CN114946057A - 固体氧化物电池布置结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固体氧化物电池布置结构(1)，包括：壳体(2)，其中，所述壳体(2)具有底板、遮盖部和侧壁；固体氧化物电池堆叠(3)，固体氧化物电池堆叠(3)处于底板上，至少一个辐射加热元件(4)在壳体(2)内并且将辐射热释放到固体氧化物电池堆叠(3)上地设置并且辐射加热元件(4)构成为加热管或加热板，其中，该辐射加热元件从上面悬挂地和/或在侧壁上固定和/或支承在底板上或集成到陶瓷的板中，并且所述辐射加热元件(4)包括多个可单独调节的部段，所述部段包括用于相应的辐射加热部段的单独的功率接头。

Description

固体氧化物电池布置结构

技术领域

本发明涉及一种固体氧化物电池布置结构，包括：壳体，其中，所述壳体具有底板、遮盖部和侧壁；以及固体氧化物电池堆叠，其中，所述固体氧化物电池堆叠处于底板上。

背景技术

固体氧化物电池布置结构(SOC)可以不仅包括高温燃料电池布置结构(SOFC)而且包括高温电解槽布置结构(SOEC)。

在利用高温燃料电池布置结构时，烃基的不同的液体的和气态的燃料(天然气、LPG)转变为电流和热量。在高温电解槽布置结构中，电能转化为化学能。

固体氧化物电池布置结构作为中央单元包含作至少一个固体氧化物电池堆叠，在所述固体氧化物电池堆叠中，在作为高温燃料电池布置结构的利用中，在固体氧化物电池堆叠的H2电极侧上输送的烃基的气态的燃料或氢气利用在O2电极侧上输送的空气转化；在作为高温电解槽布置结构的利用中，在固体氧化物电池堆叠的H2电极侧上输送的水蒸汽和/或二氧化碳转化为氧气和氢气或一氧化碳。

固体氧化物电池布置结构的运行温度通常与材料相关地处于700至900℃的温度。在室温的加热中，热量必须通过导线、对流或辐射传输到固体氧化物电池堆叠中。

由现有技术已知不同的布置结构，以便运行固体氧化物燃料电池。

电池堆叠可以在高温燃料电池布置结构中不仅成排形而且环形或圆形地设置。

一种线性的布置结构例如由文献WO 2017/191353 A1已知，由其公开高温燃料电池系统或电解槽系统的堆叠布置结构，其中，在电池系统中的每个电池具有H2电极侧、O2电极侧和处于其间的电解质，其中，电池系统具有在电池堆叠中的电池。所述布置结构具有以串联布置结构设置的堆叠部，其中，所述堆叠部至少成两排并排设置，并且所述布置结构具有用于输送空气至堆叠部的空气导入通道，其中，所述通道具有空气进入端部，所述空气进入端部传输至密封的空气导入空间，所述空气导入空间在堆叠排之间以由堆叠部本身包围的空气导入空间的至少两侧形成。

由文献US 7,659,022 B2、WO 2015/118208 A1和DE 42 17 892 C2已知径向的布置结构的电池堆叠。

US 7,659,022 B2说明一种集成的燃料电池单元，其中，所述燃料电池单元包含燃料电池堆叠的环形的布置结构、环形的阴极换热器、环形的阳极换热器、转化器和阳极排气冷却器，它们全部集成到共同的壳体结构中。

WO 2015/118208 A1公开在燃料电池系统或电解槽系统中的固体氧化物电池的装配布置结构。所述结构组合件具有电池，所述电池以至少直至四个角的至少一个电池堆叠形成设置且以每个至少四个角的堆叠形成的至少一个基本上平的固定侧设置，其中，所述侧面具有在所述至少四个角的堆叠形成的至少两个角之间的在其他情况下基本上平的侧中的至少一个几何上不同的固定面结构。所述装配布置结构此外具有至少一个流动限定结构，以用于针对每个堆叠成形的用于固定至少一个电池堆叠成形在装配布置结构中的几何上不同的固定面结构限定在要装配的电池系统中的空气流动，并且所述装配布置结构具有电绝缘装置，所述电绝缘装置设置用于固定流动限定结构和堆叠成形。

