内部蒸气输送系统的制作方法

1.本发明的实施例大体上涉及固态氧化物电解槽(soec)机械系统及其内部蒸气输送。


背景技术：

2.电化学装置(如燃料电池)可将储存在燃料中的能量以高效率转化成电能。在燃料电池系统(如固态氧化物燃料电池(sofc)系统)中，氧化流通过燃料电池的阴极侧，而燃料管道流通过燃料电池的阳极侧。氧化流通常为空气，而燃料流可为烃燃料，诸如甲烷、天然气、液化石油气(lpg)/丙烷、乙醇或甲醇。燃料电池使能将来自阴极流物流的带负电氧离子运输到阳极流物流，其中所述离子与游离氢或烃分子中的氢组合以形成水蒸汽及/或与一氧化碳组合以形成二氧化碳。来自带负电离子的过量电子通过在阳极与阴极之间完成的电路路由回到燃料电池的阴极侧，从而导致通过电路的电流流。燃料电池系统可包含多个热箱，其每一者可产生电。热箱可包含燃料管道物流，其对一或多个燃料堆叠提供氧化燃料，其中所述燃料在电产生期间被氧化。
3.为产生氢气及氧气，sofc可作为电解槽操作，称作固态氧化物电解槽电池(soec)。soec位于热箱中。在sofc模式中，氧化物离子从阴极侧(空气)运输到阳极侧(燃料)并且驱动力是跨电解质的氧气分压的化学梯度。在soec模式中，将正电势施加到电池的空气侧并且现在将氧化物离子从蒸气侧运输到空气侧。因为阴极和阳极在sofc与soec之间可逆(即，sofc阴极为soec阳极，并且sofc阳极为soec阴极)，所以可将sofc阴极(soec阳极)称作空气电极，并且可将sofc阳极(soec阴极)称作蒸气电极。
4.在soec模式期间，燃料物流中的水被还原(h2o+2e
→o2-+h2)，形成h2气和o
2-离子，o
2-离子通过固态电解质运输，并且然后在空气侧氧化(o
2-到o2)以产生分子氧。因为利用空气及湿燃料(氢气、重整天然气)操作的sofc的开路电压在0.9到1v的数量级(取决于含水量)，所以施加到soec模式的空气侧电极的正电压将电池电压升高到1.1到1.45v的典型操作电压。


