则会引起的热瞬变。

通过实现部分负荷下的运行，同时保持堆处的热中性，该系统不需要被设计成支持大量吸热运行或运行温度的大变化。这为系统设计提供了显著的简化。另外，通过将SOEC堆保持在接近热中性，即使在部分负荷状态下，该系统也可以对电力变化做出更大的响应。

参照图2至4，对于包括五个并联电连接的支路的相对较小的SOEC系统，将更详细地描述该运行方法。支路中的每一个支路包括一个SOEC堆，并被标识为堆1、堆2、堆3、堆4或堆5。然而，应当理解，每个支路可以包括任何数量的SOEC堆，例如，每个支路可以包括20至40个SOEC堆。对于95％净功率(图2)、53％净功率(图3)和12％净功率(图4)示出了运行方法中的切换实例。净功率百分比表示平均运行功率除以系统的额定功率(即，在热中性电压下的运行功率)。示出了前100个循环的运行周期，其中x轴上的每个数字标识循环数。条形图中的每个阴影表示在全电流下运行的特定SOEC堆(模式1)。因此，在没有示出特定SOEC堆的阴影的循环数中，应当理解，特定SOEC堆被卸载(模式2)。虚线表示总瞬时功率，而虚线表示时间平均功率。对于五个SOEC堆，最大瞬时功率阶跃被设置为额定功率的20％(通过将100％除以SOEC系统中SOEC堆数量来计算)，并且这设置了可能需要的任何电气系统(例如，电容器组)的要求。随着堆数量的增加，所需的平滑量降低。

参照图2，在95％净功率下的第一循环中，第一SOEC堆断开(不存在堆1的阴影)且其它四个SOEC堆在100％功率下运行(存在堆2至5的阴影)，使得总功率低于额定功率的95％。在第二循环中，所有SOEC堆都在100％功率下运行(存在堆1至5的阴影)，使得总功率超过额定功率的95％，此状态持续到第四循环。在第五循环中，第三SOEC堆断开(不存在堆3的阴影)，且其它四个SOEC堆在100％功率下运行(存在堆1、2、4和5的阴影)，使得总功率再次低于额定功率的95％。如图2所示，每个SOEC堆可以独立于其它SOEC堆从开路到满负荷进行负载，同时在热中性或接近热中性状态下运行并保持95％净功率。在一些方面中，总功率循环为额定功率的第一预定百分比，固体氧化物电解电池堆中的每一个固体氧化物电解电池堆在接通阶段中运行时间的预定百分比，并且额定功率的第一预定百分比等于固体氧化物电解电池堆中的每一个固体氧化物电解电池堆在100％功率下运行的时间的预定百分比。在图2中，五个堆中的每一个堆在此循环中的时间的95％(即，时间的预定百分比)上，总循环功率同样为额定功率的95％(即，额定功率的第一预定百分比)。

如图2所示，当在整个运行周期上平均时，每个单独的堆(或电气支路)具有等于期望输出功率电平(当表示为额定功率的百分比时)的接通时间。如图2所示，每个堆(或电气支路)的定时相对于每个其它支路偏移，使得堆在其接通周期中的总数一次变化不会多于一个堆(或电气支路)。例如，在所示的100个阶跃循环的过程中，没有这样的时间步长：即使每个堆恰好断开五次，同时接通的堆也不到四个。

在一些实例中，SOEC堆中的至少一个SOEC堆在固体氧化物电解电池系统的运行周期中以规则、重复的间隔卸载(例如，5个接通阶段开启、1个断开阶段关闭、5个接通阶段开启、1个断开阶段关闭等的规则模式)。在一些实例中，固体氧化物电解电池堆中的至少一个固体氧化物电解电池堆在固体氧化物电解电池系统的运行周期中以不规则、非重复的间隔卸载(例如，5个接通阶段开启、2个断开阶段关闭、3个接通阶段开启、4个断开阶段关闭等的不规则模式)。

