WO2023245221A2 - Synthesesystem, brennstoffzellensystem, brennstoffzellenanlage und verfahren zum erzeugen von synthesegas - Google Patents

Synthesesystem, brennstoffzellensystem, brennstoffzellenanlage und verfahren zum erzeugen von synthesegas Download PDF

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WO2023245221A2
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Definitions

  • Synthesis system fuel cell system, fuel cell system and method for producing synthesis gas
  • the present invention relates to a synthesis system, a fuel cell system, a fuel cell system and a method for producing synthesis gas using a fuel cell system.
  • One way to reduce dependence on fossil raw materials and reduce CO2 emissions is to replace crude oil with synthetic hydrocarbons made from carbon dioxide (CO2) and water (H2O).
  • CO2 carbon dioxide
  • H2O water
  • SOE high-temperature electrolysis
  • the synthetic hydrocarbons are obtained from the synthesis gas.
  • the synthesis system has a synthesis reactor, in particular in the form of a catalytic synthesis reactor, for producing synthetic hydrocarbons from a synthesis gas. Furthermore, the synthesis system has a synthesis gas connection for providing the synthesis gas from a fuel cell system, the synthesis gas connection being fluidly connected to the synthesis reactor by means of a synthesis gas supply connection. The synthesis system further has evaporative cooling with a water vapor connection fluidly connected to the synthesis reactor for providing water vapor for cooling the synthesis reactor, wherein the water vapor compound is also fluidly connected to a water vapor connection for providing water vapor for the fuel cell system.
  • the efficiency in the production of synthetic hydrocarbons is increased by providing a synthesis system which is designed to provide water vapor from evaporative cooling of the synthesis process for use in a high-temperature electrolysis, in particular a high-temperature co-electrolysis, within the fuel cell system .
  • a significant advantage is that by providing steam for the electrolysis process by removing the heat of reaction from the synthesis reaction, the enthalpy of vaporization no longer has to be explicitly applied, which has a positive effect on the electrolysis as well as the overall process efficiency. Instead, the water vapor heated in the synthesis reactor, particularly during the evaporative cooling of the synthesis process, is used in the fuel cell system for high-temperature co-electrolysis. This increases the overall efficiency of the entire synthesis process for producing the synthetic hydrocarbons in a simple and cost-effective manner.
  • this description is referred to as a synthesis reactor.
  • several synthesis reactors are provided in the synthesis system, which can be interconnected in any way, in particular can be interconnected in parallel.
  • the synthesis reactor is a catalytic synthesis reactor that implements the synthesis process using catalysis.
  • first component, second component, third component (or elements ) etc. for example first heating device, second heating device, etc.
  • a second pump is arranged in the steam connection between the steam generator, in particular the steam drum, and the steam connection. This makes it possible to easily supply the steam from the steam drum to the steam connection and thus to the fuel cell system.
  • a fuel cell system according to the invention thus brings with it the same advantages as have been explained in detail with reference to the synthesis system according to the invention.
  • the efficiency of the fuel cell system is increased by providing the water vapor from the synthesis system, for which purpose the water vapor connection is set up accordingly, in particular is fluidly coupled to the synthesis system by means of a water vapor connection.
  • any protective gas that is supplied to the cathode supply connection can also be regarded as part of the cathode gas because it is supplied to the cathode supply section.
  • the anode exhaust gases are discharged to the anode discharge connection by means of the anode discharge connection.
  • the anode exhaust gases removed in the anode discharge connection include, in particular, exhaust air or oxygen removed from the fuel cell system. These can be released into the environment, for example, from the anode discharge connection.
  • the generated cathode exhaust gas which is synthesis gas, which in particular mainly contains hydrogen gas and carbon monoxide, is fed to a cathode discharge port, which is referred to herein as a synthesis gas port. This is connected or can be connected to the synthesis system in order to provide the synthesis gas there for producing the synthetic hydrocarbons.
  • the synthesis gas supply connection is fluidly connected to a synthesis reactor of the synthesis system, in particular the synthesis reactor of the synthesis system according to the invention, via the synthesis gas supply connection for supplying the synthesis gas produced to the synthesis system.
  • a method according to the invention therefore brings with it the same advantages as have been explained in detail with reference to the fuel cell system according to the invention and the synthesis system according to the invention.
  • the fuel cell system according to the invention and/or the fuel cell system according to the invention can be set up to carry out the method according to the invention.
  • the anode gas is understood to mean the gas supplied to the anode section, i.e. in particular air or oxygen. This excludes the anode exhaust gas, i.e. the exhaust gas discharged from the anode section, in particular air and/or oxygen.
  • the cathode gas is understood to mean the gas supplied to the cathode section, in particular carbon dioxide, water vapor and possibly a protective gas. This excludes the cathode exhaust gas, i.e. the synthesis gas removed from the cathode section, in particular comprising hydrogen and carbon monoxide.
  • the water vapor is generated in a steam generator for evaporative cooling of the synthesis system.
  • an advantageous evaporative cooling for optimal cooling of the synthesis reactor of the synthesis system can be combined with the provision of water vapor at the cathode supply section of the fuel cell stack of the fuel cell system.
  • the water vapor can be provided to the synthesis reactor in the boiling range.
  • the water vapor can be supplied with an absolute pressure in the range of 10 to 30 bar.
  • the water vapor can be transferred to the wet steam area or saturated steam area and then flow back into the steam generator.
  • the synthesis process is a Fischer-Tropsch process.
  • the coupling of high-temperature electrolysis, in particular high-temperature co-electrolysis, and Fischer-Tropsch synthesis (FTS for short) has proven to be a particularly promising variant for the production of different hydrocarbons.
  • FTS Fischer-Tropsch synthesis
  • synthesis gas produced in particular from high-temperature co-electrolysis is produced at comparatively moderate temperatures, in particular in the temperature range of 200 to 300 ° C, and increased pressures, in particular in the pressure range of 10 to 30 bar, in particular with the help of a catalyst or several catalysts. especially Co- or Fe-based, converted into hydrocarbon molecules with different chain lengths.
  • the FTS process is highly exothermic.
  • the synthesis reactor is cooled. Cooling can be done with water evaporation at the specified pressure level.
  • the hydrocarbon chain length distribution resulting from FTS is described by a chain growth probability (with a high chain growth probability, large molecules and thus a shift towards liquid fuels).
  • the synthesis gas is not completely converted.
  • short-chain molecules are created that cannot be used as liquid fuel.
  • the unreacted synthesis gas and the resulting short-chain hydrocarbons can be used in product processing as residual gas (also known as “tail gas”). in English) are separated and some of them are circulated back into the FTS.
  • the water vapor connection 502 leads from the synthesis reactor 100, i.e. in the flow direction of the water vapor, to the steam drum 512.
  • the steam drum 512 in turn is equipped with a water vapor connection 506 for providing water vapor in the fuel cell system 20 of FIG.
  • a second pump 508 is arranged in the steam connection 502 between the steam drum 512 and the steam connection 506.
  • FIG. 2 now shows a fuel cell system 30 comprising the synthesis system 10 of FIG.
  • the fuel cell stack 600 has a cathode section 610 with a cathode supply section 612 and a cathode discharge section 614. Furthermore, the fuel cell stack 600 has an anode section 620 with an anode supply section 622 and an anode discharge section 624.
  • a power supply source 630 which provides electricity from renewable energies, is connected to the fuel cell stack 600.
  • the fuel cell stack 600 is presently designed as a solid oxide fuel cell stack and is used in the electrolysis mode for high-temperature co-electrolysis.
  • Anode gas in the form of fresh air is provided in the fuel cell system 20 by means of an anode gas connection 702.
