DE102006040289A1

DE102006040289A1 - Gaserzeuger

Info

Publication number: DE102006040289A1
Application number: DE102006040289A
Authority: DE
Inventors: Guenter Mayer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-08-29
Filing date: 2006-08-29
Publication date: 2008-03-06

Abstract

Die Erfindung betrifft einen neuartigen mit Dampf gekühlten Gaserzeuger, welcher mit elektrischer Energie angetrieben und einlassseitig mit Luft, Dampf sowie Erdgas unterhalten wird. An seinem Auslass liefert er Sauerstoff, Stickstoff und ein an Wasserstoff reiches Synthesegas. Mittels eines Katalyse-Prozesses an einem Sauerstoff-Ionenleiter wird die Luft in Sauerstoff und Stickstoff getrennt. Im Innern des Sauerstoff-Ionenleiters befindet sich ferner ein Reaktor-Gefäß für einen autothermal ablaufenden Reformierungs-Prozess, in welchem das Erdgas mittels des Sauerstoffs aus dem Katalyse-Prozess und mittels des zur Kühlung dienenden Dampfes in ein Synthesegas umgewandelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen neuartigen mit Dampf und Strom betriebenen Gaserzeuger, in welchem sowohl eine Zerlegung der Luft in Sauerstoff und Stickstoff mittels Katalyse an einem Sauerstoff-Ionenleiter als auch eine Herstellung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid mittels Reformierung aus Erdgas durchführbar ist.
Sauerstoff-Ionenleiter werden heute als Feststoff-Elektrolyt in Brennstoffzellen, in Sauerstoff-Analysatoren, in Fahrzeugen als Lambda-Sonde, in Feuchte-Sensoren und in Gastrenn-Anlagen eingesetzt.
Letztere wird in der Patentschrift in der DE 697 01 211 T2 beschrieben. Der Erfinderin kommt es in dieser Patentsschrift darauf an, dass der Sauerstoff-Ionenleiter als Sauerstoff-Ionenpumpe mit weiteren Sauerstoff-Ionenleitern in planarer Ausführung aufeinander stapelbar ist, wobei der Sauerstoff mit Hilfe einer Vorspannungselektrode bei einem Spannungswert von < 40 mV durch den Sauerstoff-Ionenleiter transportiert und in einem Behältnis gesammelt sowie bei einem Druck von mindestens 5 kPa abgezogen wird. Damit der an der Vorspannungs-Elektrode geforderte Spannungswert nicht überschritten wird, ist eine Abzugsvorrichtung erforderlich, mit welcher der Unterdruck für den Abzug des Sauerstoffs erreicht wird. Ferner lassen sich mit einer solchen Lösung nur kleine Mengen an Sauerstoff gewinnen, da sowohl die zugeführte Luft als auch der daraus gewonnene Sauerstoff als Wärme abführendes Medium die anfallende Wärme nur ungenügend in sich als Enthalpie speichern können.
In der DE 100 41 712 A1 wird ein Reformierungsanlage zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Gases aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Gemisch offenbart. Diese umfasst eine Reformierungseinheit zur Durchführung einer Reformierungsreaktion, durch die ein CO-haltiges Reformatgas mittels Kohlenwasserstoff, Dampf und Luft erhalten wird, eine Hochtemperatur-Shiftreaktionseinheit zur ersten Umsetzung von dem im zugeführten Reformatgas enthaltenen Kohlenmonoxid, einen Wärmetauscher, und eine Niedertemperatur-Shift-Reaktionseinheit zur weiteren Umsetzung des Kohlenmonoxids und zur Erzeugung von Wasserstoff, wobei die Hochtemperatur-, die Niedertemperatur-Shift-Reaktionseinheit und der Wärmetauscher, die der Reformierungseinheit nachgeschaltet sind, in einem Konvertierungsreaktor zusammengefasst sind. Die Reformierungsanlage liefert demnach ein an Wasserstoff reiches Reformat, welches jedoch den Nachteil aufweist, dass es mit Stickstoff aus der von Sauerstoff abgereicherten Luft angereichert ist und somit einen niedrigeren Heizwert ausweist. Darüber hinaus erhöht der im Reformat vorhandene Stickstoff den Aufwand für einen Synthesegas-Prozess, aus welchem der Stickstoff wieder entfernt werden muss.
Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, das die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.
Diese Aufgabe ist bei einem Gaserzeuger der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und zum Betreiben desselben durch die Merkmale des Patentanspruchs 23 gelöst. Weiterbildungen sind in den anhängigen Ansprüchen angegeben.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit welcher sich Sauerstoff und Stickstoff aus der Luft gewinnen lässt, wobei der Sauerstoff und der Stickstoff in einer solchen Qualität und Reinheit anfallen, welche sowohl einem innerhalb als auch außerhalb des Sauerstoff-Ionenleiters ablaufenden Sauerstoff- und Stickstoff unterhaltenden Prozess zuführbar sind.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem für Sauerstoff-Ionen leitenden Feststoffelektrolyten gelöst, welcher mit einer Anoden- und einer Kathoden-Elektrode zu einem Schichtkörper verbunden ist, wobei der Feststoffelektrolyt die Anoden- und die Kathoden-Kammer voneinander beabstandet. Die Kathoden-Elektrode ist ebenso wie die Anoden-Elektrode gasdurchlässig, während der als Platte oder Röhre ausgeführte und aus einem Sauerstoff-Ionenleiter bestehende Feststoffelektrolyt nur für ionisierten Sauerstoff durchlässig ist. In einer vorteilhaften Ausführung ist der Schichtkörper als Röhre ausgeführt und in einem Behältnis eingebaut, welches gleichzeitig die Aufgabe der Kathoden-Kammer für die Sauerstoff-Ionenpumpe übernimmt. Dieser Kathoden-Kammer wird Luft zugeführt, deren Sauerstoff an der Kathoden-Elektrode in einem Katalyse-Prozess zu Sauerstoff-Ionen ionisiert wird, während der von Sauerstoff abgereicherte Stickstoff der Luft die Kathoden-Kammer als Produktgas über deren Auslass verlässt. Ferner umfasst die als Schichtkörper ausgeführte Röhre die Anoden-Kammer, in welcher Sauerstoff gewonnen wird, indem die durch den Katalyse-Prozess erzeugten und durch den Sauerstoff-Ionenleiter geflossenen Sauerstoff-Ionen an der Anoden-Elektrode in einer elektrischen Entladung zu Sauerstoff degradiert werden. Die zu Sauerstoff degradierten Sauerstoff-Ionen werden als Produktgas über einen Auslass aus der Anoden-Kammer abgeführt oder als Oxidator für einen ATR-Prozess weiter verwandt. Über den Einlass wird die Anoden-Kammer hierzu mit Dampf gespeist, welcher einerseits die im Feststoffelektrolyten entstehende Wärme aufnimmt und abführt und andererseits den Partialdruck des Sauerstoffs an der Anoden-Elektrode minimiert, wodurch eine geringere Energie für den Transport der Sauerstoff-Ionen durch den Feststoffelektrolyten aufgebracht werden muss. Die Mischung aus Dampf und Sauerstoff wird daraufhin entweder einem Kondensator, in welchem der Dampf niedergeschlagen wird oder aber einem Reaktor-Gefäß zugeführt, in welchem zugeführtes Erdgas zusammen mit der Dampf- und Sauerstoff-Mischung zu einem an Wasserstoff reichen Reformat reformiert wird. Damit eine am Feststoffelektrolyten vergleichmäßigte Wärmeabführung gewährleistet ist, wird in einer bevorzugten Ausführung auch die Kathoden-Kammer mit Dampf gekühlt. In einer weiteren bevorzugten Ausführung werden beide Kammern im Gleich- oder Gegenstrom mit Dampf aus einer gemeinsamen Dampfquelle mit gleich hohem Dampfdruck unterhalten, wonach der Sauerstoff-Ionenleiter von Druckschwankungen befreit vom tiefen Unterdruck bis in den hohen Überdruck stufenlos betrieben werden kann. Angetrieben wird schließlich der Katalyse-Prozess mittels eines Gleichstroms aus einer Stromquelle, wobei der Plus-Pol der Stromquelle mit der Kathoden-Elektrode und der Minus-Pol der Stromquelle mit der Anoden-Elektrode verbunden sind.
