TW202405245A - 蒸汽用途及安全系統 - Google Patents
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Abstract
一種固體氧化物電解電池(SOEC)系統，其包括經組態以接收水或蒸汽與氫氣之組合之電解電池的堆疊，及經組態以再循環該水或蒸汽之一部分之蒸汽再循環出口。
Description
本發明之實施例大體上係關於固體氧化物電解器(SOEC)機械系統、蒸汽使用及相關安全系統。
電化學裝置，如燃料電池，可將儲存於燃料中之能量以高效率轉化成電能。在燃料電池系統(如固體氧化物燃料電池(SOFC)系統)中，使氧化流通過燃料電池之陰極側，同時使燃料管道流通過燃料電池之陽極側。氧化流典型地為空氣，而燃料流可為烴燃料，如甲烷、天然氣、液化石油氣(LPG)/丙烷、乙醇或甲醇。燃料電池能夠實現帶負電荷之氧離子自陰極流物料流至陽極流物料流之傳輸，其中離子與烴分子中之游離氫或氫組合以形成水蒸氣及/或與一氧化碳組合以形成二氧化碳。來自帶負電荷之離子之過量電子通過在陽極與陰極之間完成的電路被引導回燃料電池之陰極側，從而導致電流流過電路。燃料電池系統可包括多個熱箱，其中之各者可產生電力。熱箱可包括將氧化燃料提供至一或多個燃料堆疊之燃料管道物料流，其中燃料在電力產生期間經氧化。
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)。SOEC位於熱箱中。在SOFC模式中，氧化物離子自陰極側(空氣)輸送至陽極側(燃料)，且驅動力為跨越電解質之氧氣之分壓的化學梯度。在SOEC模式中，正電勢施加至電池之空氣側，且氧離子此刻自蒸汽側傳輸至空氣側。因為陰極及陽極在SOFC與SOEC之間係相反的(亦即，SOFC陰極為SOEC陽極，且SOFC陽極為SOEC陰極)，所以SOFC陰極(SOEC陽極)可被稱作空氣電極，且SOFC陽極(SOEC陰極)可被稱作蒸汽電極。
在SOEC模式期間，燃料流中之水減少(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，且接著在空氣側上氧化(O
2-至O
2)以產生分子氧。由於以空氣及濕燃料(氫氣、重整天然氣)操作之SOFC之開路電壓為約0.9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1.45 V之典型操作電壓。
因此，本發明係關於各種蒸汽使用及安全系統，其基本上消除了由於相關技術之限制及缺點引起的一或多個問題。
本發明之實施例操作具有所需安全系統之SOEC，以防止由於氫洩漏或其他故障造成之損害及危險。為了操作SOEC，需要機械系統及組件來提供所需的水、空氣及啟動燃料。亦包括安全系統以保護系統，以及更重要地，防止火災及其他對周圍環境及附近人員之損害。其他SOEC系統可能包括危險位置裝置或燃料組件之雙重圍阻。
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，或者可通過實踐本發明而習得。本發明之目標及其他優點將通過在書面描述及其申請專利範圍以及附圖中特別指出之結構來實現及獲得。
應理解，前述一般描述以及以下詳細描述均為例示性及解釋性的，且旨在為如主張之本發明提供進一步解釋。
將參考附圖詳細描述各種實施例。在可能的情況下，貫穿附圖，將使用相同的附圖標記來指代相同或相似的部分。對特定實例及實施方案作出之參考係出於說明性目的，且並不意欲限制本發明實施例或申請專利範圍之範疇。
值及範圍在本文中可被表示為自「約」一個特定值，及/或至「約」另一個特定值。當表示此類範圍時，實例包括自一個特定值及/或至另一個特定值。類似地，當數值通過使用先行詞「約」或「基本上」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。應進一步理解，上述範圍中之各範圍之端點在與另一端點相關以及獨立於另一端點之情況下均為有效的。值及範圍提供實例，但本發明之實施例不限於此。
