WO2021077148A1 - Soec system and method for operating a soec system - Google Patents

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synthesis
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electrolysis
cathode
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David REICHHOLF
Nielsen Anders MOELLER
Richard Schauperl
Jürgen RECHBERGER
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Avl List Gmbh
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to an SOEC system for performing electrolysis and synthesis.
  • the invention also relates to a method for operating such a SOEC system.
  • So-called power-to-gas systems and power-to-SynFuel systems are known in the prior art.
  • hydrogen can be generated in the course of electrolysis and another fuel such as methane can be generated through a subsequent synthesis.
  • the synthesis gas is generated via electrolysis processes and, in a further process step, a synthesis process with the synthesis gas follows under special thermodynamic conditions. This means that electrolysis and synthesis take place separately from one another in terms of time and / or location. This requires a correspondingly large and complex system structure.
  • Such a system can be found in US 2016/0053388 A1.
  • the object of the present invention is to at least partially take into account the problems described above.
  • a method for operating a SOEC system which comprises a reactor for performing an electrolysis for synthesis gas generation and a synthesis for product gas generation, is provided.
  • the procedure consists of the following steps:
  • both the electrolysis and the synthesis can be carried out at least temporarily simultaneously without significant, negative interactions. That is to say, an electrolysis process and a synthesis process are carried out at the same time, at least temporarily, in one and the same reactor.
  • a separate synthesis reactor downstream of the reactor can be dispensed with, or such a synthesis reactor can be made significantly smaller than previously.
  • a generic high-temperature reactor which is usually designed in the form of a fuel cell stack, is usually operated in temperature ranges of well over 700 ° C. for the electrolysis.
  • the reactor according to the invention is designed in particular as a fuel cell stack or has a fuel cell stack.
  • the at least partial synthesis reaction taking place directly in the reactor results in a reduction in the volume flow and thus the flow velocities in the reactor compared to conventional SOEC systems. This leads to This means that the entire synthesis does not have to take place in any subsequent synthesis reactor and, moreover, the flow rates are lower, which significantly influences the conversion rates in the reactor.
  • Carrying out the electrolysis and the synthesis at the same time also leads to thermal stability of the reactor, since an exothermic synthesis reaction can supply an endothermic electrolysis reaction with heat. That is to say, the electrochemical reactions of the electrolysis according to the invention can be strongly endothermic, as a result of which output flows of the reactor have a lower temperature level than input flows of the reactor. So far, this has posed a major challenge to the design and operation of electrolysis systems. Through exothermic synthesis reactions directly at the reactor, a corresponding heat input takes place, through which the endothermic can be compensated. A thermoneutral operating point of the SOEC system can thus advantageously be shifted to lower partial load points and / or lower current densities. To increase the desired effect, the reactor can be cooled during the electrolysis and the synthesis with cooling fluids which are colder than the operating temperature in the reactor.
  • water vapor and carbon dioxide can be fed into a fuel side of the reactor and air can be fed into an air side of the reactor.
  • the reactor can be designed as a fuel cell.
  • the reactor can be designed as a fuel cell stack with a plurality of fuel cells, the above-described supply of water vapor and carbon dioxide into the fuel side and of air into the air side being carried out in each fuel cell.
  • water vapor and carbon dioxide on the fuel side can now be converted into hydrogen and carbon monoxide as part of the electrolysis, while at least temporarily the hydrogen and carbon monoxide produced are simultaneously converted into methane gas and water vapor as part of the synthesis.
  • a fluid mixture with water vapor, Carbon dioxide, hydrogen, carbon monoxide and methane gas are generated.
  • a fluid mixture with air and pure oxygen can be generated at the respective outlet on the air side.
  • Carrying out the electrolysis can be understood to mean the creation of the necessary prerequisites for carrying out the desired electrolysis.
  • performing the synthesis can be understood to mean the creation of the necessary prerequisites for performing the desired electrolysis.
  • the prerequisites include the provision of the necessary substances and the necessary environmental conditions in and / or on the reactor and / or in the SOEC system.
  • the SOEC system can in particular be designed as a reversibly operable SOFC / SOEC system, that is to say in the form of an SOFC system that can also be operated as an SOEC system.
  • Carrying out the electrolysis and the synthesis simultaneously at least temporarily is to be understood as meaning that, for example, only the electrolysis can initially be carried out and then the synthesis is carried out while the electrolysis continues to be carried out.
  • water, in particular water vapor, and carbon dioxide can first be converted into hydrogen and carbon monoxide, and then in the context of a synthesis, the hydrogen and carbon monoxide produced can be converted back into water and methane, while in the Hydrogen and carbon monoxide continue to be produced as part of electrolysis.
  • the SOEC system can advantageously have a temperature sensor, by means of which the temperature in the reactor can be determined. On the basis of the determined temperature, the desired temperature can be set and / or regulated accordingly by a controller of the SOEC system.
  • the temperature sensor system includes, for example, a temperature measuring unit at a fluid inlet of the reactor, at which the fuel and / or the air is fed into the reactor, and / or a temperature measuring unit at a fluid outlet of the reactor. Setting the operating temperature can be understood to mean controlling and / or regulating the operating temperature to a desired value. That is, within the framework of the procedure in particular, attempts are made to keep the temperature in the reactor in the range between 400 ° C. and 700 ° C. and / or to bring it into this temperature range.
  • Setting the operating temperature in the reactor is understood to mean, in particular, setting the operating temperature within the reactor, so that a temperature value during operation of the SOEC system within the reactor is in a range between 400 ° C. and 700 ° C. Particularly good reaction results have been obtained at an operating temperature in a range between 500 ° C and 600 ° C. In other words, even at a temperature of only 600 ° C, the electrolysis and the synthesis could be carried out simultaneously in the desired manner.
  • the invention relates to a system concept which enables the operation of a SOEC system, in particular in the form of a stationary SOEC system, in an advantageous manner, as that directly on the reactor, in particular in the form of a fuel cell stack, not only the SOEC system electrochemical conversion of the gases to be electrolyzed takes place, but also partially and / or based on the thermodynamic equilibrium up to completeness, the desired catalytic chemical synthesis process is carried out. Since high conversion rates on the fuel cell stack are generally not given in generic SOEC systems due to the usually high temperatures, it is advantageous to implement a combined system in which a partial conversion to synthesis products takes place on the fuel cell stack and thus the heat management is improved. With special process management and system adaptation, it is also possible to operate the SOEC system with the aid of suitable materials and / or catalysts in such a way that they accelerate not only the electrochemical reactions but also the synthesis process.
  • the electrolysis is carried out to generate synthesis gas, the synthesis gas in particular comprising hydrogen and carbon monoxide. That is, the electrolysis is carried out in particular to generate hydrogen and carbon monoxide.
  • a synthesis can be understood to mean an equilibrium reaction.
  • the synthesis in the reactor enables partial pressures of the electrolysis products to be reduced. This has a direct influence on the necessary electrolysis voltage and results in a reduction in the necessary electrolysis power.
  • the product gas can be another fuel gas that is differs from hydrogen.
  • the generation of product gas can therefore be understood to mean the generation of a further fuel gas that differs from hydrogen.
  • the product gas can be understood as the gas mixture which results from the synthesis carried out.
  • an operating pressure in the reactor is set in a range between 1 bar and 5 bar during the electrolysis and the synthesis by means of a pressure setting unit.
  • the procedure according to the invention in particular the temperature range according to the invention, enables an advantageous conversion rate to be achieved even at relatively low pressures.
  • Expensive functional components for high pressures can be dispensed with.
  • the desired reactions can even be carried out at pressures below 3 bar and even at pressures below 2 bar and / or take place simultaneously in the reactor.
  • the synthesis is carried out in the form of methanation to generate methane.
  • Methanation has proven to be a particularly advantageous synthesis reaction in order to achieve the desired synergy effects.
  • the reactor has a cathode section and an anode section, with water vapor and / or carbon dioxide being controlled to the cathode section via a process fluid supply section and at least one control valve during the electrolysis and synthesis carried out at the same time is conducted and / or cathode exhaust gas is returned from the cathode section via a recirculation section and through a recirculation control valve in a controlled manner back into the cathode section.
  • the total gas mixture at the process fluid feed section of the fuel cell stack can be influenced by a higher or lower recirculation rate and more or less feed stream in the form of water vapor and / or carbon dioxide. By setting this ratio, it can be influenced whether more or fewer synthesis reactions take place in the reactor. After all, this allows for easy and the conversion rates on and / or in the fuel cell stack can be set in a targeted manner in a reliable manner.
  • the reactor can preferably have a cathode section and an anode section, a flow rate of the cathode fluid required for electrolysis and synthesis through the cathode section being set to a predefined value by a flow rate setting unit during the electrolysis and synthesis carried out at the same time becomes.
  • the conversion rates in the reactor can be significantly influenced by different flow rates, and the lower the flow rates and / or flow rates, the smaller the reactor can be built.
  • a SOEC system with a reactor for simultaneously carrying out an electrolysis for the generation of synthesis gas and a synthesis for the generation of product gas within the reactor.
  • the SOEC system also has a temperature setting unit for setting an operating temperature in the reactor for carrying out the electrolysis and the synthesis in a range between 400 ° C. and 700 ° C. at the same time. That is to say, the temperature setting unit is configured to set an operating temperature in the reactor to a value between 400 ° C. and 700 ° C.
