[发明专利]用于SOEC应用的膨胀器

说明书

在一种用于通过电解产生各种合成气的方法中，该方法包括将蒸汽和压缩空气分别供给到电解单元的阴极和阳极，或供给到一系列电解单元中的第一个中的阴极和阳极，进入一系列电解单元的第一个中，电解单元在升高的气压下运行，然后，使用气体膨胀器将离开阳极的富氧气体膨胀低至大约环境压力。电解单元优选是固体氧化物电解池(SOEC)堆。

发明领域

本发明涉及电解单元，特别是固体氧化物电解池(SOEC)系统，其在升高的压力下运行，同时产生包含氢气；一氧化碳；或氢气、一氧化碳和二氧化碳的混合物的合成气。更具体地，本发明涉及膨胀器在SOEC系统中的用途。

发明背景

在SOEC系统中产生的合成气可以是用于制备例如氨、甲烷、甲醇或二甲醚(DME)的合成气。

本发明所基于的基本思想在于，SOEC系统在升高的压力下运行，同时产生合成气。必须将SOEC系统阳极侧出口处的氧气含量控制在大约50vol％以下，这可以通过用经压缩的空气和/或蒸汽的流进行稀释来实现。本发明的关键是在该物流上施加膨胀器，以通过使气体膨胀低至接近环境压力的压力来回收能量。由于SOEC(或其他高温电解器，如质子传导固体氧化物电池)的高的运行温度，这是可行的。

对于使用这种合成气的所有应用，有利的是在压力下使用气体，即保持SOEC系统处于加压状态。

如果堆在压力下运行，对所有SOEC应用都是非常有益的，因为在这种情况下，可以省去资金和维护密集以及耗能的合成气压缩机。初步的实验室测试表明，在高至20barg的运行压力下，堆中的功耗将保持不变，因为改进的电极动力学将抵消增加压力的热力学缺点。

但是，SOEC技术存在一个问题，即SOEC系统中的单个电池只能承受非常有限的压差(0.2-0.5bar)。通过以死端模式(dead-end mode)运行系统的氧气侧就可以克服此缺点，这意味着在电池的阳极侧将没有进料流。

但是，该解决方案将导致纯氧在650-850℃的高运行温度和高达40bar的压力下离开阳极，这将对堆以及堆下游的构造材料提出严格的要求。此外，将存在与该运行模式相关的严重的安全风险。

迄今为止已知的唯一一个在压力下运行的SOEC系统是由Dresden的sunfire GmbH制造的，并应用于HELMETH(代表High temperature ELectrolysis and METHanation的集合，以实现有效的电能转化为气体)项目，但是关于空气侧运行的细节尚未发表。爱达荷州国家实验室(INL)已发表涉及氧气处理安全性的论文，并建议废气中的氧气含量最高为50％。此运行模式也是在Foulum的丹麦沼气升级项目中应用的模式。这通过以下实现：向阳极侧中吹入空气，从而将产生的氧气稀释，以使出口浓度不超过50vol％。高压蒸汽也可用于稀释，前提是采用耐蒸汽的阳极。

由于SOEC的运行机理是氧离子通过电解质膜转移并在阳极侧重组为分子氧，分别在蒸汽或二氧化碳电解的情况下，进入SOEC堆的质量流的主要部分或重要部分留在了阳极侧上。

因此，与将稀释的空气压缩或产生稀释的蒸汽的投资相比，膨胀器将回收更多的能量。

发明内容

因此，本发明涉及一种通过电解产生包含氢气，一氧化碳，或氢气、一氧化碳和二氧化碳的混合物的合成气的方法，所述方法包括分别将蒸汽和压缩空气供给到电解单元的阴极和阳极或供给到一系列电解单元的第一个的阴极和阳极，其中，

-所述电解单元或所述一系列电解单元在升高的气压下运行，并且

-随后使用膨胀器将离开阳极的富氧气体膨胀低至大约环境压力。

电解单元优选是SOEC堆。