利用高温电解器从水中产生氢的方法

专利名称：利用高温电解器从水中产生氢的方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求I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I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°C，特别是处在600°C至800°C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IOObar的压力下根据外部边界条件可具有超过400°C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°C至800°C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I至9所述的方法，且分别具有已解释的优点。在此，可能合适的是压缩设备在其环境中特别地在受到强热负荷的区域内被绝热。在此，压缩设备不向环境排出所产生的压缩热，所述压缩热可被有针对性地通过相连的换热设备在在压缩过程之后从氢获取。对此替代地或补充地，可能合适的是使得换热设备部分地包围压缩设备，这通过例如使冷却通道穿过压缩设备且因此获取压缩设备的由压缩单元引入的热能来实现。


本发明的另外的实施形式和另外的特点根据如下附图详细解释。在此，具有相同的名称但不同的构造的特征被赋予相同的附图标记。各图为图I示出了带有连接的氢压缩的通过高温电解器的氢生成的示意性流程图，图2示出了如图I所示的过程流程的示意性图示，其中冷却介质构造为反应物水的形式，图3示出了被冷却通道穿过的压缩设备，和图4示出了带有绝热装置和相连接的换热器的压缩设备。
具体实施例方式在下文中，根据图I示意性地解释了一种利用高温电解器从水中产生氢的方法。首先，将标记为H2Of的液态水通过水供给件18引导到换热器10内。在此换热器10内已存在加热的冷却介质6，对于其加热在进一步的流程中还将论述，通过所述冷却介质6将液态水加热到沸点范围内的温度且将其蒸发。在下一个步骤中，将标记为H2Og的蒸发的水，也即气态的水，引入到另外的换热器10’内。通过此换热器10’将水蒸汽或气态水H2Og类似地加热到高温电解器2的过程温度。在高温电解器2内引入的气态水H2Og具有大约5000C至800°C的温度。在也称为固体氧化物电解器(SOE)的电解器2内，将水H2Og以已知的方式转化为产物气体氢(H2)和氧(02)。在下文中特别地称为氢的产物气体从电解器2离开，且在此也具有几乎电解器的过程温度。特别是氢的产物气体又在换热器10’内被冷却到优选低于100°C的温度，特别地优选的是被冷却到大约室温或升高的室温(大约50°C)。两个换热器10’仅由于图示原因在图I中虽然在循环中图示，但图示为处于分开 的位置。优选地，对于换热器10’，使用所述的对流换热器，其中在两个相互交织的通道内在一侧引导相对冷的冷却介质，在此情况中为气态水，在另一侧引导相对热的介质，在此情况中为来自电解器的氢，其中此两个介质虽然被系统相互分开但被相互加热。这意味着，例如100°c的热的水蒸汽在对流换热器14的一侧进入且在此处遇到大约600°C至800°C的热的氢。在此换热器的相互流通时，氢H2被不断地冷却，直至其具有大致流入的水蒸汽的输出温度，即大约100°C。与之相反，水H2Og在流过对流换热器14时被不断地加热，直至其在离开换热器14时具有几乎从电解器2离开的氢H2的温度。当然，在此换热器中存在一定的热损失，但在整个系统-即进入和离开的气体和电解器2的很好的绝热的情况下，当整个系统一次加热到600°C至800°C的过程温度时，所述热损失是相对低的。高温电解器的热损失因此由于前述换热过程和整个设备的很好的绝热是相对低的。在此情况中，仍注意到的是反应物水由于过程技术的原因被提供以从离开的产物氢分支出的低量的氢。 在进一步的循环中仍能被再次冷却或能以另外的换热器被冷却的现在被冷却到100°c的氢必须被压缩以经济地存储。在此，可能合适的是将氢压缩到大约IOObar。在100倍大气压的压力存储下，气体的体积降低100倍。目的是将氢尽可能节约空间地存储在存储箱内。大约IOObar (特别地在50bar和200bar之间)的存储压力被证明是技术上合适的，且经济地实现。但是，在氢压缩时在气体内即在氢内(或在类似的应用中也在第二产物气体氧内也)引入了压缩功。此压缩功在被压缩的气体系统中被转化为热，因此将被压缩的氢强烈加热。根据外部边界条件，被压缩的氢在通常IOObar的压力下具有200°C至600°C的温度。基本上，气体的此热能是事先以电能的形式引入到压缩机内且在如通常情况处理时将气体冷却时失去的能量。此能量被释放到环境中。但在此过程是不经济的，因此，在此情况下以合适的方式也引入了换热过程，所述换热过程从压缩的气体获取热能，且将所述获取的热能又供给到反应物水，特别是液态水。这在图I中通过在过程开始处和过程结束处的两个换热器10图示。在图I的下部，即在液态水H2Of的区域内的换热器10以及在图I的上部区域内在待压缩的H2的区域内的换热器10形成了一个单元，所述单元通过运输相应的冷却介质6的管道7相互连接，且因此被赋予一个附图标记。
