JP2023073236A - 蒸気再循環及びカソード排気冷却器を備える電気化学セルシステム - Google Patents

Abstract

【課題】電力消費を改善した、固体酸化物型電解セル（ＳＯＥＣ）システム等の電解セルシステム及び前記セルシステムを動作させる方法を提供する。【解決手段】蒸気を受け取り、水素及び蒸気排気流を発生させるように構成される電解セルのスタックと、前記水素及び蒸気排気流の一部を前記スタックに戻して再循環させるように構成される蒸気再循環ブロワーとを備える、固体酸化物型電解セルシステム及び方法。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、包括的には、固体酸化物型電解セル（ＳＯＥＣ）を備える電解槽システムに関し、より詳細には、蒸気再循環及びカソード排気冷却の使用、並びにその動作方法に関する。

燃料電池等の電気化学装置は、燃料内に貯蔵されたエネルギーを電気エネルギーに高効率で変換することができる。固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）システム等の燃料電池システムでは、燃料電池のカソード側を酸化流が通過し、燃料電池のアノード側を燃料導管流が通過する。酸化流は、通常は空気であり、燃料流は、メタン、天然ガス、液化石油ガス（ＬＰＧ）／プロパン、エタノール、又はメタノール等の炭化水素燃料であり得る。燃料電池は、負の電荷を帯びた酸素イオンをカソード流ストリームからアノード流ストリームに移送することが可能であり、ここで、イオンは、炭化水素分子中の遊離水素又は水素と結合して水蒸気を生成し、及び／又は一酸化炭素と結合して二酸化炭素を生成する。負電荷イオンからの過剰な電子は、アノードとカソードとの間で完成する電気回路を通って燃料電池のカソード側に戻り、その結果、回路を通る電流の流れが生じる。燃料電池システムは、複数のホットボックスを備えることができ、そのそれぞれが電気を発生させることができる。ホットボックスは、酸化性燃料を１つ以上の燃料スタックに提供する燃料導管流を含むことができ、そこでは、発電中に燃料が酸化される。

ＳＯＦＣは、水素及び酸素を生成するために電解槽として動作することができ、これは、固体酸化物型電解セル（ＳＯＥＣ）と呼ばれる。ＳＯＦＣモードでは、酸素イオンがカソード側（空気）からアノード側（燃料）に移送され、その駆動力となるのは、電解質にわたる酸素の分圧の化学勾配である。ＳＯＥＣモードでは、セルの空気側に正電位が印加されると、酸素イオンが蒸気側から空気側に移送される。ＳＯＦＣとＳＯＥＣとの間でカソードとアノードとが逆転している（すなわち、ＳＯＦＣカソードがＳＯＥＣアノードとなり、ＳＯＦＣアノードがＳＯＥＣカソードとなる）ため、以降、ＳＯＦＣカソード（ＳＯＥＣアノード）は空気電極と呼ぶ場合があり、ＳＯＦＣアノード（ＳＯＥＣカソード）は蒸気電極と呼ぶ場合がある。

ＳＯＥＣモードの間、燃料流中の水が還元され（Ｈ_２Ｏ＋２ｅ→Ｏ^２－＋Ｈ_２）、Ｈ_２ガス及びＯ^２－イオンを生成し、Ｏ^２－イオンは、固体電解質を通して移送された後、空気側において酸化され（Ｏ^２－からＯ_２）、分子状酸素を生成する。空気及び湿潤燃料（水素、改質天然ガス）を用いて動作するＳＯＦＣの開回路電圧は、０．９Ｖ～１Ｖ程度（含水量に応じる）であるため、ＳＯＥＣモードにおいて空気側電極に印加される正電圧により、セル電圧を、典型的な動作電圧である１．１Ｖ～１．４５Ｖまで上昇させる。

したがって、本発明の実施形態は、関連技術の制限及び不都合点に起因する１つ以上の問題を実質的に取り除く、蒸気再循環及びカソード排気冷却を含む電気化学セルシステムに関する。

本発明の目的は、固体酸化物型電解セル（ＳＯＥＣ）システム等の電解セルシステムの電力消費を改善する（すなわち、低減する）ことである。

本発明の別の目的は、固体酸化物型電解セル（ＳＯＥＣ）システム等の電解セルシステムの水利用率を改善することである。

本発明の別の目的は、蒸気／水素（Ｈ_２）再循環を提供することである。

本発明の別の目的は、カソード排気冷却を提供することである。

本発明の更なる特徴及び利点は、以下の説明において記載され、その説明から部分的に明らかになるか、又は本発明の実施によって習得することができる。本発明の目的及び他の利点は、特に、添付図面と合わせて記載の説明及び本件の特許請求の範囲に示される構造によって実現及び達成される。

