DE102021006231A1

DE102021006231A1 - Verfahren zur Wärme - und Dampfrückgewinnung bei der Dampfelektrolyse sowie Dampfelektrolyseanlage

Info

Publication number: DE102021006231A1
Application number: DE102021006231.0A
Authority: DE
Inventors: Nicolas KRUSE
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2021-12-17
Filing date: 2021-12-17
Publication date: 2023-06-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärme - und Dampfrückgewinnung bei der Dampfelektrolyse mit einem Festoxid-Zellenstack in einer Dampfelektrolyseanlage, wobei die Dampfelektrolyseanlage den Festoxid-Zellenstack umfasst und in der Anlage das Speisewasser in einem Mittel zur Erwärmung des Speisewassers zunächst auf etwa Siedetemperatur erhitzt wird bevor es verdampft, überhitzt und anschließend in den Festoxid-Zellenstack geleitet wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
das im Festoxid-Zellenstack erzeugte Wasserstoff-Dampf-Gemisch zur Rückgewinnung der darin enthaltenen Wärme und des Dampfes in dem Mittel zur Erwärmung des Speisewassers unmittelbar mit dem Speisewasser in Kontakt gebracht und dabei gekühlt und getrocknet wird und im Gegenzug das Speisewasser auf etwa Siedetemperatur erhitzt wird.
Eine Dampfelektrolyseanlage hierzu ist offenbart.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Wärme - und Dampfrückgewinnung bei der Dampfelektrolyse sowie auf eine Dampfelektrolyseanlage.
Stand der Technik
Die Hochtemperaturelektrolyse (HTE), im Weiteren Dampfelektrolyse genannt, ist eine Elektrolyseverfahren zur Gewinnung von Wasserstoff (H₂) aus Wasser bei hohen Temperaturen zwischen 650 °C und 1000 °C.
Eine Festoxid-Elektrolyseurzelle (engl. solid oxide electrolyzer cell, SOEC) ist eine Festoxidzelle (SOC), der elektrische Energie zugeführt wird, um die Elektrolyse von Wasser zu erreichen. Unter Verwendung von Festoxidelektrolyten werden Wasserstoff und Sauerstoff produziert. Im Betrieb wird Wasser in Form von Dampf in H₂ und O₂ aufgespalten. Wenn eine Spannung angelegt wird, wird der Dampf an der dampfseitigen Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche reduziert, um H₂ und Sauerstoffionen zu bilden. Der so erzeugte Wasserstoff verlässt die Zelle. Die entstandenen Sauerstoffionen werden durch den dichten Elektrolyten transportiert. An der Grenzfläche zwischen Elektrolyt und der sauerstoffseitigen Elektrode werden die Sauerstoffionen zu O₂ oxidiert. Ein gebräuchlicher Elektrolyt ist beispielweise ein lonenleiter aus ZrO₂, der mit 8 Mol-% Y₂O₃ dotiert ist (YSZ). Bei der dampfseitigen Elektrode kann Lanthan-Strontium-Mangan (LSM) vom Perovskit-Typ als Kathodenmaterial verwendet werden. Bei der Sauerstoffelektrode ist Lanthan-Strontium-Manganat (LSM) das häufigste Elektrodenmaterial.
Aus der Druckschrift Peters et al. (Ro. Peters, W. Tiedemann, I. Hoven, R. Deja, N. Kruse, Q. Fang, L. Blum and R. Peters (2021). Development of a 10/40 kW-class Reversible Solid Oxide Cell System at Forschungszentrum Jülich. ECS Transactions, 103 (1) 289-297), ist eine reversible Festoxidzelle (engl. reversible Solid Oxide Cell) kurz: rSOC-System mit einer Leistung von 10 kW im Brennstoffzellenbetrieb und 40 kW im Elektrolysebetrieb bekannt. Dabei wird ein integriertes Modul mit vier 20-lagigen Stacks des Typs H20 verwendet. Das Modul enthält zwei Wärmetauscher, einen für Luft und einen für Brennstoff. Außerdem sind fünf elektrisch betriebene Heizplatten für die Start- und Kühlphase des Systems und zur Unterstützung des endothermen Elektrolysebetriebs sowie zwei Isolierplatten und zwei Ablenkplatten beschrieben. Um das Modul mit dem System zu verbinden, werden am unteren und am oberen Ende zwei Anschlussplatten installiert. Alle Komponenten des Moduls sind in einer Plattenbauweise ausgeführt und haben eine ähnliche Grundfläche wie der Stack. Das integrierte Modul ist in einer unterstützenden Systemumgebung eingefügt. Im Elektrolysebetrieb liefert ein Rezirkulationsstrom eine ausreichende Menge an Wasserstoff zum Schutz des Brennstoffelektrodenmaterials. Der rezirkulierte Wasserstoff wird über ein Gebläse gefördert. Die Luft wird über einen Massenflussregler (kurz: MFC) in das System eingespeist. In einem elektrisch betriebenen Dampferzeuger wird Wasser für die Versorgung des Stacks verdampft. Gemische beliebiger Zusammensetzung aus Dampf und Wasserstoff können erzeugt werden. Nach dem Verlassen des Moduls werden beide Abgasströme getrennt in zwei Gaskühler geleitet und später nach außen abgeführt. Gesteuert wird das System von einem sogenannten programmable logic controller (kurz: PLC). Peters et al. konnten zeigen, dass der Wirkungsgrad im Elektrolysebetrieb durch eine Verringerung der Wärmeverluste und eine höhere innere Wärmerückgewinnung gesteigert werden kann. Hierzu wurde ein Dampferzeuger mit integriertem Wärmetauscher und einem Elektrolyseleistungsbereich von 15 kW_el entwickelt. Der Systemwirkungsgrad konnte durch die Wärmerückgewinnung aus den Abgasströmen von 70,0 % auf 72,8 % erhöht werden und damit eine Effizienzsteigerung erreicht werden.
Nach dem Stand der Technik werden rekuperative Wärmetauscher für die Rückgewinnung eines Teils der Energie in Elektrolysezellen eingesetzt. Bei rekuperativen Wärmetauschern wird die Wärme über eine Trennwand im Wärmetauscher zwischen zwei Fluidströmen übertragen, so dass es zu keiner Vermischung der Stoffströme oder Übertragung von Komponenten zwischen den Stoffströmen kommt.