  • the anode gas is provided to the fuel cell stack 600 for electrolysis via an anode supply connection 700, which is fluidly coupled to the anode gas connection 702 and the anode supply section 622.
  • a filter device 704, in particular in the form of an air filter, for air filtering and a blower 706 for transporting the anode gas are arranged in the anode supply connection 700.
  • a fourth heat exchanger 802 is also arranged behind the filter device 704 and the fan 706 in the flow direction of the anode gas from the anode gas connection 702 to the anode supply section 622.
  • the fourth heat exchanger 802 is used for heat exchange with a warm one Anode exhaust gas, in particular in the form of exhaust air discharged from the anode section 620, is used from the fuel cell stack 600.
  • the fourth heat exchanger 802 is thermally coupled to an anode discharge connection 800.
  • the anode discharge connection 800 fluidly connects the anode discharge section 624 to an anode discharge connection 804.
  • a third bypass path 708 with a third shut-off element 710 arranged therein and optionally a fourth heating device 712 is also arranged in the anode supply connection 700.
  • the anode gas can bypass the second heat exchanger 802 if necessary through appropriate control by means of the third shut-off element 710 and optionally be heated by means of the fourth heating device 712 before entering the anode supply section 622.
  • the water vapor connection 506 is fluidly connected to the cathode supply connection 900 by means of the water vapor connection 502 in order to supply water vapor to the carbon dioxide for high-temperature co-electrolysis in the fuel cell stack 600.
  • a cathode discharge connection referred to herein as the synthesis gas supply connection 200
  • the synthesis gas supply connection 200 which fluidly connects the cathode discharge section 614 to the synthesis gas supply port 202 of the synthesis system 10
  • cathode exhaust gas in the form of the synthesis gas containing hydrogen and carbon monoxide produced by the high-temperature co-electrolysis is supplied to the Synthesis system 10 dissipated.
  • the synthesis gas supply connection 200 for example, two heat exchangers 212, 214, namely a first heat exchanger 212 and a second heat exchanger 214, are arranged and thermally coupled to the cathode supply connection 900 in order to transfer heat from the synthesis gas to the cathode gas.
  • an additional supply connection 950 fluidly connects an additional supply connection 952 for supplying a protective gas to the cathode supply connection 900 in order to add the protective gas to the cathode gas.
  • a first bypass path 206 leads from the cathode discharge section 610 to the ejector 904.
  • a nozzle 208, in particular a Venturi nozzle, and a first shut-off element 210, in particular a valve, are arranged in the first bypass path 206.
  • the fuel cell stack 600 supplied in the manner described above with anode gas, comprising air, and cathode gas, comprising carbon dioxide, water vapor and protective gas, generates in the electrolysis mode by high-temperature co-electrolysis a cathode exhaust gas in the form of synthesis gas, comprising hydrogen and carbon monoxide, and the anode exhaust gas, comprising exhaust air.
  • the synthesis gas is supplied through the synthesis gas supply connection 200 to the synthesis system 10 for producing the synthetic hydrocarbons.
  • FIG 3 shows the method 1000 for generating synthesis gas by means of the fuel cell system 20, which has already been explained with reference to FIGS further process steps not explicitly shown can be added.
  • a first process step 1002 of the process 1000 synthetic hydrocarbons are produced from the synthesis gas supplied to the synthesis reactor 100.
  • the previously described evaporative cooling 500 is used to cool the synthesis reactor 100 because of the highly exothermic synthesis process.
  • the water vapor used and heated in the evaporative cooling 500 is supplied to the fuel cell stack 600 of the fuel cell system 20 together with anode gas and cathode gas as well as electrical current.
  • the synthesis gas is generated by means of the fuel cell stack 600 from the supplied anode gas, cathode gas with the water vapor and electric current.
  • the synthesis gas produced in this way is fed to the synthesis reactor 100.
  • the method steps 1002 to 1008 of the method 1000 are carried out continuously, as indicated by the arrow from method step 1008 to method step 1002.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Synthesesystem (10), ein Brennstoffzellensystem (20), eine Brennstoffzellenanlage (30) mit einem Brennstoffzellensystem (20) und einem Synthesesystem (10) sowie ein Verfahren (1000) zum Erzeugen von Synthesegas mittels des Brennstoffzellensystems (20).

Description

Synthesesystem, Brennstoffzellensystem, Brennstoffzellenanlage und Verfahren zum Erzeugen von Synthesegas
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Synthesesystem, ein Brennstoffzellensystem, eine Brennstoffzellenanlage und ein Verfahren zum Erzeugen von Synthesegas mittels eines Brennstoffzellensystems.
Eine Möglichkeit zur Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Rohstoffvorkommen und zur Reduzierung von CO2-Emissionen ist die Substitution von Rohöl durch aus Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser (H2O) hergestellte synthetische Kohlenwasserstoffe. Unter Zuführung von elektrischem Strom kann dabei durch Hochtemperaturelektrolyse (kurz SOE für Engi. "Solid Oxide Electrolysis") ein Synthesegas erzeugt werden, welches Wasserstoff (H2) und Kohlenstoffmonoxid (CO) beinhaltet. In einem sich anschließenden Syntheseprozess werden aus dem Synthesegas die synthetischen Kohlenwasserstoffe erhalten.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Effizienz des beschriebenen Syntheseprozesses zur Erzeugung von synthetischen Kohlenwasserstoffen in kostengünstiger und einfacher Weise zu steigern.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Synthesesystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 9, eine Brennstoffzellenanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 12 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Synthesesystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bzgl. der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird oder werden kann. Erfindungsgemäß ist ein Synthesesystem vorgesehen. Das Synthesesystem weist einen Synthesereaktor, insbesondere in Form eines katalytischen Synthesereaktors, zum Erzeugen von synthetischen Kohlenwasserstoffen aus einem Synthesegas auf. Ferner weist das Synthesesystem einen Synthesegasanschluss zum Bereitstellen des Synthesegases aus einem Brennstoffzellensystem auf, wobei der Synthesegasanschluss mittels einer Synthesegaszuführverbindung fluidtechnisch mit dem Synthesereaktor verbunden ist. Das Synthesesystem weist ferner eine Verdampfungskühlung mit einer fluidtechnisch mit dem Synthesereaktor verbundenen Wasserdampfverbindung zum Bereitstellen von Wasserdampf zur Kühlung des Synthesereaktors auf, wobei die Wasserdampfverbindung zudem fluidtechnisch mit einem Wasserdampfanschluss zum Bereitstellen von Wasserdampf für das Brennstoffzellensystem verbunden ist.
