Verfahren zum Betreiben desselben

Die vorliegende Erfindung betrifft einen reversibel betreibbaren Energiewandler mit einem Elektrodenverbund für eine elektrochemische Energiewandlung sowie ein Ver- fahren zum Betreiben eines reversibel betreibbaren Energiewandlers. Außerdem be- trifft die Erfindung ein Kraftwerk mit einem stationären, reversibel betreibbaren Ener- giewandler zur Bereitstellung von Brennstoff sowie zur Stromerzeugung.

Im Stand der Technik sind verschiedene Arten von elektrochemischen Energiewand- lern bekannt. So gibt es Brennstoffzellen, welche chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandeln. Ferner gibt es Elektrolyseure, welche mit Hilfe von elektrischem Strom eine chemische Reaktion zur Brennstofferzeugung herbeiführen. Darüber hin- aus gibt es reversibel betreibbare Energiewandler, die sowohl als Brennstoffzelle zur Stromerzeugung, als auch in Form eines Elektrolyseurs zur Brennstofferzeugung be- trieben werden können.

Reversibel betreibbare, elektrochemische Energiewandler sind in Form von

SOFC/SOEC-Systemen, auch RSOFC-Systeme genannt, bekannt. Bei derartigen Systemen kann ein Umschalten zwischen einem SOFC-Betrieb und einem SOEC- Betrieb relativ lange dauern. Dies liegt insbesondere daran, dass es schwierig ist, die Temperatur von Teilen des Energiewandlers, welche nur bei einem der beiden Be- triebszustände benötigt werden, stets ausreichend hoch zu halten. Eine solche Kom- ponente ist beispielsweise ein Verdampfer, der in einem SOEC-Betrieb zur Verdamp- fung von Wasser möglichst schnell und effizient auf eine ausreichend hohe Tempera- tur gebracht werden muss.

Aus der internationalen Patentanmeldung WO 2016/161999 A1 gehen verschiedene Ansätze für ein Wärmemanagement für Festoxidbrennstoffzellen (SOFC), Hochtem- peratur-Wasserdampf-Elektrolyseure (SOEC) sowie reversibel betreibbare

SOFC/SOEC-Systeme hervor. Eine zufriedenstellende Lösung für die vorstehend erwähnte Problematik hinsichtlich des Verdampfers und somit hinsichtlich der mög- lichst kurzen Umschaltzeiten können diesem Dokument allerdings nicht entnommen werden. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen reversibel betreibbaren Energie- wandler, ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Energiewandlers sowie ein Kraftwerk mit einem stationären, reversibel betreibbaren Energiewandler zu schaffen, wobei Umschaltzeiten zwischen einem Stromerzeugungsbetrieb und einem Brenn- stofferzeugungsbetrieb auf effiziente Weise möglichst kurz gehalten werden können.

Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch einen reversibel betreibbaren Energiewandler gemäß Anspruch 1 , ein Verfahren zum Betreiben eines Energiewandlers gemäß An- spruch 7 sowie ein Kraftwerk gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile der Erfin- dung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnun- gen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem reversibel betreibbaren Energiewandler beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusam- menhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, dem erfindungsgemäßen Kraft- werk und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Er- findungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein reversibel betreib- barer Energiewandler zur Verfügung gestellt. Der reversibel betreibbare Energie- wandler weist einen Elektrodenverbund für eine elektrochemische Energiewandlung mit einem ersten Elektrodenabschnitt und einem zweiten Elektrodenabschnitt auf. Ferner weist der Energiewandler einen Reformer zum Erzeugen eines Reformats für den ersten Elektrodenabschnitt und einen stromaufwärts des Reformers angeordne- ten Verdampfer zum Erzeugen von Wasserdampf für den Reformer auf, wobei der Verdampfer wenigstens einen Fluidleitabschnitt zum Leiten von in dem Verdampfer zu verdampfendem Fluid aufweist. Der Fluidleitabschnitt ist zumindest abschnittswei- se mit einem Katalysator für eine katalytische Verbrennung von Wasserstoff im Ver- dampfer beschichtet ist.

