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具有蒸汽生成的电解器系统及其操作方法与流程

具有蒸汽生成的电解器系统及其操作方法
1.优先权申请
2.本技术案是要求2021年5月18日提交的第63/190,049号美国临时申请案和2021年6月30日提交的第63/216,995号美国临时申请案的权益的非临时申请案，以上美国临时申请案中的每一个的内容以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
3.本发明涉及包含固体氧化物电解槽(soec)的电解器系统及其操作方法。

背景技术：

4.固体氧化物燃料电池(sofc)可作为电解器操作以便产生氢气和氧气，称为固体氧化物电解槽(soec)。在sofc模式中，氧化物离子从阴极侧(空气)输送到阳极侧(燃料)，且驱动力是跨越电解质的氧气的分压的化学梯度。在soec模式中，正电势施加到槽的空气侧，并且氧化物离子从燃料侧输送到空气侧。由于阴极和阳极在sofc与soec之间反转(即，sofc阴极是soec阳极，并且sofc阳极是soec阴极)，因此，sofc阴极(soec阳极)将被称作空气电极，且sofc阳极(soec阴极)将被称作燃料电极。在soec模式期间，燃料流中的水减少(h2o+2e
→o2-+h2)以形成h2气体和o
2-离子，o
2-离子输送通过固体电解质，并且接着在空气侧上氧化(o
2-到o2)以产生分子氧。由于用于sofc以空气和湿燃料(氢气、重整天然气)操作的开路电压是约0.9到1v(取决于含水量)，因此在soec模式中施加于空气侧电极的正电压将槽电压升高直到1.1到1.3v的典型操作电压。

技术实现要素：

5.在各种实施例中，一种电解器系统包括：蒸汽生成器，其经配置以生成蒸汽；固体氧化物电解槽堆叠，其经配置以使用从所述蒸汽生成器接收的所述蒸汽生成氢气流；以及水预热器，其经配置以使用提取自从所述堆叠输出的氧气排气的热对提供到所述蒸汽生成器的水进行预热，所述氧气排气通常富含具有高于正常空气的氧气含量的空气。
6.在各种实施例中，一种操作电解器系统的方法包括：将蒸汽提供到固体氧化物电解器堆叠中；在所述固体氧化物电解器堆叠中生成氢气流；以及以下各项中的至少一个：(a)使用提取自从所述堆叠输出的氧气排气的热对提供到蒸汽生成器的水进行预热以生成所述蒸汽；或(b)在将所述蒸汽提供到所述堆叠中之前将氢气混合到所述蒸汽中；或(c)将空气提供到所述堆叠中；或(d)通过从所述堆叠输出的氧气排气提取热而对空气进行预热，且将所述经预热的空气提供到所述堆叠中；或(e)在将所述蒸汽提供到所述堆叠中之前使用从所述氢气流提取的热加热所述蒸汽。
7.在各种实施例中，一种电解器系统包括：热箱；中心塔柱，其安置于所述热箱中且在竖直方向上纵向延伸；固体氧化物电解槽堆叠，其安置于所述热箱中，包围所述中心塔柱，且经配置以将蒸汽转换为氢气流；以及空气加热器，其经配置以对提供到所述堆叠的空气进行加热。
8.在各种实施例中，一种电解器系统包括：热箱；中心塔柱，其安置于所述热箱中；固体氧化物电解槽堆叠，其安置于所述热箱中，且包围所述中心塔柱，且经配置以接收蒸汽和空气且输出氢气排气和氧气排气；空气同流换热器，其经配置以通过从所述堆叠输出的氧气排气提取热而对提供到所述热箱的空气进行预热；空气加热器，其经配置以对从所述空气同流换热器输出的经预热的空气进行加热且将经加热的空气提供到所述堆叠；以及蒸汽加热器，其安置于所述中心塔柱中且经配置以对提供到所述堆叠的蒸汽进行过热。
附图说明
9.图1a是固体氧化物电解槽(soec)堆叠的透视图，且图1b是图1a的堆叠的一部分的侧视横截面图。
10.图2a和2b是示出根据本公开的各种实施例的通过电解器系统的工艺流程的工艺流程图式的示意图。
11.图3是示出根据本公开的各种实施例的替代性电解器系统201中的工艺流程的示意图。
12.图4a是根据本公开的各种实施例的热箱的透视图，且图4b是移除了其外部壳体的热箱的透视图。
13.图5a是根据本公开的各种实施例的图4a和4b的热箱的横截面图，图5b是示出安置于中心塔柱内部的组件的热箱300的横截面图，图5c是示出热箱的蒸汽同流换热器和空气预热器的元件的局部透视图，且图5d是示出热箱的分配轮毂的透视图。
14.图6是根据本公开的各种实施例的包含经修改蒸汽生成器404的中心塔柱320的横截面透视图。
15.图7a是根据本公开的各种实施例的中心塔柱和外部蒸汽生成器的横截面透视图，且图7b是图7a的蒸汽生成器的放大局部横截面视图。图7c、7d、7e和7f是根据本公开的替代实施例的外部蒸汽发生器的透视图。
16.图8a-8f是示出根据本公开的各种实施例的加热元件配置的透视图。
17.图9a是示出根据本公开的各种实施例的具有分区配置的空气加热器的示意图，且图9b是示出图9a的空气加热器的加热元件的透视图。
18.图10a是根据本公开的各种实施例的包含经修改蒸汽加热元件的中心塔柱的横截面图，且图10b是图10a的放大部分。
19.图11是示出根据本公开的各种实施例的通过经修改热箱的空气流的横截面透视图。
20.图12是示出根据本公开的各种实施例的通过经修改热箱的空气流的横截面透视图。
具体实施方式
21.图1a是固体氧化物电解槽(soec)堆叠100的透视图，且图1b是图1a的堆叠100的一部分的侧视横截面图。参看图1a和1b，堆叠100包含通过互连件10分隔的多个电解槽1，所述互连件也可称为气体流分隔板或双极板。每一电解槽1包含空气电极3、固体氧化物电解质5和燃料电极7。堆叠100还包含内部燃料立管通道22。
22.每一互连件10电连接堆叠20中的邻近电解槽1。特定来说，互连件10可将一个电解槽1的燃料电极7电连接到邻近电解槽1的空气电极3。图1b示出下部电解槽1位于两个互连件10之间。
23.每一互连件10包含至少部分地限定燃料通道8a和空气通道8b的肋状物12。互连件10可作为气体-燃料分隔件操作，其分隔一个燃料电池的燃料/蒸汽侧与邻近燃料电池的空气侧，从空气流动到堆叠20中的一个电解槽1的燃料电极7，流动到堆叠20中的邻近电解槽1的空气电极3。任选的空气流充当吹扫气以夹带由电解系统输送的o2。在堆叠100的任一端处，可存在用于分别将空气或燃料提供到端电极的空气端板或燃料端板(未图示)。
24.图2a和2b是示出根据本公开的各种实施例的电解器系统200中的工艺流程的示意图。参看图1a、1b、2a和2b，系统200可包含如关于图1a和1b所描述的电解槽(soec)堆叠100，其包含多个固体氧化物电解槽(soec)。系统200还可包含蒸汽生成器104、蒸汽同流换热器108、蒸汽加热器110、空气同流换热器112和空气加热器114。系统200还可包含任选的水预热器102和任选的混合器106。
25.系统200可包含热箱300以容纳各种组件，例如堆叠100、蒸汽同流换热器108、蒸汽加热器110、空气同流换热器112和/或空气加热器114。在一些实施例中，热箱300可包含多个堆叠100。水预热器102和蒸汽生成器104可位于热箱300外部，如图2a和2b中所示。替代地，水预热器102和/或蒸汽生成器104可位于热箱300内部。在另一替代方案中，水预热器102可位于热箱300内部，且蒸汽生成器104可位于热箱300外部(未示出)。如将容易地理解，在不脱离本发明的情况下其它配置是可行的。