Mittels dem zwischen der Anoden- und der Kathoden-Elektrode anliegenden elektrischen Feld wird der zu Sauerstoff-Ionen ionisierte Sauerstoff angetrieben, welcher den Sauerstoff-Ionenleiter in Richtung Anoden-Elektrode durchströmt und welcher an der Anoden-Elektrode durch eine elektrische Entladung wieder zu Sauerstoff degradiert wird, während die von den Sauerstoff-Ionen abgeführten Elektronen einer Elektronensenke zugeführt werden. Der durch die elektrische Entladung gewonnene Sauerstoff verlässt daraufhin die Anoden-Kammer über deren Auslass.
Der an der Kathoden-Elektrode ablaufende Katalyseprozess endet, sobald der Sauerstoff auf der Kathodenseite aufgebraucht ist.
Die Reaktion am Ein- und Ausgang des Sauerstoff-Ionenleiters lautet: Kathode: O₂ + 4e^– → 2O^2– Anode: 2O^2– → O₂ + 4e^–
Die anschließende Reaktion im Sauerstoff-Ionenleiter besteht hierbei aus einer komplexen Abfolge von Adsorptions-, Ladungstransfer- und Diffusionsschritten.
Als Material für den Sauerstoff-Ionenleiter wird u.a. tetragonal oder kubisch stabilisiertes Zirconiumoxid (3, resp. > 8 mol% Y₂O₃ stabilisiertes ZrO₂) verwandt. Die ionische Leitfähigkeit des Feststoff-Elektrolyten beruht am Beispiel von ZrO₂ auf Sauerstoffleerstellen, die durch Substitution von Zr⁴⁺ durch Y³⁺ hervorgerufen werden. Diese bewegen sich nach einem so genannten Hopping-Mechanismus.
Je nach geforderter Betriebstemperatur des Sauerstoff-Ionenleiters stehen verschiedenste Materialien zur Verfügung. Beispielsweise für Temperaturen oberhalb von 900°C die Ausführungen ZrO₂ mit 9 mol% Y₂O₃. Für Temperaturen unterhalb von 900°C eignet sich beispielsweise die Ausführungen ZrO₂ mit 7,5 mol% Sc₂O₃. Für eine Temperatur von oberhalb 600°C eignet sich der Sauerstoff-Ionenleiter mit dem perowskitischem ABO₃ Kristallgitter La_0,6Sr_0,2Ga_8,5Mg_0,2O₃.
Bei den Sauerstoff-Ionenleitern handelt es sich im Weiteren um Materialien, welche sowohl gegenüber stark oxidierender als auch stark reduzierender Atmosphäre stabil sind. Ein solcher Sauerstoff-Ionenleiter wird als dünne Elektrolytschicht von beispielsweise 40 bis 200 μm auf der porösen und als Platte oder als Röhre ausgebildeten Kathoden-Elektrode aufgebracht. Dies kann beispielsweise durch einen Aufdampfprozess erfolgen.
Als Anoden-Elektrode kommt ein elektrischer Leiter mit hoher elektrischer Leitfähigkeit zum Einsatz, welcher unter stark oxidierender Atmosphäre stabil ist sowie einen niedrigen Widerstand für die Elektronen abführenden Sauerstoff-Ionen besitzt, wie beispielsweise Platin oder Perowskit (ABO₃), wie beispielsweise einem perowskitischem Lanthan-Strontium (Calzium)-Manganat. Hierbei kann es sich um eine feste Lösung mit einer Mischung von La³⁺ und Sr²⁺ auf dem A- und einem Übergangsmetall auf dem B-Platz des Gitters handeln, insbesondere La_1-xSr_xMnO₃ (sog. LSM), wobei x zwischen 0,2 bis 0,4 variiert. Die Anoden-Elektrode weist eine Porosität von vorzugsweise zwischen 40% und 60% auf und besitzt eine Korngröße von 0,3 μm bis 2 μm. Die Schichtdicke liegt vorzugsweise zwischen 5 μm und 50 μm.
Die Kathoden-Elektrode besteht beispielsweise aus Zirkonoxid/-Nickel Cermet oder Cer/Nickel Cermet.
Die Anoden-Elektrode wird daraufhin unter reduzierender Atmosphäre und die Kathoden-Elektrode mit oxidierendem Gas mit dem Sauerstoff-Ionenleiter zu einer fest miteinander verbundenen Ionenleiter-Elektroden-Anordnung (nachfolgend ICE-A für IonicConductorElectrode-Assembly) gesintert.
Der Sauerstoff-Ionenleiter hat bei dem Katalyse- und Ionisierungs-Prozess den Vorteil, dass zwischen der Kathode und der Anode außer dem ionischen Sauerstoff keine sonstigen Stoffe fließen können und es somit zu keiner Vermischung kommt. Dadurch entfällt eine Nachbehandlung des Sauerstoffs.
Der durch den Katalyse-Prozess fließende Strom durch den Sauerstoff-Ionenleiter bewirkt eine Erwärmung desselben. Für die Erwärmung sind verschiedenste Ursachen verantwortlich. Die ohmschen Widerstände sowohl der Anoden- und der Kathoden-Elektrode als auch der des Sauerstoff-Ionenleiters verstromen die Elektronen. Ferner werden Elektronen bei der Katalyse, in welcher die Sauerstoffmoleküle zu Sauerstoff-Ionen ionisiert werden verstromt. Und schließlich werden bei einem der Katalyse entgegen gerichteten Sauerstoffpartialdruckgradienten weitere Elektronen verstromt. Die Verstromung der Elektronen bewirkt joulsche Wärme. Um eine Überhitzung zu vermeiden, muss diese abgeführt werden.
