DE10040655A1 - Device for generating current has at least two burners between fuel cell(s) and gas turbine, first burner arranged after fuel cell and second burner with lines for both fuel and air - Google Patents
Device for generating current has at least two burners between fuel cell(s) and gas turbine, first burner arranged after fuel cell and second burner with lines for both fuel and airInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stromerzeu gung, insbesondere eine Vorrichtung umfassend eine Brennstoffzelle sowie eine Gasturbine. Weiterhin be trifft die Erfindung ein Verfahren zur Stromerzeugung, insbesondere mit Hilfe einer kombinierten Brennstoff zellen/Gasturbinen-Anlage.The invention relates to a device for generating electricity supply, in particular a device comprising a Fuel cell and a gas turbine. Continue to be the invention relates to a method for generating electricity, especially with the help of a combined fuel cell / gas turbine system.
Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC) werden schon als Demonstrationsanlagen mit einer elektrischen Leistung von 100 kW (Siemens-Westinghouse) in Betrieb genommen. Der elektrische Wirkungsgrad einer Hochtemperatur- Brennstoffzelle liegt dabei regelmäßig bei ca. 45%.High temperature fuel cells (SOFC) are already considered Demonstration plants with an electrical output of 100 kW (Siemens Westinghouse) put into operation. The electrical efficiency of a high temperature Fuel cells are regularly around 45%.
Die heißen Abgase einer SOFC-Anlage können in einem weiteren Kraft-Wärme-Prozeß, beispielsweise in einer nachgeschalteten Gasturbine, vorteilhaft zu einem ver besserten Wirkungsgrad führen.The hot exhaust gases from a SOFC system can be combined in one another cogeneration process, for example in a downstream gas turbine, advantageous to a ver lead to better efficiency.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Kombinationsan lagen zur Stromerzeugung führen das heiße Anodenabgas aus einer SOFC, welches teilweise noch nicht umgesetz ten Brennstoff enthält, einem Brenner zu, dessen Rauch gas eine nachgeschaltete Gasturbine antreibt. Dazu wird ein Teil der für die Verbrennung benötigten Luft aus dem Kathodenabgas der SOFC entnommen. Ein weiterer Teil wird regelmäßig zusätzlich frisch zugeführt, wobei die Luft vorher erwärmt wird. Optional kann auch zusätzli cher Brennstoff dem Brenner zugeführt werden. In geson derten Fällen wird dabei das aus dem Brenner abgeführte Rauchgas zunächst in einem Luftverdichter verdichtet, bevor es einer Gasturbine zugeführt wird. Mit einer solchen Kombinationsanlage werden elektrische Wirkungs grade von über 55% angestrebt.The combination known from the prior art The hot anode exhaust gas leads to electricity generation from a SOFC, some of which has not yet been implemented contains fuel to a burner whose smoke gas drives a downstream gas turbine. This will part of the air required for combustion taken from the cathode exhaust of the SOFC. Another part is regularly added fresh, with the Air is heated beforehand. Optionally, additional cher fuel are fed to the burner. In particular In most cases, this is discharged from the burner Flue gas is first compressed in an air compressor, before it is fed to a gas turbine. With a such a combination system will be electrical targeted at over 55%.
Es hat sich als nachteilig bei diesen Kombinationsanla gen herausgestellt, daß die Verbesserung des Wirkungs grades regelmäßig nur bei optimaler Anpassung beider Komponenten (SOFC und Gasturbine) eintritt, d. h. so fern ein stationärer Betrieb im Auslegepunkt vorliegt (Vollastbetrieb beider Anlagen). In allen anderen Fäl len, insbesondere beim Anfahren der Brennstoffzelle, beim Teillastbetrieb, beim Lastwechsel oder auch bei einem stand-by Betrieb der SOFC kommt es zu einer un günstigen Anpassung beider Komponenten und damit zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades der einzelnen Komponenten und somit des Gesamtsystems.It has proven to be disadvantageous with these combination systems gene pointed out that the improvement in effectiveness grades regularly only if both are optimally adjusted Components (SOFC and gas turbine) occurs, i.e. H. so far from stationary operation at the delivery point (Full load operation of both systems). In all other cases len, especially when starting the fuel cell, with partial load operation, with load changes or also with stand-by operation of the SOFC leads to an un favorable adaptation of both components and thus too a deterioration in the efficiency of the individual Components and thus the overall system.