これらの利点及び他の利点を達成するために、また本発明の目的に従って、具現化され広範に記載されるように、蒸気再循環及びカソード排気冷却器を備える電気化学セルシステムは、蒸気を受け取り、水素及び蒸気排気流を発生させるように構成される電解セルのスタックと、水素及び蒸気排気流の一部をスタックに戻して再循環させるように構成される蒸気再循環ブロワーとを備える、固体酸化物型電解セル（ＳＯＥＣ）システムを含む。

別の態様において、蒸気再循環及びカソード排気冷却器を備える電気化学セルシステムは、電解セルのスタックにおいて蒸気を受け取ることと、スタックにおいて、水素及び蒸気排気流を発生させることと、蒸気再循環ブロワーにおいて、水素及び蒸気排気流の一部をスタックに戻して再循環させることとを含む、固体酸化物型電解セル（ＳＯＥＣ）システムを動作させる方法を含む。

以上の一般的な記載及び以下の詳細な記載はいずれも、例示的かつ説明的なものであり、特許請求の範囲に係る本発明の更なる説明を与えることを意図するものであることが理解される。

本発明の更なる理解をもたらすために含まれ、本明細書に援用されるとともに本明細書の一部をなす添付図面は、本発明の実施形態を例示するとともに、明細書と合わせて本発明の原理を説明する役目を果たす。

図１は、本発明の一例示の実施形態に係るＳＯＥＣシステムのプロセスフロー図である。 図２は、本発明の一例示の実施形態に係る、図１のホットボックスを通るプロセスの流れを示す、ホットボックスのプロセスフロー図である。

添付図面を参照して、種々の実施形態を詳細に説明する。可能な限り、同じ参照符号は、図面全体を通して同じ又は同様の部分を指すのに使用する。特定の例及び実施態様に対する参照は、例示目的でなされ、本発明の実施形態又は特許請求の範囲の範囲を制限することは意図していない。

本明細書において、「約」１つの特定の値から及び／又は「約」別の特定の値までのように値及び範囲が表現され得る。そのような範囲が表現される場合の例として、１つの特定の値から及び／又は他の特定の値までというのが挙げられる。同様に、頭に「約」又は「実質的に」を使用することによって値が近似として表現される場合、特定の値は別の様相を形成することが理解されよう。いくつかの実施形態において、「約Ｘ」という値は、＋／－１％Ｘ又は＋／－５％Ｘという値を含み得る。範囲のそれぞれの端点は、他方の端点に関連しても、他方の端点とは無関係でも重要であることが更に理解されよう。これらの値及び範囲は例を提供するが、本発明の実施形態はそれに限定されない。

当業者であれば、本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく、本開示に様々な変更及び変形を行うことができることが明らかとなろう。本開示の趣旨及び要旨を組み込む開示の実施形態の変更、組合せ、部分組合せ、及び変形が当業者には想到され得ることから、本開示は、添付の特許請求の範囲内の全てのもの及びその均等物を含むように解釈すべきである。

固体酸化物型電解セル（ＳＯＥＣ）システム等の電解セルシステムの電力消費は、システムの水利用率に依存し得る。水利用率を上昇させることにより、総電力消費（ｋＷ時／ｋｇ Ｈ_２）を低下させることが可能になり得る。本開示のいくつかの実施形態において、蒸気がＳＯＥＣシステム内で再循環される。再循環蒸気は、蒸気再循環ブロワーに供給される前に、追加の熱交換器を使用して、約１００℃～１８０℃（例えば、１５０℃未満）に冷却することができる。図１及び図２は、本開示の種々の実施形態に係る、固体酸化物型電解セル（ＳＯＥＣ）システム及び様々な流体の流れの概略図である。

図１は、本発明の一例示の実施形態に係るＳＯＥＣシステム１００である。

図１に示されているように、ＳＯＥＣシステム１００は、空気導管１０５と、空気ブロワー１０６と、蒸気導管１１０と、ホットボックス１２０と、任意選択の水素導管１３０と、濃縮空気導管１２５と、蒸気及び水素生成物出口１５０と、スプリッター１６０と、蒸気再循環ブロワー１７０とを備える。

図１に示されている一例示の構成において、ＳＯＥＣシステム１００の構成要素及びそれらのそれぞれの動作が記載される。一例示の構成及び動作によれば、蒸気導管１１０における蒸気入力は、約１２０℃～１３０℃（例えば、１２７℃）又は拡大された範囲では約１００℃～２００℃の温度、約１ｐｓｉｇの圧力を有することができる。種々の実施形態において、蒸気は、外部供給源からＳＯＥＣシステム１００に入力することができるか、又は局所的に発生させることができる。代替的又は付加的に、水をＳＯＥＣシステム１００に入力してもよい。

