DE60314432T2

DE60314432T2 - Festoxidbrennstoffzelle

Info

Publication number: DE60314432T2
Application number: DE60314432T
Authority: DE
Inventors: Gerard Daniel Agnew; Robert Rudolph Indianapolis MORITZ; Olivier Christian Tarnowski; Michele Bozzolo
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 2002-10-01
Filing date: 2003-09-24
Publication date: 2008-02-21
Anticipated expiration: 2023-09-25
Also published as: AU2003267609B2; BR0306514A; RU2005109393A; US20040062973A1; US7118818B2; JP4344322B2; BR0306514B1; JP2006501616A; CN100342578C; DK1547188T3; EP1547188B1; RU2316083C2; DE60314432D1; EP1547188A2; AU2003267609A1; ATE364908T1; CN1708872A; WO2004032273A2; WO2004032273A3; ES2287507T3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem, insbesondere auf ein Festoxid-Brennstoffzellensystem.
Ein bekanntes Festoxid-Brennstoffzellensystem, wie es in unserer veröffentlichten europäischen Patentanmeldung EP0668622A1 offenbart ist, weist einen Festoxid-Brennstoffzellenstapel und eine Gasturbine auf. Der Festoxid-Brennstoffzellenstapel weist eine Vielzahl von Festoxid-Brennstoffzellen auf, und jede Festoxid-Brennstoffzelle weist einen Elektrolyt, eine Anode und eine Kathode auf. Die Gasturbine weist einen Kompressor und eine zum Antreiben des Kompressors angeordnete Turbine auf. Der Kompressor ist eingerichtet zum Zuführen von Oxidator an die Kathoden der Festoxid-Brennstoffzellen, und es sind Mittel vorgesehen zum Zuführen von Brennstoff an die Anoden der Festoxid-Brennstoffzelle. Ein Teil des nicht verwendeten Oxidators wird von den Festoxid-Brennstoffzellen den Kathoden zugeführt. Ein Teil des nicht verwendeten Brennstoffs wird in dem Rest des nicht verwendeten Oxidators in einem Combustor verbrannt, und die Produkte des Combustors treiben die Turbine an. Ein Wärmetauscher kann vorgesehen sein, um Wärme von den Produkten des Combustors auf den Oxidator zu übertragen, der von dem Kompressor der mindestens einen Kathode zugeführt wird, um den durch den Kompressor zugeführten Oxidator vorzuheizen.
In dieser Anordnung ist der Combustor stromaufseitig von dem Hochtemperatur-Wärmetauscher eingerichtet.
Ein Problem bei dieser Anordnung besteht darin, dass es notwendig ist, einen Hochtemperatur-Wärmetauscher zu verwenden, um Wärme von den Produkten des Combustors auf den Oxidator zu übertragen, der von dem Kompressor den Festoxid-Brennstoffzellen zugeführt wird, damit der Oxidator die erforderliche Temperatur erreicht, bevor er in den Festoxid-Brennstoffzellenstapel eintritt.
Die vorliegende Erfindung strebt daher an, ein neuartiges Festoxid-Brennstoffzellensystem bereitzustellen, welches die oben erwähnten Probleme verringert und vorzugsweise überwindet.
Die vorliegende Erfindung stellt somit ein Festoxid-Brennstoffzellensystem bereit, welches einen Festoxid-Brennstoffzellenstapel und eine Gasturbine aufweist, wobei der Festoxid-Brennstoffzellenstapel mindestens eine Festoxid-Brennstoffzelle aufweist, wobei jede Festoxid-Brennstoffzelle einen Elektrolyt, eine Anode und eine Kathode aufweist, und wobei die Gasturbine den Kompressor und eine zum Antreiben des Kompressors angeordnete Turbine aufweist, wobei der Kompressor zum Zuführen von Oxidator an die Kathode der mindestens einen Festoxid-Brennstoffzelle eingerichtet ist, sowie ein Mittel aufweist zum Zuführen von Brennstoff an die Anode der mindestens einen Festoxid-Brennstoffzelle und ein Mittel aufweist zum Zuführen mindestens eines Teils des nicht verwendeten Oxidators von der mindestens einen Festoxid-Brennstoffzelle an die Kathode der mindestens einen Festoxid-Brennstoffzelle, wobei das Mittel zum Zuführen mindestens eines Teils des nicht verwendeten Oxidators einen Combustor aufweist, wobei der Combustor eingerichtet ist, um mindestens einen Teil des nicht verwendeten Brennstoffs von der mindestens einen Festoxid-Brennstoffzelle in dem mindestens einen Teil des nicht verwendeten Oxidators von der mindestens einen Festoxid-Brennstoffzelle zu verbrennen, und eingerichtet ist, um die Produkte des Combustors dem Oxidator zuzuführen, der durch den Kompressor der Kathode der mindestens einen Festoxid-Brennstoffzelle zugeführt wird, um den durch den Kompressor zugeführten Oxidator vorzuheizen.
