Temperaturregelung eines Hochtemperatur-Elektrolyseurs

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Regeleinheit (1) zur Temperaturregelung eines mit Fluid über eine Leitung (2) versorgten Hochtemperatur-Elektrolyseurs (5), welche wenigstens eine Temperatursonde (10) aufweist, die dazu ausgebildet ist, die Temperatur an einem Ort (O1) der Leitung (2) zu erfassen, sowie wenigstens eine in Bezug auf den Hochtemperatur-Elektrolyseur (5) stromaufwärts in die Leitung (2) verschaltete erste Konditioniereinheit (20) zur physikalischen Konditionierung des Fluids, und eine Rückführleitung (30), welche aus dem Hochtemperatur-Elektrolyseur (5) ausgetretenes Fluid zu einem Ort der Leitung (2) zurückführt, welcher Ort stromaufwärts in Bezug auf den Hochtemperatur-Elektrolyseur (5) angeordnet ist, wobei die Regeleinheit (1) die erste Konditioniereinheit (20) in Abhängigkeit der durch die Temperatursonde (10) erfassten Temperatur regelt.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Regeleinheit zur Temperaturregelung eines mit Fluid über eine Leitung versorgten Hochtemperatur-Elektrolyseurs.

[0002] Hochtemperatur-Elektrolyseure bedürfen typischerweise einer geeigneten Wärmeversorgung, damit sie die erforderlichen Betriebstemperaturen erreichen können. Hochtemperatur-Elektrolyseure nehmen im Sinne der vorliegenden Erfindung die elektrolytische Zersetzung chemischer Verbindungen vor bei Temperaturen, die wenigstens 200°C erreichen. Bevorzugt sind diese Temperaturen jedoch wenigstens 350°C und ganz besonders bevorzugt wenigstens 650°C.

[0003] Bei einem Temperaturbereich von wenigstens 650°C können Hochtemperatur-Elektrolyseure vor allem auf der Basis von Festelektrolyt-Zellen betrieben werden, wie sie etwa in der EP12163588 beschrieben sind. Der darin beschriebene Hochtemperatur-Elektrolyseur wird mit einem thermisch konditionierten Gasstrom versorgt, der die Festelektrolyt-Zellen mit ausreichend thermischer Wärme versorgt, damit diese über einen geeigneten Temperaturbereich zur Elektrolyse betrieben werden können. Die Effizienz des Elektrolyseverfahrens wird hierbei maßgeblich durch die Größe des Wärmeeintrags mit beeinflusst, da nur bei zu erreichenden Mindesttemperaturen im Zelleninneren die für einen Elektrolyse erforderlichen Ionenflüsse in dem Festelektrolyt ablaufen können.

[0004] Je nach Ausführungsform des Hochtemperatur-Elektrolyseurs, kann die erforderliche thermische Wärme diesem über das Fluid zugeführt werden, welches für die elektrolytische Umsetzung vorgesehen ist, oder aber auch über eine weitere geeignete Prozessfluidzufuhr. Wesentlich ist jedoch, dass die betreffende Fluidversorgung einen ausreichenden Wärmeeintrag erlaubt. Hierbei muss jedoch nicht ausschließlich die gesamte für den Betrieb erforderliche Wärme mittels des Fluidstroms zur Verfügung gestellt werden. Denkbar ist etwa auch der Einsatz von zusätzlichen Wärmequellen, welche den Hochtemperatur-Elektrolyseur mit einem thermischen Wärmebeitrag versorgen können. Weiterhin kann auch die spezifische Strombelastung der Elektrolytschicht geeignet erhöht werden, so dass die ohmschen Verluste zu einer vorteilhaften Wärmefreisetzung führen.

[0005] Hochtemperatur-Elektrolyseure können unter sich zeitlich verändernden Last- und Arbeitszuständen betrieben werden. Dies erfordert wiederum eine geeignete zeitlich variierende Versorgung des Hochtemperatur-Elektrolyseurs mit thermischer Wärme. Gleichzeitig werden bei den veränderlichen Last bzw. Arbeitszuständen mitunter auch unterschiedliche Mengen an Fluid elektrochemisch umgesetzt, so dass auch eine Versorgung mit veränderlichen Mengen an zugeführtem Fluid gewährleistet können werden muss.

[0006] Zudem kann ein Hochtemperatur-Elektrolyseur auch zur Entnahme von Überschussstrom aus den öffentlichen Stromnetzen oder direkt vom Stromerzeuger vorgesehen sein, um die verfügbare elektrische Energie in eine geeignete Form von chemischer Energie zu überführen. Je nach zeitlichem Angebot von Überschussstrom sollte der Hochtemperatur-Elektrolyseur also dazu in der Lage sein, zeitlich verändernde Mengen an Fluid zu verarbeiten.

[0007] Weiterhin ist es denkbar, dass ein Hochtemperatur-Elektrolyseur unterschiedliche Arbeitszustände aufweist, die eine zeitlich variierende Versorgung mit thermischer Wärme notwendig machen. Wie beispielsweise in der EP12163588 beschriebenen, können ein elektrische Energie aufnehmender Prozessschritt (Ladeschritt), sowie ein chemische Energie abgebender Prozessschritt (Entladeschritt) abwechselnd zueinander ausgeführt werden. Ist der elektrische Energie aufnehmende Prozessschritt typischerweise endotherm, erfordert also eine Zufuhr von Wärme, so kann der chemische Energie abgebende Prozessschritt exotherm sein, wodurch entweder eine geringere Wärmezufuhr bzw. sogar eine Ableitung der zusätzlich entstehenden Wärme aus dem Hochtemperatur-Elektrolyseur erforderlich ist. Werden beide Arbeitszustände abwechselnd zueinander vorgenommen, ist eine wechselnde Versorgung mit unterschiedlichen Mengen an Wärme und/oder an Fluid erforderlich.

