TW202337817A - 蒸氣回收控制 - Google Patents
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Abstract
一種固態氧化物電解電池(SOEC)系統，其包括經組態以接收水或蒸氣與氫氣組合之電解電池堆，以及經組態以回收該水或蒸氣之一部分的蒸氣回收出口。
Description
本發明之實施例大體上係關於固態氧化物電解電池(SOEC)機械系統、蒸氣使用及相關的安全系統。
固態氧化物燃料電池(SOFC)可作為電解槽操作以產生氫氣及氧氣，稱為固態氧化物電解電池(SOEC)。在SOFC模式下，氧化物離子自陰極側(空氣)傳輸至陽極側(燃料)，且驅動力為電解質中氧分壓之化學梯度。在SOEC模式下，正電勢被施加至電池之空氣側，且氧化物離子現在自燃料側傳輸至空氣側。由於SOFC與SOEC之間的陰極及陽極係顛倒的(亦即SOFC陰極為SOEC陽極，SOFC陽極為SOEC陰極)，所以SOFC陰極(SOEC陽極)可簡稱為空氣電極，而SOFC陽極(SOEC陰極)可稱為燃料電極。在SOEC模式期間，燃料流中之水經還原(H
2O+2eàO
2-+H
2)以形成H
2氣體及O
2-離子，O
2-離子經由固態電解質傳輸，然後在空氣側經氧化(O
2-至O
2)以產生分子氧。由於使用空氣及濕燃料(氫氣、重組天然氣)操作之SOFC的開路電壓為約0.9至1 V (取決於含水量)，因此在SOEC模式下施加至空氣側電極之正電壓將電池電壓升高至1.1至1.3 V之典型操作電壓。
因此，本發明係關於各種蒸氣回收控制，其實質上避免了由於先前技術之限制及缺點而導致的一或多個問題。
本發明之額外特徵及優點將在下面的描述中闡述，且部分將自描述中顯而易見，或可藉由本發明之實踐獲知。本發明之目的及其他優點將藉由在書面說明及申請專利範圍以及隨附圖式中特別指出的結構來實現及獲得。
應理解，前述一般描述及以下詳細描述皆為例示性及解釋性的，且意欲提供對所主張之本發明的進一步解釋。
將參考隨附圖式詳細描述各種實施例。在任何可能之處，將在整個圖式中使用相同參考數字來指代相同或相似部分。對特定實例及實施之參考係出於說明之目的，而不意欲限制本發明之實施例或申請專利範圍之範疇。
值及範圍在本文中可表示為自「約」一個特定值，及/或至「約」另一特定值。當表示此類範圍時，實例包括自一個特定值及/或至另一特定值。類似地，當藉由使用先行詞「約」或「實質上」將值表示為近似值時，應理解特定值形成另一態樣。在一些實施例中，「約X」之值可包括+/-1% X或+/-5% X之值。亦應理解，各範圍之端點相對於另一端點且獨立於另一端點均為重要的。值及範圍提供實例，但本發明之實施例不限於此。
圖1為根據本發明之一個示例實施例之SOEC系統100。
如圖1所繪示，SOEC系統100包括空氣管道105、鼓風機106、空氣入口107、蒸氣管道110、回收蒸氣入口111、熱箱150、視情況選用之氫氣管道130、富集空氣出口123、富集空氣管道125、富集空氣鼓風機126、蒸氣及氫氣產物出口120、分流器160、文丘里(Venturi)流量計165、蒸氣回收鼓風機170及熱感測器175。
根據示例組態及操作，蒸氣管道110處之蒸氣輸入(例如，以不同壓力供應現場或設施蒸氣)可具有約100℃與110℃之間的溫度(例如，105℃)及約1 psig之壓力。在各種實施例中，蒸氣可自外部源輸入至SOEC系統100或可在當地產生。在一些實施例中，多個蒸氣入口可經組態以分別接收外部及當地蒸氣。替代地或另外，水可輸入至SOEC系統100且蒸發。