Aus der Druckschrift „Experimental Investigation of Efficiency Maximization in Solid Oxide Electrolysis Systems by Internal Steam and Heat Recovery“ (N. Kruse, W. Tiedemann, I. Hoven, R. Deja, Ro. Peters, L. Blum, and Ra. Peters (2021). ECS Transactions, 103 (1) 555-560.) ist bekannt, dass der Wärmeverlust einer Festoxid-Elektrolysezelle (engl. solid oxide electrolyzer cell), kurz: eines SOEC-Systems durch eine angemessene Wärmedämmung der heißen Komponenten und durch die Begrenzung der Auswirkungen von Wärmebrücken an den Sensor- und Elektroanschlüssen vom Schornstein zur Umgebung verringert werden kann. Der größte Energieverlust des SOEC-Systems wird dabei durch den Dampf- und Wärmeinhalt der Abgase verursacht. Die Schlüsselkomponente für eine mögliche Wärmerückgewinnung aus dem Abgas in einem SOEC-System ist gemäß dieser Druckschrift der Dampferzeuger, der neben dem Festoxid-Elektrolyse-Stack selbst der bei weitem größte Energieverbraucher im System ist. Daher wurde seitens der Autoren ein skalierbarer Dampferzeuger zur Rückgewinnung von Wärme und Dampf vorgeschlagen. Bei der von Kruse et al. (2021) vorgeschlagenen Konstruktion erfolgt die Dampfrückgewinnung indirekt durch die teilweise Wiederverwendung der Dampfkondensationswärme im Abgas. Die zurückgewonnene Wärme wird in dieser Druckschrift zum Vorwärmen des Speisewassers in einem ersten Wärmetauscher HX1 verwendet. Das vorgewärmte flüssige Wasser gelangt dann mit etwa Siedetemperatur in einen elektrisch beheizten Dampferzeuger HX2. Der dort erzeugte Sattdampf wird dann in den Wärmetauscher HX3 geleitet. Im Wärmetauscher HX3 wird der Sattdampf im Gegenstrom durch das Wasserstoff/Dampf-Abgas aus dem „Integrierten Modul“ überhitzt. Bei allen Wärmetauschern handelt es sich um rekuperative Wärmetauscher. Die 1 zeigt als Stand der Technik den Dampferzeuger mit einer Wärme- und Dampfrückgewinnung aus der genannten Druckschrift von Kruse et al. (2021) und versehen mit Bezugszeichen. Durch eine Pinchanalyse wird gezeigt, dass ein hoher Grad an Energierückgewinnung eine Vorwärmung des Speisewassers erfordert.
Nachteilig kann mit den Dampfelektrolyseanlagen nach dem Stand der Technik nur ein vergleichsweise geringer Anteil Energie zurück gewonnen werden.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es somit ein Verfahren zur Wärme - und Dampfrückgewinnung bei der Dampfelektrolyse anzugeben, mit dem die Energie, die im nicht umgesetzten Dampf und im heißen Wasserstoff enthalten ist, zu einem höheren Grad zurückgewonnen werden kann um damit höhere Wirkungsgrade bei der Dampfelektrolyse zu erzielen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Dampfelektrolyseanlage bereit zu stellen, mit der die Energie, die im nicht umgesetzten Dampf und im heißen Wasserstoff enthalten ist, zu einem höheren Grad zurückgewonnen werden kann, um damit höhere Wirkungsgrade der Dampfelektrolyseanlage zu erzielen.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird gelöst mit dem Verfahren nach Patentanspruch 1 sowie der Dampfelektrolyseanlage gemäß dem Nebenanspruch.
Vorteilhafte Ausgestaltungen hierzu ergeben sich jeweils aus den hierauf rückbezogenen Patentansprüchen.
Beschreibung der Erfindung
Das Verfahren zur Wärme - und Dampfrückgewinnung bei der Dampfelektrolyse erfolgt in einer Dampfelektrolyseanlage, wobei die Dampfelektrolyseanlage einen Festoxid-Zellenstack zur Erzeugung eines Wasserstoff-Dampf-Gemisches umfasst. In der Anlage wird aus einer Quelle Speisewasser in einem Mittel zur Erwärmung des Speisewassers zunächst auf etwa Siedetemperatur erhitzt bevor es zum Festoxid-Zellenstack geleitet wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das während der Dampfelektrolyse erzeugte Wasserstoff-Dampf-Gemisch aus dem Festoxid-Zellenstack über eine Abgasleitung in das Mittel zur Erwärmung des Speisewassers geleitet wird und dort in unmittelbaren Kontakt mit dem Speisewasser gebracht wird, wodurch das Wasserstoff-Dampf-Gemisch gekühlt und getrocknet wird und das Speisewasser auf etwa Siedetemperatur erhitzt wird. Durch den unmittelbaren Kontakt wird ein besserer Stoff- und Wärmeaustausch zwischen dem Wasserstoff-Dampf-Gemisch und dem Speisewasser gewährleistet. Das erzeugte Wasserstoff-Dampf-Gemisch aus dem Festoxid-Zellenstack durchströmt dabei das Speisewasser wobei es zu einer Vermischung der Stoffströme und Übertragung des Dampfes aus dem Wasserstoff-Dampf-Gemisch in das Speisewasser kommt.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird das Wasserstoff-Dampf-Gemisch des Stacks über die Abgasleitung in das Mittel zur Erwärmung des Speisewassers geleitet und dort im Gegenstrom unmittelbar mit dem Speisewasser in Kontakt gebracht. Dadurch wird eine besonders gute Wärme- und Dampfrückgewinnung aus dem zugeführten Wasserstoff-Dampf-Gemisch erzielt.
Das Verfahren sieht im Weiteren vor, in der Zuleitung zum Festoxid-Zellenstack das im Mittel zur Erwärmung des Speisewassers auf Siedetemperatur erhitzte Speisewasser sodann einem Dampferzeuger zur Erzeugung von Sattdampf zuzuführen. Hierzu kann hinter dem Mittel zur Erwärmung des Speisewassers eine Pumpe angeordnet sein, die das auf Siedetemperatur erhitzte Speisewasser vom Mittel in den Dampferzeuger pumpt.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird in der Zuleitung zum Festoxid-Zellenstack der Sattdampf aus dem Dampferzeuger einem Wärmetauscher zur Überhitzung des Sattdampfes zugeführt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der überhitzte Sattdampf aus dem Wärmetauscher dem Festoxid-Zellenstack zugeführt und dort zu dem Wasserstoff-Dampf-Gemisch reduziert. Es versteht sich, dass der Zellenstack unter anderem eine Leitung zur Abführung des erzeugten Sauerstoffs aufweist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung verlässt das im Festoxid-Zellenstack während der Elektrolyse erzeugte Wasserstoff-Dampf-Gemisch den Stack und wird über die Abgasleitung zunächst dem Wärmetauscher zum Zweck der Überhitzung des Sattdampfes zugeleitet, bevor das hierdurch abgekühlte Wasserstoff-Dampf-Gemisch über die Abgasleitung in das Mittel zum Zweck der Erwärmung des Speisewassers weiter geleitet wird. Hierdurch wird vorteilhaft bewirkt, dass die Wärme des Wasserstoff-Dampf-Gemisches mit einer Temperatur zwischen 600 und 800 °C an der Austrittseite des Stacks zur Überhitzung des Sattdampfes besser genutzt werden kann.
