用于电解装置的预热器的制作方法

本发明涉及按照独立权利要求所述类型的用于电解装置的预热器以及带有这种预热器的电解装置。

背景技术：

1、由现有技术已知用于制造氢气或合成气的不同的固体氧化物电解室装置。为了有效地运行所述装置，经常需要用预热器加热输送给电解室的流体，即介质和需要时的空气。这些流体承受高温和化学腐蚀性流体、特别是水蒸气和经还原的介质。

技术实现思路

1、本发明说明了一种用于电解装置的预热器，其中，预热器构造用于预热在电解装置的运行中输送给电解装置的电解单元的介质和/或辅助介质。预热器具有支架，支架具有多条通道。按照本发明，预热器具有至少一个加热芯，至少一个加热芯布置在所述通道中的其中一条通道中。

2、这具有的优点是，可以提供一种简单的和利于成本的预热器，其稳健地耐高温并且耐化学腐蚀。规定，介质或辅助介质流过自由的通道，在所述通道中没有布置柱筒形的加热芯。至少一个加热芯通过以下方式在预热器运行中基本上没有直接与介质或辅助介质接触，至少一个加热芯布置在一条通道中，加热芯基本上填满该通道。以这种方式保护至少一个加热芯不受介质作用的影响、特别是保护不受热力和化学影响。以这种方式尤其可以最小化或避免了对加热芯的腐蚀。这实现了加热芯的和因此预热器的可靠的、长期的和低维护的运行。由加热芯产生的热量被传递给支架，支架又加热介质或辅助介质。

3、电解装置尤其指的是这样一种装置，其设置用于通过电解从至少一种原材料和电流获取燃料、特别是从电流和水获取氢气。电解装置为此具有电解单元，电解单元被供以一种作为原材料的介质、例如水和有利地辅助介质。介质在电解单元中在输入电能的情况下在氧化还原反应中被还原，此时也产生了氧气。电解单元尤其产生了产品气体和废气，产品气体具有经还原的介质，废气具有氧气。经还原的介质被从电解单元导出并且是燃料、例如氢气。电解装置相应地具有部件和管线以便将提供电能的介质和燃料输送给电解单元、以及以便将经还原的介质和废气从电解单元导出和必要时储存起来。此外，电解装置还具有部件和管线以便将相应的流体带到电解所需的温度或者以便处理在电解单元中生成的废热。

4、辅助介质尤其应当指的是足够惰性的气体，其设置用于，将氧气从电解单元驱除出去。辅助介质有利地也设置用于加热或冷却电解单元。可能的辅助介质例如是空气、co2或n2，典型地使用空气。

5、电解单元尤其应当指的是一种部件，其具有至少一个电解室。电解单元典型地具有大量电解室，电解室彼此电串联，其中，电解室有利地被堆叠。电解室堆也被称为电解室堆垛。电解单元也可以称为堆垛模块。堆垛模块应当指的是大量电解堆垛，它们可以电气地单独连接、彼此并联或彼此串联并且例如布置在共同的底盘上或共同的支架上或共同的壳体中。

6、电解室是一种电化学室，其设置用于通过施加电压以通过电化学反应来化学地获取或转化物质。电解室具有至少两个电极层和一个分离层或电解质层，电解质层尤其具有离子导体的功能。电解室优选具有一个电极层，其构造成氧化剂电极或空气电极并且特别是构造用于与氧化剂和/或裂解产物接触。至少一个电极层优选构造成燃料电极，特别是构造用于与燃料和/或另外的裂解产物接触。空气电极定义了电解室的阳极侧，燃料电极定义了电解室的阴极侧。

7、电解室优选是固体氧化物电解室或固态氧化物电解室(soec)、尤其是高温soec。但本发明与电解室的类型无关，因此电解装置针对其它类型的电解室也可以正常工作，例如也可以考虑基于能透过质子的聚合物膜或质子交换膜或聚合物电解质膜(pem)的电解单元。

8、电解装置典型地具有热的设备部分和冷的设备部分。

9、热的设备部分尤其应当指的是电解装置的一些部件的一个分组。热的设备部分具有电解单元以及与电解单元紧密地热接触的另外的部件，典型地为热交换器，另外的部件设置用于将电解单元的废热直接送回到电解单元中。热的设备部分也称为设备的热平衡(即hot balance of plant，简称hot bop)或热盒。热的设备部分例如具有至少一个电解单元和至少一个堆垛热量返回传递器。热的设备部分有利地具有至少一个预热器，至少一个预热器构造用于预热介质和/或辅助介质。

