TW202340534A - 用於固體氧化物電解器的蒸發器和外部蒸汽 - Google Patents

用於固體氧化物電解器的蒸發器和外部蒸汽 Download PDF

Info

Publication number
TW202340534A
TW202340534A TW112100744A TW112100744A TW202340534A TW 202340534 A TW202340534 A TW 202340534A TW 112100744 A TW112100744 A TW 112100744A TW 112100744 A TW112100744 A TW 112100744A TW 202340534 A TW202340534 A TW 202340534A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
steam
hydrogen
air
heater
stack
Prior art date
Application number
TW112100744A
Other languages
English (en)
Inventor
希哈薩 帕特爾
納瓦內塔克里希南 戈文達拉蘇
安迪 塔
大衛 魏因格特納
柯瑞 麥克林蒂克
萊恩 強森
山謬 朱迪
金 古延
Original Assignee
美商博隆能源股份有限公司
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 美商博隆能源股份有限公司 filed Critical 美商博隆能源股份有限公司
Publication of TW202340534A publication Critical patent/TW202340534A/zh

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1007—Fuel cells with solid electrolytes with both reactants being gaseous or vaporised
    • 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
    • C25B15/083—Separating products
    • 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
    • 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
    • C25B15/085—Removing impurities
    • 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
    • C25B9/70—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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1231—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte with both reactants being gaseous or vaporised
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/124—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
    • H01M8/1246—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M16/00—Structural combinations of different types of electrochemical generators
    • H01M16/003—Structural combinations of different types of electrochemical generators of fuel cells with other electrochemical devices, e.g. capacitors, electrolysers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0656—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants by electrochemical means
    • 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)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本發明係關於一種電解器系統，其包括熱箱、安置於該熱箱內之一或多個堆疊、接收由該堆疊輸出之燃料排氣之燃料排氣管道、自該燃料排氣分離液體之燃料排氣分離器，及以流體方式將該燃料排氣連接至該燃料入口管道之再循環管道。

