DE2604981C2 - Unter Druck betriebene Brennstoffzellenstromversorgungsanlagen und Verfahren zu ihrem Betrieb - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Stromversorgungsanlagen mit Brennstoffzellen als Energiequelle. Es wurde schon seit längerer Zeit versucht die Brennstoffleistung zu verbessern.

Zur Verbesserung der Zellenleistung wurde vorgeschlagen, die Betriebstemperatur der Brennstoffzellen zu erhöhen. Die damit erzielten Erfolge sind jedoch beschränkt, da bei erhöhten Temperaturen eine stärkere Materiaikorrosion und, in mit Säureeiektroiyten betriebenen Zeilen, eine Säureverdampfung auftritt Es wurde auch vorgeschlagen die Katalysatormenge pro cm² auf den Elektrodenoberflächen zu erhöhen. Eine größere Katalysatormenge auf den Elektrodenoberflächen bedingt jedoch einen höheren Kostenpunkt, auch ist die Katalysatormenge, welche auf eine gegebene Oberfläche aufgebracht werden kann, beschränkt Durch einen weiteren Vorschlag sollte die Zellenleistung durch eine Erhöhung des Druckes der Reaktionsmittel in der Brennstoffzelle gesteigert werden. Es ist bekannt daß eine bessere Zellenleistung mit unter Druck stehenden Reaktionsmitteln erhalten wird. Das Verdichten der Reaktionsmittel kann jedoch nur unter hohem Energieverbrauch erhalten werden. Es wurde vorgeschlagen, den Verdichter zur Verdichtung der Reaktionsmittel mit elektrischer Energie aus der Brennstoffzelle zu betreiben. Hierbei geht jedoch 30% der Energieleistung der Brennstoffzelle für den Betrieb des Verdichters verloren. Dies bedingt daß die Brennstoffzelle um ungefähr 50% vergrößert werden müßte, um den Energieverlust auszugleichen. Da die Brennstoffzellen den kostspieligsten Bestandteil einer Brennstoffzellenstromversorgungsanlage bilden wird die erhaltene Verbesserung der Zellenleistung durch die Vergrößerung der Brennstoffzellen unwirtschaftlich. Da die elektrische Energieleistung der

so Brennstoffzelle vergrößert wird, müssen auch weitere Bestandteile der Stromversorgungsanlage, wie z. B. J.'e Kondensatoren, die Anlage zur Behandlung des Brennstoffes (Dampfumformungsreaktor) vergrößert werden. Hierdurch wird der Umfang und der Kostenpunkt der Stromversorgungsanlage erhöht. Hinzu kommen auch noch die Kosten, welche für die Verdichtungsanlage der Reaktionsmittel benötigt werden, die Kosten für eine Verbesserung der Abdichtungen der Brennstoffzellenkammern und die zusätzlichen Kosten für widerstandsfähi gere Komponenten, welche die höheren Drucke benötigt werden. In der Vergangenheit war man deshalb der Meinung, daß in Stromversorgungsaniagen mit Luft als Oxydationsmittel keine Vorteile durch einen Betrieb der Brennstoffzelle mit unter Druck stehenden Reaktionsmitteln erhalten werden könnten. Im Gegenteil, man war der Auffassung, daß ein Betrieb solcher Brennstoffzellen mit Luft als Oxydationsmittel nur Nachteile nach sich ziehen könnte. Aus diesem Grunde wurden in der Technik nur Brennstoffzellen-Stromversorgungsanlagen, weiche mit Reaktionsmitteln bei Atmosphärendruck betrieben werden, verwendet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf wirtschaftliche Brennstoffzellenstromversorgungsanlagen welche mit unter Druck stehenden Reaktionsmitteln betrieben werden.

Auch beschreibt die vorliegende Erfindung leistungsfähigere Brennstoffzellenstromversorgungsanlagen. Die gernäß der vorliegenden Erfindung beschriebenen Brennstoffzellenstromversorgungsanlagen sind, bei gleicher Leistung, kleiner als die bekannten Brennstoffzellenstromversorgungsanlagen und der Kostenpunkt solcher Versorgungsanlagen liegt allgemein niedriger als in der Vergangenheit

Die vorliegende Erfindung beschreibt Brennstoffzellenstromversorgungsanlagen, in welchen Oxydationsmittel der Brennstoffzelle unter Druck von einem Verdichter, welcher von der ungenutzten Energie der Stromver-

sorgungsanlage betrieben wird, zugeführt wird. Diese ungenutzte Energie der Brennstoffzellenstromversorgungsanlage wird dem Verdichter in Form von heißen, unter Druck stehenden Gasen zugeführt. So kann der Verdichter z. B. durch die Energie der Kathodenabgase betrieben werden. Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung wird der Brennstoff durch Umwandlung in einem Dampfumformungsreaktor erhalten wobei ein Brenner die für diese Dampfumformung benötigte Energie liefert. Die Luft und der Brennstoff werden der Brennstoffzelle unter hohem Druck zugeführt, die Energie der Kathodenabgase, der Anodetiabgase und der Abgase des Reaktorbrenners wird zum Betrieb einer Turbine, welche einen Verdichter zur Verdichtung des Oxydationsmittelstromes zur Kathode antreibt verwendet.

Γ*-ί die von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie nicht zur Verdichtung des Oxydationsmittels verwendet wird, ist eine Vergrößerung der Brennstoffzellen nicht notwendig, um die gleiche Stromversorgungsleistung zu gewährleisten, im Gegenteil, es ist möglich die Leistung der Brennstoffzellen zu verbessern, so daß mehr Energie ohne Vergrößerung der Brennstoffzellen erzeugt werden kann.

Eine solche Brennstoffzellenstromversorgungsanlage weist noch weitere Vorteile auf, welche bis jetzt noch nicht erkannt worden waren. So können in einer Stromversorgungsanlage gemäß der Erfindung die Wasserwiedergewinnungsapparatur oder die Kondensatoren um einen Faktor 2 oder sogar 3 verkleinert werden. Dies ist von besonderer Wichtigkeit, da die Wasserwiedergewinnungsapparaturen oder Kondensatoren der bekannten Stromversorgungsanlagen ungefähr die gleiche Dimension aufweisen wie die Brennstoffzellen und die Anlage zur Behandlung des Brennstoffes zusammen. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung können die Wasserwiedergewinnungsapparaturen vollständig entfallen. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Wasser zur Dampfumformung des Brennstoffes durch Kondensatoren aus den Kathodenabgaisen und den Anodenabgasen gewonnen. Die Anodenabgase können als Brennstoff dem Reaktorbrenner zugeführt werden. Die Reaktorabgase werden mit den Kathodenabgasen und eventuellen Anodenabgasen, welche nicht in den Brenner geleitet wurden, zusammengefasst und in die Turbine geleitet. Wie aus der nachfolgenden Beschreibung hervorgeht, wurde eine Auskondensierung des Wassers aus den Anodenabgasen in der bekannten Technik als unpraktisch erachtet, wohingegen ein Auskondensieren des Wassers aus den Anodenabgasen einer unter Druck betriebenen Brennstoffzelle von besonderem Vorteil ist.

Die Erfindung beschreibt somit eine unter Druck betriebene Brennstoffzellenstromversorgungsanlage, wobei Luft als Oxydationsmittel in einem Verdichter, welcher durch eine Turbine angetrieben wird, verdichtet wird (i. e. Turbolader). Die Turbine wird mit den Abgasen des Reaktorbrenners und der Brennstoffzelle betrieben. Bei Teilbelastung wird Luft aus dem Turbolader um die Brennstoffzelle abgezweigt und mit den Abgasen der Anlage der Turbine zugeführt Bei Teilbelastung wird auch ein zusätzlicher Brenner eingesetzt, um die Temperatui der in die Turbine eintretenden Gase zu erhöhen. So ist der Massendurchfluß und der Wärmegehalt der zum Betrieb der Turbine verwendeten Gase auch bei Teilbelastung der gleiche wie bei Vollbelastung, so daß der Verdichter unter der gleichen Geschwindigkeit betrieben werden kann und so der Druck der als Oxydationsmittel verwendeten Luft immer gleich bleibt Bei Teilbelastung kann so die Brennstoffzelle mit weniger Luft als bei Vollbelastung betrieben werden, ohne daß eine Veränderung des Luftdruckes auftreten würde. Dies ist von besonderer Wichtigkeit, wenn die Vorteile einer unter Druck stehenden Stromversorgungsanlage auch bei Teilbelastung erhalten werden sollen. Zum besseren Verständnis der Erfindung wird Bezug genommen auf die nachfolgende Beschreibung und Beispiele sowie auf die Figuren, wobei

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Stromversorgungsanlage der vorliegenden Erfindung,

F i g. 2 einen Querschnitt eines Turboladers, welcher in Stromversorgungsanlagen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann,

Fig.3, 4 und 5 schematische Darstellungen von Stromversorgungsanlagen gemäß weiteren Aspekten der Erfindung,

F i g. 6 eine graphische Darstellung der Brennstoffzellenleistung in Stromversorgungsanlagen der vorliegenden Erfindung,

Fig.7 eine graphische Darstellung der Leistung des Dampfumformungsreaktors in Stromversorgungsanlagen der vorliegenden Erfindung, und

F i g. 8 eine graphische Darstellung der Leistung des CO-Umwandlers bei verschiedenen Drücken; darstellen.

Die Fig. 1 stellt eine Stromversorgungsanlage 10 dar, welche Brennstoffzellen 12, einen Verdichter 14, eine Anlage zur Behandlung des Brennstoffes (Dampfumformungsreaktor) 16, einen Kondensator 18, einen Kocher 20, einen Regenerator 22, einen Luftströmungsaufteiler oder /.umsteuervorrichtung 25 aufweist. Die Brennstoffzelleneinheit kann beliebige, bekannte Brennstoffzellen welche mit gasförmigen Reaktionsmitteln betrieben werden, umfassen. Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird Luft als Oxydationsmittel und Wasserstoff als Brennstoff eingesetzt, dies ist jedoch nur ein Beispiel und weitere Oxydationsmittel und Brennstoffe können verwendet werden. Die Brennstoffzelleneinheit 12 besteht meistens aus einer Anzahl Brennstoffzellen welche elektrisch in Serie über eine Ladung verbunden sind. In der Figur wird nur eine einzelne Zelle 13 sowie ein thermischer Regelteil 15 gezeigt, dies jedoch nur um eine klarere Figur zu erhalten. Eine solche Brennstoffzelle umfasst eine Kathode 24 und eine Anode 26, wobei zwischen der Kathode und der Anode eine Elektrolytmatrix 28 vorgesehen ist Gemäß dem bevorzugten Aspekten der Erfindung wird flüssige Phosphorsäure als Elektrolyt eingesetzt, jedoch können auch weitere Säuren und Basen als Elektrolyt sowie Feststoffelektrolyte wie Metalloxydelektrolyte oder feste Kunststoffelektrolyte in Stromversorgungsanlagen gemäß der Erfindung eingesetzt werden. Die Elektroden 24,26 sind in Serie über eine Verbrauchervorrichtung 29 verbunden. Eine jede Brennstoffzelle 13 umfasst eine Oxydationsmittelkammer 30 auf der dem Elektrolyten abgewandten Seite der Kathode 24 und eine Anodenkammer 32 auf der dem Elektrolyten abgewandter. Seite der Anode 26. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung umfasst die Anlage zur Behandlung des Brennstoffes 16 einen Dampfurnfonnungsreaktor 34 und einen Reaktorbrenner 36. Die Verdichteranlage 14 ist ein Turbolader, bestehend aus einem Verdichter 38, welcher von einer Turbine 40 über eine Welle 39 angetrieben wird. Der Turbolader sowie weitere Bestandteile

der Stromversorgungsanlage 10 werden nachfolgend noch näher beschriebe-

Beim Betrieb der Stromversorgungsanlage tritt Luft durch die Leitung 41 in den Verdichter 38 und wird dort verdichtet. Mit Bezug auf nicht unter Druck betriebene Stromversorgungsanlagen bringt ein jeder Überdruck gleich welcher Größenordnung einige Vorteile, Drücke von zwei oder mehr Atmosphären sind jedoch notwendig, um die wesentlichen Vorteile der Stromversorgungsanlage der Erfindung zu erhalten. Die verdichtete Luft tritt in den Luftairömungsaufteiler 25 durch die Leitung 43 ein. Der Luftströmungsaufteiler umfaßt Reguliervorrichtungen, um die Verteilung des Lüftstromes auf die verschiedenen Bestandteile der Anlage zu regeln. Ein Teil des Luftstromes wird durch die Leitung 42 in die Kathodenkammer 30 eingeleitet und dort über die Kathode 24 mit dem Phosphorsäureelcktrolyten in der Matrix 28 zur elektrochemischen Reaktion gebracht, wobei Strom

