DE60024288T2

DE60024288T2 - Einen dampfreformer und eine brennstoffzelle enthaltendes integriertes system

Info

Publication number: DE60024288T2
Application number: DE60024288T
Authority: DE
Inventors: N. Momtaz MANSOUR; Ravi Chandran
Original assignee: Manufacturing and Technology Conversion International Inc
Current assignee: Manufacturing and Technology Conversion International Inc
Priority date: 1999-08-19
Filing date: 2000-08-18
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2020-08-19
Also published as: AU6917100A; EP1216287B1; HK1048647B; CA2382047A1; EP1216287A1; HK1048647A1; DE60024288D1; US6548197B1; TR200201269T2; WO2001012755A1; ATE310787T1

Description

Die vorliegende Anmeldung basiert auf einer vorläufigen Anmeldung, eingereicht am 19. August 1999, welche die Serien-Nr. 60/149 797 aufweist.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein thermoelektrochemisches Verfahren und eine Vorrichtung zur sehr effizienten, sauberen, modularen, kostengünstigen, grünen und hinsichtlich der Klimaveränderung neutralen Energie- oder kombinierten Wärme- und Energie-Erzeugung aus Biomasse. Andere kohlenstoffhaltige Einspeisungen können gleichfalls verwendet werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Viele verschiedene Optionen stehen zur Energie-Erzeugung zur Verfügung. Der Brennstoff kann verbrannt, vergast, pyrolysiert, bioprozessiert oder verflüssigt und in Maschinen, Dampfkraftanlagen (Boiler, Dampfturbine etc.), Gasturbinen, Gas- und Dampfkraftanlagen und Brennstoffzellen verwendet werden. Unter diesen handelt es sich bei dem effizientesten und umweltschutzmäßig überlegensten Weg zur elektrischen Energieerzeugung um die Brennstoffzellen. In einem Brennstoffzellen-Stack wird der Brennstoff mit Sauerstoff (aus Luft) – ohne Verbrennung – elektrochemisch umgesetzt, wodurch Elektrizität und nutzbare Wärme erzeugt werden. Effizienzen im 55- bis 70%-Bereich (basierend auf HHV) sind für die Brennstoffzellen-Energieerzeugung projektiert worden. Der Effizienzgewinn für die Brennstoffzelle ist besonders signifikant für den Kleinmaßstabs-Energiesektor (10 kW_e bis 5 MW_e). Gasturbinen und Kombi-Blöcke sind im Allgemeinen für diesen Größenmaßstab wegen der niedrigen Effizienz und der hohen Kosten nicht anwendbar. Hier sind die herkömmlichen Dampfkraftanlagen im Allgemeinen zu weniger als 20% effizient. Maschinen sind effizienter (20 bis 40%), werden aber typischerweise mit Diesel oder Naturgas befeuert. Eine Brennstoffzelle kann jedoch eine Effizienz zwischen 35 und 55% erreichen. Des Weiteren bleibt die Effizienz des Brennstoffzellen-Stacks gleich, ungeachtet des Energie-Pegels, und dies ist ein weiterer Vorteil gegenüber herkömmlichen Energieerzeugungssystemen.
Viele auf Biomasse-Verbrennung basierende Kraftwerke haben Betriebsschwierigkeiten, insbesondere bei Verfeuerung von Nicht-Holz-Biomassebrennstoffen, erfahren. Diese folgten aus der Ablagerung von mineralischer Substanz auf Wärmeaustauschoberflächen (Boiler-Röhren, Überhitzern und Wasserwänden) oder aus der Agglomeration von Asche in einem Wirbelbett. Die Vergasung von Biomasse macht es, im Gegensatz dazu, möglich, diese Probleme zu vermeiden, Emissionen zu minimieren und mit der Brennstoffzelle zu integrieren.
Derzeit existieren viele unterschiedliche Vergasungseinrichtungen, wie Hochdruck-, Niederdruck-, Partial-Oxidierungs- oder autothermale, indirekt beheizte, Sauerstoff/Luft/Dampf-durchblasene Fest/Wirbelbett- oder Mitreißströmungs-Vergasung. Jedes System besitzt seine Vorteile. Im Gegensatz zu früheren Systemen erzeugt die Impulsverbrennungs-Dampfreformer-Technologie der vorliegenden Erfindung jedoch ein wasserstoffreiches mittleres Btu-Gas (ohne Erfordernis einer Sauerstoff-Einführung), welches für Brennstoffzellen-Anwendungen gut geeignet ist.
Bei der direkten Vergasung werden partielle Oxidations- oder Autothermal-Reaktionen angewandt, die niedrigere Partialdruck-Konzentrationen des Brenngases für den Brennstoffzellenstack ergeben (H₂ im Falle von Phosphorsäure-Brennstoffzellen und H₂ und CO im Falle von Schmelzkarbonat- und Festoxid-Brennstoffzellstacks). Dies beruht auf der Tatsache, dass sowohl exotherme als auch endotherme Reaktionen in situ im Fall einer di rekten Vergasung stattfinden, und die Produkte von exothermen Reaktionen die Produktgase verdünnen, welche von der Brennstoffzelle genutzt werden sollen.
D1 ( DE 39 133 22 ) offenbart ein Verfahren zur Erzeugung von Elektrizität aus Kohle. Gemäß D1 wird ein Wirbelbett bereitgestellt, die Kohle wird in das Wirbelbett zugeführt, die Kohle reagiert bei ausreichender Temperatur mit Dampf unter Bildung eines Produktgasstroms, und der Produktgasstrom wird in eine Brennstoffzelle zugeführt, wo der Produktgasstrom zur Erzeugung von Elektrizität verwendet wird.
Die notwendige Temperatur des Wirbelbetts wird durch Einspeisen von Gas, welches die Brennstoffzelle verlässt, direkt in das Wirbelbett erzielt. Das Produktgas, welches von dem beschriebenen Verfahren hergestellt wird, enthält eine große Menge an CO, CO₂ und Methan. Methan und CO₂ – abhängig vom Typ der Brennstoffzelle auch CO – verringern den Partialdruck der Brenngaskomponenten, welche für eine Oxidation in der Brennstoffzelle auswählbar sind. Mit anderen Worten verdünnen diese Komponenten die Produktgase, welche von der Brennstoffzelle verbraucht werden sollen, was zu einer niedrigen Gesamteffizienz des beschriebenen Verfahrens führt.
In Hinsicht auf das oben Genannte besteht derzeit ein Bedarf für ein neues Vergasungsverfahren, welches besser für Energieerzeugungsanwendungen geeignet ist, die den Einsatz einer Brennstoffzelle beinhalten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Erzeugung von Elektrizität aus kohlenstoffhaltigen Materialien offenbart. Die kohlenstoffhaltigen Materialien können zum Beispiel Kohle, Zellstoff und Papierabfall, Holzprodukte, wie Holzschnitzel oder Sägespäne, kommu naler Abfall, Industrieabfälle, Abwasser, Lebensmittelabfall, Pflanzenmaterial, Reisstroh, Schwarzlauge und tierischer Abfall sein.
Das Verfahren beinhaltet die Bereitstellung eines Wirbelbetts, welches ein teilchenförmiges Material und ein Fließmedium umfasst. Das Fließmedium ist Dampf. Das teilchenförmige Material kann eine kleinere Teilchengröße als etwa 500 Mikrometer aufweisen und kann Sand, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, ein Alkalikarbonat, Kohlenstoff und dergleichen einschließen.
Eine Impulsverbrennungsvorrichtung verbrennt eine Brennstoffquelle unter Bildung eines Impulsverbrennungsstroms. Der Impulsverbrennungsstrom erwärmt das Wirbelbett indirekt. Wie hierin verwendet, bedeutet indirektes Erwärmen des Bettes, dass der Impulsverbrennungsstrom den Inhalt des Bettes nicht kontaktiert.
Ein kohlenstoffhaltiges Material wird in das Wirbelbett eingespeist. Das Wirbelbett wird bei einer ausreichenden Temperatur gehalten, damit die kohlenstoffhaltigen Materialien endothermisch mit dem Dampf unter Bildung eines Produktgasstroms reagieren. Der Produktgasstrom kann zum Beispiel niedermolekulargewichtige Kohlenwasserstoffe enthalten. Der Produktgasstrom wird dann an eine Brennstoffzelle zugeführt. Die Brennstoffzelle kann einen Elektrolyt einschließen, welcher chemisch mit dem Produktgasstrom unter Erzeugung von Elektrizität reagiert.
Jegliche geeignete Brennstoffzelle kann in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Besondere Brennstoffzellen schließen eine Phosphorsäure-Brennstoffzelle, eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle oder eine Festoxid-Brennstoffzelle ein.
Die Temperatur in dem Wirbelbett kann etwa 482°C (900°F) bis etwa 982°C (1800°F), und insbesondere 593°C (1100°F) bis 871°C (1600°F) betragen. Die kohlenstoffhaltigen Materialien können in dem Bett während einer Zeit von etwa ½ Stunde bis etwa 15 Stunden, und insbesondere etwa zwei Stunden bis etwa 10 Stunden lang verbleiben. Für die meisten Anwendungen kann das Gewichtsverhältnis zwischen Dampf und den kohlenstoffhaltigen Materialien etwa 0,75 : 1 bis etwa 3 : 1 betragen.
Um Energie einzusparen, wird in einer Ausführungsform ein Teil des Produktgasstroms in einen Wärmetauscher eingespeist, welcher Dampf erwärmt, der an das Wirbelbett zugeführt wird. Dampf kann auch unter Verwendung des Rauchgases aus der Impulsverbrennungsvorrichtung erzeugt oder erwärmt werden.
Das Rauchgas der Impulsverbrennungsvorrichtung kann des Weiteren verwendet werden, um Luft zu erwärmen, welche an die Brennstoffzelle oder Impulsverbrennungsvorrichtung zugeführt wird, und kann verwendet werden, um Dampf zu erwärmen oder zu erzeugen, welcher an einen Trockner zum Trocknen der kohlenstoffhaltigen Materialien, bevor sie in das Wirbelbett eingespeist werden, zugeführt wird.
Um den Produktgasstrom vor dem Verbrennen in der Gasturbine zu reinigen, kann der Produktgasstrom durch einen Zyklon zur Entfernung von teilchenförmigen Material geführt werden und kann in einen Gaswäscher und/oder Gaspolierer bzw. Gasreiniger zum Entfernen jeglicher unerwünschter Bestandteile, abhängig von der verwendeten Brennstoffzelle, eingespeist werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine vollständige und befähigende Offenbarung der vorliegenden Erfindung, einschließlich der besten Verfahrensweise dafür, wird für den Fachmann auf dem Gebiet ausführlicher im Rest der Beschreibung dargelegt, einschließlich Bezugnahme auf die begleitenden Figuren, in welchen:
1 ein Block-Flussdiagramm eines Abschnitts des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ist;
2 ein Diagramm von verschiedenen Brennstoffzellen ist, welche gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können;
3 ein Block-Flussdiagramm eines Verfahrens ist, ausgeführt gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 ein Diagramm eines Kompaktsystems zur Erzeugung von Elektrizität in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist;
5 ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens, ausgeführt in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, ist;
6 eine Draufsicht einer Impulsverbrennungsvorrichtung ist, welche in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
7 eine Grafik ist, welche die elektrischen Effizienzen von Systemen veranschaulicht, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden;
8 ein schematisches Diagramm einer alternativen Ausführungsform eines Verfahrens ist, welches in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird;
9 eine andere alternative Ausführungsform eines schematischen Diagramms eines Verfahrens ist, welches in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird;
10 eine weitere alternative Ausführungsform eines schematischen Diagramms eines Verfahrens ist, welches in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird;
11 eine Grafik ist, welche die elektrische Netto-Effizienz von verschiedenen Systemen, welche gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, veranschaulicht;
12 eine Grafik ist, welche die Energiedichte von verschiedenen Systemen veranschaulicht, welche in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden;
13 eine Grafik ist, welche die elektrische Netto-Effizienz von verschiedenen Systemen veranschaulicht, welche in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden;
14 eine andere alternative Ausführungsform eines schematischen Diagramms eines Verfahrens ist, welches gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird;
15 eine Grafik ist, welche die elektrische Netto-Effizienz eines Systems, hergestellt gemäß der vorliegenden Erfindung, zeigt;
16 eine Grafik ist, welche die elektrische Netto-Effizienz von verschiedenen Systemen, hergestellt gemäß der vorliegenden Erfindung, zeigt; und
17 eine Grafik ist, welche die elektrische Netto-Effizienz von verschieden großen Systemen zeigt, welche gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden.
Die wiederholte Verwendung von Referenzzeichen in der vorliegenden Beschreibung und den Zeichnungen repräsentiert beabsichtigtermaßen gleiche oder analoge Merkmale oder Elemente der Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Vom Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet soll es verstanden werden, dass die vorliegende Erörterung eine Beschreibung von lediglich beispielhaften Ausführungsformen ist, und nicht als einschränkend für die breiter gefassten Aspekte der vorliegenden Erfindung beabsichtigt ist, wobei diese breiter gefassten Aspekte in den exemplarischen Konstruktionen ausgeführt sind.
Die vorliegende Erfindung richtet sich auf ein Vergasungsverfahren, welches einen Dampfreformer mit einer Brennstoffzelle integriert. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein neues Verfahren und eine Vorrichtung, welche einen Impulsverbrenner mit einem Dampfreformer und einer Brennstoffzelle integriert, um Elektrizität zu erzeugen, d.h. ein thermoelektrochemisches System.
In einem Verfahren der vorliegenden Erfindung sind die Reaktionen einzig dampf-reformierende endotherme Reaktionen in einer reduzierenden Umgebung. Die Reaktionswärme wird vorwiegend indirekt durch die Resonanzrohre von einem oder mehreren modularen pulsierenden Brennern zugeführt. Dies maximiert den Partialdruck der Reaktanten des Reformat-Gases, welches in dem Brennstoffzellenstack verwendet wird, und maximiert daher die elektrische Umwandlungseffizienz des Kraftwerks.
Eine Ausführungsform eines Systems der vorliegenden Erfindung ist als ein vereinfachtes Schema in der 1 gezeigt. Wie gezeigt, schließt das System einen Wirbelbettreaktor ein, welcher indirekt durch mehrere Re sonanzrohre von einem oder mehreren Impulsverbrennungs-Modulen erwärmt wird. Einspeisungen, wie Biomasse, Kohle, Klärschlamm oder Abfall-Lauge wird in den Reaktor eingespeist, welcher mit überhitztem Dampf aus einem Abwärme-Rückgewinnungsboiler aufgewirbelt wird. Das in das Bett injizierte organische Material durchläuft eine rasche Sequenz aus Verdampfungs- und Pyrolysereaktionen. Höherere Kohlenwasserstoffe, welche unter den Pyrolyseprodukten freigesetzt werden, werden dampfgecrackt und partiell reformiert, wodurch niedermolekulargewichtige Spezies erzeugt werden. Restliches verkohltes Material, welches in dem Bett zurückgehalten wird, wird durch Reaktion mit Dampf langsamer vergast. Die Produktgase werden durch einen Zyklon geleitet, um die Hauptmasse der mitgeführten teilchenförmigen Stoffe zu entfernen, und werden in einem Venturi-Gaswäscher abgeschreckt und gewaschen. Ein Teil der Mittleren-Btu-Produktgase wird in die Impulsverbrennungsmodule eingespeist, und die Verbrennung dieser Gase stellt die für das indirekte Vergasungsverfahren notwendige Wärme bereit.
