CH626751A5

CH626751A5 -

Info

Publication number: CH626751A5
Application number: CH1024177A
Authority: CH
Inventors: Leslie Lawrence Van Dine
Original assignee: United Technologies Corp
Priority date: 1976-08-30
Filing date: 1977-08-22
Publication date: 1981-11-30
Also published as: IT1086141B; ES461931A1; SE7709597L; IL52659A; US4041210A; DK351077A; BE858201A; CA1096445A; GB1534621A; AU2770977A; DE2737316A1; BR7705724A; FR2363205A1; AU507098B2; JPS5329534A; IL52659A0; NL7708903A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellen-Kraftanlage.

Seitdem die Brennstoffvorräte schwinden, werden beträchtliche Anstrengungen unternommen, um wirksamere Methoden zur Erzeugung von Energie zu entwickeln. Kernenergie, Sonnenenergie, und Brennstoffzellenenergie sind nur einige der Möglichkeiten, die erforscht werden. Hinsichtlich der Brennstoffzellen sind in jüngerer Zeit beträchtliche Fortschritte gemacht worden, wie die Brennstoffzellenkraftanlagen zeigen, die aus den US-PSen 3 973 993,4 001 041,3 976 506, 3 982 962,3 972 731,4 004 947 und 3 987 507 bekannt sind. Bei den in diesen Patentschriften beschriebenen Kraftanlagen ist der Schlüssel zum Erfolg das Unter-Druck-Setzen der Kraftanlagen unter Verwendung von Turboladern, die durch Energie angetrieben werden, die in der Kraftanlage erzeugt wird und normalerweise Verlustenergie ist. Doch trotz der vielen Vorteile, die diese Kraftanlagen aufweisen, ist ihr Gesamtwirkungsgrad nur etwa der gleiche wie bei den wirksamsten Dampfturbinenkraftanlagen, die gegenwärtig durch die Elektrizitätsgesellschaften benutzt werden.

Bekanntlich können Mischkreislaufkraftanlagen den Gesamtwirkungsgrad von vielen Arten von Energieerzeugern verbessern, indem in einem Grund- oder Restkreislauf die Energie ausgenutzt wird, die sonst Verlustenergie darstellen würde.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer äusserst wirksamen Kraftanlage zur Erzeugung von elektrischer Energie.

Die erfindungsgemässe Anlage weist die im kennzeichnenden Teil des unabhängigen PA 1 aufgeführten Merkmale auf.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kraftanlage eine Mischkreislaufkraftanlage, die einen Grund- oder Restkreislauf enthält, der mit Wärmeenergie aus dem Oxydations-mittelabfluss und aus dem Turboladerabgas betrieben wird.

Das Gewinnen und Gebrauchen von Brennstoffzellenab2

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wärme ist gewiss nicht neu, wie die oben angegebenen US-Patentschriften zeigen. Ein solcher Vorschlag findet sich ferner in der US-PS 3 488 226. Beispielsweise liefern gemäss dieser Patentschrift Karbonatschmelzenbrennstoffzellen die Wärme, die in einem endothermen Reformer benutzt wird, welcher den Brennstoff für die Brennstoffzellen erzeugt. Weiter ist es aus dieser Patentschrift bekannt, dass die Wärme in dem Brenn-stoffzellenanodenabfluss gewonnen und zur Erzeugung des durch den Reformer benötigten Dampfes benutzt oder aber verbrannt und zum Vorwärmen des unverarbeiteten Brennstoffes vor seiner Einleitung in den Reformer benutzt werden kann. Diese Patentschrift sagt jedoch nicht aus, dass es genügend Wärme zum Betreiben eines getrennten Restkreislaufes gibt, und in jedem Fall wird durch diese Patentschrift nicht nahegelegt, wie das wirksam erreicht oder überhaupt erreicht werden könnte.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein exothermer Brennstoffreaktor mit unter Druck stehendem Oxydationsmittel aus einem Turbolader und mit Rohbrennstoff versorgt. Verarbeiteter Brennstoff aus dem Reaktor wird zu der Brennstoff- oder Anodenseite von Carbonatschmelzen-brennstoffzellen gefördert. Der Ausfluss von der Anodenseite der Zellen wird in einem Brenner mit unter Druck stehendem Oxydationsmittel aus einem Turbolader verbrannt, und die Verbrennungsprodukte einschliesslich überschüssigen Oxydationsmittels zur Verwendung in den Brennstoffzellen werden zu der Oxydationsmittel- oder Kathodenseite der Zellen zusammen mit zurückgeleitetem Oxydationsmittelausfluss gefördert. Ein Teil des Oxydationsmittelausflusses wird nicht zurückgeleitet, sondern zum Antreiben des Turboladers benutzt. In dieser Ausführungsform wird der Restkreislauf mit Wärmeenergie aus dem exothermen Reaktor sowie aus dem zurückgeleiteten Oxydationsmittelausfluss und aus dem Turboladerabgas betrieben. Vorzugsweise ist der Reaktor ein Brennstoffvergaser, der in der Lage ist, fast jeglichen fossilen Brennstoff zu verbrennen, und der Restkreislauf ist ein dampfgetriebener Turbogenerator. Es wird geschätzt, dass ein Gesamtkraftanlagenwirkungs-grad von bis zu 50% mit einer Kraftanlage erreicht werden kann, deren einzelne Teile gemäss der Erfindung ausgebildet sind, im Vergleich zu dem Wirkungsgrad von 40% der wirksamsten heutigen Kraftanlagen.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein vereinfachtes Schema einer Ausführungsform einer Mischkreislaufkraftanlage nach der Erfindung,

