-
Technisches
Gebiet
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein integrierte Brennstoffzellen-Gasturbinensysteme
zur Energieerzeugung, wie etwa ein integriertes Feststoffoxyd-Brennstoffzellen-Gasturbinensystem.
Mehr im Einzelnen betrifft die Erfindung Systeme und Verfahren zum
Anfahren und zum transienten Betrieb von integrierten Brennstoffzellen-Gasturbinensystemen.
-
Hintergrund
der Erfindung
-
Es
wurde schon vorgeschlagen, einen Brennstoffzellengenerator mit einer
Gasturbine zu vereinigen. Der Gasturbinenverdichter kann die verdichtete
Luft liefern, die von der mit erhöhtem Druck arbeitenden Brennstoffzelle
benötigt
wird, und die Brennstoffzelle, die eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle,
wie etwa eine Feststoffoxyd-Brennstoffzelle sein kann, kann das
heiße
Gas zur Expansion in der Turbine liefern. Auf diese Weise kann elektrische
Energie sowohl von dem Brennstoffzellengenerator als auch von der
Turbine geliefert werden. Viele solche Systeme verwenden einen Brennstoffprozessor,
um Brennstoff, wie etwa Erdgas, in ein Wasserstoff enthaltendes
Gas umzuwandeln. Wegen der Natur der in dem Brennstoffprozessor
ablaufenden chemischen Reaktionen, muss typischerweise dieser Komponente
Wärme zugeführt werden.
Im Normalbetrieb wird Wärme
als Nebenprodukt in der Brennstoffzelle erzeugt. Außerdem können nicht
umgesetzter Brennstoff und/oder frischer Brennstoff und Luft aus
der Brennstoffzelle verbrannt werden, um zusätzliche Wärmeenergie zu liefern. Die
als Nebenprodukt anfallende Wärme
von der Brennstoffzelle und/oder die Energie von dem verbrannten überschüssigen Brennstoff
und der Luft, können
dazu verwendet werden, die für
den Brennstoffprozessor erforderliche Energie zu liefern.
-
Brennstoffzellen
und insbesondere Feststoffoxyd-Brennstoffzellen arbeiten üblicherweise
bei hohen Temperaturen. Diese Zellen erfordern deshalb beim Anfahren
lange Aufheizzeiten von der Umgebungstemperatur aus. Die Brennstoffzelle
und der externe Brennstoffprozessor weisen eine beträchtliche
thermische Trägheit
auf und erfordern während des
Systemanfahrvorgangs und bei schnellen Übergangsvorgängen gesteuerte
Temperaturanstiegs- bzw. -abfallraten.
-
Es
wäre deshalb
von Vorteil, die Anfahrvorgänge
und die transienten Vorgänge
eines Brennstoffzellen-Gasturbinen-Hybridsystems zu verbessern. Insbesondere
könnte
eine thermische Integration einer Feststoffoxyd-Brennstoffzelle,
einer Gasturbine und einer zusätzlichen
Wärmequelle
effizientere Anfahr- und transienten Betriebsbedingungen mit größeren Spitzenleistungsmöglichkeiten
des Systems ergeben.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Demgemäß schafft
die vorliegende Erfindung ein integriertes Brennstoffzellen-Gasturbinensystem,
das eine Brennstoffzelle, einen Luftverdichter, einen Brennstoffverdichter,
einen Brennstoffprozessor, eine Abgas erzeugende Anfahrbrennkammer,
erste Steuermittel, die einen Strom ver dichteter Luft von dem Luftverdichter
zu der Anfahrbrennkammer und der Brennstoffzelle leiten und zweite
Steuermittel, die einen Strom verdichteten Brennstoffs zu der Anfahrbrennkammer
und dem Brennstoffprozessor leiten, aufweist. Die ersten Steuermittel
und die zweiten Steuermittel können
die Zuführung
des Stromes verdichteter Luft und des Stromes verdichteten Brennstoffs
zu der Anfahrbrennkammer so steuern, dass das Abgas der Anfahrbrennkammer
den Brennstoffprozessor auf eine vorbestimmte Temperatur aufheizt,
bevor der Strom verdichteten Brennstoffs dem Brennstoffprozessor
und der Strom verdichteter Luft der Brennstoffzelle zugeführt werden.
Die Brennstoffzelle kann eine Feststoffoxyd-Brennstoffzelle sein.
-
Bei
bestimmten Ausführungsformen
können die
ersten Steuermittel anfänglich
den gesamten Strom verdichteter Luft der Anfahrbrennkammer zuleiten,
während
die zweiten Steuermittel anfänglich den
gesamten Strom verdichteten Brennstoffs der Anfahrbrennkammer zuführen können. Sobald
der Brennstoffprozessor die vorbestimmte Temperatur erreicht hat,
können
die ersten Steuermittel einen zunehmenden Anteil des Stromes verdichteter
Luft der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle zuführen, bis der gesamte Strom
verdichteter Luft der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle zugeführt wird,
während
die zweiten Steuermittel einen zunehmenden Anteil des Stroms verdichteten
Brennstoffs dem Brennstoffprozessor zuführen können bis der gesamte Strom
verdichteten Brennstoffs dem Brennstoffprozessor zugeführt wird.
Die vorbestimmte Temperatur kann die jeweils gewünschte Betriebstemperatur des
Brennstoffprozessors sein.
-
Die
ersten Steuermittel können
ein Dreiwege-Ventil oder bei anderen Ausführungsformen zwei Zweiwegeventile
sein. Die zweiten Steuermittel können
ein Anfahrventil und ein Stromregelventil sein. Das Anfahrventil
kann ein Zweiwege-Ventil sein, das die Zufuhr des Stromes verdichtetes
Brennstoffs zu der Anfahrbrennkammer steuert. Das Stromregelventil
kann ein Zweiwege-Ventil sein, das die Zufuhr des Stroms verdichteten
Brennstoffs zu dem Brennstoffprozessor regelt.
-
Bei
bestimmten Ausführungsformen
kann die Feststoffoxyd-Brennstoffzelle Abgas erzeugen, das dazu
verwendet wird, den Brennstoffprozessor zu beheizen. Der zunehmende
Anteil des Stroms verdichteter Luft, der der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle während des
Anfahrens zugeleitet wird, kann mit einer ersten bestimmten Rate
derart erhöht
werden, dass zu dem Zeitpunkt zu dem der gesamte Strom verdichteter
Luft der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle zugeführt wird, die erste bestimmte
Rate es ermöglicht,
dass das Abgas der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle ausreichend ist,
um die gesamte, von dem Brennstoffprozessor verwendete Wärme zu liefern.
