DE69512075T2

DE69512075T2 - Ultrahocheffiziente turbinen-und brennstoffzellenkombination

Info

Publication number: DE69512075T2
Application number: DE69512075T
Authority: DE
Inventors: Ethan D. Hoag; Michael S. Hsu
Original assignee: ZTEK Corp
Current assignee: ZTEK Corp
Priority date: 1994-08-08
Filing date: 1995-03-21
Publication date: 2000-04-27
Anticipated expiration: 2015-03-22
Also published as: HU222628B1; KR970705195A; NO970586D0; CA2196764A1; ATE184425T1; CA2196764C; UA28070C2; DK0776529T3; EP0776529B1; HUT77148A; ES2136872T3; KR100271096B1; US5976332A; RO116851B1; JP2006012774A; WO1996005625A3; CN1423034A; DE69512075D1; WO1996005625A2; US5693201A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft Gas- oder Dampfturbinen und insbesondere Hochleistungsenergiesysteme, die mit derartigen Vorrichtungen arbeiten.
Herkömmliche Hochleistungs-Gasturbinenenergiesysteme sind vorhanden und bekannt. Gasturbinenenergiesysteme nach dem bekannten technischen Stand schließen einen Kompressor, eine Brennkammer und eine mechanische Turbine ein, die im typischen Fall in Reihe, z. B. längs derselben Achse, miteinander verbunden sind. Bei einer herkömmlichen Gasturbine tritt Luft in den Kompressor ein und bei einem gewünschten höheren Druck aus. Dieser Hochdruck-Luftstrom tritt in die Brennkammer ein, in der er mit dem Brennstoff reagiert, und wird auf eine ausgewählte höhere Temperatur erhitzt. Dieser erhitzte Gasstrom tritt dann in die Gasturbine ein und dehnt sich adiabatisch aus, wodurch Arbeit geleistet wird. Ein Mangel von Gasturbinen dieses allgemeinen Typs besteht darin, daß die Turbine im typischen Fall mit einem relativ geringen Systemwirkungsgrad von beispielsweise etwa 25% bei Systemen mit Megawatt-Leistung arbeitet.
Ein Verfahren nach dem bekannten technischen Stand, das zur Überwindung dieses Problems angewendet wird, besteht darin, einen Rekuperativvorwärmer für die Rückgewinnung von Wärme einzusetzen. Diese rückgewonnene Wärme wird im typischen Fall dafür eingesetzt, den Luftstrom vor dem Eintritt des Stromes in die Brennkammer weiter zu erhitzen. Im typischen Fall verbessert der Rekuperativvorwärmer den Systemwirkungsgrad der Gasturbine auf etwa 30%. Ein Nachteil dieser Lösung besteht darin, daß der Rekuperativvorwärmer verhältnismäßig teuer ist und damit wesentlich zu den Gesamtkosten des Energiesystems beiträgt.
Ein anderes angewendetes Verfahren nach dem bekannten technischen Stand besteht darin, das System bei einem verhältnismäßig hohen Druck und einer verhältnismäßig hohen Temperatur zu betreiben, um dadurch den Systemwirkungsgrad zu steigern. Die tatsächliche Steigerung des Systemwirkungsgrades war jedoch bisher nur nominal, während bei dem System die Kosten entstehen, die durch die mechanischen Hochtemperatur- und Hochdruckkomponenten bedingt sind.
Noch ein weiteres Verfahren nach dem bekannten technischen Stand, das bei Kraftwerken mit einer Energieleistung von mehr als 100 MW angewendet worden ist, ist die Wärmekupplung des Hochtemperatur-Auslasses der Turbine mit einem Wärmerückgewinnungs- Dampferzeuger für einen kombinierten Gasturbinen-Dampfturbinen-Einsatz. Diese Kombinationszyklusanwendung verbessert den Systembetriebswirkungsgrad im typischen Fall auf etwa 55%. Aber auch dieser Wirkungsgrad ist noch verhältnismäßig niedrig.
Folglich besteht auf diesem Gebiet ein Bedarf an Hochleistungsenergiesystemen. Vor allem würde ein verbessertes Gasturbinenenergiesystem, das in der Lage ist, die wünschenswerten Eigenschaften von elektrochemischen Konvertern zu integrieren und zu nutzen, eine wesentliche Verbesserung im Industriezweig darstellen. Insbesondere würde auch ein integriertes System aus elektrochemischem Konverter und Gasturbine, das die Kosten in Verbindung mit der Bereitstellung der bereitgestellten Wärmeverarbeitungssysteme senkt, während es gleichzeitig signifikant den Gesamtwirkungsgrad des Systems erhöht, eine wesentliche Verbesserung auf dem Gebiet darstellen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung sieht ein Energiesystem vor, das einen elektrochemischen Konverter mit einer Gasturbine integriert. Der elektrochemische Konverter und die Gasturbine stellen ein Energiesystem mit einem relativ hohen Wirkungsgrad. z. B. einem Wirkungsgrad von etwa 70%, für die Erzeugung von Elektrizität dar.
Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Gasturbinenenergiesystem zur Erzeugung von Elektrizität bereitgestellt, das folgende Komponenten umfaßt:
einen oder mehrere Kompressoren zum Komprimieren wenigstens eines von einem ersten Medium und einem zweiten Medium,
einen oder mehrere elektrochemische Konverter, die dem Kompressor zugeordnet und dafür geeignet sind, wenigstens eines der ersten und zweiten Medien aufzunehmen, wobei der Konverter so konfiguriert ist, daß er die elektrochemische Reaktion zwischen dem ersten und zweiten Medium erlaubt und einen Auslaß erzeugt, der eine Kombination des ersten und zweiten Mediums ist und eine ausgewählte höhere Temperatur hat, und
eine oder mehrere Turbinen, die dem elektrochemischen Konverter zugeordnet und dafür geeignet sind, den Auslaß direkt aufzunehmen,
worin die Turbine den Auslaß des elektrochemischen Konverters in Rotationsenergie umwandelt.
Vorzugsweise umfaßt das Gasturbinenenergiesystem außerdem einen Generator, welcher der Turbine zugeordnet und dafür geeignet ist, deren Rotationsenergie aufzunehmen, worin der Generator in Reaktion auf die Rotationsenergie der Turbine Elektrizität erzeugt.
Vorzugsweise ist der elektrochemische Konverter dafür geeignet, Elektrizität zu erzeugen.
Der elektrochemische Konverter ist vorzugsweise dafür geeignet, bei einer erhöhten Temperatur und bei atmosphärischem Druck zu arbeiten.
Der elektrochemische Konverter hat vorzugsweise eine ausgewählte Betriebstemperatur und ist dafür geeignet, bei einer erhöhten Temperatur und bei einem erhöhten Druck zu arbeiten, worin der elektrochemische Konverter innere Medien-Erhitzungsmittel einschließt, um das erste und zweite Medium auf die Betriebstemperatur des Konverters zu erhitzen.
Vorzugsweise umfaßt der elektrochemische Konverter eine Vielzahl von rohrförmigen Konverterelementen, die eine runde Elektrolytschicht einschließen, die ein Oxidationsmittel-Elektrodenmaterial auf einer Seite und ein Brennstoff-Elektrodenmaterial auf der gegenüberliegenden Seite hat.
Der elektrochemische Konverter umfaßt vorzugsweise folgende Komponenten:
eine elektrochemische Konverterbaugruppe, die eine Vielzahl von übereinander angeordneten Konverterelementen hat, die folgendes einschließen:
eine Vielzahl von Elektrolytplatten, die ein Oxidationsmittel-Elektrodenmaterial auf einer Seite und ein Brennstoff-Elektrodenmaterial auf der gegenüberliegenden Seite haben, und
eine Vielzahl von Verbindungsplatten, um den elektrischen Kontakt zwischen den Elektrolytplatten herzustellen, worin der Stapel der Konverterelemente dadurch aufgebaut wird, daß abwechselnd die Verbindungsplatten und die Elektrolytplatten übereinander angeordnet werden, und worin wahlweise die übereinander angeordneten Konverterelemente außerdem folgendes einschließen:
ein Vielzahl von Sammelrohren, die axial dem Stapel zugeordnet und dafür geeignet sind, wenigstens eines der ersten und zweiten Medien aufzunehmen, und
Medien-Erhitzungsmittel, die dem Sammelrohr zugeordnet sind, um wenigstens einen Teil des ersten und zweiten Mediums auf die Betriebstemperatur des Konverters zu erhitzen.
Vorzugsweise umfaßt die Verbindungsplatte eine wärmeleitende Anschlußplatte.
Die Medien-Erhitzungsmittel umfassen vorzugsweise eine wärmeleitende und integral geformte, erweiterte Oberfläche der Verbindungsplatte, die in die axial angeordneten Sammelrohre vorsteht.
Der Stapel der Konverterelemente umfaßt vorzugsweise außerdem eine Vielzahl von Abstandsplatten, die zwischen die Elektrolytplatten und die Verbindungsplatten eingefügt sind, und worin die Medien-Erhitzungsmittel wahlweise eine wärmeleitende und integral geformte, erweiterte Oberfläche der Abstandsplatte umfassen, die in die Vielzahl von axial angeordneten Sammelrohren vorsteht.
Vorzugsweise erzeugt die elektrochemische Konverterbaugruppe Abwärme, die das erste und zweite Medium auf die Konverter-Betriebstemperatur erhitzt, die beispielsweise zwischen etwa 20ºC und etwa 1500ºC betragen kann, wobei die Abwärme durch die Verbindungsplatte leitend auf das erste und zweite Medium übertragen wird.
Der elektrochemische Konverter ist vorzugsweise eine Brennstoffzelle, die aus der Gruppe ausgewählt worden ist, die aus einer Festoxid-Brennstoffzelle, einer Carbonatschmelzen-Brennstoffzelle, einer Phosphorsäure-Brennstoffzelle einer alkalischen Brennstoffzelle und einer Proton-Austauschmembran-Brennstoffzelle besteht.
Das Gasturbinenenergiesystem umfaßt außerdem vorzugsweise Vorwärmmittel zum Vorwärmen des ersten und zweiten Mediums vor der Einführung in den elektrochemischen Konverter, worin die Vorwärmmittel wahlweise einen äußeren Regenerativwärmeaustauscher oder einen Strahlungswärmeaustauscher einschließen, und worin wahlweise wenigstens die Vorwärmmittel die ersten und zweiten Medien, die Kohlenwasserstoffe und Reforming-Mittel einschließen, in nicht-komplexe Reaktionsspezies zersetzen.
Vorzugsweise zersetzen wenigstens die Medien-Erhitzungsmittel die ersten und zweiten Medien, die Kohlenwasserstoffe und Reforming-Mittel einschließen, in nicht- komplexe Reaktionsspezies.
Der elektrochemische Konverter ist vorzugsweise in Reihe zwischen dem Kompressor und der Turbine angeordnet.
Außerdem umfaßt das Gasturbinenenergiesystem vorzugsweise Regenerativwärme- Gehäusemittel, die einen Druckkessel um den elektrochemischen Konverter bilden.
Das erste Medium schließt vorzugsweise Luft ein, und das zweite Medium schließt Naturgas ein.
Das Gasturbinenenergiesystem umfaßt vorzugsweise außerdem einen Dampferzeuger, welcher der Gasturbine zugeordnet und dafür geeignet ist, den Auslaß der Gasturbine aufzunehmen, wobei der Dampferzeuger den Auslaß der Gasturbine durch Konvektion mit einem Arbeitsmedium verbindet.
Vorzugsweise umfaßt das Gasturbinenenergiesystem außerdem eine Dampfturbine, die dem Dampferzeuger zugeordnet und für die Erzeugung von Elektrizität konfiguriert ist.
Vorzugsweise schließt die Gasturbine einen Kompressor und eine mechanische Turbine ein, wobei die Turbine Elektrizität erzeugt und der Auslaß eine ausgewählte, höhere Temperatur hat, und das Gasturbinenenergiesystem schließt außerdem folgendes ein:
einen Dampferzeuger, welcher der Gasturbine zugeordnet und dafür geeignet ist, den Auslaß der Gasturbine aufzunehmen, wobei der Dampferzeuger den Auslaß der Gasturbine durch Konvektion mit einem Arbeitsmedium verbindet, und
eine Dampfturbine, die dem Dampferzeuger zugeordnet und für die Erzeugung von Elektrizität konfiguriert ist.
Vorzugsweise sind die eine oder mehreren Turbinen mit dem einen oder mehreren Kompressoren durch wenigstens eine oder mehrere Wellen verbunden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorstehenden und andere Ziele. Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und aus den bei gefügten Zeichnungen ersichtlich, in denen sich bei den verschiedenen Ansichten gleiche Bezugszeichen auf die gleichen Teile beziehen. Die Zeichnungen veranschaulichen die Prinzipien der Erfindung und zeigen, wenn sie auch nicht maßstabgerecht sind, die relativen Abmessungen.
Fig. 1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Energiesystems nach der vorliegenden Erfindung, das mit einem elektrochemischen Konverter arbeitet, der in Reihe mit einer Gasturbine angeordnet ist.
Fig. 2 ist ein schematisches Blockdiagramm eines alternativen Ausführungsbeispiels eines Energiesystems nach der vorliegenden Erfindung, das mit einem elektrochemischen Konverter arbeitet, der versetzt zu einer Gasturbine angeordnet ist,
Fig. 3 ist ein schematisches Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Energiesystems nach der vorliegenden Erfindung, das sowohl mit einer Gasturbine, einer Dampfturbine als auch einem Konverterauslaß-Erhitzungselement arbeitet.
Fig. 4 ist eine Draufsicht, teilweise im Schnitt, eines Druckkessels, der eine Reihe von elektrochemischen Konvertern der vorliegenden Erfindung umschließt,
Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht einer Zellengrundeinheit eines elektrochemischen Konverters der Erfindung.
Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels der Zellengrundeinheit eines elektrochemischen Konverters der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 7 ist ein Querschnitt der Zelleneinheit von Fig. 5.
Fig. 8 ist eine schematische Ansicht eines Gasturbinenenergiesystems mit mehreren Wellen nach der vorliegenden Erfindung, das mit einem elektrochemischen Konverter arbeitet, und
Fig. 9 veranschaulicht grafisch den kombinierten Systemleistungswirkungsgrad des Energiesystems der vorliegenden Erfindung.