ίο und Wasser erzeugt werden. Einiges Wasser verdampft in den Luftstrom, welcher aus der Oxydationsmittelkammer 30 abgeleitet wird. Die feuchten, warmen Abgase verlassen die Oxydationsmittelkammer 30 durch die Leitung 44 und werden durch den Regenerator 22 in den Kondensator 18 eingeleitet. Kühlluft wird durch die Leitung 46 in den Kondensator 18 eingeleitet und verläßt den Kondensator durch die Leitung 48. In dem Kondensator 18 werden die Oxydationsmittelkammerabgase zu einer Temperatur abgekühlt, bei welcher Wasser aus dem Luftstrom kondensiert. Das auskondensierte Wasser wird zur Verwendung in dem Dampfumforniungsreaktor 16 aufgefangen. Die relativen kühlen Oxydationsmittelkammerabgase verlassen den Kondensator durch die Leitung 50 und werden zurück durch den Regenerator 22 geführt, wo sie die verlorene Wärme oder einen Teil dieser Wärme wieder aufnehmen. Die wiederaufgewärmten Oxydationsmittelkammerabgase werden nach Verlassen des Regenerators 22 mit den Anodenkammerabgasen und den Reaktorbrennerabgasen vermischt. Die Abgase werden durch die Leitung 52 in die Turbine 40 geleitet. Die Turbine 40, welche den Verdichter 38 antreibt, wird so durch die in diesen Abgasen inhaftende Energie betrieben. Falls notwendig kann ein zusätzlicher Brenner (nicht gezeigt) mit einer geeigneten Brennstoffzufuhr eingesetzt werden, um die Energie der kombinierten Abgase zu erhöhen, bevor diese in die Turbine 40 gelangen. Nach Durchgang durch die Turbine 40 kann irgendwelche nicht benutzte Energie in dem Gasstrom an die Umgebung abgegeben werden oder durch die Leitung 58 einem weiteren Bestandteil der Stromversorgungsanlage zur weiteren Verwendung zugeführt werden.

Zu gleicher Zeit wird ein Wasserstoff enthaltender flüssiger Brennstoff, wie z. B. Naphta, welcher durch eine Pumpe 60 zu ungefähr dem gleichen Druck verdichtet wurde wie die in die Oxydationsmittelkammer 30 eintretende Luft, bei Bezugsziffer 61 mit dem aus dem Kocher 20 zugeführten Dampf vermischt und die Mischung in den Dampfumformungsreaktor 34 durch die Leitung 62 eingeleitet. Bevorzugt wird der Brennstoff vor der Vermischung mit dem Dampf bei Bezugsziffer 61 zerstäubt (nicht gezeigt) so daß der in den Reaktor 34 eintretende Strom im gasförmigen Zustand ist.

Der Kocher 20 kann einen eigenen Brenner und eine eigene Brennstoffversorgung aufweisen, bevorzugt wird jedoch der Kocher 20 mit der Abwärme der Brennstoffzelleneinheit 12 betrieben. Ein Kühlmittel, wie z. B.

Silikonöl, wird zu diesem Zweck durch den thermischen Regelteil 15 der Brennstoffzelleneinheit 12 durch die Leitung 64 eingeführt. Das Kühlmittel nimmt Wärme von der Brennstoffzelleneinheit 12 auf und verläßt den thcr—iischcn Regelte;! 15 durch die Leitung 66. V/asser aus dem Kondensator ί S wird durch die Leitung 67 in den Kocher 20 eingeleitet. Das Kühlmittel wird in den Kocher 20 eingeleitet, wo Wärme von dem Kühlmittel an das Wasser abgegeben wird, um Dampf zu erzeugen. Das Kühlmittel wird aus dem Kocher 20 abgeführt und in einen Strahlungskühler 68 eingeleitet wo zusätzliche Wärme abgegeben wird, bevor das Kühlmittel durch die Pumpe 69 wieder in die Brennstoffzelleneinheit 12 gepumpt wird.

Brennstoff in Form von Wasserstoffgas und einigen Verunreinigungen wird aus dem Dampfumformungsreaktor 34 durch die Leitung 70 in die Brennstoffkammer 32 der Brennstoffzelle 13 eingeleitet, wo der Wasserstoff elektrochemisch mit dem Elektrolyten reagiert. Bevorzugt wird der Anodengasstrom bei dem gleichen Druck wie Kathodengasstrom gehalten, um die Möglichkeit eines Gasüberganges von der Brennstoffkammer in die Oxydationsmittelkammer und umgekehrt zu vermeiden. Die Anodenabgase werden durch die Leitung 72 aus der Brennstoffkammer 32 abgeleitet und bei 73 mit den Kathodenabgasen und bei 74 mit den Brennerabgasen vermischt worauf die Mischung in die Turbine 40 zum Antrieb des Verdichters 38 eingeleitet wird.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist der Reaktorbrenner 36 eine eigene Brennstoffversorgung auf,

so wobei der Brennstoff durch eine Leitung 75 in den Brenner 36 eingeleitet wird und dort mit verdichteter Luft aus dem Luftströmungsaufteiler 25, welche durch die Leitung 76 in den Brenner eintritt, vermischt wird. Die Luft und der Brennstoff werden in dem Brenner 36 verbrannt und liefern so Wärme für die Dampfumformungsreaktion im Reaktor 34. Die Brennerabgase werden durch die Leitung 77 abgeführt und bei 74 mit den Anoden- und Kathodenabgasen vermischt.

Ein wichtiges Kennzeichen der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung der ungenutzten Energie der Stromversorgungsanlage zum Antrieb des Verdichters, welcher die Luft oder das Oxydationsmittel, welches in den Brennzellen verwendet wird, verdichtet, in Form von heißen, unter Druck stehenden Abgasen aus den verschiedenen Teilen der Stromversorgungsanlage erhalten, welche in eine Turbine eingeleitet werden, welche den Verdichter antreibt. Natürlich ist es vorteilhaft, diese ungenutzte Energie soweit als möglich zu verwenden,

μ um die Vorteile der vorliegenden Erfindung zu erhalten. Die Erfindung würde jedoch auch noch Vorteile mit sich bringen, wenn die Kathodenabgase als einzige Energiequelle zum Betrieb der Turbine eingesetzt würden. Unter diesen Umständen könnten die Abgase des Reaktorbrenners und der Brennstoffkammer an die Umgebung abgeleitet oder aber zu weiteren Verwendungszwecken eingesetzt werden. Die ungenutzte Energie aus dem Brenner könnte z. B. zum Überhitzen des Dampfer aus dem Kocher vor dessen Eintritt in den Reaktor eingesetzt werden. Falls jedoch die Kathodenabgase als alleinige Energiequelle zum Betrieb der Turbine eingesetzt werden, müßte wahrscheinlich ein zusätzlicht;· Brenner (nicht gezeigt) mit eigener Brennstoffversorgung eingesetzt werden, um die Energie des Kathodenabgasstromes vor dem Eintritt ir. die Turbine zu erhöhen. FaHs die Reaktorbrennerabgase nicht zum Betrieb der Turbine eingesetzt werden, sollte bevorzugt ein Brenner, welcher

bei Aimospharendruck betrieben wird, eingesetzt werden. Hierdurch könnte normale Luft anstatt der verdichteten Luft in den Brenner eingeführt werden. In diesen Falle müssen jedoch die Anodenabgase, welche zum Betrieb des Brenners eingesetzt werden können, nach Verlassen der Brennstoffzelleneinheit zu Atmosphärendruck en'.spannt werden. Gemäß dem bevorzugten Aspekt der Erfindung, welcher in den Fig. 1, 3, 4 und 5 dargestellt wird, wird die Energie aus den Anodenabgasen, Kathodenabgasen und den Brennerabgasen eingesetzt, um die Turbine, welche den Verdichter a'.itreibt, zu betreiben.

Falis die Stromversorgungsanlage in der Nähe eines großen Wasservorrats wie z. B. eines Flusses, eines Sees oder eines großen Wassertanks liegt, kann ein Auskondensieren des Wassers aus den Kathodenabgasen entfallen. Wasser wird der Dampfumformungsreaktion in diesem Falle aus einem außerhalb der Stromversorgungsanlage liegendem Vorrat zugeführt. In diesem Falle könnte auch der Regenerator 22 entfallen. iu

Obschon die Anlage zur Behandlung des Brennstoffes, welche in der F i g. 1 gezeigt wird, aus einem Dampfumformungsreaktor und einem Reaktorbrenner besteht, können solche Anlagen weitere Bestandteile wie CO-Umwandler und/oder selektive Oxydationsvorrichtungen aufweisen. Die Zusammensetzung der Anlage zur Behandlung des Brennstoffes hängt von dem rohen Brennstoff, welcher eingesetzt wird, sowie von dem Brennstoffzellentyp ab. Die Anlage zur Behandlung des Brennstoffes kann z. B. einen partiellen Oxydationswasser-Stoffgenerator anstatt eines Dampfumformungsreaktors und eines Reaktorbrenners umfassen. Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung sind in den F i g. 3 und 4 dargestellt und umfassen diese und weitere Bestandteile.