  • a SOEC system according to the invention thus has the same advantages as have been described in detail with reference to the method according to the invention.
  • the electrolysis and the synthesis can take place at least temporarily simultaneously on the same reactive surface within the reactor, in particular in the form of a fuel cell stack with planar fuel cells.
  • a pressure setting unit is configured for setting an operating pressure in the reactor during the electrolysis and the synthesis in a range between 1 bar and 5 bar.
  • the reactor is configured to carry out the synthesis in the form of methanation to generate methane.
  • the reactor can advantageously have a cathode section and an anode section, the cathode section having a cathode catalyst for the catalytic conversion of only a predefined part of the synthesis gas.
  • synthesis gas such as hydrogen and / or carbon monoxide produced on the fuel cell stack can be converted catalytically on, for example, a nickel surface of the reactor in the context of a Sabatier reaction as close as possible to chemical equilibrium.
  • the chemical equilibrium prevents all of the synthesis gas from being converted into methane gas, for example.
  • the reactor has a cathode section and an anode section and the SOEC system also has a process fluid feed section for the controlled supply of water vapor and / or carbon dioxide to the cathode section and a recirculation section for the controlled return of cathode exhaust gas having the cathode section back into the cathode section.
  • a SOEC system according to the invention can have a flow rate setting unit for setting a flow rate of the cathode fluid required for electrolysis and synthesis through the cathode section.
  • the reactor can preferably have a fluid inlet area and a fluid outlet area, wherein a first temperature sensor for determining an inlet temperature is arranged at the fluid inlet area and a second temperature sensor for determining an outlet temperature at the fluid outlet area is arranged at the fluid outlet area, and wherein the temperature setting unit is configured for setting the operating temperature in the reactor for the simultaneous implementation of the electrolysis and the synthesis on the basis of the ascertained inlet temperature and / or on the basis of the ascertained outlet temperature.
  • FIG. 1 shows an illustration for explaining a method according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a block diagram for describing a SOEC system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a simplified illustration to explain a method for operating a SOEC system 10 shown in FIG. 2, which has a reactor 11 in the form of a medium-temperature fuel cell stack for performing an electrolysis for synthesis gas generation and a synthesis for product gas generation and a temperature setting unit 14 for setting an operating temperature in the reactor 11 comprises.
  • the operating temperature is maintained in a range between 500 ° C and 600 ° C during electrolysis and synthesis. In this temperature range, an electrolysis for the generation of synthesis gas and a synthesis for the generation of product gas can be carried out simultaneously in the reactor 11.
  • the reactor 11 shown in FIG. 1 has a cathode section 12 and an anode section 13.
  • the cathode section 12 has a cathode inlet 33 and a cathode outlet 34.
  • the anode section 13 has an anode input 35 and an anode output 36.
  • the cathode section 12 can be understood as the fuel side of the reactor 11.
  • the anode section 13 can be understood as the air side of the reactor 11.
  • the illustrated reactor has an electrolyte membrane 25 which is sandwiched between the cathode section 12 and the anode section 13.
  • the cathode section 12 has a cathode busbar 26 and a cathode catalyst 27.
  • the anode section 13 has an anode catalyst 28 and an anode busbar 29.
  • the cathode catalytic converter 27 is configured for the catalytic conversion of only a predefined part of the synthesis gas.
  • the cathode section 12 more precisely, a fluid conduction section which adjoins the cathode catalytic converter 27, is introduced Fuel mixture, which has water vapor and carbon dioxide, initiated. At the same time, air is introduced into the anode section 13, more precisely into a fluid conducting section which adjoins the anode catalytic converter 28.
  • synthesis gas which comprises hydrogen and carbon monoxide, is initially produced from the fuel mixture as part of the electrolysis. Since this reaction takes place endothermically, the temperature in the reactor 11 drops slightly as a result. The synthesis gas and unconverted water vapor and unconverted carbon dioxide are then located in the cathode section 12.
  • the synthesis gas can now be converted into methane gas and water vapor as part of a synthesis, more precisely as part of methanation. Since this reaction takes place endothermically, the temperature in reactor 11 rises again slightly. There are now water vapor, carbon dioxide, hydrogen, carbon monoxide and methane gas in the cathode section 12. Water vapor and carbon dioxide can continue to react to form hydrogen and carbon monoxide. Likewise, hydrogen and carbon monoxide can continue to react simultaneously to form methane gas and water vapor. A fluid mixture which comprises water vapor, carbon dioxide, hydrogen, carbon monoxide and methane gas then flows out of the cathode section 12 of the reactor 11. A fluid mixture comprising air and pure oxygen flows out of the anode section 13. The operating pressure in the reactor 11 during the electrolysis and the synthesis is set and / or maintained at a value, as far as possible, only slightly above ambient pressure by a pressure setting unit 15 shown in FIG. 2.
  • the SOEC system 10 has the temperature setting unit 14 for setting the operating temperature in the reactor 11 and the pressure setting unit 15 for setting the operating pressure in the reactor 11 on.
  • the reactor 11 is configured to carry out the synthesis in the form of methanation to generate methane and has correspondingly coated electrodes.
  • the temperature setting unit 14 and the pressure setting unit 15 are configured according to FIG. 1 as part of a controller 17 which is configured to set the SOEC operation.
  • the controller 17 further has a flow rate setting unit 16 for setting a flow rate of the cathode fluid required for electrolysis and synthesis through the cathode section 12.
  • the reactor 11 has a fluid inlet area 21 and a fluid outlet area 22, a first temperature sensor 23 for determining an inlet temperature at the cathode inlet 33 being arranged at the fluid inlet area 21, more precisely at a cathode inlet 33, and a first temperature sensor 23 at the fluid outlet area 22, more precisely at the cathode outlet 34 second temperature sensor 24 for determining an outlet temperature is arranged on fluid outlet region 22.
  • the temperature setting unit 14 is configured to set the operating temperature in the reactor 11 for the simultaneous implementation of the electrolysis and the synthesis on the basis of the ascertained inlet temperature and on the basis of the ascertained outlet temperature.
  • the temperature sensors 23, 24 can also be arranged at a fluid inlet and / or a fluid outlet of the reactor 11.
  • the SOEC system 10 furthermore has a process fluid supply section 31 for the controlled supply of water vapor and carbon dioxide to the cathode section 12.
  • the process fluid supply section 31 has a water vapor line 37 and a water vapor control valve 18 for the controlled supply of water vapor to the cathode section 12.
  • the process fluid supply section 31 has a carbon dioxide line 38 and a carbon dioxide control valve 19 for the controlled supply of carbon dioxide to the cathode section 12.
  • a recirculation section 32 is also designed with a recirculation control valve 20 for the controlled return of cathode exhaust gas from the cathode section 12 back into the cathode section 12.
  • cathode exhaust gas from the cathode section 12 can be conducted back into the cathode section 12 in a controlled manner during the electrolysis and synthesis which are carried out simultaneously.
  • a heat exchanger 39 is designed to heat the water vapor line 37 and thus the water vapor in the water vapor line 37 by means of cathode exhaust gas that is not returned to the cathode section 12.
  • Flierzu stands Heat exchanger 39 with the steam line 37 in a heat-transferring connection.

Abstract

The present invention relates to a method for operating a SOEC system (10) which comprises a reactor (11) for carrying out an electrolysis for synthesis gas generation and a synthesis for product gas generation, said method comprising the steps of: adjusting an operating temperature in the reactor (11) for carrying out the electrolysis and the synthesis in a range from 400 °C to 700 °C by a temperature adjustment unit (14), carrying out the electrolysis for synthesis gas generation in the reactor (11), and at least temporarily carrying out simultaneously the synthesis for product gas generation in the reactor (11). The invention also relates to a SOEC system (10) for carrying out a method according to the invention.

Description

SOEC-System und Verfahren zum Betreiben eines SOEC-Systems SOEC system and method for operating a SOEC system
Die vorliegende Erfindung betrifft ein SOEC-System zum Durchführen einer Elektrolyse sowie einer Synthese. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen SOEC-Systems. The present invention relates to an SOEC system for performing electrolysis and synthesis. The invention also relates to a method for operating such a SOEC system.
Im Stand der Technik sind sogenannte Power-to-Gas-Systeme und Power-to- SynFuel-Systeme bekannt. In diesen können im Rahmen einer Elektrolyse Wasserstoff und durch eine anschließende Synthese ein weiterer Brennstoff wie Methan erzeugt werden. In gattungsgemäßen Systemen wird über Elektrolyseprozesse das Synthesegas erzeugt und in einem weiteren Prozessschritt folgt bei speziellen thermodynamischen Bedingungen mit dem Synthesegas ein Syntheseprozess. D. h., Elektrolyse und Synthese finden zeitlich und/oder lokal getrennt voneinander statt. Dies erfordert einen entsprechend großen und komplexen Systemaufbau. Ein solches System kann der US 2016/0053388 A1 entnommen werden. So-called power-to-gas systems and power-to-SynFuel systems are known in the prior art. In these, hydrogen can be generated in the course of electrolysis and another fuel such as methane can be generated through a subsequent synthesis. In generic systems, the synthesis gas is generated via electrolysis processes and, in a further process step, a synthesis process with the synthesis gas follows under special thermodynamic conditions. This means that electrolysis and synthesis take place separately from one another in terms of time and / or location. This requires a correspondingly large and complex system structure. Such a system can be found in US 2016/0053388 A1.
