DE102021203518A1

DE102021203518A1 - Festoxidelektrolysezellenvorrichtung, Verfahren zum Betrieb einer Festoxidelektrolysezellenvorrichtung und Festoxidelektrolysezellensystem

Info

Publication number: DE102021203518A1
Application number: DE102021203518.3A
Authority: DE
Inventors: Maxime Carre
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-04-09
Filing date: 2021-04-09
Publication date: 2022-10-13
Also published as: WO2022214509A1

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Festoxidelektrolysezellenvorrichtung (10) mit zumindest zwei Wärmeübertragereinheiten (16, 18), mit zumindest einer Elektrolysezelleneinheit (12), welche dazu ausgebildet ist, Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten, und mit zumindest einer Wasserzuleitung (14), welche mit der Elektrolysezelleneinheit (12) verbunden ist und an welcher die zumindest zwei Wärmeübertragereinheiten (16, 18) angeordnet sind, zu einem Erwärmen des Wassers in der Wasserzuleitung (14), wobei zumindest eine der zumindest zwei Wärmeübertragereinheiten (16, 18) dazu ausgebildet ist, Abwärme von dem Wasserstoff aus der Elektrolysezelleneinheit (12) auf das Wasser zu übertragen und wobei zumindest eine der zumindest zwei Wärmeübertragereinheiten (16, 18) dazu ausgebildet ist, Abwärme von dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit (12) auf das Wasser zu übertragen.
Es wird vorgeschlagen, dass die zumindest zwei Wärmeübertragereinheiten (16, 18) fluidstromtechnisch parallel zueinander an der zumindest einen Wasserzuleitung (14) angeordnet sind.

Description

Stand der Technik
Es ist bereits eine Festoxidelektrolysezellenvorrichtung mit zumindest zwei Wärmeübertragereinheiten, mit zumindest einer Elektrolysezelleneinheit, welche dazu ausgebildet ist, Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten, und mit zumindest einer Wasserzuleitung, welche mit der Elektrolysezelleneinheit verbunden ist und an welcher die zumindest zwei Wärmeübertragereinheiten angeordnet sind, zu einem Erwärmen des Wassers in der Wasserzuleitung, wobei zumindest eine der zumindest zwei Wärmeübertragereinheiten dazu ausgebildet ist, Abwärme von dem Wasserstoff aus der Elektrolysezelleneinheit auf das Wasser zu übertragen und wobei zumindest eine der zumindest zwei Wärmeübertragereinheiten dazu ausgebildet ist, Abwärme von dem Sauerstoff, insbesondere von sauerstoffreicher Luft, aus der Elektrolysezelleneinheit auf das Wasser zu übertragen, vorgeschlagen worden.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer Festoxidelektrolysezellenvorrichtung mit zumindest zwei Wärmeübertragereinheiten, mit zumindest einer Elektrolysezelleneinheit, welche dazu ausgebildet ist, Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten, und mit zumindest einer Wasserzuleitung, welche mit der Elektrolysezelleneinheit verbunden ist und an welcher die zumindest zwei Wärmeübertragereinheiten angeordnet sind, zu einem Erwärmen des Wassers in der Wasserzuleitung, wobei zumindest eine der zumindest zwei Wärmeübertragereinheiten dazu ausgebildet ist, Abwärme von dem Wasserstoff aus der Elektrolysezelleneinheit auf das Wasser zu übertragen und wobei zumindest eine der zumindest zwei Wärmeübertragereinheiten dazu ausgebildet ist, Abwärme von dem Sauerstoff, insbesondere von sauerstoffreicher Luft, aus der Elektrolysezelleneinheit auf das Wasser zu übertragen.
Es wird vorgeschlagen, dass die zumindest zwei Wärmeübertragereinheiten fluidstromtechnisch parallel zueinander an der zumindest einen Wasserzuleitung angeordnet sind.
Unter einer „Festoxidelektrolysezellenvorrichtung“ soll insbesondere zumindest ein Teil, insbesondere eine Unterbaugruppe, einer Elektrolysezelle, insbesondere eines Festoxidelektrolysezellensystems, verstanden werden. Insbesondere kann die Festoxidelektrolysezellenvorrichtung auch die gesamte Elektrolysezelle, insbesondere das gesamte Festoxidelektrolysezellensystem, umfassen. Vorzugsweise ist die Festoxidelektrolysezellenvorrichtung zumindest als ein Teil einer Hochtemperaturelektrolysezelle, insbesondere Hochtemperaturfestoxidelektrolysezelle, kurz SOEC, insbesondere als Hochtemperaturfestoxidelektrolysezellensystem, ausgebildet.
Vorzugsweise ist die zumindest eine Elektrolysezelleneinheit zumindest teilweise als ein Elektrolysezellenstapel ausgebildet, welcher dazu ausgebildet ist, das Wasser in den Wasserstoff und den Sauerstoff aufzuspalten. Vorzugsweise verbindet die Wasserzuleitung die Elektrolysezelleneinheit mit einem Wasserreservoir. Die Festoxidelektrolysezellenvorrichtung kann das Wasserreservoir umfassen. Das Wasserreservoir kann ein Wassertank und/oder eine Wasserleitung eines öffentlichen Wassernetzes, insbesondere Trinkwassernetzes, sein. Vorzugsweise ist an oder in der Wasserzuleitung eine Reinigungseinheit angeordnet zu einem Aufbereiten, insbesondere Filtern, des Wassers, insbesondere zu einem Erzielen eines vorteilhaft hohen Reinheitsgrads des Wassers vor einem Einleiten des Wassers in die Elektrolysezelleneinheit. Die Festoxidelektrolysezellenvorrichtung oder die Wasserzuleitung kann die Reinigungseinheit umfassen. Vorzugsweise ist an oder in der Wasserzuleitung eine Pumpeneinheit angeordnet zu einem, insbesondere dosierten und/oder nach Flussmenge definierten, Fördern, des Wassers, insbesondere zu der Elektrolysezelleneinheit. Die Festoxidelektrolysezellenvorrichtung oder die Wasserzuleitung kann die Pumpeneinheit umfassen.
Vorzugsweise ist die Pumpeneinheit dazu ausgebildet, einen Wasserfluss, insbesondere Fluidfluss, von dem Wasserreservoir zu der Elektrolysezelleneinheit, insbesondere durch die Reinigungseinheit, zu generieren. Vorzugsweise umfasst die zumindest eine Wasserzuleitung mehrere Leitungsabschnitte, welche miteinander verbunden sind, um das Wasserreservoir fluidisch mit der Elektrolyseeinheit zu verbinden.
Vorzugsweise sind die zumindest zwei Wärmeübertragereinheiten als Plattenwärmeübertrager, als Spiralwärmeübertrager, als Rohrwärmeübertrager, als Mantelrohrwärmeübertrager und/oder als Lamellenwärmeübertrager ausgebildet. Vorzugsweise sind die zumindest zwei Wärmeübertragereinheiten an verschiedenen Leitungsabschnitten der zumindest einen Wasserzuleitung angeordnet. Vorzugsweise sind die zumindest zwei Wärmeübertragereinheiten dazu vorgesehen, Wasser in verschiedenen Leitungsabschnitten der zumindest einen Wasserzuleitung zu erwärmen. Unter „vorgesehen“ soll vorzugsweise speziell eingerichtet, speziell ausgebildet, speziell ausgelegt und/oder speziell ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll vorzugsweise verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Unter einem „Betriebszustand“ der Festoxidelektrolysezellenvorrichtung soll vorzugsweise ein Zustand verstanden werden, in welchem die Elektrolysezelleneinheit Sauerstoff, insbesondere sauerstoffreiche Luft, und Wasserstoff, insbesondere feuchter Wasserstoff, insbesondere ein Gemisch aus Wasserstoff und Wasserdampf, produziert. Vorzugsweise sind die zumindest zwei Wärmeübertragereinheiten jeweils mit der Elektrolysezelleneinheit, insbesondere durch eine Gasleitung, verbunden. Vorzugsweise umfasst die Festoxidelektrolysezellenvorrichtung zumindest zwei Gasleitungen, welche insbesondere die zumindest zwei Wärmeübertragereinheiten mit der Elektrolysezelleneinheit verbinden.