26.在操作期间，可对堆叠100提供蒸汽以及来自外部电力源的电流或电压。特定来说，蒸汽可提供到堆叠100的电解槽1的燃料电极7，且电力源可在燃料电极7与空气电极3之间施加电压，以便电化学分裂水分子且生成氢气(例如，h2)和氧气(例如，o2)。空气也可提供到空气电极3，以便从空气电极3吹扫氧气。因此，堆叠100可输出氢气流和富氧排气流，例如富氧空气流(“氧气排气流”)。
27.为了生成蒸汽，可从水源50将水提供到系统200。水可为去离子(di)水，其尽可能实际地经去离子(例如，《0.1μs/cm)，以便在汽化期间防止和/或最小化结垢。在一些实施例中，水源50可包含去离子床。在各种实施例中，系统200可包含水流控制装置(未示出)，例如质量流量控制器、正排量泵、控制阀/水流量计或类似物，以便提供到系统200的所需水流速率。
28.如果系统200包含水预热器102，那么水可从水源50提供到水预热器102。水预热器102可为热交换器，其经配置以使用从氧气排气流回收的热对水进行加热。对水进行预热可减少生成每单位氢气的系统200的总功率消耗。特定来说，水预热器102可从氧气排气流回收无法由空气同流换热器112回收的热，如下文所论述。氧气排气流可以高于80℃的温度从水预热器102输出，例如高于100℃，例如约110℃到120℃的温度。
29.从水预热器102或水源50输出的水可提供到蒸汽生成器104。水的一部分可在水预热器中汽化。蒸汽生成器104可经配置以加热未在水预热器中汽化的水以将水转换为蒸汽。举例来说，蒸汽生成器104可包含加热元件以将水汽化且生成蒸汽。举例来说，蒸汽生成器104可包含ac或dc电阻加热元件，或感应加热元件。
30.蒸汽生成器104可包含可以或可以不机械地分开的多个区/元件。举例来说，蒸汽
生成器104可包含预热锅炉以将水加热直到沸点或接近沸点。蒸汽生成器104还可包含经配置以将预沸腾的水转换为蒸汽的汽化器。蒸汽生成器104还可包含除气器以提供相对小的蒸汽清扫以在整体汽化之前从水移除溶解的空气。蒸汽生成器104还可包含任选的过热器，其经配置以进一步增加在汽化器中生成的蒸汽的温度。蒸汽生成器104可包含例如除雾垫的装置，其位于加热元件的下游和/或过热器的上游。除雾垫可经配置以使从蒸汽生成器104输出和/或提供到过热器的蒸汽中的液态水的夹带最少。
31.如果蒸汽产物被过热，那么由于到环境条件的热损失，从蒸汽生成器104下游进行冷凝将是不大可能的。避免冷凝是优选的，因为冷凝水更可能形成水的段塞，其可造成递送的质量流率相对于时间的显著变化。避免过量的过热以便限制系统200的总功率消耗也可为有益的。举例来说，可使蒸汽过热从约10℃到约100℃的范围的量。
32.从蒸汽生成器104的泄放可有益于长期操作，因为水在去离子化之后将可能含有某一量的矿化。典型的液体泄放可为约1％。所述泄放可为连续的，或可为间歇性的，例如，每分钟内6秒的10倍稳定状态流量、每5分钟内1分钟的5倍稳定状态流量等。可通过将泄放泵送到热氧气排气中而消除对水排放流的需要。
33.从蒸汽生成器104输出的蒸汽可提供到蒸汽同流换热器108。然而，如果系统200包含任选的混合器106，那么蒸汽可在提供到蒸汽同流换热器108之前提供到混合器106。特定来说，蒸汽可包含小量的溶解空气和/或氧气。因此，混合器106可经配置以混合蒸汽与氢气，以便在堆叠100中且特定来说在燃料电极7处维持还原环境。
34.混合器106可经配置以混合蒸汽与从氢气储存装置52接收的氢气和/或与从堆叠100输出的氢气流的一部分。可设定氢气添加速率以提供超过与溶解于蒸汽中的氧气量反应所需要的氢气量的氢气量。氢气添加速率可为固定的或设定为恒定的水与氢气比率。然而，如果使用完全除氧的水形成蒸汽，那么可任选地省略混合器106和/或氢气添加。
35.在一些实施例中，可在系统启动期间和/或在稳态操作期间通过外部氢气源提供氢气。举例来说，在启动期间，可从氢气储存装置提供氢气，且在稳态期间，可从氢气储存装置52和/或通过将由堆叠100生成的氢气流(即，氢气排气流)的一部分转向到混合器106来提供氢气。特定来说，系统200可包含氢气分隔器116，例如分裂器、泵、鼓风机和/或阀，其经配置以在稳态操作期间将所生成的氢气流的一部分选择性地转向到混合器106。
36.蒸汽同流换热器108可为经配置以从堆叠100输出的氢气流回收热的热交换器。因此，蒸汽同流换热器108可经配置以增加系统200的效率。蒸汽可在蒸汽同流换热器108中加热到600℃到830℃之间的范围。在一些实例中，蒸汽被加热到堆叠操作温度的10℃到150℃内。举例来说，堆叠操作温度可为700℃或750℃或其间的温度，且蒸汽可在蒸汽同流换热器108中加热到至少700℃，例如720℃到780℃。
37.从蒸汽同流换热器108输出的蒸汽可提供到位于蒸汽同流换热器108的下游的蒸汽加热器110，如图2a所示。蒸汽加热器110可包含加热元件，例如电阻性或感应加热元件。蒸汽加热器110可经配置以将蒸汽加热到高于堆叠100的操作温度的温度。举例来说，取决于堆叠100的健康度、堆叠100的水利用率和到堆叠100的空气流动速率，蒸汽加热器110可将蒸汽加热到范围从约900℃到约1200℃的温度，例如920℃到980℃。在700℃与750℃之间的较低堆叠温度的情况下，蒸汽加热器出口温度可低至700℃。因此，可对堆叠100提供处于允许高效氢气生成的温度的蒸汽或蒸汽-氢气混合物。热也可通过辐射(即，通过辐射热传
递)直接从蒸汽加热器输送到堆叠。在一些实施例中，蒸汽加热器110是任选的，且通过空气加热器114获得热。
38.在图2b中示出的一个替代实施例中，蒸汽同流换热器108可位于蒸汽加热器110的下游，使得退出蒸汽加热器110的蒸汽进入蒸汽同流换热器108而不是反过来。在另一替代实施例中，蒸汽加热器110可包含热交换器，其经配置以使用从高温流体提取的热来加热蒸汽，所述高温流体例如加热到约1200℃或更高的流体。此流体可从太阳能聚光器场或发电厂提供，例如核反应堆发电厂。替代地，如果流体是高温蒸汽，例如从核反应堆发电厂提供的蒸汽，那么此蒸汽可提供到堆叠100的燃料电极7。在此情况下，水源50可以包括高温蒸汽源，且水预热器102、蒸汽生成器104、蒸汽同流换热器108和/或蒸汽加热器110中的一或多个可省略。
39.在一些实施例中，蒸汽加热器110可包含具有独立功率电平的多个蒸汽加热器区(竖直地或沿圆周或按这两种情况进行划分)，以便在一些实施例中增强热均匀性。
40.在一些实施例中，蒸汽同流换热器108和蒸汽加热器110的操作可组合成单个组件。举例来说，蒸汽同流换热器108可包含电压源，其经配置以对蒸汽同流换热器108的热交换鳍片施加电压，使得热交换鳍片作为电阻性加热元件操作且将蒸汽加热到高至足以提供到堆叠100的温度，例如从约900℃到约1200℃的范围内的温度。从蒸汽加热器110输出的高温蒸汽(或任选地为蒸汽/氢气混合物)可提供到堆叠100的燃料电极7。
41.从堆叠100输出的氧气排气可提供到空气同流换热器112。可通过鼓风机118对空气同流换热器112提供环境空气。空气同流换热器112可经配置以使用从氧气排气提取的热来加热空气。在一些实施例中，环境空气可经过滤以移除污染物，然后提供到空气同流换热器112或鼓风机118。
42.从空气同流换热器112输出的空气可提供到空气加热器114。空气加热器可包含电阻性或感应加热元件，其经配置以将空气加热到超过堆叠100的操作温度的温度。举例来说，取决于堆叠100的健康度、堆叠100的水利用率和到堆叠100的空气流动速率，空气加热器114可将空气加热到范围从约900℃到约1200℃的温度，例如920℃到980℃。在较低堆叠温度的情况下，空气加热器温度可低至800℃。因此，可对堆叠100提供处于允许高效氢气生成的温度的空气。热也可通过辐射直接从空气加热器输送到堆叠。