[0008] Diesen zeitlich variierenden Anforderungen muss ein Hochtemperatur-Elektrolyseur durch eine geeignete Steuerung der dem Hochtemperatur-Elektrolyseur zugeführten Wärmemenge bzw. Fluidmenge Rechnung tragen. Bei herkömmlichen Steuerungen wird dem Hochtemperatur-Elektrolyseur je nach definierten Betriebszustand eine vorgegebene Menge an umzusetzenden Fluid bzw. eine vorgegebene Menge an thermischer Wärme zur Verfügung gestellt. Wird der Hochtemperatur-Elektrolyseur beispielsweise in einem anderen Arbeitszustand betrieben, wird mittels der Steuerung ein geeigneter Eingriff vorgenommen, wobei die Wärmemenge bzw. die Fluidmenge an den neuen Arbeitszustand angepasst wird. Bei einer solchen Anpassung zeigt sich jedoch oftmals, dass der Hochtemperatur-Elektrolyseur nach der Änderung des Arbeitszustandes entweder nur mit ungenügenden Mengen an thermischer Wärme versorgt wird oder aber eine Überversorgung mit thermischer Wärme erfährt. Fernerhin kann auch eine hohe thermische Verlustleistung zu einer mangelnden Effizienz beitragen, da mitunter aus dem Hochtemperatur-Elektrolyseur thermische Wärme ungenutzt an die Umgebung abgeführt wird. Insbesondere bei häufigen Wechseln der einzelnen Arbeitszustände wird die Gesamteffizienz des Elektrolyseverfahrens so deutlich gemindert.

[0009] Um diese aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu vermeiden, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Regeleinheit zur Temperaturregelung eines mit Fluid über eine Leitung versorgten Hochtemperatur-Elektrolyseurs vorzuschlagen, die die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermeidet. Insbesondere soll die Regeleinheit dazu geeignet sein, einen thermisch effizienten Betrieb des Hochtemperatur-Elektrolyseurs zu gewährleisten. Weiterhin soll die Regeleinheit ermöglichen, die thermische Verlustleistung während des Betriebs des Hochtemperatur-Elektrolyseurs zu vermindern bzw. einen Verlust von Wärmeleistung vollständig zu vermeiden. Fernerhin soll die Regeleinheit eine betriebsangepasste Temperaturregelung des Hochtemperatur-Elektrolyseurs gewährleisten.

[0010] Diese der Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben werden durch eine Regeleinheit zur Temperaturregelung gemäß dem Anspruch 1 gelöst.

[0011] Insbesondere werden diese der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben durch eine Regeleinheit zur Temperaturregelung eines mit Fluid über eine Leitung versorgten Hochtemperatur-Elektrolyseurs gelöst, welche wenigstens eine Temperatursonde aufweist, die dazu ausgebildet ist, die Temperatur an einem Ort der Leitung zu erfassen, sowie wenigstens eine in Bezug auf den Hochtemperatur-Elektrolyseur stromaufwärts in die Leitung verschaltete erste Konditioniereinheit zur physikalischen Konditionierung des Fluids, und eine Rückführleitung, welche aus dem Hochtemperatur-Elektrolyseur ausgetretenes Fluid zu einem Ort der Leitung zurückführt, welcher Ort stromaufwärts in Bezug auf den Hochtemperatur-Elektrolyseur angeordnet ist, wobei die Regeleinheit die erste Konditioniereinheit in Abhängigkeit der durch die Temperatursonde erfassten Temperatur regelt.

[0012] An dieser Stelle sei angemerkt, dass erfindungsgemäß die Leitung sowohl alle Bereiche der Fluidzuleitung, wie auch alle Bereiche der Fluidableitung umfasst. Die Rückführleitung ist herbei jedoch davon ausgenommen. Weiterhin sollen von der Leitung auch Bereiche umfasst sein, die innerhalb des Hochtemperatur-Elektrolyseurs zur Fluidleitung vorgesehen sind.

[0013] Ferner ist darauf hinzuweisen, dass eine erfindungsgemäße Erfassung der Temperatur eine Erfassung der Temperatur in bzw. an der Leitung umfasst. Ebenfalls soll hierunter auch eine Erfassung gerechnet werden, die nicht unmittelbar in oder an der Leitung erfolgt, sondern auch solche Erfassungen, die einen Rückschluss auf die Temperaturwerte bzw. auf Temperatur-änderungswerte an diesen Orten erlauben.

[0014] Die erfindungsgemäße Regeleinheit erlaubt eine geeignete Regelung der ersten Konditioniereinheit zur physikalischen Konditionierung des den Hochtemperatur-Elektrolyseurs versorgenden Fluids, wobei gleichzeitig aufgrund der Rückführung des Fluids zu einem Ort, welcher stromaufwärts im Bezug auf den Hochtemperatur-Elektrolyseur angeordnet ist, ein energetisch effizienter Gesamtbetrieb gewährleistet sein kann. Aufgrund der Rückführung des Fluids kann vor allem thermische Wärme, welche nach Austritt aus dem Hochtemperatur-Elektrolyseur andernfalls verloren ginge, dem den Hochtemperatur-Elektrolyseur zuzuführenden Fluidstrom erneut übertragen werden. Gleichzeitig erlaubt die temperaturgesteuerte Regelung, den Betriebszustand der in die Leitung verschaltete ersten Konditioniereinheit in geeigneter Weise auf die zurückgeführte Menge an thermischer Wärme anzupassen.