Für die Abführung der joulschen Wärme wird erfindungsgemäß Dampf vorgeschlagen. Der Dampf wird vorzugsweise entlang des Sauerstoff-Ionenleiters geführt, welcher den Sauerstoff-Ionenleiter berührt und die Wärme durch die Kontaktierung aufnimmt und abführt. Die Führung des Dampfes erfolgt beispielsweise derart, dass der Dampf durch die Kathoden- und/oder die Anoden-Kammer geleitet wird, wobei es in der Kathoden-Kammer zu einer Vermischung zwischen der Luft und dem Dampf und in der Anoden-Kammer zu einer Vermischung des Sauerstoffs mit dem Dampf kommen kann. Diese Vermischungen lassen sich jedoch außerhalb des Sauerstoff-Ionenleiters, beispielsweise durch eine Niederschlagung des Dampfes in einem Kondensator, leicht wieder auflösen.
Der Dampf ist in der Lage, große Mengen an Abwärme als Enthalpie und als Entropie zu speichern. Ferner hat er den Vorteil, dass er in der Anoden-Kammer den Partialdruck des Sauerstoffs durch Verdünnung desselben absenken kann. Auf diese Weise gelingt es, den Gradienten des Sauerstoffpartialdrucks und somit die Wärmeentwicklung im Sauerstoff-Ionenleiter zu beeinflussen. Mit der Kühlung des Sauerstoff-Ionenleiters mit Dampf gelingt es, ihn in seiner Leistung zu ertüchtigen.
Durch eine Beströmung sowohl der Anoden- als auch der Kathoden-Kammer mit Dampf entsteht ferner der Vorteil, dass an beiden Seiten des Sauerstoff-Ionenleiters ein gleich großer Druck herrscht, wonach der Schichtkörper der ICE-A keiner mechanischen Belastung ausgesetzt wird. Damit gelingt es in vorteilhafter Weise, ihn unabhängig vom jeweils herrschenden Dampfdruck zu betreiben.
Ein solcher mit Dampf unterhaltene Betrieb hat ferner den Vorteil, dass man innerhalb eines Dampfstroms die Dampftemperatur jederzeit sowohl mittels Kontaktierung des Dampfes mit der ICE-A als auch mittels zugeführtem Wasserstoff oder Erdgas erhöhen kann, indem man den Wasserstoff und das Erdgas nach der ICE-A stromab mit den zu Sauerstoff degradierten Sauerstoff-Ionen aus dem Sauerstoff-Ionenleiter im Dampf vermischt und anschließend in einer Brennkammer katalytisch zu Wasserdampf und Kohlendioxid verbrennt. Dadurch, dass sich die ICE-A in relativ druckloser Umgebung mit Dampf betreiben lässt, kann sie beispielsweise an jeder beliebigen Stelle als Sauerstofflieferant für einen Zwischenüberhitzer genutzt werden, wobei ein katalytischer Brenner innerhalb des Dampfstroms den Vorteil hat, dass sich anstelle des Heizwertes die chemische Energie des Brennstoffs in Wärme umsetzten lässt. Ferner entstehen durch den adiabatisch ablaufenden Prozess keine Abgasverluste, so dass sich sämtliche im Dampf gespeicherte Energie aus der ICE-A und dem Brenner sowohl als Enthalpie als auch als Entropie nutzen lässt.
Die Verdünnung des Sauerstoffs mittels des Dampfes hat des Weiteren den Vorteil, dass sich mit der Mischung aus Dampf und Sauerstoff erfindungsgemäß ein autothermal angetriebener Reformierungs-Prozess (ATR) unterhalten lässt, in welchem Erdgas oder ein sonstiger Kohlenwasserstoff zu einem aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehenden Synthesegas reformiert wird. Der ATR stellt eine Kombination aus Dampfreformierung und partieller Oxidation dar. Teils rekrutiert sich der Oxidator aus der Reduktion des Dampfes, während der übrige Teil durch die zu Sauerstoff degradierten Sauerstoff-Ionen aus der ICE-A bereitgestellt wird. Ferner wird dem ATR durch den Katalyse-Prozess der ICE-A Wärme zugeführt. Diese ist teils in den zu Sauerstoff degradierten Sauerstoff-Ionen enthalten. Weitere Wärme wird dem ATR zugeführt, indem der Dampfstrom die ICE-A kontaktiert und die von der ICE-A abgegebene Wärme aufnimmt. Die Reaktion für den ATR lautet: 2CH₄ + H₂O + ½O₂ → 2CO + 5H₂
Die autothermale Reformierung hat den Vorteil, dass sie gegenüber der Dampfreformierung deutlich weniger Wärme verbraucht und gegenüber der partiellen Oxidation ein an Wasserstoff reicheres Gas liefert.
Der im ATR nicht umgesetzte Dampf wandelt daraufhin in einem stromab im Dampfstrom angeordneten Shift-Reformer das Kohlenmonoxid erfindungsgemäß zu Wasserstoff und Kohlendioxid um.
Die Kombination von Sauerstoff-Ionenleiter und dem ATR-Prozess hat folglich den Vorteil, dass die Wasserstoffausbeute gegenüber einer traditionellen autothermalen Reaktion steigt, indem die Abwärme des Sauerstoff-Ionenleiters und die im Sauerstoff gespeicherte Enthalpie als thermische Energie E_(ICE-A) Teile des Sauerstoffs als Heizmittel substituiert und die Reformierung dadurch weiter antreibt, wonach mehr Erdgas zusammen mit Dampf in Wasserstoff umgewandelt werden kann. Demnach kann elektrische Energie, welche im Sauerstoff-Ionenleiter zuvor verstromt wurde, nicht nur in thermische sondern auch wieder in chemische Energie zurückgewandelt werden.
Die hieraus resultierende Reaktion lautet wie folgt: {2CH₄ + nCH₄} + {½O₂ + E_(ICE-A)} + {H₂O + ½nH₂O} → {2CO + nCO} + {5H₂ + 3nH₂} wobei n in Abhängigkeit der Betriebstemperatur des Feststoffelektrolyten einen Wert zwischen 0 und +1 einnimmt.
Die endotherm ablaufende autothermale Reaktion innerhalb des Sauerstoff-Ionenleiters hat ferner den Vorteil, dass sie der ICE-A Wärme entzieht, wodurch sich der Aufwand für eine Kühlung des Sauerstoff-Ionenleiters reduziert.
