电解装置已知用于众多应用，并建议使用水电解作为生产氢气的 简单、洁净的技术。电解是燃料电池中的燃料氧化的相反工艺。图1 中显示该工艺的示意图。在电解工艺中，蒸汽在阴极上分解并形成氢 气分子。在固体氧化物电池中，阴极反应如下：
H2O+2e-＝H2+O2-
氧离子迁移通过电解质，在阳极表面形成氧气分子，并释放电子。
O2-＝1/2O2+2e-
于是，蒸汽的总体电解反应如下：
H2O＝H2+1/2O2
在上述情况下，将理解，需要电源克服电化学反应电势将电子从 阳极拖到阴极。
尽管商业水电解通过使用已知的技术在低温下可用，但这些电解 电池的运行效率相对较低。高温燃料电池的使用受到如下情况限制： 这些高温燃料电池有必要在超过800℃且通常介于800℃-1000℃的 温度下运行。在所述情况下，有必要使用特殊的加热器，这会减小所 述方法的效率和实用性。
目前，在生产氢气方面最发达的技术与蒸汽转化有关。在该工艺 中，利用化石燃料源，且该工艺会产生大量的CO2排放。建议使用水 电解作为“无温室气体”的氢气生产技术，从而能够利用非化石燃料 电源，例如核电源或可再生电源。遗憾的是，当前通过水电解进行氢 气生产有显著的不利之处，如上文中所述，效率相对较低。由于该低 效率，有必要消耗相对高的电能，从而使利用水电解来生产氢气的成 本相对于当前通过蒸汽转化生产氢气而言过于昂贵，以致在商业上不 可行。还将理解，当前用于水电解的设备成本很高，与天然气或其它 烃的蒸汽转化相比，使用水电解进行氢气生产是昂贵的可选方案。

根据本发明的一个方面，提供一种用于生产产物的电解装置，所 述装置包括电解电池(electrolysis cell)，所述电解电池通常可在 800℃-1000℃温度下运行以通过氧化提供电能，但其被布置为通过电 解以在堆组(stack)的阴极处提供产物，通过提供的供料和空气供应以 及在阳极和阴极之间由电源提供的电能，电解电池用于生产产物，所 述装置的特征在于，用于堆组的空气在提供给电解电池之前使用入射 热源进行预热。
根据本发明的另一方面，还提供一种用于生产氢气的水电解装 置，所述装置包括电解电池，所述电解电池通常可在800℃-1000℃ 温度下运行以通过氢气的氧化提供电能，但其被布置为通过电解以在 堆组的阴极处提供氢气产物，通过提供的蒸汽供应和空气供应以及在 阳极和阴极之间由电源提供的电能，该电解电池用于生产氢气产物， 所述装置的特征在于，用于堆组的空气在提供给电解电池之前使用入 射热源进行预热。通常，电解电池是电化学电池，例如燃料电池。
通常，入射热源由来自电源或其它工艺的经过处理的热提供。入 射热源可通过燃烧一部分所产生的产物提供。
可将空气压缩并预热至500℃-800℃的温度。
可在阴极处提供一小部分所产生的产物，以维持还原能力。
通常，流出堆组的空气的一部分重新循环进入该堆组。
通常，使用涡轮发动机将空气朝向该堆组驱动。
通常，使用热交换器来加热空气。可提供回收构造来接收来自燃 气涡轮发动机排气的热，以产生用于堆组的入射热。
通常，提供分离器来将产物流与堆组分离。
可提供过热器来回收热，以用于加热被提供给堆组的蒸汽供应。
附图说明
现在，将参照附图以举例的方式来说明本发明的实施例，附图中：
图2是根据本发明的某些方面的水电解装置的第一实施例的示意 图；
图3是根据本发明的某些方面的第二备选水电解装置的示意图；
图4是根据本发明的某些方面适配的开式回路循环电解装置的示 意图；以及
图5是根据本发明的某些方面的第五水电解装置的示意图。

