电解系统的制作方法

本发明涉及一种用于经由水(和二氧化碳)在装有电解液的电池中电解来产生氢气(或合成气)的电解或电解槽系统。一种这样形式的电池是固体氧化物电解槽电池或soec。

背景技术：

1、电解系统通常包括具有电解液、阳极和阴极的一个或多个电池，并且它们进行操作以通过水的电解来产生氢气或通过水和二氧化碳的电解来产生合成气。

2、为了产生氢气，在阴极处以蒸汽的形式向电池供应水，并且向阳极供应还原气体或燃料。然后在阳极和阴极两端提供dc电流。水(蒸汽)然后将进行还原，使得蒸汽被还原成氢气和氧气，其中氧气通过电解液将电化学转化以在阳极侧提供排气，并且氢气作为气体在阴极侧输出。

3、电解槽系统的特性在于它们的能源效率往往较低。这在很大程度上是因为以下事实：它们在远高于室温的温度(通常在500℃和800℃之间)下最有效地操作。为了在启动时达到这些温度，通常使用加热器以典型地通过加热输入流体流(高温蒸汽和高温燃料)来将系统加热到操作温度。还需要在系统的操作期间将流体供应维持在升高的温度下，以维持电解液的高效操作。此外，该系统排放处于高温的出口气(排气和氢气)，这同样浪费了能源。

4、已知使用热交换器来利用排气的热以先加热蒸汽然后再将蒸汽输入到阴极侧的现有技术系统。例如，参见us2007217995a1和us2009235587。然而，这样做的缺点是只有在系统运行时才能产生排气。因此，在启动期间缺乏可用的热。

5、因此，本发明试图更高效地利用热流路径，诸如在启动期间、在操作期间和在冷却期间。本发明还试图增强电解槽系统的操作效率。

技术实现思路

1、根据本发明，提供了一种固体氧化物电解槽电池系统，其包括：

2、电解堆，该电解堆包括阳极、阴极和固体氧化物电解液，阳极包括阳极入口，

3、扫气供应源，该扫气供应源用于经由阳极入口将扫气供应到阳极，

4、扫气供应流动路径，该扫气供应流动路径限定扫气供应源与阳极入口之间的流动路径，

5、第一热交换器，该第一热交换器与扫气供应流动路径流体连通，

6、其中第一热交换器还与流体流流体连通，该流体流具有在固体氧化物电解槽电池系统外部的源并且限定外部流流动路径，并且

7、第一热交换器配置成在扫气供应流动路径与外部流流动路径之间换热。

8、外部流流动路径可以得自各种源。外部流流动路径在固体氧化物电解槽电池系统的操作的外部。因此，它是单独的过程。该热原本可能被浪费或未被使用。通过使用流来加热扫气供应流动路径，增加了电解堆的效率。来自外部流的热可以具有任何水平。可以使用低水平热，例如，小于200℃。

9、使用外部流在电解槽系统的启动期间可以特别有用，其中电解堆不产生热或产生很少的热。因此，外部流向扫气供应流动路径、因而阳极入口提供一定水平的热以增加启动效率并减少从其他源(例如，加热器)供应的任何热。

10、优选地，该系统包括：连接到扫气供应流动路径的旁路流动路径，所述旁路流动路径在其第一端处连接到第一热交换器上游的位置，并且所述旁路流动路径在其第二端处连接到第一热交换器下游的位置。

11、旁路流动路径允许扫气供应流动路径围绕连接到第一热交换器的外部流流动路径转向。因此，流动可以被朝向阳极入口引导而不发生热交换。这在来自外部流体流的热传递将不足以加热扫气供应流动路径的情况下可以是有用的。在一些情况下，外部热源可能未在操作，并且因此可能希望避免与外部流的热交换，因为这将降低扫气供应流动路径的温度。

12、此外，如果例如在热交换器中超过了零件限制的最大可能热回收，则可以利用旁路流动路径。因此，旁路流动路径可以用于避免对系统的破坏。

13、优选地，该系统包括第一加热器，该第一加热器位于扫气供应流动路径中并且连接在第一热交换器的下游。这种第一加热器可以提供对扫气入口流动路径中的扫气供应源的加热的微调。特别地，在与外部流体流的热交换之后，阳极入口期望的附加热的量将改变。第一加热器可以修整所提供的热。鉴于其他热源，由第一加热器提供的热能的量可以根据需要减少，因此增加了系统的总体效率。