参考图3，对于保持53％净输出功率示出了运行方法中的切换实例。在第一循环中，第四SOEC堆和第五SOEC堆是100％接通的(存在堆4和堆5的阴影)，而第一SOEC堆至第三SOEC堆断开(不存在堆1至堆3的阴影)。SOEC系统以53％的输出功率运行，没有所有五个SOEC堆都运行的循环。相反，在任何给定的循环中，SOEC堆中的2至3个SOEC堆100％接通。在任何特定的循环中，接通的堆不得超过三个，也不得少于两个。当在足够长的时间段(在此示出并在100个循环阶跃上实现)内进行评估时，每个堆(或电气支路)以相同的53％的总占空比运行。目标功率电平不需要是与堆计数相关的离散值。SOEC系统的任何部分负荷状态都可以以适当的循环实现，尽管随着所需分辨率的增加，切换循环的总长度也可以增加。通过100个阶跃(如图3所示)，输出功率可以被调制至最接近的1％。在图3中，每个SOEC堆占整个循环的53％。任何特定堆在两个连续的循环中被接通的位置相对较少，这反映出53％仅稍高于50％，其中每个堆将在50％的时间内完全接通。

参考图4，对于保持12％输出功率示出了运行方法中的切换实例。每个SOEC堆大约每8个循环接通一次。SOEC堆各自在开路(“断开”)和全功率(“接通”)之间切换，开路(“断开”)固有地为热中性，全功率(“接通”)被配置成热中性，使得除了来自过程的废热损失，运行点不导致SOEC堆冷却。该废热损失可以通过选择轻微放热的接通阶段来平衡，假设热损失小，这通常对于高效的电解系统来说应该是这样。

调节的一个限制是与反应物分子从电化学活性区域的入口流到出口所需的时间段相关的最小切换频率。在图4的实例中，对于长达8个循环的断开期，必须选择切换频率，使得8个循环不会导致过多的反应物旁路流通过无动力SOEC堆。这可能不是一个很大的约束，因为据推测，系统流量已针对较低功率状态(12％净功率)进行了调整。如果流量低8倍，那么流动期也长8倍，因此不需要改变切换频率。如果流量未低8倍，那么切换期不影响总利用率，因为即使在接通期中，也会有过量的反应物流。

在图2至图4的任何一个实例中，或对于根据该运行方法保持的任何其它净功率，都不需要中断或改变反应物流的方向以选择SOEC堆。反应物流均匀地分布到所有SOEC堆，并且只要适当地选择切换频率，就不会对SOEC堆或系统利用率产生影响。

在所示实例中，示出了两个基本假设。1)在任何特定的循环中，功率被分配给那些在最长时间内不需要功率的堆(电气支路)。这确保了使任何特定堆的连续接通时间和断开时间最小化的滚动功率需求。2)每个堆(或电气支路)以与系统级功率需求精确成比例地供应功率。对于整体控制策略来说，这两种假设都不是必需的。例如，可以使用随机或半随机确定哪个堆在特定循环内开启。单独的功率支路不需要与整个系统需求精确成比例地运行，而是可以响应于系统需求和单独的支路容量(或运行状况)来运行，使得较弱的支路可以比较强的支路负载更少，或者特定的支路可以被优先加热(或冷却)以准备或响应于较慢的功率转变。

参考图1，从热和功率的角度来看，上述运行方法允许SOEC堆总是在点d或点e运行。点d和点e都是热中性的。在50％功率下，SOEC堆在点d花费其一半的时间，在点e花费其一半的时间。SOEC堆保持在全运行温度下，并且可以直线上升到全功率，就像可以获得反应物一样快，所有这些在运行电压或运行温度上都没有明显的波动。

此外，考虑额定功率的20％至30％的范围。在该区域中，即使允许SOEC堆冷却至650℃也不足以将SOEC堆脱离大量吸热状态。将需要过程加热器或非常低的堆温度，其会带来控制挑战和动态响应能力的严重限制。结果，与常规控制策略相比，该运行方法的另一个益处是扩展的调节能力。

通过避免大量吸热部分负荷状态，可以简化系统的平衡，因为它不需要支持大量吸热或大量放热状态。相反，SOEC系统和SOEC堆以接近热中性状态运行，或者根据需要具有向吸热或放热运行偏移的特定设计。同样，SOEC系统可以补偿堆随时间的退化，同时在最有利于堆寿命和性能的状态下保持紧密的运行窗口。另外，SOEC系统可以在部分负荷状态下运行，同时将SOEC堆保持在有助于接近瞬时负载到全负荷的状态下，从而允许比其它情况快得多的瞬时响应。

