WO2019210344A1 - Reversibel betreibbarer energiewandler und verfahren zum betreiben desselben - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a reversibly operable energy converter with an electrode assembly for an electrochemical energy conversion and a method for operating a reversibly operable energy converter.
  • the invention relates to a power plant with a stationary, reversibly operable energy converter for the provision of fuel and power generation.
  • electrochemical energy converters there are fuel cells that convert chemical reaction energy of a continuously supplied fuel and an oxidant into electrical energy. Furthermore, there are electrolyzers, which bring about a chemical reaction for the production of fuel by means of electric current. In addition, there are reversibly operable energy converters that can be operated both as a fuel cell for generating electricity and in the form of an electrolyzer for fuel production.
  • Reversible operable, electrochemical energy converters are in the form of
  • SOFC / SOEC systems also called RSOFC systems known.
  • switching between SOFC operation and SOEC operation may take a relatively long time. This is due in particular to the fact that it is difficult to keep the temperature of parts of the energy converter, which are required only in one of the two operating states, always sufficiently high.
  • One such component is, for example, an evaporator, which must be brought to a sufficiently high temperature as quickly and efficiently as possible in an SOEC operation for the evaporation of water.
  • the object of the present invention is to provide a reversibly operable energy converter, a method for operating such an energy converter, and a power plant with a stationary, reversibly operable energy converter, where switching times between a power generation operation and a fuel production operation are kept as short as possible in an efficient manner can be.
  • a reversibly operable energy converter has an electrode assembly for an electrochemical energy conversion with a first electrode section and a second electrode section. Furthermore, the energy converter has a reformer for generating a reformate for the first electrode section and an evaporator arranged upstream of the reformer for generating steam for the reformer, wherein the evaporator has at least one fluid guide section for conducting fluid to be evaporated in the evaporator.
  • the fluid-conducting section is at least partially coated with a catalyst for the catalytic combustion of hydrogen in the evaporator.
  • the fluid-conducting section for guiding fluid to be vaporized in the evaporator, in particular water, but also a fluid-conducting section for conducting hydrogen-containing gas for a heating operation of the evaporator is to be understood as the fluid-conducting section.
  • the catalytic coating of the Fluidleitabitess hardly affects the required space in the present energy converter. Furthermore, such a coating can also be retrofitted relatively easily even with existing energy converters.
  • the fluid guide section is preferably located on a cold side of the evaporator.
  • the degree of complexity of the reversibly operable energy converter can be kept relatively low by the catalytic coating, in particular in comparison to separate heating components and / or fluid recirculation systems.
  • the reversibly operable energy converter can be understood to mean a fuel cell system which can be operated as an electrolyte or reversibly.
  • electrochemical energy conversion is a conversion of electrical energy in the form of electricity into chemical energy in the form of fuel, and vice versa to understand.
  • the evaporator is ready for operation accordingly in an electrolytic mode of the energy converter. Consequently, it is also possible to switch quickly from a fuel cell operation into the electrolysis operation with an energy converter according to the invention.
  • the electrode composite can be understood as a fuel cell stack in the event that the energy converter is operated as a fuel cell system.
  • the first electrode section corresponds in this case to an anode section and the second electrode section corresponds to a cathode section.
  • the first electrode section can be understood as a cathode section and the second electrode section as an anode section.
  • the energy converter preferably has a water source for providing water in the evaporator.
  • the evaporator is preferably arranged upstream of the reformer and downstream of the water source. Upstream of the evaporator may be arranged a pump for conveying water into the evaporator. Downstream of the evaporator, a fan for conveying the evaporated water may be arranged in the reformer or at least in the direction of the reformer.
  • the catalyst used is preferably a noble metal catalyst, in particular a platinum catalyst, which reduces the activation energy for the catalytic combustion of hydrogen such that the reaction or combustion can proceed at the desired rate even at the lowest possible temperatures.
  • a noble metal catalyst in particular a platinum catalyst
  • the fluid-conducting section or only part of the fluid-conducting section is coated with the catalyst.
  • the fluid-conducting section can be understood as the interior section of the evaporator, through which hydrogen-containing gas and water are passed in succession in different operating states of the energy converter.
  • the evaporator at least during the catalytic combustion, can be understood as a catalytic furnace in which the hydrogen or a hydrogen-containing gas can burn without an open flame.
  • the catalytic combustion is a combustion of hydrogen with oxygen, especially as part of air to understand.
  • the catalyst may be understood as meaning a catalyst or a catalyst material or a plurality of different catalysts or catalyst materials.
  • the evaporator is integrally connected to a heat exchanger for a heat exchange between exhaust gas from the electrode assembly, in particular from the first electrode denabites, and the evaporator.
  • the evaporator is thus in thermal communication with the heat exchanger for heat exchange. Due to the integral design of the evaporator and the heat exchanger can be made very compact and space-saving.
  • an advantageous interaction can be achieved by the heat exchanger on the evaporator by the evaporator being heated by exhaust gas from the electrode composite and Accordingly, it can be kept efficiently at the desired temperature.
  • the electrode composite in particular the first electrode section, is arranged downstream of the evaporator and upstream of the heat exchanger, so that the thermal energy of the evaporated water can be supplied to the heat exchanger via the electrode assembly.
  • the evaporator is integrally connected to the heat exchanger, it should be understood that the evaporator and the heat exchanger are configured as one unit. Under the evaporator, a steam side of this unit can be understood. Under the heat exchanger can be understood a heating side of this unit.
  • the fluid guide has a superheater and the superheater is at least partially coated with the catalyst for the catalytic combustion of hydrogen.
  • the best heating results can be achieved by a catalytic coating of the superheater.
  • the superheater means a component of the evaporator, by means of which the steam generated in the evaporator can be further heated beyond the evaporation temperature.
  • a heating means for preheating the evaporator is at a desired temperature in thermal communication with the evaporator.
  • the heating means By the heating means, the evaporator at the beginning of a heating process and as quickly and reliably be brought to the desired temperature or held on this. If it is ensured that the evaporator is always above a predefined catalytic activation temperature, at least in the area of the catalytically coated fluid-conducting section, the catalytic combustion for preheating and / or heating the evaporator can be carried out reliably.
  • the heating means is preferably designed in the form of an electric heating means.
  • the setpoint temperature is preferably in a range between 100 ° C and 150 ° C.
  • an inventive, reversibly operable energy converter in the form of an SOFC / SOEC system is configured, which is operable to generate electricity as SOFC system and for fuel production as SOEC system. Due to the high operating temperature of the SOFC system, ses operate particularly advantageous as a reversible system for fuel production. If the reversibly operable energy converter is operated as an SOFC system, the composite of electrodes is to be understood as meaning a fuel cell stack. In this case, the first electrode section is an anode section and the second electrode section is a cathode section.
  • a recirculation section for supplying a hydrogen-containing reformate from the reformer into the fluid-conducting section it is possible for a recirculation section for supplying a hydrogen-containing reformate from the reformer into the fluid-conducting section to be configured downstream of the reformer.
