AT528577A4 - Electrochemical system and method for operating an electrochemical system - Google Patents
Electrochemical system and method for operating an electrochemical systemInfo
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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.The present invention relates to an electrochemical system (100) for power generation or electrolysis, comprising a media supply area (10) for supplying media (40), wherein the media (40) comprise a reactant (42) and air (44), a cell stack (30) comprising several electrochemical cells (32), and a media feed area (20) for temperature-controlling the media (40) and for conveying the media (40) from the media supply area (10) to the cell stack (30). The media feed area (20) comprises at least two heat exchangers (62, 64) and at least two electric heaters (22, 24) for indirectly heating a reactant feed (28) comprising the reactant (42) in two stages.
Description
ELEKTROCHEMISCHES SYSTEM UND VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINES ELEKTROCHEMISCHEN SYSTEMS ELECTROCHEMICAL SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING AN ELECTROCHEMICAL SYSTEM
[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. [0001] The present invention relates to an electrochemical system for generating electricity or for electrolysis and to a method for operating an electrochemical system for controlling the temperature of a reactant inflow.
[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. [0002] Electrochemical systems for power generation or electrolysis are known in the prior art. Solid oxide fuel cells (SOFCs) require a very high temperature to maintain the electrochemical conversion until they reach their thermoneutral operating point. At the thermoneutral operating point, power can be generated efficiently, and excess heat can be supplied via the exothermic oxidation of various gases as reactants.
[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. [0003] Typically, complex heating conditions are preset to meet the various requirements of a cell stack of an electrochemical system. Furthermore, during operation at high temperatures, the reactants are fed into the electrochemical cells of the cell stack because there are limitations due to thermal or chemical stresses in the reactive layers of the electrochemical cells.
[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. [0004] In so-called high-temperature co-electrolysis (Co-Solid Oxide Electrolyzer Cell: Co-SOEC; parallel H2O & CO2 high-temperature co-electrolysis), the reactants are also supplied to the electrolysis cells at high temperatures, whereby the carbon dioxide CO2 can originate from various sources (direct air capture, biogas processes, industrial exhaust gases, etc.). The water H2O must be in vapor form. Depending on the CO2 content and operating point, heat is also required for this process.
[0005] Infolgedessen sind das Aufheizen und die Aufrechterhaltung einer hohen Betriebstemperatur von SOFC/SOEC-Systemen von entscheidender Bedeutung für deren Betriebsfähigkeit, Lebensdauer, und Nachhaltigkeit. [0005] Consequently, heating and maintaining a high operating temperature of SOFC/SOEC systems is crucial for their operability, lifetime, and sustainability.
[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. [0006] Against this background, one object of the present invention is to at least partially overcome the disadvantages described above. In particular, it is an object of the present invention to provide an electrochemical system in which the heating of a reactant inflow is improved and which is flexible with regard to the reactants used and the mode of operation (current generation or electrolysis).
[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. [0007] The foregoing problems are solved by an electrochemical system with the features of claim 1 and a method for operating an electrochemical system with the features of claim 10. Further features and details of the invention will become apparent from the dependent claims, the description, and the drawings. Features and details described in connection with the electrochemical system according to the invention naturally also apply in connection with the method according to the invention for operating an electrochemical system, and vice versa, so that the disclosure regarding the individual aspects of the invention always refers, or can refer, to each other.
[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. [0008] Accordingly, an electrochemical system for power generation or electrolysis is described. The electrochemical system comprises a media supply area for supplying media, wherein the media consist of a reactant and air, a cell stack comprising several electrochemical cells, and a media feed area for temperature control of the media and for conveying the media from the media supply area to the cell stack. The media feed area includes at least two heat exchangers and at least two electric heaters for indirectly heating a reactant feed comprising the reactant in two stages.
[0009] Dadurch, dass zumindest zwei Wärmetauscher und zumindest zwei elektrische Heizer zum indirekten Erwärmen des Reaktantenzustroms vorgesehen sind, kann der Reaktantenzu-[0009] By providing at least two heat exchangers and at least two electric heaters for indirectly heating the reactant inflow, the reactant inflow can be-
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strom indirekt erwärmt werden und damit kann die Konfiguration des elektrochemischen Systems flexibel ausgebildet werden. The current can be used to heat the system indirectly, thus allowing for flexible configuration of the electrochemical system.