Das System der vorliegenden Erfindung überwindet die Beschränkungen von sowohl den Sauerstoff-durchblasenen partiellen Oxidations- als auch den zweistufigen Zirkulations-Feststoffvergasungs-Systemen. In der vorliegenden Erfindung wird das (aus Abfall oder Anbau gewonnene) Biomasse-Einsatzgut typischerweise in ein einzelnes Wirbelbettgefäß eingespeist und mit Dampf umgesetzt, um ein wasserstoffreiches Produktgas zu erzeugen. Die Verwendung eines Wirbelbetts bietet eine ideale Umgebung zur Bewirkung der endothermen Dampf-Reforming-Reaktion, wobei die Wärme indirekt durch Wärmetransferoberflächen zugeführt wird, welche aus dem resonierenden Abschnitt eines innerhalb des Wirbelbetts eingetauchten Impulsverbrenners ausgeformt sind. Diese Pulsierungen können die Wärmetransfergeschwindigkeiten (um so viel wie 3- bis 5-mal) durch die Feuerrohre und in das Wirbelbett verbessern. Obwohl die Verwendung von Impulsverbrennern im Fachgebiet relativ gut bekannt ist, wie beispielsweise angegeben in den U.S.-Patenten Nr.: 5 638 609; 5 133 297; 5 255 634; 5 211 704; 5 205 728; 5 366 371; 5 197 399; 5 353 721 und 5 637 192, welche hierin als Bezugstellen einbezogen sind, wird es angenommen, dass das neue Impulsverbrenner-Dampfreformierungs-Verfahren der vorliegenden Erfindung für Energieerzeugungsanwendungen besser geeignet ist.
Im Allgemeinen kann ein Verfahren der vorliegenden Erfindung ein Produktgas mit Synthesequalität erzeugen, und zwar aus einem großen Spektrum an Einspeisematerialien, einschließlich Biomasse, Kohle, kommunalem Abfall, aus Abfall abgeleitetem Brennstoff (RDF), Industrieschlämmen und Abfall-Lauge aus der Zellstoff- und Papierindustrie, alles ohne Verwendung von Luft oder Sauerstoff. Das Produktgas ist normalerweise sowohl frei von verdünnendem Stickstoff als auch durch Verbrennung erzeugtem CO₂. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das komplette Reformierungsverfahren lediglich unter Verwendung eines einzigen Gefäßes durchgeführt, und ein Zirkulieren von heißen Feststoffen ist nicht erforderlich. Das Verbrennungsverfahren unter Verwendung von sauberem Produktgas eliminiert die Notwendigkeit für eine Rauchgasbehandlung aus den Verbrennern.
In einer Ausführungsform richtet sich das Verfahren der vorliegenden Erfindung auf die Verwendung von Reisstroh als der Biomassen-Einspeisung. Bei der Verarbeitung von Reisstroh trennt sich Siliziumdioxid aus dem Stroh im Wirbelbett ab, welches abgesammelt und zurückgewonnen werden kann. Das Siliziumdioxid kann dann verwendet werden, um Halbleiter-Wafer und andere nützliche Gegenstände zu bilden.
In einer alternativen Ausführungsform richtet sich das Verfahren der vorliegenden Erfindung auf die Verwendung von tierischem Abfall als dem Einsatzmaterial. In dieser Ausführungsform sollte das Wirbelbett bei einer Temperatur von mindestens 760°C (1400°F) vorliegen. Bei der Verarbeitung von Tierabfall können Düngerkomponenten, wie Stickstoff, Phosphor und Kalium, während des Verfahrens rückgewonnen werden. Spezifisch Phosphor und Kalium können aus einer Teilchen-Entfernungsvorrichtung zu rückgewonnen werden, welche in Kommunikation mit dem Produktgasstrom plaziert wird, der aus dem Wirbelbett austritt. Stickstoff kann andererseits als Ammoniak aus dem Produktgasstrom zurückgewonnen werden.
Frühe Systemtests wurden unter Verwendung von drei unterschiedlichen Biomassen-Einspeisungen: Pistazienschalen, Holzschnitzel und Reishülsen; zwei unterschiedlichen Schlamm-Abfallprodukten aus einer Recycling-Papiermühle; und eines Kraft-Mühlen-Schlamms (die zwei Schlammabfälle unterschieden sich hauptsächlich in ihrem Kunststoffgehalt), aus Abfall abgeleitetem Brennstoff (RDF), und getrocknetem kommunalem Schlamm-Abfallwasser (MSW) durchgeführt. Die Abfallpapierschlämmung wurde aus einer Mühle erhalten, welche in Nordkalifornien lag. Die Schlammfraktion war aus Kurzfaser- und Kunststoffausschuss-Material, welches aus einer Klärvorrichtung gewonnen wurde, zusammengesetzt. Diese Schlammabfälle waren repräsentativ für Abfallmaterialien mit hoher Feuchtigkeit, welche in ähnlichen Anlagen erzeugt werden, die überall in den Vereinigten Staaten gelegen sind. Die Tabelle 1 fasst die Betriebsbedingungen für die verschiedenen Tests zusammen, welche in der Einheit im Labortisch-Maßstab ausgeführt wurden. Die Temperaturen wurden über den Bereich von ungefähr 657°C (1215°F) bis 788°C (1450°F) variiert.
Tabelle 1
Dampf-zu-Biomasse-Verhältnisse variierten von ungefähr 0,75 bis 2,6. Die Testlauf-Dauern lagen typischerweise im Bereich von 4 bis 10 Stunden. Es wurden keine Betriebsprobleme für irgendeinen der Läufe angetroffen, einschließlich jenen mit Reishülsen, welche einen hohen Aschegehalt und einen niedrigen Asche-Fusionspunkt aufweisen.
Die resultierenden Gaszusammensetzungen aus den verschiedenen Biomasse-Abfall-Einspeisungen sind in der nachstehenden Tabelle 2 zusammengefasst. Der Methangehalt scheint relativ konstant (5 bis 12%) über die getestete Auswahl an Einspeisungen und Prozessbedingungen hinweg zu sein. Höhere Kohlenwasserstoffe zeigen einen abnehmenden Trend mit steigender Temperatur und einer begleitenden Steigerung in den Wasserstoffausbeuten. Das Verhältnis zwischen Kohlenmonoxid und Kohlendioxid scheint relativ konstant zu sein. Der Trockengas-Heizwert lag typischerweise im Bereich von 13,8 bis 16,7 MJ/Sm³ (370 bis 448 Btu/scf).
Tabelle 2
In einem anderen Projekt, welches ausgelegt war, um das niedrige NO_x-Potential von naturgasbefeuerten Impulsverbrennern auszuwerten, wurden Brenner der vorliegenden Erfindung in drei verschiedenen Konfigurationen getestet: ein Impulsbrenner (0,80 bis 5,89 GJ/h (0,76 bis 0,58 Millionen Btu/h) Feuerungsraten-Bereich), nachgerüstet an einen Cleaver-Brooks-Boiler, und zwei Versionen eines Impulsverbrenners von 2,11 bis 9,50 GJ/h (2 bis 9 Millionen Btu/h), einschließlich eines 72-Rohr-Erhitzer/Wärmetauscher-Bündels des Typs, welcher im Dampf-Reforming-Verfahren verwendet wird. In jedem Fall waren die gemessenen NO_x- Emissionen niedriger als 30 ppm @ 3% O₂. Emissionsdaten aus einem 72-Rohr-Erhitzer/Wärmetauscher-Bündel im Pilot-Maßstab, das bereits mehr als 5000 Betriebsstunden angesammelt hatte, wurden mittels mehrerer Instrumente gemessen und sind in Tabelle 3 präsentiert.
Tabelle 3
Im Allgemeinen sind viele Typen von Brennstoffzellen zur Anwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet, einschließlich, ohne darauf eingeschränkt zu sein, Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen (PEFC), alkalische Brennstoffzellen (AFC), Phosphorsäure-Brennstoffzellen (PAFC), Schmelz karbonat-Brennstoffzellen (MCFC), Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) etc. Die Zellen-Betriebstemperatur nimmt in der obenstehenden Reihenfolge zu und liegt im Bereich von ~66°C (150°F) für PEFC, ~93°C (200°F) für AFC, ~204°C (400°F) für PAFC, ~649°C (1200°F) für MCFC und 954°C (1750°F) für SCFC. Die projektierten Leistungskapazitäten für diese Zellen sind: 20 bis 250 kW für PEFC, 20 bis 100 kW für AFC, 50 bis 20000 kW für PAFC, 300 bis 3000 kW für MCFC und 300 bis 300000 kW für SCFC.
Eine vereinfachte Wiedergabe einer Brennstoffzelle wird in der 2 gezeigt. Sie zeigt den Ionenfluss, Ionenleitungs-Flussrichtungen, Reaktanten und die Produkte für PAFC, MCFC und SOFC-Zelltypen. Der grundlegende Baublock für die Brennstoffzelle umfasst eine Elektrolytschicht in Kontakt mit einer porösen Anode auf einer Seite und einer porösen Kathode auf der anderen Seite.
Im Falle der SOFC besitzt der keramische Elektrolyt einen Sauerstoffionen-Leerraum im Gitter, welcher verursacht, dass die Keramik ein Sauerstoffionen-leitender Elektrolyt wird. In dieser Hinsicht besitzt er Ähnlichkeiten zu dem Elektronen-Leerraum, welcher in Materialien gefunden wird, die als Halbleiter verwendet werden.
In PAFC wird konzentrierte Phosphorsäure als der Elektrolyt verwendet. Die allgemein zum Zurückhalten der Säure verwendete Matrix ist SiC, und der Elektrokatalysator sowohl in Anode als auch Kathode ist Platin. Die Anodenreaktion erzeugt Wasserstoffionen, welche elektrochemisch an der Kathode unter Bildung von H₂O oxidieren. Die Betriebstemperatur ist mäßig und beträgt etwa 200°C (~400°F).
In MCFC ist der Elektrolyt üblicherweise eine Kombination aus Alkali (Na, K)-Karbonaten, welche in einer Keramikmatrix von LiAlO₂ zurückgehalten wird. Die Elektroden sind Nickel (Anode) und Nickeloxid (Kathode). Die Zelle arbeitet bei einer erhöhten Temperatur von etwa 650°C (~1200°F), wobei die Alkalikarbonate Schmelzsalz-Elektrolyt bilden. Die Kathodenreakti on erzeugt Karbonationen, welche Wasserstoff und CO elektrochemisch an der Anode unter Bildung von H₂O und CO₂ oxidieren. Eine Quelle von CO₂ wird jedoch an der Kathode erfordert, um das Karbonation zu regenerieren. Eine Verbrennung eines Teils des Anodenabgases und/oder eines Teils des Brenngases erreicht dies typischerweise.
In SOFC ist der Elektrolyt ein festes, nicht-poröses Metalloxid und ist im Allgemein Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumdioxid. Üblicherweise ist die Kathode Sr-dotiertes LaMno₃, und die Anode ist Ni-ZrO₂- oder Co-ZrO₂-Cermet. Die Zelle arbeitet bei einer relativ hohen Temperatur zwischen 800 und 1000°C (1472–1832°F). Die Kathodenreaktion erzeugt Sauerstoffionen, welche über den Elektrolyt leiten und Wasserstoff und CO elektrochemisch an der Anode unter Bildung von H₂O und CO₂ oxidieren.
Brennstoffzellen besitzen viele positive Eigenschaften, wie eine hohe Energieumwandlungseffizienz, im Allgemeinen unabhängig von Beladung oder Größe, Modularität, minimale Emissionen, leichte Aufstellung, ruhigerer Betrieb, rasche Folgebeladung sowie kombiniertes Wärme- und Energieerzeugungs-Potential. Allerdings sind derzeitige Brennstoffzellensysteme anfällig gegenüber bestimmten Brennstoffkontaminanten, weisen hohe Anfangskosten auf, und ihnen fehlt eine konsistente Langzeit-Zuverlässigkeit und Betriebslebensdauer.
Ein vereinfachtes Blockflussdiagramm des vorgeschlagenen Konzepts ist in der 3 gezeigt. Es integriert ein thermochemisches Reaktionsuntersystem mit dem Brennstoffzellenuntersystem zur Erzeugung von Elektrizität und Dampf aus Biomasse. Eine Ausführungsform eines thermochemischen Reaktionsuntersystems der vorliegenden Erfindung, wie abgebildet in der 3, schließt einen Impulsverbrenner-Dampfreformer, eine Gasreinigungs-Strecke, einen Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator (HRSG) und eine Lufterwärmungsvorrichtung ein. Ein Teil des Produktgases, welches von dem Dampfreformer erzeugt wird, wird in den Impulserhitzern verwendet, während der Rest in das Brennstoffzellenuntersystem zur Energieerzeugung geleitet wird. Falls notwendig, kann das von dem Dampfreformer erzeugte Brenngas auch einen oder mehrere Gaspolier- und -konditionierschritte durchlaufen, um die Anforderungen der Brennstoffzelle an die Reinheit des Brenngases zu erfüllen.
Die in der 3 abgebildete Ausführungsform eines Brennstoffzellen-untersystems schließt einen Brennstoff-Prozessor, eine Brennstoffzellen-Energiesektion und eine Energie-Konditionervorrichtung ein. Im Allgemeinen können viele Typen an Brennstoff gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Wenn beispielsweise Wasserstoff der Brennstoff ist, könnte der Brennstoff-Prozessor einfach eine Durchlauf/Zuführungs-Einrichtung sein. Wenn im Gegensatz dazu ein herkömmlicher gasförmiger Brennstoff (Naturgas, Propan, Butan etc.) verwendet wird, könnte der Brennstoff-Prozessor zum Beispiel ein Schwefel-Polierer, Reformer, Shift-Reaktor, Feinstfilter und/oder Brenner sein. Die in der vorliegenden Erfindung verwendete besondere Brennstoffzellen-Untersystem-Packung variiert mit dem Brennstoffzellen-Typ und der Anwendung.
Im Allgemeinen ist jedweder Brennstoffzellentyp, welcher dem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet bekannt ist, zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet, wenn der Brennstoff entweder Wasserstoff oder gasartiger Brennstoff ist. Allerdings besitzt jede Brennstoffzelle unterschiedliche Toleranzspiegel für andere gasartige Bestandteile, wie CO, CH₄, CO₂, H₂O, H₂S und COS. Zum Beispiel besitzen die meisten Brennstoffzellen eine sehr niedrige oder keine Toleranz für HCl, NH₃, HCN, Teer, Öle, Phenole und Teilchen. Darüber hinaus hängt die Funktionalität von bestimmten Brennstoffzellen von der Reinheit des erforderlichen Brennstoffs, dem Vorliegen von Verdünnungsmitteln, welches einen Spannungsabfall verursacht, und den Kosten ab. Als solches ist die Brennstoffzelle, in bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, entweder eine Phosphorsäure- Brennstoffzelle (PAFC), Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC), Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) oder jedwede Kombination hiervon.
PAFC verhält sich in einer Weise, ziemlich ähnlich zu PEFC in Hinsicht auf die Gaszusammensetzung. Jedoch arbeitet es bei einer höheren Temperatur (~204°C) (400°F)) im Vergleich zu PEFC (~66°C (150°F)), und dies verringert in großem Maße den Spannungsverlust, welcher aus CO-Vergiftung resultiert. Deshalb könnte in einigen Fällen die CO-Konzentration in dem Brenngas auf etwa 0,5 Vol.-% begrenzt sein. Dies entspricht etwa 97,5% CO-Reinigungseffizienz für Biomassen-Vergasung und ist unter Verwendung von zwei oder mehr Stufen von Shift-Konvertern (vorzugsweise Hoch- und Niedertemperatur-Konversion) erreichbar. Die Toleranz für schwefelhaltige Verbindungen (H₂S + COS) ist gering und beläuft sich auf ungefähr 50 ppmv. Die Biomasse weist typischerweise wenig Schwefel auf, und deshalb kann dieses Ziel für Schwefel erfüllt werden.
Andererseits arbeitet eine MCFC bei einer viel höheren Temperatur (~649°C (1200°F)) als AFC, PEFC und PAFC, und kann somit die folgenden Vorteile bereitstellen: CO wird ein Brennstoff und nicht ein Gift, übliche Metalle können verwendet werden, um die Zellen weniger kostspielig herzustellen, Nickelkatalysatoren können anstelle der kostspieligen Edelmetallkatalysatoren verwendet werden, ein internes Reforming kann mit dem Katalysator ausgeführt werden, um die Effizienz zu erhöhen, und die Hochtemperatur-Austrittgasströme gestatten eine Wärmerückgewinnung oder zusätzliche Energieerzeugung. In manchen Fällen kann MCFC jedoch eine sehr niedrige Toleranz für Schwefel (< 0,5 ppm) aufweisen und eine CO₂-Zugabe an die Kathode erfordern, um das Karbonation zu bilden, und erfordert eine sorgfältige Materialienauswahl und Auslegung wegen der höheren Betriebstemperatur.
SOFC kann ebenfalls effektiv als eine Brennstoffzelle sein, weil, wegen der höheren Betriebstemperatur (ungefähr 982°C (1800°F)) die Gegenwart von CO und CH₄ im Allgemeinen nicht schädigend für das Verfahren ist, d.h. die Verbindungen sind nicht giftig und können tatsächlich häufig als Brennstoff dienen. Da der Elektrolyt ein festes, nicht-poröses Metalloxid ist, besteht keine Notwendigkeit für eine CO₂-Addition an der Kathode, wie bei MCFC. Die Schwefeltoleranz ist niedrig, und die Grenze beträgt typischerweise 1 ppm. Allerdings ist es in manchen Fällen möglich, dass die hohe Temperatur der SOFC Probleme bei der Materialienauswahl, Abdichtung, dem thermalen Design und der Herstellung aufwirft. Nichtsdestoweniger zeigen SOFC-Energieerzeugungssysteme eine ausgezeichnete Leistung, Leistungsstabilität und Kosten-Wettbewerbsfähigkeit.
Folglich kann ein thermoelektrochemisches System zur Bioenergieerzeugung die folgenden Vorteile bieten:

– Ermöglichung der Stromversorgung abgelegener ländlicher Gebiete in den Vereinigten Staaten und im Rest der Welt und Entwicklung der ländlichen Energieversorgung;
– Verbesserung der Verwendung von erneuerbarer Energie und dadurch Unterlassung einer Verschlimmerung des weltweiten Klimawandels;
– Bereitstellen einer "grünen" Technologie für Märkte, welche nicht-fossile Vorgaben haben;
– Befriedigung von Energiebedarf, speziell in lokalen Gebieten von Entwicklungsländern, welchen ein Premium-Brennstoff fehlt und welche einen begrenzten Biomassenvorrat wegen eines kurzen wirtschaftlichen Transportradius besitzen;
– Unterstützung bei der Entsorgung von landwirtschaftlichen und Viehzucht-Abfällen und -Rückständen in einer umweltmäßig nichtinvasiven oder minimal invasiven Weise;
– Erleichterung der Säuberung von Gebieten mit radioaktiver/chemischer Kontaminierung, Erfüllen von Elektrizitätsbedarf und Begünstigung des Wirtschaftswachstums durch gewinnbringendes Anwenden von Phytoremediation und thermoelektrochemischer Umwandlung;
– Motivierung und Erleichterung der Entwicklung eines Begleitsystems, fähig zum Operieren mit logistischen Mitteldestillat-Brennstoffen für Verteidigungsanwendungen, einschließlich Fernradar- und Kommunikationsstationen und taktischen beweglichen Bodenunterstützungs-Stellen; und
– signifikant niedrigere Lebenszyklus-Wartungsanforderungen aufgrund von weniger sich bewegenden Teilen.

Verfahrensflussdaten wurden von einer Ausführungsform eines Impulsverbrenner-Dampfreformers der vorliegenden Erfindung zur Kohlenwasserstoffumwandlung und Gesamtkohlenstoffumwandlung zusammen mit chemischen Gleichgewichtsberechnungen der Dampfreformier- und Shift-Reaktionen erstellt. Als ein Ergebnis wurden Parameter und Betriebsbedingungen für die besondere Ausführungsform ausgewählt.
In der getesteten Ausführungsform wurden sowohl Kalt- als auch Heißgas-Reinigungs-Optionen ausgewertet. Eine Kaltgas-Reinigung kann eine herkömmliche kommerzielle Technologie anwenden, wohingegen eine Heißgas-Reinigung eine Heißgas-Entschwefelung und eine Heißgas-Filtration beinhalten kann.
Im Allgemeinen können die Anforderungen hinsichtlich Gas-Polieren und -Konditionieren mit dem Brennstoffzellentyp und der Einspeisung variieren. In einer bevorzugten Ausführungsform werden mehrere Stufen von Shift- Reaktoren mit Phosphorsäure-Brennstoffzellen (PAFC) für die CO-Umwandlung verwendet, weil CO den Katalysator auf Platinbasis vergiftet. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform verwenden Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen (MCFC) und Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) typischerweise keine Shift-Konverter, weil CO ein direkt verwendbarer Brennstoff ist. Die Toleranz für gasförmige Verunreinigungen, wie Schwefelverbindungen (H₂S, CH₃SH etc.), Halogenide (HCl, HF etc.), Stickstoffverbindungen (NH₃, HCN etc.), Teilchen, höhere Kohlenwasserstoffe (C₈H₆, C₁₀H₈) etc. und Spurenmetalle (As, Pb, Zn etc.) unterscheidet sich mit dem Zellentyp. Typische Toleranzgrenzen für diese Verbindungen liegen im Größenbereich von 1 ppm, und der Grad der erforderlichen Gasreinigung ist identifiziert und tabularisch aufgelistet worden. Herkömmliche Gasreinigungssysteme (kalt oder heiß) senken den Verunreinigungsspiegel allgemein auf einen Bereich zwischen wenigen ppm und Zehnteln eines Prozents. Brenngas-Polieren bezieht sich daher auf die weitere Reinigung oder Endreinigung zur Säuberung des Gases. Gas-Konditionierung bezeichnet CO-Umwandlung, ferner Methan-Reformierung oder CO₂-Entfernung zur Verbesserung der Verträglichkeit mit der Anode und zur Steigerung der Brennstoffverwertung bei zweckmäßigen Drücken.
Veröffentlichte Daten über Zellen-Spannung und Stromdichte bei Referenzbedingungen für Wasserstoff und natürliches Gas als Brennstoff, zusammen mit veröffentlichten Korrelationen für die verschiedenen Verluste wegen Abweichung von den Referenzbedingungen, wurden für alle drei bevorzugten Brennstoffzellentypen zusammengetragen. Verfahrensfluss-Blätter wurden für jede der Brennstoffzellen entwickelt, und Basislinien/Benchmarking-Simulationen wurden mit Wasserstoff und natürlichem Gas ausgeführt, um die vorhergesagte Leistung (Energieausstoß, Effizienz, Zellenspannung und Energiedichte) gegenüber der gemessenen Leistung zu vergleichen und zu bestätigen. Die Systemsimulationen beinhalteten chemische Gleichgewichtsberechnungen für externes Reforming und Shift-Konversion von CO im Falle von PAFC und internes Reforming im Falle von MCFC und SOFC. In jedem Fall wurde eine wesentliche Übereinstimmung zwischen den vorhergesagten und den berichteten Ergebnissen erhalten, wodurch die Systemsimulationen im Wesentlichen bestätigt wurden.
Unter Verwendung dieser Basislinie/Benchmarking als einer Grundlage wurden Verfahrensfluss-Blätter entwickelt, um die bevorzugten thermochemischen Reaktor-Brennstoffzellen-Untersysteme zu simulieren. Typischerweise ist das Reformatgas am Ausgang des Gasreinigungsuntersystems oder am Eingang der Brennstoffzelle aus H₂, CO, CH₄, C₂H₆, C₂H₄, C₃H₆, CO₂, H₂O, H₂S, NH₃ und Spuren an CH₃SH, (CH₃)₂S und (CH₃)₂S₂ zusammengesetzt. In manchen Fällen ist es für das Brenngas möglich, HCl, C₃H₈ und N₂ einzuschließen. Da das Brenngas am Eingang zur Brennstoffzelle im Allgemeinen eine hohe Konzentration an Wasserstoff (50 bis 60 Vol.-%) aufweist, wurde festgestellt, dass ein zusätzliches externes Reformieren des Brennstoffs im Falle von PAFC unnötig ist.
Allerdings muss die CO-Konzentration ebenfalls im Allgemeinen von einem 10- bis 20%-Bereich auf weniger als 0,5% im Falle mancher Brennstoffzellen, wie für die PAFC-Brennstoffzelle, verringert werden.
Deshalb wurden, in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, zwei Stufen (Hochtemperatur und Niedertemperatur) von Shift-Konvertern stromaufwärts der PAFC verwendet. Interne Dampf-Reforming- und Wassergas-Shift-Reaktionen wurden für MCFC und SOFC eingeschlossen. Für diese Analyse wurde angenommen, dass die Reaktionen ein chemisches Gleichgewicht erreichen. Die folgenden Reaktionen wurden eingeschlossen:
Dampf-Reformieren:

CH₄ + H₂O = CO + 3H₂ (2-1) C₂H₆ + 2H₂O = 2CO + 5H₂ (2-2) C₂H₄ + 2H₂O = 2CO + 4H₂ (2-3) C₃H₆ + 3H₂O = 3CO + 6H₂ (2-4)

Wassergas-Shift:

CO + H₂O = CO₂ + H₂ (2-5)

Wenn die Gleichgewichts-Gaszusammensetzung als n_CH4 Mole CH₄, n_C2H6 Mole C₂H₆ und so fort bezeichnet wird, und die Gesamtanzahl an Molen n ist, dann können die folgenden Gleichgewichtsgleichungen für einen Betrieb bei atmosphärischen Druck aufgestellt werden: K1 = n COn3 H2/(nCH4 nH2On2) (2-6) K2 = n2 COn5 H2/(nC2H6n2 H2On4) (2-7) K3 = n2 CO nH2 4/(nC2H4n2 H2On3) (2-8) K4 = n3 COn6 H2/(nC3H6n3 H2On5) (2-9) K5 = nCO2 nH2/(n CO nH2O) (2-10)
Die Werte für K_i (i = 1, 2, ... 5), die Gleichgewichtskonstanten, wurden als eine Funktion der Temperatur aus der Standardrelation erzeugt: Ki = exp[–DG0 i/RT)] (2-11)worin G⁰ _i die Änderung in der Gibb-Funktion ist, welche auftreten würde, wenn die i-te chemische Reaktion (gegeben durch die Gleichungen 2-1 bis 2-5) vollständig von links nach rechts ablaufen würde, R ist die allgemeine Gaskonstante und T absolute Temperatur des Reaktionssystems ist.
Die fünf Gleichungen (2-6 bis 2-10) wurden gleichzeitig und iterativ gelöst, um die Gleichgewichts-Gaszusammensetzung zu bestimmen, wobei die K_i-Werte eingesetzt wurden, die aus Gleichung (2-11) erzeugt wurden.
Eines der Ziele der vorliegenden Erfindung bestand darin, die Anzahl von Einheitsoperationen/Komponenten zu verringern, ohne aber die Effizienz, Lebensdauer und Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen. Einige der untersuchten Parameter schließen Brennstoff- und Oxidationsmittel-Verwendung, Brennstoffzellentyp (PAFC, MCFC und SOFC), Einspeisungs-Typ, Einspeisungsdurchsatz (oder Systemgröße) und Ebene der Integration ein. Verfahrensflussdiagramme wurden erstellt, eine Pinch-Analyse wurde angewandt und Materialien- und Energie-Gleichgewichte und Simulationen wurden durchgeführt, um die am besten geeignete Systemkonfiguration zu wählen. Emissionsvorhersagen wurden ebenfalls aufgestellt.
Die Konstruktionsverfahren und Computer-Codes, welche für eine Ausführungsform des Impulsverbrenner-Dampfreformers der vorliegenden Erfindung entwickelt wurden, und andere empirisch entwickelte Codes wurden eingesetzt, um Komponenten-Entwürfe für mehrere der Systemkonfigurationen auszuführen. Zwei Systemgrößen sind identifiziert worden, um eine Kommerzialisierung zu ermöglichen: (1) Eine ist ein 200 kW Biomassenbefeuerter (Holz) Energiegenerator für die Markteinführung im "on-site" Endverbrauchermarkt. Dieses System wäre bei erreichbaren Senkungen der Stack-Kosten betreibbar; (2) das zweite System ist in der geeigneten Größe für eine Markteinführung bei im Wesentlichen derzeitigen Stack-Kosten. Dieses Biomassen-befeuerte System zielt auf einen Bereich in der Zellstoff- und Papierindustrie mit beträchtlichem "Market-Pull" mit Potenzial zur Hervorrufung einer Nachfrage für ausreichende Mengen an Stacks ab, um zu veranlassen, dass Brennstoffzellen wirtschaftlicher werden.
Systeme in Größen von 10 bis 200 kW besitzen ähnliche "on-site" Endanwendungs-Service-Ziele zu denjenigen des PAFC-ONSI- Brennstoffzellensystems (200 kW, befeuert mit natürlichem Gas), wo natürliches Gas nicht verfügbar ist, oder der Preis von natürlichem Gas im Vergleich zu den Kosten der verfügbaren Biomassen-Einspeisung höher ist.
Da eine Massenproduktion ein wünschenswertes Ziel ist, kann der oben stehend erwähnte Größenbereich für den Energie-Generator ferner in sechs (6) nominale Modulgrößen unterteilt werden: 16 kW, 25 kW, 40 kW, 80 kW, 100 kW und 200 kW. In einer Ausführungsform wird beabsichtigt, dass das jeweilige Design Kapazitäten von ±25% der nominalen Modulgröße bei geringfügigen Modifikationen und Änderungen in den Betriebsbedingungen aufweist, wie es in der Tabelle 4 gezeigt ist.
Tabelle 4
Die Tabelle 4 gibt auch die High-End- und die Low-End-Typenschild-Kapazitäten für jede Modulgröße wieder, welche unter Anwendung des gleichen standardisierten Hardware-Designs für den nominalen Energiegenerator bei geringfügigen Abweichungen produziert werden würden. Damit wird beabsichtigt, den Bereich der Kleingeneratoren im gesamten kW-Zielbereich abzudecken, während auf standardmäßige Design- und Massenproduktions- sowie Geräteherstellungs-Vorgehensweisen zurückgegriffen wird.
Im Allgemeinen gibt es zwei grundlegende Systemkonfigurationen, welche für die nominalen Systeme entworfen werden. Die erste ist für die drei kleineren System-Nominal-Module beschaffen. Eine Ausführungsform eines konzeptmäßigen Designs für die kleineren Einheiten wird in der 4 angegeben. Diese Ausführungsform ist beabsichtigtermaßen eher einem Gerät ähnlich sowie platzbewusst, da dies im Kleinerformatbereich erforderlich sein kann. Darüber hinaus berücksichtigt diese Ausführungsform auch Verringerungen im Wärmeverlust aus dem Dampf-Reformer und weitere Kostensenkungen des Systems.
Wie in der 4 gezeigt, beinhaltet das System eine Brennstoffzelle 38, umgeben von einem Wirbelbett 34. Das Wirbelbett wird von einer oder mehreren Impulsverbrennungsvorrichtungen erwärmt. Die Impulsverbrennungsvorrichtungen schließen Resonanzrohre 20 ein, welche das Bett indirekt erwärmen. Dampf wird als das Fließmedium verwendet, welches in das Wirbelbett 34 durch eine Dampf-Überhitzereinrichtung 51 eintritt.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird ein kohlenstoffhaltiges Material innerhalb des Wirbelbetts 34 reformiert, wodurch ein Produktgas erzeugt wird. Das Produktgas wird durch einen Venturi 68 und in einen Gaskühler 52 hinein eingespeist. Aus dem Gaskühler 52 wird das Produktgas zur Erzeugung von Elektrizität in die Brennstoffzelle 38 im Verbund mit vorerwärmter Luft 70 eingespeist.
Für den nominalen Größenbereich von 80 kW bis 200 kW wurde eine andere Ausführungsform für die Module eingesetzt. Konstruktions-Analysen wurden auch für ein nominales 200 kW-System ausführlich durchgeführt.
Wie nachstehend beschrieben, wird eine 200-kW-"on-site"-Systemausführungsform bereitgestellt, gefolgt von einer Ausführungsform eines Systems mit MW-Ausmaßen. Es wird bevorzugt, dass das System als ein selbsttragendes Kraftwerk gepackt ist, welches zu einem kontinuierlichen Betrieb in der Lage ist. Es folgen einige Merkmale einer 200 kW-Ausführungsform:

– Biomassen-Brennstoff
– 24 Stunden Einlagerungs-Fassungsvermögen
– hohe Effizienz (> 25%)
– sehr geringe Emissionen (< (1/10)NSPS)
– Wechselstrom, 60 oder 50 Hz
– automatische Steuereinrichtungen
– automatisches Gitter-Anschließen oder -Unterbrechen
– fehlersichere Beladungs-Anpassung
– lokales Operator-Interface
– lokales Diagnoseterminal
– Daten-Fern-Erfassung und -Steuerung
– automatischer Beladungs-Folge-Ausstoß
– modular, mit transportierbaren Modulen, so dass jedes Modul kleiner als 3,05 m × 5,48 m × 3,05 m (10' × 18' × 10') ist
– minimale Wartung
– hohe Verfügbarkeit (> 95%)
– leiser Betrieb (< 75 dB)
– fähig zum Betrieb bei Umgebungstemperatur zwischen –28°C (–20°F) und 43°C (110°F) und an Orten mit Höhen bis zu 1830 m (6000 ft)
– lange Lebensdauer (> 25 Jahre)
– entspricht dem harmonisierten "Fuel Cell Power Plant"-Standard Z21.83.CGA12.10.

Die Toleranzgrenzen der Ausführungsform für Verunreinigungen werden in der Tabelle 5 für die drei verschiedenen Brennstoffzell-Typen angegeben.
Tabelle 5
Im Allgemeinen kann jedwedes kohlenstoffhaltige Material in den Systemen der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Besondere Beispiele von Einspeiseströmen schließen Schwarzlauge und Holz ein. Die Analyse für Schwarzlauge ist in der Tabelle 6 angegeben, und jene für Holz wird in der Tabelle 7 präsentiert.
Tabelle 6
Tabelle 7
Das Ziel bestand darin, die passendste Systemkonfiguration für kleine (10 bis 200 kW) Energiegeneratoren auszuwählen. Die anfänglichen Analysen wurden an Schwarzlauge durchgeführt.
Die für das Dampfreformer-Design angewandten nominalen Auslegungs-Parameter sind in der Tabelle 8 präsentiert.
Tabelle 8
Tabelle 8 (Fortsetzung)
Ein Schema einer Ausführungsform eines thermoelektrochemischen Basislinien-Systems der vorliegenden Erfindung wird in der 5 gezeigt. Dieses System ist nicht-integriert, weil das thermochemische Untersystem und das Brennstoffzellen-Untersystem lose gekoppelt sind und keine Querverbindung existiert. Das System umfasst, wie abgebildet, die folgenden Haupt-Untersysteme:

– Abfalllaugen-Handhabungs- und -Einspeisungs-Untersystem,
– Impulsverbrenner-Dampfreformer,
– Brenngas-Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator,
– Brenngasreinigungs-Strecke, enthaltend:
– Venturi/Gaskühler
– H₂S-Absorptionsvorrichtung
– Brenngas-Polierer
– Dampfüberhitzungseinrichtung, Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator und Luft-Vorerwärmungsvorrichtung,
– Alkali- und Kohlenstoff-Abtrennungsuntersystem, und
– Brennstoffzellen-Untersystem.