空氣管道105處之空氣輸入(例如，環境空氣)可為環境溫度，在當地大氣壓力下可在約–20℃與+45℃之間。來自空氣管道105之空氣在鼓風機106處接收，且由於壓縮熱，鼓風機106輸出之空氣的溫度將略高於環境溫度。例如，與20℃之環境空氣溫度相比，鼓風機106輸出之空氣溫度在1.0 psig下可為約30℃。然後在熱箱150之空氣入口107處接收空氣管道105之空氣輸入。
來自視情況選用之氫氣管道130之氫氣可能僅在SOEC系統100不以其他方式產生氫氣時才需要用於起動及暫態。例如，在穩態下不再需要單獨的氫氣進料流或氫氣回收蒸氣。此氫氣流之壓力為在現場建造時確定之設計選項，且可在約5 psig與3000 psig之間。溫度可能接近環境溫度，因為其可能來自儲存。
空氣管道105處之空氣輸入、蒸氣管道110處之蒸氣輸入及視情況選用之氫氣管道130處之氫氣輸入輸入至熱箱150。反過來，熱箱150在熱箱150之蒸氣及氫氣產物出口120輸出蒸氣及氫氣產物H
2-H
2O-G，其中G代表總(Gross)。熱箱輸出H
2-H
2O-G之溫度可在約100℃與180℃之間(例如，130℃)，壓力可在約0.1與0.5 psig之間。
此外，熱箱輸出H
2-H
2O-G輸入至分流器160且分流成蒸氣回收流RECH
2OLP，其中LP代表低壓(low pressure)，及淨產物H
2-H
2O-N，其中N代表淨(Net) (例如，用於商業用途或儲存之輸出)。此處，淨產物H
2-H
2O-N之溫度可在約100℃與180℃之間(例如，130℃)，壓力可在約0.1 psig與0.5 psig之間。蒸氣回收流RECH
2OLP之溫度可在約100℃與180℃之間(例如，130℃)，壓力可在約0.1 psig與0.5 psig之間。熱箱150可經由富集空氣管道125進一步在富集空氣出口123處輸出富集空氣，在基本當地大氣壓力下(例如，小於0.5 psig或小於0.05 psig)其溫度在約120℃與300℃之間。
蒸氣回收流RECH
2OLP輸入至蒸氣回收鼓風機170。所得回收蒸氣REC-STM之溫度可在約100℃與180℃之間(例如，140℃、154℃)，壓力可在約0.5與1.5 psig之間(例如，約1 psig)，且在回收蒸氣入口111處輸入熱箱150。在一些實施例中，回收蒸氣中可能不包括回收氫氣進料。
如自圖1可理解，與具有內部蒸氣產生之SOEC組態相比，蒸氣管道110處之進入蒸氣溫度(例如，105℃)較低。在各種組態中，複數個回收迴路可經組態成使用內部蒸氣產生及外部蒸氣產生兩者之SOEC系統。如圖所示，回收蒸氣入口111經組態以接收來自蒸氣管道110之蒸氣。此處，實施例視情況使來自蒸氣管道110之設施供應之蒸氣(通常飽和且溫度為約105℃)行經內部蒸氣產生盤管、一或多個汽化器及/或其他加熱元件，且在熱量經由視情況選用之風扇或富集空氣鼓風機126在富集空氣管道125處釋放之前，使用空氣排出之熱量(例如，約280℃)進一步加熱(亦即，過熱)蒸氣供應。
圖2為根據本發明之另一示例實施例之SOEC系統200的簡化流程圖。SOEC系統200之組件類似於結合圖1描述之SOEC系統100之組件，現將描述系統200與100之間之差異及/或額外特徵。
在操作中，當高溫(例如，過熱或額外加熱)蒸氣(例如，大於110℃)與氫氣之混合物流過燃料電極且施加電流/電壓時，在熱箱150之固態氧化物電解槽堆中發生電化學反應。在一些情況下，需要燃料電極入口中低百分比之氫氣(例如，來自氫氣產物出口120，或來自氫氣管道130)以防止燃料電極氧化(例如，鎳氧化)。