Durch die katalytische Beschichtung kann ein besonders platzsparendes Heizsystem zum Aufheizen des Verdampfers zur Verfügung gestellt werden. Bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass Wasserstoff bzw. ein was- serstoffhaltiges Gas, das im Energiewandler ohnehin vorhanden und/oder erzeugbar ist, genutzt werden kann, um den Verdampfer auf effiziente Weise auf die gewünsch- te Verdampfungstemperatur zu bringen. Dazu muss der Verdampfer lediglich auf die erfindungsgemäße Weise mit dem Katalysator bzw. dem Katalysatormaterial be- schichtet werden bzw. sein.

Unter dem Fluidleitabschnitt ist demnach nicht nur der Fluidleitabschnitt zum Leiten von in dem Verdampfer zu verdampfendem Fluid, insbesondere Wasser, sondern auch ein Fluidleitabschnitt zum Leiten von wasserstoffhaltigem Gas für einen Auf- heizbetrieb des Verdampfers zu verstehen.

Die katalytische Beschichtung des Fluidleitabschnitts nimmt kaum einen Einfluss auf den erforderlichen Bauraum im vorliegenden Energiewandler. Ferner kann eine sol- che Beschichtung auch bei bestehenden Energiewandlern relativ einfach nachgerüs- tet werden. Der Fluidleitabschnitt befindet sich vorzugsweise auf einer kalten Seite des Verdampfers.

Darüber hinaus kann der Komplexitätsgrad des reversibel betreibbaren Energie- wandlers durch die katalytische Beschichtung relativ gering gehalten werden, insbe- sondere im Vergleich zu separaten Heizbauteilen und/oder Fluid- Rezirkulationssystemen.

Unter dem reversibel betreibbaren Energiewandler kann vorliegend ein als Elektroly- seur bzw. reversibel betreibbares Brennstoffzellensystem verstanden werden. Unter der elektrochemischen Energiewandlung ist eine Umwandung von elektrischer Ener- gie in Form von Strom in chemische Energie in Form von Brennstoff, und umgekehrt, zu verstehen. Durch das schnelle Aufheizen ist der Verdampfer in einem Elektroly- sebetrieb des Energiewandlers entsprechend schnell betriebsbereit. Folglich kann mit einem erfindungsgemäßen Energiewandler auch schnell von einem Brennstoff- zellenbetrieb in den Elektrolysebetrieb geschaltet werden.

Der Elektrodenverbund kann für den Fall, dass der Energiewandler als Brennstoffzel- lensystem betrieben wird, als Brennstoffzellenstapel verstanden werden. Der erste Elektrodenabschnitt entspricht in diesem Fall einem Anodenabschnitt und der zweite Elektrodenabschnitt einem Kathodenabschnitt. Für den Fall, dass der Energiewand- ler als Elektrolyseur betrieben wird, kann der erste Elektrodenabschnitt als Katho- denabschnitt verstanden werden und der zweite Elektrodenabschnitt als Anodenab- schnitt. Der Energiewandler weist vorzugsweise eine Wasserquelle zum Bereitstellen von Wasser im Verdampfer auf. Der Verdampfer ist vorzugsweise stromaufwärts des Re- formers und stromabwärts der Wasserquelle angeordnet. Stromaufwärts des Ver- dampfers kann eine Pumpe zum Fördern von Wasser in den Verdampfer angeordnet sein. Stromabwärts des Verdampfers kann ein Gebläse zum Fördern des verdampf- ten Wassers in den Reformer oder zumindest in Richtung des Reformers angeordnet sein.

Als Katalysator wird vorzugsweise ein Edelmetallkatalysator, insbesondere ein Pla- tinkatalysator verwendet, der die Aktivierungsenergie für die katalytische Verbren- nung von Wasserstoff derart herabsetzt, dass die Reaktion bzw. Verbrennung auch bei möglichst niedrigen Temperaturen mit der gewünschten Geschwindigkeit ablau- fen kann. Um die Kosten für den Katalysator bzw. das Katalysatormaterial gering zu halten, ist vorzugsweise ausschließlich der Fluidleitabschnitt oder nur ein Teil des Fluidleitabschnitts mit dem Katalysator beschichtet. Der Fluidleitabschnitt kann als Innenraumabschnitt des Verdampfers verstanden werden, durch welchen in unter- schiedlichen Betriebszuständen des Energiewandlers nacheinander wasserstoffhalti- ges Gas und Wasser geleitet werden.

