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Patent Searching and Data


Title:
SOEC SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING A SOEC SYSTEM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/000003
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention relates to an SOEC system (1) having a fuel cell stack (2) which has a gas side (3) and an air side (4), and an ejector (5) for supplying a process fluid to a gas inlet (6) on the gas side (3), wherein the ejector (5) has a primary intake (7), for introducing an aqueous primary process fluid through a primary line (8) of the SOEC system (1) into a primary section (9) of the ejector (5), and a secondary intake (10), for introducing returned secondary process fluid through a recirculation line (11) of the SOEC system (1) from a gas outlet (12) on the gas side (3) into a secondary section (13) of the ejector (5), wherein the SOEC system (1) further has a control gas supply section (14) for supplying control gas to the primary section (9) and to the secondary section (13) for controlling a pressure and/or a mass flow in the primary section (9) and in the secondary section (13), and wherein the control gas supply section (14) has a valve arrangement (19, 20) for controlling the pressure and/or the mass flow in the primary section (9) and in the secondary section (13). The invention further relates to a method for operating a SOEC system (1) according to the invention.

Inventors:
REICHHOLF, David (AT)
BUCHGRABER, Rene (AT)
KOBERG, Franz (AT)
Application Number:
AT2020/060260
Publication Date:
January 07, 2021
Filing Date:
July 02, 2020
Export Citation:
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Assignee:
AVL LIST GMBH (AT)
International Classes:
C25B1/08; C25B9/00; C25B15/02; C25B15/08; H01M8/04089; F04F5/16; F04F5/48; G05D11/13; B01F3/02
Attorney, Agent or Firm:
WIETZKE, Andreas (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. SOEC-System (1 ), aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (2) mit einer

Gasseite (3) und einer Luftseite (4), und einen Ejektor (5) zum Zuführen eines Prozessfluids zu einem Gaseinlass (6) an der Gasseite (3), wobei der Ejektor (5) einen Primäreingang (7), zum Einleiten eines wasserhaltigen Primär- Prozessfluids durch eine Primärleitung (8) des SOEC-Systems (1 ) in einen Pri märabschnitt (9) des Ejektors (5), und einen Sekundäreingang (10), zum Einlei ten von rückgeführtem Sekundär-Prozessfluid durch eine Rezirkulationsleitung (11 ) des SOEC-Systems (1 ) von einem Gasauslass (12) an der Gasseite (3) in einen Sekundärabschnitt (13) des Ejektors (5), aufweist,

gekennzeichnet durch

einen Kontrollgaszuführabschnitt (14) zum Zuführen von Kontrollgas in den Primärabschnitt (9) und in den Sekundärabschnitt (13) zur Kontrolle eines Drucks und/oder eines Massenstroms im Primärabschnitt (9) und im Sekundär abschnitt (13), wobei der Kontrollgaszuführabschnitt (14) zur Kontrolle des Drucks und/oder des Massenstroms im Primärabschnitt (9) und im Sekundär abschnitt (13) eine Ventilanordnung (19, 20) aufweist.

2. SOEC-System (1 ) nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Kontrollgaszuführabschnitt (14) eine Primär-Kontrollgasleitung (17) zum Lei ten des Kontrollgases in den Primäreingang (7) und/oder in die Primärleitung (8) aufweist.

3. SOEC-System (1 ) nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

stromaufwärts des Ejektors (5) eine kalte Seite eines Wärmetauschers (18) an geordnet ist, durch welche sich die Primärleitung (8) erstreckt, wobei die Pri mär-Kontrollgasleitung (17) stromaufwärts der kalten Seite in die Primärleitung (8) führt.

4. SOEC-System (1 ) nach einem der voranstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Kontrollgaszuführabschnitt (14) eine Sekundär-Kontrollgasleitung (21 ) zum Leiten des Kontrollgases in den Sekundäreingang (10) aufweist.

5. SOEC-System (1 ) nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Sekundär-Kontrollgasleitung (21 ) zumindest abschnittsweise getrennt von der Rezirkulationsleitung (11 ) ausgestaltet ist.

6. SOEC-System (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 3 und nach einem der An sprüche 4 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Primär-Kontrollgasleitung (17) und die Sekundär-Kontrollgasleitung (21 ) zumindest abschnittsweise getrennt voneinander ausgestaltet sind.

7. SOEC-System (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 3 und nach einem der An sprüche 4 bis 6,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Ventilanordnung ein Primärventil (19) in der Primär-Kontrollgasleitung (17) und ein Sekundärventil (20) in der Sekundär-Kontrollgasleitung (21 ) aufweist.

8. SOEC-System (1 ) nach einem der voranstehenden Ansprüche,

gekennzeichnet durch

eine Kontrollgasquelle (22) zum Bereitstellen des Kontrollgases in Form von Kohlendioxid.

