DE10016847A1 - Device for energetic use of materials containing carbon has thermochemical conversion reactor, high temperature fuel cell(s) and heat conducting pipe(s) transferring waste heat to reactor - Google Patents

Abstract

The device has a thermochemical conversion reactor (22) in the form of a turbulence layer reactor for converting the carbon containing material into a combustion gas suitable for a fuel cell, at least one high temperature fuel cell (2) for generating electrical current and waste heat and at least one heat conducting pipe (36) for transferring the waste heat to the conversion reactor.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur energetischen Nutzung von kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen gemäß Anspruch 1.The invention relates to a device for energetic Use of carbonaceous feedstocks in accordance with Claim 1.

Die Erzeugung von Brenngasen aus kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen erleichtert wesentlich die Nutzung fester Einsatzstoffe zur Stromerzeugung in kleinen, dezentralen Anlagen. In den vergangenen Jahren wurde vor allem die Nutzung dieser Gase in Gasmotoren untersucht. Zwar wurden Holzvergaser in Verbindung mit Gasmotoren in Kraftfahrzeugen bereits während des zweiten Weltkrieges eingesetzt, für eine stationäre Anwendung zur Stromerzeugung sind allerdings Betriebszeiten von mehreren tausend Betriebsstunden pro Jahr erforderlich, die bis heute nicht erreicht werden können.The generation of fuel gases from carbonaceous Feedstocks significantly facilitate the use of solid Input materials for electricity generation in small, decentralized Investments. In the past few years, especially Exploited the use of these gases in gas engines. Although were Wood gasifier in connection with gas engines in Motor vehicles already during the Second World War used for a stationary application Electricity generation are, however, operating times of several thousand hours of operation per year that have not been reached to date.

Hauptproblem dabei ist bis heute die Teerproblematik [1]. Bei der thermischen Vergasung fallen unvermeidbar auch aromatische höhere Kohlenwasserstoffe an, die bei Temperaturen unterhalb von 200-350°C auskondensieren und in Rohrleitungen oder im Motor dicke Beläge bilden. Bei herkömmlichen Kolbenmotoren müssen allerdings Brenngas und Verbrennungsluft auf deutlich unter 100°C abgekühlt werden, wodurch die Kondensation der Teere nicht vermieden werden kann.The main problem here is the tar problem [1]. Thermal gasification also inevitably falls aromatic higher hydrocarbons at Condense temperatures below 200-350 ° C and form thick deposits in pipes or in the engine. With conventional piston engines, however Fuel gas and combustion air to well below 100 ° C be cooled, causing condensation of the tars cannot be avoided.

Weiterhin diskutiert wird der Einsatz der erzeugten Brenngase in Brennstoffzellen. Vorteil der Brennstoffzelle ist ihr hoher elektrischer Wirkungsgrad auch in kleinen Einheiten. Je nach Brennstoffzellentyp ist die Anforderung an die Gasqualität unterschiedlich. Einige Konzepte sehen den Einsatz einer Niedertemperaturbrennstoffzelle vor. Hier sind die Anforderungen an die Gasqualität sehr hoch. Wesentliche Vorteile verspricht der Einsatz dieser Gase in Hochtemperaturbrennstoffzellen. Die Anforderung an die Gasqualität können hier geringer sein. Darüber hinaus bieten sich bessere Möglichkeiten der Wärmeintegration.The use of the generated ones is also discussed Fuel gases in fuel cells. Advantage of Fuel cells are their high electrical efficiency even in small units. Depending on the fuel cell type  the gas quality requirement is different. Some concepts see the use of a Low temperature fuel cell. Here are the Gas quality requirements very high. Essentials The use of these gases promises advantages High temperature fuel cells. The requirement for the Gas quality can be lower here. Furthermore there are better options for heat integration.

Stand der TechnikState of the art Stand der Technik BrennstoffzellenState of the art fuel cells

Stand der Technik sind Brennstoffzellen 2, die in sehr unterschiedlichen Ausführungen gebaut und entwickelt werden. Eine Ausführungsform ist schematisch in Fig. 1 gezeigt. Die Brennstoffzelle 2 umfaßt einen Behälter 4, in dem eine poröse Kathode 6 und eine poröse Anode 8 getrennt durch einen gasdichten Elektrolyten 10 angeordnet sind. Über eine Brenngaszuführung 12, wird Brenngas, z. B. Wasserstoff, und über eine Oxididationsmittelzuführung 14 wird ein Oxidationsmittel, z. B. Luft, kontinuierlich zugeführt. Über eine Anodengasableitung 16 und eine Kathodengasableitung 18 wird kontinuierlich das entstehende Abgas abgeführt. Zwischen Kathode 6 und Anode 8 wird der erzeugte Strom abgenommen und einem Verbraucher 20 zugeführt. Mehrere Einzelzellen 2 gemäß Fig. 1 sind vorteilhafterweise zu einem Stack zusammengeschaltet. Verschiedene Typen von Brennstoffzellen unterscheiden sich unter anderem durch die Art des eingesetzten Elektrolyten und der Art der Ionenleitung. Die Wahl des Elektrolyten legt in der Regel die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle fest. Man kann in Niedertemperatur- (z. B. Polymerelektrolytmembran­ brennstoffzelle), Mitteltemperatur- (z. B. Phosphorsäurebrennstoffzelle) und Hochtemperaturbrennstoffzellen (z. B. Schmelzkarbonat- und Oxidkeramikbrennstoffzelle) unterscheiden. Für den Einsatz von aus kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen gewonnen Brenngas sind vorteilhafterweise Hochtemperaturbrennstoffzellen einzusetzen. Vorteile sind die höhere Toleranz gegen Verunreinigungen und die Möglichkeit die Abwärme der Brennstoffzelle im Gesamtprozess wieder nutzen zu können. Die Abfuhr der Wärme aus der Brennstoffzelle erfolgt nach dem Stand der Technik mit dem Abgas (vornehmlich dem Kathodenabgas). Es sind jedoch Verfahren bekannt, die Abwärme über in den Stack integrierte Wärmetauscherrohre oder Heatpipes abzuführen und teilweise auch nutzbar zu machen (US-PS- 4,853,100 und DE-A-198 38 652).State of the art is fuel cells 2 , which are built and developed in very different versions. One embodiment is shown schematically in FIG. 1. The fuel cell 2 comprises a container 4 , in which a porous cathode 6 and a porous anode 8 are arranged separated by a gas-tight electrolyte 10 . Via a fuel gas supply 12 , fuel gas, e.g. B. hydrogen, and an oxidizing agent supply 14 , an oxidizing agent, for. B. air, continuously supplied. The resulting exhaust gas is continuously removed via an anode gas discharge line 16 and a cathode gas discharge line 18 . The generated current is drawn off between cathode 6 and anode 8 and fed to a consumer 20 . Several individual cells 2 according to FIG. 1 are advantageously connected to form a stack. Different types of fuel cells differ, among other things, by the type of electrolyte used and the type of ion conduction. The choice of the electrolyte usually determines the operating temperature of the fuel cell. One can differentiate between low-temperature (e.g. polymer electrolyte membrane fuel cell), medium-temperature (e.g. phosphoric acid fuel cell) and high-temperature fuel cells (e.g. molten carbonate and oxide ceramic fuel cells). High-temperature fuel cells are advantageously used for the use of fuel gas obtained from carbon-containing feedstocks. Advantages are the higher tolerance to impurities and the possibility of being able to use the waste heat of the fuel cell again in the overall process. The heat is removed from the fuel cell according to the prior art with the exhaust gas (primarily the cathode exhaust gas). However, methods are known for dissipating the waste heat via heat exchanger tubes or heat pipes integrated in the stack and in some cases for making it usable (US Pat. Nos. 4,853,100 and DE-A-198 38 652).

Externe GaserzeugungExternal gas generation

Für die externe Gaserzeugung sind zwei prinzipiell unterschiedliche Verfahren möglich:There are two basic principles for external gas generation different processes possible:

Bei der "allothermen Vergasung" wird dem Vergasungsreaktor Wärme aus einer externen Wärmequelle zugeführt. Diese Wärme ist notwendig, um die notwendige Energie für die endothermen Vergasungsreaktionen bereitzustellen.With "allothermal gasification" this is Gasification reactor heat from an external heat source fed. This heat is necessary to get the necessary Energy for the endothermic gasification reactions to provide.

Diese Wärme wird bei der "autothermen Vergasung" durch die gleichzeitige Verbrennung eines Teils des Brennstoffes im Reaktor freigesetzt. Dadurch vermischen sich die Rauchgase aus der Verbrennung mit den Brenngasen und der Heizwert des Produktgases sinkt entsprechend.This heat is generated during "autothermal gasification" the simultaneous combustion of part of the Fuel released in the reactor. Mix through this the flue gases from the combustion with the fuel gases and the calorific value of the product gas drops accordingly.

Für die Nutzung in Brennstoffzellen sind besonders wasserstoffreiche Gase mit hohen Heizwerten von über 10000 kJ/m³ geeignet. Um besonders wasserstoffreiche Gase mit hohen Heizwerten zu produzieren, ist die sogenannte Wasserdampf-Vergasung ("Reformierung") sinnvoll, bei der als Vergasungsmittel Wasserdampf zugegeben wird. Particularly hydrogen-rich gases with high calorific values of over 10000 kJ / m ^{3 are} suitable for use in fuel cells. In order to produce particularly hydrogen-rich gases with high calorific values, so-called water vapor gasification ("reforming") is useful, in which water vapor is added as the gasifying agent.

Neben Festbettvergasern werden vor allem auch stationäre oder zirkulierende Wirbelschichtvergaser diskutiert, die meist auch autotherm betrieben werden und wie die Flugstromvergasung überwiegend in Großanlagen eingesetzt werden sollen. Einen umfassenden Überblick über die zur Verfügung stehenden Verfahren geben z. B. Born [2], Jansen [3], und Wagner [4].In addition to fixed bed carburettors, stationary ones will also be used or circulating fluidized bed gasifiers discussed that mostly operated autothermally and like that Traction current gasification mainly used in large plants should be. A comprehensive overview of the Available procedures give z. B. Born [2], Jansen [3], and Wagner [4].

Die bei der thermischen Vergasung kohlenstoffhaltiger Einsatzstoffe ablaufenden Prozesse entsprechen weitgehend den Vorgängen bei der Kohlenvergasung. Wesentlicher Unterschied ist meist der gegenüber der Kohle wesentlich erhöhte Anteil an flüchtigen Bestandteilen. Neben den bei der Kohlevergasung ablaufenden heterogenen und homogenen Vergasungsreaktionen kommt daher der Pyrolyse der Reststoffe eine besondere Bedeutung zu.The more carbonaceous in thermal gasification Processes that run in feedstock largely correspond the processes of coal gasification. More essential The difference is usually that of coal increased proportion of volatile components. In addition to the at coal gasification is heterogeneous and homogeneous Gasification reactions therefore comes from the pyrolysis of Residues are of particular importance.

Bei diesen Pyrolysereaktionen werden bei Temperaturen zwischen 300°C und 700°C die flüchtigen Bestandteile ausgetrieben. Insbesondere wird dabei die Brennstoffstruktur aufgebrochen und es entstehen vorwiegend hochmolekulare aromatische Kohlenwasserstoffe mit Siedetemperaturen zwischen 200°C und 300°C, sogenannte Teere.These pyrolysis reactions are carried out at temperatures the volatile components between 300 ° C and 700 ° C expelled. In particular, the Fuel structure broken up and it is created predominantly high molecular weight aromatic hydrocarbons with boiling temperatures between 200 ° C and 300 ° C, so-called tars.