Durch die katalytische Beschichtung kann der Verdampfer zumindest während der katalytischen Verbrennung als ein Katalytofen verstanden werden, in welchem der Wasserstoff bzw. ein wasserstoffhaltiges Gas ohne offener Flamme verbrennen kann. Unter der katalytischen Verbrennung ist eine Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff, insbesondere als Bestandteil von Luft, zu verstehen. Unter dem Katalysa- tor können ein Katalysator bzw. ein Katalysatormaterial oder mehrere unterschiedli- che Katalysatoren bzw. Katalysatormaterialien verstanden werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass der Verdampfer integral mit einem Wärmetauscher für einen Wärmetausch zwi- schen Abgas aus dem Elektrodenverbund, insbesondere aus dem ersten Elektro- denabschnitt, und dem Verdampfer verbunden ist. Der Verdampfer steht mit dem Wärmetauscher für den Wärmetausch mithin in thermischer Verbindung. Durch die integrale Bauweise können der Verdampfer und der Wärmetauscher besonders kompakt und entsprechend bauraumsparend bereitgestellt werden. Durch den Wär- metauscher am Verdampfer kann zudem eine vorteilhafte Wechselwirkung erzielt werden, indem der Verdampfer durch Abgas aus dem Elektrodenverbund erhitzt und dadurch entsprechend effizient auf der gewünschten Temperatur gehalten werden kann. Der Elektrodenverbund, insbesondere der erste Elektrodenabschnitt, ist strom- abwärts des Verdampfers und stromaufwärts des Wärmetauschers angeordnet, so- dass die thermische Energie des verdampften Wassers über den Elektrodenverbund dem Wärmetauscher zugeführt werden kann. Darunter, dass der Verdampfer integral mit dem Wärmetauscher verbunden bzw. ausgestaltet ist, ist zu verstehen, dass der Verdampfer und der Wärmetauscher als eine Einheit ausgestaltet sind. Unter dem Verdampfer kann eine Dampfseite dieser Einheit verstanden werden. Unter dem Wärmetauscher kann eine Heizseite dieser Einheit verstanden werden.

Zudem ist es möglich, dass bei einem reversibel betreibbaren Energiewandler der Fluidleitabschnitt einen Überhitzer aufweist und der Überhitzer zumindest ab- schnittsweise mit dem Katalysator für die katalytische Verbrennung von Wasserstoff beschichtet ist. Bei umfangreichen Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfin- dung hat sich überraschend herausgestellt, dass durch eine katalytische Beschich- tung des Überhitzers die besten Heizergebnisse erzielt werden können. Unter dem Überhitzer ist ein Bauteil des Verdampfers zu verstehen, durch welches der im Ver- dampfer erzeugte Wasserdampf über die Verdampfungstemperatur hinaus weiter er- hitzt werden kann.

Weiterhin ist es bei einem reversibel betreibbaren Energiewandler möglich, dass ein Heizmittel zum Vorheizen des Verdampfers auf eine Solltemperatur in thermischer Verbindung mit dem Verdampfer steht. Durch das Heizmittel kann der Verdampfer zu Beginn eines Aufheizvorgangs sowie währenddessen schnell und zuverlässig auf die gewünschte Temperatur gebracht werden bzw. auf dieser gehalten werden. Wenn gewährleistet wird, dass der Verdampfer zumindest im Bereich des katalytisch be- schichteten Fluidleitabschnitts stets über einer vordefinierten katalytischen Aktivie- rungstemperatur liegt, kann die katalytische Verbrennung zur Vorheizung und/oder Heizung des Verdampfers zuverlässig erfolgen. Das Heizmittel ist vorzugsweise in Form eines elektrischen Heizmittels ausgestaltet. Die Solltemperatur liegt vorzugs- weise in einem Bereich zwischen 100°C und 150°C.