Als Beispiele eines Turboladers, welcher in eine Stromversorgungsanlage der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann ist der Turbolader der F i g. 2 angegeben. Luft tritt durch den Einlaß 200 in den Verdichter ein und beaufschlagt ein einstufiges Zcntriiugallaufrad 202, weiches dem Luftstrom einen dynamischen Druck verleiht. Die Luft strömt bei hoher Geschwindigkeit in einen Diffusor 204, in weichem der dynamische Druck in einen statischen Druck umgewandelt wird. Gemäß dem Aspekt der Fig. 1 verläßt die verdichtete Luft den Diffusor 204 durch die Leitung 43 und, nach Durchgang durch den Luftströmungsverteiler 25, gelangt sie in die Oxydationsmittelkammer 30 und den Reaktorbrenner 36. Auf der anderen Seite des Turboladers werden heiße Gase, (z. B. durch die Leitung 52 aus F i g. 1) durch den Einlaß 206 in die Turbine eingeführt und strömen durch ein zentrifugales Turbinenlaufrad 208, welches die thermische Energie des Gasstromes in mechanische Leistung umgewandelt, und die Welle 210, welche mit dem Verdichterlaufrad 202 verbunden ist, antreibt. Die Gase werden durch den Turbinenauslaß 212 abgeführt.

Der Turbolader der F i g. 2 wurde nur als Beispiel aufgeführt und weitere Vorrichtungen zum Verdichten des Oxydationsmittels können eingesetzt werden. Alle Turbolader, welche die für die Stromversorgungsanlage erwünschten Kriterien wie Durchsatz und Druck erfüllen können eingesetzt werden. Für eine 1200 kW Stromversorgungsanlage, in welcher die Reaktionsmittel bei einem Druck von ungefähr 3,5 Atmosphären in die Brennstoffzellen eingeführt werden sollen kann z. B. ein Turbolader von Brov/n Boveri Model RRl 50 eingesetzt werden. Dieses Modell hat einen Durchsatz von l,36kg/Sek. bei einem Druck von 3.5 kg/cm². Obschon der Ausdruck »Turbolader« im allgemeinen mit einem Zentrifugalverdichter in Zusammenhang gebracht wird, kann auch ein Axialdurchflußverdichter eingesetzt werden. Zentrifugale Verdichter werden bevorzugt, da sie einen hohen Wirkungsgrad aufweisen und hohe Einstufenverdichtungsverhältnisse erhalten werden, welche normalerweise mit Axialdurchflußverdichter nicht erhalten werden. Obschon der Turbolader der F i g. 2 irrs Zusammenhang mit einer Zentrifugalturbine gezeigt ist, können auch Turbolader mit Axialdurchflußturbinen in Stromversorgungsanlagen der Erfindung eingesetzt werden. Die F i g. 2 stellt einen Turbolader dar, jedoch können auch weitere Vorrichtungen, welche mit der Energie der heißen, unter Druck stehenden Abgase betrieben werden können und Verdichter zur Verdichtung von gasförmigen Medien antreiben, eingesetzt werden. So kann z. B. ein Wärmemotor, welcher mit einem heißen, unter Druck stehenden Gasstrom betrieben werden kann, zum Antrieb eines Verdichters eingesetzt werden. Auch kann ein Hochverdichter, welcher Luft direkt durch die Energie ? ines expandierenden Gases durch die Verdichtungs- und Expansionswellen verdichtet oder weitere Vorrichtungen. weiche auf ähnlichen Prinzipien basieren, eingesetzt werden. Das Vorverdichtungsprinzip solcher Vorrichtungen ist gut bekannt und wurde in einer ASME Veröffentlichung 58-GTP-16 unter dem Titel »The Comprex ... A New Concept of Diesel Supercharging« von Max Berchtold und F. J. Gardiner (veröffentlicht im März 1958) beschrieben.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die Drücke in der Brennstoff- und der Oxydationsmittelkammer 32 bzw. 30 gleich gehalten, da die Abgase der beiden Kammern bei 73 vermischt werden und dort denselben Druck aufweisen müssen. Hierdurch können Druckausgleichvorrichtungen, welche sonst eingesetzt werden müßten, entfallen.

Eine modifizierte Ausführung einer Anlage gemäß F i g. 1 wird durch die gestrichelten Leitungen in F i g. 1 beschrieben. Gemäß diesem weiteren Aspekt der Erfindung werden die Abgase der Anodenkammer 32 über die Leitung 100 in den Brenner 36 eingeführt, anstatt direkt mit den Kathodenabgasen bei 73 vermischt zu werden. Die Anodenabgase enthalten genügend unbenutztes Wasserstoffgas, so daß eine eigene Brennzufuhr für der. Brenner 36 entfallen kann. Die Brennerabgase, welche gemäß diesem Aspekt die Anodenabgase enthalten, werden durch einen Wärmeaustauscher oder Regenerator 101 geleitet und mit den Kathodenabgasen über die Leitung 104 bei 102 vermischt, anstatt bei 74 mit diesen Kathodenabgasen vermischt zu werden. In diesem System wird Wasser aus den Kathodenabgasen und den Anodenabgasen in dem Kondensator 18 entfernt. Dies ist von Vorteil, da es möglich ist, daß die aus den Kathodenabgasen gewonnene Wassermenge nicht genügt, um den Dampfumformungsreaktor 34 zu betreiben. Die beiden Ströme verlassen den Kondensator 18, werden durch den Generator 22 geleitet, um den Gasen weitere Wärme zuzuleiten, worauf die Energie der Gase noch in dem Regenerator 101 erhöht wird. Der heiße Gasstrom wird alsdann in die Turbine 40, welche den Verdichter 38 antreibt, eingeführt Die Funktion des Wärmeaustauschers 101 wird im nachfolgenden noch näher mit Bezug auf die Beschreibung des Betriebes des Kondensators 18 erläutert

F i g. 3 zeigt einen weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung. Gleiche Bezugszeichen in der F i g. 3 bezeich-

nen die gleichen Bestandteile wie in Fig. 1. Die Anlage entspricht ungefähr der Anlage aus Fig. 1, ist jedoch komplexer, da die Anlage zusätzlich einen CO-Umwandler IM und eine selektive Oxydationsvorrichtung 106 in Zusammenhang mit der Anlage zur Behandlung des Brennstoffes 16 (siehe Fig. 1} umfaßt Die Anlage umfaßt des weiteren 4 zusätzliche Wärmeaustauscher. In dem CO-Umwandler 104 wird der Kohlenstoff monoxydgehalt des aus dem Reaktor 34 austretenden Gasstromes erniedrigt Im CO-Umwandier verbinden sich Kohlenstoffmonoxyd und Wasser in Gegenwart eines Katalysators, wobei Wasserstoff und Kohlenstoffdioxyd sowie Wärme entstehen gemäß der folgenden bekannten Gleichung:

CO + H₂O — H₂ + CO₂ + Wärme (1)

In der selektiven Oxydationsvorrichtung wird der restliche Kohlenstoffmonoxyd mit Sauerstoff in Gegenwart eines Katalysators zur Reaktion gebracht so daß zusätzlicher Kohlenstoffdioxyd sowie Wärme gemäß der folgenden Gleichung entstehen:

\5 CO + 1/2O₂-CO₂ + Wärme (2)

Der Sauerstoff für die selektive Oxydation wird in Form von verdichteter Luft durch die Leitung 108 aus dem Luftströmungsaufteiler 25 eingeführt Gemäß diesem Aspekt der Erfindung werden die vermischten Anoden- und Kathodengasströme, welche aus dem Kondensator 18 austreten, durch Wärmeaustauscher in der selektiven Oxydationsvorrichtung und in dem CO-Umwandler geleitet wobei die Abgase die Reaktionswärme der Reaktionen aufnehmen und wobei die Energie dieser Abgase somit durch die Abwärme dieser Reaktionen erhöht wird.

Obschon die Anlage zur Behandlung des Brennstoffes gemäß dem beschriebenen Aspekt einen Dampfumformungsreaktor, einen Reaktorbrenner, einen CO-Umwandler und eine selektive Oxydationsvorrichtung umfaßt können solche Apparate auch weitere Bestandteile aufweisen. Die Anforderungen, welche an eine solche Anlage gestellt werden, hängen vom eingesetzten rohen Brennstoff und von den in der Brennstoffzelleneinheit eingesetzten Brennstoffzellen ab. So kann die Anlage zur Behandlung des Brennstoffes weitere Bestandteile, wie ei.ien partialen Oxydationswasserstoffgenerator anstattt eines Dampfumformungsreaktors und eines Reaktorbrenners umfassen.

Gemäß diesem Aspekt wird ungenutzte Energie der Anlage zur Behandlung des Brennstoffes in der Turbine 40, durch Zufuhr der Brennerreaktorabgase in die Turbine, verwendet Falls die Stromversorgungsanlage keinen Dampfumformungsreaktor und keinen Reaktorbrenner umfa3t müßten weitere Mittel vorgesehen werden, um die ungenutzte Energie dieser Anlage an die Turbine zu leiten, wie z. B. Wärmeaustauscher usw.

Gemäß dem Aspekt der F i g. 1 wird der Dampf aus dem Kocher 20 in den Reaktor 34 eingeleitet nachdem dem Dampf Brennstoff aus der Leitung 62 zugemischt wurde. Gemäß F i g. 3 wird der Dampf durch 3 Wärmeaustauscher in den Reaktor 34 geleitet Der Dampf wird zuerst durch einen Wärmeaustauscher 116 geleitet in welchem er durch den aus dem CO-Umwandler 104 austretenden Gasstrom überhitzt wird. Bei 114 wird dem Dampfstroni roher Brennstoff zugesetzt. Der Dampfstrom nimmt in dem Wärmeaustauscher 118 zusätzliche Wärme von der verdichteten Luft (Verdichtungswärme) auf, wobei die verdichtete Luft durch die Leitung 76 durch den Wärmeaustauscher 118 geleitet wird. Der Brennstoff und der überhitzte Dampf werden dann in den Wärmeaustauscher 120 geleitet worauf die Temperatur für die Reaktion in dem Reaktor 34, ungefähr 538"C geeignet ist Nach der Brennstoffumwandlung im Reaktor 34 wird der austretende Gasstrom in den Wärmeaustauscher 120 geleitet wobei ein Großteil der Reaktionswärme an die in den Reaktor eintretenden Gase abgegeben wird.

Ein weiterer Unterschied zwischen dem Aspekt der F i g. 3 und jenem der F i g. 1 ist der Wärmeaustauscher 122. Die Anodenabgase werden durch die Leitung 100 durch den Wärmeaustauscher 122 geleitet und in diesem Wärmeaustauscher aufgewärmt bevor sie in den Brenner 36 eingeführt werden. Der Brenner 36 liefert die Wärme für die Dampfumformungsreaktion im Reaktor 34. Die Temperatur der Brennerabgase, welche die Anodenabgase enthalten, wird vor Eintritt dieser Gase in den Kondensator 18 in den Wärmeaustauschern 101

so und 122 herabgesetzt, um die Kondensation des Wassers im Kondensator 18 zu erleichtern.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in der F i g. 4 dargestellt In der F i g. 4 gelten die gleichen Bezugszeichen für gleiche Bestandteile mit Bezug auf die F i g. 1 und 3. Die Brennstoffzelleneinheit wurde mit einem neuen Bezugszeichen 300 bezeichnet, da die gemäß diesem Aspekt eingesetzte Einheit keiner, thermischen Regulierteil umfaßt. Die Brennstoffzelle ist in dieser Figur mit 302, die Kathode mit 304, die Anode mit 306, die Brennstoffkammer mit 308, die Oxydationsmittelkammer mit 310 und die Elektrolytmatrix mit 312 bezeichnet.