In ähnlicher
Weise kann der zunehmende Anteil des Stroms verdichteten Brennstoffs,
der dem Brennstoffprozessor zugeführt wird, mit einer zweiten
bestimmten Rate derart erhöht
werden, dass zu dem Zeitpunkt, zu dem der gesamte Strom des verdichteten Brennstoffs
dem Brennstoffprozessor zugeführt
wird, die zweite bestimmte Rate es ermöglicht, dass das Abgas der
Feststoffoxyd-Brennstoffzelle ausreicht, um die gesamte, von dem
Brennstoffprozessor verwendete Wärme
zu liefern. Das System kann eine SOFC-Brennkammer enthalten. Die
SOFC-Brennkammer kann eine bestimmte Menge unreagierten Brennstoffs
und Überschussluft
von der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle erhalten und kann den unreagierten
Brennstoff mit der Überschussluft
verbrennen, um die Abgastemperatur der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle
zu erhöhen.
Das System kann außerdem ein
SOFC-Rückschlagventil
enthalten, das strom abwärts
von der SOFC-Brennkammer angeordnet ist. Die Turbine des integrierten
Feststoffoxyd-Brennstoffzellen-Gasturbinensystems kann Abgas erzeugen.
Das System kann außerdem
einen Brennstoffvorwärmer/Dampfgenerator
enthalten, der Wärme zwischen
dem Abgas der Turbine und zugeführtem Wasser
austauscht um dem Brennstoffprozessor eine bestimmte Dampfmenge
zuzuleiten. Der Brennstoffvorwärmer/Dampfgenerator
kann auch Wärme zwischen
dem Abgas der Turbine und dem Strom verdichteten Brennstoffs austauschen,
um dem Brennstoffprozessor einen Strom erwärmten, verdichteten Brennstoffs
zuzuführen.
-
Bei
bestimmten Ausführungsformen
können, wenn
der Brennstoffprozessor die vorbestimmte Temperatur erreicht, die
ersten Steuermittel einen zunehmenden Anteil des Stroms verdichteter
Luft der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle zuführen, während die zweiten Steuermittel
einen zunehmenden Anteil des Stromes verdichteter Luft dem Brennstoffprozessor so
lange zuführen,
bis das Abgas der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle ausreicht, um die
gesamte, von dem Brennstoffprozessor verwendete Wärme zu liefern.
Wenn der Punkt erreicht ist, bei dem das Abgas der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle
ausreicht, die gesamte von dem Brennstoffprozessor verwendete Wärme zu liefern,
leiten die ersten Steuermittel den gesamten Strom verdichteter Luft
der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle
zu, während
die zweiten Steuermittel den gesamten Strom verdichteten Brennstoffs dem
Brennstoffprozessor zuführen.
-
Die
vorliegende Erfindung schafft auch ein Verfahren zum Bewerkstelligen
des Anfahrens eines integrierten Feststoffoxyd-Brennstoffzellen-Gasturbinensystems,
das eine Feststoffoxyd-Brennstoffzelle, einen Brennstoffprozessor,
einen Verdichter, einen Brennstoffverdichter und eine An fahrbrennkammer aufweist.
Dabei kann das Verfahren die folgenden Schritte beinhalten: Zuleiten
eines Stroms verdichteter Luft von dem Luftverdichter zu der Anfahrbrennkammer,
Zuleiten eines Stroms verdichteten Brennstoffs zu der Anfahrbrennkammer,
Verbrennen des der Anfahrbrennkammer zugeführten Stromes verdichteter
Luft und des Stromes verdichteten Brennstoffs in der Anfahrbrennkammer,
um Abgas zu erzeugen, Erwärmen
des Brennstoffprozessors mit dem Abgas der Anfahrbrennkammer und,
sobald der Brennstoffprozessor eine vorbestimmte Temperatur erreicht
hat, Überleiten
des Stroms verdichteter Luft von der Anfahrbrennkammer in die Feststoffoxyd-Brennstoffzelle
und Überleiten
des Stroms verdichteten Brennstoffs von der Anfahrbrennkammer in den
Brennstoffprozessor. Das Überleiten
des Stroms verdichteter Luft von der Anfahrbrennkammer zu der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle
kann beinhalten, dass ein zunehmender Anteil des Stroms verdichteter
Luft von der Anfahrbrennkammer der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle
zugeführt
wird, bis der gesamte Strom verdichteter Luft der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle
zugeleitet wird. In ähnlicher
Weise kann das Überleiten
des Stroms des verdichteten Brennstoffs von der Anfahrbrennkammer
zu dem Brennstoffprozessor beinhalten, dass ein zunehmender Anteil
des Stroms verdichteten Brennstoffs von der Anfahrbrennkammer zu
dem Brennstoffprozessor geleitet wird, bis der gesamte Strom verdichteten
Brennstoffs dem Brennstoffprozessor zugeleitet wird. Die vorbestimmte
Temperatur des Brennstoffprozessors kann die jeweils gewünschte Betriebstemperatur
des Brennstoffprozessors sein.
-
Bei
bestimmten Ausführungsformen
kann das Verfahren auch den Schritt der Erwärmung des Brennstoffprozessors
mit Abgas der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle beinhalten. In diesem
Falle kann der zunehmende Anteil des der Feststoffoxyd- Brennstoffzelle zugeleiteten
Stroms verdichteter Luft mit einer ersten vorbestimmten Rate derart
erhöht
werden, dass zu dem Zeitpunkt zu dem der Strom verdichteter Luft
der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle zugeführt wird, die erste vorbestimmte
Rate das Abgas der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle ausreichen lässt, die
gesamte von dem Brennstoffprozessor verwendete Wärme zu liefern. In ähnlicher
Weise kann der zunehmende Anteil des Stromes des dem Brennstoffprozessor
zugeleiteten verdichteten Brennstoffs mit einer zweiten vorbestimmten
Rate derart vergrößert werden,
dass zu dem Zeitpunkt zu dem der gesamte Strom verdichteten Brennstoffs
dem Brennstoffprozessor zugeführt
wird, die zweite vorbestimmte Rate es ermöglicht, dass das Abgas der
Feststoffoxyd-Brennstoffzelle ausreicht, die gesamte von dem Brennstoffprozessor
verwendete Wärme
zu liefern.
-
Der
Strom verdichteter Luft kann durch ein Dreiwege-Ventil von der Anfahrbrennkammer zu
der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle
geleitet werden. Der Strom verdichteten Brennstoffs kann von dem
Brennstoffprozessor zu der Anfahrbrennkammer über ein Anfahrventil und ein
Strömungsregelventil
geleitet werden. Das Anfahrventil kann ein Zweiwege-Ventil umfassen,
das die Zufuhr des Stroms verdichteten Brennstoffs zu der Anfahrbrennkammer
steuert. Das Strömungsregelventil
kann ein Zweiwege-Ventil umfassen, das die Zufuhr des Stroms verdichteten Brennstoffs
zu dem Brennstoffprozessor steuert.