Fig. 2 ein vereinfachtes Schema einer weiteren Ausführungsform einer Mischkreislaufkraftanlage nach der Erfindung, und

Fig. 3 ein vollständigeres Schema einer Mischkreislaufkraftanlage ähnlich der von Fig. 1.

In Fig. 1 ist eine vereinfachte Version einer Mischkreislaufkraftanlage nach der Erfindung schematisch dargestellt. Die Kraftanlage enthält vier Grundblöcke: das Brennstoffverarbeitungsgerät 10, mehrere in Reihe geschaltete Brennstoffzellen 12, von denen der Einfachheit halber nur eine dargestellt ist, ein einen Restkreislauf 14 darstellendes Gerät und einen oder mehrere Turbolader 16. Wie im folgenden noch deutlicher werden wird, sind die Komponenten oder Blöcke sorgfältig integriert, so dass die erzeugte Energie maximal ausgenutzt wird, mit dem Ziel, nutzbare elektrische Energie zu erzeugen. Grundsätzlich dient der Restkreislauf 14 zur Aufnahme von Energie, die an anderer Stelle in der Kraftanlage erzeugt wird, und zur Umwandlung dieser Energie, die im allgemeinen in Form von Wärmeenergie vorliegt, in zusätzliche elektrische Energie.

In dieser besonderen Ausführungsform sind die Brennstoffzellen 12 bekannte Carbonatschmelzenbrennstoffzellen, die entsprechend den hier getroffenen Annahmen zwischen 593 °C

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und 704 °C arbeiten. Tatsächlich ist jede Art von Hochtemperaturbrennstoffzellen, die bei Temperaturen von mehr als etwa 427 °C (vorzugsweise mehr als 538 °C) arbeiten, für Kraftanlagen nach der Erfindung geeignet. Gemäss Fig. 1 enthält die Brennstoffzelle 12 einen Brennstoffraum 18, der hinter einer Anode 19 angeordnet ist, und einen Oxydationsmittelraum 20, der hinter einer Kathode 21 angeordnet ist. Der Oxydationsmittelraumausfluss, für den eine Temperatur von etwa 704 °C angenommen wird, ist die Grundenergiequelle für den Restkreislauf 14 und einen Turbolader 16. Der Abfluss wird in einen Wiederverwendungsteil 22 und in einen Abgasteil 24 durch ein Ventil 26 oder eine andere geeignete Vorrichtung aufgeteilt. Wärme wird von dem Wiederverwendungsteil 22 direkt auf den Restkreislauf übertragen, wie durch die Pfeile 28 angedeutet; DerWiederverwendungsteil 22, der nun im wesentlichen abgekühlt ist, wird durch den Oxydationsmittelraum 20 im Kreislauf zurückgeleitet, wie in Fig. 1 dargestellt. Der Abgasteil 24 wird in die Turbine 30 des Turboladers 16 geleitet, die den Verdichter 32 antreibt. In der Turbine 30 werden die Temperatur und der Druck des Ausflusses wesentlich verringert. Das Abgas 34 der Turbine 30 enthält jedoch noch eine grosse Menge an Wärmeenergie von hoher Güte, die auf den Restkreislauf übertragen wird, wie durch die Pfeile 36 dargestellt. Der Verdichter 32 verdichtet ein Oxydationsmittel (vorzugsweise Luft, vielleicht aber auch unter niedrigem Druck stehender Sauerstoff), von welchem ein Teil zu einem Brenner 40 und ein weiterer Teil über ein Ventil 38 zu dem Brennstoffverarbeitungsgerät 10 gefördert wird. In dem Brennstoffverarbeitungsgerät wird Rohbrennstoff mit dem unter Druck stehenden Oxydationsmittel in einem exothermen Reaktor verbrannt, um ein Wasserstoff enthaltendes Brennstoffgas zu erzeugen, das aus dem Brennstoffverarbeitungsgerät 10 in den Brennstoffraum 18 gefördert wird, wie durch den Pfeil 42 angegeben. Zusätzlich zu dem Reaktor wird das Brennstoffverarbeitungsgerät 10 aller Wahrscheinlichkeit nach andere Vorrichtungen zum Steigern der Ausbeute an Wasserstoff aus dem Rohbrennstoff und zum Entfernen von unerwünschten Bestandteilen aus dem Brennstoff, wie Schwefel und Schwefelverbindungen, enthalten. Überschüssige Wärme, die durch den exothermen Reaktor erzeugt wird, wird auf den Restkreislauf übertragen, wie durch die Pfeile 44 angegeben.