Description

用於固體氧化物電解器的蒸發器和外部蒸汽
本發明之實施例係關於包括固體氧化物電解電池(SOEC)之電解器系統及其操作方法。
固體氧化物燃料電池(SOFC)可作為電解器操作以便產生氫氣及氧氣，稱為固體氧化物電解電池(SOEC)。在SOFC模式中，氧化物離子自陰極側(空氣)輸送至陽極側(燃料)，且驅動力係跨越電解質之氧氣之分壓的化學梯度。在SOEC模式中，正電位施加至槽之空氣側，且氧化物離子自燃料側輸送至空氣側。由於陰極及陽極在SOFC與SOEC之間反轉(即，SOFC陰極係SOEC陽極，且SOFC陽極係SOEC陰極)，因此，SOFC陰極(SOEC陽極)將被稱作空氣電極，且SOFC陽極(SOEC陰極)將被稱作燃料電極。在SOEC模式期間，燃料流中之水還原(H 2O + 2eàO 2-+ H 2)以形成H 2氣體及O 2-離子，O 2-離子輸送通過固體電解質，且接著在空氣側氧化(O 2-變成O 2)以產生分子氧。由於以空氣及濕燃料(氫氣、重組天然氣)操作之SOFC之開路電壓係約.9至1 V (取決於含水量)，因此在SOEC模式中施加於空氣側電極之正電壓使電池電壓升高至1.1至1.3 V之典型操作電壓。
如下文所論述，本發明之各種實施例大體上係關於產生蒸汽室液態水，進入固體氧化物電解器(SOEC)熱箱以產生氫氣之系統、裝置及方法。
因此，本發明係關於用於電解器之蒸發器及外部蒸汽，其顯著消除了由於相關技術之限制及缺點引起的一或多個問題。
本發明之目標係提供用於一或多個內部及/或外部蒸發器之組態。
本發明之另一目標係提供用於內部蒸汽或外部蒸汽之組態。
本發明之另一目標係提供用於電加熱器或加熱元件之組態。
以下描述將闡明本發明之其他特徵及優點，且此等特徵及優點之一部分將在描述中顯而易見，或可藉由實踐本發明而習得。本發明之目標及其他優點將藉由在書面描述及其申請專利範圍以及所附圖式中特別指出之結構來實現及獲得。
應理解，前文總體描述及以下詳細描述都係例示性及說明性的，且意欲提供對所主張之本發明之進一步解釋。
將參考隨附圖式詳細描述各種實施例。適當時，貫穿圖式，將使用相同的附圖標記來指代相同或相似的部分。提及特定實例及實施方案係出於說明性目的，而非意欲限制本發明或申請專利範圍之範疇。
應理解，當元件或層稱為「在另一元件或層上」或「連接至」另一元件或層時，其可直接在另一元件或層上或直接連接至另一元件或層，或可存在介入元件或層。相反，當元件稱為「直接在」另一元件或層「上」或「直接連接至」另一元件或層時，不存在介入元件或層。應理解，出於本發明之目的，「X、Y及Z中之至少一者」可被理解為僅X、僅Y、僅Z或項目X、Y及Z中之兩者或更多者之任何組合(例如XYZ、XYY、YZ、ZZ)。
在提供了值範圍的情況下，應當理解，在該範圍之上限與下限之間的各中間值(至下限單位之十分之一，除非上下文清楚地另外指明)及在所陳述範圍內之任何其他所陳述值或中間值均涵蓋在本發明內。此等較小範圍之上限及下限可獨立地包括在更小範圍內且亦涵蓋於本發明內，從屬於所陳述範圍內之任何特定排除限值。在所陳述範圍包括限值中之一者或兩者的情況下，排除彼等被包括在內之限值中之任一者或兩者的範圍亦包括在本發明中。亦將理解，術語「約」可指例如5%至10%之微小量測誤差。另外，如本文所使用，重量百分比(wt%)及原子百分比(at%)分別指對應組合物之總重量百分比或原子總數目百分比。
例如「之後」、「隨後」、「接下來」等詞語未必意欲限制步驟之次序；此等詞語可用於貫通方法之描述引導讀者。而且，以單數形式聲明元件之任何引用(例如使用冠詞「一個/一種(a/an)」或「該」)不應被解釋為將該元件限制於單數。
如本文中所使用之術語「電解電池堆疊」意謂可視情況共用共同進水口及排氣通路或上升管之複數個堆疊式電解電池。如本文中所使用，「電解電池堆疊」包括相異電實體，該相異電實體含有直接連接至堆疊之功率調節設備及功率(即，電力)輸入之兩個端板或包含電解電池柱的含有提供電輸入之端子板之部分。本文中，「固體氧化物電池」可指固體氧化物電解電池及/或固體氧化物燃料電池。
圖1A係固體氧化物電池堆疊100的透視圖，而圖1B係圖1A之堆疊100之一部分的側視橫截面圖。參看圖1A及圖1B，堆疊100包括多個固體電池1，該等固體電池可係固體氧化物燃料電池或固體氧化物電解電池。固體氧化物電池1藉由互連件10分隔開，該等互連件亦可被稱為氣流分隔板或雙極板。各固體氧化物電池1包括空氣電極3、固體氧化物電解質5及燃料電極7。堆疊100亦包括內部燃料上升管通道22。
各互連件10電連接堆疊100中之相鄰固體氧化物電池1。特定而言，互連件10可將一個固體氧化物電池1之燃料電極7與相鄰固體氧化物電池1之空氣電極3電連接。圖1B展示下部固體氧化物電池1位於兩個互連件10之間。
各互連件10包括至少部分地界定燃料通道8之肋材(統稱為層9)。互連件10可作為氣體-燃料分隔器操作，以將流至堆疊100中的一個固體氧化物電池1之燃料電極7之燃料(例如烴燃料)與流至堆疊100中的相鄰固體氧化物電池1之空氣電極3之氧化劑(例如空氣)分隔開。在堆疊100之任一端處，可存在用於分別將空氣或燃料提供至端電極之空氣端板或燃料端板(未展示)。
圖2A及圖2B係展示根據本發明之各種實施例之電解器系統200中之製程流程之製程流程圖的示意圖。參考圖1A、圖1B、圖2A及圖2B，系統200可包括電解電池(SOEC)堆疊100，該堆疊包括多個固體氧化物電解電池(SOEC)，其可如關於圖1A及圖1B所描述進行組態。系統200亦可包括蒸汽產生器104、蒸汽復熱器108、蒸汽加熱器110、空氣復熱器112及空氣加熱器114。系統200亦可包括視情況選用的水預熱器102及視情況選用的混合器106。
系統200可包括用於容納各種組件，例如堆疊100、蒸汽復熱器108、蒸汽加熱器110、空氣復熱器112及/或空氣加熱器114之熱箱250。在一些實施例中，熱箱250可包括多個堆疊100。水預熱器102及蒸汽產生器104可位於熱箱250外部，如圖2A及圖2B中所示。替代地，水預熱器102及/或蒸汽產生器104可位於熱箱250內部。
在操作期間，可對堆疊100提供蒸汽及來自外部電源之電流或電壓。特定而言，蒸汽可提供至堆疊100之電解電池1之燃料電極7，且電源可在燃料電極7與空氣電極3之間施加電壓，以便電化學分裂水分子且產生氫氣(例如，H 2)及氧氣(例如，O 2)。亦可將空氣提供至空氣電極3，以便自空氣電極3吹掃氧氣。因此，堆疊100可輸出氫氣流及富氧排氣流，例如富氧空氣流(「氧氣排氣流」)。
為了產生蒸汽，可自水源50將水提供至系統200。水可為去離子(DI)水，其儘可能實際地經去離子(例如，＜0.1 µS/cm)，以便在蒸發期間防止及/或最小化結垢。在一些實施例中，水源50可包括去離子床。在各種實施例中，系統200可包括水流控制裝置(未展示)，例如質量流量控制器、正排量泵、控制閥/水流量計等等，以便為系統200提供所需水流速率。
若系統200包括水預熱器102，則可自水源50將水提供至水預熱器102。水預熱器102可係經組態以使用自氧氣排氣流回收之熱對水進行加熱之熱交換器。對水進行預熱可減少產生每單位氫氣之系統200之總功率消耗。特定而言，水預熱器102可自氧氣排氣流回收無法由空氣復熱器112回收之熱，如下文所論述。可在高於80℃之溫度，例如高於100℃之溫度，例如約110℃至120℃之溫度下自水預熱器102輸出氧氣排氣流。
自水預熱器102或水源50輸出之水可提供至蒸汽產生器104。水之一部分可在水預熱器中蒸發。蒸汽產生器104可經組態以加熱未在水預熱器中蒸發之水以將水轉換為蒸汽。舉例而言，蒸汽產生器104可包括加熱元件以將水蒸發且產生蒸汽。舉例而言，蒸汽產生器104可包括AC或DC電阻加熱元件，或感應加熱元件。
蒸汽產生器104可包括可或可不機械地分開之多個區/元件。舉例而言，蒸汽產生器104可包括預熱鍋爐以將水加熱直至沸點或接近沸點。蒸汽產生器104亦可包括經組態以將預沸騰之水轉換為蒸汽之蒸發器。蒸汽產生器104亦可包括除氣器以提供相對小的蒸汽清掃以在整體蒸發之前自水去除溶解之空氣。蒸汽產生器104亦可包括視情況選用的過熱器，其經組態以進一步增加在蒸發器中產生之蒸汽之溫度。蒸汽產生器104可包括位於加熱元件下游及/或過熱器上游之除霧墊。除霧墊可經組態以使自蒸汽產生器104輸出及/或提供至過熱器之蒸汽中之液態水之夾帶最少。
若蒸汽產物過熱，則由於至環境條件之熱損失，自蒸汽產生器104下游進行冷凝將係不大可能的。避免冷凝係較佳的，因為冷凝水更可能形成水之段塞，此可造成遞送之質量流率相對於時間之顯著變化。避免過量的過熱以便限制系統200之總功率消耗亦可為有益的。舉例而言，可使蒸汽過熱自約10℃至約100℃之範圍之量。
自蒸汽產生器104之泄放可有益於長期操作，因為水在去離子化之後將可能含有某一量之礦化。典型的液體泄放可為約1%。排出可係連續的，或可係間歇的，例如10×穩態流量，每分鐘持續6秒，5x穩態流量，每5分鐘持續1分鐘，等等。對水排放流之需求可藉由將排出物泵送至熱氧排氣中來消除。
可將自蒸汽產生器104輸出之蒸汽提供至蒸汽復熱器108。然而，若系統200包括視情況選用的混合器106，則可將蒸汽在提供至蒸汽復熱器108之前提供至混合器106。特定而言，蒸汽可包括小量的溶解空氣及/或氧氣。因此，混合器106可經組態以混合蒸汽與氫氣，以便在堆疊100中且特定而言，在燃料電極7處維持還原環境。