  • the catalytically coated fluid guide section can be fed not only with hydrogen directly from a separate hydrogen source, but also from reformed hydrogen, which is produced, for example, from natural gas. Consequently, an energy converter according to the invention can be operated particularly flexibly.
  • the method comprises the following steps:
  • a source of hydrogen is understood to mean a source for supplying pure hydrogen or a hydrogen-containing gas.
  • the source of material is accordingly a source for providing pure oxygen or an oxygen-containing gas, in particular air, to be understood.
  • the evaporator before the supply of the hydrogen-containing gas and the oxygen-containing gas by a heating means in particular to a temperature in a range between 100 ° C and 150 ° C, tempered.
  • Preheating can ensure that the catalytic combustion can always proceed as desired.
  • a preheating temperature of slightly above 100 ° C. for example in a range between 100 ° C. and 110 ° C., has proved to be advantageous.
  • the hydrogen-containing gas can be supplied to the evaporator from the reformer via a recirculation section of the reversibly operable energy converter in the form of reformate.
  • the catalytically coated Fluidleitabites is fed in this case not directly with hydrogen from a separate hydrogen source, but from reformed hydrogen, which is generated for example from natural gas.
  • a power plant with a reversibly operable energy converter which is designed to supply hydrogen and to generate electricity as a stationary SOFC / SOEC system, is also provided.
  • the power plant according to the invention brings the advantages described above with it.
  • FIG. 1 is a block diagram for explaining a reversibly operable power converter according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a block diagram for explaining a reversibly operable energy converter according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a block diagram for explaining a reversibly operable energy converter according to a third embodiment of the present invention.
  • the energy converter 100a is present in the form of a
  • the energy converter 100 a has an electrode assembly 1 for an electrochemical energy conversion with a first electrode section 2 and a second electrode section 3, as well as a reformer 4 for generating a reformate for the first electrode section 2.
  • the energy converter 100a further comprises an evaporator 5 arranged upstream of the reformer 4 for generating water vapor for the reformer 4, wherein the evaporator 5 has at least one fluid idler section (not shown) for conducting fluid to be vaporized in the evaporator 5.
  • the fluid-conducting section has a superheater which is coated with a catalyst for the catalytic combustion of hydrogen with oxygen in the evaporator 5.
  • the evaporator 5 is integrally connected to a heat exchanger 6 for heat exchange between exhaust gas from the first electrode section 2 and the evaporator 5.
  • a heat exchanger 6 for heat exchange between exhaust gas from the first electrode section 2 and the evaporator 5.
  • the evaporator 5 is in thermal communication with an electrical heating means 7.
  • the energy converter 100a further comprises a water source 8 for supplying water to the evaporator 5, a hydrogen source 9 in the form of a hydrogen tank for supplying hydrogen to the evaporator 5, and an oxygen source 10 in the form of an air source for supplying air to the evaporator 5, upstream of the evaporator 5.
  • a blower 28 for supplying the oxygen and the air to the evaporator 5 is arranged.
  • a water pipe is configured between the water source 8 and the evaporator 5.
  • a pump 12 for conveying water from the water source 8 in the direction of the evaporator 5 is configured.
  • a blower 13 for conveying water vapor from the evaporator 5 in the direction of the reformer 4 is arranged. The blower 13 is arranged in a steam line between the evaporator 5 and the reformer 4.
  • a hydrogen line is formed between the hydrogen source 9 and the evaporator 5, which can be blocked by a valve in the hydrogen line.
  • an oxygen or air line is formed between the oxygen source 10 and the evaporator 5 and can be blocked by a valve in the oxygen line.
  • the energy converter 100a shown in FIG. 1 further has a condensing unit 14 for condensing water vapor from the heat exchanger 6.
  • the condensing unit 14 is correspondingly arranged downstream of the heat exchanger 6. Downstream of the condensing unit 14, water condensate can be discharged via a water outlet 23 into the environment of the energy converter 100a. Exhaust gas emitted from the heat exchanger 6, such as carbon monoxide and / or hydrogen, can pass through the condensing unit 14 and be discharged via an outlet 21 into the environment of the energy converter 100a. Downstream of the condensing unit 14 and upstream of the outlet 21, an analysis unit 22 for analyzing the exhaust gas, in particular hydrogen and / or carbon monoxide, is integrated.
  • an oxygen source 15 for supplying oxygen or an oxygen-containing fluid to the reformer 4 is arranged upstream of the blower 13, an oxygen source 15 for supplying oxygen or an oxygen-containing fluid to the reformer 4 is arranged.
  • a methane source 16 for supplying methane or a methane-containing fluid to the reformer 4 is further arranged.
  • a carbon dioxide source 17 for supplying Kohlendi- oxide or a carbon dioxide-containing fluid to the reformer 4 is arranged.
  • the hydrogen source 9, the oxygen source 15, the methane source 16 and the carbon dioxide source 17 are arranged correspondingly parallel to each other for a possible, parallel fluid supply in the direction of the reformer 4. Hydrogen can be supplied to the reformer 4 from the hydrogen source 9 both directly via a first hydrogen line from the hydrogen source 9 and indirectly via a second hydrogen line from the hydrogen source passing through the evaporator 5.
  • the energy converter 100a For process gas supply of the second electrode section 3, the energy converter 100a has an oxygen source 24 for SOFC operation of the energy converter 100a, through which oxygen can be conducted in the form of ambient air to the second electrode section 3 via a blower 29. Downstream of the blower 29, a heat exchanger 26 with a cold side for tempering the air is arranged.
  • an afterburner 25 for burning off exhaust gas from the first electrode section 2 and the second electrode section 3 Downstream of the second electrode section 3, an afterburner 25 for burning off exhaust gas from the first electrode section 2 and the second electrode section 3 is arranged downstream of the afterburner 25, the heat exchanger 26 or the hot side of the heat exchanger 26 for temperature control of the air from the oxygen source 24 by burned exhaust gas from the afterburner 25 is arranged. Combusted exhaust gas from the afterburner 25 may be discharged into the environment of the energy converter 100a via the heat exchanger 26 and an outlet 18 downstream of the heat exchanger 26. Downstream of the blower 29 and upstream of the afterburner 25, a heating means 31 for heating air, which can be supplied to the afterburner 25 for heating the same, is arranged in parallel to the heat exchanger 26.
  • a methane source 19 and a hydrogen source 20 are further provided, through which the exhaust gas burner 25 can be supplied parallel to the exhaust gas from the composite electrode 1 corresponding fuel gas. This can be used for a rapid heating of the exhaust gas burner 25.
  • FIG. 2 shows a reversibly operable energy converter 100b according to a second embodiment.
  • the second embodiment corresponds essentially to the first embodiment, which is why a renewed description of the same chen components is omitted.
