用于高溫電池系統(tǒng)的再循環(huán)設(shè)備及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]世界上大多數(shù)能量借助石油、煤、天然氣或核動(dòng)力產(chǎn)生。至于例如可用性和環(huán)境友好等方面，所有這些生產(chǎn)方法都具有它們的具體問(wèn)題。至于環(huán)境方面，尤其石油和煤在燃燒時(shí)會(huì)造成污染。核動(dòng)力的問(wèn)題至少在于使用過(guò)的燃料的貯存。
[0002]尤其由于環(huán)境問(wèn)題，已經(jīng)研發(fā)了更環(huán)境友好并且例如比上述能源效率更高的新能源。經(jīng)由環(huán)境友好工藝中的化學(xué)反應(yīng)將燃料(例如沼氣)的能量直接轉(zhuǎn)換成電能的燃料電池以及將電能轉(zhuǎn)換成燃料的電解槽是充滿希望的未來(lái)能量轉(zhuǎn)換裝置。
【背景技術(shù)】
[0003]如圖1提出的燃料電池包括陽(yáng)極側(cè)100和陰極側(cè)102以及位于其間的電解質(zhì)材料104。在固體氧化物燃料電池(SOFC)中，氧106被饋送到陰極側(cè)102，并且通過(guò)接收來(lái)自陰極的電子而還原成負(fù)氧離子。負(fù)氧離子經(jīng)過(guò)電解質(zhì)材料104到達(dá)陽(yáng)極側(cè)100，在陽(yáng)極側(cè)100，負(fù)氧離子與燃料108反應(yīng)，生成水，通常還生成二氧化碳(C02)。陽(yáng)極100和陰極102經(jīng)由外部電路111連接，外部電路111包括用于燃料電池的負(fù)載110，以取出電能以及離開(kāi)系統(tǒng)的熱。在電解操作模式(固體氧化物電解電池(SOEC))下，反應(yīng)被逆轉(zhuǎn)，S卩，熱以及來(lái)自源110的電能被供給到電池，在電池處，水往往還有二氧化碳在陽(yáng)極側(cè)被還原，形成氧離子，氧離子穿過(guò)電解質(zhì)材料移向陰極側(cè)，在陰極側(cè)，發(fā)生對(duì)氧的去電離。在SOFC和SOEC兩種模式下均可以使用相同的固體電解質(zhì)電池。在這樣的情況下并且在本說(shuō)明書(shū)的背景下，電極通?；谌剂想姵夭僮髂Ｊ蕉麨殛?yáng)極和陰極，而在純粹的SOEC應(yīng)用中，氧電極可命名為陽(yáng)極。
[0004]固體氧化物電解槽電池在允許發(fā)生高溫電解反應(yīng)的溫度下進(jìn)行操作，所述溫度通常介于500°C到1000°C之間，但甚至超過(guò)1000°C的溫度也可能是有用的。這些操作溫度類(lèi)似于SOFC的這些條件。凈電池反應(yīng)生成氫氣和氧氣。一摩爾水的反應(yīng)在下面示出，水的還原發(fā)生在陽(yáng)極處:
[0005]陽(yáng)極:H20+2e—>2出+02—
[0006]陰極:02——>l/202+2e—
[0007]凈反應(yīng):Η2θ--->Η2+1/2〇2
[0008]圖2中提出了SOFC裝置，作為高溫燃料電池裝置的實(shí)例。SOFC裝置可以利用諸如烴類(lèi)(諸如天然氣或沼氣)、酒精(諸如甲醇)、或者甚至氨的燃料。圖2中的SOFC裝置包括位于堆疊形成物103(S0FC堆疊)中的一個(gè)以上燃料電池，通常是多個(gè)燃料電池。每個(gè)燃料電池均包括如圖1中提出的陽(yáng)極100和陰極102結(jié)構(gòu)。圖2中的SOFC裝置還包括燃料換熱器105，并且可選地還包括重整器107。通常，若干換熱器用于控制燃料電池工藝中不同位置處的熱狀態(tài)。重整器107是可用于將諸如天然氣的原料轉(zhuǎn)換成適用于燃料電池的組合物(例如包含氫和甲烷、二氧化碳、一氧化碳和惰性氣體的組合物)的反應(yīng)器。因?yàn)橹卣麩N類(lèi)燃料的工藝需要蒸汽，所以有利的是回收在燃料電池中形成為燃料氧化的產(chǎn)物的水并且使用所述水在重整器中進(jìn)行燃料重整，從而一旦系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行并發(fā)電就不需要將外部水饋送到系統(tǒng)。用于回收在燃料電池中形成為燃料氧化反應(yīng)的產(chǎn)物的水的實(shí)用方法是陽(yáng)極廢氣再循環(huán)，其中使從陽(yáng)極排放的氣體的一部分再循環(huán)，使之經(jīng)由反饋裝置109與未使用的原料混合。
[0009]通過(guò)在高溫下布置陽(yáng)極廢氣再循環(huán)，還可以省略至少一個(gè)換熱器。雖然發(fā)電模式下的陽(yáng)極廢氣再循環(huán)的主要目的是確保重整器進(jìn)口處的良好的氣體成分以促進(jìn)期望的重整反應(yīng)，但它的優(yōu)點(diǎn)還有就是與單獨(dú)的單程操作比較，提高單程反應(yīng)物利用的期望水平范圍內(nèi)的總體燃料利用率。在電解操作模式下，廢氣再循環(huán)還可用于在期望的反應(yīng)物利用率下調(diào)節(jié)針對(duì)最佳電解性能的電池進(jìn)口組成。在兩種操作模式下，陽(yáng)極氣體再循環(huán)增加了流過(guò)堆疊的總體流體流，改進(jìn)了氣流分布并因此改進(jìn)了溫度和組成分布。
