AT527681A4 - Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen eines Hochtemperaturelektrolysesystems - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Hochtemperaturelektrolysesystems (100) während eines Systemtests, wobei das Hochtemperaturelektrolysesystem (100) einen Brennstoffzellenstapel (30) aufweisend mehrere Festoxid-Elektrolyseurzellen und zumindest ein Systemtestmessgerät (40) umfasst, aufweisend die folgenden Schritte: Messen eines Eingangsstroms (50) an einem Systemeinlass (52) des Hochtemperaturelektrolysesystems (100), Bestimmen eines Ausgangsstroms (60) an einem Systemauslass (62) des Hochtemperaturelektrolysesystems (100), Vergleichen des Eingangsstroms (50) mit dem Ausgangsstrom (60) zum Erstellen einer Bilanz.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen eines Hochtemperaturelektrolyse-
systems
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Hochtemperaturelektrolysesystems, ein Computerprogrammprodukt zum Durchführen eines solchen Verfahrens sowie eine Vorrichtung zum Überwachen eines Hochtemperatur-
elektrolysesystems.
Im Stand der Technik sind Hochtemperaturelektrolysesysteme bekannt. Ein Hochtemperaturelektrolysesystem weist einen Brennstoffzellenstapel und Systemtestmessgeräte auf. Mittels der Systemtestmessgeräte kann ein Systemtest durchgeführt werden. Der Brennstoffzellenstapel weist mehrere Festoxid-Elektrolyseurzellen auf. Eine Festoxid-Elektrolyseurzelle (SOEC: solid oxide electrolyzer cell) ist eine Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC: solid oxide fuel cell), die im reversen Modus betrieben wird, um die
Elektrolyse von z.B. Wasser und/oder von z.B. Kohlendioxid zu erreichen.
Aufgrund der Komplexität eines Hochtemperaturelektrolysesystems im speziellen für Co-SOEC ist es oft schwierig anhand von den zur Verfügung stehenden Messgrößen der Systemtestmessgeräte eine Aussage über die Dichtheit des Hochtemperaturelektrolysesystems zu treffen. Fehlende Messgrößen des Hochtemperaturelektrolysesystems machen es unmöglich eine konkrete Aussage zu treffen. Der Betrieb eines Hochtemperaturelektrolysesystems mit unzureichender Gasversorgung kann schnell zu ei-
ner sehr starken Schädigung des Brennstoffzellenstapels führen.
Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen eines Hochtemperaturelektrolysesystems bereitzustellen, bei welchen die Prüfstandszeiten des Hochtemperaturelektrolysesystems gering gehalten werden können, die Messgüte des Hochtemperaturelektrolysesystems erhöht werden kann sowie das Hochtemperaturelektrolysesystem vor Schädigung geschützt werden
kann.
beziehungsweise werden kann.
Demgemäß wird ein Verfahren zum Überwachen eines Hochtemperaturelektrolysesystems, insbesondere während eines Systemtests beschrieben. Dabei umfasst das Hochtemperaturelektrolysesystem einen Brennstoffzellenstapel aufweisend mehrere Festoxid-Elektrolyseurzellen und zumindest ein Systemtestmessgerät. Das Verfahren
weist die folgenden Schritte auf:
Messen eines Eingangsstroms an einem Systemeinlass des Hochtemperaturelektro-
Iysesystems,
Bestimmen eines Ausgangsstroms an einem Systemauslass des Hochtemperatur-
elektrolysesystems, Vergleichen des Eingangsstroms mit dem Ausgangsstrom zum Erstellen einer Bilanz.
Dadurch, dass der Eingangsstrom mit dem Ausgangsstrom verglichen wird und eine Bilanz erstellt wird, kann erkannt werden, ob es in dem Hochtemperaturelektrolysesystem zu einem Fehler kommt. Ein solcher Fehler könnte zum Beispiel eine Leckage
oder ein Ausfall des zumindest einen Systemtestmessgeräts sein.