-
Bei
gewissen Ausführungsformen
kann das Verfahren auch den Schritt der Verbrennung zugeführten unreagierten
Brennstoffs mit zugeführter Überschussluft
von der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle beinhalten,
um dadurch die Abgastemperatur der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle
zu erhöhen.
Bei anderen Ausführungsformen
kann das Verfahren die Schritte enthalten, dass Abgas von einer
Turbine erzeugt wird, Wärme
zwischen dem Abgas der Turbine und einer Wassermenge ausgetauscht
wird, um eine Dampfmenge für
den Wärmeprozessor
zu erzeugen und Wärme
zwischen dem Abgas der Turbine und dem Strom verdichteten Brennstoffs
ausgetauscht wird um einen Strom verdichteten, erwärmten Brennstoffs
dem Brennstoffprozessor zuzuführen.
-
Das
Verfahren kann außerdem
noch den Schritt beinhalten, dass der Brennstoffprozessor mit Abgas
der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle beheizt wird. In diesem Falle
kann das Überleiten
des Stroms verdichteter Luft von der Anfahrbrennkammer zu der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle
beinhalten, dass ein zunehmender Anteil des Stroms verdichteter
Luft von der Anfahrbrennkammer zu der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle
geleitet wird, bis das Abgas der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle ausreicht, die gesamte,
von dem Brennstoffprozessor verwendete Wärme zu liefern. In ähnlicher
Weise kann das Überleiten
des Stroms verdichteten Brennstoffs von der Anfahrbrennkammer zu
dem Brennstoffprozessor beinhalten, dass ein zunehmender Anteil
des Stroms verdichteten Brennstoffs von der Anfahrbrennkammer zu
dem Brennstoffprozessor geleitet wird, bis das Abgas der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle
ausreicht, die gesamte, von dem Brennstoffprozessor verwendet Wärme zu liefern.
Wenn der Punkt erreicht ist, bei dem das Abgas der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle
ausreicht, die gesamte, von dem Brennstoffprozessor verwendete Wärme zu liefern,
kann der gesamte Strom verdichteter Luft der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle
zugeführt werden,
während
der gesamte Strom verdichteten Brennstoffs dem Brennstoffprozessor
zugeführt
werden kann.
-
Die
vorliegende Erfindung schafft außerdem ein Verfahren zum Betrieb
eines integrierten Feststoffoxyd-Brennstoffzellen-Gasturbinensystems,
das aufweist: Eine Feststoffoxyd-Brennstoffzelle, einen Brennstoffprozessor,
eine Turbine, einen Verdichter, einen Brennstoffverdichter und eine
Anfahrbrennkammer und das folgende Schritte beinhaltet: Zuleiten
eines Stroms verdichteter Luft von dem Verdichter zu der Anfahrbrennkammer
und der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle,
Zuleiten eines Stroms verdichteten Brennstoffs zu der Anfahrbrennkammer
und zu dem Brennstoffprozessor und Erwärmen des Brennstoffprozessors
mit Abgas von der Anfahrbrennkammer und Abgas von der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle.
Während
des stationären
Betriebs des Systems kann der gesamte Strom verdichteter Luft der
Feststoffoxyd-Brennstoffzelle
zugeleitet werden, während der
gesamte Strom verdichteten Brennstoffs dem Brennstoffprozessor zugeführt wird.
Während
des transienten Betriebs des Systems kann der Strom verdichteten
Brennstoffs erhöht
werden während
der Strom verdichteter Luft erhöht
wird, derart, dass ein Teil des erhöhten Stroms verdichteten Brennstoffs und
ein Teil des erhöhten
Stroms verdichteter Luft der Anfahrbrennkammer zur Verbrennung zugeleitet werden.
-
Das
Verfahren beinhaltet außerdem
den Schritt des Expandierens des Abgases der Anfahrbrennkammer und
des Abgases der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle durch die Turbine,
um damit mechanische Energie zu erzeugen, derart, dass die sich während des
transienten Betriebs ergebende Erhöhung der Abgastemperatur der
Anfahrbrennkammer zu einer Vergrößerung der
von der Turbine erzeugten mechanischen Energiemenge führt. Die
erhöhte
mechanische Energiemenge kann einem elektrischen Generator zugeführt werden.
Alternativ kann die erhöhte
Menge mechanischer Energie auch dem Verdichter zu geführt werden,
so dass der Verdichter die erhöhte
mechanische Energiemenge dazu verwenden kann, den Strom verdichteter
Luft weiter zu vergrößern. In
diesem Falle beinhaltet das Verfahren außerdem die Schritte, da ein
Teil des erhöhten
Stroms verdichteter Luft der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle zugeleitet
wird, dass die Steigerung der Abgase der Anfahrbrennkammer dazu
verwendet wird, dem Brennstoffprozessor zusätzliche Wärme zuzuführen, dass die zusätzliche
Wärme dazu
benutzt wird, eine erhöhte
Menge reformierten Brennstoffs der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle
zuzuführen
und dass der erhöhte
Strom verdichteter Luft und die erhöhte Zufuhr reformierten Brennstoffs
in der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle miteinander zur Reaktion gebracht
werden.
-
Bei
bestimmten Ausführungsformen
beinhaltet das Verfahren außerdem
die Schritte, dass zufolge des erhöhten Stromes verdichteter Luft
und der erhöhten
Zufuhr reformierten Brennstoffs zu der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle
eine erhöhte
Abgasmenge von der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle erzeugt wird. Sobald
die vergrößerte Abgasmengen
der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle
ausreicht, die gesamte, von dem Brennstoffprozessor zur Erzeugung
der erhöhten
Menge reformierten Brennstoffs verwendete Energie zu liefern, erfolgt
das Überleiten
des Stroms verdichteter Luft von der Anfahrbrennkammer zu der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle
und das Überleiten
des Stroms verdichteten Brennstoffs von der Anfahrbrennkammer zu
dem Brennstoffprozessor. In diesem Falle kann das Überleiten
des Stroms verdichteter Luft von der Anfahrbrennkammer zu der Feststoffoxid-Brennstoffzelle
beinhalten, dass ein zunehmender Anteil des Stroms verdichteter
Luft von der Anfahrbrennkammer zu der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle
geleitet wird, bis der gesamte Strom verdichteter Luft der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle
zugeführt wird.
In ähnlicher Weise
kann das Überleiten
des Stroms des verdichteten Brennstoffs von der Anfahrbrennkammer
zu dem Brennstoffprozessor beinhalten, dass ein zunehmender Anteil
des Stroms verdichteteten Brennstoffs von der Anfahrbrennkammer zu
dem Brennstoffprozessor geleitet wird, bis der gesamte Strom verdichteten
Brennstoffs dem Brennstoffprozessor zugeführt wird.
