CN116411287A - 蒸汽使用和安全系统 - Google Patents
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Abstract
一种固体氧化物电解池SOEC系统，其包括被配置成接收水或蒸汽与氢气的组合的电解池的堆叠，和被配置成再循环所述水或蒸汽的一部分的蒸汽再循环出口。
Description
技术领域
本发明的实施例大体上涉及固体氧化物电解器(SOEC)机械系统、蒸汽使用和相关安全系统。
背景技术
电化学装置，如燃料电池，可将存储于燃料中的能量以高效率转化成电能。在燃料电池系统(如固体氧化物燃料电池(SOFC)系统)中，使氧化流通过燃料电池的阴极侧，同时使燃料管道流通过燃料电池的阳极侧。氧化流典型地是空气，而燃料流可以是烃燃料，如甲烷、天然气、液化石油气(LPG)/丙烷、乙醇或甲醇。燃料电池能够实现带负电荷的氧离子从阴极流物料流到阳极流物料流的传输，其中离子与烃分子中的游离氢或氢组合以形成水蒸气和/或与一氧化碳组合以形成二氧化碳。来自带负电荷的离子的过量电子通过在阳极与阴极之间完成的电路被引导回燃料电池的阴极侧，从而导致电流流过电路。燃料电池系统可以包括多个热箱，其中的每一者可产生电力。热箱可包括将氧化燃料提供到一或多个燃料堆叠的燃料管道物料流，其中燃料在电力产生期间经氧化。
SOFC可以作为电解器操作以便产生氢气和氧气，称为固体氧化物电解池(SOEC)。SOEC位于热箱中。在SOFC模式中，氧化物离子从阴极侧(空气)输送到阳极侧(燃料)，且驱动力是跨越电解质的氧气的分压的化学梯度。在SOEC模式中，正电势施加到电池的空气侧，并且氧离子此刻从蒸汽侧传输到空气侧。因为阴极和阳极在SOFC与SOEC之间是相反的(即，SOFC阴极是SOEC阳极，并且SOFC阳极是SOEC阴极)，所以SOFC阴极(SOEC阳极)可以被称作空气电极，并且SOFC阳极(SOEC阴极)可以被称作蒸汽电极。
在SOEC模式期间，燃料流中的水减少(H2O+2e→O2-+H2)以形成H2气体和O2-离子，O2-离子输送通过固体电解质，并且接着在空气侧上氧化(O2-到O2)以产生分子氧。由于以空气和湿燃料(氢气、重整天然气)操作的SOFC的开路电压是约0.9到1V(取决于含水量)，因此在SOEC模式中施加于空气侧电极的正电压使电池电压升高到1.1到1.45V的典型操作电压。
发明内容
因此，本发明涉及各种蒸汽使用和安全系统，其基本上消除了由于相关技术的限制和缺点引起的一或多个问题。
本发明的实施例操作具有所需安全系统的SOEC，以防止由于氢泄漏或其它故障造成的损害和危险。为了操作SOEC，需要机械系统和组件来提供所需的水、空气和启动燃料。还包括安全系统以保护系统，以及更重要的是，防止火灾和其它对周围环境和附近人员的损害。其它SOEC系统可能包括危险位置装置或燃料组件的双重安全壳。
以下描述将阐明本发明的其它特征和优点，并且这些特征和优点的一部分将在描述中显而易见，或者可通过实践本发明而习得。本发明的目标和其它优点将通过在书面描述和其权利要求书以及附图中特别指出的结构来实现和获得。
应理解，前述一般描述以及以下详细描述均为示例性和解释性的，并且旨在为如要求保护的本发明提供进一步解释。
附图说明
附图被包括在内以提供本发明的另一理解，并且并入在本说明书中以及构成本说明书的一部分，其阐明本发明的实施例并且与说明书一起用来阐释本发明的原理。
图1为根据本发明的示例实施例的SOEC系统过程流程图。
图2为根据本发明的另一示例实施例的SOEC系统过程流程图。
图3为根据本发明的另一示例实施例的SOEC系统过程流程图。
图4为根据本发明的另一示例实施例的SOEC系统过程流程图。
图5为根据本发明的另一示例实施例的SOEC系统过程流程图。
具体实施方式
将参考附图详细描述各种实施例。在可能的情况下，贯穿附图，将使用相同的附图标记来指代相同或相似的部分。对特定实例和实施方案作出的参考是出于说明性目的，且并不意图限制本发明实施例或权利要求书的范围。
