DE10042314A1 - Gasturbinenanordnung mit einer Brennstoffzelle - Google Patents
Gasturbinenanordnung mit einer BrennstoffzelleInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbinenanordnung mit einer Brennstoffzelle, die im Strömungsverlauf eines sauerstoffhaltigen Gases zwischen einer Verdichtereinheit (1) zur Kompression des sauerstoffhaltigen Gases (11) und einer Turbineneinheit (4) vorgesehen ist, wobei das durch die Verdichtereinheit (1) komprimierte sauerstoffhaltige Gas (11a) über einen Wärmetauscher (3) durch aus der Turbine (4) austretende heiße Gase (11b) erwärmt und in die Brennstoffzelle (3) geleitet wird, und aus der Brennstoffzelle (3) austretende Gase zum Antrieb der Turbine (4) eingesetzt werden. Die Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die Verdichtereinheit mindestens einen isothermen Verdichter (1) umfasst, der das gasförmige Medium (11) isotherm verdichtet. DOLLAR A Mit der vorgeschlagenen Anordnung lässt sich eine höhere Leistungsdichte sowie ein höherer Wirkungsgrad der Anlage ohne Erhöhung der Komplexität erreichen als dies mit den bekannten Hybridanlagen des Standes der Technik möglich ist.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbi
nenanordnung mit einer Brennstoffzelle, die im Strö
mungsverlauf eines sauerstoffhaltigen Gases zwischen
einer Verdichtereinheit zur Kompression des sauerstoff
haltigen Gases und einer Turbineneinheit vorgesehen
ist, wobei das durch die Verdichtereinheit komprimierte
sauerstoffhaltige Gas über einen Wärmetauscher durch
aus der Turbine austretende heiße Gase erwärmt und in
die Brennstoffzelle geleitet wird, und aus der Brenn
stoffzelle austretende Gase zum Antrieb der Turbine
eingesetzt werden.
Gasturbinen stellen ein weit verbreitetes Aggregat
zur Energieerzeugung dar. Zur Optimierung des Energie
erzeugungsprozesses werden viele Anstrengungen unter
nommen, um den Betrieb der Gasturbinen hinsichtlich ih
rer Leistungsdichte und ihres Wirkungsgrades zu verbes
sern. Ein großer Teil der Verluste einer Gasturbine
hängt mit den relativ hohen Temperaturen am Turbinen
austritt zusammen. Zur Nutzung dieser in den Verbren
nungsgasen noch enthaltenen Energie wurden Anlagen vor
geschlagen, bei denen die Abwärme der aus der Turbine
austretenden Heißgase in einem nachgeschalteten Wasser-
Dampf-Prozess zum Antrieb einer Dampfturbine genutzt
wird. Derartige Kombikraftwerke weisen jedoch eine hohe
Komplexität auf und verursachen damit auch höhere Ko
sten.
Ein weiterer Ansatz zur Verbesserung des Wirkungs
grades von Gasturbinenanordnungen, wie er beispielswei
se in der US 5,693,201 realisiert ist, besteht im Ein
satz einer Brennstoffzelle anstelle einer herkömmlichen
Brennkammer im Strömungsverlauf zwischen dem Verdichter
und der Turbine einer Gasturbinenanordnung. Brennstoff
zellen oxidieren einen Brennstoff, vorzugsweise Wasser
stoff, Methanol oder andere Gase, mit Luft oder reinem
Sauerstoff, wobei die Reaktionsenergie zum größtenteils
als elektrische Leistung entnommen werden kann. Dabei
wird ein hoher Wirkungsgrad der Umsetzung von chemi
scher in elektrische Energie erzielt. Die meisten
Brennstoffzellen arbeiten bei einer hohen Temperatur
von bis zu 1000°C. Auch ein hoher Druck der in die
Brennstoffzelle eingebrachten Gase ist vorteilhaft, da
sich dadurch die Leistungsdichte der Brennstoffzelle
erhöhen lässt. In der US 5,693,201 wird die für die
Brennstoffzelle benötigte höhere Temperatur durch den
vorgeschalteten Verdichter für die Luft erzeugt. Die
verdichtete Luft wird in die Brennstoffzelle geleitet,
der gleichzeitig der Brennstoff zugeführt wird. Die aus
der Brennstoffzelle austretenden Gase erhöhter Tempera
tur, im Folgenden auch als Reaktionsgase bezeichnet,
werden zum Antrieb der nachgeschalteten Turbine einge
setzt. Bei dem genannten System wird somit elektrische
Energie sowohl durch direktes Abgreifen der Brennstoff
zelle wie auch über den Antrieb der Turbine erzeugt.
