AT528577A4

AT528577A4 - Elektrochemisches System und Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Systems

Info

Publication number: AT528577A4
Application number: ATA50863/2024A
Authority: AT
Inventors: István Eszes BSc Viktor; Funk Dipl -Ing Bsc Johannes; Tandl Dipl -Ing Manuel
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2024-10-31
Filing date: 2024-10-31
Publication date: 2026-03-15
Also published as: AT528577B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektrochemisches System (100) zur Stromerzeugung oder zur Elektrolyse, aufweisend einen Medien-Versorgungsbereich (10) zum Versorgen mit Medien (40), wobei die Medien (40) einen Reaktanten (42) und Luft (44) aufweisen, einen Zellenstapel (30) umfassend mehrere elektrochemische Zellen (32), und einen Medien-Zuführbereich (20) zum Temperieren der Medien (40) und zum Leiten der Medien (40) von dem Medien-Versorgungsbereich (10) zu dem Zellenstapel (30). Dabei weist der Medien-Zuführbereich (20) zumindest zwei Wärmetauscher (62, 64) und zumindest zwei elektrische Heizer (22, 24) zum indirekten Erwärmen eines Reaktantenzustroms (28) umfassend den Reaktanten (42) in zwei Stufen auf.

Description

Beschreibung

ELEKTROCHEMISCHES SYSTEM UND VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINES ELEKTROCHEMISCHEN SYSTEMS

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektrochemisches System zur Stromerzeugung oder zur Elektrolyse sowie ein Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Systems zum Regeln der Temperatur eines Reaktantenzustroms.

[0002] Im Stand der Technik sind elektrochemische Systeme zur Stromerzeugung oder zur Elektrolyse bekannt. Festoxid-Brennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cells: SOFC) erfordern eine sehr hohe Temperatur, um die elektrochemische Umwandlung aufrechtzuerhalten, bis sie ihren thermoneutralen Betriebspunkt erreichen. Bei dem thermoneutralen Betriebspunkt kann sowohl effizient Strom erzeugt werden als auch überschüssige Wärme über die exotherme Oxidation verschiedener Gase als Reaktant geliefert werden.

[0003] Typischerweise werden komplexe Aufheizzustände voreingestellt, um die verschiedenen Anforderungen eines Zellenstapels eines elektrochemischen Systems zu erfüllen. Darüber hinaus werden die Reaktanten im Betrieb bei hohen Temperaturen in die elektrochemischen Zellen des Zellenstapels eingespeist, da es Begrenzungen aufgrund von thermischen oder chemischen Belastungen in den reaktiven Schichten der elektrochemischen Zellen gibt.

[0004] Bei der so genannten Hochtemperatur-Co-Elektrolyse (Co Solid Oxide Electrolyzer Cell: Co-SOEC; parallele H20 & CO2 Hochtemperatur-Co-Elektrolyse) werden die Reaktanten ebenfalls bei hohen Temperaturen den Elektrolysezellen zugeführt, wobei das Kohlenstoffdioxid CO2 aus verschiedenen Quellen stammen kann (direkte Lufterfassung, Biogasprozesse, Industrieabgase usw.). Das Wasser H20 muss in Dampfform vorliegen. Je nach CO2-Gehalt und Betriebspunkt wird für diesen Prozess auch Wärme benötigt.

[0005] Infolgedessen sind das Aufheizen und die Aufrechterhaltung einer hohen Betriebstemperatur von SOFC/SOEC-Systemen von entscheidender Bedeutung für deren Betriebsfähigkeit, Lebensdauer, und Nachhaltigkeit.

[0006] 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 elektrochemisches System bereitzustellen, bei welchem die Aufheizung eines Reaktantenzustroms verbessert wird, und welches in Hinsicht der verwendeten Reaktanten und des Operationsmodus (Stromerzeugung oder Elektrolyse) flexibel ist.

[0007] Die voranstehenden Aufgaben werden gelöst durch ein elektrochemisches System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Systems mit den Merkmalen des Anspruchs 10. 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 elektrochemischen System beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäß en Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Systems und umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.

[0008] Demgemäß wird ein elektrochemisches System zur Stromerzeugung oder zur Elektrolyse beschrieben. Das elektrochemische System umfasst einen Medien-Versorgungsbereich zum Versorgen mit Medien, wobei die Medien einen Reaktanten und Luft aufweisen, einen Zellenstapel umfassend mehrere elektrochemische Zellen, und einen Medien-Zuführbereich zum Temperieren der Medien und zum Leiten der Medien von dem Medien-Versorgungsbereich zu dem Zellenstapel. Dabei weist der Medien-Zuführbereich zumindest zwei Wärmetauscher und zumindest zwei elektrische Heizer zum indirekten Erwärmen eines Reaktantenzustroms umfassend den Reaktanten in zwei Stufen auf.