Bei Temperaturen über 700°C werden diese Teere mit Wasserdampf in CO und H₂ umgesetzt (Reformierung)
At temperatures above 700 ° C, these tars are converted into CO and H ₂ with water vapor (reforming)

C_nH_m + nH₂O → nCO + (n + m/2)H₂ C _n H _m + nH ₂ O → nCO + (n + m / 2) H ₂

Der im Bett verbleibende Kohlenstoff (Restkoks) wird durch die "heterogene Wassergasreaktion" partiell oxidiert und entsprechend der Boudouard-Reaktion
The carbon remaining in the bed (residual coke) is partially oxidized by the "heterogeneous water gas reaction" and in accordance with the Boudouard reaction

C + CO₂ → 2CO
C + CO ₂ → 2CO

in CO und CO₂ umgesetzt. Durch den Wasserdampfüberschuß entsteht bei der Reaktion
implemented in CO and CO ₂ . The excess of steam creates the reaction

H₂O + CO → H₂ + CO₂
H ₂ O + CO → H ₂ + CO ₂

zusätzlich Wasserstoff ("Shift-Reaktion") der allerdings teilweise weiter in Methan umgesetzt wird ("Methanisierung"):
additionally hydrogen ("shift reaction") which, however, is partially converted into methane ("methanization"):

CO + 3H₂ → CH4 + H₂OCO + 3H ₂ → CH4 + H ₂ O

Im erzeugten Brenngas liegen also vor allem H₂, CO, CO₂, H₂O, CH₄ und ein geringerer Anteil an nicht umgesetzten Teeren vor. Die sich einstellende Gaszusammensetzung hängt im wesentlichen von den Reaktionsbedingungen (Druck, Temperatur) ab. Die Verweilzeit des Brenngases im Reaktor bestimmt wesentlich den erreichten Umsatz und damit den Anteil der im Brenngas verbliebenen Teere.H ₂ , CO, CO ₂ , H ₂ O, CH ₄ and a smaller proportion of unconverted tars are therefore present in the fuel gas produced. The resulting gas composition essentially depends on the reaction conditions (pressure, temperature). The residence time of the fuel gas in the reactor essentially determines the conversion achieved and thus the proportion of the tars remaining in the fuel gas.

Ein Brenngas mit hohem Heizwert und hohem Gehalt an H₂, was für den Einsatz in Brennstoffzellen vorteilhaft ist, erhält man durch die allotherme Vergasung. Die allotherme Vergasung wird derzeit überwiegend für Großanlagen erprobt. Hauptproblem bei der Realisierung einer allothermen Vergasung ist der Wärmeeintrag in den Vergaser. Um die gewünschten hohen Heizwerte zu realisieren, muß die für die endothermen Vergasungsreaktionen notwendige Wärme aus externen Wärmequellen in den Vergasungsreaktor eingebracht werden. Dazu stehen zwei prinzipiell unterschiedliche Möglichkeiten zur Auswahl.A fuel gas with a high calorific value and a high H ₂ content, which is advantageous for use in fuel cells, is obtained through allothermal gasification. Allothermal gasification is currently being tested primarily for large-scale plants. The main problem in realizing allothermal gasification is the heat input into the gasifier. In order to achieve the desired high calorific values, the heat required for the endothermic gasification reactions has to be introduced into the gasification reactor from external heat sources. There are two fundamentally different options to choose from.

Bei der ersten Möglichkeit wird der Wärmeeintrag durch die Zirkulation von heißen Inertstoffen realisiert. Dazu eignen sich vor allem Wirbelschichtvergaser. So wird zum Beispiel beim Batelle-Verfahren [5] heißes Bettmaterial aus einer Wirbelschichtbrennkammer ausgetragen und in einen Wirbelschichtvergaser eingebracht. Das im Vergaser erzeugte Brenngas wird gereinigt und in einer Gasturbine genutzt. Der im Vergaser entstandene Restkoks wird zusammen mit dem abgekühlten Bettmaterial zurück in die Wirbelschichtbrennkammer gefördert und dort verbrannt. Das dadurch wieder aufgeheizte Bettmaterial wird in den Wirbelschichtvergaser gefördert und deckt dort teilweise den Wärmebedarf der Vergasung. Im Gegensatz zu authothermen Vergasungsverfahren findet dadurch keine Vermischung des erzeugten Brenngases mit den bei der Verbrennung erzeugten Rauchgasen statt und ein hoher Heizwert bleibt erhalten. Nach dem selben Prinzip arbeitet der "intern zirkulierende Wirbelschichtvergaser" der Firma Austrian Energy (AT 402846 B).In the first option, the heat input is through the circulation of hot inert substances is realized. To fluidized bed gasifiers are particularly suitable. So becomes  Example with the Batelle process [5] hot bed material discharged from a fluidized bed combustion chamber and into introduced a fluidized bed gasifier. That in the carburetor Generated fuel gas is cleaned and in a gas turbine used. The residual coke created in the carburetor is together with the cooled bed material back into the Fluidized bed combustion chamber promoted and burned there. The bed material that is heated up again in this way Fluidized bed gasifier promoted and partially covers there the heat requirement of gasification. In contrast to autothermal gasification processes are therefore not found Mixing of the fuel gas generated with the Combustion generated smoke gases instead and a high The calorific value is retained. Following the same principle does the "internally circulating fluidized bed gasifier" from Austrian Energy (AT 402846 B).

Eine zweite Möglichkeit zur Realisierung des Wärmeeintrages besteht darin, den Vergaser indirekt zu beheizen. Dazu werden z. B. Heizflächen in das Wirbelbett eines Wirbelschichtvergasers integriert. Bereits in den 70er Jahren arbeitete die DMT in Essen intensiv daran, die Abwärme eines Hochtemperaturreaktors zur Kohlegaserzeugung zu nutzen. Hierzu wird auf die DE 197 36 847 A1 verwiesen. Dazu wurden Wärmetauscherrohre mit heißem Helium durchströmt, das mit der Abwärme des Reaktors erhitzt werden sollte.A second way of realizing the The heat input is to indirectly the carburetor heat. For this, z. B. heating surfaces in the fluidized bed of a fluidized bed gasifier integrated. Already in the In the 1970s, the DMT in Essen worked intensively on the waste heat from a high temperature reactor To use coal gas generation. For this purpose, DE 197 36 847 A1 referred. For this purpose, heat exchanger tubes flows with hot helium, which with the waste heat of the Reactor should be heated.

Das Hauptproblem hier ist allerdings der schlechte gasseitige Wärmeübergang in den Wärmetauscherrohren und die geringe zur Verfügung stehende Wärmetauscherfläche. Während in der Wirbelschicht sehr hohe Wärmeübergangskoeffizienten realisiert werden können, sind gasseitig extrem hohe Temperaturen und Drücke notwendig, um die erforderlichen Wärmestromdichten zu realisieren. Diese hohen Temperaturen bedingen allerdings auch hohe Abgastemperaturen, so daß große Abwärmemengen anfallen. Aus diesem Grund entwickelte DMT einen "allothermen Wirbelschichtvergaser" mit externer Brennkammer, in der ein Dampf-Rauchgasgemisch auf 750°C erhitzt wird und als Fluidisierungsmittel in einen druckaufgeladenen Wirbelschichtvergaser eingebracht wird. Naturgemäß können mit diesem Vergasertyp allerdings auch nur Heizwerte zwischen 6000 und 8000 kJ/m³ realisiert werden.The main problem here is the poor gas-side heat transfer in the heat exchanger tubes and the small available heat exchanger area. While very high heat transfer coefficients can be achieved in the fluidized bed, extremely high temperatures and pressures are necessary on the gas side in order to achieve the required heat flow densities. However, these high temperatures also result in high exhaust gas temperatures, so that large amounts of waste heat are generated. For this reason, DMT developed an "allothermic fluidized bed gasifier" with an external combustion chamber, in which a steam-flue gas mixture is heated to 750 ° C and introduced as a fluidizing agent in a pressure-charged fluidized bed gasifier. Naturally, this type of carburettor can only achieve calorific values between 6000 and 8000 kJ / m ³ .

Eine interessante Alternative für die allotherme Reformierung bietet die Firma MTCI aus Baltimore, USA an. Hier werden Pulsbrenner zur Beheizung eines Wirbelbettes eingesetzt, die sich dadurch auszeichnen, daß der gasseitige Wärmeübergang durch energiereiche Schallwellen wesentlich verbessert wird. In der entsprechenden Patentschrift US-PS-5,306,481 werden Wärmeübergangskoeffzienten von über 100 W/(m²K) angegeben. Damit verbessert sich der rauchgasseitige Wärmeübergang deutlich.The company MTCI from Baltimore, USA, offers an interesting alternative for allothermal reforming. Here, pulse burners are used to heat a fluidized bed, which are characterized in that the gas-side heat transfer is significantly improved by high-energy sound waves. The corresponding patent specification US Pat. No. 5,306,481 specifies heat transfer coefficients of over 100 W / (m ² K). This significantly improves the heat transfer on the flue gas side.

Alle genannten Verfahren zielen aufgrund des stets hohen technischen Aufwandes auf die Erzeugung von Brenngasen in Großanlagen. Neu ist die Idee, die Wärme mit Wärmeleitrohren (Heatpipes) in die Wirbelschicht einzubringen, wie dies in den nachveröffentlichten Patentanmeldungen 199 26 202.0 und 199 00 116.2 der TU München beschrieben ist. Beim Heatpipe-Reformer handelt es sich um ein neuartiges Konzept, bei dem die für die Wasserdampf-Vergasung notwendige Wärme mit Heatpipes in den Vergaser eingebracht wird. Das Konzept ermöglicht den Bau eines sehr kostengünstigen Vergasers, der trotz einer sehr einfachen Bauart die Erzeugung hochkalorischer Brenngase mit hohem Wasserstoffanteil verspricht. All of the methods mentioned aim due to the always high technical effort on the generation of fuel gases in Large plants. The idea is new with the warmth Heat pipes in the fluidized bed to bring in, as in the post-published Patent applications 199 26 202.0 and 199 00 116.2 of the TU Munich is described. The heat pipe reformer acts It’s a novel concept that’s designed for Steam gasification necessary heat with heat pipes in the carburetor is introduced. The concept enables that Construction of a very inexpensive carburetor, which despite a very simple design the generation of high calorific Fuel gases with a high hydrogen content promise.  