Das Verfahren ermöglicht es eine Auskunft über den Zustand des Hochtemperaturelektrolysesystems zu treffen sowie eine Abschätzung über die Güte der Messungen des zumindest einen Systemtestmessgeräts zu generieren. Dies ermöglicht es den Prüfstandsbetrieb des Hochtemperaturelektrolysesystems während des Systemtests sicherer zu gestalten. Den größten Vorteil bietet diese Methode für den Co-Elektrolyse-
Fall, da sich hier die Gaskonzentration am Systemauslass mit der Temperatur
schwierig macht.
Bei dem Vergleich des Eingangsstroms mit dem Ausgangsstrom kann die Gaskonzentration des Ausgangsstroms, das Faraday'sche Gesetz und die Massenerhaltung berücksichtigt werden, um die Bilanz zu ermitteln. Die Bilanz kann insbesondere eine Atombilanz sein. Mittels der Bilanz, wie sich die Verteilung der Gase in dem Eingangsstrom zu der Verteilung der Gase in dem Ausgangsstrom ändert, können Rückschlüsse auf Fehler und/oder Leckagen in dem Hochtemperaturelektrolysesystem ge-
troffen werden.
Insbesondere kann mittels des Verfahrens eine ständige Überwachung des Hochtem-
peraturelektrolysesystems erfolgen.
Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Überwachen eines Hochtemperaturelektrolysesystems mit Vorteil auch während eines Systembetriebes durch-
geführt werden.
Bei dem Systemtest des Hochtemperaturelektrolysesystems können verschiedene Parameter des Brennstoffzellenstapels wie beispielsweise eine Leistung, eine Stromstärke, eine Spannung etc. gemessen werden. Das zumindest eine Systemtestmessgerät dient zum Durchführen des Systemtests oder zum Durchführen eines Teils des Systemtests. Es können auch mehrere Systemtestmessgeräte zum Durchführen des
Systemtests verwendet werden.
Das Hochtemperaturelektrolysesystem ist insbesondere ein Co-SOEC-System. Das Hochtemperaturelektrolysesystem weist einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Festoxid-Elektrolyseurzellen auf. Die Festoxid-Elektrolyseurzellen (SOEC: Solid Oxide Electrolyzer Cell) sind Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell), wel-
che in einem reversen Modus betrieben werden, um die Elektrolyse zu erreichen.
Der Eingangsstrom ist ein Gasstrom, welcher am Systemeinlass in das Hochtemperaturelektrolysesystem hineinströmt. Mit einem Eingangsstrommessgerät können das Volumen und/oder die Masse des Eingangsstroms gemessen werden. Der Eingangsstrom kann ein Gas oder mehrere Gase aufweisen. Die Volumina und/oder Massen
der Gase können einzeln oder zusammen gemessen werden.
Der Ausgangsstrom ist ein Gasstrom, welcher aus dem Hochtemperaturelektrolyse-
system hinausströmt. Aufgrund der Reaktion innerhalb des Brennstoffzellenstapels
unterscheidet sich der Ausgangsstrom von dem Eingangsstrom. Am Systemauslass
können das Volumen und/oder die Masse des Ausgangsstroms bestimmt werden.
Das Verfahren kann für alle Hochtemperaturelektrolysesysteme angewendet werden, unabhängig ob sie mit oder ohne Rezirkulation arbeiten. Der Einsatz ist möglich für reine Wasserelektrolyse (SOEC) sowie auch für Co-Elektrolyse (Co-SOEC).
Von Vorteil ist es, wenn ein Überwachungsergebnisses basierend auf der Bilanz ausgegeben wird. Das Überwachungsergebnis kann die Bilanz an sich sein oder ein Ergebnis, welches sich durch die Bilanz ergibt. Eine Verarbeitung wie ein Ausgeben des
Überwachungsergebnisses erfolgt insbesondere automatisiert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird basierend auf dem Überwachungsergebnis ein Betriebspunkt des Hochtemperaturelektrolysesystems angepasst oder abgebrochen. Dadurch kann eine Schädigung des Brennstoffzellenstapels verhindert werden. Das Verfahren erlaubt eine ständige Überwachung. Somit kann eine schlechte Messung mit dem zumindest einen Systemtestmessgerät und/oder ein Fehl-
verhalten des Hochtemperaturelektrolysesystems sofort festgestellt werden.