9. Verfahren zum Betreiben eines SOEC-Systems (1 ), insbesondere eines SOEC- Systems (1 ) nach einem der voranstehenden Ansprüche, aufweisend die Schrit te:

Erkennen eines aktuellen Betriebszustandes des SOEC-Systems (1 ) durch eine Betriebszustandserkennungsvorrichtung (15), und

Einstellen der Kontrollgaszufuhr in den Primärabschnitt (9) und/oder in den Sekundärabschnitt (13) abhängig vom erkannten Betriebszustand des SOEC-Systems (1 ) durch einen Controller (16).

10. Verfahren nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet, dass

bei Erkennen eines Teillastbetriebs des SOEC-Systems (1 ) ein Kontrollgas- massenstrom zum Primärabschnitt (9) erhöht wird und/oder ein Kontrollgas- massenstrom zum Sekundärabschnitt (13) reduziert wird.

Description:
SOEC-System und Verfahren zum Betreiben eines SOEC-Systems

Die vorliegende Erfindung betrifft ein SOEC-System, aufweisend einen Brennstoffzel lenstapel mit einer Gasseite und einer Luftseite, und einen Ejektor zum Zuführen ei nes Prozessfluids zu einem Gaseinlass an der Gasseite, wobei der Ejektor einen Primäreingang, zum Einleiten eines wasserhaltigen Primär-Prozessfluids durch eine Primärleitung des SOEC-Systems in einen Primärabschnitt des Ejektors, und einen Sekundäreingang, zum Einleiten von rückgeführtem Sekundär-Prozessfluid durch eine Rezirkulationsleitung des SOEC-Systems von einem Gasauslass an der

Gasseite in einen Sekundärabschnitt des Ejektors, aufweist. Zudem betrifft die Erfin dung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen SOEC-Systems.

SOEC-Systeme, deren Kernkomponente ein Brennstoffzellenstapel ist, müssen für sinnvolle Funktions- und/oder Betriebsweisen und gewünschte Lebensdauern in speziellen Betriebszuständen betrieben werden. Hierzu gehört insbesondere eine vordefinierte Zuleitung von Prozessgasen zum Brennstoffzellenstapel, also einem wasser- und/oder wasserdampfhaltigen Fluid zur Gasseite und Luft zur Luftseite.

Beim Betrieb eines SOEC-Systems unterscheidet man, wie bei konventionellen Brennstoffzellensystemen, zwischen Kathoden- und Anodengasführung, oder anders ausgedrückt, zwischen Brennstoff- und Luftseite, wobei im Elektrolysebetrieb die Ka thode der Brennstoffseite und die Anode der Luftseite entspricht. Bei der Hochtempe raturelektrolyse mit SOEC-Stacks erfolgt eine Gasführung auf der Brennstoffseite insbesondere mit Wasserdampf und Kohlendioxid. Auf der Luftseite wird in der Regel Luft zur Spülung des Anodengasraumes verwendet. Die Luft verlässt den Brennstoff zellenstapel während des Betriebs sauerstoffangereichert. Um eine Degradation der Zellen auf der Brennstoffseite, insbesondere eine Oxidation des Nickelkatalysators, möglichst zu unterbinden, muss auf der Brennstoffseite eine reduzierende Atmo sphäre herrschen, welche zusätzlich in der Gaszuführung durch reduzierend wirken de Spezies wie Wasserstoff und Kohlenmonoxid sichergestellt werden soll.

In alleinstehenden Systemen ohne Prüfstandsinfrastruktur oder separatem Speicher behälter mit reduzierend wirkenden Spezies, muss der Anteil der reduzierenden At mosphäre direkt aus dem System selbst bereitgestellt werden. Dies stellt generell ei ne wesentliche Herausforderung bei der Entwicklung von SOEC-Systemen dar und kann durch eine interne Rezirkulation von heißen Abgasen aus dem Brennstoffzel lenstapel auf der Brennstoffseite realisiert werden.

Eine Rezirkulation erfordert eine geeignete Verschaltung und ein Gerät, welches das Druckniveau des Abgasteiles, der rezirkuliert werden soll, anhebt. Dies wird bei mo dernen SOEC-Systemen durch einen Ejektor bewerkstelligt. Ein solches Bauteil ist eine statische Komponente, die auf die gewünschten Betriebspunkte des Systems im speziellen ausgelegt sein muss und ohne bewegliche Teile auskommt. Im Ejektor wird ein Sekundärstrom, welcher grundsätzlich dem rezirkulierten Produktgas von der Gasseite des Brennstoffzellenstapels entspricht, einem Primärstrom beigemischt. Der Primärstrom umfasst Medien, die dem Brennstoffzellenstapel seiner Funktionali tät entsprechend zugeführt werden müssen, also beispielsweise Wasserdampf für die Elektrolyse.