Unter Bezugnahme auf die 5 wird nun das System der vorliegenden Erfindung ausführlich erörtert werden. Gleiche Referenznummern sind überall in den Figuren verwendet worden, um ähnliche Elemente zu bezeichnen. Wie gezeigt, schließt das System einen Dampfreformer ein, einschließlich eines blasenwerfenden Wirbelbetts 34, welches mit überhitztem Dampf aufgewirbelt wird. Das Ruhezustands-Bett kann eine mittlere Teilchengröße von 250 bis 350 Mikrometer aufrechterhalten und kann vorwiegend aus Alkalikarbonat und etwas restlichem Kohlenstoff aufgebaut sein. Anfänglich kann Kalkstein als ein einmaliges Betriebsbeginn-Bettmaterial während der Inbetriebnahme der Anlage verwendet werden. Überhitzter Verwirbelungs-Dampf kann des Weiteren an die Verteilungsköpfe und Blasen-Kappen bei einem ausreichenden Druckabfall zugeführt werden, um eine gleichmäßige Aufwirbelung über den Querschnitt des Gefäßes hinweg aufrecht zu halten.
Das Wirbelbett 34 wird durch eine Mehrzahl von Impulsverbrennungsvorrichtungen 12 erwärmt. Wie gezeigt, enthält jede Impulsverbrennungsvorrichtung mehrere Resonanzrohre, welche in das Wirbelbett 34 reichen. Resonanzrohre der Impulserhitzer-Module dienen als effektive Quellen der Wärmezufuhr, um die endotherme Dampf-Reforming-Reaktion der Lauge zu unterstützen. Darüber hinaus können, in manchen Ausführungsformen, die Resonanzrohre der Impulserhitzer-Module senkrecht zu dem Verwirbelungs-Dampf-Fluss montiert sein, um den Wärmetransfer zwischen den Resonanzrohrwänden und den Wirbelbettteilchen zu verstärken. Insgesamt verringert die Verwendung des Impulserhitzers normalerweise den erforderlichen Oberflächenbereich für den Wärmetransfer und reduziert die Größe und Kapitalkosten des Reformers.
Unter Bezugnahme auf die 6 wird eine Ausführungsform einer Impulsverbrennungsvorrichtung 12 im Allgemeinen gezeigt. Die Impulsverbrennungsvorrichtung 12 schließt eine Verbrennungskammer 18 in Kommunikation mit einem Resonanzrohr 20 ein. Die Verbrennungskammer 18 kann verbunden sein mit einem einzelnen Resonanzrohr, wie gezeigt in der 6, oder einer Vielzahl von parallelen Rohren mit Einlässen in separater Kommunikation mit der Impulsverbrennungskammer, wie gezeigt in der 5. Brennstoff und Luft werden in die Verbrennungskammer 18 über eine Brennstoffleitung 22 und eine Luft-Sammelkammer 24 eingespeist. Die Impulsverbrennungsvorrichtung 12 kann entweder einen gasförmigen, einen flüssigen oder einen festen Brennstoff verbrennen.
Um die Menge an Brennstoff und Luft zu regulieren, welche in die Verbrennungskammer 18 eingespeist werden, kann die Impulsverbrennungsvorrichtung 12 mindestens ein Ventil 26 einschließen. Das Ventil 26 ist vorzugsweise ein aerodynamisches Ventil, obwohl ein mechanisches Ventil oder dergleichen ebenfalls verwendet werden kann.
Während des Betriebs der Impulsverbrennungsvorrichtung 12 läuft ein geeignetes Brennstoff- und Luftgemisch durch das Ventil 26 in die Verbrennungskammer 18 und wird detoniert. Während der Inbetriebnahme wird eine Hilfsfeuerungsvorrichtung, wie eine Zündkerze oder ein Pilot-Brenner bereitgestellt. Die Explosion der Brennstoffmischung verursacht einen plötzlichen Anwachs des Volumens und die Entstehung von Verbrennungsprodukten, was die Verbrennungskammer unter Druck setzt. Mit der Expansion des heißen Gases wird ein präferenzielles Fließen in der Richtung zum Resonanzrohrs 20 mit einem signifikanten Moment erreicht. Dann wird ein Vakuum in der Verbrennungskammer 18 aufgrund der Trägheit der Gase innerhalb des Resonanzrohrs 20 erzeugt. Lediglich einem geringen Bruchteil an Abgasen wird dann gestattet, in die Verbrennungskammer zurückzukehren, wobei der Rest des Gases aus dem Resonanzrohr austritt. Weil der Druck der Verbrennungskammer 18 dann unter dem Atmosphärendruck liegt, wird weiteres Luft-Brennstoff-Gemisch in die Verbrennungskammer 18 eingesogen, und eine Selbst-Entzündung findet statt. Wieder begrenzt das Ventil 26 danach den Rückwärtsfluss, und der Zyklus beginnt von neuem. Sobald der erste Zyklus initiiert ist, verläuft der Betrieb danach selbsterhaltend.
Impulsverbrennungsvorrichtungen, wie oben stehend beschrieben, regulieren ihre eigene Stöchiometrie innerhalb ihrer Feuerungsbereiche ohne die Notwendigkeit für umfangreiche Steuereinrichtungen zur Regulierung des Verhältnisses von Brennstoffeinspeisung zu Verbrennungsluftmasse-Strömungsgeschwindigkeit. Wenn die Brennstoffeinspeisungsrate erhöht wird, nimmt die Stärke der Druckpulsierungen in der Verbrennungskammer zu, was seinerseits die Menge an Luft, welche von dem aerodynamischen Ventil angesaugt wird, erhöht, wodurch gestattet wird, dass die Verbrennungsvorrichtung automatisch eine im Wesentlichen konstante Stöchiometrie über ihren gewünschten Feuerungsbereich hinweg aufrechthält.
Die Impulsverbrennungsvorrichtung 12 erzeugt eine pulsierende Strömung von Verbrennungsprodukten und eine akustische Druckwelle. In einer Ausführungsform erzeugt die Impulsverbrennungsvorrichtung Druckoszillationen oder -Fluktuationen im Bereich von etwa 68,9 mbar (1 psi) bis etwa 2760 mbar (40 psi), und insbesondere von etwa 68,9 mbar (1 psi) bis etwa 1720 mbar (25 psi) von Peak zu Peak. Diese Fluktuationen sind im Wesentlichen sinusförmig. Diese Druckfluktuationshöhen sind in der Größenordnung eines Schalldruck-Bereichs von etwa 161 dB bis etwa 194 dB und insbesondere zwischen etwa 161 dB und etwa 190 dB. Im Allgemeinen kann die Impulsverbrennungsvorrichtung 12 eine akustische Druckwellenfrequenz von etwa 50 bis etwa 500 Hz und insbesondere zwischen etwa 50 Hz bis etwa 200 Hz aufweisen. Im Allgemeinen wird die Temperatur der Verbrennungsprodukte, welche das Resonanzrohr 20 verlassen, im Bereich von etwa 649°C (1200°F) bis etwa 1093°C (2000°F) liegen.
Abfall-Lauge 30 wird in den Reformer über Zweifach-Fluidzerstäuber eingespitzt, um eine gleichmäßige Verteilung der Lauge über den Querschnitt des Bettes 34 hinweg vorzusehen. Das Laugeneinspritzer-Design kann eine Dünnfilm-Beschichtung von Bettteilchen vorsehen, um die Reaktionsraten (hohes Oberfläche-zu-Masse-Verhältnis) und die Kohlenstoff-Umwandlung zu verstärken. Das Dampfreformer-Untersystem kann auch ei ne Überhitzungseinrichtung 51 einschließen, um den Verwirbelungsdampf vorzuwärmen, bevor er in den Reformer eintritt. Die Überhitzungseinrichtung 51 verwendet vorzugsweise einen Teil der Eigenwärme in dem Impulserhitzer-Rauchgasstrom, um den Dampf zu überhitzen. Dies verringert die Wärmebelastung im Reaktor, wodurch die Zahl an Erhitzermodulen, welche für den Laugen-Durchsatz erforderlich ist, verringert wird.
Feststoff-Abtrennung und -Zurückführung können durch jedwedes im Fachgebiet bekannte Verfahren durchgeführt werden. Insbesondere, wie gezeigt, erreicht eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Feststoffabtrennungen in dem Dampfreformer-Untersystem durch Zyklone 36 mit hoher Effizienz sowie niedrigem Wartungsaufwand. Die für diese Komponenten angewandten Auslegungen können ähnlich oder identisch zu denjenigen sein, welche in katalytischen Crack-Anlagen eingesetzt werden. Die Zyklone 36 fangen in effizienter Weise kleine Teilchen ab und führen sie zur Bestandsregulierung und weiteren Reaktion in das Bett zurück.
Nach Austreten aus den Teilchen-Zyklonen 36 kann das Produktgas teilweise durch einen Dampf-Eduktor in das Bett rezirkuliert werden, wohingegen die Hauptmasse des Produktgases durch einen Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator 50 (HRSG #1) prozessiert wird. Die von dem Wasser zur Kühlung des Impulserhitzer-Rohrblechs absorbierte Wärme trägt ebenfalls zu dem Dampf bei, der in dem HRSG #1 erzeugt wird. Dampf aus dem HRSG #1 ergänzt den Dampf, der aus dem Abwärme-Boiler 58, HRSG #2, erzeugt wird.
In einer Ausführungsform kann ein Teil des sauberen Produktgases zur Verfeuerung in den Impulserhitzern recycelt werden. Das Rauchgas, das aus der Überhitzereinrichtung austritt, wird zum Boiler 58 (HRSG #2) zirkuliert, wo Dampf erzeugt wird. Der Dampf wird in einem Kopfstück gesammelt und an die Dampfreformer-Untersysteme verteilt, wie erforderlich. Überschüssiger Dampf wird an die Mühle bzw. Aufbereitungsanlage exportiert.
Im Allgemeinen besteht die Funktion des Alkaliextraktions- und -Rückgewinnungs-Untersystems darin, sowohl den Alkali- als auch Restbrennstoff-Wert aus den Reformer-Bett-Feststoffen zu extrahieren und zurückzugewinnen. Die Alkalisubstanzen werden als trockene Karbonate an das Bett zurückgetragen. Nicht-umgesetzter Kohlenstoff und Nicht-Prozess-Elemente (NPEs) werden ebenfalls an das Bett als unlösliche Komponenten zurückgetragen. Das Waschen und Filtrieren der Bettfeststoffe bewirken die Trennung des Alkalis von den unlöslichen Bestandteilen. Gegenstrom-Waschen wird eingesetzt, um die Rückgewinnung von Alkali zu maximieren. Das Waschwasser enthält einen schwachen Alkaliwert und wird in den Mischtank recycelt. Das Alkaliextraktions-System speist Gaswäsche-Medium an den H₂S-Absorber und exportiert den Rest an Alkali an die Aufbereitungsanlage in Form einer klaren Natriumkarbonatlösung für das Aufschließen.
Ein anderer Exportstrom ist der Brennstoff-Kohlenstoff in der Form eines Filterkuchens, welcher verbrannt werden kann, um Dampf zu erzeugen. Der Filterkuchen kann auch als ein Aktivkohle-Filtrationsmedium in der Abwasserbehandlungsanlage verwendet werden, wenn dies so gewünscht wird. Die allgemeine Funktion des Gassäuberungs-Untersystems besteht darin, mitgeführte teilchenförmige Stoffe und H₂S aus dem Produktgas zu entfernen.
Im Anschluss an den HSRG #1 kann das Gas abgeschreckt, mit Wasser gesättigt und von teilchenförmigen Stoffen gereinigt werden, wenn es mit rezirkuliertem Fluid in einem Hochenergie-Venturi 52 kontaktiert wird. Ein Ablass-Strom, enthaltend kondensierte organische Stoffe, kann dann in den Abwasserkanal der Aufbereitungsanlage entlassen werden. Das Gas kann dann weiter durch Gegenstrom-Kontakt mit rezirkulierter Lauge in einem Füllkörperturm abgekühlt werden. Die rezirkulierte Flüssigkeit kann in einem Nicht-Kontakt-Wärmetauscher gekühlt werden. Ein Ablass-Strom, enthaltend kondensierte organische Stoffe, wird in den Abwasserkanal der Auf bereitungsanlage entlassen. Die letztendliche Gaswäsche findet in einem Gegenstrom-Absorber 60 mit Ätznatron zur Entfernung von H₂S aus dem Produktgas statt. Die resultierende Natriumhydrosulfidlösung wird in den Aufschlusslaugen-Vorratstank der Aufbereitungsanlage zurückgeführt.
Die allgemeine Funktion eines Gaspolierers 62 besteht darin, das Brenngas weiter zu reinigen, sodass die Verunreinigungen innerhalb der Toleranzgrenzen für die Brennstoffzelle liegen (siehe Tabelle 5). Es stehen mehrere Verfahren für die Gasreinigung zur Verfügung. In einer Ausführungsform wird eine Niedertemperatur-Adsorption vorteilhaft für die Betriebsbedingungen dieses Systems sein. Wiederum sind mehrere Sorptionsmittel verfügbar. Diese schließen Aktivkohle, molekulare Siebe, regenerierbares Sorptionsmittel, welches am Federal Energy Technology Center entwickelt wurde, aktiviertes Aluminiumoxid etc. ein.
Eine Ausführungsform eines Brennstoffzellen-Untersystems 38 der vorliegenden Erfindung schließt eine Gas-Konditionierungs-Einheit (wie Shift-Reaktoren im Falle der PAFC), Brennstoffzelle (PAFC, MCFC oder SOFC), Energiesektion und eine Energie-Konditioniervorrichtung ein. Die Energie-Konditionieivorrichtung wandelt Gleichstrom-Energie in Wechselstrom-Energie um. Die Brenngas-Zusammensetzung ist in der Tabelle 9 angegeben. Die Komponenten-Werte sind für den Dampf, welcher die Gasreinigungsstrecke verlässt/in die Poliervorrichtung eintritt, sowie für den Dampf, welcher die Poliervorrichtung verlässt/in die Brennstoffzelle eintritt, aufgelistet. Die Spezifikationen für die Poliervorrichtung sind so eingestellt, dass die Verunreinigungsspiegel in dem gereinigten Strom innerhalb der Toleranzgrenzen liegen, welche in der Tabelle 5 angegeben sind.
Tabelle 9
Die für die bevorzugten Ausführungsformen des Systems der vorliegenden Erfindung berechnete elektrische Netto-Effizienz mit den drei verschiedenen Brennstoffzellen (PAFC, MCFC und SOFC) wird in der 7 gezeigt. Gleichungen, basierend auf öffentlicher Information, wurden verwendet, um Korrekturen an der Zellenspannung vorzunehmen. Die PAFC arbeitet bei der niedrigsten Temperatur von den drei Zellen und erfordert eine Gaskonditionierung (Hochtemperatur- und Niedertemperatur-Shift-Konversion). Deshalb ist die Effizienz mit PAFC am geringsten.
Es wurden dann Versuche unternommen, die Leistung der Gesamtsysteme durch geeignete Integration des thermochemischen Untersystems mit dem Brennstoffzellen-Untersystem zu verbessern. Jeder bevorzugte Brennstoffzellentyp besitzt einzigartige Anforderungen, wie oben stehend erörtert, und deshalb unterschied sich das für das Verfahren und die thermische Integration verwendete Schema je nach dem Zelltyp. Die für die bevor zugten drei Zellentypen bestimmten Optimum-Konfigurationen sind in den 8 bis 10 präsentiert.
Im Falle von PAFC (8) wird das Anoden-Abgas in dem Impulserhitzer 12 mitverfeuert, das Kathoden-Abgas wird in die Luft-Vorerwärmungsvorrichtung 56 geleitet, und Dampf aus der Überhitzungseinrichtung 51 wird an die Shift-Reaktoren 64 zugeführt, um die CO-Umwandlung zu Wasserstoff zu fördern. Der Effekt der Variation hinsichtlich der Brennstoffverwertung auf die elektrische Nettoeffizienz ist in der 11 gezeigt. Die Effizienz wird bei einer Verringerung in der Brennstoffverwendung verbessert. Die normale Brennstoffverwendung in PAFC beläuft sich auf etwa 85 Prozent. Die Verbesserung bei einer Verringerung in der Brennstoffverwendung rührt aus Folgendem her:

– Mehr Brenngas, das in dem Dampfreformer erzeugt wird, fließt durch den Gas-Polierer und die Shift-Reaktoren, wodurch der Wasserstoff-Partialdruck in der Zelle und der Energieausstoß erhöht werden, und
– verbrauchtes Anodengas liefert Verdünnungsmittel, wie CO₂, und hilft bei der Verringerung des überschüssigen Luftanteils in dem Impulsverbrenner und dadurch des Luftstroms durch den Verbrenner. Dies erhöht den Anteil der Wärme, welcher von dem Impulserhitzer zum Dampfreformer zugeführt wird, gefolgt von einer Reduktion in der benötigten Feuerungsrate für einen gegebenen Wärmelast- oder Laugen-Durchsatz.

Ein 15-prozentiger überschüssiger Luftanteil wurde als das Minimum für eine vollständige Verbrennung und reduzierte Emissionen aus dem Impulsverbrenner vorgegeben. Dies verhinderte eine weitere Verringerung der Brennstoffverwendung unter 75 Prozent. Wie die 7 zeigt, ist das Leistungsverhalten des integrierten Systems bedeutend besser als jenes des Ba sislinien-Systems. Es ist ersichtlich, dass die Effizienz um etwa 50 Prozent gegenüber dem Basislinienwert verbessert ist.
Die 9 zeigt die bevorzugte integrierte Ausführungsform, welche MCFC verwendet. Hier ist das Schema etwas komplizierter, selbst obwohl keine Shift-Reaktoren benötigt werden. Das Anodenabgas wird wiederum in dem Impulserhitzer 12 mitverfeuert, jedoch nach Wärmeaustausch mit dem Anodenspeisegas in einer Brennstoff-Vorwärmungsvorrichtung 66 und nach teilweiser Kondensation von Feuchtigkeit in einem Boiler-Speisewasser-Erwärmer 72. Der letztere Schritt wird eingebunden, um den Wasserdampfgehalt des verbrauchten Anodengases zu senken, die adiabatische Flammentemperatur der Mischung, welche in dem Impulsverbrenner verfeuert wird, zu erhöhen und Energie zurückzugewinnen.
In allen Fällen (8–10) wird die Verfeuerung von Produktgas und verbrauchtem Anodengas in dem Impulsverbrenner 12 reguliert, während der überschüssige Luftanteil bei oder über 15 Prozent gehalten wird, so dass die adiabatische Flammentemperatur 1650°C (3000°F) übersteigt. Dies geschieht, um eine gute Verbrennung und solide Akustik (Schalldruckspiegel > 170 dB) zu gewährleisten.
Um das in dem Oxidationsmittelstrom des MCFC erforderliche CO₂ bereitzustellen, wird das Anodenabgas oder frischer Brennstoff typischerweise superstöchiometrisch verbrannt. Hier wird ein Teil des Impulsverbrenner-Rauchgases, welches die Überhitzungseinrichtung 51 verlässt, mit vorerwärmter Luft aus einer Luft-Vorerwärmungsvorrichtung I 74 vermischt, um den CO₂- und O₂-Bedarf zu befriedigen. Dies vermeidet die Notwendigkeit für einen zusätzlichen Brenner mit einer begleitenden Kosteneinsparung und Emissionsverringerung. Das Kathodenabgas wird zuerst in die Luft-Vorerwärmungsvorrichtung I 74 geleitet, um die Luft vorzuwärmen, welche an die Kathode und dann an den HRSG #2 zugeführt wird. Wiederum steigt die elektrische Nettoeffizienz mit einer Verringerung in der Brennstoffver wendung (siehe 11). In dieser Analyse wurde das interne Reforming berücksichtigt, und CO₂- und O₂-Verbrauch wurden bei 75 bzw. 50 Prozent gehalten. Die elektrische Effizienz verbessert sich hier aus den gleichen Gründen, wie jenen, welche im Falle der PAFC angegeben wurden. Schließlich zeigt das integrierte System einen Gewinn an Effizienz von etwa 60 Prozent gegenüber derjenigen des Basisliniensystems (siehe 7).
Die bevorzugte integrierte Ausführungsform, welche auf SOFC basiert, ist in der 10 gezeigt. Die Anodengasströme werden auf die gleiche Weise wie in der vorangehenden Ausführungsform (9) behandelt. Die Kathodenseite beinhaltet eine Erholung mit einer Einstell-Verbrennung, um die Leistung zu maximieren. Aufgrund von Sauerstoffionentransfer ist der Kathoden-Abgas-Fluss niedriger als jener am Einlass. Deshalb wird ein Seitenstrom aus dem verbrauchten Anodengas in einem Einstellverbrenner 76 verwendet, um die Temperatur der Kathodenluftzufuhr zu erhöhen. Die Analyse zeigte, dass der Seitenstrom-Gasfluss im Bereich zwischen 3 und 6 Prozent des verbrauchten Anodengases liegt. Deshalb kann ein externer Einstellverbrenner 76 nicht nötig sein, und die Zellenbetriebsbedingungen (Fließraten und Druck) könnten eingestellt werden, um das Ausmaß der Gas-Leckage zu regulieren.
Aufgrund der Erholungsanordnung und des Vorliegens von Verdünnungsmittel, wie CO₂, in dem Brenngas ist die Oxidationsmittel-Verwendung höher (~50%) als jene, welche für röhrenförmige SOFC typisch ist (~25%). Hier verbessert sich ebenfalls die elektrische Nettoeffizienz, da die Brennstoffverwendung verringert wird. Es wurde festgestellt, dass die optimale Brennstoffverwendung etwa 67% beträgt.
Das bevorzugte integrierte System, basierend auf SOFC (siehe 10), zeigt die höchste elektrische Effizienz aller untersuchten Konfigurationen (siehe 11). Die elektrische Nettoeffizienz belief sich auf 31,8% für eine Einheit mit einem Durchsatz an Schwarzlauge von 2180 kg/h (2,4 US- Tonnen/h) (d.h. eine geringe Größe). Es besteht eine Erhöhung in der Größenordnung von 85% hinsichtlich der Effizienz im Vergleich zu derjenigen der Basislinie.
Die Brennstoffzellen-Energiedichten für die drei bevorzugten Zelltypen werden in der 12, basierend auf den Konfigurationen verglichen, welche in den 8–10 gezeigt sind. Die SOFC zeigt die höchste Energiedichte der drei Zelltypen.
Im Allgemeinen ist eine typische U.S.-Zellstoffmühle ziemlich groß, und die kleinste Zuwachskapazität läge in der Größenordnung von 3630 kg/h (4 US-Tonnen/h) Schwarzlaugen-Feststoffdurchsatz. Deshalb wurde eine Verfahrensströmungs-Analyse für diese Größeneinheit unter Verwendung der SR-SOFC-Plattform durchgeführt. Die Werte der elektrischen Nettoeffizienz für die zwei Einheitsgrößen werden in der 13 verglichen. Das System mit der größeren Kapazität zeigt eine höhere Effizienz aufgrund der verhältnismäßig niedrigeren Wärmeverluste dank des reduzierten Oberflächenbereich-zu-Volumen-Verhältnisses. Der 3630 kg/h (4 US-Tonnen/h)-Dampfreformer erforderte 8 Impulserhitzer-Module.
Analysen, ähnlich zu denjenigen für die Schwarzlauge, wurden mit Holz als der Einspeisung durchgeführt. Das verwendete Holz war Wisconsin-Ahorn. Hinsichtlich der Element-Analyse, siehe Tabelle 7.
Die Parameter für eine Ausführungsform eines Impulsverbrenner-Dampfreformers der vorliegenden Erfindung sind in der Tabelle 10 angegeben.
Tabelle 10
Tabelle 10 (Fortsetzung)
Die Wirbelbett-Temperatur ist höher und die Verwirbelungsgeschwindigkeit ist ebenfalls höher als diejenigen für Schwarzlauge. Im Fall von Schwarzlauge wirken Ablagerungen in dem Bett als der Katalysator für das Dampf-Reformieren von Kohlenstoff, selbst bei der geringen Betriebstemperatur von 604°C (1120°F) und führt zu einer hohen Gesamtkohlenstoffumwandlung (~99%). Selbstverständlich muss die Temperatur im Falle von Schwarzlauge niedriger sein, um die Bildung von Schmelze in dem Bett zu vermeiden, da diese einen verschmutzenden Belag der Rohre und auch eine Defluidisierung verursachen könnte. Da es keinen eingebauten Katalysator gibt, muss die Betttemperatur für Holz höher sein (~608°C (1475°F)), um eine hohe Kohlenstoff-Umwandlung zu erzielen.
Experimentelle Daten zeigen eine Gesamt-Kohlenstoff-Umwandlung von etwa 98 Prozent im Temperaturbereich von 788°C (1450°F) bis 816°C (1500°F). Manche Biomasseneinspeisungen, wie Rutenhirse, enthalten einen höheren Anteil an Alkali (Natrium und Kalium), und dies kann zur Bildung von Eutektika oder niedrig-schmelzenden Verbindungen und Bett- Agglomeration und Defluidisierung führen. Um dies zu minimieren, kann das Bettmaterial variiert werden. Zum Beispiel kann das Bettmaterial Aluminiumoxid anstelle von Sand sein (um die Bildung von Silikaten zu minimieren), wodurch auch die Verwirbelungsgeschwindigkeit auf ungefähr 0,53 m/s (1,75 ft/s) erhöht wird. Entwurf-Berechnungen für eine Ausführungsform zeigten, dass der nominale Holzdurchsatz 2160 kg/h (2,38 Trocken-US-Tonnen/h) für eine Fünf-72-Rohr-Konfiguration betragen wird.
Das Schema einer Ausführungsform eines integrierten thermoelektrochemischen Systems (200 kW), basierend auf SOFC, ist in der 14 für Holzeinspeisung gezeigt. Basierend auf den Analysen für Schwarzlauge wurde das thermoelektrochemische System, welches mit der SOFC konfiguriert ist, für diese Anwendung gewählt. Die Unterschiede zur 10 sind:

– Einschluss eines Trockners 32 (indirekte Trocknung unter Verwendung von Dampf) zur Verringerung des Feuchtigkeitsgehalts der Einspeisung von 38% auf 6%, und
– Ausschliessen des H₂S-Absorbers aufgrund der Spurenmenge an Schwefel im Holz. Die Brenngas-Zusammensetzungen nach der Gasreinigungsstrecke und nach dem Polierer sind in der Tabelle 1 präsentiert,

Tabelle 11
Hier ist Ammoniak die Hauptverunreinigung. Jedwedes geeignete Sorptionsmittel kann zur Entfernung des Ammoniaks gewählt werden. Die Schwefelverbindungen stellen kein Problem dar. Die Variation in der elektrischen Nettoeffizienz mit der Brennstoffverwendung ist in der 15 gezeigt. Wiederum wurde festgestellt, dass eine Optimum-Brennstoffverwendung etwa 67 Prozent beträgt. Der Effekt der Systemintegration wird in der 16 gezeigt. Wegen der Integration wird die Effizienz mehr als verdoppelt. Die Gesamteffizienz ist hier höher als bei Schwarzlauge wegen des niedrigeren Verhältnisses von endothermer Reaktionswärme zum Heizwert für Holz, des geringeren Feuchtigkeitsgehalts der Einspeisung in den Dampfreformer (6% gegenüber 25% für Schwarzlauge) und des darausfolgenden höheren Kaltgaswirkungsgrades.
Der Effekt der Anlagengröße auf die Effizienz einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in der 17 gezeigt. Die Effizienz steigt mit der Systemgröße aufgrund der verhältnismäßig niedrigeren Wärmeverluste und des höheren Kaltgaswirkungsgrades dank geringerer Oberflächenbereich-zu-Volumen-Verhältnisse. Es besteht ein dramatischer Sprung der Effizienz beim Übergang von einem 200-kW-Generator zu einem 5-MW-Generator. Die Transportfähigkeits-Größenanforderungen für die 200-kW- Einheit erfordern einen verhältnismäßig größeren Querschnitt für das Wirbelbett, um den Impulserhitzer aufzunehmen. Dies erhöht die Dampf-Fließrate und auch den Oberflächenbereich des Gefäßes. Die Energieverluste steigen in großem Maße und verringern die Effizienz.
Die für die bevorzugten Ausführungsformen von thermoelektrochemischen Systemen der vorliegenden Erfindung projektierten Emissionen sind in der Tabelle 12 aufgelistet.
Tabelle 12
Die Kategorien beinhalten PAFC, MCFC und SOFC für Schwarzlaugen-Verarbeitung und SOFC für Holzverarbeitung. Die Emissionen sind auf der Basis von lb/MMBtu aufgelistet, um einen Vergleich mit den vorgeschlagenen neuen Umweltschutzregulierungen zu gestatten (ein Zehntel der "New Source Performance"-Standards oder 1/10 NSPS). Aufgrund der höherwertigen Brenngas-Säuberung und Brennstoffzellenintegration sind die Emissionen alle sehr niedrig und sind signifikant niedriger als die vorgeschlagenen Regulierungen. Die Unterschiede zwischen den Zellentypen beruhen teilweise auf der Integrationsanordnung und dem Anteil des Brenngases, welches durch den Gaspolierer strömt. Die Unterschiede aufgrund der Einspeisung entstehen teilweise aus der Variation in der Brenngas-Zusammensetzung.
In einer Ausführungsform kann der Dampf-Reformer im Allgemeinen aus einem rechteckigen Wirbelbett-Reaktor hergestellt sein, durch welchen die Resonanzrohre eines Mehrfachrohr-Impulsverbrenners laufen. Die folgenden Abmessungen werden aus Zwecken der Veranschaulichung aufgeführt. Die Wirbelbett-Abmessungen können etwa 0,61 m (2 ft) breit mal 1,83 m (6 ft) lang mal 0,91 m (3 ft) tief sein. In einer Ausführungsform stellen achtundzwanzig Resonanzrohre die Hitzeanforderung des Reformers zur Verfügung.
Dampf, recyceltes Produktgas oder verschiedene andere Zusammensetzungen können verwendet werden, um den Reformer aufzuwirbeln. Das Bett kann vorzugsweise bei einer Geschwindigkeit zwischen 0,43 m bis 0,61 m (1,4 bis 2 Fuß) pro Sekunde gehalten werden, was einen ausgezeichneten Wärmetransfer aus den Resonanzrohren vorsieht, während die übermäßige Verwendung von Dampf minimiert wird. Für Ausführungsformen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 250 bis 450 Mikrometern werden zum Beispiel Wärmetransfer-Koeffizienten von bis zu 1140 W/[m²K] (200 Btu/[ft²h°F]) erhalten. Oberhalb des Bettes kann sich das Reformer-Gefäß vorzugsweise bis zu Abmessungen von etwa 114 cm (3 ft 9 in) Breite mal 236 cm (7 ft 9 in) Länge erstrecken. Dieses ausgedehnte Freibord kann verwendet werden, sowohl um die Gasgeschwindigkeit zu verringern, welches durch das Freibord hindurchläuft, als auch die Mitführungs-Verluste zu verringern, aber kann auch für ein Volumen für Primärgas/Feststoffe-Trennung sowie Brüden/Dampf-Verweilzeit bereitstellen. Mit dem Freibord dieser Größe könnten entweder primäre interne Zyklone oder Prall-Abscheidungseinrichtungen eingesetzt werden.
Um die Möglichkeit eines internen Zyklonverstopfens zu eliminieren, kann ein System der vorliegenden Erfindung einen Prallabscheider in diesem Design anwenden. In einer Ausführungsform laufen die Rohproduktgase, sobald sie den Reformer verfassen, durch ein Paar von Sekundär-Zyklonen. Das von diesen Zyklonen abgesammelte verkohlte Material wird zur Entsorgung abgefangen. Holzschnitzel werden durch Dosierschnecken und eine Injektionsschnecke in den Reformer eingespeist. Ein ausreichender Vorrat wird für ungefähr 4 Stunden Einspeisung bereitgestellt. In dem Fall, dass an dieser Stelle mehr Platz vorhanden ist, könnte ein getrennter größerer Einspeisungs-Fülltrichter vorgesehen werden.
Im Anschluss an die sekundäre Teilchenentfernung läuft das heiße Produktgas vorzugsweise durch einen Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator (HRSG #1). Da das Produktgas einige kondensierbare Kohlenwasserstoffe enthalten kann, läuft das "schmutzige" Gas durch die Boilerrohre, während siedendes Wasser auf der Umhüllungs-Seite vorliegt. Dieses Vorgehen kann die Rohrreinigung erleichtern. Der HRSG enthält vorzugsweise 115 Rohre mit einem Durchmesser von 1 Inch, welche 1,07 m (3,5 ft) lang sind, wodurch geringfügig mehr als 9,75 m² (105 ft²) Wärmetransferfläche bereitgestellt werden. Die Umhüllung weist einen Durchmesser von 0,91 m (3 ft) auf.
Das Produktgas kann auch gekühlt werden, vorzugsweise auf etwa 260°C (500°F), durch den HRSG #1, bevor es den Venturi-Wäscher betritt. Es wird im Allgemeinen bevorzugt, dass dieser Wäscher einen Hals-Durchmesser von ungefähr 5 cm (2 Inch) aufweist. Die Gasgeschwindigkeit kann erhöht werden, vorzugsweise auf 183 m/s (600 ft/sec), in dem engen Hals des Venturi, und erweitert sich dann in einen Flüssigkeits-Zyklonabscheider. Es wird bevorzugt, dass der Abscheider einen Durchmesser von 45,7 cm (18 Inch) und ein Höhe von 1,83 m (6 ft) aufweist. In der Ausführungsform wird ein Flüssigkeitsspiegel von 61 cm (2 ft) im Boden des Flüssigkeits-Zyklonabscheiders beibehalten, um ein Reservoir von Wasser für die Venturi-Wäscher-Rezirkulationspumpe bereitzustellen. Darüber hinaus wird eine Flussrate von 26,6 dm³/min (7 gpm) durch den Venturi umlaufen gelas sen, um das Kontaktwasser für die Gaswäsche bereitzustellen. In dem Venturi-Wäscher sättigt eine adiabatische Kühlung das Gas. Die Temperatur wird verringert, und überschüssiges Wasser wird in einem indirekten Querfluss-Kühler kondensiert. Der Kühler ist rechteckig, 30 cm (1 ft) breit mal 76 cm (2,5 ft) hoch mal 122 cm (4 ft) lang. Gas strömt horizontal durch den Kühler. Das Kondensat wird in den Venturi-Gas/Wasser-Abscheider vor dem Ausstoßen zurückgeführt. Im Anschluss an den Gaskühler wird ein Teil des Produktgases als Brennstoff in dem Impulsverbrenner verwendet, und der Rest wandert zu den Brennstoffzellen-Stacks, welche in einem benachbarten Behälter von identischer Größe angeordnet sind.
Die erforderliche Feuerungsrate für den Impulsverbrenner beläuft sich auf ungefähr 3,17 GJ/h (3 Millionen Btu/h). Der Verbrenner besteht aus einer Verbrennungskammer und achtundzwanzig 1,83 m (sechs Fuß) langen Resonanzrohren. Die Rohre sind tatsächlich aus 1,5-Inch-Schedule40-Rohr, hergestellt aus nichtrostendem 310-Stahl, um einen Betrieb bei ausreichend hoher Temperatur (~898°C (1650°F)) zu gestatten, um den Reformer bei der erforderlichen Temperatur von 801°C (1475°F) zu halten. Der Verbrenner wird mit einem Teil des Produktgases aus der Brennstoffzelle befeuert. Verbrennungsluft wird ebenfalls auf 171°C (340°F) vorgewärmt.
Das Impulsverbrenner-Abgas, welches aus dem Reformer austritt, kann auch durch eine Dampf-Überhitzungseinrichtung laufen, in welcher die Dampftemperatur erhöht wird (vorzugsweise auf etwa 704°C (1300°F)), vor der Verwendung zur Aufwirbelung des Bettes. In einer Ausführungsform kann das heiße Rauchgas dann in einen Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator (HRSG #2) eintreten, ähnlich zu demjenigen, welcher vorausgehend auf dem Brenngas-Strom beschrieben wurde. In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt der HRSG über 14,9 m² (162 ft²) Wärmetransferfläche, einschließlich Sektionen zur Erzeugung von Mitteldruck-Dampf und Hochdruck-Dampf sowie zur Überhitzung des Hochdruck-Dampfes (43 bar (630 psig)) auf 399°C (750°F). Das Rauchgas kann dann in eine Luft- Vorwärmungsvorrichtung eintreten, bevor es in den Schornstein abgeführt wird. In einer Ausführungsform besitzt die Lufterwärmungsvorrichtung etwa 5,52 m² (60 ft²) Oberflächenbereich, basierend auf den blanken Rohren. Das Rauchgas, welches die Lufterwärmungsvorrichtung verlässt, wird bei einer Temperatur von 135°C (275°F) in den Schornstein abgeführt.
In einer Ausführungsform werden der Brennstoffzellen-Stack, die Energie-Konditionierung, der Brenngas-Polierer und die thermale Integrations-Einrichtung in einem zweiten Modul installiert. Die thermale Integrations-Einrichtung kann eine Luft-Vorwärmungsvorrichtung, eine Brennstoff-Vorwärmungsvorrichtung und einen Ekonomiser bzw. Speisewasservorwärmer einschließen. Der Ekonomiser erwärmt Boiler-Speisewasser zu dem HRSG #2. In diesem Packungsvorgehen sind die Brennstoffprozessoren und der Brennstoffzellen-Stack in einem Gestell enthalten. Wärme aus dem Zellen-Stack wird zu der Wand eines Mantelring-Dampfreformer-Wirbelbettes abgestrahlt, welches indirekt durch Mantelring-Resonanzrohre des Impulsverbrenners erwärmt wird, die für diese Größe entworfen sind. Das Rauchgas, welches durch eine Rauchgas-Sammelkammer geleitet wird, erwärmt die Dampf-Überhitzungseinrichtungs-Rohre, welche unterhalb des Wirbelbettreaktors angeordnet sind. Die Reaktorhülle ist aus rostfreiem 310 ohne feuerfeste Auskleidung hergestellt. Eine Keramikfaser-Isolierung bedeckt die ringförmige Fläche, in welcher der Abzug nach Erwärmen des Überhitzungseinrichtungs-Rohres verläuft, um die Einheit zu isolieren.
Energiekonditionierungs- und Steuerungsgerätschaften sind unterhalb des integrierten Reaktor/Brennstoffzellen-Systems lokalisiert. Das Brenngas-Säuberungssystem ist auf demselben Gestell auf der Seite angeordnet, und ein HRSG kann auf der linken Oberseite des Systems lokalisiert sein. Ein zusätzlicher HRSG könnte (optional) eingesetzt werden, um mehr Wärme aus dem Rauchgas zurückzugewinnen, abhängig von der örtlichen Wirtschaftslage, und könnte auf dem gleichen Gestell an einer entgegenliegenden Position zur Gasreinigungsstrecke platziert sein. Dies ist im Allgemeinen im Fall eines 40-kW-Systems wahrscheinlicher, als es bei einer 10-kW-Einheit ist. Die konzentrische Konfiguration wird für die 10- bis 40 kW-Module in Erwägung gezogen, um Wärmeverlust aus dem Dampfreformer zu verringern und die thermische Integration zwischen dem Zellen-Stack und dem Reformer zu verbessern.
Es versteht sich, dass Aspekte der verschiedenen Ausführungsformen sowohl in der Gesamtheit als auch teilweise ausgetauscht werden können. Darüber hinaus wird es der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet richtig einschätzen, dass die vorangehende Beschreibung lediglich als Beispiel angegeben ist, und damit nicht beabsichtigt wird, die Erfindung einzuschränken.