[0015] Vor allem bei einer Änderung des Arbeitszustandes des Hochtemperatur-Elektrolyseurs kann so ein energieeffizienter Betrieb ermöglicht werden. Wird beispielsweise der Hochtemperatur-Elektrolyseur unter Abgabe von chemischer Energie in einem exothermen Prozessschritt betrieben, so kann die in dem Hochtemperatur-Elektrolyseur befindliche Wärme nach der Änderung des Arbeitszustands durch Rückführung geeignet wieder nutzbar gemacht werden. Folglich bedarf es einer geringeren Bereitstellung von externer Wärmeenergie. Ist die erste Konditioniereinheit beispielsweise als Heizvorrichtung ausgebildet, welche den Fluidstrom mit einer zusätzlichen Wärmemenge beaufschlagen kann, kann durch die Rückführung des aus dem Hochtemperatur-Elektrolyseur austretenden Fluidstroms die noch verbleibende Restwärme vorteilhaft genutzt werden, ohne die Heizvorrichtung übermäßig zu beanspruchen. Ebenso kann auch eine geeignete Anpassung der Größe des Fluidstroms erfolgen, in dem beispielsweise die Rückführung des aus dem Hochtemperatur-Elektrolyseur austretenden Fluids dem den Hochtemperatur-Elektrolyseur zuzuführenden Fluidstrom zugegeben wird. Auf diese Weise können auch Änderungen des Massenstroms, die aufgrund unterschiedlicher Arbeitszustände erforderlich sind, geeignet ausgeglichen bzw. eingestellt werden, wobei eine gleichzeitige thermische Konditionierung des Fluidstroms erfolgen kann.

[0016] Ebenfalls ist es möglich, dass der den Hochtemperatur-Elektrolyseur versorgenden Fluidstrom auch hinsichtlich seiner chemischen Zusammensetzung verändert wird, da aufgrund der in dem Hochtemperatur-Elektrolyseur stattfindenden chemischen Teilprozesse eine chemische Veränderung des Fluids erfolgen kann. Ist das Fluid beispielsweise Luft, so kann diese hinsichtlich ihrer Zusammensetzung, also hinsichtlich ihrer Partialdrücke der einzelnen Bestandteile verändert werden. Dementsprechend ist es möglich, dass aus einem Hochtemperatur-Elektrolyseur austretende Luft eine erhöhte Menge an Sauerstoff aufweist. Durch die Rückführung und Mischung dieser Luft mit der den Hochtemperatur-Elektrolyseur versorgenden Frischluft, kann folglich der Sauerstoffgehalt geeignet eingestellt werden. Dadurch kann mitunter auch die Effizienz der elektrochemischen Vorgänge in dem Hochtemperatur-Elektrolyseur beeinflusst werden, da diese konzentrationsabhängig sind.

[0017] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regeleinheit ist die Anordnung der wenigstens einen Temperatursonde in bzw. an der Leitung in dem Hochtemperatur-Elektrolyseur angeordnet. Demgemäß kann die Temperatursonde den Temperaturzustand unmittelbar in bzw. an der Reaktionszelle des Hochtemperatur-Elektrolyseurs erfassen, wodurch eine gute Erfassung des momentanen Reaktionszustands ermöglicht wird. Der von der wenigstens einen Temperatursonde erfasste Temperaturwert kann der Regeleinheit zugeführt werden, die in geeigneter Weise den Betriebszustand der wenigstens einen ersten Konditioniereinheit einstellen kann. Die Konditioniereinheit mag hierbei so ausgeführt sein, dass sie lediglich eine Beeinflussung des Wärmeinhalts des Fluidstroms bzw. auch eine gleichzeitige Konditionierung des Wärme- und Massenstroms des Fluidstroms erlaubt. Werden mehrere Temperaturwerte mittels einer Mehrzahl an Temperatursonden ermittelt, ist es auch denkbar, dass eine geeignete Regelung des Betriebszustands der ersten Konditioniereinheit als Funktion der Mehrzahl an erfassten Temperaturwerten eingestellt wird. Insbesondere eine Regelung auf Grundlage von ermittelten Temperaturdifferenzwerten ist vorteilhaft.

[0018] Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Regelung der wenigstens einen ersten Konditioniereinheit in Abhängigkeit eines erfassten Temperaturunterschieds zwischen wenigstens zwei erfassten Temperaturwerten erfolgt. Die zwei Temperaturwerte werden hierbei insbesondere durch zwei unterschiedliche Temperatursonden erfasst. Demgemäß ist es möglich, dass die Regeleinheit nicht zwei unterschiedliche Temperaturwerte als Regelgrößen verarbeitet, sondern dass diese lediglich eine Regelgröße, nämlich den Temperaturdifferenzwert, als Regelparameter heranziehen. Der Temperaturunterschied kann hierbei etwa vorteilhaft durch eine elektronische Vergleichsschaltung ermittelt werden.

[0019] Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung führt die Rückführleitung das aus dem Hochtemperatur-Elektrolyseur ausgetretene Fluid zu einem Wärmetauscher zurück, welcher mit der Leitung verschaltet ist, und welcher dazu ausgebildet ist, dass in der Leitung befindliche Fluid thermisch zu konditionieren bevor es dem Hochtemperatur-Elektrolyseur zugeführt wird. Folglich kann dem aus den Hochtemperatur-Elektrolyseur ausgetretenen Fluid thermische Wärme in geeigneter Weise entzogen werden, wobei der Wärmeunterschied dem den Hochtemperatur-Elektrolyseur zuzuführenden Fluid übertragen wird. Folglich wird die thermische Verlustleistung aufgrund von nicht weiter nutzbar gemachter thermischer Wärme in dem austretenden Fluid vermindert.