Der Ausfluss aus dem Brennstoffraum 18 wird in den Brenner 40 gefördert, wie durch den Pfeil 46 angegeben. Dafür gibt es zwei Gründe. Der erste ist, dass der Brennstoffausfluss einigen unverbrannten Wasserstoff enthält.(sowie andere brennbare Bestandteile), der in dem Brenner 40 benutet wird, um den ankommenden Oxydationsmittelstrom auf eine Temperatur zu erhitzen, die für den richtigen Betrieb der Brennstoffzelle ausreichend hoch ist. Der zweite ist, wie im folgenden noch ausführlicher erläutert, dass der Brennstoffausfluss durch die Reaktion innerhalb der Brennstoffzellen erzeugtes Kohlendioxid enthält, das an der Kathode nachgefüllt werden muss, damit die Brennstoffzelle richtig arbeitet.

Während die Kraftanlage von Fig. 1 einen exothermen Brennstoffverarbeitungsreaktor aufweist, der überschüssige Wärme erzeugt, enthält die Kraftanlage von Fig. 2 einen endothermen Brennstoffverarbeitungsreaktor, der Wärme zum Arbeiten benötigt. In Fig. 2 tragen gleiche Teile wie in Fig. 1 gleiche Bezugszeichen. In der Kraftanlage von Fig. 2 wird der Brenner 40 benutzt, um die Wärme zu erzeugen, die der endotherme Reaktor benötigt. Die Wärmeübertragung ist schematisch durch die Pfeile 50 dargestellt. Es wird kein unter Druck stehendes Oxydationsmittel in das Brennstoffverarbeitungsgerät gefördert. Einiges Oxydationsmittel wird jedoch unter Umgehung des Brenners 40 direkt in den Oxydationsmittelraum 20 gefördert. Von dem Brennstoffverarbeitungsgerät wird keine Wärme auf den Restkreislauf übertragen. In jeder anderen Hinsicht gleicht die Kraftanlage von Fig. 2 der von

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Fig. 1. Beispielsweise sei beachtet, dass der Ausfluss aus dem Brennstoffraum 18 und unter Druck stehendes Oxydationsmittel aus dem Turbolader 16 weiter in den Brenner 40 gefördert werden und dass das aus dem Brenner ausströmende Mittel weiter in den Oxydationsmittelraum 20 gefördert wird.

Fig. 3 zeigt ein ausführlicheres Schema einer Kraftanlage, die der in Fig. 1 dargestellten gleicht. Dië im folgenden für den Betrieb der Kraftanlage angegebenen Temperaturen sind lediglich als Beispiele zu verstehen und beruhen auf zahlreichen Annahmen, wie beispielsweise der speziellen Konstruktion des verwendeten Gerätes, seiner Grösse und genauen Lage in der Kraftanlage, Schätzungen von Wirkungsgraden, der Art des Rohbrennstoffes und der Massendurchflusslei-stung. Sie sind insgesamt realistisch, werden jedoch nur angegeben, um einen Anhaltspunkt über die Relativtemperaturen an verschiedenen Stellen in der Kraftanlage zu geben.

In Fig. 3 sind die Brennstoffzellen, bei welchen es sich tatsächlich um einen oer mehrere Stapel von in Reihe geschalteten Carbonatschmelzenbrennstoffzellen handelt, mit der Bezugszahl 100 bezeichnet. Der Restkreislauf enthält einen Dampfturbinengenerator 102, einen Kondensator 104 und Pumpen 106,108. Wärmetauscher 110,112,114 und 116 entnehmen Wärme von verschiedenen Stellen in der Kraftanlage für die Verwendung in dem Restkreislauf, wie im folgenden noch näher dargelegt. Zwei Turbolader 118,120 liefern das unter Druck stehende Oxydationsmittel, das in den Brennstoffzellen und in dem Brennstoffverarbeitungsgerät benutzt wird. Das Brennstoffverarbeitungsgerät enthält einen Brennstoffvergaser 122 und ein Schwefelentfernungsgerät 124. In dieser Ausführungsform wird angenommen, dass Kohle der Rohbrennstoff ist und dass der Brennstoffvergaser ein Kohlevergaser ist. Es ist jedoch klar, dass die Art des benutzten Brennstoffes von der Art des Brennstoffverarbeitungsgerätes abhängen wird. Der in der Beschreibung und in den Ansprüchen verwendete Ausdruck «Rohbrennstoff» soll jede Art von fossilem Brennstoff umfassen. Bekannte Brennstoffvergaser sind in der Lage, praktisch mit jedem fossilen Brennstoff zu arbeiten. Kohle wird für diese Ausführungsform wegen ihres relativ niedrigen Preises und ihrer grossen Verfügbarkeit gewählt.