Gleich wie in dem Aspekt aus F i g. 1 werden die Anodenabgase 308 in den Reaktorbrenner 36 zusammen mit Luft aus dem Verdichter 38 eingeleitet. Auch werden die Abgase des Reaktorbrenners 36 mit den Abgasen der Oxydationsmittelkammer vermischt und in die Turbine 40 zum Antrieb des Verdichters 38 eingeleitet

Ein weiterer Unterschied zwischen der Anlage gemäß F ί g. 4 und den Anlagen der F i g. t und 3 besteht darin, daß der Dampf für die Dampfumformungsreaktion direkt aus den Anodenabgasen verwendet wird, ohne daß eine Wasserwiedergewinnungsvorrichtung vorgesehen ist. Die Anodenabgase, welche Dampf oder Wasser, welche in den Zellen entstehen, umfassen, werden aus der Brennstoffkammer durch die Leitung 314 über ein Ventil 316 geleitet, wobei über das Ventil 316 ein Teil der Gase in den Reaktorbrenner 36 durch die Leitung 318 eingeführt wird und ein weiterer Teil der Gase über die Leitung 320 in den Dampfumformungsreaktor 34 eingeleitet wird. Im Reaktor 34 wird dieser Anteil der Anodenabgase mit verdichtetem, rohem Brennstoff, welcher durch die Leitung 322 in den Reaktor 34 eingeleitet wird, vermischt. Umgewandelter Brennstoff wird durch die Leitung 324 aus dem Reaktor 34 entfernt. In einem Strahlungskühler 326 wird die Temperatur dieses

Gasstromes erniedrigt und der Gasstrom in einen CO-Umwandler 104 eingeführt Aus dem CO-Umwandler 104 gelangt der Gasstrom über eine Leitung 320 in einen weiteren Strahlungskühler 328, in welchem die Temperatur der Gase noch weiter erniedrigt wird, bevor diese Gase in die Brennstoffkammer durch die Leitung 332 eingeführt werden.

Die Stromversorgungsanlage gemäß F i g. 4 umfaßt auch Wärmeaustauscher 334 und 336, in weichen Wärme aus den Turbinenabgasen an den Anodenabgasstrom und an den verdichteten Luftgasstrom, welche in den Reaktorverbrenner 36 eingeführt werden, abgegeben wird. Ein weiterer Wärmeaustauscher 340 ist zur Erwärmung des in den Reaktor 34 eintretenden Anodenabgasstromes vorgesehen. Es wird darauf hingewiesen, daß die Anzahl der Wärmeaustauscher und deren Einbau in das System von der Stromversorgungsanlage und den Bedingungen in der Anlage abhängen. Die besondere Stellung der Wärmeaustauscher sowie deren Anzahl in der Stromversorgungsanlage aus F i g. 4 ist nur beispielhaft

Die Anodenabgase liefern somit den Dampf für den Reaktor 34, auch wird der Anodenabgasstrom zur Kühlung der Brennstoffzelleneinheit 300 eingesetzt Dies geschieht durch Erniedrigung der Temperatur des Gasstromes, welcher in die Brennstoffkammer 308 eingeleitet wird. Die Temperatur des in die Brennstoffkammer 308 eingeleiteten Gasstromes sollte somit wesentlich unterhalb der Betriebstemperatur der Brennstoffzel- leneinheit liegen. Die Temperatur des in die Brennstoffkammer 308 eingeführten Gasstromes wird in dem Strahlungskühler 328 durch Kontrolle der Kühlluftmenge, welche durch die Leitung 341 in den Strahlungsi /hler eingeführt wird, reguliert Durch eine Pumpe 342 wird ein genügender Gasdurchfluß von Kühlgasen durch die Brennstoffkammer 308 gewährleistet Die Temperatur des in die Brennstoffkammer eingeleiteten Gasstromes wird auch in dem Wärmeaustauscher 340 und in dem Strahlungskühler 326 erniedrigt In dem Strahlungskühler 326 wird die Temperatur der in den CO-Umwandler i04 eintretenden Gase erniedrigt Der CO-Ümwandier gemäß diesem Aspekt der Erfindung ist ein CO-Umwandler, welcher bei niedrigen Temperaturen betrieben wird. Die CO-Umwandlung ist eine exotherme Reaktion, so daß die Temperatur des Gasstromes in dem CO-Umwandler erhöht wird, so daß ein zweiter Strahlungskühler 328 benötigt wird. Zusätzlich zu einer Erniedrigung der Temperatur des aus dem Reaktor 34 austretenden Gasstromes gewährleistet der Wärmeaustauscher 2s 340 auch eine Erwärmung des in den Reaktor 34 eingeleiteten Gasstromes. Wie schon angegeben, können verschiedene Systeme von Wärmeaustauschern und Kühlern eingesetzt werden unter der Bedingung, daß die Abwärme der aus dem Reaktor austretenden Gase nicht vergeudet wird.

Es muß darauf geachtet werden, daß die Anodenabgase genügend Dampf für die Dampfumformung im Reaktor 34 aufweisen. Um einen genügenden Dampfgehalt in den Anodenabgasen zu gewährleisten, wird der Gasdurchsau durch die Brennstoffkammer durch die Pumpe 342 reguliert. Der Gasdurchsatz durch die Brennstoffkammer und die Gaszufuhr zum Reaktorbrenner und zum Reaktor, welche durch das Ventil 316 reguliert wirdjiängt von dem Gasdruck, der Reaktorleistung und dem Brennstoffbedarf des Reaktorsbrenners ab.

Gemäß den Aspekten der Fig. 1,3 und 5 wird der in den Reaktor 34 eingeleitete Dampf in einem Kocher, welcher in Wärmeaustausch mit dem Kühlmittelkreislauf der Brennstoffzelleneinheit steht, erzeugt Der Druck der in die Brennstoffkammer eingeführten Gase ist durch den Dampfdruck, welcher mit dem Brennstoff vermischt wird, beschränkt Der Druck des in dem Kocher erzeugten Dampfes hängt von der Temperatur des Kühlmittels in dem Kühlmittelkreislauf, welcher von der Brennstoffzelleneinheitsbetriebstemperatur beschränkt ist, ab. Im Falle einer Phosphorsäureelektrolytzelle ist z. B. die Temperatur, bei welcher die Zelle betrieben werden kann, durch Korrosionsprobleme beschränkt, hierdurch ist auch der Dampfdruck, welcher erhalten werden kann, entsprechend beschränkt. In der Ausführung gemäß F i g. 4 besteht keine Druckbeschränkung, obschon die Zelle auch mit Phosphorsäureelektrolyten betrieben werden kann. Dies ist dem Umstand zuzuschreiben, daß der Dampf in die Brennstoffkammer 308, unabhängig von dem Totaldruck in dieser Kammer, verdampft wird. Ein kontinuierlicher Betrieb der Zelle bedingt eine Wasserentfernung aus der Zelle. Das Wasser muß einen bestimmten Bruchteil der aus der Zelle austretenden Gasströme bilden. Da der Dampfdruck dem Totaldruck multipliziert mit dem Molbruchteil Wasser entspricht, muß der Dampfdruck bei steigendem Totaldruck steigen. Bei einer gegebenen Brennstoffzellentemperatur wird der Elektrolyt mit steigendem Totaldruck verdünnt und der Wasserdampfdruck über dem Elektrolyten steigt an. So können höhere Reaktionsmitteldrücke eingesetzt werden und dies ist ein besonderer Vorteil dieser Ausführungsform der Erfindung. F i g. £· beschreibt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gleiche Bezugszeichen in der F i g. 5 entsprechen gleichen Bestandteilen der F i g. 1. Obschon diese Ausführungsforrn verschiedene Kennzeichen aufweist, welche sich nicht von den Kennzeichen der Ausführungsformen der F i g. 1 und 3 unterscheiden, umfaßt diese Ausführungiform jedoch verschiedene Bestandteile, welche die Anlage ergänzen und leicht in die Anlagen gemäß den F i g. 1 und 3 eingebaut werden könnten. Eines dieser Kennzeichen ist ein bevorzugter Einbau der Kondensatoren in der Anlage, wobei diese Stellung der Kondensatoren nur bei einer unter Druck stehenden Anlage gemäß der vorliegenden Erfindung möglich ist. Ein weiteres Kennzeichen erlaubt einen Betrieb der Anlage bei Teilbelastung, ohne jedoch die durch die vorliegende Erfindung erhaltenen Vorteile zu schmälern. Diese Kennzeichen werden im nachfolgenden näher erläutert.

Die Stromversorgungsanlage gemäß F i g. 5 umfaßt eine Brennstoffzelleneinheit 12, einen Verdichter 14, eine Anlage zur Behandlung des Brennstoffes 16, einen zusätzlichen Brenner 17, Kondensatoren 18,19, einen Kocher 20, einen Strahlungskühler 68, einen Luftströmungsaufteiler 25. Wie schon mit Bezug auf F i g. 1 angegeben, umfaßt die Anlage zur Behandlung des Brennstoffes 16 einen Dampfumformungsreaktor 34 und einen Reaktorbrenner 36. Weitere Anlagen können jedoch auch in dieser Ausführungsform der Erfindung eingesetzt werden. Mit Ausnahme des zusätzlichen Brenners 17 und des Kondensators 19 wurden die verschiedenen obengenannten Bestandteile schon mit Bezug auf F i g. I aufgeführt. Beim Betrieb der Anlage gemäß F i g. 5 tritt Luft durch die Leitung 41 in den Verdichter 38 ein und wird verdichtet. Die verdichtete Luft gelangt über ein Kontrollventil ·,

27 zu dem Luftströrmingsaufteiler 25. Bei voller Belastung wird die gesamte verdichtete Luft aus dem Verdichter g

38 in den Luftströmungsaufteiler 25 eingeleitet. Der Luftströmungsaufteiler umfaßt Reguliervorrichtungen und

Ventile, mit welchen eine Verteilung der verdichteten Luft an die verschiedenen Bestandteile der Anlage geregelt werden kann. Ein Teil der Luft wird in die Oxydationsmittelkammer 30 durch die Leitung 42 und durch die Leitung 76 in den Brenner 36 geleitet Feuchte, heiße Kathodenabgase verlassen die Oxydationsmittelkammer 30 durch die Leitung 44 und werden zu einem Kondensator 18 geleitet In dem Kondensator 18 werden die Kathodenabgase auf eine Temperatur abgekühlt, bei welcher eine Kondensierung des in den Abgasen enthaltenen Wassers erhalten wird. Das Wasser wird zur Verwendung in der Anlage zur Behandlung des Brennstoffes 16 zusammengefaßt Aus diesem Kondensator 18 gelangen die Kathodenabgase durch die Leitung 50 zu einem Punkt 51, an welchem sie mit den Brennerabgasen vermischt und an die Turbine 40 weiter geleitet werden. Mit der Energie aus diesen Abgasen wird die Turbine 40, welche den Verdichter 38 antreibt betrieben. Die Anlage

ίο kann auch einen Regenerator 22 umfassen, obschon dieser nicht gezeigt ist In diesem Falle wurden die Kathodenabgase durch den Regenerator geleitet bevor sie in den Kondensator 18 eingeführt werden.

