DE102008038056A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Leistungssteigerung von Hochtemperatur-Brennstoffzellen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Leistungssteigerung von Hochtemperatur-Brennstoffzellen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mittels einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle (FC), der anodenseitig (A) ein Brennstoff (7) und, als Oxidahaltendes Gas (Kathodengas) (5) zugeführt werden. Zur Bildung des Kathodengases (5) wird wenigstens ein Teil der sauerstoffreichen Fraktion (4) aus einem Membranreaktor (2) verwendet, in dem Luft (3) mittels einer gemischtleitenden keramischen Membran (M) in eine sauerstoffreiche (4) und eine sauerstoffarme Fraktion (14) zerlegt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie mittels einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle, der anodenseitig ein Brennstoff und, als Oxidationsmittel, kathodenseitig ein Sauerstoff enthaltendes Gas (Kathodengas) zugeführt werden.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Im Rahmen der vorliegenden Patentanmeldung ist unter einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle eine Brennstoffzelle zu verstehen, die bei Betriebstemperaturen von mehr als ca. 500°C arbeitet. Beispiele hierfür sind die oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC, von engl. Solid Oxide Fuel Cell) und die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC, von engl. Molten Carbonate Fuel Cell).
  • Aufgrund der hohen Betriebstemperaturen zwischen 800 und 1000°C können in SOFC Kohlenwasserstoffe (z. B. Erd- oder Biogas) als Brennstoffe eingesetzt werden, aus denen in einem internen Reformierungsprozess Wasserstoff abgespalten wird. Als Oxidationsmittel (Kathodengas) dient für gewöhnlich Luft, mit der Sauerstoff zur Kathode geführt wird. Der Ladungstransport von der Kathode zur Anode erfolgt durch Sauerstoffionen.
  • Um die elektrischen Wirkungsgrade von SOFC-Systemen, die gegenwärtig bei ca. 50–60% liegen, weiter zu steigern, sind verschiedene Konzepte vorgeschlagen worden. So führt die Nutzung des Anodenab- und/oder des Kathodenrestgases in der Brennstoffzelle nachgeschalteten Gas- und/oder Dampfturbinen zu einer deutlichen Erhöhung des Wirkungsgrades auf bis zu 70% (EG&G Technical Services, Inc.: "Fuel Cell Handbook", 7th Edition, U. S. Department of Energy – Office of Fossil Energy – National Renewable Energy Laborstory, 2004), die allerdings mit einer signifikanten Erhöhung der Komplexität sowie der Investitions- und der Wartungskosten des resultierenden Gesamtsystems erkauft wird. Darüber hinaus lassen sich diese hohen Wirkungsgrade nur bei relativ großen Anlagen, im elektrischen Leistungsbereich von mehr als 100 kW, realisieren.
  • In der Patentanmeldung EP1114485 wird ein Verfahren zur Leistungssteigerung einer Polymerelektrolyt(PEM)-Brennstoffzelle beschrieben, das jedoch auch bei anderen elektrochemischen Energiewandlern eingesetzt werden kann. Hierbei wird der Brennstoffzelle als Kathodengas nicht Luft sondern Sauerstoff bzw. mit Sauerstoff angereicherte Luft zugeführt. Bei gleichem Druck des Kathodengases erhöht sich der Sauerstoffpartialdruck an der Kathode, was zu einer Erhöhung der Zellspannung und damit auch der elektrischen Leistung der Brennstoffzelle führt. Bei hohen Stromdichten verringert sich zudem das Diffusionsüberpotential in der Kathodenstruktur, wodurch die Zellspannung ebenfalls vergrößert wird. So kann beispielsweise die Zellspannung einer bei Atmosphärendruck betriebenen und mit einer Stromdichte von 0,5 A/cm2 arbeitenden SOFC durch die Zuführung von reinem Sauerstoff anstelle von Luft von 0,5 auf 0,6 V angehoben werden. Entsprechend kann die Zelle eine um 20% größere elektrische Leistung abgegeben. Um den Sauerstoffpartialdruck an der Kathode zu erhöhen, wird in EP1114485 diskutiert, der Kathode Luft mit erhöhtem Druck oder erhöhtem Sauerstoffgehalt zuzuführen, wobei Polymermembranen oder Druckwechseladsorber zur Erhöhung des Sauerstoffgehaltes verwendet werden. Diese Maßnahmen sind allerdings aufwendig und erfordern einen erheblichen Energieeinsatz, durch den die Gesamtenergiebilanz der beschriebenen Art der Stromerzeugung drastisch verschlechtert wird.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art sowie eine Vorrichtung zu seiner Durchführung anzugeben, die es ermöglichen, die Nachteile des beschriebenen Standes der Technik zu überwinden.
  • Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß verfahrensseitig dadurch gelöst, dass zur Bildung des Kathodengases wenigstens ein Teil der sauerstoffreichen Fraktion aus einem Membranreaktor verwendet wird, in dem Luft mittels einer gemischtleitenden keramischen Membran in eine sauerstoffreiche und eine sauerstoffarme Fraktion zerlegt wird.
  • Mit Hilfe von Membranreaktoren kann aus Luft mit zum Teil deutlich geringerem Aufwand Sauerstoff abgetrennt werden, als dies beispielsweise durch kryogene Luftzerlegung möglich ist. Die dem Membranreaktor zugeführte Luft wird dabei in einen die als Trennelement eingesetzte Membran durchdringenden Permeatstrom und einen Retentatstrom zerlegt, der die Membran nicht durchdringt. Stand der Technik ist die Verwendung von Polymermembranen. Da derartige Membranreaktoren jedoch eine vergleichsweise geringe Selektivität bezüglich Stickstoff und Sauerstoff aufweisen, steigt der notwendig technische und wirtschaftliche Aufwand zur Sauerstofferzeugung mit den geforderten Sauerstoffreinheiten rasch an. Die Erzeugung von reinem Sauerstoff mit Hilfe von Polymermembranen ist gegenwärtig mit vertretbarem Aufwand nicht zu erreichen.
  • Gemischtleitende keramische Membranen besitzen sowohl eine Leitfähigkeit für Sauerstoffionen als auch für Elektronen. Sauerstoffmoleküle werden an der Oberfläche der keramischen Membran unter Aufnahme von Elektronen in jeweils zwei Sauerstoffionen getrennt, die sich durch das Kristallgitter der Membran bewegen können. Herrscht zwischen den beiden Seiten der Membran eine Sauerstoffpartialdruckdifferenz, so folgen die Sauerstoffionen dem Druckgradienten und gelangen auf die andere Seite der Membran (Permeatseite), wo sie die zuvor aufgenommenen Elektronen wieder abgeben und sich zu Sauerstoffmolekülen zusammenschließen. Handelte es sich bei der Membran um einen reinen Ionenleiter, so würde sich in kurzer Zeit zwischen den beiden Membranseiten eine elektrische Spannung aufbauen und den Ionentransport zum Erliegen bringen. Aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit von gemischtleitenden keramischen Membranen liegt jedoch ein innerer Kurzschluss vor, durch den ein Spannungsaufbau verhindert wird. Da nur Sauerstoffionen durch das Kristallgitter der gemischtleitenden keramischen Membranen transportiert werden können, erlauben die ansonsten gasdichten Membranen eine hochselektive Abtrennung von Sauerstoff aus Gasgemischen, wie z. B. aus Luft. Die Trennleistung einer gemischtleitenden Membran steigt mit der Sauerstoffpartialdruckdifferenz. Typischer Weise werden Membranreaktoren mit gemischtleitenden keramischen Membranen daher auf der Retentatseite mit einem Druck betrieben, der 10–20 bar über dem Druck auf der Permeatseite liegt.
  • Membranreaktoren mit gemischtleitenden keramischen Membranen ermöglichen es, Sauerstoff auch mit hoher Reinheit zu geringen Kosten aus Luft abzutrennen. Im Vergleich zur kryogenen Luftzerlegung liegen die Investitionskosten um ca. 35% und die Betriebskosten um bis zu 60% niedriger (K. Fogash: "Oxygen Production Technologies: Cryogenic and ITM", 2nd Workshop Int. Oxy-Combustion Research Network, Windsor/CT, 25./26. Januar 2007). Die als Trennelemente eingesetzten keramischen Membranen bestehen insbesondere aus Materialien wie Sr(Co,Fe)O3, La(Co,Fe)O3, LaGaO3 oder BaSrCoFe, die eine Perowskitstruktur aufweisen. Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht daher vor, dass zur Luftzerlegung ein oxidkeramischer Membranreaktor eingesetzt wird, der als Trennelement eine keramische Membran aus Sr(Co,Fe)O3 und/oder La(Co,Fe)O3 und/oder LaGaO3 und/oder BaSrCoFe aufweist.