空気導管１０５における空気入力（例えば、周囲空気）は、局所大気圧における周囲温度とすることができ、その温度は約－２０℃～＋４５℃であり得る。空気導管１０５からの空気は、空気ブロワー１０６において受け取られ、空気ブロワー１０６によって出力される空気は、圧縮の熱によって周囲よりも僅かに高い温度となる。例えば、空気ブロワー１０６によって出力される空気の温度は、２０℃の周囲空気温度と比較して、１．０ｐｓｉｇにおいて約３０℃とすることができる。

任意選択の水素導管１３０からの水素は、水素がＳＯＥＣシステム１００によって他の方法で生成されていないときの始動及び過渡のためにのみ必要とされ得る。例えば、定常状態において別個の水素給送流又は水素再循環蒸気は必要なくなる。この水素流の圧力は、現場構築時の設計オプションであり、約５ｐｓｉｇ～３０００ｐｓｉｇとすることができる。温度は、貯蔵部に由来し得るため、周囲温度付近であり得る。

空気導管１０５における空気入力、蒸気導管１１０における蒸気入力、及び水素導管１３０における任意選択の水素における水素入力は、ホットボックス１２０に入力される。さらに、ホットボックス１２０は、ホットボックス１２０の蒸気及び水素生成物出口１５０において蒸気及び水素生成物Ｈ_２－Ｈ_２Ｏ－Ｇを出力する。ここで、Ｇは総量（Ｇｒｏｓｓ）を表す。ホットボックス出力Ｈ_２－Ｈ_２Ｏ－Ｇは、約１００℃～１８０℃（例えば、１３０℃）の温度、約０．１ｐｓｉｇ～０．５ｐｓｉｇの圧力を有することができる。

加えて、ホットボックス出力Ｈ_２－Ｈ_２Ｏ－Ｇは、スプリッター１６０に入力され、蒸気再循環流ＲＥＣＨ_２ＯＬＰ（ここで、ＬＰは低圧（ｌｏｗ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）を表す）と、純生成物Ｈ_２－Ｈ_２Ｏ－Ｎ（ここで、Ｎは純量（Net）を表す）（例えば、商業使用又は貯蔵のための出力）とに分割される。ここで、純生成物Ｈ_２－Ｈ_２Ｏ－Ｎは、約１００℃～１８０℃（例えば、１３０℃）の温度、約０．１ｐｓｉｇ～０．５ｐｓｉｇの圧力を有することができる。蒸気再循環流ＲＥＣＨ_２ＯＬＰは、約１００℃～１８０℃（例えば、１３０℃）の温度、約０．１ｐｓｉｇ～０．５ｐｓｉｇの圧力を有することができる。ホットボックス１２０は、濃縮空気導管１２５において、本質的に局所大気圧（例えば、０．５ｐｓｉｇ未満又は０．０５ｐｓｉｇ未満）において約１２０℃～３００℃の温度を有し得る濃縮空気を更に出力することができる。

蒸気再循環流ＲＥＣＨ_２ＯＬＰは、蒸気再循環ブロワー１７０に入力される。結果として生じる再循環蒸気ＲＥＣ－ＳＴＭは、約１００℃～１８０℃（例えば、１４０℃）の温度、約０．５ｐｓｉｇ～１．５ｐｓｉｇ（例えば、約１ｐｓｉｇ）の圧力を有することができ、ホットボックス１２０に入力される。いくつかの実施形態において、カソード排気冷却器熱交換器（すなわち、図２の要素１８８）が蒸気再循環ブロワー１７０の上流に位置し、再循環蒸気を蒸気再循環ブロワー１７０に達する前に冷却するようになっている。さらに、再循環蒸気に再循環水素の給送は含まれないものとすることができる。

例示のシミュレーション結果を以下の表１に示す。例示の結果は、パスごとの水利用率が７０％で、総水利用率が９０％を達成することを仮定している。したがって、本開示の例示の実施形態は、約７０％（例えば、５０％～８０％）のパスごとの水利用率、及び約９０％（例えば、７５％～９５％）の総水利用率をもたらす。最適な総水利用率は、生成される水素（Ｈ_２）のｋｇあたりの総電力消費を最小限にする、又は生成される水素（Ｈ_２）のｋｇあたりの総利用コスト（例えば、蒸気入力及び電力入力の合計コスト）を最小限にするように選択することができる。典型的には、約７０％～９０％の総蒸気利用率が最適である。したがって、実施形態は、特定のパスごとの水利用率又は総水利用率に限定されない。蒸気再循環の使用により、パスごとの水利用率を総水利用率よりも低下させることが可能になる。パスごとの水利用率と総水利用率との様々な比、例えば、７０／８５、６５／８５、及び６０／８０等を達成することができる。