In einer Vielzahl von Anwendungen wird der ATR-Prozess bis dato ausschließlich mit Luft unterhalten, wonach sich der ATR-Prozess in Anwesenheit von Stickstoff erst oberhalb von 1.100°C selbst am Laufen hält, während sich mit reinem Sauerstoff die Reaktortemperatur auf bis zu ca. 500°C absenken lässt. Der Betrieb des ATR-Prozesses mit reinem Sauerstoff hat daher den Vorteil, dass beispielsweise ein separat betriebenes Reaktorgefäß, in welchem der Prozess ablaufen soll, mit geringeren Kosten herstellbar ist, da für den Bau des Reaktorgefäßes auf hochtemperaturbeständige und teure Materialien verzichtet werden kann. Ferner hat man den Vorteil, dass sich damit beispielsweise großtechnische Prozesse effektiver durchführen lassen, da auf jede Art von Gasreinigungs-Anlagen verzichtet werden kann, welche den Stickstoff der Luft wieder entfernen.
In einer vorteilhaften Ausführung wird der ATR-Prozess erfindungsgemäß im Anschluss an die Sauerstoffgewinnung nach dem Verlassen der Anoden-Kammer in einem Reaktor-Gefäß durchgeführt. Hierzu ist beispielsweise der Feststoffelektrolyt erfindungsgemäß soweit über die Anoden-Elektrode hinaus verlängert, dass sich an die Anoden-Kammer ein weiterer Raum nahtlos anschließt, in welcher der ATR-Prozess abläuft. Während der Sauerstoff und der Dampf aus der Anoden-Kammer in das zusätzlich geschaffene Reaktor-Gefäß direkt einströmen, wird beispielsweise das Erdgas als Edukt mittels einer hohlen Lanze in das Reaktor-Gefäß eingeführt. In einer vorteilhaften Ausführung gelangt die hohle Lanze durch die Anoden-Kammer hindurch in das Reaktor-Gefäß. Nachdem die Mischung aus Dampf und Sauerstoff mit dem Erdgas vermischt wurde, läuft der ATR-Prozess im Reaktor-Gefäß vorzugsweise in einem Temperaturbereich von 650°C und 950°C ab, wobei die Temperatur und der Druck mittels des Dampfes aus der Anoden-Kammer des Sauerstoff-Ionenleiters einstellbar sind.
Angelassen wird der ATR-Prozess im Reaktor-Gefäß durch eine Heizquelle. Beispielsweise mittels eines von Strom durchflossenen Heizdrahtes, welcher mit den Reaktionsteilnehmern mittel- oder unmittelbar in Kontakt steht und die Mischung aus Erdgas, Dampf und Sauerstoff kurzzeitig auf ca. 3.000°C erhitzt, wonach der Sauerstoff und der Dampf zusammen mit dem Erdgas reagiert und der Sauerstoff und der Dampf das Erdgas zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid reformiert. Die Übertragung der Energie auf den Heizdraht erfolgt beispielsweise mittels Induktions- oder Mikrowellen-Energie.
Gegenüber den bis dato aus Metall bestehenden Reaktor-Gefäßen hat die verwendete Mischkeramik des Sauerstoff-Ionenleiters den Vorteil, dass sie bei der relativ hohen Temperatur keinen nennenswerten Verschleiß erleidet.
Die in der ICE-A und in den mit ihr unmittelbar verbundenen Prozessen anfallende Wärme wird von dem aus der ICE-A abführenden Dampf sowie mittels der in der ICE-A erzeugten Gase abgeführt, indem diese die Wärme als Enthalpie in sich speichern. Aufgrund der hohen Temperatur eignet sich die abgeführte Wärme beispielsweise zur Unterhaltung von Wärme verbrauchenden Prozessen. Ferner lässt sich die hohe Temperatur als Entropie für einen thermodynamischen Prozess nutzen.
Die Mischung aus Reformat und Dampf wird hierzu beispielsweise in einer Dampfturbine als Arbeitsmedium eingespeist, wonach der am Auslass der Dampfturbine austretende Abdampf im Kondensator niedergeschlagen und das Reformat als Gas aus dem Kondensator abgezogen wird.
Ferner eignet sich der Dampf aus einer Hoch- und/oder einer Mitteldruckturbine nicht nur zur Kühlung des Sauerstoff-Ionenleiters, sondern auch dafür, einen Shift-Prozess mit Dampf zu unterhalten, in welchem das im Reformat vorhandene Kohlenmonoxid aus dem ATR-Prozess zu Wasserstoff und Kohlendioxid reformiert wird. Hierzu genügt die Entnahme einer zur übrigen Dampfmenge kleinen Menge, beispielsweise der von Mitteldruckdampf bei einem bevorzugten Druck von ca. 10 bis 35 bar und einer bevorzugten Temperatur von ca. 180 bis 250°C, um einen Shift-Prozess damit zu unterhalten. Mit der im Shift-Prozess freiwerdenden Umwandlungswärme werden beispielsweise der Mitteldruckdampf durch eine Vermischung des Dampfes mit dem in Wasserstoff und Kohlendioxid umgesetzten Reformat erhitzt sowie mit dem erhitzten Dampf ferner mittels Wärmetauscher weitere Prozesse, wie beispielsweise das Kondensat in einem Niederdruckvorwärmer und das Speisewasser in einem Hochdruckvorwärmer für den Dampferzeuger der Dampfturbine erwärmt.
Der Verbrauch an Dampf für den Shift-Prozess lässt sich danach beispielsweise dadurch wieder ausgleichen, indem ein Teil des aus dem Reformat resultierenden Wasserstoffs mit dem im Dampf mitgeführten Sauerstoff aus der ICE-A in einer stromab im Dampfstrom eingebauten Brennkammer zu Wasserdampf verbrannt wird. Die Verbrennung hat den Vorteil, dass durch sie nicht nur die Dampfmenge wieder hergestellt, sondern zugleich auch der Dampf überhitzt werden kann, indem sich das aus der Verbrennung resultierende Heißgas mit dem Dampf vermischt und denselben erhitzt.
Für die Durchführung des Prozesses ist die ICE-A dazu mit einer äußeren Stromquelle verbunden.
Die elektrische Verbindung mit der Anoden-Elektrode einer ICE-A erfolgt bei der Röhrenlösung vorzugsweise derart, dass auf die Anoden-Elektrode ein Interkonnektor angebracht wird. Dieser besteht beispielsweise aus Lanthan-Strontium-Chromat. Auf diesem befindet sich vorzugsweise ein Nickel-Filz, welcher durch Anpressdruck kontaktiert wird, während die den Sauerstoff-Ionenleiter umfassende Kathoden-Elektrode direkt kontaktiert werden kann.
Die einzelne Röhre wird mit weiteren Röhren zu einem Bündel zusammengefasst, wobei das einzelne Bündel mit seinen Anoden- und Kathoden-Elektroden sowohl in Reihe als auch parallel geschaltet werden kann. Damit ein solches Bündel individuell an die Bedürfnisse angepasst werden kann, ist es jedoch erforderlich, die Anzahl der Röhren je Bündel variieren zu können, ohne die Gesamtanzahl zu ändern. Dies wird erreicht, indem die durch eine fehlende Röhre vorhandene Leerstelle durch einen Dummy aufgefüllt wird, so dass das einzelne Bündel stets über die gleiche Zahl an Röhren verfügt.