[0020] Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Rückführleitung in die Leitung mündet und damit das in der Leitung befindliche Fluid durch zurückgeführtes Fluid konditioniert wird, bevor beide dem Hochtemperatur-Elektrolyseur zugeführt werden. Aufgrund dieser Rückführung des aus dem Hochtemperatur-Elektrolyseur ausgetretenen Fluids in die Leitung stromaufwärts im Bezug auf den Hochtemperatur-Elektrolyseur erfolgt eine gleichzeitige thermische Konditionierung, wie auch eine Konditionierung hinsichtlich des Massenstroms des den Hochtemperatur-Elektrolyseur zuzuführenden Gesamtfluidstroms. Folglich wird nicht nur eine Effizienzerhöhung des Elektrolysebetriebs aufgrund von verminderter thermischer Verlustleistung erreicht, sondern auch der effektive Fluidverbrauch verbessert. Aufgrund der Mischung von zurückgeführtem Fluid, wie auch noch nicht dem Hochtemperatur-Elektrolyseur zugeführten Fluid kann zudem eine vorteilhafte Fluidkonditionierung hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung erfolgen.

[0021] Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Regeleinheit ist vorgesehen, dass wenigstens zwei Temperatursonden umfasst sind, die dazu ausgebildet sind, jeweils die Temperatur an zwei unterschiedlichen Orten der Leitung zu erfassen, wobei die Regeleinheit die erste Konditioniereinheit in Abhängigkeit der durch die Temperatursonden erfassten Temperaturen regelt. Eine Regelung aufgrund von zwei voneinander unterschiedlichen Temperaturwerten ermöglicht eine gezielte Anpassung. Vor allem lassen sich mit zwei Temperatursonden der Änderungsverlauf der Temperatur in dem Hochtemperatur-Elektrolyseur besser überwachen und damit auch eine verbesserte Konditionierung des Fluids gewährleisten. Vorteilhaft ist hierbei insbesondere eine Ausführungsform, bei welcher die beiden Temperatursonden in bzw. an dem Hochtemperatur-Elektrolyseur angebracht sind.

[0022] Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Regeleinheit weiterhin eine in die Rückführleitung verschaltete Konditioniereinheit auf, die als Strömungsgenerator ausgebildet ist, und die dazu geeignet ist, das in der Rückführleitung befindliche Fluid mit einer Strömung zu beaufschlagen, wobei die Regeleinheit diese Konditioniereinheit auch in Abhängigkeit der durch die wenigstens eine Temperatursonde erfasste Temperatur regelt. Demgemäß erlaubt die als Strömungsgenerator ausgebildete, weitere Konditioniereinheit eine geeignete Anpassung des Fluidstroms in der Leitung, wodurch der Hochtemperatur-Elektrolyseur zu unterschiedlichen Zeitpunkten mit geeigneten Mengen an Fluid versorgt werden kann. Hierbei kann die Regelung der weiteren Konditioniereinheit auch auf die rückgeführten Mengen an aus dem Hochtemperatur-Elektrolyseur ausgetretenen Fluid eingestellt werden. Insbesondere beaufschlagt die ausführungsgemäße weitere Konditioniereinheit einen noch nicht weiter thermisch konditionierten Fluidstrom, der mit dem rückgeführten thermisch konditionierten Fluidstrom vermischt wird. Aufgrund der geeigneten Strömungseinstellung kann folglich der Gesamtmassenstrom vorteilhaft eingeregelt werden. Der Strömungsgenerator ist bevorzugt als Gebläse ausgeführt, wenn das Fluid ein Gas ist.

[0023] Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Temperatursonde an der Leitung an einem ersten Ort stromaufwärts vor dem Hochtemperatur-Elektrolyseur vorgesehen ist und insbesondere eine andere zweite Temperatursonde an der Leitung an einem zweiten Ort stromabwärts nach dem Hochtemperatur-Elektrolyseur. Aufgrund der Temperaturwerte die an den beiden Orten ermittelt werden, lässt sich ein Temperaturverlauf innerhalb des Hochtemperatur-Elektrolyseurs gut ermitteln. U.a. können so mittels geeigneter Annahmen eine gute Kenntnis des Temperaturgradienten in dem Hochtemperatur-Elektrolyseur und damit dessen Betriebszustand erlangt werden.

[0024] Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Temperatursonde an der Leitung an einem ersten Ort stromaufwärts vor dem Hochtemperatur-Elektrolyseur vorgesehen ist und insbesondere eine andere zweite Temperatursonde in oder an dem Hochtemperatur-Elektrolyseur vorgesehen ist. Auch hierbei erlauben die beiden voneinander unabhängig erfassten Temperaturwerte eine gute Kenntnis des Temperaturverlaufs innerhalb des Hochtemperatur-Elektrolyseurs. Vor allem bei Kenntnis der Temperaturwerte innerhalb des Hochtemperatur-Elektrolyseurs durch eine gezielte Temperaturerfassung kann eine für die meisten Anwendungen ausreichend gute Kenntnis des Temperaturverteilungsfeldes innerhalb des Hochtemperatur-Elektrolyseurs erhalten werden.

[0025] Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind wenigstens drei Temperatursonden vorgesehen, wobei eine erste Temperatursonde an der Leitung an einem ersten Ort stromaufwärts vor dem Hochtemperatur-Elektrolyseur vorgesehen ist, eine zweite Temperatursonde an der Leitung an einem zweiten Ort stromabwärts nach dem Hochtemperatur-Elektrolyseur vorgesehen ist und eine dritte Temperatursonde in oder an dem Hochtemperatur-Elektrolyseur vorgesehen ist. Aufgrund der Kenntnis von drei unabhängigen Temperaturwerten kann folglich eine sehr gute Kenntnis des Temperaturverteilungsfeldes innerhalb des Hochtemperatur-Elektrolyseurs erhalten werden. Damit können wiederum geeignete Annahmen hinsichtlich des Betriebszustandes des Hochtemperatur-Elektrolyseurs gemacht werden, die eine geeignete Regelung erlauben.