Als Abgasleitung im Sinne der Erfindung wird somit die Leitung bezeichnet, die vom Festoxid-Zellenstack zum Mittel zur Erwärmung des Speisewassers führt und in der das im Stack erzeugte Wasserstoff-Dampf-Gemisch strömt.
Dem Mittel zur Erwärmung des Speisewassers entweichender Wasserstoff kann insbesondere mit einem Gebläse eine Teilmenge Wasserstoff entnommen werden und über eine Rezirkulationsleitung wieder dem Festoxid-Zellenstack zugeführt werden. Der überwiegende Teil des entweichenden Wasserstoffstroms aus dem Mittel wird allerdings bestimmungsgemäß gespeichert.
Der aus dem Mittel zur Erwärmung des Speisewassers entweichende, getrocknete und gekühlte Wasserstoffstrom wird insbesondere mit einem Gebläse eine geringe Teilmenge entnommen und wieder dem Stack zugeführt. Das Gebläse ist hinter dem Gasaustritt des Mittels zur Erwärmung des Speisewassers in der Rezirkulationsleitung angeordnet. Hinter dem Gasaustritt des Mittels zur Erwärmung des Speisewassers verzweigt sich somit der Wasserstoffstrom in einen größeren Anteil, der gespeichert wird und in einen kleineren Anteil, der der Rezirkulation zugeführt wird. Durch die Rezirkulationsleitung und den darüber zurückgeführten Wasserstoffstrom wird im Bereich der Zuführung in den Stack vorteilhaft eine reduzierende Gasmischung gewährleistet.
Der geringere Anteil Wasserstoff, vorzugsweise etwa 3-8% des erzeugten Wasserstoffs, wird über die Rezirkulationsleitung in die Zuleitung zwischen dem Dampferzeuger zur Erzeugung von Sattdampf und dem Wärmetauscher zur Überhitzung des Sattdampfs zurückgeführt. Hierdurch wird vorteilhaft die reduzierende Gasmischung aus Wasserstoff und überhitzten Sattdampf erzeugt und zur Kathodenseite des Festoxid-Zellenstacks weiter geleitet.
Als Rezirkulationsleitung im Sinne der Erfindung wird somit die Leitung bezeichnet, die vom Mittel zur Erwärmung des Speisewassers in die Zuleitung zwischen dem Dampferzeuger und dem Wärmetauscher zur Überhitzung des Sattdampfes führt und in der der getrocknete Wasserstoff strömt.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Kolonne als Mittel zur Erwärmung des Speisewassers gewählt. Eine Kolonne gewährleistet in ihrem Inneren einen unmittelbaren Kontakt des aus der Quelle stammenden kalten Speisewassers mit dem heißen Wasserstoff-Dampf-Gemisch aus der Abgasleitung und damit eine effektive Durchmischung und Wärmeübertragung. Das Wasserstoff-Dampf-Gemisch durchströmt das Speisewasser. Die aufsteigende leichte Phase des Wasserstoff-Dampf-Gemisches durchströmt die Schüttung oder Packung der Kolonne und tauscht mit dem den umgekehrten Weg nehmenden Speisewasser Wärme und Wasserdampf aus. Hierzu wird in der Kolonne das Wasserstoff-Dampf-Gemisch im Gegenstrom durch das zugeführte Speisewasser hindurchgeleitet, wodurch es besonders effektiv gekühlt und getrocknet wird und das Speisewasser auf etwa Siedetemperatur erhitzt wird.
Eine erfindungsgemäße Dampfelektrolyseanlage umfasst einen Festoxid-Zellenstack zur Erzeugung eines Wasserstoff-Dampf-Gemisches sowie ein Mittel zur Erwärmung des Speisewassers bis auf etwa Siedetemperatur. Die Dampfelektrolyseanlage weist vorteilhaft eine Abgasleitung für das während der Elektrolyse erzeugte Wasserstoff-Dampf-Gemisch auf, die vom Festoxid-Zellenstack in das Mittel zur Erhitzung des Speisewassers führt. Das Mittel ist derartig ausgestaltet, dass darin das Speisewasser in unmittelbaren Kontakt mit dem erzeugten Wasserstoff-Dampf-Gemisch des Festoxid-Zellenstacks gelangt. Dabei wird im Mittel zur Erwärmung des Speisewassers eine Phasengrenze zwischen dem Wasserstoff-Dampf-Gemisch und dem Speisewasser ausgebildet, über die der Stoffaustausch und Wärmeübergang stattfindet.
Hierdurch wird vorteilhaft das Wasserstoff-Dampf-Gemisch getrocknet und abgekühlt. Das Speisewasser wird dabei auf etwa Siedetemperatur erhitzt.
In der Zuleitung zum Festoxid-Zellenstack ist hinter dem Mittel zur Erwärmung des Speisewassers ein Dampferzeuger angeordnet, welcher aus dem auf Siedetemperatur erhitzten Speisewasser den Sattdampf erzeugt. Der Dampferzeuger kann hierzu einen eigenen Wärmetauscher aufweisen, der elektrisch beheizt wird und bei dem die Heizleistung durch den gemessenen Druck im Behälter geregelt wird.
Eine Pumpe kann zusätzlich zwischen dem Mittel zur Erwärmung des Speisewassers und dem Dampferzeuger angeordnet sein, die das auf etwa Siedetemperatur erhitzte Speisewasser in den Dampferzeuger pumpt.
Die Anlage weist in der Zuleitung zum Festoxid-Zellenstack sodann einen Wärmetauscher auf, der den Sattdampf des Dampferzeugers überhitzt bevor es in den Festoxid-Zellenstack gelangt.
In der Abgasleitung vom Festoxid-Zellenstack zum Mittel zur Erwärmung des Speisewassers kann vorteilhaft der Wärmetauscher angeordnet sein, der in der Zuleitung zur Überhitzung des Sattdampfes für den Festoxid-Zellenstack dient. Das während der Elektrolyse erzeugte heiße Wasserstoff-Dampf-Gemisch des Festoxid-Zellenstack tritt hierzu in den Wärmetauscher ein. Der Wärmetauscher nutzt dann vorteilhaft die Wärme des erzeugten Wasserstoff-Dampf-Gemisches zum Zweck der Überhitzung von Sattdampf für den Festoxid-Zellenstack.