在一些操作狀態下，當電化學反應未產生氫氣時，燃料電極所需之氫氣由一或多個外部來源提供(例如，來自氫氣管道130)。然而，當系統處於製氫狀態時，燃料電極所需之氫氣可藉由回收電化學反應產生之氫氣的一部分燃料電極出口流(例如，氫氣產物出口120及回收蒸氣入口111)來提供。此外，藉由回收一部分未使用之蒸氣，回收能夠提高蒸氣之總利用率。總利用率係所需蒸氣與輸入蒸氣(例如，蒸氣管道110)之比率。回收一部分未使用之蒸氣使單程蒸氣利用率低於整體蒸氣利用率。單程蒸氣利用率係所需蒸氣與輸入蒸氣(例如，蒸氣管道110)及回收蒸氣(例如，來自氫氣產物出口120之蒸氣)之和的比率，如圖2所示。
為了使電化學電壓平穩，同時斜升製氫(例如，自零至完全製氫，反之亦然)，一或多個控制信號提供給蒸氣/水流量控制器(未示出)及回收鼓風機(例如，蒸氣回收鼓風機170)中之各者。斜坡製氫發生在起動及關閉時，以及當存在中斷製氫狀態之警報時以及在警報已解決後恢復製氫狀態時。
降低電壓波動可防止局部饑餓以及沿電解電池出現局部熱點及冷點，從而延長堆壽命。可再生綠色製氫需要斜坡上升及下降製氫率以滿足可用的可再生電力。
用於製氫之電化學反應所需的蒸氣流量與所需的製氫率成正比，且與總利用率設定點成反比。製氫率與操作電流成正比。
蒸氣流率設定點計算如下：
此外，系統中所需之回收流量計算如下：
在各種實施例中，計算的(亦即動態)總利用率及計算的(亦即動態)單程利用率設定點用於產生用於蒸氣/水流量控制器(未示出)及回收鼓風機(例如，蒸氣回收鼓風機)之控制信號，其減少斜坡期間之電壓波動。
圖3以圖形方式繪示總利用率及單程蒸氣利用設定點隨操作電流之線性增加，此引起對蒸氣/水流量控制器及回收鼓風機之非線性蒸氣及回收流率命令。
此外，由於蒸氣流量設定點與操作電流成正比，且與總利用率設定點成反比，因此動態增加總利用率設定點跨越蒸氣流率增加之電流範圍，如圖3所示。此使得汽化器(在內部產生之蒸氣單元中)能夠穩定操作以產生所需溫度之蒸氣。因此，可達成自零至完全製氫之間更快的斜坡。
圖4繪示根據本發明之一個示例實施例之使用者控制面板400。在各種實施例中，總利用率及單程利用率設定點中之各者可基於使用者輸入之初始電流(例如，0安培或大於0安培之值)斜升至使用者定義之最終電流(例如，全電流，或小於全電流之值)，如圖4所示。
藉由使用計算的總利用率及計算的單程利用率設定點，在斜坡上升及斜坡下降期間(例如，自零斜升至完全製氫，反之亦然)達成電壓波動之顯著減少。圖5A及圖5B以圖形方式繪示根據本發明之一個示例實施例之電壓波動之減少。圖5A繪示計算的利用率方法，其中經由斜坡上升減少(亦即平滑)段電壓波動。相比之下，圖5B繪示恆定利用率方法，其中在斜坡上升期間具有增加之段電壓波動。
與恆定利用率、恆定流率或部分恆定利用率及部分恆定流率方法相比，命令在斜坡期間蒸氣及回收兩者之動態非線性流率的計算的總蒸氣利用率及單程蒸氣利用率方法引起較低之電壓波動。
因此，各種實施例提供蒸氣流量及回收流量控制以顯著降低斜坡期間之電壓波動。實施例在斜坡上升及斜坡下降期間提供動態總利用率及單程利用率設定點，其確定動態蒸氣流量及回收流量設定點。使用動態設定點減少電壓波動，同時提供自零製氫至完全製氫之更快斜坡之可能性。此外，實施例藉由降低波動使堆在使用中保持更長的持續時間(亦即，增加壽命)。避免了局部饑餓及沿堆之局部熱點及冷點。對於固態氧化物電解槽系統內部產生之蒸氣與具有間歇性之可再生資源(例如，太陽能、風能、水力等)整合之情況，實施例進一步提供了更快之斜坡。
如本文所述，實施例基於計算的設定點之使用修改回收流。一或多個控制器(例如，可使用嵌入式控制器)。實施例改良回收效能且將蒸氣回收鼓風機(例如，蒸氣回收鼓風機170)維持在其最佳溫度及壓力操作範圍內。在各種實施例中，回收硬體速度在電解製程期間受控制。
圖6繪示根據本發明之一個示例實施例之蒸氣鼓風機控制器690。