Ferner hat sich herausgestellt, daß die als Nachbrenner für eine SOFC vorgesehenen vorteilhaften Brenner nicht für eine solche Kombination geeignet sind, da sie re gelmäßig für Schwachgas ausgelegt sind und bei niedri gen Temperaturen katalytisch arbeiten. Für den Kombina tionsbetrieb werden aber regelmäßig Brenner eingesetzt, die bei hohen Temperaturen und unter Druck frisch zuge führten Brennstoff und Luft verbrennen können.It has also been found that the afterburner advantageous burner provided for an SOFC is not are suitable for such a combination since they re are designed for low gas and low work catalytically at temperatures. For the Kombina operation, burners are regularly used, freshly drawn at high temperatures and under pressure led to burn fuel and air.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache Vorrich tung zur Stromerzeugung umfassend eine SOFC und eine Gasturbine zu schaffen, die die oben aufgezeigten Nachteile nicht aufweist und sehr flexibel auf variie rende Betriebsbedingungen reagieren kann. Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfah ren zur Stromerzeugung zu schaffen.The object of the invention is a simple Vorrich device for power generation comprising a SOFC and a To create gas turbine that shown above Does not have disadvantages and very flexible on variie operating conditions. Further is it is the object of the invention to provide an improved process to create electricity.
Die Aufgabe wird gelöst, durch eine Vorrichtung gemäß Hauptanspruch, sowie durch ein Verfahren gemäß Nebenan spruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweils rückbezogenen Ansprüchen.The object is achieved by a device according to Main claim, as well as by a procedure according to the next door entitlement. Advantageous configurations result from the respective back-related claims.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Stromerzeugung nach Anspruch 1 umfaßt eine Brennstoffzelle sowie eine Gasturbine. Weiterhin umfaßt die Vorrichtung wenig stens zwei Brenner, die der Gasturbine vorgeschaltet sind. Ein erster Brenner ist der Brennstoffzelle nach geordnet. Der zweite Brenner weist jeweils eine Luft- und eine Brennstoffzuleitung auf. Durch diesen zweiten Brenner ist man mit dieser Vorrichtung in der Lage, unabhängig vom Betriebszustand der Brennstoffzelle, das für die Gasturbine benötigte Rauchgas zur Verfü gung zu stellen.The device for power generation according to the invention according to claim 1 comprises a fuel cell and a Gas turbine. Furthermore, the device comprises little At least two burners upstream of the gas turbine are. A first burner is after the fuel cell orderly. The second burner has an air and a fuel supply line. Through this second Burner one is able with this device to regardless of the operating state of the fuel cell, the flue gas required for the gas turbine is available supply.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das Anodenab gas der Brennstoffzelle dem ersten Brenner zugeführt. Der zweite Brenner weist Zuführungen für Luft und Brennstoff auf. Die Abgase beider Brenner führen zur Gasturbine. Diese Anordnung ist besonders platz- und materialsparend. Beim Volllastbetrieb wird nur ein Brenner eingesetzt. Der zweite Brenner kann beim Last wechsel kurzzeitig zugeschaltet werden, um das System bei optimalem Wirkungsgrad zu halten.In an advantageous embodiment, the anode is gas of the fuel cell fed to the first burner. The second burner has inlets for air and Fuel on. The exhaust gases from both burners lead to Gas turbine. This arrangement is particularly space and material saving. At full load operation only one Burner used. The second burner can with the load can be switched on briefly to the system to keep at optimal efficiency.
Vorteilhaft wird als Brennstoffzelle eine Hochtempera tur-Brennstoffzelle (SOFC) eingesetzt. Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht eine Mikro-Gasturbine vor. Als ein der Brennstoffzelle nachgeschalteter Brenner kann ein katalytisch arbeiten der Brenner eingesetzt werden. Er ist für Schwachgase ausgelegt und arbeitet bei Temperaturen unterhalb von 800°C.A high temperature is advantageous as a fuel cell tur fuel cell (SOFC) used. Another Design of the device according to the invention sees a micro gas turbine. As one of the fuel cells downstream burner can work catalytically the burner can be used. It is for weak gases designed and works at temperatures below 800 ° C.
