DE3143161C2 - - Google Patents

Description

Bei einigen Elektrizitätserzeugungsanlagen und vielen Indu­ strieanlagen ist es nötig, Wasser aus einem verfügbaren feuch­ ten Gasstrom abzutrennen und das abgetrennte Wasser für seine Wiederverwendung in der Anlage in Dampf umzuwandeln. Dazu wird üblicherweise der feuchte Gasstrom durch einen Kondensor geführt, und das darin gesammelte Wasser wird unter Verwendung von Wärme verdampft, die an einer anderen Stelle des Systems anfällt und die üblicherweise Abwärme hoher Qualität ist. In solchen Systemen wird daher Wärme niedriger Qualität aus der Kondensation des Wassers auf Kosten von Wärme hoher Qualität, die zur Überführung des Wassers in Dampf verbraucht wird, erzeugt. In Systemen, in denen die Abwärme hoher Qualität für andere Anwendungen nötig ist, ergibt sich aus diesem Verlust der Abwärme hoher Qualität zur Erzeugung von Dampf niedriger Qualität eine unwirtschaftliche Ausnützung der thermischen Energie. Beispielsweise wird bei einer Verbundgeneratoranlage, bei der eine Brennstoffzelle die Hauptenergiequelle darstellt, Abwärme hoher Qualität aus der Brennstoffzelle in der Ver­ bundgeneratoranlage für andere Erhitzungsvorgänge oder zur Erzeugung zusätzlicher elektrischer Energie durch Antrieb eines elektrischen Generators benötigt. Auch das Brennstoff­ zellensystem kann Dampf benötigen, beispielsweise für die Verwendung in einem Dampfreformierungsreaktor, in dem Kohlen­ wasserstoffe in Wasserstoff, der in den Brennstoffzellen gebraucht wird, überführt werden. Unter Druck arbeitende Brennstoffzellenanlagen, wie sie beispielsweise in den US- PS 39 82 962, 40 01 041 und 40 04 947 beschrieben sind, nützen für den Dampfreformierungsreaktor das Wasser, das durch Kondensation aus den Abgasströmen der Brennstoffzelle, die Quellen für Wärme hoher Qualität darstellen, erhalten wird. Das Wasser wird in Dampf überführt, indem es in einem geson­ derten Boiler unter Verwendung dieser Abwärme hoher Qualität oder im Wärmeaustausch mit anderen Quellen von Wärme hoher Qualität verdampft wird. Das Ergebnis ist in diesen Fällen Wärme einer weniger hohen Qualität und eine Verminderung der für eine Verbundgeneratoranlage nutzbaren Wärme, woraus sich ein System mit insgesamt geringerem Nutzeffekt ergibt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Energieerzeugungsanlage mit einer primären Stromerzeugungseinrichtung und einer Verbundgeneratoreinrich­ tung so zu verbessern, daß eine bessere Energieausnützung erhalten wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß Oberbegriff von Patentanspruch 1 durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 wiedergegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden durch die Unteransprüche wiedergegeben.

Der feuchte Gasstrom ist eine Quelle für Wärme hoher Qualität. Seine Temperatur wird bis auf kurz über den Taupunkt des Stroms abgesenkt, wobei ein Teil der Wärme hoher Qualität ausgenutzt wird, beispielswei­ se für eine Verbundgeneratoranlage, die Wärme hoher Qualität braucht. Der feuchte Gasstrom verringerter Temperatur wird dann durch eine Kombination aus Kondensor/ Boiler hindurchgeführt, wo die Temperatur des Gasstroms auf eine Temperatur unterhalb des Taupunkts gebracht wird, die so niedrig liegt, daß die gewünschte Menge Wasser aus dem Strom auskondensiert. Der Druck des Gasstroms bleibt während dieser Stufe im wesentlichen der gleiche. Das aus­ kondensierte Wasser wird dann vom Gasstrom abgetrennt und bis zu einem Punkt abgekühlt, bei dem der Verdampfungs­ wärmebedarf des kondensierten Wassers so groß ist wie oder kleiner ist als die Kondensationswärme der Kondensations­ stufe plus der fühlbaren Wärme, die vom feuchten Gasstrom während der Kondensation abgegeben wird. Der Druck wird dann so verringert, daß die Siedetemperatur der Flüssig­ keit niedriger liegt als die Temperatur, auf welche der feuchte Gasstrom während der Kondensationsstufe abgekühlt worden ist. Das abgetrennte Wasser verringerter Tem­ peratur und verringerten Drucks wird wieder in den Konden­ sor/Boiler eingeführt und verdampft, wobei die Kondensa­ tionswärme und die fühlbare Wärme aus dem feuchten Gas­ strom, die während der Kondensationsstufe abgegeben werden, verwendet wird. Durch dieses Verfahren wird Wasser aus einem Gasstrom kondensiert und in Dampf überführt, ohne daß Wärme hoher Qualität im Kondensations/Verdampfungs- Prozeß aufgewendet werden muß. Somit kann also Wärme hoher Qualität für andere Anwendungen genutzt werden, wo sie ge­ braucht wird.