Kopplung externe Gaserzeugung, BrennstoffzelleCoupling external gas generation, fuel cell

Es sind bereits verschiedene Verfahren dokumentiert, die Systeme mit einer externen Gaserzeugung aus kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen, wie flüssigen Kohlenwasserstoffen oder biogenen Brennstoffen und die Nutzung in Brennstoffzellen vorschlagen. Auch wurden Verfahren vorgeschlagen, die Abwärme von Hochtemperaturbrennstoffzellen und nicht genutztes Brenngas z. B. in einer nachgeschalteten Gasturbine (SOFC Brennstoffzelle: US-PS-5,955,039, MCFC Brennstoffzelle: US-PS-4,921,765) zu nutzen. Ein weiteres Verfahren koppelt die Abwärme einer Hochtemperaturbrennstoffzelle (MCFC) und nicht genutztes Brenngas über einen in den Konversionsreaktor integrierten katalytischen Brenner oder einen externen Wärmetauscher in den Konversionsreaktor ein und nutzt die Abwärme weiter zur Dampferzeugung (US-PS-5,554,453). Für einen flüssigen kohlenstoffhaltigen Brennstoff, hier Methanol, wurde die Einkopplung der Reaktionswärme für die Wasserdampfreformierung in einen Reformer über Heatpipes vorgeschlagen (US-PS-4,861,347). Weitere Verfahren, ebenfalls für Methanol, beschreiben die Nutzung der Brennstoffzellenabgase in einem katalytischen Brenner und die Einkopplung dieser Wärme über Heatpipes in den Methanolreformer (JP-Pat. 62017002 A, JP-Pat. 08081202 A).Various procedures have already been documented Systems with an external gas generation carbonaceous feedstocks, such as liquid Hydrocarbons or biogenic fuels and the Propose use in fuel cells. Also were Process proposed the waste heat from High temperature fuel cells and unused Fuel gas z. B. in a downstream gas turbine (SOFC Fuel cell: US-PS-5,955,039, MCFC fuel cell: U.S. Patent 4,921,765). Another procedure couples the waste heat from a high-temperature fuel cell (MCFC) and unused fuel gas via one in the Conversion reactor integrated catalytic burner or an external heat exchanger in the Conversion reactor and uses the waste heat for Steam Generation (U.S. Patent 5,554,453). For a fluid carbonaceous fuel, here methanol, was the Coupling the heat of reaction for the Steam reforming into a reformer via heat pipes proposed (U.S. Patent No. 4,861,347). Other procedures also for methanol, describe the use of the Fuel cell exhaust gases in a catalytic burner and the coupling of this heat via heat pipes in the Methanol reformer (JP-Pat. 62017002 A, JP-Pat. 08081202 A).

Auch die Integration eines Brennstoffzellensystems mit externer Gaserzeugung in ein Gesamtsystem zur Nutzung solarer Energie durch die Vergasung zuvor angebauter Energiepflanzen ist Gegenstand mehrerer Patente (US-PS- 5,645,951, US-PS-5,795,666).The integration of a fuel cell system with external gas generation in an overall system for use solar energy through the gasification of previously grown Energy crops are the subject of several patents (US-PS- 5,645,951, U.S. Patent 5,795,666).

Alle bisher vorgeschlagenen Verfahren und Vorrichtungen zur Kombination von Brennstoffzellen mit vorgeschalteter Brenngaserzeugung in allothermen Vergasern in Kraft- Wärme-Kopplungsanlagen zeichnen sich durch eine mäßige Stromkennzahl aus. Diese Stromkennzahl beschreibt das Verhältnis aus erzeugtem Strom und der nutzbaren Abwärme des Prozesses. Sowohl die Abwärme der Brennstoffzelle als auch die Abwärme der Wärmequelle für den allothermen Vergaser fällt in großen Mengen und auf hohem Temperaturniveau an. Wünschenswert ist aber aus wirtschaftlichen und betrieblichen Gründen meist eine Reduzierung der Abwärmemenge zugunsten der erzeugten elektrischen Energie.All previously proposed methods and devices for the combination of fuel cells with upstream Fuel gas generation in allothermal gasifiers in power  Heat coupling systems are characterized by a moderate Electricity index off. This electricity index describes that Ratio of electricity generated and usable waste heat of the process. Both the waste heat from the fuel cell also the waste heat from the heat source for the allothermic Carburetor falls in large quantities and at high Temperature level. However, it is desirable economic and operational reasons mostly one Reduction of the amount of waste heat in favor of the generated ones electrical energy.

Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Vorrichtung zur Strom- und Wärmeerzeugung aus kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen bereitzustellen, bei der die Abwärme einer Brennstoffzelle genutzt wird, um Brenngas in einem allothermen Konversionsreaktor bzw. Vergaser für die Brennstoffzelle herzustellen, wodurch sich Kraft-Wärme- Kopplungs-Anlagen mit höheren Stromkennzahlen realisieren lassen.The object of the invention is therefore a device for Power and heat generation from carbonaceous Provide feedstocks in which the waste heat of a Fuel cell is used to produce fuel gas in one allothermic conversion reactor or gasifier for the Manufacture fuel cell, whereby power-heat Implement coupling systems with higher current key figures to let.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.This problem is solved by the features of Claim 1.

Bisher sind keine Verfahren oder Vorrichtungen bekannt, die die geringe Temperaturdifferenz zwischen dem Abgas der Brennstoffzelle und dem Vergaser nutzen können, um die für die Vergasung erforderlichen hohen Wärmeströme bereitzustellen.So far there are no methods or devices known that the small temperature difference between the Can use exhaust gas from the fuel cell and the carburetor, around the high heat flows required for gasification to provide.

Dadurch, daß als thermochemischer Konversionreaktor zur Herstellung der Brenngase für die Brennstoffzelle ein Wirbelschichtreaktor verwendet wird, ist es möglich, trotz des geringen Temperaturunterschiedes zwischen den Abgasen der Brennstoffzelle und den für den Wirbelschichtreaktor notwendigen Betriebstemperaturen die Abwärme aus der Hochtemperaturbrennstoffzelle mittels Wärmeleitrohren effektiv in den Wirbelschichtreaktor einzukoppeln. Durch die turbulente Strömung innerhalb der Wirbelschicht des Wirbelschichtreaktors wird der Wärmeübergang zwischen den Wärmeabgabeabschnitten der Wärmeleitrohre und der Wirbelschicht ausreichend gut, so daß die geringen Temperaturdifferenzen im Bereich zwischen 50°C und 100°C ausreichend sind, um die Abwärme aus der Brennstoffzelle effektiv in den Wirbelschichtreaktor einzukoppeln und für die Erzeugung von Brenngas zu nutzen. Diese Art der Wärmeeinkopplung in einen Wirbelschichtreaktor ist in anderem Zusammenhang bereits in den nachveröffentlichten Patentanmeldungen 199 00 116.2, 199 26 201.2 und 199 26 202.0 beschrieben. Hinsichtlich der Ausgestaltung des Wirbelschichtreaktors sowie der Wärmeleitrohre wird auf diese Anmeldungen voll inhaltlich Bezug genommen.The fact that as a thermochemical conversion reactor to produce the fuel gases for the fuel cell Fluidized bed reactor is used, it is possible despite the small temperature difference between the Exhausting the fuel cell and for the Fluid bed reactor operating temperatures necessary Waste heat from the high temperature fuel cell  Heat pipes effectively in the fluidized bed reactor to couple. Due to the turbulent flow within the Fluidized bed of the fluidized bed reactor is the Heat transfer between the heat dissipation sections of the Heat pipes and the fluidized bed are good enough, so that the small temperature differences in the range between 50 ° C and 100 ° C are sufficient for the waste heat from the fuel cell effectively into the Fluid bed reactor to couple and for generation of fuel gas to use. This type of heat coupling in a fluidized bed reactor is in another context already in the subsequently published patent applications 199 00 116.2, 199 26 201.2 and 199 26 202.0. With regard to the design of the fluidized bed reactor as well as the heat pipes gets full on these registrations referred to in terms of content.

Vorzugsweise wird die Abwärme der Hochtemperaturbrennstoffzelle in dem vorgeschalteten Wirbelschichtreaktor zur Trocknung, Pyrolyse oder Vergasung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe derart genutzt, dass ein hoher elektrischer Wirkungsgrad und eine hohe Flexibilität der Anlage erreicht wird. Realisiert wird dies dadurch, dass die Abluft aus der Hochtemperaturbrennstoffzelle zur Fluidisierung eines Wirbelbettes verwendet wird. Die Abwärme wird dabei teilweise auf das Bett der Wirbelschicht übertragen und von dort mittels Wärmeleitrohren in das Wirbelbett eines Wirbelschichtreaktors eingebracht. In diesem Wirbelschichtreaktor wird der kohlenstoffhaltige Einsatzstoff getrocknet, pyrolysiert oder vergast. Das dabei entstehende Produktgas wird der Hochtemperaturbrennstoffzelle als Brenngas zugeführt.The waste heat is preferably the High temperature fuel cell in the upstream Fluidized bed reactor for drying, pyrolysis or Gasification of carbonaceous fuels used in such a way that high electrical efficiency and high System flexibility is achieved. Is realized this is because the exhaust air from the High temperature fuel cell for fluidizing a Fluidized bed is used. The waste heat is thereby partially transferred to the bed of the fluidized bed and thence by means of heat pipes into the fluidized bed Fluidized bed reactor introduced. In this The fluidized bed reactor becomes the carbon-containing one Starting material dried, pyrolyzed or gasified. The the resulting product gas becomes the High temperature fuel cell supplied as fuel gas.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Wärmeabgabeabschnitte und/oder die Wärmeaufnahmeabschnitte der Wärmeleitrohre mit Wärmetauscherrippen versehen, wodurch die Wärmeübertragung weiter verbessert wird. Diese Verbesserung ist zum einen auf die vergrößerte Wärmetauscherfläche zurückzuführen, und zum anderen führen die Wärmetauscherrippen auch zu einer besseren Verwirbelung innerhalb der Wirbelschicht, was wiederum zu einem verbesserten Wärmeübergang führt. (Anspruch 2, 3, 4)According to an advantageous embodiment of the invention are the heat dissipation sections and / or the  Heat absorption sections of the heat pipes with Provided heat exchanger fins, whereby the Heat transfer is further improved. This On the one hand, improvement is due to the enlarged Attributed to the heat exchanger surface, and on the other the heat exchanger fins also lead to a better one Turbulence within the fluidized bed, which in turn increases leads to an improved heat transfer. (Claim 2, 3, 4)

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Konversionsreaktor für die Trocknung, Pyrolyse und Vergasung der kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffe ausgelegt, da hierbei besonders wasserstoffreiche Brenngase entstehen, die in der Brennstoffzelle zur Stromerzeugung genutzt werden. (Anspruch 5)According to a further advantageous embodiment of the Invention is the conversion reactor for drying, Pyrolysis and gasification of the carbonaceous Input materials designed, because this is special Hydrogen-rich fuel gases are generated in the Fuel cell can be used to generate electricity. (Claim 5)

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfaßt der Konversionsreaktor eine Heizzone mit einer zweiten Wirbelschicht, in die die Wärmeaufnahmeabschnitte der Wärmeleitrohre ragen. Das heiße Abgas aus der Brennstoffzelle wird in diese Heizzone eingeführt, wodurch die zweite Wirbelschicht fluidisiert wird und die Abwärme aus der Brennstoffzelle auf die Wärmeaufnahmeabschnitte der Wärmeleitrohre übertragen wird. Hierdurch wird erreicht, daß sowohl im Bereich der Wärmeaufnahme der Wärmeleitrohre, als auch im Bereich der Wärmeabgabe eine Wirbelschicht vorliegt und folglich ein sehr guter Wärmeübergang stattfindet. (Anspruch 6)According to a further advantageous embodiment of the Invention, the conversion reactor includes a heating zone a second fluidized bed into which the Heat absorption sections of the heat pipes protrude. The hot exhaust gas from the fuel cell gets into this Heating zone introduced, creating the second fluidized bed is fluidized and the waste heat from the fuel cell on the heat absorption sections of the heat pipes is transmitted. This ensures that both Area of heat absorption of the heat pipes, as well as in Area of heat emission there is a fluidized bed and consequently a very good heat transfer takes place. (Claim 6)

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird in die zweite Wirbelschicht zusätzlich Brennstoff eingeführt, wodurch zusätzlich Wärme erzeugt wird, die dann mittels der Wärmeleitrohre in die erste Wirbelschicht zur Erzeugung von Brenngas übertragen wird. According to a further advantageous embodiment of the Invention is added to the second fluidized bed Fuel introduced, which generates additional heat which is then in the first by means of the heat pipes Fluidized bed for the generation of fuel gas is transferred.  