-
Diese
und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung der gegenwärtigen Ausführungsformen der Erfindung,
im Zusammenhang mit der Zeichnung und den beigefügten Patentansprüchen.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnung
-
1 ist
ein schematisches Diagramm eines integrierten Feststoffoxyd-Brennstoffzellen-Gasturbinensystems
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
-
Detaillierte
Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen
-
Bezugnehmend
nun auf die Figur zeigt diese eine beispielhafte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung in Gestalt eines Feststoffoxyd-Brennstoffzellen-Gasturbinensystems 100.
Für den
Fachmann ersichtlich können
auch andere Hochtemperatur-Brennstoffzellen in einem solchen System
eingesetzt werden, so dass die Verwendung einer Feststoffoxyd-Brennstoffzelle
lediglich beispielhaft ist. Die Hauptkomponenten des Feststoffoxyd-Brennstoffzellen-Gasturbinensystems 100 können eine
Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102, eine Turbine 104,
ein Verdichter 106, ein elektrischer Generator 108,
ein Brennstoffprozessor 110, eine Anfahrbrennkammer 112,
ein Druckluftventil 114, das ein Dreiwege-Ventil oder zwei
Zweiwege-Ventile aufweisen kann, ein Anfahrventil 116 und
ein Strömungsregelventil 118 sein. In
dem Feststoffoxyd-Brennstoffzellen-Gasturbinensystem können noch
weitere Komponenten vorhanden sein, um den Gesamtwirkungsgrad des
Systems zu erhöhen,
wozu ein Brennstoffvorwärmer/Dampfgenerator 122,
ein Rekuperator 124, eine SOFC-Brennkammer 126 und
ein Brennstoffzellen-Luftvorwärmer 128 zählen können.
-
Allgemein
gesehen wird während
des normalen stationären
Betriebs von dem Abgasstutzen der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 zugeführtes heißes Gas
durch die Turbine 104 expandiert. Die Turbine 104 kann
ihrerseits den Verdichter 106 und den Generator 108 antreiben.
Der Verdichter 106 speist verdichtete Luft in die Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 ein,
die mit einem erhöhten
Druck arbeitet. Die Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 bringt die
zugeführte
verdichtete Luft mit einer entsprechenden Menge reformierten Brennstoffs
aus dem Brennstoffprozessor 110 elektrochemisch zur Reaktion,
wodurch Elektrizität
erzeugt wird. Die Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 erzeugt
eine gewisse Menge heißen
Abgases. Unreagierter Brennstoff und Luft, die in dem Abgas der
Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 enthalten sind, können in
der SOFC-Brennkammer 126 verbrannt werden, um zusätzliche
Wärmeenergie
für das
Abgas zu gewinnen. Außerdem
können
bei bestimmten Ausführungsformen
zugeführter Brennstoff
und zugeführte
Luft der unreagierten Menge von Brennstoff und Luft von der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 in
der SOFC-Brennkammer 126 zugegeben werden, um die Abgastemperatur der
Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 nach dem Durchgang durch
die SOFC-Brennkammer 126 zu erhöhen. Die Wärme von dem Abgasstutzen der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 kann
dazu verwendet werden, dem Brennstoffprozessor 110 für die Reformierung
(Umwandlung) von gasförmigen
Brennstoff, wie Erdgas, erforderliche Wärme zu liefern. Dem Brennstoffprozessor 110 wird
verdichteter, gasförmiger
Brennstoff zugeführt.
Am Ende des Zyklus wird das Abgas der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 durch
die Turbine 104 expandiert. Demgemäß können sowohl die Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 als
auch die Turbine 104 elektrische Energie erzeugen.
-
Während der
Anfahrvorgänge
kann das Feststoffoxyd-Brennstoffzellen-Gasturbinensystem 100 wie
folgt arbeiten: Das Anfahrventil 116 und das Strömungsregelventil 118 erhalten
von einer Brennstoffzufuhr 129 verdichteten Brennstoff
zugeführt. Die
Versorgung der Brennstoffzufuhr 129 mit verdichtetem Brennstoff
kann nach an sich bekannten Verfahrensweisen geschehen, einschließlich ausgehend von
einem (nicht dargestellten) Brennstoffradialkompressor. Der Brennstoff
kann Erdgas oder ein Kohlenderivat-Brennstoff sein. Beispielsweise
Erdgas, Nafta, Propan, JP-8, Methan, Benzin oder andere Arten ähnlicher
Gase können
verwendet werden.
-
Das
Anfahrventil 116 ist zu Beginn des Anfahrvorganges offen,
so dass der zugeführte
verdichtete Brennstoff in die Anfahrbrennkammer 112 eintreten
kann. Das Strömungsregelventil 118 ist
zu Beginn des Anfahrvorgangs geschlossen womit es verhindert, dass
zugeführter
verdichteter Brennstoff zu dem Brennstoffprozessor 110,
der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 und anderen strömungsabwärts liegenden
Komponenten gelangt. Das Anfahrventil 116 und das Strömungsregelventil 118 können irgendeiner geeigneten
Bauart handelsüblicher
bekannter Ventile sein. Es können
z.B. Kugel, Butterfly(Klappen-) oder ähnliche Ventile verwendet werden.
Bei alternativen Ausführungsformen
kann ein einziges Dreiwege-Ventil das Anfahrventil 116 und
das Strömungsregelventil 118 ersetzen.
-
Der
zugeführte
verdichtete Brennstoff kann in die Anfahrbrennkammer 112 injiziert
und in der Anfahrbrennkammer 112 mit zugeführter verdichteter Luft
vermischt werden, die von dem Verdichter 106 eingespeist
wird, wie dies im Einzelnen noch erläutert werden wird. Die sich
ergebende Mischung kann durch eine Zündvorrichtung gezündet werden,
wodurch eine exotherme Reaktion ausgelöst wird, durch die Verbrennungsgaseenergie
erzeugt wird. Die Anfahrbrennkammer 112 kann irgendeiner
geeigneten Bauart an sich bekannter Brennkammern sein. Als handelsübliche Beispiele
geeigneter Brennkammern, können
Brennkammern mit niedrigem NOx-Ausstoß, katalytische oder andere
Brennkammern verwendet werden. Die in dem Verbrennungsgas enthaltene Wärmeenergie
gelangt dann von der Anfahrbrennkammer 112 zu einer Verteilerstelle 130 wo
sie mit zugeführtem
Abgas von der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 vermengt
wird. In den Anfangsstufen des Anfahrprozesses ist noch keine Abgaszufuhr
von der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 vorhanden, weil
das Strömungsregelungsventil 118 geschlossen bleibt
(womit es verhindert, dass der Brennstoff zu der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 gelangt).
