JP2024507606A - 内部蒸気配送システム - Google Patents
内部蒸気配送システム Download PDFInfo
- Publication number
- JP2024507606A JP2024507606A JP2023513397A JP2023513397A JP2024507606A JP 2024507606 A JP2024507606 A JP 2024507606A JP 2023513397 A JP2023513397 A JP 2023513397A JP 2023513397 A JP2023513397 A JP 2023513397A JP 2024507606 A JP2024507606 A JP 2024507606A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- steam
- soec system
- heaters
- soec
- hydrogen
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 55
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 22
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 44
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 44
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 41
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 14
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 11
- 230000003134 recirculating effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 claims description 3
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 abstract description 9
- 239000003570 air Substances 0.000 description 28
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 21
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 12
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 5
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 4
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 4
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 3
- -1 oxygen ions Chemical class 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 239000006200 vaporizer Substances 0.000 description 3
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N Propane Chemical compound CCC ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000012080 ambient air Substances 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 2
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 239000003915 liquefied petroleum gas Substances 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 2
- 229910001369 Brass Inorganic materials 0.000 description 1
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010951 brass Substances 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 231100001261 hazardous Toxicity 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 230000002028 premature Effects 0.000 description 1
- 239000001294 propane Substances 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 1
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/02—Hydrogen or oxygen
- C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
- C25B1/042—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water by electrolysis of steam
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B13/00—Diaphragms; Spacing elements
- C25B13/04—Diaphragms; Spacing elements characterised by the material
- C25B13/05—Diaphragms; Spacing elements characterised by the material based on inorganic materials
- C25B13/07—Diaphragms; Spacing elements characterised by the material based on inorganic materials based on ceramics
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B15/00—Operating or servicing cells