14、优选地，第一加热器是电加热器或燃烧加热器。该加热器也可以被称为修整加热器。第一加热器可以被称为入口加热器或扫气加热器。

15、优选地，第一加热器定位在旁路流动路径之后。这允许第一加热器在需要时加热扫气供应流动路径并且不被绕过。相反，加热器可以被控制以供应所需水平的热能，或者在不需要时停止供应热。所供应的热的程度也可以改变。

16、扫气可以是任何数量的气体，诸如co2、o2、n2、ar等。扫气也可以是空气。通常，不与氧气发生反应的任何气体都可以用作扫气。扫气可以被称为还原气体。

17、优选地，该系统包括：

18、用于电解堆的阳极的阳极出口，包括，

19、阳极出口流动路径，该阳极出口流动路径限定阳极出口与第一排放装置之间的流动路径，以及

20、第二热交换器，该第二热交换器与扫气供应流动路径流体连通并且位于扫气供应流动路径中的第一热交换器的下游，第二热交换器还与阳极出口流动路径流体连通，其中第二热交换器配置成在扫气供应流动路径与阳极出口流动路径之间换热。

21、由于堆中的电解反应，形成排气并且通过阳极出口输出该排气。该排气然后从排放装置(即，第一排放装置)排放出去。然而，排气含有呈热的形式的能量。排气可以具有在500℃至650℃的范围内的温度。因此，使用该热也将是有益的。第二热交换器提供了加热扫气供应流动路径的又一方式。

22、第二热交换器在第一热交换器的下游。在排气具有比外部源流动流更高的温度的情况下，诸如在预热之后的完全操作期间，扫气供应流动路径的温度在到达阳极入口之前增加。经由热交换器的后续加热增加了系统效率。

23、优选地，在一些实施例中，第一热交换器布置在第二热交换器的下游。这在外部流是特别高水平的热的情况下可以是有利的，因而优选的是热交换的阶次(order)增加。

24、旁路流动路径还可以绕过第二热交换器。因此，扫气供应流动路径不穿过第一热交换器或第二热交换器。这在启动期间可以是有用的，其中阳极排气温度可低于扫气供应温度。如先前所讨论，这还可以用于保护可能超过零件限制的部件。

25、术语低水平热和高水平热用于描述流动路径中的热的量或水平。在过程产生热作为副产物的情况下，这可以被称为废热并且通常根据温度分类为低水平、中水平和高水平。还使用了其他术语，诸如废热或二次热。出于本解释的目的，认为低水平热在150℃至300℃的范围内，然而，可以使用更低的温度。还使用了术语高水平热并且用于意指在500℃和以上的范围内的温度。然而，出于该解释的目的，高于350℃的温度也可以被认为是高水平。

26、在一些实施例中，优选的是旁路流动路径仅绕过第一热交换器或第二热交换器。

27、优选地，该系统还包括：

28、用于电解堆的阴极的阴极入口，

29、燃料供应源，该燃料供应源用于经由阴极入口向阴极供应燃料，

30、燃料供应流动路径，该燃料供应流动路径限定燃料供应源与阴极入口之间的流动路径，

31、用于电解堆的阴极的阴极出口，

32、阴极出口流动路径，该阴极出口流动路径限定阴极出口与第二排放装置之间的流动路径，以及

33、第三热交换器，该第三热交换器与下游的燃料供应流动路径流体连通，第三热交换器还与阴极出口流动路径流体连通，并且该第三热交换器配置成在燃料供应流动路径与阴极出口流动路径之间换热。

34、由于堆中的电解反应，形成氢气(或在一些情况下是合成气)并且通过阴极出口输出。这可以被称为产物、产物气体或燃料。产物然后传递到排放装置并且用于各种其他过程。阴极出口处的产物具有在500℃至650℃的范围内的高水平热能。因此，由此产生的热还可以用于加热扫气入口流动路径。这确保向阴极入口供应高温蒸汽。

35、优选地，该系统包括阴极出口分支流动路径，该阴极出口分支流动路径连接阴极出口流动路径和阳极出口流动路径，从而使所述阴极出口流动路径和所述阳极出口流动路径流体连通。