Zur Nutzung der Wärmeenergie der aus der Turbine aus
tretenden Heißgase wird bei der vorgeschlagenen Anordnung
wiederum ein Wasser-Dampf-Prozess nachgeschaltet,
der zu einer erhöhten Komplexität des Systems führt.
Ein weiteres Beispiel für ein derartiges Hybridsy
stem, bei dem eine Brennstoffzelle als Oberstufe eines
Gasturbinenprozesses eingesetzt wird, ist aus der US 5,811,201
bekannt. Auch bei diesem System ist im Strö
mungsverlauf eines sauerstoffhaltigen Gases zwischen
der Verdichtereinheit und der Turbineneinheit eine
Brennstoffzelle vorgesehen. Zur besseren und einfache
ren Nutzung der Wärmeenergie der aus der Turbine aus
tretenden Heißgase wird ein Wärmetauscher eingesetzt,
der das durch den Verdichter komprimierte sauerstoff
haltige Gas durch die aus der Turbine austretenden
Heißgase weiter erwärmt, bevor das komprimierte Gas in
die Brennstoffzelle eintritt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der
Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenanord
nung mit Brennstoffzelle bereit zu stellen, deren Wir
kungsgrad und Leistungsdichte gegenüber den bekannten
Anordnungen nochmals verbessert sind.
Die Aufgabe wird mit der Gasturbinenanordnung ge
mäß Patentanspruch 1 gelöst: Vorteilhafte Ausgestaltun
gen der Gasturbinenanordnung sind Gegenstand der Un
teransprüche.
Die vorliegende Gasturbinenanordnung weist eine
Verdichtereinheit auf, die mindestens einen isothermen
Verdichter umfasst, der ein sauerstoffhaltiges Gas isotherm
verdichtet. Das verdichtete sauerstoffhaltige Gas
wird anschließend über einen Wärmetauscher geleitet, in
dem die aus der Turbineneinheit austretenden Heißgase
ihre überschüssige Wärmeenergie an das verdichtete sau
erstoffhaltige Gas abgeben und dieses dadurch aufhei
zen. Das derart aufgeheizte und verdichtete sauerstoff
haltige Gas, wird dann einer Brennstoffzelle zugelei
tet, in der der enthaltene Sauerstoff mit dem der
Brennstoffzelle separat zugeführten Brennstoff, wie
Wasserstoff oder Methanol, reagiert. Die aus der Brenn
stoffzelle austretenden Reaktionsgase werden in bekann
ter Weise der Turbineneinheit zugeführt, in der durch
Expansion dieser Reaktionsgase der Antrieb der Turbine
erreicht wird. Die überschüssige Temperatur der aus der
Turbine austretenden Gase wird im Wärmetauscher an das
komprimierte sauerstoffhaltige Gas abgegeben. Hierbei
kann das gesamte aus der Turbine austretende Gas oder
auch nur ein Teil hiervon durch den Wärmetauscher ge
führt werden.
Die vorgeschlagene Anordnung weist einen höheren
Wirkungsgrad und eine höhere Leistungsdichte auf als
die aus dem Stand der Technik bekannten Hybridsysteme
mit Brennstoffzellen. Dies wird durch den Einsatz des
isothermen Verdichters zur isothermen Kompression des
sauerstoffhaltigen Gases erreicht. Durch diese isother
me Kompression kann das sauerstoffhaltige Gas ver
gleichbar hoch verdichtet werden, wie es auch im Falle
adiabatischer Verdichterstufen möglich ist, jedoch ohne
hohe Kompressionstemperaturen zu erreichen. Der ent
scheidende Vorteil der isothermen Verdichtung liegt
darin, dass die maximal mögliche Wärmezufuhr zum ver
dichteten Gas mit zunehmendem Druckverhältnis des Verdichters
nicht abnimmt. Damit bleibt die Leistungsdich
te auch bei großem Druckverhältnis hoch. Besonders vor
teilhaft wirkt sich in der vorliegenden Kombination mit
einer Brennstoffzelle aus, dass die für den Betrieb der
Brennstoffzellen erforderlichen erhöhten Temperaturen
von 600-800°C oder darüber durch den eingesetzten
Wärmetauscher (Rekuperator) gerade von der überschüssi
gen Wärme der aus der Turbineneinheit austretenden
Heißgase geliefert wird, so dass keinerlei zusätzliche
Prozesse, wie beispielsweise nachgeschaltete Wasser-
Dampf-Prozesse zur Erhöhung des Wirkungsgrades erfor
derlich sind.