固体氧化物燃料电池系统的运行已为人们所知，且一个实例在国 际专利申请第PCT/GB 2003/004089号(Rolls Rocce Plc)中给出。在这 些构造中，以燃料电池堆组(fuel cell stack)的形式提供电解电池或电化 学电池，该电解电池或电化学电池包括夹在阳极和阴极之间的电解质 以消耗通过氧化产生的氢气，从而发电。所述装置涉及利用电解电池 (例如电化学电池)中的电解，以作为(例如)电解装置来产生作为燃料本 身使用的氢气。将理解，氢气在汽车或其它方面中可用作燃料，在所 述车辆或机械设备中为原动机产生能源。迄今为止，氢气的成本一直 相对较高，使用燃料电池技术通过水电解来生产氢气时尤其如此。在 这些情况下，考虑到经济成本，氢气燃料电池技术在相对较小的机械 设备和汽车中的低排放的优点尚存在疑问。
图2提供根据本发明的某些方面的水电解装置的第一实施例的示 意图。该实施例和其它实施例作为实例给出，且所说明的方法可在电 解装置中使用来产生氢气以外的产物。因此，堆组1包括阳极部分和 阴极部分，向该阳极部分和阳极部分分别提供来自喷射器3的压缩空 气和来自喷射器2的蒸汽。下面将说明水电解装置的运行，但应了解， 本发明利用典型的固体氧化物燃料电池结构(对其修改极小)。
所说明的堆组1包括具有阳极侧和阴极侧的固体氧化物电解质。 在这种情况下，在根据本发明的一个方面的水电解实施例中，来自喷 射器3的压缩空气被射向阳极1a。这将是燃料电池运行中的阴极。提 供给阳极的压缩空气将处于高于700℃-800℃的温度，以便于电化学 电池以电解模式运行。至阴极侧1b(燃料电池运行中的阳极)的供料由 喷射器2提供的高温过热蒸汽组成。可向所述阴极提供小部分氢气(通 常为所分离出来的氢气的大约10％)，以满足水电解电池要求。水在堆 组1内经历电化学反应并产生氢气分子。应理解，所分离出来的氧离 子迁移经过堆组1中的电解质层，因此，阳极侧的空气中富含氧成份。 通常，蒸汽利用率约为0.85，这意味着在阴极出口处的富氢气混合物 中的蒸汽成份约为15％。将理解，所述电解装置仅需要根据燃料电池 结构的运行切换阳极和阴极，并向阳极和阴极提供不同的供料，从而 在电池和堆组设计、几何尺寸和规模方面，不需要对基本燃料电池构 造进行重大的或主要的修改。通常，在承压容器内提供堆组1。
如上面所述，用于向堆组1供应蒸汽的喷射器2通常将安排对所 产生的富氢气混合物12中的一小部分进行再循环，该小部分富氢气 混合物12在阴极1b入口处提供。之所以需要少量的氢气，是为确保 使阴极1b入口保持还原环境并避免被从喷射器2供应至堆组的蒸汽 中夹带的少量氧氧化，该少量氧是因为水除盐不彻底及/或蒸汽供应管 线中空气泄漏引起的。
所指示的喷射器3向堆组1的阳极1a提供加热后的压缩空气。 通常，来自堆组1的夹带有氧的空气中的一部分会发生再循环。来自 堆组1的空气的大部分将处于相对高温下，且所述空气将驱动涡轮机 4。涡轮机4用于输送来自堆组1的二次流，以便因没有内部重整装 置和废气燃烧器而使空气再循环回路33中存在低压降。在这些情况 下，可使用与典型的燃料电池运行中相同的再循环比率以及较低压降 (亦即，压缩机4a和涡轮机4b之间的较低压降)。将理解，富含氧的 空气经过再循环回路33循环至喷射器时将处于很高的温度，因此该 再循环空气将增大供应至阳极1a的压缩空气的温度，从而减小热交换 器5的容量和需求，并增大至堆组1的压缩空气供应。
如上面所述，使用燃气涡轮发动机来对供应至堆组的空气加压。 将来自堆组的阳极1a侧的高温产物导向涡轮机4b，涡轮机4b驱动压 缩机4a，以便使供应的空气如上所述被加压。应理解，来自涡轮机4 的过剩功率可用于驱动交流发电机发电，而交流发电机又会减小系统 的电源的电能消耗。如上面所述，为驱动堆组1中的电化学反应，有 必要在阳极和阴极之间提供电能。所述电源可为核反应堆。