10、冷的设备部分尤其应当指的是电解装置的一些部件的一个分组。冷的设备部分典型地具有这样一些部件，它们向热的设备部分或电解单元供应介质和/或辅助介质以及导出废气和经还原的介质。冷的设备部分也被称为设备的冷平衡(即cold balance ofplants，简称cold bop)。冷的设备部分例如具有至少一条用于向电解单元提供规定用于电解的介质的输入管线、必要时一条用于提供辅助介质给电解单元的辅助介质输入管线以及废气管线和用于从电解单元导出产品气体或经还原的介质的导出管线。冷的设备部分也被称为设备的冷平衡(即cold balance of plants，简称cold bop)。

11、冷的设备部分的部件在运行中具有比热的设备部分的部件更小的温度。热的设备部分的部件有利地在电解装置内彼此在空间上分组地布置。冷的设备部分的部件有利地在电解装置内彼此在空间上分组地布置。电解装置特别有利地具有在冷的设备部分的部件和热的设备部分的部件之间的热隔绝。例如可以想到的是，热的设备部分的部件或热的设备部分的部件的至少一部分被布置在壳体中，壳体将热的设备部分的部件至少部分与冷的设备部分的部件在空间上分离。

12、这具有的优点是，电解装置由于划分为冷的设备部分和热的设备部分而能特别稳健地运行，电解装置与电解单元的构思和设计无关。额外以这种方式实现了电解装置的有效的运行。

13、管线在本发明的范畴内应当指的是设置用于导引流体的管线。流体可以尤其是液态的或气态的。流体尤其应当指的是介质、经还原的介质或者在电解单元中生成的产品气体和/或辅助介质。空气输入管线例如设置用于，导引作为辅助介质的空气。一条管线在流动技术上典型地连接电解装置的两个部件。也可以想到的是，管线在流动技术上将电解装置的多个部件相互串联起来。因此空气输入管线例如可以将空气源与空气风扇连接起来并且将空气风扇与电解单元连接起来。也可以想到的是，管线视运行状态而定和/或视管线区段而定设置用于不同的流体。例如可以想到的是，在用于介质的输入管线中在进入气体区段处喷入经还原的介质，因而由介质和经还原的介质构成的混合物在进入气体区段的流动下游流动。管线可以例如具有一个管或多个管。管线尤其可以具有多个管线区段，它们例如将不同的部件在流动技术上相互连接起来。

14、堆垛热量返回传递器应当指的是热交换器或传热器，其设置用于，将电解单元的产品气体的和/或废气的废热传递给输送给电解单元的介质和/或传递给输送给电解单元的辅助介质。这种堆垛热量返回传递器经常也被称为再生式传热器。堆垛热量返回传递器典型地为第一热交换器，其关于产品气体和/或废气的流动被布置在电解单元之后。堆垛热量返回传递器典型地为最后的热交换器，其关于介质的和/或辅助介质的流动被布置在电解单元之前。在当前，术语“热交换器”和“传热器”被同义地使用。

15、在实践上典型地不可能的是，输送给电解单元的介质和/或辅助介质通过至少一个堆垛热量返回传递器被带到对电解单元而言最佳的温度。例如为了运行soec电解单元而需要使所输入的介质和必要时所输入的辅助介质具有在300℃和900℃之间的温度。堆垛热量返回传递器使得能提供具有在500℃和900℃之间的温度的介质和必要时辅助介质。预热器使得能提供为了达到对电解单元而言最佳的温度所需的热能。预热器以这种方式实现了有效运行。预热器额外提供的优点是，即使在堆垛热量返回传递器还没有返回传递大量热量的启动阶段中也可以向电解单元供应被最佳地调温后的介质或辅助介质。预热器按照本发明构造成电气的预热器。预热器有利地构造成能就其加热功率进行调节并且根据介质或辅助介质在预热器处的温度测量进行调节。以这种方式使介质或辅助介质能最佳地与电解单元的温度要求相匹配。