混合器106可經組態以將蒸汽與自氫氣儲存裝置52接收之氫氣及/或與自堆疊100輸出之氫氣流之一部分混合。可設定氫氣添加速率以提供超過與溶解於蒸汽中之氧氣量反應所需要之氫氣量的氫氣量。氫氣添加速率可為固定的或設定為恆定的水與氫氣比率。然而，若使用完全除氧之水形成蒸汽，則可視情況省略混合器106及/或氫氣添加。
在一些實施例中，可在系統起動期間及/或在穩態操作期間藉由外部氫氣源提供氫氣。舉例而言，在起動期間，可自氫氣儲存裝置提供氫氣，且在穩態期間，可自氫氣儲存裝置52及/或藉由將由堆疊100產生之氫氣流(即，氫氣排氣流)之一部分分流至混合器106來提供氫氣。特定而言，系統200可包括經組態以在穩態操作期間將所產生之氫氣流之一部分選擇性分流至混合器106之氫氣分流器116，例如分離器、泵、吹風機及/或閥。
蒸汽復熱器108可係經組態以自輸出自堆疊100之氫氣流回收熱之熱交換器。因此，蒸汽復熱器108可經組態以提高系統200之效率。可在蒸汽復熱器108中將蒸汽加熱至至少700℃，例如720℃至780℃。
自蒸汽復熱器108輸出之蒸汽可提供至位於蒸汽復熱器108下游之蒸汽加熱器110，如圖2A所示。蒸汽加熱器110可包括加熱元件，例如電阻性或感應加熱元件。蒸汽加熱器110可經組態以將蒸汽加熱至高於堆疊100之操作溫度之溫度。舉例而言，取決於堆疊100之健康度、堆疊100之水利用率及至堆疊100之空氣流動速率，蒸汽加熱器110可將蒸汽加熱至範圍自約900℃至約1200℃之溫度，例如920℃至980℃。因此，可對堆疊100提供處於允許高效氫氣產生之溫度之蒸汽或蒸汽-氫氣混合物。熱亦可藉由輻射(即，藉由輻射熱傳遞)直接自蒸汽加熱器輸送至堆疊。
在圖2B中展示之一個替代實施例中，蒸汽復熱器108可位於蒸汽加熱器110下游，使得退出蒸汽加熱器110之蒸汽進入蒸汽復熱器108而不是反過來。在另一替代實施例中，蒸汽加熱器110可包含經組態以使用自高溫流體，例如被加熱至約1200℃或更高溫度之流體提取之熱來對蒸汽進行加熱之熱交換器。此流體可自太陽能聚光器場或發電廠提供，例如核反應爐發電廠。替代地，若流體係高溫蒸汽，例如自核反應爐發電廠提供之蒸汽，則此蒸汽可提供至堆疊100之燃料電極7。在此情況下，水源50可包含高溫蒸汽源，且水預熱器102、蒸汽產生器104、蒸汽復熱器108及/或蒸汽加熱器110中之一或多者可省略。
在一些實施例中，蒸汽加熱器110可包括具有獨立功率位準之多個蒸汽加熱器區(豎直地或沿圓周或此兩種情況進行劃分)，以便在一些實施例中增強熱均勻性。
在一些實施例中，蒸汽復熱器108及蒸汽加熱器110之操作可組合成單一組件。舉例而言，蒸汽復熱器108可包括電壓源，該電壓源經組態以對蒸汽復熱器108之熱交換翅片施加電壓，以使得熱交換翅片作為電阻加熱元件操作並將蒸汽加熱至足夠高以提供至堆疊100之溫度，例如在約900℃至約1200℃範圍內之溫度。自蒸汽加熱器110輸出之高溫蒸汽(或視情況為蒸汽/氫氣混合物)可提供至堆疊100之燃料電極7。
可將自堆疊100輸出之氧氣排氣提供至空氣復熱器112。可藉由空氣吹風機118向空氣復熱器112提供環境空氣。空氣復熱器112可經組態以使用自氧氣排氣提取之熱來對空氣進行加熱。在一些實施例中，環境空氣可經過濾以去除污染物，然後提供至空氣復熱器112或空氣吹風機118。
自空氣復熱器112輸出之空氣可提供至空氣加熱器114。空氣加熱器可包括經組態以將空氣加熱至超過堆疊100之操作溫度之溫度的電阻或感應加熱元件。舉例而言，取決於堆疊100之健康度、堆疊100之水利用率及至堆疊100之空氣流動速率，空氣加熱器114可將空氣加熱至範圍自約900℃至約1200℃之溫度，例如920℃至980℃。因此，可對堆疊100提供處於允許高效氫氣產生之溫度之空氣。熱亦可藉由輻射直接自空氣加熱器輸送至堆疊。
自空氣復熱器輸出之溫度愈高，空氣加熱器114需要之功率愈低。空氣復熱器112之任一側上增加之壓力下降可與增加之空氣吹風機118功率抵消。增加之壓力下降可有助於圓周質量流量均勻性，產生更均勻的熱傳遞環境，及自空氣復熱器112輸出之空氣入口流之較高溫度。
在替代實施例中，空氣加熱器114可包括經組態以使用自高溫流體提取之熱來加熱空氣之熱交換器，該高溫流體係例如加熱至約1200℃或更高之流體。此流體可自例如太陽能聚光器場或核反應爐提供。
在一些實施例中，空氣加熱器114可包括具有獨立功率位準之多個空氣加熱器區(豎直地或沿圓周或此兩種情況進行劃分)，以便增強熱均勻性。在一些實施例中，空氣加熱器114可安置於空氣復熱器112下方或堆疊100與蒸汽復熱器108之間。空氣加熱器114可包括擋板，該等擋板在沿著擋板之不同高度處具有不同大小之狹縫，以允許空氣在沿著空氣加熱器114之所有高度處在溫度及高度兩個方面都近似均勻地離開空氣加熱器114。將來自空氣加熱器114之空氣提供至堆疊100之空氣電極3。
在一些實施例中，空氣復熱器112及空氣加熱器114可組合成單一組件。舉例而言，空氣復熱器112可包括電壓源，該電壓源經組態以對包括在空氣復熱器112組合組件中之熱交換器之熱交換翅片施加電壓，以使得翅片作為電阻加熱元件操作並將空氣加熱至足夠高以提供至堆疊100之溫度，例如在約900℃至約1200℃範圍內之溫度。
根據各種實施例，系統200可包括安置於熱箱250外部之視情況選用的空氣預熱器54。特定而言，空氣預熱器54可經組態以對藉由空氣吹風機118提供至熱箱250之空氣進行預熱。在一些實施例中，空氣預熱器54可使用電來進行操作。在其他實施例中，空氣預熱器54可使用烴燃料，例如天然氣等等來進行操作。舉例而言，若向系統200提供來自電源之電力，該電力係間歇的或提供不充分量之電力而無法操作電熱器，例如太陽能或風力產生系統，則空氣預熱器54可利用烴電源(例如，氣體加熱器)。替代地，可省去空氣預熱器54。
因為空氣預熱器54位於熱箱250外部，因此空氣預熱器54可有利地提供服務而無需接取熱箱250之內部及/或中斷堆疊100及/或位於熱箱250內部之其他組件之操作。在一些實施例中，若空氣預熱器54將空氣加熱至高於堆疊溫度，則空氣預熱器54可允許省略空氣加熱器114。然而，在其他實施例中，系統200可包括空氣預熱器54及空氣加熱器114。
在系統起動期間，空氣預熱器54可經組態以將提供至熱箱之空氣加熱至足以將熱箱250之內部溫度及/或堆疊100之溫度升高至接近其操作溫度之溫度。在系統起動期間，提供至空氣復熱器112之預熱空氣亦可操作以對藉由空氣復熱器112提供至水預熱器102之堆疊排氣進行預熱。由於最初可在相對低的溫度下輸出堆疊氧氣排氣，因此空氣預熱器54可用於間接地對自水源50提供至熱箱250之水進行預熱。
在穩態操作期間，空氣預熱器54亦可經組態以將空氣加熱至足以將熱箱250維持在穩態操作溫度例如750℃至950℃下之溫度。舉例而言，與系統起動期間相比，穩態操作期間之空氣預熱器54之熱輸出可更低。
在一些實施例中，系統200可在熱中性組態中操作，其中對堆疊100中之各電解電池1提供熱中性電壓。特定而言，提供至各電解電池1之電流可變化，使得由I 2R加熱產生之熱平衡了(吸熱)反應熱。因此，可在穩態熱中性操作期間最小化或消除蒸汽加熱器110及/或空氣加熱器114之使用。
來自堆疊100之氫氣流(即，氫氣排氣流)可係含有氫氣及水之溫熱流。可在120℃至150℃之溫度下自蒸汽復熱器108輸出氫氣流。可藉由輸出管道502使蒸汽復熱器108與氫氣處理器500流體連接。在一些實施例中，可使氫氣處理器500與氫氣儲存裝置或罐504連接。
氫氣處理器500可包括氫氣泵、冷凝器或其組合。氫氣泵可係電化學氫氣泵及/或可經組態以在高溫下操作。舉例而言，氫氣泵可經組態以在約120℃至約150℃之溫度下操作，以便自氫氣流中去除約70%至約90%之氫氣。舉例而言，壓縮器可係液環壓縮器或隔膜壓縮器。在一些實施例中，冷凝器可係經組態以將氫氣流冷卻至足以使氫氣流中之水蒸氣冷凝之溫度之空氣冷卻或水增強型、空氣冷卻型冷凝器及/或熱交換器。舉例而言，氫氣處理器500可經組態以將氫氣流壓縮至所要壓力，例如約2500至約8000 psig。壓縮可包含多個階段，伴隨階段間冷卻及除水。
在各種實施例中，氫氣處理器500可包括可相對於氫氣流之流向串聯及/或並聯安置之一系列電化學氫氣泵以便壓縮氫氣流。來自壓縮之最終產物仍可含有痕量之水。如此，氫氣處理器500可包括脫水裝置，例如變溫吸附反應器或變壓吸附反應器，以在必要時去除此殘餘水。最終產物可係高壓(例如約2500至約8000 psig)純化之氫氣。產物亦可能含有一些氮氣氣體，其可係水中溶解之空氣。可在電化學壓縮期間自動地去除氮氣。
來自氫氣處理器500之剩餘的未泵送之流出物可係完全蒸發之富水流。此富含水之流可饋送至吹風機以用於再循環至混合器106或流復熱器108中，從而消除對蒸汽產生器104中之水蒸發之需要。該系統可經組態以對殘餘的水進行再純化(例如，在DI床中)，且將自經壓縮之氫氣流去除之殘餘的水提供至水預熱器。電化學壓縮可在電學上比傳統壓縮更有效。
多個堆疊100之氫氣流在現場可組合成單一流。可使用例如可為氫氣處理器500之一部分之空氣冷卻器或由現場冷卻水塔冷卻之熱交換器儘可能實際地冷卻此組合流。可將自氫氣處理器500輸出之氫氣提供至氫氣罐504以供儲存或使用，以便用作燃料電池發電系統中之燃料。
可藉由將氫氣泵壓力增加至例如在約20至50 psig範圍內之壓力來將進入氫氣流之蒸汽損失減至最小。此種分隔可在電解器模組層級、系統層級、印模層級或位點層級處進行。