  • Gegenwärtig werden Membranreaktoren mit gemischtleitenden keramischen Membranen bei Temperaturen zwischen 800 und 900°C betrieben (K. Li: "Ceramic Membranes for Separation and Reaction", John Wiley & Sons, Ltd., 2007). Die dem Membranreaktor zugeleitete Luft muss daher mit einem beträchtlichen Energieaufwand aufgeheizt werden. Um den negativen Einfluss der notwendigen Luftaufheizung auf den elektrischen Wirkungsgrad des Gesamtsystems (Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit Hilfsaggregaten) zumindest zu begrenzen, sieht eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens daher vor, dass ein Teil der fühlbaren Wärme der aus der Hochtemperatur-Brennstoffzelle austretenden Restgase zur Vorwärmung des Brennstoffs und/oder der in den Membranreaktor einströmenden Luft verwendet wird.
  • Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass an der Anode der Hochtemperatur-Brennstoffzelle nicht umgesetzter Brennstoff verbrannt wird, wobei die heißen Verbrennungsgase zur Vorwärmung des in die Hochtemperatur-Brennstoffzelle einströmenden Brennstoffs und/oder der in den Membranreaktor einströmenden Luft verwendet werden. Mit besonderem Vorteil wird die Verbrennung des nicht umgesetzten Brennstoffs mit wenigstens einem Teil des an der Kathode nicht umgesetzten Sauerstoffs durchgeführt, da die hierbei entstehenden Verbrennungsgase i. Allg. lediglich aus Wasser und CO2 bestehen und daher eine einfache CO2-Abscheidung erlauben.
  • Die aus dem Membranreaktor mit gemischtleitenden keramischen Membranen abströmende sauerstoffarme Fraktion enthält eine erhebliche Energiemenge in Form von Druck- und thermischer Energie. Um den elektrischen Wirkungsgrad des Gesamtsystems zu steigern, wird vorgeschlagen, dass die Energie der sauerstoffarmen Fraktion aus dem Membranreaktor zumindest teilweise wirtschaftlich genutzt wird. Vorzugsweise wird die sauerstoffarme Fraktion hierzu aus dem Membranreaktor abgezogen und in einer Entspannungsturbine (Expander) arbeitsleistend entspannt. Zweckmäßiger Weise wird die geleistete Arbeit über einen mit dem Expander gekoppelten Generator in elektrische Energie umgewandelt, die nach außen abgegeben und/oder im System selbst genutzt wird. Eine andere Variante der Erfindung sieht vor, dass der Expander mechanisch mit einem Verdichter zur Verdichtung der dem Membranreaktor zugeführten Luft gekoppelt wird, so dass die im Expander geleistete Arbeit mit geringen Verlusten auf den Verdichter übertragen wird, wo sie einen Teil der notwendigen Verdichtungsarbeit abdeckt.
  • Eine andere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass zumindest ein Teil des an der Kathode der Hochtemperatur-Brennstoffzelle nicht umgesetzten Kathodengases zur Permeatseite des Membranreaktors zurückgeführt wird. Das zurückgeführte Katodengas trägt dazu bei, den Membranreaktor auf Betriebstemperatur zu halten, indem es einen Teil seiner fühlbaren Wärme an den Membranreaktor abgibt.
  • Die im Membranreaktor abgetrennte sauerstoffreiche Fraktion wird mit geeigneter Temperatur und ausreichend hohem Druck der Kathode der Hochtemperatur-Brennstoffzelle zugeleitet. Falls der Permeatstrom im Membranreaktor mit einem Druck anfällt, der kleiner oder gleich dem Druck an der Kathode ist, wird zweckmäßigerweise ein Heißgasgebläse oder eine Vakuumpumpe eingesetzt, um Permeat aus dem Membranreaktor abzuziehen und auf den erforderlichen Druck zu verdichten.