  • the energy converter 100b according to FIG. 2 is characterized in particular in that a recirculation section 11 with a recirculation line for supplying a hydrogen-containing reformate from the reformer 4 into the fluid-conducting section of the evaporator 5 is configured downstream of the reformer 4.
  • hydrogen-containing reformate which is obtained, for example, from natural gas, can be conveyed from the reformer 4 directly into the fluid-conducting section of the evaporator coated for the catalytic combustion in a simple manner.
  • a valve for blocking the recirculation line is arranged in the recirculation section 11 or in the corresponding line section.
  • the recirculation section 11 could have a fan for conveying the reformate from the reformer 4 in the direction of the evaporator 5.
  • FIG. 3 shows a reversibly operable energy converter 100c according to a third embodiment.
  • the energy converter 100c illustrated in FIG. 3 is likewise to be explained only with regard to features which have not already been described in detail with regard to the energy converters according to the first and / or second embodiment.
  • a two-stage evaporator 5 with integrated heat exchanger 6 or integrated heat exchanger function for a heat exchange between exhaust gas from the electrode assembly 1 and the evaporator 5, upstream of the reformer 4 is provided.
  • This evaporator 5 also has a fluid-conducting section with a catalytic converter for catalytic combustion of hydrogen in the evaporator 5.
  • both chambers of the two-stage evaporator 5 are catalytically coated both on the hot and on the cold side of the integrated heat exchanger 6. Nevertheless, it may also be sufficient to catalytically coat only the first chamber through which the evaporator 5 flows in the flow direction and / or only the cold side of the heat exchanger 6.
  • exhaust gas from the afterburner 25 can be discharged via the reformer 4 or a heat exchanger integrated therein and the heat exchanger 6 arranged downstream of the reformer 4 into the surroundings of the energy converter 100c via the outlet 18.
  • the energy converter 100c according to FIG. 3 furthermore has a water tank 27, which is provided downstream of a water source 8 as buffer and recirculation storage. More specifically, as shown in FIG.
  • the condensing unit 14 is disposed downstream of the heat exchanger 6 and upstream of the water tank 27, so that the condensed water is not easily discharged into the environment of the energy converter. Hydrogen and carbon monoxide can be recycled to the hydrogen source 9 via a branch line from the condensing unit 14 through an analysis unit 22 and a blower 30. In addition to hydrogen from the hydrogen source 9, carbon dioxide from a carbon dioxide source 17 and methane from a methane source 19 to the staged evaporator 5 can still be conducted according to the illustrated embodiment. Upstream of the evaporator 5, an oxygen source 10 is provided, from which oxygen in the form of air can be fed via a blower 28 to the evaporator.
  • the energy converters 100a, 100b, 100c illustrated in FIGS. 1, 2 and 3 are designed for stationary use in a power plant.
  • hydrogen is fed from the hydrogen source 9 and air is passed from the oxygen source 10 into the evaporator 5, more precisely into the fluid-conducting section of the evaporator 5, in order to bring about catalytic combustion of hydrogen with oxygen in the evaporator 5.
  • the evaporator 5 has reached the target temperature of more than 100 ° C.
  • the supply of the hydrogen-containing gas and the air into the evaporator 5 is ended.
  • water is fed from the water source 8 into the evaporator 5, which is temperature-controlled to the setpoint temperature, to evaporate the water in the evaporator 5 and thus initiates the actual, fuel-producing SOEC operation.
  • the energy converter 100a according to the first embodiment and the energy converter 100c according to the third embodiment could also be designed with the recirculation section 11 shown in FIG. It is likewise possible that the preheater 7 shown in FIG. 1 and FIG. 2 is also arranged on the evaporator 5 shown in FIG. 3 for providing the desired preheating.

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Abstract

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

Description

Reversibel betreibbarer Energiewandler und
Verfahren zum Betreiben desselben
Die vorliegende Erfindung betrifft einen reversibel betreibbaren Energiewandler mit einem Elektrodenverbund für eine elektrochemische Energiewandlung sowie ein Ver- fahren zum Betreiben eines reversibel betreibbaren Energiewandlers. Außerdem be- trifft die Erfindung ein Kraftwerk mit einem stationären, reversibel betreibbaren Ener- giewandler zur Bereitstellung von Brennstoff sowie zur Stromerzeugung.
Im Stand der Technik sind verschiedene Arten von elektrochemischen Energiewand- lern bekannt. So gibt es Brennstoffzellen, welche chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandeln. Ferner gibt es Elektrolyseure, welche mit Hilfe von elektrischem Strom eine chemische Reaktion zur Brennstofferzeugung herbeiführen. Darüber hin- aus gibt es reversibel betreibbare Energiewandler, die sowohl als Brennstoffzelle zur Stromerzeugung, als auch in Form eines Elektrolyseurs zur Brennstofferzeugung be- trieben werden können.
Reversibel betreibbare, elektrochemische Energiewandler sind in Form von
SOFC/SOEC-Systemen, auch RSOFC-Systeme genannt, bekannt. Bei derartigen Systemen kann ein Umschalten zwischen einem SOFC-Betrieb und einem SOEC- Betrieb relativ lange dauern. Dies liegt insbesondere daran, dass es schwierig ist, die Temperatur von Teilen des Energiewandlers, welche nur bei einem der beiden Be- triebszustände benötigt werden, stets ausreichend hoch zu halten. Eine solche Kom- ponente ist beispielsweise ein Verdampfer, der in einem SOEC-Betrieb zur Verdamp- fung von Wasser möglichst schnell und effizient auf eine ausreichend hohe Tempera- tur gebracht werden muss.
Aus der internationalen Patentanmeldung WO 2016/161999 A1 gehen verschiedene Ansätze für ein Wärmemanagement für Festoxidbrennstoffzellen (SOFC), Hochtem- peratur-Wasserdampf-Elektrolyseure (SOEC) sowie reversibel betreibbare
SOFC/SOEC-Systeme hervor. Eine zufriedenstellende Lösung für die vorstehend erwähnte Problematik hinsichtlich des Verdampfers und somit hinsichtlich der mög- lichst kurzen Umschaltzeiten können diesem Dokument allerdings nicht entnommen werden. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen reversibel betreibbaren Energie- wandler, ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Energiewandlers sowie ein Kraftwerk mit einem stationären, reversibel betreibbaren Energiewandler zu schaffen, wobei Umschaltzeiten zwischen einem Stromerzeugungsbetrieb und einem Brenn- stofferzeugungsbetrieb auf effiziente Weise möglichst kurz gehalten werden können.
Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch einen reversibel betreibbaren Energiewandler gemäß Anspruch 1 , ein Verfahren zum Betreiben eines Energiewandlers gemäß An- spruch 7 sowie ein Kraftwerk gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile der Erfin- dung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnun- gen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem reversibel betreibbaren Energiewandler beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusam- menhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, dem erfindungsgemäßen Kraft- werk und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Er- findungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein reversibel betreib- barer Energiewandler zur Verfügung gestellt. Der reversibel betreibbare Energie- wandler weist einen Elektrodenverbund für eine elektrochemische Energiewandlung mit einem ersten Elektrodenabschnitt und einem zweiten Elektrodenabschnitt auf. Ferner weist der Energiewandler einen Reformer zum Erzeugen eines Reformats für den ersten Elektrodenabschnitt und einen stromaufwärts des Reformers angeordne- ten Verdampfer zum Erzeugen von Wasserdampf für den Reformer auf, wobei der Verdampfer wenigstens einen Fluidleitabschnitt zum Leiten von in dem Verdampfer zu verdampfendem Fluid aufweist. Der Fluidleitabschnitt ist zumindest abschnittswei- se mit einem Katalysator für eine katalytische Verbrennung von Wasserstoff im Ver- dampfer beschichtet ist.
Durch die katalytische Beschichtung kann ein besonders platzsparendes Heizsystem zum Aufheizen des Verdampfers zur Verfügung gestellt werden. Bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass Wasserstoff bzw. ein was- serstoffhaltiges Gas, das im Energiewandler ohnehin vorhanden und/oder erzeugbar ist, genutzt werden kann, um den Verdampfer auf effiziente Weise auf die gewünsch- te Verdampfungstemperatur zu bringen. Dazu muss der Verdampfer lediglich auf die erfindungsgemäße Weise mit dem Katalysator bzw. dem Katalysatormaterial be- schichtet werden bzw. sein.
Unter dem Fluidleitabschnitt ist demnach nicht nur der Fluidleitabschnitt zum Leiten von in dem Verdampfer zu verdampfendem Fluid, insbesondere Wasser, sondern auch ein Fluidleitabschnitt zum Leiten von wasserstoffhaltigem Gas für einen Auf- heizbetrieb des Verdampfers zu verstehen.
Die katalytische Beschichtung des Fluidleitabschnitts nimmt kaum einen Einfluss auf den erforderlichen Bauraum im vorliegenden Energiewandler. Ferner kann eine sol- che Beschichtung auch bei bestehenden Energiewandlern relativ einfach nachgerüs- tet werden. Der Fluidleitabschnitt befindet sich vorzugsweise auf einer kalten Seite des Verdampfers.
Darüber hinaus kann der Komplexitätsgrad des reversibel betreibbaren Energie- wandlers durch die katalytische Beschichtung relativ gering gehalten werden, insbe- sondere im Vergleich zu separaten Heizbauteilen und/oder Fluid- Rezirkulationssystemen.
Unter dem reversibel betreibbaren Energiewandler kann vorliegend ein als Elektroly- seur bzw. reversibel betreibbares Brennstoffzellensystem verstanden werden. Unter der elektrochemischen Energiewandlung ist eine Umwandung von elektrischer Ener- gie in Form von Strom in chemische Energie in Form von Brennstoff, und umgekehrt, zu verstehen. Durch das schnelle Aufheizen ist der Verdampfer in einem Elektroly- sebetrieb des Energiewandlers entsprechend schnell betriebsbereit. Folglich kann mit einem erfindungsgemäßen Energiewandler auch schnell von einem Brennstoff- zellenbetrieb in den Elektrolysebetrieb geschaltet werden.
Der Elektrodenverbund kann für den Fall, dass der Energiewandler als Brennstoffzel- lensystem betrieben wird, als Brennstoffzellenstapel verstanden werden. Der erste Elektrodenabschnitt entspricht in diesem Fall einem Anodenabschnitt und der zweite Elektrodenabschnitt einem Kathodenabschnitt. Für den Fall, dass der Energiewand- ler als Elektrolyseur betrieben wird, kann der erste Elektrodenabschnitt als Katho- denabschnitt verstanden werden und der zweite Elektrodenabschnitt als Anodenab- schnitt. Der Energiewandler weist vorzugsweise eine Wasserquelle zum Bereitstellen von Wasser im Verdampfer auf. Der Verdampfer ist vorzugsweise stromaufwärts des Re- formers und stromabwärts der Wasserquelle angeordnet. Stromaufwärts des Ver- dampfers kann eine Pumpe zum Fördern von Wasser in den Verdampfer angeordnet sein. Stromabwärts des Verdampfers kann ein Gebläse zum Fördern des verdampf- ten Wassers in den Reformer oder zumindest in Richtung des Reformers angeordnet sein.
Als Katalysator wird vorzugsweise ein Edelmetallkatalysator, insbesondere ein Pla- tinkatalysator verwendet, der die Aktivierungsenergie für die katalytische Verbren- nung von Wasserstoff derart herabsetzt, dass die Reaktion bzw. Verbrennung auch bei möglichst niedrigen Temperaturen mit der gewünschten Geschwindigkeit ablau- fen kann. Um die Kosten für den Katalysator bzw. das Katalysatormaterial gering zu halten, ist vorzugsweise ausschließlich der Fluidleitabschnitt oder nur ein Teil des Fluidleitabschnitts mit dem Katalysator beschichtet. Der Fluidleitabschnitt kann als Innenraumabschnitt des Verdampfers verstanden werden, durch welchen in unter- schiedlichen Betriebszuständen des Energiewandlers nacheinander wasserstoffhalti- ges Gas und Wasser geleitet werden.
Durch die katalytische Beschichtung kann der Verdampfer zumindest während der katalytischen Verbrennung als ein Katalytofen verstanden werden, in welchem der Wasserstoff bzw. ein wasserstoffhaltiges Gas ohne offener Flamme verbrennen kann. Unter der katalytischen Verbrennung ist eine Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff, insbesondere als Bestandteil von Luft, zu verstehen. Unter dem Katalysa- tor können ein Katalysator bzw. ein Katalysatormaterial oder mehrere unterschiedli- che Katalysatoren bzw. Katalysatormaterialien verstanden werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass der Verdampfer integral mit einem Wärmetauscher für einen Wärmetausch zwi- schen Abgas aus dem Elektrodenverbund, insbesondere aus dem ersten Elektro- denabschnitt, und dem Verdampfer verbunden ist. Der Verdampfer steht mit dem Wärmetauscher für den Wärmetausch mithin in thermischer Verbindung. Durch die integrale Bauweise können der Verdampfer und der Wärmetauscher besonders kompakt und entsprechend bauraumsparend bereitgestellt werden. Durch den Wär- metauscher am Verdampfer kann zudem eine vorteilhafte Wechselwirkung erzielt werden, indem der Verdampfer durch Abgas aus dem Elektrodenverbund erhitzt und dadurch entsprechend effizient auf der gewünschten Temperatur gehalten werden kann. Der Elektrodenverbund, insbesondere der erste Elektrodenabschnitt, ist strom- abwärts des Verdampfers und stromaufwärts des Wärmetauschers angeordnet, so- dass die thermische Energie des verdampften Wassers über den Elektrodenverbund dem Wärmetauscher zugeführt werden kann. Darunter, dass der Verdampfer integral mit dem Wärmetauscher verbunden bzw. ausgestaltet ist, ist zu verstehen, dass der Verdampfer und der Wärmetauscher als eine Einheit ausgestaltet sind. Unter dem Verdampfer kann eine Dampfseite dieser Einheit verstanden werden. Unter dem Wärmetauscher kann eine Heizseite dieser Einheit verstanden werden.
