JP2022172463A - 最適化された圧縮高温電解装置システム - Google Patents

Abstract

【課題】最適化された圧縮高温電解装置システムを提供する。【解決手段】本発明は、高温電解装置(HTE)(1)と、電解装置(1)に水蒸気を供給するよう構成される、電解装置に供給するための第1の回路(2)と、電解装置(1)から二水素を排出するよう構成される、電解装置を排出するための第1の回路(4)と、電解装置(1)から二酸素を排出するよう構成される、電解装置を排出するための第2の回路(3)と、回路(2)と回路(4)の間に熱交換を確保するよう構成される第1の熱交換モジュール(5)とを備えるシステムにおいて、回路(4)においてモジュール(5)の下流に配置され、回路(4)へと水蒸気を投入するよう構成される水蒸気エジェクタ(9)を備えるシステムに関する。本発明は、固体酸化物(SOEC)も伴う水の高温電解(HTE、HTSE)の分野および固体酸化物燃料電池(SOFC)の分野に関する。本発明には特にSOEC電解装置システムのエネルギー消費を最適化する用途がある。【選択図】図1

Description

本発明は、固体酸化物(SOEC: solid oxide electrolyte cell)も伴う水の高温電解(高温水蒸気電解のためのHTEまたはHTSE)の分野、および、固体酸化物燃料電池(SOFC)の分野に関する。本発明には、特には、SOEC電解装置システムのエネルギー消費を最適化する用途がある。

水の電解は、H2O→H2 + 1/2 O2の反応に従って、電流を用いて水を二酸素と気体の二水素とに分解する電解反応である。

水の電解を実施するためには、その電解を、典型的には600℃から950℃の間といった高温で行うことが有利であり、反応に必要なエネルギーの一部は、電気より安価である熱によって適用でき、反応の活性化は、高温においてより効果的であり、触媒を必要としない。固体酸化物の電解質電池または「SOEC」は、具体的には、二水素を生成するための水蒸気が供給されるように意図された第1の多孔性導電性電極または「陽極」と、陽極へと投入された水の電解によって生成された二酸素が抜け出す第2の多孔性導電性電極または「陰極」と、陽極と陰極との間に挟まれた固体酸化物膜(高密度電解質)とを備え、その膜は、通常は600℃を超える温度である高い温度のためのアニオン性導体である。電池を少なくともこの温度で加熱することで、および、電流Iを陽極と陰極との間に投入することで、陽極における水の減少が起こり、これは、陽極における二水素(H2)と、陰極における二酸素とを発生させる。

高温水蒸気電解THEを実施するために、水蒸気H2Oが陽極室に投入される。

電池に適用される電流の効果の下で、水蒸気の形態における水分子の分離が、水素電極(陽極)と電解質との間の境界面において実施され、この分離は、二水素気体H2と酸素イオンとを生成する。二水素は、集められ、水素室の出口において排出される。酸素イオンは、電解質を通じて移動し、電解質と酸素電解質(陰極)との間の境界面において二酸素O2と再結合される。

スタックによる電解の効果的な実施のために、スタックは、通常は600℃から950℃の間といった600℃を超える温度とさせられ、気体供給は一定の流れに切り替えられ、電気供給源が、電流Iを循環させるためにスタックの2つの端子の間に連結される。

水素への電気変換の収率が、技術の競争力を確保するための重要な点である。厳密に言って電解反応の間に、電気消費が主に起こり、電解装置の消費のほぼ30%が、流体熱/液圧管理システムから生じ、つまり、電解装置の外部のアーキテクチャと、このアーキテクチャにおける流体の管理および熱エネルギーの管理とから生じる。

システムの消費の相当の部分は、流体熱/液圧管理システムから生じ、具体的には、水素の圧縮から生じる。実際、SOECは、低圧力の水素を生成し、または、より正確には水および二水素の混合物を生成し、混合物は、分離され、使用圧力まで圧縮されなければならない。そのため、システムの電気的収率の最適化は、具体的には、この圧縮の連鎖の最適化を経る。

そのため、電解装置のシステムの流体のアーキテクチャおよび管理を最適化することで、この消費を最小限にする必要がある。

したがって、本発明の目的は、最適化された圧縮高温電解装置システムを提案することである。

本発明の他の目的、特性、および利点は、以下の記載および添付の図面を検討することで明らかとなり、他の利点が組み込めることは理解されるものである。

この目的を達成するために、実施形態によれば、
・ 高温電解装置(HTE)と、
・ 電解装置に水蒸気を供給するように構成される、電解装置の第1の供給回路と、
・ 電解装置から二水素を排出するように構成される、電解装置の第1の排出回路と、
・ 電解装置から二酸素を排出するように構成される、電解装置の第2の排出回路と、
・ 第1の水蒸気供給回路と第1の二水素排出回路との間に熱交換を確保するように構成される第1の熱交換モジュールと
を備えるシステムにおいて、
第1の排出回路において第1の熱交換モジュールの下流に配置され、第1の二水素排出回路へと水蒸気を投入するように構成される水蒸気エジェクタを備えることを特徴とするシステムが提供される。

エジェクタは、生成された二水素を圧縮することに加わり、そのため、二水素の貯蔵圧力に達するための圧縮機の重要性を低下させることができる。圧縮機は、嵩張る部材であり、大きな電気エネルギーを消費する。大気圧力の2倍にするための圧縮は、具体的には圧縮の開始において、大きなエネルギーを消費する。そのため、エジェクタの存在は、電気消費の低減を可能にする。