DE 42 17 892 C2说明一种能量产生单元，其具有包括绝热的容器的能量供应模块，所述容器在内部分开，以便提供堆叠室、燃烧室和热交换器室。堆叠室包含至少一个燃料电池堆叠。各个电池对应被馈给，其中，输送的介质分别通过在热交换器室中的热交换器加热。由燃料电池输送的直流电压通过包括控制装置的电流调节器转变为交变电流，所述控制装置调节能量供应模块的总生成。

为了温度调节，将过程技术的构件如电的气体预热器或热交换器定位到电池堆叠布置结构上。传热通过对流或热传导发生。

由WO 2012/131163 A1已知包括辐射加热器和对流加热器的用于燃料电池装置的加热布置结构，其中，辐射加热器在燃料电池布置结构外并且对流加热器在燃料电池布置结构内设置。两种类型的加热的组合应该能够实现均匀的热量分布以及在同时避免热应力时的快速加热。

由US2007/119638A1已知具有至少一个电的阻抗加热元件的燃料电池系统。多个阻抗加热元件可以在此这样分布，以便建立均匀的热量分布。

由EP 1 271 684 A2已知具有电池堆叠的燃料电池系统，其中，电池堆叠各个电池具有与电池的电化学的部分处于热接触中的互连，通过所述互连可以为所述电池输送热量。

在现有技术中的问题主要是，为了运行固体氧化物电池布置结构需要通常(目前在现有技术中通常是)700至900℃的温度。加热在这里在固体氧化物燃料电池应用(SOFC)中通过电的预热器或借助通过包括在其后面设置的传热器的补燃器的化学能并且在固体氧化物电解槽布置结构(SOEC和rSOC)中通过电的预热器进行。

通过电的预热器，介质被对流加热并且这些热气再次对固体氧化物电池堆叠加热。通过运动的流体的加热强制性地导致热损耗，即使实现尽可能好的热回收。排出的气体总是具有比在进入相应的平衡空间中时更高的温度。由此例如在加热时使用不需要地多的能量。

此外在电的预热器中的一些材料可以在确定的、通常含水蒸汽的气氛中并且在高温区域中发射污染物，所述污染物不利地影响固体氧化物电池布置结构的有效功率。

电的预热器也是相对昂贵的结构组合件。

此外其集成在电池堆叠和传热器之间并且由此延长管道，这引起了热损耗的提高。

基于较高的介质温度，所述管道必须较大地设计。此外在功率设备中有较大的区域在高的温度中，由此其他功能被不利地影响，例如通电的分开、传感机构、功率接头，并且在一些结构变型中热损耗较高。这样例如当热气沿着外壁引导时，热损耗提高。

也经常没有实现用于维护工作、例如实施维修时对各个构件的良好的可接近性。

发明内容

本发明的任务是，提供用于高温固体氧化物电池布置结构的有效的加热和运行的布置结构。

结构组合件的复杂性和构件数量主要确定费用。在具有每年少量的冷起动的应用中，应尽可能避免用于加热的耗费的设施。利用尽可能仅一个产生热的结构组合件应该不仅将固体氧化物电池堆叠而且将在H2和O2侧上的介质流加热到需要的温度范围。

该任务利用按照独立权利要求的固体氧化物电池布置结构以及按照从属权利要求的其他的有利的设计变型解决。

固体氧化物电池布置结构利用壳体、固体氧化物电池堆叠和至少一个在壳体内的辐射加热元件构成，通过所述辐射加热元件，辐射热释放到固体氧化物电池堆叠上。由此不再需要用于加热固体氧化物电池堆叠的电的预热器。用于加热的强迫的对流因此取消并且加热显著更有效。代替至今的仅大约40％，有效利用用于电池堆叠的温度提高的投入电能的直至90％。这导致在加热时投入的电能(kWh)的至少50％的节省。热损耗此外显著较小，因为存在具有比环境高的温度的显著较少的排出的气体。