如上面所述，提供热交换器5以向供应至堆组1的压缩空气提供 必要的热输入。升高供应空气的温度可促进电解工艺。在这些情况下， 来自压缩机4a的空气15被引导至热交换器5的冷侧，同时外部热矢 量(thermal vector)被供应至热交换器5的热侧。所述热矢量可来自诸 多工艺-或者来自该装置的电源(例如核电反应堆)产生的入射热或其 它工艺热或传统上提供给电解装置的热，或者通过燃烧富含氢气的流 量的一部分产生的热。将理解，不需要极高的温度，以便使热交换器 5能够利用各种潜在的源以提供热矢量，以升高空气51的温度，空气 51随后通过供应管25提供给喷射器3。可见，热矢量11以传统方式 提供至热交换器5两侧，且如果需要可自循环。
关于热矢量，将了解，如果所述装置与高温核反应堆形成一体， 则可能由于以下原因在该核反应堆内反应堆一次冷却剂回路与所述 电解电池装置之间需要中间氦回路。直接使用反应堆一次冷却剂可能 导致对于交换器5而言温度过高，从而产生基本的安全问题以及与辐 射保护有关的其它问题。设计两级热交换器能够减轻反应堆内的一次 冷却剂回路的压力(通常约为40-70bar)与电解电池循环中的空气压力 (通常约为7bar)之间增大的压差。
通过再循环回路33对空气进行再循环意味着对热交换器内的一 次空气15进行必要的预热可能是足够的(如果一次空气15的温度仅为 500-600℃)，从而能够实现紧凑的回热式热交换器5设计，以向系统 提供必要的热输入，获得很高的运行效率。另外，由于该终端温度， 使热交换器5的结构能够使用先进的金属材料，而不需要可能产生问 题的陶瓷材料。
如上面所述，通常来自压缩机的空气中的一部分可能绕过中间热 交换器，并被用作容纳堆组1的承压容器的内壁的冷却剂。
通常，在所述装置中提供蒸汽蒸发器6，以接收来自燃气涡轮机 4b排气的热。然后，利用回收的该热来产生供应至堆组1的蒸汽热使 用。
通常，利用蒸汽过热器来使用堆组1的阴极1b侧释放的蒸汽中 的热。该过热器通常定位在堆组1的壳体容器的外侧，且将由最高蒸 汽温度达500-550℃的标准蒸汽过热器组成。在蒸汽供应至堆组之前， 将需要更多的蒸汽过热度。这可通过所述压力容器内的内部热交换来 实现。
针对堆组1产生的富含氢气的混合物提供水冷凝器和分离器7。 将废气冷却和蒸汽冷凝中释放的热用于水加热。将理解，除盐水对于 所述电解装置而言非常重要，因而，为降低对水电解循环中除盐的要 求，对冷凝器7冷凝的循环水进行再循环，并将其与所述装置中的“补 给”水进行混合。将理解，视电解循环的尺寸和构造而定，可能需要 来自另一热冷却器的更多的废热，以实现冷凝器分离器7内35℃的 假定温度，并获得期望的水冷凝和氢气纯度(即大于99％)。
为驱动循环，提供进给泵9，其对供应给蒸汽发生设备的水进行 加压。该泵9通常在水中产生超过10bar的压力。另外，如上面所述， 除盐和除气的给水对于所述水电解工艺而言很重要，且在这些情况 下，针对产生蒸汽的水提供除盐/除气装置10。
将理解，至热交换器5的热输入对图1中所示的装置而言是关键 限制因素，对于使用中间热交换器的情况尤其如此。当来自热交换器 5的出口温度较低时，能够实现更紧凑的设计，尽管效率会被降低。 还将理解，向容纳堆组1的压力容器供应极热的空气本身会在可接受 的材料和成本方面产生问题。然而，如上面所述，可使用入射热源来 升高至堆组的压缩空气供应温度，这对于本发明而言很重要。在这些 情况下，可提供两级热交换工艺，其由压缩机处的用于获得输出的回 热式热交换器和承压容器内的高温热交换器组成。尽管该方法可能需 要设计关键的热交换器和用于向压力容器供料的热管线。
