【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术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。
技术介绍
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，本专利技术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。本专利技术还试
技术实现思路
1、根据本专利技术，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：...
【技术保护点】
1.一种固体氧化物电解槽电池系统，其包括：
2.根据权利要求1所述的固体氧化物电解槽电池系统，还包括：连接到所述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所述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所述第一热交换器下游的位置。
3.如前述权利要求中任一项所述的固体氧化物电解槽电池系统，还包括：第一加热器，所述第一加热器位于所述扫气供应流动路径中并且连接在所述第一热交换器的下游。
4.如前述权利要求中任一项所述的固体氧化物电解槽电池系统，还包括：
5.根据权利要求4所述的固体氧化物电解槽电池系统，还包括：
6.根据权利要求5所述的固体氧化物电解槽电池系统，其还包括阴极出口分支流动路径，所述阴极出口分支流动路径连接所述阴极出口流动路径和所述阳极出口流动路径，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。
7.根据权利要求6所述的固体氧化物电解槽电池系统，还包括阀，所述阀布置在所述阴极出口分支流动路径中。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的固体
9.根据权利要求8所述的固体氧化物电解槽电池系统，其中所述第三热交换器与所述第四热交换器下游的所述燃料供应流动路径流体连通。
10.根据权利要求5至9中任一项所述的固体氧化物电解槽电池系统，还包括第二加热器，所述第二加热器位于所述燃料供应流动路径中、布置在所述第三热交换器的下游。
11.根据权利要求4所述的固体氧化物电解槽电池系统，还包括第三加热器，所述第三加热器位于所述阳极出口与所述第二热交换器之间的所述阳极出口流动路径中。
12.根据权利要求4至11中任一项所述的固体氧化物电解槽电池系统，还包括分流阀，所述分流阀连接在所述阳极出口流动路径中、在所述阳极出口与所述第二热交换器之间的位置，所述分流阀还连接到所述外部流流动路径和第三排放装置，所述分流阀配置成使流动在所述阳极出口与以下至少一者之间转向：所述第二热交换器；外部流流动路径；以及所述第三排放装置。
13.一种操作固体氧化物电解槽电池系统的方法，包括：
14.根据权利要求13所述的操作固体氧化物电解槽电池系统的方法，其中限定所述电解槽的所述阳极的阳极出口与所述系统的第一排放装置之间的阳极出口流动路径。
15.根据权利要求14所述的操作固体氧化物电解槽电池系统的方法，包括：
16.根据权利要求15所述的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所述第一热交换器和所述第二热交换器，所述旁路流动路径在所述扫气供应流动路径中布置在所述第一热交换器的上游且在所述第二热交换器的下游。
17.根据权利要求15或16中任一项所述的操作固体氧化物电解槽电池系统的方法，包括：从第三加热器向所述阳极出口流动路径提供热，所述第三加热器布置在所述阳极出口与第二热交换器之间的所述阳极出口流动路径中。
18.根据权利要求17所述的操作固体氧化物电解槽电池系统的操作方法，包括：通过分流阀从所述外部流体流动路径或所述第三加热器向所述阳极出口流动路径提供热，所述分流阀布置在所述阳极出口与所述燃烧器之间的所述流动路径中。
...【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种固体氧化物电解槽电池系统，其包括：
2.根据权利要求1所述的固体氧化物电解槽电池系统，还包括：连接到所述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所述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所述第一热交换器下游的位置。
3.如前述权利要求中任一项所述的固体氧化物电解槽电池系统，还包括：第一加热器，所述第一加热器位于所述扫气供应流动路径中并且连接在所述第一热交换器的下游。
4.如前述权利要求中任一项所述的固体氧化物电解槽电池系统，还包括：
5.根据权利要求4所述的固体氧化物电解槽电池系统，还包括：
6.根据权利要求5所述的固体氧化物电解槽电池系统，其还包括阴极出口分支流动路径，所述阴极出口分支流动路径连接所述阴极出口流动路径和所述阳极出口流动路径，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。
7.根据权利要求6所述的固体氧化物电解槽电池系统，还包括阀，所述阀布置在所述阴极出口分支流动路径中。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的固体氧化物电解槽电池系统，还包括：
9.根据权利要求8所述的固体氧化物电解槽电池系统，其中所述第三热交换器与所述第四热交换器下游的所述燃料供应流动路径流体连通。
10.根据权利要求5至9中任一项所述的固体氧化物电解槽电池系统，还包括第二加热器，所述第二加热器位于所述燃料供应流动路径中、布置在所述第三热交换器的下游。
11.根据权利要求4所述的固体氧化物电解槽电池系统，还包括第三加热器，所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：J·莱利，J·C·B·维安娜，
申请(专利权)人：赛瑞斯知识产权有限公司，
类型：发明
国别省市：
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