Erfindungsgemäß wird damit die Effizienz bei der Erzeugung synthetischer Kohlenwasserstoffe durch die Bereitstellung eines Synthesesystems gesteigert, welches dazu eingerichtet ist, Wasserdampf aus einer Verdampfungskühlung des Syntheseprozesses für die Nutzung in einer Hochtemperaturelektrolyse, insbesondere einer Hochtemperatur-Co-Elektrolyse, innerhalb des Brennstoffzellensystems zur Verfügung zu stellen. Ein wesentlicher Vorteil ist nämlich, dass durch die Dampfbereitstellung für den Elektrolyseprozess durch die Abführung der Reaktionswärme aus der Synthese- Reaktion die Verdampfungsenthalpie nicht mehr explizit aufgebracht werden muss, was sich positiv im Elektrolyse- wie auch im Gesamtprozesswirkungsgrad niederschlägt. Stattdessen wird der insbesondere während der Verdampfungskühlung des Syntheseprozesses im Synthesereaktor erhitzte Wasserdampf in dem Brennstoffzellensystem zur Hochtemperatur-Co-Elektrolyse genutzt. Damit wird die Gesamteffizienz des gesamten Syntheseprozesses zur Erzeugung der synthetischen Kohlenwasserstoffe auf einfache und kostengünstige Weise erhöht.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird der Einfachheit halber von einem Synthesereaktor gesprochen. Damit ist zumindest ein Synthesereaktor gemeint. Denn selbstverständlich kann vorgesehen sein, dass mehrere Synthesereaktoren in dem Synthesesystem vorgesehen sind, die in beliebiger Weise miteinander verschaltet sein können, insbesondere parallel miteinander verschaltet sein können. Insbesondere handelt es sich bei dem Synthesereaktor um einen katalytischen Synthesereaktor, der den Syntheseprozess mittels Katalyse umsetzt. Zur Unterscheidung von Komponenten oder Elementen gleicher Art oder gleichen Typs voneinander, wie beispielsweise von Heizeinrichtungen oder Pumpen, sind die in der vorliegenden Beschreibung erwähnten Komponenten oder Elemente gleicher Art oder gleichen Typs durchnummeriert und werden als erste Komponente, zweite Komponente, dritte Komponente (oder Elemente) usw. bezeichnet, also beispielsweise erste Heizeinrichtung, zweite Heizeinrichtung usw. Diese Bezeichnung anhand der Nummerierung dient einzig und allein der Unterscheidung der hierin erwähnten Komponenten oder Elemente gleicher Art oder gleichen Typs und stellt in keiner Weise eine Einschränkung des Schutzbereichs dar. Wenn beispielsweise in einem Anspruch von einer vierten Komponente einer Art oder eines Typs gesprochen wird, dann setzt dies nicht notwendigerweise eine erste, zweite und dritte Komponente dieser Art oder diesen Typs voraus; es sei denn, dass die erste, zweite und dritte Komponente dieser Art oder diesen Typs in einem Anspruch erwähnt werden, auf den sich der betreffende Anspruch zurückbezieht.
Die hierin erwähnten Verbindungen sind fluidführende, insbesondere gasführende, Verbindungen. Die Verbindungen können über verschiedene Pfade oder Leitungen, wie beispielsweise Rohre oder Schläuche, die jeweils miteinander gekoppelt sind, hergestellt sein. In den Verbindungen können verschiedene strömungsbeeinflussende Vorrichtungen angeordnet sein, wie sie hierin erwähnt werden, so beispielsweise Absperrorgane.
Soweit hierin von einer Anordnung eines Wärmetauschers in einer Verbindung und einer wärmetechnischen Kopplung des Wärmetauschers mit einer anderen Verbindung gesprochen wird, so sind diese Merkmale wegen der Funktion des Wärmetauschers synonym zu verstehen. Denn durch den Wärmetauscher wird die Wärme von Strömen in den jeweiligen Verbindungen miteinander ausgetauscht, beispielsweise im Gegenstrom. Insoweit ist der Wärmetauscher tatsächlich in jeder der beiden Verbindungen angeordnet und der Wärmetauscher koppelt auch beide Verbindungen wärmetechnisch miteinander.
Soweit hierin von Kontrolle oder Kontrollieren, insbesondere im Zusammenhang mit einem Absperrorgan, gesprochen wird, wird damit ein Steuern und/oder Regeln verstanden. Auch wenn dies nicht explizit erwähnt ist, können entsprechende Kontrollelektronik und über Absperrorgane hinausgehende Kontrollvorrichtungen, beispielsweise Durchflussmesser, für das Kontrollieren vorgesehen sein. Die hierin erwähnten Absperrorgane dienen zumindest dazu, in den Verbindungen den Strom des jeweiligen, darin strömenden Fluids, insbesondere Gases, anzuhalten oder durchzulassen. Auch ein Kontrollieren der Durchflussmenge ist je nach Ausführungstyp des eingesetzten Absperrorgans möglich. Dabei ist es möglich, das Absperrorgan in unterschiedlichster Weise auszuführen, beispielsweise als Ventil, Absperrschieber, Absperrhahn oder Absperrklappe.
Vorteilhafterweise weist die Verdampfungskühlung einen Wasseranschluss zum Bereitstellen von Wasser und einen mittels der Wasserdampfverbindung fluidtechnisch mit dem Wasseranschluss verbundenen Dampferzeuger zum Erzeugen von Wasserdampf auf. Mittels des Wasseranschlusses kann dabei insbesondere gereinigtes Wasser, beispielsweise destilliertes Wasser, bereitgestellt werden. So kann eine saubere Dampferzeugung mittels des Dampferzeugers gewährleistet werden.
Dabei kann der Dampferzeuger vorteilhafterweise eine Dampftrommel und eine zweite Heizeinrichtung aufweisen. Mittels der zweiten Heizeinrichtung, die insbesondere ein elektrischer Heizer sein kann, kann das der Dampftrommel von dem Wasseranschluss aus zugeführte Wasser auf einfache Weise erhitzt und von der Dampftrommel in Richtung des Synthesereaktors abgeschieden werden.
Vorteilhaft ist ferner, wenn der Dampferzeuger eine dritte Pumpe und eine dritte Heizeinrichtung aufweist, die in Strömungsrichtung des Wasserdampfs zwischen der Dampftrommel und dem Synthesereaktor angeordnet sind. So kann der Wasserdampf auf einfache Weise in Richtung des Synthesereaktors befördert und bei Bedarf über die Verdampfungstemperatur des Wassers hinaus erhitzt werden. Die als Überhitzer nutzbare dritte Heizeinrichtung kann als elektrischer Heizer ausgebildet sein.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die Dampftrommel in Strömungsrichtung des Wasserdampfes zwischen dem Synthesereaktor und dem Wasserdampfanschluss angeordnet ist. Entsprechend wird der zur Kühlung des Synthesereaktors verwendete und dabei erhitzte oder überhitzte Wasserdampf von dem Synthesereaktor aus über die Dampftrommel zum Wasserdampfanschluss abgeschieden. Dies erlaubt die Kontrolle der Zuführung des Wasserdampfs zum Wasserdampfanschluss mittels der Dampftrommel, also der Wasserdampfströmung, insbesondere einzig mittels der Dampftrommel, was besonders einfach und kostengünstig ist. Ebenfalls ist vorteilhaft, wenn die Dampftrommel dazu eingerichtet ist, den von dem Synthesereaktor zur Dampftrommel strömenden, erhitzten Wasserdampf auf ein vordefiniertes Eingangsdruckniveau für den Wasserdampfanschluss zu entspannen. Auch dadurch ist die Kontrolle der Zuführung von Wasserdampf zum Brennstoffzellensystem einzig mittels der Dampftrommel ermöglicht, sodass es keiner weiteren kostenintensiven Komponenten bedarf, die das Druckniveau auf das gewünschte definierte Eingangsdruckniveau am Brennstoffzellensystem, insbesondere einem Brennstoffzellenstapel dessen einstellen.
Ferner ist vorteilhaft, wenn in der Wasserdampfverbindung zwischen dem Dampferzeuger, insbesondere der Dampftrommel, und dem Wasserdampfanschluss eine zweite Pumpe angeordnet ist. Dadurch ist eine einfache Zuführung des Wasserdampfes aus der Dampftrommel zum Wasserdampfanschluss und damit zum Brennstoffzellensystem ermöglicht.
