[go: up one dir, main page]

TW201505248A - 具有熱匹配堆疊整合式熱交換器的固體氧化物堆疊系統 - Google Patents

具有熱匹配堆疊整合式熱交換器的固體氧化物堆疊系統 Download PDF

Info

Publication number
TW201505248A
TW201505248A TW103112103A TW103112103A TW201505248A TW 201505248 A TW201505248 A TW 201505248A TW 103112103 A TW103112103 A TW 103112103A TW 103112103 A TW103112103 A TW 103112103A TW 201505248 A TW201505248 A TW 201505248A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
heat exchanger
stack
solid oxide
heat
heat exchangers
Prior art date
Application number
TW103112103A
Other languages
English (en)
Inventor
佩德森 克勞斯 佛瑞斯
Original Assignee
哈爾德杜薩公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 哈爾德杜薩公司 filed Critical 哈爾德杜薩公司
Publication of TW201505248A publication Critical patent/TW201505248A/zh

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/02—Process control or regulation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0093—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/08—Elements constructed for building-up into stacks, e.g. capable of being taken apart for cleaning
    • F28F3/083—Elements constructed for building-up into stacks, e.g. capable of being taken apart for cleaning capable of being taken apart
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04037—Electrical heating
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04067—Heat exchange or temperature measuring elements, thermal insulation, e.g. heat pipes, heat pumps, fins
    • H01M8/04074—Heat exchange unit structures specially adapted for fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
    • H01M8/2428—Grouping by arranging unit cells on a surface of any form, e.g. planar or tubular
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
    • H01M8/2432—Grouping of unit cells of planar configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
    • H01M8/248—Means for compression of the fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2484—Details of groupings of fuel cells characterised by external manifolds
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0043—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for fuel cells
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2265/00—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction
    • F28F2265/24—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction for electrical insulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2265/00—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction
    • F28F2265/26—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction for allowing differential expansion between elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y02P20/129—Energy recovery, e.g. by cogeneration, H2recovery or pressure recovery turbines