通过辐射加热元件构成为加热管或作为加热板，其中，该辐射加热元件可以从上面悬挂地和/或在侧壁上固定和/或支承在底板上或集成到陶瓷的板中，可能的是，将辐射加热元件针对个别情况这样构成和装配，使得能够实现尽可能好的结果、亦即有效的加热。也这样给出简单的维修的可能性。如果辐射加热元件例如集成在侧壁中，则通过取走或翻转侧壁，给出不仅至辐射加热元件而且至固体氧化物电池堆叠可接近性。

通过辐射加热元件由包括用于相应的辐射加热部段的单独的功率接头的多个单独可调节的部段构成，可能的是，避免由于局部的热影响的热的不平均。用于该措施的基础是如下物理关系，即，在较高的温度时，陶瓷电池的内阻下降。附加地适用的是如下规律性，即，电的损耗功率(＝余热)通过电流密度平方地并且通过内阻线性影响(P_Loss＝RI2)。此外适用的是，在电的并联电路中，在具有较小的内阻的支路中存在较高的电流强度。基于这些关系，可以按照需要/运行方式有利地例如不仅(借助辐射加热元件)影响电网的各个固体氧化物电池串联电路而且(借助辐射加热部段)影响固体氧化物串联电路的各部分。在这里限定地提到，通过热的发挥影响，主导的材料特性(退化)不可以改变，但其现象可以显著减弱。

每个固体氧化物电池堆叠串联电路通过电流密度和所属的辐射加热的接入可全局调节。

通过局部不同的热量输入，可以对局部可调节的固体氧化物电池堆叠串联电路进行改善。为此整个热导体可以分成部段并且分别包含功率接头，由此固体氧化物堆叠的有效功率可以升高。原则上要提到，在串联电路中“最弱的环节”进行限制。例如如果在SOEC运行中一个区域承受较高的热损耗，则在那里电压升高直到允许的最大值。电流强度对于整个串联电路被限制并且借此H2产生被限制。较热的区域没有优化地被利用。利用分区的加热，较冷的区域可以针对性地被再加热并且这样固体氧化物电池堆叠的温度均匀化。电流强度或H2产生可以提高，因为冷的电池不再进行限制。

在SOFC运行中，具有较高的内阻的电池可以这样强烈地提高冷却需求，使得其他的电池过强冷却并且由此电流强度和电功率被限制。这些区域可以局部地再加热。在此要注意，这在能量方面仅在如下情况中合适，即，要加热的区域构成整个固体氧化物电池堆叠布置结构的小的份额并且随着电能的附加投入例如显著更多的电能可以在燃料电池上生成。

因为固体氧化物电池堆叠可以成多排地并排作为固体氧化物电池堆叠串联电路存在，可以为每个固体氧化物电池堆叠配置辐射加热元件，所以固体氧化物堆叠的加热的效率进一步改善。固体氧化物电池堆叠可以这样在其整个面上通过辐射加热元件加热。由辐射加热元件释放的热量均匀分布，因为每个固体氧化物电池堆叠通过辐射加热元件加热并且没有未加热的区段存在。这此外有助于延长使用寿命。

当附加于辐射加热元件在壳体中或在外在凸缘上设置用于介质输送的传热器时，则保持在系统中的过程热量。排出的气体的热量尽可能好地用于进入的气体的预热。这导致系统效率的提高。可以取消至今使用的电的预热器。需要至少两个传热器，分别有一个用于O2和H2电极侧。排出的气体的焓流的利用因此对于系统的有利性有特别的意义。