[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. [0010] Accordingly, the choice of media can be flexible. The media can be, on the one hand, the reactant and, on the other hand, air. The media can therefore contain both the reactant and air. The reactant can include hydrogen (H₂), water (H₂O), carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO₂), and/or methane (CH₄), and/or other hydrocarbons. Furthermore, nitrogen (N₂) and/or a protective gas can be added to the reactant. This can be advantageous during the start-up and stop-down processes of the electrochemical system.
[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. [0011] The electrochemical system can be used, among other things, as a solid oxide fuel cell (SOFC), a solid oxide electrolyzer cell (SOEC), or a solid oxide co-electrolyzer cell (Co-SOEC) under real-world conditions. Likewise, the electrochemical system can also be used, among other things, as an SOFC, SOEC, or Co-SOEC test environment to test individual components, such as the cell stack. The electrochemical system allows for flexible configuration of the media supplied to the cell stack and flexible configuration of the operating mode, i.e., fuel cell or electrolyzer cell.
[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. [0012] Furthermore, the combination of heat exchangers and electric heaters for indirect heating of the reactant inflow together with the reactant, water vapor and air supply allows a flexible configuration for the media and the operating mode.
[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. [0013] The present invention contributes to the prior art by providing a more flexible and simpler infrastructure that enables efficient connection of the media to the cell stack. This can shorten installation and commissioning times and thereby facilitate efficient testing. Simplicity and flexibility are paramount in the present invention. Accordingly, no afterburner or heat exchanger is used for the exhaust gas flows of the cell stack. Furthermore, the setup of the present invention does not include an oil bath heat exchanger or a bypass path.
[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. [0014] A stage can be a location where the reactant inflow is heated. Accordingly, the reactant inflow can be heated in two stages, i.e., at two different locations.
[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. [0015] The electrochemical system can be a fuel cell system for generating electricity with at least one fuel cell stack or an electrolysis system for electrolysis with at least one electrolysis cell stack.
[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. [0016] According to an embodiment of the electrochemical system, the media supply area has a first electric heater for heating a first air stream and a first heat exchanger to heat the reactant flow to the cell stack by means of the first heat exchanger and the first air stream in a first stage.
[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. [0017] Advantageously, the reactant inflow is indirectly heated by means of the first electric heater. The first airflow is heated by means of the first electric heater. Subsequently, the first airflow is passed through the first heat exchanger and releases its heat to the reactant inflow there.
[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. [0018] According to a further embodiment of the electrochemical system, the media supply area has a second electric heater for heating a second air stream and a second heat exchanger to heat the reactant inflow to the cell stack by means of the second heat exchanger and the second air stream in a second stage.
[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. [0019] Advantageously, the reactant inflow is indirectly heated by means of the second electric heater. The second airflow is heated by means of the second electric heater. Subsequently, the second airflow is passed through the second heat exchanger and transfers its heat to the reactant inflow there.
[0020] Dabei erfolgt die Erwärmung Reaktantenzustroms mittels des zweiten Wärmetauschers [0020] In this process, the heating of the reactant inflow is carried out by means of the second heat exchanger.
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. in the direction of the reactant inflow downstream of the first heat exchanger. The heating of the reactant inflow takes place in two stages, with the first stage heating the reactant inflow by means of the first heat exchanger in the direction of the reactant inflow before the second stage heating the reactant inflow by means of the second heat exchanger.
[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. [0021] According to a further embodiment of the electrochemical system, the media supply area has a third electric heater for heating an air stream for supplying the cell stack. The air stream is heated directly by means of the third electric heater. This allows for a very simple design. Alternatively, it can also be advantageous if the air stream to the cell stack is heated indirectly.
[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. [0022] According to a further embodiment of the electrochemical system, the media supply area has a third electric heater for heating a third air stream and a third heat exchanger to heat an air stream to the cell stack by means of the third heat exchanger and the third air stream. The air stream is heated only indirectly by means of the electric heater.