[0009] Dadurch, dass zumindest zwei Wärmetauscher und zumindest zwei elektrische Heizer zum indirekten Erwärmen des Reaktantenzustroms vorgesehen sind, kann der Reaktantenzu-

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strom indirekt erwärmt werden und damit kann die Konfiguration des elektrochemischen Systems flexibel ausgebildet werden.

[0010] Dementsprechend kann die Wahl der Medien flexibel ausgestaltet sein. Bei den Medien kann es sich einerseits um den Reaktanten und andererseits um Luft handeln. Die Medien können demnach sowohl den Reaktanten als auch die Luft aufweisen. Der Reaktant kann Wasserstoff H2, Wasser H2O, Kohlenstoffmonooxid CO, Kohlenstoffdioxid CO2 und/oder Methan CH4 und/oder andere Kohlenwasserstoffe umfassen. Weiter können dem Reaktanten noch Stickstoff N2 und/oder ein Schutzgas zugeführt werden. Dies kann bei den Start- und Stoppvorgängen des elektrochemischen Systems von Nutzen sein.

[0011] Das elektrochemische System kann unter anderem als Festoxid-Brennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell: SOFC), als Festoxid-Elektrolysezelle (Solid Oxide Electrolyzer Cell: SOEC) oder als Festoxid-Co-Elektrolysezelle (Co Solid Oxide Electrolyzer Cell: Co-SOEC) unter realen Bedingungen verwendet werden. Ebenso kann das elektrochemische System unter anderem auch als SOFC, SOEC oder Co-SOEC Testumgebung verwendet werden, um einzelne Komponenten, wie beispielsweise den Zellenstapel, zu testen. Das elektrochemische System erlaubt eine flexible Konfiguration der dem Zellenstapel zugeführten Medien und eine flexible Konfiguration des Operationsmodus, d.h. Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle.

[0012] Weiter erlaubt die Kombination von Wärmetauschern und elektrischen Heizern zum indirekten Erwärmen des Reaktantenzustroms zusammen mit der Reaktanten-, Wasserdampf- und Luftversorgung eine flexible Konfiguration für die Medien und den Operationsmodus.

[0013] Die vorliegende Erfindung leistet einen Beitrag zum Stand der Technik, indem sie eine flexiblere und einfachere Infrastruktur bereitstellt, die es ermöglicht, die Medien effizient mit dem Zellenstapel zu verbinden. Dies kann die Installations- und Inbetriebnahmezeiten verkürzen und dadurch effiziente Tests erleichtern. Bei der vorliegenden Erfindung stehen die Einfachheit und die Flexibilität im Vordergrund. Demnach werden kein Nachbrenner oder kein Wärmetauscher für die Abgasströme des Zellenstapels verwendet. Außerdem gibt es in dem Aufbau der vorliegenden Erfindung keinen Ölbad-Wärmetauscher oder keinen Bypass-Pfad.

[0014] Eine Stufe kann ein Ort sein an dem der Reaktantenzustrom erwärmt wird. Dementsprechend kann der Reaktantenzustrom in zwei Stufen, also an zwei verschiedenen Orten, erwärmt werden.

[0015] Bei dem elektrochemischen System kann es sich um ein Brennstoffzellensystem zur Stromerzeugung mit zumindest einem Brennstoffzellenstapel oder um ein Elektrolysesystem zur Elektrolyse mit zumindest einem Elektrolysezellenstapel handeln.

[0016] Gemäß einem Ausführungsbeispiel des elektrochemischen Systems weist der MedienZuführbereich einen ersten elektrischen Heizer zum Aufheizen eines ersten Luftstroms und einen ersten Wärmetauscher auf, um den Reaktantenzustrom zu dem Zellenstapel mittels des ersten Wärmetauschers und des ersten Luftstroms in einer ersten Stufe zu erwärmen.

[0017] Vorteilhafterweise wird der Reaktantenzustrom mittels des ersten elektrischen Heizers indirekt erwärmt. Der erste Luftstrom wird mittels des ersten elektrischen Heizers erwärmt. Danach wird der erste Luftstrom durch den ersten Wärmetauscher geleitet und gibt dort seine Wärme Reaktantenzustrom ab.

[0018] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des elektrochemischen Systems weist der Medien-Zuführbereich einen zweiten elektrischen Heizer zum Aufheizen eines zweiten Luftstroms und einen zweiten Wärmetauscher auf, um den Reaktantenzustrom zu dem Zellenstapel mittels des zweiten Wärmetauschers und des zweiten Luftstroms in einer zweiten Stufe zu erwärmen.

[0019] Vorteilhafterweise wird der Reaktantenzustrom mittels des zweiten elektrischen Heizers indirekt erwärmt. Der zweite Luftstrom wird mittels des zweiten elektrischen Heizers erwärmt. Danach wird der zweite Luftstrom durch den zweiten Wärmetauscher geleitet und gibt dort seine Wärme an den Reaktantenzustrom ab.