值和范围在本文中可以被表示为从“约”一个特定值，和/或到“约”另一个特定值。当表示此类范围时，实例包括从一个特定值和/或至另一个特定值。类似地，当数值通过使用先行词“约”或“基本上”表示为近似值时，应理解，特定值形成另一方面。在一些实施例中，“约X”的值可以包括+/-1％ X或+/-5％ X的值。应进一步理解，所述范围中的每个范围的端点在与另一端点相关以及独立于另一端点的情况下都是有效的。值和范围提供实例，但本发明的实施例不限于此。
所属领域的技术人员将显而易见，可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下对本公开作出各种修改和改变。由于所属领域的技术人员可以进行并有本公开的精神和主旨的所公开的实施例的修改组合、子组合和改变，因此本公开应当被解释为包括在所附权利要求书和其等效物的范围内的所有事物。
在本发明实施例的各种实施例中，蒸汽在SOEC系统中再循环。
图1为根据本发明的示例实施例的SOEC系统100。
如图1中所绘示，SOEC系统100包括空气管道105、空气鼓风机106、蒸汽管道110、再循环蒸汽入口111、再循环蒸汽出口121、热箱150、任选的氢气管道130、富集空气管道125、蒸汽和氢气产物出口120、分离器160和蒸汽再循环鼓风机170。
根据示例配置和操作，蒸汽管道110处的蒸汽输入(例如，以不同压力供应现场或设施蒸汽)可具有约100℃与110℃之间(例如105℃)的温度和约1psig的压力。在各种实施例中，可从外部源将蒸汽输入到SOEC系统100，或可局部产生蒸汽。在一些实施例中，多个蒸汽入口可配置成分别接收外部和局部蒸汽。或者或另外，可将水输入到SOEC系统100且汽化。
空气管道105处的空气输入(例如，环境空气)可为环境温度，可能在局部大气压下在约-20℃与+45℃之间。来自空气管道105的空气在空气鼓风机106处接收，并且归因于压缩热，由空气鼓风机106输出的空气的温度将略高于环境。举例来说，相比于20℃环境空气温度，通过空气鼓风机106输出的空气的温度可在1.0psig下为约30℃。
当SOEC系统100未以其它方式另外产生氢气时，可能仅需要来自任选的氢气管道130的氢气以用于启动和瞬变。举例来说，不再需要处于稳态的单独氢气进料物料流或氢气再循环蒸汽。此氢气物料流的压力为现场构造时的设计选项，且可在约5psig与3000psig之间。温度很可能接近环境，因为其很可能来自储存装置。
空气管道105处的空气输入、蒸汽管道110处的蒸汽输入和任选的氢气管道130处的氢气输入被输入到热箱150。反过来，热箱150在热箱150的蒸汽和氢气产物出口120处输出蒸汽和氢气产物H2-H2O-G，其中G表示总体。热箱输出H2-H2O-G可以具有约100℃与180℃之间的温度(例如130℃)、约0.1与0.5psig之间的压力。
另外，将热箱输出H2-H2O-G输入到分离器160且分裂成蒸汽再循环物料流RECH2OLP，其中LP表示低压，且净产物为H2-H2O-N，其中N表示净值(例如，用于商业使用或存储的输出物)。此处，净产物H2-H2O-N可具有约100℃与180℃之间的温度(例如130℃)、约0.1psig与0.5psig之间的压力。蒸汽再循环物料流RECH2OLP可具有约100℃与180℃之间的温度(例如130℃)、约0.1psig与0.5psig之间的压力。热箱150可进一步在富集空气管道125处输出富集空气，所述富集空气可以在基本上局部的大气压(例如小于0.5psig或小于0.05psig)下具有约120℃与300℃之间的温度。
将蒸汽再循环物料流RECH2OLP输入到蒸汽再循环鼓风机170。所得再循环蒸汽REC-STM可具有约100℃与180℃之间的温度(例如，140℃)、约0.5与1.5psig之间的压力(例如，约1psig)，并且在再循环蒸汽入口111处输入到热箱150中。通过蒸汽再循环出口121将额外蒸汽或热量供应到再循环蒸汽入口111，所述蒸汽再循环出口捕获热箱150的排气热量(例如，约280℃)。在一些实施例中，可不存在再循环蒸汽所包括的再循环氢气进料。