  • Wegen der elektrochemischen Vorgänge an der Kathode der Hochtemperatur-Brennstoffzelle sinken die Partialdrücke der an der Kathode verbrauchten Bestandteile des Kathodengases, so dass sich ein Druckgefälle zwischen der Permeatseite des Membranreaktors und der Kathode einstellt. Dieses Druckgefälle ist umso größer, je mehr von den zugeführten Stoffen an der Kathode verbraucht wird. Eine zweckmäßige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das sich während des Brennstoffzellenbetriebs einstellende Druckgefälle dazu genutzt wird, um sauerstoffreiches Gas von der Permeatseite des Membranreaktors zur Kathode der Brennstoffzelle zu fördern. Zweckmäßigerweise wird die Hochtemperatur-Brennstoffzelle hierzu so betrieben, dass mit dem Kathodengas zugeführte Reaktanden an der Kathode weitgehend oder vollständig verbraucht werden. Im günstigsten Fall kann bei dieser Verfahrensweise auf ein Heißgasgebläse oder eine Vakuumpumpe zur Zuführung des Kathodengases zur Kathode der Hochtemperatur-Brennstoffzelle verzichtet werden. Zumindest aber können kleinere, und damit billigere Aggregate eingesetzt werden.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, umfassend eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle, der anodenseitig ein Brennstoff und, als Oxidationsmittel, kathodenseitig ein Sauerstoff enthaltendes Gas (Kathodengas) zuführbar sind.
  • Die gestellte Aufgabe wird vorrichtungsseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sie einen Membranreaktor mit einer gemischtleitenden keramischen Membran zur Zerlegung von Luft in eine sauerstoffreiche und einen sauerstoffarme Fraktion sowie Zuführeinrichtungen aufweist, über die zumindest ein Teil der sauerstoffreichen Fraktion aus dem Membranreaktor der Kathode der Hochtemperatur-Brennstoffzelle zuführbar ist.
  • Als besonders geeignet für die Abtrennung von Sauerstoff aus Luft haben sich keramische Membranen aus Sr(Co,Fe)O3, La(Co,Fe)O3, LaGAO3 oder BaSrCoFe erwiesen. Bevorzugte Varianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung sehen daher vor, dass der Membranreaktor mit einer gemischtleitenden keramischen Membran ausgestattet ist, die vorzugsweise aus Sr(Co,Fe)O3 und/oder La(Co,Fe)O3 und/oder LaGAO3 und/oder BaSrCoFe besteht.
  • Um den Energieinhalt der eingesetzten Stoffe besser zu nutzen, sieht eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor, dass sie einen oder mehrere Wärmetauscher umfasst, in dem oder in denen ein Teil der fühlbaren Wärme, der aus einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle austretenden Ab- und/oder Restgase zur Vorwärmung auf den Brennstoff und/oder, die in den Membranreaktor einströmende Luft übertragbar ist.
  • Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht eine Verbrennungseinrichtung vor, in der an der Anode der Hochtemperatur-Brennstoffzelle nicht umgesetzter Brennstoff mit einem Oxidationsmittel verbrennbar und die dabei freigesetzte Energie zumindest teilweise auf den der Hochtemperatur-Brennstoffzelle zuströmenden Brennstoff und/oder die in den Membranreaktor einströmenden Luft übertragbar ist. Diese Einrichtung weist vorzugsweise einen Brennraum zur Durchführung der Verbrennung auf, in dem ein oder mehrere regenerative Wärmetauscher angeordnet sind, die von dem der Hochtemperatur-Brennstoffzelle zuströmenden Brennstoff und/oder der in den Membranreaktor einströmenden Luft durchströmbar sind. Eine andere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass der oder die Wärmetauscher außerhalb des Brennraums angeordnet sind, wobei heiße, bei der Durchführung der Verbrennung entstehende Verbrennungsgase aus dem Brennraum in den oder die Wärmetauscher überleitbar sind, wo sie einen Teil ihrer fühlbaren Wärme in indirektem Wärmetausch an den der Hochtemperatur-Brennstoffzelle zuströmenden Brennstoff und/oder in den Membranreaktor einströmende Luft abgeben. Sinnvollerweise umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Zuführungseinrichtung, über die wenigstens ein Teil des an der Kathode nicht umgesetzten Kathodengases als Oxidationsmittel in die Verbrennungseinrichtung zuführbar ist.
  • Um die in der sauerstoffarmen Fraktion aus dem Membranreaktor enthaltene Energie zu nutzen und den elektrischen Wirkungsgrad des Gesamtsystems (Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit Hilfsaggregaten) zu steigern, sieht eine weitere bevorzugte Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Entspannungsturbine (Expander) vor, der die sauerstoffarme Fraktion aus dem Membranreaktor zur Verrichtung von mechanischer Arbeit zuführbar ist. Zweckmäßigerweise ist der Expander mit einem Generator gekoppelt, in dem die mechanische Arbeit in elektrische Energie umwandelbar ist. Eine andere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass der Expander mit einem Verdichter zur Verdichtung der dem Membranreaktor zugeführten Luft derart gekoppelt, dass die im Expander verrichtetet mechanische Arbeit weitgehend verlustfrei auf den Verdichter übertragbar ist.