在操作中，資訊交換600發生在控制器690與蒸氣回收鼓風機(例如，蒸氣回收鼓風機170)之間。控制器690 (例如，與熱箱150相鄰之系統外殼內之嵌入式控制器)命令蒸氣回收鼓風機自電解反應中擷取未使用之蒸氣，且將其回饋至蒸氣入口(例如，回收蒸氣入口111)，以最大化整個製程之效率。例如，控制器690基於效率及效能計算來確定流量設定點以滿足整個系統之需求。在一些情況下，蒸氣鼓風機控制器690自嵌入式控制器之其他段接收流量設定點。此外，壓力及溫度感測器用於使用文丘里流量計665 (例如文丘里流量計165)計算回讀(亦即回饋)流量。回讀流量信號可由低通濾波器675濾波且提供給蒸氣鼓風機控制器690以計算適當鼓風機速度硬體命令。
在一些實施例中，最大及最小允許鼓風機命令由以下一或多項確定：蒸氣回收鼓風機上游之安全溫度、避免蒸氣回流通過回收管線之最小速度以及避免超壓事件之最大速度。
在操作期間，蒸氣鼓風機控制器690經組態以監測及控制蒸氣回收鼓風機(例如，蒸氣回收鼓風機170)。例如，蒸氣鼓風機控制器690使用一或多個感測器(例如，壓力感測器、回收管線上之熱感測器175)來鑑別可能的熱事件或逆流事件及鼓風機回讀偏差。若偵測到任何事件或安全事件，則蒸氣鼓風機控制器690發送一或多個命令以使系統進入安全狀態以保護硬體。因此，經由流量計算、速度及流量控制、溫度管理及壓力事件控制之組合，達成對SOEC蒸氣回收迴路之高效且安全控制。
此外，實施例提供主動控制固態氧化物電解電池(SOEC)之蒸氣回收鼓風機上游之操作溫度的控制技術。在一些實施例中，諸如最大溫度限制器681及最小溫度限制器682之兩個溫度限制器經組態以控制回收鼓風機控制器之溫度範圍。此等溫度限制器681、682設置回收鼓風機之最大及最小允許速度且管理其硬體速度。溫度限制器681、682利用回收管線上之一或多個熱感測器。將溫度回讀與鼓風機硬體之操作限制進行比較，然後將最大及最小允許鼓風機命令設置為蒸氣鼓風機控制器塊上之CV (控制變數)上限及下限。
此處，控制器690包括來自鼓風機最大允許速度及鼓風機最小允許速度之一系列命令。最大溫度限制確保鼓風機不會在可能損害其耐用性及效能之溫度範圍內操作。最小溫度限制迫使蒸氣鼓風機運行得足夠快，以避免在蒸氣回收管線中冷凝液態水，且避免對系統造成可能之損壞。
藉由使用各種實施例，回收鼓風機下游之水冷凝經減少或避免且冷凝不回饋至熱箱(例如，熱箱150)，至少為蒸氣回收管線提供最小流量輸送，且若不能保證溫度範圍(例如，在蒸氣回收鼓風機170之下游熱感測器175處)，則系統停止。當提高鼓風機速度時，更多流量循環，提高上游之溫度。類似地，當命令較少之流量且鼓風機速度降低時，蒸氣回收迴路之溫度降低。
最小溫度控制動作提高回收鼓風機速度，以避免蒸氣回收管線中出現液態水。類似地，最大溫度控制動作降低鼓風機速度，以避免可能損壞鼓風機之溫度區域。
在本文描述之各種實施例中之各者中，一或多個感測器或偵測器可用於偵測安全事件。例如，可使用一或多個壓力偵測器及一或多個熱偵測器。一或多個壓力偵測器可沿輸入氫氣管道置放以偵測壓力不足(例如，低於5 PSI)及過壓。若壓力偵測器跳脫，則系統(亦即熱箱150)關閉。此外，一或多個熱偵測器可置放於熱箱之櫃內以偵測過熱(例如，超過230℃)。例如，機櫃通風由富集空氣鼓風機126提供及維持。若熱偵測器跳脫，則系統(亦即熱箱150)關閉。
當SOEC系統在穩態下操作或偵測到安全事件時，SOEC系統(例如100)停止接收氫氣。此外，熱箱150中之電解電池堆可經組態以在SOEC系統起動、關閉時或在SOEC系統不產生氫氣或不產生足夠氫氣時接收氫氣。
因此，各種實施例提供SOEC機械系統及相關聯的安全系統。為操作SOEC，需要提供水、空氣及起動燃料之機械系統及組件。安全系統亦保護系統免受火災以及其他對周圍環境及附近人員之損害。操作具有所需安全系統之SOEC防止因氫氣洩漏及/或其他故障而造成的傷害及危險。其他SOEC系統可包括危險位置設備或燃料組件之雙重容器。