Darüber hinaus existieren beim Betrieb von Hochtemperatur-Elektrolysesystemen Problemstellungen hinsichtlich der Effizienz des Gesamtbetriebes. Eine Herausforderung stellt die Endotherm ie der Elektrolysereaktionen dar, welche dazu führt, dass Wärme am Brennstoffzellenstapel des Systems verloren geht und damit das Temperaturniveau über den Brennstoffzellenstapel sinkt. Dies bedeutet, dass das gewünschte hohe Temperaturniveau im System durch zusätzliche Vorkehrungen bewerkstelligt werden muss. In addition, there are problems with the operation of high-temperature electrolysis systems with regard to the efficiency of the overall operation. The endothermic nature of the electrolysis reactions represents a challenge, which leads to heat being lost on the fuel cell stack of the system and thus the temperature level above the fuel cell stack falling. This means that the desired high temperature level in the system must be achieved through additional precautions.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen Problematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein SOEC-System sowie ein Verfahren zum Betreiben des SOEC-Systems für eine möglichst effiziente und/oder einfache Brennstofferzeugung zu schaffen. The object of the present invention is to at least partially take into account the problems described above. In particular, it is the object of the present invention to create a SOEC system and a method for operating the SOEC system for the most efficient and / or simple fuel generation possible.
Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie das SOEC-System gemäß Anspruch 6 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen SOEC- System und umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird oder werden kann.The above object is achieved by the claims. In particular, the above object is achieved by the method according to claim 1 and the SOEC system according to claim 6. Further advantages of the invention emerge from the subclaims, the description and the figures. Features and details that are described in connection with the procedure apply here, of course also in connection with the SOEC system according to the invention and vice versa, so that with regard to the disclosure of the individual aspects of the invention reference is or can always be made to each other.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines SOEC-Systems, das einen Reaktor zum Durchführen einer Elektrolyse zur Synthesegaserzeugung und einer Synthese zur Produktgaserzeugung umfasst, zur Verfügung gestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: According to a first aspect of the present invention, a method for operating a SOEC system, which comprises a reactor for performing an electrolysis for synthesis gas generation and a synthesis for product gas generation, is provided. The procedure consists of the following steps:
Einstellen einer Betriebstemperatur im Reaktor zum Durchführen der Elektrolyse und der Synthese in einem Bereich zwischen 400°C und 700°C durch eine Temperatur-Einstelleinheit, Setting an operating temperature in the reactor for carrying out the electrolysis and the synthesis in a range between 400 ° C and 700 ° C by means of a temperature setting unit,
Durchführen der Elektrolyse zur Synthesegaserzeugung im Reaktor, und zumindest vorübergehend gleichzeitiges Durchführen der Synthese zur Produktgaserzeugung im Reaktor. Carrying out the electrolysis to generate synthesis gas in the reactor, and at least temporarily simultaneously carrying out the synthesis for producing product gas in the reactor.
Im Rahmen von Versuchen hat sich überraschend herausgestellt, dass in einem Mitteltemperatur-Reaktor, der in einem Temperaturbereich zwischen 400°C und 700°C betrieben wird, sowohl die Elektrolyse als auch die Synthese ohne nennenswerte, negative Wechselwirkungen zumindest zeitweise gleichzeitig durchgeführt werden können. D. h., in ein und demselben Reaktor werden zumindest vorübergehend gleichzeitig ein Elektrolyseprozess und ein Syntheseprozess durchgeführt. Dies führt zu einer entsprechend kompakten sowie einfachen Bauweise des SOEC-Systems. Auf einen separaten Synthesereaktor stromabwärts des Reaktors kann verzichtet werden, oder ein solcher Synthesereaktor kann deutlich kleiner als bislang ausgeführt werden. Ein gattungsgemäßer Hochtemperatur-Reaktor, der in der Regel in Form eines Brennstoffzellenstapels ausgestaltet ist, wird für die Elektrolyse für gewöhnlich in Temperaturbereichen von deutlich über 700°C betrieben. Der erfindungsgemäße Reaktor ist insbesondere als Brennstoffzellenstapel ausgestaltet oder weist einen Brennstoffzellenstapel auf. In the context of experiments it has surprisingly been found that in a medium-temperature reactor that is operated in a temperature range between 400 ° C and 700 ° C, both the electrolysis and the synthesis can be carried out at least temporarily simultaneously without significant, negative interactions. That is to say, an electrolysis process and a synthesis process are carried out at the same time, at least temporarily, in one and the same reactor. This leads to a correspondingly compact and simple design of the SOEC system. A separate synthesis reactor downstream of the reactor can be dispensed with, or such a synthesis reactor can be made significantly smaller than previously. A generic high-temperature reactor, which is usually designed in the form of a fuel cell stack, is usually operated in temperature ranges of well over 700 ° C. for the electrolysis. The reactor according to the invention is designed in particular as a fuel cell stack or has a fuel cell stack.
Durch die zumindest teilweise erfolgende Synthesereaktion direkt im Reaktor erfolgt im Vergleich zu herkömmlichen SOEC-Systemen eine Reduzierung des Volumenstromes und damit der Strömungsgeschwindigkeiten im Reaktor. Dies führt dazu, dass in einem etwaigen nachfolgenden Synthesereaktor nicht die gesamte Synthese erfolgen muss und zudem die Strömungsgeschwindigkeiten niedriger sind, wodurch maßgeblich die Umsetzraten im Reaktor beeinflusst werden. Je niedriger die Durchflussraten und/oder Durchflussgeschwindigkeiten sind, desto kleiner kann der Reaktor gebaut werden, um die simultan durchgeführte Synthese auf eine bestimmte Umsetzrate zu bringen. The at least partial synthesis reaction taking place directly in the reactor results in a reduction in the volume flow and thus the flow velocities in the reactor compared to conventional SOEC systems. this leads to This means that the entire synthesis does not have to take place in any subsequent synthesis reactor and, moreover, the flow rates are lower, which significantly influences the conversion rates in the reactor. The lower the flow rates and / or flow rates, the smaller the reactor can be built in order to bring the synthesis carried out simultaneously to a certain conversion rate.
Ein gleichzeitiges Durchführen der Elektrolyse und der Synthese führt ferner zu einer thermischen Stabilität des Reaktors, da eine exotherme Synthesereaktion eine endotherme Elektrolysereaktionen mit Wärme versorgen kann. D. h., die elektrochemischen Reaktionen der erfindungsgemäßen Elektrolyse können stark endotherm sein, wodurch Ausgangsströme des Reaktors ein niedrigeres Temperaturniveau als Eingangsströme des Reaktors haben. Dies hat bislang eine wesentliche Herausforderung für das Design und den Betrieb von Elektrolysesystemen dargestellt. Durch exotherme Synthesereaktionen direkt am Reaktor erfolgt ein entsprechender Wärmeeintrag, durch welchen die Endothermie kompensiert werden kann. Ein thermoneutraler Betriebspunkt des SOEC-Systems kann somit vorteilhaft auf niedrigere Teillastpunkte und/oder niedrigere Stromdichten verschoben werden. Zur Steigerung des gewünschten Effekts kann der Reaktor während der Elektrolyse und der Synthese noch mit Kühlfluiden, die kälter als die Betriebstemperatur im Reaktor sind, gekühlt werden. Carrying out the electrolysis and the synthesis at the same time also leads to thermal stability of the reactor, since an exothermic synthesis reaction can supply an endothermic electrolysis reaction with heat. That is to say, the electrochemical reactions of the electrolysis according to the invention can be strongly endothermic, as a result of which output flows of the reactor have a lower temperature level than input flows of the reactor. So far, this has posed a major challenge to the design and operation of electrolysis systems. Through exothermic synthesis reactions directly at the reactor, a corresponding heat input takes place, through which the endothermic can be compensated. A thermoneutral operating point of the SOEC system can thus advantageously be shifted to lower partial load points and / or lower current densities. To increase the desired effect, the reactor can be cooled during the electrolysis and the synthesis with cooling fluids which are colder than the operating temperature in the reactor.