Zudem ist es möglich, dass bei einem reversibel betreibbaren Energiewandler der Fluidleitabschnitt einen Überhitzer aufweist und der Überhitzer zumindest ab- schnittsweise mit dem Katalysator für die katalytische Verbrennung von Wasserstoff beschichtet ist. Bei umfangreichen Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfin- dung hat sich überraschend herausgestellt, dass durch eine katalytische Beschich- tung des Überhitzers die besten Heizergebnisse erzielt werden können. Unter dem Überhitzer ist ein Bauteil des Verdampfers zu verstehen, durch welches der im Ver- dampfer erzeugte Wasserdampf über die Verdampfungstemperatur hinaus weiter er- hitzt werden kann.
Weiterhin ist es bei einem reversibel betreibbaren Energiewandler möglich, dass ein Heizmittel zum Vorheizen des Verdampfers auf eine Solltemperatur in thermischer Verbindung mit dem Verdampfer steht. Durch das Heizmittel kann der Verdampfer zu Beginn eines Aufheizvorgangs sowie währenddessen schnell und zuverlässig auf die gewünschte Temperatur gebracht werden bzw. auf dieser gehalten werden. Wenn gewährleistet wird, dass der Verdampfer zumindest im Bereich des katalytisch be- schichteten Fluidleitabschnitts stets über einer vordefinierten katalytischen Aktivie- rungstemperatur liegt, kann die katalytische Verbrennung zur Vorheizung und/oder Heizung des Verdampfers zuverlässig erfolgen. Das Heizmittel ist vorzugsweise in Form eines elektrischen Heizmittels ausgestaltet. Die Solltemperatur liegt vorzugs- weise in einem Bereich zwischen 100°C und 150°C.
Darüber hinaus ist es möglich, dass ein erfindungsgemäßer, reversibel betreibbarer Energiewandler in Form eines SOFC/SOEC-Systems ausgestaltet ist, das zur Stromerzeugung als SOFC-System und zur Brennstofferzeugung als SOEC-System betreibbar ist. Durch die hohe Betriebstemperatur des SOFC-Systems lässt sich die- ses besonders vorteilhaft als reversibles System zur Brennstofferzeugung betreiben. Wenn der reversibel betreibbare Energiewandler als SOFC-System betrieben wird, ist unter dem Elektrodenverbund ein Brennstoffzellenstapel zu verstehen. In diesem Fall sind unter dem ersten Elektrodenabschnitt ein Anodenabschnitt und unter dem zweiten Elektrodenabschnitt ein Kathodenabschnitt zu verstehen.
Außerdem ist es bei einem reversibel betreibbaren Energiewandler möglich, dass stromabwärts des Reformers ein Rezirkulationsabschnitt zum Zuführen eines was- serstoffhaltigen Reformats vom Reformer in den Fluidleitabschnitt ausgestaltet ist. Dadurch kann der katalytisch beschichtete Fluidleitabschnitt im Elektrolysebetrieb des Energiewandlers nicht nur mit Wasserstoff direkt aus einer separaten Wasser- stoffquelle, sondern auch aus reformiertem Wasserstoff, der beispielsweise aus Erd- gas erzeugt wird, gespeist werden. Mithin kann ein erfindungsgemäßer Energie- wandler besonders flexibel betrieben werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines wie vorstehend im Detail beschriebenen reversibel betreibbaren Energiewandlers zur Verfügung gestellt, wobei der Energiewandler ferner eine Was- serquelle, eine Wasserstoffquelle sowie eine Sauerstoffquelle stromaufwärts des Verdampfers umfasst. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
Zuführen eines wasserstoffhaltigen Gases von der Wasserstoffquelle sowie ei- nes sauerstoffhaltigen Gases von der Sauerstoffquelle in den Verdampfer zum Flerbeiführen einer katalytischen Verbrennung im Verdampfer,
Beenden der Zufuhr des wasserstoffhaltigen Gases und des sauerstoffhaltigen Gases in den Verdampfer, sobald der Verdampfer eine vordefinierte Solltempe- ratur erreicht hat, und
Zuführen von Wasser von der Wasserquelle in den auf die Solltemperatur tem- perierten Verdampfer zum Verdampfen des Wassers im Verdampfer.
Damit bringt ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Energiewandler beschrieben wor- den sind. Unter einer Wasserstoffquelle ist eine Quelle zum Bereitstellen von reinem Wasserstoff oder eines wasserstoffhaltigen Gases zu verstehen. Unter einer Sauer- stoffquelle ist entsprechend eine Quelle zum Bereitstellen von reinem Sauerstoff o- der eines sauerstoffhaltigen Gases, insbesondere Luft, zu verstehen.
Bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist es ferner möglich, dass der Verdampfer vor dem Zuführen des wasserstoffhaltigen Gases und des sauer- stoffhaltigen Gases durch ein Heizmittel, insbesondere auf eine Temperatur in einem Bereich zwischen 100°C und 150°C, temperiert wird. Durch das Vorheizen kann si- chergestellt werden, dass die katalytische Verbrennung stets wunschgemäß ablau- fen kann. Bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich eine Vor- heiztemperatur von etwas über 100°C, beispielsweise in einem Bereich zwischen 100°C und 110°C, als vorteilhaft herausgestellt.
Darüber hinaus kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren dem Verdampfer das wasserstoffhaltige Gas über einen Rezirkulationsabschnitt des reversibel betreibba- ren Energiewandlers in Form von Reformat aus dem Reformer zugeführt werden.