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

本發明提供一種固體氧化物電解電池(SOEC)系統，其具有至少一整合式熱交換器，該整合式熱交換器將該熱交換器及該系統之熱的表面積最小化。

Description

具有熱匹配堆疊整合式熱交換器的固體氧化物堆疊系統
本發明係關於熱匹配熱交換器之設計及整合，及熱匹配熱交換器與固體氧化物堆疊及系統之整合以增強此等系統之總效率。
固體氧化物電池係用於廣泛範圍之目的，包括自不同燃料產生電(燃料電池模式)及自水及二氧化碳產生合成氣體(CO+H2)(電解模式)。不管應用為何，固體氧化物堆疊典型地在自600℃至1000℃之範圍內的溫度下操作。在此等溫度下，為了獲得良好效率，減少熱損耗係必需的。
用以減少熱損耗之兩個必需組件為熱絕緣材料及熱交換器。熱絕緣係用以減少至環境之熱損耗，且熱交換器係用以將熱自出口氣流轉移至入口氣流。因此，熱交換器為幾乎任何固體氧化物堆疊系統(solid oxide stack system，SOSS)中之關鍵組件，且最佳化此等熱交換器以增強熱轉移且減少熱損耗為至關重要的。
在傳統非整合式固體氧化物堆疊系統組態中，相當大量的熱經由組件之間的熱表面及管路而損耗。
本發明提供一種固體氧化物電解電池(SOEC)系統，其具 有至少一整合式熱交換器，該整合式熱交換器將該熱交換器及該系統之熱的表面積最小化。
將藉由參看示意性實例更為詳細地解釋本發明。在圖式中：圖1展示非整合式系統之實例；圖2展示EP1602141中之熱交換器之一具體實例；圖3展示EP1602141中之熱交換器之另一具體實例；圖4展示熱匹配熱交換器與鄰近組件之兩個鄰近點之間的最大溫度差δ T與橫越熱交換器之最大溫度差△T之示意圖；圖5展示熱匹配熱交換器之一具體實例；圖6展示熱交換器之一堆疊整合式組態之一具體實例；；圖7展示自壓縮系統之熱損耗之一實例；圖8A展示固體氧化物堆疊系統之「對臥(boxer)」組態之一具體實例；圖8B展示固體氧化物堆疊系統之「對臥(boxer)」組態之另一具體實例；圖9A展示電佈線連接至固體氧化物堆疊系統之一具體實例；圖9B展示電佈線連接至固體氧化物堆疊系統之另一具體實例；圖10展示熱匹配堆疊整合式熱交換器之另一具體實例；圖11展示本發明之一具體實例；圖12A展示整合式堆疊之一具體實例；圖12B展示整合式堆疊之另一具體實例；圖13展示運用兩個(整合式)熱交換器及一加熱器實現的簡單SOEC 組態；圖14展示運用兩個(整合式)熱交換器實現的簡單SOFC組態；及圖15展示組合式SOEC及SOFC系統。
圖1展示非整合式系統之實例。在燃料及氧氣側兩者上，電解模式中之固體氧化物堆疊係經由與電加熱器串聯之輸入/輸出熱交換器而饋送。
為了能夠比較不同設置之熱損耗，可將被稱為「熱表面積」(hot surface area，HSA)之參數定義為：
其中T(A)為給定區域之溫度，TMax為橫越整個區域之最大溫度，且Text(A)為鄰近組件及周圍外部環境之溫度，且T Min 為最小外部溫度(典型地為室溫)。「熱表面積」可被解釋為針對整個器件區域而積分且以最大溫度差進行正規化的實際表面溫度差。
在考慮圖1上之大的左側熱交換器的情況下，作用中區域之尺寸為8cm×8cm×12cm，從而向其提供500cm2之表面積。然而，熱交換器之溫度自最大溫度(線性地)變化至冷輸入溫度。若冷輸入溫度相似於外部溫度，則熱交換器之熱表面積為250cm2。此數目不包括添加額外250cm2熱表面積的歧管裝置及管路。出於參考起見，堆疊(不具有外殼及壓縮系統)之尺寸為12cm×12cm×10cm且具有為750cm2之(熱)表面積。
為了減少固體氧化物堆疊系統之熱損耗，已提議將熱交換器 與堆疊整合且藉此減少自熱歧管裝置及熱管路之熱損耗。
US20100200422揭示一種電解槽，其包括複數個基本電解電池堆疊，每一電池包括一陰極、一陽極，及設在該陰極與該陽極之間的一電解質。一互連板插入於一基本電池之每一陽極與下一基本電池之一陰極之間，該互連板與該陽極及該陰極電接觸。使氣動流體與陰極接觸，且電解槽進一步包括確保電解槽中之氣動流體之循環以用於在使氣動流體與陰極接觸之前加熱其之機構。
EP1602141為此所提議發明之實例，且揭露經模組化建置之固體氧化物堆疊系統，其中諸如熱交換器之額外組件直接配置於高溫燃料電池堆疊中以避免使用管路。參看圖2(來自EP1602141之圖4)，藉由與來自後燃(nachverbrenner)單元之暖廢氣(abgas)交換熱而預加熱冷空氣(luft)。
然而，存在對可運用EP1602141中之發明而獲得的熱損耗改良之根本性限制。圖2展示EP1602141中之熱交換器(luftvor-加溫器(luftvor-warmer))係基於傳統交叉流動熱交換器。在此狀況下，熱交換器將具有熱「左」側及冷「右」側，如圖2上之斜體字所指示。熱交換器面對頂部上之熱組件(nachverbrenner)及底部處之冷組件(Vorreformer)。熱表面及冷表面之此分佈導致兩個問題。