Zum Durchführen der gewünschten Reaktionen können Wasserdampf und Kohlendioxid in eine Brennstoffseite des Reaktors und Luft in eine Luftseite des Reaktors geführt werden. Der Reaktor kann in diesem Fall als Brennstoffzelle ausgestaltet sein. Insbesondere kann der Reaktor als Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen ausgestaltet sein, wobei die vorstehend beschriebene Zufuhr von Wasserdampf und Kohlendioxid in die Brennstoffseite und von Luft in die Luftseite jeweils in jeder Brennstoffzelle durchgeführt wird. Während des erfindungsgemäßen Betriebs des SOEC-Systems können nun Wasserdampf und Kohlendioxid auf der Brennstoffseite im Rahmen der Elektrolyse in Wasserstoff und Kohlenmonoxid umgewandelt werden, während zumindest vorübergehend simultan der erzeugte Wasserstoff und das erzeugte Kohlenmonoxid im Rahmen der Synthese in Methangas und Wasserdampf umgewandelt werden. Folglich kann am jeweiligen Auslass der Brennstoffseite ein Fluidgemisch mit Wasserdampf, Kohlendioxid, Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Methangas erzeugt werden. Am jeweiligen Auslass der Luftseite kann ein Fluidgemisch mit Luft und reinem Sauerstoff erzeugt werden. To carry out the desired reactions, water vapor and carbon dioxide can be fed into a fuel side of the reactor and air can be fed into an air side of the reactor. In this case, the reactor can be designed as a fuel cell. In particular, the reactor can be designed as a fuel cell stack with a plurality of fuel cells, the above-described supply of water vapor and carbon dioxide into the fuel side and of air into the air side being carried out in each fuel cell. During the operation of the SOEC system according to the invention, water vapor and carbon dioxide on the fuel side can now be converted into hydrogen and carbon monoxide as part of the electrolysis, while at least temporarily the hydrogen and carbon monoxide produced are simultaneously converted into methane gas and water vapor as part of the synthesis. As a result, a fluid mixture with water vapor, Carbon dioxide, hydrogen, carbon monoxide and methane gas are generated. A fluid mixture with air and pure oxygen can be generated at the respective outlet on the air side.
Unter dem Durchführen der Elektrolyse kann die Schaffung von erforderlichen Voraussetzungen zum Durchführen der gewünschten Elektrolyse verstanden werden. Analog kann unter dem Durchführen der Synthese die Schaffung von erforderlichen Voraussetzungen zum Durchführen der gewünschten Elektrolyse verstanden werden. Zu den Voraussetzungen zählen das Bereitstellen der erforderlichen Substanzen sowie der nötigen Umgebungsbedingungen im und/oder am Reaktor und/oder im SOEC-System. Carrying out the electrolysis can be understood to mean the creation of the necessary prerequisites for carrying out the desired electrolysis. Similarly, performing the synthesis can be understood to mean the creation of the necessary prerequisites for performing the desired electrolysis. The prerequisites include the provision of the necessary substances and the necessary environmental conditions in and / or on the reactor and / or in the SOEC system.
Das SOEC-System kann insbesondere als reversibel betreibbares SOFC/SOEC- System, also in Form eines SOFC-Systems, das auch als SOEC-System betrieben werden kann, ausgestaltet sein. Unter dem zumindest vorübergehend gleichzeitigen Durchführen der Elektrolyse und der Synthese ist zu verstehen, dass beispielsweise zunächst nur die Elektrolyse durchgeführt werden kann und anschließend die Synthese durchgeführt wird, während die Elektrolyse weiterhin durchgeführt wird. Wie vorstehend beschrieben, können im Rahmen einer Elektrolyse beispielsweise zunächst Wasser, insbesondere Wasserdampf, und Kohlendioxid in Wasserstoff und Kohlenmonoxid umgewandelt werden, und anschließend können im Rahmen einer Synthese der erzeugte Wasserstoff sowie das erzeugte Kohlenmonoxid zurück in Wasser sowie in Methan umgewandelt werden, während im Rahmen der Elektrolyse weiterhin Wasserstoff und Kohlenmonoxid erzeugt werden. The SOEC system can in particular be designed as a reversibly operable SOFC / SOEC system, that is to say in the form of an SOFC system that can also be operated as an SOEC system. Carrying out the electrolysis and the synthesis simultaneously at least temporarily is to be understood as meaning that, for example, only the electrolysis can initially be carried out and then the synthesis is carried out while the electrolysis continues to be carried out. As described above, in the context of electrolysis, for example, water, in particular water vapor, and carbon dioxide can first be converted into hydrogen and carbon monoxide, and then in the context of a synthesis, the hydrogen and carbon monoxide produced can be converted back into water and methane, while in the Hydrogen and carbon monoxide continue to be produced as part of electrolysis.
Zum Einstellen der Betriebstemperatur kann das SOEC-System vorteilhaft eine Temperatursensorik aufweisen, mittels welcher die Temperatur im Reaktor ermittelt werden kann. Anhand der ermittelten Temperatur kann durch einen Controller des SOEC-Systems die gewünschte Temperatur eingestellt und/oder entsprechend geregelt werden. Die Temperatursensorik umfasst beispielsweise eine Temperaturmesseinheit an einem Fluideingang des Reaktors, an welchem der Brennstoff und/oder die Luft in den Reaktor geleitet wird, und/oder eine Temperaturmesseinheit an einem Fluidausgang des Reaktors. Unter dem Einstellen der Betriebstemperatur kann ein Steuern und/oder Regeln der Betriebstemperatur auf einen gewünschten Wert verstanden werden. D. h., im Rahmen des Verfahrens wird insbesondere versucht, die Temperatur im Reaktor im Bereich zwischen 400°C und 700°C zu halten und/oder in diesen Temperaturbereich zu bringen. To set the operating temperature, the SOEC system can advantageously have a temperature sensor, by means of which the temperature in the reactor can be determined. On the basis of the determined temperature, the desired temperature can be set and / or regulated accordingly by a controller of the SOEC system. The temperature sensor system includes, for example, a temperature measuring unit at a fluid inlet of the reactor, at which the fuel and / or the air is fed into the reactor, and / or a temperature measuring unit at a fluid outlet of the reactor. Setting the operating temperature can be understood to mean controlling and / or regulating the operating temperature to a desired value. That is, within the framework of the procedure in particular, attempts are made to keep the temperature in the reactor in the range between 400 ° C. and 700 ° C. and / or to bring it into this temperature range.
Unter dem Einstellen der Betriebstemperatur im Reaktor wird insbesondere ein Einstellen der Betriebstemperatur innerhalb des Reaktors verstanden, sodass ein Temperaturwert während des Betriebs des SOEC-Systems innerhalb des Reaktors in einem Bereich zwischen 400°C und 700°C liegt. Besonders gute Reaktionsergebnisse haben sich bei einer Betriebstemperatur in einem Bereich zwischen 500°C und 600°C ergeben. D. h., bereits bei einer Temperatur von nur 600°C konnten die Elektrolyse und die Synthese auf die gewünschte Weise simultan durchgeführt werden. Setting the operating temperature in the reactor is understood to mean, in particular, setting the operating temperature within the reactor, so that a temperature value during operation of the SOEC system within the reactor is in a range between 400 ° C. and 700 ° C. Particularly good reaction results have been obtained at an operating temperature in a range between 500 ° C and 600 ° C. In other words, even at a temperature of only 600 ° C, the electrolysis and the synthesis could be carried out simultaneously in the desired manner.
Die Erfindung betrifft ein System konzept, welches den Betrieb eines SOEC-Systems, insbesondere in Form eines stationären SOEC-Systems, in einer insofern vorteilhaften Weise ermöglicht, als dass direkt am Reaktor, insbesondere in Form eines Brennstoffzellenstapels, des SOEC-Systems nicht nur die elektrochemische Umsetzung der zu elektrolysierenden Gase erfolgt, sondern auch teilweise und/oder bezogen auf das thermodynamische Gleichgewicht bis zur Vollständigkeit, der gewünschte katalytisch chemische Syntheseprozess durchgeführt wird. Da hohe Umsetzraten am Brennstoffzellenstapel bei gattungsgemäßen SOEC-Systemen durch die für gewöhnlich hohen Temperaturen grundsätzlich nicht gegeben sind, ist es vorteilhaft, ein kombiniertes System auszuführen, bei dem ein teilweiser Umsatz zu Syntheseprodukten am Brennstoffzellenstapel erfolgt und damit das Wärmemanagement verbessert wird. Bei spezieller Prozessführung und Systemanpassung ist es ferner möglich, das SOEC-System mit Hilfe von geeigneten Materialien und/oder Katalysatoren so zu betreiben, dass diese nicht nur die elektrochemischen Reaktionen, sondern auch den Syntheseprozess beschleunigen.The invention relates to a system concept which enables the operation of a SOEC system, in particular in the form of a stationary SOEC system, in an advantageous manner, as that directly on the reactor, in particular in the form of a fuel cell stack, not only the SOEC system electrochemical conversion of the gases to be electrolyzed takes place, but also partially and / or based on the thermodynamic equilibrium up to completeness, the desired catalytic chemical synthesis process is carried out. Since high conversion rates on the fuel cell stack are generally not given in generic SOEC systems due to the usually high temperatures, it is advantageous to implement a combined system in which a partial conversion to synthesis products takes place on the fuel cell stack and thus the heat management is improved. With special process management and system adaptation, it is also possible to operate the SOEC system with the aid of suitable materials and / or catalysts in such a way that they accelerate not only the electrochemical reactions but also the synthesis process.