因此在一些使用情况中，多于两个传热器的集成是合适的。在考察依赖于使用的设计的情况下给出不同的可能性。所述可能性例如包括：

-具有在两个传热器侧上的相同介质或作为H2和O2侧的混合的传热器；

-多个小的传热器的分散的布置结构或较大的传热器的中央的布置结构；

-多个传热器的并联电路或串联电路。

就此而言相关的是传热器与辐射加热元件的组合。由上述的可能性可以导出多个变型。这些变型例如是：

-在H2侧上的传热器直接定位在电池堆叠串联电路的各塔状体下(在H2侧上的分散的布置结构)；

-O2侧的介质流两阶段地冷却，首先借助O2侧上的传热器并且然后借助H2侧上的传热器；

-O2侧的介质流分开，从而质量流的一部分对H2侧预热并且另一部分对O2侧预热；

–从朝向加热器的固体氧化物电池堆叠侧在O2侧进行介质输送；

-通过在基本载体中的单独的金属的或金属陶瓷的结构组合件对O2侧进行介质供应。

附图说明

接着借助在附图说明中的附图详细说明本发明的实施例，其中，所述实施例应该解释本发明并且不应限制地理解：

其中：

图1示出包括固体氧化物电池堆叠和侧向的辐射加热元件的固体氧化物电池布置结构的俯视图的示意图；

图2示出包括两个固体氧化物电池堆叠和两个侧向的辐射加热元件的固体氧化物电池布置结构的俯视图的示意图；

图3示出包括两个固体氧化物电池堆叠和三个不仅侧向的而且中心的辐射加热元件的固体氧化物电池布置结构的俯视图的示意图；

图4示出包括三个固体氧化物电池堆叠和三个不仅侧向的而且中心的辐射加热元件的固体氧化物电池布置结构的俯视图的示意图；

图5示出包括由每两个电池堆叠被流经的四个固体氧化物电池堆叠和两个侧面的辐射加热元件的固体氧化物电池布置结构的俯视图的示意图；

图6示出包括固体氧化物电池堆叠和辐射加热元件结合两个传热器的固体氧化物电池布置结构的流程图；

图7示出包括固体氧化物电池堆叠和辐射加热元件结合两个传热器的固体氧化物电池布置结构的另一种设计的流程图；

图8示出包括固体氧化物电池堆叠、辐射加热元件结合两个传热器和在H2介质侧上的附加的对流的电的气体加热器的固体氧化物电池布置结构的流程图；

图9示出包括固体氧化物电池堆叠和辐射加热元件结合三个传热器的固体氧化物电池布置结构的流程图；

图10示出包括固体氧化物电池堆叠和辐射加热元件结合三个传热器和分开的排出空气流的固体氧化物电池布置结构的流程图；

图11示出包括辐射加热元件、在中央设置的传热器和电的预热器的固体氧化物电池布置结构与包括常规的、电的预热器和在中央设置的传热器布置结构借助两个流程图(a、b)的比较；

图12示出包括单独的辐射加热元件、分散的传热器和电的预热器的固体氧化物电池布置结构与包括常规的、电的预热器和分散的传热器的布置结构借助两个流程图(a、b)的比较以及

图13示出包括固体氧化物电池堆叠和分成辐射加热部段的侧面的辐射加热元件的固体氧化物电池布置结构的俯视图的示意图。

具体实施方式

在后续的附图说明中，功能相同的构件设有统一的附图标记。

在图1中示出在壳体2中的固体氧化物电池布置结构1。固体氧化物电池布置结构1由包括侧面在壳体2上安装的辐射加热元件41的固体氧化物电池堆叠31构成。

侧向安装到壳体2上的辐射加热元件41用于加热固体氧化物电池堆叠31。通过侧向的安装，给出至固体氧化物电池堆叠31和/或辐射加热元件41的良好的可接近性。辐射加热元件41可以作为加热管或作为加热板构成，其中，该辐射加热元件可以悬挂地从上面和/或在侧壁上固定和/或支承在底板上或集成在陶瓷的板中。

空气通过在O2电极侧71上的介质输送到达固体氧化物电池堆叠31中。消耗后的空气通过在O2电极侧81上的介质导出而导出。燃气通过在H2电极侧91上的介质输送来输送。过量的燃气和水通过在H2电极侧101上的介质导出而导出。