Unter Druck stehender Brennstoff wird bei 6i mit unter Druck stehendem Dampf vermischt und in den Reaktor 34 eingeführt Durch die Leitung 70 wird behandelter Brennstoff aus dem Dampfumformungsreaktor 34 in die Brennstoffkammer 32 geleitet Es wird darauf geachtet den Druck der Oxydationsmittel gleich zu halten,

:s um ein Risiko eines Gasüberganges zwischen den verschiedenen Gaskammern zu vermeiden. Von der Brennstoffkammer 32 werden die Abgase in den Kondensator 19 und aus dem Kondensator in den Brenner 36 geleitet Die Anodenabgase enthalten unverbranntes Wasserstoff gas, so daß eine separate Brennstoffzufuhr für den Brenner 36 entfallen kann. Der Brenner 36 liefert die Reaktionswärme für den Reaktor 34. Die Brennerabgase, mit welchen die Anodenabgase vermischt sind, werden bei 51 mit den Kathodenabgasen vermischt bevor sie in die Turbine 4P eingeführt werden.

In verschiedenen Anlagen kann es wünschenswert sein, die Anodenabgase nicht in den Brenner 36 einzuführen, sondern diese Abgase gleich mit den Kathodenabgasen zu vermischen. In diesem Falle müßte der Brenner 36 mit einer separaten Brennstoffzufuhr versehen sein.

Bei einer Teilbelastung der Zelle werden weniger Brennstoff und weniger Luft in den Brennstoffzellen benötigt Auch entsteht bei Teilbelastung einer Brennstoffzelle weniger Wasser. Falls der Luftdurchsatz durch die Oxydationsmittelkammer bei Teilbelastung nicht herabgesetzt wird, sinkt der Partialdruck von Wasser in den Kathodenabgasen mit Bezug auf Vollbelastung stark ab. Dies ist unerwünscH da ein niedriger Partialdruck von Wasserdampf in den Kathodenabgasen eine Auskondensierung von Wasser aus diesen Gasen in dem Kondensator 18 erschwert In einem solchen Fall kann nur genügend Wasser für die Dampfumformungsreaktion in größeren Kondensatoren erhalten werden, die Brennstoffzelleneinheit liefert auch bei Teilbelastung weniger Wärme als bei Vollbelastung und falls bei Teilbelastung ein zu großer Luftdurchsatz durch die Anlage aufrechterhalten wird, wird zu viel Wärme aus der Einheit entfernt so daß ein Betrieb der Zelle nur unterhalb der erwünschten Betriebstemperatui möglich ist Dies bedingt den Einbau eines zusätzlichen Brenners zur Erhöhung der Temperatur der Grennsioffzeileneinheit auf eine wirkungsvolle Betriebstemperatur. Eine solche Lösung ist nicht sehr wirkungsvoll u..d unwirtschaftlich. Falls die Vorteile der vorliegenden Erfindung auch bei Teilbelastung der Brennstoffzelle aufrechterhalten werden sollten, ist es notwendig, die Brennstoffzellenreaktionsmittel bei gleichem Druck bei Zellenteilbelastung wie auch bei Vollbelastung zu halten. Des weiteren mu3 zu diesem Zweck der Massendurchsatz Luft durch die Oxydationsmittelkammer der Brennstoffzellen erniedrigt werden. Der Turbolader in der Anlage gemäß F i g. 5 hat eine starre Geometrie und kann .somit he> niedrigerem Massendurchsatz durch die Zelle den hohen Druck der Reaktionsmittel nicht halten. Es ist auch nicht möglich, diese hohen Drücke zu halten, falls die Temperatur der Gase, welche die Turbine antreiben, bei Teilbelastung herabgesetzt wird. Um zu gewährleisten, daß bei Teilbelastung verdichtete Luft unter gleichem Druck wie bei Vollbelastung im Turbolader 14 erhalten wird, muß der Massendurchsatz durch die Turbine und die Temperatur der in die Turbine eingeleiteten Gase bei Voll- und Teilbelastung konstant gehalten werden.

Eine Veränderung des Energiegehaltes der in die Turbine 40 eingeleiteten Gase zieht eine Veränderung der Turbinengeschwindigkeit und somit eine Veränderung der unter Druck stehenden Luft sowie der Luftmenge, welche aus dem Verdichter 38 gepumpt wird, nach sich.

Als Lösung könnte man versuchen, überflüssige Luft (welche bei Teilbelastung vom Turbolader erhalten wird) in den Reaktorbrenner 36 durch den Luftströmungsaufteiler 25 einzuleiten. Bei Teilbelastung benötigt die Brennstoffzelleneinheit 12 jedoch weniger Brennstoff, so daß auch weniger Brennstoff in den Anodenabgasen vorliegt. Somit gelangt weniger Brennstoff in den Brenner 36. Dies ist nicht von Nachteil, da auch weniger Wärme für die Umiormungsreaktion benötigt wird. Dies bedingt jedoch auch, daß weniger Luft aus dem Luftströmungsaufteiler 25 in den Brenner 36 eingeleitet werden soll. Falls der Luftüberschuß aus dem Verdichter 38 in den Brenner 36 eingeleitet wird, muß diese Luftmenge in dem Brenner aufgewärmt werden, um den Brenner bei einer geeigneten Betriebstemperatur zu halten. Dies zieht eine höhere Brennstoffzufuhr und somit Unwirtschaftlichkeit nach sich.

Diese Probleme können durch die Ausführungsform der Erfindung gemäß F i g. 5 vermieden werden. Ein Umgehungsventil 27 wird so in die Anlage eingebaut, daß bei Vollbelastung der gesamte I.uftanteil aus dem Verdichter 38 in den Luftströmungsaufteiler 25 eingeleitet werden kann. Bei Erniedrigung der Belastung öffnet sich das Ventil 27, so daß ein Teil der Luft aus dem Verdichter 38 um die Brennstoffzelleneinheit 12 durch die Leitung 4ÖÖ geführt wird. Dieser Lufteinteil wird mit den Abgasen des Brenners 36 bei 402 und mit den Kathodenabgasen bei 51 vermischt und in die Turbine 40 eingeleitet. So wird bei Teilbelastung der Durchsatz durch die Turbine nicht verändert. Obschon die Temperatur der Kathodenabgase und der Brennerabgase bei Teilbelastung der Temperatur dieser Gase bei Vollbelastung entsprechen können, enthalten diese Gase jedoch

b^ri weniger Energie, da weniger Gase durch die Turbine geleitet werden können. Somit wird ein zusätzlicher Brenner 17 in der Umgehungsleitung 400 vorgesehen, um den Luftanteil, welcher direkt von dem Verdichter zu der Turbine geleitet wird, aufzuwärmen, so daß die Gasmischung mit den Abgasen den gleichen Wärmegehalt (sowie die gleiche Masse) als die vermischten Gase bei Vollbelastung aufweisen. Bei Fehlen eines zusätzlichen

Brenners 17 würde die direkt von dem Verdichter in die Turbine eingeleitete Luft die Temperatur der Abgase herabsetzen, so daß eine niedrigere Laufgeschwindigkeit der Turbine 40 und somit eine geringere Luf tmsnge bei niedrigerem Druck aus dem Verdichter 38 erhalten würde. Dem Brenner 17 wird Brennstoff durch die Leitung 404 zugeführt Der Brennstoff kann aus der gleichen Quelle wie der Brennstoff für den Reaktor 34 entnommen werden. Ein Ventil 406 regelt die Brennstoffzufuhr zu dem Brenner 17. Das Ventil wird in Funktion einer Anzahl 5 Parameter geregelt, so daß die Gase, welche in die Turbine geleitet werden, die geeignete Temperatur aufweisen.

Der zusätzliche Brenner könnte strömungsunterhalb der Umgehungsleitung 400 eingebaut werden, wobei nur darauf geacLiet werden muß, daß die direkt von dem Verdichter in die Turbine eingeleitete Luft in diesem Brenner erwärmt wird. So könnte der zusätzliche Brenner z. B. in die Leitung 408 eingebaut werden. Dies ist z. B. in gestrichelten Linien bei 410 gezeigt Falls jedoch der zusätzliche Brenner in die Leitung 408 eingebaut wird, wird eine kleinere Sauerstoffkonzentration in diesen Brenner eingeführt als in die Leitung 400, da zu diesem Zeitpunkt die Luft mit den Abgasen der weiteren Bestandteile der Anlage vermischt wurde. Es ist somit leichter und wirtschaftlicher den Brenner 17 in die Umgehungsleitung 400 einzubauen. Der Brenner kann mit rohem Brennstoff oder aber mit behandeltem Brennstoff aus der Leitung 70 betrieben werden. Dies würde jedoch bedingen, daß zusätzlicher Brennstoff dem Reaktor 34 zugeführt werden müßte, um die Brennstoffverluste für den zusätzlichen Brenner auszugleichen.

Zum besseren Verständnis der Vorteile und dem Betrieb einer Anlage der vorliegenden Erfindung wird Bezug genommen auf die graphische Darstellung der F i g. 6, mit welcher die Leistung von Brennstoffzellen, welche mit Reaktionsmitteln bei Atmosphärendruck betrieben werden mit der Leistung der gleichen Brennstoffzelle, welehe mit Reaktionsmittein bei 33 Atmosphären betrieben werden, verglichen werden kann.

Bei dem Vergleich zwischen den Brennstoffzellen muß auf verschiedene Parameter geachtet werden. Unter Umsatz der Reaktionsmittel wird die Reaktisnsmittelmenge, welche an der Anode oder der Kathode in der Zelle zur Reaktion gebracht wird, geteilt durch die in die Zelle geleitete Wasserstoff- oder Sauerstoffmenge, verstanden. In einer Brennstoffzelle, welche mit Sauerstoff und Wassers'off betrieben wird, gibt es somit einen Sauerstcffumsatz (i/oj an der Kathode und einen Wasserstoffumsatz (Un₂) an der Anode. Durch eine Erhöhung des Reaktionsmittelumsatzes fällt der Partialdruck der Reaktionsmittel, weiche an die Anode oder Kathode gelangen, da ein größerer Anteil der Reaktionsmittel pro Reaktionsmittelmasse, welche durch die Zelle geleitet wird, entfernt wird. Die durchschnittliche Reaktionsmittelmenge in dem Gasstrom über die Oberfläche der Elektrode fällt von dem Einlaß zum Auslaß. Die Kurve, welche mit 1,0 Atmosphären in der F i g. 6 bezeichnet wird, stellt die Zellenleistung bei einem bestimmten Wasserstoff Umsatz und Sauerstoffumsatz dar. Die Kurve 3,5 Atmosphären stellt die Zellenleistung bei den gleichen Reaktionsmittelumsatzverhältnissen dar. Es wird angenommen, daß beide Zellen bei der gleichen Temperatur betrieben wurden. Die gut bekannte Tafel-Gieichung ergibt, daß eine Erhöhung der Kathodenleistung (i. e. Erhöhung der Spannung) einem höheren Partialdruck von Sauerstoff entspricht Diese Gleichung lautet:

wobei K eine Konstante darstellt. Die Nernst-Gleichung ergibt, daß eine Steigerung der Anodenleistung (i. e. eine Erhöhung der Zellenspannung) eine Erhöhung des Wasserstoffpartialdruckes entspricht. Die Nernst-Gleichung lautet:

A K_Anod. = C(mv) In Γ-^-1 (4)

L "Hj(r«f) J

wobei Ceine Konstante darstellt Es ist klar, daß bei konstanter Temperatur und für einen konstanten Umsatz eine Steigerung des Totaldruckes der Reaktionsmittel zu einer Erhöhung der Partialdrücke der zwei Reaktionsmittel und somit zu einer Verbesserung der Kathoden- und Anodenleistung führt. Die Verbesserung der Brennstoffzellenleistung kann dann wie folgt ausgedrückt werden:

Die linke Hälfte der Gleichung (5) wird in der Darstellung aus F i g. 6 als Differenz in der Spannung zwischen den Punkten A und B bei einer konstanten Stromdichte wiedergegeben. Aus der Darstellung aus F i g. 6 jeht des weiteren hervor, daß durch ein Betrieb einer Zelle bei Reaktionsmitteldrücken um 3,5 Atmosphären kleinere Brennstoffzellen ohne Erniedrigung der Zellenspannungsleistung, z. B. beim Betrieb bei Punkt C, ersetzt werden können.