Vorteilhaft weist die Vorrichtung Mittel zur Steuerung der Brennerleistung des zweiten Brenners auf. Dieses Mittel detektiert die Brennerleistung des ersten Bren ners und regelt in Abhängigkeit davon die Leitung des zweiten Brenners.The device advantageously has means for control the burner output of the second burner. This Medium detects the burner output of the first burner and regulates the management of the second burner.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Stromerzeugung gemäß
Nebenanspruch umfaßt die folgenden Schritte:
The method according to the invention for generating electricity according to the independent claim comprises the following steps:
- - einem hinter einer Brennstoffzelle angeordneten er sten Brenner wird das Anodenabgas der Brennstoffzelle zugeführt;- He arranged behind a fuel cell The burner becomes the anode exhaust gas of the fuel cell supplied;
- - einem zweiten Brenner werden Luft und Brennstoff zu geführt, insbesondere bei Anfahren und Lastwechsel;- A second burner becomes air and fuel guided, especially when starting and changing loads;
- - das in den beiden Brennern erzeugte Rauchgas wird direkt oder indirekt einer Gasturbine zugeführt.- The flue gas generated in the two burners fed directly or indirectly to a gas turbine.
Bei dem Verfahren wird einem ersten Brenner das Anoden abgas aus der Brennstoffzelle zugeführt und verbrannt. Dabei wird dem Brenner optional auch noch Luft zuge führt. Das entstehende Rauchgas wird direkt oder indi rekt einer Gasturbine zugeleitet.In the process, a first burner becomes the anode exhaust gas supplied from the fuel cell and burned. Air is optionally also added to the burner leads. The flue gas produced is direct or indi fed directly to a gas turbine.
Einem zweiten Brenner werden Luft und Brennstoff zuge führt und verbrannt. Das hierbei entstehende Rauchgas wird ebenfalls der Gasturbine zugeführt.Air and fuel are added to a second burner leads and burned. The resulting flue gas is also fed to the gas turbine.
Dieses Verfahren ermöglicht es, unabhängig von dem Be trieb der Brennstoffzelle, immer optimale Bedingungen für den Betrieb der Gasturbine bereitzustellen. Beim Anfahren der Brennstoffzelle, beim Lastwechsel oder auch im Teillastbetrieb der Brennstoffzelle ermöglicht der zusätzliche Brenner, daß ausreichend Rauchgase zum Betreiben der Gasturbine vorhanden sind. Die Leistung der Gasturbine (Stromerzeugung) kann mit diesem Verfah ren somit konstant gehalten werden, auch wenn die Lei stung bzw. die Rauchgasmengen der vorgeschalteten Brennstoffzelle variieren.This method makes it possible, regardless of the loading fuel cell, always optimal conditions to provide for the operation of the gas turbine. At the Starting up the fuel cell, when changing loads or also possible in partial load operation of the fuel cell the additional burner that sufficient smoke gases for Operating the gas turbine are present. The performance the gas turbine (power generation) can with this procedure ren are kept constant, even if the lei stung or the flue gas quantities of the upstream Fuel cells vary.
Dadurch wird regelmäßig der Wirkungsgrad der Stromer zeugung aus der gesamten Vorrichtung verbessert.This regularly improves the efficiency of the Stromer generation from the entire device improved.
Ein vorteilhaftes Mittel zum Steuern der Brennerlei stung des zweiten Brenners in Abhängigkeit von der Brennerleistung des ersten Brenners bewirkt, daß der zweite Brenner als Puffer oder Ausgleich für Schwankun gen der Rauchgasleistung des ersten Brenners eingesetzt werden kann.An advantageous means of controlling the burner burner of the second burner depending on the Burner output of the first burner causes the second burner as a buffer or compensation for fluctuation against the smoke output of the first burner can be.
Dazu wird z. B. die Rauchgasleistung des ersten Bren ners ermittelt und in dessen Abhängigkeit Luft und Brennstoffzufuhr für den zweiten Brenner geregelt. So mit kann eine konstante, vorgegebene Rauchgasleistung für den Betrieb der Gasturbine sichergestellt werden.For this, z. B. the flue gas output of the first Bren ners determined and depending on the air and Regulated fuel supply for the second burner. so with a constant, predetermined flue gas output be ensured for the operation of the gas turbine.