Vorzugsweise weist der Festoxid-Brennstoffzellenstapel eine Vielzahl von Festoxid-Brennstoffzellen auf.
Vorzugsweise wird ein zweiter Teil des nicht verwendeten Oxidators der Turbine zugeführt, um die Turbine anzutreiben.
Es kann ein Wärmetauscher vorgesehen sein, um Wärme von den Turbinen-Abgasen auf den Oxidator zu übertragen, der von dem Kompressor der Kathode der mindestens einen Festoxid-Brennstoffzelle zugeführt wird, um den durch den Kompressor zugeführten Oxidator vorzuheizen.
Alternativ kann der Combustor eingerichtet sein, um mindestens einen Teil des nicht verwendeten Brennstoffs von der mindestens einen Festoxid-Brennstoffzelle in dem gesamten nicht verwendeten Oxidator von der mindestens einen Festoxid-Brennstoffzelle zu verbrennen.
Der Kompressor kann eingerichtet sein, um einen Teil der Produkte des Combustors dem Oxidator zuzuführen, der durch den Kompressor der Kathode der mindestens einen Festoxid-Brennstoffzelle zugeführt wird, um den durch den Kompressor zugeführten Oxidator vorzuheizen.
Ein zweiter Teil der Produkte des Combustors kann der Turbine zugeführt werden, um die Turbine anzutreiben.
Es kann ein Wärmetauscher vorgesehen werden, um Wärme von den Produkten des Combustors auf den Oxidator zu übertragen, der von dem Kompressor der Kathode der mindestens einen Festoxid-Brennstoffzelle zugeführt wird, um den durch den Kompressor zugeführten Oxidator vorzuheizen.
Außerdem können Mittel vorgesehen sein zum Zuführen mindestens eines zweiten Teils des nicht verwendeten Brennstoffs von der mindestens einen Festoxid-Brennstoffzelle an die Anode, wobei das Mittel zum Zuführen eines zweiten Teils des nicht verwendeten Brennstoffs eingerichtet ist, um den zweiten Teil des nicht verwendeten Brennstoffs dem Brennstoff zuzuführen, der durch das Mittel zum Zuführen von Brennstoff zugeführt wird, um den durch das Mittel zum Zuführen von Brennstoff zugeführten Brennstoff vorzuheizen.
Vorzugsweise weist das Mittel zum Zuführen mindestens eines zweiten Teils des nicht verwendeten Brennstoffs ein Mittel zum Druckbeaufschlagen des nicht verwendeten Brennstoffs und ein Mittel zum Mischen des nicht verwendeten Brennstoffs mit dem Brennstoff auf.
Vorzugsweise weisen das Mittel zum Druckbeaufschlagen des nicht verwendeten Brennstoffs und das Mittel zum Mischen des nicht verwendeten Brennstoffs einen Ejektor auf.
Alternativ weist das Mittel zum Druckbeaufschlagen des nicht verwendeten Brennstoffs eine Pumpe, einen Ventilator, ein Gebläse oder eine Turbomaschine auf, und weist das Mittel zum Mischen des nicht verwendeten Brennstoffs mit dem Brennstoff einen Mischer auf.
Vorzugsweise weist das Mittel zum Zuführen mindestens eines Teils des nicht verwendeten Oxidators ein Mittel zum Druckbe aufschlagen des nicht verwendeten Oxidators und ein Mittel zum Mischen des nicht verwendeten Oxidators mit dem Brennstoff auf.
Vorzugsweise weisen das Mittel zum Druckbeaufschlagen des nicht verwendeten Oxidators und das Mittel zum Mischen des nicht verwendeten Oxidators einen Ejektor auf.
Alternativ weist das Mittel zum Druckbeaufschlagen des nicht verwendeten Brennstoffs eine Pumpe, einen Ventilator, ein Gebläse oder eine Turbomaschine auf, und weist das Mittel zum Mischen des nicht verwendeten Brennstoffs mit dem Brennstoff einen Mischer auf.
Vorzugsweise ist der Combustor eingerichtet, um die Produkte des Combustors dem Oxidator zuzuführen, der durch den Kompressor der Anode der mindestens einen Festoxid-Brennstoffzelle zugeführt wird, um den Oxidator vorzuheizen, der durch den Kompressor über das Mittel zum Druckbeaufschlagen des nicht verwendeten Oxidators und das Mittel zum Mischen des nicht verwendeten Oxidators mit dem Oxidator zugeführt wird.
Vorzugsweise ist der Ejektor eine Strahlpumpe.
Vorzugsweise weist das Mittel zum Zuführen von Brennstoff an Anode der mindestens einen Festoxid-Brennstoffzelle einen Reformer auf, wobei der Reformer eingerichtet ist, um den Brennstoff zu reformieren, wobei eine Brennstoffzufuhr eingerichtet ist, um Brennstoff dem Reformer zuzuführen, und der Reformer eingerichtet ist, um der Anode der mindestens einen Festoxid-Brennstoffzelle reformierten Brennstoff zuzuführen.