Der Betriebspunkt des Hochtemperaturelektrolysesystems ist ein Betriebszustand des Hochtemperaturelektrolysesystems welcher zum Beispiel geeignet angepasst werden kann. Alternativ kann der Betrieb des Hochtemperaturelektrolysesystems auch abge-
brochen werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird der Ausgangsstrom bestimmt, indem er mit einem Ausgangsstrommessgerät gemessen wird. Das Ausgangsstrommessgerät kann das Volumen und/oder die Masse des Ausgangsstroms messen. Es wird also ein Volumenstrom und/oder ein Massenstrom gemessen. Bei dieser Messung handelt es sich um eine feuchte Gasmessung, da in dem Gas Wasserdampf enthalten ist. Es ist vorteilhaft auch möglich, den Volumenstrom und/oder
den Massenstrom, insbesondere über die Massenerhaltung, zu berechnen.
Insbesondere kann eine Gaskonzentrationsmessung nach dem Systemauslass vorgenommen werden. Mittels der Volumenstrommessung, der Gaskonzentrationsmes-
sung, dem Faraday'schen Gesetz und der Massenerhaltung kann eine Bilanz für
stapels kommt.
Grundsätzlich wird vorteilhaft zwischen zwei Fällen unterschieden: zum einen den oben beschriebenen Fall, bei dem eine feuchte Gasmessung verfügbar ist und zum anderen der Fall einer trockenen Gasmessung, bei welche insbesondere eine zusätz-
liche Kondensatmessung notwendig ist.
Generell bietet dieses Verfahren die Möglichkeit, die Messgenauigkeit unterschiedlicher Einrichtungen des Hochtemperaturelektrolysesystems zu überprüfen und so sys-
tematische Messfehler zu minimieren.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird der Ausgangsstrom bestimmt, indem an dem Systemauslass eine trockene Gasmessung erfolgt und eine Kondensatmassenstrommessung mittels eines Wasserkondensators durchgeführt wird, um einen Kondensatmassenstrom zu bestimmen, wobei der Ausgangsstrom über die trockene Gasmessung, die Massenerhaltung, das Faraday‘sche Gesetz und dem Kondensatmassenstrom bestimmt wird. In diesem Fall erfolgt am Systemauslass keine Volumenstrommessung sondern nur eine trockene Gasmessung. Der Wasserkondensator misst die Kondensatmasse, um einen Kondensatmassenstrom zu be-
stimmen, und ist notwendig um die Bilanz aufstellen zu können.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird eine Gaskonzentrationsmessung zum Bestimmen einer Konzentration von Gasen des Eingangsstroms oder des Ausgangsstroms durchgeführt, um an einer Position innerhalb oder außerhalb des Hochtemperaturelektrolysesystems die Konzentration von Gasen zu bestimmen. Vorteilhafterweise erhält man mit der Gaskonzentrationsmessung die genaue Zusammensetzung der Gase. Prinzipiell sind mehrere Gaskonzentrationsmessungen an verschiedenen Positionen möglich. Es scheint, dass eine Gasmessung am Aus-
gang immer notwendig ist.
funktion erhalten kann, weiter verbessert werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens erfolgt die eine Gaskonzentrationsmessung, bevor die Gase des Eingangsstroms in den Brennstoffzellenstapel eintreten. Insbesondere kann die Gaskonzentrationsmessung dann mit einer zu
erwartenden Konzentration von Gasen verglichen werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens erfolgt die eine Gaskonzentrationsmessung nach der Bestimmung des Ausgangsstroms mittels eines Ausgangsstrommessgeräts. Mit dem Ausgangsstrommessgerät kann das Volumen und/oder die Masse des Ausgangsstroms gemessen werden. Die eine Gaskonzentrationsmessung der Gase des Ausgangsstroms erfolgt nach der Bestimmung des Ausgangsstroms. Grundsätzlich ist es insbesondere vorteilhaft, wenn zumindest eine Gas-
messung am Ausgang erfolgt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens erfolgt die eine Gaskonzentrationsmessung des Ausgangsstroms vor oder nach einer Kondensatmassenstrommessung. Dabei stellt der Ausdruck „vor oder nach“ eine zeitliche und räumliche Reihenfolge dar, in welcher die eine Gaskonzentrationsmessung der Gase des Aus-
gangsstroms und die Kondensatmassenstrommessung erfolgen.