Wie vorstehend bereits erwähnt, wird der katalytisch beschichtete Fluidleitabschnitt im Elektrolysebetrieb des Energiewandlers in diesem Fall nicht direkt mit Wasserstoff aus einer separaten Wasserstoffquelle, sondern aus reformiertem Wasserstoff, der beispielsweise aus Erdgas erzeugt wird, gespeist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ferner ein Kraftwerk mit einem reversibel betreibbaren Energiewandler, der zur Bereitstellung von Was- serstoff sowie zur Stromerzeugung als stationäres SOFC/SOEC-System ausgestaltet ist, zur Verfügung gestellt. Damit bringt auch das erfindungsgemäße Kraftwerk die vorstehend beschriebenen Vorteile mit sich.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgen- den Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen jeweils schematisch:
Figur 1 ein Blockdiagramm zum Erläutern eines reversibel betreibbaren Energie- wandlers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfin- dung, Figur 2 ein Blockdiagramm zum Erläutern eines reversibel betreibbaren Energie- wandlers gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfin- dung, und
Figur 3 ein Blockdiagramm zum Erläutern eines reversibel betreibbaren Energie- wandlers gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfin- dung.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 bis 3 je- weils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt einen reversibel betreibbaren Energiewandler 100a gemäß einer ersten Ausführungsform. Der Energiewandler 100a ist vorliegend in Form eines
SOFC/SOEC-Systems ausgestaltet, also in Form eines reversibel betreibbaren SOFC-Systems bzw. in Form eines RSOFC-Systems, das zur Stromerzeugung als SOFC-System und zur Brennstofferzeugung als SOEC-System betreibbar ist. Der Energiewandler 100a weist einen Elektrodenverbund 1 für eine elektrochemische Energiewandlung mit einem ersten Elektrodenabschnitt 2 und einem zweiten Elekt- rodenabschnitt 3, sowie einen Reformer 4 zum Erzeugen eines Reformats für den ersten Elektrodenabschnitt 2, auf. Der Energiewandler 100a weist ferner einen stromaufwärts des Reformers 4 angeordneten Verdampfer 5 zum Erzeugen von Wasserdampf für den Reformer 4 auf, wobei der Verdampfer 5 wenigstens einen Flu- idleitabschnitt (nicht dargestellt) zum Leiten von in dem Verdampfer 5 zu verdamp- fendem Fluid aufweist. Der Fluidleitabschnitt weist einen Überhitzer auf, der mit ei- nem Katalysator für eine katalytische Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff im Verdampfer 5 beschichtet ist.
Der Verdampfer 5 ist integral mit einem Wärmetauscher 6 für einen Wärmetausch zwischen Abgas aus dem ersten Elektrodenabschnitt 2 und dem Verdampfer 5 ver- bunden. Zum Vorheizen des Verdampfers 5 auf eine Solltemperatur von über 100°C steht der Verdampfer 5 mit einem elektrischen Heizmittel 7 in thermischer Verbin- dung.
Der Energiewandler 100a weist ferner eine Wasserquelle 8 zum Zuführen von Was- ser zum Verdampfer 5, eine Wasserstoffquelle 9 in Form eines Wasserstofftanks zum Zuführen von Wasserstoff zu dem Verdampfer 5, sowie eine Sauerstoffquelle 10 in Form einer Luftquelle zum Zuführen von Luft zum Verdampfer 5, stromaufwärts des Verdampfers 5 auf. Stromaufwärts des Verdampfers 5 und stromabwärts der Sauerstoffquelle 10 ist ein Gebläse 28 zum Zuführen des Sauerstoffs bzw. der Luft zum Verdampfer 5 angeordnet.
Zum Zuführen des Wassers von der Wasserquelle 8 zum Verdampfer 5 ist zwischen der Wasserquelle 8 und dem Verdampfer 5 eine Wasserleitung ausgestaltet. In der Wasserleitung ist stromaufwärts des Verdampfers 5 und stromabwärts der Wasser- quelle 8 eine Pumpe 12 zum Fördern von Wasser aus der Wasserquelle 8 in Rich- tung des Verdampfers 5 ausgestaltet. Stromabwärts des Verdampfers 5 ist ein Ge- bläse 13 zum Fördern von Wasserdampf aus dem Verdampfer 5 in Richtung des Re- formers 4 angeordnet. Das Gebläse 13 ist in einer Wasserdampfleitung zwischen dem Verdampfer 5 und dem Reformer 4 angeordnet.
Zum Zuführen des Wasserstoffs von der Wasserstoffquelle 9 zum Verdampfer 5 ist zwischen der Wasserstoffquelle 9 und dem Verdampfer 5 eine Wasserstoffleitung ausgestaltet, die durch ein Ventil in der Wasserstoffleitung sperrbar ist. Zum Zufüh- ren der Luft von der Sauerstoffquelle 10 zum Verdampfer 5 ist zwischen der Sauer- stoffquelle 10 und dem Verdampfer 5 eine Sauerstoff- bzw. Luftleitung ausgestaltet, die durch ein Ventil in der Sauerstoffleitung sperrbar ist.
Der in Fig. 1 dargestellte Energiewandler 100a weist ferner eine Kondensiereinheit 14 zum Kondensieren von Wasserdampf aus dem Wärmetauscher 6 auf. Die Kon- densiereinheit 14 ist entsprechend stromabwärts des Wärmetauschers 6 angeordnet. Stromabwärts der Kondensiereinheit 14 kann Wasserkondensat über einen Wasser- auslass 23 in die Umgebung des Energiewandlers 100a ausgelassen werden. Aus dem Wärmetauscher 6 abgegebenes Abgas wie Kohlenmonoxid und/oder Wasser- stoff können die Kondensiereinheit 14 passieren und über einen Auslass 21 in die Umgebung des Energiewandlers 100a ausgelassen werden. Stromabwärts der Kon- densiereinheit 14 und stromaufwärts des Auslasses 21 ist eine Analyseeinheit 22 zur Analyse des Abgases, insbesondere Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid, inte- griert.
Stromaufwärts des Gebläses 13 ist eine Sauerstoffquelle 15 zum Zuführen von Sau- erstoff oder eines sauerstoffhaltigen Fluids zum Reformer 4 angeordnet. Stromauf- wärts des Gebläses 13 ist ferner eine Methanquelle 16 zum Zuführen von Methan oder eines methanhaltigen Fluids zum Reformer 4 angeordnet. Außerdem ist ström- aufwärts des Gebläses 13 eine Kohlendioxidquelle 17 zum Zuführen von Kohlendi- oxid oder eines kohlendioxidhaltigen Fluids zum Reformer 4 angeordnet. Die Was- serstoffquelle 9, die Sauerstoffquelle 15, die Methanquelle 16 und die Kohlendioxid- quelle 17 sind für eine mögliche, parallele Fluidzufuhr in Richtung des Reformers 4 entsprechend parallel zueinander angeordnet. Aus der Wasserstoffquelle 9 kann dem Reformer 4 Wasserstoff sowohl direkt über eine erste Wasserstoffleitung aus der Wasserstoffquelle 9, als auch indirekt über eine zweite Wasserstoffleitung aus der Wasserstoffquelle, die durch den Verdampfer 5 läuft, zugeführt werden.
Zur Prozessgasspeisung des zweiten Elektrodenabschnitts 3 weist der Energiewand- ler 100a für einen SOFC-Betrieb des Energiewandlers 100a eine Sauerstoffquelle 24 auf, durch welche über ein Gebläse 29 Sauerstoff in Form von Umgebungsluft zum zweiten Elektrodenabschnitt 3 geführt werden kann. Stromabwärts des Gebläses 29 ist ein Wärmetauscher 26 mit einer kalten Seite zum Temperieren der Luft angeord- net.