16、支架应当指的是这样一个本体，其被多个通道贯穿。通道应当指的是在本体内的凹部，它们从本体的一侧延伸到本体的对置的一侧。通道有利地尽可能笔直地构造或者尽可能沿着直线延伸。这使得流体能特别良好地通流以及实现了加热芯的简单的安装。流体尤其应当指的是介质或者可选指的是辅助介质，例如是液态的或尤其是气态的。所有通道有利地尽量沿着一个方向延伸或者分别彼此平行地或尽可能平行地布置。支架特别有利地具有主延伸方向，通道沿着该主延伸方向延伸或者通道尽可能平行于该主延伸方向布置。

17、第一结构尽可能或基本上平行于第二结构布置，尤其应当指的是，第一结构的主延伸方向优选平行于第二结构的主延伸方向布置或者与平行布置偏离了最多20°、优选最多10°、特别优选最多5°的角度。

18、第一结构尽可能或基本上垂直于第二结构布置，尤其应当指的是，第一结构的主延伸方向优选垂直于第二结构的主延伸方向布置或者与垂直布置偏离了最多20°、优选最多10°、特别优选最多5°的角度。

19、通道有利地具有尽量对应加热芯的横截面的横截面几何形状。这实现了加热芯的特别精准的配合。通道例如可以构造成柱筒形，因而尽可能柱筒形的加热芯良好地装配到通道中。也可以想到具有尽可能正方形的或矩形的横截面的通道，它们设置用于容纳具有正方形的或矩形的横截面的加热芯。

20、一个结构尽可能或基本上对应特定的几何形状或者按照这种几何形状构造，尤其应当指的是，如果存在这种假想的几何形状，所述结构或者这种结构的边缘或表面偏离这种假想的几何形状小于25％、优选小于10％、特别优选小于5％。这种偏差的尺度可以例如是所述结构与包围这个结构的最小的可能的假想的几何形状的表面的表面差，统一到所述结构的整个表面。

21、特别有利的是，通道分别被相同地构造。这具有的优点是，预热器在其功率上能缩放。视功率需求而定可以将为此所需数量的相同的加热芯布置在通道中。

22、支架可以具有陶瓷材料和/或金属材料、优选不锈钢。可以想到的是，支架完全或基本上由陶瓷材料或金属材料、优选不锈钢构成。一个结构基本上由一种材料构造而成尤其应当指的是，所述结构就其质量而言，所述材料的质量份额占至少90％、优选至少95％、特别优选98％。

23、可以想到的是，支架被一体地构造，但支架也可以构造成由多部分组成，其中，所述多个部分有利地相互接触。由多部分组成的支架有利地分别具有相同的支架部分。这实现了一种模块化的结构，因而预热器可以视特别是在尺寸和所需的穿流体积流量方面的技术要求而定被提供匹配数量的支架部分。

24、加热芯尤其应当指的是电气的加热电偶，其具有加热螺旋管，加热螺旋管被包套或包套管包围。规定，包套将加热螺旋管与有待加热的流体或物质隔开，因而在运行中有待加热的流体或物质仅与包套的外表面接触。包套典型地基本上构造成柱筒形。包套或加热电偶典型地构造成长形，这就是说，包套或加热电偶典型地具有要比其沿纵向延伸方向的长度小得多的直径，直径典型地小于长度的1.0％、优选小于长度的0.5％、特别优选小于长度的0.1％。对预热器有利的柱筒形的加热芯具有在1.0mm和5.0mm之间的、优选在1.5mm和4.0mm之间的、特别优选在2.0mm和3.0mm之间的直径。这种柱筒形的加热芯的典型的长度在50cm和300cm之间、优选在100cm和250cm之间、特别优选在150cm和200cm之间。当然选择加热芯的与支架匹配的尺寸设定，支架的尺寸设定与预热器在尺寸大小、功率和穿流体积流量方面的要求相匹配。

25、加热芯的长形的包套通常在末端处、即末端区段处是封闭的并且在其另一个末端处具有接线末端，接线末端具有用于加热螺旋管的接线并且是不被加热的。接线末端典型地约为10cm长。接线末端有利地布置在热的区域外，在当前布置在通道外。可以想到的是，加热芯或加热芯的包套至少部分构造成柔性的或者能弯曲的。

26、通过在从属权利要求中列出的特征实现了预热器的有利的扩展方案。

27、一种特别有利的构造方案规定，支架构造成蜂窝体。这具有的优点是，穿流的流体由于其在每个通道内的均匀的分布而可以使压力降最小化。通道在蜂窝体中的均匀的分布此外还实现了均匀的热量分布和因此有效的传热。