Vorzugsweise ist das Mittel zum Zuführen mindestens eines Teils des nicht verwendeten Oxidators eingerichtet, um den Reformer aufzuheizen.
Die vorliegende Erfindung wird anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung ausführlicher beschrieben, in welcher:
1 ein Festoxid-Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ein alternatives Festoxid-Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 ein weiteres Festoxid-Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und
4 noch ein weiteres Festoxid-Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Ein Festoxid-Brennstoffzellensystem 10 gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 1 gezeigt. Das Festoxid-Brennstoffzellensystem weist einen Festoxid-Brennstoffzellenstapel 12 und eine Gasturbine 14 auf. Der Festoxid-Brennstoffzellenstapel 12 weist eine Vielzahl von Festoxid-Brennstoffzellen 16 auf, und jede Festoxid-Brennstoffzelle 16 weist einen Elektrolyt 18, eine Anode 20 und eine Kathode 22 auf. Die Anode 20 und die Kathode 22 befinden auf entgegengesetzt gerichteten Oberflächen des Elektrolyts 18.
Die Gasturbine 14 weist einen Kompressor 60 und eine Turbine 62 auf, und die Turbine 62 ist eingerichtet, um den Kompressor 60 über eine Welle 64 anzutreiben.
Den Anoden 20 wird ein Brennstoff, z.B. Wasserstoff, über einen Brennstoffverteiler 24 zugeführt, und ein Brennstoffvorrat bzw. eine Brennstoffversorgung 28, z.B. Wasserstoff, ist eingerichtet, um dem Brennstoffverteiler 24 über eine Leitung 30 Brennstoff zuzuführen. Den Kathoden wird ein Oxidator, z.B. Sauerstoff, Luft, etc, durch einen Oxidatorverteiler 26 zugeführt, und ein Oxidatorvorrat bzw. eine Oxidatorversorgung 32 ist eingerichtet, um dem Oxidatorverteiler 26 über eine Leitung 34 Oxidator zuzuführen.
Die Anoden 20 sind mit einer Sammelleitung 36 für unverbrauchten Brennstoff ausgestattet, in die unverbrauchter Brennstoff ausgestoßen wird. Die Sammelleitung 36 für unverbrauchten Brennstoff ist mit der Leitung 30 über Leitungen 38 und 40 derart verbunden, dass ein Teil des unverbrauchten Brennstoffs erneut zirkuliert wird und dem Brennstoffverteiler 24 zugeführt wird. Ein Brennstoff-Ejektor 42 ist vorgesehen, um die Zufuhr und das erneute Zirkulieren von unverbrauchtem Brennstoff von der Sammelleitung 36 für unverbrauchten Brennstoff zu dem Brennstoffverteiler 24 einzuleiten. Die Leitungen 38, 40 und der Brennstoff-Ejektor 42 bilden Mittel 37 zum Zuführen und erneuten Zirkulieren von unverbrauchtem Brennstoff von den Anoden 20 der Festoxid-Brennstoffzellen 16 zurück zu den Anoden 20 der Festoxid-Brennstoffzellen 16. Der Brennstoff-Ejektor 42 setzt den unverbrauchten Brennstoff unter Druck und vermischt den unverbrauchten Brennstoff mit dem Brennstoff, der durch den Brennstoffvorrat 28 über die Leitung 30 dem Brennstoffverteiler 24 zugeführt wird.
Die Sammelleitung 36 für unverbrauchten Brennstoff ist über die Leitung 38 und eine weitere Leitung 44 auch mit einem Combustor 46 verbunden, so dass ein zweiter Teil des nicht verwendeten Brennstoffs dem Combustor 46 zugeführt wird.
Die Kathoden 22 sind mit einer Sammelleitung 48 für unverbrauchten Oxidator ausgestattet, in die unverbrauchter Oxidator ausgestoßen wird. Die Sammelleitung 48 für unverbrauchten Oxidator ist über Leitungen 50 und 52, den Combustor 46 und eine Leitung 56 mit der Leitung 34 derart verbunden, dass ein Teil des nicht verbrauchten Oxidators erneut zirkuliert und dem Oxidatorverteiler 26 zugeführt wird. Ein Oxidator-Ejektor 58 ist vorgesehen, um die Zufuhr und die erneute Zirkulation des nicht verbrauchten Oxidators von der Sammelleitung 48 für unverbrauchten Oxidator zu dem Oxidatorverteiler 26 einzuleiten. Die Leitungen 50, 52 und 56 sowie der Oxidator-Ejektor 58 bilden Mittel 49 zum Zuführen und erneuten Zirkulieren von nicht verbrauchtem Oxidator von den Kathoden 22 der Festoxid-Brennstoffzellen 16 zurück zu den Kathoden 22 der Festoxid-Brennstoffzellen 16.