Dies ist dann vorteilhaft, wenn die Abwärme der Brennstoffzelle bei bestimmten kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen nicht ausreichend ist, um daraus genügend Brenngas zu erzeugen. (Anspruch 7)This is advantageous if the waste heat from the Fuel cell for certain carbonaceous Input materials is not sufficient to get enough To produce fuel gas. (Claim 7)

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Wärmeaufnahmeabschnitte der Wärmeleitrohre in die Brennstoffzelle unmittelbar integriert, wodurch die in der Brennstoffzelle entstehende Abwärme zumindest zum Teil direkt - ohne Umweg über das Abgas - in die erste Wirbelschicht des Konversionsreaktors übertragen wird. (Anspruch 8)According to a further advantageous embodiment of the Invention are the heat absorption sections of the Heat pipes into the fuel cell immediately integrated, which means that in the fuel cell generated waste heat at least partially directly - without Detour via the exhaust gas - into the first fluidized bed of the Conversion reactor is transferred. (Claim 8)

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Brennstoffzelle ein Brenner, vorzugseise ein katalytischer Brenner, nachgeschaltet, um die im heißen Abgas der Brennstoffzelle enthaltenen Brenngasreste nachzuverbrennen, wodurch zusätzlich Wärme erzeugt wird, die wiederum dem Konversionsreaktor zur Erzeugung von Brenngas zugeführt wird. (Anspruch 9)According to a further advantageous embodiment of the Invention is the fuel cell a burner preferably a catalytic burner, downstream to those contained in the hot exhaust gas from the fuel cell Combustion of residual fuel gas, which creates additional heat is generated, which in turn to the conversion reactor Generation of fuel gas is supplied. (Claim 9)

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird dem Brenner zusätzlich im Konversionsreaktor erzeugtes Brenngas unmittelbar zugeführt, so daß im Brenner zusätzlich Verbrennungsenergie anfällt, die wiederum für die Erzeugung von Brenngas genutzt wird. (Anspruch 10)According to a further advantageous embodiment of the Invention is also in the burner Conversion reactor generated fuel gas immediately fed so that in addition in the burner Combustion energy is generated, which in turn for the Generation of fuel gas is used. (Claim 10)

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind wenigstens ein Teil der Wärmeleitrohre mit ihren Wärmeaufnahmeabschnitten mit dem Brenner gekoppelt, so daß die im Brenner erzeugte Wärme unmittelbar über die Wärmeleitrohre in den Konversionsreaktor übertragen wird. Hierdurch werden Wärmeverluste vermindert. (Anspruch 11) According to a further advantageous embodiment of the Invention are at least part of the heat pipes with their heat absorption sections coupled to the burner, so that the heat generated in the burner directly over the Heat pipes are transferred to the conversion reactor. This reduces heat losses. (Claim 11)  

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die im System anfallende Wärme aus der Brennstoffzelle, dem Brenner oder dem Konversionsreaktor genutzt, um Wasserdampf zu erzeugen, der wiederum für die Erzeugung von Brenngas im Konversionsreaktor und/oder in nachgeschalteten Arbeitsmaschinen, vorzugsweise Dampfturbinenvorrichtungen oder Dampfmotoren, verwendet wird. (Anspruch 13)According to a further advantageous embodiment of the Invention is the heat generated in the system from the Fuel cell, the burner or the conversion reactor used to generate water vapor, which in turn for the Generation of fuel gas in the conversion reactor and / or in downstream work machines, preferably Steam turbine devices or steam engines used becomes. (Claim 13)

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist dem Konversionsreaktor eine Brenngasreinigungseinrichtung nachgeschaltet, wodurch die für die Brennstoffzelle notwendige Reinheit des Brenngases erzielt wird. (Anspruch 14)According to a further advantageous embodiment of the Invention is the conversion reactor Fuel gas cleaning device downstream, whereby the necessary purity of the fuel cell Fuel gas is achieved. (Claim 14)

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Anodenabgas aus der Brennstoffzelle wenigstens teilweise in die Vergaserzone eingeleitet. Hierdurch wird zum einen das erste Wirbelbett fluidisiert und zum anderen werden Wasserdampf und Brenngasreste in die Vergaserzone eingebracht. (Anspruch 15)According to a further advantageous embodiment of the Invention is the anode exhaust gas from the fuel cell at least partially introduced into the gasifier zone. This firstly fluidizes the first fluidized bed and on the other hand water vapor and fuel gas residues are in introduced the carburetor zone. (Claim 15)

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird mittels einer Gastrenneinrichtung ein Teil des in dem Konversionsreaktor erzeugten Brenngases abgezweigt und für eine externe Nutzung oder Nachschaltprozesse bereitgestellt. Darüberhinaus können durch die Gastrenneinrichtung für die Brennstoffzelle ungeeignete Gase ausgefiltert werden. Zur Abtrennung von Gasen lassen sich auch Techniken wie die Druck-Wechsel- Absorption verwenden, also nicht-filternde Trennverfahren. Ein Teilstrom des im Konversionsreakors erzeugten Brenngases kann auch unmittelbar abgezweigt werden. (Anspruch 16) According to a further advantageous embodiment of the Invention becomes part by means of a gas separation device of the fuel gas generated in the conversion reactor branched and for external use or Post-switching processes provided. Furthermore, you can through the gas separation device for the fuel cell unsuitable gases are filtered out. To separate from Gases can also be used in techniques such as Use absorption, i.e. non-filtering Separation process. A partial stream of the in the conversion reactor generated fuel gas can also be branched off immediately become. (Claim 16)  

Zur Erhöhung der Stromkennzahl und zur Realisierung von Vorrichtungen zur Stromerzeugung ohne Abwärmenutzung werden gemäß weiteren vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung Gas- und/oder Dampfturbinen in Nachschaltprozessen mit der grundlegenden Vorrichtung kombiniert.To increase the electricity index and to implement it of devices for generating electricity without using waste heat are according to further advantageous developments of Invention gas and / or steam turbines in Post-switching processes with the basic device combined.

Im niedrigen Leistungsbereich um 0,1-4 MW Brennstofffeuerungsleistung ist die Nutzung eines Teils des erzeugten Brenngases in Gasturbinen sinnvoll. Hier ist der Einsatz von Rekuperatorgasturbinen besonders zweckmäßig. In diesem Fall wird der Vergaser thermodynamisch günstig bei Drücken von 2 bis 5 bar betrieben. (Anspruch 17, 18, 19)In the low power range around 0.1-4 MW Fuel combustion performance is the use of a part of the fuel gas generated in gas turbines makes sense. Here the use of recuperator gas turbines is special expedient. In this case the carburetor thermodynamically favorable at pressures from 2 to 5 bar operated. (Claim 17, 18, 19)

Besonders im Leistungsbereich über 4 MW sind direkt gefeuerte Gasturbinen zweckmäßig die mit dem Abgas der Heizzone betrieben werden. Deren Wirkungsgrad steigt mit zunehmendem Druckverhältnis. Deshalb werden Kombinationen mit direkt gefeuerter Gasturbine vorzugsweise bei Drücken von 5 bis 50 bar betrieben. (Anspruch 20, 21)Especially in the power range above 4 MW are direct fired gas turbines expediently with the exhaust gas from the Heating zone operated. Their efficiency increases with increasing pressure ratio. That is why combinations with directly fired gas turbine preferably at Pressures operated from 5 to 50 bar. (Claim 20, 21)

Wird die Abwärme der Heizzone vorzugsweise in einer Dampfturbine oder einer indirekt beheizten Gasturbine genutzt, ist es thermodynamisch günstig den Vergaser atmosphärisch oder mit geringen Drücken zu betreiben, um den Eigenbedarf für die Verdichtung zu vermeiden. Dies ist auch besonders vorteilhaft, da die erforderlichen Wärmetauscherflächen bei Vergasern mit geringen Drücken leichter in die Heizzone und in den Vergaser integriert werden können. Falls nicht erhöhte Apparatekosten oder die Notwendigkeit, den chemischen Umsatz zu verbessern, dagegen sprechen, werden diese Kombinationen vorzugsweise bei Drücken von 1 bis 3 bar betrieben. (Anspruch 22, 23)If the waste heat from the heating zone is preferably in one Steam turbine or an indirectly heated gas turbine used, it is thermodynamically favorable to the carburetor to operate atmospheric or at low pressures to to avoid own consumption for compaction. This is also particularly advantageous since the necessary Heat exchanger surfaces for carburetors with low pressures Easier integrated in the heating zone and in the carburetor can be. If not increased equipment costs or the need to improve chemical sales speak against, these combinations are preferred operated at pressures of 1 to 3 bar. (Claim 22, 23)

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der Zeichnungen.More details, features and advantages of the Invention result from the following description preferred embodiments with reference to the drawings.

Es zeigt Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau einer an sich bekannten Brennstoffzelle,It shows Fig. 1 the basic structure of a known fuel cell,

Fig. 2 eine erste Ausführungsform der Erfindung, Fig. 2 shows a first embodiment of the invention,

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der Erfindung, Fig. 3 shows a second embodiment of the invention,

Fig. 4 eine dritte Ausführungsform der Erfindung, Fig. 4 shows a third embodiment of the invention,

Fig. 5 eine vierte Ausführungsform der Erfindung, Fig. 5 shows a fourth embodiment of the invention,

Fig. 6 eine fünfte Ausführungsform der Erfindung, Fig. 6 shows a fifth embodiment of the invention,

Fig. 7 eine sechste Ausführungsform der Erfindung, Fig. 7 shows a sixth embodiment of the invention,

Fig. 8 eine siebte Ausführungsform der Erfindung, Fig. 8 shows a seventh embodiment of the invention,

Fig. 9 eine achte Ausführungsform der Erfindung, Fig. 9 shows an eighth embodiment of the invention,

Fig. 10a und 10b eine Ausgestaltung der Wärmeleitrohre mit Wärmetauscherrippen, Fig. 10a and 10b an embodiment of the heat pipes with heat exchange fins,

Fig. 11, 12a und 12b Varianten der Wärmeleitrohre mit Wärmetauscherrippen, Fig. 11, 12a and 12b are variants of heat pipes with heat exchange fins,

Fig. 13 eine neunte Ausführungsform der Erfindung, Fig. 13 shows a ninth embodiment of the invention,

Fig. 14 eine zehnte Ausführungsform der Erfindung, Fig. 14 shows a tenth embodiment of the invention,

Fig. 15 eine elfte Ausführungsform der Erfindung, Fig. 15 shows an eleventh embodiment of the invention,

Fig. 16 eine zwölfte Ausführungsform der Erfindung, Fig. 16 shows a twelfth embodiment of the invention,

Fig. 17 eine dreizehnte Ausführungsform der Erfindung, Figure 17 is a thirteenth embodiment. The invention,

Fig. 18 eine vierzehnte Ausführungsform der Erfindung, und Fig. 18 is a fourteenth embodiment of the invention, and

Fig. 19 eine fünfzehnte Ausführungsform der Erfindung. Fig. 19 shows a fifteenth embodiment of the invention.