本発明は、熱圧縮方法、すなわちエジェクタを用いて、水素をある程度圧縮するために、利用可能な水蒸気を使用することができる。

エジェクタを使用することは、圧縮機による圧縮の必要性を低下させることができ、そのため、システムの大まかな電気消費を低減することができる。生成された水素流がすでに水蒸気のうちの一部を含んでいるため、利用可能な水蒸気を、SOECによって生成された水素と混合することによって、利用可能な水蒸気をエジェクタによる投入のために使用することが可能である。そのため、追加の水蒸気を投入することが可能である。

本発明の目的、目標に加え、特性および利点は、以下の添付の図面によって示されている本発明の実施形態の詳細な記載から最も良く浮かび上がることになる。

本発明によるシステムを表す機能図である。

図面は、例として提供されており、本発明の限定ではない。図面は、本発明の理解を容易にするように意図されている概略的な原理の描写を構成しており、必ずしも実際の適用の一定の縮尺ではない。

本発明の実施形態の詳細な考察を始める前に、以下において、関連して、または代替で使用される可能性のある選択的な特性が述べられている。

例によれば、システムは、エジェクタ9の下流に配置される少なくとも1つの圧縮機13、15を備える。圧縮機は、二水素の圧縮を目標圧力まで続けることができる。

例によれば、システムは、直列に配置される少なくとも2つの圧縮機13、15と、2つの圧縮機13、15の間に配置される熱交換器14とを備える。熱交換器によって離間された直列での圧縮機は、二水素の圧力における増加を可能とする一方で、もう一回の圧縮を考慮して、圧縮同士の間に温度の低下を確保することができる。可能性として、液体の水が混合物の冷却の局面の間に凝縮させられる場合、分離装置も、好ましくは熱交換器の後において、2つの圧縮機の間に配置される。

例によれば、システムは、直列に配置される少なくとも2つのエジェクタ9を備える。

好ましくは、システムは、2つのエジェクタの間に配置される処理ステージを備える。処理ステージは、混合物における水の量を低減させ、それによって、もう一回の圧縮をさせる流れの流量を低下させることができる。処理ステージは、熱交換器および/または液体/気体分離装置を備える。

例によれば、システムは、エジェクタ9の下流において第1の二水素排出回路4に配置される二水素を処理するための第1のステージ26を備える。

例によれば、圧縮機13は第1の処理ステージ26の下流に配置される。圧縮機のこの位置は、処理ステージによる流れの乾燥および冷却のため、圧縮機をより小さい流量で機能させることができる。

例によれば、第1の処理ステージは、熱交換器10および/または液体/気体分離装置12を備える。

例によれば、システムは、エジェクタ9の上流において第1の二水素排出回路4に配置される二水素を処理するための事前ステージを備える。

例によれば、システムは、圧縮機13、15の下流において第1の二水素排出回路4に配置される二水素を処理するための第2のステージ27を備える。

好ましくは、システムは、第2の処理ステージ27の下流において第1の二水素排出回路4に配置される二水素を処理するための第3のステージを備える。

例によれば、システムは、電解装置1に空気を供給するように構成された、電解装置に供給するための第2の回路10を備える。

例によれば、システムは、第2の空気供給回路10と第2の二酸素排出回路3との間に熱交換を確保するように構成された第2の熱交換モジュール11を備える。

例によれば、システムは、事前処理ステージ、第1の処理ステージ、および第2の処理ステージのうちの少なくとも1つに流体連結される水再利用回路21を備える。

例によれば、水蒸気は致命的な水蒸気である。水蒸気は150℃の温度である。

態様によれば、本発明は、先に記載されているような高温電解装置1によって生成される二水素を処理するための方法に関し、その方法は、好ましくは第1の熱交換モジュール5の下流において、水蒸気をエジェクタ9によって第1の二水素排出回路へと投入するステップを含む。入口、出口、所与の位置において、上流および下流は、流体の循環方向を参照して解釈される。

所与の値「に実質的に等しい/より大きい/より小さい」というパラメータによって、これは、このパラメータが、所与の値の10%、ほぼ10%、さらにはほぼ5%だけ、この値に等しい/より大きい/より小さいこと意味する。

本発明によるシステムは、高温電解装置(HTE)1を備える。好ましくは、電解装置1は、SOEC(固体酸化物電解質電池)の種類のものであり、つまり、固体酸化物を伴う。

システムは、電解装置1に連結されたいくつかの供給回路および排出回路を備える。したがって、回路によって、これは、電解装置1への流体の輸送、および、電解装置1からの流体の輸送を可能にする導管、管、または、導管もしくは管のセットを意味する。

本発明によるシステムは、電解装置1に水蒸気を供給することができる、電解装置1に供給するための第1の回路2を備える。可能性によれば、第1の供給回路2は、電解装置1に水蒸気を提供するように構成され、これによって、第1の供給回路2が、水蒸気と、例えば空気、または二水素、もしくは二酸化炭素といった他の気体との混合物を提供することができることを意味する。好ましい可能性によれば、第1の供給回路2において循環する水蒸気は、例えば150℃の温度において、少なくともある程度は致命的な水蒸気である。致命的な水蒸気は、例えば工業的方法から来る。この解決策の利点は、致命的なエネルギーを高め、電解システムのエネルギーコストを低下させることである。別の可能性によれば、この第1の供給回路2の上流において、水蒸気はまだ形成されておらず、第1の供給回路2は液体の水を受け入れるように構成されている。この可能性によれば、第1の供給回路2は、液体の水を受け入れる第1の部分と、水蒸気を受け入れる第2の部分とを備える。好ましくは、第1の部分は水蒸気発生装置の上流に位置付けられ、第2の部分は前記水蒸気発生装置の下流に位置付けられる。