技术实现要素：

5.本发明的实施例是针对各种蒸气使用和安全系统，其实质上排除由于相关领域的限制和缺点所致的一或多个问题。
6.本发明的实施例涉及内部蒸气输送系统，其包括包含控制到循环加热器的液态水流率的质量流量控制器的系统，其中在蒸气转化之前利用液态水进行量测和控制。
7.本发明的另外特征和优点将在跟随描述中阐述，并且部分将自所述描述显然，或可通过实践本发明学习到。本发明的目标和其他优点将通过在书面描述及其权利要求以及附图中特别指出的结构来实现和达成。
8.应理解，上述一般描述和下列具体实施方式二者均为示例性和解释性并且意欲提供如所主张的本发明的进一步解释。
附图说明
9.包含以提供对本发明的进一步理解并且并入和构成本说明书的一部分的附图说明本发明的实施例并且连同描述用于解释本发明的原理。
10.图1为根据本发明的示例性实施例的soec系统工艺流程图。
11.图2为根据本发明的另一示例性实施例的soec系统工艺流程图。
12.图3为根据本发明的另一示例性实施例的soec系统工艺流程图。
13.图4为根据本发明的另一示例性实施例的soec系统工艺流程图。
14.图5说明根据本发明的示例性实施例的循环加热器。
具体实施方式
15.将参考附图详细描述各种实施例。只要有可能，全部图式中将使用相同参考数字以指相同或类似部分。对特定实例及实施方案作出的参考是出于说明目的，并且不意欲限制本发明的实施例或权利要求的范围。
16.本文中可将值和范围表示为从“约”一个特定值，和/或到“约”另一个特定值。当表示此范围时，实例包含从一个特定值和/或到另一特定值。相似地，当将值表示为近似值时，通过使用先行词“约”或“实质上”，应理解，特定值形成另一方面。在一些实施例中，“约x”的值可包含+/-1％x或+/-5％x的值。应进一步理解，各范围的端点对另一端点来说是有意义的，并且独立于另一端点。所述值和范围提供实例，但是本发明的实施例不受如此限制。
17.对本领域技术人员将显然，可在不背离本发明的精神和范围下对本发明作出各种修改和变化。因为并入本发明的精神和物质的所公开实施例的修改组合、子组合和变化可对本领域技术人员发生，所以本发明应解释为包含随附权利要求和其等效物的范围内的一切。
18.在本发明实施例的各种实施例中，蒸气可在soec系统中再循环。
19.图1为根据本发明的示例性实施例的soec系统100。
20.如图1中所说明，soec系统100包含空气管道105、鼓风机106、再循环蒸气入口111、热箱150、任选的氢气管道130、富集空气管道125、蒸气和氢气产物出口120、分离器160、蒸气再循环鼓风机170、外部蒸气管道210、输入氢气管道225、去离子水管道205、加热器206和质量流量控制器207。
21.根据示例性配置和操作，在外部蒸气管道210处的蒸气输入可具有约100℃与110℃之间(例如，105℃)的温度和约1psig的压力。在各种实施例中，蒸气可从外部来源输入到soec系统100中或可本地产生。在一些实施例中，可配置多个蒸气入口以相应接收外部和/或本地蒸气。或者，或另外，水(诸如去离子水管道205)可输入到soec系统100中并且通过加热器206加热(例如，蒸发)。
22.在空气管道105处的空气输入(例如，环境空气)可为环境温度，可能在约-20℃与+45℃之间，在当地大气压下。在鼓风机106处接收来自空气管道105的空气，并且由于压缩热，通过鼓风机106的空气输出将稍微高于环境温度。例如，通过鼓风机106的空气输出的温度可为在1.0psig下约30℃，如与20℃环境空气温度相比。
23.当氢气原本不由soec系统100产生时，针对启动和瞬态可仅需要来自任选的氢气管道130的氢气。例如，在稳态下，不再需要单独的氢气进料物流或氢气再循环蒸气。此氢气
物流的压力为在站点构建时决定的设计选项，并且可在约5psig与3000psig之间。温度可能接近环境，因为其可能来自储存。
24.在空气管道105处的空气输入及在任选的氢气管道130处的氢气输入为输入到热箱150。继而，热箱150在热箱150的蒸气和氢气产物出口120处输出蒸气和氢气产物h
2-h2o-g，其中g代表总。热箱输出h
2-h2o-g可具有约100℃与180℃之间(例如，130℃)的温度，约0.1与0.5psig之间的压力。
25.此外，热箱输出h
2-h2o-g被输入到分离器160中并且分离成蒸气再循环物流rech2olp，其中lp代表低压，和净产物h
2-h2o-n，其中n代表净(例如，输出用于商业用途或储存)。此处，净产物h
2-h2o-n可具有约100℃与180℃之间(例如，130℃)的温度，约0.1psig与0.5psig之间的压力。蒸气再循环物流rech2olp可具有约100℃与180℃之间(例如，130℃)的温度，约0.1psig与0.5psig之间的压力。热箱150可进一步输出在富集空气管道125处的富集空气，其可具有在基本上当地大气压(例如，低于0.5psig或低于0.05psig)下约120℃与300℃之间的温度。
26.蒸气再循环物流rech2olp被输入到蒸气再循环鼓风机170中。所得再循环蒸气rec-stm可具有约100℃与180℃之间(例如，140℃)的温度，约0.5与1.5psig之间(例如，约1psig)的压力，并且被输入到在再循环蒸气入口111处的热箱150中。另外蒸气或热可通过另外蒸气再循环出口(未显示)供应到再循环蒸气入口111中，所述蒸气再循环出口捕获热箱150的排气热(例如，约280℃)。在一些实施例中，可不存在包含于再循环蒸气中的再循环氢气进料。
27.如可自图1理解，外部蒸气管道210处的进来蒸气温度(例如，105℃)与具有内部蒸气产生的soec配置相比可为低的。可使用来自再循环蒸气出口(未显示)的内部蒸气产生和来自蒸气管道210的外部蒸气产生二者对soec系统配置多个再循环回路。换句话说，再循环蒸气入口111被配置为接收来自外部蒸气管道210的蒸气和/或再循环蒸气。
28.soec系统100利用外部蒸气管道210以及被加热的去离子水管道205。去离子水管道205的去离子水可通过加热器206加热。质量流量控制器207位于一或多个加热器206的上游并且被配置为控制到一或多个加热器的液态水流率。退出一或多个加热器206的蒸气的质量流量等于进入一或多个加热器206的液态水的质量流量。氢气通过输入氢气管道225供应。外部蒸气210、输入氢气管道225和被加热的去离子水管道205每一者在蒸气再循环鼓风机170下游的再循环回路上供应，如图1中所示。所得氢气和蒸气产物在再循环蒸气入口111处输入。