Außerdem ist vorteilhaft, wenn ein erster Bypasspfad die Wasserdampfverbindung in Strömungsrichtung des Wasserdampfes hinter dem Synthesereaktor mit der Wasserdampfverbindung in Strömungsrichtung des Wasserdampfes vor dem Synthesereaktor verbindet. Dabei kann in dem ersten Bypasspfad vorteilhafterweise ein erstes Absperrorgan angeordnet sein. Dadurch wird ermöglicht, dass zumindest ein Teil des erhitzten Wasserdampfs hinter dem Synthesereaktor vor den Synthesereaktor rezirkuliert werden kann. Dadurch kann die Dampftrommel umgangen werden. Dies kann vorteilhaft sein, um den Wirkungsgrad des Synthesesystems zu steigern, wenn nicht der gesamte Wasserdampf aus der Verdampfungskühlung an dem Brennstoffzellensystem benötigt wird.
Erfindungsgemäß ist ebenfalls ein Brennstoffzellensystem vorgesehen. Das Brennstoffzellensystem weist einen Brennstoffzellenstapel mit einem Kathodenabschnitt, welcher einen Kathodenzuführabschnitt und einen Kathodenabführabschnitt aufweist, und einem Anodenabschnitt, welcher einen Anodenzuführabschnitt und einen Anodenabführabschnitt aufweist, auf. Ferner weist das Brennstoffzellensystem einen mittels einer Anodenzuführverbindung fluidtechnisch mit dem Anodenzuführabschnitt gekoppelten Anodengasanschluss zum Zuführen von Anodengas zum Anodenabschnitt auf. Außerdem weist das Brennstoffzellensystem einen mittels einer Anodenabführverbindung fluidtechnisch mit dem Anodenabführabschnitt gekoppelten Anodenabführanschluss zum Abführen von durch den Brennstoffzellenstapel erzeugten Anodenabgasen auf. Weiterhin weist das Brennstoffzellensystem einen mittels einer Kathodenzuführverbindung fluidtechnisch mit dem Kathodenzuführabschnitt gekoppelten Kathodenzuführanschluss zum Zuführen von Kathodengas zum Kathodenab- schnitt auf. Darüber hinaus weist das Brennstoffzellensystem einen mittels einer Synthesegaszuführverbindung (auch als Kathodenabführverbindung bezeichenbar) fluidtechnisch mit dem Kathodenabführabschnitt gekoppelten Synthesegasabführanschluss (auch als Kathodenabführanschluss bezeichenbar) zum Abführen von durch den Brennstoffzellenstapel erzeugtem Synthesegas auf. Das Brennstoffzellensystem weist ferner einen Wasserdampfanschluss zum Bereitstellen von Wasserdampf, welches für die Kühlung in einem von einem Synthesesystem, insbesondere dem erfindungsgemäßen Synthesesystem, ausgeführten Syntheseprozess des von dem Brennstoffzellenstapel erzeugten Synthesegases erzeugt und insbesondere verwendet wird.
Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Synthesesystem erläutert worden sind. Erfindungsgemäß wird dabei die Effizienz des Brennstoffzellensystems durch die Bereitstellung des Wasserdampfs aus dem Synthesesystem gesteigert, wozu der Wasserdampfanschluss entsprechend eingerichtet ist, insbesondere mit dem Synthesesystem fluidtechnisch mittels einer Wasserdampfverbindung gekoppelt ist.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird der Einfachheit halber von einem Brennstoffzellenstapel gesprochen. Damit ist zumindest ein Brennstoffzellenstapel gemeint. Denn selbstverständlich kann vorgesehen sein, dass mehrere Brennstoffzellenstapel in dem Brennstoffzellensystem vorgesehen sind, die in beliebiger Weise miteinander verschaltet sein können, z.B. in Reihe oder parallel miteinander verschaltet sein können. Dabei ist dann jeder Kathodenabschnitt und jeder Anodenabschnitt jedes Brennstoffzellenstapels in der hierin beschriebenen Art und Weise fluidtechnisch mit den hierin erwähnten Anschlüssen gekoppelt.
Der Brennstoffzellenstapel kann ganz besonders ein Festoxid-Brennstoffzellenstapel sein. Damit kann das Brennstoffzellensystem insbesondere ein Festoxid- Brennstoffzellensystem oder Festoxid-Elektrolyseurzellensystem (auch SOFC- System für engl. „Solid Oxide Fuel Cell System“) sein. Der Brennstoffzellenstapel in dem Brennstoffzellensystem ist im Elektrolysemodus betreibbar, um die Hochtempe- raturelektrolyse, insbesondere Hochtemperatur-Co-Elektrolyse, von Wasser (H2O) und Kohlenstoffdioxid (CO2) zu erreichen. Durch die Elektrolyten in dem Brennstoffzellenstapel können so Wasserstoffgas (H2), Kohlenstoffmonoxid (CO) und Sauerstoff (02) produziert werden. Vorteilhaft ist dabei, wenn der Brennstoffzellenstapel zum Erzeugen des Synthesegases mit einer Stromversorgungsquelle zur Bereitstellung von Strom aus einer erneuerbaren Energiequelle verbunden ist. Mit einer solchen Stromversorgungsquelle, die aus erneuerbaren Energiequellen gespeist wird, lässt sich der Hochtemperaturelektrolysebetrieb ökologisch nachhaltig gestalten.
Für die vorstehend beschriebene Reaktion im Rahmen der Hochtemperatur-Co- Elektrolyse wird dem Anodenabschnitt durch die Anodenzuführverbindung Anodengas, insbesondere Luft, ganz besonders Frischluft, oder Sauerstoff, zugeführt. Mittels der Kathodenzuführverbindung wird dem Kathodenabschnitt Kathodengas, insbesondere Kohlenstoffdioxid, zugeführt. Der Kathodenzuführanschluss kann dabei mit unterschiedlichen Kohlenstoffdioxid-Quellen verbunden sein. Möglich ist beispielsweise das Entnehmen von Kohlenstoffdioxid aus der Luft, aus Biogas-Prozessen, aus Industrieabgasen usw. Wasser in Form von Wasserdampf wird mittels des Wasserdampfanschlusses zum Kathodenzuführabschnitt zugeführt. Der Wasserdampf kann demnach als Teil des Kathodengases angesehen werden. Auch ein eventuelles Schutzgas, das der Kathodenzuführverbindung zugeführt wird, kann als Teil des Kathodengases angesehen werden, weil es dem Kathodenzuführabschnitt zugeführt wird. Vom Anodenabführabschnitt werden die Anodenabgase mittels der Anodenabführverbindung zum Anodenabführanschluss abgeführt. Die in der Anodenabführverbindung abgeführten Anodenabgase umfassen insbesondere von dem Brennstoffzellensystem abgeführte Abluft oder abgeführten Sauerstoff. Vom Anodenabführanschluss aus können diese beispielsweise in die Umgebung freigesetzt werden. Vom Kathodenabführabschnitt wird das erzeugte Kathodenabgas, welches Synthesegas ist, welches insbesondere hauptsächlich Wasserstoffgas und Kohlenstoffmonoxid enthält, zu einem Kathodenabführanschluss zugeführt, der hierin als Synthesegasanschluss bezeichnet wird. Dieser ist mit dem Synthesesystem verbunden oder verbindbar, um dort das Synthesegas zur Herstellung der synthetischen Kohlenwasserstoffe bereitzustellen.