Nachfolgend wird das kombinierte System einer SOFC und einer Mikrogasturbine (MGT) anhand von zwei Figuren betrachtet. Prinzipiell wird hierbei das heiße Abgas der Brennstoffzelle in der MGT zur weiteren Stromer zeugung genutzt. Die Kombination der beiden Anlagen kann entweder indirekt über einen Wärmetauscher oder direkt (Reihenschaltung bzgl. des Gasflusses) erfol gen. Im Rahmen der Erfindung wird die direkte Kombina tion betrachtet. Es zeigen:The combined system of a SOFC and a micro gas turbine (MGT) based on two figures considered. In principle, this is the hot exhaust gas the fuel cell in the MGT to further Stromer generation used. The combination of the two systems can either indirectly via a heat exchanger or direct (series connection with respect to the gas flow) gen. In the context of the invention, the direct Kombina tion considered. Show it:
Fig. 1 SOFC-Gasturbinen Kombinationsvorrichtung gemäß Stand der Technik, Fig. 1 SOFC-gas turbine combined apparatus according to the prior art,
Fig. 2 erfindungsgemäße Vorrichtung zur Stromer zeugung. Fig. 2 device for Stromer generation.
Für einen stationären Betrieb kann eine gute Anpassung der beiden Anlagen erfolgen, wie z. B. in Fig. 1 dar gestellt. Die heißen Abgase der SOFC, die auch noch nicht umgesetzten Brennstoff enthalten, werden einer Brennkammer zugeführt. Das austretende Gas wird dann der Mikrogasturbine (MGT) zugeführt. Beide Anlagen sind wärmeintegriert ausgestaltet, d. h. das Aus trittsgas der MGT, welches ein mittleres Temperaturni veau und somit noch einen hohen Wärmeinhalt aufweist, wird in mehreren Schritten zu rekuperativer Vorwärmung von Luft und Brennstoff genutzt.For stationary operation, a good adjustment of the two systems can take place, such as. B. is shown in Fig. 1. The hot exhaust gases from the SOFC, which also contain unreacted fuel, are fed to a combustion chamber. The exiting gas is then fed to the micro gas turbine (MGT). Both systems are designed to be heat-integrated, ie the MGT's exit gas, which has a medium temperature level and thus still has a high heat content, is used in several steps for recuperative preheating of air and fuel.
Wegen dieser starken Kopplung der beiden Prozesse kön
nen jedoch nachteilig Probleme aufgrund einer ungün
stige Anpassungen der beiden Anlagen aneinander auf
treten, wenn kein stationärer Betrieb im Auslegungs
punkt vorliegt. Dies ist insbesondere der Fall beim
Because of this strong coupling of the two processes, problems may arise due to an unfavorable adaptation of the two systems to one another if there is no stationary operation at the design point. This is particularly the case with
- - Anfahren- Approach
- - Teillastbetrieb- part load operation
- - Lastwechsel- Load change
- - Stand-by.- Stand by.
Durch Einführung eines Zusatzbrenners, wie in Fig. 2 gezeigt, kann eine (wahlweise) weitgehende Entkopplung der Anlagen erreicht werden, sobald dies der Betrieb erforderlich macht, bzw. dies zu einem besseren Lei stungsverhalten des Gesamtsystems führt.By introducing an additional burner, as shown in Fig. 2, a (optional) extensive decoupling of the systems can be achieved as soon as the operation makes this necessary, or this leads to better performance of the overall system.
Ein weiterer Vorteil von zwei unterschiedlichen Brenn kammern besteht darin, daß jede auf ein spezielles Ge misch aus Anodenabgas/Abluft bzw. Brennstoff/Frisch luft optimal ausgelegt werden kann.Another benefit of two different focal points chambers is that each on a special Ge mix of anode exhaust gas / exhaust air or fuel / fresh air can be optimally designed.
Auch bei vollständiger Abtrennung der SOFC (infolge Ausfall o. ä.) kann die MGT bei dieser Schaltungsvari ante optimal weiter betrieben werden. Bei Störungen oder ungewollten Lastschwankungen in der SOFC kann das Teilsystem MGT (innerhalb gewisser Leistungsgrenzen) schnell für einen Ausgleich sorgen.Even with complete separation of the SOFC (as a result Failure or similar), the MGT can vary with this circuit ante continue to operate optimally. In the event of faults or unwanted load fluctuations in the SOFC can do that MGT subsystem (within certain performance limits) quickly compensate.