Darüber hinaus ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Computerprogrammprodukt, aufweisend Befehle, welche bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Damit bringt auch ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren
erläutert worden sind.
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Weiter wird eine Vorrichtung zum Überwachen eines Hochtemperaturelektrolysesys-
tems während eines Systemtests beschrieben. Dabei umfasst das Hochtemperatur-
elektrolysesystem einen Brennstoffzellenstapel aufweisend mehrere Festoxid-Elektro-
Iyseurzellen und zumindest ein Systemtestmessgerät. Die Vorrichtung umfasst
ein Messmodul zum Messen eines Eingangsstroms an einem Systemeinlass des
Hochtemperaturelektrolysesystems,
ein Bestimmungsmodul zum Bestimmen eines Ausgangsstroms an einem Systemaus-
lass des Hochtemperaturelektrolysesystems,
ein Vergleichsmodul zum Vergleichen des Eingangsstroms mit dem Ausgangsstrom
zum Erstellen einer Bilanz, und
ein Ausgabemodul zum Ausgeben eines Überwachungsergebnisses basierend auf der
Bilanz.
Dabei sind das Messmodul, das Bestimmungsmodul, das Vergleichsmodul und das Ausgabemodul insbesondere zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Überwachen eines Hochtemperaturelektrolysesystems ausgebildet. Dementsprechend bringt auch eine erfindungsgemäße Vorrichtung die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren erläutert worden
sind.
Das Messmodul, das Bestimmungsmodul, das Vergleichsmodul und das Ausgabemodul können separat voneinander angeordnet sein. Insbesondere das Messmodul und das Bestimmungsmodul sind dabei getrennt an einem Systemeinlass und an einem Systemauslass des Hochtemperaturelektrolysesystems angeordnet. Dabei können das Messmodul und das Bestimmungsmodul beispielsweise mittels einer Kabelverbindung oder einer Funkverbindung mit dem Vergleichsmodul verbunden sein. Das Vergleichsmodul kann seinerseits mittels einer Kabelverbindung oder einer Funkverbin-
dung mit dem Ausgabemodul verbunden sein.
Das Messmodul kann ein Eingangsstrommessgerät aufweisen, mit welchem das Volumen und/oder die Masse des Eingangsstroms gemessen werden können. Dabei
kann das Messmodul auch aus mehreren Untermodulen bestehen, welche jeweils ein
Leitungen zusammengeführt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung weist das Bestimmungsmodul ein Ausgangsstrommessgerät auf. Mittels des Ausgangsstrommessgeräts können das Volumen und/oder die Masse des Ausgangsstroms gemessen werden. Durch die Kenntnis des Eingangsstroms und des Ausgangsstroms kann die Bilanz aufgestellt
werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Vorrichtung weist das Bestimmungsmodul eine Messeinrichtung für eine trockene Gasmessung und einen Wasserkondensator auf. Mittels der Messeinrichtung für eine trockene Gasmessung wird der Ausgangsstrom ohne Wasserdampf bestimmt. Der Wasserdampf wird im Wasserkondensator kondensiert und vermessen. Mittels des Wasserkondensators wird ein Kondensatmassenstrom bestimmt. Bei der Erstellung der Bilanz zwischen dem Eingangsstrom
und dem Ausgangsstrom wird dann der Kondensatmassenstrom berücksichtigt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Vorrichtung weist die Vorrichtung einen Gasanalysator auf, wobei der Gasanalysator in einer Strömungsrichtung des Eingangsstroms vor dem Brennstoffzellenstapel angeordnet ist. Zudem kann der GasanaIysator in der Strömungsrichtung des Eingangsstroms hinter dem Messmodul zum Messen eines Eingangsstroms angeordnet sein. Weiter ist der Gasanalysator insbesondere in der Strömungsrichtung des Eingangsstroms hinter einer Verzweigung für
eine Rückführung des Reaktanten angeordnet.