Die grundsätzliche Idee des Einsatzes eines iso
therm Verdichters bei einer Gasturbinenanordnung ist
zwar bereits aus der DE 197 36 901 A1 bekannt, jedoch
betrifft diese Anordnung eine herkömmliche Gasturbine
mit üblicher Brennkammertechnik, bei der vollkommen an
dere Randbedingungen vorherrschen, und nicht, wie auf
dem vorliegenden Gebiet ein Hybridsystem mit Brenn
stoffzellentechnik. Gerade bei den vorliegenden Hybrid
systemen wurde hierbei erkannt, dass der Einsatz eines
isothermen Verdichters in Kombination mit dem Rekupera
tor eine optimale Betriebsweise der Gasturbinenanord
nung mit hoher Leistungsdichte und hohem Wirkungsgrad
ermöglicht.
Die Gasturbinenanordnung kann hierbei zur Verbes
serung der Reaktion in der Brennstoffzelle auch mit
sauerstoffangereicherter Luft oder mit reinem Sauer
stoff betrieben werden.
Die erfindungsgemäße Gasturbinenanordnung weist in
einer Ausführungsform, bei der die Verdichtereinheit
nur durch einen oder mehrere Isothermverdichter gebil
det wird, ein Temperaturniveau auf, das nur knapp über
der Umgebungstemperatur liegt, beispielsweise im Be
reich von 5°C bis 100°C. Im Rekuperator tritt das
isotherm komprimierte Gas vorzugsweise im Gegenstrom
prinzip in thermischen Kontakt mit den aus der Turbi
neneinheit austretenden Heißgasen, so dass das kompri
mierte Gas auf einen Wert knapp unter der Turbinenaus
trittstemperatur erhitzt wird, die in Abhängigkeit von
der eingesetzten Brennstoffzelle und gegebenenfalls zu
sätzlichen Vor- oder Nachbrennkammern in der Regel
deutlich oberhalb von 200°C liegt.
In einer sehr vorteilhaften Ausführungsform wird
das komprimierte und durch den Rekuperator geleitete
sauerstoffhaltige Gas vor dem Eintritt in die Brenn
stoffzelle durch eine zusätzliche Vorbrennkammer gelei
tet, in der eine weitere gezielte Erwärmung des sauer
stoffhaltigen Gases vorgenommen werden kann. Diese Vor
brennkammer kann dazu dienen, die Temperatur des sauer
stoffhaltigen Gases optimal an die erforderliche Be
triebstemperatur der Brennstoffzelle anzupassen. Beson
ders vorteilhaft lässt sich diese Vorbrennkammer jedoch
beim Anfahren der Gasturbinenanordnung einsetzen, bis
die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle erreicht
ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform
werden die aus der Brennstoffzelle austretenden Reakti
onsgase vor dem Eintritt in die Turbineneinheit durch
eine zusätzliche Nachbrennkammer geleitet, in dem sie
weiter aufgeheizt werden. Die Nachbrennkammer wird
hauptsächlich zur Einstellung bzw. Regelung der Temperatur
der Gase vor der Turbine eingesetzt, um mit der
Turbine zusätzliche Antriebsleistung für den Kompressor
zu erzielen. Weiterhin sorgt diese Nachbrennkammer in
vorteilhafter Weise zu einem besseren Ausbrand der in
der Brennstoffzelle nicht zur Reaktion gelangten Brenn
stoffreste.
