CN118019877A - 用于制造氢气的蒸汽电解槽系统和相应的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于制造氢气的蒸汽电解系统。所述系统包括至少一个蒸汽电解槽电池、包括至少一个电蒸汽发生器的至少一个进料气体布置、用于将来自至少一个进料气体布置的包含至少蒸汽的进料气体流供应到至少一个蒸汽电解槽电池的至少一个进料气体供应路线、用于从至少一个蒸汽电解槽电池去除氢气的至少一个气体移动装置、以及用于操作所述系统的至少一个外部功率供应源。所述至少一个外部功率供应源电耦合到进料气体布置的至少一个电蒸汽发生器和电耦合到至少一个蒸汽电解槽电池。所述至少一个蒸汽电解槽电池和至少一个电蒸汽发生器并联地电连接。
Description
本发明涉及用于制造氢气的蒸汽电解槽系统以及用于操作所述蒸汽电解槽系统的方法。
用于大规模氢气制造的令人鼓舞的方法是借助于采用蒸汽电解槽电池的反应器诸如固体氧化物电解槽电池(SOE)或采用可逆蒸汽电解槽电池的反应器进行高温电解，所述可逆蒸汽电解槽电池可用作电解槽或燃料电池，诸如可逆固体氧化物电池(rSOC)。高温电解比低温电解更有效，因为部分能量是以热的形式提供的，所述热通常比电更便宜。该热或者由外部热释放源诸如焚烧炉、催化或化学反应器或核反应器提供，或者由电解反应器自身产生的焦耳热提供，并且可以作为吸热蒸汽转化反应中的有用热被估价。
蒸汽电解槽电池基本上由不透气电解质、多孔蒸汽接收电极和具有相反极性的对电极组成。取决于可以穿过电解质的离子类型(在固体氧化物电池的情况下，该离子类型可以或者是氧离子，或者是质子)，并通过用于相关电化学反应的电极的电催化活性促进，分子氢气或者在蒸汽电极处形成，或者在对电极处形成。
目前已知的固体氧化物电池由大量陶瓷构成，因此容易受到热机械应力的影响。为了确保电解槽电池的寿命，因此优选具有均匀的温度分布。这是通过受控加热(当电池以吸热模式操作时)、受控冷却(电池以放热模式)或通过在电池上施加电流来实现的，使得吸热电解反应所需的热由电解槽电池内产生的焦耳热提供，这是由于与氧离子和电子的传输(即电池欧姆损失)、活化极化和浓度极化有关的它们的内部电阻。电解效率为100％的该操作点被称为热中性电压。
作为蒸汽电解槽的具体实例，用于控制固体氧化物电解槽(SOE)电池温度的众所周知的方法是通过在阳极物流侧引入空气并调节对电极侧的空气流量和空气温度(Chem.Eng.Trans.，第61卷，2017，第1069页)。专利申请CA2626751A1中已经描述了使用空气控制的具体设计，其中SOE堆所需的空气由燃气轮机提供，使用入射热来预热空气，并且其中SOE废气被再循环。类似地，专利申请EP2674515A1建议通过集成从堆排气到SOE堆上游的热交换器和热调节单元的反馈回路来控制温度。供选择地，专利申请US20100200422A1提出使用蒸汽代替空气来控制SOE堆温度。专利申请US20170279134A1提出通过将互连器中的热交换器与用于传热流体的单独导管集成来控制SOE堆的温度。在所有这些情况下，主动加热和冷却增加系统的复杂性。
在US201690244890A1中提出的构思稍微简单一些，其中当SOE堆以吸热模式操作时，通过将来自间歇/波动能源的部分电能重新引导至电阻加热器来提供另外的热。
另外，存在一些要求动态操作的专利，这在原理上使它们对用间歇功率的操作具有吸引力。专利US8231774B2提出当SOE堆以放热模式操作时消散多余的热，并且当堆以吸热模式操作时使用储存的热。更具体地，相变材料可用于动态操作的SOE系统中的温度控制。专利申请US20140329161A1建议在SOE堆中插入包含这种材料的板，而Dillig等人建议施用所谓的热管(燃料电池(Fuel Cells)，第14卷，2014，第479页)。在所有这些情况下，它可能满足暂时的温度偏移，但如果这些偏移持续太长，它可能不是解决方案。因此，放热和吸热模式之间的频繁循环是必要的，但尚不清楚这是否能与可再生能源(如风、太阳能)的间歇性、不可预测性相平衡。