36、有利的是具有连接到阳极出口流动路径的阴极出口分支流动路径以便还提供热能以在第二热交换器中传递。该分支流动路径允许产物从阴极出口流动路径部分流到通向第一排放装置的阳极出口流动路径。

37、优选地，该系统包括阀，该阀被布置在阴极出口分支流动路径中。阀允许控制产物气体到阳极排放装置的流动。特别地，可能有利的是在启动期间才使用分支流动路径，其中需要增加扫气供应流动路径的温度。

38、优选地，该系统包括第四热交换器，该第四热交换器与燃料供应流动路径流体连通并且还与外部流流动路径流体连通，并且该第四热交换器配置成在流动路径之间换热。

39、燃料供应源连接到阴极入口以用于堆中的电解反应。燃料供应源通常是水或更确切地蒸汽。有利的是加热燃料供应路径以获得堆中的更高效电解反应。此外，这确保水被加热到提供蒸汽的水平。因此，通过使用外部流流动路径还用来加热燃料供应源，低水平热可以用于通向阳极入口和阴极入口的两个流动路径。外部流流动路径可以为此目的而分开，从而具有用于第一热交换器的一个路径和用于第四热交换器的一个路径。

40、优选地，用于第四热交换器的外部流流动路径是用于供应第四热交换器的与供应第一热交换器的流动路径不同的流动路径/第二流动路径。

41、优选地，与燃料供应流动路径流体连通的第三热交换器在该流动路径中的第四热交换器的下游。第三热交换器与阴极出口流动路径流体连通，并且配置成在燃料供应流动路径与阴极出口流动路径之间换热。

42、如先前所讨论，当堆处于完全操作时，来自阴极出口的输出具有高水平热。该热还可以用于加热燃料供应流动路径。这确保向阴极入口供应高温蒸汽。第四热交换器可以是对第三热交换器的补充。替代地，第三热交换器和第四热交换器可以形成单独的实施例。同样地，第三热交换器和第四热交换器可以在不包括将阴极出口流动路径连接到阳极出口流动路径的分支流动路径的系统中。

43、优选地，在一些实施例中，第四热交换器在燃料供应流动路径中的第三热交换器的下游。这在外部流流动路径具有高水平热的情况下可以是有利的。

44、优选地，该系统包括第二加热器，该第二加热器位于燃料供应流动路径中、布置在第三热交换器的下游。优选地，第二加热器被布置在第四热交换器的下游。这种第二加热器可以提供对燃料供应流动路径中的燃料供应源的加热的微调。特别地，在与第三热交换器和第四热交换器中的一者或两者的热交换之后，阴极入口需要的热的量将改变。第二加热器可以修整所提供的热。这还可以提供能量效率，因为由第二加热器提供的热可以在不需要的情况下减少。第二加热器可以被称为(又一)入口加热器或燃料供应加热器。

45、优选地，第二加热器是电加热器或燃烧加热器。

46、优选地，该系统包括第三加热器，该第三加热器位于阳极出口与第二热交换器之间的阳极出口流动路径中。第三加热器允许加热阳极出口流动路径以增加与扫气供应流动路径交换的热。该流动路径中的第三加热器在启动期间可能特别有用，其中阳极排气将具有较低水平的热能。

47、燃烧器是燃烧加热器或电加热器。还可以被称为堆出口加热器、阳极排气加热器或燃烧器。优选地，当第三加热器是燃烧加热器时，向第三加热器提供燃料供应。

48、优选地，第三加热器由外部燃料供应源馈送。阳极排气可能是无法燃烧的。因此，可以向燃烧器提供外部燃料以加热阳极排气来允许与扫气供应流动路径的热交换。这在堆的启动或变热期间是特别有利的。

49、在提供分支流动路径的情况下，该分支流动路径优选地连接到第三加热器。阴极出口气体是可燃烧气体，例如，氢气或合成气，并且这可以在燃烧器中燃烧。这将加热阳极出口流动路径以用于在第二热交换器处加热扫气供应流动路径。这可以在启动时使用。在这种情况下，布置在分支流动路径中的阀可以打开以允许产物气体从阴极出口流到燃烧器。这在来自阳极出口的排气是低水平的情况下(诸如在堆的启动或变热期间)可以是有用的。