この可能性によれば、本発明によるシステムは水蒸気発生装置を備える。水蒸気発生装置は、液体の水から水蒸気を生成するように意図されている。水蒸気発生装置は、液体の水の温度をその蒸発温度より上に確実に高めるためのエネルギーが供給される。水蒸気発生装置は第1の水蒸気供給回路に配置される。

本発明によるシステムは、二水素(H₂)を電解装置1から排出することができる第1の排出回路4を備える。好ましくは、第1の排出回路4は二水素を受け入れる。二水素は、有利には電解装置1によって生成される。二水素は気体の形態である。第1の排出回路4は、二水素と、残留物と呼ばれる、電解装置1によって分解されていない水蒸気との混合物を、排出することができる。

本発明によるシステムは、二酸素(O₂)を電解装置1から排出することができる第2の排出回路3を備える。好ましくは、第2の排出回路3は二酸素を受け入れる。二酸素は、有利には電解装置1によって生成される。二酸素は気体の形態である。第2の排出回路3は、可能性によれば、例えば二酸素が豊富な空気といった、二酸素が豊富な気体を排出する。

本記載における以下において、第1の供給回路2は第1の水蒸気供給回路2と呼ばれ、第1の排出回路4は第1の二水素排出回路4と呼ばれ、第2の排出回路3は第2の二酸素排出回路3と呼ばれ、これらの回路において輸送され得る気体、流体、または混合物において限定はない。

可能性によれば、システムは、第1の水蒸気供給回路2と第1の二水素排出回路4との間に熱交換を確保するように構成された第1の熱交換モジュール5を備える。この熱交換モジュールは、熱量を、電解装置1から来る二水素から、電解装置1に供給するように意図されている水蒸気へと伝達するように構成されている。二水素気体流は水蒸気流の温度の増加を確保する一方で、排出された二水素流を冷却することもでき、これは、その使用の観点において有利に乾燥および/または圧縮される。

第1の熱交換モジュール5は、実施形態によれば、水蒸気への二水素の熱伝達を確保するように構成された少なくとも1つの熱交換器5aを備える。好ましい実施形態によれば、第1の熱交換モジュール5は、第1の供給回路2と第1の排出回路4との間に直列に配置された2つの熱交換器5a、5bを備える。この配置は、電解装置1の出口において、従来的に約700℃の二水素の温度に適合させられる第2の熱交換器5bと、熱交換器への通過の後の二水素の温度に適合されるより通常の第1の熱交換器5aとを提供することができる。この方法では、構成要素は、実施される温度および熱伝達について最適化される。

実施形態によれば、システムは、電解装置1に空気を供給することができる第2の供給回路18を備える。好ましくは、第2の供給回路18は空気を受け入れる。可能性によれば、第2の供給回路18は、空気を電解装置1に提供するように構成されており、これによって、第2の供給回路18が空気を供給することができ、空気は、例えば、電解装置1の電池を一掃し、電解装置1によって生成される二酸素を除去することができる気体混合物である。

この実施形態によれば、本発明によるシステムは、第2の空気供給回路18と第2の二酸素排出回路3との間に熱交換を確保するように構成された第2の熱交換モジュール11を備えることが有利である。この熱交換モジュール11は、電解装置1から来る二酸素の熱量を、電解装置1に供給するように意図されている空気へと伝達するように構成されている。二酸素気体流は空気流の温度の増加を確保し、これは、排出される二酸素流を冷却することも可能にする。

第2の熱交換モジュール11は、実施形態によれば、二酸素から空気への熱伝達を確保するように構成された少なくとも1つの熱交換器11aを備える。好ましい実施形態によれば、第2の熱交換モジュール11は、第2の供給回路18と第2の排出回路3との間に直列に配置された2つの熱交換器11a、11bを備える。この配置は、電解装置1の出口において、従来的に約700℃の二酸素の温度に適合させられる第2の熱交換器11bと、熱交換器への通過の後の二酸素の温度に適合されるより通常の第1の熱交換器11aとを提供することができる。この方法では、構成要素は、実施される温度および熱伝達について最適化される。

システムは、空気が供給されるように意図されている第2の供給回路18に配置される圧縮機19を好ましくは備える。圧縮機19は、存在する場合、第2の熱交換モジュール11の上流に好ましくは配置される。圧縮機19は、電解装置1に供給されるように意図されている空気の圧縮を確保するように意図されている。空気の圧縮は、電解装置1へ入る前に、空気の温度を増加させることに有利に寄与する。

可能性によれば、システムは、電解装置1に入る水蒸気を、所定の目標温度まで加熱するように構成された少なくとも1つの補助熱源を備える。補助熱源は、好ましくは第1の熱交換モジュール5の下流において、第1の水蒸気供給回路2に有利に配置される。補助熱源は、例えば電気ヒータ24である。

可能性によれば、システムは、電解装置1に入る空気を、所定の目標温度まで加熱するように構成された少なくとも1つの補助熱源を備える。補助熱源は、好ましくは第2の熱交換モジュール11の下流において、第2の空気供給回路18に有利に配置される。補助熱源は、例えば電気ヒータ23である。

有利には、電解装置1から排出された二水素は、ほとんど大気の圧力である。それでもなお、二水素を貯蔵することは、例えば約30bar、つまり3MPaである圧力において、圧縮された様態で好ましくは行われる。