专利申请W02007048997A3描述一种包括两个固体氧化物电解槽堆的系统，一个在相对高的温度下高效操作，另一个在较低的温度下操作。如果操作条件使得第一堆在高温下以吸热模式(低电流)操作，因此需要输入热能，则该热由第二堆提供，由于在较低操作温度下较高的内阻，第二堆即使在低电流下仍将以放热模式操作。优点在于，对于两个堆来说，可以实现小的热梯度，同时可以抑制或甚至避免基于外部供热的吸热模式下的温度控制。缺点在于该系统依赖于至少两个堆，其中一个堆(在较低温度下操作的堆)在较低的电效率下操作。
一些专利公开SOE堆在恒定电压下的操作方法。专利申请EP3221494A1公开在恒电位或恒电流模式下操作SOE或SOFC堆的方法。更具体地，专利US 8163158提出通过改变氢气-蒸汽进料中的蒸汽浓度，在变化的电力输入下控制堆电压接近热中性电压，而总流速优选保持恒定。当更多电功率可用时，反应物浓度增加，当可用功率低时，反应物浓度降低。该专利进一步教导，氢气优选来自再循环回路，当可用电力低时，需要再循环更多的氢气。这带来了两个缺点。首先，再循环回路增加系统的复杂性，因此使系统更昂贵且更不容易控制。其次，在可用电力低时，为了维持热中性电压，需要更多电功率的更高量氢气的再循环导致效率损失。
因此，本发明的至少一个目的是克服现有技术的缺点。具体地，本发明的目的是提供一种用于制造氢气的蒸汽电解槽系统，与现有技术中已知的那些相比，该蒸汽电解槽系统不太复杂，并且该蒸汽电解槽系统提供更简单的温度控制方法。
独立权利要求的主题解决了这些目的，关于从属权利要求描述了优选实施方案。
本发明的第一方面涉及一种用于制造氢气的蒸汽电解系统。所述系统也可适合于制造氧气和/或一氧化碳和/或氢气。所述系统包括至少一个蒸汽电解槽电池，所述蒸汽电解槽电池包括正极、负极和不透气电解质。正极电连接到负极，负极电连接到正极。电解质布置在正极和负极之间。所述系统包括至少一个进料气体布置，所述进料气体布置包括至少一个电蒸汽发生器和至少一个进料气体供应路线，所述进料气体供应路线用于将来自所述至少一个进料气体布置的包含至少蒸汽的进料气体流供应到所述至少一个蒸汽电解槽电池。所述系统还包括用于从所述至少一个蒸汽电解槽电池中去除氢气的至少一个气体移动装置和用于操作所述系统的至少一个外部功率供应源。所述至少一个外部功率供应被电耦合到进料气体布置的至少一个电蒸汽发生器和电耦合到至少一个蒸汽电解槽电池。所述至少一个蒸汽电解槽电池和至少一个电蒸汽发生器并联电连接。
由于所述至少一个蒸汽电解槽电池和至少一个电蒸汽发生器的并联布置，两个装置都能够以有益的方式独立地调整它们的操作点，而无需另外的控制，因此提供了简单且可靠的系统，而不需要进一步的控制元件。
所述系统可包括辅助气体加热器，所述辅助气体加热器可与至少一个蒸汽电解槽电池和至少一个电蒸汽发生器并联布置。辅助气体加热器可以是空气预热器。
这种布置在高温蒸汽电解槽用被电加热的空气操作的情况下特别有利。
所述至少一个蒸汽电解槽电池可以是固体氧化物电解槽电池或可逆固体氧化物电池(rSOC)。rSOC可以作为固体氧化物电解槽(SOE)或作为固体氧化物燃料电池(SOFC)操作。在更广泛的意义上，所述至少一个蒸汽电解槽电池可以是陶瓷氧化物电解槽电池、亚磷酸电解槽电池或熔融碳酸盐电解槽电池。
所述至少一个气体移动装置可布置在电解槽的上游或下游。气体移动装置如鼓风机允许通过在电解槽上游产生过压或在电解槽下游产生负压来从电池中提取产物气体。