[0010]在啟動(dòng)SOFC或SOEC系統(tǒng)期間，陽(yáng)極氣體的再循環(huán)可以用于以下目的:改進(jìn)來(lái)自整個(gè)系統(tǒng)的熱源的熱量分布，或者在關(guān)閉期間，用于氣體循環(huán)的裝置可輔助所述系統(tǒng)的沖水稀釋。在燃料部分氧化(POX)作為用于維持需要的氧-碳比的裝置的情況下，陽(yáng)極氣體再循環(huán)可用于以下目的:抑制POX反應(yīng)器中的意外高溫升高。
[0011]完成陽(yáng)極氣體再循環(huán)需要這樣的裝置，S卩，用于回收陽(yáng)極廢氣流的一部分并大體上重新加壓來(lái)提高其壓力使之足以克服給定流動(dòng)的再循環(huán)回路中的壓力損失。在所述裝置的一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)實(shí)施方式中，高壓燃料饋送用作射流噴射器中的動(dòng)力流，以?shī)A帶陽(yáng)極廢氣并將被夾帶氣體的壓力提高至燃料饋入的水平。由于射流噴射器的固定幾何形狀，這些系統(tǒng)拓?fù)渚哂杏邢薜哪芰?lái)控制重整器或堆疊進(jìn)口處的再循環(huán)率及所得的氧-碳(ο/c)比，且因此通常需要補(bǔ)償裝置，諸如外部供水和系統(tǒng)中的蒸汽發(fā)生器，以確保在燃料電池堆疊處具有足夠但不過(guò)量的蒸汽含量。不足的蒸汽流量可以導(dǎo)致不利地并可能不可逆轉(zhuǎn)地在系統(tǒng)的整個(gè)燃料側(cè)的部件中形成煙塵。另一方面，過(guò)量的再循環(huán)及隨之而來(lái)的燃料氣體稀釋雖然對(duì)系統(tǒng)的災(zāi)難性不如再循環(huán)不足，但是將降低燃料電池電壓和效率。所述裝置的另一現(xiàn)有技術(shù)實(shí)施方式是完成通過(guò)風(fēng)扇或壓縮器增壓而需要的再循環(huán)壓力。由風(fēng)扇或壓縮器進(jìn)行的再循環(huán)為系統(tǒng)操作提供了附加的靈活性和可控性，但需要精密、復(fù)雜且可能不可靠的機(jī)械。特別是在非常高的溫度下完成陽(yáng)極氣體再循環(huán)可能提供簡(jiǎn)化熱集成方案的優(yōu)點(diǎn)、設(shè)定困難的設(shè)計(jì)要求并可能為風(fēng)扇或壓縮器增添復(fù)雜性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的是一種用于SOFC或SOEC系統(tǒng)的再循環(huán)設(shè)備，其能夠在所述系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)有效的反應(yīng)物利用，從而實(shí)現(xiàn)高系統(tǒng)性能，并且確保在所有操作模式下優(yōu)化陽(yáng)極側(cè)的熱和組分調(diào)節(jié)，使可行性得到改進(jìn)并使SOFC或SOEC系統(tǒng)的復(fù)雜性降低。這由高溫燃料電池系統(tǒng)或電解電池系統(tǒng)的再循環(huán)設(shè)備實(shí)現(xiàn)，所述系統(tǒng)中的每個(gè)電池均包括陽(yáng)極、陰極以及位于所述陽(yáng)極與所述陰極之間的電解質(zhì)，所述再循環(huán)設(shè)備包括至少一個(gè)噴射器，用于使從陽(yáng)極側(cè)排放的氣體的一部分再循環(huán)。所述再循環(huán)設(shè)備包括所述噴射器，用以完成再循環(huán)流動(dòng)的期望流量，所述噴射器包括至少一個(gè)噴嘴；并且所述再循環(huán)設(shè)備包括用于向所述噴射器的所述噴嘴提供至少一種主原料流體的裝置以及用于向所述噴射器的所述噴嘴提供至少一種補(bǔ)充流體的裝置;并且所述再循環(huán)設(shè)備包括用于調(diào)節(jié)所述噴射器的流體的至少一部分的相應(yīng)比率的裝置，用以維持所述噴射器的所述噴嘴處需要的動(dòng)力流和壓力，以便完成所述期望的再循環(huán)流量。
[0013]本發(fā)明還聚焦于一種用于高溫燃料電池系統(tǒng)或電解電池系統(tǒng)的再循環(huán)方法，在該方法中，使從陽(yáng)極側(cè)和陰極側(cè)中的至少一側(cè)排放的氣體的一部分再循環(huán)。在該方法中，通過(guò)使用噴射器完成再循環(huán)流的期望流量，向所述噴射器的噴嘴提供至少一種主原料流體，向所述噴射器的所述噴嘴提供至少一種補(bǔ)充流體，并且調(diào)節(jié)所述噴射器的流體的相應(yīng)比率，用以維持所述噴射器的所述噴嘴處需要的動(dòng)力流和壓力，以便完成所述期望的再循環(huán)流量。
[0014]本發(fā)明基于的是通過(guò)以下手段利用再循環(huán)設(shè)備，S卩:向所述噴射器的噴嘴提供至少一種主原料流體，向所述噴射器的噴嘴提供至少一種補(bǔ)充流體，并且控制所述噴射器的主原料流體和補(bǔ)充流體的相應(yīng)比率，用以維持所述噴射器的所述噴嘴處需要的動(dòng)力流和壓力，以便完成期望的再循環(huán)流量。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，可以連同可行性改進(jìn)以及大幅降低高溫電池系統(tǒng)的復(fù)雜性來(lái)實(shí)現(xiàn)高系統(tǒng)性能