Wie vorstehend erläutert kann vorgesehen sein, dass eine Wasserdampfverbindung, insbesondere die Wasserdampfverbindung des erfindungsgemäßen Synthesesystems, den Wasserdampfanschluss fluidtechnisch mit der Kathodenzuführverbindung oder dem Kathodenzuführabschnitt verbindet. Insbesondere können sich das Brennstoffzellensystem und das Synthesesystem den Wasserdampfanschluss teilen oder jeweils ihrerseits Komponenten aufweisen, etwa Flansche, um den Wasserdampfanschluss herzustellen. Dabei ist es jedoch nicht notwendig, dass der Wasserdampfanschluss als separate Komponente existiert. Er kann auch dadurch gegeben sein, dass die Wasserdampfverbindung den Dampferzeuger, insbesondere die Dampftrommel, mit der Kathodenzuführverbindung oder dem Kathodenzuführabschnitt verbindet, wobei dazwischen keine Anschlüsse als separate Komponenten vorhanden sind, sondern der Wasserdampfanschluss zwischen den beiden Systemen durch die Wasserdampfverbindung als solche gegeben ist. Analoges gilt auch für die anderen Anschlüsse, insbesondere den Synthesegaszuführanschluss.
Auch kann wie vorstehend erläutert vorgesehen sein, dass die Synthesegaszuführverbindung über den Synthesegaszuführanschluss zum Zuführen des erzeugten Synthesegases zum Synthesesystem fluidtechnisch mit einem Synthesereaktor des Synthesesystems, insbesondere dem Synthesereaktor des erfindungsgemäßen Synthesesystems, verbunden ist.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzellenanlage mit einem erfindungsgemäßen Synthesesystem und dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem. Das Synthesesystem und das Brennstoffzellensystem sind in der hierin beschriebenen Weise mittels der Wasserdampfverbindung und insbesondere auch der Synthesegaszuführverbindung fluidtechnisch miteinander gekoppelt.
Die Brennstoffzellenanlage ist im Rahmen der Erfindung insbesondere als Gesamtanlage zu verstehen, welche bevorzugt als sogenannte „Power-to-Liquid-Anlage“ oder PtL-Anlage ausgebildet ist.
Damit bringt eine erfindungsgemäßes Brennstoffzellenanlage die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem und das erfindungsgemäße Synthesesystem erläutert worden sind.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Erzeugen von Synthesegas mittels eines Brennstoffzellensystems, insbesondere des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems und ferner ganz besonders mittels der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage, aufweisend die Schritte: - Zuführen von bei einem Syntheseprozess in einem Synthesesystem, bei dem Synthesegas in Kohlenwasserstoffe umgesetzt wird, zur Kühlung des Syntheseprozesses erzeugten Wasserdampfes zu einer Kathodenzuführverbindung oder einem Kathodenzuführabschnitt eines Kathodenabschnitts eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems,
- Zuführen eines Anodengases, eines Kathodengases, des Wasserdampfes und von elektrischem Strom zum Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems, und
- Erzeugen des Synthesegases mittels des Brennstoffzellenstapels aus dem zugeführten Anodengas, Kathodengas, Wasserdampf und elektrischem Strom.
Damit bringt ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem und das erfindungsgemäße Synthesesystem erläutert worden sind.
Insbesondere kann das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem und/oder die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanlage zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet sein.
Unter dem Anodengas wird das zum Anodenabschnitt zugeführte Gas, also insbesondere Luft oder Sauerstoff, verstanden. Dies schließt das Anodenabgas, also das vom Anodenabschnitt abgeführte Abgas, insbesondere Luft und/oder Sauerstoff, aus. Unter dem Kathodengas wird das zum Kathodenabschnitt zugeführte Gas, insbesondere Kohlenstoffdioxid, Wasserdampf und ggf. ein Schutzgas, verstanden. Dies schließt das Kathodenabgas, also das vom Kathodenabschnitt abgeführte Synthesegas, insbesondere umfassend Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid, aus.
Vorteilhaft ist, wenn der Wasserdampf in einem Dampferzeuger einer Verdampfungskühlung des Synthesesystems erzeugt wird. So kann eine vorteilhafte Verdampfungskühlung zur optimalen Kühlung des Synthesereaktors des Synthesesystems mit der Wasserdampfbereitstellung an dem Kathodenzuführabschnitt des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems kombiniert werden.
Hierbei ist vorteilhaft, wenn der von dem Dampferzeuger erzeugte Wasserdampf entlang eines Synthesereaktors des Synthesesystems strömt, dabei erhitzt oder über- hitzt wird und zum Dampferzeuger zurückströmt, von wo aus der Wasserdampf der Kathodenzuführverbindung oder dem Kathodenzuführabschnitt zugeführt wird. Dadurch kann der Dampferzeuger, insbesondere eine Dampftrommel darin, alleine die Kontrolle der Wasserdampfzuführung zum Brennstoffzellensystem übernehmen.
Dabei kann der Wasserdampf dem Synthesereaktor im Siedebereich bereitgestellt werden. Der Wasserdampf kann dabei mit einem Absolutdruck im Bereich von 10 bis 30 bar zugeführt werden. An oder in dem Synthesereaktor kann der Wasserdampf in den Nassdampfbereich oder Sattdampfbereich überführt werden und dann zurück in den Dampferzeuger strömen.
Ferner kann der von dem Synthesereaktor zurückströmende Wasserdampf von dem Dampferzeuger, insbesondere der Dampftrommel, auf ein vordefiniertes Eingangsdruckniveau entspannt werden, bevor der Wasserdampf der Kathodenzuführverbindung oder dem Kathodenzuführabschnitt zugeführt wird.
Vorteilhaft ist außerdem, wenn der Syntheseprozess ein Fischer-Tropsch-Prozess ist. Die Kopplung von Hochtemperaturelektrolyse, insbesondere Hochtemperatur-Co- Elektrolyse, und Fischer-Tropsch-Synthese (kurz FTS) hat sich als besonders vielversprechende Variante für die Herstellung unterschiedlicher Kohlenwasserstoffe gezeigt. Bei der FTS wird aus insbesondere der Hochtemperatur-Co-Elektrolyse entstandenes Synthesegas bei vergleichsweise moderateren Temperaturen, insbesondere im Temperaturbereich von 200 bis 300 °C, und erhöhten Drücken, insbesondere im Druckbereich von 10 bis 30 bar, insbesondere mithilfe eines Katalysators oder mehrerer Katalysatoren, insbesondere Co- oder Fe-basiert, zu Kohlenwasserstoffmolekülen mit verschiedenen Kettenlängen umgesetzt. Der FTS-Prozess ist stark exotherm. Um die Temperatur in dem angegebenen Temperaturbereich halten zu können, wird der Synthesereaktor gekühlt. Die Kühlung kann dabei mit Wasserverdampfung beim angegebenen Druckniveau erfolgen. Die bei FTS entstehende Kohlenwasserstoff-Kettenlängenverteilung wird über eine Kettenwachstumswahrscheinlichkeit beschrieben (bei hoher Kettenwachstumswahrscheinlichkeit große Moleküle und damit Verschiebung in Richtung Flüssigkraftstoffe). Das Synthesegas wird dabei jedoch nicht zur Gänze umgesetzt. Außerdem entstehen je nach Kettenwachstumswahrscheinlichkeit kurzkettige Moleküle, die nicht als Flüssigkraftstoff genutzt werden können. Das nicht umgesetzte Synthesegas und die entstehenden kurzkettigen Kohlenwasserstoffe können in der Produktaufbereitung als Restgas (auch sog. "Tail gas" im Englischen) abgeschieden werden und zum Teil in das FTS zurück zirkuliert werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschreiben sind. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Synthesesystems,
Fig. 2 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage, und
Fig. 3 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Identische oder funktionsgleiche Elemente sind in den Figuren 1 bis 4 jeweils mit demselben Bezugszeichen bezeichnet.
Figur 1 zeigt schematisch ein Synthesesystem 10 mit einem Synthesereaktor 100, insbesondere in Form eines katalytischen Synthesereaktors 100. Der Synthesereaktor 100 weist einen Katalysatoreingang 102 und einen Katalysatorausgang 104 auf.