Dadurch wird das 600 bis 800 °C heiße Wasserstoff-Dampf-Gemisch aus dem Festoxid-Zellenstack vor dem Eintritt in das Mittel zur Erwärmung des Speisewassers im Wärmetauscher bereits auf etwa 150 °C abgekühlt. Die Wärme des erzeugten Wasserstoff-Dampf-Gemisches wird somit zur Überhitzung des im Zulauf des Wärmetauschers eintretenden Sattdampfes genutzt bevor dieser in den Festoxid-Zellenstack weiter geleitet wird. Vom Wärmetauscher gelangt das auf etwa 150 °C abgekühlte Wasserstoff-Dampf-Gemisch über die Abgasleitung ohne weiteren Umweg in das Mittel zur Erwärmung des Speisewassers.
Die Dampfelektrolyseanlage weist in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine Rezirkulationsleitung auf, welche von dem Mittel zur Erwärmung des Speisewassers wieder zum Festoxid-Zellenstack zurückführt. Darin kann vorteilhaft ein geringer Anteil des erzeugten Wasserstoffs zum Festoxid-Zellenstack zurück transportiert werden und dem Sattdampf zugeführt werden.
Zu diesem Zweck kann die Dampfelektrolyseanlage hinter dem Gasaustritt des Mittels zur Erwärmung des Speisewassers ein Gebläse in der Rezirkulationsleitung aufweisen. Durch den Unterdruck des Gebläses wird dem aus dem Mittel zur Erwärmung des Speisewassers austretenden reduzierten und getrockneten Wasserstoffstrom ein kleiner Anteil entnommen und über die Rezirkulationsleitung wieder dem Festoxid-Zellenstack zugeführt. Dadurch wird im Bereich der Zuführung in den Stack eine reduzierende Gasmischung gewährleistet. Die Rezirkulationsleitung führt zwischen dem Dampferzeuger und dem Wärmetauscher in die Zuleitung zum Festoxid-Zellenstack. Dadurch wird der rezirkulierende Wasserstoffstrom in der Verbindungsleitung zwischen dem Dampferzeuger und dem Wärmetauscher mit Sattdampf vermischt.
Die Rezirkulationsleitung führt somit ausgehend vom Mittel zur Erwärmung des Speisewassers zum Festoxid-Zellenstack an der Stelle in die Zuleitung zum Festoxid-Zellenstack, die zwischen dem Dampferzeuger und dem Wärmetauscher zur Überhitzung des Sattdampfes angeordnet ist.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Dampfelektrolyseanlage eine Kolonne als Mittel zur Erwärmung des Speisewassers auf. Darin kann vorzugsweise im Gegenstrom das erzeugte Wasserstoff-Dampf-Gemisch durch das zugeführte Speisewasser hindurch geleitet werden, wodurch es zu einer besonders effektiven Durchmischung kommt. In der Kolonne wird somit eine Phasengrenze zwischen dem Wasserstoff-Dampf-Gemisch und dem Speisewasser ausgebildet, über die der Stoffaustausch und Wärmeübergang stattfindet. Das Wasserstoff-Dampf-Gemisch wird dadurch getrocknet und weiter abgekühlt und das Speisewasser auf etwa Siedetemperatur erhitzt.
Die Kolonne weist zu diesem Zweck in ihrem oberen Teil einen Zulauf für das Speisewasser und eine Gasaustrittsöffnung auf. Im unteren Teil der Kolonne ist ein Ablauf für das erhitzte Speisewasser angeordnet sowie eine Gaseintrittsöffnung für das ankommende Wasserstoff-Dampf-Gemisch aus der Abgasleitung. Für das erfindungsgemäße Verfahren kann eine solche Kolonne gewählt werden.
In den oberen Teil der Kolonne wird entsprechend das noch kühle Speisewasser aus der Quelle eingeleitet und tropft über einen Verteiler gleichmäßig durch die Füllkörperschüttung oder Packung der Kolonne nach unten. Im unteren Teil der Kolonne wird das noch feuchte und heiße Wasserstoff-Dampf-Gemisch in die Kolonne hineingeleitet und steigt als Gas nach oben. Am Gasaustritt der Kolonne wird ein Großteil des abgekühlten und getrockneten Wasserstoffs gesammelt und in einen Speicher überführt.
Es kann hierzu jede Kolonne genutzt werden, die den oben genannten Bedingungen folgt. Es ist auch denkbar, ein anderes für den Betrieb im Gegenstrom geeignetes Mittel für den Wärme- und Wasseraustausch wie z.B. eine Blasensäule zu verwenden.
Das auf Siedetemperatur erhitzte Speisewasser wird über den Ablauf des Mittels, vorzugsweise der Kolonne zur Erwärmung des Speisewassers einem Dampferzeuger zur Erzeugung von Sattdampf zugeführt.
Die Verwendung einer Kolonne ist somit Gegenstand der erfindungsgemäßen Dampfelektrolyseanlage zur Erzeugung von Wasserstoff. Im Betrieb der Dampfelektrolyseanlage wird dabei das im Festoxid-Zellenstack erzeugte Wasserstoff-Dampf-Gemisch in die Kolonne geleitet und dort im Gegenstrom unmittelbar mit dem Speisewasser in Kontakt gebracht. Das Wasserstoff-Dampf-Gemisch durchströmt das Speisewasser. Dabei wird eine Phasengrenze zwischen dem Wasserstoff-Dampf-Gemisch und dem Speisewasser ausgebildet. Dadurch wird in der Kolonne das Wasserstoff-Dampf-Gemisch mit dem Speisewasser gekühlt und getrocknet. Im Gegenzug wird das Speisewasser auf etwa Siedetemperatur erhitzt.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass es bei rekuperativen Wärmetauschern aus dem Stand der Technik für die Vorwärmung des Speisewassers mit dem Wasserstoff-Dampf-Gemisch nachteilig am Taupunkt zu einem Pinch kommt. Der Pinch führt dazu, dass auch bei optimaler Auslegung ein wesentlicher Teil des Dampfes nicht auskondensiert und die Verdampfungswärme nicht wiedergewonnen werden kann.
Es wurde erkannt, dass daher mit rekuperativen Wärmetauschern nur ein begrenzter Anteil der Wärme und des Dampfes bei einem Dampfelektrolysesystem zurückgewonnen werden kann.
Im Gegensatz hierzu wird das erzeugte Wasserstoff-Dampf-Gemisch erfindungsgemäß unmittelbar mit dem Speisewasser in Kontakt gebracht und durchmischt. Hierdurch wird vorteilhaft der Pinch am Taupunkt des Gasgemisches vermieden, da der direkte Kontakt zwischen dem Wasserstoff-Dampf-Gemisch und dem Speisewasser zusätzlich zum Wärmeaustausch einen Stoffaustausch zulässt.