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung mit einer Brennstoffzelle 2 gemäß Fig. 1 und einem Konversionsreaktor 22 als Hauptkomponenten. Der Konversionsreaktor in Form eines Wirbelschichtreaktors 22 umfaßt eine Reaktions- oder Vergaserzone 23 mit einer ersten Wirbelschicht 24, eine Brennstoffzuführung 26 für kohlenstoffhaltige Einsatzstoffe, eine Brenngasableitung 28 zum Abführen des in dem Konversionsreaktors 22 erzeugten Brenngases, eine Dampfzuleitung 30 für den für die Wasserdampfvergasung notwendigen Wasserdampf und eine räumlich von der ersten Wirbelschicht 24 getrennte Heizzone 31 mit einer zweiten Wirbelschicht 32, in die eine Abgaszuleitung 34 für das heiße Abgas aus der Brennstoffzelle 2 mündet. FIG. 2 shows a first embodiment of the invention with a fuel cell 2 according to FIG. 1 and a conversion reactor 22 as main components. The conversion reactor in the form of a fluidized bed reactor 22 comprises a reaction or gasification zone 23 with a first fluidized bed 24 , a fuel feed 26 for carbonaceous feedstocks, a fuel gas discharge line 28 for discharging the fuel gas generated in the conversion reactor 22 , a steam feed line 30 for the water vapor required for water vapor gasification and a heating zone 31 spatially separated from the first fluidized bed 24 with a second fluidized bed 32 , into which an exhaust gas feed line 34 for the hot exhaust gas from the fuel cell 2 opens.

Die durch das heiße Abgas aus der Brennstoffzelle 2 in die zweite Wirbelschicht 32 eingetragene Wärme wird über eine Mehrzahl von Wärmeleitrohren 36, die jeweils einen Wärmeaufnahmeabschnitt 38 und einen Wärmeabgabeabschnitt 40 aufweisen, aus der Heizzone 31 in die Vergaserzone 23 übertragen. Hierbei ragen die Wärmeaufnahmeabschnitte 38 der Wärmeleitrohre 36 in die zweite Wirbelschicht 32 und die Wärmeabgabeabschnitte 40 der Wärmeleitrohre 36 ragen in die erste Wirbelschicht 24 hinein. The heat introduced into the second fluidized bed 32 by the hot exhaust gas from the fuel cell 2 is transferred from the heating zone 31 into the gasification zone 23 via a plurality of heat pipes 36 , each having a heat absorption section 38 and a heat release section 40 . Here, the heat absorption sections 38 of the heat pipes 36 protrude into the second fluidized bed 32 and the heat dissipation sections 40 of the heat pipes 36 protrude into the first fluid bed 24 .

Die Brenngasableitung 28 mündet in eine Brenngasreinigungseinrichtung 42, in der das im Konversionsreaktor 22 erzeugte Brenngasgemisch gereinigt wird. In einer der Brenngasreinigungseinrichtung 42 nachgeschalteteten Gastrenneinrichtung 43 werden für die Brennstoffzelle 2 weniger geeignete Gase ausgefiltert und über eine Leitung 92 abgeführt. Über einen Brenngasverdichter 44 und einen Befeuchter 46 wird das gereinigte und gefilterte Brenngas über die Brenngaszuführung 12 der Brennstoffzelle 2 zugeführt. Umgebungsluft wird über einen Verdichter 48 und einen Luftvorwärmer 50 über die Oxidationsmittelzuführung 14 der Brennstoffzelle 2 zugeführt. Das heiße Abgas aus der Brennstoffzelle 2 wird über die Kathodenabgasableitung 18 und die Anodenabgasableitung 16 einem Brenner 52 zugeführt. In dem Brenner 52 werden noch im Abgas enthaltene Brennstoffreste nachverbrannt und so zusätzlich Wärme erzeugt. Das zusätzlich erhitzte Abgas wird aus dem Brenner 52 über die Abgaszuleitung 34 in die Heizzone 31 bzw. in die zweite Wirbelschicht 32 des Konversionsreaktors 22 eingeführt. Das heiße Abgas transportiert zum einen die Abwärme aus der Brennstoffzelle 2 in den Konversionsreaktor 22, und zum anderen wird es zur Fluidisierung der zweiten Wirbelschicht 32 genutzt.The fuel gas discharge line 28 opens into a fuel gas cleaning device 42 , in which the fuel gas mixture generated in the conversion reactor 22 is cleaned. In a gas separation device 43 connected downstream of the fuel gas cleaning device 42, gases which are less suitable for the fuel cell 2 are filtered out and discharged via a line 92 . The cleaned and filtered fuel gas is supplied to the fuel cell 2 via the fuel gas feed 12 via a fuel gas compressor 44 and a humidifier 46 . Ambient air is supplied to the fuel cell 2 via a compressor 48 and an air preheater 50 via the oxidant supply 14 . The hot exhaust gas from the fuel cell 2 is fed to a burner 52 via the cathode exhaust line 18 and the anode exhaust line 16 . In the burner 52 , fuel residues still contained in the exhaust gas are re-burned, thus generating additional heat. The additionally heated exhaust gas is introduced from the burner 52 via the exhaust gas feed line 34 into the heating zone 31 or into the second fluidized bed 32 of the conversion reactor 22 . On the one hand, the hot exhaust gas transports the waste heat from the fuel cell 2 into the conversion reactor 22 , and on the other hand it is used to fluidize the second fluidized bed 32 .

Das in der Heizzone 31 des Konversionsreaktors 22 abgekühlte Abgas wird über eine Abgasableitung 54 einem Dampferzeuger 56 zugeführt. In dem Dampferzeuger 56 wird das nunmehr niedergrädige Abgas genutzt, um Wasserdampf zu erzeugen. Hierzu wird über eine Speisewasserpumpe 100 und eine Wasserzuleitung 102 dem Dampferzeuger 56 flüssiges Wasser zugeführt. Der in dem Dampferzeuger 56 erzeugte Wasserdampf wird über die Dampfzuleitung 30 der Vergaserzone 23 zugeführt. Überschüssiger Wasserdampf wird über eine Dampfleitung 104 abgeführt. Das in dem Dampferzeuger 56 weiter abgekühlte Abgas wird über eine Abgasableitung 58 dem Luftvorwärmer 50 zugeführt und dient somit auch zur Luft- bzw. Oxidationsmittelvorwärmung. Die nach dem Luftvorwärmer 50 auf erneut verringertem Temperaturniveau immer noch enthaltene Abwärme kann als Prozeß- oder Fernwärme genutzt werden. Hierzu wird das Abgas über eine Gasleitung 60 einem Wärmeverbraucher 62 zugeführt.The exhaust gas cooled in the heating zone 31 of the conversion reactor 22 is fed to a steam generator 56 via an exhaust gas discharge line 54 . In the steam generator 56 the now low-grade exhaust gas is used to generate water vapor. For this purpose, liquid water is fed to the steam generator 56 via a feed water pump 100 and a water supply line 102 . The water vapor generated in the steam generator 56 is supplied to the gasification zone 23 via the steam feed line 30 . Excess water vapor is removed via a steam line 104 . The exhaust gas further cooled in the steam generator 56 is supplied to the air preheater 50 via an exhaust gas discharge line 58 and thus also serves to preheat the air or oxidizing agent. The waste heat still contained after the air preheater 50 at a again reduced temperature level can be used as process or district heating. For this purpose, the exhaust gas is fed to a heat consumer 62 via a gas line 60 .

Bei den nachfolgend beschriebenen weiteren Ausführungsformen werden in erster Linie die Unterschiede zu den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben. Hinsichtlich der gleichen Bauteile und Komponenten wird lediglich auf die Figuren verwiesen.The others described below Embodiments are primarily the differences described to the previous embodiments. Regarding the same parts and components only referred to the figures.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 2 dadurch, daß in die Heizzone 31 des Konversionsreaktors 22 zusätzlich über eine Brennstoffzuleitung 64 Brennstoff in die Heizzone 31 eingebracht und dort verbrannt wird. Hierdurch wird zusätzlich Wärme erzeugt, die über die Wärmeleitrohre 36 in die Vergaserzone 23 bzw. in die erste Wirbelschicht 24 eingebracht wird. Über eine Leitung 66 wird zusätzlich unverbrauchter Kohlenstoff aus der Brenngasreinigungseinrichtung 42 der Heizzone 31 zugeführt und dort verbrannt. Auch hierdurch wird in der Heizzone zusätzlich Wärme erzeugt. Weiter wird über eine Brenngaszuleitung 68 Brenngas aus der Gastrenneinrichtung 43 dem Brenner 52 zugeführt und dort verbrannt. Die hierdurch entstehende Wärme wird mittels dem Abgas über die Abgaszuleitung 34 der Heizzone 31 zugeführt. Über eine Anodenabgaszuleitung 17 wird der Vergaserzone 23 Anodenabgas aus der Brennstoffzelle 2 zugeführt. Hierdurch wird zusätzlich Wasserdampf in die Vergaserzone 31 eingebracht und gleichzeitig die erste Wirbelschicht 24 fluidisiert. The embodiment according to FIG. 3 differs from the embodiment according to FIG. 2 in that in the heating zone 31 of the conversion reactor 22 , fuel is additionally introduced into the heating zone 31 via a fuel feed line 64 and is burned there. This additionally generates heat, which is introduced into the gasification zone 23 or into the first fluidized bed 24 via the heat pipes 36 . Unused carbon is additionally fed from the fuel gas cleaning device 42 to the heating zone 31 via a line 66 and burned there. This also generates additional heat in the heating zone. Furthermore, fuel gas is fed from the gas separation device 43 to the burner 52 via a fuel gas feed line 68 and burned there. The resulting heat is supplied to the heating zone 31 by means of the exhaust gas via the exhaust gas supply line 34 . Anode exhaust gas from the fuel cell 2 is fed to the gasification zone 23 via an anode exhaust gas supply line 17 . As a result, additional water vapor is introduced into the gasification zone 31 and, at the same time, the first fluidized bed 24 is fluidized.

Fig. 4 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, die sich von den beiden vorhergehenden Ausführungsformen dadurch unterscheidet, daß die Heizzone 31 keine Wirbelschicht umfaßt, sondern lediglich eine von den heißen Abgasen aus der Brennstoffzelle 2 bzw. dem Brenner 52 durchströmter Raum ist, in den die Wärmeaufnahmeabschnitte 38 der Wärmeleitrohre 36 hineinragen. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs sind die Wärmeaufnahmeabschnitte 38 mit Wärmetauscherrippen 74 versehen, wie dies an sich aus den nachveröffentlichten Anmeldungen 199 26 202.0 und 199 26 201.2 bekannt ist. Fig. 4 shows a third embodiment of the invention, which differs from the two previous embodiments in that the heating zone 31 does not comprise a fluidized bed, but is only a space through which the hot exhaust gases from the fuel cell 2 or the burner 52 flow, into which the heat absorbing sections 38 of the heat pipes 36 protrude. To improve the heat transfer, the heat absorption sections 38 are provided with heat exchanger ribs 74 , as is known per se from the subsequently published applications 199 26 202.0 and 199 26 201.2.