Ein wichtiger Aspekt der Kraftanlage nach der Erfindung ist der Betrieb der Brennstoffzellen und des Brennstoffverar-beitungsgerätes bei erhöhten Drücken. Erhöhte Drücke verbessern die Brennstoffzellenleistungsfähigkeit durch Erhöhen der Reaktionsmittelpartialdrücke beträchlich. Hohe Drücke reduzieren ausserdem die Grösse des Brennstoffverarbeitungsgerätes. In der Ausführungsform von Fig. 3 wurde ein absoluter Druck von etwa 10,5 kp/cm2 gewählt, weil er eine gute Zellenleistungsfähigkeit ergibt und gleichzeitig die Methanproduktion des Vergasers niedrig hält. Methan ist in dem Brennstoffgas unerwünscht, da es nicht in der Brennstoffzelle verbrannt werden kann und die Menge an verfügbarem H2, der verbrannt werden kann, reduziert. Tatsächlich kann jeder Druck von mindestens etwa zwei Atmosphären zwar benutzt werden, die niedrigeren Drücke können jedoch grössere Brennstoffzellen und Brennstoffverarbeitungsgeräte erforderlich machen, wodurch die Kraftanlage vielleicht wirtschaftlich unattraktiv wird.

Im Betrieb wird die Kohle, die in Teile zerkleinert worden ist, welche im Durchmesser nicht grösser als 0,6 cm sind, aus dem Lager- und Vorbereitungsgerät 126 in den Kohlevergaser 122 gefördert, wie durch den Pfeil 128 dargestellt. Der Kohlevergaser 122 ist grundsätzlich ein exothermer Reaktor, welcher die Kohle schnell vergast, um einen Gasstrom, welcher reich an Wasserstoff und Kohlenmonoxid ist, mit kleinen Mengen von Methan zu erzeugen. Weitere Bestandteile, wie Was-serstoffsulfid und Stickstoff sind in dem aus dem Vergaser ausströmenden Mittel ebenfalls vorhanden. In dem Vergaser wird die Kohle mit einem Gemisch aus überhitztem Dampfund Luft bei einem absoluten Druck von etwa 16,5 kp/cm2 in Berührung gebracht. Die unter Druck stehende Luft kommt aus dem Turbolader 118 und wird an der Stelle 132 mit überhitztem Dampf (mit einer Temperatur von etwa 538 °C bei einem absoluten Druck von 16,5 kp/cm2) aus einem Kessel 130 in Berührung gebracht. Wärme für den Kessel 130 wird durch den Ausfluss des Vergasers geliefert, welcher eine Temperatur von etwa 1038 °C haben und unter einem absoluten Druck von etwa 14,1 kp/cm2 stehen kann. Folgende Hauptreaktionen finden in dem Wirbelbettvergaser statt:

C + H2O - CO + H2 - Wärme (1)

C + CO2 - 2CO - Wärme (2)

C + 2H2 - CH4 + Wärme (3)

C + O2 Brennstoff CO2 + Wärme (4)

CO + HzO - CO2 + H2 + Wärme (5)

Asche, die in dem Vergaser erzeugt wird, fällt auf den Boden desselben und wird durch eine geeignete Vorrichtung an der Stellet 131 abgeführtem irgendwo abgelagert zu werden.

Nach der Wärmeübertragung an den Kessel 130 hat der Strom von teilweise verarbeitetem Brennstoff eine Temperatur von etwa 816 °C. Zusätzliche Wärmeenergie in dem Brennstoffstrom wird von dem Brennstoffstrom auf den Restkreislauf mit Hilfe des Wärmetauschers 110 übertragen. Das ist weiter unten noch ausführlicher erläutert.

Nach dem Verlassen des Wärmetauschers 110 kann die Temperatur des Stroms etwa 604 °C betragen. Wasserstoffsul-fid und andere Schwefelverbindungen werden dann durch das Gerät 124 aus dem Strom entfernt. Das wird gemacht, weil beträchtliche Mengen an Schwefelverbindungen in dem Brennstoff den Betrieb der Carbonatschmelzenbrennstoffzellen nachteilig beeinflussen können und durch ihre Anwesenheit in dem Kraftanlagenabgas zur Umweltverschmutzung beitragen würden. Jede Art von Schwefelentfernungsgerät, das in der Lage ist, den Schwefelgehalt des Brennstoffatoms auf Werte zu senken, die tolerierbar sind, kann benutzt werden. Der vollständig verarbeitete Brennstoff wird dann bei einer Temperatur von etwa 649 °C und einem absoluten Druck von 10,9 kp/cm2 zu den Brennstoffzellen 100 gefördert, wie durch den Pfeil 134 angegeben.