Vorzugsweise ist zumindest eine Wärmeübertragereinheit, insbesondere eine Wasserstoffwärmeübertragereinheit, der zumindest zwei Wärmeübertragereinheiten dazu ausgebildet, Abwärme von dem Wasserstoff aus der Elektrolysezelleneinheit, insbesondere in der Elektrolysezelleneinheit erzeugten Wasserstoff, auf das Wasser in der Wasserzuleitung zu übertragen. Vorzugsweise ist zumindest eine Wärmeübertragereinheit, insbesondere eine Sauerstoffwärmeübertragereinheit, der zumindest zwei Wärmeübertragereinheiten dazu ausgebildet, Abwärme von dem Sauerstoff, aus der Elektrolysezelleneinheit, insbesondere in der Elektrolysezelleneinheit erzeugten Sauerstoff, wobei der Sauerstoff insbesondere als Teil von sauerstoffreicher Luft vorliegen kann, auf das Wasser in der Wasserzuleitung zu übertragen. Insbesondere kann der von der Elektrolysezelleneinheit produzierte Sauerstoff als Teil von sauerstoffreicher Luft vorliegen. Insbesondere kann der von der Elektrolysezelleneinheit produzierte Wasserstoff als feuchter Wasserstoff vorliegen, wobei feuchter Wasserstoff ein Gemisch aus Wasserstoff und Wasserdampf bezeichnet.
Vorzugsweise sind die zumindest zwei Wärmeübertragereinheiten, insbesondere die Wasserstoffwärmeübertragereinheit und die Sauerstoffwärmeübertragereinheit fluidstromtechnisch, insbesondere in Bezug auf den Wasserfluss, insbesondere in Bezug auf den Fluidfluss, parallel zueinander an, insbesondere zumindest teilweise in, der zumindest einen Wasserzuleitung angeordnet. Vorzugsweise sind zumindest zwei Leitungsabschnitte, insbesondere in Bezug auf den Wasserfluss, insbesondere in Bezug auf den Fluidfluss, parallel zueinander angeordnet. Vorzugsweise sind zumindest zwei Leitungsabschnitte der Wasserzuleitung in Bypassstellung zueinander angeordnet. Der Ausdruck „fluidtechnisch parallel“ soll insbesondere eine parallele Leitungsanordnung für Fluidleitungen in Analogie zu einer parallelen elektrischen Leitungsanordnung definieren.
Vorzugsweise fließt in dem Betriebszustand der Festoxidelektrolysezellenvorrichtung Wasser von dem Wasserreservoir zu der Elektrolysezelleneinheit. Vorzugsweise fließt in dem Betriebszustand ein Teil des Wassers abschnittsweise ausschließlich durch einen Leitungsabschnitt und ein anderer Teil des Wassers abschnittsweise ausschließlich durch einen anderen Leitungsabschnitt.
Vorzugsweise umfasst die Wasserzuleitung zumindest einen Wasserstoffleitungsabschnitt und zumindest einen Sauerstoffleitungsabschnitt. Vorzugsweise ist zumindest eine Wärmeübertragereinheit, insbesondere die Wasserstoffwärmeübertragereinheit, an dem Wasserstoffleitungsabschnitt der Wasserzuleitung angeordnet. Vorzugsweise ist zumindest eine Wärmeübertragereinheit, insbesondere die Sauerstoffwärmeübertragereinheit, an dem Sauerstoffleitungsabschnitt der Wasserzuleitung angeordnet.
Vorzugsweise sind der zumindest eine Sauerstoffleitungsabschnitt und der zumindest eine Wasserstoffleitungsabschnitt, bevorzugt fluidstromtechnisch, insbesondere in Bezug auf den Wasserfluss, insbesondere in Bezug auf den Fluidfluss, parallel zueinander, bevorzugt an, insbesondere zumindest teilweise in, der zumindest einen Wasserzuleitung, angeordnet. Vorzugsweise sind der zumindest eine Sauerstoffleitungsabschnitt und der zumindest eine Wasserstoffleitungsabschnitt der Wasserzuleitung in Bypassstellung zueinander angeordnet.
Vorzugsweise ist die Wasserstoffwärmeübertragereinheit mit der Elektrolysezelleneinheit durch eine Wasserstoffgasleitung verbunden. Vorzugsweise umfasst die Festoxidelektrolysezellenvorrichtung die Wasserstoffgasleitung. Vorzugsweise ist die Sauerstoffwärmeübertragereinheit mit der Elektrolysezelleneinheit durch eine Sauerstoffgasleitung verbunden. Vorzugsweise umfasst die Festoxidelektrolysezellenvorrichtung die Sauerstoffgasleitung. Vorzugsweise ist die Sauerstoffgasleitung zu einem Abführen von Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit, wobei der Sauerstoff insbesondere als Teil von sauerstoffreicher Luft vorliegen kann, in einen Sauerstofftank und/oder eine Umgebungsluft, insbesondere durch eine der zumindest zwei Wärmeübertragereinheiten, bevorzugt die Sauerstoffwärmeübertragereinheit. Vorzugsweise ist die Wasserstoffgasleitung zu einem Abführen von Wasserstoff aus der Elektrolysezelleneinheit in einen Wasserstofftank, insbesondere mit einer Reinigung und einer Komprimierung in den Wasserstofftank, insbesondere durch eine der zumindest zwei Wärmeübertragereinheiten, bevorzugt die Wasserstoffwärmeübertragereinheit. Die Festoxidelektrolysezellenvorrichtung kann den Sauerstofftank und/oder den Wasserstofftank umfassen.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Festoxidelektrolysezellenvorrichtung kann ein vorteilhafter Wirkungsgrad der Festoxidelektrolysezellenvorrichtung erreicht werden. Insbesondere kann eine vorteilhafte Abwärmeübertragung aus der Elektrolysezelleneinheit auf das Wasser in der Wasserzuleitung erreicht werden. Es kann ein vorteilhaft kostengünstiger Betrieb der Festoxidelektrolysezellenvorrichtung erreicht werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Wasserzuleitung zumindest eine Hauptwasserzuleitung, zumindest zwei Teilwasserzuleitungen, und zumindest eine Ventileinheit umfasst, welche die Hauptwasserzuleitung mit den zwei Teilwasserzuleitungen verbindet und welche dazu ausgebildet ist, Wasserflüsse durch die zumindest zwei Teilwasserzuleitungen einzustellen, wobei an jeder der zumindest zwei Teilwasserzuleitungen jeweils zumindest eine der zumindest zwei Wärmeübertragereinheiten angeordnet ist. Vorzugsweise trennt die zumindest eine Ventileinheit die zumindest eine Hauptwasserzuleitung von den zumindest zwei Teilwasserzuleitungen. Vorzugsweise bildet der Wasserstoffleitungsabschnitt eine Teilwasserzuleitung, insbesondere eine Wasserstoffteilwasserzuleitung, der zumindest zwei Teilwasserzuleitungen. Vorzugsweise bildet der Sauerstoffleitungsabschnitt eine Teilwasserzuleitung, insbesondere eine Sauerstoffteilwasserzuleitung, der zumindest zwei Teilwasserzuleitungen. Vorzugsweise trennt die zumindest eine Ventileinheit die zumindest eine Hauptwasserzuleitung von der Wasserstoffteilwasserzuleitung und von der Sauerstoffteilwasserzuleitung. Vorzugsweise ist die Ventileinheit als eine Drei-Wege-Ventileinheit ausgebildet. Alternativ kann die zumindest eine Ventileinheit als zwei proportionale Ventile ausgebildet sein. Vorzugsweise ist die Ventileinheit dazu vorgesehen, einen Positionswechsel des Ventils stetig durchzuführen, wobei ein einkommender Wasserfluss insbesondere durch eine stetige Einstellung der Ventileinheit zu den Wärmeübertragern möglich sein muss, wie beispielsweise mit einem Verhältnis von 35,5% zu dem Wasserstoffwärmeübertrager