1)在EP1602141中所展示之組態中，熱交換器將在左側具有面對相對冷的預重組器(「vorreformer」)之熱表面(A)且具有面對熱後燃燒器(「nachverbrenner」)之冷表面(B)。因此，在不同元件之間必需有熱絕緣材料以避免熱界面A)/冷界面B)處之高熱損耗。為了獲得鄰近熱表面與冷表面之間的良好熱絕緣，典型地將必須使用至少0.1mm/K之絕緣 材料。
2)歸因於熱膨脹及在接觸平面中橫越熱交換器之不同溫度，熱交換器將在系統之啟動及冷卻期間相對於鄰近組件而移動。在具有12×12cm堆疊及15E-6(K-1)之(鋼)熱膨脹係數的情況下，此相對移動將在後燃燒器達到750℃之堆疊操作溫度的情況下為大約1.5mm。
若預重組器、熱交換器及後燃燒器可相對於彼此自由地移動，則此未必為一問題。然而，氣體需要在鄰近組件之間流動，且因此，該三個元件必須彼此固定，如圖3上所指示，其中預重組器、熱交換器及後燃燒器與此等組件之間的必需連接件一起被展示。圖3亦用「黑」色指示熱區域及用「白」色指示冷區域。
概括言之，因此，EP1602141中之發明之熱交換器之特徵在於：在點A及B處，必須插入至少0.1mm×△T之絕緣材料。此處，△T為橫越熱交換器之溫度差(熱入口溫度-冷入口溫度)。
在點C及D處，熱交換器必須固定至鄰近組件。因為熱交換器在啟動及冷卻循環期間相對於鄰近組件而移動，所以此固定必須具有固體性質，例如，其中鋼連接件經硬焊至熱交換器及鄰近組件。
在假定△T為750℃且簡單實現沿著尺寸為12cm(堆疊長度)×1.5cm(對於氣孔及硬焊區帶)×7.5cm(絕緣高度)之堆疊之側的鋼連接件的情況下，則此等鋼連接件之熱表面積變成135cm。此熱表面積可比得上圖1之傳統龐大熱交換器設計之管路及歧管裝置之表面積。
EP1602141之發明之另一挑戰在於：圖2指示亦在熱界面A/ 冷界面B處進行之流傳送，因此，熱界面A/冷界面B不能自由移動。因此，EP1602141之發明僅適於針對入口/出口溫度差(△T)之相對低值遞送所要流且提供管路及歧管裝置表面積之所要減少。
發明EP1602141及相似設計之熱交換器之最大操作溫度及效率係受到如下事實限制：熱交換器熱梯度(自左至右)垂直於堆疊總成中之鄰近組件之熱梯度(自上至下)。本發明中提議替代系統及熱交換器設計，其具有在與鄰近堆疊組件之彼等熱梯度相同的方向上定向(與鄰近堆疊組件之彼等熱梯度熱匹配)之熱梯度。此情形允許熱交換器亦在具有入口/出口溫度差(△T)之相對高值之系統中有效率地操作。
此處，吾人提議使用與固體氧化物堆疊系統之其他組件緊密整合之熱匹配熱交換器。熱匹配在此處應被理解為：熱交換器之熱梯度係在與鄰近堆疊組件之彼等熱梯度相同的方向上定向。此亦可被表達為如下準則：熱交換器與鄰近組件之兩個鄰近/觸摸點之間的最大溫度差δ T實質上小於橫越熱交換器之最大溫度差△T(請參看圖4)。
此等熱交換器具有能夠實際地消除來自歧管裝置及管路之熱損耗之優點。此外，其亦可用以：
1.減少自壓縮系統之熱損耗
2.減少系統之總熱損耗，此係因為其可減少系統之熱表面積
3.改良電系統之效率
4.減少熱交換器成本，此係因為此等熱交換器之總成可與堆疊總成整合。
圖5展示熱匹配熱交換器之一具體實例(Hex A)之一實例。 該熱交換器原則上為「經彎曲」逆流板熱交換器。該流自一側(「左」或「右」)傳播至另一側(「右」或「左」)，且在左側及右側邊緣處，該流經引導至熱交換器中之另一層且流動方向被反向。
在熱交換器之每一「層」之間，插入熱絕緣層。舉例而言，此層可僅僅為使用靜止空氣作為絕緣材料之中空區段。用於此熱交換器中之層「N」之數目係由最大可接受溫度差δ T判定。因為每一層處置總溫度差△T之1/N，所以N可被表達為N△T/δ T。
此處所提議之熱交換器之特徵不僅在於消除來自歧管裝置及管路之熱損耗，而且其在被整合至固體氧化物堆疊系統中時具有極低有效表面積。為了理解，此方程式1展示若T(A)-Text(A)針對給定表面低，則來自此表面之有效熱表面積亦低。此基本上指示若兩個熱表面面對面地置放，則可消除兩者之熱損耗。
為了例示此情形，請考慮圖6之系統。高度為3cm的「Hex A」型熱交換器連接至在775℃下操作之12×12cm堆疊。假定熱交換器具有來自鄰近歧管之25℃入口，假定δ T朝向歧管及堆疊小面兩者為75℃。
對於獨立熱交換器，6個側之根據方程式(1)之積分得到：12cm×12cm×(775-75/2-25)℃=10.3m2 K(頂部)
12cm×12cm×(75/2)℃=0.5m2 K(底部)
4×12cm×3cm×(775-25)/2℃=5.4m 2K(側)
從而導致為(10.3+0.5+5.4)m2 K/(775-25)K=216cm2之熱表面積。
在堆疊整合式組態中，來自熱側之熱損耗減少至0.5m2 K， 且系統熱表面積被得知為(0.5+0.5+5.4)m2 K/(775-25)K=85cm2。