所述系统还可以包括多于一个气体移动装置，例如每个电极一个。
所述电解槽系统还可包括气体分离装置，如下文进一步更详细描述的。
由于制造的限制，一个电池的尺寸会被限制，因此每个重复元件具有多于一个蒸汽电解槽电池的系统是优选的。电池可以布置成堆，优选将单个平板电池串联成堆或组件。该堆可以包括10-200个，优选50-100个重复元件。
堆布置允许大规模制造氢气。在堆布置的情况下，所述至少一个电蒸汽发生器优选与堆布置并联电连接。
不透气电解质可以是氧离子传导电解质。
在氧离子传导电解质的情况下，产生氢气的电极通过从供给至该电极的蒸汽中剥离氧离子来产生氢气。这种氧剥离需要电子的存在，因此产生氢气的电极是阴极。这些氧离子然后穿过电解质并最终到达对电极。在该对电极未被供给气体的情况下，将形成氧气，该氧气必须例如通过气体移动装置从反应器中提取。在其他情况下，将使用吹扫气体以去除氧气。该吹扫气体是不与氧气反应的气体，例如可以是空气或另一种惰性气体诸如氮气。对电极也可以被供给一种或多种与氧离子反应的反应物。代替向氢气形成电极供给纯蒸汽，也可以向氢气形成电极供给诸如二氧化碳的其他化合物，其中氧离子也将从这些分子中剥离。在CO2的情况下，这一般会导致一氧化碳。
电解质可以是质子传导电解质。在质子传导电解质的情况下，蒸汽被供给到对电极侧。质子从蒸汽中剥离，这产生电子。这些质子然后穿过电解质。到达氢气形成电极时，质子在电子的帮助下重新结合成氢气，氢气或者必须从反应器中提取出来，或者可以借助于不与氢气反应的吹扫气体去除。代替向对电极供给蒸汽，也可以共同供给能够充当质子供体的其他化合物。在所有情况下，氢气产生电极是阴极，但是在氧离子传导电解质的情况下，蒸汽(和其他氧离子供体气体)将被供给到阴极，而在质子传导电解质的情况下，蒸汽(和其他质子供体气体)将被供给到阳极。
氧离子传导电解质可以包含氧化锆基和氧化铈基材料。优选地，电解质具有氟石型晶体结构，MX2是主要的晶体类型。它包含立方体晶胞，阳离子占据面心位置，阴离子位于四面体位置。通过将基于受体的阳离子引入晶格，从而引入氧空位，可以在室温下稳定立方结构。掺杂剂阳离子可以是钇(Y3+)、铒(Er3+)、钆(Gd3+)、铕(Eu3+)、镝(Dy3+)、钪(Sc3+)、钙(Ca2+)、镱(Yb3+)和镁(Mg2+)。氧化钇稳定的电解质是优选的，因为它可以在如600-1000℃的高温范围内操作。掺杂可以在5至10摩尔％的范围，优选8摩尔％，并且对于氧化钇掺杂的氧化锆是特别优选的。
有利地，具有氧化钇(Y2O3)稳定的氧化锆(ZrO2)(YSZ)和钇(Y)掺杂的铈锆酸钡(barium cerate zirconate)(BCZY)的镍(Ni)基复合材料被用作氢气电极，已知该镍(Ni)基复合材料用于氧离子和质子传导。与铂相比，它们强烈地低成本，显示出合理的电化学活性、化学稳定性和与电池的其他组件匹配的热膨胀系数。
质子传导电解质优选为基于钙钛矿型的氧化物，其优选分子式为ABO3，其中A位一般被比B位更大的阳离子占据，并且与O位阴离子尺寸相似。A位可以被碱土元素诸如钡、锶或钙占据。B位可被四价元素诸如锆或铈占据。化合物可以掺杂有三价元素以增强质子导电性，诸如钇、钕、钐、镱、铟、铕和钆。
对电极可以是传输氧离子/电子的空气电极。空气电极可以是钙钛矿材料与氧离子或质子传导材料的复合材料；所述钙钛矿材料诸如为锶(Sr)掺杂的锰酸镧(LSM)、锶掺杂的钴酸镧(LSC)或锶掺杂的镧钴铁氧体(LSCF))；所述氧离子或质子传导材料诸如为氧化钇(Y2O3)稳定的氧化锆(ZrO2)(YSZ)、氧化钆(Gd)掺杂的氧化铈(GDC)和钇(Y)掺杂的铈锆酸钡(BCZY)。
有利地，所述至少一个电蒸汽发生器是电蒸汽锅炉或电极蒸汽锅炉。