43.从空气同流换热器输出的温度越高，空气加热器114需要的功率越少。空气同流换热器112的任一侧上增加的压力下降可与增加的鼓风机118功率抵消。增加的压力下降可有助于圆周质量流量均匀性，产生更均匀的热传递环境，以及从空气同流换热器112输出的空气入口流的较高温度。增加的压力下降还可增加局部热传递系数，进而增加来自空气同流换热器112的平均出口温度。
44.在替代实施例中，空气加热器114可包含经配置以使用从高温流体提取的热来加热空气的热交换器，所述高温流体例如加热到约1200℃或更高的流体。此流体可从例如太阳能聚光器场或核反应堆提供。
45.在一些实施例中，空气加热器114可包含具有独立功率电平的多个空气加热器区(竖直地或沿圆周或按这两种情况进行划分)，以便增强热均匀性。在一些实施例中，空气加热器114可安置于空气同流换热器112下方，或堆叠100与蒸汽同流换热器108之间或这两种情况。空气加热器114可包含挡板，所述挡板在沿着挡板的不同高度处具有不同大小的狭
缝，以允许空气在沿着空气加热器114的所有高度处在温度和高度方面都近似均匀地退出空气加热器114。来自空气加热器114的空气提供到堆叠100的空气电极3。
46.在一些实施例中，空气同流换热器112和空气加热器114可组合成单个组件。举例来说，空气同流换热器112可包含电压源，其经配置以对空气同流换热器112组合组件中包含的热交换器的热交换鳍片施加电压，使得所述鳍片作为电阻性加热元件操作且将空气加热到高至足以提供到堆叠100的温度，例如从约900℃到约1200℃范围内的温度。
47.根据各种实施例，系统200可包含安置于热箱300外部的任选的空气预热器。特定来说，空气预热器可经配置以对通过鼓风机118提供到热箱300的空气进行预热。空气预热器的主要目的是因为阴极产物较冷。其将产物h2/残余蒸汽冷却到较低温度以降低总体功率消耗，且将温度降低到低于蒸汽再循环鼓风机的最大温度(例如，180℃或200℃)。
48.在一些实施例中，系统200可在热中性配置中操作，其中对堆叠100中的每一电解槽1提供热中性电压。特定来说，提供到每一电解槽1的电流可变化，使得由i2r加热生成的热平衡了(吸热)反应热。因此，可在稳态热中性操作期间最小化或消除蒸汽加热器110和/或空气加热器114的使用。
49.从蒸汽同流换热器108和任选的氢气分隔器116输出的处于120℃到150℃的温度的氢气流可在氢气处理器120中压缩和/或纯化，所述氢气处理器可包含在从约120℃到约150℃的温度下操作的高温氢泵，以便从氢气流移除约70％到约90％的氢气。来自氢泵的剩余未泵送流出液是已经完全汽化的富含水的流。此富含水的流可馈送到鼓风机以用于再循环到混合器106或蒸汽同流换热器108中，从而消除对蒸汽生成器104中的水汽化的需要。
50.可通过将氢泵压力增加到例如范围从约3到50(例如，20)磅/平方英寸表压(psig)的压力来最小化进入氢气流的蒸汽损失。此分隔可处于电解器模块层级(例如，单个热箱)、系统层级(在统一控制系统下操作的热箱的分组(例如，3或4个的分组)、印记层级(共享一些接头组件的较大分组(例如，水源)，或位点层级(全部在给定位点)。
51.水冷凝和氢气流的压缩可能消耗大量功率。在一些实施例中，可减少或停止到堆叠100的空气流，使得堆叠100输出纯的或几乎纯的氧气气体作为堆叠排气。另外，电解槽1的空气侧和燃料侧可在范围从约3psig到约50psig的相等压力下操作。在一些实施例中，提供到堆叠100的空气可以极小流量提供，以避免上游空气压缩机的显著功率消耗。
52.高压力操作可允许避免与氢气流压缩的第一级相关联的功率和设备，由于因较高压力带来的较高露点而可减少初始冷凝器级的大小，和/或由于与较高压力相关联的较高密度而可减少流动通道所需的物理空间。
53.根据各种实施例，系统200可包含控制器122，例如中央处理单元，其经配置以控制系统200的操作。举例来说，控制器122可有线或无线地连接到系统200的各种元件以控制所述元件。
54.在一些实施例中，控制器122可经配置以控制系统200，使得系统200可在其中不生成氢气流的备用模式中操作。在备用模式期间，与堆叠100相关联(即，与其成热传递关系定位)的电加热器可以将电解槽1保持在所需备用温度所需的最小功率电平来运行。所需备用温度可不同于所需生产操作温度，且可受到返回到所需操作温度所需要的可接受时间的影响。
55.从备用模式恢复到稳态操作可允许以比标准稳态操作温度低的温度发起氢气生
成。在较低温度下，槽电阻可较高，这可提供额外加热以在一旦系统开始从热备用恢复时就将堆叠100增加到稳态操作温度。在热备用期间的水/蒸汽馈送可显著减少或消除。对混合器106中的蒸汽的氢气添加也可显著减少或消除。
56.在一些实施例中，在热备用期间，氢气分隔器116可用以使氢气流转向，使得可馈送氢气以使系统200中的大部分或全部蒸汽移位。随后可关闭分隔器(例如，阀)116以维持堆叠100中的还原气氛，而无任何额外氢气消耗。到堆叠100的空气流可显著减少或消除。在一些实施例中，可存在保持空气加热器114免于过热的最小空气流。
57.系统200可包含经配置以处理氢气流的氢气处理器120。举例来说，氢气处理器120可经配置以将氢气流压缩到所要压力，例如约500到约8000psig。压缩可包含多个级，具有任选的级间冷却和除水。
58.在热备用期间，蒸汽加热器110可以最小功率电平运行以在无水/蒸汽馈送的情况下保持其免于过热。来自堆叠100的氢气流(即，氢气排气流)可为含有氢气和水的温暖流。期望的产物可为高压力(例如，约500到约8000psig)纯化氢气。多个堆叠100的氢气流在现场可组合成单个流。此组合流可使用例如可为氢气处理器120的部分的空气冷却器或由现场冷却水塔冷却的热交换器尽可能实际地冷却。可提供从氢气处理器120输出的氢气用于储存或使用，以便用作燃料电池发电系统中的燃料。
59.在各种实施例中，氢气处理器120可包含至少一个电化学氢气泵、液环压缩机、隔膜压缩机或其它压缩装置或其组合。举例来说，氢气处理器可包含一系列电化学氢气泵，其可相对于氢气流的流动方向串联和/或并联安置，以便压缩氢气流。电化学压缩可在电学上比传统压缩更有效。来自压缩的最终产物仍可含有痕量的水。如此，氢气处理器120可包含脱水装置，例如变温吸附反应器或变压吸附反应器，以在必要时移除此残余水。系统可经配置以对残余水进行再纯化(例如，在di床中)，且将从经压缩氢气流移除的残余水提供到水预热器。
60.产物也可能含有某一痕量的氮气，其可以是水中溶解的空气。电化学压缩可本质上移除痕量氮气。
61.在一些实施例中，冷凝水可回收到水源50中的工艺进料(馈送到di床)。添加到混合器106中的蒸汽的氢气可在压缩系列的第一阶段或任何中间阶段期间产生，且可在必要时经除湿。氢气储存装置52可包含用于经由混合器106提供到堆叠100的氢气的低压/中压储存槽。