In einer unter Druck arbeitenden Brennstoffzellenanlage mit Verbunderzeugung ist der Abstrom aus der Brennstoff­ zelle ein feuchter, heißer, unter Druck stehender Gasstrom, der Abwärme hoher Qualität enthält. Angenommen, die Elek­ trizitätserzeugungsanlage umfaßt einen Dampfreformierungs­ reaktor für die Wasserstofferzeugung, dann ist es erwünscht, das Wasser im feuchten Abgasstrom für die Dampfreformierung zu verwenden. Für einen hohen Gesamtnutzeffekt (d. h. ther­ mischen und elektrischen) ist es auch erwünscht, die Menge an Wärme hoher Qualität, die direkt für die Verbundgeneratoreinheit verfügbar ist, möglichst groß zu machen. Gemäß der Er­ findung wird die Temperatur des feuchten Gasstroms zunächst auf kurz über seine Sättigungstemperatur oder über den Taupunkt verringert, indem die Wärme hoher Qualität für eine Anwendung in der Verbunderzeugung abgezogen wird. Die ge­ wünschte Menge Wasser wird dann bei im wesentlichen kon­ stantem Druck im Kondensorteil einer Kombination aus Kon­ densor und Boiler auskondensiert, indem die Temperatur des feuchten Gasstroms auf eine geeignet niedrige Temperatur gebracht wird. Das auskondensierte Wasser wird vom Gas­ strom abgetrennt und weiter bis zu einem Punkt abgekühlt, bei dem der Verdampfungswärmebedarf genausogroß ist wie oder etwas kleiner ist als die Kondensationswärme aus der Kondensationsstufe und die fühlbare Wärme, die durch den feuchten Gasstrom während der Kondensationsstufe abgege­ ben wird. Der Druck dieses Wassers niedrigerer Temperatur wird dann so verringert, daß sein Siedepunkt niedriger liegt als die Temperatur des Gasstroms kurz nach Beendi­ gung der Kondensation. Diese Flüssigkeit niedrigen Drucks und niedriger Temperatur wird dann in den Boilerteil der Kondensor/Boiler-Kombination eingeführt, worauf sie ver­ dampft wird und sogar überhitzt werden kann, wobei nur Wärme verwendet wird, die durch den feuchten Gasstrom wäh­ rend der Kondensation abgegeben wird, wobei es sich um die Wärme der Kondensation plus die fühlbare Wärme aus dem feuchten Gasstrom handelt. Der Dampf niedrigen Drucks wird dann durch Komprimieren auf den Druck gebracht, der im Dampfreformierungsreaktor nötig ist, und dann darin ver­ wendet.

Die Erfindung wird in der Folge anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Systems für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzel­ lenverbundgeneratorsystems, welches das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet.