蒸気復熱器のみでは、蒸気及び水素生成物出口１５０における蒸気及び水素生成物Ｈ_２－Ｈ_２Ｏ－Ｇを、多くの市販の再循環ブロワー用に十分に低い温度まで冷却するのに十分ではない場合があることが結果として示されている。蒸気再循環蒸気に加えて新たな蒸気給送の熱容量は、放出する蒸気に水素生成物を足したものに十分に釣り合うものではない。ＳＯＦＣシステムのアノード排気冷却器と同様であり得るカソード排気冷却器熱交換器（例えば、図２の要素１８８）を追加することにより、改善された熱的釣合いが得られる。

約７０％のパスごとの水利用率及び約９０％の総水利用率を達成するために、総生成流の少なくとも７０％（例えば、約７０％～７５％）、例えば、約７３％を再循環させるべきである。総水利用率及びパスごとの水利用率の他の組合せは、異なる再循環比率を利用する。再循環比率は、４０％～７５％で変動し得る。この場合の例示の流れの結果を以下の表１に示す。

図２は、本発明の一例示の実施形態に係る図１のホットボックス１２０を通るプロセスの流れを示すホットボックスのプロセスフロー図である。

図２に示されているように、ＳＯＥＣシステム１００は、空気導管１０５と、空気ブロワー１０６と、蒸気導管１１０と、ホットボックス１２０と、任意選択の水素導管１３０と、濃縮空気導管１２５と、蒸気及び水素生成物出口１５０と、スプリッター１６０と、蒸気再循環ブロワー１７０とを備え、これらは図１にも示されている。さらに、図２は、ホットボックス１２０のスタック１２１、混合器１８１、熱交換器１８５、１８６、１８７、１８８、及び１８９、蒸気加熱器１９１、並びに空気加熱器１９２のエネルギーバランスを維持するように構成される多様な電気部品１０３を示している。

蒸気導管１１０における蒸気入力及び任意選択の水素導管１３０における水素入力は、混合器１８１において混合することができる。ここで、蒸気入力（又は水入力）、水素入力、及び／又はそれらの組合せは、蒸気再循環ブロワー１７０によって出力される再循環蒸気１７１を使用して、混合器１８１において加熱することができる。混合器１８１の出力は、熱交換器１８５に入力することができ、熱交換器１８５は、スタック１２１の下流の入力のための高温蒸気を出力する。熱交換器からの高温流の出口温度は、スタック温度に依存するとともに、設計に依存し、スタック温度よりも約２０℃～１５０℃低いものとすることができる。スタック温度は、約６８０℃～８５０℃の範囲であり得る。高温蒸気は、蒸気加熱器１９１等の１つ以上の加熱器によって更に加熱することができる。熱交換器１８５は、スタック１２１によって出力される水素を利用することによって高温蒸気を発生させるように構成される。熱交換器１８５は、カソード排気冷却器熱交換器１８８に水素を更に出力する。

熱交換器１８５からの水素に加えて、空気ブロワー１０６によって出力される空気は、カソード排気冷却器熱交換器１８８に供給される。熱交換器１８８は、蒸気及び水素生成物Ｈ_２－Ｈ_２Ｏ－Ｇを出力し、これは、スプリッター１６０に供給される。熱交換器１８８は、温かい空気（例えば、周囲温度に応じて、約６０℃～１５０℃の温度を有する）を更に出力し、これは、熱交換器１８６等の１つ以上の熱交換器及び空気加熱器１９２等の１つ以上の空気加熱器を介してスタック１２１に供給される。さらに、濃縮空気導管１２５においてスタック１２１によって出力される濃縮空気は、熱交換器１８６、１８７、及び１８９等の一連の熱交換器によって冷却される。ここで、熱交換器１８７及び１８９は任意選択のものであり、典型的には、例えば給水システムにおいて使用される。

カソード排気冷却器熱交換器１８８において、再循環蒸気は、スタック１２１に供給されている空気導管流によって冷却される。加えて、蒸気再循環ブロワー１７０によって出力される蒸気再循環流が相当量の水素を含むことから、定常状態において別個の水素給送流又は水素再循環蒸気は必要なくなる。水素が生成されないシステム始動、停止、又は過渡／待機に際しては、水素（例えば、シリンダー又は現場の貯蔵部からのもの）が依然として利用され得る。