[0020] Dabei erfolgt die Erwärmung Reaktantenzustroms mittels des zweiten Wärmetauschers

in Richtung des Reaktantenzustroms hinter dem ersten Wärmetauscher. Die Erwärmung des Reaktantenzustroms erfolgt in zwei Stufen, wobei die Erwärmung des Reaktantenzustroms in der ersten Stufe mittels des ersten Wärmetauschers in Richtung des Reaktantenzustroms vor der Erwärmung des Reaktantenzustroms in der zweiten Stufe mittels des zweiten Wärmetauschers erfolgt.

[0021] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des elektrochemischen Systems weist der Medien-Zuführbereich einen dritten elektrischen Heizer zum Aufheizen eines Luftzustroms zum Zuführen zu dem Zellenstapel auf. Dabei wird der Luftzustrom direkt mittels des dritten elektrischen Heizers erwärmt. Dies ermöglicht einen sehr simplen Aufbau. Alternativ kann es auch vorteilhaft sein, wenn der Luftstrom zum Zellenstapel indirekt aufgeheizt wird.

[0022] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des elektrochemischen Systems weist der Medien-Zuführbereich einen dritten elektrischen Heizer zum Aufheizen eines dritten Luftstroms und einen dritten Wärmetauscher auf, um einen Luftzustrom zu dem Zellenstapel mittels des dritten Wärmetauschers und des dritten Luftstroms zu erwärmen. Dabei wird der Luftzustrom nur indirekt mittels des elektrischen Heizers erwärmt.

[0023] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des elektrochemischen Systems weisen die elektrischen Heizer eingebaute Temperatursensoren auf. Diese sind insbesondere für einen Komponentenschutz angeordnet und ausgebildet. Vorteilhafterweise kann dadurch jedoch auch die gewünschte Temperatur der entsprechenden Luftströme genau eingestellt werden.

[0024] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des elektrochemischen Systems weist der Medien-Zuführbereich Reaktantenleitung zum Leiten von Reaktant zu dem ersten Wärmetauscher und ein Reaktantenleitung-Wärmeband auf, wobei die Reaktantenleitung von dem tReaktantenleitung-Wärmeband zum Vermeiden von einer Kondensation in der Reaktantenleitung umgeben ist.

[0025] Das Reaktantenleitung-Wärmeband dient zum Isolieren der Reaktantenleitung. Dabei kann mittels der Isolierung für die Reaktantenleitung eine Kondensation in der Reaktantenleitung vermieden oder zumindest reduziert werden.

[0026] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des elektrochemischen Systems weist der Medien-Zuführbereich eine Wasserdampfleitung zum Leiten von Wasserdampf zu dem ersten Wärmetauscher und ein Wasserdampfleitung-Wärmeband auf, wobei die Wasserdampfleitung von dem Wasserdampfleitung-Wärmeband zum Vermeiden von einer Kondensation in der Wasserdampfleitung umgeben ist.

[0027] Das Wasserdampfleitung-Wärmeband dient zum Isolieren der Wasserdampfleitung. Dabei kann mittels der Isolierung für die Wasserdampfleitung eine Kondensation in der Wasserdampfleitung vermieden oder zumindest reduziert werden.

[0028] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des elektrochemischen Systems weist das elektrochemische System eine separate Reaktantenabgasleitung und eine separate Luftabgasleitung auf. Die Reaktantenabgasleitung und die Luftabgasleitung werden nicht miteinander verbunden und münden beide in einen Abgasauslass. Dabei kann der Abgasauslass in dem MedienVersorgungsbereich angeordnet sein. Dadurch, dass die beiden Hauptabgasleitungen nicht miteinander verbunden werden, kann ein flexibler Betrieb ermöglicht werden.

[0029] Weiter wird ein Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Systems zum Regeln der Temperatur eines Reaktantenzustroms umfassend einen Reaktanten zum Versorgen eines Zellenstapels des elektrochemischen Systems beschrieben. Dabei weist das Verfahren die folgenden Schritte auf:

[0030] Erwärmen eines ersten Luftstroms mittels eines ersten elektrischen Heizers oder über einen Wärmetauscher,

[0031] Erwärmen des Reaktantenzustroms mittels eines ersten Wärmetauschers, wobei der erste Luftstrom zum Abgeben von Wärme an den Reaktantenzustrom durch den ersten Wärmetauscher geleitet wird,

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[0032] Erwärmen eines zweiten Luftstroms mittels eines zweiten elektrischen Heizers, und

[0033] Erwärmen des Reaktantenzustroms mittels eines zweiten Wärmetauschers, wobei der zweite Luftstrom zum Abgeben von Wärme an den Reaktantenzustrom durch den zweiten Wärmetauscher geleitet wird.

[0034] Vorteilhafterweise wird der Reaktantenzustrom dadurch in zwei Stufen nacheinander erwärmt. Dabei stellt die Erwärmung des Reaktantenzustroms mittels des ersten Wärmetauschers die erste Stufe der Erwärmung dar. Weiter stellt die Erwärmung des Reaktantenzustroms mittels des zweiten Wärmetauschers die zweite Stufe der Erwärmung dar.