Der zweite Teil des unverbrauchten Brennstoffs, der dem Combustor 46 zugeführt wird, wird in dem Teil des nicht verbrauchten Oxidators verbrannt, der dem Combustor 46 zugeführt wird, um heiße Gase zu erzeugen. Die in dem Combustor erzeugten heißen Gase werden so arrangiert, dass sie mit unverbrauchtem Oxidator durch die Leitung 45 und den Oxidator-Ejektor 58 zu der Leitung 34 und dann zu dem Oxidatorverteiler 26 strömen. Die Produkte, das heißt heiße Gase und nicht verbrauchter Oxidator, des Combustors 46 werden durch den Combustor 46 und die Leitungen 56 dem Oxidator-Ejektor 58 zugeführt. Der Oxidator-Ejektor 58 setzt die Produkte des Combustors 46 unter Druck und mischt die Produkte des Combustors 46 mit dem Oxidator, der durch den Kompressor 60 über die Leitung 34 dem Oxidatorverteiler 26 zugeführt wird, um den durch den Kompressor 62 zugeführten Oxidator vorzuheizen.
Die Sammelleitung 48 für nicht verbrauchten Oxidator ist über die Leitung 50 und eine weitere Leitung 54 auch mit der Tur bine 62 derart verbunden, dass ein zweiter Teil des nicht verbrauchten Oxidators der Turbine 62 zugeführt wird. Der zweite Teil des nicht verbrauchten Oxidators treibt die Turbine 62 an. Der zweite Teil des nicht verbrauchten Oxidator fließt dann durch eine Leitung 66 hindurch und wird durch eine Abgasleitung 68 ausgestoßen.
Die Leitungen können einfache Rohre oder andere Anordnungen sein, um den Brennstoff, den Oxidator, etc von einer Komponente zu einer anderen Komponente des Festoxid-Brennstoffzellensystems zu überführen.
Im Stand der Technik heizt ein Combustor indirekt durch einen Hochtemperatur-Wärmetauscher den nicht verbrauchten Oxidator auf, der von der Sammelleitung für nicht verbrauchten Brennstoff dem Oxidatorverteiler zugeführt wird.
Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass der Combustor den nicht verbrauchten Oxidator direkt aufheizt, der von der Sammelleitung für nicht verbrauchten Oxidator dem Oxidatorverteiler zugeführt wird, so dass kein Hochtemperatur-Wärmetauscher benötigt wird. Dies ermöglicht eine Vereinfachung des Festoxid-Brennstoffzellensystems, minimiert die Anzahl der Komponenten, verringert die Kosten und verbessert die Wartungsfreundlichkeit. Man kann davon ausgehen, dass das Festoxid-Brennstoffzellensystem eine bessere Lastnachlauf-Fähigkeit hat, da es keinen Wärmetauscher gibt und der Oxidator-Ejektor besser befähigt ist, mit sich verändernden Parametern umgehen zu können. Darüber hinaus ermöglicht diese Anordnung die Verwendung einer einfachen Gasturbine herkömmlicher Technologie. Außerdem erzeugt das Verbrennen von nicht verbrauchtem Brennstoff in dem Combustor heiße Gase, wie z.B. Kohlenmonoxid und Wasserdampf, die den Kathoden zugeführt werden. Im Falle eines Lecks an dem Festoxid- Brennstoffzellenstapel findet eine Verringerung der Flammentemperatur statt, wodurch eine Beschädigung des Festoxid-Brennstoffzellenstapels verringert wird.
Ein alternatives Festoxid-Brennstoffzellensystem 110 gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 2 gezeigt, und das Festoxid-Brennstoffzellensystem 110 weist einen Festoxid-Brennstoffzellenstapel 12 und eine Gasturbine 14 auf. Das Festoxid-Brennstoffzellensystem 110 ist im Wesentlichen dasselbe wie das in 1 gezeigte Festoxid-Brennstoffzellensystem 10, und gleiche Teile werden durch gleiche Bezugsziffern bezeichnet.
Das Festoxid-Brennstoffzellensystem 110 unterscheidet sich von dem Festoxid-Brennstoffzellensystem 10 darin, dass das Festoxid-Brennstoffzellensystem 110 einen Wärmetauscher 70 aufweist. Der Wärmetauscher 70 ist ein Wärmetauscher 70 mit geringer Wirksamkeit und kann aus Metall oder Keramik gebildet sein. Der Wärmetauscher 70 ist vorgesehen, um Wärme von dem nicht verbrauchten Oxidator auf den Oxidator zu übertragen, der von dem Kompressor 60 den Kathoden 22 der Festoxid-Brennstoffzellen 16 zugeführt wird, um den durch den Kompressor 60 zugeführten Oxidator vorzuheizen. Der Wärmetauscher 70 ist eingerichtet, um die Strömung des Oxidators von dem Kompressor 60 zu dem Oxidatorverteiler 26 in der Leitung 34 zwischen dem Kompressor 60 und dem Oxidator-Ejektor 58 vorzuheizen. Der Wärmetauscher 70 ist eingerichtet, um Wärme von der Strömung des nicht verbrauchten Oxidators in der Leitung 66 zwischen der Turbine 62 und der Abgasleitung 68 abzuziehen.
Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass der Combustor den nicht verbrauchten Oxidator, der von der Sammelleitung für unverbrauchten Oxidator dem Oxidatorverteiler zugeführt wird, direkt aufheizt, weshalb ein Hochtemperatur- Wärmetauscher nicht benötigt wird. Dies ermöglicht eine Vereinfachung des Festoxid-Brennstoffzellensystems, minimiert die Anzahl der Komponenten, verringert die Kosten und verbessert die Wartungsfreundlichkeit.
Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass eine effizientere und größere Turbomaschinerie, Turbine und Kompressor verwendet werden können, da der Wärmetauscher eine geringe Wirksamkeit und eine niedrige Einlasstemperatur hat, weil der Wärmetauscher stromabseitig von der Turbine positioniert wird.
Ein weiteres Festoxid-Brennstoffzellensystem 210 gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 3 gezeigt, und das Festoxid-Brennstoffzellensystem 210 weist einen Festoxid-Brennstoffzellenstapel 12 und eine Gasturbine 14 auf. Das Festoxid-Brennstoffzellensystem 210 ist im Wesentlichen dasselbe wie das in 1 gezeigte Festoxid-Brennstoffzellensystem 10, und gleiche Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
Das Festoxid-Brennstoffzellensystem 210 unterscheidet sich von dem Festoxid-Brennstoffzellensystem 10 darin, dass das Festoxid-Brennstoffzellensystem 210 den gesamten nicht verbrauchten Oxidator von der Oxidator-Sammelleitung 48 durch die Leitung 50 dem Combustor 46 zuführt. Ein zweiter Teil des nicht verbrauchten Brennstoffs wird in dem gesamten nicht verbrauchten Oxidator in dem Combustor 46 verbrannt, um heiße Gase zu erzeugen. Ein erster Teil der Produkte, das heißt die heißen Gase und nicht verbrauchter Oxidator, des Combustors 46 wird durch die Leitungen 56 und 56B dem Oxidator-Ejektor 58 zugeführt. Ein zweiter Teil der Produkte, das heißt die heißen Gase und nicht verbrauchter Oxidator, des Combustors 46 wird durch die Leitungen 56 und 72 der Turbine 62 zugeführt, um die Turbine 62 anzutreiben.
Ein Wärmetauscher 74 ist vorgesehen, um Wärme von den Produkten, das heißt den heißen Gasen und dem nicht verbrauchten Oxidator, des Combustors 46 auf den Oxidator zu übertragen, der von dem Kompressor 60 den Kathoden 22 der Festoxid-Brennstoffzellen 16 zugeführt wird, um den durch den Kompressor 60 zugeführten Oxidator vorzuheizen. Der Wärmetauscher 74 ist ein Wärmetauscher 74 mit geringer Wirksamkeit und kann aus Metall oder Keramik gebildet sein. Der Wärmetauscher 74 ist eingerichtet, um die Strömung von Oxidator von dem Kompressor 60 zu dem Oxidatorverteiler 26 in der Leitung 34 zwischen dem Oxidator-Ejektor 58 und dem Oxidator-Verteiler 26 vorzuheizen. Der Wärmetauscher 74 ist eingerichtet, um von der Strömung der Produkte, das heißt dem heißen und nicht verbrauchten Oxidator, des Combustors 46 in der Leitung 56 zwischen dem Combustor 46 und der Turbine 62 oder dem Oxidator-Ejektor 58 Wärme abzuziehen.
Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass der Combustor den nicht verbrauchten Oxidator direkt aufheizt, der von der Sammelleitung für nicht verbrauchten Oxidator dem Oxidator-Verteiler zugeführt wird, weshalb kein Wärmetauscher benötigt wird. Dies ermöglicht eine Vereinfachung des Festoxid-Brennstoffzellensystems, verringert die Kosten und verbessert die Zuverlässigkeit.
Die Gasturbine kann variable Leitschaufeln in dem Kompressor und/oder der Turbine haben, wie z.B. veränderliche Einlass-Leitschaufeln.
Der Oxidator-Ejektor kann eine Strahlpumpe sein. Alternativ können andere Mittel vorgesehen werden, um die Produkte des Combustors unter Druck zu setzen und mit dem Oxidator zu vermischen, der durch den Kompressor zugeführt wird. So kann z.B. eine Turbomaschine, ein Ventilator, eine Pumpe oder ein Gebläse vorgesehen werden, um die Produkte des Combustors unter Druck zu setzen, und ein gesonderter Mischer kann vorgesehen werden, um die Produkte des Combustor und den Oxidator zu vermischen. Die Turbomaschine kann durch eine Freikraft-Turbine angetrieben werden. Der Ventilator, die Pumpe oder das Gebläse können durch eine Freikraft-Turbine, elektrisch oder durch andere geeignete Mittel angetrieben werden.