BESCHREIBUNG DER DARGESTELLTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Fig. 1 zeigt ein Gasturbinenenergiesystem nach der vorliegenden Erfindung. Das dargestellte aero-derivative Reihen-Gasturbinensystem 70 schließt einen elektrochemischen Konverter 72 und eine Gasturbinenbaugruppe ein. Die Gasturbine umfaßt einen Kompressor 76, eine Turbine 80 und einen Generator 84. Luft von einer Luftquelle 73 wird über eine geeignete Leitung in den Kompressor 76 eingeführt, wo sie komprimiert und folglich erhitzt wird, und wird dann abgegeben und in den elektrochemischen Konverter 72 eingeführt. Der Brennstoff 74 wird in einen Vorwärmer 68 eingeführt, wo er auf eine ausgewählte erhöhte Temperatur unterhalb der Betriebstemperatur des Konverters vorgewärmt wird. Die erhitzte Luft und der erhitzte Brennstoff dienen als Eingangsreaktanten und speisen den elektrochemischen Konverter 72.
Der Konverter 72 erhitzt die komprimierte Luft, die durch den Kompressor 76 eingeführt wird, und den Brennstoff 74, um einen Hochtemperatur-Auslaß zu erzeugen. Der Auslaß wird in die Gasturbine 80 eingeführt, die diese Wärmeenergie in Rotationsenergie zur anschließenden Weiterleitung zu einem Stromerzeuger 84 umwandelt. Im einzelnen wandelt die Turbine den Hochtemperatur-Auslaß (über eine Turbinenwelle) in Rotationsbewegung um, die Arbeit für die Erzeugung von Elektroenergie leistet. Der Generator 84 erzeugt Elektrizität, die sowohl für industrielle Zwecke als auch in Haushalten eingesetzt werden kann. Ein Vorteil der Verwendung des elektrochemischen Konverters als Gasturbinen- Brennkammer besteht darin, daß der Konverter als zusätzlicher Stromerzeuger funktioniert. Die dargestellten elektrischen Verbindungen 88A und 88B zeigen, daß Elektrizität sowohl vom Generator 84 als auch vom Konverter 72 abgenommen werden kann. Die Komponenten der Gasturbine und der Generator sind in Fachkreisen bekannt und kommerziell erhältlich. Fachleute mit normalen Kenntnissen werden die Arbeitsweise der Gasturbinenkomponenten sowie die Integration des elektrochemischen Konverters und der Gasturbine leicht verstehen, besonders angesichts der vorliegenden Beschreibung und Darstellungen. Beispielsweise wird ein Fachmann mit normalen Kenntnissen leicht erkennen, daß der Konverter 72 die Brennkammer der Gasturbine der vorliegenden Erfindung vollständig oder teilweise ersetzen kann.
Fig. 2 veranschaulicht ein Energiesystem 90, bei dem der elektrochemische Konverter 72" nicht in Reihe mit der Gasturbine verbunden ist. Luft von der Luftquelle 73' wird durch den Kompressor 76' komprimiert, abgegeben und dann in den Off-line-Konverter 72' eingeführt. Brennstoff von einer Brennstoffquelle 74' wird in den Konverter eingeführt, und die Luft und der Brennstoff werden dabei verbraucht. Der Konverter zersetzt den Brennstoff thermisch in nicht-komplexe Reaktionsspezies, im typischen Fall H&sub2; und CO, und erzeugt einen Hochtemperatur-Auslaß. Der Auslaß wird in die Gasturbine 80' eingeführt, die mit dem Stromerzeuger 84' verbunden ist. Der dargestellte Generator 84' und Konverter 72' können zum Speisen des dargestellten Antriebsmotors 86 genutzt werden. Das System 90 kann außerdem mit einem Vorwärmer, ähnlich dem Vorwärmer von Fig. 1, arbeiten, um die Reaktanten vor der Einführung in den Konverter 72 vorzuwärmen.
Fig. 3 zeigt ein alternatives Energiesystem 100, das mit einem elektrochemischen Konverter, einer Gasturbine und einer Dampfturbine arbeitet. Das dargestellte Energiesystem 100 schließt eine sekundäre Brennkammer 104, einen Dampferzeuger 108º und eine Dampfturbine 112' ein. In den elektrochemischen Konverter 72" werden Brennstoff von einer Brennstoffquelle 74 und Wasser 102 zum Reformieren, das im allgemeinen von einem Flüssigkeitsreservoir (nicht gezeigt) zugeführt wird, eingeführt. Das Wasser 102 und die durch den Konverter 72" erzeugte Abwärme tragen dazu bei, den Einsatzbrennstoff, z. B. fossilen Brennstoff, in nutzbare, nicht-komplexe Reaktionsspezies, wie molekularen Wasserstoff und Kohlenmonoxid, zu reformieren. Luft aus der Luftquelle 73 wird vorzugsweise durch den Kompressor oder das Gebläse 76" in den Konverter 72" eingeführt und verbindet sich mit dem Einsatzbrennstoff, um den Konverter 72" zu speisen. Der Konverter 72''' erzeugt einen Hochtemperatur-Auslaß, im typischen Fall von etwa 1000ºC, der von der sekundären Brennkammer 104 weiter auf eine ausgewählte, höhere Temperatur, von z. B. 1300ºC, erhitzt wird, um den vorher festgelegten Anforderungen an die Einlaßtemperatur der Gasturbine 80" angepaßt zu werden. Die Gasturbine erzeugt einen Auslaßausgang 81, der durch einen Wärmerückgewinnungs-Dampferzeuger 108 zur nachfolgenden Nutzung in Verbindung mit der Grunddampfturbine 112 geführt wird. Der Dampfturbinenausgang wird mit dem Stromerzeuger 84" verbunden, der Elektrizität erzeugt. Die elektrischen Verbindungen 88A' und 88B' zeigen, daß Elektrizität direkt sowohl vom elektrochemischen Konverter 72" als auch vom Generator 84" abgenommen werden kann.
Die dargestellten Energiesysteme von Fig. 1 bis 3 bieten durch die direkte Integration eines hochleistungsfähigen, kompakten elektrochemischen Konverters mit den Grundbestandteilen der Anlage den Vorteil, daß sie die Erzeugung von Elektrizität in einem hocheffizienten System ermöglichen. Die Integration des elektrochemischen Konverters mit einer Gasturbine auf die in Fig. 1 bis 3 gezeigte Weise ergibt ein Gasturbinenenergiesystem, das einen Gesamtleistungswirkungsgrad von etwa 70% hat. Dieser Systemwirkungsgrad stellt eine signifikante Steigerung gegenüber den Wirkungsgraden dar, die einzeln mit Gasturbinensystemen nach dem bekannten technischen Stand und elektrochemischen Systemen nach dem bekannten technischen Stand erreicht worden sind. Die dargestellten Gasturbinenenergiesysteme beziehen einen elektrochemischen Konverter ein, um hochwertige Wärmeenergie und Elektrizität bereitzustellen, und nutzen gleichzeitig die Vorteile der elektrochemischen Konverter. Beispielsweise arbeitet der Konverter als eine Wärmequelle mit niedrigen NOx-Gehalt, wodurch das Umweltverhalten gegenüber herkömmlichen Gasturbinen- Kraftwerksanlagen verbessert wird.