根据该运行方法，即使在部分负荷状态下运行时，SOEC堆也将保持在运行温度。这意味着，对于短期瞬变，SOEC堆所消耗的功率可以在子秒尺度上增加到全功率，而对于需要流量改变的长期瞬变，可以在秒尺度上增加到全功率。这大大增加了电网电压和频率稳定的可能性，因为可用的调制比常规受控SOEC系统大得多。

上述运行方法允许SOEC系统在部分负荷(即，非全负荷)状态下的持续运行。该运行方法不依赖于补充加热。相反，该运行方法依赖于SOEC堆的自加热。这允许分离加热需求，这可以简化SOEC系统中设备的平衡，其中设备的平衡是确保SOEC系统作为可靠电源运行所需的辅助设备。根据该运行方法，在需要热量的位置(在SOEC堆内)产生热量，不需要优化从单独的加热器到SOEC堆的热传递，从而提供了对整个热模块的简化。因此，该运行方法还减小了SOEC堆上的热负荷，以潜在提高堆效率和寿命。

如图1所示，性能/温度曲线是不对称的。如果允许SOEC堆在部分负荷运行策略中冷却，那么SOEC堆在其使功率向上直线上升的能力方面受到限制。例如，当在50％功率下运行时，SOEC堆可能仅能够快速增加到60％功率，并且可能需要几分钟直线上升到100％功率，同时保持SOEC堆内的合理温度。相比之下，上述运行方法允许从任何功率电平快速直线上升到任何其它功率电平，就像工艺气体可以直线上升一样快。

该运行方法可以特别适用于高度模块化的堆阵列，其中功率母线上的电气切换的影响可以通过对堆进行异相排序来缓和。例如，在50％负荷状态下，在任何特定时间，一半的堆都将被接通，并且在任何时候都没有任何堆被处于活性状态。对于单个堆，电流切换可能在所得DC母线上施加噪声，这可能对系统功率电子器件的效率产生负面后果。在高度模块化的系统(即，许多堆共用相同的DC母线的系统)中，每个堆的转变时间可以相对于其它堆偏移，使得母线噪声最小化。电并联运行的堆越多，该运行方法对母线电压和噪声的影响越小。在一些方面，切换是系统性的。特别是，在任何给定的部分负荷状态下，接通或断开的SOEC堆的顺序和时间是相同的。在其它方面，切换是伪随机的。特别是，在给定的部分负荷状态下，接通或断开的SOEC堆的顺序和时间是不同的。例如，如果一个SOEC堆比另一SOEC堆弱，则伪随机方法可以平滑所得电气噪声。伪随机方法可以在施加的噪声和消除系统内的非计划偏差方面提供益处。

在一些方面，功率的脉冲宽度调制应用可以用于以独立于净电气状态的方式控制SOEC堆的净热运行状态。本文已经在部分电负荷状态下保持净热中性状态方面描述了这种思路，否则将是吸热的。该思路同样适用于目标特定的热状态，例如，以应用净放热状态作为帮助加热堆的方法。在部分负荷状态下，功率的脉冲宽度调制应用允许独立控制堆热状态，因此可用于响应于其它系统需求而升高或降低堆温度。

在一些方面中，SOEC堆的运行频率可在由堆的几何形状和任何流体粒子从电池活性区域入口横越到电池活性区域出口的净流动期所决定的下限和由由于切换损耗而导致的效率收益递减点所决定的上限之间变化，最终，当电池电气性能开始等同于部分负荷状态时，热收益开始消失。

如本文所用，术语“大约”、“约”、“基本上”和类似术语旨在具有与本公开的主题所属领域的普通技术人员的常用和接受的用法相一致的广泛含义。对本公开进行审查的本领域技术人员应理解，这些术语旨在允许对所描述和所要求的某些特征进行描述，而不将这些特征的范围限于所提供的精确数值范围。因此，这些术语应解释为指示对所描述和所要求的主题的非实质性的或无关紧要的修改或改变被视为处于所附权利要求书中所述的本发明的范围内。