29.质量流率控制器207可通过作为单独装置或集成装置的一或多个装置(如比例(或流量)阀和水流量计)达成。
30.图2为根据本发明的另一示例性实施例的soec系统200工艺流程图。soec系统200的部件与如结合图1所述的soec系统100的部件相似，并且现在将描述系统200与100之间的差异。
31.在所述示例性实施例中，soec系统200通过不利用分离器160和蒸气再循环鼓风机170和其下游而不需要使用输入蒸气管道以及再循环回路。的确，soec系统200通过加热在水入口310处接收的去离子水管道305的去离子水产生内部蒸气。通过再循环蒸气出口121出来的蒸气被蒸发器320进一步加热并且与输入氢气管道325的氢气混合。所得氢气和蒸气
产物在再循环蒸气入口111处输入，如图2中所示。
32.图3为根据本发明的另一示例性实施例的soec系统300工艺流程图。soec系统300的部件与如结合图1所述的soec系统100的部件相似，并且现在将描述系统300与100之间的差异。
33.在所述示例性实施例中，soec系统300通过不利用分离器160和蒸气再循环鼓风机170和其下游而不需要使用输入蒸气管道以及再循环回路。的确，soec系统300通过加热在水入口410处接收的去离子水管道405的去离子水产生内部蒸气。通过再循环蒸气出口121出来的蒸气被蒸发器420进一步加热并且与输入氢气管道425的氢气混合。在一些配置中，除雾器(未显示)包含在蒸发器420的输出处。在一些配置中，多余的蒸气可以排放到富集空气管道125。所得氢气和蒸气产物在再循环蒸气入口111处输入，如图3中所示。
34.图4为根据本发明的又一示例性实施例的soec系统400工艺流程图。soec系统400的部件与如结合图1所述的soec系统100的部件相似，并且现在将描述系统400与100之间的差异。
35.在所述示例性实施例中，soec系统400通过不利用分离器160和蒸气再循环鼓风机170和其下游而不需要使用输入蒸气管道以及再循环回路。的确，soec系统400通过加热在水入口510处接收的去离子水管道505的去离子水产生内部蒸气。通过再循环蒸气出口121出来的蒸气经水监测系统520(例如，浮子式水平传感器)调节。被释放和任选被加热和通过水监测系统520除雾的蒸气与输入氢气管道525的氢气混合。所得氢气和蒸气产物在再循环蒸气入口111处输入，如图4中所示。
36.在各种实施例(如系统100、200、300、400)中，所述soec利用蒸气作为电化学工艺的介质输入。当蒸气不容易获得时，蒸气自站点供应的水(如去离子水)产生。使用水产生蒸气具有优点。例如，控制液态水之质量流量较控制其高温气态形式(如蒸气)的质量流量更简单并且更成本有效。
37.例如，到电解槽中的蒸气流率通过改变到一或多个加热器(如循环加热器)的液态水质量流量来控制。在各种配置中，平衡加热器功率、温度和/或压力以确保液态水在计算速率(例如，恒定速率)下为变化状态并且退出一或多个加热器的蒸气的质量流量等于进入一或多个加热器的液态水的质量流量。
38.在已知系统中，蒸气流的可调整控制要求昂贵且大的部件以精确量测和控制蒸气流量。蒸气中的结垢沉积物可污染并且造成蒸气量测和控制装置的过早失效。传统蒸气锅炉需要水含量、温度和压力控制。若液位未适当维持，则与液态水直接接触的加热元件可快速过热并且失效。由于在加热元件上积聚的结垢，具有与液态水直接接触的加热元件的锅炉随时间失效。
39.在各种实施例中，提供流量控制系统、装置和方法。所述系统使用质量流量控制器(例如，207)控制到一或多个加热器(例如，循环加热器)的液态水流率。因为量测和控制在蒸气转化之前利用液态水进行，所以在可被结垢沉积物污染的下游不存在昂贵量测或控制装置。监测和控制到加热器的加热元件的能量和退出循环加热器的出口温度和压力以平衡系统，其导致进入和退出一或多个加热器的质量相等。
40.优选地，所述实施例使用循环加热器代替传统水锅炉。循环加热器使用中间介质(如铝或黄铜)以散热和转移热到嵌入分离的流动路径中的工艺介质。此使所述实施例能“干燥”运行而不存在水并且无预加热到操作温度而不产生蒸气。此类型的加热防止加热器元件烧毁，其在传统锅炉中发生，该传统锅炉在无最初存在之水下操作。因为水/蒸气与加热元件不直接接触，所以其不具有自结垢沉积物积聚失效的风险。
41.图5说明根据本发明的示例性实施例的循环加热器500。另外循环加热器或其他加热器配置是可行，如单一加热管以及以串联和/或并联配置的多加热管。
42.控制液态水的质量流量较控制其高温气态形式(如蒸气)更简单并且更成本有效。因此，所述实施例降低复杂性和成本并且消除与传统锅炉设计相关联的已知失效风险。
43.在本文中所述的各种实施例中的每一者中，可使用一或多个检测器以检测安全事件。例如，可使用一或多个压力检测器和一或多个热检测器。可将一或多个压力检测器沿着输入氢气管道(例如，225、325、425、525)放置以在压力下(例如，在5个psi下)和过量压力下检测。若压力检测器跳闸，则关闭系统(即，热箱150)。另外，可将一或多个热检测器放置于热箱的机柜内以检测过量热(例如，超过230℃)。例如，通过富集鼓风机126提供和维持机柜通风。若热检测器跳闸，则关闭系统(即，热箱150)。
44.当soec系统(例如，100、200、300、400)在稳态下或在检测到安全事件后操作时，所述soec系统停止接收氢气。另外，可配置热箱150中的电解槽电池的堆叠以当soec系统处于启动、关闭时或当soec系统不产生氢气或不产生足够氢气时接收氢气。
45.为操作soec，存在需要提供水、空气和启动燃料的机械系统和部件。安全系统也保护系统免于对周围环境和附近人员的火和其他损害。操作具有所需安全系统的soec防止由于氢气泄露和/或其他失效所致的危害和危险。其他soec系统可包含危险定位装置或燃料部件的双密封。
46.对本领域技术人员显然，可在不背离本发明的精神和范围下，在本发明的内部蒸气输送系统中作出各种修改和变化。因此，意欲本发明覆盖本发明的修改和变化，只要所述修改和变化在随附权利要求及其等效物的范围内。