水冷凝及氫氣流之壓縮可能消耗大量功率。在一些實施例中，可減少或停止至堆疊100之空氣流，使得堆疊100輸出純的或幾乎純的氧氣氣體作為堆疊排氣。另外，電解電池1之空氣側及燃料側可在範圍自約3 psig至約50 psig之相等壓力下操作。在一些實施例中，提供至堆疊100之空氣可在約100 slm或更低之壓力下提供。
高壓力操作可允許避免與氫氣流壓縮之第一級相關聯之功率及設備，由於因較高壓力帶來的較高露點而可減少初始冷凝器級之大小，及/或由於與較高壓力相關聯之較高密度而可減少流動通道所需之實體空間。
如上文所指出，系統200可經組態以與可由第三方在現場提供之多種不同的氫氣處理器500一起操作。因此，可能難以使自系統200輸出之氫氣流之流動及/或生產速率與特定氫氣處理器500之通量匹配。特定而言，此類變化可在輸出管道502內誘導正及/或負壓力波動。舉例而言，若氫氣處理器500之通量過高(例如，氫氣處理器500在氫氣流上拉動過硬)，則可在系統200內誘導負壓，或若通量過低，則可在系統200內誘導正壓。
此類壓力波動可能會在系統200內造成問題。舉例而言，過度負壓力可能會導致空氣洩漏至系統200中，或可能會導致跨堆疊100之電解質之高壓變化，此可能會增加電解質損壞，例如破裂之風險。過高壓力亦可能會導致跨電解質之壓力變化並增加電解質損壞之風險。
因此，該系統可包括第一輸出管道502A、第二輸出管道502B及氫氣吹風機510。第一輸出管道502A可使燃料電池堆疊100與氫氣吹風機510之入口流體連接。第二輸出管道502B可使氫氣吹風機510之出口與氫氣處理器500流體連接。氫氣吹風機510可經組態以增加自熱箱250輸出之氫氣流之壓力。舉例而言，氫氣吹風機510可經組態以將氫氣流之壓力增加約2至約15磅/平方吋錶壓(psig)，例如約5至約10 psig。氫氣吹風機510亦可操作以將熱箱250之組件例如堆疊100與藉由操作氫氣處理器500誘導之壓力波動分隔。
在一些實施例中，氫氣吹風機510可經組態以接收由單一電解器系統250或堆疊100產生之氫氣流，如圖2A中所示。在其他實施例中，氫氣吹風機510可經組態以接收由多個電解器系統250及/或多個堆疊100產生之氫氣流。
在各種實施例中，系統200可包括視情況選用的分水裝置530，該分水裝置經組態以自氫氣流去除冷凝水，以便減少及/或防止液態水在氫氣吹風機510中積聚。
在一些實施例中，氫氣分流器116可用於將氫氣流分流，以使得可饋送氫氣以替換系統200中之大部分或全部蒸汽。接著，可關閉氫氣分流器116以維持堆疊100中之還原氛圍，而無任何額外的氫氣消耗。至堆疊100之空氣流可顯著減少或消除。在一些實施例中，可存在保持空氣加熱器114免於過熱之最小空氣流。
在一些實施例中，可將冷凝水再循環至水源50中之製程饋料(饋送至DI床)中。添加至混合器106中之蒸汽之氫氣可在壓縮系列之第一階段或任何中間階段期間產生，且可在必要時經除濕。氫氣儲存裝置52可包括用於經由混合器106提供至堆疊100之氫氣之低壓/中壓儲存槽。
根據各種實施例，系統200可包含經組態以控制系統200之操作之控制器125，例如中央處理單元。舉例而言，控制器125可有線或無線地連接至系統200之各個元件以控制該等元件。
在一些實施例中，控制器125可經組態以基於氫氣流之流速及/或由氫氣處理器500產生之入口壓力來控制氫氣吹風機510之速度。
在一些實施例中，控制器125可經組態以控制系統200，使得系統200可在不產生氫氣流之備用模式中操作。在備用模式期間，與堆疊100相關聯(即，與其成熱傳遞關係定位)之電加熱器可將電解電池1保持在所需備用溫度所需之最小功率位準來運行。所需備用溫度可不同於所需生產操作溫度，且可受到返回至所需操作溫度所需要之可接受時間的影響。
自備用模式恢復至穩態操作可允許以比標準穩態操作溫度低的溫度起始氫氣產生。在較低溫度下，電池電阻可更高，此可提供額外的加熱以將堆疊100升高至穩態操作溫度。水/蒸汽饋料可顯著地減少或消除。對混合器106中之蒸汽之氫氣添加亦可顯著減少或消除。
根據各種實施例，控制器125可經組態以基於各種站點範圍控制參數控制系統200之操作。舉例而言，控制器125可經組態以基於以下中之任一者控制氫氣產生：各SOEC堆疊之操作限制；功率可用性；瞬時平均功率成本，包含所有層次下之需量電費之影響；瞬時邊際功率成本，包含所有層次下之需量電費之影響；瞬時功率可再生含量；可用氫氣儲存容量；可供使用之所儲存能量(例如，熱儲存或電儲存)；氫氣產生計劃(例如，每天、每週或每月計劃等)；氫氣產生收益牽連因素(例如，銷售價格、生產水準之調整、不履行之懲罰等)；維護計劃；現場所有熱箱之相對健康；壓縮/冷凝系列機械狀態；水/蒸汽/氫氣饋料可用性；天氣條件及/或預報；任何其他已知的外部約束，瞬時的或某一生產計劃週期內的(例如，僅允許每月如此多的水，或每月如此高的毫瓦-小時)；及/或自備用模式開始產生氫氣之最少可接受時間(若預測備用會持續多個小時，則可能需要允許冷卻電池低於操作溫度)。
圖3係根據本發明之各種實施例之固體氧化物燃料電池(SOFC)系統300的示意性表示。參看圖3，系統300包括熱箱350及安置於其中或鄰近於其之各個組件。熱箱350可含有至少一個燃料電池堆疊302，例如含有交替的燃料電池及互連件之固體氧化物燃料電池堆疊。該堆疊之一個固體氧化物燃料電池含有陶瓷電解質，例如氧化釔穩定之氧化鋯(YSZ)、氧化鈧穩定之氧化鋯(SSZ)、氧化鈧及二氧化鈰穩定之氧化鋯或氧化鈧、氧化釔及二氧化鈰穩定之氧化鋯；陽極電極，例如鎳-YSZ、鎳-SSZ或鎳摻雜之二氧化鈰金屬陶瓷；及陰極電極，例如亞錳酸鍶鑭(LSM)。互連件可為金屬合金互連件，例如鉻-鐵合金互連件。堆疊302可呈複數個行彼此堆放配置。
熱箱350亦可含有陽極復熱器310、陰極復熱器320、陽極尾氣氧化器(ATO) 330、陽極排氣冷卻器340、渦流產生器372及水噴射器360。系統300亦可包括催化部分氧化(CPOx)反應器312、混合器316、CPOx吹風機314 (例如，空氣吹風機)、主空氣吹風機342 (例如，系統吹風機)及陽極再循環吹風機318，其可安置在熱箱350外部。然而，本發明不限於相對於熱箱350之組件中之各者之任何特定位置。
CPOx反應器312通過燃料管道301A自燃料入口30接收燃料入口流。燃料入口30可係包括用於控制提供至CPOx反應器312之燃料之量之閥的燃料罐或多效用天然氣管線。CPOx吹風機314可在系統起動期間將空氣提供至CPOx反應器202。可藉由燃料管道301B將燃料及/或空氣提供至混合器316。燃料通過燃料管道301C自混合器316流至陽極復熱器310。在陽極復熱器310中藉由燃料排氣之一部分對燃料進行加熱，且接著燃料通過燃料管道301D自陽極復熱器310流至堆疊302。
主空氣吹風機342可經組態以通過空氣管道302A將空氣流(例如，空氣入口流)提供至陽極排氣冷卻器340。空氣通過空氣管道302B自陽極排氣冷卻器340流至陰極復熱器320。在陰極復熱器320中藉由ATO排氣對空氣進行加熱。空氣通過空氣管道302C自陰極復熱器320流至堆疊302。
通過陽極排氣管道306A將在堆疊302中產生之陽極排氣(例如，燃料排氣)提供至陽極復熱器310。陽極排氣可含有未反應燃料且在本文中亦可被稱為燃料排氣。可藉由陽極排氣管道306B將陽極排氣自陽極復熱器310提供至變換反應器380，例如水煤氣變換(water gas shift；WGS)反應器。可使水噴射器360與陽極排氣管道306B流體連接。可藉由陽極排氣管道306C將陽極排氣自變換反應器380提供至陽極排氣冷卻器340。陽極排氣加熱陽極排氣冷卻器340中之空氣入口流，且接著可將其自陽極排氣冷卻器340提供至燃料排氣處理器400。
特定而言，可藉由第一再循環管道308A將陽極排氣自陽極排氣冷卻器340輸出至燃料排氣處理器400。在一些實施例中，可藉由視情況選用的第二再循環管道308B將陽極排氣提供至燃料排氣處理器400。特定而言，第二再循環管道308B可經組態以將比第一再循環管道308A更熱的陽極排氣提供至燃料排氣處理器400，此係因為陽極排氣在進入第一再循環管道308A之前在陽極排氣冷卻器340中冷卻。
變換反應器380可係將燃料排氣之組分轉換成游離氫(H 2)及/或水之任何合適裝置。舉例而言，變換反應器380可包括含有催化劑之管或管道，該催化劑藉由水煤氣變換反應(CO + H 2O ↔ CO 2+ H 2)將燃料排氣流中之一氧化碳(CO)及水蒸氣轉換成二氧化碳及氫氣。因此，變換反應器380增加陽極排氣中氫氣及二氧化碳之量且減少陽極排氣中一氧化碳之量。舉例而言，變換反應器380可將陽極排氣中之一氧化碳之量減少至約5體積%或更小，例如約4體積%或更小，或約3體積%或更小。催化劑可係任何合適催化劑，例如氧化鐵或鉻促進之氧化鐵催化劑。
在堆疊302中產生之陰極排氣通過陰極排氣管道304A流至ATO 330。渦流產生器372可安置於陰極排氣管道304A中且可經組態以使陰極排氣渦旋。可將渦旋之陰極排氣在提供至ATO 330之前與自燃料排氣處理器400輸出之氫氣混合。可在ATO 330中氧化混合物以產生ATO排氣。ATO排氣通過陰極排氣管道304B自ATO 330流至陰極復熱器320。排氣通過陰極排氣管道304C自陰極復熱器320流動並流出熱箱350。