Die Elektrolyse wird zur Synthesegaserzeugung durchgeführt, wobei das Synthesegas insbesondere Wasserstoff und Kohlenmonoxid umfasst. D. h., die Elektrolyse wird insbesondere zur Erzeugung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid durchgeführt. Unter einer Synthese kann vorliegend eine Gleichgewichtsreaktionen verstanden werden. Durch die Synthese im Reaktor können Partialdrücke der Elektrolyseprodukte verringert werden. Dies nimmt einen direkten Einfluss auf die notwendige Elektrolysespannung und hat eine Verringerung der notwendigen Elektrolyseleistung zur Folge. Das Produktgas kann ein weiteres Brenngas, das sich von Wasserstoff unterscheidet, aufweisen. Mithin kann unter der Produktgaserzeugung die Erzeugung eines weiteren Brenngases, das sich von Wasserstoff unterscheidet, verstanden werden. Unter dem Produktgas kann das Gasgemisch verstanden werden, welches aus der durchgeführten Synthese resultiert. The electrolysis is carried out to generate synthesis gas, the synthesis gas in particular comprising hydrogen and carbon monoxide. That is, the electrolysis is carried out in particular to generate hydrogen and carbon monoxide. In the present context, a synthesis can be understood to mean an equilibrium reaction. The synthesis in the reactor enables partial pressures of the electrolysis products to be reduced. This has a direct influence on the necessary electrolysis voltage and results in a reduction in the necessary electrolysis power. The product gas can be another fuel gas that is differs from hydrogen. The generation of product gas can therefore be understood to mean the generation of a further fuel gas that differs from hydrogen. The product gas can be understood as the gas mixture which results from the synthesis carried out.
Gemäß einerweiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird bei einem Verfahren ein Betriebsdrucks im Reaktor während der Elektrolyse und der Synthese durch eine Druck-Einstelleinheit in einem Bereich zwischen 1 bar und 5 bar eingestellt. Durch das erfindungsgemäße Vorgehen, insbesondere den erfindungsgemäßen Temperaturbereich, kann eine vorteilhafte Umsatzrate schon bei relativ niedrigen Drücken erreicht werden. Auf kostspielige Funktionsbauteile für hohe Drücke kann verzichtet werden. Bei Versuchen im Rahmen der Erfindung hat sich herausgestellt, dass die gewünschten Reaktionen sogar schon bei Drücken unter 3 bar und sogar bei Drücken unter 2 bar durchgeführt werden können und/oder im Reaktor simultan ablaufen. According to a further embodiment of the present invention, in one method, an operating pressure in the reactor is set in a range between 1 bar and 5 bar during the electrolysis and the synthesis by means of a pressure setting unit. The procedure according to the invention, in particular the temperature range according to the invention, enables an advantageous conversion rate to be achieved even at relatively low pressures. Expensive functional components for high pressures can be dispensed with. In experiments within the scope of the invention it has been found that the desired reactions can even be carried out at pressures below 3 bar and even at pressures below 2 bar and / or take place simultaneously in the reactor.
Weiterhin kann es von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die Synthese in Form einer Methanisierung zur Methanerzeugung durchgeführt wird. Eine Methanisierung hat sich als besonders vorteilhafte Synthesereaktion herausgestellt, um die gewünschten Synergieeffekte zu erzielen. Furthermore, it can be advantageous if, in a method according to the invention, the synthesis is carried out in the form of methanation to generate methane. Methanation has proven to be a particularly advantageous synthesis reaction in order to achieve the desired synergy effects.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung der Reaktor einen Kathodenabschnitt und einen Anodenabschnitt aufweist, wobei, während der gleichzeitig durchgeführten Elektrolyse und Synthese, Wasserdampf und/oder Kohlendioxid über einen Prozessfluid-Zuführabschnitt und durch wenigstens ein Kontrollventil kontrolliert zum Kathodenabschnitt geleitet wird und/oder Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt über einen Rezirkulationsabschnitt und durch ein Rezirkulation-Kontrollventil kontrolliert zurück in den Kathodenabschnitt rückgeführt wird. Durch eine höhere oder geringere Rezirkulationsrate und mehr oder weniger Feedstrom in Form von Wasserdampf und/oder Kohlendioxid kann das Gesamtgasgemisch am Prozessfluid- Zuführabschnitt des Brennstoffzellenstapels beeinflusst werden. Durch Einstellen dieses Verhältnisses kann beeinflusst werden, ob mehr oder weniger Synthesereaktionen im Reaktor ablaufen. Schließlich können dadurch auf einfache und zuverlässige Weise gezielt die Umsetzraten am und/oder im Brennstoffzellenstapel eingestellt werden. Furthermore, it is advantageous if, in a method according to the present invention, the reactor has a cathode section and an anode section, with water vapor and / or carbon dioxide being controlled to the cathode section via a process fluid supply section and at least one control valve during the electrolysis and synthesis carried out at the same time is conducted and / or cathode exhaust gas is returned from the cathode section via a recirculation section and through a recirculation control valve in a controlled manner back into the cathode section. The total gas mixture at the process fluid feed section of the fuel cell stack can be influenced by a higher or lower recirculation rate and more or less feed stream in the form of water vapor and / or carbon dioxide. By setting this ratio, it can be influenced whether more or fewer synthesis reactions take place in the reactor. After all, this allows for easy and the conversion rates on and / or in the fuel cell stack can be set in a targeted manner in a reliable manner.
Darüber hinaus kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren der Reaktor bevorzugt einen Kathodenabschnitt und einen Anodenabschnitt aufweisen, wobei, während der gleichzeitig durchgeführten Elektrolyse und Synthese, eine Strömungsgeschwindigkeit des zur Elektrolyse und der Synthese erforderlichen Kathodenfluids durch den Kathodenabschnitt durch eine Strömungsgeschwindigkeit- Einstelleinheit auf einen vordefinierten Wert eingestellt wird. Wie vorstehend bereits erwähnt, können durch unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten maßgeblich die Umsetzraten im Reaktor beeinflusst werden, und je niedriger die Durchflussraten und/oder Durchflussgeschwindigkeiten sind, desto kleiner kann der Reaktor gebaut werden. In addition, in a method according to the invention, the reactor can preferably have a cathode section and an anode section, a flow rate of the cathode fluid required for electrolysis and synthesis through the cathode section being set to a predefined value by a flow rate setting unit during the electrolysis and synthesis carried out at the same time becomes. As already mentioned above, the conversion rates in the reactor can be significantly influenced by different flow rates, and the lower the flow rates and / or flow rates, the smaller the reactor can be built.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein SOEC-System mit einem Reaktor zum gleichzeitigen Durchführen einer Elektrolyse zur Synthesegaserzeugung und einer Synthese zur Produktgaserzeugung innerhalb des Reaktors zur Verfügung gestellt. Das SOEC-System weist ferner eine Temperatur- Einstelleinheit zum Einstellen einer Betriebstemperatur im Reaktor für das gleichzeitige Durchführen der Elektrolyse und der Synthese in einem Bereich zwischen 400°C und 700°C auf. D. h., die Temperatur-Einstelleinheit ist konfiguriert, eine Betriebstemperatur im Reaktor auf einen Wert zwischen 400°C und 700°C einzustellen. Damit bringt ein erfindungsgemäßes SOEC-System die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben worden sind. Bei einem erfindungsgemäßen SOEC-System können die Elektrolyse und die Synthese zumindest vorübergehend simultan auf derselben reaktiven Oberfläche innerhalb des Reaktors, insbesondere in Form eines Brennstoffzellenstapels mit planaren Brennstoffzellen, ablaufen. According to a further aspect of the present invention, a SOEC system with a reactor for simultaneously carrying out an electrolysis for the generation of synthesis gas and a synthesis for the generation of product gas within the reactor is provided. The SOEC system also has a temperature setting unit for setting an operating temperature in the reactor for carrying out the electrolysis and the synthesis in a range between 400 ° C. and 700 ° C. at the same time. That is to say, the temperature setting unit is configured to set an operating temperature in the reactor to a value between 400 ° C. and 700 ° C. A SOEC system according to the invention thus has the same advantages as have been described in detail with reference to the method according to the invention. In a SOEC system according to the invention, the electrolysis and the synthesis can take place at least temporarily simultaneously on the same reactive surface within the reactor, in particular in the form of a fuel cell stack with planar fuel cells.