将理解，由于堆组1内的功率耗散产生的热会降低供应至水电解 循环的一次空气所需的温度，以便持续运行。堆组1的面积比电阻 (ASR，area-specific resistance)通常随温度降低而增大，所以增大堆组1 内的内部热产生量将补偿热输入通过中间热交换器的减小量。将理 解，由于电阻损耗，热从堆组1释放出来，且通过空气再循环回路33 重新循环至堆组1。
与燃料电池的运行相比而言，由于水电解反应的吸热性，而水电 解反应往往会降低来自堆组1的空气13的出口温度，所述装置的水 电解循环需要每个堆组1具有较低的空气流。在这些情况下，当同一 涡轮机4在混合系统(亦即既能实现燃料电池运行、又能实现水电解运 行的构造)中使用时，供应至堆组相同的总空气质量流被等分。有利的 是，增大待安装在每一压力容器内的堆组1的数量以增大堆组1内的 平均空气温度以及化学反应的效率。尽管如此，该运行受到来自燃气 涡轮机排气的热回收的可再生蒸汽以及由堆组1消耗的可再生蒸汽的 最大数量限制。
可见，至堆组1的一次空气的温度降低还将降低堆组1的平均温 度，而堆组1的平均温度降低又将如上面所述增大堆组1的面积比电 阻(ASR)，并因此增大堆组1内的电阻发热量，且当空气通过再循环 回路33返回堆组1时，其温度会升高。在这些情况下，空气再循环 会缓解供应至堆组1的空气进气温度的降低。
还可见，只要有如上面所述的空气再循环，来自交换器5的空气 的出口温度的总体效应可达到最小，因此降低温度更易实现在所述装 置的可行性和成本效益方面的优点。还将理解，尽管总体目标是减小 燃料电池模块的空气比电阻(ASR，air-specific resistance)值以达到高效 率水平，但水电解装置性能对该参数的敏感性较小，可仅通过改变阳 极和阴极两侧的电能以及至系统的热功率输入来调整该参数，从而可 实现大体上一致的性能。在这些情况下，相对昂贵的电能输入可通过 使用附带的工艺热(若可用)来补偿，从而与廉价的入射热(例如工艺热 或以其它方式加热空气输入)相比，可减少昂贵的用电数量。将理解， 热输入通常始终远便宜于阳极和阴极两侧的电能。
每个堆组1的压缩空气流受到从水电解循环内的内部热回收工艺 (亦即，燃气涡轮机出口的回收量)获得的最大可再生蒸汽流限制。图3 显示一种水电解装置的备选或第二实施例，其中通过利用取自热交换 器55(利用热交换器55来提供用于产生蒸汽的热)的热可提供更大的 蒸汽产生能力。将理解，热交换器55的出口的温度将通常介于至少 350-400℃之间，以便足够接近与来自压缩机的空气的输入温度差ΔT。
图3与图2中类似的标号表示类似的部件，并对该第二实施例的 更多特征进行更多的说明。在这些情况下，通过使用来自热交换器55 的输出热，每单位面积上堆组1的数量能够达到其它技术限制的极限， 从而使堆组1能够在较高平均温度、较低面积比电阻(ASR)以及较高 效率下运行。应将图3中绘示的水电解循环与图2中所绘示的进行比 较，因为其中提供有一额外的蒸汽发生器来接收更多的工艺热。因此， 将来自热交换器55的热提供给蒸汽蒸发器56，以便除蒸发器6提供 的蒸汽外还产生更多的蒸汽57。从而，如上面所述，图3中绘示的装 置的蒸汽发生能力显著大于图2中的蒸汽发生能力。还将理解，通过 热交换器55和蒸发器56，进一步回收工艺热可实现更大的效率。为 进一步提高效率，进给水在蒸发器6，56中加热蒸发之前提供另一额 外的热回收节省器58。可设置节省器58，以便接收来自涡轮机4排 气或通过独立的热工艺热源提供的热。