Gemäß Fig. 1 strömt ein feuchter Gasstrom aus einer nicht gezeigten Quelle in einer Leitung 10. Der Strom besitzt eine hohe Temperatur über dem Taupunkt des Wassers im Strom und einen hohen Druck, so daß es sich also um eine Quelle für Wärme hoher Qualität handelt. Der Ausdruck "Wärme hoher Qualität" bezieht sich hier auf Wärme mit ausreichender Temperatur, um Dampf mit einem Druck von 7 bar absolut zu erzeugen. Die Temperatur des Dampfs wird im Wärmeaustauscher 12 von der Temperatur T₁ auf eine Temperatur T₂ herabgesetzt, die so nahe wie möglich am Taupunkt oder an der Sättigungstemperatur des Gasstroms liegt. Die­ se Temperatur liegt typischerweise 5,5 bis 11°C über dem Taupunkt, kann aber sogar bis zu 28°C über dem Taupunkt liegen. Die Wärme Q_A, die im Wärmeaustauscher ab­ gegeben wird , ist eine Wärme hoher Qualität, die sich für eine Verbundgeneratoranwendung eignet.

Aus dem Wärmeaustauscher 12 betritt der feuchte Gasstrom mit einer Temperatur T₂ und einem Druck P₁ den Kondensor­ teil 19 einer Kondensor/Boiler-Kombination 16, und zwar über eine Leitung 18. Im Kondensorteil 14 wird Wärme Q_B aus dem feuchten Gasstrom abgeführt, ohne daß der Druck des Gasstroms wesentlich verringert wird. Die Temperatur des Gasstroms wird dadurch auf T₃ verringert. T₃ liegt un­ terhalb des Taupunkts des Gasstroms. Hierdurch wird Wasser aus dem Gasstrom auskondensiert. Ein Gemisch aus Wasser und Gas verläßt den Kondensorteil 14 mit der Temperatur T₃ und dem Druck P₁, und zwar über eine Leitung 20.

Aus der Leitung 20 betritt das Gemisch aus Wasser und Gas einen Separator 22, in welchem die kondensierte Flüssig­ keit vom Gas abgetrennt wird. Das Gas, welches nun gegen­ über dem ursprünglichen feuchten Gasstrom ein "trockenes" Gas ist, verläßt den Separator 22 über eine Leitung 24 und kann irgendwo verwendet werden, je nach seiner Zusammen­ setzung, seiner Temperatur und seinem Druck. Wenn auch der Separator 22 als eigenes Bauteil gezeigt ist, er kann einen integralen Teil der Kondensor/Boiler-Kombination 16 bilden, wie es in der Technik an sich bekannt ist.

Das flüssige Wasser verläßt den Separator 22 über eine Lei­ tung 26 und betritt einen Wärmeaustauscher oder Radiator 28, wobei Wärme Q_C abgeführt wird, um seine Temperatur auf eine Temperatur T₄ zu verringern. Die Wärme Q_C wird aus dem flüssigen Wasser abgeführt, um das System ausgewogen zu ge­ stalten, wie dies weiter unten erläutert werden wird. Die Wärme ist Wärme niedriger Qualität und kann je nach Zweck­ mäßigkeit entweder verwendet oder verworfen werden. Das flüssige Wasser verläßt den Wärmeaustauscher 28 über eine Leitung 30 und wird durch ein Drosselventil 32 geführt, um seinen Druck auf P₂ zu verringern. Wie einzusehen ist, muß der Druck P₂ so niedrig sein, daß der Siedepunkt des flüs­ sigen Wassers kleiner ist als die Temperatur T₃, aber gleich der oder größer als die Temperatur T₄.

Das flüssige Wasser mit dem Druck P₂ und der Temperatur T₄ wird hierauf in den Boilerteil 34 der Kondensor/Boiler-Kom­ bination 16 über eine Leitung 36 eingeführt und dann in Dampf verkocht, wobei nur die Wärme Q_B verwendet wird, bei der es sich um die Wärme der Kondensation des flüssigen Was­ sers plus der fühlbaren Wärme aus dem feuchten Gasstrom, der durch den Kondensorteil 14 hindurchgeht, handelt. Dampf mit dem Druck P₂ und einer Temperatur T₅ (die gleich dem Siedepunkt ist oder etwas darüber liegt, d. h., daß der Dampf überhitzt ist) verläßt den Boilerteil 34 über eine Leitung 38.