Es ist aber auch möglich, die Anoden-Elektrode von außen und die Kathoden-Elektrode von innen mit dem Sauerstoff-Ionenleiter zu einer ICE-A zu verbinden sowie die ICE-A als planare Zellen auszuführen nebst mit mehreren solcher Zellen zu einem Zellenstapel zu stapeln.
Anwendungsbeispiele
Die 1 zeigt im Schnitt einen Gaserzeuger A zur Gewinnung von Sauerstoff und Stickstoff aus der Luft mit einem als Tubus ausgeführten Sauerstoff-Ionenleiter 3, auf dessen äußeren Tubuswand sich die Kathoden-Elektrode 5 und auf dessen innerer Tubuswand sich die Anoden-Elektrode 4 befindet. Die aus Kathoden- Elektrode, Sauerstoff-Ionenleiter und Anoden-Elektrode bestehende und als ICE-A bezeichnete Schichtmechanik entnimmt der in der Kathoden-Kammer 13 befindlichen Luft in einem Katalyse-Prozess den Sauerstoff und leitet diesen in ionisierter Form als Sauerstoff-Ionen zur Anoden-Elektrode 4, an welcher die Sauerstoff-Ionen in einer elektrischen Entladung wieder zu Sauerstoff degradiert werden. Hierzu ist die ICE-A in einem Gefäß 1 untergebracht, welches die Kathoden-Kammer 13 umfasst, während sich die Anoden-Kammer 10 im Innern der ICE-A befindet. In Flussrichtung 18 der Luft befindet sich die Kathoden-Kammer 13, welcher die Luft über deren Einlass 14 zuführbar ist. Die in der Kathoden-Kammer 13 von Sauerstoff abgereicherte Luft verlässt daraufhin dieselbe in Flussrichtung 19 über deren Auslass 15. Ferner wird in Flussrichtung 16 der Anoden-Kammer 10 über den Einlass 11 Dampf zugeführt, welcher innerhalb der ICE-A den Sauerstoff-Ionenleiter 3 durch Kontakt kühlt sowie die an der Anoden-Elektrode 4 zu Sauerstoff degradierten Sauerstoff-Ionen von der Anoden-Elektrode 4 abführt. Die aus Sauerstoff und Dampf bestehende Mischung wird anschließend in Flussrichtung 17 über den Auslass 12 aus der Anoden-Kammer 10 abgeführt.
Für den Katalyse-Prozess, in welchem der Sauerstoff der Luft an der Kathoden-Elektrode 5 ionisiert und als Sauerstoff-Ionen durch den Sauerstoff-Ionenleiter 3 zur Anoden-Elektrode 4 transportiert und dort in einer elektrischen Entladung wieder zu Sauerstoff degradiert wird, sind die Kathoden-Elektrode 5 und die Anoden-Elektrode 4 über den Interkonnektor 6 sowie die Verbindungen 7, 8 und 9 mit der Stromquelle 2 verbunden.
Der Katalyse-Prozess an der Kathoden-Elektrode 5 wird hierzu über die Verbindung 9 mit Elektronen aus der Stromquelle 2 gespeist, wobei die zu Sauerstoff-Ionen ionisierten Sauerstoffmoleküle je Molekül vier Elektronen aufnehmen und diese bei der elektrischen Entladung an der Anoden-Elektrode 4 wieder abgeben. Diese fließen über die Verbindungen 7 und 8 der Elektronensenke in der Stromquelle 2 wieder zu.
Die 2 zeigt im Schnitt einen Gaserzeuger B zur Gewinnung von Stickstoff aus der Luft und von einem aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehenden Reformat aus Erdgas mittels einem als Tubus ausgeführten Sauerstoff-Ionenleiter 22, auf dessen äußeren Tubuswand sich die Kathoden-Elektrode 24 und innen die Anoden-Elektrode 23 sowie das Reaktor-Gefäß 33 des Reformers befindet.
Die aus Kathoden-Elektrode 24, Sauerstoff-Ionenleiter 22 und Anoden-Elektrode 23 bestehende und als ICE-A bezeichnete Schichtmechanik entnimmt der in der Kathoden-Kammer 36 befindlichen Luft in einem Katalyse-Prozess den Sauerstoff und leitet diesen in ionisierter Form als Sauerstoff-Ionen von der Kathoden-Elektrode 24 durch den Sauerstoff-Ionenleiter 22 hindurch zur Anoden-Elektrode 23, an welcher die Sauerstoff-Ionen in einer elektrischen Entladung wieder zu Sauerstoff degradiert werden. Dazu wird in Flussrichtung 41 die Luft der Kathoden-Kammer 36 über deren Einlass 35 zugeführt und die in der Kathoden-Kammer 24 von Sauerstoff abgereicherte Luft aus derselben in Flussrichtung 42 über den Auslass 37 abgeführt. Ferner wird in Flussrichtung 38 der Anoden-Kammer 30 über deren Einlass 29 Dampf zugeführt.
Des Weiteren befindet sich im Innern der ICE-A oberhalb der Anoden-Kammer 30 ein Reaktor-Gefäß 33, welches über den Auslass 31 der Anoden-Kammer 30 nahtlos mit dem Einlass des Reaktor-Gefäßes 33 verbunden ist und über welchen das Reaktor-Gefäß 33 mit Sauerstoff und mit Dampf aus der Anoden-Kammer 30 gespeist wird.
Schließlich wird das Reaktor-Gefäß 33 über die die Anoden-Kammer 30 durchgreifende Lanze 32 in Flussrichtung 39 mit Erdgas gespeist.
Nach einer Vermischung der Stoffe Sauerstoff, Dampf und Erdgas reagiert die Mischung in einem Reformierungs-Prozess, aus welchem ein aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehendes Reformat hervorgeht. Dieses Reformat verlässt daraufhin in Flussrichtung 40 das Reaktor-Gefäß 33 über dessen Auslass 34.
Für den Katalyse-Prozess, in welchem der Sauerstoff der Luft an der Kathoden-Elektrode 24 ionisiert und als Sauerstoff-Ionen durch den Sauerstoff-Ionenleiter 22 zur Anoden-Elektrode 23 transportiert sowie dort in einer elektrischen Entladung wieder zu Sauerstoff degradiert wird, sind die Kathoden-Elektrode 24 und die Anoden-Elektrode 23 über den Interkonnektor 25 sowie die Verbindungen 26, 27 und 28 mit der Stromquelle 21 verbunden.
Der Katalyse-Prozess an der Kathoden-Elektrode 24 wird hierzu über die Verbindung 28 mit Elektronen aus der Stromquelle 21 gespeist, wobei die zu Sauerstoff-Ionen ionisierten Sauerstoffmoleküle je Molekül vier Elektronen aufnehmen und diese bei der elektrischen Entladung an der Anoden-Elektrode 23 wieder abgeben. Diese fließen über die Verbindungen 26 und 27 der Elektronensenke in der Stromquelle 21 wieder zu.