Fig. 5 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung, die sich von der dritten Ausführungsform gemäß Fig. 4 lediglich dadurch unterscheidet, dass dem Brenner 52 über eine Brenngaszuleitung 68 zusätzlich frisches Brenngas zugeführt wird, um in dem Brenner 52 zusätzlich Wärme zu erzeugen und in den Konversionsreaktor 22 einzukoppeln. FIG. 5 shows a fourth embodiment of the invention, which differs from the third embodiment according to FIG. 4 only in that additional fresh fuel gas is supplied to the burner 52 via a fuel gas feed line 68 in order to generate additional heat in the burner 52 and in the Coupling conversion reactor 22 .

Fig. 6 zeigt eine fünfte Ausführungsform der Erfindung, die sich von den vorhergehenden Ausführungsformen dadurch unterscheidet, dass keine Heizzone in dem Konversionsreaktor 22 vorgesehen ist und dass die Wärmeaufnahmeabschnitte 38 der Wärmeleitrohre 36 in den Brenner 52 integriert sind, so dass die Wärme aus dem Brenner 52 direkt über die Wärmeleitrohre 36 in die Vergaserzone 23 des Konversionsreaktors 22 übertragen wird. Das bereits kühlere Abgas aus dem Brenner 52 wird über eine Abgasleitung 70, dem Dampferzeuger 56 zugeführt und dort wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen genutzt. Fig. 6 shows a fifth embodiment of the invention, which differs from the preceding embodiments in that no heating zone is provided in the conversion reactor 22 and that the heat receiving sections 38 of the heat pipes are integrated in the torch 52 36, so that the heat from the burner 52 is transferred directly via the heat pipes 36 into the gasification zone 23 of the conversion reactor 22 . The already cooler exhaust gas from the burner 52 is fed to the steam generator 56 via an exhaust gas line 70 and is used there, as in the previous embodiments.

Fig. 7 zeigt eine sechste Ausführungsform der Erfindung und unterscheidet sich von der fünften Ausführungsform (Fig. 6) in gleicher Weise, wie die vierte Ausführungsform (Fig. 5) von der dritten Ausführungsform (Fig. 4), d. h. dem Brenner 52 wird über eine Brenngaszuleitung 68 frisches Brenngas zugeführt. FIG. 7 shows a sixth embodiment of the invention and differs from the fifth embodiment ( FIG. 6) in the same way as the fourth embodiment ( FIG. 5) from the third embodiment ( FIG. 4), ie the burner 52 is switched over a fuel gas feed line 68 is supplied with fresh fuel gas.

Fig. 8 zeigt eine siebte Ausführungsform der Erfindung, die keinen Brenner aufweist und bei der die Wärmeaufnahmeabschnitte 38 der Wärmeleitrohre 36 unmittelbar in die Brennstoffzelle 2 integriert sind. Hierdurch wird ein wesentlicher Teil der Abwärme der Brennstoffzelle 2 direkt über die Wärmeleitrohre 36 in die Vergaserzone 23 des Konversionsreaktors 22 übertragen. Die Anodenabgasableitung 16 der Brennstoffzelle 2 ist mit dem Konversionsreaktor 22 verbunden, so daß durch das Anodenabgas die Wirbelschicht 24 der Vergaserzone 23 fluidisiert wird und zusätzlich Abwärme aus der Brennstoffzelle 2 in die Vergaserzone 23 eingetragen wird. Zusätzlich wird in dem Anodenabgas enthaltener Wasserdampf und in der Brennstoffzelle 2 nicht verbrauchtes Brenngas zur Vergasung genutzt. Die Kathodenabgasableitung 18 ist mit dem Dampferzeuger 56 verbunden, um Wasserdampf zu erzeugen, der über die Dampfzuleitung 30 dem Konversionsreaktor 22 zugeführt wird. Fig. 8 shows a seventh embodiment of the invention, having no burner and in which the heat receiving sections of the heat pipes 38 are integrated directly into the fuel cell 2 36. As a result, a substantial part of the waste heat from the fuel cell 2 is transferred directly via the heat pipes 36 into the gasification zone 23 of the conversion reactor 22 . The anode exhaust gas discharge line 16 of the fuel cell 2 is connected to the conversion reactor 22 , so that the fluidized bed 24 of the gasifier zone 23 is fluidized by the anode exhaust gas and waste heat from the fuel cell 2 is additionally introduced into the gasifier zone 23 . In addition, water vapor contained in the anode exhaust gas and fuel gas 2 not used in the fuel cell 2 are used for gasification. The cathode off-gas discharge line 18 is connected to the steam generator 56 in order to generate water vapor, which is fed to the conversion reactor 22 via the steam feed line 30 .

Fig. 9 zeigt eine achte Ausführungsform der Erfindung, die sich von der siebten Ausführungsform gemäß Fig. 8 dadurch unterscheidet, daß die Anodenabgasableitung 16 und die Kathodenabgasableitung 18 wiederum einem Brenner 52 zugeführt werden, dessen Abgas über eine Abgasleitung 72 vollständig dem Verdampfer 56 zur Erzeugung von Wasserdampf zugeführt wird. Die Wärmeeinkopplung der Abwärme aus der Brennstoffzelle 2 in den Konversionsreaktor 22 erfolgt somit vollständig mittels den Wärmeleitrohren 36. FIG. 9 shows an eighth embodiment of the invention, which differs from the seventh embodiment according to FIG. 8 in that the anode exhaust line 16 and the cathode exhaust line 18 are in turn fed to a burner 52 , the exhaust gas of which, via an exhaust line 72, is completely fed to the evaporator 56 for generation is supplied by water vapor. The heat input of the waste heat from the fuel cell 2 into the conversion reactor 22 thus takes place completely by means of the heat pipes 36 .

Nachfolgend werden verschieden Varianten von Wärmeleitrohren 36 mit Wärmetauscherrippen 74 anhand der Fig. 10 bis 12 beschrieben. Diese verschiedenen Wärmeleitrohre lassen sich in den verschiedenen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung zu Verbesserung des Wärmeübergangs einsetzen.Different variants of heat pipes 36 with heat exchanger fins 74 are described below with reference to FIGS. 10 to 12. These different heat pipes can be used in the various embodiments of the invention described above to improve the heat transfer.

Fig. 10a zeigt perspektivisch eine schematische Darstellung eines Wärmeleitrohrs 36 mit Wärmeaufnahmeabschnitt 38 und Wärmeabgabeabschnitt 40, die mit kreisförmig umlaufenden, ringscheibenförmigen Wärmetauscherrippen zur Verbesserung des Wärmeübergangs und der Verwirbelung in den Wirbelschicht 24 und 32 versehen sind. Fig. 10b zeigt eine Schnittdarstellung des Wärmeleitrohrs 36 nach Fig. 10a. FIG. 10a shows in perspective a schematic view of a heat pipe 36 with the heat receiving section 38, and heat release section 40 with circular circumferential, annular disk-shaped heat exchange fins to improve the heat transfer and fluidisation in the fluidised bed 24 and are provided 32nd Fig. 10b shows a sectional view of the heat pipe 36 according to Fig. 10a.

Die Fig. 11, 12a und 12b zeigen weitere Varianten der Wärmeleitrohre 36, wie sie bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können. Bei der Variante nach Fig. 11 sind die ringscheibenförmigen Wärmetauscherrippen 74 schräg auf dem Wärmeleitrohr 36 angeordnet. Bei den Ausführungsformen nach Fig. 12a und 12b sind die Wärmetauscherrippen 74 spiralförmig entlang der Längenerstreckung der Wärmeleitrohre 36 angeordnet. Hierbei sind in der Variante nach Fig. 12a einzelne Wärmetauscherrippen 74 spiralförmig aufgebogen und angeordnet, während bei der Ausführung nach Fig. 12b ein oder mehrere Rippen 74 durchgehend spiralförmig entlang dem Wärmeleitrohr 36 angeordnet sind. Figs. 11, 12a and 12b show further variants of the heat pipes 36 as they can be used in the present invention. In the variant according to FIG. 11, the ring-shaped heat exchanger ribs 74 are arranged obliquely on the heat pipe 36 . In the embodiments according to FIGS. 12 a and 12 b, the heat exchanger fins 74 are arranged in a spiral along the length of the heat pipes 36 . Here 12a individual heat exchange fins 74 are in the variant according to Fig. Spirally bent and arranged while one or more ribs 74 are arranged continuously spirally along the heat pipe 36 in the embodiment of Fig. 12b.

Zur Erhöhung der Stromkennzahl und zur Realisierung von Vorrichtungen zur Stromerzeugung ohne Abwärmenutzung können die vorstehend beschreibenen Ausführungsformen mit geeigneten Arbeitsmaschinen kombiniert werden. To increase the electricity index and to implement it of devices for generating electricity without using waste heat can the embodiments described above with suitable machines can be combined.  

Fig. 13 zeigt eine neunte Ausführungsform, die eine Kombination der ersten Ausführungsform nach Fig. 2 mit einer Dampfturbinenvorrichtung 106 bzw. mit einem Dampfturbinenkreislauf darstellt. Die Dampfturbine 106 wird hierbei mit Dampf aus dem Dampferzeuger 56 angetrieben. FIG. 13 shows a ninth embodiment, which represents a combination of the first embodiment according to FIG. 2 with a steam turbine device 106 or with a steam turbine circuit. The steam turbine 106 is driven with steam from the steam generator 56 .

Fig. 14 zeigt eine zehnte Ausführungsform, die eine Kombination der ersten Ausführungsform nach Fig. 2 mit einer Gasturbinenvorrichtung 80 darstellt. Die Gasturbinenenvorrichtung 80 umfaßt eine Gasturbine 82, einen Luftverdichter 84 und eine Brennkammer 86 als Hauptkomponenten. Der Luftverdichter 84 ist über eine Welle 88 mit der Gasturbine 82 in üblicher Weise verbunden. Die Welle 88 treibt einen Generator 90 an. Der Brennkammer 86 wird über eine Brenngasleitung 92 Brenngas aus der Gastrenneinrichtung 43 und über eine Leitung 94 verdichtete Luft aus dem Verdichter 84 zugeführt. Die heißen Abgase aus der Brennkammer 86 werden über eine Leitung 95 der Gasturbine 82 zugeführt und treiben die Welle 88 an. Die aus der Gasturbine 82 austretenden Abgase werden über eine Leitung 96 an die Umgebung abgegeben. Die verdichtete Luft in der Leitung 94 wird mittels einem Rekuperator 97 und einem Wärmetauscher 98 vor ihrem Eintritt in die Brennkammer 86 vorgewärmt. Durch den Rekuperator 97 wird die Leitung 96 geführt, so dass durch die heißen Abgase aus der Turbine 82 die Luft vor dem Eintritt in die Brennkammer 86 vorgewärmt wird. In Strömungsrichtung hinter dem Rekuperator 97 ist der Wärmetauscher 98 angeordnet, durch den die Abgasableitung 54 aus dem Brenner 52 vor ihrem Eintritt in den Dampferzeuger 56 geführt wird. Die Leitung 96 mit den Abgasen aus der Turbine 82 durchläuft nach dem Rekuperator 97 noch einen Gas/Flüssigkeits-Wärmetauscher 99 in dem Speisewasser für den Dampferzeuger 56 vorgewärmt wird. Hierzu wird über eine Speisewasserpumpe 101 und eine Wasserleitung 103, die den Wärmetauscher 99 durchsetzt, Speisewasser dem Dampferzeuger 56 zugeführt. FIG. 14 shows a tenth embodiment, which represents a combination of the first embodiment according to FIG. 2 with a gas turbine device 80 . The gas turbine device 80 includes a gas turbine 82 , an air compressor 84, and a combustor 86 as main components. The air compressor 84 is connected to the gas turbine 82 in a conventional manner via a shaft 88 . The shaft 88 drives a generator 90 . The combustion chamber 86 is supplied with fuel gas from the gas separation device 43 via a fuel gas line 92 and compressed air from the compressor 84 via a line 94 . The hot exhaust gases from the combustion chamber 86 are fed to the gas turbine 82 via a line 95 and drive the shaft 88 . The exhaust gases emerging from the gas turbine 82 are released to the environment via a line 96 . The compressed air in line 94 is preheated by means of a recuperator 97 and a heat exchanger 98 before it enters the combustion chamber 86 . The line 96 is guided through the recuperator 97 , so that the hot exhaust gases from the turbine 82 preheat the air before it enters the combustion chamber 86 . In the direction of flow behind the recuperator 97 , the heat exchanger 98 is arranged, through which the exhaust gas discharge line 54 from the burner 52 is guided before it enters the steam generator 56 . The line 96 with the exhaust gases from the turbine 82 passes through the recuperator 97 through a gas / liquid heat exchanger 99 in which feed water for the steam generator 56 is preheated. For this purpose, feed water is fed to the steam generator 56 via a feed water pump 101 and a water line 103 which passes through the heat exchanger 99 .