从图1中可以理解，与具有内部蒸汽发生的SOEC配置相比，蒸汽管道110处的进入蒸汽温度(例如105℃)较低。使用来自再循环蒸汽出口121的内部蒸汽生成和来自蒸汽管道110的外部蒸汽生成，可以将多个再循环回路配置到SOEC系统。换句话说，再循环蒸汽入口111被配置为接收来自蒸汽管道110和/或再循环蒸汽出口121的蒸汽。此处，实施例任选地使设施供应的蒸汽从蒸汽管道110(通常饱和且温度约为105℃)通过内部蒸汽生生盘管、一或多个汽化器和/或其它加热元件，并使用排气热量(例如，约280℃)进一步加热(即，过热)蒸汽供应，然后通过任选的风扇或富集空气鼓风机126在富集空气管道125处释放热量。
因此，在一些实施例中，大约有2-3kW的能量可用于预热再循环蒸汽出口121处的蒸汽。结果，进入热箱的蒸汽温度增加到140℃与160℃之间。
图2为根据本发明的另一示例实施例的SOEC系统200过程流程图。SOEC系统200的组件与结合图1所描述的SOEC系统100的组件类似，并且现在将描述系统200与100之间的差异。
在示例实施例中，SOEC系统200不需要使用输入蒸汽管道110和再循环蒸汽出口121。替代地，SOEC系统200利用外部蒸汽210以及经加热去离子水管道205。去离子水管道205的去离子水可由加热器206加热。氢气由输入氢气管道225供应。外部蒸汽210、输入氢气管道225和经加热去离子水管道205中的每一者在蒸汽再循环鼓风机170下游的再循环回路上供应，如图2中所示。所得氢气和蒸汽产物在再循环蒸汽入口111处输入。
图3为根据本发明的另一示例实施例的SOEC系统300过程流程图。SOEC系统300的组件与结合图1所描述的SOEC系统100的组件类似，并且现在将描述系统300与100之间的差异。
在示例实施例中，SOEC系统300不需要使用输入蒸汽管道110以及再循环回路，因为不使用分流器160和蒸汽循环鼓风机170，以及它们的下游。相反，SOEC系统300通过加热在进水口310处接收的去离子水管道305的去离子水来产生内部蒸汽。再循环蒸汽出口121的蒸汽出口被汽化器320进一步加热并与输入氢气管道325的氢气混合。所得氢气和蒸汽产物在再循环蒸汽入口111处输入，如图3中所示。
图4为根据本发明的另一示例实施例的SOEC系统400过程流程图。SOEC系统400的组件与结合图1所描述的SOEC系统100的组件类似，并且现在将描述系统400与100之间的差异。
在示例实施例中，SOEC系统400不需要使用输入蒸汽管道110以及再循环回路，因为不使用分流器160和蒸汽循环鼓风机170，以及它们的下游。相反，SOEC系统400通过加热在进水口410处接收的去离子水管道405的去离子水来产生内部蒸汽。再循环蒸汽出口121的蒸汽出口被汽化器420进一步加热并与输入氢气管道425的氢气混合。在一些配置中，除雾器(未示出)被包括在汽化器420的输出处。在一些配置中，多余的蒸汽可以排放到富集空气管道125。所得氢气和蒸汽产物在再循环蒸汽入口111处输入，如图4中所示。
图5为根据本发明的另一示例实施例的SOEC系统500过程流程图。SOEC系统500的组件与结合图1所描述的SOEC系统100的组件类似，并且现在将描述系统500与100之间的差异。
在示例实施例中，SOEC系统500不需要使用输入蒸汽管道110以及再循环回路，因为不使用分流器160和蒸汽循环鼓风机170，以及它们的下游。相反，SOEC系统500通过加热在进水口510处接收的去离子水管道505的去离子水来产生内部蒸汽。再循环蒸汽出口121的蒸汽出口由水监测系统520(例如液位传感器浮子型)调节。由水监测系统520释放并任选地加热和除雾的蒸汽与输入氢气管道525的氢气混合。所得氢气和蒸汽产物在再循环蒸汽入口111处输入，如图5中所示。