28、蜂窝体尤其应当指的是带有大量相同的通道的本体或支架，其中，通道沿着一个方向延伸并且均匀地布置。通道就其横截面而言有了第一垂直于通道的延伸方向地分别布置在规则的或结构化的二维的格栅的格点上。尤其可以设想到具有正方形的、矩形的、三角形的或多边形的格栅单元的格栅。但也可以想到具有例如圆形的或椭圆形的格栅线的弯曲的格栅。可能的是，格栅结构反映了通道的横截面几何形状，例如具有正方形的通道的正方形的格栅。具有圆形的横截面的通道原则上能与多种格栅类型有利地组合，特别是能与直角格栅有利地组合。

29、蜂窝体、特别是陶瓷的蜂窝体通过在催化器和空气过滤器中的应用而是已知的。

30、有利的是这样一种预热器，其具有多个加热芯，多个加热芯优选均匀分配地布置在支架上。这实现了特别均匀和有效的传热。

31、加热芯有利地可以分别具有与其邻居的尽可能相同的间距。也可以想到的是，加热芯布置在假想的规则的格栅的格点上，格栅由一部分通道撑开。同样可以想到的是，支架具有多个支架部分或支架区段并且为每个支架部分或支架区段分别配设相同数量的加热芯，例如每个支架部分或支架区段一个或两个加热芯。

32、也可以想到的是，在支架的具有提高的加热需求的特定的区域中布置有比在具有较低的加热需求的其它区域中更多的加热芯。例如可能的是，支架在其边缘处具有比在其中心处更高的加热芯的表面密度，因为边缘可以更为快速地冷却或者可以具有更高的热损耗。

33、也可能的是，多个加热芯被尽可能均匀地布置在支架上。尽可能均匀的分布尤其应当指的是，存在一种均匀的分布，尽可能均匀的分布与该均匀的分布的偏差小于25％、优选小于10％、特别优选小于5％。这种偏差的衡量尺度可以例如是尽可能均匀的分布的元件与均匀的分布的各对应的元件的相应的间距的总和，除以尽可能均匀分布的元件的数量并且统一到均匀分布的元件的平均间距。

34、当加热芯具有热电偶时，预热器被进一步改进。以这种方式在运行中能确定在预热器中的温度分布，因而可以有利地通过个性化地调整相应的加热芯中的加热管线均匀化温度不均匀性。因此可以想到的是，视运行模式而定，预热器的外部区域比核心冷却得更快，因而在那里可能需要加热芯的更高的加热功率。额外以这种方式实现了对加热芯的工作能力的简单的监控。因此总体上可以提高预热器的效率和可靠性。

35、热电偶有利地布置在加热芯的包套或包套管中。热电偶的测量部位典型地布置在热电偶的或其包套的末端区段处。接线末端有利地具有用于热电偶的接线。

36、当加热芯沿通道的长度延伸时，传热得到了进一步的改进。加热芯尤其沿着通道的整个长度延伸。加热芯的包套或包套管有利地沿着相应的一个通道或多个通道的长度或整个长度延伸。接线末端有利地布置在通道外。

37、当至少一个加热芯在支架的下侧处弯曲并且导引到另一条通道中、特别是第二通道中时，实行了进一步的改进方案，加热芯先通往的第一通道布置在该第二通道旁。加热芯特别有利地完全沿着通道的长度穿行第一通道，在支架的下侧处弯曲并且在第二通道中被这样导引，使得末端区段关于第二通道或多个通道的长度尽可能居中布置。尽可能居中应当指的是这样一个位置，该位置偏离精确居中的位置小于关于总长度的15％、优选小于10％、特别优选小于5％。特别是与带有热电偶(热电偶具有在末端区段处的测量部位)的加热芯结合时具有的优点是，在支架中在中央求出温度。

38、支架的下侧尤其应当指的是支架的这样一个侧面，该侧面设置用于，在预热器运行中，经加热的流体在该侧面处从通道流出。支架的上侧则相应地尤其应当指的是支架的这样一个侧面，该侧面设置用于，在预热器运行中，有待加热的流体在该侧面处流动到通道中。因此“下”和“上”能针对预热器的其余部件定义，例如针对壳体或加热芯。因此“下”或“上”定义了在预热器的安装状态下部件的位置或取向，部件布置在所述支架的下侧或上侧处或者相对下侧或上侧取向。