Fig. 15 zeigt eine elfte Ausführungsform, die ein Kombination der neunten und zehnten Ausführungsformen darstellt. Fig. 15 shows an eleventh embodiment which is a combination of the ninth and tenth embodiments.

Fig. 16 zeigt eine zwölfte Ausführungsform, die sich von der neunten Ausführungsform nach Fig. 13 dadurch unterscheidet, dass mit dem heißen Abgas aus der Heizzone 31 des Konversionsreaktors vor dem Eintritt in den Dampferzeuger 56 eine Gasturbine 110 betrieben wird, die über einen Generator 118 elektrischen Strom erzeugt. In Strömungsrichtung vor der Gasturbine 110 ist eine Reinigungseinrichtung 112 geschaltet. FIG. 16 shows a twelfth embodiment, which differs from the ninth embodiment according to FIG. 13 in that a gas turbine 110, which is operated via a generator 118 , is operated with the hot exhaust gas from the heating zone 31 of the conversion reactor before entering the steam generator 56 generates electrical current. A cleaning device 112 is connected upstream of the gas turbine 110 .

Fig. 17 zeigt eine dreizehnte Ausführungsform, die sich von der zwölften Ausführungsform nach Fig. 16 dadurch unterscheidet, dass keine Dampfturbinenvorrichtung 106 vorgesehen ist. FIG. 17 shows a thirteenth embodiment, which differs from the twelfth embodiment according to FIG. 16 in that no steam turbine device 106 is provided.

Fig. 18 zeigt eine vierzehnte Ausführungsform, die sich von der neunten Ausführungsform nach Fig. 13 dadurch unterscheidet, dass mit dem heißen Abgas aus der Heizzone 31 zusätzlich über einen Wärmetauscher 114 eine Gasturbinenvorrichtung 116 angetrieben wird. FIG. 18 shows a fourteenth embodiment, which differs from the ninth embodiment according to FIG. 13 in that a gas turbine device 116 is additionally driven with the hot exhaust gas from the heating zone 31 via a heat exchanger 114 .

Fig. 19 zeigt eine fünfzehnte Ausführungsform, die sich von der vierzehnten Ausführungsform nach Fig. 18 dadurch unterscheidet, dass keine Dampfturbinenvorrichtung vorgesehen ist. FIG. 19 shows a fifteenth embodiment which differs from the fourteenth embodiment according to FIG. 18 in that no steam turbine device is provided.

Die vorstehend erläuterten Schaltungsvarianten nach den Fig. 13 bis 19 sind für verschiedene Anwendungszwecke besonders geeignet. The circuit variants explained above in accordance with FIGS. 13 to 19 are particularly suitable for various application purposes.

Im niedrigen Leistungsbereich um 0,1-4 MW Brennstofffeuerungsleistung ist die Nutzung eines Teils des erzeugten Brenngases in Gasturbinen 103 sinnvoll, wie dies in den Ausführungsformen gemäß den Fig. 14 und 15 gezeigt ist. Hier ist der Einsatz von Rekuperatorgasturbinen besonders zweckmäßig. In diesem Fall wird der Vergaser 23 thermodynamisch günstig bei Drücken von 2 bis 5 bar betrieben.In the low power range around 0.1-4 MW fuel firing power, the use of a part of the fuel gas generated in gas turbines 103 makes sense, as is shown in the embodiments according to FIGS. 14 and 15. The use of recuperator gas turbines is particularly expedient here. In this case, the carburetor 23 is operated thermodynamically favorably at pressures of 2 to 5 bar.

Besonders im Leistungsbereich über 4 MW sind direkt gefeuerte Gasturbinen zweckmäßig, die mit dem Abgas der Heizzone betrieben werden, wie dies in den Ausführungsformen gemäß den Fig. 16 und 17 dargestellt ist. Deren Wirkungsgrad steigt mit zunehmendem Druckverhältnis. Deshalb werden Kombinationen mit direkt gefeuerter Gasturbine vorzugsweise bei Drücken von 5 bis 50 bar betrieben.Particularly in the power range above 4 MW, directly fired gas turbines are expedient, which are operated with the exhaust gas from the heating zone, as is shown in the embodiments according to FIGS. 16 and 17. Their efficiency increases with increasing pressure ratio. For this reason, combinations with a direct-fired gas turbine are preferably operated at pressures of 5 to 50 bar.

Wird die Abwärme der Heizzone vorzugsweise in einer Dampfturbine 106 oder einer indirekt beheizten Gasturbine 112 genutzt, ist es thermodynamisch günstig den Vergaser 23 atmosphärisch oder mit geringen Drücken zu betreiben, um den Eigenbedarf für die Verdichtung zu vermeiden. Dies ist auch besonders vorteilhaft, da die erforderlichen Wärmetauscherflächen bei Vergasern mit geringen Drücken leichter in die Heizzone 31 und in den Vergaser integriert werden können und weil so auch ohne Gasturbine ähnlich hohe Wirkungsgrade erzeilt werden, wie mit nachgeschalteten, kombinierten Gas- und Dampfturbinenvorrichtungen. Falls nicht erhöhte Apparatekosten oder die Notwendigkeit, den chemischen Umsatzes zu verbessern, dagegen sprechen, werden diese Kombinationen vorzugsweise bei Drücken von 1 bis 3 bar betrieben. If the waste heat from the heating zone is preferably used in a steam turbine 106 or an indirectly heated gas turbine 112 , it is thermodynamically favorable to operate the carburetor 23 at atmospheric pressure or at low pressures in order to avoid the need for compression. This is also particularly advantageous since the heat exchanger surfaces required in the case of carburettors with low pressures can be more easily integrated into the heating zone 31 and in the carburetor and because, without a gas turbine, similarly high efficiencies can be achieved as with downstream, combined gas and steam turbine devices. If this is not contradicted by increased equipment costs or the need to improve the chemical conversion, these combinations are preferably operated at pressures of 1 to 3 bar.

BezugszeichenlisteReference list

22

Brennstoffzelle
Fuel cell

44

Behälter
container

66

poröse Kathode
porous cathode

88th

poröse Anode
porous anode

1010th

Elektrolyt
electrolyte

1212th

Brenngaszuleitung
Fuel gas supply

1414

Oxidationsmittelzuleitung
Oxidizer feed

1616

Anodenabgasableitung
Anode exhaust gas discharge

1717th

Anodenabgaszuleitung
Anode exhaust gas feed line

1818th

Kathodenabgasableitung
Cathode exhaust gas discharge

2020th

elektrischer Verbraucher
electrical consumer

2222

Konversionsreaktor
Conversion reactor

2323

Reaktions- bzw. Vergaserzone
Reaction or gasification zone

2424th

erste Wirbelschicht
first fluidized bed

2626

Brennstoffzuführung
Fuel supply

2828

Brenngasableitung
Fuel gas discharge

3030th

Dampfzuleitung
Steam supply

3131

Heizzone
Heating zone

3232

zweite Wirbelschicht
second fluidized bed

3434

Abgaszuleitung
Exhaust pipe

3636

Wärmeleitrohre
Heat pipes

3838

Wärmeaufnahmeabschnitt von Heat absorption section of

3636

4040

Wärmeabgabeabschnitt von Heat dissipation section of

3636

4242

Brenngasreinigungseinrichtung
Fuel gas cleaning device

4343

Gastrenneinrichtung
Gas separation facility

4444

Brenngasverdichter
Fuel gas compressor

4646

Brenngasbefeuchter
Fuel gas humidifier

4848

Verdichter
compressor

5050

Luftvorwärmer
Air preheater

5252

Brenner
burner

5454

Abgasableitung
Exhaust gas discharge

5656

Dampferzeuger
Steam generator

5858

Abgasableitung
Exhaust gas discharge

6060

Gasleitung
Gas pipe

6262

Wärmeverbraucher
Heat consumer

6464

Brennstoffzuleitung
Fuel supply

6666

Leitung
management

6868

Brenngaszuleitung
Fuel gas supply

7070

Abgasleitung
Exhaust pipe

7272

Abgasleitung
Exhaust pipe

7474

Wärmetauscherrippen
Heat exchanger fins

8080

Gasturbinenvorrichtung
Gas turbine device

8282

Gasturbine
Gas turbine

8484

Luftverdichter
Air compressor

8686

Brennkammer
Combustion chamber

8888

Welle
wave

9090

Generator
generator

9292

Brenngasleitung
Fuel gas line

9494

Leitung
management

9595

Leitung
management

9696

Leitung
management

9797

Rekuperator
Recuperator

9898

Wärmetauscher
Heat exchanger

9999

Gas/Flüssigkeits-Wärmetauscher
Gas / liquid heat exchanger

100100

Speisewasserpumpe
Feed water pump

101101

Speisewasserpumpe
Feed water pump

102102

Wasserzuleitung
Water supply

103103

Wasserleitung
Water pipe

104104

Dampfleitung
Steam pipe

106106

Dampfturbinenvorrichtung
Steam turbine device

110110

Gasturbine
Gas turbine

112112

Reinigungseinrichtung
Cleaning facility

114114

Wärmetauscher
Heat exchanger

116116

indirekt gefeuerte Gasturbine
indirectly fired gas turbine

118118

Generator
generator

Literaturverzeichnisbibliography

[1] Stassen H., Koele H.-J., The use of LCV-gas from biomass gasifiers in internal combustion engines in Biomass Gasification ans Pyrolysis cpl press, Newbury, 1997.
[2] M. Born, "Grundlagen der Vergasung von Abfällen, Verfahren und Prozeßführung" in "Vergasungsverfahren für die Entsorgung von Abfällen", Springer-VDI- Verlag, Düsseldorf, 1998.
[3] Peter Jansen, "Thermische Vergasung von nachwachsenden Roh- und organischen Reststoffen", Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft, Oktober 1997.
[4] U. Wagner (ed.), "Kompendium Biomassevergasung zur Wasserstofferzeugung", Koordinationsstelle der Wasserstoff-Initiative Bayern, München, 1998.
[5] European Commission, "Biomass Conversion Technologies", EUR 18029 EN, Bruessels, 1998.[1] Stassen H., Koele H.-J., The use of LCV-gas from biomass gasifiers in internal combustion engines in Biomass Gasification ans Pyrolysis cpl press, Newbury, 1997.
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[5] European Commission, "Biomass Conversion Technologies", EUR 18029 EN, Bruessels, 1998.