此熱交換器之引起關注的態樣為：其可變成堆疊壓縮系統之整合式部件且幫助減少自該壓縮系統之熱損耗，熱損耗在大多數固體氧化物堆疊系統中相當大。歸因於不同堆疊組件(例如，電池與互連件)之間的熱膨脹係數之差，典型地將外部壓縮系統應用於堆疊之兩個端板。圖7展示自壓縮系統之熱損耗之一實例，且熱損耗之該實例被用於圖1之系統。此處，使用鋼屏蔽件以提供堆疊壓縮。鋼屏蔽件經螺栓固定至底部板且經由壓縮墊提供穿過堆疊之壓縮壓力。因為此壓縮墊具有相對高熱導率，所以鋼屏蔽件具有與內部之堆疊相同的溫度。鋼屏蔽件之表面積為2000cm2或比堆疊之表面積高幾乎3倍。此情形暗示熱壓縮系統將顯著增加固體氧化物堆疊系統之熱損耗。
極有吸引力的替代例將為使用堆疊整合式熱匹配熱交換器之所提議具體實例作為壓縮系統之整合式部件。當需要若干堆疊時極受歡迎的固體氧化物堆疊系統組態為所謂「對臥(boxer)」組態。此處，兩個堆疊置放於彼此之頂部上，其中中心歧管及壓縮係自兩個末端提供，如圖8A及圖8B所展示。「對臥」組態之一優點在於：兩個熱堆疊表面面對彼此，藉此相比於具有兩個個別堆疊之組態減少系統熱損耗。此外，自兩個末端提供壓縮之簡單壓縮系統可用以同時地壓縮該兩個堆疊。此針對圖8A上之標準組態被展示，從而指示在此狀況下，需要「熱」壓縮系統，此係因為壓縮將被直接地施加於兩個熱堆疊頂部/底部。
圖8B上展示一替代且有吸引力之組態。此處，所提議熱交換器(Hex A)插入於堆疊與壓縮系統之間。該等熱交換器具有朝向堆疊之 熱端表面及與堆疊相對的朝向壓縮系統之冷端表面。此等熱交換器可提供用於壓縮系統之冷界面，且藉此實際上消除自壓縮系統之熱損耗。
固體氧化物堆疊系統中之熱損耗之另一源為電佈線。典型地，電佈線連接至堆疊之熱底部板及頂部板，如圖9A上所指示。為了減少此等電線之歐姆損耗，其典型地具有相對寬橫截面且因此具有相當大熱導率。
藉由使用導電堆疊整合式熱交換器(比如Hex A)且將電線連接至冷表面，將消除此熱損耗，如圖9B上所指示。
為了給出熱交換器之典型歐姆損耗之實例，再次考慮尺寸為12×12×3cm之熱交換器。因為熱匹配熱交換器可在不使用密封墊的情況下直接連接至堆疊，所以至堆疊之電阻相同於熱交換器之電阻。熱交換器板將在可被假定為12cm長與1cm寬的接合區域中電連接。在使用為12E-6Ohm cm之鋼之電阻率的情況下，自冷熱交換器表面至堆疊之Hex A電阻RHex被得知為：RHex=12E-6Ohm cm×3cm/(12cm x 1cm)=3 E-6Ohm
因此，甚至100A的相對大SOEC電流橫越熱交換器之傳輸將僅造成可忽略的額外電壓降。
固體氧化物堆疊系統之另外且相當顯著的損耗機構為系統之DC/AC轉換部件，其中功率損耗可容易地為大約5%。此處，眾所周知，對於DC/AC及AC/DC轉換兩者，針對給定電功率之最高轉換效率係針對最高可能的(切換)電壓而獲得。此相似於如下熟知現象：電功率之最低傳輸損耗係在高電壓傳輸線中達成。
因此，為了減少切換損耗，有利的是串聯地電連接若干堆疊以獲得用於DC/AC轉換器之高電壓，如針對圖9B中之延伸型對臥組態所指示。典型地，壓縮系統必須電接地，此情形導致末端堆疊小面與壓縮系統之間的相對高電壓：圖9B上之點I)及II)。在傳統組態中，此設定限制最大電壓，此係因為存在在找到可在高電壓、高溫度下且在溫度循環期間的高壓力下同時地操作之電絕緣材料方面之實際限制。
然而，藉由應用熱側與堆疊相抵且冷表面朝向壓縮系統的導電堆疊整合式熱交換器，有可能在冷表面處具有堆疊之電介面且因此在冷得多的溫度下在堆疊與壓縮系統之間提供絕緣。
Hex A熱交換器之顯著優點在於：其可在用於組裝堆疊的相同組裝程序被組裝。作為一實例，可藉由堆疊具有相同佔據面積且由與用於堆疊中之互連件及隔片之彼等材料相同的材料製成的金屬板及隔片來製造Hex A。熱交換器可藉由與燃料電池堆疊相同的程序(例如，機器人控制之堆疊)被組裝，且熱交換器元件可藉由與用於堆疊相同的方法(例如，玻璃焊接、Ni硬焊或擴散結合)來接合。藉由將金屬組件用於熱交換器，可保證其按一般需要係導電的。
圖10展示熱匹配堆疊整合式熱交換器之另一較佳具體實例。此熱匹配堆疊整合式熱交換器置放於堆疊之側中之一者處且使用逆流板熱交換器組態。
在圖10上，冷入口在「冷」右側處連接至熱交換器之頂部，且熱交換器之熱「左」側面對堆疊。堆疊與熱交換器之間的熱流通過堆疊之底部處之歧管裝置板。Hex B可與堆疊分離，且(例如)外部加熱器可插 入於Hex B與堆疊之間。Hex B亦可為堆疊之整合式部件，且(例如)共用諸如隔片及互連件之組件。此將需要使電絕緣部件包括於熱交換器設計中，如下文所描述。
圖11展示本發明之一具體實例，其中熱交換器係藉由延伸互連件及隔片之長度自堆疊組件來實現。一個熱交換器板集合就可基於互連件之延伸。為了避免堆疊中之電池之間的電短路，必須使每隔一熱交換器板集合(對應於電池之延伸)基於在垂直方向上不導電之材料。舉例而言，此可為陶瓷板或陶瓷塗佈之金屬薄片。該兩個熱交換器板集合可由延伸之隔片分離，該等延伸之隔片亦用以橫越不同熱交換器板導引所要流。