und 64,5% zu dem Sauerstoffwärmeübertrager und ein ausschließlicher Wasserfluss zu einem der zwei Wärmeübertrager vermieden werden kann. Die Wasserzuleitung kann zumindest eine Hauptwasserzuleitung und eine beliebig geradzahlige Anzahl an Teilwasserzuleitungen umfassen, beispielsweise zu einem Versorgen von mehreren Elektrolysezelleneinheiten mit Wasser aus einem Wasserreservoir. Die Ventileinheit kann als eine Fünf-, Sieben-, Neun- oder dergleichen- Wege-Ventileinheit ausgebildet sein. Vorzugsweise ist die Ventileinheit dazu ausgebildet, die Wasserflüsse durch die zumindest zwei Teilwasserzuleitungen individuell einzustellen. Vorzugsweise ist die Ventileinheit dazu ausgebildet, einen Wasserfluss durch die Wasserstoffteilwasserzuleitung, insbesondere durch den Wasserstoffleitungsabschnitt, einzustellen. Vorzugsweise ist die Ventileinheit dazu ausgebildet, einen Wasserfluss durch die Sauerstoffteilwasserzuleitung, insbesondere durch den Sauerstoffleitungsabschnitt, einzustellen. Es kann eine vorteilhafte Verteilung des Wassers durch die zumindest zwei Teilwasserzuleitungen erreicht werden, zu einem Erzielen eines vorteilhaft effizienten Wärmeeintrags in das gesamte Wasser.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Ventileinheit ein Wasserflussverhältnis von einem Wasserfluss durch die Teilwasserzuleitung an der zumindest einen Wärmeübertragereinheit, welche dazu ausgebildet ist, Abwärme von dem Wasserstoff aus der Elektrolysezelleneinheit auf das Wasser zu übertragen, zu einem Wasserfluss durch die Teilwasserzuleitung an der zumindest einen Wärmeübertragereinheit, welche dazu ausgebildet ist, Abwärme von dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit, wobei der Sauerstoff insbesondere als Teil von sauerstoffreicher Luft vorliegen kann, auf das Wasser zu übertragen, ausbildet, welches einem Wärmekapazitätsflussverhältnis von dem Wasserstoff zu dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit entspricht. Vorzugsweise weist der Wasserstoff aus der Elektrolysezelleneinheit, insbesondere der in der Elektrolysezelleneinheit erzeugte Wasserstoff, eine definierte Temperatur auf. Vorzugsweise weist der Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit, insbesondere der in der Elektrolysezelleneinheit erzeugte Sauerstoff, wobei der Sauerstoff insbesondere als Teil von sauerstoffreicher Luft vorliegen kann, eine definierte Temperatur auf. Vorzugsweise ist die Elektrolysezelleneinheit dazu ausgebildet, insbesondere in dem Betriebszustand, eine definierte Menge an Wasserstoff, insbesondere pro Zeiteinheit, zu erzeugen. Vorzugsweise ist die Elektrolysezelleneinheit dazu ausgebildet, insbesondere in dem Betriebszustand, eine definierte Menge an Sauerstoff, insbesondere pro Zeiteinheit, zu erzeugen. Vorzugsweise bildet der Wasserstoff aus der Elektrolysezelleneinheit, insbesondere der in der Elektrolysezelleneinheit erzeugte Wasserstoff, zu dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit, insbesondere dem in der Elektrolysezelleneinheit erzeugten Sauerstoff, wobei der Sauerstoff insbesondere als Teil von sauerstoffreicher Luft vorliegen kann, ein zu jedem Zeitpunkt erfassbares Wärmekapazitätsflussverhältnis aus. Vorzugsweise ist das Wärmekapazitätsflussverhältnis jeweils an den zumindest zwei Wärmeübertragereinheiten, insbesondere der Sauerstoffwärmeübertragereinheit und der Wasserstoffwärmeübertragereinheit, erfassbar. Vorzugsweise ist die Ventileinheit dazu ausgebildet, einen Wasserfluss durch die Hauptwasserzuleitung derart auf die zumindest zwei Teilwasserzuleitungen aufzuteilen, dass das Verhältnis des Wasserflusses durch die Teilwasserzuleitung an der zumindest einen Wärmeübertragereinheit, welche dazu ausgebildet ist, Abwärme von dem Wasserstoff aus der Elektrolysezelleneinheit auf das Wasser zu übertragen, insbesondere an der Wasserstoffwärmeübertragereinheit, insbesondere durch die Wasserstoffteilwasserzuleitung, zu dem Wasserfluss durch die Teilwasserzuleitung an der zumindest einen Wärmeübertragereinheit, welche dazu ausgebildet ist, Abwärme von dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit, wobei der Sauerstoff insbesondere als Teil von sauerstoffreicher Luft vorliegen kann, auf das Wasser zu übertragen, insbesondere an der Sauerstoffwärmeübertragereinheit, insbesondere durch die Sauerstoffteilwasserzuleitung, dem Wärmekapazitätsflussverhältnis entspricht. Vorzugsweise ist die Ventileinheit dazu ausgebildet, mehr Wasser durch die Teilwasserzuleitung zu leiten, an welcher die Wärmeübertragereinheit angeordnet ist, welche mit einem höheren Wärmekapazitätsfluss gekoppelt ist. Alternativ kann die zumindest eine Ventileinheit ein Wasserflussverhältnis von einem Wasserfluss durch die Teilwasserzuleitung an der zumindest einen Wärmeübertragereinheit, welche dazu ausgebildet ist, Abwärme von dem Wasserstoff aus der Elektrolysezelleneinheit auf das Wasser zu übertragen, zu einem Wasserfluss durch die Teilwasserzuleitung an der zumindest einen Wärmeübertragereinheit, welche dazu ausgebildet ist, Abwärme von dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit, wobei der Sauerstoff insbesondere als Teil von sauerstoffreicher Luft vorliegen kann, auf das Wasser zu übertragen, ausbilden, welches einem Volumenflussverhältnis von dem Wasserstoff, insbesondere dem feuchten Wasserstoff, zu dem Sauerstoff, insbesondere zu der sauerstoffreichen Luft, aus der Elektrolysezelleneinheit entspricht. Es kann eine vorteilhaft effiziente Wärmenutzung der Abwärme von Sauerstoff und Wasserstoff erreicht werden. Insbesondere kann das Wasser vorteilhaft effizient vorgewärmt werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Festoxidbrennstoffzellenvorrichtung zumindest eine Sensoreinheit aufweist, welche dazu ausgebildet ist, eine Temperatur von dem Wasserstoff aus der Elektrolysezelleneinheit und eine Temperatur von dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit, wobei der Sauerstoff insbesondere als Teil von sauerstoffreicher Luft vorliegen kann, zu erfassen. Vorzugsweise ist die Sensoreinheit als eine Temperatursensoreinheit zu einem Erfassen von Temperaturen ausgebildet. Beispielsweise kann die Sensoreinheit PT-Sensoren umfassen. Vorzugsweise ist die Sensoreinheit dazu ausgebildet, die Temperatur von dem Wasserstoff aus der Elektrolysezelleneinheit, insbesondere von dem in der Elektrolysezelleneinheit erzeugten Wasserstoff, in der Wasserstoffgasleitung zu erfassen. Vorzugsweise ist die Sensoreinheit dazu ausgebildet, die Temperatur von dem Wasserstoff aus der Elektrolysezelleneinheit, insbesondere von dem in der Elektrolysezelleneinheit erzeugten Wasserstoff, an der Wasserstoffwärmeübertragereinheit zu erfassen. Vorzugsweise