Der Funktionsweise eines Ejektors entsprechend, muss der Primärstrom ein spezi fisch erhöhtes Druckniveau aufweisen, wodurch der Primärstrom in der Ejektordüse eine hohe Geschwindigkeit erreicht und der ausströmende Strahl in einer Misch kammer des Ejektors einen Unterdrück erzeugt. Der Unterdrück führt dazu, dass der Sekundärstrom durch eine Sogwirkung mitgezogen und dem Primärstrom beige mengt wird. Durch die fixe Geometrie des Ejektors hängen die Sogwirkung, d. h., die Rezirkulationswirkung, sowie die gesamte Druckerhöhung vom jeweiligen Betriebs zustand des SOEC-Systems ab. Da der Primärstrom mit dem Betriebszustand am Brennstoffzellenstapel direkt zusammenhängt bedeutet dies, dass in einem Betriebs zustand mit maximaler Elektrolysetätigkeit ein maximaler Primärmassenstrom vor liegt. Darüber hinaus liegt damit bei einer fixen Düsengeometrie des Ejektors auch die schnellste Strahlgeschwindigkeit vor, was grundsätzlich zur größten Rezirkulati- onsrate und Druckerhöhung an einem Ejektorausgang führt. Bei Teillastbetriebszu ständen und damit kleineren Primärmassenströmen sinken die Strahlgeschwindig keit, die Rezirkulationsrate sowie die mögliche Druckerhöhung. Um überhaupt eine notwendige Druckerhöhung bei einer bestimmten Rezirkulationsrate zu erreichen, muss ein Mindestprimärmassenstrom vorliegen. D. h., dass die für den Systembe trieb notwendige Rezirkulation ab einem bestimmten Mindestteillastbetrieb funktio niert und die Rezirkulationsrate bei steigenden Lastpunkten Richtung Volllast immer größer wird. Ein Problem bei der Verwendung von Ejektoren stellt die begrenzte Regelbarkeit dar. Die Bauteile eines Ejektors weisen grundsätzlich eine fixe Geometrie auf, womit die Charakteristiken für den Betrieb im SOEC-System festgelegt sind. Grundsätzlich werden Ejektoren auf den Hauptbetriebspunkt ausgelegt und möglichst in diesem Betriebspunkt betrieben. Bezogen auf den Teillastbereich wünscht man sich einen möglichst großen Spielraum, in dem ein sicherer Betrieb ermöglicht werden kann.

In der internationalen Patentanmeldung WO 2015/040270 A1 wird ein reversibel be treibbares SOFC/SOEC-System beschrieben, bei welchem stromaufwärts eines Re formers ein gattungsgemäßer Ejektor angeordnet ist. Außerdem werden Mittel zum Zuführen eines zusätzlichen Fluides in den Primärstrom, um eine Fluidzusammen setzung und/oder einen Druck im Ejektor zu regeln, beschrieben. Dies verbessert zwar die Regelbarkeit am Ejektor, genügt jedoch noch nicht den gewünschten Anfor derungen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen Prob lematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, ein SOEC-System sowie ein Verfahren zum Betreiben eines SOEC- Systems zu schaffen, welche zur Verbesserung der Regelbarkeit eines Ejektors im SOEC-System beitragen.

Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch das SOEC-System gemäß Anspruch 1 sowie das Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gel ten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem SOEC-System beschrie ben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzel nen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird oder werden kann.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein SOEC-System vor geschlagen. Das SOEC-System weist einen Brennstoffzellenstapel mit einer Gassei te und einer Luftseite, und einen Ejektor zum Zuführen eines Prozessfluids zu einem Gaseinlass an der Gasseite, auf. Der Ejektor weist einen Primäreingang, zum Einlei ten eines wasserhaltigen Primär-Prozessfluids durch eine Primärleitung des SOEC- Systems in einen Primärabschnitt des Ejektors, und einen Sekundäreingang, zum Einleiten von rückgeführtem Sekundär-Prozessfluid durch eine Rezirkulationsleitung des SOEC-Systems von einem Gasauslass an der Gasseite in einen Sekundärab schnitt des Ejektors, auf. Das SOEC-System weist ferner einen Kontrollgaszuführab- schnitt zum Zuführen von Kontrollgas in den Primärabschnitt und in den Sekundär abschnitt zur Kontrolle eines Drucks und/oder eines Massenstroms im Primärab schnitt und im Sekundärabschnitt auf, wobei der Kontrollgaszuführabschnitt zur Kon trolle des Drucks und/oder des Massenstroms im Primärabschnitt und im Sekundär abschnitt eine Ventilanordnung aufweist.

Das beschriebene SOEC-System stellt eine Lösung für die Aufgabe zur verbesserten Regelbarkeit des Ejektors sowie des Sekundär-Prozessfluids in der Rezirkulationslei tung dar. Die Erfindung betrifft die Art der Einbringung des Kontrollgases, welches sowohl auf der Primärseite des Ejektors dem wasserhaltigen Primär-Prozessfluid, als auch auf der Sekundärseite des Ejektors dem Rezirkulationsstrom beigemengt wer den kann. Unter einer Beimengung auf der Primärseite kann eine Beimengung am, im und/oder stromaufwärts zum Primärabschnitt des Ejektors verstanden werden. Unter einer Beimengung auf der Sekundärseite des Ejektors kann eine Beimengung am, im und/oder stromaufwärts zum Sekundärabschnitt des Ejektors verstanden werden.