如本文中所使用，术语“耦合”、“连接”等意指两个构件直接或间接彼此接合。这种接合可以是固定的(例如，永久的)或可移动的(例如，可移除的或可释放的)。这样的接合可以通过两个部件或彼此一体地形成为单个整体的两个部件和任何额外中间部件来实现，或者通过两个部件或附接到彼此的两个部件和任何额外中间部件来实现。

本文中对元件的位置(例如，“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”等)的引用仅用于描述附图中各个元件的定向。应当注意，根据其它示例性实施例，各种元件的定向可以不同，并且此类变化旨在被本公开所涵盖。

重要的是应注意，各种示范性实施例的构造和布置仅是说明性的。虽然在本公开中仅详细描述了几个实施例，但是审阅本公开的本领域技术人员将容易了解，在实质上不脱离本文中所描述的主题的新颖教导和优势的情况下，许多修改是可行的(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例、参数值、安装布置、材料的使用、颜色、定向等的变化)。例如，示出为整体形成的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可颠倒或以其它方式改变，并且离散元件或位置的性质或数量可改变或变更。任何过程或方法步骤的次序或顺序可根据替代实施例而变化或重新排序。还可以在各种示例范性实施例的设计、运行状态和布置中进行其它替换、修改、改变和省略，而不脱离本发明的范围。例如，热回收热交换器可被进一步优化。

上述操作可以由被编程为执行算法步骤的计算机来执行。本说明书中描述的主题和操作的实施例可以在数字电子电路中实现，或者在有形介质、固件或硬件上体现的计算机软件中实现，包括本说明书中公开的结构及其结构等同物，或者它们中的一者或多者的组合。本说明书中描述的主题的实施例可以实现为一个或多个计算机程序，即，在一个或多个计算机存储介质上编码的计算机程序指令的一个或多个模块，用于由数据处理设备执行或控制数据处理设备的操作。可替换地或另外地，可以在人工生成的传播信号(例如，机器生成的电气信号、光信号或电磁信号)上对程序指令进行编码，该人工生成的传播信号被生成以对信息进行编码，以便传输到适当的接收机设备供数据处理设备执行。计算机存储介质可以是或包括在计算机可读存储装置、计算机可读存储基板、随机或串行访问存储器阵列或装置，或它们中的一者或多者的组合中。此外，虽然计算机存储介质不是传播信号，但是计算机存储介质可以是编码在人工生成的传播信号中的计算机程序指令的源或目的地。计算机存储介质还可以是或包括在一个或多个单独的组件或介质(例如，多个CD、磁盘或其它存储装置)中。因此，计算机存储介质可以是有形的和非暂时性的。

本说明书中描述的操作可以被实现为由数据处理设备或处理电路对存储在一个或多个计算机可读存储装置上或从其它源接收的数据执行的操作。

该设备可以包括专用逻辑电路，例如，FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)。除了硬件之外，该设备还可以包括为所讨论的计算机程序创建执行环境的代码，例如，构成处理器固件、协议堆栈、数据库管理系统、运行系统、跨平台运行时环境、虚拟机或它们中的一者或多者的组合的代码。该设备和执行环境可以实现各种不同的计算模型基础架构，诸如网络服务、分布式计算和网格计算基础架构。

计算机程序(也称为程序、软件、软件应用程序、脚本或代码)可以以任何形式的编程语言(包括编译或解释语言、声明性或过程性语言)来编写，并且其可以以任何形式来部署，包括作为独立程序或作为模块、组件、子例程、对象或适合在计算环境中使用的其它单元。计算机程序可以但不必对应于文件系统中的文件。程序可以存储在保存其它程序或数据的文件的一部分中(例如，存储在标记语言文档中的一个或多个脚本)，存储在专用于所讨论的程序的单个文件中，或存储在多个协同文件中(例如，存储一个或多个模块、子程序或代码部分的文件)。可以部署计算机程序以在一台计算机或位于一个站点或分布在多个站点并通过通信网络互连的多台计算机上执行。