Der Synthesereaktor 100 funktioniert in bekannter Weise gemäß dem Fischer- Tropsch-Syntheseprozess zur Erzeugung von synthetischen Kohlenwasserstoffen aus ihm zugeführten Synthesegas. Das Synthesegas wird dabei aus einem Synthesegaszuführanschluss 202 zugeführt, welches mit dem Synthesereaktor 100 fluidtechnisch mittels einer Synthesegaszuführverbindung 200 verbunden ist, in der optional eine erste elektrische Heizeinrichtung 204 angeordnet ist, die insbesondere als ein elektrischer Heizer ausgebildet ist. Das zugeführte Synthesegas, welches optional vor dem Synthesereaktor 100 erhitzt werden kann, wird zu den synthetischen Kohlenwasserstoffen umgesetzt, die mittels einer Kohlenwasserstoffverbindung 300 zur weiteren Verteilung, Speicherung oder Verarbeitung an einen Kohlenwasserstoffanschluss 302 abgeführt werden.
Wie in der Fig. 1 gezeigt ist, ist es dabei möglich, Restgas aus der Produktaufbereitung der synthetischen Kohlenwasserstoffe mittels einer Restgaszuführverbindung 400, in der eine zweite Pumpe 404 angeordnet sein kann, und aus einem Restgaszu- führanschluss 402 kommend zur Synthese in den Synthesereaktor 100 zurückzuführen.
Aufgrund des exotherm ablaufenden Syntheseprozesses ist eine Verdampfungskühlung 500 in dem Synthesesystem 10 vorgesehen. Die Verdampfungskühlung 500 umfasst einen Dampferzeuger 510 mit einer Dampftrommel 512, einer zweiten Heizeinrichtung 514, vorliegend in Form eines elektrischen Heizers, einer dritten Pumpe 516 und einer dritten Heizeinrichtung 518, vorliegend ebenfalls in Form eines elektrischen Heizers. Ferner umfasst die Verdampfungskühlung 500 einen Wasseranschluss 504, der mittels einer Wasserdampfverbindung 502 fluidtechnisch mit der Dampftrommel 512 gekoppelt ist, um diese mit Wasser zu versorgen.
Die Wasserdampfverbindung 502 verbindet zudem die Dampftrommel 512 in Strömungsrichtung des von ihr unter Betrieb der zweiten Heizeinrichtung 514 abgeführten Wasserdampfs mit dem Synthesereaktor 100, wobei der Wasserdampf dabei von der dritten Pumpe 516 gefördert wird und durch die dritte Heizeinrichtung 518 hindurchströmt. In dem Synthesereaktor 100 findet mittels eines oder mehrerer dritter Wärmetauscher 520 ein Wärmeaustausch zwischen dem exotherm ablaufenden Syntheseprozess in dem Synthesereaktor 100 und dem Wasserdampf in dem dritten Wärmetauscher oder den dritten Wärmetauschern 520 statt. Der oder die dritten Wärmetauscher 520 können dabei beispielsweise als entsprechende Windungen oder Spiralen der Wasserdampfverbindung 502 an oder in dem Synthesereaktor 100, wie dies beispielhaft in Fig. 1 gezeigt ist, oder alternativ oder zusätzlich auch als separate Komponenten ausgeführt sein.
Von dem Synthesereaktor 100 aus betrachtet befindet sich in Strömungsrichtung des Wasserdampfs ein zweiter Bypasspfad 530 an der Wasserdampfverbindung 502 mit einem darin angeordneten zweiten Bypassorgan 532, über den ein Teil des Wasserdampfs wieder der Wasserdampfverbindung 502 vor dem Synthesereaktor 100 zugeführt werden kann, ohne durch die Dampftrommel 512 geleitet werden zu müssen. Ansonsten führt die Wasserdampfverbindung 502 vom Synthesereaktor 100 kommend, also in Strömungsrichtung des Wasserdampfs, zur Dampftrommel 512. Die Dampftrommel 512 wiederum ist mit einem Wasserdampfanschluss 506 zur Bereitstellung von Wasserdampf in dem Brennstoffzellensystem 20 der Fig. 2 eingerichtet. Dazu ist in der Wasserdampfverbindung 502 zwischen der Dampftrommel 512 und dem Wasserdampfanschluss 506 eine zweite Pumpe 508 angeordnet. Mittels der Dampftrommel 512 kann so der Wasserdampfstrom einerseits zum Synthesereaktor 100 und andererseits von dem Synthesereaktor 100 über die Dampftrommel 512 zu dem Wasserdampfanschluss 506 und damit zum Brennstoffzellensystem 20 kontrolliert geführt werden.
Figur 2 zeigt nun eine Brennstoffzellenanlage 30 umfassend das Synthesesystem 10 der Fig. 1 in einer stark vereinfachten Darstellung sowie das bereits erwähnte Brennstoffzellensystem 20 mit einem Brennstoffzellenstapel 600. Das Brennstoffzellensystem 20 und das Synthesesystem 10 sind fluidtechnisch miteinander gekoppelt, wie nachfolgend näher erläutert wird.
Beispielhaft ist in der Fig. 1 nur ein Brennstoffzellenstapel 600 gezeigt. Gleichwohl ist es möglich, mehrere Brennstoffzellenstapel 600 vorzusehen. Im Übrigen ist es auch möglich, mehrere Synthesereaktoren 100 in dem Synthesesystem 10 vorzusehen, obwohl in der Fig. 1 nur ein Synthesereaktor 100 beispielhaft gezeigt ist.
Der Brennstoffzellenstapel 600 weist einen Kathodenabschnitt 610 mit einem Katho- denzuführabschnitt 612 und einem Kathodenabführabschnitt 614 auf. Ferner weist der Brennstoffzellenstapel 600 einen Anodenabschnitt 620 mit einem Anodenzuführabschnitt 622 und einem Anodenabführabschnitt 624 auf. An dem Brennstoffzellenstapel 600 ist eine Stromversorgungsquelle 630 angeschlossen, die Strom aus erneuerbaren Energien bereitstellt. Der Brennstoffzellenstapel 600 ist vorliegend als ein Festoxid-Brennstoffzellenstapel ausgebildet und wird im Elektrolysemodus zur Hochtemperatur-Co-Elektrolyse verwendet.
Mittels eines Anodengasanschlusses 702 wird dabei Anodengas in Form von Frischluft in dem Brennstoffzellensystem 20 bereitgestellt. Das Anodengas wird über eine Anodenzuführverbindung 700, die mit dem Anodengasanschluss 702 und dem Anodenzuführabschnitt 622 fluidtechnisch gekoppelt ist, an dem Brennstoffzellenstapel 600 zur Elektrolyse bereitgestellt. In der Anodenzuführverbindung 700 sind dabei eine Filtereinrichtung 704, insbesondere in Form eines Luftfilters, zur Luftfilterung sowie ein Gebläse 706 für den Transport des Anodengases angeordnet.
In der Anodenzuführverbindung 700 ist in Strömungsrichtung des Anodengases von dem Anodengasanschluss 702 zum Anodenzuführabschnitt 622 hinter der Filtereinrichtung 704 und dem Gebläse 706 zudem ein vierter Wärmetauscher 802 angeordnet. Der vierter Wärmetauscher 802 wird zum Wärmeaustausch mit einem warmen Anodenabgas, insbesondere in Form von vom Anodenabschnitt 620 abgeführter Abluft, aus dem Brennstoffzellenstapel 600 genutzt. Dazu ist der vierte Wärmetauscher 802 mit einer Anodenabführverbindung 800 wärmetechnisch gekoppelt. Die Anodenabführverbindung 800 verbindet den Anodenabführabschnitt 624 fluidtechnisch mit einem Anodenabführanschluss 804. In der Anodenzuführverbindung 700 ist zudem ein dritter Bypasspfad 708 mit einem darin angeordneten dritten Absperrorgan 710 und optional einer vierten Heizeinrichtung 712 angeordnet. Mittels des dritten Bypasspfades 708 kann das Anodengas den zweiten Wärmetauscher 802 bei Bedarf durch entsprechende Kontrolle mittels des dritten Absperrorgans 710 umgehen und optional vor dem Eintritt in den Anodenzuführabschnitt 622 mittels der vierten Heizeinrichtung 712 aufgeheizt werden.