Die Beimengung in den Primärabschnitt erhöht den Massen- und Volumenstrom im Primärabschnitt. Dies führt zu einem entsprechend hohen Vordruck in einer Düse des Ejektors sowie einer größeren Strahlgeschwindigkeit in der Düse. Wie oben be schrieben, erhöhen sich damit auch die Rezirkulationsrate und die mögliche Druck erhöhung. Die Einbringung des Kontrollgases in den Sekundärabschnitt verringert hingegen den Primärmassenstrom. Wenn das Kontrollgas dem Rezirkulationsstrom beigemengt wird, verringert sich der tatsächliche Rezirkulationsstrom, oder anders ausgedrückt, der Anteil an Produktgas im Rezirkulationsstrom verringert sich.

Durch den Kontrollgaszuführabschnitt kann die Menge an Kontrollgas stufenlos zwi schen Primär- und Sekundärseite, d. h., zwischen Primärabschnitt und Sekundärab schnitt, verschoben werden. Für den Fall, dass das SOEC-System in Form eines Co- Elektrolyse-SOEC-Systems ausgestaltet ist, erhält man den größten Regelbereich, wenn die Ejektorgeometrie für den Durchfluss mit reinem Wasserdampf im maxima len Betriebspunkt ausgelegt ist, um eine gewünschte Rezirkulationsrate und Druck- erhöhung zu erreichen. In einem entsprechenden Betriebszustand kann das Kon- trollgas ausschließlich auf der Sekundärseite, d. h., in den Sekundärabschnitt, einge bracht werden. In Teillastbetriebszuständen, in welchen der Primär- Prozessfluidstrom, insbesondere in Form eines Wasserdampfmassenstroms, nicht mehr dem ausgelegten Ejektormassentrom entspricht, wird das Kontrollgas entspre chend dem Lastpunkt nicht mehr sekundärseitig, sondern primärseitig, also in den Primärabschnitt, eingebracht. Dies hat zur Folge, dass die Ejektorleistung im Teil lastbetrieb weniger stark abfällt und der Betriebsbereich maßgeblich erweitert wer den kann.

Unter dem Kontrollgas kann ein Gas zum Steuern und/oder Regeln des Drucks und/oder des Massenstroms im Primärabschnitt sowie im Sekundärabschnitt ver standen werden. Hierbei ist zu erwähnen, dass durch ein Steuern und/oder Regeln des Drucks und/oder des Massenstroms im Primärabschnitt automatisch auch der Druck und der Massenstrom im Sekundärabschnitt gesteuert und/oder geregelt wer den können. Entsprechend können durch ein Steuern und/oder Regeln des Drucks und/oder des Massenstroms im Sekundärabschnitt automatisch auch der Druck und der Massenstrom im Primärabschnitt gesteuert und/oder geregelt werden.

Der Kontrollgaszuführabschnitt kann mehrere Leitungsabschnitte sowie mehrere da rin und/oder daran angeordnete Steuer- und/oder Regelmittel aufweisen. Der Kon trollgaszuführabschnitt kann ferner Fluidfördermittel wie Pumpen und/oder Gebläse zum Fördern des Kontrollgases durch die verschiedenen Leitungsabschnitte umfas sen.

Unter dem SOEC-System ist insbesondere ein Hochtemperatur-SOEC- Elektrolysesystem zu verstehen. Ferner kann unter dem SOEC-System auch ein re versibel betreibbares SOFC/SOEC-System verstanden werden. Das SOEC-System ist bevorzugt in Form eines Co-Elektrolyse-SOEC-Systems ausgestaltet, in welchem insbesondere und/oder überwiegend Kohlendioxid als Kontrollgas verwendet wird. Das wasserhaltige Primär-Prozessfluid kann Wasser und insbesondere Wasser dampf, welcher durch einen stromaufwärts des Ejektors anordenbaren Verdampfer erzeugbar ist, aufweisen. D. h., unter dem wasserhaltigen Primär-Prozessfluid kann ein wasser- und/oder wasserdampfhaltiges Primär-Prozessfluid verstanden werden. Das rückgeführte Sekundär-Prozessfluid kann als an der Gasseite erzeugtes Pro duktgas verstanden werden. Unter dem Ejektor kann eine Strahlpumpe mit einer Treibdüse, einer Mischkammer und einem Diffusor verstanden werden. Die Treibdüse kann als Primärabschnitt oder zumindest als Teil des Primärabschnitts verstanden werden. Ein Bereich stromauf wärts der Mischkammer und stromabwärts des Sekundäreingangs kann als Sekun därabschnitt verstanden werden. Der Ejektor ist bevorzugt direkt stromaufwärts der Gasseite angeordnet, um von dort der Gasseite möglichst effektiv und effizient den Wasserdampf zuzuführen.