  • Da der Permeatstrom im Membranreaktor unter Umständen mit einem Druck anfällt, der kleiner oder gleich dem Kathodendruck ist, umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zweckmäßigerweise ein Heißgasgebläse oder eine Vakuumpupe, mit denen Permeat aus dem Membranreaktor abziehbar und mit dem erforderlichen Druck der Kathode der Hochtemperatur-Brennstoffzelle zuführbar ist.
  • Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht eine Einrichtung vor, über die zumindest ein Teil des an der Kathode der Hochtemperatur- Brennstoffzelle nicht umgesetzten Kathodengases zur Permeatseite des Membranreaktors zurückführbar und so zur Aufrechterhaltung der Betriebstemperatur des Membranreaktors nutzbar ist.
  • Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
  • Die Figur zeigt ein System zur Erzeugung elektrischer Energie, in dem in einem oxidkeramischen Membranreaktor aus Luft abgetrennter Sauerstoff der Kathode einer Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) als Oxidationsmittel zugeführt wird.
  • Mit dem Verdichter V1 wird über Leitung 1 Luft angesaugt und auf einen Druck von ca. 20 bar verdichtet. Die verdichtete Luft 2 wird anschließend durch den im Brennraum B der Verbrennungseinrichtung W angeordneten Wärmetauscher E1 geleitet und dabei auf ca. 900°C aufgeheizt, bevor sie dem Membranreaktor Z auf der Retentatseite der gemischtleitenden keramischen Membran M zugeleitet wird. Die Membran M weist eine selektive Sauerstoffdurchlässigkeit auf, wodurch Luftsauerstoff mit großer Reinheit auf der Permeatseite P des Membranreaktors Z über Leitung 4 abgezogen werden kann. Der Sauerstoff 4 wird im Heißgasgebläse V2 verdichtet und über Leitung 5 in den Katodenraum K der Brennstoffzelle FC als Oxidationsmittel geführt.
  • Über Leitung 6 wird Brennstoff (z. B. Wasserstoff oder Methan) in den Wärmetauscher E2 eingeleitet, dort auf eine Temperatur von ca. 500°C aufgeheizt und in den Anodenraum A der Brennstoffzelle FC eingeleitet, der durch den Elektrolyten E vom Kathodenraum K getrennt ist. Abhängig vom stöchiometrischen Verhältnis reagiert ein Teil des Brennstoffs elektrochemisch mit Sauerstoffionen zu Wasser und gegebenenfalls zu Kohlendioxid, wobei gleichzeitig elektrische Energie erzeugt wird. Das an der Katode K nicht verbrauchte Kathodengas 8 und das an der Anode A gebildete, oxidierbare Stoffe enthaltende Abgas 9 werden mit Temperaturen von 900–1000°C aus der Brennstoffzelle FC herausgeführt. Das Abgas 9 wird im Wärmetauscher E2 gegen den zuströmenden Brennstoff 6 abgekühlt und anschließend in die Verbrennungseinrichtung W eingeleitet, wo es mit einem Teil 11 des nicht verbrauchten Kathodengases 8 im Brennraum B verbrannt wird. Das bei der Verbrennung gebildete Verbrennungsgas gibt einen Teil seiner fühlbaren Wärme über den Wärmetauscher E1 an die verdichtete Luft 2 ab, bevor es über Leitung 12 entsorgt wird. Ein zweiter Teil 13 des nicht verbrauchten Kathodengases 8 wird zur Permeatseite P des Membranreaktors M zurückgeführt, wo seine thermische Energie zur Aufrechterhaltung der Betriebstemperatur genutzt wird.