ist die Sensoreinheit dazu ausgebildet, die Temperatur von dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit, insbesondere von dem in der Elektrolysezelleneinheit erzeugten Sauerstoff, wobei der Sauerstoff insbesondere als Teil von sauerstoffreicher Luft vorliegen kann, in der Sauerstoffgasleitung zu erfassen. Vorzugsweise ist die Sensoreinheit dazu ausgebildet, die Temperatur von dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit, insbesondere von dem in der Elektrolysezelleneinheit erzeugten Sauerstoff, an der Sauerstoffwärmeübertragereinheit zu erfassen. Vorzugsweise ist die Sensoreinheit als eine Durchflusssensoreinheit zu einem Erfassen von Fluidflüssen, insbesondere Gasflüssen, ausgebildet. Vorzugsweise ist die Sensoreinheit dazu ausgebildet, den Durchfluss von dem Wasserstoff aus der Elektrolysezelleneinheit, insbesondere von dem in der Elektrolysezelleneinheit erzeugten Wasserstoff, in der Wasserstoffgasleitung zu erfassen. Vorzugsweise ist die Sensoreinheit dazu ausgebildet, den Durchfluss von dem Wasserstoff aus der Elektrolysezelleneinheit, insbesondere von dem in der Elektrolysezelleneinheit erzeugten Wasserstoff, an der Wasserstoffwärmeübertragereinheit zu erfassen. Vorzugsweise ist die Sensoreinheit dazu ausgebildet, den Durchfluss von dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit, insbesondere von dem in der Elektrolysezelleneinheit erzeugten Sauerstoff, in der Sauerstoffgasleitung zu erfassen. Vorzugsweise ist die Sensoreinheit dazu ausgebildet, den Durchfluss von dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit, insbesondere von dem in der Elektrolysezelleneinheit erzeugten Sauerstoff, an der Sauerstoffwärmeübertragereinheit zu erfassen. Es kann eine vorteilhaft genaue Bestimmung des Wärmeflusskapazitätsverhältnisses erreicht werden. Es kann eine vorteilhafte Überwachung des Wärmeflusskapazitätsverhältnisses erreicht werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Festoxidbrennstoffzellenvorrichtung zumindest eine Recheneinheit aufweist, welche dazu ausgebildet ist, ein Wärmekapazitätsflussverhältnis von dem Wasserstoff zu dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit zu verarbeiten. Vorzugsweise ist die Recheneinheit mit der Sensoreinheit verbunden, insbesondere zu einem Datenübertragen. Vorzugsweise ist die Recheneinheit dazu ausgebildet, aus den erfassten Daten der Sensoreinheit, insbesondere in regelmäßigen zeitlichen Abständen, bevorzugt zumindest einmal pro Stunde, das Wärmekapazitätsflussverhältnis von dem Wasserstoff zu dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit zu ermitteln, insbesondere zu berechnen. Es kann eine vorteilhafte schnelle Verfügbarkeit des Wärmeflusskapazitätsverhältnisses erreicht werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Festoxidbrennstoffzellenvorrichtung zumindest eine, insbesondere die bereits genannte, Recheneinheit aufweist, welche dazu ausgebildet ist, ein Wasserflussverhältnis der zumindest einen Ventileinheit einzustellen. Vorzugsweise ist die Recheneinheit mit der Ventileinheit verbunden. Vorzugsweise ist die Ventileinheit elektrisch ansteuerbar zu einem, insbesondere teilweisen, Öffnen und/oder einem, insbesondere teilweisen, Schließen von Öffnungen zu den Teilwasserzuleitungen. Vorzugsweise ist die Recheneinheit dazu ausgebildet, das Wasserflussverhältnis, insbesondere durch die zumindest zwei Teilwasserzuleitungen, bevorzugt die Wasserstoffteilwasserzuleitung und die Sauerstoffteilwasserzuleitung, an der Ventileinheit einzustellen. Es kann eine vorteilhafte Regulierung des Wasserflussverhältnisses erreicht werden. Insbesondere kann das Wasserflussverhältnis in einem Betriebszustand vorteilhaft angepasst werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Festoxidbrennstoffzellenvorrichtung zumindest eine, insbesondere die bereits genannte, Recheneinheit aufweist, welche dazu ausgebildet ist, ein Wasserflussverhältnis der zumindest einen Ventileinheit in Abhängigkeit von einem Wärmekapazitätsflussverhältnis von dem Wasserstoff zu dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit einzustellen. Vorzugsweise ist die zumindest eine Recheneinheit dazu ausgebildet, das Wasserflussverhältnis durch die zumindest zwei Teilwasserzuleitungen, bevorzugt die Wasserstoffteilwasserzuleitung und die Sauerstoffteilwasserzuleitung, an der zumindest einen Ventileinheit in Abhängigkeit von einem Wärmekapazitätsflussverhältnis von dem Wasserstoff zu dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit einzustellen.
Vorzugsweise ist die zumindest eine Recheneinheit dazu ausgebildet, das Wasserflussverhältnis durch die zumindest zwei Teilwasserzuleitungen, bevorzugt die Wasserstoffteilwasserzuleitung und die Sauerstoffteilwasserzuleitung, an der zumindest einen Ventileinheit derart einzustellen, dass das Wasserflussverhältnis durch die zumindest zwei Teilwasserzuleitungen dem, insbesondere aktuellen, Wärmekapazitätsflussverhältnis von dem Wasserstoff zu dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit entspricht. Vorzugsweise ist die zumindest eine Recheneinheit dazu ausgebildet, das Wasserflussverhältnis durch die zumindest zwei Teilwasserzuleitungen, bevorzugt die Wasserstoffteilwasserzuleitung und die Sauerstoffteilwasserzuleitung, an der zumindest einen Ventileinheit derart einzustellen, dass mehr Wasser durch die Teilwasserzuleitung fließt, an welcher die Wärmeübertragereinheit einen größeren Wärmekapazitätsfluss aufweist. Es kann eine vorteilhafte Aufteilung des Wassers zu einem gleichmäßigen Ausnutzen der Wärmekapazität an den Wärmeübertragereinheiten erreicht werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Festoxidbrennstoffzellenvorrichtung zumindest eine, insbesondere die bereits genannte, Recheneinheit aufweist, welche dazu ausgebildet ist, ein Wasserflussverhältnis der zumindest einen Ventileinheit in Abhängigkeit von einem Wärmekapazitätsflussverhältnis von dem Wasserstoff zu dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit in regelmäßigen zeitlichen Abständen einzustellen. Vorzugsweise ist die Sensoreinheit dazu ausgebildet, die Temperaturen und Durchflüsse in regelmäßigen zeitlichen Abständen, bevorzugt zumindest einmal pro Stunde, zu erfassen. Vorzugsweise ist die Recheneinheit dazu ausgebildet, ein Wasserflussverhältnis der zumindest einen Ventileinheit in Abhängigkeit von einem Wärmekapazitätsflussverhältnis von dem Wasserstoff zu dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit in regelmäßigen zeitlichen Abständen, bevorzugt zumindest einmal pro Stunde, einzustellen. Es kann eine vorteilhaft fortlaufende Effizienz der Vorerwärmung des Wassers vor der Elektrolysezelleneinheit erreicht werden.