Der hohe Systemwirkungsgrad des kombinierten elektrochemischen Konverter- und Gasturbinensystems wird grafisch in Fig. 9 dargestellt. Die Ordinatenachse der grafischen Darstellung bezeichnet den Systemgesamtwirkungsgrad in Prozent, und die Abszisse bezeichnet das Leistungsverhältnis des Hybridsystems. Das Leistungsverhältnis ist definiert als der Quotient der Summe der Größe des elektrochemischen Konverters und der Gasturbine (FC + GT), dividiert durch die Größe der Gasturbine (GT). Die Linie 200 der grafischen Darstellung zeigt, daß der Systemgesamtwirkungsgrad 60% übersteigen kann, wenn mit einer Brennstoffzelle mit einem Wirkungsgrad von 50% und einer Gasturbine mit einem Wirkungsgrad von 25% gearbeitet wird. Ebenso zeigt die Linie 210 der grafischen Darstellung, daß der Systemgesamtwirkungsgrad 60% übersteigen kann, wenn mit einer Brennstoffzelle mit einem Wirkungsgrad von 55% und einer Gasturbine mit einem Wirkungsgrad von 35% gearbeitet wird, und daß dieser in Abhängigkeit vom Leistungsverhältnis gegen 70% gehen kann. Die grafischen Linien 200 und 210 veranschaulichen auch, daß die Größe und der Wirkungsgrad des elektrochemischen Konverters und der Gasturbine so gewählt werden können, daß der Systemgesamtwirkungsgrad maximiert wird. Außerdem veranschaulicht die grafische Darstellung, daß ein entsprechend großer Anstieg im Systemwirkungsgrad eintritt, wenn eine Gasturbine mit einem elektrochemischen Konverter kombiniert wird, ein Ergebnis, das bisher nicht bekannt war. Beispielsweise hat, wie bereits ausgeführt worden ist, das Gasturbinenenergiesystem, das mit einem elektrochemischen Konverter arbeitet, einen Systemgesamtwirkungsgrad, der 60% übersteigt und, in Abhängigkeit von der Größe und dem Wirkungsgrad der Komponenten Gasturbine und elektrochemischer Konverter, gegen 70% geht.
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung eines Energiesystems 300, bei dem ein elektrochemischer Konverter mit einem Gasturbinensystem mit mehreren Wellen integriert ist. Das gezeigte Gasturbinensystem kann ein herkömmliches Verbrennungsturbinensystem sein. Das dargestellte Hybridsystem 300 schließt ein Paar Kompressoren C1 und C2, ein Paar Turbinen T1 und T2, einen Generator 305, einen Zwischenkühler 310 und einen oder mehrere elektrochemische Konverter 320 ein. Ein Paar Wellen 322, 324 verbindet die Turbinen T1 und T2 mit den mechanischen Kompressoren C1 bzw. C2.
Wie gezeigt wird, tritt Luft aus einem Lufteinlaß in den Kompressor C1 an dessen Eingang ein und wird dadurch komprimiert. Die komprimierte Luft tritt dann aus dem Kompressor an dessen Ausgang aus und tritt in den Zwischenkühler 310 ein, der die Temperatur der komprimierten luft absenkt, bevor die Luft aus dem Zwischenkühler austritt. Der Zwischenkühler 310 nimmt an seinem Eingang eine Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser, von einer Flüssigkeitsquelle (nicht gezeigt) auf und gibt das Wasser an seinem Ausgang ab.
Die gekühlte, komprimierte Luft tritt dann in den Kompressor C2 ein, der die Luft vor der Einführung in den ersten elektrochemischen Konverter 320 wiederum komprimiert. Die Luft wird zwischen dem Konverter 320 und dem Kompressor C2 längs der Strömungsbahn 328 weitergeleitet. Nach der Einführung in den Konverter reagiert die Luft mit dem Brennstoff von einer Brennstoffquelle (nicht gezeigt), und beide werden durch den elektrochemischen Konverter 320 verbraucht, um Elektrizität zu erzeugen.
Der Konverterauslaß wird längs der Strömungsbahn 330 in die Turbine T2 eingeführt, deren Auslaß in einen sekundären Konverter 320 eingeführt wird. Der sekundäre Konverter erzeugt Elektrizität und wiedererhitzt den Auslaß vor der Einführung in die Turbine T1. Der Auslaß von der Turbine T1 wird vorzugsweise längs der Strömungsbahn 332 zur nachfolgenden Nutzung aus dem System 300 herausgeführt. Die Rotationsenergie von der Turbine T1 wird vorzugsweise zwischen dem mechanischen Kompressor C1 über die Triebwellenbaugruppe 322 und dem Stromerzeuger 305 aufgeteilt. Der Generator 305 kann für die Erzeugung von Elektrizität für eine Vielzahl von Haushalts- und industrielle Zwecke eingesetzt werden. Obwohl das dargestellte System 300 mit einen Paar elektrochemischer Konverter 320 arbeitet, werden Fachleute erkennen, daß auch mit nur einem Konverter gearbeitet werden kann, während der andere Konverter durch eine herkömmliche Brennkammer ersetzt wird.
Es gibt andere Varianten der obigen Konstruktionen, und diese werden als im Rahmen des normalen Wissensbereichs von Fachleuten liegend betrachtet. Beispielsweise kann eine Reihe von Gasturbinenbaugruppen eingesetzt werden, oder es kann mit einer beliebigen Anzahl von Kompressoren. Brennkammern oder Turbinen gearbeitet werden. Außerdem soll die vorliegende Erfindung die Integration eines elektrochemischen Konverters mit den meisten Typen von Gasturbinen umfassen, einschließlich Gasturbinen mit einfacher Welle, Gasturbinen mit doppelter Welle. Regenerativgasturbinen, Gasturbinen mit Zwischenkühlung und Wiedererhitungsgasturbinen. Nach ihrem weitesten Aspekt umfaßt die vorliegende Erfindung ein Hybridenergiesystem, das einen elektrochemischen Konverter und eine herkömmliche Gasturbine miteinander kombiniert. Nach einer bevorzugten Ausführungsweise der Erfindung ersetzt der Konverter, vollständig oder teilweise, eine oder mehrere Brennkammern des Gasturbinenenergiesystems.
Die direkte Integration eines elektrischen Konverters mit einer Gasturbine wird unterstützt, wenn der elektrochemische Konverter 72 innerhalb eines Hochdruckkessels 120 untergebracht wird. Ein bevorzugter Typ eines Konvertergehäuses wird in Fig. 4 dargestellt, worin ein Druckkessel 120, der auch als Regenerativwärmegehäuse dient, eine Reihe von übereinander angeordneten Brennstoffzellen-Baugruppen 122 umschließt, die unten ausführlicher beschrieben werden. Der Druckkessel 120 schließt ein Abgasauslaß-Sammelrohr 124, elektrische Anschlüsse 126 und Eingangsreaktant-Sammelrohre 128 und 130 ein. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Oxidationsmittel-Reaktant durch die in der Mitte befindlichen Sammelrohre 130 in die residenten Brennstoffzellen-Baugruppen eingeführt, und das Brennstoff-Reaktant wird durch die Brennstoff-Sammelrohre 128 eingeführt, die um den Umfang des Kessels 120 angeordnet sind.