Ein SOFC-Rückschlagventil 131 kann
stromaufwärts
von der Verzweigungsstelle 130 in der Leitung vorgesehen
sein, die das Abgas von der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 zuführt. Das
SOFC-Rückschlagventil 131 kann
einen Rückstrom
in dem Gas enthaltener Wärmeenergie
von der Anfahrbrennkammer 112 zu strömungsaufwärts liegenden Komponenten,
einschließlich
der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 verhindern.
-
Der
kombinierte Volumenstrom des Abgases der Anfahr brennkammer 112 und
der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 werden sodann von
der Verzweigungsstelle 130 durch den Brennstoffprozessor 110 geleitet.
In dem Brennstoffprozessor 110 wird die kombinierte Strömung sodann
durch einen oder mehrere Wärmetauscher
durchgeleitet, wodurch dem Brennstoffprozessor 110 Wärme zugeführt wird. Beim
Anfahren muss der Brennstoffprozessor 110 von der Umgebungstemperatur
auf eine ausreichend hohe Temperatur gebracht werden, bevor die
Brennstoffumwandlung stattfinden kann. Nach dem Aufheizen kann der
Brennstoffprozessor 106 Dampfreform-, Autothermalreform-,
Teiloxidationsreform-Verfahren oder andere Verfahren einsetzen,
um den Brennstoff teilweise in ein Wasserstoff enthaltendes Gas
umzuwandeln. Lediglich beispielhaft veranschaulicht 1 ein
System, das einen Dampfreformer verwendet, bei dem gasförmige Kohlenwasserstoffe
in Gegenwart von Dampf und eines Katalysators in ein Gas reformiert
werden, das im Wesentlichen Wasserstoff und Kohlenmonoxyd enthält. Der Brennstoff
kann vorgewärmt
werden, und Dampf kann dem Brennstoffprozessor 110 durch
den Brennstoffvorwärmer/Dampfgenerator 122 zugeleitet
werden, wie dies im Einzelnen noch beschrieben werden wird. Zu handelsüblichen
Beispielen geeigneter Brennstoffprozessoren, die an sich bekannt
sind, gehören
Dampfreformer, Auto-thermalreformer oder ähnliche Prozessoren. Der Wärmeaustausch
von dem kombinierten Abgasstrom zu dem Brennstoffprozessor 110 kann
durch an sich bekannte Wärmeaustauschverfahren
geschehen.
-
Der
kombinierte Volumenstrom aus Verbrennungsgaswärmeenergie von der Anfahrbrennkammer 112 und
dem Abgas der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 tritt aus
dem Brennstoffprozessor 110 aus und wird der Turbine 104 zugeführt. Der
kombinierte Strom wird dann in der Turbine 106 expandiert, um
Turbinenenergie zu erzeugen. Handelsübliche Beispiele geeigneter
Turbinen, die an sich bekannt sind, umfassen Zentrifugal- oder Axial-
oder ähnliche Turbinen,
die verwendet werden können.
Die Turbinenenergie kann ihrerseits den Verdichter 106 und den
elektrischen Generator 108 antreiben. Der elektrisch Generator 108 kann
elektrisch Energie erzeugen, die dann von einem Wandler 132 in
Wechselstrom umgesetzt und in ein Energienetz 134 eingespeist
werden kann. In den Verdichter 106 wird Luft von einer
Luftzufuhr 135 aus eingespeist, woraus er verdichtete Luft
erzeugt. Die verdichtete Luft kann dann dem Druckluftventil 114 zugeleitet
werden.
-
Stromaufwärts von
dem Druckluftventil 114 kann ein Rekuperator 124 vorgesehen
sein, um den Gesamtwirkungsgrad des Systems zu erhöhen. Der Rekuperator 124 kann
Wärme von
dem von der Turbine 104 abgegebenen Abgas auf den von dem
Verdichter 106 kommenden Volumenstrom verdichteter Luft übertragen.
Eine solche Vorwärmung
der verdichteten Luft erlaubt es, den Brennstoffverbrauch des Systems 100 zu
senken und den Gesamtwirkungsgrad zu erhöhen. Die verdichtete Luft kann durch
die auf der Kaltseite liegenden Kanäle des Rekuperators 124 zirkulieren
und Wärme
von den Turbinenabgasen absorbieren, die durch die auf der heißen Seite
liegenden Kanäle
zirkulieren. Wenn somit der Rekuperator 124 in dem System 100 vorhanden ist,
kann der Volumenstrom verdichteter Luft erwärmt werden, so dass ein Volumenstrom
heißer
verdichteter Luft dem Druckluftventil 114 zugeleitet werden kann.
-
Von
dem Druckluftventil 114, das hier als Dreiwege-Ventil veranschaulicht
ist, wird der Volumenstrom der verdichteten Luft (oder der Volumenstrom
der erwärmten
verdich teten Luft) entweder zu der Anfahrbrennkammer 112 oder
zu der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 geleitet oder
aber es kann der Volumenstrom der verdichteten Luft geteilt zu beiden
Komponenten gesandt werden. Während
des Anfahrvorgangs kann das Druckluftventil 114 anfänglich so
eingestellt sein, dass der Strom verdichteter Luft lediglich zu
der Anfahrbrennkammer 112 geleitet wird. Das Druckluftventil 114 kann
irgendeine Bauart bekannter geeigneter Dreiwege-Ventile sein, bspw. ein
Kugelventil oder aber es können
auch andere ähnliche
Ventile verwendet werden. Bei alternativen Ausführungsformen können eine
Verzweigungsstelle und zwei getrennt Zweiwege-Ventile die Funktion
des Dreiwege-Druckluftventils 114 übernehmen.
-
Der
Volumenstrom verdichteter Luft kann so in die Anfahrbrennkammer 112 eingespeist
werden wo er mit dem zugeführten
verdichteten gasförmigen Brennstoff
verbrannt wird. Wie beschrieben, können die Abgase der Anfahrbrennkammer 112 dann
zum Erwärmen
des Brennstoffprozessors 112 während der Anfangsstufen des
Anfahrprozesses eingesetzt werden. Das Druckluftventil 114,
das Anfahrventil 116, das Strömungsregelventil 118 und
das SOFC-Rückschlagventil 131 können somit
die Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 gegen den Luft- und den
Brennstoffzustrom ebenso wie den Rückstrom von Abgasen der Anfahrbrennkammer 112 während des
Anfahrprozesses isolieren, um so die Komponenten der Brennstoffzelle
zu schützen.
Beispielsweise kann das SOFC-Rückschlagventil 131 auch
einen Rückstrom
von Verbrennungsgasen von der Anfahrbrennkammer 112 verhindern,
die die Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 und deren Komponenten
beschädigen
könnten.
-
Im
weiteren Verlauf des Anfahrvorganges steigt die Temperatur des Brennstoffprozessors 110 auf
eine für
die Brennstoffreformierung gewünschte Temperatur
an. Bei einem Dampf-Brennstoffprozessor kann z.B. die Temperatur
zur wirksamen Ingangsetzung der Brennstoffreformierung bei etwa
450°C (840°F) liegen.