至於Hex A，Hex B之熱交換器板可以與堆疊完全相同的程序來組裝，且可使用相似方法以接合熱交換器及堆疊組件。舉例而言，此等接合方法可為玻璃密封/焊接、硬焊或擴散結合。
至於Hex A，Hex B亦可亦具有低的熱表面積。
為了例示此情形，請考慮圖10上之系統。長度為6cm的「Hex B」型熱交換器連接至在775℃下操作之高度為10cm的12×12cm堆疊。假定該熱交換器分別具有25℃之入口流溫度及50℃之出口流溫度。
對於獨立熱交換器，根據方程式(1)之熱表面積之積分可被得知為：12cm×10cm×(775-25)℃=9m2 K(熱表面)
12cm×10cm×(50-25)℃=0.3m2 K(冷表面)
4×10cm×5cm×(775-25)/2℃=7.5m2 K(側)
此情形給出如下之熱表面積： (9+0.3+7.5)m2 K/(775-25)=225cm2
在堆疊整合式組態中，消除來自熱表面之熱損耗，且系統熱表面積被得知為105cm2。
亦可實現具有低電阻的Hex B熱交換器。每隔一熱交換器板可被實現為金屬板，且藉此係導電的。此情形使得有可能(例如)具有自熱交換器上之頂部或底部板至堆疊之頂部或底部板之冷電連接。為了給出典型歐姆損耗之實例，再次考慮尺寸為12×10×5cm之熱交換器。假定熱交換器板之厚度為0.3mm。在此狀況下，自冷熱交換器表面至堆疊之Hex B電阻RHex被得知為：RHex=12E-6Ω cm×5cm/(12cm×0.03cm)=1.7 E-4Ω
此熱交換器具體實例之極引人關注的特徵在於：其有可能具有至堆疊中之每一互連件之冷電連接。此情形可用以向用以控制通過個別電池或電池群組之電流之電組件提供冷環境。此電流控制可(例如)用以調整個別電池或電池群組上之電流，以便獲得堆疊中之所有電池或電池群組之極高燃料利用率。另一應用可為切斷具有缺陷(洩漏)的電池之電池或電池群組在SOEC模式中之電流。此情形將避免對缺陷電池之過度加熱以破壞鄰近電池。
所提議熱交換器具體實例可用於許多組態中以實現不同SOFC、SOEC及甚至組合式SOFC/SOEC組態。圖12展示一實例。在圖12A中，四個堆疊被置放成彼此接近，每一堆疊與相鄰堆疊共用兩個熱側。每一堆疊亦連接至一個Hex A及一個Hex B，從而向此組態之所有平面內側提供冷外部界面。此外，有可能在平面外方向上級聯若干相似組態，藉此實 現具有極少熱外部表面之系統。出於SOEC的目的，可有利的是在堆疊之間包括堆疊整合式加熱器，此等堆疊整合式加熱器亦在圖12上被指示。
具有兩個熱交換器之固體氧化物堆疊組態對SOEC系統及SOFC系統兩者有關。圖13及圖14上例示此情形。
圖13展示可用兩個(整合式)熱交換器及一加熱器實現的簡單SOEC組態。燃料(例如，H2O)係通過兩個入口而饋送至堆疊，其中可獨立地調整該等流。來自燃料入口1之冷流(例如，101℃蒸汽)係在Hex1a中由來自堆疊之熱燃料出口流加熱。以相同方式，來自燃料入口2之冷流係在Hex2中由來自堆疊之熱氧氣出口流加熱。不使用氧氣側之入口沖洗，且因此，來自氧氣側之輸出為100%的O2。
組合兩個燃料入口，且經組合流之溫度在燃料被饋送至堆疊之前在加熱器中增加。假定堆疊在接近於熱中性點處操作，且因此，輸出流之溫度將接近堆疊操作溫度。熱交換器並非理想的，且一些熱將損耗至環境，且此等熱損耗由加熱器補償。
此組態之主要動機在於：其使得有可能針對所有電流位準平衡入口熱質量與出口熱質量。此情形很可能藉由兩個實例來最佳地論證。
假定使用75電池堆疊，其中每電池具有100cm2作用中面積。該堆疊可在高達70A之電流下操作，其中燃料利用率高達70%。在此狀況下，至堆疊之燃料輸入流應為3.4Nm3/h(蒸汽)。
當系統正在最大負載下操作時，則2.4Nm3/h H2O經轉換成H2，且同時產生1.2Nm3/h O2。為了在兩個熱交換器中達成最有效率的熱回收，入口流之熱質量應經調整以與出口流之熱質量匹配。在蒸汽之比熱為 37.5J/(mol K)且氧氣之比熱為29.4J/(mol K)的情況下，則入口2之熱質量平衡流量應為1.2Nm3/h×29.4/37.5=0.94Nm3/h。入口1之平衡流量則變成3.4Nm3/h-0.94Nm3/h=2.46Nm3/h。
若不施加電解(系統為閒置的)，則在所有燃料被饋送通過燃料入口1的情況下獲得最有效率的熱回收，其中該燃料在Hex1中可與相似熱出口流相互作用。
圖14展示可運用兩個(整合式)熱交換器實現的簡單SOFC組態。燃料(例如，H2)係通過燃料入口1而饋送至堆疊，且冷入口流在Hex1中由來自堆疊之熱燃料出口加熱。以相同方式，冷空氣入口流係在Hex2中由來自堆疊之熱空氣出口流加熱。