Wie oben beschrieben worden ist, kann der elektrochemische Konverter bei einer erhöhten Temperatur und entweder bei atmosphärischem Druck oder bei einem erhöhten Druck betrieben werden. Der elektrochemische Konverter ist vorzugsweise ein Brennstoffzellensystem, das einen parallelgeschalteten Wärmeaustauscher einschließen kann, ähnlich dem Typ, der in US-PS Nr. 4853100 gezeigt und beschrieben wird, die hier als Referenz einbezogen wird.
Brennstoffzellen zersetzen den Brennstoff im typischen Fall durch die Nutzung des chemischen Potentials von ausgewählten Brennstoffspezies, wie Wasserstoff- oder Kohlenmonoxidmolekülen, um neben Elektroenergie oxidierte Moleküle zu erzeugen. Da die Kosten für die Bereitstellung von molekularem Wasserstoff oder Kohlenmonoxid vergleichsweise höher als die für die Bereitstellung der herkömmlichen fossilen Brennstoffe sind, kann ein Brennstoffaufbereitungs- oder -Reforming-Schritt angewendet werden, um die fossilen Brennstoffe, wie Kohle und Naturgas, in ein Reaktantgasgemisch mit einem hohen Gehalt an Wasserstoff und Kohlenmonoxid umzuwandeln. Folglich wird eine Brennstoffaufbereitungsvorrichtung, gesondert oder innerhalb der Brennstoffzelle, bereitgestellt, um unter Einsatz von Dampf, Sauerstoff oder Kohlendioxid (in einer endothermen Reaktion) die fossilen Brennstoffe zu nicht-komplexen Reaktantgasen zu reformieren.
Fig. 5 bis 7 veranschaulichen die Zellengrundeinheit 10 des elektrochemischen Konverters 72, die für die Integration mit herkömmlichen Gasturbinen besonders geeignet ist. Die Zelleneinheit 10 schließt eine Elektrolytplatte 20 und eine Verbindungsplatte 30 ein. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Elektrolytplatte 20 aus einem Keramikmaterial, beispielsweise einem stabilisierten Zirkondioxidmaterial, ZrO&sub2;(Y&sub2;O&sub3;), bestehen, auf das ein poröses Oxidationsmittel-Elektrodenmaterial 20A und ein poröses Brennstoff- Elektrodenmaterial 20B aufgebracht worden sind. Materialbeispiele für das Oxidationsmittel-Elektrodenmaterial sind Perowskitmaterialien wie LaMnO&sub3;(Sr). Materialbeispiele für das Brennstoff-Elektrodenmaterial sind Cermete wie ZrO&sub2;/Ni und ZrO&sub2;/NiO.
Die Verbindungsplatte 30 wird vorzugsweise aus einem elektrisch und thermisch leitenden Verbindungsmaterial hergestellt. Zu den Beispielen für solche Materialien gehören Nickellegierungen. Platinlegierungen. Nichtmetall-Leiter wie Siliziumkarbid. La(Mn)CrO&sub3; und vorzugsweise kommerziell erhältliches Inconel, das von der Inco., USA.
hergestellt wird. Die Verbindungsplatte 30 dient als der elektrische Verbinder zwischen benachbarten Elektrolytplatten und als Trennwand zwischen den Brennstoff- und Oxidationsmittel-Reaktanten. Wie am deutlichsten in Fig. 8 gezeigt wird, hat die Verbindungsplatte 30 eine Mittelöffnung 32 und eine Reihe von dazwischenliegenden, radial nach außen mit Zwischenraum angeordneten, konzentrischen Öffnungen 34. Eine dritte, äußere Reihe von Öffnungen 32 ist längs des äußeren zylindrischen Abschnitts oder Umfangs der Platte 30 angeordnet.
Die Verbindungsplatte 30 hat eine strukturierte Oberfläche 38. Auf der strukturierten Oberfläche wird vorzugsweise eine Reihe von Vertiefungen 40 gebildet, wie das in Fig. 7 gezeigt wird, die eine Reihe von verbindenden Reaktantfluß-Durchführungen bilden. Vorzugsweise wird auf bei den Seiten der Verbindungsplatte 30 eine mit Vertiefungen versehene Oberfläche gebildet. Obwohl die dazwischenliegende und die äußere Reihe von Öffnungen 34 bzw. 36 hier mit einer ausgewählten Anzahl von Öffnungen gezeigt werden, werden Fachleute erkennen, daß mit einer beliebigen Anzahl von Öffnungen oder Verteilungsmustern in Abhängigkeit von den Anforderungen des Systems und des Flusses der Reaktanten gearbeitet werden kann.
Ebenso hat die Elektrolytplatte 20 eine Mittelöffnung 22 und einen Satz von dazwischenliegenden und äußeren Öffnungen 24 und 26, die an Stellen gebildet werden, die komplementär mit den Öffnungen 32, 34 bzw. 36 der Verbindungsplatte 30 sind.
Es wird auf Fig. 6 Bezug genommen, zwischen die Elektrolytplatte 20 und die Verbindungsplatte 30 kann eine Abstandsplatte 50 eingefügt werden. Die Abstandsplatte 50 hat vorzugsweise eine gewellte Oberfläche 52, die eine Reihe von verbindenden Reaktantfluß-Durchführungen bildet, ähnlich wie bei der Verbindungsplatte 30. Die Abstandsplatte 50 hat außerdem eine Reihe von konzentrischen Öffnungen 54, 56 und 58, die sich an Stellen komplementär zu den Öffnungen der Verbindungs- und Elektrolytplatte befinden, wie das gezeigt wird. Außerdem hat die Verbindungsplatte 30 bei dieser Anordnung keine Reaktantfluß-Durchführungen. Die Abstandsplatte 50 wird vorzugsweise aus einem elektrisch leitenden Material wie Nickel hergestellt.
Die dargestellten Elektrolytplatten 20, Verbindungsplatten 30 und Abstandsplatten 50 können jede gewünschte geometrische Konfiguration haben. Außerdem können die Platten mit den dargestellten Sammelrohren in sich wiederholenden oder sich nicht-wiederholenden Mustern nach außen verlaufen, was in gestrichelten Linien gezeigt wird.
Es wird auf Fig. 7 Bezug genommen, wenn die Elektrolytplatten 20 und die Verbindungsplatten 30 abwechselnd übereinander angeordnet und längs ihrer entsprechenden Öffnungen ausgerichtet sind, bilden die Öffnungen axiale Sammelrohre (bezogen auf den Stapel), die der Zelleneinheit die Eingangs-Reaktanten zuführen und den verbrauchten Brennstoff herausführen. Im einzelnen bilden die ausgerichteten Mittelöffnungen 22, 32, 22' das Eingangsoxidationsmittel-Sammelrohr 17, die ausgerichteten konzentrischen Öffnungen 24, 34, 24' bilden das Eingangsbrennstoff-Sammelrohr 18, und die ausgerichteten äußeren Öffnungen 26, 36, 26' bilden das Sammelrohr 19 für den verbrauchten Brennstoff.