Die gestrichelten Kurven in der Darstellung der Fig.6 stehen auch für die Zellenleistung bei 1,0 und 3,5 Atmosphären in den gleichen, durch die vorhergenannten Kurven gekennzeichneten Zellen mit der Ausnahme, daß diese gestrichelten Kurven für höhere Reaktionsmittelumsätze stehen. Bei 3.5 Atmosphärendruck kaim die Zelle bei höherem Reaktionsmittelumsatz arbeiten und trotzdem eine Verbesserung mit Bezug auf die bekannten Zellen wie z. B. eine Erhöhung der Zellenspannung beim Betrieb bei Punkt B' oder eine Erhöhung der Stromdichte (i. e. kleinere Zelle) für die gleiche Zellenspannung bei einem Betreb bei Punkt C'erhalten werden. Bei einem Betrieb bei Atmosphärendruck muß für eine gleiche Zellenspannung bei einem höheren Umsatz eine größere Zelle eingesetzt werden oder eine niedrigere Spannung in Kauf genommen werden. Die Möglichkeit, die Zelle bei einem höheren Wasserstoffumsatz ohne Verlust der Zellenleistung oder Vergrößerung der Zelle zu betreiben, ist besonders wichtig, wie aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf den Betrieb des

Dampfumformungsreaktors 34 der Stromversorgungsanlage beschrieben wird.

Mit Bezug auf die Verbesserung der Zellenleistung wird besonders Bezug aufgenommen auf das Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 4. In einer Anlage gemäß F i g. 4 wird eine bestimmte Menge Kohlenstoffdioxyd durch die Brennstoffkammer im Kreislauf geführt. Dies führt zu einem niedrigen Wasserstoffpartialdruck in der Brenn-Stoffkammer wegen dem hohen Gehalt an Kohlenstoffdioxyd im Gasstrom. Nach der Nernst-Gleichung (3) bedingt dies einen Verlust an Zellenleistung. Die Verbesserung der Zellenleistung an der Kathode und weitere Verbesserungen und Vorteile dieser Ausführungsart, welche weiter oben und im nachfolgenden angeführt werden, wie z. B. das Entfallen eines Apparates zur Wiedergewinnung von Wasser, gleichen die Nachteile dieser Ausführungsform weitgehend aus. Da in dieser besonderen Ausführungsart der Erfindung der Druck in der to Brennstoffzelleneinheit nicht durch die Temperatur der Einheit beschränkt ist, können höhere Reaktionsmitteldrücke verwendet werden, so daß der Wasserstoffpartialdruck in der Brennstoffkammer höher (anstatt niedriger) als in den weiteren Ausführungsarten der Erfindung sein kann.

In den bekannten Phosphorsäureelektrolytbrennstoffzellen, welche bei 149°C und Atmosphärendruck betrieben werden, verdampft ein Teil des Phosphorsäureelektrolyten. Dies bedingt, daß während des Betriebs der Zelle und der Anlage Säure zugesetzt werden muß, um eventuelle Säureverdampfung auszugleichen.

Die Säureverdampfung ist eine Funktion des Massendurchsatzes der Luft durch die Oxydationsmittelkammer, des Partialdruckes der Säure und des Totaldruckes in der Oxydationsmittelkammer gemäß dem folgenden Zusammenhang:

Siureverlust - / (Durchsatz x Säuredampfdruck } I Totaldmck / ^w

Aus dieser Formel geht hervor, daß durch eine Erhöhung des Totaldruckes der durch die Oxydationsmittelkammer fließenden Gase ein Säureverlust verhindert werden kann. Eine Erhöhung des Totaldruckes führt auch zu einer Erniedrigung des Dampfdruckes der Säure durch Verdünnung mit dem Elektrolyten, so daß der Säureverlust weiter eingeschränkt wird. Bei höheren Reaktionsmitteldrücken können die in den Stromversorgungsanlagen der Erfindung eingesetzten Brennstoffzellen auch bei höheren Sauerstoffumsätzen betrieben werden, so daß der Massendurchsatz Luft durch die Oxydationsmittelkammer niedriger liegt und somit der Säureverlust noch weiter eingeschränkt wird. Es wurde festgestellt, daß durch obigen Faktoren der Säureverlust wesentlich eingesi.hränkt werden kann.

Die F i g. 7 ist eine graphische Darstellung der Leistung des Dampfumformungsreaktors. Der Wirkungsgrad (ifp) des Umwandlungsreaktors ist auf der vertikalen Achse und der Durchsatz des Gasstromes (W)geteilt durch die Wärmeübertragungsoberfläche des Reaktors (A^) auf der horizontalen Achse aufgetragen. Da A^ eine direkte Beziehung zu der Dimension des Reaktoirs aufweist, nimmt die Reaktordimension zur rechten Seite auf der horizontalen Achse ab. Der Wirkungsgrad des Umformungsreaktors wird durch die folgende Zeichnung erhalten:

_Vr-(K)UhM-A (7)

wobei K eine Konstante, Un₂ der Wasserstoffumsatz in der Brennstoffzelle und das Produkt (et-ß) die Brennstoffumwandlung im Reaktor darstellen. Unter Brennstoffumwandlung (xß) wird die prozentuale Menge Kohlenstoff in dem eingegebenen rohen Brennstoff, welcher in CO2 umgewandelt wird, verstanden. Dies ist auch eine indirekte Darstellung der Wasserstoffmenge, welche in dem Dampfumformungsreaktor erzeugt wird. In der Darstellung aus F i g. 7 sind Umwandlungskurven von 90% und 75% angegeben, zusammen mit Wasserstoffum satzkurven Uh₂ und einer Wasserstoffumsatzkurve Ww₁, wobei letztere einen höheren Wasserstoffumsatz darstellt Zu Vergleichszwecken wird angenommen, daß Uh₇ für den gleichen Wasserstoffumsatz wie die festen Kurven der F i g. 6 und l/'_H, für den gleichen Wasserstoffumsatz wie die gestrichelten Kurven der F i g. 6 stehen. Wie mit Bezug auf F i g. 6 angegeben, konnten in den bekannten Brennstoffzellen, welche bei Atmosphärendruck betrieben wurden, eine bestimmte Zellenspannung in einer bestimmten Zellengröße nur bei einem bestimmten Wasserstoffumsatz Uh₂ (wie z. B. einen Betrieb bei Punkt /!^erhalten werden. Ausgehend von eine'-, bestimmten Wasserstoffumsatz muß also der Dampfumformungsreaktor an einem Punkt auf der Wasserstoffumsatzkurve Uh₂ betrieben werden. Es gilt somit die beste Zusammenstellung von Reaktorwirkungsgrad und Reaktordimension für eine bestimmte Zelle auszuwählen. Um die Dimension des Reaktors in annehmbaren Grenzen zu halten, liegt die Brennstoffumwandlung in den Reaktoren der Technik im allgemeinen bei ungefähr 90%. Somit sollten solche Reaktoren, welche zusammen mit bekannten Brennstoffzellen bei Atmosphärendruck eingesetzt werden, bei Punkt D betrieben werden. Der Vorteil, welcher dadurch erhalten wird, daß die Zelle bei einem höheren Wasserstoffumsatz betrieben werden kann, wird jetzt offensichtlich. In einer Stromversorgungsanlage gemäß der vorliegenden Erfindung kann jetzt der Dampfumformungsreaktor auf der Kurve U'h₂ betrieben werden. Dies bedingt daß ein kleinerer Reaktor ohne Leistungsverlust eingesetzt werden kann, da der Reaktor bei einer niedrigeren Brennstoffumwandlung betrieben werden kann. In der F i g. 7 wird dieser Punkt mit £ bezeichnet Natürlich kann die Dimension des Reaktors beibehalten werden und der Wirkungsgrad erhöht werden wie z. B. bei einem Betrieb bei Punkt F. Obschon die Zellenleistung um einiges bei einem Betrieb bei höheren Reaktionsmittelumsätzen (siehe F i g. 6) erniedrigt wird, wird die allgemeine Leistung der Anlage jedoch verbessert Eine solche Verbesserung war mit den bekannten Brennstoffzellen nicht möglich, da bei einer Verbesserung des Wirkungsgrades des Reaktors durch einen höheren Reaktionsmtttehmisatz die Srennstofizel-Ienleistung stark herabgesetzt wurde.

Bei der Planung einer Stromversorgungsanlage gemäß der vorliegenden Erfindung müssen natürlich die Vorteile, welche durch eine Verbesserung des Reaktorwirkungsgrades und eine Verbesserung der Brennstoff-

zellenleistung erhalten werden, gegeneinander abgewogen werden. So sollten der Reaktionsmittelumsatz, die tj

Dimension der Zelle, die Zellenspannung, die Dimension des Reaktors, der Reaktorwirkungsgrad und die Brennstoffumwandlung im Reaktor in Abhängigkeit von der gewünschten Stromversorgungsanlage ausgewählt werden.

Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung wird Naphia als Brennstoff und ein bekannter Reaktor 34 s mit Nickelkatalysator eingesetzt. Als Reaktor können jedoch weitere bekannte Vorrichtungen zur Erzeugung von Wasserstoff eingesetzt werden. So kann z. B. ein partieller Oxydationswasserstoffgenerator, welcher weniger Jristungsfähig als ein Dampfumformungsreaktor ist, eingesetzt werden. Auch in einem solchen Generator wird die Leistung durch höhere Reaktionsmittelgasdrücke verbessert. Falls reiner Wasserstoff als Brennstoff in der Brennstoffzelleneinheit eingesetzt wird, kann die Anlage zur Behandlung des Brennstoffes entfallen.