一般地，术语电蒸汽锅炉可用于依靠通过电阻丝输送电功率的蒸汽发生器，而术语电极蒸汽锅炉可用于依靠借助于浸入水中的正极和负极通过水自身输送电功率的蒸汽发生器。蒸汽锅炉可以潜在地积聚产生的超过过程所需蒸汽的蒸汽。
与所述至少一个电蒸汽锅炉或电极蒸汽锅炉的电阻性质相结合的所述至少一个蒸汽电解槽电池的性质允许用于在没有另外的控制的情况下操作系统的简单可靠的系统。
所述系统可以包括至少一个用于不同产物气体的分离和/或纯化的气体分离装置。所述至少一个气体分离装置可以基于任何已知的气体分离技术。例如，用于分离气体的技术包括吸附和/或吸收技术。所述技术可能涉及温度(例如变温吸附)或压力循环(例如变压吸附)。所述技术可用于去除气态化合物或重复使用吸附剂或吸收剂。从气流中去除气态污染物诸如痕量的不期望的气体也是合适的，其中吸附剂/吸收剂在饱和时被处置。
所述至少一个气体分离装置还可以包括低温分离元件，例如冷凝器，在该低温分离元件中，气态化合物混合物中的化合物之一经历相变，而剩余的化合物保持它们的气相。
此外，所述至少一个气体分离装置还可以包括浓度驱动或电驱动膜，该膜允许一种气体化合物通过，该气体化合物或者是气态的或者作为掺入到膜材料中的离子，而其他气体化合物不能跨越该膜。所述系统可以包括多于一个气体分离装置，优选两个，优选每个电极位点一个。
所述至少一个气体分离装置具有从未反应的进料气体中分离产物气体的优点，允许未反应的进料气体再循环到系统中，从而使进料气体消耗更有效。此外，该装置允许产物气体的纯化。
此外，所述系统可包括优选借助于至少一个气体分离装置与所述至少一个电解槽电池流体连接的至少一个蒸汽冷凝器。蒸汽冷凝器可以是气体分离装置的另外的部分，或者可以是气体分离装置本身。例如，蒸汽冷凝器可以是将转化的气体与未转化的蒸汽分离的有效方式，允许蒸汽冷凝并返回到电蒸汽发生器。从蒸汽冷凝回收的热可用于加热供给至电蒸汽发生器的水，从而降低电蒸汽发生器的电力需求。
有利地，所述至少一个进料气体布置包括共进料气体供应。共进料气体供应可以提供用于反应的共气体和/或用于系统维护的辅助气体。例如，可以添加辅助气体如氢气或任何其他还原气体来维护相应的电极，因为它有助于防止电极的氧化。
辅助气体或共气体可以是纯气体或气体混合物。气体供应可以连接到或可连接到一个或多个气体源。气体源可以是：充满反应物气体或反应物气体混合物的气瓶；用于化学反应的反应器，其中气体通过化学反应被制造；气体站或气体箱。
通常，根据本发明的系统可用于基于电解制造燃料，如氢气(H2)、甲烷(CH4)、甲醇(CH3OH)、二甲醚(CH3-O-CH3)或其他燃料和/或氨气(NH3)。转化率取决于所用的初始气体和电池的工作模式。例如，在SOE模式下，氢气(H2)可以从水(H2O)中产生，一氧化碳(CO)可以从二氧化碳(CO2)中产生。
有利地，功率供应源的功率是波动功率。如果使用自然资源诸如风或太阳来发电，可能产生波动功率。然而，在常规的SOE系统中，具有波动功率的操作需要另外的控制以防止SOE的热失控。由于本发明的布置，特别是至少一个电解槽电池和至少一个电蒸汽发生器的并联连接，不需要另外的控制，并且系统可以在波动的功率下安全地操作。因此，可再生发电资源可用于操作该系统。
至少一个电蒸汽发生器和至少一个蒸汽电解槽电池之间的额定可用功率份额可以在10:90至50:50的范围，优选为17:83。电解(EL)、蒸汽发生(Ev)和辅助气体加热器(Aux.Heat)之间的确切功率份额可以取决于所选择的额定操作点。
例如，下表给出了对应于60％、70％和80％蒸汽转化率(SC)的三个实施例。在计算中，假设SOE在等温条件下操作，热交换网络接近温度为100℃，蒸汽在120℃下输送。那些条件被选择为略高于SOE处于热中性电压的点，这被认为有利于最小化电化学电池上的热梯度，以便补偿电化学反应器中不可避免存在的热损失。在该情况下，辅助加热用于使系统达到操作温度并保持热平衡。