Der Brennstoff-Ejektor kann eine Strahlpumpe sein. Alternativ können andere Mittel vorgesehen werden, um den nicht verbrauchten Brennstoff unter Druck zu setzen und mit dem durch die Brennstoffzufuhr zugeführten Brennstoff zu vermischen. So können einen Turbomaschine, ein Ventilator, eine Pumpe oder ein Gebläse vorgesehen werden, um den nicht verbrauchten Brennstoff unter Druck zu setzen, und ein gesonderter Mischer kann vorgesehen werden, um den nicht verbrauchten Brennstoff und den Brennstoff zu vermischen. Die Turbomaschine kann durch eine Freikraft-Turbine, elektrisch oder durch andere geeignete Mittel angetrieben werden.
Ein weiteres Festoxid-Brennstoffzellensystem 310 gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 4 gezeigt, und das Festoxid-Brennstoffzellensystem 310 weist einen Festoxid-Brennstoffzellenstapel 10 und eine Gasturbine 14 auf. Das Festoxid-Brennstoffzellensystem 310 ist im Wesentlichen dasselbe wie das in 1 gezeigte Festoxid-Brennstoffzellensystem 10, und gleiche Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
Das Festoxid-Brennstoffzellensystem 310 unterscheidet sich von dem Festoxid-Brennstoffzellensystem 10 darin, dass in dem Festoxid-Brennstoffzellensystem 310 die Produkte, das heißt die heißen Gase und nicht verbrauchter Oxidator, des Combustors 46 durch den Combustor 46 und die Leitung 56 zuerst einer Oxidatorpumpe 58A zugeführt werden, welche die Produkte des Combustors 46 unter Druck setzt, und dann zweitens einem Mischer 58B zugeführt werden, der die Produkte des Combustors 46 mit dem Oxidator mischt, der durch den Kompressor 60 durch die Leitung 64 dem Oxidatorverteiler 26 zugeführt wird, um den durch den Kompressor 62 zugeführten Oxidator vorzuheizen.
Das Festoxid-Brennstoffzellensystem 310 unterscheidet sich ebenfalls von dem Festoxid-Brennstoffzellensystem 10, und zwar darin, dass in dem Festoxid-Brennstoffzellensystem 310 die Brennstoffzufuhr 28 eine Zufuhr eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffs ist, wie z.B. Methan. Auch hat der Festoxid-Brennstoffzellenstapel 12 einen Reformer 76, der eingerichtet ist, um den Kohlenwasserstoff-Brennstoff zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu reformieren. Der Reformer 76 ist stromaufseitig von dem Brennstoffverteiler 24 positioniert, so dass unreformierter Kohlenwasserstoff-Brennstoff durch die Leitung 34 dem Reformer 76 zugeführt wird, und es wird reformierter Brennstoff, das heißt Wasserstoff und Kohlenmonoxid, dem Brennstoffverteiler 24 zugeführt. Die in dem Reformer 76 stattfindende Reformierungsaktion ist eine endotherme Reaktion. Die für die endotherme Reaktion in dem Reformer 46 benötigte Wärme wird durch den Wärmetauscher 78 geliefert, der von dem nicht verbrauchten Oxidator unmittelbar stromabseitig von der Sammelleitung 48 für nicht verbrauchten Oxidator Wärme aus dem Reformer 76 erzeugt.
Die Pumpe 58A kann durch einen Ventilator, ein Gebläse oder eine Turbomaschine ersetzt werden. Die Turbomaschine kann durch eine Gasturbine angetrieben werden, die eingerichtet ist, um durch die Abgase angetrieben zu werden, die durch die Leitung 66 von der Turbine 62 zu der Abgasleitung 68 strömen.
In 4 hat z.B. für ein 50 kWe Festoxid-Brennstoffzellensystem 310 der Druck des Oxidators am Auslass des Kompressors 60 einen Wert von 9,5 bar, das heißt 950 kPa (kPascal), und die Temperatur beträgt 390°C. Der Druck des Oxidators an dem Oxidatorverteiler 26 beträgt 7 bar, das heißt 700 kPa (kPascal), und die Temperatur beträgt 850°C. Die Temperatur des nicht verbrauchten Oxidators in der Sammelleitung 48 für nicht verbrauchten Oxidator beträgt 950°C. Der Druck des nicht verbrauchten Oxidators in den Leitungen 50, 52 und 54 beträgt 7 bar, das heißt 700 kPa (kPascal), und die Temperatur beträgt 850°C. Der Druck des Produktes des Combustors 46 in der Leitung 56 beträgt 7 bar, das heißt 700 kPa (kPascal), und die Temperatur beträgt 1050°C. Der Druck der Abgase an der Abgasleitung 68 beträgt 1013 bar, das heißt 101,3 kPa (kPascal), und die Temperatur beträgt 530°C.