62.根据各种实施例，控制器122可经配置以基于各种位点范围控制参数控制系统200的操作。举例来说，控制器122可经配置以基于以下中的任一个控制氢气生产：每一soec堆叠的操作限制；功率可用性；瞬时平均功率成本，包含所有层次下的需量电费的影响；瞬时边际功率成本，包含所有层次下的需量电费的影响；瞬时功率可再生含量；可用氢气储存容量；可供使用的所储存能量(例如，热储存或电储存)；氢气生产计划(例如，每日、每周或每月计划等)；氢气生产收益牵连因素(例如，销售价格、生产水平的调整、不履行的惩罚等)；维护计划；位点内所有热箱的相对健康水平；压缩/冷凝系列机械状态；水/蒸汽/氢气进料可用性；天气条件和/或预报；任何其它已知的外部约束，瞬时的或某一生产计划周期内的(例如，仅允许每月多少水，或每月多少毫瓦时)；和/或从备用模式开始产生氢气的最少可接受时间(如果预测备用会持续多个小时，则可能需要允许槽在操作温度下冷却)。
63.图3是示出根据本公开的各种实施例的替代性电解器系统201中的工艺流程的示意图。电解器系统201可类似于电解器系统200，因此将详细论述仅其间的差异。
64.参考图3，电解器系统201可包含安置于热箱300内部的任选的空气预热器328。或者，任选的空气预热器328可安置在热箱300外部。空气预热器328可以是热交换器，其经配置以使用从自蒸汽同流换热器108输出的氢气流提取的热量预热从鼓风机118提供的空气。经预热空气可接着提供到空气同流换热器112。在此实施例中，不需要额外电力或额外气体加热器来将热量提供到空气预热器328。任选的空气预热器328可规定：到氢气隔离器116的氢气/蒸汽流大体上较冷，从而允许氢气隔离器由较便宜的材料制成。
65.在一些实施例中，少量液态水(例如，约0.5％到约2％的进水)可周期性地或连续地从蒸汽生成器104排放。确切地说，排放的液态水可包含可能在使水汽化以生成蒸汽时积聚在蒸汽生成器104中的水垢和/或其它矿物杂质。因此，此排放的液态水不适合从水源50回收到水入口流中。此液态排放物可与从水预热器102输出到排气管道中的热氧气排气流混合。热氧气排气流可具有高于100℃的温度，例如110到130℃，比如120℃。如此，液态水排放物可通过热氧气排气流蒸发，使得液态水不需要从系统201排放。系统201可任选地包含泵124，其经配置以泵送和调节从蒸汽生成器104输出到从水预热器102输出的氧气排气中的液态水排放物。可选地，可除泵124之外还添加比例电磁阀以另外调节液态水排放物的流量。
66.相应功率模块的一或多个排气可组合成单个排气头以使水蒸发，或控制发送到每一功率模块的冷凝水。举例来说，每一排气可与每一功率模块的排气流成比例配置。此处，一或多个控制阀可用于控制每一功率模块的排气流百分比。在另一实例中，类似的蒸发后温度可用于每一功率模块。此处，监测每一功率模块的出口温度，且相应控制阀使冷凝物的流分散。在又一实例中，可设定类似的液态水质量流以流动穿过孔口到达每一功率模块。此处，可使用电磁阀来调整(例如，打开或闭合)到不处于接受冷凝物的条件下的功率模块的流。
67.图4a是根据本公开的各种实施例的热箱300的透视图，且图4b是移除了其外壳层的热箱300的透视图。参看图4a和4b，热箱300可包含安置于底板306上方的外壳层302和内壳层304。内壳层304可包含上部内壳层304a和下部内壳层304b。
68.盖板310可安置于外壳层302和内壳层304上方。底板306可安置在支撑框架308上。支撑框架308可包括中空轨条，其提通供路以供叉车升高和移动热箱300。水入口管道312、预热水出口管道314和空气(例如，富氧空气)出口管道316可延伸穿过盖板310。中心塔柱320也可延伸穿过盖板310。空气入口管道322、预热水(例如蒸汽)入口管道324和氢气出口管道326可安置在中心塔柱320上。
69.上文所描述的空气同流换热器112可安置于热箱300的上部部分中，且上文所描述的空气加热器114可安置于热箱300的下部部分中。确切地说，外壳层302和上部内壳层304a可形成空气同流换热器112的至少一部分。空气加热器114可包含安置于下部内壳层304b和外壳层302之间的一或多个外围加热元件214。外围加热元件214可包含由外部电流或电压供电的电阻加热元件。外围加热元件214可以蜿蜒形图案横向地延伸。然而，可使用任何合适的盘管图案或配置。外围加热元件214可通过支撑元件220保持在适当位置。支撑元件220可经配置以维持内壳层304和外壳层302之间的间隔。在一些实施例中，支撑元件220可包括
由可承受高温的电介质材料(例如陶瓷材料)形成的托架。
70.图5a是根据本公开的各种实施例的图4a和4b的热箱300的横截面图，图5b是示出安置于中心塔柱320内部的组件的热箱300的横截面图，图5c是示出热箱300的蒸汽同流换热器108和/或空气同流换热器112的元件的局部透视图，且图5d是示出热箱300的分配轮毂340的透视图。
71.参看图5a和5b，热箱300可包含布置于中心塔柱320周围的多个列中的电解槽堆叠100。空气同流换热器112可环绕堆叠100的上部部分。空气同流换热器112可包含通过分隔板(未图示)分隔的外部腔室112c1和内部腔室112c2。
72.空气加热器114可包含外围加热元件214，且可任选地包含一或多个中心加热元件216和一或多个底部加热元件218。举例来说，加热元件214、216、218可以是电阻元件(例如，ac或dc加热盘管)，或电感加热元件。外围加热元件214可环绕堆叠110的底部部分。中心加热元件216可环绕中心塔柱320且可被堆叠100包围。中心加热元件216可操作以维持中心塔柱320的温度。底部加热元件218可安置于堆叠100下方。
73.在各种实施例中，外围加热元件214可被绝缘层318覆盖。举例来说，外围加热元件214可安置于下部内壳层304b和绝缘层318之间的空间中，或绝缘层318内。
74.水预热器102可安置于堆叠100上方。确切地说，水预热器102可包含安置在盖板310上的蛇形水管103。蛇形水管103的入口以流体方式连接到水入口管道312。蛇形水管103的出口以流体方式连接到预热水出口管道314。预热水出口管道314可通过从蛇形水管103向上且接着向内延伸而以流体方式连接到中心水柱中的预热水入口管道324。空气出口管道316可安置于水预热器102上方，使得氧气(即，富氧空气)排气流经过水预热器102的蛇形水管103，然后退出热箱300。
75.蒸汽生成器104可位于中心塔柱320的上部部分内。蒸汽加热器110可位于中心塔柱320的下部部分内。确切地说，蒸汽加热器110可通过连接管道330以流体方式连接到蒸汽生成器。
76.蒸汽生成器104可包含汽化歧管104m，以及安置于汽化歧管104m内或邻近于汽化歧管104m的至少一个加热元件104e。汽化歧管104m可将预热水入口管道324连接到连接管道330。加热元件104e可经配置以通过使汽化歧管104m的管道中流动的水汽化来生成蒸汽。在一些实施例中，汽化歧管104m可包含安置在加热元件104e外部和内部的管道，使得热量可从加热元件104e内部和外部提取且用于使流经汽化歧管104m的水汽化。
77.参看图5b，蒸汽加热器110可包含其中安置至少一个加热元件110e和蒸汽歧管110m的外壳110h。蒸汽歧管110m可环绕加热元件110e，且可以流体方式连接到连接管道330。在一些实施例中，蒸汽加热器110可经配置以使由蒸汽生成器104生成的蒸汽过热。在一些实施例中，蒸汽歧管110m可包含安置在加热元件110e外部和内部的管道，使得热量可从加热元件110e内部和外部提取且用于使流经蒸汽歧管110m的蒸汽过热。
78.加热元件104e、110e可以是如上文所描述的电加热元件。在一些实施例中，加热元件104e、110e可以是加热盘管。在一些实施例中，加热元件104e、110e可物理上与流经此处的水和/或蒸汽隔离，以便不会直接接触水和/或蒸汽。