Ferner befindet sich im Reaktor-Gefäß 33 eine Heizquelle 43, welche während des Anlassens des Reformierungs-Prozesses mit elektrischer Energie gespeist wird und die Mischung aus Dampf, Sauerstoff und Erdgas mittels Hitze zur Reaktion bringt.
Die 3 zeigt eine Stickstoff- und Synthesegas-Anlage, umfassend einen Gaserzeuger 45, einen Shift-Reformer 46, eine Brennkammer 47 mit angeschlossenem Wärmetauscher 48, eine Dampfturbine 50 mit Generator 55, zwei Kondensatoren 56 und 57 sowie einen Dampferzeuger 58.
Der Gaserzeuger 69 umfasst in seinem Innern eine Anoden-Kammer 68, ein Reaktor-Gefäß 69 sowie eine Kathoden-Kammer 70 und wird mittels elektrischer Energie über die Verbindung 67 angetrieben.
Die Kathoden-Kammer 70 wird in Flussrichtung 59 mit Luft gespeist, welche über die Verbindungen 57 und 58 zugeführt und in der Turbinenstufe 47 der Mikro-Turbine 46 verdichtet wird. Der Sauerstoff wird daraufhin in der Kathoden-Kammer 70 bis auf den Stickstoff der Luft entzogen. Der zurückbleibende Stickstoff der Luft wird daraufhin über die Verbindungen 60 und 61 abgeführt und in der Turbinenstufe 48 der Mikro-Turbine 46 entspannt. Die von dem Gaserzeuger 45 an den Stickstoff abgegebene Wärme wird im Stickstoff als Entropie gespeichert und in der Turbinenstufe 48 in mechanische Arbeit umgewandelt, welche über die gemeinsame Antriebsachse von der Turbinenstufe 48 auf die Turbinenstufe 47 übertragen und dieselbe damit angetrieben wird.
Ferner wird die Anoden-Kammer 68 des Gaserzeugers 45 in Flussrichtung 65 mit Dampf aus der Verbindung 64 gespeist, welcher den Gaserzeuger 45 kühlt, indem der Dampf die im Gaserzeuger anfallende Wärme von demselben aufnimmt und als Enthalpie und Entropie speichert.
Des Weiteren vermischt sich der Dampf in der Anoden-Kammer 68 mit dem von der Kathoden- zur Anoden-Kammer gepumpten Sauerstoff aus der Luft. Diese Mischung wird dem unmittelbar folgenden Reaktor-Gefäß 69 zugeführt. Zusammen mit dem Erdgas aus der Verbindung 66 entsteht in dem Reaktor-Gefäß eine Mischung, aus welcher in einem autothermal ablaufenden Reformierungs-Prozess ein aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehendes Synthesegas als Reformat hervorgeht, welches sich mit dem übrigen Dampf vermischt und als Heißgas den Dampf überhitzt.
Die Dampfturbine 51 ist zweistufig aufgebaut und weist eine erste Turbinenstufe 52 und eine zweite Turbinenstufen 53 auf, welche als Mitteldruckstufe und Niederdruckstufe ausgebildet sind.
Beim Dampferzeuger 56 handelt es sich in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel um einen befeuerten Kessel, welcher über die Verbindung 62 mit Kohle und über die Verbindung 63 zum Unterhalten der Kohlefeuerung mit Verbrennungsluft gespeist wird und einen Mitteldruckdampf erzeugt. Dieser Dampf wird der ersten Turbinenstufe 52 über die Verbindungen 64 und 71 zusammen mit dem Reformat aus dem Reaktor-Gefäß 69 zugeführt, wobei der Gaserzeuger 45 mit seiner Abwärme und der im Reformat gespeicherten Enthalpie als Zwischenüberhitzer wirkend den Betriebsdampf für die Dampfturbine 51 überhitzt.
In der ersten Turbinenstufe 52 wird ein wesentlicher Teil der im Dampf gespeicherten Entropie in mechanische Arbeit umgewandelt, wonach die Mischung aus Dampf und Reformat dem Shift-Reformer 49 über die Verbindung 73 zugeführt wird.
Mit einem reichlichen Überschuss an Dampf für die Dampfturbine 51 gelingt es, das im Reformat vorhandene Kohlenmonoxid vollständig in Wasserstoff und Kohlendioxid umzuwandeln, wobei die durch die Umwandlung freiwerdende Wärme des Kohlenmonoxids durch den Wasserstoff und dem Kohlendioxid als Enthalpie gespeichert wird. Die aus der Shift-Reformierung hervorgehende Mischung aus Wasserstoff und Kohlendioxid vermischt sich anschließend mit dem übrigen Wasserstoff und dem Dampf als Heißgas, welches durch die Vermischung den Dampf erhitzt.
Die den Shift-Reformer 49 verlassende Mischung aus Dampf und Reformat wird daraufhin der Brennkammer 50 über die Verbindung 74 zugeführt, in welcher der Dampf auf die zulässige Einlasstemperatur für die zweite Turbinenstufe 53 überhitzt wird. Hierzu werden innerhalb der Brennkammer 50 Teile des Wasserstoffs mit dem im Dampf aus der Anoden-Kammer 68 des Gaserzeugers 45 mitgeführten Sauerstoffs zu Wasserdampf verbrannt. Das daraus resultierende Verbrennungsprodukt vermischt sich daraufhin als Heißgas unmittelbar mit dem übrigen Dampf und erhitzt denselben.