Claims

Verfahren zum Erzeugen von Elektrizität aus kohlenstoffhaltigen Materialien, umfassend die Schritte: Bereitstellen eines Wirbelbetts (34), welches ein teilchenförmiges Material und ein Fließmedium umfasst, wobei das Fließmedium Dampf umfasst; Einspeisen eines kohlenstoffhaltigen Materials in das Wirbelbett (34), wobei sich das Wirbelbett (34) auf einer Temperatur befindet, welche für eine endotherme Reaktion des kohlenstoffhaltigen Materials mit dem Dampf zur Erzeugung eines Produktgasstroms ausreichend ist; Einspeisen des Produktgasstroms in eine Brennstoffzelle (38), wobei die Brennstoffzelle (38) den Produktgasstrom verwendet, um Elektrizität zu erzeugen; Verbrennen einer Brennstoffquelle in einer Verbrennungsvorrichtung (12), um einen Verbrennungsstrom zu erzeugen, wobei der Verbrennungsstrom das Wirbelbett (34) indirekt erwärmt; und Einspeisen des Produktgasstroms, welcher aus der Brennstoffzelle (38) austritt, in die Verbrennungsvorrichtung zur Verbrennung darin; dadurch gekennzeichnet, dass dies ferner die Schritte umfasst: Erwärmen des Wirbelbetts (34) durch die Verbrennungsvorrichtung, welche eine Impulsverbrennungsvorrichtung (12) ist, welche eine Brennkammer (18) umfasst, welche mit mindestens einem Resonanzrohr (20) verbunden ist, wobei sich das Resonanzrohr (20) in das Wirbelbett (34) erstreckt, um das Bett (34) indirekt zu erwärmen; wobei die Impulsverbrennungsvorrichtung (12) eine pulsierende Strömung von Verbrennungsprodukten und eine akustische Druckwelle erzeugt und die Reaktionswärmeversorgung hauptsächlich indirekt durch die Resonanzrohre erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffzelle (38) eine Phosphorsäure-Brennstoffzelle umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffzelle (38) eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffzelle (38) eine Festoxid-Brennstoffzelle umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das kohlenstoffhaltige Material ein Material umfasst, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Kohle, Zellstoff und Papierabfall, Holzprodukten, kommunalen Abfall, Abwasser, Lebensmittelabfall, Pflanzenmaterial, tierischem Abfall und Mischungen davon besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das kohlenstoffhaltige Material Holz umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das kohlenstoffhaltige Material Schwarzlauge umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Wirbelbett (34) auf einer Temperatur von 538°C (1000°F) bis 871°C (1600°F) gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt des Vorerwärmens eines Luftstroms unter Verwendung des Verbrennungsstroms, welcher aus dem Wirbelbett (34) austritt, wobei der Luftstrom zur Verbrennung mit der Brennstoffquelle in die Verbrennungsvorrichtung eingespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffzelle (38) eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle umfasst und wobei mindestens ein Teil des Verbrennungsstroms zur Versorgung mit Kohlendioxid in die Brennstoffzelle eingespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Teil des Produktgasstroms, welcher in dem Wirbelbett erzeugt wird, verbrannt wird, um das Wirbelbett (34) indirekt zu erwärmen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Produktgasstrom vor der Brennstoffzelle (38) zum Erwärmen von Dampf, welcher in das Wirbelbett (34) eingespeist wird, in einen Wärmeaustauscher eingespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verbrennungsprodukte nach dem Austreten aus dem Wirbelbett (34) zum Erwärmen von Dampf, welcher in das Wirbelbett (34) eingespeist wird, in einen Wärmeaustauscher eingespeist werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das kohlenstoffhaltige Material Reisstroh umfasst und wobei das Verfahren ferner den Schritt des Rückgewinnens von Silikamaterial aus dem Wirbelbett (34) während des Verfahrens umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das kohlenstoffhaltige Material tierischen Abfall umfasst und wobei das Verfahren ferner den Schritt des Rückgewinnens eines Materials, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Stickstoff, Kalium, Phosphor und Mischungen davon besteht, während des Verfahrens umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Impulsverbrennung der Brennstoffquelle in der Impulsverbrennungsvorrichtung (12) erfolgt; wobei die kohlenstoffhaltigen Materialien Schwarzlauge umfassen, wobei das Wirbelbett (34) auf einer Temperatur gehalten wird, welche für eine endotherme Reaktion des kohlenstoffhaltigen Materials mit dem Dampf zur Erzeugung eines Produktgasstroms ausreichend ist; wobei die Brennstoffzelle (38) einen Elektrolyten zur Reaktion mit dem Produktgasstrom zur Erzeugung von Elektrizität umfasst; und wobei der Produktgasstrom, welcher aus der Brennstoffzelle austritt, in die Impulsverbrennungskammer zur Verbrennung darin eingespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Wirbelbett (34) auf einer Temperatur von 593°C (1100°F) bis 816°C (1500°F) gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Brennstoffzelle (38) eine Phosphorsäure-Brennstoffzelle umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Brennstoffzelle (38) eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Brennstoffzelle (38) eine Festoxid-Brennstoffzelle umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Produktgasstrom und der Impulsverbrennungsstrom zum Erwärmen von Dampf, welcher in das Wirbelbett (34) eingespeist wird, in mindestens einen Wärmeaustauscher (50, 51, 58) eingespeist werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Impulsverbrennung der Brennstoffquelle in der Impulsverbrennungsvorrichtung (12) erfolgt; wobei Holzmaterialien in das Wirbelbett (34) eingespeist werden, wobei das Wirbelbett (34) auf einer Temperatur gehalten wird, welche für eine endotherme Reaktion der Holzmaterialien mit dem Dampf zur Erzeugung eines Produktgasstroms ausreichend ist; wobei die Brennstoffzelle (38) einen Elektrolyten zur Reaktion mit dem Produktgasstrom zur Erzeugung von Elektrizität umfasst; und wobei der Produktgasstrom, welcher aus der Brennstoffzelle (38) austritt, in die Impulsverbrennungskammer (12) zur Verbrennung darin eingespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Wirbelbett (34) auf einer Temperatur von mindestens 760°C (1400°F) gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Brennstoffzelle (38) eine Phosphorsäure-Brennstoffzelle umfasst.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Brennstoffzelle (38) eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle umfasst.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Brennstoffzelle (38) eine Festoxid-Brennstoffzelle umfasst.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Produktgasstrom und der Impulsverbrennungsstrom zum Erwärmen von Dampf, welcher in das Wirbelbett (34) eingespeist wird, in mindestens einen Wärmeaustauscher (50, 51, 58) eingespeist werden.
System zum Erzeugen von Elektrizität aus kohlenstoffhaltigen Materialien, umfassend: ein Wirbelbett (34), wobei das Wirbelbett geeignet gestaltet ist, um Dampf zum Fließbarmachen eines teilchenförmigen Materials aufzu nehmen; einen Einspeisungseinlass zum Einspeisen eines kohlenstoffhaltigen Materials in das Wirbelbett (34), wobei das Wirbelbett (34) geeignet gestaltet ist, um mindestens einen Teil des kohlenstoffhaltigen Materials umzuwandeln und dadurch einen Produktgasstrom zu erzeugen; eine Brennstoffzelle (38) in Verbindung mit dem Wirbelbett (34) zum Aufnehmen des Produktgasstroms, wobei die Brennstoffzelle (38) einen Elektrolyten umfasst, wobei die Brennstoffzelle geeignet gestaltet ist, um eine Reaktion des Produktgases mit dem Elektrolyten zu bewirken, um Elektrizität zu erzeugen; dadurch gekennzeichnet, dass dies ferner umfasst: eine Impulsverbrennungsvorrichtung (12), welche eine Brennkammer (18) umfasst, welche mit mindestens einem Resonanzrohr (20) verbunden ist, wobei sich das Resonanzrohr (20) in das Wirbelbett (34) erstreckt, um das Bett (34) indirekt zu erwärmen; und eine Produktgasleitung, welche sich von der Brennstoffzelle (38) zu der Verbrennungsvorrichtung erstreckt, wobei die Produktgasleitung zum Einspeisen des Produktgases, welches aus der Brennstoffzelle (38) austritt, in die Verbrennungsvorrichtung zur Verbrennung darin dient; wobei das Resonanzrohr (20) geeignet gestaltet ist, um hauptsächlich die Wärme endothermer Reaktionen zuzuführen.
System nach Anspruch 28, ferner umfassend einen Wärmeaustauscher (50) zum Erwärmen von Dampf, welcher in das Wirbelbett (34) eingespeist wird, wobei sich der Wärmeaustauscher (50) in Fließverbindung mit dem Wirbelbett (34) befindet, um den Produktgasstrom aufzunehmen, welcher zum Erwärmen des Dampfs verwendet wird.
System nach Anspruch 28, ferner umfassend einen Dampfgenerator (58) in Verbindung mit der Verbrennungsvorrichtung, wobei die Verbrennungsvorrichtung einen Abgasstrom erzeugt, welcher verwendet wird, um Wasser zu erwärmen und Dampf in dem Dampfgenerator (58) zu erzeugen.
System zum Erzeugen nach Elektrizität nach Anspruch 28, wobei das System in der Lage ist, eine Leistung von 10 kW bis 200 kW zu erzeugen.
System nach Anspruch 28, wobei die Brennstoffzelle (38) eine Phosphorsäure-Brennstoffzelle umfasst.
System nach Anspruch 28, wobei die Brennstoffzelle (38) eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle umfasst.
System nach Anspruch 28, wobei die Brennstoffzelle (38) eine Festoxid-Brennstoffzelle umfasst.
System nach Anspruch 29, ferner umfassend einen zweiten Wärmeaustauscher (51) zum Erwärmen von Dampf, welcher in das Wirbelbett eingespeist wird, wobei sich der zweite Wärmeaustauscher (51) in Fließverbindung mit einem Abgasstrom befindet, welcher aus der Verbrennungsvorrichtung austritt.