水通過水管道自水源50例如水罐或水管流至水噴射器360。水噴射器360將水直接噴射至陽極排氣管道306C中提供之陽極排氣之第一部分中。來自排氣管道306C中提供之陽極排氣之第一部分(亦被稱為再循環陽極排氣流)之熱使水蒸發以產生蒸汽。將蒸汽與陽極排氣混合，且將所得混合物提供至陽極排氣冷卻器340。接著，經由燃料排氣處理器400投送混合物且將其提供至混合器316。混合器316經組態以將蒸汽及陽極排氣之第一部分與新鮮燃料(即，燃料入口流)混合。接著，可將此含濕氣之燃料混合物在提供至堆疊302之前在陽極復熱器310中藉由陽極排氣加熱。系統300亦可包含位於陽極復熱器310內部及/或下游之一或多種燃料重組催化劑。在將含濕氣之燃料混合物提供至堆疊302之前，(多種)重組催化劑對該含濕氣之燃料混合物進行重組。
系統300可另外為經組態以控制系統300之各個元件之系統控制器325。系統控制器325可包含經組態以執行所儲存之指令之中央處理單元。舉例而言，系統控制器325可經組態以根據燃料組成資料來控制經由系統300之燃料及/或空氣流。
圖4A及圖4B繪示根據本發明之各種實施例之蒸發器。蒸發器係將水或另一液體轉換成蒸氣之加熱元件裝置。舉例而言，如結合圖2A及圖2B所描述之蒸汽產生器104係蒸發器。雖然繪示了線圈及沉浸式線圈類型裝置，但可使用其他加熱元件類型，包括金屬、陶瓷及聚合物。在電解器燃料電池系統中，(例如，自蒸汽產生器104接收作為進氣之)蒸發器410A、410B藉由蒸發作為進氣之液態水將蒸汽分別饋送至熱箱450A、450B (例如，亦有熱箱250)之水管道422A、422B。
如圖4A中所繪示，蒸發器410A可在熱箱450A內部。替代地，如圖4B中所繪示，蒸發器410B可在熱箱450B外部。在一些實施例中，可使用多個蒸發器，包括在內部及外部整合至熱箱此兩者之組合。在一些實施例中，可使用多個蒸發器，包括蒸汽產生器(例如，蒸汽產生器104)及蒸發器410A及/或410B之組合。
圖5A繪示單一蒸發器，且圖5B繪示根據本發明之各種實施例之多蒸發器陣列。在各種實施例中，可使用不同蒸發設計及加熱元件，例如沉浸型蒸發器，如圖5A中所繪示，或多蒸發器陣列(或「多加熱器陣列」)，如圖5B中所繪示。一或多個蒸發器可在實體上安裝至熱箱。安裝至熱箱可藉由附接將饋入之液態水轉換成飽和或過熱蒸汽之單一蒸發器或多加熱器陣列來實現。在另一實例中，蒸發器可安置於多個(例如，相鄰)堆疊100之間，如圖6中所繪示。圖6係具有如結合圖1至圖5描述之元件之SOEC熱箱650的示意圖。舉例而言，SOEC熱箱650包括陰極進水口601、進水口604、水預熱器602、陽極空氣入口603、空氣預熱器654、陽極出氣口608、陰極氫氣出口609、蒸發器610、中央加熱器611、超級加熱器612 (次級或另一加熱器)、視情況選用的額外加熱器613、陰極復熱器620、陽極復熱器621及堆疊600A、600B。在又一實例中，獨立蒸汽產生器(例如，蒸汽產生器104)可經組態為熱箱之蒸發器。
蒸發器610 (特別係內部蒸發器)之另一態樣係例如在蒸發器410A、410B之殼體底部之流體排放。返回至圖6，隨時間推移，歸因於水中之污染物可導致水垢堆積，且此將在蒸發器內部引起不良熱傳遞。為了避免此情況，可自蒸發器610週期性地排出小百分比之入口水以去除水垢。
SOEC系統之安裝位點各不相同，有些安裝位點有可用蒸汽，有些安裝位點沒有可用蒸汽。取決於安裝位點，輸入蒸汽可來自內部蒸發器或外部蒸汽源。在本發明之一些實施例中，電解器系統經組態以容納來自內部蒸發器或外部蒸汽源之輸入蒸汽。
圖7繪示根據本發明之各種實施例的具有蒸汽入口730、740及再循環迴路之電解器蒸汽選擇器模組700的頂部透視圖。如所展示，電解器蒸汽選擇器模組700包括氫氣入口710、再循環吹風機718、內部蒸汽入口730及外部蒸汽入口740。電解器蒸汽選擇器模組700在製造時實現對外部或內部蒸汽之選擇。
對於內部蒸汽組態，使用蓋帽、填隙片或凸緣阻擋外部蒸汽入口740。此處，用於外部蒸汽入口740之管件保持於電解器系統中且未使用。對於外部蒸汽組態，在內部蒸汽入口730上使用蓋帽、填隙片或凸緣且可使用安裝托架(例如，811)拆卸內部蒸發器(例如，410、810)。圖8繪示根據本發明之各種實施例的具有內部蒸發器810之電解器蒸汽選擇器模組800的側透視圖。如所展示，可使用安裝托架811自電解器蒸汽選擇器模組800拆卸內部蒸發器810。
因此，電解器蒸汽選擇器模組800及其模組化設計使得相同組件能夠與內部蒸發器810或外部蒸汽源一起使用。因此，實施例使得能夠安裝內部蒸汽組態且接著一旦形成用於安裝位點之架構便容易地切換至外部蒸汽組態。另外，電解器蒸汽選擇器模組800不更改SOEC系統之封裝/佔用面積，且其他組態特定設備不需要更改。此歸因於用於此兩個組態中之類似部分而實現製造成本節約。此進一步節約在內部及外部蒸汽組態之間轉變之服務成本。單元按預期操作且無需組態獨特的管件。
在本發明之一些實施例中，在SOEC系統中再循環蒸汽。圖9係根據本發明之各種實施例之SOEC系統900。如圖9中所繪示，SOEC系統900包括空氣管道905、空氣吹風機906、蒸汽管道910、再循環蒸汽入口911、再循環蒸汽出口921、熱箱950、視情況選用的氫氣管道930、富集空氣管道925、蒸汽及氫氣產物出口920、分離器960及蒸汽再循環吹風機970。
根據實例組態及操作，蒸汽管道910處輸入之蒸汽(例如，在不同壓力下之供應位點或設施蒸汽)可具有介於約100℃與110℃之間(例如，105℃)之溫度及約1 psig之壓力。在各種實施例中，蒸汽可自外部源輸入至SOEC系統900或可在局部產生。替代地或另外，水可輸入至SOEC系統900並蒸發。
空氣管道905處之空氣輸入(例如，環境空氣)可為在局部大氣壓力下可能介於約-20℃與+45℃之間的環境溫度。在空氣吹風機906處接收來自空氣管道905之空氣，且歸因於壓縮熱，空氣吹風機906輸出之空氣之溫度略微高於環境溫度。舉例而言，相較於20℃周圍空氣溫度，空氣吹風機906輸出之空氣溫度可為1.0 psig下約30℃。
當SOEC系統900未以其他方式另外產生氫氣時，可能僅需要來自視情況選用的氫氣管道930之氫氣以用於起動及瞬變。舉例而言，不再需要處於穩態的單獨氫氣饋料流或氫氣再循環蒸汽。此氫氣流之壓力為現場構造時之設計選項，且可在約5 psig與3000 psig之間。溫度很可能接近環境，因為其很可能來自儲存裝置。
空氣管道905處之空氣輸入、蒸汽管道910處之蒸汽輸入及視情況選用的氫氣管道930處之氫氣輸入被輸入至熱箱950。反過來，熱箱950在熱箱950之蒸汽及氫氣產物出口920處輸出蒸汽及氫氣產物H 2-H 2O-G，其中G表示總體。熱箱輸出H 2-H 2O-G可具有約100℃與180℃之間的溫度(例如130℃)，約0.1與0.5 psig之間的壓力。
另外，將熱箱輸出H 2-H 2O-G輸入至分離器960且分裂成蒸汽再循環料流RECH 2OLP，其中LP表示低壓，且淨產物為H 2-H 2O-N，其中N表示淨值(例如，用於商業使用或儲存之輸出物)。此處，淨產物H 2-H 2O-N可具有約100℃與180℃之間的溫度(例如130℃)，約0.1 psig與0.5 psig之間的壓力。蒸汽再循環料流RECH 2OLP可具有約100℃與180℃之間的溫度(例如130℃)，約0.1 psig與0.5 psig之間的壓力。熱箱950可進一步在富集空氣管道925處輸出富集空氣，該富集空氣可在基本上局部大氣壓力(例如小於0.5 psig或小於0.05 psig)下具有約120℃與300℃之間的溫度。
將蒸汽再循環料流RECH 2OLP輸入至蒸汽再循環吹風機970。所得再循環蒸汽REC-STM可具有約100℃與180℃之間的溫度(例如，140℃)、約0.5與1.5 psig之間的壓力(例如，約1 psig)，且在再循環蒸汽入口911處輸入至熱箱950中。藉由蒸汽再循環出口921將額外蒸汽或熱供應至再循環蒸汽入口911，該蒸汽再循環出口捕獲熱箱950之排氣熱(例如，約280℃)。在一些實施例中，可不存在再循環蒸汽所包括之再循環氫氣饋料。
自圖9中可理解，與具有內部蒸汽發生之SOEC組態相比，蒸汽管道910處之進入蒸汽溫度(例如105℃)較低。使用來自再循環蒸汽出口921之內部蒸汽產生及來自蒸汽管道910之外部蒸汽產生，可將複數個再循環迴路組態至SOEC系統。換言之，再循環蒸汽入口911經組態以接收來自蒸汽管道910及/或再循環蒸汽出口921之蒸汽。此處，實施例視情況引導來自蒸汽管道910之設施供應之蒸汽，通常係飽和的且在約105℃之溫度下，通過內部蒸汽產生線圈、一或多個蒸發器及/或其他加熱元件，且在富集空氣管道925處釋放熱之前，使用空氣排氣熱(例如，約280℃)進一步加熱(即，過熱)蒸汽供應。
因此，大約有2至3 kW之能量可用於預熱再循環蒸汽出口921處之蒸汽。結果，進入熱箱之蒸汽溫度增加至140℃與160℃之間。
如上文所論述，實例SOEC熱箱(例如，250、350、450、650、950)包括許多加熱元件，例如空氣預熱器654 (或「主加熱器」)、中央加熱器611 (或「副加熱器」)、過熱器612 (或「另一加熱器」)、視情況選用的加熱器613、蒸發器610等。雖然電加熱器在行業內廣泛用於高溫加熱中，但針對熱箱之最佳效能來選擇加熱器類型及功率位準。SOEC熱箱通常在起動及穩態操作期間利用連續熱輸入，且使用電加熱器實現。因此，本發明之實施例包括供用作主加熱器及/或副加熱器之一些加熱器組態。由於熱均勻性係關鍵因素，因此總加熱器功率(例如，30 kW)可劃分成多個區(例如兩個區)且在不同位置，例如主加熱器及副加熱器處供應。易於理解的是加熱器組態可易於應用至SOEC熱箱及系統之其他加熱元件。