Wenn dieser Punkt erreicht ist, kann das Strömungsregelventil 118 geöffnet werden,
um einen Anteil des Volumenstroms des verdichteten Brennstoffs dem
Brennstoffprozessor 110 zuzuführen, um die Reformierung zu
beginnen. Zur Erhöhung des
Gesamtwirkungsgrades des System kann der Volumenstrom des verdichteten
Brennstoffs zunächst
durch den Brennstoffvorwärmer/Dampfgenerator 112 durchgeleitet
werden. Der Brennstoffvorwärmer/Dampfgenerator 122 sorgt
für einen
Wärmeaustausch
zwischen dem Abgas der Turbine 104 und dem Volumenstrom
verdichteten Brennstoffs. Der Brennstoffvorwärmer/Dampfgenerator 122 kann
außerdem
einen Wärmeaustausch
zwischen dem Abgas der Turbine 104 und zugeführtem Wasser
bewirken. Zu bemerken ist, dass der Brennstoffvorwärmer/Dampfgenerator 122 eine
dieser Funktionen allein erfüllen
kann oder dass beide oder jede dieser Funktionen, abhängig von
der Bauart und den Bedürfnissen
des Systems, von getrennten Komponenten anstelle einer kombinierten
Komponente erfüllt werden
können.
Das Wasser kann durch eine Wasserzuleitung 136 in den Brennstoffvorwärmer/Dampfgenerator 122 eingespeist
werden, um Dampf zu erzeugen, der dann dem Brennstoffprozessor 110 zur Dampfreformierung
des eingespeisten verdichteten Brennstoffs zugeleitet werden kann.
Bei alternativen Ausführungsformen
können
auch andere Arten von Brennstoffreformierung verwendet werden, so
dass Dampf nicht erforderlich ist. Der Wärmeaustausch zwischen dem Abgas
der Turbine 104 und dem verdichteten Brennstoff/zugeführten Wasser
in dem Brennstoffvorwärmer/Dampfgenerator 122 kann
mittels an sich bekannter Wärmeaustauschverfahren geschehen.
Nachdem das Abgas der Turbine 104 aus dem Brennstoffvorwärmer/Dampfgenerator 122 austritt,
kann es aus dem System 100 über einen Systemauslass 137 abströmen.
-
Der
zugeführte
komprimierte Brennstoff kann in dem Brennstoffprozessor 110,
wie bereits erwähnt,
reformiert werden, um ein Wasserstoff enthaltendes Gas zu erzeugen.
Reformierter Brennstoff kann dann von dem Brennstoffprozessor 110 der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 zugeleitet
werden. Wie bemerkt, kann die Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 auch über das
Druckluftventil (bzw. die Druckluftventile) 114 mit einem
Strom verdichteter Luft versorgt werden. wenn das Strömungsregelventil 118 so weit
geöffnet
wird, dass der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 ein Volumenstrom
reformierten Brennstoffs zugeführt
wird, kann das Druckluftventil (bzw. Druckluftventile) 114 so
weit geöffnet
werden, dass auch ein zweckentsprechender Volumenstrom verdichteter
Luft der Feststoffoxydbrennstoffzelle 102 zugeführt wird,
um den zugeführten
reformierten Brennstoff elektrochemisch zur Reaktion zu bringen.
Zur Erhöhung
des Gesamtwirkungsgrades des Systems kann der Volumenstrom verdichteter
Luft, der der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle zugeführt wird,
durch den Brennstoffzellen-Luftvorwärmer 128 erwärmt werden.
Der Brennstoffzellen-Luftvorwärmer 128 kann
Wärme von
dem Abgasauslass der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 erhalten,
wie dies im Nachfolgenden noch im Einzelnen geschildert wird.
-
In
der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 können der reformierte Brennstoff
und die zugeführte verdichtete
Luft elektorchemisch miteinander reagieren, um in an sich bekannter
Weise Elektrizität
zu erzeugen. Beispielsweise kann die Feststoffoxydbrennstoffzelle 102 eine
poröse
Luftelektrode, einen gasdichten Elektrolyten und eine Brennstoffelektrode enthalten.
Die zugeführte
verdichtete Luft wird in die Luftelektrode oder Katode eingeleitet,
die bspw. aus Strontium-dotiertem
Lanthanmanganit bestehen kann. Der Elektrolyt kann aus Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumdioxyd
(Zirkonia) hergestellt sein und die gesamte aktive Länge der
Luftelektrode bis auf einen dünnen
Streifen abdecken. Dieser dünne
Streifen der Luftelektrode kann mit einer gasdichten Schicht von Magnesium-dotiertem
Lanthanchromid abgedeckt sein, das die Zellenverbindung bildet.
Der reformierte Brennstoff kann in die auch als Anode bezeichnete Brennstoffelektrode
eingebracht werden, die aus Nickelzirkoniumdioxydcermet bestehen
kann und den Elektrolyten, ausgenommen in dem Verbindungsgebiet,
bedeckt. Beispiele von geeigneten Feststoffoxyd-Brennstoffzellen sind in den US-Patentschriften 4,490,444
(Isenberg), 4,547,437 (Isenberg et al), 4,597,170 (Isenberg) und
4,728,584 (Isenberg) beschrieben. Zu handelsüblichen Beispielen geeigneter Feststoffoxyd-Brennstoffzellen
gehören
rohrförmige, planare
oder auch andere ähnliche
Feststoffoxyd-Brennstoffzellen, die verwendet werden können.
-
Der
reformierte Brennstoff gelangt so zu der Anode, wo er mit den Sauerstoffionen
aus dem Elektrolyten reagiert, wobei Elektronen in den äußeren Stromkreis
freigesetzt werden. Auf der anderen Seite der Brennstoffzelle wird
Luft zu der Katode eingespeist, wo sie die Sauerstoffionen für den Elektrolyten
liefert, indem sie Elektronen von dem äußeren Stromkreis aufnimmt.
Der Elektrolyt kann diese Ionen zwischen den Elektronen leiten,
wobei das elektrische Gesamtladungsgleichgewicht aufrecht erhalten wird.
Der Elektronenstrom in dem äußeren Stromkreis
kann Nutzenergie liefern. Die Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 kann
in einem Array angeordnet sein, wo jede Brennstoffzelle mit den
jeweils anschließenden
Brennstoffzellen elektrisch verbunden ist.
-
Der
sich ergebende Gleichstrom kann einem zweiten Wandler 138 zugeleitet
werden, in dem er in einen Wechselstrom umgewandelt und in das Energienetz 134 eingespeist
wird.
