[发明专利]具有一体化加热器的固体氧化物电解池堆

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有加热单元的固体氧化物电解池（SolidOxideElectrolysisCell，SOEC）系统。特别地，本发明涉及一种用于SOEC系统的一体化加热单元，其通过最小化系统的热损失，更特别地通过将加热单元与SOEC堆进行密集机械一体化而减小管道系统和外部加热器表面的热损失，来提高SOEC系统的效率。

背景技术

固体氧化物电池可用于广泛目的，包括由不同燃料产生电（燃料电池模式）与由水和二氧化碳产生合成气（CO+H2）（电解池模式）两种。

固体氧化物电池在从600°C到1000°C以上的范围内的温度下操作，因此在从例如室温启动固体氧化物电池系统时，需要热源来达到上述操作温度。

为此目的，已广泛使用外部加热器。这些外部加热器典型地连接到固体氧化物电池系统的空气输入侧，并使用一直到系统已获得600°C以上的温度为止，在上述600°C以上的温度时，固体氧化物电池操作可启动。

在固体氧化物电池的电化学操作过程中，热典型地与欧姆损失相关联地产生

Q=R*I²（1）

其中，Q是所生成的热，R是燃料电池（堆）的电阻，以及I是操作电流。

此外，热根据如下电化学过程而产生或消耗：

Q=F*k*I（2）

当k是给定“燃料”的化学能（例如给定燃料的低热值）时，F是法拉第数（Faradaysnumber）。在此，就“燃料”而言，理当理解为相关给料，其或者可在燃料电池模式中被氧化（例如H2或者CO），或者可在电解模式中被还原（例如H2O或CO2）。

在关系式（2）中，在燃料电池模式中热产生（电流的正号），而在电解模式中热消耗（电流的负号）。

在图1中示出作为电流函数的由固体氧化物电池或堆所产生的热的示例。在此可以观察到，对于所有电流而言，在固体氧化物燃料电池（SolidOxideFuelCell，SOFC）模式中产生热，而对于I_tn以上的电流而言，在SOEC模式中也产生热。

在此，I_tn是所称的热中性电流（thermoneutralcurrent），其中：

R*I_tn²+F*k*I_tn=0=>I_tn=F*k/R（3）

对于通常情况的SOFC系统和对于I_tn以上操作的SOEC系统而言，通常不需要附加的加热元件来保持固体氧化物电池系统的期望操作温度。

然而，对于电流在I_tn以下情况时以SOEC模式操作的系统而言，在工艺中消耗热，需要在接近或高于堆操作温度的温度下操作的附加热源，来保持必需的操作温度。

本发明涉及用于这些系统的高效机械设计的此类系统和方法。

US20100200422描述了一种电解装置，其包括由多个基本电解电池组成的堆，各电池均包括阴极、阳极、以及设置于阴极和阳极之间的电解质。在各基本电池的阳极和下一个基本电池的阴极之间插入互连板，上述互连板与阳极和阴极电接触。气动流体将被引至与阴极接触，上述电解装置还包括机械结构，上述机械结构确保在使气动流体与阴极接触之前、气动流体在电解装置内循环以加热气动流体。因此，US20100200422描述了热必需从SOEC堆移动的情形，而本发明涉及相反情形。它描述了一种发明，其中在电池之间嵌入换热器（冷却）功能。本发明涉及附加加热器块，其置于堆外侧但位于堆机械结构内部，以减小堆和加热器的热区（hotarea）。

EP1602141涉及一种模块化构建的高温燃料电池系统，其中附加部件有利地和直接地设置在高温燃料电池堆内。上述部件的几何条件与上述堆相匹配。因此，附加的管道系统工作不再是必需的，构造方法的风格非常紧凑，且上述部件与上述堆的直接连接附加地引起对热的更高效利用。然而，EP1602141不属于SOEC和与SOEC有关的特定问题的技术领域内。特别地，未揭示这样一种需要，即需要在操作期间用加热单元连续和主动加热电池堆，它是独立于SOEC的工艺，并且在接近或高于堆操作温度的温度下操作。

因此，需要一种用于SOEC系统的高能效且经济的加热单元。该问题由根据权利要求书的实施方式的本发明解决。

发明内容

如上所述，在电流低于I_tn的情况下以SOEC模式操作的系统中，热在工艺中被消耗，且需要附加的SOEC工艺独立热源来保持必要操作温度。