Es wurde erkannt, dass sich mit der Dampfelektrolyseanlage und dem rekuperativen Wärmetauscher HX1 nach dem Stand der Technik von Kruse et al. (2021) das Gas nur auf etwa 60 °C abkühlen lässt. Dadurch verbleiben nachteilig noch rund 15 % Restdampf im Gas. Mit der Erfindung lässt sich hingegen fast die gesamte Verdampfungsenthalpie des Dampfes für die Speisewassererwärmung zurückgewinnen. Dadurch kann vorteilhaft der Energieaufwand für die Wasserstoffgewinnung um etwa 2 % gesenkt werden.
Es versteht sich, dass die Dampfelektrolyseanlage in der Zuleitung zum Festoxid-Zellenstack Verbindungsleitungen zwischen Quelle und Mittel zur Erwärmung des Speisewassers, vom Mittel zur Erwärmung des Speisewassers zum Dampferzeuger, vom Dampferzeuger zum Wärmetauscher und vom Wärmetauscher zum Festoxid-Zellenstack aufweist.
Die Rezirkulationsleitung umfasst die Verbindungsleitung vom Abzweig nach dem Mittel zur Erwärmung des Speisewassers zum Gebläse und vom Gebläse zum Leitungsknoten in der Verbindung zwischen Dampferzeuger und Wärmetauscher zur Überhitzung.
Durch die erfindungsgemäße Dampfelektrolyseanlage wird vorteilhaft die Pinch-Problematik vermieden und die Investitionskosten für die benötigte Austauschfläche gesenkt. Der Restwasserdampf aus dem Wasserstoff-Dampf-Gemisch vom Stack wird direkt dem Speisewasser im Mittel zur Erwärmung des Speisewassers zugemischt.
Hinsichtlich der Betriebsbedingungen wird das Speisewasser vorzugsweise in einer Kolonne auf Siedetemperatur erhitzt und in den Dampferzeuger gepumpt. Der erforderliche Stoffmengenstrom an Wasser entspricht der zu erzeugenden Wasserstoffmenge zuzüglich der nicht umgesetzten Wassermenge. Bei 70 % Dampfnutzung ergibt sich also ein Verhältnis von 1:0,7 für den Wasser-Stoffmengenstrom zur erzeugten Wasserstoffmenge. Der erzeugte Sattdampf wird in einem nachfolgenden Wärmetauscher überhitzt und in den Stack geleitet. Die Energie für die Dampfüberhitzung wird aus dem Wasserstoff-Dampf-Gemisch entnommen, der den Stack verlässt. Dieser nun vorgekühlte Abgasstrom wird auf die Kolonne gegeben und im Gegenstrom mit dem flüssigen Speisewasser gekühlt und getrocknet. Von dem Wasserstoffstrom, der die Kolonne verlässt wird mit einem Gebläse ein Volumenstromanteil von etwa 3 - 8 % abgezweigt, der dem Stack wieder zugeführt wird, um im Bereich des Stackeintritts eine reduzierende Gasmischung zu gewährleisten.
Um den größten Teil des Restdampfes im Abgas zu kondensieren, kann der Gasstrom in der Kolonne auf eine Temperatur zwischen 30 und 50 °C abgekühlt werden. Bei einer Speisewasser-Eintrittstemperatur von 20 °C und einer Dampfnutzung im Stack von 70 % benötigt die Kolonne dafür etwa 6 theoretische Böden. Bei dem Einsatz einer Packung mit einem HETP-Wert von 0,4 m ergibt sich daher eine Gesamtpackungshöhe von 2,4 m. Der Innendurchmesser der Kolonne sollte so ausgelegt werden, dass sich ein für die Packung geeigneter F-Faktor ergibt. Für typische Packungen ist der Innendurchmesser so zu wählen, dass sich eine Leerrohrgeschwindigkeit für das Gas zwischen 2 und 4 m/s ergibt.
Die Eintrittstemperatur des Gasstromes in die Kolonne sollte für die genannten Betriebsbedingungen und einem absoluten Betriebsdruck des Dampferzeugers von 2 bar zwischen 125 und 150 °C liegen. Dementsprechend muss der Wärmetauscher für die Dampfüberhitzung ausgelegt werden. Die Austrittstemperatur des erzeugten Wasserstoffstroms am Stack liegt je nach Zellentyp und Stromdichte zwischen 600 und 800 °C. Die Eintrittstemperatur des überhitzten Wasserdampfs liegt an dem Betriebspunkt 40 - 100 K unter der Austrittstemperatur.
Ausführungsbeispiele
Im Weiteren wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen und der beigefügten Figuren näher erläutert, ohne dass es hierdurch zu einer Beschränkung der Erfindung kommen soll.
Es zeigen:

1: Stand der Technik
2: Darstellung der Pinch-Problematik mit rekuperativen Wärmetauschern
3: Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Dampfelektrolyseanlage

1 zeigt die Dampfelektrolyseanlage mit Wärme- und Dampfrückgewinnung gemäß der 4 nach Kruse et al. (2021). Zum Zwecke der Übersichtlichkeit und Vergleichbarkeit wurde die Figur mit Bezugszeichen versehen.
Der erzeugte heiße und feuchte Wasserstoffstrom 8 tritt in Pfeilrichtung aus dem integrierten Modul 7 mit Festoxid-Zellenstack heraus und wird über den Wärmetauscher 6 in den rekuperativen Wärmetauscher 3 geleitet. Der Wärmetauscher 3 in der 1 entspricht dem Wärmetauscher HX1 in der 4 von Kruse et al. (2021). Der gekühlte aber noch feuchte Wasserstoffstrom wird nach Kruse et al. (2021) gespeichert.
Bei der Dampfelektrolyse mit aktuell kommerziell verfügbaren Zellen können Festoxid-Elektrolyse-Stacks auch bei hoher Stromdichte von 1,5 A/cm² thermoneutral betrieben werden. Das heißt, dass die durch Verluste im Stack erzeugte Wärmemenge nicht größer ist, als die Wärmemenge, die für die endotherme Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff erforderlich ist. Daraus wird erfindungsgemäß gefolgert, dass der Wirkungsgrad der Dampfelektrolyse fast vollständig durch die Wärmeverluste über die Abgase des Elektrolyse-Systems bestimmt wird. Es wurde erkannt, dass maßgeblich hierfür der im Stack 7 erzeugte Wasserstoff-Strom 8 ist, der neben dem Wasserstoff auch Wasserdampf enthält, der im Stack nicht umgesetzt wurde. Es wurde erkannt, dass für die Maximierung des Wirkungsgrades die Austrittstemperatur dieses Gasstromes, durch Übertragung der Wärme an das Speisewasser 2 und den erzeugten Frischdampf im Dampferzeuger 4, auf eine möglichst niedrige Temperatur erfolgen muss.
