CN118054036A - 包括蒸汽再循环和阴极排气冷却器的电化学电池系统 - Google Patents
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Abstract
本申请案涉及一种电化学电池系统，其包括蒸汽再循环和阴极排气冷却器。固体氧化物电解池SOEC系统和方法，其包括电解池的堆叠，所述电解池的堆叠经配置以接收蒸汽并且产生氢气和蒸汽排气料流，以及蒸汽再循环鼓风机，所述蒸汽再循环鼓风机经配置以将所述氢气和蒸汽排气料流的一部分再循环回到所述堆叠。
Description
技术领域
本发明的实施例大体上针对包括固体氧化物电解池(SOEC)的电解系统，且更确切地说，针对蒸汽再循环和阴极排气冷却的使用，以及操作其的方法。
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料流到阳极流料流的传输，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。热箱可以包括将氧化燃料提供到一或多个燃料堆叠的燃料管道料流，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)。在SOFC模式中，氧离子从阴极侧(空气)输送到阳极侧(燃料)，并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)，所以进一步地说，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，使燃料料流中的水还原(H2O+2e→O2-+H2)以形成H2气体和O2-离子，将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，本发明的实施例针对包括蒸汽再循环和阴极排气冷却的电化学电池系统，其基本上避免归因于相关技术的限制和缺点的一或多个问题。
本发明的一目标是改进(即，减少)电解池系统(如固体氧化物电解池(SOEC)系统)的电力消耗。
本发明的另一目标是改进电解池系统(如固体氧化物电解池(SOEC)系统)的水利用。
本发明的另一目标是提供蒸汽/氢气(H2)再循环。
本发明的另一目标是提供阴极排气冷却。
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。
为了实现这些和其它优点且根据本发明的目的，如所体现且广泛地描述，包括蒸汽再循环和阴极排气冷却器的电化学电池系统包括固体氧化物电解池(SOEC)系统，其包含：电解池的堆叠，所述电解池的堆叠经配置以接收蒸汽且产生氢气和蒸汽排气料流；以及蒸汽再循环鼓风机，所述蒸汽再循环鼓风机经配置以将氢气和蒸汽排气料流的一部分再循环回到堆叠。
在另一方面，包括蒸汽再循环和阴极排气冷却器的电化学电池系统包括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蒸汽；在堆叠处产生氢气和蒸汽排气料流；以及在蒸汽再循环鼓风机处将氢气和蒸汽排气料流的一部分再循环回到堆叠。
应理解，前文总体描述以及以下详细描述都是示范性以及说明性的，并且意在提供对所主张的本发明的进一步解释。
附图说明
附图被包括在内以提供本发明的进一步理解，并且并入在本说明书中并构成本说明书的一部分，其图示本发明的实施例并与描述内容一起用来阐释本发明的原理。在图式中：
图1为根据本发明的示例实施例的SOEC系统过程流程图；以及
图2为一热箱过程流程图，其说明根据本发明的示例实施例的经由图1的热箱的过程流程。
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，将在整个图式中使用相同的附图标记来指代相同或相似部分。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/或到另一个特定值。类似地，当值通过使用先行词“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，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。
电解池系统(如固体氧化物电解池(SOEC)系统)的电力消耗可取决于系统水利用。提高的水利用可以能够实现较低的总电力消耗(kW-hr/kg H2)。在本公开的一些实施例中，在SOEC系统中再循环蒸汽。再循环蒸汽可使用额外热交换器冷却到约100℃与180℃之间(例如，低于150℃)，随后提供到蒸汽再循环鼓风机。图1和2为根据本公开的各种实施例的固体氧化物电解池(SOEC)系统和各种流体流的示意性图示。
图1为根据本发明的示例实施例的SOEC系统100。
如图1中所说明，SOEC系统100包括空气管道105、空气鼓风机106、蒸汽管道110、热箱120、任选的氢气管道130、富集空气管道125、蒸汽和氢气产物出口150、分离器160和蒸汽再循环鼓风机170。