- C25B15/02—Process control or regulation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B15/00—Operating or servicing cells
- C25B15/02—Process control or regulation
- C25B15/021—Process control or regulation of heating or cooling
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B15/00—Operating or servicing cells
- C25B15/02—Process control or regulation
- C25B15/023—Measuring, analysing or testing during electrolytic production
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B15/00—Operating or servicing cells
- C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B15/00—Operating or servicing cells
- C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
- C25B15/087—Recycling of electrolyte to electrochemical cell
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/60—Constructional parts of cells
- C25B9/67—Heating or cooling means
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
- C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
- C25B9/75—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having bipolar electrodes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
- C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
- C25B9/77—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having diaphragms
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
Abstract
１つ以上の加熱器を使用して加熱される液体の水を受け取るように構成される電解セルのスタックと、１つ以上の加熱器への液体の水の流量を制御するように構成される質量流量コントローラーとを備える、ＳＯＥＣシステム。【選択図】図１
Description
本発明の実施形態は、包括的には、固体酸化物型電解槽（ＳＯＥＣ）機械システム及びその内部蒸気配送に関する。
燃料電池等の電気化学装置は、燃料中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形成し、及び／又は一酸化炭素と結合して二酸化炭素を形成する。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。ＳＯＥＣは、ホットボックスに位置する。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）は空気電極と呼び、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（Ｈ２Ｏ＋２ｅ→Ｏ２－＋Ｈ２）、Ｈ２ガス及びＯ２－イオンを形成し、Ｏ２－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（Ｏ２－からＯ２）、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。
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排除する様々な蒸気使用及び安全システムに関する。
本発明の実施形態は、循環加熱器への液体の水の流量を制御する質量流量コントローラーを備えるシステムを含み、測定及び制御が蒸気変換の前の液体の水に対して行われる、内部蒸気配送システム（ｉｎｔｅｒｎａｌ ｓｔｅａｍ ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｓｙｓｔｅｍ）に関する。
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。
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。
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。
本実施形態の様々な実施形態において、蒸気は、ＳＯＥＣシステムにおいて再循環させることができる。
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、再循環蒸気入口１１１と、ホットボックス１５０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１２０と、スプリッター１６０と、蒸気再循環ブロワー１７０と、外部蒸気導管２１０と、入力水素導管２２５と、脱イオン水導管２０５と、加熱器２０６と、質量流量コントローラー２０７とを備える。
一例示の構成及び動作によれば、外部蒸気導管２１０において入力される蒸気は、約１００℃～１１０℃（例えば、１０５℃）の温度と、約１ｐｓｉｇの圧力とを有することができる。様々な実施形態において、蒸気は、外部源からＳＯＥＣシステム１００に入力することができ、又は局所的に発生させることができる。いくつかの実施形態において、複数の蒸気入口は、外部蒸気及び／又は局所蒸気をそれぞれ受け取るように構成することができる。代替的又は付加的に、脱イオン水導管２０５等の水は、ＳＯＥＣシステム１００に入力し、加熱器２０６によって加熱（例えば、気化）することができる。