在图2中，两个固体氧化物电池堆叠31、32作为固体氧化物电池堆叠串联电路存在。使用两个分别侧面安装的辐射加热元件41、42。对于每个电池堆叠31、32分别在O2电极侧71、72和H2电极侧91、92上的存在一个介质输送。在O2电极侧81上的介质导出在一个线路中进行；在H2电极侧101、102上的介质导出分别单独进行。

图3如下区分于图2，即，其除了两个在侧面安装的辐射加热元件41、43还给出在中央安装的辐射加热元件42。

在图4中，三个固体氧化物电池堆叠31、32、33相互连接。存在一个在侧面在壳体2上安装的辐射加热元件41和两个在中央安装的辐射加热元件42、43。介质输送和介质导出对于每个电池堆叠单独进行。

在图5中，共同流经每两个电池堆叠3。电池堆叠31、32以及电池堆叠33、34分别具有在O2电极侧71、72上的一个介质输送和在O2电极侧81上的共同的介质导出。在H2电极侧上的介质输送和介质导出对于每个电池堆叠分别单独进行。存在两个在侧面安装的辐射加热元件41、42。

如在用于将辐射加热元件4设置在固体氧化物电池布置结构1中的上述的实施例中说明的，可以为每个固体氧化物电池堆叠3配置辐射加热元件4。在这样的情况中，各个辐射加热元件4可以在中央在固体氧化物电池堆叠3的各排之间安装和/或如之前说明的在侧面安装。固体氧化物电池堆叠3可以这样在整个面上通过辐射加热元件4加热。因为辐射加热元件4可以由包括用于相应的辐射加热部段的单独的功率接头的多个单独可调节的部段构成，所以可以避免热的不平均。

在图6-10中示出固体氧化物电池布置结构1的流程图。在所述流程图中，示出辐射加热元件4与热交换器6的组合的不同的可能性。

在图6中，辐射加热元件41与两个传热器61、62在固体氧化物电池布置结构1中组合。固体氧化物电池堆叠31通过辐射加热元件41加热。在O2电极侧61上安装传热器并且在H2电极侧62上安装传热器。空气通过在O2电极侧71上的介质输送到达固体氧化物电池堆叠31中。消耗后的空气通过在O2电极侧81上的介质导出而导出。燃气通过在H2电极侧91上的介质输送来输送。过量的燃气和水通过在H2电极侧101上的介质导出来导出。

利用在O2电极侧61上的传热器，在O2电极侧71上的介质输送通过在O2电极侧81上的介质导出加热。与此对应地，利用在H2电极侧62上的传热器，在H2电极侧91上的介质输送通过在H2电极侧101上的介质导出预热。这提高系统效率。

传热器61、62可以直接在壳体2中在固体氧化物电池堆叠31下或侧向法兰连接到壳体2的输入和输出端上地安装。通过传热器61、62直接在壳体2中的安放，热损耗最小化。所述管道尽可能短并且所有元件在壳体2中安放在结构组合件中，所述壳体绝热。

如在图6中，在图7中辐射加热元件41与两个传热器61、62在固体氧化物电池布置结构1中组合。固体氧化物电池堆叠31通过辐射加热元件41加热。仅介质流引导通过传热器61、62变化。

在图8中存在固体氧化物电池布置结构1，在所述固体氧化物电池布置结构中，在H2电极侧91上的介质输送的侧上安装附加的对流的、电的气体加热器51。

这样对流的电的气体加热器5的安装在辐射加热元件4与传热器3的组合的所有变型中是可能的，然而按照新型的固体氧化物电池布置结构1不再应该强制需要。

在图9中，辐射加热元件41与三个传热器61、62、63组合。O2电极侧81的介质导出穿过两个传热器61、62并且因此不仅对O2电极侧71上的介质输送而且对H2电极侧91上的介质输送加热。

如在图9中，在图10中辐射加热元件41与三个传热器61、62、63组合。附加地在这里从固体氧化物电池堆叠31中导出的O2排出空气流分成两个部分流。

在辐射加热元件41与传热器6在固体氧化物电池布置结构1中的组合中，多个其他的变型是可能的。不仅用于加热固体氧化物电池堆叠3的辐射加热元件4数量和位置而且传热器6的数量和位置以及附加地在电极侧上的介质输送和介质导出可以变化，在介质输送和介质导出的情况下例如分工。