Im Rahmen der Erfindung wurde zudem erkannt, dass rekuperative Wärmetauscher 3 nach dem Stand der Technik dies jedoch verhindern, wie der 2 schematisch zu entnehmen ist. Bezugnehmend auf den Stand der Technik von Kruse et al. (2021) nach der 1 wird in der 2 eine Pinch-Analyse mit der Enthalpie auf der X-Achse und der Temperatur auf der Y-Achse durchgeführt und dargestellt. Die Analyse zeigt, dass sich mit dem konventionellen rekuperativen Wärmetauscher 3 (=HX1) im Gegenstrom zur Aufwärmung des Speisewassers das Gas nur auf etwa 60 °C abkühlen lässt. Dadurch bedingt befinden sich noch etwa 15 % Restdampf im Gas. Ein weiterer limitierender Aspekt der Konstruktion nach dem Stand der Technik gemäß 1 besteht somit darin, dass die als Pinch bezeichnete Temperaturdifferenz die Leistung von Wärmetauschern einschränken kann, wenn die Bereiche und Durchflussraten nicht richtig ausgelegt sind. Der Einklemmpunkt ist in der 1 bzw. 2 die Stelle im Wärmetauscher 3, an der der Temperaturunterschied zwischen heißem Gas und kaltem Speisewasser minimal ist. Bedingt durch den Pinch ist eine weitere Rückgewinnung von Wärme und/oder Dampf aus dem heißen Wasserstoffstrom nicht möglich.
Zwar liegt sowohl die Eintritts- als auch die Austrittstemperatur des Abgases im Wärmetauscher über den jeweiligen Temperaturen des Speisewassers. Dennoch kommt es am Taupunkt des Gasstromes im Wärmetauscher 3 zu einem Pinch ( 2), der eine Verringerung der Differenz zwischen Gasaustritts - und Wassereintrittstemperatur verhindert.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Dampfelektrolyseanlage lässt sich der Pinch vermeiden und damit fast die gesamte Verdampfungsenthalpie des Dampfes zurückgewinnen. Dadurch kann der Energieaufwand für die Wasserstofferzeugung um etwa 2 % gesenkt werden.
Zuleitung und Komponenten bis zum Festoxid-Zellenstack (Figur 3):
Die erfindungsgemäße Dampfelektrolyseanlage weist im zum Stack 7 zuführenden Teil der Anlage zunächst eine Zuleitung oder auch Verbindungsleitung von Speisewasser 2 aus einem Netz bzw. Tank (nicht dargestellt) in die Kolonne 9 als Mittel zur Erhitzung des Speisewassers 2 bis auf etwa Siedetemperatur auf.
In der Kolonne 9 erfolgt über das Gegenstromprinzip eine besonders effektive Wärme- und Dampfrückgewinnung aus dem heißen Wasserstoff-Dampf-Gemisch 8 des Stacks 7.
Die Kolonne weist hierzu in ihrem oberen Teil einen Zulauf für das Speisewasser 2 und eine Gasaustrittsöffnung für den getrockneten Wasserstoffstrom 1 auf. Im unteren Teil der Kolonne ist ein Ablauf für das auf Siedetemperatur erhitzte Speisewasser angeordnet sowie eine Gaseintrittsöffnung für das Wasserstoff-Dampf-Gemisch 8 aus der Abgasleitung vom Stack.
In den oberen Teil der Kolonne 9 wird entsprechend das noch kühle Speisewasser 2 eingeleitet und tropft über einen Verteiler in der Kolonne gleichmäßig durch die Packung der Kolonne nach unten. Im unteren Teil der Kolonne wird das Wasserstoff-Dampf-Gemisch 8 aus der Abgasleitung in die Kolonne 9 hineingeleitet und steigt als Gas durch die benetzte Packung der Kolonne nach oben. Dabei erfolgt über den unmittelbaren Kontakt eine effektive Vermischung von dem aufströmenden Wasserstoff-Dampf-Gemisch 8 mit dem herabfließenden Speisewasser 2 in der Kolonne. Das Wasserstoff-Dampf-Gemisch durchströmt dabei das Speisewasser.
Die aufsteigende leichte Phase des Wasserstoff-Dampf-Gemisches durchströmt die Packung der Kolonne und tauscht mit dem den umgekehrten Weg nehmenden Speisewasser Wärme und Wasserdampf aus.
Am Gasaustritt der Kolonne oben wird der auf diese Weise getrocknete Wasserstoffstrom 1 überwiegend in einen Speicher (nicht dargestellt) nach links in der Figur abgeleitet und gespeichert. Der Dampf aus dem Gemisch tritt hingegen in das Speisewasser über.
Am Ablauf der Kolonne 9 unten ist eine Verbindungsleitung zwischen der Kolonne 9 und dem Dampferzeuger 4 angeordnet. Das auf Siedetemperatur erwärmte Speisewasser wird von der Kolonne 9 aus über eine Pumpe in den Dampferzeuger 4 gepumpt. Der Dampferzeuger 4 erzeugt aus dem Speisewasser 2 den Sattdampf. Hinter dem Dampferzeuger 4 ist eine Verbindungsleitung zwischen dem Dampferzeuger 4 und dem Wärmetauscher 6 zur Überhitzung des Sattdampfes angeordnet. Nach der Überhitzung im Wärmetauscher 6 wird der überhitzte Sattdampf über eine weitere Verbindungsleitung zwischen dem Wärmetauscher 6 und dem Festoxid-Zellenstack 7 auf die Dampfseite des Festoxid-Zellenstacks 7 geleitet. Dieser Teil stellt insofern die Zuleitung zum Stack und die Dampfversorgung des Festoxid-Zellenstacks dar. Im Festoxid-Zellenstack erfolgt die Dampfelektrolyse.
Es versteht sich, dass die Dampfelektrolyseanlage einen entsprechenden Abfluss von erzeugtem Sauerstoff gewährleistet. Dieser Teil der Dampfelektrolyseanlage wurde aus Gründen der Übersicht allerdings nicht dargestellt.