Darüber hinaus ist es möglich, dass ein erfindungsgemäßer, reversibel betreibbarer Energiewandler in Form eines SOFC/SOEC-Systems ausgestaltet ist, das zur Stromerzeugung als SOFC-System und zur Brennstofferzeugung als SOEC-System betreibbar ist. Durch die hohe Betriebstemperatur des SOFC-Systems lässt sich die- ses besonders vorteilhaft als reversibles System zur Brennstofferzeugung betreiben. Wenn der reversibel betreibbare Energiewandler als SOFC-System betrieben wird, ist unter dem Elektrodenverbund ein Brennstoffzellenstapel zu verstehen. In diesem Fall sind unter dem ersten Elektrodenabschnitt ein Anodenabschnitt und unter dem zweiten Elektrodenabschnitt ein Kathodenabschnitt zu verstehen.

Außerdem ist es bei einem reversibel betreibbaren Energiewandler möglich, dass stromabwärts des Reformers ein Rezirkulationsabschnitt zum Zuführen eines was- serstoffhaltigen Reformats vom Reformer in den Fluidleitabschnitt ausgestaltet ist. Dadurch kann der katalytisch beschichtete Fluidleitabschnitt im Elektrolysebetrieb des Energiewandlers nicht nur mit Wasserstoff direkt aus einer separaten Wasser- stoffquelle, sondern auch aus reformiertem Wasserstoff, der beispielsweise aus Erd- gas erzeugt wird, gespeist werden. Mithin kann ein erfindungsgemäßer Energie- wandler besonders flexibel betrieben werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines wie vorstehend im Detail beschriebenen reversibel betreibbaren Energiewandlers zur Verfügung gestellt, wobei der Energiewandler ferner eine Was- serquelle, eine Wasserstoffquelle sowie eine Sauerstoffquelle stromaufwärts des Verdampfers umfasst. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

Zuführen eines wasserstoffhaltigen Gases von der Wasserstoffquelle sowie ei- nes sauerstoffhaltigen Gases von der Sauerstoffquelle in den Verdampfer zum Flerbeiführen einer katalytischen Verbrennung im Verdampfer,

Beenden der Zufuhr des wasserstoffhaltigen Gases und des sauerstoffhaltigen Gases in den Verdampfer, sobald der Verdampfer eine vordefinierte Solltempe- ratur erreicht hat, und

Zuführen von Wasser von der Wasserquelle in den auf die Solltemperatur tem- perierten Verdampfer zum Verdampfen des Wassers im Verdampfer.

Damit bringt ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Energiewandler beschrieben wor- den sind. Unter einer Wasserstoffquelle ist eine Quelle zum Bereitstellen von reinem Wasserstoff oder eines wasserstoffhaltigen Gases zu verstehen. Unter einer Sauer- stoffquelle ist entsprechend eine Quelle zum Bereitstellen von reinem Sauerstoff o- der eines sauerstoffhaltigen Gases, insbesondere Luft, zu verstehen.

Bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist es ferner möglich, dass der Verdampfer vor dem Zuführen des wasserstoffhaltigen Gases und des sauer- stoffhaltigen Gases durch ein Heizmittel, insbesondere auf eine Temperatur in einem Bereich zwischen 100°C und 150°C, temperiert wird. Durch das Vorheizen kann si- chergestellt werden, dass die katalytische Verbrennung stets wunschgemäß ablau- fen kann. Bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich eine Vor- heiztemperatur von etwas über 100°C, beispielsweise in einem Bereich zwischen 100°C und 110°C, als vorteilhaft herausgestellt.

Darüber hinaus kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren dem Verdampfer das wasserstoffhaltige Gas über einen Rezirkulationsabschnitt des reversibel betreibba- ren Energiewandlers in Form von Reformat aus dem Reformer zugeführt werden.

Wie vorstehend bereits erwähnt, wird der katalytisch beschichtete Fluidleitabschnitt im Elektrolysebetrieb des Energiewandlers in diesem Fall nicht direkt mit Wasserstoff aus einer separaten Wasserstoffquelle, sondern aus reformiertem Wasserstoff, der beispielsweise aus Erdgas erzeugt wird, gespeist.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ferner ein Kraftwerk mit einem reversibel betreibbaren Energiewandler, der zur Bereitstellung von Was- serstoff sowie zur Stromerzeugung als stationäres SOFC/SOEC-System ausgestaltet ist, zur Verfügung gestellt. Damit bringt auch das erfindungsgemäße Kraftwerk die vorstehend beschriebenen Vorteile mit sich.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgen- den Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.