Stromabwärts des zweiten Elektrodenabschnitts 3 ist ein Nachbrenner 25 zum Ver- brennen von Abgas aus dem ersten Elektrodenabschnitt 2 sowie dem zweiten Elekt- rodenabschnitt 3 angeordnet. Stromabwärts des Nachbrenners 25 ist der Wärmetau- scher 26 bzw. die heiße Seite des Wärmetauschers 26 für eine Temperierung der Luft aus der Sauerstoffquelle 24 durch verbranntes Abgas aus dem Nachbrenner 25 angeordnet. Verbranntes Abgas aus dem Nachbrenner 25 kann über den Wärme- tauscher 26 und einen Auslass 18 stromabwärts des Wärmetauschers 26 in die Um- gebung des Energiewandlers 100a ausgelassen werden. Stromabwärts des Geblä- ses 29 und stromaufwärts des Nachbrenners 25 ist parallel zum Wärmetauscher 26 ein Heizmittel 31 zum Aufheizen von Luft, die dem Nachbrenner 25 zum Aufheizen desselben zugeführt werden kann, angeordnet.
Stromaufwärts des Nachbrenners 25 sind ferner eine Methanquelle 19 sowie eine Wasserstoffquelle 20 bereitgestellt, durch welche dem Abgasbrenner 25 parallel zum Abgas aus dem Elektrodenverbund 1 entsprechendes Brenngas zugeführt werden kann. Dies kann für ein schnelles Aufheizen des Abgasbrenners 25 genutzt werden.
In Fig. 2 ist ein reversibel betreibbarer Energiewandler 100b gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Die zweite Ausführungsform entspricht im Wesentli- chen der ersten Ausführungsform, weshalb auf eine erneute Beschreibung der glei- chen Bauteile verzichtet wird. Der Energiewandler 100b gemäß Fig. 2 zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass stromabwärts des Reformers 4 ein Rezirkulations- abschnitt 11 mit einer Rezirkulationsleitung zum Zuführen eines wasserstoffhaltigen Reformats vom Reformer 4 in den Fluidleitabschnitt des Verdampfers 5 ausgestaltet ist. Dadurch kann auf einfache Weise wasserstoffhaltiges Reformat, das beispiels- weise aus Erdgas gewonnen wird, aus dem Reformer 4 direkt in den für die katalyti- sche Verbrennung beschichteten Fluidleitabschnitt des Verdampfers gefördert wer- den. Im Rezirkulationsabschnitt 11 bzw. im entsprechenden Leitungsabschnitt ist ein Ventil zum Sperren der Rezirkulationsleitung angeordnet. Zudem könnte der Rezirku- lationsabschnitt 11 ein Gebläse zum Fördern des Reformats vom Reformer 4 in Rich- tung des Verdampfers 5 aufweisen.
In Fig. 3 ist ein reversibel betreibbarer Energiewandler 100c gemäß einer dritten Aus- führungsform dargestellt. Der in Fig. 3 dargestellte Energiewandler 100c soll eben- falls nur bezüglich Merkmalen erläutert werden, welche nicht bereits ausführlich zu den Energiewandlern gemäß der ersten und/oder zweiten Ausführungsform be- schrieben wurden.
Gemäß der dritten Ausführungsform ist ein zweistufiger Verdampfer 5 mit integrier- tem Wärmetauscher 6 bzw. integrierter Wärmetauscher-Funktion für einen Wärme- tausch zwischen Abgas aus dem Elektrodenverbund 1 und dem Verdampfer 5, stromaufwärts des Reformers 4 bereitgestellt. Auch dieser Verdampfer 5 weist einen Fluidleitabschnitt mit einem Katalysator für eine katalytische Verbrennung von Was- serstoff im Verdampfer 5 auf. Gemäß der dargestellten bevorzugten Ausführungs- form sind beide Kammern des zweistufigen Verdampfers 5 sowohl auf der heißen als auch auf der kalten Seite des integrierten Wärmetauschers 6 katalytisch beschichtet. Gleichwohl kann es auch ausreichend sein, nur die in Strömungsrichtung zuerst durchströmte Kammer des Verdampfers 5 und/oder nur die kalte Seite des Wärme- tauschers 6 katalytisch zu beschichten. In diesem Fall hätte die zweite Kammer des Verdampfers 5 insbesondere die Funktion eines Überhitzers, da über die heiße Seite während eines entsprechenden Betriebs noch Wärme übertragen wird. Gemäß Fig. 3 kann Abgas aus dem Nachbrenner 25 über den Reformer 4 bzw. einen dort integrier- ten Wärmetauscher sowie den stromabwärts zum Reformer 4 angeordneten Wärme- tauscher 6 über den Auslass 18 in die Umgebung des Energiewandlers 100c ausge- lassen werden. Der Energiewandler 100c gemäß Fig. 3 weist ferner einen Wassertank 27 auf, der stromabwärts einer Wasserquelle 8 als Puffer- sowie Rezirkulationsspeicher bereit- gestellt ist. Genauer gesagt ist die Kondensiereinheit 14 gemäß Fig. 3 stromabwärts des Wärmetauschers 6 sowie stromaufwärts des Wassertanks 27 angeordnet, so- dass das kondensierte Wasser nicht einfach in die Umgebung des Energiewandlers abgegeben wird. Wasserstoff und Kohlenmonoxid kann über eine Abzweigungslei- tung von der Kondensiereinheit 14 durch eine Analyseeinheit 22 und ein Gebläse 30 zur Wasserstoffquelle 9 rückgeführt werden. Neben Wasserstoff aus der Wasser- stoffquelle 9 kann gemäß der dargestellten Ausführungsform noch Kohlendioxid aus einer Kohlendioxidquelle 17 sowie Methan von einer Methanquelle 19 zum gestuften Verdampfer 5 geleitet werden. Stromaufwärts des Verdampfers 5 ist eine Sauerstoff- quelle 10 bereitgestellt, von welcher Sauerstoff in Form von Luft über ein Gebläse 28 zum Verdampfer geführt werden kann.
Die in Fig. 1 , Fig. 2 und Fig. 3 dargestellten Energiewandler 100a, 100b, 100c sind für die stationäre Anwendung in einem Kraftwerk ausgelegt.
Mit Bezug auf Fig. 1 wird anschließend ein Verfahren zum Betreiben des dargestell- ten Energiewandlers 100a gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben. Zu nächst werden von der Wasserstoffquelle 9 Wasserstoff und von der Sauerstoffquel- le 10 Luft in den Verdampfer 5, genauer gesagt in den Fluidleitabschnitt des Ver- dampfers 5, geführt, um eine katalytische Verbrennung von Wasserstoff mit Sauer- stoff im Verdampfer 5 herbeizuführen. Sobald der Verdampfer 5 die Solltemperatur von über 100°C erreicht hat, wird die Zufuhr des wasserstoffhaltigen Gases und der Luft in den Verdampfer 5 beendet. Anschließend wird Wasser von der Wasserquelle 8 in den auf die Solltemperatur temperierten Verdampfer 5 zum Verdampfen des Wassers im Verdampfer 5 zugeführt und somit der eigentliche, Brennstoff erzeugen- de SOEC-Betrieb eingeleitet.
