AT520719B1 - Reversibel betreibbarer Energiewandler und Verfahren zum Betreiben desselben - Google Patents

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AT520719B1 ATA50373/2018A AT503732018A AT520719B1 AT 520719 B1 AT520719 B1 AT 520719B1 AT 503732018 A AT503732018 A AT 503732018A AT 520719 B1 AT520719 B1 AT 520719B1
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen reversibel betreibbarer Energiewandler (100a; 100b; 100c), aufweisend einen Elektrodenverbund (1) für eine elektrochemische Energiewandlung mit einem ersten Elektrodenabschnitt (2) und einem zweiten Elektrodenabschnitt (3), einen Reformer (4) zum Erzeugen eines Reformats für den ersten Elektrodenabschnitt (2), und einen stromaufwärts des Reformers (4) angeordneten Verdampfer (5) zum Erzeugen von Wasserdampf für den Reformer (4), wobei der Verdampfer (5) wenigstens einen Fluidleitabschnitt zum Leiten von in dem Verdampfer (5) zu verdampfendem Fluid aufweist, wobei der Fluidleitabschnitt zumindest abschnittsweise mit einem Katalysator für eine katalytische Verbrennung von Wasserstoff im Verdampfer (5) beschichtet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Energiewandlers (100a; 100b; 100c) sowie ein Kraftwerk mit einem erfindungsgemäßen stationären Energiewandler (100a; 100b; 100c).

Description

Beschreibung
REVERSIBEL BETREIBBARER ENERGIEWANDLER UND VERFAHREN ZUM BETREIBEN DESSELBEN [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen reversibel betreibbaren Energiewandler mit einem Elektrodenverbund für eine elektrochemische Energiewandlung sowie ein Verfahren zum Betreiben eines reversibel betreibbaren Energiewandlers. Außerdem betrifft die Erfindung ein Kraftwerk mit einem stationären, reversibel betreibbaren Energiewandler zur Bereitstellung von Brennstoff sowie zur Stromerzeugung.
[0002] Im Stand der Technik sind verschiedene Arten von elektrochemischen Energiewandlern bekannt. So gibt es Brennstoffzellen, welche chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandeln. Ferner gibt es Elektrolyseure, welche mit Hilfe von elektrischem Strom eine chemische Reaktion zur Brennstofferzeugung herbeiführen. Darüber hinaus gibt es reversibel betreibbare Energiewandler, die sowohl als Brennstoffzelle zur Stromerzeugung, als auch in Form eines Elektrolyseurs zur Brennstofferzeugung betrieben werden können.
[0003] Reversibel betreibbare, elektrochemische Energiewandler sind in Form von SOFC/ SOEC-Systemen, auch RSOFC-Systeme genannt, bekannt. Bei derartigen Systemen kann ein Umschalten zwischen einem SOFC-Betrieb und einem SOEC-Betrieb relativ lange dauern. Dies liegt insbesondere daran, dass es schwierig ist, die Temperatur von Teilen des Energiewandlers, welche nur bei einem der beiden Betriebszustände benötigt werden, stets ausreichend hoch zu halten. Eine solche Komponente ist beispielsweise ein Verdampfer, der in einem SOEC-Betrieb zur Verdampfung von Wasser möglichst schnell und effizient auf eine ausreichend hohe Temperatur gebracht werden muss.
[0004] Aus der internationalen Patentanmeldung WO 2016/161999 A1 gehen verschiedene Ansätze für ein Wärmemanagement für Festoxidbrennstoffzellen (SOFC), HochtemperaturWasserdampf-Elektrolyseure (SOEC) sowie reversibel betreibbare SOFC/SOEC-Systeme hervor. Eine zufriedenstellende Lösung für die vorstehend erwähnte Problematik hinsichtlich des Verdampfers und somit hinsichtlich der möglichst kurzen Umschaltzeiten können diesem Dokument allerdings nicht entnommen werden.
[0005] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen reversibel betreibbaren Energiewandler, ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Energiewandlers sowie ein Kraftwerk mit einem stationären, reversibel betreibbaren Energiewandler zu schaffen, wobei Umschaltzeiten zwischen einem Stromerzeugungsbetrieb und einem Brennstofferzeugungsbetrieb auf effiziente Weise möglichst kurz gehalten werden können.
[0006] Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch einen reversibel betreibbaren Energiewandler gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zum Betreiben eines Energiewandlers gemäß Anspruch 7 sowie ein Kraftwerk gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem reversibel betreibbaren Energiewandler beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, dem erfindungsgemäßen Kraftwerk und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
[0007] Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein reversibel betreibbarer Energiewandler zur Verfügung gestellt. Der reversibel betreibbare Energiewandler weist einen Elektrodenverbund für eine elektrochemische Energiewandlung mit einem ersten Elektrodenabschnitt und einem zweiten Elektrodenabschnitt auf. Ferner weist der Energiewandler einen Reformer zum Erzeugen eines Reformats für den ersten Elektrodenabschnitt und einen stromaufwärts des Reformers angeordneten Verdampfer zum Erzeugen von Wasserdampf für den Reformer auf, wobei der Verdampfer wenigstens einen Fluidleitabschnitt zum Leiten von in dem /13
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Verdampfer zu verdampfendem Fluid aufweist. Der Fluidleitabschnitt ist zumindest abschnittsweise mit einem Katalysator für eine katalytische Verbrennung von Wasserstoff im Verdampfer beschichtet ist.