本発明によるシステムは、二水素を圧縮し、その貯蔵と適合する圧力に達するように、二水素排出回路4に配置される圧縮の連鎖などの異なる手段を有利に備える。

態様によれば、本発明は、第1の二水素排出回路4に配置されたエジェクタ9を備える。

エジェクタ9は、より高い圧力の流体がより低い圧力の流体に繋がるように、高圧流体を低圧流体へと導入するように構成されている。エジェクタ9はジェットポンプとも呼ばれている。エジェクタ9は、嵩張らず、可動部品を備えていない点においてほとんど保守を必要としないため、有利である。

エジェクタ9は、好ましくは水蒸気(水の気化ガス)発生源である水蒸気発生源によって供給され、好ましくは致命的な水蒸気である。水蒸気は、有利には、例えば約150℃の低温である。エジェクタ9に供給する水蒸気発生源は、有利には、第1の供給回路2に水蒸気を供給するものと同じである。エジェクタ9は、ベンチュリ効果を利用し、第1の二水素排出回路4へと排出される二水素を圧縮するために水蒸気発生源の使用を可能にする。

実施形態によれば、システムは、少なくとも1つのエジェクタ9を備え、より明確には、少なくとも2つのエジェクタを備える。この場合、それらエジェクタ9は直列に配置される。好ましくは、エジェクタ同士は、少なくとも1つの熱交換器および/または液体/気体分離装置によって分離される。エジェクタ同士の間の熱交換器および/または液体/気体分離装置の存在は、循環する流体の温度、有利には、水と混合された二水素の温度を低下させることができる、および/または、水を二水素から除去することができる。この配置は、制御された圧力を省略することもできる。

エジェクタ9は、水素流の圧力を増加させるように構成され、好ましくは、生成された二水素流の圧力における第1の増加である。

実施形態によれば、システムは、エジェクタ9および/または第1の供給回路2に供給する熱源を円滑にするように、エジェクタ9の上流および/または第1の水蒸気供給回路2の上流に、水蒸気を貯蔵するためのモジュールを備え得る。

可能性によれば、システムは、好ましくはエジェクタ9の下流に、第1の二水素排出回路4に配置される少なくとも1つの圧縮機13、15を備える。システムは、第1の二水素排出回路4に配置される少なくとも2つの圧縮機13、15を備え得る。好ましくは、圧縮機13、15は直列に配置され、より好ましくは、システムは、2つの圧縮機13、15の間に配置される空気冷却装置などの熱交換器14を備える。例えば圧縮機13、15の間での、空気冷却装置式の熱交換器の存在は、一方の圧縮機13から他方の圧縮機15への循環する流体の温度における低下、延いては、後続の圧縮機15の仕事を容易にする圧力および流量における低下を確保することができる。

例として、エジェクタ9は、0.9barから1.6barまで、つまり、0.09MPaから0.16MPaまでの流体の圧縮を確保する。したがって、少なくとも1つの圧縮機13、15は、0.9barから10barまでの間の代わりに、1.6barから10barまでの間の流体の圧縮を確保する。二水素の圧力も増加されなければならない場合、システムは、目標圧力に達するために、他の従来の圧縮ステップおよび処理ステップを含む。

実施形態によれば、システムは、生成される二水素流を処理するための手段を備える。電解装置1によって生成され、第1の排出回路4によって電解装置1から出て行く二水素は、最初に、電解装置1の反応温度に対応する非常に高い温度を有する。それでもなお、その使用の観点において、二水素は、好ましくは、周囲温度に近い温度にさせられなければならない。さらに、第1の排出回路4によって電解装置1から排出される二水素は、二水素流で除去された水蒸気を含み得る。そのため、二水素を、二水素で除去された可及的な水蒸気から、それを乾燥させることで分離することも好ましいとされる。

そのために、本発明によるシステムは、有利には、生成された二水素を乾燥および/または圧縮するように意図された少なくとも1つの事前処理ステージ25を備える。

可能性によれば、事前処理ステージ25は、空気冷却装置、または凝縮装置、もしくは冷却装置などの熱交換器7を備える。熱交換器7は、好ましくは第1の熱交換モジュール5の下流において、第1の排出回路4に配置される。

空気冷却装置は流体と気体との間の熱交換器であり、気体は換気装置によって移動させられる。別の可能性によれば、空気冷却装置は、標準的な冷却装置または凝縮装置によって置き換えられ、つまり換気装置なしであるが、この解決策はより非効率的である。本記載における以下において、「空気冷却装置」という用語は、限定されることなく使用されており、空気冷却装置は支障なく標準的な冷却装置または凝縮装置によって置き換えることができる。

事前処理ステージ25は、空気冷却装置7の下流に液体/気体分離装置8を有利に備える。分離装置8は、液体の水を気体の二水素から分離することができ、液体の水は、空気冷却装置7における水蒸気のその凝縮点未満への冷却から生じる。そのため、分離装置8は、循環する流れの流量、延いては、圧縮のために必要なエネルギーを低減することに寄与する。

好ましい可能性によれば、システムは、第1の排出回路4における事前処理ステージ25の下流に配置される第1の処理ステージ26を備える。第1の処理ステージ26は二水素の乾燥に寄与する。第1の処理ステージ26は、好ましくは空気冷却装置10といった熱交換器を有利に備える。第1の処理ステージ26は液体/気体分離装置12を備える。好ましくは、システムは、事前処理ステージ25と第1の処理ステージ26との間にエジェクタ9を備える。したがって、エジェクタ9の後で、第1の処理ステージ26は、二水素流へと投入される水の量を低減することができる一方で、事前処理ステージ25は、生成される二水素の循環する流れの温度を低下させるように、および、エジェクタ9によって水蒸気を再投入する前に二水素の循環する流れを多くするように、構成される。