Es ist durchaus möglich, den Reformer in 4 in den Ausführungsbeispielen von 1, 2, 3 und/oder die Pumpe und den Mischer von 4 in 1, 2 und 3 zu verwenden.
Als weitere Alternative in 4 ist es möglich, dass die Leitung 56 den Mischer 58B direkt versorgt und man die Pumpe 58A in der Leitung 34 zwischen dem Mischer 58B und dem Oxidatorverteiler 26 anordnet. Dies ermöglicht die Verwendung einer Pumpe mit einer geringeren Temperaturfähigkeit.
Die Erfindung wurde zwar unter Bezugnahme auf eine Gasturbine beschrieben, die einen Einzelkompressor und eine Einzelturbine aufweist, doch kann die Gasturbine einen Niederdruck-Kompressor, einen Hochdruck-Kompressor, eine Hochdruck-Turbine und eine Niedrigdruck-Turbine aufweisen. Alternativ kann die Gasturbine einen Niedrigdruck-Kompressor, einen Zwischendruck-Kompressor, einen Hochdruck-Kompressor, eine Hochdruck-Turbine, eine Zwischendruck-Turbine und eine Niedrigdruck-Turbine aufweisen. Die Kompressoren können Axialströmungs-Kompressoren oder Radialströmungs-Kompressoren sein, und in ähnlicher Weise können die Turbinen Axialströmungs-Turbinen oder Radialströmungs-Turbinen sein.
Die Gasturbinen können einen elektrischen Generator antreiben, wie z.B. einen Wechselstrom-Generator, um weiteren Strom zu erzeugen. Der elektrische Generator kann durch den Niedrigdruck-Kompressor angetrieben werden.
Im Falle der Gasturbinen mit einem Hochdruck-Kompressor kann eine Ablassanordnung vorgesehen sein, um Fluid vom stromabseitigen Ende des Hochdruck-Kompressors abzulassen und das abgelassene Fluid der Hochdruck-Turbine zuzuführen. Alternativ kann eine Ablassanordnung vorgesehen sein, um Fluid von dem stromabseitigen Ende des Hochdruck-Kompressors abzulassen und das abgelassene Fluid aus der Gasturbine auszustoßen.

Claims

Festoxid-Brennstoffzellensystem (10), welches einen Festoxid-Brennstoffzellenstapel (12) und eine Gasturbine (14) aufweist, wobei der Festoxid-Brennstoffzellenstapel (12) mindestens eine Festoxid-Brennstoffzelle (16) aufweist, wobei jede Festoxid-Brennstoffzelle (16) einen Elektrolyt (18), eine Anode (20) und eine Kathode (22) aufweist, und wobei die Gasturbine (14) einen Kompressor (60) und eine zum Antreiben des Kompressors (60) angeordnete Turbine (62) aufweist, wobei der Kompressor (60) zum Zuführen von Oxidator an die Kathode (22) der mindestens einen Festoxid-Brennstoffzelle (16) eingerichtet ist, sowie ein Mittel aufweist zum Zuführen von Brennstoff (28, 30, 44) an die Anode (20) der mindestens einen Festoxid-Brennstoffzelle (16) und ein Mittel aufweist zum Zuführen mindestens eines Teils (52) des nicht verwendeten Oxidators (49) von der mindestens einen Festoxid-Brennstoffzelle (16) an die Kathode (22) der mindestens einen Festoxid-Brennstoffzelle (16), wobei das Mittel zum Zuführen mindestens eines Teils (52) des nicht verwendeten Oxidators (49) einen Combustor (46) aufweist, wobei der Combustor (46) eingerichtet ist, um mindestens einen Teil (44) des nicht verwendeten Brennstoffs von der mindestens einen Festoxid-Brennstoffzelle (16) in dem mindestens einen Teil (52) des nicht verwendeten Oxidators von der mindestens einen Festoxid-Brennstoffzelle (16) zu verbrennen, und eingerichtet ist, um die Produkte des Combustors (46) dem Oxidator zuzuführen, der durch den Kompressor (60) der Kathode (22) der mindestens einen Festoxid-Brennstoffzelle (16) zugeführt wird, um den durch den Kompressor (60) zugeführten Oxidator vorzuheizen.
Festoxid-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Festoxid-Brennstoffzellenstapel (12) eine Vielzahl von Festoxid-Brennstoffzellen aufweist.
Festoxid-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Teil (54) des nicht verwendeten Oxidators der Turbine (62) zugeführt wird, um die Turbine (62) anzutreiben.
Festoxid-Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher (70) vorgesehen ist, um Wärme von den Turbinen-Abgasen (62) auf den Oxidator zu übertragen, der von dem Kompressor (60) der Kathode (22) der mindestens einen Festoxid-Brennstoffzelle (16) zugeführt wird, um den durch den Kompressor (60) zugeführten Oxidator vorzuheizen.