[0008] Durch die katalytische Beschichtung kann ein besonders platzsparendes Heizsystem zum Aufheizen des Verdampfers zur Verfügung gestellt werden. Bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass Wasserstoff bzw. ein wasserstoffhaltiges Gas, das im Energiewandler ohnehin vorhanden und/oder erzeugbar ist, genutzt werden kann, um den Verdampfer auf effiziente Weise auf die gewünschte Verdampfungstemperatur zu bringen. Dazu muss der Verdampfer lediglich auf die erfindungsgemäße Weise mit dem Katalysator bzw. dem Katalysatormaterial beschichtet werden bzw. sein.
[0009] Unter dem Fluidleitabschnitt ist demnach nicht nur der Fluidleitabschnitt zum Leiten von in dem Verdampfer zu verdampfendem Fluid, insbesondere Wasser, sondern auch ein Fluidleitabschnitt zum Leiten von wasserstoffhaltigem Gas für einen Aufheizbetrieb des Verdampfers zu verstehen.
[0010] Die katalytische Beschichtung des Fluidleitabschnitts nimmt kaum einen Einfluss auf den erforderlichen Bauraum im vorliegenden Energiewandler. Ferner kann eine solche Beschichtung auch bei bestehenden Energiewandlern relativ einfach nachgerüstet werden. Der Fluidleitabschnitt befindet sich vorzugsweise auf einer kalten Seite des Verdampfers.
[0011] Darüber hinaus kann der Komplexitätsgrad des reversibel betreibbaren Energiewandlers durch die katalytische Beschichtung relativ gering gehalten werden, insbesondere im Vergleich zu separaten Heizbauteilen und/oder Fluid-Rezirkulationssystemen.
[0012] Unter dem reversibel betreibbaren Energiewandler kann vorliegend ein als Elektrolyseur bzw. reversibel betreibbares Brennstoffzellensystem verstanden werden. Unter der elektrochemischen Energiewandlung ist eine Umwandung von elektrischer Energie in Form von Strom in chemische Energie in Form von Brennstoff, und umgekehrt, zu verstehen. Durch das schnelle Aufheizen ist der Verdampfer in einem Elektrolysebetrieb des Energiewandlers entsprechend schnell betriebsbereit. Folglich kann mit einem erfindungsgemäßen Energiewandler auch schnell von einem Brennstoffzellenbetrieb in den Elektrolysebetrieb geschaltet werden.
[0013] Der Elektrodenverbund kann für den Fall, dass der Energiewandler als Brennstoffzellensystem betrieben wird, als Brennstoffzellenstapel verstanden werden. Der erste Elektrodenabschnitt entspricht in diesem Fall einem Anodenabschnitt und der zweite Elektrodenabschnitt einem Kathodenabschnitt. Für den Fall, dass der Energiewandler als Elektrolyseur betrieben wird, kann der erste Elektrodenabschnitt als Kathodenabschnitt verstanden werden und der zweite Elektrodenabschnitt als Anodenabschnitt.
[0014] Der Energiewandler weist vorzugsweise eine Wasserquelle zum Bereitstellen von Wasser im Verdampfer auf. Der Verdampfer ist vorzugsweise stromaufwärts des Reformers und stromabwärts der Wasserquelle angeordnet. Stromaufwärts des Verdampfers kann eine Pumpe zum Fördern von Wasser in den Verdampfer angeordnet sein. Stromabwärts des Verdampfers kann ein Gebläse zum Fördern des verdampften Wassers in den Reformer oder zumindest in Richtung des Reformers angeordnet sein.
[0015] Als Katalysator wird vorzugsweise ein Edelmetallkatalysator, insbesondere ein Platinkatalysator verwendet, der die Aktivierungsenergie für die katalytische Verbrennung von Wasserstoff derart herabsetzt, dass die Reaktion bzw. Verbrennung auch bei möglichst niedrigen Temperaturen mit der gewünschten Geschwindigkeit ablaufen kann. Um die Kosten für den Katalysator bzw. das Katalysatormaterial gering zu halten, ist vorzugsweise ausschließlich der Fluidleitabschnitt oder nur ein Teil des Fluidleitabschnitts mit dem Katalysator beschichtet. Der Fluidleitabschnitt kann als Innenraumabschnitt des Verdampfers verstanden werden, durch welchen in unterschiedlichen Betriebszuständen des Energiewandlers nacheinander wasserstoffhaltiges Gas und Wasser geleitet werden.