第1の処理ステージ26は、有利には、エジェクタ9の出口における圧力において、1.6barの圧力で実施される。したがって、第1の処理ステージ26は、水素の豊富な気相を有し、そのため、圧縮された流量を減らすことができる。

好ましくは、第1の処理ステージ26は、少なくとも1つの圧縮機13、15の上流に配置される。

有利には、第1の処理ステージ26の下流に配置された少なくとも1つの圧縮機13は電力を低減することができ、これは、コストの観点および電気の使用の観点から、利点である。

事前処理ステージ25および/または第1の処理ステージ26から、存在する場合、液体の水は、例えば、水再利用回路21によって第1の水蒸気供給回路2に戻されることで、好ましくは再利用される。好ましくは、水蒸気発生装置によって生成された水蒸気の入口が望まれる場合、水再利用回路が第1の供給回路2に流体連結され得る。この場合、再利用回路21は、水蒸気発生装置の上流で水蒸気供給回路2に連結される。

好ましい可能性によれば、システムは、第1の排出回路4における第1の処理ステージの下流に配置される第2の処理ステージ27を備える。第2の処理ステージ27は二水素の乾燥を完了することができる。第2の処理ステージ27は、好ましくは空気冷却装置16を有利に備える、または、空気冷却装置16は、他のステージに関しては、標準的な冷却装置であり得る。第2の処理ステージ27は液体/気体分離装置17を好ましくは備える。

好ましくは、第2の処理ステージ27は、少なくとも1つの圧縮機13、15の下流に配置される。

本発明は、低温水蒸気が利用可能であるときに有利に適用される。低温水蒸気によって、約150℃の温度を有する水蒸気が意味される。

例として、本発明は、工業的方法、またはゴミ焼却炉、もしくは可能性として熱ネットワークから来る高められていない低温水蒸気、または、地熱源もしくは熱ソーラー源から来る低温水蒸気など、低温水蒸気が豊富にあって安価である場合に有利である。利益は、熱源(熱ソーラー)と関連付けられる電気を供給するために太陽光発電部品を伴うソーラーの場合に強調されなければならない。また、本発明は、この温度範囲が非常に一般的であり、高める方法をほとんど有していないという点において、特に有利である。

電解装置1は、水蒸気を受け入れ、有利には空気を受け入れ、二水素および二酸素を放出する。

好ましくは、電解装置1は第1の水蒸気供給回路2に流体連結される。第1の水蒸気供給回路2は、前記供給回路2において電解装置1の上流に配置される構成要素の流体連結を確保する。以下の記載は、電解装置1の上流で始まり、第1の供給回路2における循環方向に続いていくことによって行われている。好ましくは、第1の供給回路2は膨張弁6への流体連結を確保する。それによって、第1の供給回路2は、第1の熱交換モジュール5へであって、好ましくは第1の熱交換器5aへの水蒸気の流体連結を確保し、それによって第2の熱交換器5bへの第1の熱交換器5aの流体連結を確保し、それによって電気ヒータ24への第2の熱交換器5bの流体連結を確保し、それによって電解装置1への電気ヒータ24の流体連結を確保する。

好ましくは、電解装置1は第1の二水素排出回路4に流体連結される。第1の排出回路4は、前記第1の排出回路4において電解装置1の下流に配置される構成要素の流体連結を確保する。以下の記載は、電解装置1から始まり、電解装置1から第1の排出回路4における循環方向に続いていくことによって行われている。第1の排出回路4は、第1の熱交換モジュール5とであって、より好ましくは第2の熱交換器5bとの電解装置1の流体連結を確保し、それによって第1の熱交換器5aへの第2の熱交換器5bの流体連結を確保し、それによって、事前処理ステージ25へであって、より明確には、好ましくは空気冷却装置である熱交換器7への第1の熱交換器5aの流体連結を確保し、それによって液体/気体分離装置8への空気冷却装置7の流体連結を確保する。それによって、第1の排出回路4は、エジェクタ9への液体/気体分離装置8の流体連結を確保し、それによって、第1の処理ステージ26へであって、より明確には、好ましくは空気冷却装置10である熱交換器10へのエジェクタ9の流体連結を確保し、それによって液体/気体分離装置12への空気冷却装置10の流体連結を確保し、それによって圧縮機13への液体/気体分離装置12の流体連結を確保し、それによって圧縮機15への空気冷却装置14の流体連結を確保し、それによって、第2の処理ステージであって、より明確には、好ましくは空気冷却装置16である熱交換器16への圧縮機15の流体連結を確保し、それによって液体/気体分離装置27への空気冷却装置16の流体連結を確保する。

好ましくは、電解装置1は第2の二酸素排出回路3に流体連結される。第2の排出回路3は、前記第2の排出回路3において電解装置1の下流に配置される構成要素の流体連結を確保する。以下の記載は、電解装置1で始まり、電解装置1から第2の排出回路3における循環方向に続いていくことによって行われている。第2の排出回路3は、第2の熱交換モジュール11とであって、より好ましくは第2の熱交換器11bとの電解装置1の流体連結を確保し、それによって第1の熱交換器11aへの第2の熱交換器11bの流体連結を確保する。