-
Die
Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 weist typischerweise
einen Temperaturbereich für
den stationären
Betrieb von etwa 650 bis 1000° C
(1200 bis 1832° F)
auf. Um diese Betriebstemperatur des stationären Betriebs zu erreichen,
erhält
die Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 während des Anfahrvorganges Wärme von
dem Strom reformierten Brennstoffs von dem Brennstoffprozessor,
von dem Strom erwärmter
verdichteter Luft von dem Brennstoffzellenvorwärmer 128 und/oder
von dem Rekuperator 124 und aus der in ihr ablaufenden
exothermen, elektrochemischen Reaktion.
-
Produkte
der elektrochemischen Reaktion auf der Anodenseite der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 beinhalten
CO2, H2O und unreagierten
gasförmigen
Brennstoff. In dem Reaktionsprodukt der Anode verbleibt typischerweise
unreagierter, gasförmiger Brennstoff,
weil der Reformierungsvorgang in dem Brennstoffprozessor 110 in
der Regel nicht den gesamten zugeführten Brennstoff umwandelt.
Außerdem
bringt die Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 normalerweise
nicht den gesamten auf der Anodenseite zugeführten Brennstoff zur Reaktion.
Es kann demgemäß eine bestimmte
Menge Anodenreaktionsprodukte 140 in die SOFC-Brennkammer 126 eingespeist
werden. Zu bemerken ist, dass bei alternativen Ausführungsformen
ein Teil des unreagierten gasförmigen
Brennstoffs intern mit dem Produktwasser weiter reformiert werden
kann, um mehr elektrische Energie zu erzeugen. Zu Produkten von
der Katodenseite gehört Überschussluft,
weil die Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 in der Regel
nicht die gesamte, der Katodenseite zugeführte Luft zur Reaktion bringt.
Es können
auch Katodenreaktionsprodukte 142 in die SOFC-Brennkammer 126 eingespeist
werden. Die zugeführten
Anodenreaktionsprodukte 140 und die zugeführten Katodenreaktionsprodukte 142 können in
der SOFC-Brennkammer 126 miteinander kombiniert werden,
wobei die heiße Überschussluft dazu
benutzt wird, den unreagierten gasförmigen Brennstoff zu verbrennen,
um damit die Temperatur des Abgases der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 zu
erhöhen.
Bei alternativen Ausführungsformen kann
die SOFC-Brennkammer 126 innerhalb der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 ausgebildet
sein.
-
Die
Abgase der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 (nach dem
Austritt aus der SOFC-Brennkammer 126) können dann
durch den Brennstoffzellen-Luftvorwärmer 128 geleitet
werden, um Wärme mit
der von dem Verdichter 106 zugeführten verdichteten Luft auszutauschen.
Dieser Wärmeaustausch kann
mittels an sich bekannter Verfahren und Systeme geschehen. Auf diese
Weise kann die der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 zugeführte verdichtete Luft
durch die Abgase der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 über die
SOFC-Brennkammer 126 erwärmt werden. Die Abgase der
Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 können dann aus dem Brennstoffzellen-Luftvorwärmer 128 austreten,
durch das SOFC-Rückschlagventil 131 strömen, die
Verzweigungsstelle 130 erreichen und sich dort mit den
Abgasen der Anfahrbrennkammer 112 vereinigen, wie dies
im Vorstehenden schon beschrieben wurde. Das kombinierte Abgas der
Anfahrbrennkammer 112 und der SOFC-Brennkammer 126 können dann
dazu verwendet werden, den Brennstoffprozessor 110 auf
seine erforderliche Temperatur aufzuheizen, bevor sie der Turbine 104 zugeleitet
werden, in der die Abgase zur Erzeugung von Turbinenenergie expandieren
lassen werden. Zu bemerken ist, dass bei einer alternativen Ausführungsformen
die Abgase der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 und der Anfahrbrennkammer 112 nicht
miteinander vereinigt, sondern unabhängig voneinander dem Brennstoffprozessor 110 und/oder der
Turbine 104 zugeleitet werden können.
-
Der
Anfahrvorgang kann sich mit einer bestimmten Rate fortsetzen, wobei
die Einstellungen des Anfahrventils 116 und des Strömungsregelventils 118 so
gesteuert sind, dass von dem verdichteten Brennstoff mehr zu der
Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 (über den
Brennstoffprozessor 110) und von der Anfahrbrennkammer 112 weggeleitet
wird. Bei dieser Zuleitung von verdichtetem Brennstoff kann die
Einstellung des Druckluftventils (bzw. der Druckluftventile) 114 so
gesteuert sein, dass der zunehmende Bedarf an verdichteter Luft
in der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 und der abnehmende
Bedarf verdichteter Luft in der Anfahrbrennkammer 112 befriedigt werden.
Mit fortschreitendem Anfahrvorgang wird somit immer mehr der zugeführten verdichteten
Luft zu der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 geleitet.
Sobald ein gewünschter
stationärer
Betriebszustand des Feststoffoxyd-Brennstoffzellen-Gasturbinensystems 100 erreicht
ist, können
die Einstellungen der Systemventile (des Strömungsregelventils 118,
des Anfahrventils 116 und des Druckluftventils 114)
so gesteuert werden, dass dieser gewünschte Zustand aufrecht erhalten
bleibt.
-
Bei
bestimmten Ausführungsformen
kann der gewünschte
stationäre
Betriebszustand eintreten, sobald das Abgas der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 und
der SOFC-Brennkammer 126 ausreicht, um die von dem Brennstoffprozessor
für die Fortführung der
notwendigen Brennstoffreformierung angeforderte Wärme zu liefern.
Die Rate mit der der Strom verdichteter Luft von der Anfahrbrennkammer 112 auf
die Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 übergeleitet wird, kann demgemäß eine bestimmte
graduelle Rate sein, d.h., zu dem Zeitpunkt zu dem die gesamte verdichtete
Luft der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 zugeleitet wird,
reicht der Abgasausstoß der
Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 aus, die gesamte notwendige
Wärme für den Brennstoffprozessor 110 zu
liefern. In ähnlicher
Weise kann die Rate mit der der Strom verdichteten Brennstoffs von
der Anfahrbrennkammer 112 auf den Brennstoffprozessor 110 überleitet
wird, als eine graduelle Rate so bestimmt werden, dass zu dem Zeitpunkt,
zu dem der gesamte verdichtete Brennstoff zu dem Brennstoffprozessor 110 geleitet
wird, der Abgasausstoß der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 ausreicht,
die gesamte für
den Brennstoffprozessor 110 erforderliche Wärme zu liefern.
Bei alternativen Ausführungsformen
kann ein stationärer
Betriebszustand erreicht werden, wenn das Abgas der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 ausreicht,
den Brennstoffprozessor 110 zu erwärmen bevor die gesamte verdichtete
Luft der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 oder der gesamte verdichtete
Brennstoff dem Brennstoffprozessor 110 zugeleitet werden.