Claims (23)

1. Vorrichtung zur energetischen Nutzung von kohlen­ stoffhaltigen Einsatzstoffen, mit
einem thermochemischen Konversionsreaktor (22), in Form eines Wirbelschichtreaktors zur Umwandlung der kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffe in ein für Brennstoffzellen geeignetes Brenngas, wobei der Wirbelschichtreaktor (22) eine Zuführung (26) für die kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffe, eine Ableitung (28) für das Brenngas und eine Reaktionszone (23) und die Reaktionszone (23) eine erste Wirbelschicht (24) umfaßt,
wenigstens einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle (2) zur Erzeugung von elektrischem Strom und Abwärme, die eine Brenngaszuführung (12), eine Oxidationsmittelzuführung (14), eine Anoden- und eine Kathodenabgasableitung (16, 18) umfaßt, wobei die Brenngaszuführung (12) der Hochtemperatur- Brennstoffzelle (2) mit der Brenngasableitung (28) des Konversionsreaktors (22) verbunden ist,
wenigstens einem Wärmeleitrohr (36), je mit einem Wärmeaufnahmeabschnitt (38) und einem Wärmeabgabeabschnitt (40), zur ganz oder teilweisen Übertragung der Abwärme der Hochtemperatur- Brennstoffzelle (2) in den Konversionsreaktor (22), um wenigstens einen Teil der für die Erzeugung von Brenngas notwendigen Wärme bereitzustellen, wobei die Wärmeabgabeabschnitte (40) der Wärmeleitrohre (36) in die erste Wirbelschicht (24) hineinragen. 1. Device for the energetic use of carbonaceous feedstocks, with
a thermochemical conversion reactor ( 22 ) in the form of a fluidized bed reactor for converting the carbon-containing feedstocks into a fuel gas suitable for fuel cells, the fluidized bed reactor ( 22 ) having a feed ( 26 ) for the carbonaceous feedstocks, a discharge line ( 28 ) for the fuel gas and a reaction zone ( 23 ) and the reaction zone ( 23 ) comprises a first fluidized bed ( 24 ),
at least one high-temperature fuel cell ( 2 ) for generating electrical current and waste heat, which comprises a fuel gas supply ( 12 ), an oxidant supply ( 14 ), an anode and a cathode exhaust gas discharge line ( 16 , 18 ), the fuel gas supply ( 12 ) of the high temperature - The fuel cell ( 2 ) is connected to the fuel gas discharge line ( 28 ) of the conversion reactor ( 22 ),
at least one heat pipe ( 36 ), each with a heat absorption section ( 38 ) and a heat release section ( 40 ), for the complete or partial transfer of the waste heat from the high-temperature fuel cell ( 2 ) into the conversion reactor ( 22 ), by at least a portion of that for generation to provide necessary heat from fuel gas, the heat dissipation sections ( 40 ) of the heat pipes ( 36 ) projecting into the first fluidized bed ( 24 ). 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaufnahmeabschnitte (38) und/oder die Wärmeabgabeabschnitte (40) der Wärmeleitrohre (36) Wärmetauscherrippen (74) aufweisen.2. Device according to claim 1, characterized in that the heat absorbing sections ( 38 ) and / or the heat dissipating sections ( 40 ) of the heat pipes ( 36 ) have heat exchanger fins ( 74 ). 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherrippen (74) quer zur Längenerstreckung der Wärmeleitrohre (36) angeordnet sind.3. Device according to claim 2, characterized in that the heat exchanger fins ( 74 ) are arranged transversely to the length of the heat pipes ( 36 ). 4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherrippen (74) spiralförmig entlang der Längenerstreckung der Wärmeleitrohre (36) angeordnet sind.4. The device according to claim 2, characterized in that the heat exchanger fins ( 74 ) are arranged spirally along the length of the heat pipes ( 36 ). 5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Konversionsreaktor (22) für die Trocknung, Pyrolyse und Vergasung der kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffe ausgelegt ist.5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the conversion reactor ( 22 ) is designed for drying, pyrolysis and gasification of the carbonaceous feedstocks. 6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass über die Abgasableitung (16, 18) heißes Abgas aus der Brennstoffzelle (2) in eine Heizzone (31) des Konversionsreaktors (22) mit einer zweiten Wirbelschicht (32) geführt wird, wodurch die Abwärme aus der Brennstoffzelle (2) abgeführt und die zweite Wirbelschicht (32) fluidisiert wird, und
dass die Wärmeaufnahmeabschnitte (38) der Wärmeleitrohre (36) in die zweite Wirbelschicht (32) hineinragen.6. Device according to one of the preceding claims, characterized in
that hot exhaust gas from the fuel cell ( 2 ) is led into a heating zone ( 31 ) of the conversion reactor ( 22 ) with a second fluidized bed ( 32 ) via the exhaust gas discharge line ( 16 , 18 ), whereby the waste heat is removed from the fuel cell ( 2 ) and the second fluidized bed ( 32 ) is fluidized, and
that the heat absorption sections ( 38 ) of the heat pipes ( 36 ) protrude into the second fluidized bed ( 32 ). 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizzone (31) eine Brennstoffzuleitung (64) für zusätzliche kohlen­ stoffhaltige Einsatzstoffe umfaßt, um durch Verbrennung in der zweiten Wirbelschicht (32) die Temperatur der zweiten Wirbelschicht (32) zu erhöhen.7. Device according to one of claims 5 to 6, characterized in that the heating zone (31) comprises a fuel supply conduit (64) for additional carbons carbonaceous feedstocks to combustion in the second fluidized bed (32), the temperature of the second fluidized bed (32) to increase. 8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaufnahmeabschnitte (38) der Wärmeleitrohre (36) in die Brennstoffzelle (2) integriert sind.8. Device according to one of the preceding claims 1 to 5, characterized in that the heat absorption sections ( 38 ) of the heat pipes ( 36 ) are integrated in the fuel cell ( 2 ). 9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Abgasableitung (16, 18, 34) der Brennstoffzelle ein Brenner (52) geschaltet ist, um im heißen Abgas der Brennstoffzelle (2) noch enthaltene Brenngasreste außerhalb der Brennstoffzelle (2) zu verbrennen.9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that in the exhaust line ( 16 , 18 , 34 ) of the fuel cell, a burner ( 52 ) is connected to the fuel gas residues contained in the hot exhaust gas of the fuel cell ( 2 ) outside the fuel cell ( 2nd ) to burn. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (52) mit der Brenngasableitung (28) aus dem Konversionsreaktor (22) verbunden ist, wodurch ein Teil des Brenngases unmittelbar im Brenner (52) Wärme erzeugt.10. The device according to claim 9, characterized in that the burner ( 52 ) is connected to the fuel gas discharge line ( 28 ) from the conversion reactor ( 22 ), whereby part of the fuel gas generates heat directly in the burner ( 52 ). 11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaufnahmeabschnitte (38) wenigstens eines Teils der Wärmeleitrohre (36) thermisch mit dem Brenner (52) gekoppelt sind, um die im Brenner (52) erzeugte Wärme und die Abwärme im heißen Abgas aus der Brennstoffzelle (2) in den Konversionsreaktor (22) einzukoppeln.11. The apparatus of claim 9 or 10, characterized in that the heat-receiving portions (38) are coupled to at least a portion of the heat pipes (36) thermally connected to the burner (52) to the hot (52) heat generated and the waste heat in the burner Coupling exhaust gas from the fuel cell ( 2 ) into the conversion reactor ( 22 ). 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (52) ein katalytischer Brenner ist.12. Device according to one of claims 9 to 11, characterized in that the burner ( 52 ) is a catalytic burner. 13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen thermisch mit der Brennstoffzelle (2), dem Brenner (52) und/oder dem Konversionsreaktor (22) gekoppelten Dampferzeuger (56) zum Erzeugen von Wasserdampf für den Konversionsreaktor (22) und/oder für nachgeschaltete Arbeitsmaschinen.13. Device according to one of the preceding claims, characterized by a steam generator ( 56 ) thermally coupled to the fuel cell ( 2 ), the burner ( 52 ) and / or the conversion reactor ( 22 ) for generating water vapor for the conversion reactor ( 22 ) and / or for downstream work machines. 14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Konversionsreaktor (22) und der Brennstoffzelle (2) eine Brenngasreinigungseinrichtung (42) geschaltet ist.14. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a fuel gas cleaning device ( 42 ) is connected between the conversion reactor ( 22 ) and the fuel cell ( 2 ). 15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionszone (23) des Konversionsreaktors (22) eine Zuleitung (17) umfaßt, die mit der Anodenabgasableitung (16) verbunden ist.15. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the reaction zone ( 23 ) of the conversion reactor ( 22 ) comprises a feed line ( 17 ) which is connected to the anode exhaust gas discharge line ( 16 ). 16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Konversionsreaktor (22) und der Brennstoffzelle (2) eine Gastrenneinrichtung (43) geschaltet ist, um einen Teil des Brenngases für eine externe Nutzung bereitzustellen und/oder um die Brenngaszusmmensetzung für die Brennstoffzelle (2) und/oder die externe Nutzung zu optimieren.16. Device according to one of the preceding claims, characterized in that between the conversion reactor ( 22 ) and the fuel cell ( 2 ), a gas separation device ( 43 ) is connected to provide part of the fuel gas for external use and / or to the fuel gas composition for optimize the fuel cell ( 2 ) and / or external use. 17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine nachgeschaltete Gasturbinenvorrichtung (80; 110; 116) mit einer Gasturbine, insbesondere mit einer Gasturbinenvorrichtung mit Rekuperator.17. Device according to one of the preceding claims, characterized by a downstream gas turbine device ( 80 ; 110 ; 116 ) with a gas turbine, in particular with a gas turbine device with recuperator. 18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine (80) mittels Brenngas aus der Filtereinrichung (43) betreibbar ist. 18. The apparatus according to claim 17, characterized in that the gas turbine ( 80 ) by means of fuel gas from the filter device ( 43 ) can be operated. 19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 18, gekennzeichnet durch einen Wärmetauscher (114) zum Einkoppeln der Abwärme aus der Heizzone (31) des Konversionsreaktors (22) in die Gasturbinenvorrichtung (116).19. Device according to one of claims 17 to 18, characterized by a heat exchanger ( 114 ) for coupling the waste heat from the heating zone ( 31 ) of the conversion reactor ( 22 ) into the gas turbine device ( 116 ). 20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine (110) direkt mit dem Abgas aus der Heizzone (23) beaufschlagt ist.20. Device according to one of claims 17 to 19, characterized in that the gas turbine ( 110 ) is acted upon directly by the exhaust gas from the heating zone ( 23 ). 21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Konversionsreaktor (22) für erhöhten Druck ausgelegt ist.21. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the conversion reactor ( 22 ) is designed for increased pressure. 22. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine nachgeschaltete Dampfturbinenvorrichtung (106).22. Device according to one of the preceding claims, characterized by a downstream steam turbine device ( 106 ). 23. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Konversionsreaktor (22) für Drücke im Bereich des atmosphärischen Drucks ausgelegt ist.23. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the conversion reactor ( 22 ) is designed for pressures in the range of atmospheric pressure.