[0016] Durch die katalytische Beschichtung kann der Verdampfer zumindest während der kata2/13
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Patentamt lytischen Verbrennung als ein Katalytofen verstanden werden, in welchem der Wasserstoff bzw. ein wasserstoffhaltiges Gas ohne offener Flamme verbrennen kann. Unter der katalytischen Verbrennung ist eine Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff, insbesondere als Bestandteil von Luft, zu verstehen. Unter dem Katalysator können ein Katalysator bzw. ein Katalysatormaterial oder mehrere unterschiedliche Katalysatoren bzw. Katalysatormaterialien verstanden werden.
[0017] Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass der Verdampfer integral mit einem Wärmetauscher für einen Wärmetausch zwischen Abgas aus dem Elektrodenverbund, insbesondere aus dem ersten Elektrodenabschnitt, und dem Verdampfer verbunden ist. Der Verdampfer steht mit dem Wärmetauscher für den Wärmetausch mithin in thermischer Verbindung. Durch die integrale Bauweise können der Verdampfer und der Wärmetauscher besonders kompakt und entsprechend bauraumsparend bereitgestellt werden. Durch den Wärmetauscher am Verdampfer kann zudem eine vorteilhafte Wechselwirkung erzielt werden, indem der Verdampfer durch Abgas aus dem Elektrodenverbund erhitzt und dadurch entsprechend effizient auf der gewünschten Temperatur gehalten werden kann. Der Elektrodenverbund, insbesondere der erste Elektrodenabschnitt, ist stromabwärts des Verdampfers und stromaufwärts des Wärmetauschers angeordnet, sodass die thermische Energie des verdampften Wassers über den Elektrodenverbund dem Wärmetauscher zugeführt werden kann. Darunter, dass der Verdampfer integral mit dem Wärmetauscher verbunden bzw. ausgestaltet ist, ist zu verstehen, dass der Verdampfer und der Wärmetauscher als eine Einheit ausgestaltet sind. Unter dem Verdampfer kann eine Dampfseite dieser Einheit verstanden werden. Unter dem Wärmetauscher kann eine Heizseite dieser Einheit verstanden werden.
[0018] Zudem ist es möglich, dass bei einem reversibel betreibbaren Energiewandler der Fluidleitabschnitt einen Überhitzer aufweist und der Überhitzer zumindest abschnittsweise mit dem Katalysator für die katalytische Verbrennung von Wasserstoff beschichtet ist. Bei umfangreichen Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich überraschend herausgestellt, dass durch eine katalytische Beschichtung des Überhitzers die besten Heizergebnisse erzielt werden können. Unter dem Überhitzer ist ein Bauteil des Verdampfers zu verstehen, durch welches der im Verdampfer erzeugte Wasserdampf über die Verdampfungstemperatur hinaus weiter erhitzt werden kann.
[0019] Weiterhin ist es bei einem reversibel betreibbaren Energiewandler möglich, dass ein Heizmittel zum Vorheizen des Verdampfers auf eine Solltemperatur in thermischer Verbindung mit dem Verdampfer steht. Durch das Heizmittel kann der Verdampfer zu Beginn eines Aufheizvorgangs sowie währenddessen schnell und zuverlässig auf die gewünschte Temperatur gebracht werden bzw. auf dieser gehalten werden. Wenn gewährleistet wird, dass der Verdampfer zumindest im Bereich des katalytisch beschichteten Fluidleitabschnitts stets über einer vordefinierten katalytischen Aktivierungstemperatur liegt, kann die katalytische Verbrennung zur Vorheizung und/oder Heizung des Verdampfers zuverlässig erfolgen. Das Heizmittel ist vorzugsweise in Form eines elektrischen Heizmittels ausgestaltet. Die Solltemperatur liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 100°C und 150°C.
[0020] Darüber hinaus ist es möglich, dass ein erfindungsgemäßer, reversibel betreibbarer Energiewandler in Form eines SOFC/SOEC-Systems ausgestaltet ist, das zur Stromerzeugung als SOFC-System und zur Brennstofferzeugung als SOEC-System betreibbar ist. Durch die hohe Betriebstemperatur des SOFC-Systems lässt sich dieses besonders vorteilhaft als reversibles System zur Brennstofferzeugung betreiben. Wenn der reversibel betreibbare Energiewandler als SOFC-System betrieben wird, ist unter dem Elektrodenverbund ein Brennstoffzellenstapel zu verstehen. In diesem Fall sind unter dem ersten Elektrodenabschnitt ein Anodenabschnitt und unter dem zweiten Elektrodenabschnitt ein Kathodenabschnitt zu verstehen.