Das SOEC-System kann eine Betriebszustandserkennungsvorrichtung zum Erken nen eines aktuellen Betriebszustandes des SOEC-Systems aufweisen. Außerdem kann das SOEC-System einen Controller aufweisen, der mit der Betriebszustandser kennungsvorrichtung in Kommunikationsverbindung steht und zum Einstellen der Kontrollgaszufuhr in den Primärabschnitt und/oder in den Sekundärabschnitt abhän gig vom erkannten Betriebszustand des SOEC-Systems konfiguriert ist. Damit kann der Ejektor im SOEC-System im Wesentlichen automatisch und/oder automatisiert geregelt werden. Die Betriebszustandserkennungsvorrichtung kann einen oder meh rere Temperatursensoren zum Erkennen von Betriebstemperaturen im SOEC- System, einen oder mehrere Drucksensoren zum Erkennen von Betriebsdrücken im SOEC-System, einen oder mehrere Massenflusserkennungsmittel zur Erkennung von Massenflüssen im SOEC-System, und/oder einen oder mehrere Stoffsensoren zum Erkennen von Stoffzusammensetzungen in Betriebsfluiden, wie dem Primär- Prozessfluid und/oder dem Sekundär-Prozessfluid, aufweisen.

Unter einem Prozessfluid ist ein Fluid zu verstehen, welches für den Betrieb des SOEC-Systems erforderlich ist. Vorliegend weist das Primär-Prozessfluid überwie gend Wasserdampf, und ergänzend Kohlendioxid auf. Das Prozessfluid stromab wärts des Ejektors umfasst insbesondere das Primär-Prozessfluid, das Sekundär- Prozessfluid und/oder das Kontrollgas. Unter der Kontrolle des Drucks und/oder des Massenstroms ist insbesondere die Kontrolle des Drucks und/oder des Massen stroms der jeweiligen Fluide im jeweiligen Funktionsabschnitt des SOEC-Systems zu verstehen. Die Ventilanordnung kann als Mittel zum Sperren und Freigeben von Flu idleitungsabschnitten im Kontrollgaszuführabschnitt verstanden werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass der Kontrollgaszuführabschnitt eine Primär-Kontrollgasleitung zum Leiten des Kontrollgases in den Primäreingang und/oder in die Primärleitung aufweist. Durch die Primär-Kontrollgasleitung lässt sich das Kontrollgas einfach und direkt an die ge wünschte Position im Primärabschnitt des Ejektors führen. In die Primärleitung lässt sich das Kontrollgas stromaufwärts des Ejektors, bei Bedarf stromaufwärts weiterer Funktionsbauteile des SOEC-Systems, führen. So ist es beispielsweise möglich, dass bei einem erfindungsgemäßen SOEC-System stromaufwärts des Ejektors eine kalte Seite eines Wärmetauschers angeordnet ist, durch welche sich die Primärlei tung erstreckt, wobei die Primär-Kontrollgasleitung stromaufwärts der kalten Seite in die Primärleitung führt. Damit kann das Kontrollgas vor dem Zuführen zum Ejektor aufgeheizt werden und zu einem verbesserten Wirkungsgrad im SOEC-System füh ren. Von der Rezirkulationsleitung führt vorzugsweise eine Abzweigleitung durch die heiße Seite des Wärmetauschers Damit kann heißes Produktgas zum Aufheizen des Kontrollgases genutzt werden. Die Effizienz des Gesamtsystems kann dadurch wei ter verbessert werden.

Alternativ oder zusätzlich zu der Primär-Kontrollgasleitung kann der Kontrollgaszu- führabschnitt in einem erfindungsgemäßen SOEC-System auch eine Sekundär- Kontrollgasleitung zum Leiten des Kontrollgases in den Sekundäreingang aufweisen. Durch die Sekundär-Kontrollgasleitung lässt sich das Kontrollgas einfach und direkt an die gewünschte Position im Sekundärabschnitt des Ejektors führen.

Von weiterem Vorteil ist es, wenn die Sekundär-Kontrollgasleitung bei einem erfin dungsgemäßen SOEC-System zumindest abschnittsweise getrennt von der Rezirku lationsleitung ausgestaltet ist. D. h., die Sekundär-Kontrollgasleitung ist als dezidierte Kontrollgasleitung separat zur Rezirkulationsleitung ausgestaltet. Dadurch kann dem Ejektor unabhängig vom Rezirkulationsstrom Kontrollgas zugeführt werden. Die Re gelbarkeit des Ejektors lässt sich damit entsprechend verbessern.

