CN217399005U - 含有氢气泵的固体氧化物电解器系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及含有氢气泵的固体氧化物电解器系统。所述固体氧化物电解器系统包含：进水管道，其以流体方式连接到含有至少一个固体氧化物电解池SOEC的热箱；至少一个氢气泵；至少一个产物管道，其以流体方式将所述热箱的产物出口连接到所述至少一个氢气泵的入口；经压缩氢气产物管道，其连接到所述至少一个氢气泵的经压缩氢气产物出口；和至少一个再循环管道，其连接到所述至少一个氢气泵的未泵送流出物出口并且经配置以将所述未泵送流出物的至少一部分再循环到所述至少一个氢气泵上游。

Description

含有氢气泵的固体氧化物电解器系统
优先权
本实用新型是非临时申请案，其主张2021年5月3日申请的美国临时申请案第63/183,275号的权益，所述申请案的内容以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本实用新型大体上涉及电解器系统，并且确切地说，涉及具有氢气泵的固体氧化物电解池(SOEC)系统。
背景技术
固体氧化物燃料电池(SOFC)可以作为电解池操作以便从水中产生氢气和氧气。此类电池被称作固体氧化物电解池(SOEC)。在SOFC模式中，氧离子从阴极侧(空气)传输到阳极侧(燃料)，并且驱动力是跨越电解质的氧分压的化学梯度。在SOEC模式中，正电势施加到电池的空气侧，并且氧离子从燃料侧传输到空气侧。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)被称作空气电极，并且SOFC阳极(SOEC阴极)被称作燃料电极。SOEC包括陶瓷(例如固体氧化物)电解质(例如，氧化钇、氧化钪和/或氧化铈稳定的氧化锆)、空气电极和燃料电极。在SOEC模式期间，燃料流中的水减少(H2O+2e→O-2+H2)以形成H2气体和O-2离子，O-2离子传输通过固体电解质，并且接着在空气侧上氧化(2O-2→O2)以产生分子氧。
实用新型内容
根据一个实施例，操作固体氧化物电解器系统的方法包括：将进水流提供到至少一个固体氧化物电解池(SOEC)；从至少一个SOEC产生湿润氢气产物流；将湿润氢气产物流提供到至少一个氢气泵；在至少一个氢气泵中产生经压缩氢气产物和未泵送流出物；和将未泵送流出物的至少一部分再循环到至少一个氢气泵上游。
在一个实施例中，所述方法进一步包含在将湿润氢气产物流提供到至少一个氢气泵之前，冷凝水并且从湿润氢气产物流排出水。未泵送流出物的至少一部分可由鼓风机再循环到至少一个氢气泵的入口和/或由鼓风机通过至少一个冷凝器再循环到进水流中。至少一个氢气泵可包含电化学氢气泵，其产生包含大于99体积百分比氢气的经压缩氢气产物。任选地，所述方法可进一步包含将来自至少一个氢气泵的经压缩氢气产物提供到至少一个额外较高压力氢气泵，在至少一个额外较高压力氢气泵中产生额外较高压力的经压缩氢气产物和额外未泵送流出物，并且将额外未泵送流出物的至少一部分再循环到进水流中。
根据另一实施例，固体氧化物电解器系统包含：进水管道，其以流体方式连接到含有至少一个固体氧化物电解池(SOEC)的热箱；至少一个氢气泵；至少一个产物管道，其以流体方式将所述热箱的产物出口连接到所述至少一个氢气泵的入口；经压缩氢气产物管道，其连接到所述至少一个氢气泵的经压缩氢气产物出口；和至少一个再循环管道，其连接到所述至少一个氢气泵的未泵送流出物出口并且经配置以将所述未泵送流出物的至少一部分再循环到所述至少一个氢气泵上游。
在一个实施例中，所述系统进一步包含以流体方式连接到所述至少一个产物管道的冷凝器。所述系统还可以包括经配置以将未泵送流出物的至少所述部分再循环到至少一个氢气泵的入口和/或进水管道的鼓风机。所述系统可以任选地包括至少一个额外较高压力氢气泵，其以流体方式连接到经压缩氢气产物管道并且经配置以产生额外较高压力的经压缩氢气产物和额外未泵送流出物；以及至少一个氢气再循环管道，其以流体方式连接在至少一个额外较高压力氢气泵的额外未泵送流出物出口与进水管道之间。
附图说明
图1、2和3是根据本实用新型的实施例的SOEC系统的组件的示意图。