與SOEC模式中之情形形成對比，則需要使兩個入口流比堆疊操作溫度低，此係因為較冷入口流提供對堆疊之必要冷卻。為了給出典型操作參數之實例，則可考慮75電池堆疊，其中電輸出為1.5kW、電效率為50%且燃料利用率為70%。在具有氫氣之較低加熱值3.5kWh/Nm3的情況下，則SOFC需要為如下之氫氣輸入：1.5kW/3.5kWh/Nm3/50%/70%=1.8Nm3/h H2
在假定堆疊入口溫度為650℃、出口溫度為850℃且空氣之比熱為29J(mol K)的情況下，則得知：需要約略21Nm3/h的空氣以提供對由堆疊產生之1.5kW之熱的冷卻。實務上，此將稍微低一些，此係因為一些冷卻典型地亦將由燃料入口提供，且將存在至環境之一些熱損耗。
亦有可能使用此等整合式熱交換器來實現每堆疊具有兩個以上熱交換器之固體氧化物堆疊系統。圖12B展示一個可能的具體實例。 此處，存在以極緊湊組態配置之12個堆疊及14個熱交換器。在將歧管裝置板用於燃料、空氣及氧氣分佈的情況下，有可能使若干堆疊共用一個熱交換器且藉此實現(例如)圖15上所展示之組合式SOEC及SOFC系統。
此組態為圖13及圖14所展示之SOEC組態及SOFC組態之共同特性。當在SOEC模式中操作時，空氣入口及出口被關斷(在Hex3之冷側)，且系統正與圖13中之SOEC系統完全相同地操作。
當在SOFC模式中操作時，氧氣出口及燃料入口2被關斷(在 Hex2之冷側)，加熱器被關斷，且系統正以極相似於圖14之組態的方式操作。唯一差別在於：在大多數狀況下，Hex1a大於Hex1b，從而暗示饋送至堆疊之燃料之溫度在圖15中相比於典型SOFC組態中較高。此意謂需要略高的空氣流量來冷卻堆疊。然而，因為燃料流比空氣流小得多(超過一個數量級)，所以此增加之空氣流將僅對SOFC系統效率有可忽略的影響。
為了實施具有圖12B所展示之整合式堆疊之圖15之系統組態，則有可能使用hex B型熱交換器以用於空氣流(Hex 3)，此係因為Hex B型熱交換器可容易經設計以獲得低壓力降，其在運用Hex A型設計的情況下較複雜。
另一方面，使用Hex A型熱交換器以用於主燃料熱交換器(hex 1b)可能為可取的，此係因為此等Hex A型熱交換器係用於SOEC及SOFC模式兩者中，且因此，可針對兩種操作模式提供針對壓縮系統之冷界面。
本發明之特徵
1.一種固體氧化物電解電池(SOEC)系統，其包含一或多個SOEC堆 疊及一或多個堆疊整合式溫度匹配熱交換器，該一或多個堆疊整合式溫度匹配熱交換器在至少1/12、較佳至少1/6、較佳至少1/3的熱交換器表面積上與該(該等)SOEC堆疊直接地實體接觸，其中該熱交換器與該(該等)鄰近SOEC堆疊之兩個鄰近且接觸點之間的最大溫度差δ T小於橫越該(該等)熱交換器之最大溫度差△T，其中δ T/△T<50%、較佳δ T/△T<20%，較佳δ T/△T<5%。
2.如特徵1之固體氧化物電解電池系統，其中該系統之熱表面積(HSAsystem)相對於處於一非整合式獨立情形中的該(該等)熱交換器之熱表面積(HSAsa)為HSAsystem/HSAsa<1、較佳HSASystem/HSAsa<0.3，較佳HSAsystem/HSAsa<0.1。
3.如特徵1之固體氧化物電解電池系統，其中該(該等)熱交換器具有最大入口溫度與最小入口溫度之間的一溫度差△T，△T>300℃、較佳△T>450℃，較佳△T>600℃。
4.如特徵1之固體氧化物電解電池系統，其中該等熱交換器中之至少一者係用於將電流饋送至該(該等)堆疊或將電流饋送至該(該等)堆疊及自該(該等)堆疊饋送電流，且該等熱交換器中之該至少一者在一冷表面與一堆疊元件之間具有一電阻RHex，RHex<1mOhm、較佳RHex<0.1mOhm，較佳RHex<0.01mOhm。
5.如特徵4之固體氧化物電解電池系統，其中該堆疊元件為該堆疊之頂部板或底部板。
6.如特徵4之固體氧化物電解電池系統，其中該堆疊元件為一加熱器。
7.如特徵4之固體氧化物電解電池系統，其中該堆疊元件為電池或電 池群組，且對此等電池或電池群組之電流控制係在該至少一熱交換器之冷界面處予以執行。
8.如特徵1之固體氧化物電解電池系統，其中堆疊壓縮被應用於該等熱交換器中之至少一者之該冷表面。
9.如特徵8之固體氧化物電解電池系統，其中該堆疊壓縮為至少200毫巴。
10.如特徵1之固體氧化物電解系統，其中該等整合式熱交換器之該總成係與該堆疊總成整合，該等熱交換器中之至少一者共用至少一互連件或一隔片。
11.如特徵1之固體氧化物電解系統，其中該(該等)熱交換器之該等熱表面係處於堆疊操作溫度或溫度最多低50℃。
12.一種固體氧化物堆疊系統，其應用如特徵1之至少一熱交換器，其中熱管理系統係以該系統可在SOEC及SOFC模式兩者中以高效率操作之方式予以設計。
13.如特徵12之固體氧化物堆疊系統，其中該熱管理系統可用少達三個熱交換器而操作。
14.如特徵12之固體氧化物堆疊系統，其中該熱管理系統可在不具有任何熱閥的情況下進行操作。