熟習此項技術者將顯而易見，在不背離本發明之精神及範疇之情況下，可對本發明之蒸氣回收控制進行各種修改及變化。因此，意欲本發明涵蓋本發明之修改及變化，其限制條件為其在所附申請專利範圍及其等效物之範疇內。
100:SOEC系統/系統
105:空氣管道
106:鼓風機
107:空氣入口
110:蒸氣管道
111:回收蒸氣入口
120:蒸氣及氫氣產物出口/氫氣產物出口
123:富集空氣出口
125:富集空氣管道
126:富集空氣鼓風機
130:視情況選用之氫氣管道/氫氣管道
150:熱箱
160:分流器
165:文丘里(Venturi)流量計
170:蒸氣回收鼓風機
175:熱感測器
200:SOEC系統/系統
400:使用者控制面板
600:資訊交換
665:文丘里流量計
675:低通濾波器
681:最大溫度限制器/溫度限制器
682:最小溫度限制器/溫度限制器
690:蒸氣鼓風機控制器/控制器
所包括之隨附圖式係為了提供對本發明之進一步理解且併入且構成本說明書之一部分，繪示本發明之實施例且與描述一起用於解釋本發明之原理。
圖1為根據本發明之一個示例實施例之SOEC系統流程圖。
圖2為根據本發明之另一示例實施例之SOEC系統簡化流程圖。
圖3以圖形方式繪示總利用率及單程蒸氣利用率設定點隨操作電流之線性增加，此引起對蒸氣/水流量控制器及回收鼓風機之非線性蒸氣及回收流率命令。
圖4繪示根據本發明之一個示例實施例之使用者控制面板。
圖5A及圖5B以圖形方式繪示根據本發明之一個示例實施例之電壓波動的減少。
圖6繪示根據本發明之一個示例實施例之蒸氣鼓風機控制器。
105:空氣管道
107:空氣入口
110:蒸氣管道
111:回收蒸氣入口
120:氫氣產物出口
150:熱箱
Claims (15)
- 一種固態氧化物電解電池(SOEC)系統，其包含： 電解電池堆，其經組態以接收蒸氣與氫氣之組合；及 蒸氣回收出口，其經組態以回收水或蒸氣之一部分。
- 如請求項1之SOEC，其中氫氣及蒸氣排放物流回收回至該堆。
- 如請求項2之SOEC系統，其進一步包含將該氫氣及蒸氣排放物之一部分供應至蒸氣回收鼓風機之分流器。
- 如請求項3之SOEC系統，其中該氫氣及蒸氣排放物之回收部分包括蒸氣且不包括氫氣。
- 如請求項3之SOEC系統，其中該蒸氣回收鼓風機由控制器控制。
- 如請求項3之SOEC系統，其中該蒸氣回收鼓風機由嵌入式控制器控制。
- 如請求項5之SOEC系統，其中對該蒸氣回收鼓風機之命令係根據一或多個設定點確定。
- 如請求項5之SOEC系統，其中對該蒸氣回收鼓風機之命令係根據一或多個壓力感測器確定。
- 如請求項1之SOEC系統，其中該電解電池堆經組態以在該SOEC系統在穩態下操作時停止接收氫氣。
- 如請求項1之SOEC系統，其中該電解電池堆經組態以在該SOEC系統起動、關閉時或在該SOEC系統不產生氫氣時接收氫氣。
- 如請求項1之SOEC系統，其中該電解電池堆經組態以在該SOEC系統使用可再生能源時接收氫氣。
- 如請求項1之SOEC系統，其中該電解電池堆經組態以在該SOEC系統偵測到安全事件時停止接收氫氣。
- 如請求項11之SOEC系統，其中該安全事件係由壓力偵測器或熱偵測器偵測。
- 如請求項1之SOEC系統，其中由該回收蒸氣出口輸出之蒸氣與氫氣混合且將蒸氣與氫氣之組合供應至回收蒸氣入口。
- 一種操作固態氧化物電解電池(SOEC)系統之方法，其包含： 在電解電池堆中接收蒸氣與氫氣之組合；及 在蒸氣回收出口處回收一部分水或蒸氣。
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