79.蒸汽同流换热器108可安置于中心塔柱320中，环绕蒸汽加热器110。蒸汽同流换热器108位于蒸汽加热器110的上游，如图2a所示。
80.在一些实施例中，任选的空气预热器热交换器328可安置于中心塔柱320中，环绕蒸汽生成器104。空气预热器热交换器328含有至少一个空气入口管道和至少一个氢气出口管道，使得氢气出口流预热空气入口流。
81.如图5c所示，蒸汽同流换热器108和/或空气同流换热器112可分别包含分隔板108p、112p。在一些实施例中，分隔板108p、112p可以是波纹状的。分隔板108p可经配置以将蒸汽同流换热器108划分为外部腔室108c1和内部腔室108c2。分隔板112p可经配置以将空气同流换热器112划分为外部腔室112c1和内部腔室112c2。在各种实施例中，空气预热器328可具有类似的配置，其中外部腔室和内部腔室通过图5a中示出的波纹状分隔板328p分隔。
82.蒸汽同流换热器108的外部腔室108c1可经配置以接收从堆叠100输出的氢气，且内部腔室108c2可经配置以从蒸汽加热器110接收蒸汽。然而，在其它实施例中，外部腔室108c1可接收蒸汽，且内部腔室108c2可接收氢气。
83.空气同流换热器112的外部腔室112c1可经配置以从中心塔柱320接收空气，且内部腔室112c2可经配置以从堆叠100接收氧气排气。然而，在其它实施例中，外部腔室112c1可接收氧气排气，且内部腔室112c2可接收空气。
84.如图5d中所示，中心塔柱320可安置在分配轮毂340上。分配轮毂340可经配置以将中心塔柱320以流体方式连接到安置在其上的堆叠100。虽然图5d中示出仅两个堆叠100，但分配轮毂340可以流体方式连接到包含在热箱300中的所有堆叠。分配轮毂340可包含蒸汽分配管道340s和氢气收集管道340h。蒸汽分配管道340s可经配置以将蒸汽从中心塔柱320分配到堆叠100，且氢气收集管道340h可经配置以将由堆叠110生成的氢气提供到中心塔柱320。
85.参看图5a-5d，在操作期间，水可经由水入口管道312提供到热箱300。来自水入口管道312的水可接着循环穿过水预热器102的蛇形水管103，使得流经蛇形水管103的氧气排气(即，富氧空气排气)预热流经蛇形水管103的水。经预热的水可接着从环绕中心塔柱320的水预热器102的蛇形水管103经由预热水出口管道314提供到中心塔柱320中的预热水入口管道324。
86.经预热的水可接着向下流经中心塔柱320。确切地说，经预热的水可从预热水入口管道324流到水汽化器104的汽化歧管104m中。由加热元件104e生成的热量可用于使汽化歧管104m中的经预热的水汽化，借此生成蒸汽。
87.蒸汽可经由连接管道330从汽化歧管104m提供到蒸汽加热器110。确切地说，蒸汽可在通过加热元件110e过热的同时穿过蒸汽歧管110m。蒸汽可在外壳110h的底部处退出蒸汽歧管110m。蒸汽可接着向上流到环绕蒸汽加热器的蒸汽同流换热器108中。
88.蒸汽可向下流经蒸汽同流换热器108的内部腔室108c2，然后提供到分配轮毂340。蒸汽可流动穿过蒸汽分配管道340s到达堆叠100中的每一个(例如，到达堆叠100的每一列)。蒸汽可接着提供到堆叠100的soec的燃料(例如，阴极)电极。由堆叠100(例如，在堆叠100的soec的燃料电极处)生成的氢气流可提供到氢气收集管道340c，使得分配轮毂340将组合的氢气流提供到中心塔柱320。氢气流可包含从堆叠100输出的未反应蒸汽。氧气排气(即，富氧空气)流可从堆叠100的soec的空气(即，阳极)电极提供到环绕堆叠100列的空气同流换热器112。
89.在一些实施例中，热箱300可包含立管管道332(还见图11)，其将堆叠100以流体方式连接到蒸汽分配管道340s和氢气收集管道340c。确切地说，立管管道332可包含用以将蒸汽提供到每一堆叠100的soec的蒸汽管道，以及经配置以收集由每一堆叠100的soec输出的氢气的氢气管道。因此，堆叠100可在内部为蒸汽/氢气形成歧管，且在外部为氧气/空气形成歧管。
90.分配轮毂340可将氢气流提供到蒸汽同流换热器108，其中氢气流可向上流经外部腔室108c1。氢气流可加热向下流经内部腔室108c2的蒸汽。氢气流可退出蒸汽同流换热器108，且沿着中心塔柱320向上流到空气预热器328中。确切地说，氢气流可流动穿过空气预热器328的第一腔室到达氢气出口管道326，同时加热流经通过板328p与第一腔室分隔的空气预热器328的第二腔室的空气入口流。
91.空气可经由空气入口管道322提供到热箱300。空气可提供到空气预热器328的第一腔室，在该处，空气可由第二腔室中的氢气流预热。受热空气可从空气预热器328流过水预热器102的盘管，并进入空气同流换热器112。
92.确切地说，空气可在向下方向中流动穿过空气同流换热器112的外部腔室112c1，到达空气加热器114。空气可在沿着热箱300向下流过外围加热元件214、跨越热箱300的底部流过任选的底部加热元件218，且沿着中心塔柱320向上流过中心加热元件216的同时被加热。受热空气可接着退出空气加热器114(例如，经由中心加热元件216的顶部和/或侧部中的开口)且流到堆叠110。可通过调整施加到加热元件214、216、218中的一或多个的功率来调整空气的温度。空气可从中心气室320径向朝外提供到堆叠100的在外部形成歧管的soec的空气(即，阳极)电极。空气在空气电极处与经由来自soec的燃料(即，阴极)侧的soec电解质扩散的氧气(即，氧化物)离子组合。soec的空气电极处生成的空气和氧气的混合物可从堆叠100的soec的空气(即，阳极)电极提供作为从堆叠100列径向朝外的氧气排气(即，富氧空气)流。
93.氧气排气可从堆叠100径向朝外流到空气同流换热器112的内部腔室112c2中。空气同流换热器112可使用从内部腔室112c2中的氧气排气流提取的热量加热外部腔室112c1中的空气(即，空气入口)流。氧气排气流可接着流过水预热器102的蛇形水管103，且接着经由空气出口管道316退出热箱300。流经水预热器102的氧气排气流还可进一步预热流经肩部歧管334的空气流，所述肩部歧管334以流体方式连接空气预热器328和空气同流换热器112且邻近于水预热器102延伸。
94.图6是根据本公开的替代实施例包含经修改的蒸汽生成器404的中心塔柱320的横截面透视图。可使用蒸汽生成器404代替上文描述的蒸汽生成器104。参看图6，蒸汽生成器404可安置于中心塔柱320内部。确切地说，蒸汽生成器404可被空气预热器328包围。蒸汽生成器404可包含加热元件404e和安置于加热元件404e内部的汽化管道404c。加热元件404e可以是电阻加热元件或盘管，如上文所描述。在此实施例中，图5a和5b中示出的外部预热水出口管道314可被定位于中心气室320内部的内部预热水出口管道314a代替。
95.在操作中，经预热的水可从水预热器102提供到位于空气预热器328和汽化管道404c之间的内部预热水出口管道314a中。水可向上流经内部预热水出口管道314a，然后经由预热水入口管道324进入汽化管道404c。
96.施加到加热元件404e的电压实现加热元件404e的电阻式加热。热量接着传递到汽
化管道404c中的水，从而生成水汽，例如蒸汽。随着时间的过去，归因于水中存在的污染物，少量水垢可能累积在蒸汽生成器404的底部处。此水垢可能减少热传递。如此，少量经预热的水可从蒸汽生成器404的底部泄放，以便移除水垢和/或其它污染物，如图3所示，