[0021] Außerdem ist es bei einem reversibel betreibbaren Energiewandler möglich, dass stromabwärts des Reformers ein Rezirkulationsabschnitt zum Zuführen eines wasserstoffhaltigen Reformats vom Reformer in den Fluidleitabschnitt ausgestaltet ist. Dadurch kann der katalytisch beschichtete Fluidleitabschnitt im Elektrolysebetrieb des Energiewandlers nicht nur mit
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Wasserstoff direkt aus einer separaten Wasserstoffquelle, sondern auch aus reformiertem Wasserstoff, der beispielsweise aus Erdgas erzeugt wird, gespeist werden. Mithin kann ein erfindungsgemäßer Energiewandler besonders flexibel betrieben werden.
[0022] Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines wie vorstehend im Detail beschriebenen reversibel betreibbaren Energiewandlers zur Verfügung gestellt, wobei der Energiewandler ferner eine Wasserquelle, eine Wasserstoffquelle sowie eine Sauerstoffquelle stromaufwärts des Verdampfers umfasst. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
[0023] - Zuführen eines wasserstoffhaltigen Gases von der Wasserstoffquelle sowie eines sauerstoffhaltigen Gases von der Sauerstoffquelle in den Verdampfer zum Herbeiführen einer katalytischen Verbrennung im Verdampfer, [0024] - Beenden der Zufuhr des wasserstoffhaltigen Gases und des sauerstoffhaltigen Gases in den Verdampfer, sobald der Verdampfer eine vordefinierte Solltemperatur erreicht hat, und [0025] - Zuführen von Wasser von der Wasserquelle in den auf die Solltemperatur temperierten Verdampfer zum Verdampfen des Wassers im Verdampfer.
[0026] Damit bringt ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Energiewandler beschrieben worden sind. Unter einer Wasserstoffquelle ist eine Quelle zum Bereitstellen von reinem Wasserstoff oder eines wasserstoffhaltigen Gases zu verstehen. Unter einer Sauerstoffquelle ist entsprechend eine Quelle zum Bereitstellen von reinem Sauerstoff oder eines sauerstoffhaltigen Gases, insbesondere Luft, zu verstehen.
[0027] Bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist es ferner möglich, dass der Verdampfer vor dem Zuführen des wasserstoffhaltigen Gases und des sauerstoffhaltigen Gases durch ein Heizmittel, insbesondere auf eine Temperatur in einem Bereich zwischen 100°C und 150°C, temperiert wird. Durch das Vorheizen kann sichergestellt werden, dass die katalytische Verbrennung stets wunschgemäß ablaufen kann. Bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich eine Vorheiztemperatur von etwas über 100°C, beispielsweise in einem Bereich zwischen 100°C und 110°C, als vorteilhaft herausgestellt.
[0028] Darüber hinaus kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren dem Verdampfer das wasserstoffhaltige Gas über einen Rezirkulationsabschnitt des reversibel betreibbaren Energiewandlers in Form von Reformat aus dem Reformer zugeführt werden. Wie vorstehend bereits erwähnt, wird der katalytisch beschichtete Fluidleitabschnitt im Elektrolysebetrieb des Energiewandlers in diesem Fall nicht direkt mit Wasserstoff aus einer separaten Wasserstoffquelle, sondern aus reformiertem Wasserstoff, der beispielsweise aus Erdgas erzeugt wird, gespeist.
[0029] Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ferner ein Kraftwerk mit einem reversibel betreibbaren Energiewandler, der zur Bereitstellung von Wasserstoff sowie zur Stromerzeugung als stationäres SOFC/SOEC-System ausgestaltet ist, zur Verfügung gestellt. Damit bringt auch das erfindungsgemäße Kraftwerk die vorstehend beschriebenen Vorteile mit sich.
[0030] Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
[0031] Es zeigen jeweils schematisch:
[0032] Figur 1 ein Blockdiagramm zum Erläutern eines reversibel betreibbaren Energiewandlers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, [0033] Figur 2 ein Blockdiagramm zum Erläutern eines reversibel betreibbaren Energiewandlers gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
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Patentamt [0034] Figur 3 ein Blockdiagramm zum Erläutern eines reversibel betreibbaren Energiewandlers gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
[0035] Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 bis 3 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
[0036] Fig. 1 zeigt einen reversibel betreibbaren Energiewandler 100a gemäß einer ersten Ausführungsform. Der Energiewandler 100a ist vorliegend in Form eines SOFC/SOEC-Systems ausgestaltet, also in Form eines reversibel betreibbaren SOFC-Systems bzw. in Form eines RSOFC-Systems, das zur Stromerzeugung als SOFC-System und zur Brennstofferzeugung als SOEC-System betreibbar ist. Der Energiewandler 100a weist einen Elektrodenverbund 1 für eine elektrochemische Energiewandlung mit einem ersten Elektrodenabschnitt 2 und einem zweiten Elektrodenabschnitt 3, sowie einen Reformer 4 zum Erzeugen eines Reformats für den ersten Elektrodenabschnitt 2, auf. Der Energiewandler 100a weist ferner einen stromaufwärts des Reformers 4 angeordneten Verdampfer 5 zum Erzeugen von Wasserdampf für den Reformer 4 auf, wobei der Verdampfer 5 wenigstens einen Fluidleitabschnitt (nicht dargestellt) zum Leiten von in dem Verdampfer 5 zu verdampfendem Fluid aufweist. Der Fluidleitabschnitt weist einen Überhitzer auf, der mit einem Katalysator für eine katalytische Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff im Verdampfer 5 beschichtet ist.