Der Wirkungsgrad der MGT im Solobetrieb ist natürlich geringer als der Wirkungsgrad des Gesamtsystems. Des halb muß ein Solobetrieb zeitlich begrenzt sein. Ande rerseits kann der im dynamischen Koppelbetrieb schlechter werdende Anlagenteilwirkungsgrad der MGT (da z. B. relativ wenig H2 enthaltendes Anodenabgas der MGT zugeführt wird) durch geschickte Steuerung der Zu satzfeuerung noch verbessert werden. The efficiency of the MGT in solo operation is of course lower than the efficiency of the overall system. Therefore, a solo operation must be limited in time. On the other hand, the partial efficiency of the MGT, which deteriorates in dynamic coupling operation (because, for example, relatively little H 2 -containing anode exhaust gas is supplied to the MGT) can be further improved by skillfully controlling the auxiliary firing.
Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur
Stromerzeugung sind:
Es können Systeme miteinander kombiniert werden, die in
der Temperaturlage nicht optimal aufeinander angepaßt
sind. Bei der SOFC wird das System mit sinkender Ar
beitstemperatur preiswerter, ohne daß der SOFC-
Wirkungsgrad sinkt. Solche SOFC-Anlagen mit Abgastempe
raturen unter 850°C lassen sich nur sinnvoll mit Ga
sturbinen kombinieren, wenn das SOFC-Abgas noch ausrei
chend Heizwert hat, um in der Nachverbrennung Tempera
turen oberhalb 1000°C zu erreichen (nicht Gegenstand
der Erfindung), oder wenn ein Zusatzbrenner betrieben
wird (Gegenstand der Erfindung). Zusatzbrenner und
Nachbrenner können ein Aggregat sein.Further advantages of the device for power generation according to the invention are:
Systems can be combined with one another that are not optimally matched to one another in terms of temperature. With the SOFC, the system becomes cheaper when the working temperature drops without the SOFC efficiency falling. Such SOFC systems with exhaust gas temperatures below 850 ° C can only be sensibly combined with gas turbines if the SOFC exhaust gas has a sufficient calorific value to reach temperatures above 1000 ° C in the afterburning (not the subject of the invention), or if an additional burner is operated (object of the invention). Additional burner and afterburner can be an aggregate.
Die Einführung eines zusätzlichen Brenners eröffnet die Möglichkeit - unter geringem Wirkungsgradverlust des Gesamtsystems - nicht optimal in dieser Temperaturlage passende Komponenten (SOFC und MGT) mit dem Ziel zu kombinieren, marktgängige Standardkomponenten zu ver wenden. Dadurch können die Investitionskosten für die MGT bei gutem Wirkungsgrad des Gesamtsystems niedrig gehalten werden. Gleichzeitig ermöglicht die Erfindung eine verbesserte Anpassung an nicht stationäre Betrie be, wie beispielsweise ein Lastwechsel oder das Anfah ren der Systeme und somit eine effizientere Wirkungs weise des Gesamtsystems. The introduction of an additional burner opens the Possibility - with little loss of efficiency Overall system - not optimal at this temperature matching components (SOFC and MGT) with the goal combine to sell standard components on the market turn. This can reduce the investment costs for the MGT low with good overall system efficiency being held. At the same time, the invention enables an improved adaptation to non-stationary operations be, such as a load change or the start systems and thus a more efficient effect of the overall system.
A Mikrogasturbine
B Brenner
C Abhitzkessel
D Verdampfer
E Anode
F Kathode
G Wärmetauscher
H Referenz-Wärmetauscher
I Mischer
J Zusatzbrenner
A micro gas turbine
B burner
C waste heat boiler
D evaporator
E anode
F cathode
G heat exchanger
H reference heat exchanger
I mixer
J additional burner
Claims (9)
- - einem hinter einer Brennstoffzelle angeordneten ersten Brenner wird das Anodenabgas der Brenn stoffzelle zugeführt;
- - einem zweiten Brenner werden Luft und Brennstoff zugeführt;
- - das in den beiden Brennern erzeugte Rauchgas wird direkt oder indirekt einer Gasturbine zuge führt.
- - An arranged behind a fuel cell first burner, the anode exhaust gas is supplied to the fuel cell;
- - Air and fuel are supplied to a second burner;
- - The flue gas generated in the two burners is fed directly or indirectly to a gas turbine.
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