Brennstoffzellen sind massenreiche Strukturen,
welche eine schnelle Aufwärmung nicht erlauben. Durch
die Nachbrennkammer wird ein Anfahren der Gasturbinen
anordnung sowie eine erste Leistungsabgabe ermöglicht,
bevor die Brennstoffzelle ihre optimalen Betriebsbedin
gungen erreicht hat. Während vom Gasturbinengenerator
bereits Strom abgegeben wird, kann das Brennstoffzel
lensystem noch aufgewärmt werden. Dazu sind besonders
Systeme geeignet, bei denen die Nachbrennkammer das Ab
gas auf eine hohe Temperatur von 1100°C oder höher
aufwärmt.
In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungs
form ist ein weiterer Rekuperator in der Gasturbinenan
ordnung vorgesehen, mit dem das verdichtete sauerstoff
haltige Gas durch die aus der Brennstoffzelle austre
tenden Reaktionsgase weiter erhitzt wird. Diese Anord
nung ist gerade für hohe Betriebsdrücke der Brennstoff
zelle vorteilhaft, bei denen der Isothermverdichter ho
he Druckverhältnisse erzeugt, wodurch die Turbinenaus
trittstemperatur entsprechend tief ausfällt. Der Iso
thermverdichter erlaubt hierbei Druckverhältnisse bis
über 100. In diesem Fall reicht die zusätzliche Abwärme
der aus der Turbine austretenden Gase möglicherweise
nicht mehr aus, um das verdichtete sauerstoffhaltige
Gas auf die für die Brennstoffzelle optimale Temperatur
aufzuheizen. Durch den zweiten Rekuperator kann dieser
noch fehlende Temperaturunterschied auf einfache Weise
überbrückt werden. Selbstverständlich können auch in
diesem Fall zusätzlich eine Vorbrennkammer und/oder ei
ne Nachbrennkammer vorgesehen sein.
Es versteht sich von selbst, dass die vorliegende
Anordnung in den jeweiligen Ausgestaltungen nicht auf
nur eine Brennstoffzelle, nur eine Vorbrennkammer, nur
eine Nachbrennkammer, nur einen Rekuperator sowie nur
eine Verdichterstufe oder nur eine Turbinenstufe be
schränkt sind. Selbstverständlich lassen sich die ge
nannten Komponenten auch in mehrfacher Anordnung ein
setzen, ohne das Wesen der vorliegenden Erfindung zu
verändern. Ebenso können zusätzlich zu den ein oder
mehreren Isothermverdichtern auch ein oder mehrere
adiabatische Verdichterstufen hinzukommen, die dann
zwar den Wirkungsgrad und die Leistungsdichte der Anla
ge erniedrigen, mit denen sich jedoch noch immer besse
re Ergebnisse erzielen lassen, als dies mit den bekann
ten Hybridanlagen des Standes der Technik möglich ist.
Der oder die isothermen Verdichterstufen können sowohl
als interne durch die Turbine angetriebene Stufen wie
auch als externe, von der Gasturbine unabhängige Stufen
eingesetzt werden. Durch Verwendung externer isothermer
Verdichterstufen können sehr hohe Druckverhältnisse er
reicht werden. Auf diese Weise kann beispielsweise mehr
als ein Rekuperator mit den aus der Turbine austreten
den Heißgasen betrieben werden, wodurch die Leistungs
dichte der Anlage erheblich gesteigert werden kann.
Als Isothermverdichter in der vorliegenden Gastur
binenanordnung kann beispielsweise ein Verdichter ein
gesetzt werden, wie er in der DE 197 36 901 A1 im Detail
beschrieben ist. Bei einem derartigen Isothermver
dichter wird ein Flüssigkeit-Luft-Gemisch entlang einer
durch einen Fallschacht gebildeten Gefällstrecke, die
sich an ihrem unteren Ende verjüngt, durch den hy
drostatischen Druck der Flüssigkeit komprimiert und in
einer sich anschließenden Druckkammer von der Flüssig
keit separiert. Die auf diese Weise komprimierte Luft
wird dann dem Rekuperator der vorliegenden Gasturbinen
anordnung zugeführt.