在图1中说明的示例配置中，将描述SOEC系统100的组件及其相应操作。根据示例配置和操作，蒸汽管道110处的蒸汽输入可具有在约120℃与130℃之间(例如，127℃)或在约100℃与200℃之间的温度持续较长范围，压力为约1psig。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。或者或另外，可将水输入到SOEC系统100。
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，并且归因于压缩热量，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输出的空气的温度在1.0psig下可以是约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料流或氢气再循环蒸汽。此氢气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，因为其很可能来自存储装置。
空气管道105处的空气输入、蒸汽管道110处的蒸汽输入和氢气管道130处的任选氢气处的氢气输入被输入到热箱120。反过来，热箱120在热箱120的蒸汽和氢气产物出口150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可以具有约100℃与180℃之间的温度(例如130℃)，约0.1psig与0.5psig之间的压力。蒸汽再循环料流RECH2OLP可以具有约100℃与180℃之间的温度(例如130℃)，约0.1psig与0.5psig之间的压力。热箱120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可以具有约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)，并且将其输入到热箱120中。在一些实施例中，阴极排气冷却器热交换器(即，图2的元件188)位于蒸汽再循环鼓风机170的上游，使得再循环蒸汽在到达蒸汽再循环鼓风机170之前冷却。另外，再循环蒸汽可能不包括再循环氢气进料。
示例模拟结果说明于下表1中。示例结果假设，实现70％的每遍次水利用率和90％的总体水利用率。因此，本公开的示例实施例提供约70％(例如，50％到80％)的每遍次水利用率和约90％(例如，75％到95％)的总水利用率。可选择最优总体水利用率以使所产生的每kg氢气(H2)的总电力消耗减至最少，或使所产生的每kg氢气(H2)的总效用成本(例如蒸汽输入和电力输入的组合成本)减至最少。最优为通常在约70％与90％之间的总蒸汽利用率。因此，实施例不限于特定每遍次或总体水利用率。蒸汽再循环的使用能够实现比总体水利用率低的每遍次水利用率。可以实现每遍次水利用率与总体水利用率的改变比率，例如70/85、65/85和60/80等。
结果指示，单独的蒸汽通流换热器可能不足以将蒸汽和氢气产物H2-H2O-G在蒸汽和氢气产物出口150处冷却到对于许多市售再循环鼓风机来说足够低的温度。除蒸汽再循环蒸汽以外，新制蒸汽进料的热容量对于流出蒸汽加氢气产物来说并不充分匹配。通过添加阴极排气冷却器热交换器(例如，图2的元件188)获得改进的热匹配，所述阴极排气冷却器热交换器可类似于SOFC系统阳极排气冷却器。
为了实现约70％的每遍次水利用率和约90％的总水利用率，应再循环至少70％(例如，约70％到75％)，如约73％的总产物料流。总水利用率和每遍次水利用率的其它组合利用不同的再循环比。再循环比可在40％到75％范围内变化。此情况下的示例料流结果展示于下表1中。
表1
图2为一热箱过程流程图，其示出根据本发明的示例实施例的经由图1的热箱120的过程流程。
如图2中所说明，SOEC系统100包括空气管道105、空气鼓风机106、蒸汽管道110、热箱120、任选的氢气管道130、富集空气管道125、蒸汽和氢气产物出口150、分离器160和蒸汽再循环鼓风机170，也如图1中所说明。另外，图2说明多种电气组件103，其经配置以维持热箱120的堆叠121，混合器181，热交换器185、186、187、188和189，蒸汽加热器191和空气加热器192的能量平衡。
蒸汽管道110处的蒸汽输入和任选的氢气管道130处的氢气输入可在混合器181处混合。此处，蒸汽输入(或水输入)、氢气输入和/或其组合可以在混合器181处使用通过蒸汽再循环鼓风机170输出的再循环蒸汽171加热。混合器181的输出可输入到热交换器185，所述热交换器输出热蒸汽以用于下游输入到堆叠121。来自热交换器的热料流的出口温度将取决于堆叠温度，且取决于设计，所述出口温度可比堆叠温度低约20℃-150℃。堆叠温度可以在约680℃与850℃之间的范围内变化。热蒸汽可以通过一或多个加热器(如蒸汽加热器191)进一步加热。热交换器185经配置以通过利用堆叠121输出的氢气来生成热蒸汽。热交换器185进一步将氢气输出到阴极排气冷却器热交换器188。