In diesem Falle kann das Anfahrventil 116 auf seine Absperrstellung
eingestellt werden, womit die Verbrennung in der Anfahrbrennkammer 112 und
der Ausstoß von
Abgas aus derselben eingestellt werden. Das Strömungsregelventil 118 kann
auf eine geöffnete
Stellung eingestellt werden, so dass der gesamte zugeführte verdichtete
Brennstoff dem Brennstoffprozessor 110 und sodann der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 zugeführt wird. Das
Druckluftventil 114 kann so eingestellt werden, dass die
gesamte zugeführte
verdichtete Luft der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 zugeführt wird. Wie
bereits vermerkt, können
die Abgase der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102/SOFC-Brennkammer 126 die
gesamte, für
den Brennstoffprozessor 110 erforderliche Wärme liefern
und den zur Erzeugung der notwendigen Turbinenenergie erforder lichen
Strom gasförmiger
Wärmenergie
bereitstellen.
-
Bei
anderen Ausführungsformen
können
die Systemventile (das Strömungsregelventil 118,
das Anfahrventil 116 und das Druckluftventil 114)
und die Anfahrbrennkammer 112 so gesteuert werden, dass der
transiente Systembetrieb in wirksamerer Weise abgeschlossen oder
dass die Fähigkeiten
des Systems vergrößert werden,
auf eine plötzliche
Zunahme des Energiebedarfs zu reagieren. So kann z.B. von dem Feststoffoxyd-Brennstoffzellen-Gasturbinensystem 100 gefordert
werden, die Elektrizitätserzeugung,
ausgehend von einem stationären
Betriebszustand, zu steigern. Wie oben erläutert, kann der stationäre Betriebszustand
bedeuten, dass die Anfahrbrennkammer 112 ihren Betrieb
eingestellt hat, was bei diesem Beispiel der Einfachheit halber unterstellt
wird. Um somit dem neuen Bedarf zu genügen, kann die Zufuhr verdichteten
Brennstoffs erhöht
werden. Außerdem
kann die Zufuhr verdichteter Luft ebenfalls erhöht werden, indem Turbinenenergie von
dem Generator 108 auf den Verdichter 106 abgezweigt
wird. Das Anfahrventil 116, das im stationären Betriebszustand
geschlossen sein kann, kann geöffnet
werden, um einen Teil des vergrößerten Stroms verdichteten
Brennstoffs aufnehmen zu können.
Das Druckluftventil 114 kann ebenfalls so gesteuert werden,
dass es einen zweckentsprechenden Strom verdichteter Luft der Anfahrbrennkammer 112 zuleitet. Die
Anfahrbrennkammer 112 kann den ihr zugeführten verdichteten
Brennstoff verbrennen, wodurch der kombinierte Abgasstrom vergrößert und
zusätzliche Wärme dem
Brennstoffprozessor 110 zu geführt wird. Die zusätzliche
Wärme ermöglicht eine
größere Brennstoffreformierungskapazität in dem
Brennstoffprozessor 110 und damit, dass zusätzliche
Gasenergie in der Turbine 104 expandieren lassen werden kann.
Die sich ergebende zusätzliche
Energie von der Turbine 104 kann dazu verwendet werden,
einen zusätzlichen
Luftstrom in die Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 einzuspeisen,
der dann, kombiniert mit der Erhöhung
des Stroms verdichteten Brennstoffs und der erhöhten Zufuhr von reformiertem
Brennstoff, dazu verwendet werden kann, mehr Elektrizität in der
Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 zu erzeugen. Die sich
ergebende zusätzliche
Energie von der Turbine 104 kann alternativ dazu verwendet
werden, die Elektrizitätserzeugung
in dem elektrischen Generator 108 zu steigern.
-
Der
Bedarf an erhöhter
Energie kann demgemäß dadurch
befriedigt werden, dass die Anfahrbrennkammer 112 dazu
verwendet wird, die Zufuhr verdichteter Luft und reformierten Brennstoffs
zu der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 zu erhöhen, wodurch
die Energieabgabe der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 erhöht wird.
In diesem Falle kann, sobald das erhöhte Niveau der Energieabgabe
der Feststoffoxydbrennstoffzelle 102 erreicht ist, die
Anfahrbrennkammer 112 abgeschaltet werden, wobei die vergrößerte Menge
Abgase von der Feststoffoxyd-Brennstoffzelle 102 ausreichen
kann, die zur Aufrechterhaltung des neuen Energieabgabeniveaus erforderliche
Menge verdichteter Luft und reformierten Brennstoffs zu liefern.
Alternativ kann der Bedarf erhöhter
Energie dadurch befriedigt werden, dass die Anfahrbrennkammer 112 dazu
verwendet wird, die Zufuhr gasförmiger
Wärmeenergie
zu der Turbine 104 zu erhöhen und damit die Turbinenleistung
zu steigern. In diesem Falle können
die Systemmöglichkeiten
zur Spitzenerzeugung durch die Integration der Anfahrbrennkammer 112 erhöht werden.
-
Die
vorstehende Erläuterung
soll deshalb lediglich die Prinzipien der Erfindung veranschaulichten.
Die Merkmale und Gesichtspunkte der Erfindung wurden lediglich beispielhaft beschrieben
und zeichnerisch veranschaulicht und dürfen deshalb nicht als wesentliche
oder unbedingt erforderliche Elemente der Erfindung verstanden werden.
Darauf hinzuweisen ist, dass sich die vorstehenden Erläuterungen
lediglich auf bestimmte exemplarische Ausführungsformen der Erfindung
beziehen und dass zahlreiche Änderungen
und Zusätze
gemacht werden können, ohne
den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, wie er in den beigefügten Patentansprüchen definiert ist.
-
- 100
- Feststoffoxydbrennstoffzellen-Gasturbinensystem
- 102
- Feststoffoxydbrennstoffzelle
- 104
- Turbine
- 106
- Verdichter
- 108
- Elektrischer
Generator
- 110
- Brennstoffprozessor
- 112
- Anfahrbrennkammer
- 114
- Druckluftventil
- 116
- Anfahrventil
- 118
- Strömungsregelventil
- 122
- Brennstoffvorwärmer/Dampfgenerator
- 124
- Rekuperator
- 126
- SOFC-Brennkammer
- 128
- Brennstoffzellenluftvorwärmer
- 129
- Wärmbrennstoffzufuhr
- 130
- Verzweigungspunkt
- 131
- SOFC-Rückschlagventil
- 132
- Wandler
- 134
- Energienetz
- 135
- Luftzufuhr
- 136
- Wasserzufuhr
- 137
- Systemablass
- 138
- Zweiter
Wandler
- 140
- Anodenreaktionsprodukte
- 142
- Kathodenreaktionsprodukte