[0026] Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regeleinheit ist vorgesehen, dass die erste Konditioniereinheit als Heizvorrichtung ausgebildet ist, die dazu geeignet ist, dem in der Leitung befindlichen Fluid Wärme zuzuführen. Die Wärmezufuhr kann folglich durch die Regeleinheit entsprechend den Betriebsbedürfnissen durch einen gezielten Wärmeeintrag vorgenommen werden. Hierbei berücksichtigt die Heizvorrichtung typischerweise auch den thermischen Wärmeeintrag durch Rückführung des aus dem Hochtemperatur-Elektrolyseur austretenden Fluids.

[0027] Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste Konditioniereinheit als Strömungsgenerator ausgebildet ist, die dazu geeignet ist, das in der Leitung befindliche Fluid mit einer Strömung zu beaufschlagen. Folglich erlaubt die erste Konditioniereinheit ausführungsgemäß lediglich eine Beeinflussung des Fluidstroms in der Leitung, wobei jedoch aufgrund unterschiedlicher zueinander geregelter Fluidströme auch unterschiedliche Wärmestromraten dem Hochtemperatur-Elektrolyseur zugeführt werden können.

[0028] Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Regeleinheit wenigstens zwei im Bezug auf den Hochtemperatur-Elektrolyseur stromaufwärts in die Leitung verschaltete Konditioniereinheiten auf, wobei eine Konditioniereinheit als Heizvorrichtung ausgebildet ist, die dazu geeignet ist, dem in der Leitung befindlichen Fluid Wärme zuzuführen und eine andere Konditioniereinheit als Strömungsgenerator ausgebildet ist, der dazu geeignet ist, das in der Leitung befindliche Fluid mit einer Strömung zu beaufschlagen, wobei die Regeleinheit die beiden Konditioniereinheiten in Abhängigkeit der durch die wenigstens eine Temperatursonde erfasste Temperatur regelt. Aufgrund der gleichzeitigen Konditionierung hinsichtlich des thermischen Wärmegehalts wie auch des Massenstroms kann das dem Hochtemperatur-Elektrolyseur zugeführte Fluid besonders vorteilhaft konditioniert werden. Insbesondere kann in besonders geeigneter Weise nicht nur der rückgeführte Massenstrom sondern auch gleichzeitig der zurückgeführte Wärmestrom bzw. die chemische Zusammensetzung des Gesamtfluidstroms berücksichtigt werden. Gemäß einem weiterführenden Aspekt der Ausführung sind die beiden Konditioniereinheiten als eine Einheit ausgebildet, d.h. beide Konditioniereinheiten werden als eine Einheit integriert. In diesem Fall kann mitunter auch auf eine mit der Rückführleitung verschaltete Konditioniereinheit verzichtet werden.

[0029] Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Regeleinheit weiterhin eine zweite Rückführleitung auf, welche aus dem Hochtemperatur-Elektrolyseur ausgetretenes Fluid zu einem Ort der Leitung zurückführt, welcher Ort stromaufwärts im Bezug auf den Hochtemperatur-Elektrolyseur angeordnet ist. Die zweite Rückführleitung erlaubt nicht nur unterschiedliche Mengen an rückgeführtem Fluid zu leiten, sondern vermag diese unterschiedlichen Mengen auch der Leitung an unterschiedlichen Orten zuzuführen. So ist es beispielsweise denkbar, dass eine Rückführleitung lediglich eine thermische Konditionierung des den Hochtemperatur-Elektrolyseur versorgenden Fluidstroms gewährleistet, wobei die zweite Rückführleitung direkt in die Leitung mündet, so dass eine gleichzeitige thermische Konditionierung, wie auch eine Konditionierung hinsichtlich des Gesamtmassenstroms erfolgt. Folglich kann die Gesamteffizienz, wie auch die Gesamtflexibilität der Regeleinheit gesteigert werden. Um die einzelnen, in den jeweiligen Rückführleitungen geführten Fluidströme hinsichtlich ihres Massenstroms einstellen zu können, weisen diese typischerweise geeignete Konditioniereinheiten auf, welche etwa als Strömungsgeneratoren ausgebildet sind.

[0030] Entsprechend einem weiteren Aspekt der Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die zweite Rückführleitung das aus dem Hochtemperatur-Elektrolyseur austretende Fluid zu einem Wärmetauscher führt, welcher mit der Leitung verschaltet ist und welcher dazu ausgebildet ist, das in der Leitung befindliche Fluid thermisch zu konditionieren, bevor es dem Hochtemperatur-Elektrolyseur zugeführt wird. Der ausführungsgemäße Wärmetauscher kann hierbei insbesondere identisch mit dem vorab beschriebenen Wärmetauscher sein, muss dies jedoch nicht sein. Der Wärmetauscher ist wiederum bevorzugt im Bezug auf die erste Konditioniereinheit stromaufwärts mit der Leitung verschaltet. Ausführungsgemäß kann somit wiederum eine verbesserte Konditionierung des dem Hochtemperatur-Elektrolyseur zugeführten Fluidstroms hinsichtlich des thermischen Wärmeinhalts, wie auch hinsichtlich des Gesamtmassenstroms erreicht werden.

[0031] Nachfolgend soll die Erfindung anhand einzelner Figuren im Detail erläutert werden. Die Figuren zeigen jedoch nur eine schematische Darstellung der einzelnen Ausführungsformen der Erfindung und schränken die Erfindung hinsichtlich ihrer Allgemeinheit nicht ein. Ebenso ist eine Einschränkung aufgrund der Darstellung einer nur begrenzten Anzahl an Ausführungsformen nicht angezeigt.