Es zeigen jeweils schematisch:

Figur 1 ein Blockdiagramm zum Erläutern eines reversibel betreibbaren Energie- wandlers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfin- dung, Figur 2 ein Blockdiagramm zum Erläutern eines reversibel betreibbaren Energie- wandlers gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfin- dung, und

Figur 3 ein Blockdiagramm zum Erläutern eines reversibel betreibbaren Energie- wandlers gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfin- dung.

Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 bis 3 je- weils mit denselben Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt einen reversibel betreibbaren Energiewandler 100a gemäß einer ersten Ausführungsform. Der Energiewandler 100a ist vorliegend in Form eines

SOFC/SOEC-Systems ausgestaltet, also in Form eines reversibel betreibbaren SOFC-Systems bzw. in Form eines RSOFC-Systems, das zur Stromerzeugung als SOFC-System und zur Brennstofferzeugung als SOEC-System betreibbar ist. Der Energiewandler 100a weist einen Elektrodenverbund 1 für eine elektrochemische Energiewandlung mit einem ersten Elektrodenabschnitt 2 und einem zweiten Elekt- rodenabschnitt 3, sowie einen Reformer 4 zum Erzeugen eines Reformats für den ersten Elektrodenabschnitt 2, auf. Der Energiewandler 100a weist ferner einen stromaufwärts des Reformers 4 angeordneten Verdampfer 5 zum Erzeugen von Wasserdampf für den Reformer 4 auf, wobei der Verdampfer 5 wenigstens einen Flu- idleitabschnitt (nicht dargestellt) zum Leiten von in dem Verdampfer 5 zu verdamp- fendem Fluid aufweist. Der Fluidleitabschnitt weist einen Überhitzer auf, der mit ei- nem Katalysator für eine katalytische Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff im Verdampfer 5 beschichtet ist.

Der Verdampfer 5 ist integral mit einem Wärmetauscher 6 für einen Wärmetausch zwischen Abgas aus dem ersten Elektrodenabschnitt 2 und dem Verdampfer 5 ver- bunden. Zum Vorheizen des Verdampfers 5 auf eine Solltemperatur von über 100°C steht der Verdampfer 5 mit einem elektrischen Heizmittel 7 in thermischer Verbin- dung.

Der Energiewandler 100a weist ferner eine Wasserquelle 8 zum Zuführen von Was- ser zum Verdampfer 5, eine Wasserstoffquelle 9 in Form eines Wasserstofftanks zum Zuführen von Wasserstoff zu dem Verdampfer 5, sowie eine Sauerstoffquelle 10 in Form einer Luftquelle zum Zuführen von Luft zum Verdampfer 5, stromaufwärts des Verdampfers 5 auf. Stromaufwärts des Verdampfers 5 und stromabwärts der Sauerstoffquelle 10 ist ein Gebläse 28 zum Zuführen des Sauerstoffs bzw. der Luft zum Verdampfer 5 angeordnet.

Zum Zuführen des Wassers von der Wasserquelle 8 zum Verdampfer 5 ist zwischen der Wasserquelle 8 und dem Verdampfer 5 eine Wasserleitung ausgestaltet. In der Wasserleitung ist stromaufwärts des Verdampfers 5 und stromabwärts der Wasser- quelle 8 eine Pumpe 12 zum Fördern von Wasser aus der Wasserquelle 8 in Rich- tung des Verdampfers 5 ausgestaltet. Stromabwärts des Verdampfers 5 ist ein Ge- bläse 13 zum Fördern von Wasserdampf aus dem Verdampfer 5 in Richtung des Re- formers 4 angeordnet. Das Gebläse 13 ist in einer Wasserdampfleitung zwischen dem Verdampfer 5 und dem Reformer 4 angeordnet.

Zum Zuführen des Wasserstoffs von der Wasserstoffquelle 9 zum Verdampfer 5 ist zwischen der Wasserstoffquelle 9 und dem Verdampfer 5 eine Wasserstoffleitung ausgestaltet, die durch ein Ventil in der Wasserstoffleitung sperrbar ist. Zum Zufüh- ren der Luft von der Sauerstoffquelle 10 zum Verdampfer 5 ist zwischen der Sauer- stoffquelle 10 und dem Verdampfer 5 eine Sauerstoff- bzw. Luftleitung ausgestaltet, die durch ein Ventil in der Sauerstoffleitung sperrbar ist.