Bei dieser Ausführungsform kann die Kondensor/Boiler-Kombi­ nation aus einem Plattenwärmeaustauscher oder aus einem Hülse-und-Rohr-Wärmeaustauscher bestehen, wobei Flüssig­ keit an einer Seite der Wärmeaustauscherwandung konden­ siert wird, während die kondensierte Flüssigkeit auf der anderen Seite der Wandung verdampft wird. Das flüssige Wasser, welches den Boilerteil betritt, nimmt die Konden­ sationswärme und die fühlbare Wärme aus dem Kondensorteil auf. Die direkte Verwendung des kondensierten Wassers für die Aufnahme der Kondensationswärme ergibt hohe Wärmeüber­ gangskoeffizienten, was eine Verringerung der gesamten Wärmeübertragungsoberfläche ergibt, die typisch für Was­ serrückgewinnung erforderlich ist.

Wie bereits erwähnt, wird die Temperatur des auskondensier­ ten flüssigen Wassers vor Überführung in Dampf verringert, um das System hinsichtlich der Wärme in Ausgewogenheit zu bringen. Dies ist erforderlich, weil die Wärme im feuchten Gasstrom viel größer ist, als dies zur Verdampfung des Was­ sers nötig ist, während dieses durch den Boilerteil 34 hindurchgeht. Wenn die überschüssige Wärme nicht abgeführt wird (wie z. B. im Wärmeaustauscher 28 oder durch Verwen­ dung zum Überhitzen des Dampfs, der in der Kondensor-Boi­ ler-Kombination erzeugt wird), dann wird sie mit dem flüssi­ gen Wasser in den Boilerteil 34 eingeführt. In diesem Fall kann dann die gewünschte Menge Wasser nicht kondensiert werden und/oder kann die gewünschte Überhitzung nicht zu­ stande gebracht werden. Es wird besonders bevorzugt, daß die Wärmemenge Q_C, welche aus dem flüssigen Wasser im Wär­ meaustauscher 28 abgeführt ist, gerade ausreicht, seine Temperatur bis zu dem Punkt zu verringern, wo der Wärme­ bedarf für die Verdampfung und ggf. für die Dampfüberhit­ zung des kondensierten Wassers annähernd gleich ist der Kondensationswärme der aus dem feuchten Gasstrom auszukon­ densierenden Wassermenge plus der fühlbaren Wärme, die durch den feuchten Gasstrom an dieses Wasser während der Kondensationsstufe abgegeben wird.

Als Alternative zum Wärmeaustauscher 28 könnte das Sy­ stem dadurch wärmemäßig ausgewogen gestaltet werden, daß eine Menge flüssiges Wasser von einer anderen Quelle dem kondensierten Wasser zugegeben wird, so daß der Wärmebe­ darf für die Verdampfung und die Überhitzung der vereinig­ ten Wassermengen gerade gleich der Kondensationswärme des kondensierten Wassers plus der fühlbaren Wärme des feuch­ ten Gasstroms ist, die an die vereinigten Wassermengen während der Kondensationsstufe abgegeben wird. Dies würde einen Verlust der Wärme Q_C vermeiden.

Wie bereits erwähnt wird das flüssige Wasser gedrosselt, um seinen Siedepunkt auf eine Temperatur unterhalb T₃ zu verringern, bei welcher es sich um die Temperatur des Gas­ stroms und des Wassers handelt, welche den Kondensorteil 14 verlassen. Dies ist erforderlich, wenn der kondensieren­ de Strom dazu in der Lage sein soll, Wasser im Boilerteil 34 auf über seinen Siedepunkt zu erhitzen. Je größer ΔP am Dros­ selventil ist, desto größer wird die Annäherungstempera­ tur sein und desto kleiner wird die erforderliche Wärme­ übergangsfläche der Kondensor/Boiler-Kombination sein. Es gilt aber auch, je größer ΔP, desto niedriger ist der Druck des erzeugten erhitzten Dampfs, eine andere Betrachtung bei der Auswahl der besten Annäherungstemperatur für ein be­ stimmtes System. Außerdem sollte der Siedepunkt nicht unter T₄ abgesenkt werden, da sonst das Wasser beim Durchgang durch das Drosselventil blitzartig verdampfen würde, wo­ durch natürlich der Zweck dieses Systems nicht erreicht würde. Für praktische Zwecke ist die minimal mögliche An­ näherungstemperatur ungefähr 11°C.