[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. [0023] According to a further embodiment of the electrochemical system, the electric heaters have built-in temperature sensors. These are arranged and designed specifically for component protection. Advantageously, however, this also allows the desired temperature of the corresponding air streams to be precisely set.
[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. [0024] According to a further embodiment of the electrochemical system, the media supply area has a reactant line for conveying reactant to the first heat exchanger and a reactant line heat band, wherein the reactant line is surrounded by the reactant line heat band to prevent condensation in the reactant line.
[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. [0025] The reactant line heat wrap serves to insulate the reactant line. By insulating the reactant line, condensation in the reactant line can be avoided or at least reduced.
[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. [0026] According to a further embodiment of the electrochemical system, the media supply area has a steam line for conveying steam to the first heat exchanger and a steam line heating band, wherein the steam line is surrounded by the steam line heating band to prevent condensation in the steam line.
[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. [0027] The steam pipe insulation tape serves to insulate the steam pipe. By insulating the steam pipe, condensation in the steam pipe can be prevented or at least reduced.
[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. [0028] According to a further embodiment of the electrochemical system, the electrochemical system has a separate reactant exhaust line and a separate air exhaust line. The reactant exhaust line and the air exhaust line are not connected to each other and both terminate in an exhaust outlet. The exhaust outlet can be located in the media supply area. Because the two main exhaust lines are not connected to each other, flexible operation is possible.
[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: [0029] Furthermore, a method for operating an electrochemical system for controlling the temperature of a reactant inflow, comprising a reactant for supplying a cell stack of the electrochemical system, is described. The method comprises the following steps:
[0030] Erwärmen eines ersten Luftstroms mittels eines ersten elektrischen Heizers oder über einen Wärmetauscher, [0030] Heating a first airflow by means of a first electric heater or via a heat exchanger,
[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, [0031] Heating the reactant inflow by means of a first heat exchanger, wherein the first airflow is passed through the first heat exchanger to transfer heat to the reactant inflow,
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[0032] Erwärmen eines zweiten Luftstroms mittels eines zweiten elektrischen Heizers, und [0032] Heating a second airflow by means of a second electric heater, and
[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. [0033] Heating the reactant inflow by means of a second heat exchanger, wherein the second airflow is passed through the second heat exchanger to transfer heat to the reactant inflow.
[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. [0034] Advantageously, the reactant flow is heated in two successive stages. The heating of the reactant flow by means of the first heat exchanger constitutes the first heating stage. Furthermore, the heating of the reactant flow by means of the second heat exchanger constitutes the second heating stage.
[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. [0035] A further advantage is that the reactant inflow is indirectly heated by means of the electric heaters. The actual heating of the reactant inflow is carried out by means of the heat exchangers. The electric heaters represent the active elements, since the actual heating power is provided here. The heat exchangers, on the other hand, can be passive elements. The temperature of the reactant inflow can be indirectly controlled via the electric heaters.
[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. [0036] According to one embodiment of the method, the temperatures of the air streams are controlled by means of temperature sensors in the electric heaters. For this purpose, the temperature of the air streams can be continuously measured by means of the temperature sensors and the heating power of the electric heaters can then be controlled accordingly.
[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. [0037] Alternatively or additionally, the temperature of the reactant inflow can be measured. The temperature of the reactant inflow can then be used to pre-control the electric heaters accordingly.
[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. [0038] According to a further embodiment of the method, the method includes the following additional step: heating an air supply for feeding to the cell stack by means of a third electric heater. Accordingly, the air supply is heated directly by means of the third electric heater.
[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. [0039] According to a further embodiment of the method, the method comprises the following additional steps: heating a third airflow by means of a third electric heater, and heating an airflow to the cell stack by means of a third heat exchanger, wherein the third airflow is passed through the third heat exchanger to transfer heat to the airflow. Accordingly, the airflow is only heated indirectly by means of the third electric heater.
[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. [0040] According to a further embodiment of the method, a reactant supplied to the reactant flow is controlled by at least one mass flow controller with an integrated proportional solenoid valve. The respective proportional solenoid valve is normally closed for safety reasons and is opened during operation if no control of the proportional solenoid valve is available for any reason.