Weiterhin kann mit Hilfe einer Wasserpumpe, der
eine Wasserzerstäubungseinrichtung im Massenstrom nach
geschaltet ist, ein sich mit hoher Geschwindigkeit aus
breitendes Luft-Wasser-Gemisch gebildet werden, dass in
eine Verdichtereinheit gezielt eingespeist wird. Durch
das beschleunigte Wasser wird hierbei ebenfalls ein
Druck auf die vom Wasser eingeschlossene Luft ausgeübt,
der zu einer isothermen Kompression führt.
Zum gleichen isothermen Kompressionsergebnis ge
langt man durch Verwendung eines Zentrifugalbeschleuni
gers, dem axial Wasser oder ein Wasser-Luft-Gemisch zu
geführt wird, das durch entsprechende Mitnehmer dem
Zentrifugalfeld ausgesetzt wird. Durch die beschleuni
gende Wirkung wird das Wasser zerstäubt und verlässt
den Beschleuniger in einer Vorzugsrichtung, in der wie
derum eine entsprechende Verdichtereinheit vorgesehen
ist.
Schließlich ist es auch möglich, Luft mit einer
konventionellen Kompressorbeschaufelung zu verdichten,
wodurch die Luft jedoch im Wege der Kompression einer
üblichen Erwärmung unterliegt. Um eine weit gehende
Isothermie während der Kompression zu gewährleisten,
wird gleichzeitig die Luft entsprechend abgekühlt, was
über entsprechende Zwischenkühler erreicht werden kann.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung
des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausfüh
rungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel ei
ner Gasturbinenanordnung gemäß der vorliegen
den Erfindung;
Fig. 2 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel
einer Gasturbinenanordnung gemäß der vorlie
genden Erfindung; und
Fig. 3 ein Beispiel für die Ausgestaltung einer iso
thermen Verdichterstufe.
Die folgenden beiden Ausführungsbeispiele für eine
erfindungsgemäße Gasturbinenanordnung können mit jeder
Art von Isothermverdichter 1 betrieben werden. Ein der
artiger Isothermverdichter weist in der Regel einen
Luft- und einen Wasser-Kreislauf auf. Bei Einsatz eines
Injektorverdichters als isothermer Verdichter wird Was
ser unter hohem Druck, beispielsweise 80 × 105 Pa, ei
nem Injektor zugeführt, der die Umgebungsluft regel
recht mitreißt und auf ca. 18 × 105 Pa komprimiert. In
einem dem Massenstrom folgenden Luftabscheider wird
schließlich die komprimierte Luft vom Wasser getrennt.
Das Wasser strömt über einen Kühler zurück und wird erneut
dem Injektor zugeführt. Der Luftkreislauf ist na
turgemäß offen ausgebildet, wobei atmosphärische Luft
vom Injektor durch einen Filter angesaugt und durch das
eingespritzte Wasser isotherm komprimiert wird. Wegen
der inhärenten Wärmeabgabe der Luft beim Kompressions
vorgang steigt deren Temperatur zusammen mit derjenigen
des Wassers leicht an - in der Regel um etwas mehr als
1°C, aber umso mehr, je weniger Umlaufwasser verwendet
wird. Das Umlaufwasser innerhalb des geschlossenen Was
serkreislaufs weist eine Temperatur knapp über der Um
gebungstemperatur auf, beispielsweise ca. 15°C, damit
der Wasserkühler effektiv betrieben werden kann.
Die Fig. 1 zeigt eine Lösung, die für eine Brenn
stoffzellentemperatur im Bereich der Rekuperationsaus
trittstemperatur geeignet ist. Bei diesem Beispiel wird
die durch den Isothermverdichter 1 angesaugte Luft 11
isotherm komprimiert und als komprimierte Luft 11a zu
nächst dem Rekuperator 2 zugeführt. Der Rekuperator
wird mit den aus der Turbine 4 austretenden heißen Ga
sen 11b gespeist, die ihre überschüssige Wärme an die
komprimierte Luft 11a abgeben. Die auf diese Weise vor
gewärmte und verdichtete Luft wird der Brennstoffzelle
3 zugeführt, in die gleichzeitig geeigneter Brennstoff
12 eingeleitet wird. Die entstehenden heißen Reaktions
gase strömen schließlich durch die Turbine 4 und trei
ben diese an. Die durch den Antrieb der Turbine 4 er
zeugte mechanische Energie wird über eine Welle 8 einem
elektrischen Generator 7 zur Umwandlung in elektrische
Energie zugeführt. Selbstverständlich sind an der
Brennstoffzelle 3 ebenfalls Abgriffmöglichkeiten für
die in der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie
vorhanden. Aus dem Rekuperator 2 kann an entsprechenden
Anzapfstellen Luft geeigneter Temperatur als Kühlluft 9
entnommen werden und den zu kühlenden heißen Teilen der
Turbineneinheit 4 zur Kühlung zugeführt werden. Nach
Erfüllung der Kühlfunktion kann diese Kühlluft stromab
der gekühlten Komponente dem Abgas zugemischt werden.