Eine Kathodenzuführverbindung 900 verbindet einen Kathodenzuführanschluss 902 fluidtechnisch mit dem Kathodenzuführabschnitt 612. In der Kathodenzuführverbindung 900 wird Kathodengas, insbesondere Kohlenstoffdioxid, aus dem Kathodenzuführanschluss 902 zum Kathodenzuführabschnitt 612 zugeführt. In Strömungsrichtung des Anodengases vor dem Kathodenabschnitt 610 ist in der Kathodenzuführverbindung 900 ein Ejektor 904 angeordnet. Ferner ist in Strömungsrichtung des Anodengases hinter dem Ejektor 904 eine fünfte Heizeinrichtung 906 angeordnet, vorliegend in Form eines elektrischen Heizers.
Der Wasserdampfanschluss 506 ist mittels der Wasserdampfverbindung 502 mit der Kathodenzuführverbindung 900 fluidtechnisch verbunden, um dem Kohlenstoffdioxid Wasserdampf zur Hochtemperatur-Co-Elektrolyse in dem Brennstoffzellenstapel 600 zuzuführen.
Mittels einer Kathodenabführverbindung, die hierin als die Synthesegaszuführverbindung 200 bezeichnet wird, die fluidtechnisch den Kathodenabführabschnitt 614 mit dem Synthesegaszuführanschluss 202 des Synthesesystems 10 verbindet, wird Ka- thodenabgas in Form des durch die Hochtemperatur-Co-Elektrolyse erzeugten Synthesegases, aufweisend Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid, zum Synthesesystem 10 abgeführt. In der Synthesegaszuführverbindung 200 sind dabei beispielhaft zwei Wärmetauscher 212, 214, nämlich ein erster Wärmetauscher 212 und ein zweiter Wärmetauscher 214 angeordnet und wärmetechnisch mit der Kathodenzuführverbindung 900 gekoppelt, um Wärme von dem Synthesegas auf das Kathodengas zu übertragen. Außerdem verbindet eine Zusatzzuführverbindung 950 einen Zusatzzuführanschluss 952 zum Zuführen eines Schutzgases fluidtechnisch mit der Kathodenzuführverbin- dung 900, um dem Kathodengas das Schutzgas beizumischen.
Weiterhin führt ein erster Bypasspfad 206 von dem Kathodenabführabschnitt 610 zum Ejektor 904. In dem ersten Bypasspfad 206 sind eine Düse 208, insbesondere eine Venturidüse, und ein erstes Absperrorgan 210, insbesondere ein Ventil, angeordnet.
Der gemäß der vorstehend beschriebenen Art und Weise mit Anodengas, umfassend Luft, und Kathodengas, umfassend Kohlenstoffdioxid, Wasserdampf und Schutzgas, versorgte Brennstoffzellenstapel 600 erzeugt im Elektrolysemodus durch Hochtem- peratur-Co-Elektrolyse ein Kathodenabgas in Form von Synthesegas, umfassend Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid, und das Anodenabgas, umfassend Abluft. Das Synthesegas wird durch die Synthesegaszuführverbindung 200 dem Synthesesystem 10 zur Erzeugung der synthetischen Kohlenwasserstoffe zugeführt.
Figur 3 zeigt das bereits in Bezug auf die Fig. 1 und 2 anhand der Brennstoffzellenanlage 30 erläuterte Verfahren 1000 zum Erzeugen von Synthesegas mittels des Brennstoffzellensystems 20. Das Verfahren 1000 ist dabei rein schematisch anhand seiner Verfahrensschritte 1002, 1004, 1006, 1008 gezeigt, wobei weitere, nicht explizit gezeigte Verfahrensschritte hinzukommen können.
In einem ersten Verfahrensschritt 1002 des Verfahrens 1000 werden aus dem dem Synthesereaktor 100 zugeführten Synthesegas synthetische Kohlenwasserstoffe erzeugt. Dabei wird mittels der zuvor beschriebenen Verdampfungskühlung 500 eine Kühlung des Synthesereaktors 100 wegen des stark exothermen Syntheseprozesses betrieben.
In einem zweiten Verfahrensschritt 1004 des Verfahrens 1000 wird der bei der Verdampfungskühlung 500 genutzte und erhitzte Wasserdampf zusammen mit Anodengas und Kathodengas sowie elektrischem Strom dem Brennstoffzellenstapel 600 des Brennstoffzellensystems 20 zugeführt.
Schließlich erfolgt in dem dritten Verfahrensschritt 1006 des Verfahrens 1000 das Erzeugen des Synthesegases mittels des Brennstoffzellenstapels 600 aus dem zugeführten Anodengas, Kathodengas mit dem Wasserdampf und elektrischem Strom. In einem vierten Verfahrensschritt 1008 des Verfahrens 1000 wird das so erzeugte Synthesegas dem Synthesereaktor 100 zugeführt.
Die Verfahrensschritte 1002 bis 1008 des Verfahrens 1000 werden dabei kontinuierlich ausgeführt, wie durch den Pfeil von Verfahrensschritt 1008 auf Verfahrensschritt 1002 angedeutet ist.
Die voranstehenden Erläuterungen der Ausführungsformen beschreiben die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.