[0037] Der Verdampfer 5 ist integral mit einem Wärmetauscher 6 für einen Wärmetausch zwischen Abgas aus dem ersten Elektrodenabschnitt 2 und dem Verdampfer 5 verbunden. Zum Vorheizen des Verdampfers 5 auf eine Solltemperatur von über 100°C steht der Verdampfer 5 mit einem elektrischen Heizmittel 7 in thermischer Verbindung.
[0038] Der Energiewandler 100a weist ferner eine Wasserquelle 8 zum Zuführen von Wasser zum Verdampfer 5, eine Wasserstoffquelle 9 in Form eines Wasserstofftanks zum Zuführen von Wasserstoff zu dem Verdampfer 5, sowie eine Sauerstoffquelle 10 in Form einer Luftquelle zum Zuführen von Luft zum Verdampfer 5, stromaufwärts des Verdampfers 5 auf. Stromaufwärts des Verdampfers 5 und stromabwärts der Sauerstoffquelle 10 ist ein Gebläse 28 zum Zuführen des Sauerstoffs bzw. der Luft zum Verdampfer 5 angeordnet.
[0039] Zum Zuführen des Wassers von der Wasserquelle 8 zum Verdampfer 5 ist zwischen der Wasserquelle 8 und dem Verdampfer 5 eine Wasserleitung ausgestaltet. In der Wasserleitung ist stromaufwärts des Verdampfers 5 und stromabwärts der Wasserquelle 8 eine Pumpe 12 zum Fördern von Wasser aus der Wasserquelle 8 in Richtung des Verdampfers 5 ausgestaltet. Stromabwärts des Verdampfers 5 ist ein Gebläse 13 zum Fördern von Wasserdampf aus dem Verdampfer 5 in Richtung des Reformers 4 angeordnet. Das Gebläse 13 ist in einer Wasserdampfleitung zwischen dem Verdampfer 5 und dem Reformer 4 angeordnet.
[0040] Zum Zuführen des Wasserstoffs von der Wasserstoffquelle 9 zum Verdampfer 5 ist zwischen der Wasserstoffquelle 9 und dem Verdampfer 5 eine Wasserstoffleitung ausgestaltet, die durch ein Ventil in der Wasserstoffleitung sperrbar ist. Zum Zuführen der Luft von der Sauerstoffquelle 10 zum Verdampfer 5 ist zwischen der Sauerstoffquelle 10 und dem Verdampfer 5 eine Sauerstoff- bzw. Luftleitung ausgestaltet, die durch ein Ventil in der Sauerstoffleitung sperrbar ist.
[0041] Der in Fig. 1 dargestellte Energiewandler 100a weist ferner eine Kondensiereinheit 14 zum Kondensieren von Wasserdampf aus dem Wärmetauscher 6 auf. Die Kondensiereinheit 14 ist entsprechend stromabwärts des Wärmetauschers 6 angeordnet. Stromabwärts der Kondensiereinheit 14 kann Wasserkondensat über einen Wasserauslass 23 in die Umgebung des Energiewandlers 100a ausgelassen werden. Aus dem Wärmetauscher 6 abgegebenes Abgas wie Kohlenmonoxid und/oder Wasserstoff können die Kondensiereinheit 14 passieren und über einen Auslass 21 in die Umgebung des Energiewandlers 100a ausgelassen werden. Stromabwärts der Kondensiereinheit 14 und stromaufwärts des Auslasses 21 ist eine Analyseeinheit 22 zur Analyse des Abgases, insbesondere Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid, integriert.
[0042] Stromaufwärts des Gebläses 13 ist eine Sauerstoffquelle 15 zum Zuführen von Sauerstoff oder eines sauerstoffhaltigen Fluids zum Reformer 4 angeordnet. Stromaufwärts des Ge5/13
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Patentamt bläses 13 ist ferner eine Methanquelle 16 zum Zuführen von Methan oder eines methanhaltigen Fluids zum Reformer 4 angeordnet. Außerdem ist stromaufwärts des Gebläses 13 eine Kohlendioxidquelle 17 zum Zuführen von Kohlendioxid oder eines kohlendioxidhaltigen Fluids zum Reformer 4 angeordnet. Die Wasserstoffquelle 9, die Sauerstoffquelle 15, die Methanquelle 16 und die Kohlendioxidquelle 17 sind für eine mögliche, parallele Fluidzufuhr in Richtung des Reformers 4 entsprechend parallel zueinander angeordnet. Aus der Wasserstoffquelle 9 kann dem Reformer 4 Wasserstoff sowohl direkt über eine erste Wasserstoffleitung aus der Wasserstoffquelle 9, als auch indirekt über eine zweite Wasserstoffleitung aus der Wasserstoffquelle, die durch den Verdampfer 5 läuft, zugeführt werden.