具体实施方式
如图1中所示，SOEC系统100包括至少一个SOEC热箱102。举例来说，可存在n个热箱102，其中n是1与100之间的整数，例如2到10，例如4到8。每一热箱102可驻留在热箱罩壳103内部，所述热箱罩壳含有所述热箱专用的额外周边系统(balance of plant；BOP)设备。每一热箱102包括多个SOEC，如一或多个SOEC堆或列。每一热箱102或热箱罩壳103还可以包括任何其它合适的周边系统组件，如热交换器、水雾化器、鼓风机、管道、阀门等。每一热箱102还可以含有电力输入端(例如电力总线)，所述电力输入端供电以在SOEC中产生水的电解。
每一热箱102包括进水管道(例如管路或歧管)2，其将进水流提供到热箱102的燃料入口中。水可以从管道2提供到热箱中的每个SOEC燃料电极。每一热箱102还可以含有进气管道4，其连接到热箱102的进气口。进气流可从管道4提供到热箱中的每个SOEC空气电极。管道4可以连接到鼓风机(未图示)。
在将电流或电压施加到热箱102中的每个SOEC之后，SEOC产生富氧气的排气流和湿润氢气产物流。富氧气的空气流可以通过通风口6从每个热箱102的出气口排出。产物流通过产物管道8从每个热箱102的产物出口输出。产物流是氢气和水蒸气的热、湿混合物，其含有约70到90体积百分比氢气和10到30体积百分比水蒸气。取决于流动通过下游设备组件和管道所需的背压，产物流可以在100到150℃的温度下并且可以具有0.1到1psig的压力。
如果系统100中存在多个热箱102，那么来自热箱102的产物流可在歧管104中组合，所述歧管连接到产物管道8。
热气体混合物经由管道10从歧管104输出到冷凝器106中。冷凝器可以通过冷却介质(如冷却水和/或空气)冷却以将水蒸气冷凝成液态水并且将氢气的温度降低到100℃以下，如50到70℃。液态水经由排水管道12从冷凝器去除。部分脱水的产物流经由管道14从冷凝器106提供到至少一个氢气泵108。至少一个氢气泵108可包含一或多个电化学泵。
至少一个电化学氢气泵108可包含氢气泵和分离器，所述氢气泵和分离器在跨越聚合物膜施加电流或电压时以电化学方式泵送纯氢气通过所述膜。至少一个电化学氢气泵108可包含高压氢气分离和压缩系统，其可从斯基雷(Skyre)公司以名称“H2RENEWtm”获得和/或描述于美国专利第10,756,361号和/或第10,648,089号中。至少一个氢气泵108可包括串联和/或并联连接的多个泵(例如多个分离膜堆叠)，以实现氢气的较高总回收率和/或较高通量。
在一个实施例中，泵108可以回收脱水产物流中的大于80％的氢气并且通过经压缩氢气产物管道16输出大于99％的纯压缩氢气产物。举例来说，经压缩氢气产物可为至少99.99％纯(干燥)氢气，其经加压到15psig到10,000psig，如15psig到2,000psig，例如15psig到150psig的压力。经压缩氢气产物可在无额外机械压缩或干燥的情况下储存或使用。
来自氢气泵108的未泵送流出物主要含有水(例如水蒸气和/或液态水)和未与管道14中的脱水产物流分离的剩余氢气。举例来说，未泵送流出物可以含有1到15体积百分比氢气，如1到10体积百分比氢气，以及其余水和通常含于水中的其它杂质。未泵送流出物经由管道18从氢气泵108提供到再循环鼓风机和/或压缩器110中。
未泵送流出物流可以通过鼓风机110再循环到再循环管道20中。未泵送流出物可以通过鼓风机和/或压缩器110压缩到2-15psig。可以选择压力以将所得露点保持低于无意的水冷凝。压力越高，由于压缩的热量，出口温度越热。可能需要将未泵送流出物压缩到较高压力，以便使经压缩流出物足够热以避免再循环管道20中的意外冷凝。一或多个任选的额外冷凝器可以位于管道18和/或20上，如下文将关于图2更详细地描述。
可以在再循环管道20中提供任选的减压组件(如减压阀或背压调节器)和/或无源液态水淘汰组件(例如冷凝板和/或重力分离器)112以控制未泵送流出物的压力和/或从未泵送流出物被动地去除一些液态水。接着经由回流管道22将未泵送流出物从组件112再循环到氢气泵108上游。回流管道22可以含有流量控制组件，如止回阀24。未泵送流出物可以再循环到位于氢气泵108入口上游和冷凝器106出口下游的管道14中。替代地，可以将未泵送流出物提供到歧管104和/或管道10中。未泵送流出物在氢气泵108上游的位置处与产物流混合。因此，未泵送流出物中的剩余氢气可以通过氢气泵108回收而非废弃。