97.图7a是根据本公开的另一替代实施例的中心塔柱320和外部蒸汽生成器504的横截面透视图，且图7b是图7a的蒸汽生成器504的放大局部横截面视图。可使用蒸汽生成器504代替上文描述的蒸汽生成器104、404。参看图7a和7b，蒸汽生成器504可安置在中心塔柱320外部。在一些实施例中，蒸汽生成器504可安置在热箱300外部和/或安装到热箱外部。蒸汽生成器504的出口可通过被热绝缘体409包围的绝缘蒸汽管道408以流体方式连接到中心塔柱320。
98.如图7b所示，蒸汽生成器504可包含内部加热表面504h，例如电阻加热元件。蒸汽生成器504的入口504i可以流体方式连接到水预热器102，且蒸汽生成器504的出口504o可以流体方式连接到上文描述的管道330。蒸汽生成器504可包含定位于外管504t内部以限定蒸汽流路径504p的螺旋形挡板504b。
99.如图7c所示，蒸汽生成器504还可包含一或多个泄放端口504d，冷凝的液体可经由所述一或多个泄放端口从蒸汽生成器504排放，以便防止水垢在蒸汽生成器504中积聚。泄放端口504d可以流体方式连接到空气出口管道316(参见图3、5a和5b)，使得液体排放物可被蒸发且在从热箱输出的氧气排气中带走。泄放端口504d可包含可打开以泄放水的阀506。泄放端口504d可包括与入口504i相同的管道或不同的管道。蒸汽生成器504的外部定位减少当布设线路、泄放口和管件时对蒸汽生成器504造成的困难。
100.在替代实施例中，蒸汽生成器104可包含浸入式蒸汽生成器604、直插式蒸汽生成器704，或多加热器蒸汽生成器阵列804，分别如图7d、7e和7f中所示出。或者，独立的蒸汽生成器可用作soec热箱300的汽化器。
101.图8a是根据本公开的各种实施例包含具有替代性结构的外围加热元件214的空气加热器114的一部分的局部透明透视图。参看图8a，外围加热元件214可具有开路盘管配置，且可在横向方向中延伸。确切地说，外围加热元件214可为环形且可在平行于堆叠100中的电解槽的堆叠方向的竖直方向中堆叠。外围加热元件214可固定到安置于热箱的内壳层304和外壳层之间的支撑元件220。在一些实施例中，支撑元件220可以是由例如陶瓷材料等电介质材料形成的托架。外壳层302可被绝缘层318覆盖。
102.图8b是根据本公开的各种实施例包含具有替代性结构的外围加热元件214和支撑元件222的空气加热器114的一部分的横截面透视图。参看图8b，外围加热元件214可以是在内壳层304和外壳层302之间的空间中竖直延伸的蛇形加热元件。外围加热元件214可安置于竖直延伸的管状支撑元件222中。在一些实施例中，支撑元件222可包括耐热电介质材料，例如陶瓷材料。支撑元件222可经配置以使外围加热元件214与内壳层304和外壳层302在电学上绝缘。举例来说，外围加热元件214可串联或并联电连接。
103.图8c是根据本公开的各种实施例包含具有替代性结构的外围加热元件214的空气加热器114的一部分的透视图，且图8d是图8c的空气加热器114的横截面透视图。参看图8c和8d，绝缘层318可安置于内壳层304和外壳层302之间。在一些实施例中，绝缘层318可由例如陶瓷材料等电介质耐热材料形成。外围加热元件214可在横向方向中延伸且可嵌入于绝缘层318中。相应地，绝缘层318可使外围加热元件214在电学上绝缘。
104.图8e是根据本公开的各种实施例包含具有替代性结构的外围加热元件214的空气加热器114的一部分的透视图。参看图8e，外围加热元件214可以是圆柱形且可竖直堆叠。外围加热元件214可包含鳍片224来改进热耗散。此类型的加热器几何结构可较容易组装，因为其可在适当位置操纵且手动地插入在内壳层304周围。
105.图8f是根据本公开的各种实施例包含具有替代性结构的外围加热元件214的空气加热器114的一部分的透视图。参看图8f，外围加热元件214可以蜿蜒形图案布置在内壳层304上。举例来说，外围加热元件214可使用支撑元件220夹持到内壳层304。空气加热器114可包含经配置以沿着外围加热元件214导引传入空气的导引叶片226。导引叶片226可包含平坦顶部表面，其相对于竖直空气流方向以10到80度(例如30到60度)的角度倾斜，以将径向流施加到导引叶片226下方的空气。外围加热元件214可包含封入电力绝缘体中的金属加热芯体。钎焊管228可钎焊到加热元件214的芯体的端部以提供支撑和电绝缘。钎焊管228可焊接到高顶礼帽形结构230。
106.在各种实施例中，图8a-8f的加热元件结构可应用于外围加热元件214、中心加热元件216和/或底部加热元件218。举例来说，中心加热元件216可具有蛇形配置，可横向或竖直地延伸，可具有鳍片，和/或可安置于例如陶瓷管或陶瓷间隔件等支撑元件中。在一些实施例中，中心加热元件216可通过支撑元件220夹持到中心塔柱320，如下文相对于图9a和9b所示。
107.图9a是示出根据本公开的各种实施例具有分区配置的空气加热器114的示意图。图9b是示出图9a的空气加热器114的加热元件的透视图。参看图9a和9b，空气加热器可包含外围加热元件214和中心加热元件216。尽管未图示，空气加热器114还可包含底部加热元件。
108.外围加热元件214可布置在例如第一区214a和第二区214b等两个或更多个区中。第一区214a可相对于穿过空气加热器114的空气流方向安置于第二区214b上方和上游。中心加热元件216可布置在例如第三区216a、第四区216b和第五区216c等两个或更多个区中。相对于空气流方向，第三区216a可安置于第四区216b下方和上游，且第四区216b可安置于第五区216c下方和上游。
109.空气加热器114可包含至少一个电源240，其经配置以独立地控制施加到区214a、214b、216a、216b、216c中的每一个中的外围加热元件214的电压和/或电流。举例来说，空气加热器114可包含单独的电源240以分别将功率施加到每一区214a、214b、216a、216b、216c，或到单个电源，其经配置以独立地控制被供应到每一区214a、214b、216a、216b、216c的功率。可选择性地控制每一区214a、214b、216a、216b、216c的外围加热元件214的热量输出，使得流经空气加热器114的空气具有约800℃到约950℃(例如，约825℃到约875℃，或约850℃)的范围内的温度。确切地说，可独立地控制施加到每一区214a、214b、216a、216b、216c的加热元件的功率，以便提供流经空气加热器114的空气的热均匀性。
110.图10a是根据本公开的各种实施例的包含经修改蒸汽加热元件110e的中心塔柱320的横截面图，且图10b是图10a的放大部分。参看图10a和10b，加热元件110e可以是安置于中心塔柱320内部的竖直环路型加热盘管。加热元件110e可包含封入绝缘体中的金属加热芯体。
111.加热元件110e可钎焊到包含焊接凸缘的钎焊管210。焊接凸缘可焊接到热箱底板
306，使得加热元件110e的端部可安置于中心塔柱320下方。如此，可保护加热元件110e的暴露的端子使其免于蒸汽暴露，借此增强加热元件110e的可靠性和循环寿命。