50、优选地，该系统包括分流阀，该分流阀连接在阳极出口流动路径中、在阳极出口与第二热交换器之间的位置，分流阀还连接到外部流流动路径和第三排放装置，并且分流阀配置成使流动在阳极出口与第二热交换器、外部流流动路径或第三排放装置之间转向。

51、不是先前所讨论的阳极出口流动路径到第二热交换器的路径，而是分流阀允许排气从阳极出口转向到不穿过热交换器的第三排放装置。这可以用于系统的冷却。在这种情况下，不需要例如通过第二热交换器的热恢复。因此，分流阀允许热气在其他地方排放，即，通过第三排放装置排出。这还可以用于排气的温度将超过热交换器的热限制的情况。因此，气体在第二热交换器之前被排出。

52、分流阀还可以连接到外部流流动路径。外部流流动路径可以具有用于此目的的分支流动路径。这可以允许低水平热从外部源流到阳极出口流动路径。这在启动期间可以是有用的，以加热流来减少输入到流中的能量。特别是在外部流比阳极出口流动路径更暖的情况下。这在外部源提供可燃烧气体时也可以是有益的，从而允许该气体在第三加热器中燃烧以产生用于扫气供应流动路径的热。根据需要，流动可以在任一方向上，例如，朝向阳极出口或朝向第二热交换器。

53、优选地，第三加热器可以连接到分流阀(在存在的情况下)。第三加热器位于第二热交换器与分流阀之间。

54、优选地，在存在分支流动路径的情况下，这可以连接到阳极出口流动路径，该阳极出口流动路径连接到分流阀。

55、这种配置允许对系统周围的流动和热的移动有很大程度的适应性。特别地，在启动期间，可以从各种源向扫气供应流动路径提供热。同样地，在冷却期间，还存在用于通过第三排放装置排出热的选项。

56、根据本发明，还提供了一种操作固体氧化物电解槽电池系统的方法，包括：

57、提供扫气供应源以经由阳极入口向电解堆的阳极供应扫气，并且限定扫气供应源与阳极入口之间的扫气供应流动路径，

58、提供流体流，该流体流具有在固体氧化物电解槽电池系统外部的源，并且根据流体流来限定外部流流动路径，以及

59、通过第一热交换器在外部流流动路径与扫气供应流动路径之间换热。

60、通过使用外部流体流来加热扫气供应流动路径，增加了电解堆的效率。这在启动期间可以特别有用，其中系统温度较低并且无法从内部装置恢复热能。

61、优选地，操作固体氧化物电解槽电池系统的方法限定电解槽的阳极的阳极出口与该系统的第一排放装置之间的阳极出口流动路径。

62、优选地，操作固体氧化物电解槽电池系统的方法包括：通过第二热交换器在阳极出口流动路径与扫气供应流动路径之间换热，该第二热交换器在扫气供应流动路径中布置在第一热交换器下游的位置。

63、当有足够的热来这样做时，来自堆的排气还可以用于加热扫气供应流动路径。这种复热式热交换器将取决于可得自堆的热的水平。这将降低对从其他源向扫气供应流动路径提供热的要求。

64、优选地，操作固体氧化物电解槽电池系统的方法包括：通过旁路流动路径来绕过第一热交换器和第二热交换器，该旁路流动路径在扫气供应流动路径中布置在第一热交换器的上游且在第二热交换器的下游。当诸如来自外部流流动路径或来自阳极出口流动路径的热不足以进行交换时，这允许绕过热交换器。

65、优选地，操作固体氧化物电解槽电池系统的方法包括：从第三加热器向阳极出口流动路径提供热，该第三加热器布置在阳极出口与第二热交换器之间的阳极出口流动路径中。这在从阳极出口产生的热需要附加的热来与扫气供应流动路径交换时可以是有益的。可能发生这种情况的情况包括其中堆没有正在产生高水平热的启动。

66、优选地，操作固体氧化物电解槽电池系统的操作方法包括：通过分流阀从外部流体流动路径或第三加热器向阳极出口流动路径提供热，该分流阀布置在阳极出口与燃烧器之间的流动路径中。在一些情况下，诸如在冷却期间，不期望与扫气供应流动路径换热。因此，分流阀可以将热从阳极出口引导到另一路径，诸如排放装置。这将增加系统的冷却速率。