Claims (10)

  1. 一種固體氧化物電解電池(SOEC)系統，其包含一或多個SOEC堆疊及一或多個堆疊整合式溫度匹配熱交換器，該一或多個堆疊整合式溫度匹配熱交換器在至少1/12、較佳至少1/6、較佳至少1/3的熱交換器表面積上與該或該等SOEC堆疊直接地實體接觸，其中該熱交換器與該或該等鄰近SOEC堆疊之兩個鄰近且接觸點之間的最大溫度差δ T小於橫越該(該等)熱交換器之最大溫度差△T，其中δ T/△T<50%、較佳δ T/△T<20%，較佳δ T/△T<5%，且該系統之熱表面積(HSAsystem)相對於處於一非整合式獨立情形中的該或該等熱交換器之熱表面積(HSAsa)為HSAsystem/HSAsa<1、較佳HSASystem/HSAsa<0.3，較佳HSAsystem/HSAsa<0.1。
  2. 如申請專利範圍第1項之固體氧化物電解電池系統，其中該或該等熱交換器具有最大入口溫度與最小入口溫度之間的一溫度差△T，△T>300℃、較佳△T>450℃，較佳△T>600℃。
  3. 如申請專利範圍第1項之固體氧化物電解電池系統，其中該等熱交換器中之至少一者係用於將電流饋送至該或該等堆疊或將電流饋送至該或該等堆疊及自該或該等堆疊饋送電流，且該等熱交換器中之該至少一者在一冷表面與一堆疊元件之間具有一電阻RHex，RHex<1mOhm、較佳RHex<0.1mOhm，較佳RHex<0.01mOhm。
  4. 如申請專利範圍第3項之固體氧化物電解電池系統，其中該堆疊元件為該堆疊之頂部板或底部板。
  5. 如申請專利範圍第3項之固體氧化物電解電池系統，其中該堆疊元件 為一加熱器。
  6. 如申請專利範圍第3項之固體氧化物電解電池系統，其中該堆疊元件為電池或電池群組，且此等電池或電池群組之電流控制係在該至少一熱交換器之冷界面處予以執行。
  7. 如申請專利範圍第1項之固體氧化物電解電池系統，其中堆疊壓縮被應用於該等熱交換器中之至少一者之該冷表面。
  8. 如申請專利範圍第7項之固體氧化物電解電池系統，其中該堆疊壓縮為至少200毫巴。
  9. 如申請專利範圍第1項之固體氧化物電解系統，其中該等整合式熱交換器之該總成係與該堆疊總成整合，該等熱交換器中之至少一者共用至少一互連件或一隔片。
  10. 如申請專利範圍第1項之固體氧化物電解系統，其中該或該等熱交換器之該等熱表面係處於堆疊操作溫度或溫度最多低50℃。
TW103112103A 2013-05-01 2014-04-01 具有熱匹配堆疊整合式熱交換器的固體氧化物堆疊系統 TW201505248A (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP2013059066 2013-05-01