Der in der Brennkammer 50 überhitzte Dampf wird daraufhin der zweiten Turbinenstufe 53 zugeführt, in welcher die im Dampf gespeicherte Entropie in mechanische Arbeit umgewandelt wird. Nach getaner Arbeit verlässt der entspannte Dampf als Wasser-Dampf-Gemisch die zweite Turbinenstufe 53 und wird über die Verbindung 76 dem Kondensator 55 zugeführt, wo der noch vorhandene Dampfanteil zu Wasser kondensiert. Hiernach wird das angesammelte Wasser aus dem Kondensator 55 über die Verbindung 78 dem Dampferzeuger 56 zugeleitet, während der Wasserstoff und das Kohlendioxid aus der Reformierung des Erdgases über die Verbindung 77 aus dem Kondensator 55 abgezogen wird. Bezugszeichenliste von Fig. 1

Lfd. Nr.	Benennung
A	Gaserzeuger
1	Behältnis
2	Stromquelle
3	Sauerstoff-Ionenleiter
4	Anoden-Elektrode
5	Kathoden-Elektrode
6	Interkonnektor
7	Verbindung
8	Verbindung
9	Verbindung
10	Anoden-Kammer
11	Einlass
12	Auslass
13	Kathoden-Kammer
14	Einlass
15	Auslass
16	Flussrichtung des Dampfes
17	Flussrichtung der Sauerstoff-Dampf-Mischung
18	Flussrichtung der Luft
19	Flussrichtung des Stickstoffs

Bezugszeichenliste von Fig. 2

Lfd. Nr.	Benennung
B	Gaserzeuger
20	Behältnis
21	Stromquelle
22	Sauerstoff-Ionenleiter
23	Anoden-Elektrode
24	Kathoden-Elektrode
25	Interkonnektor
26	Verbindung
27	Verbindung
28	Verbindung
29	Einlass
30	Anoden-Kammer
31	Auslass Anoden-Kammer und Einlass Reaktor-Gefäß
32	Lanze
33	Reaktor-Gefäß
34	Auslass
35	Einlass
36	Kathoden-Kammer
37	Auslass
38	Dampf
39	Flussrichtung des Erdgases
40	Flussrichtung des Reformats
41	Flussrichtung der Luft
42	Flussrichtung des Stickstoffs
43	Heizquelle

Bezugszeichenliste von Fig. 3

Lfd. Nr.	Benennung
C	Stickstoff- und Synthesegas-Anlage	65	Flussrichtung
45	Gaserzeuger	66	Verbindung
46	Mikro-Turbine	67	Verbindung
47	Turbinenstufe	68	Anoden-Kammer
48	Turbinenstufe	69	Reaktor-Gefäß
49	Shift-Reformer	70	Kathoden-Kammer
50	Brennkammer	71	Verbindung
51	Dampfturbine	72	Flussrichtung
52	Mitteldruckstufe	73	Verbindung
53	Niederdruckstufe	74	Verbindung
54	Generator	75	Verbindung
55	Kondensator	76	Verbindung
56	Dampferzeuger	77	Verbindung
57	Verbindung	78	Verbindung
58	Verbindung
59	Flussrichtung
60	Verbindung
61	Verbindung
62	Verbindung
63	Verbindung
64	Verbindung

Claims

Gaserzeuger mit einer Anoden-Kammer (30), einem Reaktor-Gefäß (33), einer Kathoden-Kammer (36) und einem als Feststoffelektrolyt ausgeführten Sauerstoff-Ionenleiter (22), welcher zusammen mit einer Anoden-Elektrode (24) und einer Kathoden-Elektrode (23) zu einem Schichtkörper ICE-A zusammengefasst ist sowie ferner umfassend mindestens eine Stromquelle (21), ein den Schichtkörper ICE-A ummantelndes Behältnis (20) mit den daran angebrachten Zuleitungen für Dampf und Erdgas über die Einlässe (29), (32) und (35) sowie mit den daran angebrachten Ableitungen für Wasserstoff, Sauerstoff, Reformat und Dampf über die Auslässe (34) und (37), gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) der im Behältnis (20) eingebaute und aus Anoden-Elektrode (24), Sauerstoff-Ionenleiter (22) und Kathoden-Elektrode (23) bestehende Schichtkörper ICE-A das Innere des Behältnisses (20) in eine Anoden-Kammer (36), eine Kathoden-Kammer (30) und in ein Reaktor-Gefäß (33) unterteilt, b) der Sauerstoff-Ionenleiter (22) das Reaktor-Gefäß (33) umfasst, c) im Behältnis (20) der Einlass (35) für die Zuführung des Dampfes in die Anoden-Kammer (36), der Einlass (29) für die Zuführung von Dampf in die Kathoden-Kammer (30) und der Einlass (32) für die Zuführung von Erdgas in das Reaktor-Gefäß (33) enthalten sind, wobei der Einlass (32) für das Erdgas als Lanze ausgeführt die Kathoden-Kammer (30) durchgreift, d) im Behältnis (20) ferner der Auslass (37) für die Abführung des durch die Elektrolyse erzeugten Wasserstoffs aus der Anoden-Kammer (36) und der für die Kathoden-Kammer (30) und das Reaktor-Gefäß (33) gemeinsam vorgesehene Auslass (34) für die Abführung der aus Sauerstoff und Dampf bestehenden Mischung aus der Kathoden-Kammer (30) sowie der Abführung der aus Reformat und Dampf bestehenden Mischung aus dem Reaktor-Gefäß (33) enthalten sind, wobei das Reaktor-Gefäß (33) mit seinem Einlass mit dem Auslass (31) der Kathoden-Kammer (30) verbunden ist, wobei die Kathoden-Kammer (30) mit dem Ende der Kathoden-Elektrode (23) abschließt und mit dem Ende der Kathoden-Elektrode (23) das Reaktor-Gefäß (33) beginnt sowie e) im Behältnis (20) Durchlässe für die Durchführung der elektrischen Verbindungen (27) und (28) vorhanden sind, durch welche die Stromquelle (21) mit der Anoden-Elektrode (24) und der Kathoden-Elektrode (23) verbunden ist.
Gaserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der aus Anoden-Elektrode (23), Sauestoff-Ionenleiter (22) und Kathoden-Elektrode (24) bestehende Schichtkörper ICE-A planar und tubular ausführbar ist.
Gaserzeuger nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoff-Ionenleiter mittels tetragonal oder kubisch stabilisiertem Zirconiumoxid (3, resp. > 8 mol% Y₂O₃ stabilisiertes ZrO₂), ZrO₂ mit 9 mol% Y₂O₃, ZrO₂ mit 7,5 mol% Sc₂O₃ und La_0,6Sr_0,2Ga_0,5Mg_0,2O₃ ausführbar ist.
Gaserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anoden-Elektrode mit Platin und Perowskit (ABO₃) ausführbar ist.
Gaserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Perowskit mittels Lanthan-Strontium (Calzium)-Manganat und um La_1-xSr_xMnO₃ ausführbar ist.
Gaserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathoden-Elektrode mittels Zirkonoxid/-Nickel Cermet ausführbar ist.
Gaserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der tubularen Ausführung der ICE-A auf der Anoden-Elektrode (23) ein Interkonnektor (25) aus Lanthan-Strontium-Chromat mit einem Nickel-Filz angebracht ist und die Tuben zu einem Bündel bündelbar sind.
Gaserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der planaren Ausführung der ICE-A zu einem Stapel stapelbar ist.
Gaserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit Wärme unterhaltender Betrieb mit der im Gaserzeuger in Wärme umgewandelten elektrischen Energie antreibbar ist, indem die Wärme aus dem Gaserzeuger dem mit Wärme unterhaltenden Betrieb über eine Verbindung zuführbar ist.
Gaserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass der Kathoden-Kammer (70) des Gaserzeugers (45) über die Verbindung (58) mit dem Auslass der Turbinenstufe (47) der Mikro-Turbine (46) verbunden ist, über welche der Kathoden-Kammer (70) komprimierte Luft zuführbar ist.
Gaserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass der Kathoden-Kammer (70) des Gaserzeugers (45) über die Verbindung (60) mit dem Einlass der Turbinenstufe (48) der Mikro-Turbine (46) verbunden ist, über welche die von Sauerstoff abgereicherte Luft aus der Kathoden-Kammer (70) abführbar ist und in welcher die in der von Sauerstoff abgereicherten Luft gespeicherte Entropie in mechanische Arbeit umwandelbar ist.
