DE69933357T2 - Energiegewinnungssystem unter Verwendung einer Festoxidbrennstoffzelle auf der Abgasseite einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Energiegewinnungssystem unter Verwendung einer Festoxidbrennstoffzelle auf der Abgasseite einer Brennkraftmaschine Download PDF

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energieerzeugungssystem und -verfahren und betrifft insbesondere ein Energieerzeugungssystem und -verfahren, die eine Festoxid-Brennstoffzelle an der Auslassseite des Motors verwenden.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Alternative Transportkraftstoffe haben sich als Mittel erwiesen, die in der Lage sind, giftige Emissionen im Vergleich zu jenen, die durch herkömmliche Kraftstoffe erzeugt werden, zu verringern. Gleichzeitig haben schärfere Abgasnormen und eine deutliche Innovation von Katalysatorformulierungen und Motorsteuerungen zu dramatischen Verbesserungen in dem Vermögen eines niedrigen Schadstoffausstoßes und der Robustheit von Benzin- und Dieselmotorsystemen geführt. Dies hat bestimmt die den ökologischen Unterschied zwischen optimierten herkömmlichen und alternativen Kraftstofffahrzeugsystemen reduziert. Es bleiben jedoch viele technische Herausforderungen, um den auf herkömmliche Weise mit Kraftstoff versorgten Verbrennungsmotor zu einem System mit beinahe null Schadstoffausstoß zu machen, das den notwendigen Wirkungsgrad aufweist, um das Fahrzeug wirtschaftlich brauchbar zu machen.
  • Alternative Kraftstoffe decken ein weites Spektrum potentieller Vorteile für die Umwelt ab, die von schrittweisen Verbesserungen von giftigen und CO2-Emissionen (neu formuliertes Benzin, Alkohole, Flüssiggas etc.) und zu signifikanten Verbesserungen von giftigen und CO2-Emissionen (Erdgas, DME etc.) reichen. Wasserstoff ist eindeutig der ultimative Umwelt kraftstoff mit dem Potential als ein nahezu schadstofffreier Kraftstoff (mit CO2, wenn er von einer nicht fossilen Quelle stammt) für einen Verbrennungsmotor. Unglücklicherweise ist die marktbasierte Wirtschaftlichkeit alternativer Kraftstoffe oder neuer Kraftübertragungssystemen kurz- bis mittelfristig unsicher.
  • Die Automobilindustrie hat beträchtliche Fortschritte bei der Reduktion von Automobilemissionen sowohl für die gesetzlich vorgeschriebenen Testverfahren als auch in der „Realität" gemacht. Dies resultierte in bestimmten zusätzlichen Kosten und Komplexität von Motormanagementsystemen, diese Kosten werden jedoch durch andere Vorteile von Computersteuerungen: erhöhte Leistungsdichte, Kraftstoffersparnis, Fahrverhalten, Verlässlichkeit und Echtzeitdiagnostik aufgewogen.
  • Zukünftige Initiativen, Fahrzeuge mit null Emissionen zu fordern, scheinen uns in ein neues gesetzliches Paradigma zu bringen, wo asymptotisch kleinere Umweltvorteile sehr hohe Mehrkosten bedingen. Jedoch kann selbst ein Fahrzeug mit zertifiziertem „ultraniedrigem Schadstoffausstoß" in begrenzten extremen Umgebungs- und Betriebsbedingungen oder mit gestörten oder beschädigten Komponenten einen hohen Schadstoffausstoß aufweisen.
  • Die US-A-5 837 393 offenbart ein Brennstoffzellensystem, das eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC), in der das an die Kathode gelieferte Oxidationsgas Abgase enthalten kann, die von motorgetriebenen Automobilen emittiert werden.
  • Was im Stand der Technik benötig wird, ist ein Energieerzeugungssystem mit im Wesentlichen null Emissionen, hohem Wirkungsgrad und Kompatibilität mit bestehenden/r Kraftstoffen und Infrastruktur.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung ist in ihren verschiedenen Aspekten wie in den beiliegenden Ansprüchen dargelegt. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energieerzeugungsverfahren und -system. Das System umfasst: einen Motor mit einem Einlass und einem Auslass; eine Luftzufuhr in Fluidverbindung mit dem Motoreinlass; eine Brennstoffzufuhr in Fluidverbindung mit dem Motoreinlass; und zumindest eine Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) mit einem Lufteinlass in Fluidverbindung mit der Luftzufuhr, einem brennstoffseitigen Einlass, einem SOFC-Abfluss und einem Luftabfluss, wobei der SOFC-brennstoffseitige Einlass in Fluidverbindung mit dem Motorauslass steht.
