[发明专利]SOEC系统和SOEC系统运行方法

说明书

本发明涉及一种SOEC系统(1)，其具有：包括气体侧(3)和空气侧(4)的燃料电池堆(2)以及用于将工艺流体供应至该气体侧(3)进气口(6)的引射器(5)，其中，该引射器(5)具有用于将含水的初级工艺流体经由SOEC系统(1)的初级管线(8)输入到该引射器(5)初级部(9)内的初级入口(7)和用于将所回输的次级工艺流体经由该SOEC系统(1)的循环管线(11)从在该气体侧(3)的排气口(12)输入到该引射器(5)次级部(13)内的次级入口(10)，其中，SOEC系统(1)还具有控制气体供应部(14)，用于将控制气体供应入所述初级部(9)和次级部(13)以控制所述初级部(9)和次级部(13)内的压力和/或物质流，并且其中，控制气体供应部(14)为了控制所述初级部(9)和次级部(13)内的压力和/或物质流具有阀装置(19,20)。本发明还涉及一种用于运行本发明的SOEC系统(1)的方法。

技术领域

本发明涉及一种SOEC系统，它具有包括气体侧和空气侧的燃料电池堆以及用于将工艺流体供应至气体侧进气口的引射器，其中，该引射器具有用于将含水的初级工艺流体经由SOEC系统的初级管线输入到该引射器的初级部内的初级入口和用于将所回输的次级工艺流体经由该SOEC系统的循环管线从该气体侧排气口输入到该引射器的次级部内的次级入口。本发明还涉及一种这种SOEC系统的运行方法。

背景技术

核心部件是燃料电池堆的SOEC系统能够针对有意义的功能方式和/或工作方式和期望的使用寿命在特殊工作状态下运行。它尤其是包含按照预先规定将工艺气体输送至燃料电池堆、即将含水的和/或含水蒸汽的流体输送至气体侧并将空气输送至空气侧。在SOEC系统运行中，人们就像在传统的燃料电池系统中一样区分阴极气体供应和阳极气体供应，或者换言之，区分燃料侧和空气侧，其中，在电解运行中，阴极对应于燃料侧，阳极对应于空气侧。在利用SOEC堆的高温电解中进行在燃料侧的尤其伴有水蒸汽和二氧化碳的气体输送。在空气侧，空气一般用来吹扫阳极气体室。空气在运行中按照富含氧气的方式离开燃料电池堆。为了尽量抑制在燃料侧的单池质量降低、尤其是镍催化器的氧化，应该在燃料侧存在还原性气氛，其还在气体供应装置内应该通过还原性物质如氢气和一氧化碳来保证。

在不具备检查站基础设施的孤立系统或装有还原性物质的单独储蓄容器中，还原性气氛的部分应该直接由系统本身提供。这总体上是在SOEC系统研发中的一项重要挑战并且可以通过在燃料侧的来自燃料电池堆的灼热废气的内部循环来实现。

循环需要适当的连接和用以使待循环的废气部分的压力级升高的设备。这在现代SOEC系统中通过引射器实现。这种构件是静态部件，其应该针对期望的系统工作点来专门设计并且不需要可运动的部分。在引射器内，原则上对应于来自燃料电池堆气体侧的循环产品气的次级流被添加至初级流。该初级流包含如下介质，它根据其功能性应该被送入燃料电池堆，即例如为了电解而供应水蒸汽。

与引射器的工作方式相应地，初级流能够具有专门增大的压力水平，由此，该引射器喷嘴内的初级流达到高速并且射出流在引射器的混合腔内产生负压。负压导致次级流通过抽吸作用被一起抽吸并且与初级流混合。由于引射器有固定的几何形状，故抽吸作用、即循环作用以及总体增压是与SOEC系统的相应工作状态相关的。因为初级流与燃料电池堆处的工作状态直接关联，这意味着在具有最大程度电解工作的工作状态下存在最大初级物质流。此外，因此在引射器喷嘴的固定几何形状情况下也存在最快速的射流速度，这原则上导致在引射器出口处的最大的循环率和增压。在部分负荷运行状态和进而较小的初级物质流情况下，射流速度、循环率以及可能的增压降低。为了毕竟获得在规定循环率时的所需增压，应该存在最小初级物质流。就是说，系统运行所需的循环从某个最小部分负荷运行起发挥功能并且循环率随着负荷点向满负荷升高而越来越大。

使用引射器时的一个问题是可调节性有限。引射器的构件原则上具有固定的几何形状，为此，用于SOEC系统内的运行的特性被确定。原则上，引射器针对主工作点来设计并且尽可能在工作点运行。关于部分负荷区域，人们期望在此能允许更可靠运行的尽量大的工作范围。