好ましくは、電解装置1は第2の空気供給回路18に流体連結される。第2の供給回路18は、前記第2の供給回路18において電解装置1の上流に配置される構成要素の流体連結を確保する。第2の供給回路は、第1の熱交換器11aへの圧縮機19の流体連結を確保し、それによって第2の熱交換器11bへの第1の熱交換器11aの流体連結を確保し、それによって電気ヒータ23への第2の熱交換器11bの流体連結を確保し、それによって電解装置1への電気ヒータ23の流体連結を確保する。

システムは、以下に記載されている流体連結を備え、システムの異なる供給回路2、18および排出回路3、4の一部を形成する。

第1の供給回路2に関して、第1の供給回路2は、膨張弁6の入口に連結される流体連結Aを有利に備える。

有利には、第1の供給回路2は、膨張弁6の出口と、熱交換モジュール5の第1の熱交換器5aの入口との間に連結された流体連結Bを備える。

有利には、第1の供給回路2は、第1の熱交換器5aの出口と、第2の熱交換器5bの入口との間に連結された流体連結Cを備える。

有利には、第1の供給回路2は、第2の熱交換器5bの出口と、電気ヒータ24の入口との間に連結された流体連結Dを備える。

有利には、第1の供給回路2は、電気ヒータ24の出口と、電解装置1の入口との間に連結された流体連結Eを備える。

第1の排出回路4に関して、第1の排出回路4は、電解装置1の出口と、第1の熱交換モジュール5の第2の熱交換器5bの入口との間に第1の流体連結Fを有利に備える。

有利には、第1の排出回路4は、第1の熱交換モジュール5の第2の熱交換器5bの出口と、第1の熱交換モジュール5の第1の熱交換器5aの入口との間に流体連結Gを備える。

有利には、第1の排出回路4は、第1の熱交換器5aの出口と、空気冷却装置7の入口との間に流体連結Hを備える。

有利には、第1の排出回路4は、空気冷却装置7の出口と、分離装置8の入口との間に流体連結Iを備える。

有利には、第1の排出回路4は、分離装置8の出口と、エジェクタ9との間に流体連結Jを備える。

有利には、第1の排出回路4は、エジェクタ9の出口と、空気冷却装置10の入口との間に流体連結Kを備える。

有利には、第1の排出回路4は、空気冷却装置10の出口と、分離装置12の入口との間に流体連結Lを備える。

有利には、第1の排出回路4は、分離装置12の出口と、圧縮機13の入口との間に流体連結Mを備える。

有利には、第1の排出回路4は、圧縮機13の出口と、空気冷却装置14の入口との間に流体連結Nを備える。

有利には、第1の排出回路4は、空気冷却装置14の出口と、圧縮機15の入口との間に流体連結Oを備える。

有利には、第1の排出回路4は、圧縮機15の出口と、空気冷却装置16の入口との間に流体連結Pを備える。

有利には、第1の排出回路4は、空気冷却装置16の出口と、分離装置17の入口との間に流体連結Qを備える。

有利には、第1の排出回路4は、分離装置17からの二水素の出口を確保する流体連結Rを備える。

第2の二酸素排出回路3に関して、第2の二酸素排出回路3は、電解装置1の出口と、第2の熱交換モジュール11の第2の熱交換器11bの入口との間に流体連結100を有利に備える。

有利には、第2の排出回路3は、第2の熱交換器11bの出口と、第2の熱交換モジュール11の第1の熱交換器11aの入口との間に流体連結101を備える。

有利には、第2の排出回路3は、第1の熱交換器11aの出口と、外部との間に流体連結102を備える。

第2の空気供給回路4に関して、第2の空気供給回路4は、圧縮機19に入る流体連結110を有利に備える。

有利には、第2の供給回路4は、圧縮機19の出口と、第2の熱交換モジュール11の第1の熱交換器11aの入口との間に流体連結111を備える。

有利には、第2の供給回路4は、第1の熱交換器11aの出口と、第2の熱交換モジュール11の第2の熱交換器11bの入口との間に流体連結112を備える。

有利には、第2の供給回路4は、第2の熱交換器11bの出口と、電気ヒータ13の入口との間に流体連結113を備える。

有利には、第2の供給回路4は、電気ヒータ13の出口と、電解装置1の入口との間に流体連結114を備える。

動作中、水蒸気は第1の水蒸気供給回路2に到達する。流体連結Aは、膨張弁6の入口に有利に連結される。水再利用回路21は第1の供給回路2に流体連結され得る。

水蒸気は、流体連結Bによって膨張弁6から出て、第1の熱交換モジュール5へとであって、好ましくは第1の熱交換器5aに、好ましくは直接的に入る。水蒸気は、流体連結Cによって第1の熱交換器5aにおいて加熱され、第2の熱交換器5bへと好ましくは直接的に入る。水蒸気は、第2の熱交換器5bにおいて循環する二水素からの熱量の回収によって、第2の熱交換器5bで再び加熱される。加熱された水蒸気は、流体連結Dによって第2の熱交換器5bから出て、必要な場合、電気ヒータ24へと好ましくは直接的に入る。電気ヒータ24は、水蒸気が電解装置1へ入るために所定の目標温度に達するように、可能な必要な温度での最後の増加を確保する。水蒸気は、流体連結Eによって電気ヒータ24から出て、電解装置1へと好ましくは直接的に入る。