カソード排気冷却器熱交換器１８８は、再循環ブロワーの上流に位置し、再循環流を再循環ブロワーに達する前に冷却するようになっていることが好ましい。カソード排気冷却器熱交換器１８８は、スプリッター１６０の上流又は下流に位置することができ、水素及び蒸気流の総量Ｈ_２－Ｈ_２Ｏ－Ｇ又は蒸気再循環流ＲＥＣＨ_２ＯＬＰのみを、カソード排気冷却器熱交換器１８０における空気導管流によって冷却するようになっている。

当業者であれば、本発明の趣旨又は範囲から逸脱することなく、本発明の蒸気再循環及びカソード排気冷却器を備える電気化学セルシステムにおいて、様々な変更及び変形を行うことができることが明らかとなろう。したがって、本発明は、本発明の変更及び変形が添付の特許請求の範囲及びその均等物の範囲内にあるならば、それらを包含することが意図される。

Claims (20)

1. 蒸気を受け取り、水素及び蒸気排気流を発生させるように構成される電解セルのスタックと、
   前記水素及び蒸気排気流の一部を前記スタックに戻して再循環させるように構成される蒸気再循環ブロワーと、
   を備える、固体酸化物型電解セルシステム。
2. カソード排気冷却器熱交換器を更に備え、前記カソード排気冷却器熱交換器において、前記水素及び蒸気排気流が、前記スタックに供給されている空気導管流によって冷却される、請求項１に記載の固体酸化物型電解セルシステム。
3. 再循環ブロワーの上流に位置するカソード排気冷却器熱交換器を更に備える、請求項１に記載の固体酸化物型電解セルシステム。
4. 前記水素及び蒸気排気流の一部を前記蒸気再循環ブロワーに供給するスプリッターを更に備える、請求項１に記載の固体酸化物型電解セルシステム。
5. カソード排気冷却器熱交換器が、前記スプリッターの上流に位置する、請求項４に記載の固体酸化物型電解セルシステム。
6. カソード排気冷却器熱交換器が、前記スプリッターの下流に位置する、請求項４に記載の固体酸化物型電解セルシステム。
7. 前記電解セルのスタックは、蒸気及び水素を受け取るように構成される、請求項１に記載の固体酸化物型電解セルシステム。
8. 前記電解セルのスタックは、前記固体酸化物型電解セルシステムが定常状態で動作しているとき、水素の受取りを止めるように構成される、請求項７に記載の固体酸化物型電解セルシステム。
9. 前記電解セルのスタックは、前記固体酸化物型電解セルシステムの始動時、停止時、又は前記固体酸化物型電解セルシステムが水素を生成していないときに、水素を受け取るように構成される、請求項７に記載の固体酸化物型電解セルシステム。
10. 前記水素及び蒸気排気流の再循環部分は、蒸気を含み、水素を含まない、請求項１に記載の固体酸化物型電解セルシステム。
11. 電解セルのスタックにおいて蒸気を受け取ることと、
    前記スタックにおいて、水素及び蒸気排気流を発生させることと、
    蒸気再循環ブロワーにおいて、前記水素及び蒸気排気流の一部を前記スタックに戻して再循環させることと、
    を含む、固体酸化物型電解セルシステムを動作させる方法。
12. カソード排気冷却器熱交換器によって、前記スタックに供給されている空気導管流を使用して、前記水素及び蒸気排気流を冷却することを更に含む、請求項１１に記載の方法。
13. カソード排気冷却器熱交換器が、再循環ブロワーの上流に位置する、請求項１１に記載の方法。
14. スプリッターが、前記水素及び蒸気排気流の一部を前記蒸気再循環ブロワーに供給する、請求項１１に記載の方法。
15. カソード排気冷却器熱交換器が、前記スプリッターの上流に位置する、請求項１４に記載の方法。
16. カソード排気冷却器熱交換器が、前記スプリッターの下流に位置する、請求項１４に記載の方法。
17. 前記電解セルのスタックは、蒸気及び水素を受け取るように構成される、請求項１１に記載の方法。
18. 前記電解セルのスタックは、前記固体酸化物型電解セルシステムが定常状態で動作しているとき、水素の受取りを止めるように構成される、請求項１７に記載の方法。
19. 前記電解セルのスタックは、前記固体酸化物型電解セルシステムの始動時、停止時、又は前記固体酸化物型電解セルシステムが水素を生成していないときに、水素を受け取るように構成される、請求項１７に記載の方法。
20. 前記水素及び蒸気排気流の再循環部分は、蒸気を含み、水素を含まない、請求項１１に記載の方法。

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