39、有利的是，预热器具有壳体，在壳体中布置有支架。壳体实现了支架与外部环境的隔开。对效率而言有利的是，阻止了在壳体和支架之间的流体流，因而有待加热的流体仅可以流过支架的自由的通道。为此可以想到的是，支架被装入到壳体中并且你如至少存在在支架的外表面和壳体的内表面之间的形状配合。当支架和壳体有不同的几何形状时，例如当管形的壳体具有圆形的横截面并且支架具有正方形的横截面时，例如可以想到的是，用填充材料填满在支架和壳体之间的没有被支架填满的区域和/或用挡板、板和/或密封材料封闭这些区域。

40、壳体有利地具有纵向延伸方向，该纵向延伸方向沿着支架的纵向延伸方向延伸。壳体有利地至少部分基本上构造成管形、特别是基本上构造成柱筒形。

41、进一步有利的是，预热器具有输入管，输入管相对通道的延伸方向成70°和120°之间、优选80°和120°之间、特别优选90°和100°之间的角度布置。以这种方式实现了有待加热的流体到通道上的均匀的分配，这实现了均匀的和有效的传热。有利的是，输入管布置在支架的上侧处。

42、当支架具有催化材料时，可以进一步改进预热器。预热器以这种方式可以用作在温度受控时介质的转化器。在此，支架可以部分或尽可能完全地由催化材料构成。也可以想到的是，支架具有由催化材料构成的涂层。催化材料的示例尤其是镍、铂、沸石、氧化铝或氧化铁，分别以纯净物的形式或者典型地与其它的元素或材料相结合。

43、此外还建议了一种电解装置，其具有至少一个电解单元，还具有用于为电解单元提供规定用于电解的介质的输入管线、排气管线和用于将产品气体或经还原的介质从电解单元导出的导出管线，电解装置具有至少一个按照本发明的预热器。电解装置可选可以具有用于将辅助介质输入给电解单元的辅助介质输入管线。

44、这具有的优点是，电解装置由于预热器而与电解单元的构思和设计无关。额外以这种方式实现了电解装置的有效的和可靠的运行。

45、特别有利的是，电解装置具有至少一个堆垛热量返回传递器。

46、进一步有利的是，电解装置具有至少两个预热器和至少两个堆垛热量返回传递器，其中，第一预热器和第一堆垛热量返回传递器在流动技术上分别与电解单元的阳极侧连接，并且其中，第二预热器和第二堆垛热量返回传递器在流动技术上分别与电解单元的阴极侧连接。以这种方式能个性化地调整介质与辅助介质的温度，这实现了电解装置的特别有效的运行。

47、当预热器或必要时堆垛热量返回传递器就输送给电解单元的流体而言在流动技术上布置在电解单元之前时，进一步改进了所述电解装置。这种配置实现了特别高的电气效率。特别有利地的是第一预热器和第一堆垛热量返回传递器就输送给电解单元的流体而言在流动技术上布置在电解单元的阳极侧之前。特别有利的是第二预热器和第二堆垛热量返回传递器就输送给电解单元的流体而言在流动技术上布置在电解单元的阴极侧之前。这种变型方案提供的额外的优点是，这些电解装置与大量不同的特定的电解单元或电解单元设计兼容。

48、输送给电解单元的流体尤其应当指的是介质或可选辅助介质。

49、在另外的变型方案中，至少一个预热器与至少一个堆垛热量返回传递器就输送用于电解的流体而言在流动技术上串联。预热器在此有利地就输送给电解单元的流体而言布置在堆垛热量返回传递器之后和电解单元之前。

50、特别有利的是第一预热器与第一堆垛热量返回传递器就输送用于电解的流体而言在流动技术上串联。特别有利的是第二预热器与第二堆垛热量返回传递器就输送用于电解的流体而言在流动技术上串联。在这些变型方案中，第一预热器和第一堆垛热量返回传递器就输送用于电解的流体而言在流动技术上被特别有利地布置在电解单元的阳极侧之前。在这些变型方案中，第二预热器和第二堆垛热量返回传递器就输送用于电解的流体而言在流动技术上被特别有利地布置在电解单元的阴极侧之前。这些变型方案提供的优点是，这些电解装置与大量不同的特定的电解单元或电解单元设计兼容并且在此具有最大可能的电气效率。