[发明专利]利用高温电解器从水中产生氢的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的利用高温电解器从水中产生氢的方法，以及一种根据权利要求11的前序部分的包括高温电解器的用于产生氢的设备。

背景技术

由于可再生能量的快速消耗而要求存储来自可再生源（例如，风能、太阳能）的大量的电能。在此，涉及由于可再生能源的日际波动导致的短期缓冲，以及由于可再生能源生产以及电能需求的季节性波动而导致的长期缓冲。如果通过高温电解水蒸汽而执行对电能的存储（这由于低的电解池电压而是有利的），则在此必须首先花费用于蒸发液态水的能耗以及用于将产物气体氢和氧压缩的能耗。此能耗应被最小化，以最大化电能存储的效率。

如果电能存储通过高温电解水蒸汽执行，则迄今为止在系统输入上使用了用于液体水的蒸发器且在系统输出上使用了用于产物气体的压缩机。在此，蒸发器必须提供用于所需的反应物水蒸汽的蒸发焓且压缩机必须提供用于产物气体氢和氧的压缩能。

发明内容

因此，本发明所要解决的技术问题是提供相对于现有技术具有明显改进的能量平衡的用以通过高温电解将水转化为氢的设备和方法。

此技术问题由一种具有权利要求1的特征的用于产生氢的方法以及一种具有权利要求11的特征的用于产生氢的设备得以解决。

根据本发明的利用高温电解器从水中产生氢的方法包括如下步骤：

首先，将水加热到电解器的过程温度，其中过程温度通常高于500℃，特别是处在600℃至800℃之间。在下一个步骤中在电解器内进行水的电解，其中从反应物水产生产物气体氢和氧。进一步，以压缩设备将产物气体氢压缩且通过冷却介质冷却所压缩的氢。在冷却中在冷却介质中积蓄的热能被供给到形成过程反应物的水加热过程中。

所产生的产物气体氢的压缩是必需的或合适的，以将氢以尽可能小的体积临时存储，直至氢再次被用于获取能量。但通过压缩在产物气体氢（H2）内引入了功。通过此引入的压缩功，氢被明显地加热，使得氢在压缩后的例如处于100bar的压力下根据外部边界条件可具有超过400℃的温度。根据本发明，此能量以氢的热能的形式传输到冷却介质，其中冷却介质被加热且又携带了目前被冷却的氢的热能。此热能被合适地又用于加热形成原料即电解过程的反应物的水。因此，明显改进了整个过程的能量平衡。

热能通过冷却剂的接收也可称为换热过程。为保持换热过程尽可能有效，可合适地将压缩过程和与之相连接的换热或冷却过程构造为多个级，即级联。

在换热过程中，合适的是已通过冷却介质将例如压缩机的压缩设备冷却。换热设备因此作为压缩设备的整体组成部分。

另一方面，将压缩设备至少部分地在强热负荷的区域内相对于其环境绝热，且将压缩的气体例如在随后的气体传导中通过换热设备冷却。

基本上，在所有替代方式中合适的是将压缩设备以冷却通道穿过，使得在压缩设备内累积的热已可合适地被使用。

在另外的合适的实施形式中，将被压缩的产物气体氢冷却且作为换热设备的部分的冷却介质包括水，所述水又作为用于电解过程的反应物。在此，反应物水（过程水）作为冷却剂被引导通过换热设备，且最后以蒸汽形式被引入到带有相应的温度的电解器内。

也已被证明合适的是将从也具有大约500℃至800℃的电解器过程温度的电解器离开的氢冷却，然后将所述氢压缩。在压缩前进行此冷却过程是合适的，以使得压缩设备不受到不必要的热负荷。在此，合适的是在换热过程中将具有蒸汽形式的反应物水加入到热的产物气体氢和/或热的产物气体氧。通过优选地也以对流换热器的形式使用的此换热过程，可将产物气体的废热直接用于对反应物的加热。在电解器自身的特别好的绝热且在产物和反应物的有效的换热的情况下，高温电解器的能量损耗很低。

在至此所描述的方法中，特别地将氢作为产物气体压缩且将在此形成的能量再提供到水的加热过程。基本上，也可合适的是将氧压缩且在为此特别提供的箱内临时存储。如果氧也应被压缩，则在此所形成的压缩热也类似于前述描述被导出且提供到水的加热，这再次提高了过程的效率。

本发明的另外的组成部分是用于产生氢的设备。此设备包括用于将水转化为氢的高温电解器。此外，该设备包括用于压缩所产生的氢的压缩设备。压缩设备又包括换热设备，所述换热设备用于将在压缩过程中产生的压缩热传输到高温电解器的反应物水。压缩设备在此优选地构造为压缩机的形式。

根据权利要求11的设备特别地用于执行根据权利要求1至9所述的方法，且分别具有已解释的优点。