Die Brennstoffzellenstromerzeugungsanlage gemäß Fig. 2 ist die primäre Energiequelle für das Verbundgenerator­ system und erzeugt Elektrizität. Die Abwärme kann dazu ver­ wendet werden, Dampf für eine Verbundgenerator-Anwendung zu produ­ zieren, wie z. B. für die Verwendung in der Fleischverar­ beitungs- oder Papierherstellungsindustrie. In dieser Brennstoffzellenstromerzeugungsanlage sind die Brennstoff­ zellen schematisch als einzige Zelle 100 dargestellt. Die­ se besitzt eine Anode und einen Brennstoffgasraum 102, eine Kathode und einen Oxydationsgasraum 104 sowie einen geschmolzenen Carbonatelektrolyten dazwischen. Eine Strom­ erzeugungsanlage wird normalerweise Hunderte solcher Zel­ len aufweisen, die elektrisch in Reihe oder parallel ge­ schaltet sind. Zellen mit geschmolzenem Carbonat arbeiten bei Temperaturen von ungefähr 650°C nominal. Bei dieser Ausführungsform steht die Stromerzeugungsanlage unter Druck, was bedeutet, daß die Brennstoffzellen mit unter Druck stehendem Brennstoff und unter Druck stehendem Oxy­ dationsmittel arbeiten. Für die weiteren Betrachtungen wird angenommen, daß die Zellen unter einem Druck von 10,5 bar absolut arbeiten. Zum Zwecke der Erläuterung und aus Einfachheitsgründen wird weiterhin angenommen, daß keine Reibungsdruckverluste bestehen.

Beim Betrieb wird Luft, welche das Oxydationsmittel für die Brennstoffzelle 100 darstellt, in einem Kompressor 106 auf 10,5 bar absolut gebracht. Eine entsprechende Men­ ge dieser unter Druck stehenden Luft wird in Mischung mit erschöpftem Anodenabgas aus einer Leitung 107 und rückge­ führtem Kathodenabgas aus einer Leitung 108 dem Kathoden­ raum 104 über eine Leitung 109 zugeführt. Erschöpftes Oxy­ dationsmittel verläßt die Kathode über eine Leitung 110 mit einer Temperatur von ungefähr 705°C und einem Druck von ungefähr 10,5 bar absolut. Dieser Abgasstrom enthält Abwärme hoher Qualität. Der Strom wird bei 111 aufgeteilt, und ein Teil des Gasstroms wird durch einen Wärmeaustau­ scher 112 geführt, wo ein Teil dieser Wärme hoher Quali­ tät abgezogen und für die Verbundgeneratoreinrichtung verwendet wird. Dieser Teil wird in einem Kompressor 114 wieder auf 10,5 bar absolut gebracht und wieder zum Kathodenraum 104 ge­ führt. Der Kompressor 114 kann durch einen Elektromotor angetrieben werden. Der restliche Teil des Kathodenabga­ ses wird durch eine Turbine 116 expandiert, die auch einen Kompressor 118, dessen Funktion später erläutert wird, antreibt.

An der Anodenseite wird verdampfter Kohlenwasserstoffbrenn­ stoff aus einer Quelle 120 mit Dampf in einer Leitung 122 gemischt, die unter einem Druck von mehr als 10,5 bar ab­ solut steht. Das Gemisch wird in einem Wärmeaustauscher 124 vorerhitzt und dann in einen Dampfreformer 126 einge­ führt, und zwar über eine Leitung 128. Im Dampfreformer wird der Brennstoff unter Verwendung von Wärme, die durch einen Brenner 130 erzeugt wird, in Wasserstoff überführt. Der Druck des Stroms fällt während dieser Stufe leicht. Der Wasserstoff wird in den Anodenraum 102 mit einem Druck von 10,5 bar absolut eingeführt, und zwar über eine Lei­ tung 132.