Bezugszeichenliste
10 Synthesesystem
20 Brennstoffzellensystem
30 Brennstoffzellenanlage
100 Synthesereaktor
102 Katalysatoreingang
104 Katalysatorausgang
200 Synthesegaszuführverbindung
202 Synthesegaszuführanschluss
204 erste Heizeinrichtung
206 erster Bypasspfad
208 Düse
210 erstes Absperrorgan
212 erster Wärmetauscher
214 zweiter Wärmetauscher
300 Kohlenwasserstoffverbindung
302 Kohlenwasserstoffanschluss
400 Restgasverbindung
402 Restgasanschluss
404 erste Pumpe
500 Verdampfungskühlung
502 Wasserdampfverbindung
504 Wasseranschluss
506 Wasserdampfanschluss
508 zweite Pumpe
510 Dampferzeuger
512 Dampftrommel
514 zweite Heizeinrichtung
516 dritte Pumpe
518 dritte Heizeinrichtung
520 dritter Wärmetauscher
530 zweiter Bypasspfad
532 zweites Absperrorgan
600 Brennstoffzellenstapel
610 Kathodenabschnitt 12 Kathodenzuführabschnitt 14 Kathodenabführabschnit 20 Anodenabschnitt 22 Anodenzuführabschnitt 24 Anodenabführabschnitt 30 Stromversorgungsquelle 00 Anodenzuführverbindung 02 Anodenzuführanschluss 04 Filtereinrichtung 06 Gebläse 08 dritter Bypasspfad 10 drittes Absperrorgan 12 vierte Heizeinrichtung 00 Anodenabführverbindung 02 vierter Wärmetauscher
804 Anodenabführanschluss
900 Kathodenzuführverbindung
902 Kathodenzuführanschluss
904 Ejektor
906 fünfte Heizeinrichtung
950 Zusatzzuführverbindung
952 Zusatzzuführanschluss
1000 Verfahren
1002 erster Verfahrensschritt
1004 zweiter Verfahrensschritt
1006 dritter Verfahrensschritt
1008 vierter Verfahrensschritt

Claims

Patentansprüche Synthesesystem (10) mit einem Synthesereaktor (100) zum Erzeugen von synthetischen Kohlenwasserstoffen aus einem Synthesegas und einem Synthesegasanschluss (202) zum Bereitstellen des Synthesegases aus einem Brennstoffzellensystem (20), wobei der Synthesegasanschluss mittels einer Synthesegaszuführverbindung (200) fluidtechnisch mit dem Synthesereaktor (100) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Synthesesystem (10) ferner eine Verdampfungskühlung (500) mit einer fluidtechnisch mit dem Synthesereaktor (100) verbundenen Wasserdampfverbindung (502) zum Bereitstellen von Wasserdampf zur Kühlung des Synthesereaktors (100) aufweist, wobei die Wasserdampfverbindung (502) zudem fluidtechnisch mit einem Wasserdampfanschluss (506) zum Bereitstellen von Wasserdampf für das Brennstoffzellensystem (20) verbunden ist. Synthesesystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungskühlung (500) einen Wasseranschluss (504) zum Bereitstellen von Wasser und einen mittels der Wasserdampfverbindung (502) fluidtechnisch mit dem Wasseranschluss (504) verbundenen Dampferzeuger (510) zum Erzeugen von Wasserdampf aufweist. Synthesesystem (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampferzeuger (510) eine Dampftrommel (512) und eine zweite Heizeinrichtung (514) aufweist. Synthesesystem (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampferzeuger (510) ferner eine dritte Pumpe (516) und eine dritte Heizeinrichtung (518) aufweist, die in Strömungsrichtung des Wasserdampfs zwischen der Dampftrommel (512) und dem Synthesereaktor (100) angeordnet sind. Synthesesystem (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampftrommel (512) in Strömungsrichtung des Wasserdampfes zwischen dem Synthesereaktor (100) und dem Wasserdampfanschluss (506) angeordnet ist. Synthesesystem (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampftrommel (512) dazu eingerichtet ist, den von dem Synthesereaktor (100) zur Dampftrommel (512) strömenden, erhitzten Wasserdampf auf ein vordefiniertes Eingangsdruckniveau für den Wasserdampfanschluss (506) zu entspannen. Synthesesystem (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wasserdampfverbindung (500) zwischen dem Dampferzeuger (510) und dem Wasserdampfanschluss (506) eine zweite Pumpe (508) angeordnet ist. Synthesesystem (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Bypasspfad (530) die Wasserdampfverbindung (502) in Strömungsrichtung des Wasserdampfes hinter dem Synthesereaktor (100) mit der Wasserdampfverbindung (502) in Strömungsrichtung des Wasserdampfes vor dem Synthesereaktor (100) verbindet, wobei in dem zweiten Bypasspfad (530) ein zweites Absperrorgan (532) angeordnet ist. Brennstoffzellensystem (20), aufweisend:
- einen Brennstoffzellenstapel (600) mit einem Kathodenabschnitt (610), welcher einen Kathodenzuführabschnitt (612) und einen Kathodenabführabschnitt (614) aufweist, und einem Anodenabschnitt (620), welcher einen Anodenzuführabschnitt (622) und einen Anodenabführabschnitt (624) aufweist,
- einen mittels einer Anodenzuführverbindung (700) fluidtechnisch mit dem Anodenzuführabschnitt (612) gekoppelten Anodengasanschluss (702) zum Zuführen von Anodengas zum Anodenabschnitt (620),
- einen mittels einer Anodenabführverbindung (800) fluidtechnisch mit dem Anodenabführabschnitt (624) gekoppelten Anodenabführanschluss (804) zum Abführen von durch den Brennstoffzellenstapel (600) erzeugten Anodenabgasen,
- einen mittels einer Kathodenzuführverbindung (900) fluidtechnisch mit dem Kathodenzuführabschnitt (612) gekoppelten Kathodenzuführanschluss (902) zum Zuführen von Kathodengas zum Kathodenabschnitt (610), und
- einen mittels einer Synthesegaszuführverbindung (200) fluidtechnisch mit dem Kathodenabführabschnitt (614) gekoppelten Synthesegaszuführanschluss (202) zum Abführen von durch den Brennstoffzellenstapel (600) erzeugtem Synthesegas, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (20) ferner einen Wasserdampfanschluss (502) zum Bereitstellen von Wasserdampf aufweist, welches für die Kühlung in einem von einem Synthesesystem (10) ausgeführten Syntheseprozess des von dem Brennstoffzellenstapel (600) erzeugten Synthesegases erzeugt wird. Brennstoffzellensystem (20) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wasserdampfverbindung (502) den Wasserdampfanschluss (504) fluidtechnisch mit der Kathodenzuführverbindung (900) oder dem Kathodenzuführab- schnitt (614) verbindet. Brennstoffzellensystem (20) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Synthesezuführverbindung (200) über den Syntheseabführanschluss (202) zum Zuführen des erzeugten Synthesegases zum Synthesesystem (10) fluidtechnisch mit einem Synthesereaktor (100) des Synthesesystems (10) verbunden ist. Brennstoffzellenanlage (30) mit einem Synthesesystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und mit einem Brennstoffzellensystem (20) nach einem der Ansprüche 9 bis 11 . Verfahren (1000) zum Erzeugen von Synthesegas mittels eines Brennstoffzellensystems (20) aufweisend die Schritte:
- Zuführen von bei einem Syntheseprozess in einem Synthesesystem (10), bei dem Synthesegas in Kohlenwasserstoffe umgesetzt wird, zur Kühlung des Syntheseprozesses erzeugten Wasserdampfes zu einer Kathodenzuführverbindung (900) oder einem Kathodenzuführabschnitt (612) eines Kathodenab- schnitts (610) eines Brennstoffzellenstapels (600) des Brennstoffzellensystems (20),
Zuführen eines Anodengases, eines Kathodengases, des Wasserdampfes und von elektrischem Strom zum Brennstoffzellenstapel (600) des Brennstoffzellensystems (20), und - Erzeugen des Synthesegases mittels des Brennstoffzellenstapels (600) aus dem zugeführten Anodengas, Kathodengas, Wasserdampf und elektrischem Strom. Verfahren (1000) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserdampf in einem Dampferzeuger (510) einer Verdampfungskühlung (500) des Synthesesystems (10) erzeugt wird. Verfahren (1000) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der von dem Dampferzeuger (510) erzeugte Wasserdampf entlang eines Synthesereaktors (100) des Synthesesystems (10) strömt, dabei erhitzt wird und zum Dampferzeuger (510) zurückströmt, von wo aus der Wasserdampf der Kathodenzuführ- verbindung (900) oder dem Kathodenzuführabschnitt (612) zugeführt wird. Verfahren (1000) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserdampf dem Synthesereaktor (100) im Siedebereich mit einem Absolutdruck im Bereich von 10 bis 30 bar zugeführt wird, an dem Synthesereaktor (100) in den Nassdampfbereich oder Sattdampfbereich überführt wird und zurück in den Dampferzeuger (510) strömt. Verfahren (1000) nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der von dem Synthesereaktor (100) zurückströmende Wasserdampf von dem Dampferzeuger (510) auf ein vordefiniertes Eingangsdruckniveau entspannt wird, bevor der Wasserdampf der Kathodenzuführverbindung (900) oder dem Kathodenzuführabschnitt (612) zugeführt wird. Verfahren (1000) nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Syntheseprozess ein Fischer-Tropsch-Prozess ist.
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