電解装置1には、電解を確保し、それによって二水素および二酸素の生成を確保することができる電圧に応じた電流および所定の強度が供給される。

二水素は、流体連結Fによって、第1の排出回路により電解装置1から出て、第1の熱交換モジュール5へとであって、好ましくは第2の熱交換器5bへと、好ましくは直接的に入る。二水素は高温の気体の状態で電解装置から出て、二水素を使用するために、および/または、二水素を貯蔵するために、二水素の温度を低下させることが必要である。そのため、二水素からの熱量が、第1の供給回路によって回収され、より明確には、第1の供給回路を循環する水蒸気から回収される。第2の熱交換器5bでは、二水素は、第2の熱交換器5bにおいて循環する水蒸気の助けにより、熱量の伝達によって低下させられた温度を有する。冷却された二水素は、流体連結Gによって第2の熱交換器5bから出て、第1の熱交換器5aへと好ましくは直接的に入る。第1の熱交換器5aでも、二水素は再び、第1の熱交換器5aにおいて循環する水蒸気の助けにより、熱量の伝達によって低下させられた温度を有する。冷却された二水素は、流体連結Hによって第1の熱交換器5aから出て、空気冷却装置7へと好ましくは直接的に入る。空気冷却装置7を通過することで、二水素は冷却される。二水素は、流体連結Iによって空気冷却装置7から出て、二水素に含まれる水の凝縮を確保する分離装置8へと、好ましくは直接的に入る。二水素は、流体連結Jによって液体/気体分離装置8から出て、水蒸気を第1の二水素排出回路4へと投入するエジェクタ9へと、好ましくは直接的に入る。エジェクタによって投入された水蒸気と混合された二水素は、流体連結Kによってエジェクタから出て、混合物の水蒸気の一部の凝縮を確保する冷却を受ける空気冷却装置10へと、好ましくは直接的に入る。好ましくは凝縮した気体の二水素である二水素と、水蒸気と、液体の水との混合物は、流体連結Lによって空気冷却装置から出て、液体の水が気相から分離される分離装置12へと、好ましくは直接的に入る。気相は、分離装置12から出て、流体連結Mによって圧縮機13へと、好ましくは直接的に入り、必要な場合、他の凝縮の観点においてもう一回の圧縮を受ける。二水素は、流体連結Nによって圧縮機13から出て、空気冷却装置14へと好ましくは直接的に入る。二水素は、流体連結Oによって空気冷却装置14から出て、圧縮機15へと、好ましくは直接的に入り、圧縮機15から流体連結Pによって出て、二
水素の冷却を確保する空気冷却装置16または熱交換器へと、好ましくは直接的に入る。二水素は、流体連結Qによって空気冷却装置16または熱交換器から出て、二水素の凝縮を確保する液体/気体分離装置17へと、好ましくは直接的に入る。凝縮した二水素は、流体連結Rによって液体/気体分離装置17から出て、使用または貯蔵され得る。液体/気体分離装置8、12、17から回収された凝縮した液体の水は、水再利用回路21との流体連結によって、第1の水蒸気供給回路2において再利用され得る。

電解装置によって生成された二酸素は、流体連結100による第2の排出回路3によって出て、第2の熱交換モジュール11へとであって、好ましくは第2の熱交換器11bへと、好ましくは直接的に入る。二酸素は高温の気体の状態で電解装置から出て、二酸素を空気へと解放するために、その温度を低下させることが必要である。そのため、二酸素からの熱量が、第2の供給回路4によって有利に回収され、より明確には、第2の供給回路4を循環する空気から回収される。第2の熱交換器11bでは、二酸素は、第2の熱交換器11bにおいて循環する空気の助けにより、熱量の伝達によって低下させられた温度を有する。冷却された二酸素は、流体連結101によって第2の熱交換器11bから出て、第1の熱交換器11aへと好ましくは直接的に入る。第1の熱交換器11aでも、二酸素は再び、第1の熱交換器11aにおいて循環する空気の助けにより、熱量の伝達によって低下させられた温度を有する。冷却された二酸素は、流体連結102によって第1の熱交換器11aから出て、空気へと解放される。

可能性によれば、空気が電解装置1へ供給される。空気は、流体連結110によって第2の供給回路4に到達し、圧縮機19へと好ましくは直接的に入る。空気は圧縮機19によって圧縮され、空気の温度は上昇する。空気は、流体連結111によって圧縮機19から出て、第2の熱交換モジュール11へとであって、好ましくは第1の熱交換器11aへと、好ましくは直接的に入る。空気は、第1の熱交換器11aにおいて循環する二酸素からの熱量の回収によって、第1の熱交換器11aで加熱される。加熱された空気は、流体連結112によって第1の熱交換器11aから出て、第2の熱交換器11bへと好ましくは直接的に入る。空気は、第2の熱交換器11bにおいて循環する二酸素からの熱量の回収によって、第2の熱交換器11bで再び加熱される。加熱された空気は、流体連結113によって第2の熱交換器11bから出て、必要な場合、電気ヒータ23へと好ましくは直接的に入る。電気ヒータ23は、空気が電解装置1へ入るために所定の目標温度に達するように、可能な必要な温度での最後の増加を確保する。空気は、流体連結114によって電気ヒータ23から出て、電解装置1へと好ましくは直接的に入る。

［実施例］
150℃における水蒸気の形態での熱源が、150℃、2.3barにおける水蒸気をSOECに供給するために、および、150℃、4barにおける水蒸気をエジェクタ9に供給するために、使用される。