[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. [0041] Other possible implementations of the invention also include combinations of features not explicitly mentioned above or below with regard to the exemplary embodiments. In such cases, the person skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic form of the invention.
[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: [0042] Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description, in which exemplary embodiments are described in detail with reference to the drawings. The drawings show:
[0043] Fig. 1 eine schematische Ansicht eines elektrochemischen Systems; und [0043] Fig. 1 shows a schematic view of an electrochemical system; and
[0044] Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines elektrochemischen Systems. [0044] Fig. 2 shows a flowchart of a method for operating an electrochemical system.
[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. [0045] Fig. 1 shows a schematic view of an electrochemical system 100 for power generation or electrolysis. The electrochemical system 100 can be, among other things, a SOFC, SOEC, or Co-SOEC system. In particular, the electrochemical system 100 can be a test system for testing individual components of the system.
Das elektrochemische System 100 weist einen Medien-Versorgungsbereich 10, einen Zellenstapel 30 und einen Medien-Zuführbereich 20 auf. The electrochemical system 100 has a media supply area 10, a cell stack 30 and a media feed area 20.
[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. [0046] The cell stack 30 comprises several electrochemical cells 32, a cell stack reactant inlet 72, a cell stack reactant outlet 74, a cell stack air inlet 76 and a cell stack air outlet 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. [0047] The media supply area 10 comprises the media 40. The media 40 can include at least one reactant 42, nitrogen N2, a protective gas 98, water 38, and air 44. The reactant 42 can include hydrogen H2, carbon monoxide CO, carbon dioxide CO2, and/or methane CH4. All the different media can be stored in separate storage tanks. The media supply area 10 can additionally include a power supply 12, an air outlet 14, and an exhaust outlet 16.
[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. [0048] The media supply area 20 serves to temper the media 40 and to direct the media 40 from the media supply area 10 to the cell stack 30. For this purpose, the media supply area 20 has at least two heat exchangers 62, 64 and at least two electric heaters 22, 24. A reactant inflow 28 comprising the reactant 42 is indirectly heated in two stages by means of the heat exchangers 62, 64 and the electric heaters 22, 24.
[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. [0049] As shown in Fig. 1, the reactant inflow 28, comprising the reactant 42, is directed via the first heat exchanger 62 and then via the second heat exchanger 64 to the cell stack reactant inlet 72 of the cell stack 30. The first airflow 52 is passed through the first electric heater 22 and heated by it. The heated airflow 52 is then passed through the first heat exchanger 62 and transfers its heat to the reactant inflow 28. The first stage of heating the reactant inflow 28 takes place at the first heat exchanger 62.
[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. [0050] The second airflow 54 is passed through the second electric heater 24 and heated by it. The heated second airflow 54 is then passed through the second heat exchanger 64, where it transfers its heat to the reactant inflow 28. The second stage of heating the reactant inflow 28 takes place in the second heat exchanger 64, since the second heat exchanger 64 is located downstream of the first heat exchanger 62 in the direction of the reactant inflow 28.
[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. [0051] As can be seen in Fig. 1, the media supply area 20 additionally has a third electric heater 26. By means of the third electric heater 26, the air supply 56, which is supplied to the cell stack air inlet 76, is heated. The air supply 56 is thus heated directly.
[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. [0052] Alternatively, as not shown in Fig. 1, the media supply area 20 could include a third electric heater 26 for heating a third airflow and a third heat exchanger. The airflow 56 to the cell stack 30 could then be heated by means of the third heat exchanger and the third airflow. Here, the airflow 56 is heated only indirectly.
[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. [0053] All electric heaters 22, 24, 26 can have built-in temperature sensors for controlling the temperature of the electric heaters 22, 24, 26. This allows the corresponding air streams 52, 54, 54 to be tempered as desired.
[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. [0054] The air 44, which may be compressed air, is passed through an air pressure valve 80 and then divided into the first air stream 52, the second air stream 54, and the air supply stream 56. Additionally, a first air valve 82 may be arranged in the first air stream 52, a second air valve 84 in the second air stream 54, and a third air valve 86 in the air supply stream 56. Furthermore, the air pressure valve 80, the first air valve 82, the second air valve 84, and the third air valve 86 may be arranged in the media supply area 10.