Ein feuchter Anodenabgasstrom verläßt den Anodenraum 102 über eine Leitung 134. Zu diesem Zeitpunkt besitzt der feuchte Gasstrom einen Druck von annähernd 10,5 bar abso­ lut und eine Temperatur von 705°C. Dieser Strom enthält Abwärme hoher Qualität von den Brennstoffzellen. Der Strom wird etwas in einem regenerativen Wärmeaustauscher 136 ab­ gekühlt und dann in den Wärmeaustauscher 138 eingeführt, und zwar über eine Leitung 104, worauf eine Menge Q₁ an Wärme hoher Qualität abgezogen und für die Verbundgeneratoran­ wendung verwendet wird. Beispielsweise kann die Wärme zur Erzeugung von Dampf hoher Qualität für oben beschriebene industrielle Prozesse verwendet werden.

Der feuchte Anodenabgasstrom wird dann durch eine Konden­ sor/Boiler-Kombination 140 geführt, und zwar über eine Leitung 142, um die gewünschte Wassermenge aus dem Strom ohne wesentlichen Druckabfall auszukondensieren. In die­ sem Fall entspricht die gewünschte Menge Wasser dem Dampf­ bedarf für den Reaktor 126. In diesem System besitzt der Anodenabgasstrom, welcher die Kondensor/Boiler-Kombina­ tion 140 betritt, einen Druck von annähernd 10,5 bar ab­ solut und eine Temperatur von 162°C. Der Taupunkt bei die­ sem Druck für die betreffende Zusammensetzung des Anoden­ abgases ist 156°C. Es wird bevorzugt, daß die Temperatur des feuchten Gasstroms, welcher die Kondensor/Boiler-Kom­ bination betritt, in der Nähe des Taupunkts liegt, um die Größe des erforderlichen Kondensationsapparats zu verrin­ gern und um die Menge an Wärme hoher Qualität Q₁, die für die Verbundgeneratoreinrichtung verwendet werden kann, maximal zu ge­ stalten.

Das Flüssigkeit/Gas-Gemisch verläßt die Kondensor/Boiler- Kombination 140 in der Leitung 144 mit einer Temperatur von 126°C und besitzt nach wie vor einen Druck von annä­ hernd 10,5 bar absolut. Dieses Gemisch betritt einen Was­ ser/Gas-Separator oder eine Knock-out-Trommel 146, wobei trockenes Anodenabgas über eine Leitung 148 und im wesent­ lichen reines flüssiges Wasser über eine Leitung 150 ab­ strömt. Das trockene Abgas wird im Wärmeaustauscher 136 regeneriert und an einem Punkt 152 mit Luft von 10,5 bar absolut aus einer Leitung 154 gemischt, welche im Kompres­ sor 106 komprimiert worden ist. Es strömt dann in den Brenner 130, und zwar über eine Leitung 155. Aus dem Bren­ ner 130 wird sie in den Wärmeaustauscher 124 geführt, und zwar über eine Leitung 156, und dann bei 158 mit kompri­ mierter Luft aus dem Kompressor 106 vereinigt, um durch den Oxydationsgasraum 104 geführt zu werden.

Zurück zum flüssigen Wasser in der Leitung 150. Dieses besitzt einen Druck von 10,5 bar absolut und eine Tempe­ ratur von 126°C. In dieser bevorzugten Ausführungsform ist es erwünscht, das kondensierte Wasser in Dampf zu über­ führen und zusätzlich den Dampf im Boiler zu überhitzen, um sicherzustellen, daß keine Kondensation während der spä­ teren Komprimierung des Dampfs stattfindet. Dies geschieht durch Verringerung seiner Temperatur auf 71°C in einem Wärmeaustauscher oder Radiator 160, so daß sein Verdamp­ fungswärme- und Überhitzungswärmebedarf nunmehr annähernd gleich der Kondensationswärme des Wassers plus der fühlba­ ren Wärme ist, die durch den feuchten Gasstrom abgegeben wird, welcher durch die Kondensor/Boiler-Kombination 140 hindurchgeführt wird. Die abgezogene Wärme Q₂ ist Wärme von niedriger Qualität und kann verworfen werden.

Die Flüssigkeit mit verringerter Temperatur wird dann durch ein Drosselventil 162 hindurchgeführt, wo ihr Druck auf 1 bar absolut verringert wird. Bei diesem Druck ist der Siedepunkt des Wassers 100°C. Es wird darauf hingewie­ sen, daß der Siedepunkt der Flüssigkeit vor dem Drossel­ ventil 181°C ist, so daß diese Flüssigkeit nicht für die Abfuhr von Wärme aus dem Kühler verwendet werden könnte.