Darüber hinaus wird ein Verfahren vorgeschlagen zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Festoxidelektrolysezellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Es kann ein vorteilhaft effizienter Betrieb der Festoxidelektrolysezellenvorrichtung erreicht werden.
Darüber hinaus wird ein Festoxidelektrolysezellensystem vorgeschlagen mit einer Wassertankeinheit, mit einer Wasserstofftankeinheit und mit einer erfindungsgemäßen Festoxidelektrolysezellenvorrichtung. Es kann eine vorteilhafte Kompatibilität der einzelnen Bauteile des Festoxidelektrolysezellensystems zu der Festoxidelektrolysezellenvorrichtung erreicht werden.
Alternativ zu Wasser kann die Elektrolysezelleneinheit auch mit anderen Stoffgemischen, wie beispielsweise Kohlendioxid oder einem Gemisch aus Stickstoff und Wasserdampf, betrieben werden, wobei eine Abwärme von Spaltungsprodukten insbesondere jeweils einer der zumindest zwei Wärmeübertragereinheiten zugeführt werden kann.
Die erfindungsgemäße Festoxidelektrolysezellenvorrichtung, das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Festoxidelektrolysezellenvorrichtung und/oder das erfindungsgemäße Festoxidelektrolysezellensystem sollen/soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere können/kann die erfindungsgemäße Festoxidelektrolysezellenvorrichtung, das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Festoxidelektrolysezellenvorrichtung und/oder das erfindungsgemäße Festoxidelektrolysezellensystem zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten sowie Verfahrensschritten abweichende Anzahl aufweisen. Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten.
Zeichnung
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:

1 ein erfindungsgemäßes Festoxidelektrolysezellensystem mit einer erfindungsgemäßen Festoxidelektrolysezellenvorrichtung in einer schematischen Darstellung und
2 ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemäßen Festoxidelektrolysezellenvorrichtung in einer schematischen Darstellung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt ein Festoxidelektrolysezellensystem 60. Das Festoxidelektrolysezellensystem 60 umfasst eine Wassertankeinheit 62. Die Wassertankeinheit 62 ist mit einem öffentlichen Wassernetz verbunden zu einem Nachfüllen der Wassertankeinheit 62. Das Festoxidelektrolysezellensystem 60 umfasst eine Wasserstofftankeinheit 64.
Das Festoxidelektrolysezellensystem 60 umfasst eine Stromrichtereinheit 44, insbesondere eine Gleichrichtereinheit, welche mit einer Elektrolysezelleneinheit 12 verbunden ist. Das Festoxidelektrolysezellensystem 60 umfasst eine elektrische Verdampfereinheit 46. Das Festoxidelektrolysezellensystem 60 umfasst eine Luftfiltereinheit 48 zu einem Filtern von Luft für die Elektrolysezelleneinheit 12. Das Festoxidelektrolysezellensystem 60 umfasst einen Wasserstoffreiniger 50. Das Festoxidelektrolysezellensystem 60 umfasst einen Wasserstoffkühler 52. Der Wasserstoffkühler 52 kann dazu ausgebildet sein, den Wasserstoff zusätzlich zu komprimieren. Das Festoxidelektrolysezellensystem 60 umfasst einen Gasrezirkulationstreiber 54. Das Festoxidelektrolysezellensystem 60 umfasst einen Wasservorheizer 56. Das Festoxidelektrolysezellensystem 60 umfasst einen Luftvorheizer 58.
Eine Festoxidelektrolysezellenvorrichtung 10 ist als eine Unterbaugruppe des Festoxidelektrolysezellensystems 60 ausgebildet. Das Festoxidelektrolysezellensystem 60 umfasst die Festoxidelektrolysezellenvorrichtung 10.
Die Festoxidelektrolysezellenvorrichtung 10 umfasst die Elektrolysezelleneinheit 12. Die Elektrolysezelleneinheit 12 ist dazu ausgebildet, Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Die Elektrolysezelleneinheit 12 ist als ein Elektrolysezellenstapel ausgebildet, welcher dazu ausgebildet ist, das Wasser in den Wasserstoff und den Sauerstoff aufzuspalten.
Die Festoxidelektrolysezellenvorrichtung 10 umfasst eine Wasserzuleitung 14. Die Wasserzuleitung 14 ist mit der Elektrolysezelleneinheit 12 verbunden. Die Wasserzuleitung 14 ist mit der Wassertankeinheit 62 verbunden.
Die Wasserzuleitung 14 verbindet die Elektrolysezelleneinheit 12 mit einem Wasserreservoir, insbesondere mit der Wassertankeinheit 62. Das Wasserreservoir ist als die Wassertankeinheit 62 ausgebildet. Das Festoxidelektrolysezellensystem 60 umfasst eine Reinigungseinheit 66. Die Reinigungseinheit 66 ist an der Wasserzuleitung 14 angeordnet zu einem Aufbereiten, insbesondere Filtern, des Wassers. Das Festoxidelektrolysezellensystem 60 umfasst eine Pumpeneinheit 68. Die Pumpeneinheit 68 ist an der Wasserzuleitung 14 angeordnet zu einem, insbesondere dosierten und/oder nach Flussmenge definierten, Fördern, des Wassers, insbesondere von der Wassertankeinheit 62 zu der Elektrolysezelleneinheit 12.
Die Festoxidelektrolysezellenvorrichtung 10 umfasst zwei Wärmeübertragereinheiten 16, 18. Die zwei Wärmeübertragereinheiten 16, 18 sind an der Wasserzuleitung 14 angeordnet. Die zwei Wärmeübertragereinheiten 16, 18 sind zu einem Erwärmen des Wassers in der Wasserzuleitung 14 ausgebildet, insbesondere angeordnet und geformt. Die zwei Wärmeübertragereinheiten 16, 18 können hier beispielsweise als Plattenwärmeübertrager ausgebildet sein.
Eine Wärmeübertragereinheit 16, 18, insbesondere eine Sauerstoffwärmeübertragereinheit 17, der zwei Wärmeübertragereinheiten 16, 18 ist dazu ausgebildet, Abwärme von dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit 12 auf das Wasser zu übertragen. Eine Wärmeübertragereinheit 16, 18, insbesondere eine Wasserstoffwärmeübertragereinheit 19, der zwei Wärmeübertragereinheiten 16, 18 ist dazu ausgebildet, Abwärme von dem Wasserstoff aus der Elektrolysezelleneinheit 12 auf das Wasser zu übertragen.
Die zwei Wärmeübertragereinheiten 16, 18 sind jeweils mit der Elektrolysezelleneinheit 12, insbesondere durch eine Gasleitung, verbunden. Die Festoxidelektrolysezellenvorrichtung 10 umfasst zwei Gasleitungen, welche insbesondere die zwei Wärmeübertragereinheiten 16, 18 mit der Elektrolysezelleneinheit 12 verbinden. Die Wasserstoffwärmeübertragereinheit 19 ist mit der Elektrolysezelleneinheit 12 durch eine Wasserstoffgasleitung 24 verbunden. Die Sauerstoffwärmeübertragereinheit 17 ist mit der Elektrolysezelleneinheit 12 durch eine Sauerstoffgasleitung 26 verbunden. Die Festoxidelektrolysezellenvorrichtung 10 umfasst die Sauerstoffgasleitung 26. Die Festoxidelektrolysezellenvorrichtung 10 umfasst die Wasserstoffgasleitung 24. Die Sauerstoffgasleitung 26 und die Wasserstoffgasleitung 24 sind als die zwei Gasleitungen ausgebildet.