[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. [0055] Furthermore, the air 44 can also be directed via a vent valve 60 and an element 92 to the first air stream 52, to the second air stream 54 and to the air inlet 56.
Dabei können das Entlüftungsventil 60 und das Element 92 in dem Medien-Versorgungsbereich 10 angeordnet sein. The vent valve 60 and the element 92 can be arranged in the media supply area 10.
[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. [0056] The various reactants 42 and the nitrogen N2 can each be guided through a mass flow controller 50 and can be introduced into the reactant line 46 via a mixer M. This allows the mass flow controllers 50 to determine how much of each reactant 42 and how much nitrogen N2 are present in the reactant inflow 28.
[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. [0057] Each mass flow controller 50 can have an integrated proportional solenoid valve to control the respective mass flow. For safety reasons, the respective integrated proportional solenoid valve is normally closed and opens during operation. This is the case as long as no control signals are sent to the integrated proportional solenoid valve.
[0058] Ein Schutzgas 98 kann über ein Entlüftungsventil 18 und ein Element 94 über den Mischer M ebenfalls in die Reaktantenleitung 46 eingespeist werden. [0058] A protective gas 98 can also be fed into the reactant line 46 via a vent valve 18 and an element 94 via the mixer M.
[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. [0059] The vent valve 18 and element 94, as well as the exhaust outlet 16 and element 92, are specifically designed as venting paths and vent valves, which are used in the event of an emergency shutdown of the system. The vent valve 18 and the exhaust outlet 16 are closed during normal operation but are opened during non-power operation. Elements 92 and 94 are preferably designed as mechanical rotameters, which are configured to protect the system even in the event of a failure, allowing the system to be shut down in a controlled manner.
[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. [0060] The media supply area 10 can further comprise a water tank for water 38, a water pump 70, and a water flow measuring device 90. The water pump 70 can pump the water 38 from the water tank, through the water flow measuring device 90, to the water evaporator 96. The water flow measuring device 90 can be used to regulate the pumping speed of the water pump 70. As shown in Fig. 1, the water evaporator 96 is arranged in the media supply area 20. Alternatively, the water evaporator 96 could also be arranged in the media supply area 10.
[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. [0061] The steam exiting the water evaporator 96 is directed via the steam line 66 to a mixer M. The reactant line 46 also leads into this mixer M. The reactant inflow 28 is directed from this mixer M.
[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. [0062] The reactant line 46 can be surrounded by a reactant line heating band 48. This can prevent or at least reduce condensation within the reactant line 46. Likewise, the steam line 66 can be surrounded by a steam line heating band 68. This can prevent or at least reduce condensation within the steam line 66.
[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. [0063] After passing through the heat exchangers 62, 64, the first airflow 52 and the second airflow 54 are combined by means of a mixer M and directed to the air outlet 14.
[0064] Der Zellenstapel 30, insbesondere die mehreren elektrochemischen Zellen 32, können über die Stromversorgung 12 mit Strom versorgt werden. [0064] The cell stack 30, in particular the several electrochemical cells 32, can be supplied with power via the power supply 12.
[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. [0065] The electrochemical system 100 has a separate reactant exhaust line 34, which leads from the cell stack reactant outlet 74 to the exhaust outlet 16, and a separate air exhaust line 36, which leads from the cell stack air outlet 78 to the exhaust outlet 16. A reactant exhaust line backflow preventer 104 can be arranged in the reactant exhaust line 34. Furthermore, an air exhaust line backflow preventer 106 can be arranged in the air exhaust line 36.
[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 [0066] Fig. 2 shows a flowchart of a method for operating an electrochemical system 100. In particular, the temperature of the reactant inflow 28 comprising the reactant 42 can be controlled by means of this method. The reactant inflow 28 serves to supply the cell stack 30 of the electrochemical system 100. The method
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weist die folgenden Schritte auf: exhibits the following steps:
[0067] In einem ersten Schritt S1 wird ein erster Luftstrom 52 mittels eines ersten elektrischen Heizers 22 erwärmt. [0067] In a first step S1, a first airflow 52 is heated by means of a first electric heater 22.