Darüber hinaus ist es bei einem SOEC-System gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, dass die Primär-Kontrollgasleitung und die Sekundär-Kontrollgasleitung zumindest abschnittsweise getrennt voneinander ausgestaltet sind. D. h., die Primär- Kontrollgasleitung und die Sekundär-Kontrollgasleitung sind als dezidierte Kontroll- gasleitungen ausgestaltet. Schaltungstechnisch vorteilhaft, da relativ einfach reali sierbar, ist es, wenn sich die Primär-Kontrollgasleitung und die Sekundär- Kontrollgasleitung zumindest abschnittsweise parallel zueinander erstrecken. Bei ei ner vorteilhaften Schaltungsanordnung kann sich die Primär-Kontrollgasleitung von einer Haupt-Kontrollgasleitung, die sich von einer Kontrollgasquelle erstreckt, zum Primäreingang und/oder in die Primärleitung erstrecken. Die Sekundär- Kontrollgasleitung kann sich, von der Haupt-Kontrollgasleitung und getrennt von der Primär-Kontrollgasleitung zum Sekundäreingang erstrecken. Die Haupt- Kontrollgasleitung kann sich demnach in einem Gabelabschnitt in die Primär- Kontrollgasleitung und die Sekundär-Kontrollgasleitung verzweigen.

Für eine einfache und zuverlässige Steuerung und/oder Regelung des Kontrollgases zum Ejektor ist es bei einem erfindungsgemäßen SOEC-System möglich, dass die Ventilanordnung ein Primärventil in der Primär-Kontrollgasleitung und ein Sekundär ventil in der Sekundär-Kontrollgasleitung aufweist. Durch die Ventile können die Pri mär-Kontrollgasleitung und die Sekundär-Kontrollgasleitung zum Erreichen der ge wünschten Regelbarkeit des Ejektors, d. h., zur gewünschten Einbringung des Kon trollgases in den Primärabschnitt und/oder in den Sekundärabschnitt, gesperrt oder freigegeben werden. Die Ventile können demnach jeweils als Durchflussregler zum Regeln eines Kontrollgasdurchflusses verstanden werden.

Es ist auch möglich, dass die Steuerung und/oder Regelung durch eine reine Was serelektrolyse erfolgt. Hierfür ist eine zweite Wasserleitung mit beispielsweise einer weiteren Pumpe für eine Druckerhöhung vorgesehen. Nach einer erfolgten Verdamp fung des Wassers wird dieses in den Feedstrom als Primär-Prozessfluid oder Se- kundär-Prozessfluid zugeführt, sodass das verdampfte Wasser als Kontrollgas ver wendet wird. Dadurch ist eine einfache Regelung möglich. Es wird also Wasser dampf als Kontrollgas verwendet.

Außerdem ist es möglich, dass ein erfindungsgemäßes SOEC-System eine Kontroll- gasquelle zum Bereitstellen des Kontrollgases in Form von Kohlendioxid aufweist.

Die Kontrollgasquelle kann einen Kohlendioxidspeicher, beispielsweise in Form eines Kohlendioxidtanks, und/oder eine dezentrale Bezugsquelle für Kohlendioxid, bei spielsweise in Form von rezirkuliertem Kohlendioxid aus anderen Prozessen wäh rend des Betriebs des SOEC-Systems, aufweisen. Die Verwendung von Kohlendi oxid als Kontrollgas hat sich insbesondere in einem Co-Elektrolyse-SOEC-System als vorteilhaft herausgestellt. Hier wird das Kohlendioxid nämlich ohnehin am Brenn stoffzellenstapel benötigt. Durch die Verwendung von Kohlendioxid als Kontrollgas kann sowohl der für den Co-Elektrolyse-Betrieb erforderlichen Einbringung des Koh lendioxids in den Feedstrom als Primär-Prozessfluid des Systems, als auch der ge wünschten, verbesserten Regelbarkeit des Ejektors und der Fluidführung in der Re- Zirkulationsleitung Rechnung getragen werden. Kohlendioxid hat im Vergleich zu Wasserdampf bei einem gleichen thermodynamischen Zustand ein größeres tatsäch liches Volumen. Die Erfindung betrifft hierbei die Art der Einbringung des Kohlendio xids, welches sowohl auf der Primärseite des Ejektors dem Wasserdampf als auch auf der Sekundärseite des Ejektors dem Rezirkulationsstrom beigemengt werden kann.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines, wie vorstehend im Detail beschriebenen, SOEC-Systems zur Verfü gung gestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

Erkennen eines aktuellen Betriebszustandes des SOEC-Systems durch eine Betriebszustandserkennungsvorrichtung, und

Einstellen der Kontrollgaszufuhr in den Primärabschnitt und/oder in den Sekun därabschnitt abhängig vom erkannten Betriebszustand des SOEC-Systems durch einen Controller.