Der Gasanalysator dient zum Durchführen einer Gaskonzentrationsmessung. Mittels einer Gaskonzentrationsmessung kann eine genauere Aussage über die Position ei-
ner Fehlfunktion, wie z.B. einer Leckage, getroffen werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Vorrichtung weist die Vorrichtung einen Gasanalysator auf, wobei der Gasanalysator in einer Strömungsrichtung des Ausgangsstroms nach dem Ausgangsstrommessgerät angeordnet ist. Vorteilhafterweise kann mittels der Gaskonzentrationsmessung des Gasanalysators eine genaue Aus-
sage über die Zusammensetzung der Gase getroffen werden. Grundsätzlich kann
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Vorrichtung weist die Vorrichtung ei-
nen Gasanalysator auf, wobei der Gasanalysator in einer Strömungsrichtung des
Ausgangsstroms zwischen der Messeinrichtung für eine trockene Gasmessung und
dem Wasserkondensator angeordnet ist, oder wobei der Gasanalysator in einer Strö-
mungsrichtung des Ausgangsstroms nach dem Wasserkondensator angeordnet ist.
Vorteilhafterweise kann mittels der Gaskonzentrationsmessung des Gasanalysators
eine genaue Aussage über die Zusammensetzung der Gase getroffen werden.
Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzu-
fügen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungs-
beispiele im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Überwachen eines Hoch-
temperaturelektrolysesystems und ein Hochtemperaturelektrolysesystem;
Fig. 2 eine schematische Ansicht einer weiteren Vorrichtung zum Überwachen eines Hochtemperaturelektrolysesystems und ein Hochtemperaturelektroly-
sesystem; und
Fig. 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Überwachen eines Hochtempe-
raturelektrolysesystems.
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung 10 zum Überwachen eines Hochtemperaturelektrolysesystems 100 und ein Hochtemperaturelektrolysesystem 100. Das Hochtemperaturelektrolysesystem 100 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 30 aufweisend mehrere Festoxid-Elektrolyseurzellen und zumindest ein Systemtestmessgerät 40. Mittels des zumindest einen Systemtestmessgeräts 40 kann ein Sys-
temtest des Hochtemperaturelektrolysesystems 100 vorgenommen werden.
Der Brennstoffzellenstapel 30 weist einen Reaktantenabschnitt 80 und einen Luftabschnitt 90 auf. Über eine Stromquelle 32 wird den Festoxid-Elektrolyseurzellen ein Strom | zugeführt, um die Elektrolyse durchzuführen. An einem Systemeinlass 52 des
Hochtemperaturelektrolysesystems 100 tritt der Eingangsstrom 50, welcher die Gase
leitet, wo der Abgasstrom 60 ausgestoßen oder verbrannt wird.
Das Hochtemperaturelektrolysesystem 100 kann optional einen Rückführkanal 84 aufweisen. An einer Ausgangsstrom-Verzweigung 82 des Ausgangsstroms innerhalb des Hochtemperaturelektrolysesystems 100 kann in diesem Fall ein Teil des Ausgangsstroms 60 über einen Rückführkanal 84 zu einer Eingangsstrom-Verzweigung 86 des Eingangsstroms 50 innerhalb des Hochtemperaturelektrolysesystems 100 geführt werden. Der Anteil des Ausgangsstroms 60, welcher zurückgeführt werden kann, ist
bekannt.
