DE10042314A1

DE10042314A1 - Gasturbinenanordnung mit einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE10042314A1
Application number: DE10042314A
Authority: DE
Inventors: Hans E Wettstein
Original assignee: Alstom Power NV
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2000-08-29
Filing date: 2000-08-29
Publication date: 2002-03-28
Anticipated expiration: 2020-08-30
Also published as: DE10042314B4

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

Technisches Gebiet

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.

Stand der Technik

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.

Darstellung der Erfindung

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.

Wege zur Ausführung der Erfindung

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.

Bezugszeichenliste

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

Claims

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.