Von weiterem Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem eine Druck-Einstelleinheit zum Einstellen eines Betriebsdrucks im Reaktor während der Elektrolyse und der Synthese in einem Bereich zwischen 1 bar und 5 bar konfiguriert ist. Der Reaktor ist erfindungsgemäß zum Durchführen der Synthese in Form einer Methanisierung zur Methanerzeugung konfiguriert. Darüber hinaus kann der Reaktor günstigerweise, wie bereits mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben, einen Kathodenabschnitt und einen Anodenabschnitt aufweisen, wobei der Kathodenabschnitt einen Kathoden- Katalysator zur katalytischen Umsetzung von nur einem vordefinierten Teil des Synthesegases aufweist. Dadurch kann am Brennstoffzellenstapel produziertes Synthesegas wie Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid katalytisch auf beispielsweise einer Nickeloberfläche des Reaktors im Rahmen einer Sabatier- Reaktion möglichst nah zum chemischen Gleichgewicht umgesetzt werden. Das chemische Gleichgewicht verhindert, dass das gesamte Synthesegas beispielsweise zu Methangas umgesetzt wird. It can be of further advantage if, in a fuel cell system according to the invention, a pressure setting unit is configured for setting an operating pressure in the reactor during the electrolysis and the synthesis in a range between 1 bar and 5 bar. According to the invention, the reactor is configured to carry out the synthesis in the form of methanation to generate methane. In addition, as already described with reference to the method according to the invention, the reactor can advantageously have a cathode section and an anode section, the cathode section having a cathode catalyst for the catalytic conversion of only a predefined part of the synthesis gas. As a result, synthesis gas such as hydrogen and / or carbon monoxide produced on the fuel cell stack can be converted catalytically on, for example, a nickel surface of the reactor in the context of a Sabatier reaction as close as possible to chemical equilibrium. The chemical equilibrium prevents all of the synthesis gas from being converted into methane gas, for example.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung ist es vorteilhaft, wenn der Reaktor einen Kathodenabschnitt und einen Anodenabschnitt aufweist und das SOEC-System ferner einen Prozessfluid-Zuführabschnitt zum kontrollierten Zuführen von Wasserdampf und/oder Kohlendioxid zum Kathodenabschnitt sowie einen Rezirkulationsabschnitt zum kontrollierten Rückführen von Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt zurück in den Kathodenabschnitt aufweist. Darüber hinaus kann ein erfindungsgemäßes SOEC- System eine Strömungsgeschwindigkeit-Einstelleinheit zum Einstellen einer Strömungsgeschwindigkeit des zur Elektrolyse und der Synthese erforderlichen Kathodenfluids durch den Kathodenabschnitt aufweisen. According to a further embodiment variant of the present invention, it is advantageous if the reactor has a cathode section and an anode section and the SOEC system also has a process fluid feed section for the controlled supply of water vapor and / or carbon dioxide to the cathode section and a recirculation section for the controlled return of cathode exhaust gas having the cathode section back into the cathode section. In addition, a SOEC system according to the invention can have a flow rate setting unit for setting a flow rate of the cathode fluid required for electrolysis and synthesis through the cathode section.
Der Reaktor kann in einem SOEC-System gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt einen Fluideingangsbereich und einen Fluidausgangsbereich aufweisen, wobei am Fluideingangsbereich ein erster Temperatursensor zum Ermitteln einer Eingangstemperatur am Fluideingangsbereich angeordnet ist und am Fluidausgangsbereich ein zweiter Temperatursensor zum Ermitteln einer Ausgangstemperatur am Fluidausgangsbereich angeordnet ist, und wobei die Temperatur-Einstelleinheit zum Einstellen der Betriebstemperatur im Reaktor für das gleichzeitige Durchführen der Elektrolyse und der Synthese anhand der ermittelten Eingangstemperatur und/oder anhand der ermittelten Ausgangstemperatur konfiguriert ist. In a SOEC system according to the present invention, the reactor can preferably have a fluid inlet area and a fluid outlet area, wherein a first temperature sensor for determining an inlet temperature is arranged at the fluid inlet area and a second temperature sensor for determining an outlet temperature at the fluid outlet area is arranged at the fluid outlet area, and wherein the temperature setting unit is configured for setting the operating temperature in the reactor for the simultaneous implementation of the electrolysis and the synthesis on the basis of the ascertained inlet temperature and / or on the basis of the ascertained outlet temperature.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Es zeigen jeweils: Further measures improving the invention emerge from the following description of various exemplary embodiments of the invention, which are shown schematically in the figures. It shows in each case:
Figur 1 eine Darstellung zum Erläutern eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und FIG. 1 shows an illustration for explaining a method according to an embodiment of the present invention, and
Figur 2 ein Blockdiagramm zum Beschreiben eines SOEC-System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. FIG. 2 is a block diagram for describing a SOEC system according to an embodiment of the present invention.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 und 2 mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Elements with the same function and mode of operation are provided with the same reference symbols in FIGS. 1 and 2.
Fig. 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung zum Erläutern eines Verfahrens zum Betreiben eines in Fig. 2 dargestellten SOEC-Systems 10, das einen Reaktor 11 in Form eines Mitteltemperatur-Brennstoffzellenstapels zum Durchführen einer Elektrolyse zur Synthesegaserzeugung und einer Synthese zur Produktgaserzeugung sowie eine Temperatur-Einstelleinheit 14 zum Einstellen einer Betriebstemperatur im Reaktor 11 umfasst. Wie in Fig. 1 dargestellt, wird die Betriebstemperatur während der Elektrolyse und der Synthese in einem Bereich zwischen 500°C und 600°C gehalten. In diesem Temperaturbereich können eine Elektrolyse zur Synthesegaserzeugung und eine Synthese zur Produktgaserzeugung gleichzeitig im Reaktor 11 durchgeführt werden. 1 shows a simplified illustration to explain a method for operating a SOEC system 10 shown in FIG. 2, which has a reactor 11 in the form of a medium-temperature fuel cell stack for performing an electrolysis for synthesis gas generation and a synthesis for product gas generation and a temperature setting unit 14 for setting an operating temperature in the reactor 11 comprises. As shown in Fig. 1, the operating temperature is maintained in a range between 500 ° C and 600 ° C during electrolysis and synthesis. In this temperature range, an electrolysis for the generation of synthesis gas and a synthesis for the generation of product gas can be carried out simultaneously in the reactor 11.
Der in Fig. 1 dargestellte Reaktor 11 weist einen Kathodenabschnitt 12 und einen Anodenabschnitt 13 auf. Der Kathodenabschnitt 12 weist einen Kathodeneingang 33 und einen Kathodenausgang 34 auf. Der Anodenabschnitt 13 weist einen Anodeneingang 35 und einen Anodenausgang 36 auf. Der Kathodenabschnitt 12 kann als Brennstoffseite des Reaktors 11 verstanden werden. Der Anodenabschnitt 13 kann als Luftseite des Reaktors 11 verstanden werden. Außerdem weist der dargestellte Reaktor eine Elektrolytmembran 25 auf, die sandwichartig zwischen dem Kathodenabschnitt 12 und dem Anodenabschnitt 13 angeordnet ist. Der Kathodenabschnitt 12 weist eine Kathoden-Stromschiene 26 und einen Kathoden- Katalysator 27 auf. Der Anodenabschnitt 13 weist einen Anoden-Katalysator 28 und eine Anoden-Stromschiene 29 auf. Der Kathoden-Katalysator 27 ist zur katalytischen Umsetzung von nur einem vordefinierten Teil des Synthesegases konfiguriert. The reactor 11 shown in FIG. 1 has a cathode section 12 and an anode section 13. The cathode section 12 has a cathode inlet 33 and a cathode outlet 34. The anode section 13 has an anode input 35 and an anode output 36. The cathode section 12 can be understood as the fuel side of the reactor 11. The anode section 13 can be understood as the air side of the reactor 11. In addition, the illustrated reactor has an electrolyte membrane 25 which is sandwiched between the cathode section 12 and the anode section 13. The cathode section 12 has a cathode busbar 26 and a cathode catalyst 27. The anode section 13 has an anode catalyst 28 and an anode busbar 29. The cathode catalytic converter 27 is configured for the catalytic conversion of only a predefined part of the synthesis gas.
Im Rahmen des Verfahrens wird in den Kathodenabschnitt 12, genauer gesagt in einen Fluidleitabschnitt, der an den Kathoden-Katalysator 27 angrenzt, ein Brennstoffgemisch, das Wasserdampf und Kohlendioxid aufweist, eingeleitet. Gleichzeitig wird in den Anodenabschnitt 13, genauer gesagt in einen Fluidleitabschnitt, der an den Anoden-Katalysator 28 angrenzt, Luft eingeleitet. Im Kathodenabschnitt 12 entsteht aus dem Brennstoffgemisch im Rahmen der Elektrolyse nun zunächst Synthesegas, das Wasserstoff und Kohlenmonoxid umfasst. Da diese Reaktion endotherm stattfindet, fällt die Temperatur im Reaktor 11 hierdurch leicht ab. Anschließend befinden sich das Synthesegas sowie nicht umgewandelter Wasserdampf und nicht umgewandeltes Kohlendioxid im Kathodenabschnitt 12. Das Synthesegas kann nun im Rahmen einer Synthese, genauer gesagt im Rahmen einer Methanisierung, zu Methangas und Wasserdampf umgewandelt werden. Da diese Reaktion endotherm stattfindet, steigt die Temperatur im Reaktor 11 wieder leicht an. Nun befinden sich Wasserdampf, Kohlendioxid, Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Methangas im Kathodenabschnitt 12. Wasserdampf und Kohlendioxid können weiterhin zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid reagieren. Ebenso können simultan weiterhin Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu Methangas und Wasserdampf reagieren. Aus dem Kathodenabschnitt 12 des Reaktors 11 strömt anschließend ein Fluidgemisch, das Wasserdampf, Kohlendioxid, Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Methangas aufweist. Aus dem Anodenabschnitt 13 strömt ein Fluidgemisch, das Luft und reinen Sauerstoff aufweist. Der Betriebsdruck im Reaktor 11 während der Elektrolyse und der Synthese wird durch eine in Fig. 2 dargestellte Druck-Einstelleinheit 15 auf einen Wert möglichst nur leicht über dem Umgebungsdruck eingestellt und/oder gehalten.In the context of the method, the cathode section 12, more precisely, a fluid conduction section which adjoins the cathode catalytic converter 27, is introduced Fuel mixture, which has water vapor and carbon dioxide, initiated. At the same time, air is introduced into the anode section 13, more precisely into a fluid conducting section which adjoins the anode catalytic converter 28. In the cathode section 12, synthesis gas, which comprises hydrogen and carbon monoxide, is initially produced from the fuel mixture as part of the electrolysis. Since this reaction takes place endothermically, the temperature in the reactor 11 drops slightly as a result. The synthesis gas and unconverted water vapor and unconverted carbon dioxide are then located in the cathode section 12. The synthesis gas can now be converted into methane gas and water vapor as part of a synthesis, more precisely as part of methanation. Since this reaction takes place endothermically, the temperature in reactor 11 rises again slightly. There are now water vapor, carbon dioxide, hydrogen, carbon monoxide and methane gas in the cathode section 12. Water vapor and carbon dioxide can continue to react to form hydrogen and carbon monoxide. Likewise, hydrogen and carbon monoxide can continue to react simultaneously to form methane gas and water vapor. A fluid mixture which comprises water vapor, carbon dioxide, hydrogen, carbon monoxide and methane gas then flows out of the cathode section 12 of the reactor 11. A fluid mixture comprising air and pure oxygen flows out of the anode section 13. The operating pressure in the reactor 11 during the electrolysis and the synthesis is set and / or maintained at a value, as far as possible, only slightly above ambient pressure by a pressure setting unit 15 shown in FIG. 2.