[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. [0068] In a second step S2, the reactant inflow 28 is heated by means of a first heat exchanger 62. For this purpose, the first airflow 52 is passed through the first heat exchanger 62 to transfer heat to the reactant inflow 28.
[0069] In einem dritten Schritt S3 wird ein zweiter Luftstrom 54 mittels eines zweiten elektrischen Heizers 24 erwärmt. [0069] In a third step S3, a second air stream 54 is heated by means of a second electric heater 24.
[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. [0070] In a fourth step S4, the reactant inflow 28 is heated by means of a second heat exchanger 64. For this purpose, the second airflow 54 is passed through the second heat exchanger 64 to transfer heat to the reactant inflow 28.
[0071] Dabei müssen die Schritte S1 bis S4 nicht in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden. [0071] The steps S1 to S4 do not have to be performed in the specified order.
BEZUGSZEICHENLISTE REFERENCE MARK LIST
10 Medien-Versorgungsbereich 10 Media supply area
12 Stromversorgung 12 Power supply
14 Luftauslass 14 Air outlet
16 Abgasauslass 16 Exhaust outlet
18 Entlüftungsventil 18 Vent valve
20 Medien-Zuführbereich 20 Media feed area
22 erster elektrischer Heizer 22 first electric heater
24 zweiter elektrischer Heizer 24 second electric heater
26 dritter elektrischer Heizer 26 third electric heater
28 Reaktantenzustrom 28 Reactant influx
30 Zellenstapel 30 cell stacks
32 mehrere elektrochemische Zellen 34 Reaktantenabgasleitung 32 several electrochemical cells 34 reactant exhaust line
36 Luftabgasleitung 36 Air exhaust pipe
38 Wasser 38 Water
40 Medium 40 Medium
42 Reaktant 42 Reactant
44 Luft 44 Air
46 Reaktantenleitung 46 Reactant line
48 Reaktantenleitung-Wärmeband 50 Massenflusskontroller 48 Reactant line heating tape 50 Mass flow controller
52 erster Luftstrom 52 first airflow
54 zweiter Luftstrom 54 second airflow
56 Luftzustrom 56 Airflow
60 Entlüftungsventil 60 Vent valve
62 erster Wärmetauscher 62 first heat exchanger
64 zweiter Wärmetauscher 64 second heat exchanger
66 Wasserdampfleitung 66 Water vapor line
68 Wasserdampfleitung-Wärmeband 68 Water vapor line heating tape
Wasserpumpe Zellenstapel-Reaktanteneinlass Zellenstapel-Reaktantenauslass Zellenstapel-Lufteinlass Zellenstapel-Luftauslass Luftdruckventil Water pump, cell stack reactant inlet, cell stack reactant outlet, cell stack air inlet, cell stack air outlet, air pressure valve
erstes Luftventil first air valve
zweites Luftventil second air valve
drittes Luftventil 86 Wasserfluss-Messeinrichtung Element third air valve 86 water flow measuring device element
Element element
Wasserverdampfer Water evaporator
Schutzgas Inert gas
elektrochemisches System Reaktantenabgasleitung-Rückstauklappe electrochemical system reactant exhaust line backflow valve
Luftabgasleitung-Rückstauklappe Air/exhaust pipe backflow preventer
Mischer Mixer
AT 528 577 A4 2026-03-15 AT 528 577 A4 2026-03-15
Patentansprüche Patent claims
1. Elektrochemisches System (100) zur Stromerzeugung oder zur Elektrolyse, aufweisend 1. Electrochemical system (100) for generating electricity or for electrolysis, comprising
einen Medien-Versorgungsbereich (10) zum Versorgen mit Medien (40), wobei die Medien (40) einen Reaktanten (42) und Luft (44) aufweisen, a media supply area (10) for supplying media (40), wherein the media (40) comprise a reactant (42) and air (44),
einen Zellenstapel (30) umfassend mehrere elektrochemische Zellen (32), und a cell stack (30) comprising several electrochemical cells (32), and
einen Medien-Zuführbereich (20) zum Temperieren der Medien (40) und zum Leiten der Medien (40) von dem Medien-Versorgungsbereich (10) zu dem Zellenstapel (30), a media feed area (20) for tempering the media (40) and for directing the media (40) from the media supply area (10) to the cell stack (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. characterized in that the media supply area (20) has at least two heat exchangers (62, 64) and at least two electric heaters (22, 24) for indirectly heating a reactant inflow (28) comprising the reactant (42) in two stages.