Die Sauerstoffgasleitung 26 ist zu einem Abführen von Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit 12 in eine Umgebungsluft 70, insbesondere durch eine der zumindest zwei Wärmeübertragereinheiten 16, 18, bevorzugt die Sauerstoffwärmeübertragereinheit 17. Die Wasserstoffgasleitung 24 ist zu einem Abführen von Wasserstoff aus der Elektrolysezelleneinheit 12 in die Wasserstofftankeinheit 66, insbesondere durch eine der zumindest zwei Wärmeübertragereinheiten 16, 18, bevorzugt die Wasserstoffwärmeübertragereinheit 19.
In einem Betriebszustand der Festoxidelektrolysezellenvorrichtung 10 produziert die Elektrolysezelleneinheit 12 Sauerstoff und Wasserstoff, In dem Betriebszustand der Festoxidelektrolysezellenvorrichtung 10 fließt Wasser von dem Wasserreservoir zu der Elektrolysezelleneinheit 12. In dem Betriebszustand fließt ein Teil des Wassers abschnittsweise ausschließlich durch einen Leitungsabschnitt 20, 22 und ein anderer Teil des Wassers abschnittsweise ausschließlich durch einen anderen Leitungsabschnitt 20, 22.
Die Pumpeneinheit 68 ist dazu ausgebildet, einen Wasserfluss, insbesondere Fluidfluss, von dem Wasserreservoir zu der Elektrolysezelleneinheit 12, insbesondere durch die Reinigungseinheit 66, zu generieren. Die Wasserzuleitung 14 umfasst mehrere Leitungsabschnitte 20, 22, welche miteinander verbunden sind, um das Wasserreservoir fluidisch mit der Elektrolysezelleneinheit 12 zu verbinden.
Die zwei Wärmeübertragereinheiten 16, 18 sind an verschiedenen Leitungsabschnitten 20, 22 der Wasserzuleitung 14 angeordnet. Die zwei Leitungsabschnitte 20, 22 sind, insbesondere in Bezug auf den Wasserfluss, insbesondere in Bezug auf den Fluidfluss, parallel zueinander angeordnet. Die zwei Leitungsabschnitte 20, 22 der Wasserzuleitung 14 sind in Bypassstellung zueinander angeordnet. Die zwei Wärmeübertragereinheiten 16, 18 sind dazu ausgebildet, Wasser in verschiedenen Leitungsabschnitten 20, 22 der Wasserzuleitung 14 zu erwärmen. Die zwei Wärmeübertragereinheiten 16, 18 sind fluidstromtechnisch parallel zueinander an der Wasserzuleitung 14 angeordnet. Die zwei Wärmeübertragereinheiten 16, 18, insbesondere die Wasserstoffwärmeübertragereinheit 19 und die Sauerstoffwärmeübertragereinheit 17, sind fluidstromtechnisch, insbesondere in Bezug auf den Wasserfluss, insbesondere in Bezug auf den Fluidfluss, parallel zueinander an, insbesondere zumindest teilweise in, der Wasserzuleitung 14 angeordnet. Die Wasserzuleitung 14 umfasst einen Wasserstoffleitungsabschnitt 23 und zumindest einen Sauerstoffleitungsabschnitt 21. Eine Wärmeübertragereinheit 16, 18, insbesondere die Wasserstoffwärmeübertragereinheit 19, ist an dem Wasserstoffleitungsabschnitt 23 der Wasserzuleitung 14 angeordnet. Eine Wärmeübertragereinheit 16, 18, insbesondere die Sauerstoffwärmeübertragereinheit 17, ist an dem Sauerstoffleitungsabschnitt 21 der Wasserzuleitung 14 angeordnet.
Der Sauerstoffleitungsabschnitt 21 und der Wasserstoffleitungsabschnitt 23 sind, bevorzugt fluidstromtechnisch, insbesondere in Bezug auf den Wasserfluss, insbesondere in Bezug auf den Fluidfluss, parallel zueinander, bevorzugt an, insbesondere teilweise in, der Wasserzuleitung 14, angeordnet. Der Sauerstoffleitungsabschnitt 21 und der Wasserstoffleitungsabschnitt 23 der Wasserzuleitung 14 sind in Bypassstellung zueinander angeordnet.
Die Wasserzuleitung 14 umfasst eine Hauptwasserzuleitung 30. Die Wasserzuleitung 14 umfasst eine Zweithauptwasserzuleitung 36. Die Wasserzuleitung 14 umfasst zwei Teilwasserzuleitungen 32, 34. Die Teilwasserzuleitungen 32, 34 sind zwischen der Hauptwasserzuleitung 30 und der Zweithauptwasserzuleitung 36 angeordnet. Die Teilwasserzuleitungen 32, 34 verbinden die Hauptwasserzuleitung 30 und die Zweithauptwasserzuleitung 36 fluidisch miteinander.
Der Sauerstoffleitungsabschnitt 21 bildet eine Teilwasserzuleitung 32, 34, insbesondere eine Sauerstoffteilwasserzuleitung 33, der zumindest zwei Teilwasserzuleitungen 32, 34.
Der Wasserstoffleitungsabschnitt 23 bildet eine Teilwasserzuleitung 32, 34, insbesondere eine Wasserstoffteilwasserzuleitung 35, der zwei Teilwasserzuleitungen 32, 34. Die Teilwasserzuleitungen 32, 34 sind auf einer einer Ventileinheit 38 abgewandten Seite der Teilwasserzuleitungen 32, 34 zu der Zweithauptwasserzuleitung 36 als eine Leitung zusammengefasst.
Die Wasserzuleitung 14 umfasst die Ventileinheit 38. Alternativ kann die Ventileinheit 38 von dem Festoxidelektrolysezellensystem 60 umfasst sein. Die Ventileinheit 38 ist als ein Drei-Wege-Ventil ausgebildet. Die Ventileinheit 38 ist elektrisch ansteuerbar zu einem, insbesondere teilweisen, Öffnen und/oder einem, insbesondere teilweisen, Schließen von Öffnungen zu den Teilwasserzuleitungen 32, 34. Die Ventileinheit 38 verbindet hier beispielsweise die Hauptwasserzuleitung 30 fluidisch mit den zwei Teilwasserzuleitungen 32, 34. Die Ventileinheit 38 könnte alternativ bei der Zusammenführung der Teilwasserzuleitungen 32, 34 platziert sein. Die Ventileinheit 38 ist räumlich zwischen der Hauptwasserzuleitung 30 und den zwei Teilwasserzuleitungen 32, 34 angeordnet. Die Ventileinheit 38 ist dazu ausgebildet, Wasserflüsse durch die zwei Teilwasserzuleitungen 32, 34 einzustellen, wobei an jeder der zwei Teilwasserzuleitungen 32, 34 jeweils zumindest eine der zwei Wärmeübertragereinheiten 16, 18 angeordnet ist. Die Ventileinheit 38 trennt die Hauptwasserzuleitung 30 räumlich von der Wasserstoffteilwasserzuleitung 35 und von der Sauerstoffteilwasserzuleitung 33.
Die Ventileinheit 38 ist dazu ausgebildet, einen Wasserfluss durch die Wasserstoffteilwasserzuleitung 35, insbesondere durch den Wasserstoffleitungsabschnitt 23, einzustellen. Die Ventileinheit 38 ist dazu ausgebildet, einen Wasserfluss durch die Sauerstoffteilwasserzuleitung 33, insbesondere durch den Sauerstoffleitungsabschnitt 21, einzustellen.
Die Elektrolysezelleneinheit 12 ist dazu ausgebildet, insbesondere in dem Betriebszustand, eine definierte Menge an Wasserstoff, insbesondere pro Zeiteinheit, zu erzeugen. Die Elektrolysezelleneinheit 12 ist dazu ausgebildet, insbesondere in dem Betriebszustand, eine definierte Menge an Sauerstoff, insbesondere pro Zeiteinheit, zu erzeugen.