[0035] Von Vorteil ist weiter, dass der Reaktantenzustrom mittels der elektrischen Heizer indirekt erwärmt wird. Die eigentliche Erwärmung des Reaktantenzustroms erfolgt mittels der Wärmetauscher. Dabei Stellen die elektrischen Heizer die aktiven Elemente dar, da hier die eigentliche Heizleistung erbracht wird. Die Wärmetauscher können dagegen passive Elemente sein. Die Temperatur das Reaktantenzustroms kann indirekt über die elektrischen Heizer geregelt werden.

[0036] Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens werden die Temperaturen der Luftströme mittels Temperatursensoren in den elektrischen Heizern geregelt. Dazu kann die Temperatur der Luftströme mittels der Temperatursensoren laufend erfasst werden und die Heizleistung der elektrischen Heizer kann dann entsprechend geregelt werden.

[0037] Alternativ oder zusätzlich kann die Temperatur des Reaktantenzustroms gemessen werden. Die Temperatur des Reaktantenzustroms kann dann dazu verwendet werden, die elektrischen Heizer entsprechend vorzusteuern.

[0038] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens weist das Verfahren den folgenden weiteren Schritt auf: Erwärmen eines Luftzustroms zum Zuführen zu dem Zellenstapel mittels eines dritten elektrischen Heizers. Dementsprechend wird der Luftzustrom direkt mittels des dritten elektrischen Heizers erwärmt.

[0039] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens weist das Verfahren die folgenden weiteren Schritte auf: Erwärmen eines dritten Luftstroms mittels eines dritten elektrischen Heizers, und Erwärmen eines Luftzustroms zu dem Zellenstapel mittels eines dritten Wärmetauschers, wobei der dritte Luftstrom zum Abgeben von Wärme an den Luftzustrom durch den dritten Wärmetauscher geleitet wird. Dementsprechend wird der Luftzustrom mittels des dritten elektrischen Heizers nur indirekt erwärmt.

[0040] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird ein dem Reaktantenzustrom zugeführter Reaktant über zumindest einen Massenflusskontroller mit integriertem Proportional-Magnetventil geregelt. Dabei ist das jeweilige Proportional-Magnetventil normalerweise aus Sicherheitsgründen geschlossen und werden im Betrieb geöffnet, wenn keine Steuerung des Proportional-Magnetventils aus irgendwelchen Gründen zur Verfügung steht.

[0041] 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 hinzufügen.

[0042] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen:

[0043] Fig. 1 eine schematische Ansicht eines elektrochemischen Systems; und

[0044] Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines elektrochemischen Systems.

[0045] Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines elektrochemischen Systems 100 zur Stromerzeugung oder zur Elektrolyse. Bei dem elektrochemischen Systems 100 kann es sich unter anderem um ein SOFC-, SOEC- oder Co-SOEC-System handeln. Insbesondere kann das elektrochemische System 100 ein Testsystem zum Testen einzelner Komponenten des Systems sein.

Das elektrochemische System 100 weist einen Medien-Versorgungsbereich 10, einen Zellenstapel 30 und einen Medien-Zuführbereich 20 auf.

[0046] Der Zellenstapel 30 umfasst mehrere elektrochemische Zellen 32, einen Zellenstapel-Reaktanteneinlass 72, einen Zellenstapel-Reaktantenauslass 74, einen Zellenstapel-Lufteinlass 76 und eine Zellenstapel-Luftauslass 78.

[0047] Der Medien-Versorgungsbereich 10 umfasst die Medien 40. Die Medien 40 können zumindest einen Reaktanten 42, Stickstoff N2, ein Schutzgas 98, Wasser 38 und Luft 44 aufweisen. Der Reaktant 42 kann Wasserstoff H2, Kohlenstoffmonooxid CO, Kohlenstoffdioxid CO2 und/oder Methan CH4 aufweisen. Alle verschiedenen Medien können in separaten Speichertanks aufbewahrt werden. Der Medien-Versorgungsbereich 10 kann zusätzlich eine Stromversorgung 12, einen Luftauslass 14 und einen Abgasauslass 16 aufweisen.

[0048] Der Medien-Zuführbereich 20 dient zum Temperieren der Medien 40 und zum Leiten der Medien 40 von dem Medien-Versorgungsbereich 10 zu dem Zellenstapel 30. Dazu weist der Medien-Zuführbereich 20 zumindest zwei Wärmetauscher 62, 64 und zumindest zwei elektrische Heizer 22, 24 auf. Dabei wird ein Reaktantenzustrom 28 umfassend den Reaktanten 42 mittels der Wärmetauscher 62, 64 und der elektrischen Heizer 22, 24 in zwei Stufen indirekt erwärmt.