圖10A至圖10E繪示根據本發明之各種實施例之加熱器組態的透視圖。
如圖10A中所繪示，加熱器1010 (例如，圓筒形加熱器)具有多層結構，包括外部絕緣層1011 (例如，3吋厚)、位於外部絕緣層1011內部之外部鉻鎳鐵合金層1015、藉由複數個陶瓷間隔件1013相隔設定之複數個加熱線圈1012、複數個加熱線圈1012及複數個陶瓷間隔件1013，其安置於內部鉻鎳鐵合金層1014與外部鉻鎳鐵合金層1015之間以使得接收冷卻器空氣且沿著鉻鎳鐵合金層之間的間距輸出加溫器空氣。此處，環狀加熱線圈1012橫穿圓筒形加熱器1010之圓周。加熱器1010係支撐於無殼圓筒之間的陶瓷間隔件中之實例開圈系統。
如圖10B中所繪示，加熱器1020 (例如，圓筒形加熱器)具有多層結構，包括外部絕緣層1021 (例如，3吋厚)、位於外部絕緣層1021內部之外部鉻鎳鐵合金層1025、藉由複數個陶瓷管1023相隔設定之複數個加熱線圈1022、複數個加熱線圈1022及複數個陶瓷管1023，其安置於內部鉻鎳鐵合金層1024與外部鉻鎳鐵合金層1025之間以使得接收冷卻器空氣且沿著鉻鎳鐵合金層之間的間距輸出加溫器空氣。空氣流可使用導向葉片成角度地分流以提高通過加熱器管線之熱傳遞，如圖11A中所示。返回至圖10B，蜿蜒蛇形加熱線圈(或「加熱迴路」) 1022在豎直方向上橫穿圓筒形加熱器1020。加熱器1020係支撐於陶瓷管中之實例開圈系統。展示了蜿蜒蛇形線圈，但顯然，其他幾何圖案係可能的。
在另一實例中，如圖10C中所繪示，加熱器1030具有多層結構，包括外筒層1031、藉由複數個安裝托架1033 (例如，鈑金支架)相隔設定之複數個加熱線圈1032、複數個加熱線圈1032及複數個安裝托架1033，其安置於內筒層1034與外筒層1031之間以使得接收冷卻器空氣且沿著內筒層與外筒層之間的間距輸出加溫器空氣。此處，蜿蜒蛇形加熱線圈1032橫穿圓筒形加熱器1030之圓周。許多線圈形狀係可行的，例如U形、M形、環狀等等。舉例而言，圖10D之加熱器1040類似於加熱器1030，不同之處在於使用環管翅片型加熱元件1042。加熱器1030及1040係安置於金屬圓筒之間的實例管加熱器。
在又一實例中，如圖10E中所繪示，加熱器1050具有多層結構，包括絕緣層1051、至少部分地安置於絕緣層1051內之複數個加熱線圈1052、安置於內部鉻鎳鐵合金層1054與外部絕緣層1051之間的複數個加熱線圈1512。加熱器1050係插入於陶瓷絕緣溝槽(即，整合之外部絕緣)內部之實例線圈元件。
圖10A至圖10E繪示各種加熱器組態，但實施例不限於此。開圈設計可在極高溫度下連續運行且適用於SOEC熱箱應用。若使用金屬圓筒，則存在與金屬外圓筒電短接之風險，此使用絕緣材料或塗層容易地解決。替代地，可使用無需任何額外絕緣之管加熱器，但最大操作溫度可受限於標稱最大溫度，例如900至1000℃或920至940℃。
圖11A及圖11B繪示根據本發明之各種實施例之加熱器耦接總成1115。如圖11A中所繪示，圓筒形加熱器1110包括加熱器耦接總成1115。加熱器耦接總成1115包括加熱線圈1116之遠端、釺焊管1117及壓配合頂帽1118。釺焊管1117越過加熱線圈1116且釺焊至其上。此提供更多材料來確保在與頂帽1118壓配合期間加熱線圈1116之實體完整性，如由圖11B之1126A處加熱器1120之耦接所示。釺焊管1117亦可用於直接焊接頂帽或通過頂帽插入，隨後可緊固至熱箱之基底上，如由圖11B之1126B處加熱器1120之耦接所示。
圖12A及圖12B繪示根據本發明之各種實施例的用於蒸汽加熱區1230之加熱器總成。如上文所論述，加熱器(例如，1020、1110)可利用相對於圓柱形殼體豎直定向之加熱器迴路。類似地，可在蒸汽加熱區內部(例如，SOFC中之ATO 330內)使用豎直定向之加熱器迴路直接加熱堆疊及/或燃料電池柱，如圖12A中所示。此處，加熱器迴路豎直定向且安裝於圓柱形殼體之外表面上。舉例而言，蒸汽加熱區1230可包括複數列豎直定向之加熱器迴路1210。如圖12B中所繪示，加熱器1211安置於1230之蒸汽路徑內。各種加熱器組態係可行的，例如螺旋線線圈1212。在不考慮使用哪種加熱器組態的情況下，應防護加熱器之末端免受蒸汽影響以確保加熱器可靠性。使用耦接總成1115，如結合圖11A及圖11B所論述，蒸汽應保持在底板1213上方。
對熟習此項技術者而言顯而易見的是，可在不脫離本發明之精神或範疇的情況下在用於本發明之固體氧化物電解器之蒸發器及外部蒸汽中做出各種修改及變化。因此，希望本發明涵蓋本發明之修改及變化，其限制條件為此等修改及變化在所附申請專利範圍及其等效物之範疇內。
1:固體氧化物電池 3:空氣電極 5:固體氧化物電解質 7:燃料電極 8:燃料通道 9:層 10:互連件 22:內部燃料上升管通道 30:燃料入口 50:水源 52:氫氣儲存裝置 54:空氣預熱器 100:固體氧化物電池堆疊 102:水預熱器 104:蒸汽產生器 106:混合器 108:蒸汽復熱器 110:蒸汽加熱器 112:空氣復熱器 114:空氣加熱器 116:氫氣分流器 118:空氣吹風機 125:控制器 200:電解器系統 250:熱箱 300:固體氧化物燃料電池(SOFC)系統 301A:燃料管道 301B:燃料管道 301C:燃料管道 301D:燃料管道 302:燃料電池堆疊 302A:空氣管道 302B:空氣管道 302C:空氣管道 304A:陰極排氣管道 304B:陰極排氣管道 304C:陰極排氣管道 306A:陽極排氣管道 306B:陽極排氣管道 306C:陽極排氣管道 308A:第一再循環管道 308B:第二再循環管道 310:陽極復熱器 312:催化部分氧化(CPOx)反應器 314:CPOx吹風機 316:混合器 318:陽極再循環吹風機 320:陰極復熱器 325:系統控制器 330:陽極尾氣氧化器(ATO) 340:陽極排氣冷卻器 342:主空氣吹風機 350:熱箱 360:水噴射器 372:渦流產生器 380:變換反應器 400:燃料排氣處理器 410A:蒸發器 410B:蒸發器 422A:水管道 422B:水管道 450A:熱箱 450B:熱箱 500:氫氣處理器 502:輸出管道 502A:第一輸出管道 502B:第二輸出管道 504:氫氣儲存裝置或罐 510:氫氣吹風機 520:CO 2處理器 524:CO 2儲存裝置 530:分水裝置 600A:堆疊 600B:堆疊 601:陰極進水口 602:水預熱器 603:陽極空氣入口 604:進水口 608:陽極出氣口 609:陰極氫氣出口 610:蒸發器 611:中央加熱器 612:超級加熱器 613:額外加熱器 620:陰極復熱器 621:陽極復熱器 650:SOEC熱箱 654:空氣預熱器 700:電解器蒸汽選擇器模組 710:氫氣入口 718:再循環吹風機 730:蒸汽入口 740:蒸汽入口 800:電解器蒸汽選擇器模組 810:內部蒸發器 811:安裝托架 900:SOEC系統 905:空氣管道 906:空氣吹風機 910:蒸汽管道 911:再循環蒸汽入口 920:氫氣產物出口 921:再循環蒸汽出口 925:富集空氣管道 930:氫氣管道 950:熱箱 960:分離器 970:蒸汽再循環吹風機 1010:加熱器 1011:外部絕緣層 1012:加熱線圈 1013:陶瓷間隔件 1014:內部鉻鎳鐵合金層 1015:外部鉻鎳鐵合金層 1020:加熱器 1021:外部絕緣層 1022:加熱線圈 1023:陶瓷管 1024:內部鉻鎳鐵合金層 1025:外部鉻鎳鐵合金層 1030:加熱器 1031:外筒層 1032:加熱線圈 1033:安裝托架 1034:內筒層 1040:加熱器 1042:環管翅片型加熱元件 1050:加熱器 1051:外部絕緣層 1052:加熱線圈 1054:內部鉻鎳鐵合金層 1110:圓筒形加熱器 1115:加熱器耦接總成 1116:加熱線圈 1117:釺焊管 1118:壓配合頂帽 1120:加熱器 1126A:加熱器上之釺焊管 1126B:焊接接頭 1210:加熱器迴路 1211:加熱器 1212:螺旋線線圈 1213:底板 1230:蒸汽加熱區
隨附圖式被包括在內以提供對本發明之進一步理解，且併入在本說明書中並構成本說明書之一部分，其繪示本發明之實施例並與描述內容一起用來闡釋本發明之原理。
圖1A係固體氧化物電解電池(SOEC)堆疊的透視圖，且圖1B係圖1A之堆疊之一部分的側視橫截面圖。
圖2A及圖2B係展示根據本發明之各種實施例的經由電解器系統之製程流程之製程流程圖的示意圖。
圖3係根據本發明之各種實施例之固體氧化物燃料電池(SOFC)系統的示意性表示。
圖4A及圖4B繪示根據本發明之各種實施例之蒸發器。
圖5A繪示單一蒸發器，且圖5B繪示根據本發明之各種實施例之多蒸發器陣列。
圖6係根據本發明之各種實施例之SOEC熱箱的示意圖。
圖7繪示根據本發明之各種實施例的具有蒸汽入口及再循環迴路之電解器蒸汽選擇器模組的頂部透視圖。
圖8繪示根據本發明之各種實施例的具有蒸發器之電解器蒸汽選擇器模組的側透視圖。
圖9係根據本發明之各種實施例之SOEC系統900。
圖10A至圖10E繪示根據本發明之各種實施例之加熱器組態的透視圖。
圖11A及圖11B繪示根據本發明之各種實施例之加熱器耦接總成。
圖12A及圖12B繪示根據本發明之各種實施例的用於陽極尾氣區之加熱器總成。
104:蒸汽產生器
410A:蒸發器
422A:水管道
450A:熱箱