本说明书中描述的过程和逻辑流程可以由执行一个或多个计算机程序的一个或多个可编程处理器或处理电路来执行，以通过运行输入数据以及生成输出来执行动作。这些过程和逻辑流程也可以由专用逻辑电路(例如，FPGA或ASIC)来执行，并且设备也可以被实现为专用逻辑电路。

适于执行计算机程序的处理器或处理电路包括例如通用微处理器和专用微处理器，以及任何类型的数字计算机的任何一个或多个处理器。通常，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或两者接收指令和数据。计算机的基本元件是用于根据指令执行动作的处理器和用于存储指令和数据的一个或多个存储器装置。通常，计算机还将包括一个或多个用于存储数据的大容量存储装置(例如，磁盘、磁光盘或光盘)，或可操作地耦合以从一个或多个大容量存储装置接收数据或向其传送数据，或两者。然而，计算机不需要具有此类装置。此外，计算机可嵌入在另一装置中，例如，移动电话、个人数字助理(PDA)、移动音频或视频播放器、游戏控制台、全球定位系统(GPS)接收器或便携式存储装置(例如，通用串行总线(USB)闪存驱动器)等等。适于存储计算机程序指令和数据的装置包括所有形式的非易失性存储器、介质和存储装置，包括例如半导体存储器装置，例如，EPROM、EEPROM和闪存装置；磁盘，例如内部硬盘或可移动磁盘；磁光盘；以及CD-ROM和DVD-ROM磁盘。处理器和存储器可以由专用逻辑电路补充或并入专用逻辑电路中。

为了提供与用户的交互，本说明书中描述的主题的实施例可以在计算机上实现，该计算机具有显示装置，例如，CRT(阴极射线管)或LCD(液晶显示器)、OLED(有机发光二极管)、TFT(薄膜晶体管)、等离子体、其它柔性配置，或用于向用户显示信息的任何其它监视器，以及用户可以通过其向计算机提供输入的键盘、定点装置、例如，鼠标轨迹球等，或触摸屏、触摸板等。也可以使用其它类型的装置来提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的感觉反馈，例如，视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈；并且可以以任何形式接收来自用户的输入，包括声音输入、语音输入或触觉输入。另外，计算机可以通过向用户使用的装置发送文档和从该装置接收文档来与用户交互；例如，通过响应于从网络浏览器接收的请求向用户的客户端设装置上的网络浏览器发送网页。

Claims (21)

1.一种在部分负荷下运行固体氧化物电解电池系统的方法，所述固体氧化物电解电池系统包括多个并联电连接的支路，每个支路包括至少一个固体氧化物电解电池堆，每个固体氧化物电解电池堆包括多个固体氧化物电解电池，所述方法包含：

对于给定的运行温度，确定热中性目标电压，低于所述热中性目标电压，所述固体氧化物电解电池系统的运行是吸热的，而高于所述热中性目标电压，所述固体氧化物电解电池系统的运行是放热的；以及

通过为所述支路中的每一个支路循环接通阶段和断开阶段来执行脉冲宽度调制电流控制，使得对于所述固体氧化物电解电池系统的运行周期，所述固体氧化物电解电池系统在平均运行功率下运行，所述平均运行功率等于对于所述固体氧化物电解电池系统的运行周期在所述热中性目标电压下的运行功率的选定百分比，其中：

在所述接通阶段，给定支路中的所有所述固体氧化物电解电池堆在所述热中性目标电压下运行，而在所述断开阶段，所述给定支路中的所有所述固体氧化物电解电池堆被卸载至开路电压并且在额定功率的0％下运行；并且

所述支路中的每一个支路被配置成独立于其它支路在所述接通阶段或所述断开阶段运行。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述运行周期中的至少一个时间段中，所有所述支路处于所述断开阶段。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中在所述运行周期中的至少一个时间段中，所有所述支路处于所述接通阶段。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述运行周期中的至少一个时间段中，至少一个支路处于所述接通阶段，而至少一个其它支路处于所述断开阶段。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述接通阶段和所述断开阶段之间的切换发生在所述运行周期中的连续时间段之间，而不是在时间段期间。