如上面所述，通过利用入射热源，无论其是来自于为水电解产生 电能的机构还是毗邻水电解装置的工艺，都可调节供应至电解装置的 压缩空气。另外，通过为来自堆组的出口空气中的一部分提供再循环， 可将堆组空气供应温度维持至有效运行所接受的温度。在这些情况 下，可相对地调节双重平衡工艺-电能以及空气供应/蒸汽温度，以便 获得期望的水电解运行效率，从而产生燃料品质的氢气。
本发明水电解装置具有如下所述的多个固有特征。
A)电解反应的吸热性补偿堆组1中的电阻损失产生的热。与燃料 电池运行模式相比，这会减小堆组1中的温度梯度，从而减小热应力， 热应力通常是与高温燃料电池运行有关的关键问题。通过电能输入以 及供料温度的平衡，在某些情况下可接近堆组的等温运行。
B)通过使用供应至堆组入口的供应空气的较低温度，面积比电阻 (ASR)和堆组1的电阻损耗产生的热会平缓增大。通过使用再循环回 路33，对装置的效率的总体影响极低。
C)堆组1在面积比电阻(ASR)方面的具体目标对水电解装置的性 能的影响极其有限。由于空气比电阻与温度的依存关系，当堆组的标 称空气比电阻高于目标值30％时，其可在较高的平均温度下运行，从 而增大电阻损耗，使面积比电阻(ASR)的实际增大被限制至大约10％ 且系统效率几乎恒定。如上所述的电阻损耗增大会升高从堆组1排出 的空气温度，且然后将一部分空气通过回路33再循环，以调节通过 喷射器3提供的供应空气。还将理解，堆组1的最高温度和涡轮机入 口温度被维持为远低于容许极限。
D)超过堆组的氢气泄漏目标将对装置的性能具有有限的影响。较 高的泄漏将使堆组具有较高的运行温度，但仍处于最大的允许值，该 运行温度将降低面积比电阻(ASR)。
E)为实现水电解运行，几乎不需对现有燃料电池结构进行修改。
将了解，通常在装置内提供多个堆组1，以利用各组件之间的合 适管道和管子提供水电解。
图4示意性显示一开式回路电解装置。该装置是开式回路，其中 没有空气从堆组1再循环至所述堆组的供料点。在这些情况下，如前 所述，堆组1由阳极侧1a和阴极1b之间的氧化物电解电池形成。喷 射器2也提供阴极再循环以在阴极侧1b处提供氢气。提供燃气涡轮 发动机4，以提供供应至阳极1a的压缩空气25。由入射工艺热提供合 适热矢量的中间热交换器5运行，以便预热供应至电解电池堆组的空 气25。蒸汽发生器6接收来自涡轮机4排气的热，以通过蒸发产生蒸 汽。用于夹带在水电解电池装置产品内的水冷凝器7作为供应至水电 解电池的水/蒸汽节省器。提供蒸汽过热器9，以将蒸汽通过喷射器2 循环至阴极1b内。如前面所述，提供有用于水电解工艺中的水的进 给泵9和除盐/除气装置。
在上述情况下，与图2和3中绘示的前面实施例相比，应注意， 没有空气再循环回路(图2和3中的33)。在该情况下，图4中绘示的 装置对交换器5处的空气的温度更灵敏。由于该温度与循环构造中堆 组入口处空气的温度相同，所以最低容许值为750-800℃。这使中间 热交换器5的设计更为关键，中间热交换器5需要提供如下双重功能： 包含堆组1的承压容器外部的回热器型热交换器，其用于低温热交换； 以及承压容器内部的高温热交换器。这将需要设计用于热矢量的热管 线，在大多数情况下，该热矢量来自核设备，以供应至承压容器，因 此需要考虑设计安全。
现在，使用一个两级热交换器可实现利用两台低效率热交换器实 现的与空气的热传输效果。然而，通过使用该开式循环构造，尽管可 实现至系统的热输入和电气输入之间较高的比率，但与涉及空气再循 环的构造(图2和3)相比，其通常效率较低，且更重要的是，其将需要 利用现有的燃料电池运行构造进行整个系统的重新设计。