[0043] Zur Prozessgasspeisung des zweiten Elektrodenabschnitts 3 weist der Energiewandler 100a für einen SOFC-Betrieb des Energiewandlers 100a eine Sauerstoffquelle 24 auf, durch welche über ein Gebläse 29 Sauerstoff in Form von Umgebungsluft zum zweiten Elektrodenabschnitt 3 geführt werden kann. Stromabwärts des Gebläses 29 ist ein Wärmetauscher 26 mit einer kalten Seite zum Temperieren der Luft angeordnet.
[0044] Stromabwärts des zweiten Elektrodenabschnitts 3 ist ein Nachbrenner 25 zum Verbrennen von Abgas aus dem ersten Elektrodenabschnitt 2 sowie dem zweiten Elektrodenabschnitt 3 angeordnet. Stromabwärts des Nachbrenners 25 ist der Wärmetauscher 26 bzw. die heiße Seite des Wärmetauschers 26 für eine Temperierung der Luft aus der Sauerstoffquelle 24 durch verbranntes Abgas aus dem Nachbrenner 25 angeordnet. Verbranntes Abgas aus dem Nachbrenner 25 kann über den Wärmetauscher 26 und einen Auslass 18 stromabwärts des Wärmetauschers 26 in die Umgebung des Energiewandlers 100a ausgelassen werden. Stromabwärts des Gebläses 29 und stromaufwärts des Nachbrenners 25 ist parallel zum Wärmetauscher 26 ein Heizmittel 31 zum Aufheizen von Luft, die dem Nachbrenner 25 zum Aufheizen desselben zugeführt werden kann, angeordnet.
[0045] Stromaufwärts des Nachbrenners 25 sind ferner eine Methanquelle 19 sowie eine Wasserstoffquelle 20 bereitgestellt, durch welche dem Abgasbrenner 25 parallel zum Abgas aus dem Elektrodenverbund 1 entsprechendes Brenngas zugeführt werden kann. Dies kann für ein schnelles Aufheizen des Abgasbrenners 25 genutzt werden.
[0046] In Fig. 2 ist ein reversibel betreibbarer Energiewandler 100b gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Die zweite Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der ersten Ausführungsform, weshalb auf eine erneute Beschreibung der gleichen Bauteile verzichtet wird. Der Energiewandler 100b gemäß Fig. 2 zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass stromabwärts des Reformers 4 ein Rezirkulationsabschnitt 11 mit einer Rezirkulationsleitung zum Zuführen eines wasserstoffhaltigen Reformats vom Reformer 4 in den Fluidleitabschnitt des Verdampfers 5 ausgestaltet ist. Dadurch kann auf einfache Weise wasserstoffhaltiges Reformat, das beispielsweise aus Erdgas gewonnen wird, aus dem Reformer 4 direkt in den für die katalytische Verbrennung beschichteten Fluidleitabschnitt des Verdampfers gefördert werden. Im Rezirkulationsabschnitt 11 bzw. im entsprechenden Leitungsabschnitt ist ein Ventil zum Sperren der Rezirkulationsleitung angeordnet. Zudem könnte der Rezirkulationsabschnitt 11 ein Gebläse zum Fördern des Reformats vom Reformer 4 in Richtung des Verdampfers 5 aufweisen.
[0047] In Fig. 3 ist ein reversibel betreibbarer Energiewandler 100c gemäß einer dritten Ausführungsform dargestellt. Der in Fig. 3 dargestellte Energiewandler 100c soll ebenfalls nur bezüglich Merkmalen erläutert werden, welche nicht bereits ausführlich zu den Energiewandlern gemäß der ersten und/oder zweiten Ausführungsform beschrieben wurden.