Die mit Vertiefungen versehene Oberfläche 38 der Verbindungsplatte 30 hat in der Querschnittansicht von Fig. 7 ein im wesentlichen wellenförmiges Muster, das auf beiden Seiten gebildet wird. Dieses wellenförmige Muster bildet die Reaktantfluß-Durchführungen, welche die Eingangs-Reaktanten zum Umfang der Verbindungsplatten hin kanalisieren. Die Verbindungsplatte hat auch eine erweiterte Erhitzungsfläche oder eine Lippenstruktur, die innerhalb jedes Axialsammelrohres und um den Umfang der Verbindungsplatte verläuft. Im einzelnen hat die Verbindungsplatte 30 eine flache, ringförmig erweiterte Oberfläche 31A, die längs deren äußerer Umfangskante gebildet wird. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel reicht die dargestellte Erhitzungsfläche 31A über die äußere Umfangskante der Elektrolytplatte 20 hinaus. Außerdem hat die Verbindungsplatte eine erweiterte Erhitzungsfläche, die innerhalb der Axialsammelrohre verläuft, beispielsweise reicht die Kante 31B bis in das Axialsammelrohr 19 und wird in diesem aufgenommen; die Kante 31C reicht bis in das Axialsammelrohr 18 und wird in diesem aufgenommen; und die Kante 31D reicht bis in das Axialsammelrohr 17 und wird in diesem aufgenommen. Die erweiterten Erhitzungsflächen können integral mit der Verbindungsplatte gebildet werden, oder sie können damit verbunden oder daran befestigt werden. Die Erhitzungsfläche braucht nicht aus demselben Material wie die Verbindungsplatte hergestellt zu werden, sondern kann jedes geeignete wärmeleitende Material umfassen, das in der Lage ist, der Betriebstemperatur des elektrochemischen Konverters standzuhalten. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die erweiterte Erhitzungsfläche integral mit der Abstandsplatte gebildet oder mit dieser verbunden werden.
Durch das Fehlen eines Grates oder einer anderen erhöhten Struktur am Umfang der Verbindungsplatte entstehen Auslaßöffnungen, die mit der äußeren Umgebung in Verbindung stehen. Die Reaktantfluß-Durchführungen verbinden fließenderweise die Eingangsreaktant- Sammelrohre mit dem Außenumfang, wodurch die Reaktanten an die äußere Umgebung oder an einen Wärmebehälter oder Druckkessel abgegeben werden können, der um den elektrochemischen Konverter angeordnet ist, Fig. 4.
Es wird wieder auf Fig. 7 Bezug genommen, das gezeigte Abdichtmaterial 60 kann auf Abschnitte der Verbindungsplatte 30 an den Sammelrohreinmündungen angebracht sein, so daß selektiv ein bestimmtes Eingangsreaktant quer über die Oberfläche der Verbindungsplatte und quer über die Berührungsfläche der Elektrolytplatte 20 fließen kann. Der Boden 30B der Verbindungsplatte kontaktiert den Brennstoff-Elektrodenüberzug 208 der Elektrolytplatte 20. Bei dieser Anordnung ist es wünschenswert, daß das Abdichtmaterial nur den Eintritt des Brennstoff-Reaktanten in die Reaktantfluß-Durchführung und folglich den Kontakt mit den Brennstoffelektrode erlaubt.
Wie gezeigt wird, ist das Abdichtmaterial 60A um das Eingangsoxidationsmittel- Sammelrohr 17 angeordnet und bildet um das Oxidationsmittel-Sammelrohr 17 eine wirksame Barriere für den Reaktantfluß. Das Abdichtmaterial trägt dazu bei, die Integrität des Brennstoff-Reaktanten zu erhalten, der die Brennstoff-Elektrodenseite 20B der Elektrolytplatte 20 kontaktiert, sowie die Integrität des verbrauchten Brennstoffs zu erhalten, der durch das Sammelrohr 19 für den verbrauchten Brennstoff abgegeben wird.
Auf der Oberseite 30A der Verbindungsplatte 30 ist das Abdichtmaterial 60B um die Brennstoffeingangssammelrohre 18 und das Sammelrohr 19 für den verbrauchten Brennstoff angeordnet. Die Oberseite der Verbindungsplatte 30A kontaktiert den Oxidationsmittel- Überzug 20B' einer gegenüberliegenden Elektrolytplatte 20'. Folglich ist an der Einmündung am Eingangsoxidationsmittel-Sammelrohr 17 kein Abdichtmaterial vorhanden, wodurch das Oxidationsmittel-Reaktant in die Reaktantfluß-Durchführungen eintreten kann. Das Abdichtmaterial 60B, das die Brennstoff-Sammelrohre 18 vollständig umschließt, verhindert ein übermäßiges Lecken des Brennstoff-Reaktanten in die Reaktantfluß-Durchführungen, wodurch das Mischen der Brennstoff- und Oxidationsmittel-Reaktanten verhindert wird. Ebenso verhindert das Abdichtmaterial 60C, welches das Sammelrohr 19 für den verbrauchten Brennstoff vollständig umschließt, den Fluß des verbrauchten Oxidationsmittel-Reaktanten in das Sammelrohr 19 für den verbrauchten Brennstoff. Dadurch wird die Reinheit des verbrauchten Brennstoffs, der durch das Sammelrohr 19 gepumpt wird, gewahrt.
Es wird wieder auf Fig. 7 Bezug genommen, das Oxidationsmittel-Reaktant kann in den elektrochemischen Konverter durch das Axialsammelrohr 17 eingeführt werden, das durch die Öffnungen 22, 32 und 22' der Elektrolyt- bzw. Verbindungsplatten gebildet wird. Das Oxidationsmittel wird durch die Reaktantfluß-Durchführungen über der Oberseite der Verbindungsplatte 30A und über der Oxidationsmittel-Elektrodenoberfläche 20A' verteilt. Danach fließt das verbrauchte Oxidationsmittel radial nach außen zur Umfangskante 31A und wird schließlich längs des Umfangs des Konverterelements abgegeben. Das Abdichtmittel 60C verhindert den Fluß des Oxidationsmittels in das Sammel rohr 19 für den verbrauchten Brennstoff. Die Strömungsbahn des Oxidationsmittels durch die Axialsammelrohre wird mittels der durchgezogenen schwarzen Pfeile 26A und die durch die Oxidationsmittel- Zelleneinheit mittels der durchgezogenen schwarzen Pfeile 26B dargestellt.
Das Brennstoff-Reaktant wird über das Brennstoff-Sammelrohr 18, das durch die ausgerichteten Öffnungen 24, 34 und 24' der Platten gebildet wird, in den elektrochemischen Konverter 10 eingeführt. Der Brennstoff wird in die Reaktantfluß-Durchführungen eingeführt und wird über der Unterseite der Verbindungsplatte 30B und über dem Brennstoff- Elektrodenüberzug 20B der Elektrolytplatte 20 verteilt. Gleichzeitig verhindert das Abdichtmaterial 60A, daß das Eingangsoxidationsmittel-Reaktant in die Reaktantfluß- Durchführungen eintritt und sich folglich mit dem Reaktant-Gemisch aus reinem Brennstoff und verbrauchten Brennstoff mischt. Da am Sammelrohr 19 für den verbrauchten Brennstoff jedes Abdichtmaterial fehlt, kann der verbrauchte Brennstoff in das Sammelrohr 19 eintreten. Anschließend wird der Brennstoff längs der ringförmigen Kante 31A der Verbindungsplatte 30 abgegeben. Die Strömungsbahn des Brennstoff-Reaktanten wird mittels der durchgezogenen schwarzen Pfeile 26C dargestellt.
Die Vertiefungen 40 der Verbindungsoberfläche haben einen Scheitelpunkt 40A, der im montierten Zustand die Elektrolytplatten berührt, um zwischen diesen eine elektrische Verbindung herzustellen.