Claims (15)

  1. 一種電解器系統，其包含： 熱箱； 一或多個堆疊，其安置於該熱箱內； 燃料排氣管道，其接收由該堆疊輸出之燃料排氣； 燃料排氣分離器，其自該燃料排氣分離液體；及 再循環管道，其以流體方式將該燃料排氣連接至該燃料入口管道。
  2. 如請求項1之電解器系統，其中該再循環管道耦接至由該熱箱輸出之蒸汽。
  3. 如請求項1之電解器系統，其中該再循環管道耦接至外部蒸汽源。
  4. 如請求項1之電解器系統，其另外包含經組態以自該熱箱內部或該熱箱外部選擇蒸汽之切換模組，其中使用來自內部蒸發器之蒸汽且接著切換至來自該熱箱外部之源之蒸汽。
  5. 如請求項1之電解器系統，其另外包含將蒸汽供應至該熱箱之蒸發器。
  6. 如請求項1之電解器系統，其另外包含處於該熱箱內部或外部之蒸發器。
  7. 如請求項1之電解器系統，其另外包含安裝在該熱箱外部之多蒸發器陣列。
  8. 如請求項1之電解器系統，其另外包含經組態以將該氫氣及蒸汽排氣流之一部分再循環回至該堆疊之蒸汽再循環吹風機。
  9. 如請求項1之電解器系統，其另外包含將該氫氣及蒸汽排氣之一部分供應至該蒸汽再循環吹風機之分離器。
  10. 如請求項1之電解器系統，其中該電解電池堆疊經組態以接收蒸汽及氫氣。
  11. 如請求項1之電解器系統，其中該電解電池堆疊經組態以在該SOEC系統在穩定狀態下操作時中止接收氫氣。
  12. 如請求項1之電解器系統，其中該電解電池堆疊經組態以在起動、關機期間或在該SOEC系統不產生氫氣時接收氫氣。
  13. 如請求項1之電解器系統，其另外包含處於該熱箱內部之主加熱器及副加熱器。
  14. 如請求項13之電解器系統，其中該主加熱器及該副加熱器中之各者具有開型線圈結構。
  15. 如請求項1之電解器系統，其另外包含處於該熱箱內部且具有豎直定向之蜿蜒蛇形迴路的加熱器。
TW112100744A 2022-01-07 2023-01-07 用於固體氧化物電解器的蒸發器和外部蒸汽 TW202340534A (zh)