熟習此項技術者將顯而易見，可在不脫離本發明之精神及範疇之情況下對本發明作出各種修改及改變。由於熟習此項技術者可進行並有本發明之精神及主旨之所揭示實施例的修改組合、子組合及改變，因此本發明應當被解釋為包括在所附申請專利範圍及其等效物之範疇內之所有事物。
在本發明實施例之各種實施例中，蒸汽在SOEC系統中再循環。
圖1為根據本發明之例示實施例之SOEC系統100。
如圖1中所繪示，SOEC系統100包括空氣管道105、空氣鼓風機106、蒸汽管道110、再循環蒸汽入口111、再循環蒸汽出口121、熱箱150、視情況選用之氫氣管道130、富集空氣管道125、蒸汽及氫氣產物出口120、分離器160及蒸汽再循環鼓風機170。
根據例示組態及操作，蒸汽管道110處之蒸汽輸入(例如，以不同壓力供應現場或設施蒸汽)可具有約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，可自外部源將蒸汽輸入至SOEC系統100，或可局部產生蒸汽。在一些實施例中，多個蒸汽入口可經組態以分別接收外部及局部蒸汽。或者或另外，可將水輸入至SOEC系統100且汽化。
空氣管道105處之空氣輸入(例如，環境空氣)可為環境溫度，可能在局部氣壓下在約-20℃與+45℃之間。來自空氣管道105之空氣在空氣鼓風機106處接收，且歸因於壓縮熱，由空氣鼓風機106輸出之空氣之溫度將略高於環境。舉例而言，相比於20℃環境空氣溫度，通過空氣鼓風機106輸出之空氣之溫度可在1.0 psig下為約30℃。
當SOEC系統100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之氫氣管道130之氫氣以用於啟動及瞬變。舉例而言，不再需要處於穩態之單獨氫氣進料物料流或氫氣再循環蒸汽。此氫氣物料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105處之空氣輸入、蒸汽管道110處之蒸汽輸入及視情況選用之氫氣管道130處之氫氣輸入被輸入至熱箱150。反之，熱箱150在熱箱150之蒸汽及氫氣產物出口120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160且分裂成蒸汽再循環物料流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。蒸汽再循環物料流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150可進一步在富集空氣管道125處輸出富集空氣，該富集空氣可在基本上局部之氣壓(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。
將蒸汽再循環物料流RECH
2OLP輸入至蒸汽再循環鼓風機170。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111處輸入至熱箱150中。通過蒸汽再循環出口121將額外蒸汽或熱量供應至再循環蒸汽入口111，該蒸汽再循環出口捕獲熱箱150之排氣熱量(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進料。
自圖1中可理解，與具有內部蒸汽發生之SOEC組態相比，蒸汽管道110處之進入蒸汽溫度(例如105℃)較低。使用來自再循環蒸汽出口121之內部蒸汽生成及來自蒸汽管道110之外部蒸汽生成，可將多個再循環迴路組態至SOEC系統。換言之，再循環蒸汽入口111經組態以接收來自蒸汽管道110及/或再循環蒸汽出口121之蒸汽。此處，實施例視情況使設施供應之蒸汽自蒸汽管道110 (通常飽和且溫度約為105℃)通過內部蒸汽生生盤管、一或多個汽化器及/或其他加熱元件，且使用排氣熱量(例如，約280℃)進一步加熱(亦即，過熱)蒸汽供應，然後通過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處釋放熱量。
因此，在一些實施例中，大約有2-3kW之能量可用於預熱再循環蒸汽出口121處之蒸汽。結果，進入熱箱之蒸汽溫度增加至140℃與160℃之間。