Für die dünnen elektrischen Verbindungsplatten dieser Erfindung kann eine Vielfalt von leitenden Materialien eingesetzt werden. Diese Materialien sollten die folgenden Anforderungen erfüllen: (1) hohe Festigkeit, sowie elektrische und thermische Leitfähigkeit, (2) gute Oxidationsbeständigkeit bis zur Arbeitstemperatur. (3) chemische Kompatibilität und Stabilität bei den Eingangsreaktanten; und (4) Wirtschaftlichkeit in der Fertigung, wenn diese zu einer strukturierten Plattenkonfiguration geformt werden, wie sie durch die Reaktantfluß-Durchführungen veranschaulicht wird.
Zu den geeigneten Materialien für die Herstellung der Verbindungsplatten gehören Nickellegierungen, Nickel-Chrom-Legierungen, Nickel-Chrom-Eisen-Legierungen, Eisen-Chrom- Aluminium-Legierungen, Platinlegierungen, Cermete dieser Legierungen und feuerfestes Material wie Zirkondioxid oder Aluminiumoxid, Siliziumkarbid und Molybdändisilizid.
Die strukturierten Muster auf der Ober- und Unterseite der Verbindungsplatte können beispielsweise durch Prägen der Bleche aus Metall-Legierung mit einem oder mehreren Sätzen von aufeinander abgestimmten Patriz- und Matriz-Formen hergestellt werden. Die Formen werden vorzugsweise entsprechend der gewünschten Konfiguration der Verbindungsplatte vorgefertigt und können durch Wärmebehandlung gehärtet werden, um den wiederholten Kompressionsvorgängen und der Massenproduktion sowie den hohen Betriebstemperaturen standzuhalten. Der Prozeß der Stanzenherstellung für die Verbindungsplatten wird wegen der geometrischen Komplexität der Gasdurchführungsnetze, z. B. der mit Vertiefungen versehenen Verbindungsplatte, vorzugsweise in mehreren Schritten durchgeführt. Die Sammelrohre, die in den Verbindungsplatten gebildet werden, werden vorzugsweise beim abschließenden Schritt ausgestanzt. Zwischen den aufeinanderfolgenden Schritten wird ein Temperaturglühen empfohlen, um die Überlastung des Blechmaterials zu verhindern. Mit dem Stanzverfahren können Erzeugnisse von unterschiedlicher und komplexer Geometrie bei Beibehaltung einer einheitlichen Materialstärke hergestellt werden.
Alternativ dazu können gewellte Verbindungsplatten durch galvanische Metallabscheidung auf einer ursprünglich flachen Metallplatte unter Verwendung eines Satzes von geeigneten Masken hergestellt werden. Siliziumkarbid-Verbindungsplatten können durch Aufdampfung auf vorgeformten Substraten, durch Sintern von gebundenen Pulvern oder durch Selbstplattierungsprozesse gebildet werden.
Die Oxidationsmittel- und Brennstoff-Reaktanten werden vorzugsweise vor dem Eintritt in den elektrochemischen Konverter vorgewärmt. Dieses Vorwärmen kann durch jede geeignete Heizstruktur, beispielsweise einen Regenerativwärmeaustauscher oder einen Strahlungswärmeaustauscher, erfolgen, um die Reaktanten auf eine Temperatur zu erhitzen, die ausreicht, um das Ausmaß der auf den Konverter wirkenden Wärmebeanspruchung zu senken.
Ein signifikantes Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Hybridenergiesysteme, die in Fig. 1 bis 3 und 8 gezeigt werden, unerwarteterweise mit einem Systemwirkungsgrad arbeiten, der jeden bisher bekannten übersteigt. Ein anderes signifikantes Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die erweiterten Erhitzungsflächen 31D und 31C die Reaktanten, die sich innerhalb der Oxidationsmittel - und Brennstoff-Sammelrohre 17 und 18 befinden, auf die Betriebstemperatur des Konverters erhitzen. Im einzelnen erhitzt die erweiterte Oberfläche 31D, die in das Oxidationsmittel- Sammelrohr 17 vorsteht, das Oxidationsmittel-Reaktant, und die erweiterte Oberfläche 31C, die in das Brennstoff-Sammelrohr 18 vorsteht, erhitzt das Brennstoff-Reaktant. Die stark thermisch leitende Verbindungsplatte 30 erleichtert das Erhitzen der Eingangs-Reaktanten durch konduktive Wärmeübertragung von der Innenfläche der Brennstoffzelle, z. B. dem Mittelabschnitt der leitenden Verbindungsplatte, auf die erweiterten Oberflächen oder Lippenabschnitte, wodurch die Eingangs-Reaktanten auf die Betriebstemperatur erhitzt werden, bevor sie durch die Reaktantfluß-Durchführungen strömen. Folglich funktionieren die erweiterten Oberflächen als Wärmerippe. Durch diese Reaktant-Heizstruktur wird ein kompakter Konverter geschaffen, der dafür geeignet ist, mit einem Stromerzeugungsenergiesystem integriert zu werden, und es wird außerdem ein sehr effektives System geschaffen, das verhältnismäßig billig ist. Elektrochemische Konverter, in die Brennstoffzellenkomponenten einbezogen sind, die nach diesen Prinzipien aufgebaut sind, und die in Verbindung mit einer Gasturbine eingesetzt werden, ergeben ein Energiesystem, das eine verhältnismäßig einfache Systemkonfiguration hat.
Die Betriebstemperatur des elektrochemischen Konverters liegt vorzugsweise zwischen etwa 20ºC und 1500ºC, und die bevorzugten Typen von Brennstoffzellen, die bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, sind Festoxid-Brennstoffzellen, Carbonatschmelzen-Brennstoffzellen, alkalische Brennstoffzellen, Phosphorsäure- Brennstoffzellen und Proton-Austauschmembran-Brennstoffzellen.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel können die Elektrolyt- und Verbindungsplatten eine im wesentlichen rohrförmige Form mit einem Oxidationsmittel- Elektrodenmaterial auf der einen Seite und einem Brennstoff-Elektrodenmaterial auf der gegenüberliegenden Seite haben. Die Platten können dann auf ähnliche Weise übereinander angeordnet werden.
Man kann also feststellen, daß die Erfindung Verbesserungen gegenüber dem bekannten technischen Stand aufweist. Da an den obigen Konstruktionen verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen, sind alle Informationen, die in der obigen Beschreibung enthalten sind oder in den beigefügten Zeichnungen gezeigt werden, als veranschaulichend und nicht in einem eingrenzenden Sinne zu verstehen.
Außerdem versteht es sich von selbst, daß die folgenden Ansprüche alle generischen und spezifischen Merkmale der hier beschriebenen Erfindung und alle Aussagen zum Rahmen der Erfindung, die rein sprachlich in diesen fallen könnten, in sich einschließen. Beispielsweise können die elektrochemischen Konverter, die mit den Kantenerweiterungen der Verbindungsplatte der vorliegenden Erfindung arbeiten, auch mit elektrochemischen Carbonatschmelzen-, Phosphorsäure-, alkalischen und Protonen-Austauschmembran-Konvertern und anderen ähnlichen Konvertern arbeiten.