In diesem Beispiel sind optional eine Vorbrennkam
mer 5 sowie eine Nachbrennkammer 6 vorgesehen, denen
ebenfalls geeigneter Brennstoff 12 zugeführt wird. Die
Vorbrennkammer 5 wird bei dieser Anordnung vorzugsweise
für das Anfahren der Gasturbinenanordnung benötigt. Be
sonders bei kleinerem Druckverhältnis ist die Turbinen
austrittstemperatur allerdings so hoch, dass die Vor
brennkammer überhaupt nicht benötigt wird. Die Nach
brennkammer 6 wird hauptsächlich zur Einstellung bzw.
Regelung der Temperatur vor der Turbine 4 eingesetzt,
kann aber auch zur Einstellung einer gewünschten höhe
ren Turbineneintrittstemperatur benutzt werden, wobei
sie als zusätzlichen Vorteil einen besseren Ausbrand
der unreagierten Brennstoffreste aus der Brennstoffzel
le 3 ermöglicht.
Die weitere beispielhafte Gasturbinenanordnung der
Fig. 2, in der die gleichen Bezugszeichen für die
gleichen Elemente wie in Fig. 1 verwendet wurden, un
terscheidet sich von der der Fig. 1 durch einen zu
sätzlichen Rekuperator 10, mit dem die verdichtete und
durch den ersten Rekuperator 2 vorgewärmte Luft durch
das aus der Brennstoffzelle 3 austretende warme Reakti
onsgas zusätzlich erwärmt wird. Dieses System ist be
sonders für hohe Betriebsdrücke der Brennstoffzelle 3
geeignet. Der Isothermverdichter 2 erlaubt Druckver
hältnisse bis über 100, wobei die Turbinenaustrittstemperatur
bei diesen hohen Druckverhältnissen entspre
chend gering ausfällt. Um die im Rekuperator 2 aufge
wärmte Luft 11a weiter zu erhitzen, ist daher der zu
sätzliche Rekuperator 10 vorgesehen, dessen Wärmequelle
die aus der Brennstoffzelle 3 austretenden Reaktionsga
se sind. Auch in diesem Fall sind optional eine Vor
brennkammer 5 sowie eine Nachbrennkammer 6 vorgesehen.
In diesem Falle ist die Vorbrennkammer möglicherweise
nur für den Start der Anlage nötig. Die Nachbrennkammer
hat jedoch wieder den Vorteil, den vollständigen Aus
brand des Brennstoffes 12 zu gewährleisten und auch für
genügend Antriebsleistung für den Kompressor 2 zu sor
gen, falls dieser als interner Verdichter ausgestaltet
ist.
Auch die Kühlluftversorgung von Verbrauchern mit
einem niedrigerem Druck als dem Maximaldruck stellt ein
weiteres Verbesserungspotential der Anlage dar. Diese
Kühlluft 9 kann mit dem Hauptluftstrom auf die Rekupe
rationsendtemperatur gebracht werden und dann in einer
(nicht dargestellten) Entspannungsturbine auf das er
forderliche Druckniveau entspannt werden. Hierdurch
können zusätzlich eine Steigerung der Leistung und eine
Verbesserung des Wirkungsgrades erzielt werden. Weiter
hin kann die Kühlluft auf Zwischendruckwerte innerhalb
einer Turbine entspannt werden. Auch bietet sich an,
die Kühlluft vor der Entspannung noch höher zu erhit
zen.