In den Ausführungsbeispielen der F i g. Ί, 3 und 5 der vorliegenden Erfindung können mit Bezug auf bekannte Anlagen, kleinere Kondensatoren eingesetzt werden. Bei konstanter Leistung wird eine konstante Wassermenge in der Brennstoffzelle nach Faradays Gesetz erhalten. Dieses Wasser wird in den Abgasen aus der Zelle ausgeführt. Für die Dampfumformungsreaktion wird eine bestimmte Menge Wasser benötigt, welche in der Vergangenheit und in den Ausführungsbeispielen der Fig. 1,3 und 5 wenigstens teilweise aus den Kathodenabgasen erhalten wird. Das Wasser wird in einem Kondensator aus den Kathodenabgasen erhalten. In den Phosphorsäureelektrolytbrennstoffzellen der Technik, welche bei Atmosphärendruck betrieben werden, ist der Taupunkt des Gasstromes so tief, daß zur Kondensierung einer genügenden Menge Wasser zum Betrieb der DaiiipiuiiMorMiuiigMcäkiiün die Temperatur des Gasstromes, welche aus dem Kondensator äuStrüi, nur einige Grade oberhalb der Temperatur der Kühlluft liegt. Somit werden sehr große Kondensatoren benötigt. Wie schon weiter oben angegeben, sind die Kondensatoren die größten Bestandteile in den Brennstoffzellen der bekannten Art. In unter Druck stehenden Stromversorgungsanlagen gemäß der Erfindung liegt der Taupunkt der Kathodenabgase wesentlich höher als in den bekannten Anlagen bedingt durch den hohen Druck der Abgase. Zum Beispiel liegt der Taupunkt eines Gasstromes welcher aus einer Zelle, welche bei 149° C und einem Druck von 3,2 kg/cm² betrieben wird, um ungefähr 34⁰C höher als der Taupunkt eines Gasstromes, welcher aus einer Zelle welche 149°C unter atmosphärem Druck betrieben wird austritt. Dies bedeutet, daß zur Auskondensierung der gleichen Menge Wasser die Temperatur der Abgase nicht so stark herabgesetzt werden muß wie in nicht unter Druck stehenden Systemen. In den Systemen der vorliegenden Erfindung herrscht somit ein wesentlicher Unterschied zwischen der Temperatur der Kühlluft in dem Kondensator und der Temperatur der aus dem Kondensator austretenden Abgase. Unter der Annahme, daß in den unter Druck stehenden und den bei Atniosphärendruck betriebenen Systemen die Temperatur der Kühlluft bei 32° C liegt, wird angenommen, daß die Dimension des Kondensators um einen Faktor von ungefähr 2 oder 3 verringert werden kann. Die Verkleinerung des Kondensators ist einer der Hauptvorteile der vorliegenden Erfindung, wodurch der Kostenpunkt einer Anlage gemäß der Erfindung weitgehend herabgesetzt werden kann.

In der modifizierten Ausführung gemäß F i g. 1 werden die Anodenabgase, nachdem sie durch den Brenner 36 geleitet wurden, mit den Kathodenabgasen 202 zusammengebracht. Dieser Gasstrom ist sehr heiß und weist einen ziemlich hohen Feuchi^keitE^ehalt süf.

Es ist natürlich wünschenswert, die Temperatur des Gasstromes, welcher in den Kondensator 18 geleitet wird, so nahe wie möglich am Taupunkt zu halten. Nach Verlassen des Reaktorbrenners liegt die Temperatur der Anodenabgase bei ungefähr 171⁰C. Mit Bezug auf die Kondensatorleistung wäre es unerwünscht diese heißen Gase gleich mit den Kathodenabgasen zu vermischen und diese in den Kondensator einzuführen. So werden diese Gase zuerst durch einen Regenerator 101 geführt, in welchem die Temperatur auf ungefähr 260⁰C erniedrigt wird. Alsdann werden diese Abgase mit den Kathodenabgasen vermischt. Die kombinierten Gasströme werden in den Wärmeaustauscher 22 geleitet, in welchem die Temperatur noch weiter herabgesetzt wird. Um zu gewährleisten, daß der Gasstrom nach Verlassen des Kondensators eine zum Betrieb der Turbine «5 notwendige Energie aufweist, wird die Temperatur des Gasstromes durch Durchleiten durch den Wärmeaustauscher 22 und den Regenerator 101 auf 316°C erhöht. In den Brennstoffzellen der bekannten Art konnte oft nicht genug Wasser aus den Kathodenabgasen gewonnen werden. Es kann vorkommen, daß das gleiche Problem in unter Druck stehenden Anlagen auftritt In den Brennstoffzellenanlagen der bekannten Art, welche mit nicht verdichteten Reaktionsmitteln betrieben werden, wird Wasser noch zusätzlich aus den Reaktorabgasen gewonnen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung (Fig.5) kann zusätzliches Wasser für die Dampfumforrr.ungsreaktion aus den Anodenabgasen erhalten werden, bevor diese Gase in den Reaktorbrenner eingeführt werden. Dies war in nicht unter Druck stehenden Anlagen der Technik nicht möglich, da die aus den Anodenabgasen und den Kathoder.abgasen gewonnene Menge noch nicht zur Umwandlung in dem Reaktor genügte. Der Kondensator wurde somit stromabwärts vom Reaktorbrenner angebracht, um somit das Wasser aus den Reaktorabgasen sowie das Wasser aus den Anodenabgasen zu gewinnen. Dies bedingte, daß sehr große Wärmeaustauscher eingebaut werden mußten, um die Temperatur der Reaktorbrennerabgase vor dem Eintritt dieser Gase in den Kondensator stromabwärts vom Reaktorbrenner herabzusetzen. In einer Anlage gemäß F i g. 5 kann ein solcher Wärmeaustauscher entfallen. Durch den höheren Taupunkt (bedingt durch höheren Druck) der Anodenabgase in der Anlage der vorliegenden Erfindung kann eine größere Wassermenge aus den Anodenabgasen (vor Eintritt dieser Abgase in den Reaktorbrenner), gewonnen werden.

Auch können die Dimensionen der Kondensatoren in annehmbaren Grenzen gehalten werden. Das aus den Anoden- und Kathodenabgasen gewonnene Wasser genügt vollständig zur Umformungsreaktion in dem Dampfumformungsreaktor. Eine Entfernung des Wassers aus den Anodenabgasen erlaubt auch kleinere Umwandlungsreaktoren einzusetzen, da höhere Temperaturen in dem Brenner erhalten werden, da ein Anteil des Wasserdampfes aus dem Gasstrom entfernt wurde.

Die F i g. 8 ist eine graphische Darstellung der Leistung des CO-Umwandlers bei einer konstanten Gastemperatur. Die Ausführungsbeispiele der F i g. 3 und 4 weisen beide einen CO-Umwandler auf. Die Darstellung zeigt,

lh- yö ι

daß ein direkter Zusammenhang zwischen der Leistung des CO-Umwandlers und dem Gasdruck der durch den Umwandler geleiteten Gase besteht. Bei einem höheren Gasdruck steigt die Katalysatoraktivität in dem CO-Umwandler, so daß ein kleinerer CO-Umwandler eingesetzt werden kann oder aber eine bessere CO-Umwandlung erhalten wird. Aus der Darstellung geht hervor, daß die Katalysatorak'iivität sich bei einer Steigerung der Gasdrücke von Atmosphärendruck auf ungefähr 4,2 kg/cm² verdoppelt. Die verbesserte CO-Umwandlerleistung ist ein weiterer Vorteil der Stromversorgungsanlagen gemäß der vorliegenden Erfindung.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

IO

20 25 30 35 40

65

Claims (34)

Patentansprüche:

1. Brennstoffzellenstromversorgungsanlage, bestehend aus einer Brennstoffzelleneinheit, welche eine Anzahl Brennstoffzellen, welche elektrisch über eine Ladung verbunden sind, aufweist wobei eine jede Zelle

5 eine Kathode, eine Anode, einen zwischen den Elektroden liegenden Elektrolyten, eine Oxydationsmittelkammer auf der dem Elektrolyten abgewandten Seite der Kathode und eine Brennstoffkammer auf der dem Elektrolyten abgewandten Seite der Anode umfaßt, gekennzeichnet durch eine Verdichteranlage, weiche mit der Energie eines heißen, unter Druck stehenden, gasförmigen Mediums zur Verdichtung der Luft auf Oberatmosphärendruck, angetrieben werden kann;

ίο Mittel zur Zufuhr von unter Druck stehender Luft aus der Verdichteranlage in die Oxydationsmittelkammer; Mittel zur Zufuhr von unter Druck stehendem Brennstoff in die Brennstoffkammer; und
Mittel zur Zufuhr von ungenutzter Energie aus der Anlage in die Verdichteranlage in Form eines heißen, unter Druck stehenden gasförmigen Mediums zum Antrieb der Verdichteranlage.

2. Stromversorgungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Mittel zur Zufuhr von 15 ungenutzter Energie aus der Stromversorgungsanlage in die Verdichteranlage Mittel zur Zufuhr der Abgase

® aus der Oxydationsmittelkammer in die Verdichteranlage umfassen.

3. Stromversorgungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet daß die Verdichteranlage aus einem Verdichter und einer Turbine besteht wobei die Turbine mit der Hilfe der Energie eines heißen, unter Druck stehenden, gasförmigen Mediums angetrieben wird und mit dem Verdichter verbunden

20 ist so daß du Turbine den Verdichter antreibt.

4. Stromversorgungsanlage nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitiel zur Zufuhr von ungenutzter Energie aus der Stromversorgungsanlage in die Verdichteranlage Mittel zur Zufuhr der ungenutzten Energie in die Turbine aufweisen.

5. Stromversorgungsanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß die Mittel zur Zufuhr der 25 ungenutzten Energie aus der Stromversorgungsanlage in die Turbine Mittel zur Zufuhr der Kathodenabgase in die Turbine umfassen.

6. Stromversorgungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Dampfumformungsreaktor und einen Reaktorbrenner welcher den Reaktor mit Wärme versorgt Mitte! zur Erzeugung

£f von Dampf, Mittel zur Zufuhr von nicht behandeltem Brennstoff und Dampf in den Reaktor, Mittel zur

Il jo Zufuhr der Anodenabgase in den Reaktorbrenner, wobei die Mittel zur Zufuhr von Brennstoff in die

Bj Brennstoffko.nmer Mittel zur Zufuhr von Brennstoff aus dem Reaktor in die Brennstoffkammer aufweisen.

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7. Stromversorgungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen

i| Brenner und MitteJ zur Zufuhr von Brennstoff in den zusätzlichen Brenner, wobei die Mittel zur Zufuhr der

f| Abgase aus der Brennstcifkarr--iier in die Verdichteranlage Mittel zur Einleitung dieser Abgase in den

,'I 35 zusätzlichen Brenner umfassen, bevor die Gase in die Verdichteranlage eingeführt werden.

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8. Stromversorgungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet daß als Elektrolyt

|f; eine Säure eingesetzt wird und der Brennstoff Wasserstoff umfasst

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9. Stromversorgungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Anlage zur

ζ,- ■; Behandlung des Brennstoffes und Mittel zur Zufuhr von unter Druck stehendem Brennstoff in die Anlage zur

'§ 40 Behandlung des Brennstoffes, wobei die Mittel zur Zufuhr von unter Druck stehendem Brennstoff in die

!;': Brennstoffkammer Mittel zur Zufuhr des behandelten Brennstoffs aus der Anlage zur Behandlung des

iw Brennstoffes in die Brennstoffkammer umfassen und wobei die Mittel zur Zufuhr der Abgase aus der

f? Oxydationsmittelkammer in die Verdichteranlage, Mittel zur Zufuhr von wenigstens einem Teil der Abgase

|| aus der Brennstoffkammer und der ungenutzten Energie aus der Anlage zur Behandlung des Brennstoffes in

\i': 45 die Verdichteranlage umfassen.