6.根据权利要求1、4或5中任一项所述的方法，其中在所述运行周期中：

第一支路在第一时间段的持续时间内处于所述接通阶段，而第二支路在所述第一时间段的所述持续时间内处于所述断开阶段；

所述第二支路在第二时间段的开始时切换到所述接通阶段，并且在所述第二时间段的持续时间内保持在所述接通阶段；并且

所述第一支路在所述第二时间段的所述持续时间内保持在所述接通阶段，或者在所述第二时间段的所述开始时切换到所述断开阶段并且在所述第二时间段的所述持续时间内保持在所述断开阶段。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中每个支路包括多个固体氧化物电解电池堆。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中执行脉冲宽度调制电流控制包含：

选择脉冲宽度调制频率和占空比，使得主要热状态是热中性的，使得接通阶段和断开阶段或断开阶段和接通阶段之间的转变期占所述运行周期的持续时间的10％以下。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述脉冲宽度调制频率和所述占空比被选择使得在由于反应物耗尽而发生电池电量不足之前，每个支路从所述接通阶段切换到所述断开阶段。

10.根据权利要求8所述的方法，其中所述脉冲宽度调制频率和所述占空比被选择使得所述主要热状态是热中性的，或者由控制器选择，所述控制器被编程为以轻微净吸热或轻微净放热状态为目标，使得所述固体氧化物电解电池堆的温度是恒定的，或者在反映系统需求的目标运行温度之间以受控方式直线上升。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述接通阶段期间，每个支路的运行电流密度在所述热中性目标电压下的电流密度的50mW/cm²以内。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中：

总功率循环为额定功率的第一预定百分比；

所述支路中的每一个支路在所述接通阶段运行时间的预定百分比；并且

额定功率的所述第一预定百分比等于所述支路中的每一个支路在所述接通阶段运行的时间的所述预定百分比。

13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中最大瞬时功率阶跃是额定功率的第二预定百分比，额定功率的所述第二预定百分比通过将100％除以所述固体氧化物电解电池系统中的支路数量来计算。

14.根据权利要求13所述的方法，其中幅值电气平滑基于所述最大瞬时功率阶跃来确定。

15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述支路中的至少一个支路在第一接通阶段在额定功率的100％下运行，并且在紧接着所述第一接通阶段之后的下一断开阶段在额定功率的0％下运行。

16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

其中在所述固体氧化物电解电池系统的运行周期中，所述支路中的至少一个支路以规则的间隔卸载并且在额定功率的0％下运行。

17.根据权利要求1所述的方法，其中在所述固体氧化物电解电池系统的运行周期中，所述支路中的至少一个支路以不规则的间隔卸载。

18.一种根据前述权利要求中任一项所述的方法运行的固体氧化物电解电池系统。

19.一种固体氧化物电解电池系统，其包含：

多个并联电连接的支路，每个支路包括至少一个固体氧化物电解电池堆，每个固体氧化物电解电池堆包括多个固体氧化物电解电池；和

控制器，其被编程为：

确定热中性目标电压，低于所述热中性目标电压，所述固体氧化物电解电池系统的运行是吸热的，而高于所述热中性目标电压，所述固体氧化物电解电池系统的运行是放热的；以及

通过对所述支路中的每一个支路循环接通阶段和断开阶段来执行脉冲宽度调制电流控制，使得所述固体氧化物电解电池系统在所述固体氧化物电解电池系统的运行周期中在所述热中性目标电压下运行，其中：

在所述接通阶段，支路在所述热中性目标电压下运行，

在所述断开阶段，支路被卸载至开路电压并在额定功率的0％下运行，并且

所述支路中的每一个支路被配置成独立于其它支路在所述接通阶段或所述断开阶段运行。

20.根据权利要求19所述的固体氧化物电解电池系统，其中所述多个固体氧化物电解电池中的每一个固体氧化物电解电池包含阳极、阴极和固体陶瓷电解质，所述固体陶瓷电解质在所述阳极和所述阴极之间。

21.根据权利要求20所述的固体氧化物电解电池系统，其中所述固体陶瓷电解质包含无孔金属氧化物。

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