图2说明本实用新型的替代性实施例的系统200，其中未泵送流出物的至少一部分经由管道2中的进水流再循环到热箱102中。系统200还可以任选地包括至少一个第二冷凝器114，其位于氢气泵108未泵送流出物出口与鼓风机110之间的管道18上。管道18的部分18A将氢气泵108连接到第二冷凝器114，且管道18的部分18B将第二冷凝器114连接到鼓风机110。至少一个冷凝器114可包含串联定位的两个冷凝器。上游冷凝器可以是水或空气冷却式冷凝器，并且下游冷凝器可以是位于水或空气冷却式冷凝器下游的冷冻冷凝器。首先将未泵送流出物用基于环境温度的冷却介质(例如空气或冷却水)尽可能地冷却。接着将其在冷冻冷凝器中冷却到小于5℃，如约3℃，以在不处理冷冻复杂性的情况下使水去除最大化。冷凝水经由排水管道32从第二冷凝器114去除。水淘汰器可以集成到第二冷凝器114的设计中或包括为第二冷凝器114的下游的单独组件。来自管道12和32的冷凝水可经历水纯化和/或再使用。
将含有氢气和残余水的经干燥的未泵送流出物从第二冷凝器114通过管道18的部分18B提供到鼓风机/压缩器110中。将经干燥的未泵送流出物用鼓风机/压缩器110压缩到2-15psig并且提供到再循环管道20中。经干燥的未泵送流出物的压力越高，由于压缩的热量，出口温度越热。可能需要将经干燥的未泵送流出物压缩到较高压力，以便使经压缩流出物足够热以避免管道20中的意外冷凝。冷凝器的较低温度还用以降低管道20中的料流的水含量，由此还减少无意的水冷凝的可能性。
低压、几乎干燥的流出物可以经由回流管道26从管道20再循环通过减压组件112返回到SOEC热箱102中。流出物可包含仅约500到10,000ppm水和剩余氢和不可避免的杂质。回流管道26可以将流出物再循环到热箱102外部的进水管道2和/或热箱102内部。在此实施例中，热箱102中的SOEC在入口流上操作，所述入口流含有水和主要含氢气的再循环流出物的混合物。任选地，流量控制器28(如质量流量控制器(MFC)或比例电磁阀(PSV))可以位于回流管道26与进水管道2之间以控制经再循环到进水管道2中的氢气的量。流量控制器28和鼓风机110可以由控制单元(如计算机或专用逻辑芯片)控制。任何过量再循环氢气可以经由氢气泵108上游的管道22返回作为氢气泵的进料流。对于小型氢气泵再循环流动速率，氢气泵入口流的露点在注入几乎无水的再循环氢气的情况下相对不变，因此不需要对再循环流出物流进行加湿。如果采用大量再循环流流向氢气泵108，那么管道22中的流出物流经再加湿或分流到第一冷凝器106和/或第二冷凝器114上游。
图3说明本实用新型的另一替代性实施例的系统300，其包括较低压力和较高压力氢气泵以增加氢气回收百分比。具体来说，至少一个氢气泵108可以经配置以将氢气以相对低压(例如15-150psig)泵送到氢气出口管道34中。来自相对低压氢气泵(即较低压力泵)108的经压缩氢气产物通过管道34被馈送到至少一个相对高压氢气泵(即较高压力泵)116，假设水含量仍是合适的。来自较低压力泵的未泵送流出物可以提供到管道18中以用于再循环到较低压力泵108和/或热箱102中，如上文关于系统100和200所描述。
较高压力泵116将泵送的经压缩氢气产物输出到管道16中。将管道16中的经压缩氢气产物压缩到相对较高压力(例如200到10,000psig)。将含有相对干燥氢气和可忽略量的残余水的未泵送流出物从较高压力泵116提供到氢气再循环管道36。未泵送流出物可以经由回流管道38从氢气再循环管道36通过任选的减压组件118提供到热箱102的进水管道2中和/或经由管道40提供到较低压力泵108入口上游的管道14中。在系统300中，氢气可以通过管道26或38中的一个再循环到热箱102。因此，如果氢气通过回流管道38再循环到热箱102，那么系统300中可以省略管道26。替代地，但较不优选地，管道26可以存在于系统300中，并且氢气可以通过管道26和38两者再循环到热箱102。管道40可以含有流量控制组件，如止回阀42。因此，可以通过使用两个氢气泵108和116将更干燥的氢气流再循环到热箱102来省略冷冻冷凝器。