Die durch das Drosselventil hindurchgegangene Flüssigkeit wird dann in den Boilerteil der Kondensor/Kühler-Kombina­ tion 140 über die Leitung 164 eingeführt und strömt dann im Wärmeaustausch zum feuchten Gasstrom, wobei sie die Kondensationswärme und fühlbare Wärme aus dem feuchten Gas­ strom aufnimmt. Die Flüssigkeit wird hierdurch zum Kochen gebracht, in Dampf niedriger Qualität mit einem Druck von 1 bar absolut überführt und auf eine Temperatur von 109°C überhitzt. Da es dieser Strom ist, der für die Dampfrefor­ mierungsreaktion im Dampfreformer 126 verwendet werden soll, muß er nunmehr auf etwas mehr als den Systemdruck von 10,5 bar absolut gebracht werden, bevor er verwendet werden kann.

Wie in Fig. 2 gezeigt, verläßt der Dampf die Kondensor/ Boiler-Kombination 140 über eine Leitung 166 und wird in einer ersten Stufe durch einen Kompressor 168, welcher durch einen Elektromotor 170 angetrieben wird, auf 3,5 bar absolut gebracht. Zwar wird der elektrische Motor 170 durch Strom angetrieben, der durch die Brennstoffzelle 100 erzeugt wird, aber die zusätzliche Wärme hoher Quali­ tät, die für die Verbundgeneratoreinrichtung als Ergebnis des hier beschriebenen Verfahrens zur Wasserrückgewinnung und zur Dampferzeugung gewonnen wird, gleicht die zusätzliche elektrische Belastung der Brennstoffzellen mehr als aus. Auf jeden Fall äußert sich die Energie für die Komprimie­ rung in einem Temperaturanstieg des Dampfs und kann in einem Wärmeaustauscher 172 als fühlbare Wärme hoher Qualität Q₃ für die Verbundgeneratorsanwendung zurückgewonnen werden oder dazu dienen, den Dampf vor seiner Verwendung im Dampf­ reformer weiter zu erhitzen. Wenn der letztere Weg ge­ wählt wird, dann ist weitere Systemwärme hoher Qualität, die sonst für Überhitzung verwendet würde, für Verbund­ generatoranwendungen verfügbar. Eine Druckerhöhung auf gewünschte 11,2 bar absolut wird im Kompressor 118 erhal­ ten, der durch verfügbare Expansionsenergie aus dem Katho­ denabgas angetrieben wird. Es wird angenommen, daß die Ar­ beitsparameter dieser Brennstoffzellenstromerzeugungsan­ lage so eingestellt werden könnten, daß Abwärme hoher Qua­ lität und nicht ein Elektromotor 170 für die erste Stufe der Dampfkomprimierung verwendet werden könnten.

Bei einem System, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, kann er­ rechnet werden, daß 86% der erzeugten thermischen Ener­ gie als Dampf hoher Qualität zur Verfügung stehen (der in diesem Fall einen Druck von mehr als 21 bar absolut auf­ weist) im Vergleich zu 34% bei einem herkömmlichen Ver­ fahren, bei dem Wasser kondensiert und dann für die Um­ wandlung in Dampf zu einem Boiler geschickt wird, in wel­ chem eine Quelle für Wärme hoher Qualität verwendet wird.

Claims (7)