Mit Bezug auf Fig. 2 wird anschließend ein Verfahren zum Betreiben des dargestell- ten Energiewandlers 100a gemäß der zweiten Ausführungsform beschrieben. Zu- nächst wird Methan durch das Gebläse 13 von der Methanquelle 16 zum Reformer 4 gefördert. Das im Reformer 4 erzeugte wasserstoffhaltige Reformat wird anschlie- ßend über den Rezirkulationsabschnitt 11 in den Fluidleitabschnitt des Verdampfers 5 geführt, um eine katalytische Verbrennung im Verdampfer 5 herbeizuführen. So- bald der Verdampfer 5 eine Solltemperatur von über 100°C erreicht hat, wird die Zu- fuhr des wasserstoffhaltigen Gases und der Luft in den Verdampfer 5 beendet. Wie bereits mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben, wird nun Wasser von der Wasserquelle 8 in den auf die Solltemperatur temperierten Verdampfer 5 zum Verdampfen des Was- sers im Verdampfer 5 zugeführt. Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestal- tungsgrundsätze zu. D.h., die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden. So könnten auch der Energiewandler 100a gemäß der ersten Ausführungsform sowie der Energie- wandler 100c gemäß der dritten Ausführungsform mit dem in Fig. 2 dargestellten Re- Zirkulationsabschnitt 11 ausgestaltet sein. Ebenso ist es möglich, dass der in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellte Vorheizer 7 auch an dem in Fig. 3 dargestellten Verdampfer 5 zum Erbringen der gewünschten Vorheizung angeordnet ist.
Bezugszeichenliste
1 Elektrodenverbund
2 erster Elektrodenabschnitt
3 zweiter Elektrodenabschnitt
4 Reformer
5 Verdampfer
6 Wärmetauscher
7 Heizmittel
8 Wasserquelle
9 Wasserstoffquelle
10 Sauerstoffquelle
11 Rezirkulationsabschnitt
12 Pumpe
13 Gebläse
14 Kondensiereinheit
15 Sauerstoffquelle
16 Methanquelle
17 Kohlendioxidquelle
18 Auslass
19 Methanquelle
20 Wasserstoffquelle
21 Auslass
22 Analyseeinheit
23 Wasserauslass
24 Sauerstoffquelle
25 Nachbrenner
26 Wärmetauscher
27 Wassertank
28 Gebläse
29 Gebläse
30 Gebläse
31 Heizmittel
100a, 100b, 100c Energiewandler

Claims

Patentansprüche
1. Reversibel betreibbarer Energiewandler (100a; 100b; 100c), aufweisend einen Elektrodenverbund (1 ) für eine elektrochemische Energiewandlung mit einem ersten Elektrodenabschnitt (2) und einem zweiten Elektrodenabschnitt (3), ei- nen Reformer (4) zum Erzeugen eines Reformats für den ersten Elektrodenab- schnitt (2), und einen stromaufwärts des Reformers (4) angeordneten Verdamp- fer (5) zum Erzeugen von Wasserdampf für den Reformer (4), wobei der Ver- dampfer (5) wenigstens einen Fluidleitabschnitt zum Leiten von in dem Ver- dampfer (5) zu verdampfendem Fluid aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Fluidleitabschnitt zumindest abschnittsweise mit einem Katalysator für eine katalytische Verbrennung von Wasserstoff im Verdampfer (5) beschichtet ist.
2. Reversibel betreibbarer Energiewandler (100a; 100b; 100c) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
der Verdampfer (5) integral mit einem Wärmetauscher (6) für einen Wärme- tausch zwischen Abgas aus dem Elektrodenverbund (1 ), insbesondere aus dem ersten Elektrodenabschnitt (2), und dem Verdampfer (5) verbunden ist.
3. Reversibel betreibbarer Energiewandler (100a; 100b; 100c) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Fluidleitabschnitt einen Überhitzer aufweist und der Überhitzer zumindest abschnittsweise mit dem Katalysator für die katalytische Verbrennung von Wasserstoff beschichtet ist.
4. Reversibel betreibbarer Energiewandler (100a; 100b) nach einem der voranste- henden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Heizmittel (7) zum Vorheizen des Verdampfers (5) auf eine Solltemperatur in thermischer Verbindung mit dem Verdampfer (5) steht.
5. Reversibel betreibbarer Energiewandler (100a; 100b; 100c) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
reversibel betreibbare Energiewandler (100) in Form eines SOFC/SOEC- Systems ausgestaltet ist, das zur Stromerzeugung als SOFC-System und zur Brennstofferzeugung als SOEC-System betreibbar ist.
6. Reversibel betreibbarer Energiewandler (100b) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
stromabwärts des Reformers (4) ein Rezirkulationsabschnitt (11 ) zum Zuführen eines wasserstoffhaltigen Reformats vom Reformer (4) in den Fluidleitabschnitt ausgestaltet ist.
7. Verfahren zum Betreiben eines reversibel betreibbaren Energiewandlers (100a;
100b; 100c) nach einem der voranstehenden Ansprüche, der ferner eine Was- serquelle (8), eine Wasserstoffquelle (9) sowie eine Sauerstoffquelle (10) stromaufwärts des Verdampfers (5) umfasst, aufweisend die Schritte:
Zuführen eines wasserstoffhaltigen Gases von der Wasserstoffquelle (9) sowie eines sauerstoffhaltigen Gases von der Sauerstoffquelle (10) in den Verdampfer (5) zum Flerbeiführen einer katalytischen Verbrennung im Verdampfer (5),
Beenden der Zufuhr des wasserstoffhaltigen Gases und des sauerstoffhal- tigen Gases in den Verdampfer (5), sobald der Verdampfer (5) eine vorde- finierte Solltemperatur erreicht hat, und
Zuführen von Wasser von der Wasserquelle (8) in den auf die Solltempe- ratur temperierten Verdampfer (5) zum Verdampfen des Wassers im Ver- dampfer (5).
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Verdampfer (5) vor dem Zuführen des wasserstoffhaltigen Gases und des sauerstoffhaltigen Gases durch ein Heizmittel (7), insbesondere auf eine Tem- peratur in einem Bereich zwischen 100°C und 150°C, temperiert wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
dem Verdampfer (5) das wasserstoffhaltige Gas über einen Rezirkulationsab- schnitt (11 ) des reversibel betreibbaren Energiewandlers (100b) in Form von Reformat aus dem Reformer (4) zugeführt wird.
10. Kraftwerk mit einem reversibel betreibbaren Energiewandler (100a; 100b; 100c) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, der zur Bereitstellung von Wasserstoff so- wie zur Stromerzeugung als stationäres SOFC/SOEC-System ausgestaltet ist.
PCT/AT2019/060148 2018-05-03 2019-05-03 Reversibel betreibbarer energiewandler und verfahren zum betreiben desselben WO2019210344A1 (de)

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