圖2為根據本發明之另一例示實施例之SOEC系統200過程流程圖。SOEC系統200之組件與結合圖1所描述之SOEC系統100之組件類似，且現將描述系統200與100之間的差異。
在例示實施例中，SOEC系統200不需要使用輸入蒸汽管道110及再循環蒸汽出口121。替代地，SOEC系統200利用外部蒸汽210以及經加熱去離子水管道205。去離子水管道205之去離子水可由加熱器206加熱。氫氣由輸入氫氣管道225供應。外部蒸汽210、輸入氫氣管道225及經加熱去離子水管道205中之各者在蒸汽再循環鼓風機170下游之再循環迴路上供應，如圖2中所示。所得氫氣及蒸汽產物在再循環蒸汽入口111處輸入。
圖3為根據本發明之另一例示實施例之SOEC系統300過程流程圖。SOEC系統300之組件與結合圖1所描述之SOEC系統100之組件類似，且現將描述系統300與100之間的差異。
在例示實施例中，SOEC系統300不需要使用輸入蒸汽管道110以及再循環迴路，因為不使用分流器160及蒸汽循環鼓風機170，以及其下游。相反，SOEC系統300通過加熱在進水口310處接收之去離子水管道305之去離子水來產生內部蒸汽。再循環蒸汽出口121之蒸汽出口被汽化器320進一步加熱且與輸入氫氣管道325之氫氣混合。所得氫氣及蒸汽產物在再循環蒸汽入口111處輸入，如圖3中所示。
圖4為根據本發明之另一例示實施例之SOEC系統400過程流程圖。SOEC系統400之組件與結合圖1所描述之SOEC系統100之組件類似，且現將描述系統400與100之間的差異。
在例示實施例中，SOEC系統400不需要使用輸入蒸汽管道110以及再循環迴路，因為不使用分流器160及蒸汽循環鼓風機170，以及其下游。相反，SOEC系統400通過加熱在進水口410處接收之去離子水管道405之去離子水來產生內部蒸汽。再循環蒸汽出口121之蒸汽出口被汽化器420進一步加熱且與輸入氫氣管道425之氫氣混合。在一些組態中，除霧器(未示出)被包括在汽化器420之輸出處。在一些組態中，多餘的蒸汽可排放至富集空氣管道125。所得氫氣及蒸汽產物在再循環蒸汽入口111處輸入，如圖4中所示。
圖5為根據本發明之另一例示實施例之SOEC系統500過程流程圖。SOEC系統500之組件與結合圖1所描述之SOEC系統100之組件類似，且現將描述系統500與100之間的差異。
在例示實施例中，SOEC系統500不需要使用輸入蒸汽管道110以及再循環迴路，因為不使用分流器160及蒸汽循環鼓風機170，以及其下游。相反，SOEC系統500通過加熱在進水口510處接收之去離子水管道505之去離子水來產生內部蒸汽。再循環蒸汽出口121之蒸汽出口由水監測系統520 (例如液位感測器浮子型)調節。由水監測系統520釋放且視情況加熱及除霧之蒸汽與輸入氫氣管道525之氫氣混合。所得氫氣及蒸汽產物在再循環蒸汽入口111處輸入，如圖5中所示。
在本文中所述之各種實施例中之各者中，一或多個偵測器可用於偵測安全事件。舉例而言，可使用一或多個壓力偵測器及一或多個熱偵測器。可沿著輸入氫氣管道(例如225、325、425、525)置放一或多個壓力偵測器以偵測欠壓(例如，低於5 PSI)及過壓(例如，超過5 PSI)。若壓力偵測器跳閘，則系統(亦即熱箱150)關閉。另外，一或多個熱偵測器可置放在熱箱之機櫃內以偵測過熱(例如，超過230℃)。例如由富集空氣鼓風機126提供及維持機櫃通風。若熱偵測器跳閘，則系統(亦即熱箱150)關閉。
當SOEC系統在穩定狀態下運行或偵測到安全事件時，SOEC系統(例如，100、200、300、400、500)停止接收氫氣。另外，熱箱150中之電解電池之堆疊可經組態以在SOEC系統啟動、關閉時或當SOEC系統不產生氫氣或不產生足夠的氫氣時接收氫氣。
因此，各種實施例提供SOEC機械系統及相關安全系統。為了操作SOEC，需要機械系統及組件來提供水、空氣及啟動燃料。安全系統亦保護系統免受火災及其他對周圍環境及附近人員之損害。使用所需的安全系統運行SOEC可防止因氫氣洩漏及/或其他故障而造成之損害及危險。其他SOEC系統可包括危險位置裝置或燃料組件之雙重圍阻。