Weiter wird ein Zufuhr-Luftstrom 92 von außerhalb des Hochtemperaturelektrolysesystems 100 zu dem Luftabschnitt 90 geführt. Die Abgase der Luft nach der Elektrolyse innerhalb des Brennstoffzellenstapels 30 werden als Abgas-Luftstrom 94 aus dem
Hochtemperaturelektrolysesystems 100 abgeführt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zum Überwachen des HochtemperaturelektroIysesystems 100 während eines Systemtests umfasst ein Messmodul 12 zum Messen des Eingangsstroms 50 an dem Systemeinlass 52 des Hochtemperaturelektrolysesystems 100, ein Bestimmungsmodul 14 zum Bestimmen eines Ausgangsstroms 60 an dem Systemauslass 62 des Hochtemperaturelektrolysesystems 100, ein Vergleichsmodul 16 zum Vergleichen des Eingangsstroms 50 mit dem Ausgangsstrom 60 zum Erstellen einer Bilanz, und ein Ausgabemodul 18 zum Ausgeben eines Überwachungsergebnisses basierend auf der Bilanz. Das Messmodul 12, das Bestimmungsmodul 14, das Vergleichsmodul 16 und das Ausgabemodul 18 können über eine Kabelver-
bindung oder über eine Funkverbindung miteinander verbunden sein.
Die Bilanz ist insbesondere eine Atombilanz. Mittels der Bilanz können Rückschlüsse über Fehlfunktionen, wie z.B. Leckagen, in dem Hochtemperaturelektrolysesystem
100 gezogen werden.
Das Bestimmungsmodul 14 kann ein Ausgangsstrommessgerät 22 aufweisen. Das
Ausgangsstrommessgerät 22 kann das Volumen und/oder die Masse des Ausgangs-
stroms 60 bestimmen. Ebenso kann das Messmodul 12 ein Eingangsstrommessgerät
20 aufweisen. Mittels dem Eingangsstrommessgerät 20 kann das Volumen und/oder
die Masse des Eingangsstroms bestimmt werden.
Da die Reaktion des Reaktanten bei der Elektrolyse bekannt ist, ein möglicher Anteil der Rückführung über den Rückführkanal 84 bekannt ist, und der Eingangsstrom 50
und der Ausgangsstrom 60 bekannt sind, kann die Bilanz aufgestellt werden.
Die Vorrichtung 10 kann einen Gasanalysator 72 aufweisen, Dabei ist der Gasanalysator 72 in einer Strömungsrichtung des Ausgangsstroms 60 nach dem Ausgangsstrommessgerät 22 angeordnet. Mittels des Gasanalysators 72 kann eine Gaskonzentrationsmessung vorgenommen werden, so dass eine genaue Aussage über die Zusammensetzung der Gase des Ausgangsstroms 60 getroffen werden kann. Insbesondere kann mit einer Volumenstrommessung des Ausgangsstrommessgeräts 22, einer Gaskonzentrationsmessung des Gasanalysators 72, dem Faraday'schen Gesetz und der Massenerhaltung eine Bilanz für Kohlenstoff und Wasserstoff (und eventuell auch
für Stickstoff wenn notwendig und vorhanden) aufgestellt werden.
Die Vorrichtung 10 kann einen zusätzlichen Gasanalysator 70 aufweisen. Dabei ist der Gasanalysator 70 in einer Strömungsrichtung des Eingangsstroms 50 vor dem Brennstoffzellenstapel 30 angeordnet. Mit dem Gasanalysator 70 kann eine genauere Aus-
sage über die Position einer Fehlfunktion, wie z.B. einer Leckage, getroffen werden.
Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht einer weiteren Vorrichtung 10 zum Überwachen eines Hochtemperaturelektrolysesystems 100 und ein Hochtemperaturelektrolysesystem 100. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu Fig. 1 erläutert. In Fig. 2 wird eine alternative Vorrichtung 10 zum Überwachen eines Hochtemperaturelektrolysesystems 100 gezeigt. Bei dieser Vorrichtung 10 weist das Bestimmungsmodul 14 eine Messeinrichtung 24 für eine trockene Gasmessung und einen Wasserkondensator 26 auf. Mit der Messeinrichtung 24 für eine trockene Gasmessung kann der Ausgangsstrom 60 ohne Wasserdampf bestimmt werden. Mittels des Wasserkondensators 26 kann ein Kondensatmassenstrom bestimmt werden. Bei der Erstellung der Bilanz wird
der Kondensatmassenstrom berücksichtigt.
troffen werden kann.