Der in Fig. 1 dargestellte Energiewandler 100a weist ferner eine Kondensiereinheit 14 zum Kondensieren von Wasserdampf aus dem Wärmetauscher 6 auf. Die Kon- densiereinheit 14 ist entsprechend stromabwärts des Wärmetauschers 6 angeordnet. Stromabwärts der Kondensiereinheit 14 kann Wasserkondensat über einen Wasser- auslass 23 in die Umgebung des Energiewandlers 100a ausgelassen werden. Aus dem Wärmetauscher 6 abgegebenes Abgas wie Kohlenmonoxid und/oder Wasser- stoff können die Kondensiereinheit 14 passieren und über einen Auslass 21 in die Umgebung des Energiewandlers 100a ausgelassen werden. Stromabwärts der Kon- densiereinheit 14 und stromaufwärts des Auslasses 21 ist eine Analyseeinheit 22 zur Analyse des Abgases, insbesondere Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid, inte- griert.

Stromaufwärts des Gebläses 13 ist eine Sauerstoffquelle 15 zum Zuführen von Sau- erstoff oder eines sauerstoffhaltigen Fluids zum Reformer 4 angeordnet. Stromauf- wärts des Gebläses 13 ist ferner eine Methanquelle 16 zum Zuführen von Methan oder eines methanhaltigen Fluids zum Reformer 4 angeordnet. Außerdem ist ström- aufwärts des Gebläses 13 eine Kohlendioxidquelle 17 zum Zuführen von Kohlendi- oxid oder eines kohlendioxidhaltigen Fluids zum Reformer 4 angeordnet. Die Was- serstoffquelle 9, die Sauerstoffquelle 15, die Methanquelle 16 und die Kohlendioxid- quelle 17 sind für eine mögliche, parallele Fluidzufuhr in Richtung des Reformers 4 entsprechend parallel zueinander angeordnet. Aus der Wasserstoffquelle 9 kann dem Reformer 4 Wasserstoff sowohl direkt über eine erste Wasserstoffleitung aus der Wasserstoffquelle 9, als auch indirekt über eine zweite Wasserstoffleitung aus der Wasserstoffquelle, die durch den Verdampfer 5 läuft, zugeführt werden.

Zur Prozessgasspeisung des zweiten Elektrodenabschnitts 3 weist der Energiewand- ler 100a für einen SOFC-Betrieb des Energiewandlers 100a eine Sauerstoffquelle 24 auf, durch welche über ein Gebläse 29 Sauerstoff in Form von Umgebungsluft zum zweiten Elektrodenabschnitt 3 geführt werden kann. Stromabwärts des Gebläses 29 ist ein Wärmetauscher 26 mit einer kalten Seite zum Temperieren der Luft angeord- net.

Stromabwärts des zweiten Elektrodenabschnitts 3 ist ein Nachbrenner 25 zum Ver- brennen von Abgas aus dem ersten Elektrodenabschnitt 2 sowie dem zweiten Elekt- rodenabschnitt 3 angeordnet. Stromabwärts des Nachbrenners 25 ist der Wärmetau- scher 26 bzw. die heiße Seite des Wärmetauschers 26 für eine Temperierung der Luft aus der Sauerstoffquelle 24 durch verbranntes Abgas aus dem Nachbrenner 25 angeordnet. Verbranntes Abgas aus dem Nachbrenner 25 kann über den Wärme- tauscher 26 und einen Auslass 18 stromabwärts des Wärmetauschers 26 in die Um- gebung des Energiewandlers 100a ausgelassen werden. Stromabwärts des Geblä- ses 29 und stromaufwärts des Nachbrenners 25 ist parallel zum Wärmetauscher 26 ein Heizmittel 31 zum Aufheizen von Luft, die dem Nachbrenner 25 zum Aufheizen desselben zugeführt werden kann, angeordnet.