Der Wasserstoff aus der Elektrolysezelleneinheit 12, insbesondere der in der Elektrolysezelleneinheit 12 erzeugte Wasserstoff, weist in der Wasserstoffgasleitung 24 eine definierte Temperatur auf. Der Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit 12, insbesondere der in der Elektrolysezelleneinheit 12 erzeugte Sauerstoff, weist in der Sauerstoffgasleitung 26 eine definierte Temperatur auf.
Der Wasserstoff aus der Elektrolysezelleneinheit 12, insbesondere der in der Elektrolysezelleneinheit 12 erzeugte Wasserstoff, zu dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit 12, insbesondere dem in der Elektrolysezelleneinheit 12 erzeugten Sauerstoff, bildet ein zu jedem Zeitpunkt erfassbares Wärmekapazitätsflussverhältnis aus. Ein Wärmekapazitätsflussverhältnis ist jeweils an den zumindest zwei Wärmeübertragereinheiten 16, 18, insbesondere der Sauerstoffwärmeübertragereinheit 17 und der Wasserstoffwärmeübertragereinheit 19, erfassbar.
Die Ventileinheit 38 ist dazu ausgebildet, einen Wasserfluss durch die Hauptwasserzuleitung 30 derart auf die zumindest zwei Teilwasserzuleitungen 32, 34 aufzuteilen, dass das Verhältnis des Wasserflusses durch die Teilwasserzuleitung 32, 34 an der zumindest einen Wärmeübertragereinheit 16, 18, welche dazu ausgebildet ist, Abwärme von dem Wasserstoff aus der Elektrolysezelleneinheit 12 auf das Wasser zu übertragen, insbesondere an der Wasserstoffwärmeübertragereinheit 19, insbesondere durch die Wasserstoffteilwasserzuleitung 35, zu dem Wasserfluss durch die Teilwasserzuleitung 32, 34 an der zumindest einen Wärmeübertragereinheit 16, 18, welche dazu ausgebildet ist, Abwärme von dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit 12 auf das Wasser zu übertragen, insbesondere an der Sauerstoffwärmeübertragereinheit 17, insbesondere durch die Sauerstoffteilwasserzuleitung 33, dem Wärmekapazitätsflussverhältnis entspricht. Die Ventileinheit 38 ist dazu ausgebildet, mehr Wasser durch die Teilwasserzuleitung 32, 34 zu leiten, an welcher die Wärmeübertragereinheit 16, 18 angeordnet ist, welche mit einem höheren Wärmekapazitätsfluss gekoppelt ist.
Die Ventileinheit 38 bildet ein Wasserflussverhältnis von einem Wasserfluss durch die Teilwasserzuleitung 32, 34 an der zumindest einen Wärmeübertragereinheit 16, 18, welche dazu ausgebildet ist, Abwärme von dem Wasserstoff aus der Elektrolysezelleneinheit 12 auf das Wasser zu übertragen, zu einem Wasserfluss durch die Teilwasserzuleitung 32, 34 an der zumindest einen Wärmeübertragereinheit 16, 18, welche dazu ausgebildet ist, Abwärme von dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit 12 auf das Wasser zu übertragen, aus, welches einem Wärmekapazitätsflussverhältnis von dem Wasserstoff zu dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit 12 entspricht.
Die Festoxidelektrolysezellenvorrichtung 10 weist eine Sensoreinheit 28 auf. Die Sensoreinheit 28 ist teilweise als eine Temperatursensoreinheit zu einem Erfassen von Temperaturen ausgebildet. Beispielsweise umfasst die Sensoreinheit 28 mehrere PT-Sensoren. Die Sensoreinheit 28 ist dazu ausgebildet, eine Temperatur von dem Wasserstoff aus der Elektrolysezelleneinheit 12 und eine Temperatur von dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit 12 zu erfassen.
Die Sensoreinheit 28 ist dazu ausgebildet, die Temperatur von dem Wasserstoff aus der Elektrolysezelleneinheit 12, insbesondere von dem in der Elektrolysezelleneinheit 12 erzeugten Wasserstoff, in der Wasserstoffgasleitung 24 zu erfassen. Die Sensoreinheit 28 ist dazu ausgebildet, die Temperatur von dem Wasserstoff aus der Elektrolysezelleneinheit 12, insbesondere von dem in der Elektrolysezelleneinheit 12 erzeugten Wasserstoff, an der Wasserstoffwärmeübertragereinheit 19 zu erfassen.
Die Sensoreinheit 28 ist dazu ausgebildet, die Temperatur von dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit 12, insbesondere von dem in der Elektrolysezelleneinheit 12 erzeugten Sauerstoff, in der Sauerstoffgasleitung 26 zu erfassen. Die Sensoreinheit 28 ist dazu ausgebildet, die Temperatur von dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit 12, insbesondere von dem in der Elektrolysezelleneinheit 12 erzeugten Sauerstoff, an der Sauerstoffwärmeübertragereinheit 17 zu erfassen.
Die Sensoreinheit 28 ist teilweise als eine Durchfluss-Sensoreinheit 28 zu einem Erfassen von Fluidflüssen, insbesondere Gasflüssen, ausgebildet.
Die Sensoreinheit 28 ist dazu ausgebildet, den Durchfluss von dem Wasserstoff aus der Elektrolysezelleneinheit 12, insbesondere von dem in der Elektrolysezelleneinheit 12 erzeugten Wasserstoff, in der Wasserstoffgasleitung 24 zu erfassen. Die Sensoreinheit 28 ist dazu ausgebildet, den Durchfluss von dem Wasserstoff aus der Elektrolysezelleneinheit 12, insbesondere von dem in der Elektrolysezelleneinheit 12 erzeugten Wasserstoff, an der Wasserstoffwärmeübertragereinheit 19 zu erfassen.
Die Sensoreinheit 28 ist dazu ausgebildet, den Durchfluss von dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit 12, insbesondere von dem in der Elektrolysezelleneinheit 12 erzeugten Sauerstoff, in der Sauerstoffgasleitung 26 zu erfassen. Die Sensoreinheit 28 ist dazu ausgebildet, den Durchfluss von dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit 12, insbesondere von dem in der Elektrolysezelleneinheit 12 erzeugten Sauerstoff, an der Sauerstoffwärmeübertragereinheit 17 zu erfassen.
Die Festoxidelektrolysezellenvorrichtung 10 weist eine Recheneinheit 40 auf. Die Recheneinheit 40 umfasst insbesondere einen Prozessor und/oder eine Prozessoreinheit, eine Speichereinheit, und ein in der Speichereinheit gespeichertes Betriebs-, Steuer- und/oder Berechnungsprogramm. Die Recheneinheit 40 ist mit der Sensoreinheit 28 verbunden, insbesondere zu einem Datenübertragen. Die Recheneinheit 40 ist dazu ausgebildet, aus den erfassten Daten der Sensoreinheit 28, insbesondere in regelmäßigen zeitlichen Abständen, bevorzugt zumindest einmal pro Stunde, das Wärmekapazitätsflussverhältnis von dem Wasserstoff zu dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit 12 zu ermitteln, insbesondere zu berechnen. Die Recheneinheit 40 ist dazu ausgebildet, ein Wärmekapazitätsflussverhältnis von dem Wasserstoff zu dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit 12 zu verarbeiten.
Die Recheneinheit 40 ist mit der Ventileinheit 38 verbunden. Die Recheneinheit 40 ist dazu ausgebildet, ein Wasserflussverhältnis der Ventileinheit 38 einzustellen. Die Recheneinheit 40 ist dazu ausgebildet, das Wasserflussverhältnis, insbesondere durch die zumindest zwei Teilwasserzuleitungen 32, 34, bevorzugt die Wasserstoffteilwasserzuleitung 35 und die Sauerstoffteilwasserzuleitung 33, an der Ventileinheit 38 einzustellen.