Festoxid-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Combustor (46) eingerichtet ist, um mindestens einen Teil (44) des nicht verwendeten Brennstoffs von der mindestens einen Festoxid-Brennstoffzelle (16) in dem gesamten nicht verwendeten Oxidator von der mindestens einen Festoxid-Brennstoffzelle (16) zu verbrennen.
Festoxid-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Combustor (46) eingerichtet ist, um einen Teil (56B) der Produkte des Combustors (46) dem Oxidator zuzuführen, der durch den Kompressor (60) der Kathode (22) der mindestens einen Festoxid-Brennstoffzelle (16) zugeführt wird, um den durch den Kompressor (60) zugeführten Oxidator vorzuheizen.
Festoxid-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Teil (72) der Produkte des Combustors (46) der Turbine (62) zugeführt wird, um die Turbine (62) anzutreiben.
Festoxid-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher (74) vorgesehen ist, um Wärme von den Produkten des Combustors (46) auf den Oxidator zu übertragen, der von dem Kompressor (60) der Kathode (22) der mindestens einen Festoxid-Brennstoffzelle (16) zugeführt wird, um den durch den Kompressor (60) zugeführten Oxidator vorzuheizen.
Festoxid-Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem ein Mittel aufweist zum Zuführen mindestens eines zweiten Teils (40) des nicht verwendeten Brennstoffs von der mindestens einen Festoxid-Brennstoffzelle (16) an die Anode (20), wobei das Mittel zum Zuführen eines zweiten Teils (40) des nicht verwendeten Brennstoffs eingerichtet ist, um den zweiten Teil nicht verwendeten Brennstoffs dem Brennstoff zuzuführen, der durch das Mittel zum Zuführen von Brennstoff (28, 30, 24) zugeführt wird, um den durch das Mittel zum Zuführen von Brennstoff (28, 30, 24) zugeführten Brennstoff vorzuheizen.
Festoxid-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Zuführen mindestens eines zweiten Teils (40) des nicht verwendeten Brennstoffs ein Mittel (42) zum Druckbeaufschlagen des nicht verwendeten Brenn stoffs und ein Mittel zum Mischen des nicht verwendeten Brennstoffs mit dem Brennstoff aufweist.
Festoxid-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (42) zum Druckbeaufschlagen des nicht verwendeten Brennstoffs und das Mittel zum Mischen des nicht verwendeten Brennstoffs einen Ejektor aufweist.
Festoxid-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (42) zum Druckbeaufschlagen des nicht verwendeten Brennstoffs eine Pumpe, einen Ventilator, ein Gebläse oder eine Turbomaschine aufweist, und dass das Mittel zum Mischen des nicht verwendeten Brennstoffs mit dem Brennstoff einen Mischer aufweist.
Festoxid-Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Zuführen mindestens eines Teils des nicht verwendeten Oxidators ein Mittel (58) zum Druckbeaufschlagen des nicht verwendeten Oxidators sowie ein Mittel (58) zum Mischen des nicht verwendeten Oxidators mit dem Oxidator aufweist.
Festoxid-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (58) zum Druckbeaufschlagen des nicht verwendeten Oxidators und das Mittel (58) zum Mischen des nicht verwendeten Oxidators mit dem Oxidator einen Ejektor aufweist.
Festoxid-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (58) zum Druckbeaufschlagen des nicht verwendeten Oxidators und das Mittel zum Mischen (58) des nicht verwendeten Oxidators mit dem Oxidator eine Pumpe, einen Ventilator, ein Gebläse oder eine Turbomaschine (58A) und einen Mischer (58B) aufweist.
Festoxid-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Combustor (46) eingerichtet ist, um die Produkte des Combustors (46) dem Oxidator zuzuführen, der durch den Kompressor (60) der Kathode (22) der mindestens einen Festoxid-Brennstoffzelle (16) zugeführt wird, um den Oxidator vorzuheizen, der durch den Kompressor (60) über das Mittel (58) zum Druckbeaufschlagen des nicht verwendeten Oxidators und das Mittel zum Mischen des nicht verwendeten Oxidators mit dem Oxidator zugeführt wird.
Festoxid-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11, 14 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Ejektor eine Strahlpumpe ist.
Festoxid-Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Zuführen von Brennstoff an die Anode (22) der mindestens einen Festoxid-Brennstoffzelle (16) einen Reformer aufweist, wobei der Reformer (76) eingerichtet ist, um den Brennstoff zu reformieren, wobei eine Brennstoffzufuhr (28) eingerichtet ist, um Brennstoff dem Reformer (76) zuzuführen, und der Reformer (76) eingerichtet ist, um der Anode (20) der mindestens einen Festoxid-Brennstoffzelle (16) reformierten Brennstoff zuzuführen.
Festoxid-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Zuführen mindestens eines Teils des nicht verwendeten Oxidators eingerichtet ist, um den Reformer (76) aufzuheizen.