Wie oben dargelegt, sind die Brennstoffzellen 100 Carbo-natschmelzenbrennstoffzellen, von denen jede eine Anode oder Brennstoffelektrode 136, eine Kathode oder Oxydationsmittelelektrode 138 und einen Carbonatschmelzenelektrolyten, der in eine zwischen den Elektroden angeordnete Grundmasse 139 eingeschlossen ist, enthält. Im Betrieb wird der verarbeitete Brennstoff oder das Brennstoffgas der Anode 136 über den Brennstoff räum 140 zugeführt und liegt im wesentlichen in Form von H2 und CO plus kleinen Mengen von Methan vor. Das Brennstoffgas enthält ausserdem grosse Mengen an N2 aus der Luft, die in dem Brennstoffverarbeitungsgerät benutzt wird, und ausserdem H2O. An der Anode spielt sich folgende elektrochemische Oxydation von H2 ab:

H2 + CO=j —' H2O + CO2 + 2e~ (6)

Gleichzeitig wird in dem Brennstoffraum 140 CO ständig umgesetzt, um zusätzlichen H2 herzustellen, so dass die Zusammensetzung in der Zelle im Wasser-Gas-Gleichgewicht bleibt. Die Verschiebung wird durch folgende Gleichung dargestellt:

CO + H2O — H2 + CO2 + Wärme (7)

Daher reagiert der Wasserstoff H2, der entweder in dem zugeführten Brennstoffgas oder als Ergebnis der Wasser-Gas-Verschiebung vorhanden ist, mit dem Carbonation CO=3, um das Nebenprodukt H2O und CO2 zu bilden, wobei ein elektri4

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scher Strom erzeugt wird. Die Elektronen werden in bekannter Weise durch eine Belastung 141 und zurück zu der Kathode geleitet. An der Kathode vereinigen sich Sauerstoff aus der unter Druck stehenden Luft und das Nebenprodukt CO2 aus der Anodenreaktion elektrochemisch mit den Elektronen, um das Carbonation folgendermassen zu bilden:

CO2 + Vi O2 + 2e~ - CO=3 (8)

Das so gebildete Carbonation wird über den Elektrolyten geleitet und vereinigt sich wieder mit H2, wodurch der Kreislauf geschlossen wird. Wie angegeben, muss das an der Anode gebildete CO2 zu der Kathode transportiert werden. Das kann beispielsweise erfolgen, indem das CO2 von dem Brennstoff-raumausfluss getrennt und in den Oxydationsmittelraum eingeleitet wird. In der hier beschriebenen Ausführungsform wird der Ausfluss aus dem Brennstoffraum 140 jedoch zuerst zu einem Brenner 144 gefördert, wie durch den Pfeil 146 dargestellt. Dieser Strom kann eine Temperatur von etwa 704 °C haben und enthält N2, H2O, CO2 und unverbrannten H2, CO und Methan. Luft aus dem Turbolader 120 wird bei einem absoluten Druck von etwa 10,6 kp/cm2 ebenfalls in den Brenner gefördert, wie durch den Pfeil 148 angegeben. Es wird genug Luft zugeführt, um den H2, das CO und Methan in dem Brennstoffraum-ausfluss vollständig zu verbrennen und um ausreichend Oxydationsmittel für die Brennstoffzellenreaktion bereitzustellen. Das CO2 verbrennt nicht und tritt in dem Brennerausfluss aus. Der Brennerausfluss wird mit gekühltem, wiederverwendetem Oxydationsmittelraumausfluss an der Stelle 160 vereinigt und in den Oxydationsmittelraum 142 geleitet, wie durch den Pfeil 150 angegeben. Der Brenner 144 ist in dieser Ausführungsform ein katalytischer Brenner, in welchem beispielsweise ein Edelmetallkatalysator, wie beispielsweise Platin, auf einem Keramikmaterial benutzt werden kann. Andere Arten von Brennern können ebenfalls benutzt werden.

Der Oxydationsmittelraumausfluss verlässt die Zellen mit einer Temperatur von ungefähr 704 °C. In einem Ventil 152 oder einer anderen geeigneten Vorrichtung wird der Ausfluss in zwei Ströme aufgeteilt, einen Wiederverwendungsstrom, wie durch den Pfeil 154 angegeben, und einen Abgasstrom, wie durch den Pfeil 156 angegeben. Die beste Aufteilung hängt bei einer besonderen Kraftanlage von mehreren Faktoren ab und wird im folgenden ausführlicher erläutert. Wärmeenergie in dem Wiederverwendungsteil 154 wird durch den Wärmetauscher 112 an den Restkreislauf übertragen. Die Temperatur des den Wärmetauscher 112 verlassenden Stroms kann etwa 482 °C betragen. Eine Pumpe 158, deren Welle durch den Turbolader 120 angetrieben wird, pumpt den Wiederverwendungsgasstrom weiter. Der Wiederverwendungsgasstrom wird an der Stelle 160 mit dem aus dem Brenner 144 ausströmenden Mittel vereinigt, bevor er in den Oxydationsmittelraum 142 zurückgeleitet wird.

