[发明专利]具有蒸汽生成的电解器系统及其操作方法

说明书

本申请案涉及一种具有蒸汽生成的电解器系统及其操作方法。一种电解器系统包含：蒸汽生成器，其经配置以生成蒸汽；固体氧化物电解槽堆叠，其经配置以使用从所述蒸汽生成器接收的所述蒸汽生成氢气流；以及水预热器，其经配置以使用提取自从所述堆叠输出的氧气排气的热对提供到所述蒸汽生成器的水进行预热。

优先权申请

本申请案是要求2021年5月18日提交的第63/190,049号美国临时申请案和2021年6月30日提交的第63/216,995号美国临时申请案的权益的非临时申请案，以上美国临时申请案中的每一个的内容以全文引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及包含固体氧化物电解槽(SOEC)的电解器系统及其操作方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)可作为电解器操作以便产生氢气和氧气，称为固体氧化物电解槽(SOEC)。在SOFC模式中，氧化物离子从阴极侧(空气)输送到阳极侧(燃料)，且驱动力是跨越电解质的氧气的分压的化学梯度。在SOEC模式中，正电势施加到槽的空气侧，并且氧化物离子从燃料侧输送到空气侧。由于阴极和阳极在SOFC与SOEC之间反转(即，SOFC阴极是SOEC阳极，并且SOFC阳极是SOEC阴极)，因此，SOFC阴极(SOEC阳极)将被称作空气电极，且SOFC阳极(SOEC阴极)将被称作燃料电极。在SOEC模式期间，燃料流中的水减少(H₂O+2e→O^2-+H₂)以形成H₂气体和O^2-离子，O^2-离子输送通过固体电解质，并且接着在空气侧上氧化(O^2-到O₂)以产生分子氧。由于用于SOFC以空气和湿燃料(氢气、重整天然气)操作的开路电压是约0.9到1V(取决于含水量)，因此在SOEC模式中施加于空气侧电极的正电压将槽电压升高直到1.1到1.3V的典型操作电压。

发明内容

在各种实施例中，一种电解器系统包括：蒸汽生成器，其经配置以生成蒸汽；固体氧化物电解槽堆叠，其经配置以使用从所述蒸汽生成器接收的所述蒸汽生成氢气流；以及水预热器，其经配置以使用提取自从所述堆叠输出的氧气排气的热对提供到所述蒸汽生成器的水进行预热，所述氧气排气通常富含具有高于正常空气的氧气含量的空气。

在各种实施例中，一种操作电解器系统的方法包括：将蒸汽提供到固体氧化物电解器堆叠中；在所述固体氧化物电解器堆叠中生成氢气流；以及以下各项中的至少一个：(a)使用提取自从所述堆叠输出的氧气排气的热对提供到蒸汽生成器的水进行预热以生成所述蒸汽；或(b)在将所述蒸汽提供到所述堆叠中之前将氢气混合到所述蒸汽中；或(c)将空气提供到所述堆叠中；或(d)通过从所述堆叠输出的氧气排气提取热而对空气进行预热，且将所述经预热的空气提供到所述堆叠中；或(e)在将所述蒸汽提供到所述堆叠中之前使用从所述氢气流提取的热加热所述蒸汽。

在各种实施例中，一种电解器系统包括：热箱；中心塔柱，其安置于所述热箱中且在竖直方向上纵向延伸；固体氧化物电解槽堆叠，其安置于所述热箱中，包围所述中心塔柱，且经配置以将蒸汽转换为氢气流；以及空气加热器，其经配置以对提供到所述堆叠的空气进行加热。

在各种实施例中，一种电解器系统包括：热箱；中心塔柱，其安置于所述热箱中；固体氧化物电解槽堆叠，其安置于所述热箱中，且包围所述中心塔柱，且经配置以接收蒸汽和空气且输出氢气排气和氧气排气；空气同流换热器，其经配置以通过从所述堆叠输出的氧气排气提取热而对提供到所述热箱的空气进行预热；空气加热器，其经配置以对从所述空气同流换热器输出的经预热的空气进行加热且将经加热的空气提供到所述堆叠；以及蒸汽加热器，其安置于所述中心塔柱中且经配置以对提供到所述堆叠的蒸汽进行过热。

附图说明

图1A是固体氧化物电解槽(SOEC)堆叠的透视图，且图1B是图1A的堆叠的一部分的侧视横截面图。