Publications (1)

Publication Number Publication Date
TW201505248A true TW201505248A (zh) 2015-02-01

Family

ID=48236951

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW103112103A TW201505248A (zh) 2013-05-01 2014-04-01 具有熱匹配堆疊整合式熱交換器的固體氧化物堆疊系統

Country Status (3)

Country Link
AR (1) AR096120A1 (zh)
TW (1) TW201505248A (zh)
WO (1) WO2014177336A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112786928A (zh) * 2019-11-04 2021-05-11 财团法人工业技术研究院 燃料电池系统及其控制方法

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11145880B2 (en) * 2017-12-22 2021-10-12 Colorado School Of Mines High efficiency solid oxide fuel cell—internal combustion engine hybrid power system
DE102018202337A1 (de) * 2018-02-15 2019-08-22 Linde Aktiengesellschaft Elektrochemische Herstellung eines Gases umfassend CO mit Zwischenkühlung des Elektrolytstroms
DE102021203513A1 (de) 2021-04-09 2022-10-13 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Festoxidelektrolysezellenvorrichtung und Verfahren zu einem Betrieb der Festoxidelektrolysezellenvorrichtung
KR20250010604A (ko) * 2022-05-18 2025-01-21 토프쉐 에이/에스 고체 산화물 전기분해 유닛
AT527431A1 (de) * 2023-08-01 2025-02-15 Avl List Gmbh Zellenstapelsystem für ein Brennstoffzellensystem

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1108268B1 (de) * 1998-08-10 2003-03-19 Siemens Aktiengesellschaft Vorrichtung und verfahren zur nutzung der abwärme einer luftgekühlten brennstoffzellenbatterie
DE50204776D1 (de) * 2001-03-17 2005-12-08 Bayerische Motoren Werke Ag Brennstoffzelle mit integriertem wärmetauscher
KR100790851B1 (ko) * 2006-06-09 2008-01-02 삼성에스디아이 주식회사 스택에 열교환기가 내장된 연료전지
DE102006049252A1 (de) * 2006-10-19 2008-04-30 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzelle
FR2921390B1 (fr) * 2007-09-25 2010-12-03 Commissariat Energie Atomique Electrolyseur haute temperature a dispositif d'homogeneisation de la temperature.

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112786928A (zh) * 2019-11-04 2021-05-11 财团法人工业技术研究院 燃料电池系统及其控制方法
CN112786928B (zh) * 2019-11-04 2022-05-13 财团法人工业技术研究院 燃料电池系统及其控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
WO2014177336A1 (en) 2014-11-06
AR096120A1 (es) 2015-12-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6517835B2 (ja) 燃料電池スタック構成
US20150368818A1 (en) Soec stack with integrated heater
TW201505248A (zh) 具有熱匹配堆疊整合式熱交換器的固體氧化物堆疊系統
US20100021784A1 (en) Solid oxide fuel cell comprising a thermal exchanger
EP2254182B1 (en) Process of running a serial connected fuel cell stack module assembly
CN102047481B (zh) 固体氧化物燃料电池系统
CN103988354A (zh) 热管理改进的高温或燃料电池式电化学系统
EP3147984B1 (en) Fuel cell module including heat exchanger
JP4397886B2 (ja) 多層円形パイプ型固体酸化物燃料電池モジュール
JPWO2015087913A1 (ja) 燃料電池スタック及び燃料電池モジュール
US6756144B2 (en) Integrated recuperation loop in fuel cell stack
JP6776201B2 (ja) マルチスタック燃料電池システム、および熱交換器アセンブリ
US20090169969A1 (en) Bipolar plate of solid oxide fuel cell
EP2722915B1 (en) Battery of fuel cells
JP6277113B2 (ja) 燃料電池モジュール
WO2014177207A1 (en) Heat exchanger in sofc stack
KR20190026180A (ko) 연료전지 스택
CN118742674A (zh) 包括多流固体氧化物电池堆热交换器的固体氧化物电池堆系统
JP6507869B2 (ja) 燃料電池モジュール
JP2015032489A (ja) 固体酸化物形燃料電池スタック
WO2010066463A1 (en) Fuel cell system with circular stack