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、現場構築時に決定される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における空気入力及び任意選択の水素導管１３０における水素入力は、ホットボックス１５０に入力される。さらに、ホットボックス１５０は、ホットボックス１５０の蒸気及び水素生成物出口１２０において蒸気及び水素生成物Ｈ２－Ｈ２Ｏ－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Ｈ２－Ｈ２Ｏ－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Ｈ２－Ｈ２Ｏ－Ｇは、スプリッター１６０に入力され、蒸気再循環流ＲＥＣＨ２ＯＬＰ（ここで、ＬＰは低圧（ｌｏｗ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）を表す）と、純生成物Ｈ２－Ｈ２Ｏ－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Ｈ２－Ｈ２Ｏ－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ＲＥＣＨ２ＯＬＰ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１５０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ＲＥＣＨ２ＯＬＰ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、再循環蒸気入口１１１においてホットボックス１５０に入力される。追加の蒸気又は熱を、ホットボックス１５０の空気排気熱（例えば、約２８０℃）を取り込む更なる蒸気再循環出口（図示せず）によって再循環蒸気入口１１１に供給することができる。いくつかの実施形態において、再循環水素供給物は、再循環蒸気とともに含まれない場合がある。
図１から理解することができるように、外部蒸気導管２１０における流入蒸気温度（例えば、１０５℃）は、内部蒸気発生を伴うＳＯＥＣ構成と比較して低くてもよい。複数の再循環ループは、再循環蒸気出口（図示せず）からの内部蒸気発生及び蒸気導管２１０からの外部蒸気発生の双方を使用するＳＯＥＣシステムに対して構成することができる。換言すれば、再循環蒸気入口１１１は、外部蒸気導管２１０からの蒸気及び／又は再循環蒸気を受け取るように構成される。
ＳＯＥＣシステム１００は、外部蒸気導管２１０及び加熱された脱イオン水導管２０５を利用する。脱イオン水導管２０５の脱イオン水は、加熱器２０６によって加熱することができる。質量流量コントローラー２０７は、１つ以上の加熱器２０６の上流に位置し、１つ以上の加熱器への液体の水の流量を制御するように構成される。１つ以上の加熱器２０６を出る蒸気の質量流量は、１つ以上の加熱器２０６に入る液体の水の質量流量に等しい。水素は、入力水素導管２２５によって供給される。外部蒸気２１０、入力水素導管２２５、及び加熱脱イオン水導管２０５のそれぞれは、図１に示されているように、蒸気再循環ブロワー１７０の下流の再循環ループ上に供給される。結果として生じる水素及び蒸気生成物は、再循環蒸気入口１１１において入力される。
質量流量コントローラー２０７は、別個の装置又は統合された装置としての比例（又は流量）弁及び水量計等の１つ以上の装置によって得ることができる。
図２は、本発明の別の例示の実施形態に係るＳＯＥＣシステム２００のプロセスフロー図である。ＳＯＥＣシステム２００の構成要素は、図１に関連して記載したＳＯＥＣシステム１００の構成要素と同様であり、以下はシステム２００及び１００間の相違点を記載する。
例示の実施形態において、ＳＯＥＣシステム２００は、スプリッター１６０及び蒸気再循環ブロワー１７０並びにそれらの下流を利用しないことにより、入力蒸気導管及び再循環ループの使用を必要としない。代わりに、ＳＯＥＣシステム２００は、水入口３１０において受け取った脱イオン水導管３０５の脱イオン水を加熱することにより、内部蒸気を発生させる。再循環蒸気出口１２１によって排出された蒸気は、気化器３２０によって更に加熱され、入力水素導管３２５の水素と混合される。結果として生じる水素及び蒸気生成物は、図２に示されているように、再循環蒸気入口１１１において入力される。
図３は、本発明の別の例示の実施形態に係るＳＯＥＣシステム３００のプロセスフロー図である。ＳＯＥＣシステム３００の構成要素は、図１に関連して記載したＳＯＥＣシステム１００の構成要素と同様であり、以下はシステム３００及び１００間の相違点を記載する。
例示の実施形態において、ＳＯＥＣシステム３００は、スプリッター１６０及び蒸気再循環ブロワー１７０並びにそれらの下流を利用しないことにより、入力蒸気導管及び再循環ループの使用を必要としない。代わりに、ＳＯＥＣシステム３００は、水入口４１０において受け取った脱イオン水導管４０５の脱イオン水を加熱することにより、内部蒸気を発生させる。再循環蒸気出口１２１によって排出された蒸気は、気化器４２０によって更に加熱され、入力水素導管４２５の水素と混合される。いくつかの構成において、気化器４２０の出力においてデミスター（図示せず）が含まれる。いくつかの構成において、過剰な蒸気を、濃縮空気導管１２５に通気することができる。結果として生じる水素及び蒸気生成物は、図３に示されているように、再循環蒸気入口１１１において入力される。
図４は、本発明の更に別の例示の実施形態に係るＳＯＥＣシステム４００のプロセスフロー図である。ＳＯＥＣシステム４００の構成要素は、図１に関連して記載したＳＯＥＣシステム１００の構成要素と同様であり、以下はシステム４００及び１００間の相違点を記載する。
例示の実施形態において、ＳＯＥＣシステム４００は、スプリッター１６０及び蒸気再循環ブロワー１７０並びにそれらの下流を利用しないことにより、入力蒸気導管及び再循環ループの使用を必要としない。代わりに、ＳＯＥＣシステム４００は、水入口５１０において受け取った脱イオン水導管５０５の脱イオン水を加熱することにより、内部蒸気を発生させる。再循環蒸気出口１２１によって排出された蒸気は、水監視システム５２０（例えば、水位トランスデューサーフロート型）によって調節される。水監視システム５２０によって放出され、任意選択で加熱及びミスト除去された蒸気は、入力水素導管５２５の水素と混合される。結果として生じる水素及び蒸気生成物は、図４に示されているように、再循環蒸気入口１１１において入力される。
システム１００、２００、３００、４００等の様々な実施形態において、ＳＯＥＣは、電気化学プロセスのために入力される媒体として蒸気を利用する。蒸気が容易に利用可能でない場合、蒸気は、脱イオン水等の現場供給される水から発生させる。蒸気を発生させるために水を使用することは、利点を有する。例えば、液体の水の質量流量を制御することは、蒸気であるその高温ガス状形態の質量流量を制御するよりも単純でコスト効果的である。
例えば、電解槽への蒸気流量は、循環加熱器等の１つ以上の加熱器への液体の水の質量流量を変動させることによって制御される。様々な構成において、加熱器の出力、温度、及び／又は圧力は、液体の水が計算された速度（例えば、一定の速度）で状態を変化させること、及び１つ以上の加熱器を出る蒸気の質量流量が１つ以上の加熱器に入る液体の水の質量流量に等しいことを保証するように均衡される。