[0032] Hierbei zeigen:

FIG 1

eine erste Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Darstellung;

FIG 2

eine weitere Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Darstellung;

FIG 3

eine weitere Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Darstellung;

FIG 4

eine weitere Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Darstellung;

FIG 5

eine weitere Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Darstellung;

[0033] FIG 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Darstellung. Hierbei wird von der ausführungsgemäßen Regeleinheit 1 eine Regelvorrichtung 3 umfasst, welche zur Aufnahme wenigstens eines Temperatursignalwerts einer Temperatursonde 10 ausgebildet ist. Die Temperatursonde 10 erfasst Temperaturwerte in einem Hochtemperatur-Elektrolyseur 5 an einem Ort O1, welcher typischerweise in der Leitung 2 angeordnet ist. Möglich ist jedoch auch eine Anordnung des Ortes O1 in dem Hochtemperatur-Elektrolyseur 5 außerhalb der Leitung 2.

[0034] Der Hochtemperatur-Elektrolyseur 5 wird über eine Leitung 2 mit einem geeigneten Fluid versorgt. Das Fluid wird hierbei durch eine erste Konditioniereinheit 20, welche als Heizvorrichtung ausgebildet ist, sowie durch eine weitere Konditioniereinheit 21, welche als Strömungsgenerator ausgebildet ist, konditioniert. Die erste Konditioniereinheit 20 erlaubt eine thermische Konditionierung des in der Leitung 2 befindlichen Fluids, wohingegen die weitere Konditioniereinheit 21 lediglich eine Beeinflussung des Massenstroms des Fluids in der Leitung 2 ermöglicht. Weiterhin ist mit der Leitung 2 ein Wärmetauscher 35 verschaltet, welcher ebenfalls mit der Rückführleitung 30 (erste Rückführleitung 30) thermisch gekoppelt ist. Die Rückführleitung 30 ermöglicht eine Rückführung, wenigstens eines Teiles des aus dem Hochtemperatur-Elektrolyseur austretenden Fluidstroms derart, dass der zurückgeleitete Fluidstrom über den Wärmetauscher 35 thermische Wärme an das Fluid in der Leitung 2 abgibt, welches noch nicht zurückgeführt wurde. Die thermische Konditionierung mittels des Wärmetauschers 35 erfolgt vor der möglichen thermischen Konditionierung durch die erste Konditioniereinheit 20. Sollte sich während eines Betriebs herausstellen, dass der thermische Übertrag mittels des Wärmetauschers 35 auf das in der Leitung 2 befindliche Fluid bereits ausreichend ist, bedarf es keines weiteren Wärmeeintrags durch die erste Konditioniereinheit 20. Insofern kann der Wärmetauscher 35 die Funktion der ersten Konditioniereinheit 20 vollständig erfüllen. Bei sich ändernden Arbeitszuständen des Hochtemperatur-Elektrolyseurs 5, zeigt es sich jedoch, dass mitunter nicht ausreichend Wärme über die Rückführleitung 30 dem in der Leitung 2 befindlichen Fluid zugeführt werden kann, so dass eine zusätzliche thermische Konditionierung mittels der ersten Konditioniereinheit 20 erforderlich wird. Aufgrund des wenigstens einen, an dem Ort O1 erfassten Temperaturwertes mit der ersten Temperatursonde 10 ist die Regelvorrichtung 3 in der Lage, die beiden Konditioniereinheiten 20 und 21 derart zu regeln, dass der dem Hochtemperatur-Elektrolyseur 5 zugeführte Massen- wie auch Wärmestrom jeweils den Anforderungen seines Betriebszustandes vorteilhaft bzw. sogar optimal erfüllt. Aufgrund der gleichzeitigen Rückführung von aus dem Hochtemperatur-Elektrolyseur 5 ausgetretenen Fluid ist somit ein besonders effizienter und energiesparender Betrieb möglich.

[0035] FIG 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regeleinheit, die sich von der in FIG 1 gezeigten Regeleinheit 1 lediglich dahingehend unterscheidet, dass die Regelvorrichtung 3 nicht nur zur Aufnahme eines Temperaturwertes einer ersten Temperatursonde 10 sondern zur Aufnahme zweiter Temperaturwerte zweier unterschiedlicher Temperatursonden 10 und 11 ausgebildet ist. Hierbei erfasst die erste Temperatursonde 10 an einem Ort O1 stromaufwärts im Bezug auf den Hochtemperatur-Elektrolyseur 5 an der Leitung 2 einen Temperaturwert. Die zweite Temperatursonde 11 erfasst unabhängig davon an einem zweiten Ort 02 stromabwärts im Bezug auf den Hochtemperatur-Elektrolyseur 5 einen zweiten Temperaturwert. Beide Temperaturwerte werden der Regelvorrichtung 3 zugeführt und in geeigneter Weise zur Regelung der beiden Konditioniereinheiten 20 und 21 verarbeitet. So können beispielsweise die Konditioniereinheiten 20 und 21 durch lediglich einen Temperaturdifferenzwert, der aus bevorzugt gleichzeitig erfassten Temperaturwerten in der Regelvorrichtung 3 ermittelt wird, geregelt werden. Aufgrund der Erfassung von wenigstens zwei Temperaturwerten ist es möglich, den Temperaturverlauf innerhalb des Hochtemperatur-Elektrolyseurs besser zu charakterisieren, und folglich eine geeignete Regelung der ersten Konditioniereinheit 20 und weiteren Konditioniereinheit 21 vorzunehmen.