表1.蒸汽电解槽(EL)和电蒸汽锅炉(Ev)之间的优选功率份额的实施例。
此外，所述系统可以包括监控装置。所述监控装置可以包括允许监控系统的元件。它可以包括用于控制或监控电压或温度、用于控制进料气体供应或废气的传感器。它可以包括鼓风机以使气体移动通过系统。它可以包括用于允许远程控制的电子元件。它可以包括计算系统。
优选地，所述监控装置电连接或可电连接至非波动功率源。优选地，所述监控装置应优先考虑电源，以确保最佳工作条件。功率可以由电力公司或备用功率提供。这允许在波动功率暂时不可用的情况下操作，并且也允许将系统保持在待机模式。
所述系统可以进一步包括优选地布置在至少一个电蒸汽发生器中的功率限制器。这些功率限制器可以另外地防止过热，从而避免系统故障。特别是，可以避免系统过载，该系统过载可能损坏装置。功率限制器可安装在电蒸汽发生器和/或固体氧化物电解槽中，一般采用功率限制技术诸如前充式恒流源或折返特性进行安装。功率限制器决不限制本发明，因为功率限制器和电蒸汽发生器和/或蒸汽电解槽电池之间的功率可以分别独立地或自由地调整。
有利地，所述至少一个蒸汽电解槽电池在热中性条件下是可操作的或者在热中性条件下操作。所述布置可提供所述至少一个电解槽电池在固定电位下的操作。可以进行恒电位操作的电压下限与能斯特电位有关，而上限取决于电解槽电池中使用的材料可以耐受的电压。最好的方式是在热中性电压或其附近操作电解槽电池，以便平衡电解反应的热消耗与电解槽内阻和通过它的电功率产生的焦耳热。
术语“热中性”是指其中电解槽中由于内部电损失产生的热等于蒸汽分解所需热的操作条件。它通常是指由dH/2F定义的电池电压，其中dH是水分解反应的摩尔焓，F是法拉第常数。在一种气体混合物中CO2和H2O的共电解的电池电压通常在1.2-1.5V的范围。
此外，所述系统可以包括用于未转化的进料气体的再循环的再循环系统。再循环系统可以包括如前所述的冷凝器。再循环系统可以连接到或可连接到至少一个气体分离装置，如前所述的气体分离装置。再循环系统也可以是共进料系统的部分，其中未转化的气体被重新供给到系统中。
该系统还可以包括用于预热或蒸发水的另外的辅助水加热器。优选地，热可以来自内部热回收。辅助热源可在任何故障情况下作为备用，确保稳定的工作条件。
本发明的第二方面涉及一种操作蒸汽电解系统的方法。所述方法包括以下步骤：
-提供如前所述的蒸汽电解系统，
-向所述蒸汽电解系统和至少一个进料气体布置的至少一个电蒸汽发生器施加功率，
-在至少一个蒸汽电解槽电池上施加电压，
-将来自所述至少一个进料气体布置的包含至少蒸汽的进料气体供应到所述至少一个蒸汽电解槽电池的电极之一，
-允许至少一个蒸汽电解槽电池中的进料气体的至少部分消耗以产生氢气，
-从所述至少一个电解槽电池中提取氢气。
在至少一个电解槽电池上施加电压的步骤可以发生在供应进料气体之前或之后，但是优选在供应进料气体之前。优选在去除进料气体时保持电压。每个堆重复元件的电压可以在1.2至1.5V的范围。所述至少一个蒸汽电解槽电池可以是如前所述的类型。
当所述至少一个电解槽电池和所述至少一个电蒸汽发生器并联电连接时，所述方法允许以下操作：
最初，所述至少一个蒸汽电解槽电池例如固体氧化物电解槽(SOE)电池不接收蒸汽，因此其内阻是高的。因此，没有电流将流过它，而是提供给至少一个电蒸汽发生器。所述至少一个电蒸汽发生器开始以全功率产生蒸汽，然后将其供给至所述至少一个电解槽电池。这导致电解槽电池的内阻下降，从而电流流过电解槽电池。由于电解槽电池中的功率消耗，较少的电功率可用于所述至少一个电蒸汽发生器。因此，与最初的情况相比，将产生较少的蒸汽并供给至电解槽电池。由于电解槽电池中可用的蒸汽较少，其内阻增大，这导致流过电解槽电池的电流减小，并留下更多功率被供给至至少一个电蒸汽发生器。该循环重复进行，直到所述至少一个电蒸汽发生器和所述至少一个电解槽电池已经平衡了它们各自需要接收的功率的量。因此，系统可以自我调节，不需要任何另外的控制。