既知のシステムにおいて、蒸気流量の調整可能な制御には、蒸気流量を正確に測定及び制御するために、コストの高い大きな構成要素が必要である。蒸気におけるスケールの堆積により、汚染が生じ、蒸気測定及び制御装置の早期の故障をもたらすおそれがある。従来の蒸気ボイラーは、水位、温度、及び圧力の制御を必要とする。液体の水に直接接触する加熱素子は、液位が適切に維持されないと、すぐに過熱し、故障するおそれがある。加熱素子が液体の水に直接接触するボイラーは、加熱素子上に蓄積するスケールによって経時的に故障する。
様々な実施形態において、流量制御システム、装置、及び方法が提供される。システムは、質量流量コントローラー（例えば、２０７）を使用して、１つ以上の加熱器（例えば、循環加熱器）への液体の水の流量を制御する。蒸気変換の前の液体の水に対して測定及び制御がなされることから、スケール堆積によって汚染され得る下流のコストの高い測定又は制御装置は存在しない。加熱器の加熱素子へのエネルギーと循環加熱器を出る出口温度及び圧力とが、システムを均衡させることによって１つ以上の加熱器に出入りする質量が等しくなるように、監視及び制御される。
実施形態は、従来の水ボイラーの代わりに循環加熱器を使用することが好ましい。循環加熱器は、アルミニウム又は真鍮等の中間媒体を使用して、隔離された流路に埋め込まれたプロセス媒体へと熱を放散及び伝達する。これにより、実施形態は、水なしで「ドライ」稼働し、蒸気を発生させることなく動作温度まで予熱することが可能になる。このタイプの加熱は、最初に水が存在することなく動作する従来のボイラーにおいて生じる加熱器の部材の焼損を防止する。水／蒸気が加熱素子に直接接触しないことから、これらの加熱素子には、スケール堆積が蓄積することによる故障のリスクがない。
図５は、本発明の一例示の実施形態に係る循環加熱器５００を示している。単一の加熱管、並びに直列及び／又は並列に構成される複数の加熱管等の、追加の循環加熱器又は他の加熱器構成が可能である。
液体の水の質量流量の制御は、蒸気である高温ガス状形態で制御するよりも単純でコスト効果的である。したがって、実施形態は、複雑さ及びコストを低減し、従来のボイラー設計に関連する既知の故障リスクを排除する。
本明細書に記載の様々な実施形態のそれぞれにおいて、安全イベントを検出するために１つ以上の検出器を使用することができる。例えば、１つ以上の圧力検出器及び１つ以上の熱検出器を使用することができる。１つ以上の圧力検出器は、圧力不足（例えば、５ＰＳＩ未満）及び圧力過剰を検出するために、入力水素導管（例えば、２２５、３２５、４２５、５２５）に沿って配置することができる。圧力検出器がトリップすると、システム（すなわち、ホットボックス１５０）は停止する。さらに、１つ以上の熱検出器は、過剰な熱（例えば、２３０℃超）を検出するために、ホットボックスのキャビネット内に配置することができる。キャビネットの換気は、例えば、濃縮空気ブロワー１２６によって提供及び維持される。熱検出器がトリップすると、システム（すなわち、ホットボックス１５０）は停止する。
ＳＯＥＣシステム（例えば、１００、２００、３００、４００）は、ＳＯＥＣシステムが定常状態で動作しているとき、又は安全イベントを検出すると、水素の受取りを止める。さらに、ホットボックス１５０内の電解セルのスタックは、ＳＯＥＣシステムの始動時、停止時、又はＳＯＥＣシステムが水素を生成していない若しくは十分な水素を生成していないとき、水素を受け取るように構成することができる。
ＳＯＥＣを動作させるために、水、空気、及び始動燃料を提供する機械システム及び構成要素が必要である。また、安全システムは、システムを火災並びに周囲及び付近の人々に対する他の損傷から保護する。ＳＯＥＣを必要な安全システムとともに動作させることにより、水素漏れ及び／又は他の故障に起因する危害及び危険を防止する。他のＳＯＥＣシステムは、危険場所用装置、又は燃料部品の二重格納を含む場合がある。
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、本発明の内部蒸気配送システムにおいて、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 (14)
- １つ以上の加熱器を使用して加熱される液体の水を受け取るように構成される電解セルのスタックと、
前記１つ以上の加熱器への前記液体の水の流量を制御するように構成される質量流量コントローラーと、
を備える、ＳＯＥＣシステム。 - 前記１つ以上の加熱器は、直列に接続される複数の加熱器を含む、請求項１に記載のＳＯＥＣシステム。
- 前記１つ以上の加熱器は、並列に接続される複数の加熱器を含む、請求項１に記載のＳＯＥＣシステム。
- 前記１つ以上の加熱器は、循環加熱器を含む、請求項１に記載のＳＯＥＣシステム。
- 前記１つ以上の加熱器を出る蒸気の質量流量が、前記１つ以上の加熱器に入る液体の水の質量流量に等しい、請求項１に記載のＳＯＥＣシステム。
- 水素及び蒸気排気の流れが、前記スタックに戻るように再循環される、請求項１に記載のＳＯＥＣシステム。
- 前記水素及び蒸気排気の一部を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６に記載のＳＯＥＣシステム。
- 前記電解セルのスタックは、前記ＳＯＥＣ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１に記載のＳＯＥＣシステム。
- 前記電解セルのスタックは、前記ＳＯＥＣシステムの始動時、停止時、又は前記ＳＯＥＣシステムが水素を生成していないとき、水素を受け取るように構成される、請求項１に記載のＳＯＥＣシステム。
- 前記電解セルのスタックは、前記ＳＯＥＣシステムが安全イベントを検出すると、水素の受取りを止めるように構成される、請求項１に記載のＳＯＥＣシステム。
- 前記安全イベントは、圧力検出器又は熱検出器によって検出される、請求項１０に記載のＳＯＥＣシステム。
- 蒸気、水素、及び加熱脱イオン水の組合せが再循環蒸気入口に供給される、請求項１に記載のＳＯＥＣシステム。
- 前記質量流量コントローラーは、別個の装置として又は統合された装置として流量弁及び水量計を備える、請求項１に記載のＳＯＥＣシステム。
- 電解セルのスタックにおいて、１つ以上の加熱器を使用して加熱される液体の水を受け取ることと、
質量流量コントローラーにおいて、前記１つ以上の加熱器への前記液体の水の流量を制御することと、
を含む、ＳＯＥＣシステムを動作させる方法。
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US202263303907P | 2022-01-27 | 2022-01-27 | |
| US63/303,907 | 2022-01-27 | ||
| PCT/IB2023/050737 WO2023144775A1 (en) | 2022-01-27 | 2023-01-27 | Internal steam delivery system |