  • Um den Energieinhalt des sauerstoffarmen Retentatstroms 14 zu nutzen, wird dieser in der Entspannungsturbine EX arbeitsleistend entspannt und nachfolgend über Leitung 15 entsorgt. Die Entspannungsturbine EX ist mit der Antriebsseite des Verdichters V1 gekoppelt, so dass der größte Teil der durch den Retentatstrom 14 geleisteten Arbeit zur Verdichtung des Luftstroms 1 nutzbar gemacht werden kann.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - EP 1114485 [0006, 0006]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - EG&G Technical Services, Inc.: ”Fuel Cell Handbook”, 7th Edition, U. S. Department of Energy – Office of Fossil Energy – National Renewable Energy Laborstory, 2004 [0005]
    • - K. Fogash: ”Oxygen Production Technologies: Cryogenic and ITM”, 2nd Workshop Int. Oxy-Combustion Research Network, Windsor/CT, 25./26. Januar 2007 [0011]
    • - K. Li: ”Ceramic Membranes for Separation and Reaction”, John Wiley & Sons, Ltd., 2007 [0012]

Claims (11)

  1. Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie mittels einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle (FC), der anodenseitig (A) ein Brennstoff (7) und, als Oxidationsmittel, kathodenseitig (K) ein Sauerstoff enthaltendes Gas (Kathodengas) (5) zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung des Kathodengases (5) wenigstens ein Teil der sauerstoffreichen Fraktion (4) aus einem Membranreaktor (Z) verwendet wird, in dem Luft (3) mittels einer gemischtleitenden keramischen Membran (M) in eine sauerstoffreiche (4) und eine sauerstoffarme Fraktion (14) zerlegt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Membranreaktor (Z) zur Luftzerlegung eingesetzt wird, der mit einer gemischtleitenden keramischen Membran (K) ausgestattet ist, die aus Sr(Co,Fe)O3 und/oder La(Co,Fe)O3 und/oder LaGaO3 und/oder BaSrCoFe besteht.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Anode (A) der Hochtemperatur-Brennstoffzelle (FC) nicht umgesetzter Brennstoff (10) mit wenigstens einem Teil (11) des an der Kathode (K) nicht umgesetzten Sauerstoffs (8) verbrannt wird, wobei die heißen Verbrennungsgase zur Vorwärmung des in die Hochtemperatur-Brennstoffzelle einströmenden Brennstoffs und/oder, der dem Membranreaktor zugeleiteten Luft (2) verwendet werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die sauerstoffarme Fraktion (14) aus dem Membranreaktor (Z) zur Verrichtung mechanischer Arbeit über eine Entspannungsturbine (EX) entspannt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Entspannungsturbine (EX) verrichtete Arbeit zur Verdichtung, der dem Membranreaktor (Z) zugeführten Luft (1) verwendet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein für eine ausreichende Zuführung von sauerstoffreichem Gas (5) notwendiges Druckgefälle zwischen der Kathode (K) und der Permeatseite (P) des Membranreaktors (Z) durch den Verbrauch von Reaktanden an der Kathode (K) aufrechterhalten wird.
  7. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, umfassend eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle (FC), der anodenseitig (A) ein Brennstoff (7) und, als Oxidationsmittel, kathodenseitig ein Sauerstoff enthaltendes Gas (Kathodengas) (5) zuführbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Membranreaktor (Z) mit einer gemischtleitenden keramischen Membran (M) zur Zerlegung von Luft (3) in eine sauerstoffreiche (4) und eine sauerstoffarme Fraktion (14) sowie Zuführeinrichtungen (4, V2, 5) aufweist, über die zumindest ein Teil der sauerstoffreichen Fraktion (4) aus dem Membranreaktor (Z) der Kathode (K) der Hochtemperatur-Brennstoffzelle (FC) zuführbar ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranreaktor (Z) mit einer Membran (M) ausgestattet ist, die aus Sr(Co,Fe)O3 und/oder La(Co,Fe)O3 und/oder LaGAO3 und/oder BaSrCoFe besteht.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Verbrennungseinrichtung (W) aufweist, in der an der Anode (A) der Hochtemperatur-Brennstoffzelle (FC) nicht umgesetzter Brennstoff (10) mit einem Oxidationsmittel (11) verbrennbar und die dabei freigesetzte Energie zumindest teilweise auf den der Hochtemperatur-Brennstoffzelle zuströmenden Brennstoff und/oder die in den Membranreaktor einströmenden Luft (2) übertragbar ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Entspannungsturbine (EX) umfasst, der die sauerstoffarme Fraktion (14) aus dem Membranreaktor (Z) zur Verrichtung von mechanischer Arbeit zuführbar ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannungsturbine (EX) mit einem Verdichter (V1) zur Verdichtung der dem Membranreaktor (Z) zugeführten Luft (1) derart gekoppelt ist, dass die in der Entspannungsturbine (EX) verrichtetet mechanische Arbeit weitgehend auf der Verdichter (V1) übertragbar ist.
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