[0036] FIG 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, welche sich von der in FIG 2 gezeigten Ausführungsform dahingehend unterscheidet, dass die Rückführleitung 30 das rückgeführte Fluid nicht einem Wärmetauscher 35 zuführt, sondern in die Leitung 2 zur erneuten Zuführung an den Hochtemperatur-Elektrolyseur 5 einleitet. Die Rückführleitung 30 mündet also im Bezug auf den Hochtemperatur-Elektrolyseur 5 stromaufwärts in die Leitung 2. Zum Fluidtransport ist hierbei typischerweise eine zusätzliche Konditioniereinheit 22 mit der Rückführleitung 30 verschaltet, die als Strömungsgenerator ausgebildet ist. Der Betriebszustand der zusätzlichen Konditioniereinheit 22 wird ebenfalls durch die Regelvorrichtung 3 aufgrund der mittels der ersten Temperatursonde 10 und der zweiten Temperatursonde 11 erfassten Temperaturwerte geregelt. Gleichzeitig werden auch die erste Konditioniereinheit 20, wie auch die weitere Konditioniereinheit 21 durch die Regelvorrichtung 3 geregelt. Durch eine geeignete Einstellung der drei Konditioniereinheiten 20, 21 und 22 während des geregelten Betriebs kann folglich die Menge des in die Leitung 2 rückgeführten Fluids geeignet eingestellt werden. Gleichzeitig kann der Wärmeinhalt, wie auch der Gesamtmassenstrom des dem Hochtemperatur-Elektrolyseur 5 zugeführten Fluids eingestellt werden. Dies ermöglicht eine besonders effiziente, wie auch energiesparende Form der Fluidkonditionierung. Alternativ zum Einsatz der Konditioniereinheit 22 kann auch die Konditioniereinheit 20 als Kombination von Heizeinrichtung und Strömungseinrichtung ausgeführt sein. Dadurch ist dann sowohl die thermische Konditionierung als auch die geregelte Rückführung von Fluid in die Rückführleitung 30 möglich.

[0037] FIG 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regeleinheit in einer schematischen Darstellung, welche sich von der in FIG 3 gezeigten Ausführungsform dahingehend unterscheidet, dass nicht nur zwei Temperatursonden 10 und 11 sondern drei Temperatursonden 10, 11 und 12 vorgesehen sind. Hierbei erfasst die erste Temperatursonde 10 einen Temperaturwert an einem Ort O1 im Bezug auf den Hochtemperatur-Elektrolyseur 5 stromaufwärts an bzw. in der Leitung 2. Fernere erfasst die zweite Temperatursonde 11 an einem zweiten Ort 02 einen zweiten Temperaturwert in Bezug auf den Hochtemperatur-Elektrolyseur 5 stromabwärts in bzw. an der Leitung 2 und darüber hinaus wird mittels einer dritten Temperatursonde 12 an einem dritten Ort 03 ein weiterer Temperaturwert erfasst und der Regelvorrichtung zugeführt. Der dritte Ort 03 ist hierbei an dem Hochtemperatur-Elektrolyseur 5 vorgesehen, wobei je nach Anforderung eine Erfassung des Temperaturwertes in dem Hochtemperatur-Elektrolyseur 5 ebenfalls erfolgen kann. Aufgrund der genaueren Ermittlung des Temperaturfeldes in dem Hochtemperatur-Elektrolyseur 5 mittels dreier unabhängiger Temperatursonden wird eine verbesserte und noch genauere Regelung ermöglicht.

[0038] Alternativ zum Einsatz der Konditioniereinheit 22 kann auch die Konditioniereinheit 20 als Kombination von Heizeinrichtung und Strömungseinrichtung ausgeführt sein. Dadurch ist dann sowohl die thermische Konditionierung als auch die geregelte Rückführung von Fluid in die Rückführleitung 30 möglich.

[0039] FIG 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Darstellung, welche sich von den in FIG 2 und FIG 3 gezeigten Darstellungen dahingehend unterscheidet, dass sowohl eine Rückführung zum Wärmetauscher 35 (siehe FIG 2), wie auch eine Fluidrückführung in die Leitung 2 zur Mischung mit dem noch zuzuführenden Fluid in Leitung 2 (siehe FIG 3) erfolgt. Demgemäß ist nicht nur eine Rückführleitung 30 sondern sind zwei Rückführleitungen 30 und 31 vorgesehen. Hierbei zweigt die zweite Rückführleitung 31 von der ersten Rückführleitung 30 ab und wird dem Wärmetauscher 35 separat zugeführt. Die erste Rückführleitung 30 hingegen mündet in die Leitung 2 im Bezug auf den Wärmetauscher 35 stromabwärts.

[0040] Alle in den Figuren dargestellten Merkmale werden vorliegend für sich allein, wie auch in Kombination miteinander beansprucht. Hierbei ist es dem Fachmann freigestellt, beliebige Kombinationen einzelner Merkmale miteinander zu verbinden.

[0041] Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ansprüche

1. Regeleinheit (1) zur Temperaturregelung eines mit Fluid über eine Leitung (2) versorgten Hochtemperatur-Elektrolyseurs (5), welche wenigstens eine Temperatursonde (10) aufweist, die dazu ausgebildet ist, die Temperatur an einem Ort (O1) der Leitung (2) zu erfassen, sowie wenigstens eine in Bezug auf den Hochtemperatur-Elektrolyseur (5) stromaufwärts in die Leitung (2) verschaltete erste Konditioniereinheit (20) zur physikalischen Konditionierung des Fluids, und eine Rückführleitung (30), welche aus dem Hochtemperatur-Elektrolyseur (5) ausgetretenes Fluid zu einem Ort der Leitung (2) zurückführt, welcher Ort stromaufwärts in Bezug auf den Hochtemperatur-Elektrolyseur (5) angeordnet ist, wobei die Regeleinheit (1) die erste Konditioniereinheit (20) in Abhängigkeit der durch die Temperatursonde (10) erfassten Temperatur regelt.