| US18/160,440 | 2023-01-27 | ||
| US18/160,440 US12091764B2 (en) | 2022-01-27 | 2023-01-27 | Internal steam delivery system |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2024507606A true JP2024507606A (ja) | 2024-02-21 |
Family
ID=87424036
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2023513397A Pending JP2024507606A (ja) | 2022-01-27 | 2023-01-27 | 内部蒸気配送システム |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP4240888A1 (ja) |
| JP (1) | JP2024507606A (ja) |
| KR (1) | KR20240134713A (ja) |
| CN (1) | CN116848291A (ja) |
| CA (1) | CA3191006A1 (ja) |
-
2023
- 2023-01-27 CN CN202380007890.6A patent/CN116848291A/zh active Pending
- 2023-01-27 CA CA3191006A patent/CA3191006A1/en active Pending
- 2023-01-27 JP JP2023513397A patent/JP2024507606A/ja active Pending
- 2023-01-27 EP EP23705325.1A patent/EP4240888A1/en active Pending
- 2023-01-27 KR KR1020237006756A patent/KR20240134713A/ko unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CA3191006A1 (en) | 2023-07-27 |
| CN116848291A (zh) | 2023-10-03 |
| EP4240888A1 (en) | 2023-09-13 |
| KR20240134713A (ko) | 2024-09-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7141323B2 (en) | Method and apparatus for electrochemical compression and expansion of hydrogen in a fuel cell system | |
| US7045233B2 (en) | Method and apparatus for electrochemical compression and expansion of hydrogen in a fuel cell system | |
| JP2016091644A (ja) | 複合発電システム、その制御装置及び方法並びにプログラム | |
| US7132182B2 (en) | Method and apparatus for electrochemical compression and expansion of hydrogen in a fuel cell system | |
| JP2013191299A (ja) | 燃料電池システム | |
| US20230227991A1 (en) | Steam recycle control | |
| US20230227984A1 (en) | Compressor integration and safe operation start up for atmospheric operation of soec systems | |
| US20230287591A1 (en) | Modular scalability of soec stamp and compression | |
| JP2024507606A (ja) | 内部蒸気配送システム | |
| US20230235466A1 (en) | Internal steam delivery system | |
| JP5946298B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| EP4209618A2 (en) | Steam use and safety systems | |
| JP7221641B2 (ja) | 固体酸化物形燃料電池システム | |
| JP2018028988A (ja) | 発電システム及びその保護制御方法 | |
| JP5850769B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| US11349136B2 (en) | Fuel cell system including Wobbe index detector and method of operating same | |
| US20230378493A1 (en) | Hydrogen powered fuel cell system including condenser and method of operating the same using pressure control | |
| JP2012009175A (ja) | 燃料電池発電システムおよびその運転方法 | |
| US20240301565A1 (en) | Electrolyzer system including thermal control components and method of operating same | |
| CN116445930A (zh) | 蒸汽再循环控制 | |
| JP6632911B2 (ja) | 燃料電池及び燃料電池複合発電システム並びに燃料電池の停止方法 | |
| JP2006244822A (ja) | 燃料電池システム及びその制御方法 | |
| JP2022162573A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP2023106332A (ja) | 固体酸化物型電解槽の制御 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20230412 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20240618 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20240710 |