1. Verfahren zum Betreiben einer Energieerzeugungsanlage mit einer primären Stromerzeugungseinrichtung und einer Ver­ bundgeneratoreinrichtung, wobei die primäre Stromerzeugungs­ einrichtung einen feuchten Gasstrom mit einem Gehalt an Abwärme hoher Qualität und mit einem hohen ersten Druck und einer ersten Temperatur, die wesentlich über dem Taupunkt des Stromes liegt, erzeugt, aus dem das Wasser durch Kondensation entfernt und zur Erzeugung von Dampf, der in der Energie­ erzeugungsanlage benötigt wird, verwendet wird, wobei weiter­ hin die Verbundgeneratoreinrichtung mindestens einen Teil ihrer Energie von Abwärme hoher Qualität aus der primären Stromerzeugungseinrichtung bezieht, gekennzeichnet durch die Stufen:
Verringerung der Temperatur des feuchten Gasstroms auf eine zweite Temperatur, die noch über dem Taupunkt des Gas­ stroms liegt, wobei eine Abwärme hoher Qualität gewonnen wird, die dazu verwendet wird, Energie für die Verbundgeneraturein­ richtung zu liefern;
Einführen des feuchten Gasstroms mit der zweiten Tempe­ ratur in eine Kondensor/Boiler-Einheit;
Kondensieren von Wasser aus dem Gasstrom in der Kon­ densor/Boiler-Einheit durch Abkühlen des Gasstroms auf eine dritte Temperatur, die unter dem Taupunkt des Gasstroms liegt, ohne daß dabei der Druck des Gasstroms wesentlich verringert wird, um flüssiges Wasser mit der dritten Temperatur und einem Druck, der im wesentlichen der gleiche ist wie der Druck des in die Kondensor/Boiler-Einheit eintretenden Gasstroms, zu erzeugen;
Abtrennen des kondensierten flüssigen Wassers aus dem Gasstrom;
Verringerung der Temperatur des kondensierten flüssigen Wassers von der dritten Temperatur auf eine niedrigere vierte Temperatur;
Verringerung des Drucks des kondensierten flüssigen Wassers auf einen zweiten Druck, so daß die Siedetemperatur des Wassers gleich ist wie oder kleiner ist als die dritte Temperatur; und
Verdampfen des den verringerten Druck und die verrin­ gerte Temperatur aufweisenden abgetrennten flüssigen Wassers in der Kondensor/Boiler-Einheit durch Erhitzen bei dem zweiten Druck, wobei nur die Kondensationswärme aus der Kondensations­ stufe und die fühlbare Wärme aus dem durch die Konden­ sor/Boiler-Einheit hindurchströmenden Gasstrom verwendet wird, um aus dem abgetrennten flüssigen Wasser Dampf mit dem zweiten Druck zu erzeugen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im wesentlichen die gesamte Feuchtigkeit im feuchten Gasstrom in der Kondensor/Boiler-Einheit auskondensiert wird.

3. Verfahren nach Aspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Temperatur etwas über dem Taupunkt des feuchten Gasstroms liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Abtrennung des auskondensierten flüssigen Wassers ein im wesentlichen trockener Gasstrom erzeugt wird und daß ein Teil der aus dem feuchten Gasstrom vor seiner Einführung in die Kondensor/Boiler-Einheit gewonnenen Wärme hoher Qualität dazu verwendet wird, die Temperatur des trockenen Gasstroms zu erhöhen.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Kondensor/Boiler-Einheit erzeugte Dampf ein über­ hitzter Dampf ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die primäre Stromerzeugungseinrichtung aus einer unter Druck arbeitenden Brennstoffzellenanlage besteht, die eine Vielzahl von Brennstoffzellen und einen Brennstoff­ reaktor umfaßt, der unter Druck stehenden Dampf für die Um­ wandlung von Kohlenwasserstoffen in unter Druck stehenden Wasserstoff benötigt, der in den Brennstoffzellen verwendet wird, wobei die Brennstoffzellen einen Brennstoffgasraum und einen Oxidationsmittelgasraum aufweisen und wobei der feuchte Gasstrom der Abgasstrom aus dem Brennstoffgasraum ist, wobei das Verfahren die folgenden zusätzlichen Stufen umfaßt:
Komprimieren des Oxidationsmittelgases für die Brenn­ stoffzellen in einem ersten Kompressor, der durch die Energie aus dem Abgasstrom aus dem Oxidationsmittelgasraum angetrieben wird;
Komprimieren des in der Verdampfungsstufe erzeugten Dampfes in einem zweiten Kompressor, der durch Energie aus dem Abgasstrom aus dem Oxidationsmittelgasraum angetrieben wird; und
Überführen des unter Druck stehenden Dampfes in den Brennstoffreaktor.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzellen mit geschmolzenem Carbonat als Elektrolyt betrieben werden, wobei der trockene Gasstrom durch die Oxida­ tionsmittelgasräume der Zellen geführt wird.