112.在操作中，来自连接管道330的蒸汽可向下流经蒸汽同流换热器108，然后退出蒸汽同流换热器108的底部且沿着蒸汽加热器110的外壳110h向上流动。在此实施例中，蒸汽同流换热器108位于蒸汽加热器110的上游，如图2a所示。蒸汽可接着向上流到外壳110h的顶部，然后进入外壳110h，并在由蒸汽加热元件110e加热的同时向下流动。过热的蒸汽可接着退出蒸汽加热器110的底部且流入蒸汽分配管道340s中，所述蒸汽分配管道可将过热的蒸汽提供到相应堆叠100。
113.图11是示出根据本公开的各种实施例的穿过经修改热箱300a的空气流的横截面透视图。热箱300a可类似于热箱300，因此，将详细论述仅其间的差异。
114.参看图11，空气(即，空气入口流)可经由空气入口管道322进入热箱300a，流动穿过空气预热器328和肩部歧管334，然后进入空气同流换热器112的内部腔室。退出空气同流换热器112的底部的空气可径向朝内流动以进入堆叠100。位于soec堆叠100列的侧壁上的陶瓷侧部挡板342保持空气从空气同流换热器112流动到堆叠100中。
115.退出堆叠100的氧气排气可径向朝内流动且接着沿着蒸汽加热器110的外表面流动，在该处，氧气排气(即，富氧空气流)任选地由空气加热器114的中心加热元件216加热。或者，可省略中心加热元件216。受热的氧气排气接着在堆叠100下方在分配轮毂340周围流动，并进入空气加热器114。流经空气加热器114的氧气排气可由外围加热元件214加热。受热的氧气排气可进入空气同流换热器112的外部腔室并加热空气同流换热器112的内部腔室中的传入空气。氧气排气可接着流动穿过水预热器102，在该处，其预热流经蛇形水管103的水和流经肩部歧管334的空气，然后经由空气出口管道316排出。
116.图12是示出根据本公开的各种实施例的穿过经修改热箱300b的空气流的横截面透视图。热箱300b可类似于热箱300，因此，将详细论述仅其间的差异。
117.参看图12，空气可经由空气入口管道322进入热箱300b，流动穿过任选的空气预热器328且接着进入安置在中心塔柱320的周界周围的内部空气同流换热器112。举例来说，内部空气同流换热器112可环绕蒸汽加热器110。内部空气同流换热器112可包含空气和氧气排气流经的内部和外部腔室112c1、112c2，如图5c所示。确切地说，内部空气同流换热器112可经配置以通过从自堆叠100输出的氧气排气提取热量来加热提供到中心塔柱320的空气。空气还可由蒸汽加热器110所生成的余热加热。空气可退出空气同流换热器112，径向朝外在堆叠100下方和分配轮毂340周围流动，且接着向上流动以进入空气加热器114。空气可由外围加热元件214加热，然后退出空气加热器114并径向朝内流动以进入堆叠100。
118.退出堆叠100的氧气排气可径向朝内流到空气同流换热器112的外部腔室中，并加热空气同流换热器112的内部腔室中的传入空气。氧气排气可接着向上流动且径向朝外通过水预热器102，且接着经由空气出口管道316从热箱300b排出。
119.参看图11和12，所公开的热箱配置允许传入空气由氧气排气加热。这可允许从空气加热器114省略中心加热元件216。如此，空气加热器114可仅包含外围加热元件214，其可在不进入热箱300a、300b的情况下进行维修。水和蒸汽穿过热箱300a、300b的流动可与相对于热箱300所描述相同。
120.提供所公开方面的先前描述是为了使所属领域的技术人员能够制造或使用本发
明。所属领域的技术人员将容易明白对这些方面的各种修改，且在不脱离本发明的范围的情况下，本文中所界定的一般原理可应用于其它方面。因此，本发明并不希望限于本文中示出的方面，而是应被赋予与本文中所公开的原理和新颖特征一致的最广范围。

技术特征：

1.一种电解器系统，其包括：蒸汽生成器，其经配置以生成蒸汽；固体氧化物电解槽堆叠，其经配置以使用从所述蒸汽生成器接收的所述蒸汽生成氢气流；以及水预热器，其经配置以使用提取自从所述堆叠输出的氧气排气的热对提供到所述蒸汽生成器的水进行预热。2.根据权利要求1所述的电解器系统，其中所述蒸汽生成器包括：汽化器，其经配置以通过将所述经预热的水汽化而生成蒸汽；以及过热器，其经配置以将所述蒸汽的温度增加约10℃到约100℃，其中所述蒸汽生成器进一步包括预热锅炉，所述预热锅炉经配置以将所述经预热的水进一步加热直到约100℃，且将所述进一步加热的水提供到所述汽化器，其中所述蒸汽生成器进一步包括除气器，所述除气器经配置以在所述进一步加热的水提供到所述汽化器之前从所述进一步加热的水移除溶解的空气，其中从所述除气器生成的蒸汽与所述水预热器的氧气排气混合。3.根据权利要求1所述的电解器系统，其进一步包括混合器，所述混合器经配置以混合氢气与由所述蒸汽生成器输出的所述蒸汽，其中所述混合器经配置以从氢气储存装置、从所述氢气流或从所述氢气流和所述氢气储存装置两者接收氢气。4.根据权利要求1所述的电解器系统，其进一步包括蒸汽同流换热器，所述蒸汽同流换热器经配置以使用从所述氢气流提取的热对由所述蒸汽生成器生成的所述蒸汽进行加热，其中所述蒸汽同流换热器包括热交换鳍片和电压源，所述电压源经配置以对所述热交换鳍片施加电压，使得所述热交换鳍片作为电阻性加热元件操作以进一步加热所述蒸汽，其中所述电解器系统进一步包括蒸汽加热器，所述蒸汽加热器经配置以将从所述蒸汽同流换热器输出或提供到所述蒸汽同流换热器的所述蒸汽从所述堆叠的操作温度加热到10℃与150℃之间的温度，和/或通过辐射热传递加热所述堆叠。5.根据权利要求1所述的电解器系统，其进一步包括：鼓风机，所述鼓风机经配置以对所述堆叠提供空气；空气同流换热器，所述空气同流换热器经配置以通过从所述氧气排气提取热而对提供到所述堆叠的所述空气进行预热；以及空气加热器，所述空气加热器经配置以在所述经预热的空气提供到所述堆叠之前进一步加热所述经预热的空气，其中所述空气加热器包括竖直地、沿圆周或者竖直地且沿圆周划分的具有独立功率电平的多个空气加热器区，其中所述空气加热器区经配置以增强所述空气加热器的热均匀性。6.根据权利要求1所述的电解器系统，其中在稳态操作期间，所述电解器系统经配置以在不利用电加热元件的情况下操作。7.根据权利要求1所述的电解器系统，其中在稳态操作期间，所述系统经配置以对所述堆叠进行加压，使得在所述固体氧化物电解槽的空气侧和燃料侧处的压力的范围是从约3磅/平方英寸表压psig到约50psig。8.根据权利要求1所述的电解器系统，其进一步包括经配置以压缩所述氢气流的氢气处理器，其中所述氢气处理器包括经配置以压缩所述氢气流的至少一个电化学氢泵、液环压缩
机、隔膜压缩机、交替压缩装置或其组合，其中所述氢气处理器进一步包括排水装置，所述排水装置经配置以从所述经压缩的氢气流移除残余水，其中所述系统经配置以对从所述经压缩的氢气流移除的所述残余水进行再纯化且提供到所述水预热器。9.根据权利要求1所述的电解器系统，其进一步包括控制器，所述控制器经配置以基于以下各项中的至少一个控制所述系统的操作：所述堆叠的操作限制；到所述系统的功率可用性；瞬时平均功率成本；所述系统的氢气储存容量；可供使用的储存能量的量；氢气产生收益暗示；系统维护计划；天气条件；或从备用模式开始产生氢气的最小可接受时间。10.根据权利要求1所述的电解器系统，其进一步包括水源，所述水源经配置以将去离子水提供到所述水预热器。11.一种电解器系统，其包括：蒸汽生成器，其经配置以生成蒸汽；固体氧化物电解槽堆叠，其经配置以使用从所述蒸汽生成器接收的所述蒸汽生成氢气流；以及混合器，其经配置以混合氢气与由所述蒸汽生成器输出的所述蒸汽。12.根据权利要求11所述的电解器系统，其中所述混合器经配置以从氢气储存装置、从所述氢气流或从所述氢气流和所述氢气储存装置两者接收氢气。13.一种电解器系统，其包括：蒸汽生成器，其经配置以生成蒸汽；固体氧化物电解槽堆叠，其经配置以使用从所述蒸汽生成器接收的所述蒸汽生成氢气流；以及蒸汽同流换热器，其经配置以使用从所述氢气流提取的热对由所述蒸汽生成器生成的所述蒸汽进行加热。14.根据权利要求13所述的电解器系统，其中所述蒸汽同流换热器包括热交换鳍片和电压源，所述电压源经配置以对所述热交换鳍片施加电压，使得所述热交换鳍片作为电阻性加热元件操作以进一步加热所述蒸汽。15.根据权利要求13所述的电解器系统，其进一步包括蒸汽加热器，所述蒸汽加热器经配置以将从所述蒸汽同流换热器输出或提供到所述蒸汽同流换热器的所述蒸汽从所述堆叠的操作温度加热到10℃与150℃之间的温度，和/或通过辐射热传递加热所述堆叠。16.一种电解器系统，其包括：蒸汽生成器，其经配置以生成蒸汽；