SOECは、このほとんど大気とされた例で動作し、水素は30barの圧力において貯蔵される。

本発明は、上記の実施形態に限定されず、本発明によって網羅されるすべての実施形態に及ぶ。

1 電解装置
2 第1の水蒸気供給回路
3 第2の二酸素排出回路
4 第1の二水素排出回路
5a 第1の熱交換モジュールの第1の熱交換器
5b 第1の熱交換モジュールの第2の熱交換器
6 膨張弁
7 空気冷却装置
8 液体/気体分離装置
9 エジェクタ
10 空気冷却装置
11a 第2の熱交換モジュールの第1の熱交換器
11b 第2の熱交換モジュールの第2の熱交換器
12 液体/気体分離装置
13 圧縮機
14 空気冷却装置
15 圧縮機
16 空気冷却装置
17 液体/気体分離装置
18 第2の空気供給回路
19 圧縮機
20 供給源水蒸気入口
21 水再利用回路
22 方法における再利用された水蒸気入口(HTE水蒸気)
23 電気ヒータ
24 電気ヒータ
25 事前処理ステージ
26 第1の処理ステージ
27 第2の処理ステージ
A 膨張弁6へと入る流体連結
B 膨張弁6と、第1の熱交換モジュールの第1の熱交換器5aとの間の流体連結
C 第1の熱交換モジュールの第1の熱交換器5aと第1の熱交換モジュールの第2の熱交換器5bとの間の流体連結
D 第2の熱交換器5bとヒータ24との間の流体連結
E ヒータ24と電解装置1との間の流体連結
F 電解装置1と第2の熱交換器5bとの間の流体連結
G 第2の熱交換器5bと第1の熱交換器5aとの間の流体連結
H 第1の熱交換器5aと第1の空気冷却装置7との間の流体連結
I 第1の空気冷却装置7と第1の液体/気体分離装置8との間の流体連結
J 第1の液体/気体分離装置8とエジェクタ9との間の流体連結
K エジェクタ9と空気冷却装置10との間の流体連結
L 空気冷却装置10と液体/気体分離装置12との間の流体連結
M 分離装置12と圧縮機13との間の流体連結
N 圧縮機13と空気冷却装置14との間の流体連結
O 空気冷却装置14と圧縮機15との間の流体連結
P 圧縮機15と空気冷却装置16との間の流体連結
Q 空気冷却装置16と分離装置17との間の流体連結
R 分離装置17から出る流体連結
100 電解装置1と第2の熱交換器11bとの間の流体連結
101 第2の熱交換器11bと第1の熱交換器11aとの間の流体連結
102 第1の熱交換器11aと外部との間の流体連結
110 圧縮機19における空気入口流体連結
111 圧縮機19と第1の熱交換器11aとの間の流体連結
112 第1の熱交換器11aと第2の熱交換器11bとの間の流体連結
113 第2の熱交換器11bとヒータ23との間の流体連結
114 ヒータ23と電解装置1との間の流体連結

Claims (13)

1. 高温電解装置(HTE)(1)と、
   前記電解装置(1)に水蒸気を供給するように構成される、前記電解装置に供給するための第1の回路(2)と、
   前記電解装置(1)から二水素を排出するように構成される、前記電解装置を排出するための第1の回路(4)と、
   前記電解装置(1)から二酸素を排出するように構成される、前記電解装置を排出するための第2の回路(3)と、
   前記第1の水蒸気供給回路(2)と前記第1の二水素排出回路(4)との間に熱交換を確保するように構成される第1の熱交換モジュール(5)と
   を備えるシステムにおいて、
   前記第1の二水素排出回路(4)において前記第1の熱交換モジュール(5)の下流に配置され、前記第1の二水素排出回路(4)へと水蒸気を投入するように構成される水蒸気エジェクタ(9)を備えることを特徴とするシステム。
2. 前記エジェクタ(9)の下流に配置される少なくとも1つの圧縮機(13、15)を備える、請求項1に記載のシステム。
3. 直列に配置される少なくとも2つの圧縮機(13、15)と、2つの圧縮機(13、15)の間に配置される熱交換器(14)とを備える、請求項2に記載のシステム。
4. 直列に配置される少なくとも2つのエジェクタ(9)を備える、請求項1から3のいずれか一項に記載のシステム。
5. 前記エジェクタ(9)の下流において前記第1の二水素排出回路(4)に配置される第1の二水素処理ステージ(26)を備える、請求項1から4のいずれか一項に記載のシステム。
6. 前記圧縮機(13)は前記第1の処理ステージ(26)の下流に配置される、請求項2または3と組み合わされた、請求項5に記載のシステム。
7. 前記第1の処理ステージは、熱交換器(10)および/または液体/気体分離装置(12)を備える、請求項5または6に記載のシステム。
8. 前記エジェクタ(9)の上流において前記第1の二水素排出回路(4)に配置される事前二水素処理ステージを備える、請求項1から7のいずれか一項に記載のシステム。
9. 前記圧縮機(13、15)の下流において前記第1の二水素排出回路(4)に配置される第2の二水素処理ステージ(27)を備える、請求項2または3と組み合わされた、請求項1から8のいずれか一項に記載のシステム。
10. 前記電解装置(1)に空気を供給するように構成される、前記電解装置に供給するための第2の回路(10)を備える、請求項1から9のいずれか一項に記載のシステム。
11. 前記第2の空気供給回路(10)と前記第2の二酸素排出回路(3)との間に熱交換を確保するように構成される第2の熱交換モジュール(11)を備える、請求項10に記載のシステム。
12. 前記事前処理ステージ、前記第1の処理ステージ、および前記第2の処理ステージのうちの少なくとも1つに流体連結される水再利用回路(21)を備える、請求項7から9のいずれか一項に記載のシステム。
13. 前記水蒸気は致命的な水蒸気である、請求項1から12のいずれか一項に記載のシステム。

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