Fig. 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Überwachen eines Hochtemperaturelektrolysesystems 100. Das Verfahren kann insbesondere mit einer in der Fig.1 oder der Fig. 2 gezeigten Vorrichtungen 10 zum Überwachen eines Hochtemperaturelektrolysesystems 100 durchgeführt werden. Dabei weist
das Verfahren die im Folgenden beschriebenen Schritte auf.
In einem ersten Schritt S1 wird ein Eingangsstroms 50 an einem Systemeinlass 52
des Hochtemperaturelektrolysesystems 100 gemessen.
In einem zweiten Schritt S2 wird ein Ausgangsstrom 60 an einem Systemauslass 62
des Hochtemperaturelektrolysesystems 100 bestimmt.
In einem dritten Schritt S3 wird der Eingangsstrom 50 mit dem Ausgangsstrom 60 ver-
glichen, um eine Bilanz zu erstellen.
In einem vierten Schritt S4 wird ein Überwachungsergebnis basierend auf der Bilanz ausgegeben. Aufgrund des Überwachungsergebnisses kann dann ein Betriebspunkt, also ein Betriebszustand, angepasst oder abgebrochen werden, um Schädigungen am
Brennstoffzellenstapel 30 zu vermeiden.
Der Ausgangsstrom 60 kann dadurch bestimmt werden, indem er mit einem Aus-
gangsstrommessgerät 22 gemessen wird.
Alternativ kann der Ausgangsstrom 60 bestimmt werden, indem an dem Systemauslass 62 eine trockene Gasmessung erfolgt und eine Kondensatmassenstrommessung
mittels eines Wasserkondensators 26 durchgeführt wird, um einen
Kondensatmassenstrom zu bestimmen. Insbesondere kann der Ausgangsstrom 60
über die trockene Gasmessung, die Massenerhaltung, das Faraday‘sche Gesetz und
dem Kondensatmassenstrom bestimmt werden.
Weiter kann eine oder mehrere Gaskonzentrationsmessungen durchgeführt werden. Die Gaskonzentrationsmessungen können in dem Eingangsstrom 50 und/oder in dem Ausgangsstrom 60 vorgenommen werden. Mittels der Gaskonzentrationsmessungen kann die Konzentration der Gase des Eingangsstroms 50 und/oder des Ausgangs-
stroms 60 gemessen werden.
14 Bezugszeichenliste 10 Vorrichtung zum Überwachen eines Hochtemperaturelektrolysesystems 12 Messmodul 14 Bestimmungsmodul 16 Vergleichsmodul 18 Ausgabemodul 20 Eingangsstrommessgerät 22 Ausgangsstrommessgerät 24 Messeinrichtung für eine trockene Gasmessung 26 Wasserkondensator 30 Brennstoffzellenstapel 32 Stromquelle 40 Systemtestmessgerät 42 Kanal 44 Kanal 46 Kanal 50 Eingangsstrom 52 Systemeinlass 60 Ausgangsstrom 62 Systemauslass 70 Gasanalysator 72 Gasanalysator 74 Gasanalysator 80 Reaktantenabschnitt 82 Ausgangsstrom-Verzweigung 84 Rückführkanal 86 Eingangsstrom-Verzweigung
15 88 Abführabschnitt 90 Luftabschnitt 92 Zufuhr-Luftstrom 94 Abgas-Luftstrom 100 Hochtemperaturelektrolysesystem S1 Schritt 1 S2 Schritt 2 s3 Schritt 3 S4 Schritt 4

Claims (1)

  1. Patentansprüche
    1. Verfahren zum Überwachen eines Hochtemperaturelektrolysesystems (100), insbesondere während eines Systemtests, wobei das Hochtemperaturelektrolysesystem (100) einen Brennstoffzellenstapel (30) aufweisend mehrere FestoxidElektrolyseurzellen und zumindest ein Systemtestmessgerät (40) umfasst, ge-
    kennzeichnet durch die Schritte:
    Messen eines Eingangsstroms (50) an einem Systemeinlass (52) des Hochtem-
    peraturelektrolysesystems (100),
    Bestimmen eines Ausgangsstroms (60) an einem Systemauslass (62) des Hoch-
    temperaturelektrolysesystems (100),
    Vergleichen des Eingangsstroms (50) mit dem Ausgangsstrom (60) zum Erstel-
    len einer Bilanz.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überwa-
    chungsergebnisses basierend auf der Bilanz ausgegeben wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass basierend auf dem Überwachungsergebnis ein Betriebspunkt des Hochtemperaturelektro-
    Iysesystems (100) angepasst oder abgebrochen wird.