[0049] Wie in Fig. 1 gezeigt, wird der Reaktantenzustrom 28 umfassend den Reaktanten 42 über den ersten Wärmetauscher 62 und danach über den zweiten Wärmetauscher 64 zu dem Zellenstapel-Reaktanteneinlass 72 des Zellenstapels 30 geleitet. Der erste Luftstrom 52 wird durch den ersten elektrischen Heizer 22 geleitet und dabei durch den ersten elektrischen Heizer 22 erwärmt. Danach wird der erwärmte erste Luftstrom 52 durch den ersten Wärmetauscher 62 geleitet und gibt dort seine Wärme an den Reaktantenzustrom 28 ab. Bei dem ersten Wärmetauscher 62 findet die erste Stufe der Erwärmung des Reaktantenzustroms 28 statt.

[0050] Der zweite Luftstrom 54 wird durch den zweiten elektrischen Heizer 24 geleitet und dabei durch den zweiten elektrischen Heizer 24 erwärmt. Danach wird der erwärmte zweite Luftstrom 54 durch den zweiten Wärmetauscher 64 geleitet und gibt dort seine Wärme an den Reaktantenzustrom 28 ab. Bei dem zweiten Wärmetauscher 64 findet die zweite Stufe der Erwärmung des Reaktantenzustroms 28 statt, da der zweite Wärmetauscher 64 in der Stromrichtung des Reaktantenzustroms 28 hinter dem ersten Wärmetauscher 62 angeordnet ist.

[0051] Wie in der Fig. 1 zu sehen ist, weist der Medien-Zuführbereich 20 zusätzlich einen dritten elektrischen Heizer 26 auf. Mittels des dritten elektrischen Heizers 26 wird der Luftzustrom 56 erwärmt, welcher dem Zellenstapel-Lufteinlass 76 zugeführt wird. Der Luftzustrom 56 wird also direkt erwärmt.

[0052] Alternativ, wie in der Fig. 1 nicht gezeigt, könnte der Medien-Zuführbereich 20 einen dritten elektrischen Heizer 26 zum Aufheizen eines dritten Luftstroms und einen dritten Wärmetauscher aufweisen. Mittels des dritten Wärmetauschers und des dritten Luftstroms könnte dann der Luftzustrom 56 zu dem Zellenstapel 30 erwärmt werden. Der Luftzustrom 56 wird hier nur indirekt erwärmt.

[0053] Alle elektrischen Heizer 22, 24, 26 können eingebaute Temperatursensoren zum Regeln der Temperatur der elektrischen Heizer 22, 24, 26 aufweisen. Damit können die entsprechenden Luftströme 52, 54, 54 wie gewünscht temperiert werden.

[0054] Die Luft 44, bei welcher es sich um komprimierte Luft handeln kann, wird über ein Luftdruckventil 80 geleitet und anschließend in den ersten Luftstrom 52, in den zweiten Luftstrom 54 und in den Luftzustrom 56 aufgeteilt. Zusätzlich kann in dem ersten Luftstrom 52 ein erstes Luftventil 82, in dem zweiten Luftstrom 54 ein zweites Luftventil 84 und in dem Luftzustrom 56 ein drittes Luftventil 86 angeordnet sein. Weiter können das Luftdruckventil 80, das erste Luftventil 82, das zweite Luftventil 84 und das dritte Luftventil 86 in dem Medien-Versorgungsbereich 10 angeordnet sein.

[0055] Weiter kann die Luft 44 auch über ein Entlüftungsventil 60 und ein Element 92 zu dem ersten Luftstrom 52, zu dem zweiten Luftstrom 54 und zu dem Luftzustrom 56 geleitet werden.

Dabei können das Entlüftungsventil 60 und das Element 92 in dem Medien-Versorgungsbereich 10 angeordnet sein.

[0056] Die verschiedenen Reaktanten 42 und der Stickstoff N2 können jeweils über einen Massenflusskontroller 50 geleitet werden und können über einen Mischer M in die Reaktantenleitung 46 geleitet werden. Damit kann über die Massenflusskontroller 50 bestimmt werden, wieviel von welchem Reaktanten 42 und wieviel Stickstoff N2 sich in dem Reaktantenzustrom 28 befinden.

[0057] Jeder Massenflusskontroller 50 kann ein integriertes Proportional-Magnetventil aufweisen, um den jeweiligen Massenfluss zu regeln. Aus Sicherheitsgründen ist das jeweilige integrierte Proportional-Magnetventil normalerweise geschlossen und werden im Betrieb geöffnet. Dies ist der Fall, solange keine Steuersignale an das integrierte Proportional-Magnetventil gegeben werden.

[0058] Ein Schutzgas 98 kann über ein Entlüftungsventil 18 und ein Element 94 über den Mischer M ebenfalls in die Reaktantenleitung 46 eingespeist werden.

[0059] Das Entlüftungsventil 18 und das Element 94 sowie der Abgasauslass 16 und das Element 92 sind insbesondere als Entlüftungspfade und Entlüftungsventile ausgebildet, welche bei einer Notausschaltung des Systems benutzt werden. Das Entlüftungsventil 18 und der Abgasauslass 16 sind im Normalbetrieb geschlossen, werden jedoch in einem leistungsfreien Betrieb geöffnet. Die Elemente 92 und 94 sind bevorzugt als mechanische Rotameter ausgebildet, welche derart ausgebildet sind, dass diese das System auch bei einem Ausfall beschützen, wobei das System kontrolliert heruntergefahren werden kann.