Applications Claiming Priority (8)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202263297608P 2022-01-07 2022-01-07
US202263297602P 2022-01-07 2022-01-07
US202263297687P 2022-01-07 2022-01-07
US202263297614P 2022-01-07 2022-01-07
US63/297,614 2022-01-07
US63/297,602 2022-01-07
US63/297,608 2022-01-07
US63/297,687 2022-01-07

Publications (1)

Publication Number Publication Date
TW202340534A true TW202340534A (zh) 2023-10-16

Family

ID=84888572

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW112100744A TW202340534A (zh) 2022-01-07 2023-01-07 用於固體氧化物電解器的蒸發器和外部蒸汽

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20230220577A1 (zh)
EP (1) EP4209621A1 (zh)
JP (1) JP2023101411A (zh)
KR (1) KR20230107139A (zh)
CN (1) CN116417646A (zh)
CA (1) CA3186052A1 (zh)
TW (1) TW202340534A (zh)

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014139823A1 (en) * 2013-03-11 2014-09-18 Topsøe Fuel Cell A/S Sofc stack with integrated heater
FR3056230B1 (fr) * 2016-09-19 2020-02-28 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Systeme d'electrolyse reversible de l'eau a haute temperature comportant un reservoir d'hydrures couple a l'electrolyseur
JP2022180308A (ja) * 2021-05-03 2022-12-06 ブルーム エネルギー コーポレイション 水素ポンプを含む固体酸化物型電解槽システム、及び固体酸化物型電解槽システムを動作させる方法
US20220372636A1 (en) * 2021-05-18 2022-11-24 Bloom Energy Corporation Electrolyzer system with steam generation and method of operating same
KR20230016064A (ko) * 2021-07-16 2023-01-31 블룸 에너지 코퍼레이션 스팀 생성을 이용하는 전해조 시스템 및 이의 동작 방법

Also Published As

Publication number Publication date
EP4209621A1 (en) 2023-07-12
CN116417646A (zh) 2023-07-11
JP2023101411A (ja) 2023-07-20
CA3186052A1 (en) 2023-07-07
KR20230107139A (ko) 2023-07-14
US20230220577A1 (en) 2023-07-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7201979B2 (en) SORFC system and method with an exothermic net electrolysis reaction
US7846599B2 (en) Method for high temperature fuel cell system start up and shutdown
US20100266923A1 (en) Fuel cell system with electrochemical hydrogen pump and method of operating same
EP2174374A1 (en) Fuel cell system and method of operating the fuel cell system
EP2461407B1 (en) Fuel cell device
WO2010123146A1 (en) Method of controlling a fuel cell system
AU678482B2 (en) High-temperature fuel cell installation
US20220372636A1 (en) Electrolyzer system with steam generation and method of operating same
CN115395047A (zh) 共用系统部件甲烷-电-氢可逆固体氧化物燃料电池系统
JP2006236599A (ja) 燃料電池発電装置の水回収方法
US20140202167A1 (en) Power generation system
US11309563B2 (en) High efficiency fuel cell system with hydrogen and syngas export
US20230013942A1 (en) Electrolyzer system with steam generation and method of operating same
RU2327257C1 (ru) Система топливных элементов
TW202340534A (zh) 用於固體氧化物電解器的蒸發器和外部蒸汽
US20230155214A1 (en) Electrolyzer system with steam generation and method of operating same
US20030157381A1 (en) Polymer electrolyte fuel cell based heat and power generation unit
CN116445948A (zh) 伴随蒸汽生成的电解器系统和其操作方法
WO2004086585A2 (en) Sorfc system and method with an exothermic net electrolysis reaction
US20230378493A1 (en) Hydrogen powered fuel cell system including condenser and method of operating the same using pressure control
CN117727981A (zh) 一种包括水蒸气换热层的燃烧重整器和可逆固体氧化物电池及应用
JP2002056879A (ja) 水電解装置−リン酸形燃料電池系発電システム
CN117080484A (zh) 氢动力燃料电池系统和操作所述系统的方法
JP2022073312A (ja) 燃料電池発電システム、及び、燃料電池発電システムの制御方法
CN115807232A (zh) 一种固体氧化燃料电解池的氢热联产系统