Die Recheneinheit 40 ist dazu ausgebildet, ein Wasserflussverhältnis der zumindest einen Ventileinheit 38 in Abhängigkeit von einem Wärmekapazitätsflussverhältnis von dem Wasserstoff zu dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit 12 einzustellen. Die Recheneinheit 40 ist dazu ausgebildet, das Wasserflussverhältnis durch die zumindest zwei Teilwasserzuleitungen 32, 34, bevorzugt die Wasserstoffteilwasserzuleitung 35 und die Sauerstoffteilwasserzuleitung 33, an der Ventileinheit 38 in Abhängigkeit von einem Wärmekapazitätsflussverhältnis von dem Wasserstoff zu dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit 12 einzustellen.
Die Recheneinheit 40 ist dazu ausgebildet, das Wasserflussverhältnis durch die zumindest zwei Teilwasserzuleitungen 32, 34, bevorzugt die Wasserstoffteilwasserzuleitung 35 und die Sauerstoffteilwasserzuleitung 33, an der Ventileinheit 38 derart einzustellen, dass mehr Wasser durch die Teilwasserzuleitung 32, 34 fließt, an welcher die Wärmeübertragereinheit 16, 18 einen größeren Wärmekapazitätsfluss aufweist. Die Recheneinheit 40 ist dazu ausgebildet, das Wasserflussverhältnis durch die zumindest zwei Teilwasserzuleitungen 32, 34, bevorzugt die Wasserstoffteilwasserzuleitung 35 und die Sauerstoffteilwasserzuleitung 33, an der zumindest einen Ventileinheit 38 derart einzustellen, dass das Wasserflussverhältnis durch die zwei Teilwasserzuleitungen 32, 34 dem, insbesondere aktuellen, Wärmekapazitätsflussverhältnis von dem Wasserstoff zu dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit 12 entspricht.
Die Sensoreinheit 28 ist dazu ausgebildet, die Temperaturen und Durchflüsse in regelmäßigen zeitlichen Abständen, bevorzugt zumindest einmal pro Stunde, zu erfassen. Die Recheneinheit 40 ist dazu ausgebildet, ein Wasserflussverhältnis der Ventileinheit 38 in Abhängigkeit von einem Wärmekapazitätsflussverhältnis von dem Wasserstoff zu dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit 12 in regelmäßigen zeitlichen Abständen, bevorzugt zumindest einmal pro Stunde, einzustellen.
2 zeigt schematisch ein Verfahren zum Betrieb der Festoxidelektrolysezellenvorrichtung 10.
In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere einem Betriebsschritt 42, wird das Wasserflussverhältnis durch die zumindest zwei Teilwasserzuleitungen 32, 34, bevorzugt die Wasserstoffteilwasserzuleitung 35 und die Sauerstoffteilwasserzuleitung 33, an der Ventileinheit 38 derart eingestellt, dass mehr Wasser durch die Teilwasserzuleitung 32, 34 fließt, an welcher die Wärmeübertragereinheit 16, 18 einen größeren Wärmekapazitätsfluss aufweist. In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere dem Betriebsschritt 42, wird das Wasserflussverhältnis durch die zumindest zwei Teilwasserzuleitungen 32, 34, bevorzugt die Wasserstoffteilwasserzuleitung 35 und die Sauerstoffteilwasserzuleitung 33, an der zumindest einen Ventileinheit 38 derart eingestellt, dass das Wasserflussverhältnis durch die zwei Teilwasserzuleitungen 32, 34 dem, insbesondere aktuellen, Wärmekapazitätsflussverhältnis von dem Wasserstoff zu dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit 12 entspricht.

Claims

Festoxidelektrolysezellenvorrichtung mit zumindest zwei Wärmeübertragereinheiten (16, 18), mit zumindest einer Elektrolysezelleneinheit (12), welche dazu ausgebildet ist, Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten, und mit zumindest einer Wasserzuleitung (14), welche mit der Elektrolysezelleneinheit (12) verbunden ist und an welcher die zumindest zwei Wärmeübertragereinheiten (16, 18) angeordnet sind, zu einem Erwärmen des Wassers in der Wasserzuleitung (14), wobei zumindest eine der zumindest zwei Wärmeübertragereinheiten (16, 18) dazu ausgebildet ist, Abwärme von dem Wasserstoff aus der Elektrolysezelleneinheit (12) auf das Wasser zu übertragen und wobei zumindest eine der zumindest zwei Wärmeübertragereinheiten (16, 18) dazu ausgebildet ist, Abwärme von dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit (12) auf das Wasser zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Wärmeübertragereinheiten (16, 18) fluidstromtechnisch parallel zueinander an der zumindest einen Wasserzuleitung (14) angeordnet sind.
Festoxidelektrolysezellenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserzuleitung (14) zumindest eine Hauptwasserzuleitung (30), zumindest zwei Teilwasserzuleitungen (32, 34), und zumindest eine Ventileinheit (38) umfasst, welche die Hauptwasserzuleitung (30) mit den zwei Teilwasserzuleitungen (32, 34) verbindet und welche dazu ausgebildet ist, Wasserflüsse durch die zumindest zwei Teilwasserzuleitungen (32, 34) einzustellen, wobei an jeder der zumindest zwei Teilwasserzuleitungen (32, 34) jeweils zumindest eine der zumindest zwei Wärmeübertragereinheiten (16, 18) angeordnet ist.
Festoxidelektrolysezellenvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Ventileinheit (38) ein Wasserflussverhältnis von einem Wasserfluss durch die Teilwasserzuleitung (32, 34) an der zumindest einen Wärmeübertragereinheit (16, 18), welche dazu ausgebildet ist, Abwärme von dem Wasserstoff aus der Elektrolysezelleneinheit (12) auf das Wasser zu übertragen, zu einem Wasserfluss durch die Teilwasserzuleitung (32, 34) an der zumindest einen Wärmeübertragereinheit (16, 18), welche dazu ausgebildet ist, Abwärme von dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit (12) auf das Wasser zu übertragen, ausbildet, welches einem Wärmekapazitätsflussverhältnis von dem Wasserstoff zu dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit (12) entspricht.
Festoxidelektrolysezellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eine Sensoreinheit (28), welche dazu ausgebildet ist, eine Temperatur von dem Wasserstoff aus der Elektrolysezelleneinheit (12) und eine Temperatur von dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit (12) zu erfassen.
Festoxidelektrolysezellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eine Recheneinheit (40), welche dazu ausgebildet ist, ein Wärmekapazitätsflussverhältnis von dem Wasserstoff zu dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit (12) zu verarbeiten.
Festoxidelektrolysezellenvorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch zumindest eine Recheneinheit (40), welche dazu ausgebildet ist, ein Wasserflussverhältnis der zumindest einen Ventileinheit (38) einzustellen.
Festoxidelektrolysezellenvorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch zumindest eine Recheneinheit (40), welche dazu ausgebildet ist, ein Wasserflussverhältnis der zumindest einen Ventileinheit (38) in Abhängigkeit von einem Wärmekapazitätsflussverhältnis von dem Wasserstoff zu dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit (12) einzustellen.
Festoxidelektrolysezellenvorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch zumindest eine Recheneinheit (40), welche dazu ausgebildet ist, ein Wasserflussverhältnis der zumindest einen Ventileinheit (38) in Abhängigkeit von einem Wärmekapazitätsflussverhältnis von dem Wasserstoff zu dem Sauerstoff aus der Elektrolysezelleneinheit (12) in regelmäßigen zeitlichen Abständen einzustellen.
Verfahren zum Betrieb einer Festoxidelektrolysezellenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Festoxidelektrolysezellensystem mit einer Wassertankeinheit (62), mit einer Wasserstofftankeinheit (64) und mit einer Festoxidelektrolysezellenvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.