[发明专利]具有加热能力的SOEC系统

说明书

本发明涉及一种固体氧化物电解系统，其具有增加的面比电阻ASR的电解质，其与本领域已知的电解质相比很薄，以在电解池中在需要的地方获得对于吸热还原过程的直接加热，而无需任何额外的加热装置或集成的加热元件，这是一种简单有效的解决方案，不会增加堆体积。

本发明涉及一种具有加热能力的固体氧化物电解池(SOEC)系统。特别地，其涉及包括SOEC电池的SOEC系统，所述SOEC电池具有相对于电解质的厚度而言高的电解质的面比电阻，这通过减少加热所需的组件和最小化系统来自管道和外部加热器表面的热量损失来改善SOEC系统的效率。

固体氧化物电池可用于多种用途，包括从不同燃料发电(燃料电池模式)和从水和二氧化碳生产合成气(CO+H₂)(电解池模式)。

固体氧化物电池在600℃至高于1000℃的温度下工作，因此，当固体氧化物电池系统从例如室温下启动时，需要热源以达到工作温度。

为此目的，外部加热器已被广泛使用。这些外部加热器通常被连接到固体氧化物电池系统的空气输入侧，并且一直被使用，直到系统获得高于600℃的温度，其中固体氧化物电池的工作可以开始。

在固体氧化物电池的电化学工作期间，通常产生与欧姆损耗相关的热量，由下式给出

Q＝R*I² (1)

其中Q是产生的热量，以焦耳表示；R是固体氧化物电池(堆)的电阻，以欧姆为单位测量；I是工作电流，以安培为单位测量。

此外，电化学过程产生或消耗的热量如下：

Q＝-(ΔH*I*t)/(n*F) (2)

其中ΔH是给定“燃料”在工作温度下的化学能(例如给定燃料的较低热量值)，表示为J/mol；t是以秒表示的时间；n是每摩尔反应物在反应中产生或使用的电子数；F是法拉第数，96 485C/mol。在此，“燃料”理解为可以以燃料电池模式氧化的相关原料(例如，H₂或CO)或其他物质(例如，H₂O或CO₂)可以以电解模式还原成的产物(再例如，H₂或CO)。

在式(2)中，在燃料电池模式中产生热量(电流的正号)并且在电解模式中消耗热量(电流的负号)。

在恒电流模式下工作时，在所有工作电压下以固体氧化物燃料电池(SOFC)模式产生热量。在SOEC模式中，当固体氧化物电池在低于所谓的热中性电压下工作时，在电池内由于欧姆加热而产生的热量小于电化学反应中吸收的热量，并且整个过程是吸热的。相反，当固体氧化物电池以SOEC模式在高于热中性电压下工作时，电池内来自欧姆加热的贡献大于电化学反应中吸收的热量，整个过程是放热的。

热中性电位(电压)定义为电化学电池以绝热方式进行工作的电位，并且定义为V_tn＝-ΔH/(n*F)。

换句话说，如果没有热量的净流入或流出，则V_tn是完全绝缘的电解器(electrolyzer)可以运行的最小热力学电压。例如，对于在25℃下进行的水的电解，V_tn为1.48V；但在850℃下，V_tn为1.29V。对于CO₂的电解，V_tn在25℃下为1.47V；在850℃下为1.46V。重要的是要注意，实际且不完全绝缘的堆的实际热中性电压将不同于热力学确定的V_tn。

对于通常的SOFC和对于在高于V_tn下工作的SOEC系统，通常不需要额外的加热元件来维持固体氧化物电池系统的期望工作温度。

然而，对于以SOEC模式工作且电流对应于低于V_tn的电压的系统，在该过程中消耗热量，并且需要在接近或高于堆的工作温度的温度下工作的额外热源以维持必要的工作温度。