Claims

1. Gasturbinenenergiesystem zur Erzeugung von Elektrizität, das folgende Komponenten umfaßt:

einen oder mehrere Kompressoren zum Komprimieren wenigstens eines von einem ersten Medium und einem zweiten Medium,

einen oder mehrere elektrochemische Konverter, die dem Kompressor zugeordnet und dafür geeignet sind, wenigstens eines der ersten und zweiten Medien aufzunehmen, wobei der Konverter so konfiguriert ist, daß er die elektrochemische Reaktion zwischen dem ersten und zweiten Medium erlaubt und einen Auslaß erzeugt, der eine Kombination des ersten und zweiten Mediums ist und eine ausgewählte höhere Temperatur hat, und

eine oder mehrere Turbinen, die dem elektrochemischen Konverter zugeordnet und dafür geeignet sind, den Auslaß direkt aufzunehmen,

worin die Turbine den Auslaß des elektrochemischen Konverters in Rotationsenergie umwandelt.

2. Gasturbinenenergiesystem nach Anspruch 1, das außerdem einen Generator umfaßt, welcher der Turbine zugeordnet und dafür geeignet ist, deren Rotationsenergie aufzunehmen, worin der Generator in Reaktion auf die Rotationsenergie der Turbine Elektrizität erzeugt.

3. Gasturbinenenergiesystem nach Anspruch 1, worin der elektrochemische Konverter dafür geeignet ist, Elektrizität zu erzeugen.

4. Gasturbinenenergiesystem nach Anspruch 1, worin der elektrochemische Konverter dafür geeignet ist, bei einer erhöhten Temperatur und bei atmosphärischem Druck zu arbeiten.

5. Gasturbinenenergiesystem nach Anspruch 1, worin der elektrochemische Konverter eine ausgewählte Betriebstemperatur hat und dafür geeignet ist, bei einer erhöhten Temperatur und bei einem erhöhten Druck zu arbeiten, worin der elektrochemische Konverter innere Medien-Erhitzungsmittel einschließt, um das erste und zweite Medium auf die Betriebstemperatur des Konverters zu erhitzen.

6. Gasturbinenenergiesystem nach Anspruch 5, worin der elektrochemische Konverter eine Vielzahl von rohrförmigen Konverterelementen umfaßt, die eine runde Elektrolytschicht einschließen, die ein Oxidationsmittel-Elektrodenmaterial auf einer Seite und ein Brennstoff-Elektrodenmaterial auf der gegenüberliegenden Seite hat.

7. Gasturbinenenergiesystem nach Anspruch 1, worin der elektrochemische Konverter folgende Komponenten umfaßt:

eine elektrochemische Konverterbaugruppe, die eine Vielzahl von übereinander angeordneten Konverterelementen hat, die folgendes einschließen;

eine Vielzahl von Elektrolytplatten, die ein Oxidationsmittel-Elektrodenmaterial auf einer Seite und ein Brennstoff-Elektrodenmaterial auf der gegenüberliegenden Seite haben, und

eine Vielzahl von Verbindungsplatten, um den elektrischen Kontakt zwischen den Elektrolytplatten herzustellen, worin der Stapel der Konverterelemente dadurch aufgebaut wird, daß abwechselnd die Verbindungsplatten und die Elektrolytplatten übereinander angeordnet werden, und worin wahlweise die übereinander angeordneten Konverterelemente außerdem folgendes einschließen;

ein Vielzahl von Sammelrohren, die axial dem Stapel zugeordnet und dafür geeignet sind, wenigstens eines der ersten und zweiten Medien aufzunehmen, und

Medien-Erhitzungsmittel, die dem Sammelrohr zugeordnet sind, um wenigstens einen Teil des ersten und zweiten Mediums auf die Betriebstemperatur des Konverters zu erhitzen.

8. Gasturbinenenergiesystem nach Anspruch 7, worin die Verbindungsplatte eine wärmeleitende Anschlußplatte umfaßt.

9. Gasturbinenenergiesystem nach Anspruch 7, worin das Medien-Erhitzungsmittel eine wärmeleitende und integral geformte, erweiterte Oberfläche der Verbindungsplatte umfaßt, die in die axial angeordneten Sammelrohre vorsteht.

10. Gasturbinenenergiesystem nach Anspruch 7, worin der Stapel der Konverterelemente außerdem eine Vielzahl von Abstandsplatten umfaßt, die zwischen die Elektrolytplatten und die Verbindungsplatten eingefügt sind, und worin wahlweise das Medien-Erhitzungsmittel eine wärmeleitende und integral geformte, erweiterte Oberfläche der Abstandsplatte umfaßt, die in die Vielzahl von axial angeordneten Sammelrohren vorsteht.

11. Gasturbinenenergiesystem nach Anspruch 9, worin die elektrochemische Konverterbaugruppe Abwärme erzeugt, die das erste und zweite Medium auf die Konverter- Betriebstemperatur erhitzt, die beispielsweise zwischen etwa 20ºC und etwa 1500ºC betragen kann, wobei die Abwärme durch die Verbindungsplatte leitend auf das erste und zweite Medium übertragen wird.

12. Gasturbinenenergiesystem nach Anspruch 1, worin der elektrochemische Konverter eine Brennstoffzelle ist, die aus der Gruppe ausgewählt worden ist, die aus einer Festoxid- Brennstoffzelle, einer Carbonatschmelzen-Brennstoffzelle, einer Phosphorsäure- Brennstoffzelle, einer alkalischen Brennstoffzelle und einer Proton-Austauschmembran- Brennstoffzelle besteht.

13. Gasturbinenenergiesystem nach Anspruch 1, das außerdem Vorwärmmittel zum Vorwärmen des ersten und zweiten Mediums vor der Einführung in den elektrochemischen Konverter umfaßt, worin wahlweise die Vorwärmmittel einen äußeren Regenerativwärmeaustauscher oder einen Strahlungswärmeaustauscher einschließen, und worin wahlweise wenigstens das Vorwärmmittel die ersten und zweiten Medien, die Kohlenwasserstoffe und Reforming-Mittel einschließen, in nicht-komplexe Reaktionsspezies zersetzt.

14. Gasturbinenenergiesystem nach Anspruch 7, worin wenigstens die Medien- Erhitzungsmittel die ersten und zweiten Medien, die Kohlenwasserstoffe und Reforming- Mittel einschließen, in nicht-komplexe Reaktionsspezies zersetzen.

15. Gasturbinenenergiesystem nach Anspruch 1, worin der elektrochemische Konverter hintereinander in Reihe zwischen dem Kompressor und der Turbine angeordnet wird.

16. Gasturbinenenergiesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das außerdem Regenerativwärme-Gehäusemittel umfaßt, die einen Druckkessel um den elektrochemischen Konverter bilden.

17. Gasturbinenenergiesystem nach Anspruch 1, worin das erste Medium Luft einschließt und das zweite Medium Naturgas einschließt.

18. Gasturbinenenergiesystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 16, das außerdem einen Dampferzeuger umfaßt, welcher der Gasturbine zugeordnet und dafür geeignet ist, den Auslaß der Gasturbine aufzunehmen, wobei der Dampferzeuger den Auslaß der Gasturbine durch Konvektion mit einem Arbeitsmedium verbindet.

19. Gasturbinenenergiesystem nach Anspruch 18, das außerdem eine Dampfturbine umfaßt, die dem Dampferzeuger zugeordnet und für die Erzeugung von Elektrizität konfiguriert ist.

20. Gasturbinenenergiesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Gasturbine einen Kompressor und eine mechanische Turbine einschließt, wobei die Turbine Elektrizität und einen Auslaß mit einer ausgewählten, höheren Temperatur erzeugt, und das außerdem folgendes einschließt:

einen Dampferzeuger, welcher der Gasturbine zugeordnet und dafür geeignet ist, den Auslaß der Gasturbine aufzunehmen, wobei der Dampferzeuger den Auslaß der Gasturbine durch Konvektion mit einem Arbeitsmedium verbindet, und

eine Dampfturbine, die dem Dampferzeuger zugeordnet und für die Erzeugung von Elektrizität konfiguriert ist.

21. Gasturbinenenergiesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die eine oder mehreren Turbinen mit dem einen oder mehreren Kompressoren durch wenigstens eine oder mehrere Wellen verbunden sind.