如果管道34中来自较低压力泵108的泵送产物不适合作为馈送到较高压力泵116的馈料，那么较高压力泵116可以放置在较低压力泵108的未泵送流出物出口的下游或较低压力泵108入口的上游。举例来说，较高压力泵116可以放置在管道18上(例如，放置在管道18的部分18A或部分18B上)或在管道14上。替代地，如果来自较低压力泵108的泵送产物太干燥而不能馈送到较高压力泵116中，那么较低压力泵108和较高压力泵116可以并联而非串联连接到管道14。
因此，系统100、200或300可以连续地再循环从每个热箱102输出的产物流，直到来自产物流的基本上所有氢气作为经压缩氢气产物提供到管道16中。鉴于管道2中的进水流可以含有少量溶解空气，系统100、200或300中可能存在惰性物质(包括但不限于氮气和/或氩气)的积聚。因此，任选的小(分批或连续)惰性物质吹扫出口可以提供于再循环回路中的任何地方，如管道10和/或管道18的部分18B中。
在热箱102中在SOEC的启动期间不产生再循环氢气。在一个实施例中，如果在SOEC操作的启动时间段期间需要氢气，那么可以将氢气储存于氢气储存容器(例如氢气瓶/罐)中。这些储存容器可以由外部氢气源提供和/或可以在系统100、200或300的先前操作期间用氢气填充。因此，如果回流管道26或38中的压力下降到低于用于SOEC操作的所需氢气压力，如通过传感器感测并且由控制器确定，那么在SOEC的启动时间段期间和/或在稳态操作期间将氢气提供到进水管道2中。
任选地，缓冲罐可以位于系统100、200或300中的一或多个管道上。如果从热箱102产生的氢气流速不匹配氢气泵108和/或其它氢气再循环组件的通量，那么缓冲罐提供额外的流通能力。
提供对所揭示方面的前述描述以使得所属领域的技术人员能够制作或使用本实用新型。所属领域的技术人员将显而易见对这些方面的各种修改，并且在不脱离本实用新型的范围的情况下，本文中所定义的一般原理可以应用于其它方面。因此，本实用新型并不既定限于本文中所示的方面，而应符合与本文中所揭示的原理和新颖特征相一致的最广泛范围。

Claims (6)

1.一种固体氧化物电解器系统，其特征在于所述固体氧化物电解器系统包含：
进水管道，其以流体方式连接到含有至少一个固体氧化物电解池SOEC的热箱；
至少一个氢气泵；
至少一个产物管道，其以流体方式将所述热箱的产物出口连接到所述至少一个氢气泵的入口；
经压缩氢气产物管道，其连接到所述至少一个氢气泵的经压缩氢气产物出口；和
至少一个再循环管道，其连接到所述至少一个氢气泵的未泵送流出物出口并且经配置以将所述未泵送流出物的至少一部分再循环到所述至少一个氢气泵上游。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物电解器系统，其特征在于所述固体氧化物电解器系统进一步包含以流体方式连接到所述至少一个产物管道的冷凝器。
3.根据权利要求1所述的固体氧化物电解器系统，其特征在于所述固体氧化物电解器系统进一步包含经配置以将所述未泵送流出物的至少所述部分再循环到所述至少一个氢气泵的入口的鼓风机。
4.根据权利要求1所述的固体氧化物电解器系统，其特征在于所述固体氧化物电解器系统进一步包含经配置以将所述未泵送流出物的至少所述部分再循环到所述进水管道的鼓风机。
5.根据权利要求1所述的固体氧化物电解器系统，其特征在于所述至少一个氢气泵包含电化学氢气泵，所述电化学氢气泵产生包含大于99体积百分比氢气的经压缩氢气产物。
6.根据权利要求1所述的固体氧化物电解器系统，其特征在于所述固体氧化物电解器系统进一步包含：
至少一个额外较高压力氢气泵，其以流体方式连接到所述经压缩氢气产物管道并且经配置以产生额外较高压力的经压缩氢气产物和额外未泵送流出物；和
至少一个氢气再循环管道，其以流体方式连接在所述至少一个额外较高压力氢气泵的额外未泵送流出物出口与所述进水管道之间。
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