Damit bringt ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße SOEC-System beschrieben wor den sind. Wie vorstehend bereits mit Bezug zum SOEC-System beschrieben, wird als Kontrollgas vorzugsweise Kohlendioxid oder ein kohlendioxidreiches Gas ver wendet. Der Betriebszustand kann anhand wenigstens einer erkannten Temperatur, wenigstens eines erkannten Drucks, wenigstens einer erkannten Stoffzusammenset zung und/oder wenigstens eines erkannten und/oder ermittelten Massenstroms im SOEC-System erkannt oder ermittelt werden.

Bei einer erfindungsgemäßen Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung ist es ferner möglich, dass bei Erkennen eines Teillastbetriebs des SOEC-Systems ein Kontrollgasmassenstrom zum Primärabschnitt erhöht wird und/oder ein Kontrollgas- massenstrom zum Sekundärabschnitt reduziert wird. D.h., abhängig von einem er kannten Betriebszustand des SOEC-Systems, vorliegend bei Erkennen eines Teil lastbetriebs, werden die Eingangsgaszusammensetzungen am Ejektor, mit anderen Worten, die Feedströme oder die Primär- und Sekundär-Prozessfluide, festgelegt. Durch Verschieben des Kontrollgases, insbesondere in Form von Kohlendioxid, von der Sekundärseite auf die Primärseite kann die Ejektorleistung in der Teillast auf ein fache Weise verbessert werden. 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 Blockschaltbild eines SOEC-Systems gemäß einer bevorzugten Aus führungsform der vorliegenden Erfindung,

Figur 2 eine Detailansicht eines Ejektors in einem erfindungsgemäßen SOEC- System, und

Figur 3 ein Flussdiagramm zum Erläutern eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 ist ein SOEC-System 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in Form eines Co-Elektrolyse-SOEC-Systems dargestellt. Das dargestellte SOEC-System 1 weist einen Brennstoffzellenstapel 2 mit einer Gasseite 3 und einer Luftseite 4 auf. Zwischen der Gasseite 3 und der Luftseite 4 ist eine Elektrolytmembran 24 angeord net. Außerdem weist das SOEC-System 1 einen Ejektor 5 zum Zuführen eines Pro zessfluids zu einem Gaseinlass 6 an der Gasseite 3 auf. Der Ejektor 5 umfasst einen Primäreingang 7 zum Einleiten eines wasserhaltigen Primär-Prozessfluids durch eine Primärleitung 8 des SOEC-Systems 1 in einen Primärabschnitt 9 des Ejektors 5 und einen Sekundäreingang 10 zum Einleiten von rückgeführtem Sekundär-Prozessfluid durch eine Rezirkulationsleitung 11 des SOEC-Systems 1 von einem Gasauslass 12 an der Gasseite 3 in einen Sekundärabschnitt 13 des Ejektors 5.

Darüber hinaus weist das SOEC-System 1 einen Kontrollgaszuführabschnitt 14 zum Zuführen von Kontrollgas in den Primärabschnitt 9 und in den Sekundärabschnitt 13 zur Kontrolle eines Drucks und/oder eines Massenstroms im Primärabschnitt 9 und im Sekundärabschnitt 13 auf, wobei der Kontrollgaszuführabschnitt 14 zur Kontrolle des Drucks und/oder des Massenstroms im Primärabschnitt 9 und im Sekundärab schnitt 13 eine Ventilanordnung 19, 20 aufweist.

Genauer gesagt weist der Kontrollgaszuführabschnitt 14 eine Primär- Kontrollgasleitung 17 zum Leiten des Kontrollgases in die Primärleitung 8 auf. Alter- nativ oder zusätzlich könnte das Kontrollgas auch direkt in den Primärabschnitt 9 ge leitet werden. Stromaufwärts des Ejektors 5 ist eine kalte Seite eines Wärmetau schers 18 angeordnet, durch welche sich die Primärleitung 8 erstreckt, wobei die Primär-Kontrollgasleitung 17 stromaufwärts der kalten Seite in die Primärleitung 8 führt. Durch die heiße Seite des Wärmetauschers 18 wird heißes Produktgas, d. h., das rezirkulierte Sekundär-Prozessfluid von der Gasseite 3 des Brennstoffzellensta pels 2 zum Aufheizen des Kontrollgases geführt.

Stromaufwärts der kalten Seite des Wärmetauschers 18 ist ein Verdampfer 25 zum Verdampfen von Wasser angeordnet. Stromaufwärts des Verdampfers 25 ist eine Pumpe 26 zum Fördern von Wasser zum Verdampfer 25 angeordnet.

Der Kontrollgaszuführabschnitt 14 weist ferner eine Sekundär-Kontrollgasleitung 21 zum Leiten des Kontrollgases in den Sekundäreingang 10 auf. Die Sekundär- Kontrollgasleitung 21 ist getrennt von der Rezirkulationsleitung 11 ausgestaltet. Au ßerdem sind die Primär-Kontrollgasleitung 17 und die Sekundär-Kontrollgasleitung 21 getrennt voneinander ausgestaltet.