在上部区域内的换热器10包括压缩设备4，所述压缩设备4例如如在图3和图4中所示地可构造为具有压缩机12的形式，且所述换热器10从压缩设备4获取热能。这可在冷却步骤中发生，但这也可通过将多个压缩设备4与换热设备10前后相继地连接而级联地发生，如在图I中所示例地图示。在此所制成的压缩产物气体(例如为氢)现在被压缩地存储在示意性地图示的箱16内。在右侧上，除氢的运行外还典型地图示了氧O2的离开，氧通常不被压缩，因为氧的存储仅在少数情况中是值得的，但基本上可对于氧也与对于氢相同地处理，这仍有效地形成了前述系统中的换热器的能量平衡。在图I中所述的过程中，冷却介质6分别在封闭的循环中运行，在此，过程介质、SP作为反应物到达电解器2内且被转化为氢的水进行另外的运行。在图2中图示了对此情况的替代，其中冷却介质6构造为具有过程水的形式。在图2的右上区域内，标记为H2Of的液态水作为冷却介质6被供给到冷却管道7的冷却管道系统内，所述冷却介质6流过从压缩 的氢获取热能的换热器10。在此，水已被加热，优选地被加热到超过100°C的温度，所述水现在进一步处于气态，且沿管道7被引入到下一个换热器10’，所述换热器10’又可构造为具有对流换热器的形式的有利的构造形式。在此，水(H2Og)与很热的过程气体H2 0500°C)相遇且与之进行换热。在经过此换热器10’或14之后，现在已几乎预热到大约600°C至800°C的过程温度的气态水被引入到电解器2内，且然后以已知的方式被转化为氢。当然，也可附加地进行加热，以补偿向环境的热损失。氢从电解器离开，在换热器14内如所述被冷却，然后又达到室温和100°C之间的温度，且通过压缩装置4被压缩。进一步地，在根据图2的此实施例中，与在图I中的情况不同，不直接直接冷却压缩设备，而是如在下文中将提及将压缩设备绝热，使得热的氢在进一步的循环中如所述在换热器10内被冷却。可在另外的压缩设备4内进行另外的级联压缩，然后将现在被完全压缩的氢又存储在相应的箱16内。压缩设备的绝热和然后的换热当然也可应用于在图I中所示的实施例。在图3和图4中给出了压缩设备4的典型的示意图示，所述压缩设备4分别具有压缩空间20以及行程活塞26。压缩过程在此很示意性地被描述，且图3和图4不具有对于完整性的要求。在图3和图4中的两个压缩机12的特征是具有氢供给件22和氢排出件
23。行程活塞26在压缩空间20内上下运动，这通过在行程活塞侧上的双箭头图示。行程活塞26优选地通过偏心设备例如通过凸轮轴驱动。在图3中，压缩机12即一般的压缩设备4的特殊的构造形式被冷却通道8穿过。冷却通道8获取在压缩过程中所产生的热，且将此热排出。冷却通道8因此在具体构造中是换热器设备10的组成部分。在根据图4的构造形式中，压缩设备4或压缩机12提供有绝热件28，其中也提供了氢供给件22和氢排出件23，压缩机12在此以升高的过程温度工作，且已处于压缩形式的来自管道23的氢现在通过分开的换热器10被冷却。在此所获取的热能如已描述用于加热过程水。当然，图3中的压缩设备4也可具有绝热件，以此将所产生的热能集中地通过冷却通道8排出。
权利要求
1.一种利用高温电解器从水中产生氢的方法，所述方法包括如下步骤 -将水加热到电解器(2)的超过500°C的过程温度， -在电解器(2)内电解水以产生产物气体氢(H2O)和氧(02)， -通过压缩设备(4)将产物气体氢(H2)压缩， -通过冷却介质(6 )将所压缩的氢(H2)冷却，和 -将在冷却介质(6)内积蓄的热能提供到对水的加热过程中。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，对氢(H2)的压缩在多个压缩步骤中进行，所述压缩步骤又与多个冷却过程联合。
3.根据权利要求I或2所述的方法，其特征在于，压缩设备(4)通过冷却介质(6)冷却，所述冷却介质(6)的热能被提供给对氢的加热过程。
4.根据权利要求I至3中一项所述的方法，其特征在于，压缩设备(4)至少部分地相对于其环境绝热。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，压缩设备(4)被冷却通道(8)穿过。
6.根据前述权利要求中一项所述的方法，其特征在于，被提供到电解器(2)的用于反应的水至少部分地包括冷却介质。
7.根据前述权利要求中一项所述的方法，其特征在于，氢(H2)在离开电解器(2)后且在压缩前通过换热过程被冷却。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，氢(H2)在离开电解器(2)后通过对流换热器被冷却。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，被提供到电解器(2)的水以蒸汽形式作为冷却介质在换热过程中将氢(H2)冷却且同时被加热。
10.根据前述权利要求中一项所述的方法，其特征在于，除产物气体氢(H2)之外，氧(O2)作为另外的产物气体也被压缩、冷却，且同时将所排出的热能提供给对水的加热过程。
11.一种用于产生氢的设备，所述设备包括高温电解器(2)以将水转化为氢(H2)，以及用于将所产生的氢压缩的压缩设备(4)，其中压缩设备(4)包括换热器设备(10)，所述换热器设备(10)用于将在压缩过程中出现的压缩热传输到供给到高温电解器(2)的水。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，压缩设备(4)构造为压缩机(12)的形式。
13.根据权利要求11或12所述的设备，其特征在于，压缩设备(4)至少部分地被绝热。
14.根据权利要求11至13中一项所述的设备，其特征在于，压缩设备(4)至少部分地被换热设备(10)包围。
15.根据权利要求11至14中一项所述的设备，其特征在于，换热设备(10)至少部分地以冷却通道(8)的形式穿过压缩设备(4)。
全文摘要
本发明涉及一种利用高温电解器从水产生氢的方法，且所述方法包括如下步骤将水加热到超过500℃的电解器(2)的过程温度，在电解器(2)内电解水以产生产物气体氢(H2)和氧(O2)，通过压缩设备(4)将产物气体氢(H2)压缩，通过冷却介质(6)将压缩的氢(H2)冷却，且将在冷却介质(6)内积蓄的热能提供到水的加热过程中。
文档编号C25B1/04GK102884226SQ201180023243
公开日2013年1月16日 申请日期2011年3月29日 优先权日2010年5月11日
发明者M.艾斯, H.兰德斯 申请人:西门子公司