Der Abgasteil 156 des Oxydationsmittelraumausflusses wird zuerst in einen Wärmetauscher 166 gefördert, um die Temperatur des Stroms von unter Druck stehender Luft, die aus dem Turbolader 118 zu dem Kohlevergaser 122 geleitet wird, auf etwa 538 °C zu erhöhen. Er wird dann an der Stelle 168 aufgeteilt und in die Turbinenteile 169,171 der Turbolader 118 bzw. 120 geleitet. Die Turbinen treiben ihrerseits die Verdichterteile 173 bzw. 175 der Turbolader an, welche die an der Stelle 172 und 174 eintretende Luft unter Druck setzen. Die Abgase aus den Turbinen 169,171 werden ander Stelle 170 vereinigt, an welcher ihre Temperatur etwa 385 °C betragen kann. Das vereinigte Abgas wird daraufhin zu den Wärmetauschern 114,116 gefördert und in die Atmosphäre abgelassen, wie durch den Pfeil 176 angegeben, und zwar bei einer Temperatur von etwa 116 °C.

Wie die Gleichung (8) zeigt, erfordert die Kathodenreaktion doppelt so viel CO2 wie O2. Tatsächlich fördert ein höherer Partialdruck von CO2 in dem Oxydationsmittelraum die Reaktion und verbessert die Zellenleistungsfähigkeit. Unter diesem Gesichtspunkt sollte die Strömungsgeschwindigkeit von aus dem Turbolader in den Brenner strömender, unter Druck stehender Luft minimiert werden, aber wenigstens gross genug sein, um einen ausreichenden Wert des 02-Partialdruckes in der Zelle zu schaffen. Ausserdem, da die Strömung durch den Oxydationsmittelraum benutzt wird, um Wärme aus der Zelle abzuführen, sind ihre Einlasstemperatur und Strömungsgeschwindigkeit kritisch. Es ist deshalb erwünscht, einen niedrigen Wärmegradienten an der Zelle aufrechtzuerhalten. Bei einer 649-°C-Zelle wird daher eine Oxydationsmittelraumeinlasstem-peratur von etwa 593 °C und eine Auslasstemperatur von 704 °C bevorzugt. Der niedrige Wärmegradient erfordert eine relativ hohe Massendurchflussleistung, um die Wärme abzuführen.

In einer Kraftanlage nach der Erfindung liefert der gekühlte Wiederverwendungstrom (der bei 482 °C den Wärmetauscher 112 verlässt) den grössten Teil des Massenstroms, verringert die Brennerausflusstemperatur auf den richtigen Wert und erhöht tatsächlich den Partialdruck von CO2 in dem Brennerausfluss aufgrund seines hohen C02-Gehalts. Die Temperatur des Stroms 150 kann leicht kontrolliert werden, indem die Temperatur des Wiederverwendungsstroms kontrolliert wird, wenn er den Wärmetauscher 112 verlässt, beispielsweise durch Vorrichtungen (nicht dargestellt), die einen Teil des Wiederverwendungstroms um den Wärmetauscher herumleiten. Ohne den Wiederverwendungsstrom müsste zusätzliche unter Druck stehende Luft aus dem Turbolader (bei etwa 349 °C) durch den Oxydationsmittelraum gedrückt werden (wahrscheinlich unter Umgehung des Brenners). Die zusätzliche Luft würde den Brennerausfluss abkühlen und die notwendige Massendurchflussleistung durch den Oxydationsmittelraum schaffen. Sie würde jedoch das Verhältnis von CO2 zu O2 auf einen unannehmbaren niedrigen Wert verringern.

Das Aufteilungsverhältnis in dem Ventil 152 wird für den meisten Teil durch die Energieerfordernisse der Turbolader und durch die Notwendigkeit bestimmt, genug Oxydationsmittelraumausfluss abzulassen, um das System im Massengleichgewicht zu halten. Es ist erwünscht, die Strömungsgeschwindigkeit der in die Turbolader strömenden Mittel soweit wie möglich zu minimieren und die Strömungsgeschwindigkeit der in die Wärmetauscher 112 strömenden Mittel zu maximieren, da es wirksamer ist, Wärme an den Restkreislauf unter Verwendung des Wiederverwendungsstroms zu übertragen, der eine hohe Temperatur und einen hohen Druck hat, als unter Verwendung des Turbinenabgasstroms, der eine niedrige Temperatur und einen niedrigen Druck hat. In der hier beschriebenen Ausführungsform wird angenommen, dass etwa zwei Drittel des Oxydationsmittelraumausflusses wiederverwendet, d. h. im Kreislauf zurückgeleitet werden. Wie oben bereits erwähnt, wird jedoch die beste Aufteilung für eine besondere Kraftanlage wenigstens von den oben erläuterten verschiedenen Faktoren abhängen.