Stromaufwärts des Nachbrenners 25 sind ferner eine Methanquelle 19 sowie eine Wasserstoffquelle 20 bereitgestellt, durch welche dem Abgasbrenner 25 parallel zum Abgas aus dem Elektrodenverbund 1 entsprechendes Brenngas zugeführt werden kann. Dies kann für ein schnelles Aufheizen des Abgasbrenners 25 genutzt werden.

In Fig. 2 ist ein reversibel betreibbarer Energiewandler 100b gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Die zweite Ausführungsform entspricht im Wesentli- chen der ersten Ausführungsform, weshalb auf eine erneute Beschreibung der glei- chen Bauteile verzichtet wird. Der Energiewandler 100b gemäß Fig. 2 zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass stromabwärts des Reformers 4 ein Rezirkulations- abschnitt 11 mit einer Rezirkulationsleitung zum Zuführen eines wasserstoffhaltigen Reformats vom Reformer 4 in den Fluidleitabschnitt des Verdampfers 5 ausgestaltet ist. Dadurch kann auf einfache Weise wasserstoffhaltiges Reformat, das beispiels- weise aus Erdgas gewonnen wird, aus dem Reformer 4 direkt in den für die katalyti- sche Verbrennung beschichteten Fluidleitabschnitt des Verdampfers gefördert wer- den. Im Rezirkulationsabschnitt 11 bzw. im entsprechenden Leitungsabschnitt ist ein Ventil zum Sperren der Rezirkulationsleitung angeordnet. Zudem könnte der Rezirku- lationsabschnitt 11 ein Gebläse zum Fördern des Reformats vom Reformer 4 in Rich- tung des Verdampfers 5 aufweisen.

In Fig. 3 ist ein reversibel betreibbarer Energiewandler 100c gemäß einer dritten Aus- führungsform dargestellt. Der in Fig. 3 dargestellte Energiewandler 100c soll eben- falls nur bezüglich Merkmalen erläutert werden, welche nicht bereits ausführlich zu den Energiewandlern gemäß der ersten und/oder zweiten Ausführungsform be- schrieben wurden.

Gemäß der dritten Ausführungsform ist ein zweistufiger Verdampfer 5 mit integrier- tem Wärmetauscher 6 bzw. integrierter Wärmetauscher-Funktion für einen Wärme- tausch zwischen Abgas aus dem Elektrodenverbund 1 und dem Verdampfer 5, stromaufwärts des Reformers 4 bereitgestellt. Auch dieser Verdampfer 5 weist einen Fluidleitabschnitt mit einem Katalysator für eine katalytische Verbrennung von Was- serstoff im Verdampfer 5 auf. Gemäß der dargestellten bevorzugten Ausführungs- form sind beide Kammern des zweistufigen Verdampfers 5 sowohl auf der heißen als auch auf der kalten Seite des integrierten Wärmetauschers 6 katalytisch beschichtet. Gleichwohl kann es auch ausreichend sein, nur die in Strömungsrichtung zuerst durchströmte Kammer des Verdampfers 5 und/oder nur die kalte Seite des Wärme- tauschers 6 katalytisch zu beschichten. In diesem Fall hätte die zweite Kammer des Verdampfers 5 insbesondere die Funktion eines Überhitzers, da über die heiße Seite während eines entsprechenden Betriebs noch Wärme übertragen wird. Gemäß Fig. 3 kann Abgas aus dem Nachbrenner 25 über den Reformer 4 bzw. einen dort integrier- ten Wärmetauscher sowie den stromabwärts zum Reformer 4 angeordneten Wärme- tauscher 6 über den Auslass 18 in die Umgebung des Energiewandlers 100c ausge- lassen werden. Der Energiewandler 100c gemäß Fig. 3 weist ferner einen Wassertank 27 auf, der stromabwärts einer Wasserquelle 8 als Puffer- sowie Rezirkulationsspeicher bereit- gestellt ist. Genauer gesagt ist die Kondensiereinheit 14 gemäß Fig. 3 stromabwärts des Wärmetauschers 6 sowie stromaufwärts des Wassertanks 27 angeordnet, so- dass das kondensierte Wasser nicht einfach in die Umgebung des Energiewandlers abgegeben wird. Wasserstoff und Kohlenmonoxid kann über eine Abzweigungslei- tung von der Kondensiereinheit 14 durch eine Analyseeinheit 22 und ein Gebläse 30 zur Wasserstoffquelle 9 rückgeführt werden. Neben Wasserstoff aus der Wasser- stoffquelle 9 kann gemäß der dargestellten Ausführungsform noch Kohlendioxid aus einer Kohlendioxidquelle 17 sowie Methan von einer Methanquelle 19 zum gestuften Verdampfer 5 geleitet werden. Stromaufwärts des Verdampfers 5 ist eine Sauerstoff- quelle 10 bereitgestellt, von welcher Sauerstoff in Form von Luft über ein Gebläse 28 zum Verdampfer geführt werden kann.