[0048] Gemäß der dritten Ausführungsform ist ein zweistufiger Verdampfer 5 mit integriertem Wärmetauscher 6 bzw. integrierter Wärmetauscher-Funktion für einen Wärmetausch zwischen Abgas aus dem Elektrodenverbund 1 und dem Verdampfer 5, stromaufwärts des Reformers 4 bereitgestellt. Auch dieser Verdampfer 5 weist einen Fluidleitabschnitt mit einem Katalysator für eine katalytische Verbrennung von Wasserstoff im Verdampfer 5 auf. Gemäß der dargestellten bevorzugten Ausführungsform sind beide Kammern des zweistufigen Verdampfers 5 sowohl auf der heißen als auch auf der kalten Seite des integrierten Wärmetauschers 6 katalytisch be6/13
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Patentamt schichtet. Gleichwohl kann es auch ausreichend sein, nur die in Strömungsrichtung zuerst durchströmte Kammer des Verdampfers 5 und/oder nur die kalte Seite des Wärmetauschers 6 katalytisch zu beschichten. In diesem Fall hätte die zweite Kammer des Verdampfers 5 insbesondere die Funktion eines Überhitzers, da über die heiße Seite während eines entsprechenden Betriebs noch Wärme übertragen wird. Gemäß Fig. 3 kann Abgas aus dem Nachbrenner 25 über den Reformer 4 bzw. einen dort integrierten Wärmetauscher sowie den stromabwärts zum Reformer 4 angeordneten Wärmetauscher 6 über den Auslass 18 in die Umgebung des Energiewandlers 100c ausgelassen werden.
[0049] Der Energiewandler 100c gemäß Fig. 3 weist ferner einen Wassertank 27 auf, der stromabwärts einer Wasserquelle 8 als Puffer- sowie Rezirkulationsspeicher bereitgestellt ist. Genauer gesagt ist die Kondensiereinheit 14 gemäß Fig. 3 stromabwärts des Wärmetauschers 6 sowie stromaufwärts des Wassertanks 27 angeordnet, sodass das kondensierte Wasser nicht einfach in die Umgebung des Energiewandlers abgegeben wird. Wasserstoff und Kohlenmonoxid kann über eine Abzweigungsleitung von der Kondensiereinheit 14 durch eine Analyseeinheit 22 und ein Gebläse 30 zur Wasserstoffquelle 9 rückgeführt werden. Neben Wasserstoff aus der Wasserstoffquelle 9 kann gemäß der dargestellten Ausführungsform noch Kohlendioxid aus einer Kohlendioxidquelle 17 sowie Methan von einer Methanquelle 19 zum gestuften Verdampfer 5 geleitet werden. Stromaufwärts des Verdampfers 5 ist eine Sauerstoffquelle 10 bereitgestellt, von welcher Sauerstoff in Form von Luft über ein Gebläse 28 zum Verdampfer geführt werden kann.
[0050] Die in Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 3 dargestellten Energiewandler 100a, 100b, 100c sind für die stationäre Anwendung in einem Kraftwerk ausgelegt.
[0051] Mit Bezug auf Fig. 1 wird anschließend ein Verfahren zum Betreiben des dargestellten Energiewandlers 100a gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben. Zunächst werden von der Wasserstoffquelle 9 Wasserstoff und von der Sauerstoffquelle 10 Luft in den Verdampfer 5, genauer gesagt in den Fluidleitabschnitt des Verdampfers 5, geführt, um eine katalytische Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff im Verdampfer 5 herbeizuführen. Sobald der Verdampfer 5 die Solltemperatur von über 100°C erreicht hat, wird die Zufuhr des wasserstoffhaltigen Gases und der Luft in den Verdampfer 5 beendet. Anschließend wird Wasser von der Wasserquelle 8 in den auf die Solltemperatur temperierten Verdampfer 5 zum Verdampfen des Wassers im Verdampfer 5 zugeführt und somit der eigentliche, Brennstoff erzeugende SOECBetrieb eingeleitet.
[0052] Mit Bezug auf Fig. 2 wird anschließend ein Verfahren zum Betreiben des dargestellten Energiewandlers 100a gemäß der zweiten Ausführungsform beschrieben. Zunächst wird Methan durch das Gebläse 13 von der Methanquelle 16 zum Reformer 4 gefördert. Das im Reformer 4 erzeugte wasserstoffhaltige Reformat wird anschließend über den Rezirkulationsabschnitt 11 in den Fluidleitabschnitt des Verdampfers 5 geführt, um eine katalytische Verbrennung im Verdampfer 5 herbeizuführen. Sobald der Verdampfer 5 eine Solltemperatur von über 100°C erreicht hat, wird die Zufuhr des wasserstoffhaltigen Gases und der Luft in den Verdampfer 5 beendet. Wie bereits mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben, wird nun Wasser von der Wasserquelle 8 in den auf die Solltemperatur temperierten Verdampfer 5 zum Verdampfen des Wassers im Verdampfer 5 zugeführt.
[0053] Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestaltungsgrundsätze zu. D.h., die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden. So könnten auch der Energiewandler 100a gemäß der ersten Ausführungsform sowie der Energiewandler 100c gemäß der dritten Ausführungsform mit dem in Fig. 2 dargestellten Rezirkulationsabschnitt 11 ausgestaltet sein. Ebenso ist es möglich, dass der in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellte Vorheizer 7 auch an dem in Fig. 3 dargestellten Verdampfer 5 zum Erbringen der gewünschten Vorheizung angeordnet ist.