In dem Restkreislauf wird Dampf aus dem Wärmetauscher 112 bei einem Überdruck von etwa 169 kp/cm2 und einer Tem-peratur von 538 °C in den Dampfturbinenteil 178 des Dampfturbinengenerators 102 gefördert, wie durch den Pfeil 180 angegeben. Der Dampf wird expandiert, auf 538 °C in dem Wärmetauscher 110 unter Verwendung von Eigenwärme aus dem Abkühlen der Vergaserproduktgase vor der Entschwefelung rückerhitzt und in die Turbine zurückgeleitet und wieder expandiert, und zwar auf çinen Wert in der Grössenordnung von etwa 51 mm Hg bei einer Sättigungstemperatur von etwa 38 °C. Die Turbine treibt feinen elektrischen Generator 181 an, um Elektrizität zu erzeugen. Obgleich in dieser Ausführungsform die durch den Vergaser 122 erzeugte Wärme durch den

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Wärmetauscher in dem Vergaserproduktgasstrom an den Restkreislauf übertragen wird und zum Rückerhitzen von bereits expandiertem Dampf benutzt wird, ist klar, dass Wärme stattdessen entnommen und zu anderen Stellen übertragen werden kann, etwa indem Dampf aus dem Wärmetauscher 110 in 5

direkte Wärmeaustauschbeziehung mit dem Vergaser 122 gebracht wird. Viele Variationen sind möglich.

Das Dampfturbinenabgas wird in der wassergekühlten Kondensatoreinheit 104 kondensiert. Das Kondensat verlässt den Kondensator 104 und wird durch eine Kondensatpumpe 10 106 zu dem Wärmetauscher 116 gepumpt, welcher in dieser Ausführungsform ein Entlüftungsapparat ist, der Wärme aus demTurboladerturbinenabgasstrom empfängt. Das Speisewasser wird dann durch eine elektrische Pumpe 108 auf einen sehr hohen Überdruck gebracht, der beispielsweise in der Grössen- 15 Ordnung von 183 kp/cm2 liegt, und in dem Wärmetauscher 114 auf eine Temperatur von etwa 288 °C, die etwas unterhalb der Sättigungstemperatur liegt, vorgewärmt. Die Wärme für das Vorwärmen wird ebenfalls dem Turboladerturbinenabgas-strom entnommen. Das vorgewärmte Wasser wird dann zu 20 dem Wärmetauscher 112 gefördert, bei welchem es sich grundsätzlich um einen Kessel/Überhitzer handelt, in welchem Dampf für Drosselbedingungen auf einen Überdruck von 169 kp/cm2 und eine Temperatur von 538 °C errhöht wird. Die

Wärme für diesen Schritt wird durch die Brennstoffzellenab-wärme geliefert, die von dem Wiederverwendungsteil des Oxydationsmittelraumausflusses übertragen wird. Das vollendet den Restkreislauf.

In dieser Ausführungsform erzeugen die Brennstoffzellen ungefähr zwei Drittel der elektrischen Energie, während der Restkreislauf das übrige Drittel erzeugt. Etwa 86% der zum Betreiben des Restkreislaufes benutzten Wärme stammt aus den Brennstoffzellen, der übrige Teil wird der überschüssigen Wärme entnommen, die durch den Brennstoffvergaser erzeugt wird. Etwa zwei Drittel der Brennstoffzellenabwärme werden auf den Restkreislauf aus dem Oxydationsmittelwiederverwendungsteil übertragen, während das restliche Drittel aus dem Turboladerabgas stammt. Wenn der Brennstoffverarbeitungsreaktor endotherm arbeiten würde, wie bei der Ausführungsform von Fig. 2, müsste praktisch die gesamte Energie für den Restkreislauf notwendigerweise durch die Brennstoffzellenabgaswärme geliefert werden.

Der Restkreislauf von Fig. 3 ist als Dampfturbinengenerator dargestellt. Es könnte jedoch, obgleich weniger wirksam für die Zwecke der Erfindung ein Gasturbinengenerator als Restkreislauf benutzt werden. Tatsächlich ist nicht beabsichtigt, irgendeine Art von Restkreislauf aus dem Rahmen der Erfindung auszuschliessen.