图5提供根据本发明的某些方面的电解装置的第四备选实施例， 该实施例不需要外部热交换器或热源，且通过燃烧空气再循环回路43 中产生的氢气的一小部分提供用于加热供给堆组1的压缩空气的热。 因此，提供燃烧器65以燃烧所产生的该部分氢气。
如前面所述，在堆组1的相应的阳极侧1a和阴极侧1b处向堆组 1提供压缩空气和蒸汽。喷射器2将再循环的氢气提供至阴极1b入口。 喷射器3通过弯管43提供空气再循环，弯管43内包含废气燃烧器65。 如前面所述，该燃烧器65燃烧所产生的氢气的一小部分，且然后将 热传输经过回路43，以便在喷射器3内与压缩空气流35混合，而所 述混合气体又提供给堆组1的阳极1a。然后，将该混合气体提供给堆 组1的阳极1a。如前面所述，提供蒸汽发生器6，其利用来自涡轮机 4的排气将水蒸发。用于夹带在电解装置产物内的水的冷凝器7作为 供应至水电解电池的水/蒸汽的节省器。提供蒸汽过热器8，以向喷射 器2提供蒸汽，用于与来自堆组1的阴极1b的再循环氢气混合。进 给泵9和除盐/除气装置也对供水操作，以确保供水可接受。
很明显，增大每单位空气的堆组数量将使堆组能够在较高温度下 运行，且因此其效率更高。然而，对于自保持系统，每单位压缩空气 流的最大堆组数量由燃气涡轮发动机排气的热回收所决定的最大合 理蒸汽流确定。由于产生蒸汽仅需要热，所以增加辅助燃烧的蒸汽发 生器或利用外部入射热源(即使在相对较低的温度下)也将增大整个电 解装置的效率。
本发明的某些方面利用入射热以升高供应至堆组的空气的温度， 以补偿减小的电能输入，电能输入的成本通常较为昂贵。通常，能够 利用根据图2中绘示的实施例直接输入至堆组的入射工艺热所需的最 低温度大约为600℃，但包括后续实施例中所述的外部源和废气燃烧 或使用用于产生蒸汽的工艺热的混合构造仅能够加宽可能的应用范 围，所以可能仅需要整合可提供大约30℃的入射工艺热源。在这些 情况下，用于与本系统整合以便提供用于热交换的热矢量的入射处理 器将包括：
精炼和化学处理器
高温核反应堆
燃气涡轮机循环
组合的热和电设备
垃圾焚烧
太阳能源
将理解，除通过蒸汽电解工艺生产氢气外，还可将固体氧化物电 解过程应用于多个技术领域，其中包括：
a)对多个适合使用氧离子导电膜进行电化学分解的工艺副产物进 行电解，以提高期望的产物含量。
b)通过水电解共同生产氧气和氢气。用于富含氧气的空气的一种 可能的方式是设计包含燃气涡轮机的闭式空气回路，其中在压缩机入 口“补给”环境空气，在涡轮机出口抽出富含氧气的气流。原则上， 在堆组阳极侧设计一闭式回路并在开始时填充纯氧气。该系统使用阳 极侧的氧气运行，并产生高纯度氧气，该高纯度氧气是可出售的副产 物。然而，该构造可能具有很大的安全问题，以确保装置的每个部分 中富含氧气和氢气的气流严格分离，从而避免潜在的爆炸问题等，
本发明装置通过使用峰值电能还能够实现再生式燃料电池运行， 换言之，对可再生能源进行耦接，以在需要时在燃料电池中提供通过 电解被消耗的燃料。
所属领域的技术人员将理解本发明的修改和变更。因此，如上所 述，通常在承压容器内可提供多个堆组，且可改变运行温度/电气输入， 以提供更加有效、经济的工艺。
将理解，可使用包括鼓风机或任何其它合适机构的喷射器构造或 装置来实施阳极和阴极的再循环。
尽管前面的说明书旨在引起人们对本发明的那些重要特征的注 意，但应理解，申请人要求对前面所述及/或附图中所示的任何可申请 专利的特征或特征组合进行保护，无论是否已对所述特征或特征组合 予以特别强调。