固体氧化物电解槽堆叠，其经配置以使用从所述蒸汽生成器接收的所述蒸汽生成氢气流；以及鼓风机，其经配置以对所述堆叠提供空气。17.根据权利要求16所述的电解器系统，其进一步包括：空气同流换热器，所述空气同流换热器经配置以通过从氧气排气提取热而对提供到所述堆叠的所述空气进行预热；以及空气加热器，所述空气加热器经配置以在所述经预热的空气提供到所述堆叠之前进一步加热所述经预热的空气，其中所述空气加热器包括竖直地、沿圆周或者竖直地且沿圆周划分的具有独立功率电平的多个空气加热器区，其中所述空气加热器区经配置以增强所述空气加热器的热均匀性。18.一种操作电解器系统的方法，其包括：将蒸汽提供到固体氧化物电解器堆叠中；在所述固体氧化物电解器堆叠中生成氢气流；以及以下各项中的至少一个：(a)使用提取自从所述堆叠输出的氧气排气的热对提供到蒸汽生成器的水进行预热以生成所述蒸汽；或(b)在将所述蒸汽提供到所述堆叠中之前将氢气混合到所述蒸汽中；或(c)将空气提供到所述堆叠中；或(d)通过从所述堆叠输出的氧气排气提取热而对空气进行预热，且将所述经预热的空气提供到所述堆叠中；或(e)在将所述蒸汽提供到所述堆叠中之前使用从所述氢气流提取的热加热所述蒸汽。19.一种电解器系统，其包括：热箱；中心塔柱，其安置于所述热箱中且在竖直方向上纵向延伸；固体氧化物电解槽堆叠，其安置于所述热箱中，包围所述中心塔柱，且经配置以将蒸汽转换为氢气流；以及空气加热器，其经配置以对提供到所述堆叠的空气进行加热。20.根据权利要求19所述的电解器系统，其中所述空气加热器包括外围加热元件，所述外围加热元件在所述热箱的内部壳体与外部壳体之间径向安置于所述堆叠周围。21.根据权利要求20所述的电解器系统，其进一步包括支撑元件，所述支撑元件经配置以支撑所述外围加热元件且维持所述内部壳体与所述外部壳体之间的间距，其中所述支撑元件包括陶瓷材料，其中：所述支撑元件包括在所述竖直方向上延伸的陶瓷管；且所述外围加热元件是分别安置于所述陶瓷管内的元件。22.根据权利要求20所述的电解器系统，其中所述外围加热元件包括卷绕加热元件或鳍片式加热元件。23.根据权利要求20所述的电解器系统，其中所述外围加热元件包括竖直堆叠式环形加热元件或蜿蜒加热元件。
24.根据权利要求20所述的电解器系统，其进一步包括安置于所述外部壳体上的绝缘层，所述绝缘层包围所述外围加热元件。25.根据权利要求19所述的电解器系统，其进一步包括安置于所述内部壳体与所述外部壳体之间的绝缘层，其中所述空气加热器包括嵌入于所述绝缘层中且径向包围所述堆叠的外围加热元件。26.根据权利要求20所述的电解器系统，其进一步包括安置于所述内部壳体与所述外部壳体之间的导叶，所述导叶经配置以径向引导所述空气流动通过所述空气加热器。27.根据权利要求20所述的电解器系统，其中所述空气加热器进一步包括安置于所述中心塔柱与所述堆叠之间的中心加热元件，所述中心加热元件经配置以在空气由所述外围加热元件加热之后加热所述空气。28.根据权利要求27所述的电解器系统，其中所述空气加热器进一步包括安置于所述堆叠下方的底部加热元件，所述底部加热元件经配置以对从所述外围加热元件流动到所述中心加热元件的空气进行加热。29.根据权利要求27所述的电解器系统，其中：所述外围加热元件布置成至少两个组，且所述中心加热元件布置成至少三个组；且所述空气加热器进一步包括经配置以对所述外围加热元件的每一组和中心加热元件的每一组独立地施加电力的至少一个电力源。30.根据权利要求27所述的电解器系统，其进一步包括蒸汽生成器，所述蒸汽生成器安置于所述热箱外部且经配置以将水汽化为蒸汽且将所述蒸汽提供到所述中心塔柱。31.根据权利要求27所述的电解器系统，其进一步包括蒸汽生成器，所述蒸汽生成器安置于所述中心塔柱内部且经配置以将水汽化为蒸汽，其中所述蒸汽生成器包括经配置以将流动通过所述蒸汽生成器的水汽化的加热元件，其中：所述蒸汽生成器包括经配置以接收提供到所述中心塔柱的水的汽化歧管；且所述加热元件经配置以将流动通过所述汽化歧管的水汽化，其中所述电解器系统经配置以在由所述堆叠生成且从所述热箱输出的氧气排气中蒸发从所述蒸汽生成器输出的矿化水。32.根据权利要求27所述的电解器系统，其进一步包括空气同流换热器，所述空气同流换热器安置于所述热箱中且经配置以使用从所述堆叠输出的氧气排气对提供到所述空气加热器的空气进行加热。33.一种电解器系统，其包括：热箱；中心塔柱，其安置于所述热箱中；固体氧化物电解槽堆叠，其安置于所述热箱中，包围所述中心塔柱，且经配置以接收蒸汽和空气且输出氢气排气和氧气排气；空气同流换热器，其经配置以通过从所述堆叠输出的所述氧气排气提取热而对提供到所述热箱的所述空气进行预热；空气加热器，其经配置以对从所述空气同流换热器输出的经预热的空气进行加热且将
经加热的空气提供到所述堆叠；以及蒸汽加热器，其安置于所述中心塔柱中且经配置以对提供到所述堆叠的蒸汽进行过热。34.根据权利要求33所述的电解器系统，其中所述空气同流换热器包围所述堆叠，其中从所述堆叠输出的氧气排气经配置以沿着所述中心塔柱、在所述堆叠下方流动，且接着通过所述空气同流换热器，然后退出所述热箱，其中提供到所述热箱的空气经配置以流动进入所述中心塔柱，且通过所述空气同流换热器，然后进入所述堆叠，其中所述空气加热器包括安置于所述热箱的内部壳体与外部壳体之间的一或多个加热元件。35.根据权利要求33所述的电解器系统，其中所述空气同流换热器包围所述中心塔柱且被所述堆叠包围，其中从所述堆叠输出的氧气排气经配置以流动通过所述空气同流换热器，然后退出所述热箱，其中提供到所述热箱的空气经配置以流动进入所述中心塔柱，通过所述空气同流换热器，在所述堆叠下方流动，且接着通过所述空气加热器，然后进入所述堆叠。36.根据权利要求33所述的电解器系统，其进一步包括水预热器，所述水预热器经配置以使用提取自从所述空气同流换热器输出的氧气排气的热对提供到所述热箱的水进行预热。37.根据权利要求33所述的电解器系统，其进一步包括安置于所述堆叠和所述中心塔柱下方的分配轮毂，所述分配轮毂经配置以将经过热的蒸汽从所述中心塔柱提供到所述堆叠，且将从所述堆叠输出的氢气提供到所述中心塔柱。

技术总结

本申请案涉及一种具有蒸汽生成的电解器系统及其操作方法。一种电解器系统包含：蒸汽生成器，其经配置以生成蒸汽；固体氧化物电解槽堆叠，其经配置以使用从所述蒸汽生成器接收的所述蒸汽生成氢气流；以及水预热器，其经配置以使用提取自从所述堆叠输出的氧气排气的热对提供到所述蒸汽生成器的水进行预热。热对提供到所述蒸汽生成器的水进行预热。热对提供到所述蒸汽生成器的水进行预热。