G

2 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Brennstoffzellen-Kraftanlage, gekennzeichnet durch mehrere geschmolzenes Karbonat enthaltende Hochtemperatur-Brennstoffzellen (12,100), die elektrische in Reihe geschaltet sind und Vorrichtungen (19,136), welche einen Brennstoffraum (18,140), und Vorrichtungen (21,138), welche einen Oxydationsmittelraum (20,142) begrenzen, aufweisen, durch einen Turbolader (16,118) mit einer ersten Turbine (30,169), die mit einem Verdichter (32,173) zum Antreiben desselben verbunden ist, durch einen Brenner (40,144), der stromabwärts bezüglich des Brennstoffraumes (18,140) angeordnet ist und den Brenn-stoffraumausfluss (46,146) verbrennt, durch eine Vorrichtung zum Fördern von unter Druck stehendem, verarbeitetem Brennstoff in den Brennstoffraum (18,140), mit einem Brennstoffverarbeitungsgerät (10,122), das stromaufwärts bezüglich des Brennstoffraumes (18,140) angeordnet ist, durch eine Vorrichtung zum Fördern von Rohbrennstoff in das Brennstoffverarbeitungsgerät (10,122), durch einen Restkreislauf mit einer, zweiten Turbine (14,178), die mit einem elektrischen Generator antriebsmässig verbunden ist, durch eine Vorrichtung (38, 46,148,146) zum Fördern von unter Druck stehendem Oxydationsmittel aus dem Turbolader (16) oder einem zweiten Türbo-lader (120) und von Ausfluss aus dem Brennstoffraum (18,140) in den Brenner (40,144), durch eine Vorrichtung zum Fördern von Ausfluss aus dem Brenner (40,144) in den Oxydationsmittelraum (20,142), durch eine Vorrichtung (26,152) zum Unterteilen des Oxydationsmittelraumausflusses in einen ersten Teil (22,154) und einen zweiten Teil (24,156) und zum Zurückleiten des ersten Teils durch den Oxydationsmittelraum (20,142) und zum zumindest teilweisen Fördern des zweiten Teils in die erste Turbine (30,169) zum Antreiben des Verdichters (32,173), durch eine borrichtung (28,112) zum Übertragen von Wärmeenergie aus dem Oxydationsmittelraumausfluss an das Arbeitsmedium der zweiten Turbine (14,178) zum Antreiben des elektrischen Generators und durch Vorrichtungen (34,36,114,116) zum Übertragen von Wärmeenergie aus den Abgasen der ersten Turbine (30,169) an das Arbeitsmedium der zweiten Turbine (14,178).
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffverarbeitungsgerät (10,122) einen exothermen Brennstoffreaktor enthält, dass eine Vorrichtung zum Fördern von unter Druck stehendem Oxydationsmittel aus dem Turbo-lader(16,118) in den exothermen Brennstoffreaktor vorgesehen ist, und dass stromaufwärts bezüglich des Brennstoffraumes (18, 14) eine Vorrichtung (44,110) zum Übertragen von durch den Reaktor erzeugter Wärmeenergie an das Arbeitsmedium der zweiten Turbine (14) angeordnet ist.
3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der exotherme Brennstoffreaktor ein Brennstoffvergaser (122) ist, und dass eine Vorrichtung (132) zum Fördern von Dampf in den Brennstoffvergaser vorgesehen ist.
4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffvergaser (122) ein Kohlevergaser ist.
5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (44,110) zum Übertrager von durch den Reaktor erzeugter Wärmeenergie an das Arbeitsmedium der zweiten Turbine (14,178) stromabwärts bezüglich des exothermen Reaktors und in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Ausfluss aus dem Reaktor angeordnet ist.
6. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffverarbeitungsgerät (10) einen endothermen Brennstoffreaktor enthält, und dass der Brenner (40) diesem zugeordnet ist, um dem Reaktor Wärme zu liefern.
7. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxydationsmittel Luft ist, und dass die Vorrichtung (28,112) zum Übertragen von Wärmeenergie aus dem Oxydationsmittelraumausfluss an die zweite Turbine (14,178) eine Einrichtung zum Übertragen von Wärmeenergie aus dem ersten Teil (22,154) des Oxydationsmittelraumausflusses an die zweite Turbine (14,178) enthält.
8. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Turbine (178) eine Dampfturbine ist.
9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Übertragen von Wärmeenergie aus dem ersten Teil (154) des Oxydationsmittelraumausflusses an die zweite Turbine (178) einen Kessel (112) in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Oxydationsmittelraumausfluss zur Erzeugung von überhitztem Dampf und eine Einrichtung zum Fördern des überhitzten Dampfes in die Dampfturbine (178) aufweist.
10. Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Übertragen von Wärmeenergie aus den Abgasen der ersten Turbine (169) an das Arbeitsmedium der zweiten Turbine (178) einen Wärmetauscher (114) zum Vorwärmen von Wasser und eine Einrichtung (108) zum Fördern des vorgewärmten Wassers aus dem Wärmetauscher zu dem Kessel (112) aufweisen, wobei der Wärmetauscher in Wärmeaustauschbeziehung mit den Abgasen aus der ersten Turbine (169) angeordnet ist.
11. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Übertragen von durch den Reaktor erzeugter Wärmeenergie an das Arbeitsmedium der zweiten Turbine (178) ein Wärmetauscher (110) ist, der stromaufwärts bezüglich des Brennstoffraumes (140) und zur Dampfüberhit-zung in Wärmeaustauschbeziehung mit der durch den Reaktor erzeugten Wärme angeordnet ist, und dass eine Einrichtung zum Fördern des überhitzten Dampfes aus diesem Wärmetauscher in die Dampfturbine (178) vorhanden ist.