[0060] Der Medien-Versorgungsbereich 10 kann weiter einen Wassertank für Wasser 38, eine Wasserpumpe 70 und eine Wasserfluss-Messeinrichtung 90 aufweisen. Mittels der Wasserpumpe 70 kann das Wasser 38 von dem Wassertank über die Wasserfluss-Messeinrichtung 90 zu dem Wasserverdampfer 96 gepumpt werden. Dabei kann mit Hilfe der Wasserfluss-Messeinrichtung 90 geregelt werden, wie stark die Wasserpumpe 70 pumpen muss. Wie in der Fig. 1 angegeben, ist der Wasserverdampfer 96 im Medien-Zuführbereich 20 angeordnet. Alternativ könnte der Wasserverdampfer 96 auch im Medien-Versorgungsbereich 10 angeordnet werden.

[0061] Der aus dem Wasserverdampfer 96 austretende Wasserdampf wird über die Wasserdampfleitung 66 zu einem Mischer M geleitet. In diesen Mischer M führt auch die Reaktantenleitung 46. Aus diesem Mischer M wird der Reaktantenzustrom 28 geleitet.

[0062] Die Reaktantenleitung 46 kann von einem Reaktantenleitung-Wärmeband 48 umgeben sein. Dadurch kann eine Kondensation innerhalb der Reaktantenleitung 46 verhindert oder zumindest reduziert werden. Ebenso kann die Wasserdampfleitung 66 von einem Wasserdampfleitung-Wärmeband 68 umgeben sein. Dadurch kann eine Kondensation innerhalb der Wasserdampfleitung 66 verhindert oder zumindest reduziert werden.

[0063] Nach dem Durchgang durch die Wärmetauscher 62, 64 werden der erste Luftstrom 52 und der zweite Luftstrom 54 mittels eines Mischers M zusammengeführt und zu dem Luftauslass 14 geleitet.

[0064] Der Zellenstapel 30, insbesondere die mehreren elektrochemischen Zellen 32, können über die Stromversorgung 12 mit Strom versorgt werden.

[0065] Das elektrochemische System 100 weist eine separate Reaktantenabgasleitung 34, welche von dem Zellenstapel-Reaktantenauslass 74 zu dem Abgasauslass 16 führt, und eine separate Luftabgasleitung 36, welche von dem Zellenstapel-Luftauslass 78 zu dem Abgasauslass 16 führt, auf. Dabei kann in der Reaktantenabgasleitung 34 eine Reaktantenabgasleitung-Rückstauklappe 104 angeordnet sein. Weiter kann in der Luftabgasleitung 36 eine Luftabgasleitung-Rückstauklappe 106 angeordnet sein.

[0066] Fig. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines elektrochemischen Systems 100. Mittels des Verfahrens kann insbesondere die Temperatur des Reaktantenzustroms 28 umfassend den Reaktanten 42 geregelt werden. Dabei dient der Reaktantenzustrom 28 zum Versorgen des Zellenstapels 30 des elektrochemischen Systems 100. Das Verfahren

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weist die folgenden Schritte auf:

[0067] In einem ersten Schritt S1 wird ein erster Luftstrom 52 mittels eines ersten elektrischen Heizers 22 erwärmt.

[0068] In einem zweiten Schritt S2 wird der Reaktantenzustrom 28 mittels eines ersten Wärmetauschers 62 erwärmt. Dazu wird der erste Luftstrom 52 zum Abgeben von Wärme an den Reaktantenzustrom 28 durch den ersten Wärmetauscher 62 geleitet.

[0069] In einem dritten Schritt S3 wird ein zweiter Luftstrom 54 mittels eines zweiten elektrischen Heizers 24 erwärmt.

[0070] In einem vierten Schritt S4 wird der Reaktantenzustrom 28 mittels eines zweiten Wärmetauschers 64 erwärmt. Dazu wird der zweite Luftstrom 54 zum Abgeben von Wärme an den Reaktantenzustrom 28 durch den zweiten Wärmetauscher 64 geleitet.

[0071] Dabei müssen die Schritte S1 bis S4 nicht in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden.