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BEZUGSZEICHENLISTE
Elektrodenverbund erster Elektrodenabschnitt zweiter Elektrodenabschnitt
Reformer
Verdampfer
Wärmetauscher
Heizmittel
Wasserquelle
Wasserstoffquelle
Sauerstoffquelle
Rezirkulationsabschnitt
Pumpe
Gebläse
Kondensiereinheit
Sauerstoffquelle
Methanquelle
Kohlendioxidquelle
Auslass
Methanquelle
Wasserstoffquelle
Auslass
Analyseeinheit
Wasserauslass
Sauerstoffquelle
Nachbrenner
Wärmetauscher
Wassertank
Gebläse
Gebläse
Gebläse
Heizmittel
100a, 100b, 100c
Energiewandler
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Claims (10)

  1. Patentansprüche
    1. Reversibel betreibbarer Energiewandler (100a; 100b; 100c), aufweisend einen Elektrodenverbund (1) für eine elektrochemische Energiewandlung mit einem ersten Elektrodenabschnitt (2) und einem zweiten Elektrodenabschnitt (3), einen Reformer (4) zum Erzeugen eines Reformats für den ersten Elektrodenabschnitt (2), und einen stromaufwärts des Reformers (4) angeordneten Verdampfer (5) zum Erzeugen von Wasserdampf für den Reformer (4), wobei der Verdampfer (5) wenigstens einen Fluidleitabschnitt zum Leiten von in dem Verdampfer (5) zu verdampfendem Fluid aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidleitabschnitt zumindest abschnittsweise mit einem Katalysator für eine katalytische Verbrennung von Wasserstoff im Verdampfer (5) beschichtet ist.
  2. 2. Reversibel betreibbarer Energiewandler (100a; 100b; 100c) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (5) integral mit einem Wärmetauscher (6) für einen Wärmetausch zwischen Abgas aus dem Elektrodenverbund (1), insbesondere aus dem ersten Elektrodenabschnitt (2), und dem Verdampfer (5) verbunden ist.
  3. 3. Reversibel betreibbarer Energiewandler (100a; 100b; 100c) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidleitabschnitt einen Überhitzer aufweist und der Überhitzer zumindest abschnittsweise mit dem Katalysator für die katalytische Verbrennung von Wasserstoff beschichtet ist.
  4. 4. Reversibel betreibbarer Energiewandler (100a; 100b) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Heizmittel (7) zum Vorheizen des Verdampfers (5) auf eine Solltemperatur in thermischer Verbindung mit dem Verdampfer (5) steht.
  5. 5. Reversibel betreibbarer Energiewandler (100a; 100b; 100c) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass reversibel betreibbare Energiewandler (100) in Form eines SOFC/SOEC-Systems ausgestaltet ist, das zur Stromerzeugung als SOFC-System und zur Brennstofferzeugung als SOEC-System betreibbar ist.
  6. 6. Reversibel betreibbarer Energiewandler (100b) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Reformers (4) ein Rezirkulationsabschnitt (11) zum Zuführen eines wasserstoffhaltigen Reformats vom Reformer (4) in den Fluidleitabschnitt ausgestaltet ist.
  7. 7. Verfahren zum Betreiben eines reversibel betreibbaren Energiewandlers (100a; 100b; 100c) nach einem der voranstehenden Ansprüche, der ferner eine Wasserquelle (8), eine Wasserstoffquelle (9) sowie eine Sauerstoffquelle (10) stromaufwärts des Verdampfers (5) umfasst, aufweisend die Schritte:
    - Zuführen eines wasserstoffhaltigen Gases von der Wasserstoffquelle (9) sowie eines sauerstoffhaltigen Gases von der Sauerstoffquelle (10) in den Verdampfer (5) zum Herbeiführen einer katalytischen Verbrennung im Verdampfer (5),
    - Beenden der Zufuhr des wasserstoffhaltigen Gases und des sauerstoffhaltigen Gases in den Verdampfer (5), sobald der Verdampfer (5) eine vordefinierte Solltemperatur erreicht hat, und
    - Zuführen von Wasser von der Wasserquelle (8) in den auf die Solltemperatur temperierten Verdampfer (5) zum Verdampfen des Wassers im Verdampfer (5).
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    Patentamt
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (5) vor dem Zuführen des wasserstoffhaltigen Gases und des sauerstoffhaltigen Gases durch ein Heizmittel (7), insbesondere auf eine Temperatur in einem Bereich zwischen 100°C und 150°C, temperiert wird.
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verdampfer (5) das wasserstoffhaltige Gas über einen Rezirkulationsabschnitt (11) des reversibel betreibbaren Energiewandlers (100b) in Form von Reformat aus dem Reformer (4) zugeführt wird.
  10. 10. Kraftwerk mit einem reversibel betreibbaren Energiewandler (100a; 100b; 100c) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, der zur Bereitstellung von Wasserstoff sowie zur Stromerzeugung als stationäres SOFC/SOEC-System ausgestaltet ist.
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