Die Abgasleitung und die Rezirkulationsleitung:
Über die Abgasleitung wird das im Festoxid-Zellenstack 7 erzeugte heiße Wasserstoff-Dampf-Gemisch 8 zunächst bis in den unteren Teil der Kolonne 9 und damit zur Erwärmung des herabfließenden Speisewassers 2 geleitet. In der Kolonne 9 als Mittel zur Erwärmung des Speisewassers 2 gerät das aufsteigende heiße und noch feuchte Wasserstoff-Dampf-Gemisch 8 unmittelbar mit dem kühlen Speisewasser 2 in Kontakt und wird mit diesem effektiv vermischt. Dadurch wird das Speisewasser 2 auf etwa Siedetemperatur erhitzt und der Wasserstoffstrom abgekühlt und getrocknet. Es erfolgt auf diese Weise eine sehr effektive Wärme- und Dampfrückgewinnung aus dem Wasserstoff-Dampf-Gemisch.
Die Abgasleitung führt im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß der 3 vom Festoxid-Zellenstack 7 über den Wärmetauscher 6 zur Überhitzung des Sattdampfes und von dort ohne weiteren Umweg über andere Bauteile in den unteren Gaseintritt der Kolonne 9. Dadurch wird das heiße Wasserstoff-Dampf-Gemisch 8 (etwa 800 °C am Austritt aus dem Festoxid-Zellenstack 7) noch vor dem Eintritt in die Kolonne 9 auf etwa 100 ° C bis maximal 150 °C abgekühlt. Die Wärme des erzeugten Wasserstoff-Dampf-Gemischs 8 wird somit im ersten Schritt zur Überhitzung des im Zulauf zum Stack 7 eintretenden Sattdampfes genutzt, bevor der überhitzte Sattdampf vom Wärmetauscher 6 in den Festoxid-Zellenstack 7 weiter geleitet wird.
Die Rezirkulationsleitung wird hinter dem Gasaustritt der Kolonne 9 zum Stack 7 zurückgeführt. Die Dampfelektrolyseanlage weist zu diesem Zweck hinter dem Gasaustritt der Kolonne ein Gebläse 10 in dem zum Stack führenden Teil der Rezirkulationsleitung auf. Durch den Unterdruck des Gebläses 10 wird dem aus der Kolonne 9 austretenden reduzierten und getrockneten Wasserstoffstrom 1 ein geringer Anteil entnommen und über die zum Stack führende Rezirkulationsleitung wieder dem Festoxid-Zellenstack 7 zugeführt. Dadurch wird im Bereich der Zuführung in den Stack vorteilhaft eine reduzierende Gasmischung gewährleistet. Die Rezirkulationsleitung führt im vorliegenden Ausführungsbeispiel vor dem Wärmetauscher 6 zur Überhitzung des Sattdampfes in die Zulaufleitung zum Stack, so dass der rezirkulierende Wasserstoffstrom 1 hinter der Pumpe 10 in die Verbindungsleitung zwischen dem Dampferzeuger 4 und dem Wärmetauscher 6 geleitet und mit dem Sattdampf des Dampferzeugers vermischt wird.
Somit wird im Wärmetauscher 6 der erzeugte Sattdampf durch den vom Stack stammenden teilweise rezirkulierenden Wasserstoffstrom 1 reduziert und überhitzt und in den Stack 7 geleitet. Die Energie für die Dampfüberhitzung wird aus dem Wasserstoff-Dampf-Gemisch 8 entnommen, der den Stack 7 verlässt. Dieser nun vorgekühlte Gasstrom wird auf die Kolonne 9 geleitet und im Gegenstrom mit dem flüssigen Speisewasser 2 gekühlt und getrocknet. Dem getrockneten Wasserstoffstrom wird mit dem Gebläse bzw. Pumpe 10 wiederum eine geringe Teilmenge entnommen, die dem Stack wieder zugeführt wird um im Bereich des Stackeintritts weiterhin eine reduzierende Gasmischung zu gewährleisten.
Dieser Prozess der Erzeugung und Rezirkulation des Wasserstoffstroms 1 wird ohne Unterbrechung im Betrieb des Festoxid-Zellenstacks 7 fortgeführt.
Betriebsbedingungen der Dampfelektrolyseanlage und Auslegung der Kolonne 9:
Bei der Erfindung wird das Speisewasser 2 in einer Kolonne 9 auf etwa Siedetemperatur erhitzt und in einen Dampferzeuger 4 gepumpt. Der erforderliche Stoffmengenstrom an Wasser entspricht dem zu erzeugenden Stoffmengenstrom Wasserstoff zuzüglich des nicht umgesetzten Wassers. Bei 70 % Dampfnutzung ergibt sich also ein Verhältnis von 1:0,7 für den Wasser-Stoffmengenstrom zur erzeugten Wasserstoffmenge. In dem Wärmetauscher 6 wird der erzeugte Sattdampf überhitzt und in den Stack 7 geleitet. Die Energie für die Dampfüberhitzung wird aus dem Wasserstoff-Dampf-Gemisch 8 entnommen, der den Stack 7 verlässt. Dieser nun vorgekühlte Abgasstrom wird auf die Kolonne 9 gegeben und im Gegenstrom mit dem flüssigen Speisewasser 2 gekühlt und getrocknet. Von dem gekühlten Wasserstoffstrom 1 wird mit einem Gebläse 10 ein Volumenstromanteil von etwa 4 % abgezweigt, der dem Stack 7 wieder zugeführt wird, um im Bereich des Stackeintritts eine reduzierende Gasmischung zu gewährleisten.
Der Einsatz der Kolonne 9 an Stelle eines konventionellen Wärmetauschers verhindert das Auftreten des Pinches, da in der Kolonne nicht nur Wärme, sondern durch die Durchströmung auch Wasser zwischen dem Flüssigkeitsstrom und dem Gasstrom ausgetauscht wird.
Um den größten Teil des Restdampfes im Abgas zu kondensieren, wird der Gasstrom in der Kolonne 9 auf etwa 35 °C abgekühlt. Bei einer Speisewasser-Eintrittstemperatur von 20 °C und einer Dampfnutzung im Stack von 70 % benötigt die Kolonne 9 dafür etwa 6 theoretische Böden. Bei dem Einsatz einer Packung mit einem HETP-Wert von 0,4 m ergibt sich daher eine Gesamtpackungshöhe von etwa 2,4 m. Der Innendurchmesser der Kolonne 9 sollte so ausgelegt werden, dass sich ein für die Packung geeigneter F-Faktor ergibt. Für typische Packungen ist der Innendurchmesser so zu wählen, dass sich eine Leerrohrgeschwindigkeit für das Gas zwischen 2 und 4 m/s ergibt.