Gaserzeuger nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenstufe (47) der Mikro-Turbine (46) über eine gemeinsame Antriebsachse mit der Turbinenstufe (48) verbunden ist.
Gaserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass der Anoden-Kammer (68) des Gaserzeugers (45) über die Verbindung (64) mit einem Dampferzeuger (56) verbunden ist, über welche der Anoden-Kammer (68) Dampf zuführbar ist.
Gaserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Auslass von der Anoden-Kammer (68) und von dem Reaktor-Gefäß (69) des Gaserzeugers (45) über die Verbindungen (71), (73), (74), (75) und (76) mit dem Einlass des Kondensators (55) verbunden ist, über welche dem Kondensator Sauerstoff und Reformat zuführbar und durch eine Niederschlagung des Dampfes der als Gas zurückbleibenden Sauerstoff und das Reformat über die Verbindung (77) aus dem Kondensator (55) abziehbar sind.
Gaserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass der Anoden-Kammer (68) und der Auslass des Reaktor-Gefäßes (69) über die Verbindung (71) mit dem Einlass einer Turbinenstufe (52) der Dampfturbine (51) verbunden ist, welche mit der im überhitzten Dampf gespeicherten Entropie aus der Anoden-Kammer (68) des Gaserzeugers (45) und mit der im überhitzten Dampf gespeicherten Entropie aus dem Reaktor-Gefäß (69) des Gaserzeugers (45) antreibbar ist.
Gaserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass der Anoden-Kammer (68) und der Auslass des Reaktor-Gefäßes (69) über die Verbindung (71) und (73) mit dem Einlass eines Shift-Reformers (49) verbunden ist, in welchem mit der im überhitzten Dampf gespeicherten Enthalpie aus der Anoden-Kammer (68) des Gaserzeugers (45) und mit der im überhitzten Dampf gespeicherten Enthalpie aus dem Reaktor-Gefäß (69) des Gaserzeugers (45) der Reformierungs-Prozess antreibbar ist, in welchem das im Reformat enthaltene Kohlenmonoxid mittels Dampf aus dem Dampferzeuger (56) zu Wasserstoff und Kohlendioxid reformierbar ist.
Gaserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass des Shift-Reformers (49) über die Verbindungen (74) und (75) mit dem Einlass der Turbinenstufe (53) einer Dampfturbine (51) verbunden ist, welche mit der im überhitzten Dampf gespeicherten Entropie aus dem Shift-Reformer (49) antreibbar ist.
Gaserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Shift-Reformer (49) über eine Verbindung mit einem mit Wärme unterhaltenden Betrieb verbunden ist, über welche der mit Wärme unterhaltende Betrieb mit Wärme aus dem Shift-Reformer (49) antreibbar ist.
Gaserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass der Anoden-Kammer (68), der Auslass des Reaktor-Gefäßes (69) und der Auslass des Shift-Reformers (49) über die Verbindung (71), (73) und (74) mit dem Einlass der Brennkammer (50) verbunden sind, über welche der Brennkammer (50) Reformat als Brennmittel zuführbar ist.
Gaserzeuger nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennkammer (50) ein Kohlenwasserstoff, insbesondere Methan, als Brennstoff zuführbar ist.
Gaserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennkammer (50) ein sauerstoffhaltiges Gas, insbesondere reiner Sauerstoff aus der Anoden-Kammer (68) des Gaserzeugers (45) und Luft zuführbar ist.
Gaserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass der Brennkammer (50) über die Verbindungen (75) mit dem Einlass der Turbinenstufe (53) der Dampfturbine (51) verbunden ist, welche mit der im überhitzten Dampf gespeicherten Entropie aus der Brennkammer (50) antreibbar ist.
Gaserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (50) über eine Verbindung mit einem mit Wärme unterhaltenden Betrieb verbunden ist, über welche der mit Wärme unterhaltende Betrieb mit Wärme aus der Brennkammer (50) antreibbar ist.
Verfahren zum Betreiben des Gaserzeugers, dadurch gekennzeichnet, dass die Anoden-Kammer (30) und die Kathoden-Kammer (36) im Gleich- und im Gegenstrom mit überhitztem Dampf aus einem Dampferzeuger durchströmt werden, wobei der überhitzte Dampf aus dem Dampferzeuger vor dem Eintritt in die Anoden-Kammer (30) und in die Kathoden-Kammer (36) aufteilbar ist sowie durch die Aufteilung die zwischen der Anoden-Elektrode (23) und der Kathoden-Elektrode (24) herrschende Potenzialdifferenz des durch den Sauerstoff-Ionenleiter (22) zu pumpenden Sauerstoffs einstellbar ist nebst der Dampf die dem Gaserzeuger zugeführte elektrische Energie, welche durch eine Verstromung in Wärme umgewandelt wurde, abführt, indem er die durch die Verstromung erhitzten Oberflächen des Gaserzeugers kontaktiert und die von dem Gaserzeuger abzuführende Wärme als Enthalpie und Entropie in sich speichert.
Verfahren zum Betreiben des Gaserzeugers nach Anspruch 24, in welchem Erdgas, Dampf und Sauerstoff in das Reaktor-Gefäß (33) zuführbar ist und in welchem das Erdgas in einem Reformierungs-Prozess zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid reformiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Anoden-Kammer (30) gepumpte Sauerstoff durch den in die Anoden-Kammer (30) einströmenden Dampf aus der Anoden-Kammer (30) verdrängt wird, worauf sich der Sauerstoff mit dem Dampf vermischt und eine aus Dampf und Sauerstoff bestehende Mischung bildet, welche zusammen mit dem Erdgas aus der Verbindung (32) in das Reaktor-Gefäß (33) gelangt, in welchem sich alle drei Stoffe zu einem zu reformierenden Gemisch vermischen und chemisch miteinander reagieren, wonach der Sauerstoff und der Dampf als Oxidant den Kohlenstoffanteil des Erdgases in einer partiellen Oxidation zu Kohlenmonoxid umwandeln, während der Wasserstoffanteil des Dampfes und der des Erdgases Wasserstoff bilden, wobei die zwischen dem Sauerstoff und dem Kohlenstoff ablaufende partiellen Oxidation Wärme erzeugt, welche den endotherm ablaufenden Reformierungs-Prozess zusammen mit der in Wärme umge wandelten elektrischen Energie aus dem Gaserzeuger und mit der im Dampf gespeicherten Enthalpie aus dem Dampferzeuger antreibt.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Reaktor-Gefäß (33) außerhalb des Gaserzeugers befindet.
Verfahren nach Anspruch 25 und 26, dadurch gekennzeichnet, dass die für das Anlassen des Reformierungsprozesses erforderliche Energie durch Induktions- und durch Mikrowellen-Energie bereitgestellt wird.