在本文中所述的各种实施例中的每一者中，一或多个检测器可用于检测安全事件。举例来说，可使用一或多个压力检测器和一或多个热检测器。可沿着输入氢气管道(例如225、325、425、525)放置一或多个压力检测器以检测欠压(例如，低于5PSI)和过压(例如，超过5PSI)。如果压力检测器跳闸，则系统(即热箱150)关闭。另外，一或多个热检测器可以放置在热箱的机柜内以检测过热(例如，超过230℃)。例如由富集空气鼓风机126提供和维持机柜通风。如果热检测器跳闸，则系统(即热箱150)关闭。
当SOEC系统在稳定状态下运行或检测到安全事件时，SOEC系统(例如，100、200、300、400、500)停止接收氢气。另外，热箱150中的电解池的堆叠可配置成当SOEC系统启动、关闭时或当SOEC系统不产生氢气或不产生足够的氢气时接收氢气。
因此，各种实施例提供SOEC机械系统和相关安全系统。为了操作SOEC，需要机械系统和组件来提供水、空气和启动燃料。安全系统还保护系统免受火灾和其它对周围环境和附近人员的损害。使用所需的安全系统运行SOEC可防止因氢气泄漏和/或其它故障而造成的损害和危险。其它SOEC系统可能包括危险位置装置或燃料组件的双重安全壳。
对于所属领域技术的人员将显而易见的是，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以对本发明的蒸汽使用和安全系统进行各种修改和变化。因此，希望本发明涵盖本发明的修改及变化，前提是这些修改及变化在所附权利要求书和其等效物的范围内。
Claims (14)
1.一种固体氧化物电解池SOEC系统，其包含：
电解池的堆叠，其被配置成接收水或蒸汽与氢气的组合；和
蒸汽再循环出口，其被配置成再循环所述水或蒸汽的一部分。
2.根据权利要求1所述的SOEC，其中氢气和蒸汽排气物料流再循环回到所述堆叠。
3.根据权利要求2所述的SOEC系统，其进一步包含分离器，所述分离器将所述氢气和蒸汽排气的一部分供应到蒸汽再循环鼓风机。
4.根据权利要求3所述的SOEC系统，其中所述氢气和蒸汽排气的再循环部分包括蒸汽并且不包括氢气。
5.根据权利要求1所述的SOEC系统，其中所述电解池的堆叠被配置成在所述SOEC系统在稳定状态下操作时停止接收氢气。
6.根据权利要求1所述的SOEC系统，其中所述电解池的堆叠被配置成在所述SOEC系统处于启动、关闭时或在所述SOEC系统不产生氢气时接收氢气。
7.根据权利要求1所述的SOEC系统，其中所述电解池的堆叠被配置成在所述SOEC系统检测安全事件时停止接收氢气。
8.根据权利要求7所述的SOEC系统，其中所述安全事件由压力检测器或热检测器检测。
9.根据权利要求1所述的SOEC系统，其中将蒸汽、氢气和经加热去离子水的组合供应到再循环蒸汽入口。
10.根据权利要求1所述的SOEC系统，其中通过所述再循环蒸汽出口输出的蒸汽与氢气混合，并且将蒸汽与氢气的组合供应到再循环蒸汽入口。
11.根据权利要求1所述的SOEC系统，其中由所述再循环蒸汽出口输出的蒸汽被汽化、与氢气混合并且供应到再循环蒸汽入口。
12.根据权利要求1所述的SOEC系统，其中通过所述再循环蒸汽出口输出的蒸汽通过水管理系统调节，与氢气混合，并且供应到再循环蒸汽入口。
13.一种操作固体氧化物电解池SOEC系统的方法，其包含：
在电解池的堆叠处接收水或蒸汽与氢气的组合；和
在蒸汽再循环出口处再循环所述水或蒸汽的一部分。
14.一种固体氧化物电解池SOEC安全系统，其包含：
机柜通风机，其被配置成向机柜提供通风并确保不会积聚易燃气体；
具有热熔断器的热检测器，所述热熔断器用于所述机柜内部，以在温度超过所述热熔断器时关闭所述SOEC系统；和
压力检测器，其包括一或多个压力开关，用于氢气管线上以指示欠压和过压事件。
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