除来自热交换器185的氢气以外，通过空气鼓风机106输出的空气被供应到阴极排气冷却器热交换器188。热交换器188输出供应到分离器160的蒸汽和氢气产物H2-H2O-G。热交换器188进一步输出温空气(例如，取决于环境温度具有约60℃与150℃之间的温度)，其经由一或多个加热器交换器(如热交换器186)以及一或多个空气加热器(例如，空气加热器192)供应到堆叠121。反过来，富集空气管道125处的堆叠121输出的富集空气由一系列热交换器(如热交换器186、187和189)冷却。此处，热交换器187和189是任选的且通常用于例如进水系统中。
在阴极排气冷却器热交换器188中，再循环蒸汽通过被提供到堆叠121的空气管道料流冷却。另外，由于通过蒸汽再循环鼓风机170输出的蒸汽再循环料流含有大量氢气，因此不再需要处于稳定状态的单独氢气进料料流或氢气再循环蒸汽。氢气(例如来自汽缸或现场存储装置)仍可用于系统启动、关闭或瞬变/备用，在此情况下不产生氢气。
优选地，阴极排气冷却器热交换器188位于再循环鼓风机的上游，使得再循环料流在到达再循环鼓风机之前经冷却。阴极排气冷却器热交换器188可以位于分离器160的上游或下游，使得总氢气和蒸汽料流H2-H2O-G或仅蒸汽再循环料流RECH2OLP通过阴极排气冷却器热交换器180中的空气管道料流冷却。
所属领域的技术人员将显而易见，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可在包括本发明的蒸汽再循环和阴极排气冷却器的电化学电池系统中进行各种修改和变化。因此，希望本发明涵盖本发明的修改和变化，前提是这些修改和变化在所附权利要求书及其等效物的范围内。
Claims (20)
1.一种固体氧化物电解池SOEC系统，其包含：
电解池的堆叠，其经配置以接收蒸汽并且产生氢气和蒸汽排气料流；以及
蒸汽再循环鼓风机，其经配置以将所述氢气和蒸汽排气料流的一部分再循环回到所述堆叠。
2.根据权利要求1所述的SOEC系统，其进一步包含阴极排气冷却器热交换器，其中所述氢气和蒸汽排气料流通过提供到所述堆叠的空气管道料流冷却。
3.根据权利要求1所述的SOEC系统，其进一步包含位于再循环鼓风机上游的阴极排气冷却器热交换器。
4.根据权利要求1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料流的一部分供应到所述蒸汽再循环鼓风机。
5.根据权利要求4所述的SOEC系统，其中阴极排气冷却器热交换器位于所述分离器的上游。
6.根据权利要求4所述的SOEC系统，其中阴极排气冷却器热交换器位于所述分离器的下游。
7.根据权利要求1所述的SOEC系统，其中所述电解池的堆叠经配置以接收蒸汽和氢气。
8.根据权利要求7所述的SOEC系统，其中所述电解池的堆叠经配置以在所述SOEC系统在稳定状态下操作时停止接收氢气。
9.根据权利要求7所述的SOEC系统，其中所述电解池的堆叠经配置以在所述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。
10.根据权利要求1所述的SOEC系统，其中所述氢气和蒸汽排气的经再循环部分包括蒸汽并且不包括氢气。
11.一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蒸汽；
在所述堆叠处产生氢气和蒸汽排气料流；以及
在蒸汽再循环鼓风机处将所述氢气和蒸汽排气料流的一部分再循环回到所述堆叠。
12.根据权利要求11所述的方法，其进一步包含通过阴极排气冷却器热交换器使用提供到所述堆叠的空气管道料流冷却所述氢气和蒸汽排气料流。
13.根据权利要求11所述的方法，其中阴极排气冷却器热交换器位于再循环鼓风机上游。
14.根据权利要求11所述的方法，其中分离器将所述氢气和蒸汽排气料流的一部分供应到所述蒸汽再循环鼓风机。
15.根据权利要求14所述的方法，其中阴极排气冷却器热交换器位于所述分离器的上游。
16.根据权利要求14所述的方法，其中阴极排气冷却器热交换器位于所述分离器的下游。
17.根据权利要求11所述的方法，其中所述电解池的堆叠经配置以接收蒸汽和氢气。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述电解池的堆叠经配置以在所述SOEC系统在稳定状态下操作时停止接收氢气。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述电解池的堆叠经配置以在所述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。
20.根据权利要求11所述的方法，其中所述氢气和蒸汽排气的经再循环部分包括蒸汽并且不包括氢气。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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