2. Regeleinheit gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (30) das aus dem Hochtemperatur-Elektrolyseur (5) ausgetretene Fluid zu einem Wärmetauscher (35) führt, welcher mit der Leitung (2) verschaltet ist, und welcher dazu ausgebildet ist, das in der Leitung (2) befindliche Fluid thermisch zu konditionieren bevor es dem Hochtemperatur-Elektrolyseur (5) zugeführt wird.

3. Regeleinheit gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (30) in die Leitung (2) mündet, und damit das in der Leitung (2) befindliche Fluid durch zurück geführtes Fluid konditioniert wird bevor beide dem Hochtemperatur-Elektrolyseur (5) zugeführt werden.

4. Regeleinheit gemäß einem der vorher gehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Temperatursonden (10, 11) umfasst sind, die dazu ausgebildet sind, jeweils die Temperatur an zwei unterschiedlichen Orten (O1, 02) der Leitung (2) zu erfassen, wobei die Regeleinheit (1) die erste Konditioniereinheit (20) in Abhängigkeit der durch die Temperatursonden (10, 11) erfassten Temperaturen regelt.

5. Regeleinheit gemäß einem der vorher gehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit (1) weiterhin eine in die Rückführleitung (30) verschaltete Konditioniereinheit (22) aufweist, die als Strömungsgenerator ausgebildet ist, und die dazu geeignet ist, das in der Rückführleitung (30) befindliche Fluid mit einer Strömung zu beaufschlagen, wobei die Regeleinheit (1) diese Konditioniereinheit (22) auch in Abhängigkeit der durch die wenigstens eine Temperatursonde (10) erfasste Temperatur regelt.

6. Regeleinheit gemäß einem der vorher gehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Temperatursonde (10) an der Leitung (2) an einem ersten Ort (O1) stromaufwärts vor dem Hochtemperatur-Elektrolyseur (5) vorgesehen ist, und insbesondere eine andere zweite Temperatursonde (11) an der Leitung (2) an einem zweiten Ort (02) stromabwärts nach dem Hochtemperatur-Elektrolyseur (5).

7. Regeleinheit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Temperatursonde (10) an der Leitung (2) an einem ersten Ort (O1) stromaufwärts vor dem Hochtemperatur-Elektrolyseur (5) vorgesehen ist, und insbesondere eine andere zweite Temperatursonde (11) in oder an dem Hochtemperatur-Elektrolyseur (5) vorgesehen ist.

8. Regeleinheit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei Temperatursonden (10, 11, 12) vorgesehen sind, wobei eine erste Temperatursonde (10) an der Leitung (2) an einem ersten Ort (O1) stromaufwärts vor dem Hochtemperatur-Elektrolyseur (5) vorgesehen ist, eine zweite Temperatursonde (11) an der Leitung (2) an einem zweiten Ort (02) stromabwärts nach dem Hochtemperatur-Elektrolyseur (5) vorgesehen ist, und eine dritte Temperatursonde (12) in oder an dem Hochtemperatur-Elektrolyseur (5) vorgesehen ist.

9. Regeleinheit gemäß einem der vorher gehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die erste Konditioniereinheit (20) als Heizvorrichtung ausgebildet ist, die dazu geeignet ist, dem in der Leitung (2) befindlichen Fluid Wärme zuzuführen.

10. Regeleinheit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die erste Konditioniereinheit (20) als Strömungsgenerator ausgebildet ist, die dazu geeignet ist, das in der Leitung (2) befindliche Fluid mit einer Strömung zu beaufschlagen.

11. Regeleinheit gemäß einem der vorher gehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit (1) wenigstens zwei in Bezug auf den Hochtemperatur-Elektrolyseur (5) stromaufwärts in die Leitung (2) verschaltete Konditioniereinheiten (20, 21) aufweist, wobei eine Konditioniereinheit (20) als Heizvorrichtung ausgebildet ist, die dazu geeignet ist, dem in der Leitung (2) befindlichen Fluid Wärme zuzuführen, und eine Konditioniereinheit (21) als Strömungsgenerator ausgebildet ist, der dazu geeignet ist, das in der Leitung (2) befindliche Fluid mit einer Strömung zu beaufschlagen, wobei die Regeleinheit (1) die beiden Konditioniereinheiten (20, 21) in Abhängigkeit der durch die wenigstens eine Temperatursonde (10) erfasste Temperatur regelt.

12. Regeleinheit gemäß Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Konditioniereinheiten (20, 21) als eine Einheit ausgebildet sind.

13. Regeleinheit gemäß einem der vorher gehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit (1) weiterhin eine zweite Rückführleitung (31) aufweist, welche aus dem Hochtemperatur-Elektrolyseur (5) ausgetretenes Fluid zu einem Ort der Leitung (2) zurückführt, welcher Ort stromaufwärts in Bezug (5) auf den Hochtemperatur-Elektrolyseur (5) angeordnet ist.

14. Regeleinheit gemäß Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Rückführleitung (31) das aus dem Hochtemperatur-Elektrolyseur (5) ausgetretene Fluid zu einem Wärmetauscher (36) führt, welcher mit der Leitung (2) verschaltet ist, und welcher dazu ausgebildet ist, das in der Leitung (2) befindliche Fluid thermisch zu konditionieren bevor es dem Hochtemperatur-Elektrolyseur (5) zugeführt wird.

15. Regeleinheit gemäß Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (36) in Bezug auf die erste Konditioniereinheit (20) stromaufwärts mit der Leitung (2) verschaltet ist.

Zeichnung