图11由包括辐射加热元件41、在中央在气体处理单元11中设置的传热器61、62和电的预热器51的固体氧化物电池布置结构的流程图a)和仅包括常规的、电的预热器51、52和在中央在气体处理单元11中设置的传热器61、62的布置结构的流程图b)组成。

由这两个流程图可见，用于运行固体氧化物电池的技术的设备构造在使用辐射加热元件4时在传热器6的中央的布置结构中如何改变。

图12由包括两个单独的辐射加热元件41、42、分散地在电池堆叠模块12中设置的传热器61、62和电的预热器51的固体氧化物电池布置结构1的流程图a)和仅包括常规的、电的预热器51、52和分散地在电池堆叠模块12上设置的传热器61、62的布置结构的流程图b)组成。

由这两个流程图可见，用于运行固体氧化物电池的技术的设备构造在使用辐射加热元件4时在传热器6的分散的布置结构中如何改变。

由图11和12比较可看出用于运行固体氧化物电池的技术的设备构造在传热器6的中央的和分散的布置结构方面的不同。

在图13中示出按照图1的固体氧化物电池布置结构1。辐射加热元件41在这里包括多个辐射加热部段411、412、413、414、415。

附图标记列表

1 固体氧化物电池布置结构

2 壳体

3 固体氧化物电池堆叠

31 固体氧化物电池堆叠1

32 固体氧化物电池堆叠2

33 固体氧化物电池堆叠3

34 固体氧化物电池堆叠4

4 辐射加热元件

41 辐射加热元件1

411 辐射加热元件1的部段1

412 辐射加热元件1的部段2

413 辐射加热元件1的部段3

414 辐射加热元件1的部段4

415 辐射加热元件1的部段5

42 辐射加热元件2

43 辐射加热元件3

5 对流的、电的气体加热器

51 对流的、电的气体加热器1

52 对流的、电的气体加热器2

6 传热器

61 传热器1

62 传热器2

63 传热器3

71 介质输送O2电极侧1

72 介质输送O2电极侧2

73 介质输送O2电极侧3

81 介质导出O2电极侧1

82 介质导出O2电极侧2

83 介质导出O2电极侧3

91 介质输送H2电极侧1

92 介质输送H2电极侧2

93 介质输送H2电极侧3

101 介质导出H2电极侧1

102 介质导出H2电极侧2

103 介质导出H2电极侧3

11 气体处理单元

12 电池堆叠模块

Claims (4)

1.固体氧化物电池布置结构(1)，包括：

-壳体(2)，其中，所述壳体(2)具有底板、遮盖部和侧壁；

-固体氧化物电池堆叠(3)，固体氧化物电池堆叠(3)处于所述底板上；

其特征在于，

-至少一个辐射加热元件(4)在壳体(2)内设置并且将辐射热释放到固体氧化物电池堆叠(3)上地设置，并且

-所述辐射加热元件(4)构成为加热管或构成为加热板，其中，该辐射加热元件从上面悬挂地和/或在侧壁上固定和/或支承在底板上或集成到陶瓷的板中，并且

-所述辐射加热元件(4)包括多个能单独调节的部段，所述部段包括用于相应的辐射加热部段的单独的功率接头。

2.按照权利要求1所述的固体氧化物电池布置结构(1)，其特征在于，固体氧化物电池堆叠(3)成多排地并排作为固体氧化物电池堆叠串联电路存在，其中，为每个固体氧化物电池堆叠(3)配置一个辐射加热元件(4)。

3.按照上述权利要求之一所述的固体氧化物电池布置结构(1)，其特征在于，附加于辐射加热元件(4)，在壳体(2)中或在外部直接在凸缘上设置传热器(6)。

4.按照权利要求3所述的固体氧化物电池布置结构(1)，其特征在于，通过辐射加热元件(4)与传热器(6)的组合，系统效率提高。

Images