Die Eintrittstemperatur des Wasserstoff-Dampf-Gemischs 8 in die Kolonne 9 sollte für die genannten Bedingungen und einem absoluten Betriebsdruck des Dampferzeugers 4 von 2 bar zwischen 125 und 150 °C liegen. Dementsprechend muss der Wärmetauscher 6 für die Dampfüberhitzung ausgelegt werden. Die Austrittstemperatur des Wasserstoffstroms 8 an Festoxid-Zellenstack 7 liegt je nach Zellentyp und Stromdichte zwischen 600 und 800 °C. Die Eintrittstemperatur liegt an dem Betriebspunkt 40 - 100 K unter der Austrittstemperatur.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Technik von Kruse et al. (2021 [0042]
Kruse et al. (2021 [0051]

Claims

Verfahren zur Wärme - und Dampfrückgewinnung bei der Dampfelektrolyse in einer Dampfelektrolyseanlage, wobei die Dampfelektrolyseanlage einen Festoxid-Zellenstack (7) zur Erzeugung eines Wasserstoff-Dampf-Gemisches (8) umfasst und in der Anlage das Speisewasser (2) in einem Mittel (9) zur Erwärmung des Speisewassers zunächst auf etwa Siedetemperatur erhitzt wird bevor es zum Festoxid-Zellenstack (7) geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das das während der Dampfelektrolyse erzeugte Wasserstoff-Dampf-Gemisch (8) aus dem Festoxid-Zellenstack (7) über eine Abgasleitung in das Mittel (9) zur Erwärmung des Speisewassers (2) geleitet wird und dort in unmittelbaren Kontakt mit dem Speisewasser (2) gebracht wird, wodurch das Wasserstoff-Dampf-Gemisch (8) gekühlt und getrocknet wird und das Speisewasser (2) auf etwa Siedetemperatur erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das im Mittel (9) zur Erwärmung des Speisewassers (2) auf etwa Siedetemperatur erhitzte Speisewasser einem Dampferzeuger (4) zur Erzeugung von Sattdampf zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sattdampf aus dem Dampferzeuger (4) einem Wärmetauscher (6) zur Überhitzung des Sattdampfes zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der überhitzte Sattdampf aus dem Wärmetauscher (6) dem Festoxid-Zellenstack (7) zugeführt und dort zu dem Wasserstoff-Dampf-Gemisch (8) reduziert wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das im Festoxid-Zellenstack (7) erzeugte Wasserstoff-Dampf-Gemisch (8) über die Abgasleitung zunächst dem Wärmetauscher (6) zum Zweck der Überhitzung des Sattdampfes zugeleitet wird bevor das hierdurch abgekühlte Wasserstoff-Dampf-Gemisch in das Mittel (9) zum Zweck der Erwärmung des Speisewassers (2) auf etwa Siedetemperatur weiter geleitet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem das Mittel (9) zur Erwärmung des Speisewassers (2) verlassenden Wasserstoffstrom (1) mit einem Gebläse (10) eine Teilmenge Wasserstoff entnommen wird und über eine Rezirkulationsleitung wieder dem Festoxid-Zellenstack (7) zugeführt wird.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die entnommene Teilmenge Wasserstoff über die Rezirkulationsleitung der Zuleitung zum Festoxid-Zellenstack (7) zwischen dem Dampferzeuger (4) und dem Wärmetauscher (6) zur Erzeugung einer reduzierenden Gasmischung zugeleitet wird, bevor es zusammen mit dem überhitzten Sattdampf dem Festoxid-Zellenstack (7) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch die Wahl einer Kolonne (9) als Mittel zur Erwärmung des Speisewassers (2).
Dampfelektrolyseanlage umfassend einen Festoxid-Zellenstack (7) zur Erzeugung eines Wasserstoff-Dampf-Gemisches (8) sowie ein Mittel (9) zur Erwärmung des Speisewassers (2) bis auf etwa Siedetemperatur, wobei die Dampfelektrolyseanlage eine Abgasleitung aufweist, die vom Festoxid-Zellenstack (7) in das Mittel (9) zur Erhitzung des Speisewassers (2) führt, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (9) derartig ausgestaltet ist, dass darin das Speisewasser (2) in unmittelbaren Kontakt mit dem erzeugten Wasserstoff-Dampf-Gemisch (8) des Festoxid-Zellenstacks (7) gelangt, wodurch das Wasserstoff-Dampf-Gemisch (8) getrocknet und das Speisewasser (2) auf etwa Siedetemperatur erhitzt wird.
Dampfelektrolyseanlage nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage in der Zuleitung zum Festoxid-Zellenstack (7) einen Dampferzeuger (4) umfasst, welcher aus dem auf Siedetemperatur erhitzten Speisewasser (2) Sattdampf erzeugt.
Dampfelektrolyseanlage nach einem der vorherigen zwei Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage in der Zuleitung zum Festoxid-Zellenstack (7) einen Wärmetauscher (6) aufweist, der den Sattdampf des Dampferzeugers (4) überhitzt bevor es in den Festoxid-Zellenstack (7) gelangt.
Dampfelektrolyseanlage nach einem der vorherigen drei Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasleitung vom Festoxid-Zellenstack (7) zum Mittel (9) zur Erwärmung des Speisewassers (2) der Wärmetauscher (6) angeordnet ist, welcher die Wärme des erzeugten Wasserstoff-Dampf-Gemisches (8) zur Überhitzung von Sattdampf für den Festoxid-Zellenstack (7) nutzt.
Dampfelektrolyseanlage nach einem der vorherigen vier Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Rezirkulationsleitung, welche von dem Mittel (9) zur Erwärmung des Speisewassers (2) wieder zum Festoxid-Zellenstack (7) zurückführt, und in welcher reduzierter Wasserstoff (1) zum Festoxid-Zellenstack (7) transportiert wird.
Dampfelektrolyseanlage nach einem der vorherigen fünf Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rezirkulationsleitung vom Mittel (9) zur Erwärmung des Speisewassers (2) zum Festoxid-Zellenstack (7) der Wärmetauscher (6) zur Überhitzung des Sattdampfes angeordnet ist.
Dampfelektrolyseanlage nach einem der vorherigen sechs Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kolonne (9) als Mittel zur Erwärmung des Speisewassers (2).
Verwendung einer Kolonne (9) in einer Dampfelektrolyseanlage zur Erzeugung von Wasserstoff (1), dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb der Dampfelektrolyseanlage das in einem Festoxid-Zellenstack (7) erzeugte Wasserstoff-Dampf-Gemisch (8) in die Kolonne (9) geleitet wird und dort im Gegenstrom unmittelbar mit dem Speisewasser (2) in Kontakt gebracht wird, so dass in der Kolonne (9) das Wasserstoff-Dampf-Gemisch (8) mit dem flüssigen Speisewasser (2) gekühlt und getrocknet wird und im Gegenzug das Speisewasser (2) auf etwa Siedetemperatur erhitzt wird.