    4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsstrom (60) bestimmt wird, indem er mit einem Ausgangsstrom-
    messgerät (22) gemessen wird.
    5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsstrom (60) bestimmt wird, indem an dem Systemauslass (62) eine trockene Gasmessung erfolgt und eine Kondensatmassenstrommessung mittels eines Wasserkondensators (26) durchgeführt wird, um einen Kondensatmassenstrom zu bestimmen, wobei der Ausgangsstrom (60) über die trockene Gasmessung, die Massenerhaltung, das Faraday‘sche Gesetz und dem Kondensatmas-
    senstrom bestimmt wird.
    6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich-
    net, dass eine Gaskonzentrationsmessung zum Bestimmen einer Konzentration
    von Gasen des Eingangsstroms (50) oder des Ausgangsstroms (60) durchge-
    führt wird, um an einer Position innerhalb oder außerhalb des Hochtemperatur-
    elektrolysesystems (100) die Konzentration von Gasen zu bestimmen.
    7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Gaskonzentrationsmessung erfolgt, bevor die Gase des Eingangsstroms (50) in den
    Brennstoffzellenstapel (30) eintreten.
    8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Gaskonzentrationsmessung nach der Bestimmung des Ausgangsstroms (60) mittels ei-
    nes Ausgangsstrommessgeräts (22) erfolgt.
    9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Gaskonzentrationsmessung des Ausgangsstroms (60) vor oder nach einer Kondensat-
    massenstrommessung erfolgt.
    10. Computerprogrammprodukt, aufweisend Befehle, welche bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen die Schritte eines Verfahrens mit
    Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.
    11. Vorrichtung (10) zum Überwachen eines Hochtemperaturelektrolysesystems (100) während eines Systemtests, wobei das Hochtemperaturelektrolysesystem (100) einen Brennstoffzellenstapel (30) aufweisend mehrere Festoxid-Elektrolyseurzellen und zumindest ein Systemtestmessgerät (40) umfasst, gekennzeich-
    net durch:
    ein Messmodul (12) zum Messen eines Eingangsstroms (50) an einem System-
    einlass (52) des Hochtemperaturelektrolysesystems (100),
    ein Bestimmungsmodul (14) zum Bestimmen eines Ausgangsstroms (60) an ei-
    nem Systemauslass (62) des Hochtemperaturelektrolysesystems (100),
    ein Vergleichsmodul (16) zum Vergleichen des Eingangsstroms (50) mit dem
    Ausgangsstrom (60) zum Erstellen einer Bilanz, und
    ein Ausgabemodul (18) zum Ausgeben eines Überwachungsergebnisses basie-
    rend auf der Bilanz.
    mungsmodul (14) ein Ausgangsstrommessgerät (22) aufweist.
    13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmungsmodul (14) eine Messeinrichtung (24) für eine trockene Gasmessung und
    einen Wasserkondensator (26) aufweist.
    14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) einen Gasanalysator (70) aufweist, wobei der GasanaIysator (70) in einer Strömungsrichtung des Eingangsstroms (50) vor dem Brenn-
    stoffzellenstapel (30) angeordnet ist.
    15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) einen Gasanalysator (72) aufweist, wobei der Gasanalysator (72) in einer Strömungsrichtung des Ausgangsstroms (60) nach dem Ausgangsstrommessge-
    rät (22) angeordnet ist.
    16. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) einen Gasanalysator (74) aufweist, wobei der Gasanalysator (74) in einer Strömungsrichtung des Ausgangsstroms (60) zwischen der Messeinrichtung (24) für eine trockene Gasmessung und dem Wasserkondensator (26) angeordnet ist, oder wobei der Gasanalysator (74) in einer Strömungsrichtung des Ausgangs-
    stroms (60) nach dem Wasserkondensator (26) angeordnet ist.
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