Fig. 2 zeigt ein SOEC-System 10 mit einem wie in Fig. 1 dargestellten Reaktor 11. Das SOEC-System 10 weist die Temperatur-Einstelleinheit 14 zum Einstellen der Betriebstemperatur im Reaktor 11 sowie die Druck-Einstelleinheit 15 zum Einstellen des Betriebsdrucks im Reaktor 11 auf. Der Reaktor 11 ist zum Durchführen der Synthese in Form einer Methanisierung zur Methanerzeugung konfiguriert und weist entsprechend beschichtete Elektroden auf. Die Temperatur-Einstelleinheit 14 und die Druck-Einstelleinheit 15 sind gemäß Fig. 1 als Bestandteil eines Controllers 17, der zum Einstellen des SOEC-Betriebs konfiguriert ist, ausgestaltet. Der Controller 17 weist ferner eine Strömungsgeschwindigkeit-Einstelleinheit 16 zum Einstellen einer Strömungsgeschwindigkeit des zur Elektrolyse und der Synthese erforderlichen Kathodenfluids durch den Kathodenabschnitt 12 auf. Der Reaktor 11 weist einen Fluideingangsbereich 21 und einen Fluidausgangsbereich 22 auf, wobei am Fluideingangsbereich 21, genauer gesagt an einem Kathodeneingang 33, ein erster Temperatursensor 23 zum Ermitteln einer Eingangstemperatur am Kathodeneingang 33 angeordnet ist und am Fluidausgangsbereich 22, genauer gesagt am Kathodenausgang 34, ein zweiter Temperatursensor 24 zum Ermitteln einer Ausgangstemperatur am Fluidausgangsbereich 22 angeordnet ist. Die Temperatur-Einstelleinheit 14 ist zum Einstellen der Betriebstemperatur im Reaktor 11 für das gleichzeitige Durchführen der Elektrolyse und der Synthese anhand der ermittelten Eingangstemperatur und anhand der ermittelten Ausgangstemperatur konfiguriert. Alternativ zur dargestellten Ausführungsform können die Temperatursensoren 23, 24 auch an einem Fluideingang und/oder einem Fluidausgang des Reaktors 11 angeordnet sein. 2 shows a SOEC system 10 with a reactor 11 as shown in FIG. 1. The SOEC system 10 has the temperature setting unit 14 for setting the operating temperature in the reactor 11 and the pressure setting unit 15 for setting the operating pressure in the reactor 11 on. The reactor 11 is configured to carry out the synthesis in the form of methanation to generate methane and has correspondingly coated electrodes. The temperature setting unit 14 and the pressure setting unit 15 are configured according to FIG. 1 as part of a controller 17 which is configured to set the SOEC operation. The controller 17 further has a flow rate setting unit 16 for setting a flow rate of the cathode fluid required for electrolysis and synthesis through the cathode section 12. The reactor 11 has a fluid inlet area 21 and a fluid outlet area 22, a first temperature sensor 23 for determining an inlet temperature at the cathode inlet 33 being arranged at the fluid inlet area 21, more precisely at a cathode inlet 33, and a first temperature sensor 23 at the fluid outlet area 22, more precisely at the cathode outlet 34 second temperature sensor 24 for determining an outlet temperature is arranged on fluid outlet region 22. The temperature setting unit 14 is configured to set the operating temperature in the reactor 11 for the simultaneous implementation of the electrolysis and the synthesis on the basis of the ascertained inlet temperature and on the basis of the ascertained outlet temperature. As an alternative to the embodiment shown, the temperature sensors 23, 24 can also be arranged at a fluid inlet and / or a fluid outlet of the reactor 11.
In dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel weist das SOEC-System 10 ferner einen Prozessfluid-Zuführabschnitt 31 zum kontrollierten Zuführen von Wasserdampf und Kohlendioxid zum Kathodenabschnitt 12 auf. Der Prozessfluid-Zuführabschnitt 31 weist eine Wasserdampfleitung 37 und ein Wasserdampf-Kontrollventil 18 zum kontrollierten Zuführen von Wasserdampf zum Kathodenabschnitt 12 auf. Außerdem weist der Prozessfluid-Zuführabschnitt 31 eine Kohlendioxidleitung 38 und ein Kohlendioxid-Kontrollventil 19 zum kontrollierten Zuführen von Kohlendioxid zum Kathodenabschnitt 12 auf. Somit können während der gleichzeitig durchgeführten Elektrolyse und Synthese, Wasserdampf und/oder Kohlendioxid über den Prozessfluid-Zuführabschnitt 31 und durch das jeweilige Kontrollventil 18, 19 kontrolliert zum Kathodenabschnitt 12 geleitet werden. In the example shown in FIG. 2, the SOEC system 10 furthermore has a process fluid supply section 31 for the controlled supply of water vapor and carbon dioxide to the cathode section 12. The process fluid supply section 31 has a water vapor line 37 and a water vapor control valve 18 for the controlled supply of water vapor to the cathode section 12. In addition, the process fluid supply section 31 has a carbon dioxide line 38 and a carbon dioxide control valve 19 for the controlled supply of carbon dioxide to the cathode section 12. Thus, during the electrolysis and synthesis carried out at the same time, water vapor and / or carbon dioxide can be guided to the cathode section 12 in a controlled manner via the process fluid feed section 31 and through the respective control valve 18, 19.
Im dargestellten SOEC-System 10 ist zudem ein Rezirkulationsabschnitt 32 mit einem Rezirkulation-Kontrollventil 20 zum kontrollierten Rückführen von Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt 12 zurück in den Kathodenabschnitt 12 ausgestaltet. Damit kann Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt 12 während der gleichzeitig durchgeführten Elektrolyse und Synthese kontrolliert zurück in den Kathodenabschnitt 12 geleitet werden. In the SOEC system 10 shown, a recirculation section 32 is also designed with a recirculation control valve 20 for the controlled return of cathode exhaust gas from the cathode section 12 back into the cathode section 12. In this way, cathode exhaust gas from the cathode section 12 can be conducted back into the cathode section 12 in a controlled manner during the electrolysis and synthesis which are carried out simultaneously.
Weiterhin ist ein Wärmetauscher 39 zum Aufheizen der Wasserdampfleitung 37 und somit des Wasserdampfes in der Wasserdampfleitung 37 durch Kathodenabgas, das nicht in den Kathodenabschnitt 12 zurückgeführt wird, ausgestaltet. Flierzu steht der Wärmetauscher 39 mit der Wasserdampfleitung 37 in wärmeübertragender Verbindung. Furthermore, a heat exchanger 39 is designed to heat the water vapor line 37 and thus the water vapor in the water vapor line 37 by means of cathode exhaust gas that is not returned to the cathode section 12. Flierzu stands Heat exchanger 39 with the steam line 37 in a heat-transferring connection.
Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestaltungsgrundsätze zu. D. h. die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden. In addition to the illustrated embodiments, the invention allows further design principles. I. E. the invention should not be viewed as restricted to the exemplary embodiments explained with reference to the figures.