技术特征：
1.一种固态氧化物电解池(soec)系统，其包含：电解池的堆叠，其被配置为接收使用一或多个加热器加热的液态水；和质量流量控制器，其被配置为控制到所述一或多个加热器的所述液态水流率。2.根据权利要求1所述的soec，其中所述一或多个加热器包含多个串联连接的加热器。3.根据权利要求1所述的soec，其中所述一或多个加热器包含多个并联连接的加热器。4.根据权利要求1所述的soec，其中所述一或多个加热器包含循环加热器。5.根据权利要求1所述的soec，其中退出所述一或多个加热器的蒸气的质量流量等于进入所述一或多个加热器的液态水的质量流量。6.根据权利要求1所述的soec，其中氢气和蒸气排放物流被再循环回到所述堆叠。7.根据权利要求6所述的soec系统，其进一步包含分离器，所述分离器将所述氢气和蒸气排放的一部分供应到蒸气再循环鼓风机。8.根据权利要求1所述的soec系统，其中所述电解池的堆叠被配置为当所述soec系统正在稳态下操作时，停止接收氢气。9.根据权利要求1所述的soec系统，其中所述电解池的堆叠被配置为当所述soec系统处于启动、关机时，或当所述soec系统不产生氢气时，接收氢气。10.根据权利要求1所述的soec系统，其中所述电解池的堆叠被配置为当所述soec系统检测到安全事件时，停止接收氢气。11.根据权利要求10所述的soec系统，其中所述安全事件通过压力检测器或热检测器检测到。12.根据权利要求1所述的soec系统，其中将蒸气、氢气和被加热的去离子水的组合供应到再循环蒸气入口。13.根据权利要求1所述的soec系统，其中所述质量流量控制器包含作为单独装置或作为集成装置的流量阀和水流量计。14.一种操作固态氧化物电解池(soec)系统的方法，其包括：在电解池的堆叠处接收使用一或多个加热器加热的液态水；和在质量流量控制器下控制到所述一或多个加热器的所述液态水流率。

技术总结
本发明涉及固态氧化物电解池(SOEC)系统，其包含电解池的堆叠，其被配置为接收使用一或多个加热器加热的液态水；和质量流量控制器，其被配置为控制到所述一或多个加热器的所述液态水流率。液态水流率。液态水流率。


技术研发人员：S
受保护的技术使用者：博隆能源股份有限公司
技术研发日：2023.01.27
技术公布日：2023/10/8