In Fig. 3 ist schließlich ein Beispiel für einen
Isothermkompressor dargestellt, dessen Druckerzeugung
im Gegensatz zu den Lösungen mit Fallschacht oder In
jektor direkt vom Fliehkraftfeld herrührt. Hierzu weist
der Kompressor ein Gehäuse 13 auf, an dessen Unterseite
ein Motorantrieb mit Motorantriebsrichtung 14 vorgese
hen ist, der Kompressorrotoren 15, von denen lediglich
einer in der Fig. 2 dargestellt ist, antreibt. Die
Kompressorrotoren 15 sind als radiale Schaufeln ausge
bildet und rotieren im unteren Bereich im Inneren des
Gehäuses 13 um die Drehachse A des Motorenantriebes.
Ferner ist im Inneren des Kompressorgehäuses 13 ein
stationär oder mitrotierend angebrachter Umlenkkörper
16 vorgesehen, der zusammen mit dem Kompressorrotor 15
eine Druckluftleitung 17 einschließt.
Koaxial zur Rotorachse A ist ein Luftansaugtrich
ter 18 angebracht, durch den Luft während des Betriebes
des Isothermkompressors angesaugt wird. Die in das In
nere des Gehäuses 13 eintretende Luft wird im Gemisch
bildungsbereich 24, in dem leichter Unterdruck vor
herrscht, mit Wasser aus der Wasserzuführung 23' ver
mischt, so dass ein Luft-Wasser-Gemisch in Art eines
Blasengemisches in das Innere des Kompressors gelangt
und von den Kompressorrotoren 15 mitgerissen und radial
nach aussen in Richtung der Gehäusewand 13' beschleu
nigt wird. An der senkrechten Gehäusewand 13' bildet
sich ein Wasserfilm; von diesem scheidet sich kompri
mierte Luft ab. Der Wasserfilm wandert entlang der Ge
häusewand 13' durch einen Dosierspalt 19 für den Rück
fluss des ausgegasten Wasserfilmes, der zwischen der
Gehäusewand und dem Umlenkkörper 16 eingeschlossen ist,
in den Wasserrück- und abführungskanal 23, in dem ein
Teil des Wassers einem erneuten Mischvorgang zur Verfü
gung steht. Kondensiertes Überschusswasser gelangt über
den Wasserrück- und abführungskanal 23 und eine Wasser
aufbereitung 25 in den Überschusswasserbehälter 20, von
dem die benötigte Wassermenge über eine Wasserzuführung
23' erneut in den Wasserkreislauf eingebracht wird.
Die isotherm komprimierte Luft 22 strömt im Strö
mungskanal 21 zurück ins Zentrum des Kompressors und
gelangt über eine mitrotierende Druckluftleitung 17 ge
zielt in einen nicht näher dargestellten Rekuperator,
von dem sie nachfolgend in eine Brennkammer eingebracht
wird. Die Druckluftleitung 17 ist über eine rotierende
Dichtung zum Luftansaugbereich des Kompressors abge
grenzt.
Der in Fig. 3 dargestellte Kompressortyp erfor
dert zudem keine hohen Strömungsgeschwindigkeiten und
keine besonders feine Zerstäubung des Wassers, da das
Luft-Wasser-Gemisch auf kleinem Radius oder mittig auf
genommen wird und durch radial nach aussen geführte
Strömung verdichtet, auf dem größten Durchmesser die
Luft vom Wasser trennt und separat auf kleinere Radien
zurückführt.
1
Isothermverdichter
2
Rekuperator
3
Brennstoffzelle
4
Turbine
5
Vorbrennkammer
6
Nachbrennkammer
7
Generator
8
Welle
9
Kühlluft
10
zweiter Rekuperator
11
Luft
11
a verdichtete Luft
11
b Abgas
12
Brennstoff
13
Gehäuse
14
Motorantriebsdrehrichtung
15
Kompressorrotor
16
Umlenkkörper
17
Druckluftleitung
18
Luftansaugtrichter
19
Dosierspalt
20
Überschusswasser
21
Kanal
22
isotherm komprimierte Luft
23
Wasserrück- und abführungskanal
23
' Wasserzuführungskanal
24
Gemischbildungsbereich
25
Wasseraufbereitung
A Rotorachse
A Rotorachse
Claims (10)
1. Gasturbinenanordnung mit einer Brennstoffzelle
(3), die im Strömungsverlauf eines sauerstoffhal
tigen Gases (11, 11a) zwischen einer Verdich
tereinheit (1) zur Kompression des sauerstoffhal
tigen Gases (11) und einer Turbineneinheit (4)
vorgesehen ist, wobei das durch die Verdichterein
heit (1) komprimierte sauerstoffhaltige Gas (11a)
über einen Wärmetauscher (2) durch aus der Turbine
(4) austretende heiße Gase (11b) erwärmt und in
die Brennstoffzelle (3) geleitet wird, und aus der
Brennstoffzelle (3) austretende Gase zum Antrieb
der Turbine (4) eingesetzt werden,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Verdichtereinheit mindestens einen iso
thermen Verdichter (1) umfasst, der das sauer
stoffhaltige Gas (11) isotherm verdichtet.
2. Gasturbinenanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen Wärmetauscher (2) und Brennstoffzel
le (3) eine Vorbrennkammer (5) zur zusätzlichen
Erwärmung des durch die Verdichtereinheit (1) kom
primierten sauerstoffhaltigen Gases (11a) vorgese
hen ist.
3. Gasturbinenanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen Brennstoffzelle (3) und Turbine (4)
eine Nachbrennkammer (6) zur zusätzlichen Erwärmung
der aus der Brennstoffzelle (3) austretenden
Gase vorgesehen ist.
4. Gasturbinenanordnung nach einem der Ansprüche 1
bis 3, dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen Wärmetauscher (2) und Brennstoffzel
le (3) ein weiterer Wärmetauscher (10) zur zusätz
lichen Erwärmung des komprimierten sauerstoffhal
tigen Gases (11a) vorgesehen ist, in dem Wärmee
nergie von den aus der Brennstoffzelle (3) austre
tenden Gasen an das komprimierte sauerstoffhaltige
Gas (11a) übertragbar ist.
5. Gasturbinenanordnung nach einem der Ansprüche 1
bis 4, dadurch gekennzeichnet,
dass der isotherme Verdichter (1) eine Diffu
soranordnung umfasst, in die ein Luft-Wasser-
Gemisch mit hoher Geschwindigkeit einleitbar ist.
6. Gasturbinenanordnung nach einem der Ansprüche 1
bis 4, dadurch gekennzeichnet,
dass der isotherme Verdichter (1) ein motorbetrie
benes rotierendes Gehäuse (13) mit strömungsfüh
renden Einbauten aufweist, welches ein Luft-
Wasser-Gemisch auf kleinem Radius oder mittig auf
nimmt und durch radial nach außen geführte Strö
mung verdichtet, auf dem größten Durchmesser die
Luft vom Wasser trennt und separat auf kleinere
Radien zurückführt, wobei eine Einheit zur Erzeu
gung des Luft-Wasser-Gemisches vorgesehen ist.
7. Gasturbinenanordnung nach einem der Ansprüche 5
oder 6, dadurch gekennzeichnet,
dass an dem isothermen Verdichter (1) radiale oder
radial-tangentiale Strömungsleitorgane für die
auswärts gerichtete Gemischströmung, die einwärts
gerichtete Luftströmung und die einwärts gerichte
te Wasserströmung angebracht sind.
8. Gasturbinenanordnung nach einem der Ansprüche 1
bis 7, dadurch gekennzeichnet,
dass sich der isotherme Verdichter (1) aus mehre
ren adiabatischen Verdichterstufen mit Zwischen
kühlern zusammensetzt.
9. Gasturbinenanordnung nach einem der Ansprüche 1
bis 8, dadurch gekennzeichnet,
dass an dem Wärmetauscher (3) Anzapfstellen vorge
sehen sind, an denen sauerstoffhaltiges Gas zu
Kühlzwecken abgeführt und mittels Kühlkanälen an
heiße Stellen der Gasturbinenanordnung zuführbar
ist, vorzugsweise zum Kühlen der Turbineneinheit
(4).
10. Gasturbinenanordnung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass das zu Kühlzwecken abgeführte sauerstoffhal
tige Gas zur Druckanpassung durch eine Kühlluft
turbine läuft, um an der zu kühlenden heißen Stel
le annähernd dem vor Ort herrschenden Druckniveau
zu entsprechen.
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