BEZUGSZEICHENLISTE

10 Medien-Versorgungsbereich

12 Stromversorgung

14 Luftauslass

16 Abgasauslass

18 Entlüftungsventil

20 Medien-Zuführbereich

22 erster elektrischer Heizer

24 zweiter elektrischer Heizer

26 dritter elektrischer Heizer

28 Reaktantenzustrom

30 Zellenstapel

32 mehrere elektrochemische Zellen 34 Reaktantenabgasleitung

36 Luftabgasleitung

38 Wasser

40 Medium

42 Reaktant

44 Luft

46 Reaktantenleitung

48 Reaktantenleitung-Wärmeband 50 Massenflusskontroller

52 erster Luftstrom

54 zweiter Luftstrom

56 Luftzustrom

60 Entlüftungsventil

62 erster Wärmetauscher

64 zweiter Wärmetauscher

66 Wasserdampfleitung

68 Wasserdampfleitung-Wärmeband

Wasserpumpe Zellenstapel-Reaktanteneinlass Zellenstapel-Reaktantenauslass Zellenstapel-Lufteinlass Zellenstapel-Luftauslass Luftdruckventil

erstes Luftventil

zweites Luftventil

drittes Luftventil 86 Wasserfluss-Messeinrichtung Element

Element

Wasserverdampfer

Schutzgas

elektrochemisches System Reaktantenabgasleitung-Rückstauklappe

Luftabgasleitung-Rückstauklappe

Mischer

AT 528 577 A4 2026-03-15

Patentansprüche

1. Elektrochemisches System (100) zur Stromerzeugung oder zur Elektrolyse, aufweisend

einen Medien-Versorgungsbereich (10) zum Versorgen mit Medien (40), wobei die Medien (40) einen Reaktanten (42) und Luft (44) aufweisen,

einen Zellenstapel (30) umfassend mehrere elektrochemische Zellen (32), und

einen Medien-Zuführbereich (20) zum Temperieren der Medien (40) und zum Leiten der Medien (40) von dem Medien-Versorgungsbereich (10) zu dem Zellenstapel (30),

dadurch gekennzeichnet, dass der Medien-Zuführbereich (20) zumindest zwei Wärmetauscher (62, 64) und zumindest zwei elektrische Heizer (22, 24) zum indirekten Erwärmen eines Reaktantenzustroms (28) umfassend den Reaktanten (42) in zwei Stufen aufweist.

2. Elektrochemisches System (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Medien-Zuführbereich (20) einen ersten elektrischen Heizer (22) zum Aufheizen eines ersten Luftstroms (52) und einen ersten Wärmetauscher (62) aufweist, um den Reaktantenzustrom (28) zu dem Zellenstapel (30) mittels des ersten Wärmetauschers (62) und des ersten Luftstroms (52) in einer ersten Stufe zu erwärmen.

3. Elektrochemisches System (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Medien-Zuführbereich (20) einen zweiten elektrischen Heizer (24) zum Aufheizen eines zweiten Luftstroms (54) und einen zweiten Wärmetauscher (64) aufweist, um den Reaktantenzustrom (28) zu dem Zellenstapel (30) mittels des zweiten Wärmetauschers (64) und des zweiten Luftstroms (54) in einer zweiten Stufe zu erwärmen.

4. Elektrochemisches System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Medien-Zuführbereich (20) einen dritten elektrischen Heizer (26) zum Aufheizen eines Luftzustroms (56) zum Zuführen zu dem Zellenstapel (30) aufweist.

5. Elektrochemisches System (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Medien-Zuführbereich einen dritten elektrischen Heizer (26) zum Aufheizen eines dritten Luftstroms und einen dritten Wärmetauscher aufweist, um einen Luftzustrom (56) zu dem Zellenstapel (30) mittels des dritten Wärmetauschers und des dritten Luftstroms Zu erwärmen.

6. Elektrochemisches System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Heizer (22, 24, 26) eingebaute Temperatursensoren aufweisen.

7. Elektrochemisches System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Medien-Zuführbereich (20) eine Reaktantenleitung (46) zum Leiten von Reaktant (42) zu dem ersten Wärmetauscher (62) und ein Reaktantenleitung-Wärmeband (48) aufweist, wobei die Reaktantenleitung (46) von dem Reaktantenleitung-Wärmeband (48) zum Vermeiden von einer Kondensation in der Reaktantenleitung (46) umgeben ist.

8. Elektrochemisches System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Medien-Zuführbereich (20) eine Wasserdampfleitung (66) zum Leiten von Wasserdampf zu dem ersten Wärmetauscher (62) und ein WasserdampfleitungWärmeband (68) aufweist, wobei die Wasserdampfleitung (66) von dem Wasserdampfleitung-Wärmeband (68) zum Vermeiden von einer Kondensation in der Wasserdampfleitung (66) umgeben ist.

9. Elektrochemisches System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrochemische System (100) eine separate Reaktantenabgasleitung (34) und eine separate Luftabgasleitung (36) aufweist.

10. Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Systems (100) zum Regeln der Temperatur eines Reaktantenzustroms (28) umfassend einen Reaktanten (42) zum Versorgen eines Zellenstapels (30) des elektrochemischen Systems (100), gekennzeichnet durch die

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Schritte:

Erwärmen eines ersten Luftstroms (52) mittels eines ersten elektrischen Heizers (22),

Erwärmen des Reaktantenzustroms (28) mittels eines ersten Wärmetauschers (62), wobei der erste Luftstrom (52) zum Abgeben von Wärme an den Reaktantenzustrom (28) durch den ersten Wärmetauscher (62) geleitet wird,

Erwärmen eines zweiten Luftstroms (54) mittels eines zweiten elektrischen Heizers (24), und

Erwärmen des Reaktantenzustroms (28) mittels eines zweiten Wärmetauschers (64), wobei der zweite Luftstrom (54) zum Abgeben von Wärme an den Reaktantenzustrom (28) durch den zweiten Wärmetauscher (64) geleitet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturen der Luftströme (52, 54) mittels Temperatursensoren in den elektrischen Heizern (22, 24) geregelt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt: Erwärmen eines Luftzustroms (56) zum Zuführen zu dem Zellenstapel (30) mittels eines dritten elektrischen Heizers (26).

13. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte: Erwärmen eines dritten Luftstroms mittels eines dritten elektrischen Heizers (26), und

Erwärmen eines Luftzustroms (56) zu dem Zellenstapel (30) mittels eines dritten Wärmetauschers, wobei der dritte Luftstrom zum Abgeben von Wärme an den Luftzustrom (56) durch den dritten Wärmetauscher geleitet wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Reaktantenzustrom (28) zugeführter Reaktant (42) über zumindest einen Massenflusskontroller (50) mit integriertem Proportional-Magnetventil geregelt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Neue Patentansprüche

einen Zellenstapel (30) umfassend mehrere elektrochemische Zellen (32), und

wobei der Medien-Zuführbereich (20) zumindest zwei Wärmetauscher (62, 64) und zumindest zwei elektrische Heizer (22, 24) zum indirekten Erwärmen eines Reaktantenzustroms (28) umfassend den Reaktanten (42) in zwei Stufen aufweist, wobei der Medien-Zuführbereich (20) einen ersten elektrischen Heizer (22) zum Aufheizen eines ersten Luftstroms (52) und einen ersten Wärmetauscher (62) aufweist, um den Reaktantenzustrom (28) zu dem Zellenstapel (30) mittels des ersten Wärmetauschers (62) und des ersten Luftstroms (52) in einer ersten Stufe zu erwärmen, wobei der Medien-Zuführbereich (20) einen zweiten elektrischen Heizer (24) zum Aufheizen eines zweiten Luftstroms (54) und einen zweiten Wärmetauscher (64) aufweist, um den Reaktantenzustrom (28) zu dem Zellenstapel (30) mittels des zweiten Wärmetauschers (64) und des zweiten Luftstroms (54) in einer zweiten Stufe zu erwärmen,

dadurch gekennzeichnet, dass der Medien-Zuführbereich (20) einen dritten elektrischen Heizer (26) zum Aufheizen eines Luftzustroms (56) zum Zuführen zu dem Zellenstapel (30) aufweist.

2. Elektrochemisches System (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Heizer (22, 24, 26) eingebaute Temperatursensoren aufweisen.

3. Elektrochemisches System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Medien-Zuführbereich (20) eine Reaktantenleitung (46) zum Leiten von Reaktant (42) zu dem ersten Wärmetauscher (62) und ein Reaktantenleitung-Wärmeband (48) aufweist, wobei die Reaktantenleitung (46) von dem Reaktantenleitung-Wärmeband (48) zum Vermeiden von einer Kondensation in der Reaktantenleitung (46) umgeben ist.

4. Elektrochemisches System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Medien-Zuführbereich (20) eine Wasserdampfleitung (66) zum Leiten von Wasserdampf zu dem ersten Wärmetauscher (62) und ein WasserdampfleitungWärmeband (68) aufweist, wobei die Wasserdampfleitung (66) von dem Wasserdampfleitung-Wärmeband (68) zum Vermeiden von einer Kondensation in der Wasserdampfleitung (66) umgeben ist.

5. Elektrochemisches System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrochemische System (100) eine separate Reaktantenabgasleitung (34) und eine separate Luftabgasleitung (36) aufweist.

6. Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Systems (100) zum Regeln der Temperatur eines Reaktantenzustroms (28) umfassend einen Reaktanten (42) zum Versorgen eines Zellenstapels (30) des elektrochemischen Systems (100), gekennzeichnet durch die Schritte:

Erwärmen des Reaktantenzustroms (28) mittels eines zweiten Wärmetauschers (64), wobei der zweite Luftstrom (54) zum Abgeben von Wärme an den Reaktantenzustrom (28) durch den zweiten Wärmetauscher (64) geleitet wird,

ZULETZT VORGELEGTE ANSPRÜCHE

Erwärmen eines dritten Luftstroms mittels eines dritten elektrischen Heizers (26), und

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturen der Luftströme (52, 54) mittels Temperatursensoren in den elektrischen Heizern (22, 24) geregelt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt: Erwärmen eines Luftzustroms (56) zum Zuführen zu dem Zellenstapel (30) mittels eines dritten elektrischen Heizers (26).

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Reaktantenzustrom (28) zugeführter Reaktant (42) über zumindest einen Massenflusskontroller (50) mit integriertem Proportional-Magnetventil geregelt wird.

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ZULETZT VORGELEGTE ANSPRÜCHE