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10. Stromversorgungsanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage zur Behandlung

,i des Brennstoffes einen Dampfumformungreaktor und einen Reaktorbrenner umfaßt, wobei der Reaktor-

*' brenner die zur Dampfumformung notwendige Wärme liefert, wobei die Stromversorgungsanlage auch

... Mittel zur Erzeugung von Dampf und zur Zufuhr dieses Dampfes in den Reaktor umfasst, wobei die Mittel so zur Zufuhr der ungenutzten Energie aus der Anlage zur Behandlung des Brennstoffes in die Verdichteranlage Mittel zur Zufuhr der Abgase des Reaktorbrenners in die Verdichteranlage umfassen und wobei die Mittel

: zur Zufuhr von behandeltem Brennstoff aus der Anlage zur Behandlung des Brennstoffes in die Brennstoff-

'.; kammer Mittel zur Zufuhr des Brennstoffes aus dem Reaktor in die Brennstoffkammer umfassen.

11. Stromversorgungsanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Zufuhr der 55 Anodenabgase in die Verdichteranlage Mittel zur Zufuhr der Anodenabgase in den Reaktorbrenner umfas-

v sen, wobei die Mittel zur Zufuhr von verdichteter Luft in die Oxydationsmittelkammer Mittel zur Zufuhr der

ι' Luft aus der Verdichteranlage in den Reaktorbrenner umfassen.

12. Stromversorgungsanlage nach den Ansprüchen 6 und 10, gekennzeichnet durch eineu Kondensator zur Auskondensierung von Wasser aus den Kathodenabgasen, wobei die Mittel zur Zufuhr der Kathodenabgase

60 in die Verdichteranlage Mittel zur Zufuhr dieser Gase in den Kondensator umfassen und die Mittel zur Erzeugung von Dampf einen Kocher aufweisen, wobei auch Mittel vorgesehen sind, um das Wasser aus dem Kondensator in den Kocher einzuleiten.

13. Stromversorgungsanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Zufuhr der Anodenabgase in die Verdichteranlage Mittel zur Zufuhr der Anodenabgase in den Reaktorbrenner aufwei-

t>5 sen. wobei die Mittel zur Zufuhr der Abgase aus dem Reaktorbrenner in die Verdichteranlage Mittel zur Vermischung der Abgase aus dem Reaktorbrenner mit den Kathodenabgasen vor deren Eintritt in den

^; Kondensator umfassen, wobei die Mittel zur Zufuhr der Kathodenabgase in den Kondensator Mittel zur

Zufuhr der Mischung aus den Kathodenabgasen und den Abgasen aus dem Reaktorbrenner in den Konden-

sator aufweisen.

14. Stromversorgungsanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage zur Behandlung des Brennstoffes einen Dampfumformungsreaktor und einen Reaktorbrenner aufweist, wobei der Reaktorbrenner dem Reaktor die notwendige Wärme Hefen, wobei die Stromversorgungsanlage Mittel zur Zufuhr eines zweiten Teiles der Anodenabgase in den Dampfumformungsreaktor aufweist, wobei die Gase den zur Dampfumformung notwendigen Dampf aufweisen und wobei die Mitte! zur Zufuhr der ungenutzten Energie aus der Anlage zur Behandlung des Brennstoffes in die Verdichteranlage Mittel zur Zufuhr der Abgase aus dem Reaktorbrenner in die Verdichteranlage umfassen.

15. Stromversorgungsanlage nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch Mittel zur Entfernung von Wärme, wobei die Mittel zur Zufuhr von Brennstoff aus dem Dampfumformungsreaktor in die Brennstoffkammer Mittel zur Zufuhr des Brennstoffes in die Mittel zur Entfernung von Wärme, in welchen die Temperatur der Gase auf eine Temperatur unterhalb der Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit erniedrigt wird, aufweisen.

16. Stromversorgungsanlage nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Mittel zur Umleitung, bei Teilbelastung, eines Teiles der verdichteten Luft aus der Verdichteranlage um die Oxydationsmittelkammer, und durch einen zusätzlichen Brenner zur Steigerung der in die Verdichteranlage eingeleiteten Gase, wobei die Mittel zur Zufuhr der Kathcdenabgase in die Verdichteranlage Mittel zur Zufuhr der um die Oxydationsmittelkammer umgeleiteten Luft in die Verdichteranlage umfassen.

17. Stromversorgungsanlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage zur Behandlung des Brennstoffes einen Dampfumformungsreaktor und einen Reaktorbrenner, welcher dem Reaktor die notwendige Wärme liefert, umfaßt und wobei die Mittel zur Zufuhr der ungenutzten Energie ?:-is der Anlage zur Behandlung des Brennstoffes in die Verdichteranlage Mitte! zur Zufuhr der Reaktorbrennerabgase in die Verdichteranlage umfassen.

18. Stromversorgungsanlage nach einem der Ansprüche 16 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Umleitung von verdichteter Luft um die Oxydationsmittelkammer eine Umgehungsleitung aufweisen, wobei der zusätzliche Brenner in diese Umgehungsleitung zur Verbrennung der umgeleiteten Luft eingebaut wird.

19. Stromversorgungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage weiterhin einen Kondensator aufweist, wobei die Mittel zur Zufuhr der Anodenabgase in den Reaktorbrenner Mittel zur Zufuhr der Anodenabgase in den Kondensator zur Wiedergewinnung von Wasser aufweisen und wobei die Mittel zur Zufuhr der Kathodenabgase in die Verdichteranlage Mittel zur Einleitung der Kathodenabgase in den Kondensator zur Wiedergewinnung von Wasser umfassen, wobei die Stromversorgungsanlage auch Mittel zur Zufuhr des auskondensierten Wassers aus dem Kondensator in die Mittel zur Erzeugung von Dampf sowie Mittel zu Zufuhr der Abgase aus dem Reaktorbrenner in die Verdichteranlage umfaßt

20. Stromversorgungsanlage nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch Mittel zur Zufuhr von verdichteter Luft aus der Verdichteranlage in den Reaktorbrenner.

21. Stromversorgungsanlage nach den Ansprüchen 18 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung von Dampf aus einem Kocher zur Umwandlung von Wasser in Dampf bestehen wobei d:e Mittel zur Zufuhr des auskondensierten Wassers aus dem Kondensator in die Mitte! zur Erzeugung von Dampf Mittel zur Zufuhr von Wasser aus dem Kondensator in den Kocher umfassen.

22. Stromversorgungsanlage nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung von Dampf Mittel zur Zufuhr einer Kühlflüssigkeit im Wärmeaustausch an die Brennstoffzelleneinheit aufweisen und diese Kühlflüssigkeit im Wärmeaustausch durch den Kocher zur Abgabe von Wärme aus der Brennstoffzelleneinheit an den Kocher geleitet wird.

23. Verfahren zum Betrieb einer Stromversorgungsanlage nach einem der folgende Stufen:
Verdichtung von Luft in der Verdichteranlage,

Zufuhr der verdichteten Luft aus der Verdichteranlage in die Oxydationsmittelkammer,

Zufuhr von unter Druck stehendem Brennstoff in die Brennstoffkammer, und

Zufuhr der ungenutzten Energie der Stromversorgungsanlage in die Verdichteranlage in Form eines heißen, unter Druck stehenden gasförmigen Mediums zum Antrieb der Verdichteranlage.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die ungenutzte Energie der Anlage in Form der Kaihodenabgase in die Verdichteranlage eingeleitet wird.

25. Verfahren nach den Ansprüchen 23 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichteranlage einen Verdichter und eine Turbine aufweist, wobei die Turbine mit dem Verdichter verbunden ist und ungenutzte Energie der Stromversorgungsanlage in Form eines heißen, gasförmigen Mediums in die Turbine eingeleitet wird.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage einen Dampfumformungsreaktor und einer. Reaktorbrenner, welcher dem Reaktor die notwendige Wärme liefert, umfaßt, wobei unter Druck stehender, nicht behandelter Brennstoff in den Reaktor eingeleitet wird und unter Druck stehender, behandelter Brennstoff aus dem Reaktor in die Br>;nnstoffkammer eingeleitet wird, wobei die Anodenabgase in den Reaktorbrenner eingeleitet werden.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zufuhr der ungenutzten Energie in die Turbine die Kathodenabgase in die Turbine eingeleitet werden.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage auch eine Anlage zur Behandlung des Brennstoffes aufweist, vobei unter Druck stehender nicht behandelter Brennstoff in die Anlage zur Behandlung des Brennstoffes eingeführt wird und behandelter, unter Druck stehender Brennstoff aus der Ai.lage zur Behandlung des Brennstoffes in die Brennstoffkammer eingeleitet wird, wobei

ungenutzte Energie aus der Anlage durch Zuleiten eines Teiles der Anodenabgase und der ungenutzten Energie der Anlage zur Behandlung des Brennstoffes in die Verdichteranlage eingeleitet wird.

29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daB die Anlage zur Behandlung des Brennstoffes aus einem Dampfumformungsreaktor und einem Reaktorbrenncr. welcher dem Reaktor die notwendige

Wärme liefert, besteht, wobei Dampf in den Dampfumformungsreaktor eingeleitet wird und wobei vor der

Zufuhr der Anodenabgase und der ungenutzten Energie der Anlage zur Behandlung des Brennstoffes die Anodenabgase zuerst in den Reaktorbrenner eingeführt werden und die Abgase des Reaktorbrenners in die Verdichteranlage eingeleitet werden.

30. Verfahren nach Anspruch 29,dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr von Dampf in den Dampfumformungsreaktor das Einleiten eines Teiles der Anodenabgase in den Dampfumformungsreaktor umfaßt.

31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß dem behandelten, unter Druck stehenden Brennstoff vor dessen Eintritt in die Brennstoffkammer Wärme entzogen wird, so daß die Temperatur auf eine unterhalb der Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit liegende Temperatur gebracht wird.

32. Verfahren nach Anspruch 29. dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage zur Behandlung des Brennstoffes aus einem Dampfumformungsreaktor und einem Reaktorbrenner, welcher dem Reaktor die notwendige Wärme liefert, besteht, wobei die Zufuhr der ungenutzten Energie aus der Anlage eine Vermischung der Reaktorbrennerabgase mit den Abgasen der Oxydationsmittelkammer, eine Auskondensierung von Wasser aus den vermischten Abgasen, eine Umwandlung des auskondensierten Wassers in Dampf mit Hilfe der Abwärme der Brennstoffzelleneinheit und eine Zufuhr des Dampfes in den Dampfumformungsreaktor umfasst.

33. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgungsanlage einen zusätzlichen Brenner aufweist, wobei, bei Teilbelastung, ein Teil der verdichteten Luft aus der Verdichteranlage um die Oxydationsmittelkammer geführt wird und die umgeleitete Luft in den zusätzlichen Brenner zur Verbrennung der Luft eingeleitet wird, wobei die Zufuhr von ungenutzter Energie in die Verdichteranlage ein

Einleiten der Abgase aus diesem Brenner in die Verdichteranlage umfaßt.

34. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr von ungenutzter Energie in die Verdichteranlage eine Vermischung der Reaktorbrennerabgase der Kathodenabgase und der umgeleiteten, verbrannten Luft vor deren Eintritt in die Verdichteranlage umfaßt.