Das dargestellte SOEC-System 1 weist zudem eine Kontrollgasquelle 22 zum Bereit stellen des Kontrollgases in Form von Kohlendioxid auf. Von der Kontrollgasquelle 22 erstreckt sich eine Haupt-Kontrollgasleitung 23, welche sich in einem Gabelabschnitt in die Primär-Kontrollgasleitung 17 und die Sekundär-Kontrollgasleitung 21 ver zweigt. Die Primär-Kontrollgasleitung 17 und die Sekundär-Kontrollgasleitung 21 er strecken sich anschließend bis hin zum Ejektor 5 parallel zueinander.

Die Ventilanordnung weist ein Primärventil 19 in der Primär-Kontrollgasleitung 17 und ein Sekundärventil 20 in der Sekundär-Kontrollgasleitung 21 auf, durch welche die Massenströme in der jeweiligen Kontrollgasleitung gesteuert und/oder geregelt werden können.

Am Ejektor 5 ist eine Betriebszustandserkennungsvorrichtung 15 zum Erkennen ei nes Betriebszustandes im SOEC-System 1 ausgestaltet. Die Betriebszustandser kennungsvorrichtung 15 weist eine Sensorik zur Erkennung eines aktuellen Massen stroms durch einen Diffusor 29 des Ejektors 5 anhand von Temperatur- und Druck werten im Diffusor 29 auf. Die Betriebszustandserkennungsvorrichtung 15, das Pri märventil 19 sowie das Sekundärventil 20 stehen mit einem Controller 16 zum An steuern des Primärventils 19 sowie des Sekundärventils 20 anhand eines erkannten Betriebszustandes in Signalverbindung. Gleichwohl kann der Controller 16 das Pri märventil 19 sowie das Sekundärventil 20 auch anhand direkt mitgeteilter Betriebs zustände, wie gewünscht, ansteuern. So kann dem Controller 16 beispielsweise von einem Nutzer und/oder einer digitalen Signaleinheit mitgeteilt werden, in welchem Betriebszustand, beispielsweise Teillast oder Volllast, sich das SOEC-System aktuell befindet oder zeitnah befinden soll.

In Fig. 2 ist der Ejektor 5 im Detail dargestellt. Wie gezeigt, weist der Ejektor 5 eine Düse 27, stromabwärts der Düse 27 eine Mischkammer 28 und stromabwärts der Mischkammer 28 einen Diffusor 29 auf. Im Bereich der Düse 27 sowie der Misch kammer 28 befinden sich am Ende der Primärleitung 8 der Primäreingang 7 sowie der Primärabschnitt 9. Am gezeigten Ejektor 5 liegen sowohl die Rezirkulationslei- tung 1 1 als auch die Sekundär-Kontrollgasleitung 21 an. Diese münden, wie vergrö ßert dargestellt, beide im Sekundärabschnitt 13. Alternativ wäre es jedoch auch mög lich, dass die Rezirkulationsleitung 1 1 und die Sekundär-Kontrollgasleitung 21 in ver schiedenen, getrennt voneinander angeordneten Fluideinlassabschnitten am Ejektor 5 münden, wie im vereinfachten Schaltdiagramm der Fig. 1 angedeutet.

Fig. 3 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens gemäß einer bevor zugten Ausführungsform. Flierzu wird in einem ersten Schritt S1 ein aktueller Be triebszustand des SOEC-Systems 1 durch die Betriebszustandserkennungsvorrich tung 15 erkannt. Dies kann anhand aktueller Betriebsparameter im SOEC-System 1 oder anhand von einem vorgegebenen oder gewünschten Betriebszustand gesche hen. Anschließend wird in einem zweiten Schritt S2 die Kontrollgaszufuhr in den Pri märabschnitt 9 und/oder in den Sekundärabschnitt 13 abhängig vom erkannten Be triebszustand des SOEC-Systems 1 durch den Controller 16 eingestellt. Bei Erken nen eines Teillastbetriebs des SOEC-Systems 1 werden ein Kontrollgasmassen- strom zum Primärabschnitt 9 erhöht und/oder ein Kontrollgasmassenstrom zum Se kundärabschnitt 13 reduziert.

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. Bezugszeichenliste

1 SOEC-System

2 Brennstoffzellenstapel

3 Gasseite

4 Luftseite

5 Ejektor

6 Gaseinlass

7 Primäreingang

8 Primärleitung

9 Primärabschnitt

10 Sekundäreingang

11 Rezirkulationsleitung

12 Gasauslass

13 Sekundärabschnitt

14 Kontrollgaszuführabschnitt

15 Betriebszustandserkennungsvorrichtung

16 Controller

17 Primär-Kontrollgasleitung

18 Wärmetauscher

19 Primärventil

20 Sekundärventil

21 Sekundär-Kontrollgasleitung

22 Kontrollgasquelle

23 Haupt-Kontrollgasleitung

24 Elektrolytmembran

25 Verdampfer

26 Pumpe

27 Düse

28 Mischkammer

29 Diffusor