Bezugszeichenliste List of reference symbols
10 SOEC-System 10 SOEC system
11 Reaktor 11 reactor
12 Kathodenabschnitt 12 cathode section
13 Anodenabschnitt 13 anode section
14 Temperatur-Einstelleinheit 14 Temperature setting unit
15 Druck-Einstelleinheit 15 Pressure setting unit
16 Strömungsgeschwindigkeit-Einstelleinheit16 Flow rate adjustment unit
17 Controller 17 controller
18 Wasserdampf-Kontrollventil 18 Water vapor control valve
19 Kohlendioxid-Kontrollventil 19 Carbon Dioxide Control Valve
20 Rezirkulation-Kontrollventil 20 Recirculation control valve
21 Fluideingangsbereich 21 Fluid inlet area
22 Fluidausgangsbereich 22 Fluid outlet area
23 erster Temperatursensor 23 first temperature sensor
24 zweiter Temperatursensor 24 second temperature sensor
25 Elektrolytmembran 25 electrolyte membrane
26 Kathoden-Stromschiene 26 Cathode busbar
27 Kathoden-Katalysator 27 Cathode Catalyst
28 Anoden-Katalysator 28 Anode Catalyst
29 Anoden-Stromschiene 29 Anode busbar
31 Prozessfluid-Zuführabschnitt 31 process fluid supply section
32 Rezirkulationsabschnitt 32 recirculation section
33 Kathodeneingang 33 Cathode input
34 Kathodenausgang 34 cathode output
35 Anodeneingang 35 Anode input
36 Anodenausgang 36 anode output
37 Wasserdampfleitung 37 Steam pipe
38 Kohlendioxidleitung 38 Carbon Dioxide Line
39 Wärmetauscher 39 heat exchangers

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren zum Betreiben eines SOEC-Systems (10), das einen Reaktor (11 ) zum Durchführen einer Elektrolyse zur Synthesegaserzeugung und einer Synthese zur Produktgaserzeugung umfasst, aufweisend die Schritte: 1. A method for operating a SOEC system (10) which comprises a reactor (11) for carrying out an electrolysis for the generation of synthesis gas and a synthesis for the generation of product gas, comprising the steps:
Einstellen einer Betriebstemperatur im Reaktor (11 ) zum Durchführen der Elektrolyse und der Synthese in einem Bereich zwischen 400°C und 700°C durch eine Temperatur-Einstelleinheit (14), Setting an operating temperature in the reactor (11) for carrying out the electrolysis and the synthesis in a range between 400 ° C and 700 ° C by a temperature setting unit (14),
Durchführen der Elektrolyse zur Synthesegaserzeugung im Reaktor (11 ), und zumindest vorübergehend gleichzeitiges Durchführen der Synthese zur Produktgaserzeugung im Reaktor (11). Carrying out the electrolysis for generating synthesis gas in the reactor (11), and at least temporarily simultaneously carrying out the synthesis for producing product gas in the reactor (11).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Betriebsdrucks im Reaktor (11) während der Elektrolyse und der Synthese durch eine Druck-Einstelleinheit (15) in einem Bereich zwischen 1 bar und 5 bar eingestellt wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that an operating pressure in the reactor (11) is set in a range between 1 bar and 5 bar during the electrolysis and the synthesis by a pressure setting unit (15).
3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Synthese in Form einer Methanisierung zur Methanerzeugung durchgeführt wird. 3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the synthesis is carried out in the form of methanation to generate methane.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (11) einen Kathodenabschnitt (12) und einen Anodenabschnitt (13) aufweist, wobei, während der gleichzeitig durchgeführten Elektrolyse und Synthese, Wasserdampf und/oder Kohlendioxid über einen Prozessfluid- Zuführabschnitt (31) und durch wenigstens ein Kontrollventil (18, 19) kontrolliert zum Kathodenabschnitt (12) geleitet wird und/oder Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt (12) über einen Rezirkulationsabschnitt (32) und durch ein Rezirkulation-Kontrollventil (20) kontrolliert zurück in den Kathodenabschnitt (12) rückgeführt wird. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the reactor (11) has a cathode section (12) and an anode section (13), wherein, during the electrolysis and synthesis carried out simultaneously, water vapor and / or carbon dioxide via a process fluid Feed section (31) and controlled by at least one control valve (18, 19) to the cathode section (12) and / or cathode exhaust gas from the cathode section (12) via a recirculation section (32) and controlled by a recirculation control valve (20) back in the cathode section (12) is returned.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (11) einen Kathodenabschnitt (12) und einen Anodenabschnitt (13) aufweist, wobei, während der gleichzeitig durchgeführten Elektrolyse und Synthese, eine Strömungsgeschwindigkeit des zur Elektrolyse und der Synthese erforderlichen Kathodenfluids durch den Kathodenabschnitt (12) durch eine Strömungsgeschwindigkeit-Einstelleinheit (16) auf einen vordefinierten Wert eingestellt wird. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the reactor (11) has a cathode section (12) and an anode section (13), wherein, during the electrolysis and synthesis carried out simultaneously, a flow rate of the required for electrolysis and synthesis Cathode fluid through the cathode section (12) is set to a predefined value by a flow rate setting unit (16).
6. SOEC-System (10), aufweisend einen Reaktor (11) zum gleichzeitigen Durchführen einer Elektrolyse zur Synthesegaserzeugung und einer Synthese zur Produktgaserzeugung innerhalb des Reaktors (11), und eine Temperatur- Einstelleinheit (14) zum Einstellen einer Betriebstemperatur im Reaktor (11) für das gleichzeitige Durchführen der Elektrolyse und der Synthese in einem Bereich zwischen 400°C und 700°C . 6. SOEC system (10), comprising a reactor (11) for simultaneously performing an electrolysis to generate synthesis gas and a synthesis to generate product gas within the reactor (11), and a temperature setting unit (14) for setting an operating temperature in the reactor (11 ) for the simultaneous performance of electrolysis and synthesis in a range between 400 ° C and 700 ° C.
7. SOEC-System (10) nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Druck-Einstelleinheit (15) zum Einstellen eines Betriebsdrucks im Reaktor (11) während der Elektrolyse und der Synthese in einem Bereich zwischen 1 bar und 5 bar. 7. SOEC system (10) according to claim 6, characterized by a pressure setting unit (15) for setting an operating pressure in the reactor (11) during the electrolysis and the synthesis in a range between 1 bar and 5 bar.
8. SOEC-System (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (11) zum Durchführen der Synthese in Form einer Methanisierung zur Methanerzeugung konfiguriert ist. 8. SOEC system (10) according to one of claims 6 to 7, characterized in that the reactor (11) is configured to carry out the synthesis in the form of methanation to generate methane.
9. SOEC-System (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (11) einen Kathodenabschnitt (12) und einen Anodenabschnitt (13) aufweist, wobei der Kathodenabschnitt (12) einen Kathoden-Katalysator (27) zur katalytischen Umsetzung von nur einem vordefinierten Teil des Synthesegases aufweist. 9. SOEC system (10) according to one of claims 6 to 8, characterized in that the reactor (11) has a cathode section (12) and an anode section (13), the cathode section (12) having a cathode catalyst (27 ) for the catalytic conversion of only a predefined part of the synthesis gas.
10. SOEC-System (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (11) einen Kathodenabschnitt (12) und einen Anodenabschnitt (13) aufweist und das SOEC-System (10) ferner einen Prozessfluid-Zuführabschnitt (31) zum kontrollierten Zuführen von Wasserdampf und/oder Kohlendioxid zum Kathodenabschnitt (12) sowie einen Rezirkulationsabschnitt (32) zum kontrollierten Rückführen von Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt (12) zurück in den Kathodenabschnitt (12) aufweist. 10. SOEC system (10) according to one of claims 6 to 9, characterized in that the reactor (11) has a cathode section (12) and an anode section (13) and the SOEC system (10) further comprises a process fluid supply section (31) for the controlled supply of water vapor and / or carbon dioxide to the cathode section (12) and a recirculation section (32) for the controlled return of cathode exhaust gas from the cathode section (12) back into has the cathode section (12).
11. SOEC-System (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (11) einen Kathodenabschnitt (12) und einen Anodenabschnitt (13) aufweist und das SOEC-System (10) ferner eine Strömungsgeschwindigkeit- Einstelleinheit (16) zum Einstellen einer Strömungsgeschwindigkeit des zur Elektrolyse und der Synthese erforderlichen Kathodenfluids durch den Kathodenabschnitt (12) aufweist. 11. SOEC system (10) according to one of claims 6 to 10, characterized in that the reactor (11) has a cathode section (12) and an anode section (13) and the SOEC system (10) further comprises a flow rate setting unit (16) for setting a flow rate of the cathode fluid required for electrolysis and synthesis through the cathode section (12).
12. SOEC-System (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (11) einen Fluideingangsbereich (21) und einen Fluidausgangsbereich (22) aufweist, wobei am Fluideingangsbereich (21) ein erster Temperatursensor (23) zum Ermitteln einer Eingangstemperatur am Fluideingangsbereich (21) angeordnet ist und am Fluidausgangsbereich (22) ein zweiter Temperatursensor (24) zum Ermitteln einer Ausgangstemperatur am Fluidausgangsbereich (22) angeordnet ist, und wobei die Temperatur- Einstelleinheit (14) zum Einstellen der Betriebstemperatur im Reaktor (11) für das gleichzeitige Durchführen der Elektrolyse und der Synthese anhand der ermittelten Eingangstemperatur und/oder anhand der ermittelten Ausgangstemperatur konfiguriert ist. 12. SOEC system (10) according to one of claims 6 to 11, characterized in that the reactor (11) has a fluid inlet area (21) and a fluid outlet area (22), a first temperature sensor (23) at the fluid inlet area (21) for determining an inlet temperature at the fluid inlet area (21) and a second temperature sensor (24) for determining an outlet temperature at the fluid outlet area (22) is arranged at the fluid outlet area (22), and the temperature setting unit (14) for setting the operating temperature in the reactor (11) is configured for the simultaneous performance of the electrolysis and the synthesis based on the ascertained inlet temperature and / or based on the ascertained outlet temperature.
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