對於熟習此項技術者將顯而易見的是，在不脫離本發明之精神或範疇之情況下，可對本發明之蒸汽使用及安全系統進行各種修改及變化。因此，希望本發明涵蓋本發明之修改及變化，前提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。
100:SOEC系統
105:空氣管道
106:空氣鼓風機
110:蒸汽管道
111:再循環蒸汽入口
120:蒸汽及氫氣產物出口
121:再循環蒸汽出口
125:富集空氣管道
126:風扇/富集空氣鼓風機
130:氫氣管道
150:熱箱
160:分離器
170:蒸汽再循環鼓風機
200:SOEC系統
205:去離子水管道
210:外部蒸汽
225:輸入氫氣管道
300:SOEC系統
305:去離子水管道
310:進水口
320:汽化器
325:輸入氫氣管道
400:SOEC系統
405:去離子水管道
410:進水口
420:汽化器
425:輸入氫氣管道
500:SOEC系統
505:去離子水管道
510:進水口
520:水監測系統
525:輸入氫氣管道
附圖被包括在內以提供本發明之另一理解，且併入在本說明書中以及構成本說明書之一部分，其闡明本發明之實施例且與說明書一起用來闡釋本發明之原理。
圖1為根據本發明之例示實施例之SOEC系統過程流程圖。
圖2為根據本發明之另一例示實施例之SOEC系統過程流程圖。
圖3為根據本發明之另一例示實施例之SOEC系統過程流程圖。
圖4為根據本發明之另一例示實施例之SOEC系統過程流程圖。
圖5為根據本發明之另一例示實施例之SOEC系統過程流程圖。
105:空氣管道
106:空氣鼓風機
111:再循環蒸汽入口
120:蒸汽及氫氣產物出口
125:富集空氣管道
126:風扇/富集空氣鼓風機
130:氫氣管道
150:熱箱
160:分離器
170:蒸汽再循環鼓風機
200:SOEC系統
205:去離子水管道
210:外部蒸汽
225:輸入氫氣管道
Claims (14)
- 一種固體氧化物電解電池(SOEC)系統，其包含： 電解電池之堆疊，其經組態以接收水或蒸汽與氫氣之組合；及 蒸汽再循環出口，其經組態以再循環該水或蒸汽之一部分。
- 如請求項1之SOEC，其中氫氣及蒸汽排氣物料流再循環回到該堆疊。
- 如請求項2之SOEC系統，其進一步包含分離器，該分離器將該氫氣及蒸汽排氣之一部分供應至蒸汽再循環鼓風機。
- 如請求項3之SOEC系統，其中該氫氣及蒸汽排氣之再循環部分包括蒸汽且不包括氫氣。
- 如請求項1之SOEC系統，其中該電解電池之堆疊經組態以在該SOEC系統在穩定狀態下操作時停止接收氫氣。
- 如請求項1之SOEC系統，其中該電解電池之堆疊經組態以在該SOEC系統處於啟動、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，其中該電解電池之堆疊經組態以在該SOEC系統偵測安全事件時停止接收氫氣。
- 如請求項7之SOEC系統，其中該安全事件由壓力偵測器或熱偵測器偵測。
- 如請求項1之SOEC系統，其中將蒸汽、氫氣及經加熱去離子水之組合供應至再循環蒸汽入口。
- 如請求項1之SOEC系統，其中通過該再循環蒸汽出口輸出之蒸汽與氫氣混合，且將蒸汽與氫氣之組合供應至再循環蒸汽入口。
- 如請求項1之SOEC系統，其中由該再循環蒸汽出口輸出之蒸汽被汽化、與氫氣混合且供應至再循環蒸汽入口。
- 如請求項1之SOEC系統，其中通過該再循環蒸汽出口輸出之蒸汽通過水管理系統調節，與氫氣混合，且供應至再循環蒸汽入口。
- 一種操作固體氧化物電解電池SOEC系統之方法，其包含： 在電解電池之堆疊處接收水或蒸汽與氫氣之組合；及 在蒸汽再循環出口處再循環該水或蒸汽之一部分。
- 一種固體氧化物電解電池(SOEC)安全系統，其包含： 機櫃通風機，其經組態以向機櫃提供通風且確保不會積聚易燃氣體； 具有熱熔斷器之熱偵測器，該熱熔斷器用於該機櫃內部，以在溫度超過該熱熔斷器之事件時關閉該SOEC系統；及 壓力偵測器，其包括一或多個壓力開關，該等壓力開關係用於氫氣管線上以指示欠壓及過壓事件。
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