Die in Fig. 1 , Fig. 2 und Fig. 3 dargestellten Energiewandler 100a, 100b, 100c sind für die stationäre Anwendung in einem Kraftwerk ausgelegt.

Mit Bezug auf Fig. 1 wird anschließend ein Verfahren zum Betreiben des dargestell- ten Energiewandlers 100a gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben. Zu nächst werden von der Wasserstoffquelle 9 Wasserstoff und von der Sauerstoffquel- le 10 Luft in den Verdampfer 5, genauer gesagt in den Fluidleitabschnitt des Ver- dampfers 5, geführt, um eine katalytische Verbrennung von Wasserstoff mit Sauer- stoff im Verdampfer 5 herbeizuführen. Sobald der Verdampfer 5 die Solltemperatur von über 100°C erreicht hat, wird die Zufuhr des wasserstoffhaltigen Gases und der Luft in den Verdampfer 5 beendet. Anschließend wird Wasser von der Wasserquelle 8 in den auf die Solltemperatur temperierten Verdampfer 5 zum Verdampfen des Wassers im Verdampfer 5 zugeführt und somit der eigentliche, Brennstoff erzeugen- de SOEC-Betrieb eingeleitet.

Mit Bezug auf Fig. 2 wird anschließend ein Verfahren zum Betreiben des dargestell- ten Energiewandlers 100a gemäß der zweiten Ausführungsform beschrieben. Zu- nächst wird Methan durch das Gebläse 13 von der Methanquelle 16 zum Reformer 4 gefördert. Das im Reformer 4 erzeugte wasserstoffhaltige Reformat wird anschlie- ßend über den Rezirkulationsabschnitt 11 in den Fluidleitabschnitt des Verdampfers 5 geführt, um eine katalytische Verbrennung im Verdampfer 5 herbeizuführen. So- bald der Verdampfer 5 eine Solltemperatur von über 100°C erreicht hat, wird die Zu- fuhr des wasserstoffhaltigen Gases und der Luft in den Verdampfer 5 beendet. Wie bereits mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben, wird nun Wasser von der Wasserquelle 8 in den auf die Solltemperatur temperierten Verdampfer 5 zum Verdampfen des Was- sers im Verdampfer 5 zugeführt. Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestal- tungsgrundsätze zu. D.h., die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden. So könnten auch der Energiewandler 100a gemäß der ersten Ausführungsform sowie der Energie- wandler 100c gemäß der dritten Ausführungsform mit dem in Fig. 2 dargestellten Re- Zirkulationsabschnitt 11 ausgestaltet sein. Ebenso ist es möglich, dass der in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellte Vorheizer 7 auch an dem in Fig. 3 dargestellten Verdampfer 5 zum Erbringen der gewünschten Vorheizung angeordnet ist.

Bezugszeichenliste

1 Elektrodenverbund

2 erster Elektrodenabschnitt

3 zweiter Elektrodenabschnitt

4 Reformer

5 Verdampfer

6 Wärmetauscher

7 Heizmittel

8 Wasserquelle

9 Wasserstoffquelle

10 Sauerstoffquelle

11 Rezirkulationsabschnitt

12 Pumpe

13 Gebläse

14 Kondensiereinheit

15 Sauerstoffquelle

16 Methanquelle

17 Kohlendioxidquelle

18 Auslass

19 Methanquelle

20 Wasserstoffquelle

21 Auslass

22 Analyseeinheit

23 Wasserauslass

24 Sauerstoffquelle

25 Nachbrenner

26 Wärmetauscher

27 Wassertank

28 Gebläse

29 Gebläse

30 Gebläse

31 Heizmittel

100a, 100b, 100c Energiewandler