进料气体可以包含如前所述的另外的气体或气体混合物。
所述系统有利地利用波动电功率来操作。因此，允许使用可再生能源，但与常规方法诸如来自核电站的常规方法相比，可再生能源在提供功率方面可能不太稳定。
可将10％至50％的额定可用电功率供应至所述至少一个电蒸汽发生器，且可将50％至90％的额定可用电功率供应至所述至少一个蒸汽电解槽电池。
监控装置的电操作优选地被优先化，以允许对系统的完全控制。
所述至少一个蒸汽电解槽电池可在如前所述的热中性条件下操作。
有利地，未转化的进料气体通过再循环到所述至少一个电解槽电池中而再循环，以避免未转化的气体的损失并允许系统有效工作。
根据本发明，应该认识到电解槽电池的电阻性质不是恒定的，而是取决于系统的操作条件，诸如操作温度、电流密度、蒸汽利用等。
为了进一步图示说明本发明，呈现了以下附图，但以下附图不应被理解为限制性的。它显示：
图1：根据本发明的基本蒸汽电解槽系统的连接。
图2：蒸汽电解槽电池和电蒸汽发生器的并联连接。
图3：具有可调电阻的蒸汽电解槽电池和电蒸汽发生器的并联连接。
图4：作为蒸汽流量的函数的SOE面积比电阻。
图5：作为2、4、8或12Nml/min·cm2蒸汽进料流量的SOE电流密度的函数的ASR。
图6：电蒸汽发生器和电解槽电池之间的可用电功率分布。
图7：电蒸汽发生器和电解槽电池以及辅助加热之间的可用电功率分布。
图8：电蒸汽发生器和电解槽电池的功率份额的时间演变。
相同的附图标记表示本发明的相同元件。
图1示出基本蒸汽电解槽系统1的蒸汽连接。所述系统包括用于向对电极供给空气并在电解槽上游产生过压的鼓风机11、用于预热空气的辅助热源12、接收来自AC-DC转换器的DC电流的固体氧化物电解槽电池13形式的蒸汽电解槽电池、电蒸汽发生器14和AC-DC转换器15，其在系统接收AC功率的情况下是需要的。
图2示出电蒸汽发生器14和固体氧化物电解槽电池13的并联电连接。波动功率由圆圈包围的波表示。
在图3中，示出一种布置，其中用于预热空气的辅助热源12也与电解槽电池13和电蒸汽发生器14并联布置。这可能是一种其中使用被电加热的空气来操作高温蒸汽电解槽的可能布置。波动功率由圆圈包围的波表示。波动功率可以是AC电流，其例如可以来自电网、来自风电、或来自水电、或太阳热能，或DC电流，例如来自PV。电解槽在固定的DC电压下操作，例如在400V下操作。在AC功率源的情况下，AC-DC转换器(未示出)可产生电解槽所需的固定DC电压，如100V。另外，AC-DC或DC-DC转换器(未示出)可用于蒸汽发生器和/或电空气预热器。电解槽电池、蒸汽发生器和辅助空气预热器可在固定电压下操作，但功率波动会导致波动电流。
图4示出电解槽电池的总内阻(表示为面积比电阻ASR)可如何取决于供应的蒸汽流量。可以观察到，ASR通常随着蒸汽流量的增加而下降。
图5中示出电解槽电池的总内阻(表示为ASR)可如何取决于电流密度。作为SOE电流密度的函数的ASR提供的蒸汽进料流量为2(D)、4(C)、8(B)和12(A)Nml·min-1·cm-2。可以观察到ASR通常随着电流密度而增加。在图5中，恒定的氢气流量被添加到蒸汽进料流量中，以维持蒸汽电极。
图6示出电蒸汽发生器14和电解槽电池13之间的可用电功率分布。曲线41表示电蒸汽发生器的电功率除以总电功率(Pev/Ptot)。额定功率线用42表示。对于该图和接下来的图7至图8的计算，使用了来自图4的数据，图4示出电解槽电池的ASR如何随其操作条件而变化。