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. 2. Electrochemical system (100) according to claim 1, characterized in that the media supply area (20) has a first electric heater (22) for heating a first air stream (52) and a first heat exchanger (62) to heat the reactant inflow (28) to the cell stack (30) by means of the first heat exchanger (62) and the first air stream (52) in a first stage.
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. 3. Electrochemical system (100) according to claim 2, characterized in that the media supply area (20) has a second electric heater (24) for heating a second air stream (54) and a second heat exchanger (64) to heat the reactant inflow (28) to the cell stack (30) by means of the second heat exchanger (64) and the second air stream (54) in a second stage.
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. 4. Electrochemical system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the media supply area (20) has a third electric heater (26) for heating an air supply (56) for supplying to the cell stack (30).
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. 5. Electrochemical system (100) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the media supply area has a third electric heater (26) for heating a third air stream and a third heat exchanger to heat an air supply (56) to the cell stack (30) by means of the third heat exchanger and the third air stream.
6. Elektrochemisches System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Heizer (22, 24, 26) eingebaute Temperatursensoren aufweisen. 6. Electrochemical system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the electric heaters (22, 24, 26) have built-in temperature sensors.
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. 7. Electrochemical system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the media supply area (20) has a reactant line (46) for conveying reactant (42) to the first heat exchanger (62) and a reactant line heating band (48), wherein the reactant line (46) is surrounded by the reactant line heating band (48) to prevent condensation in the reactant line (46).
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. 8. Electrochemical system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the media supply area (20) has a steam line (66) for conveying steam to the first heat exchanger (62) and a steam line heating band (68), wherein the steam line (66) is surrounded by the steam line heating band (68) to prevent condensation in the steam line (66).
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. 9. Electrochemical system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the electrochemical system (100) has a separate reactant exhaust line (34) and a separate air exhaust line (36).
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 10. Method for operating an electrochemical system (100) for controlling the temperature of a reactant inflow (28) comprising a reactant (42) for supplying a cell stack (30) of the electrochemical system (100), characterized by the
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Schritte: Steps:
Erwärmen eines ersten Luftstroms (52) mittels eines ersten elektrischen Heizers (22), Heating a first airflow (52) by means of a first electric heater (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, Heating the reactant inflow (28) by means of a first heat exchanger (62), wherein the first airflow (52) is passed through the first heat exchanger (62) to transfer heat to the reactant inflow (28),
Erwärmen eines zweiten Luftstroms (54) mittels eines zweiten elektrischen Heizers (24), und Heating a second airflow (54) by means of a second electric heater (24), and
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. Heating the reactant inflow (28) by means of a second heat exchanger (64), wherein the second airflow (54) is passed through the second heat exchanger (64) to transfer heat to the reactant inflow (28).
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturen der Luftströme (52, 54) mittels Temperatursensoren in den elektrischen Heizern (22, 24) geregelt werden. 11. Method according to claim 10, characterized in that the temperatures of the air streams (52, 54) are controlled by means of temperature sensors in the electric heaters (22, 24).
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). 12. Method according to claim 10 or 11, characterized by the further step of: heating an air inflow (56) for supply to the cell stack (30) by means of a third electric heater (26).
13. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte: Erwärmen eines dritten Luftstroms mittels eines dritten elektrischen Heizers (26), und 13. Method according to claim 10 or 11, characterized by the further steps of: heating a third air stream by means of a third electric heater (26), and
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. Heating an air inflow (56) to the cell stack (30) by means of a third heat exchanger, wherein the third airflow is passed through the third heat exchanger to transfer heat to the air inflow (56).
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. 14. Method according to one of claims 10 to 13, characterized in that a reactant (42) supplied to the reactant inflow (28) is controlled via at least one mass flow controller (50) with integrated proportional solenoid valve.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen This includes 2 sheets of drawings
Claims (9)
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