图7示出电蒸汽发生器14和电解槽电池13以及辅助电加热12之间的可用电功率分布，辅助电加热12是与电解槽和蒸汽发生器并联布置的电空气预热器(见图3)。曲线51表示电蒸汽发生器的电功率除以总电功率(Pev/Ptot)，并不同于曲线41。
图8示出在给定功率时间变化的情况下电蒸汽发生器14和电解槽电池13的功率份额的时间演变的实例。曲线71表示电蒸汽发生器的电功率除以总电功率(Pev/Ptot)。曲线72表示总功率。
解释曲线71：在较低功率下，电蒸汽发生器是有利的，因为在低蒸汽流量下，电解槽电池的初始电阻高。在额定功率下，电蒸汽发生器的功率份额稳定在20％，电解槽电池的功率份额稳定在80％，因为电解槽电池的内阻随着蒸汽流量而降低。尽管在该图中以简单的方式示出功率的时间变化，但是相同的操作原理将适合于来自可再生来源的波动功率。
Claims (15)
1.一种用于制造氢气的蒸汽电解系统，所述系统包括：
-至少一个蒸汽电解槽电池，所述蒸汽电解槽电池包括正极、负极和不透气电解质，其中所述正极电连接到负极，负极电连接到正极，并且其中所述电解质布置在正极和负极之间，
-至少一个进料气体布置，所述进料气体布置包括至少一个电蒸汽发生器，
-至少一个进料气体供应路线，所述进料气体供应路线用于将来自所述至少一个进料气体布置的包含至少蒸汽的进料气体流供应到所述至少一个蒸汽电解槽电池，
-用于从所述至少一个蒸汽电解槽电池中去除氢气的至少一个气体移动装置，和
-用于操作所述系统的至少一个外部功率供应源，
其中所述至少一个外部功率供应被电耦合到进料气体布置的至少一个电蒸汽发生器和电耦合到至少一个蒸汽电解槽电池，其特征在于所述至少一个蒸汽电解槽电池和至少一个电蒸汽发生器并联电连接。
2.根据权利要求1的系统，其中辅助气体加热器与所述至少一个蒸汽电解槽电池和至少一个电蒸汽发生器并联布置。
3.根据前述权利要求之一的系统，其中所述至少一个电蒸汽发生器是电蒸汽锅炉或电极蒸汽锅炉。
4.根据前述权利要求之一的系统，其中所述系统包括至少一个用于不同产物气体的分离和/或纯化的气体分离装置。
5.根据前述权利要求之一的系统，其中所述系统包括与所述至少一个蒸汽电解槽电池流体连接的至少一个蒸汽冷凝器。
6.根据前述权利要求之一的系统，其中，所述至少一个进料气体布置包括共进料气体供应。
7.根据前述权利要求之一的系统，其中所述功率供应源的功率为波动功率。
8.根据前述权利要求之一的系统，其中所述系统包括监控装置。
9.根据权利要求8的系统，其中所述监控装置电连接或可电连接至非波动功率源。
10.根据前述权利要求之一的系统，其中所述系统包括用于未转化的进料气体的再循环的再循环系统。
11.根据前述权利要求之一的系统，其中所述系统还包括用于预热或蒸发水的辅助水加热器。
12.一种操作蒸汽电解系统的方法，其包括以下步骤：
-提供根据权利要求1至11的蒸汽电解系统，
-向所述蒸汽电解系统和至少一个进料气体布置的至少一个电蒸汽发生器施加功率，
-在至少一个蒸汽电解槽电池上施加电压，
-将来自所述至少一个进料气体布置的包含至少蒸汽的进料气体供应到所述至少一个蒸汽电解槽电池的电极之一，
-允许至少一个蒸汽电解槽电池中的进料气体的至少部分消耗以产生氢气，
-从所述至少一个蒸汽电解槽电池中提取氢气。
13.根据权利要求12的方法，其中所述系统利用波动电功率来操作。
14.根据权利要求12至13之一的方法，其中所述至少一个蒸汽电解槽电池在热中性条件下操作。
15.根据权利要求12至14之一的方法，其中通过再循环将未转化的进料气体再循环至所述至少一个蒸汽电解槽电池。
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