  • Das Verfahren umfasst die Schritte: Liefern zumindest eines ersten Brennstoffanteils und eines ersten Luftanteils an einen Motor; Reagieren lassen des ersten Brennstoffanteils und des ersten Luftanteils in einem Motor, um einen Motorabfluss zu erzeugen; Einleiten des Motorabflusses in einen Brennstoffeinlass einer SOFC; Einleiten eines zweiten Luftanteils in einen Lufteinlass der SOFC; und Ionisieren von Sauerstoff in dem zweiten Luftanteil, so dass der ionisierte Sauerstoff zu der Brennstoffseite der SOFC wandert, wo er mit dem Motorabfluss reagiert, um einen SOFC-Abfluss zu erzeugen.
  • Gemäß einer speziellen Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner den Schritt: Liefern eines Anteils des zweiten Luftanteils an den Brennstoffeinlass und Anlegen eines Sperrstromes an die SOFC (110), um Sauerstoff von dem Anteil des zweiten Luftanteils (10) zu trennen.
  • Diese und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Kurzbeschreibung der Zeichnungen, der de taillierten Beschreibung und den beiliegenden Ansprüchen und Zeichnungen offensichtlich.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Nun wird Bezug auf die Zeichnung genommen, die lediglich beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen ist, und wobei Massenströme in Volllinien gezeigt sind und Energieströme mit Strichlinien veranschaulicht sind.
  • Die Fig. ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Systems der vorliegenden Erfindung, das eine SOFC an der Auslassseite eines Motors verwendet.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energieerzeugungssystem und Verfahren zur Verwendung desselben. Allgemein kann das System zumindest eine Festoxid-Brennstoffzelle („SOFC") 110, einen Motor 125, einen oder mehrere Wärmetauscher 115 und optional einen oder mehrere Kompressor/en 100, eine Abgasturbine 130, einen Katalysator 135, eine Vorwärmvorrichtung, ein Plasmatron, eine Stromquelle und herkömmliche Verbindungen, Verdrahtungen, Steuerventile und eine Vielzahl elektrischer Verbraucher, umfassend aber nicht beschränkt auf Lichter, Heizwiderstände, Gebläse, Klimaanlagen-Kompressoren, Startermotoren, Antriebsmotoren, Computersysteme, Radio-/Stereosysteme, und eine Vielzahl von Sensoren und Aktuatoren, etc.
  • In einer Ausführungsform der in der Fig. offen gelegten vorliegenden Erfindung wird die SOFC 110 an der Auslassseite eines Motors 125 verwen det. Das System soll in der Lage sein, in zwei Betriebsarten zu arbeiten, die hierin als „normal" und „Standby" beschrieben sind. In dem Standby-Modus wird die SOFC 110 unabhängig von dem Motor 125 bei relativ niedrigen Leistungsniveaus betrieben. In der normalen Betriebsart treten zumindest ein Teil des Kraftstoffes 31 und zumindest ein Teil der Luft 1 in einen Motor 125 ein, wobei die Luft optional zuerst in einem Kompressor 100 auf Drücke von bis zu oder mehr als etwa 3 Atmosphären (Absolutdruck) verdichtet wird, wobei etwa 1,5 bis 2,0 Atmosphären bevorzugt sind. Innerhalb des Motors wird der Kraftstoff in Anwesenheit von Luft verbrannt. Unter den meisten Betriebsbedingungen wird der Motor 125 zwischen stöchiometrischer und fetter Grenze betrieben und erzeugt einen Motorabfluss 35', der umfasst: Stickstoff, Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff und Wasser in kombinierten Mengen von bis zu oder mehr als etwa 99 Volumenprozent (Vol.-%), wobei zwischen etwa 91 Vol.-% und etwa 99,4 Vol-% üblich und geringere Mengen möglich sind, und geringe Mengen von Kohlenstoffmonoxid (typischerweise etwa 0,5 Vol.-% bis etwa 5 Vol.-%), Wasserstoff (etwa 0,1 Vol-% bis etwa 3 Vol.-%) und Kohlenwasserstoffe, die unverbrannten Kraftstoff und Nebenprodukte (bis zu etwa 0,5 Vol-%) umfassen, wobei größere Mengen dieser Bestandteile, falls gewünscht, möglich sind.
  • Von dem Motor wird der Motorabfluss 35' in die Brennstoffseite einer SOFC geleitet. In Start-Betriebsarten oder unter Bedingungen, unter denen der SOFC 110 Wärme zugefügt werden muss, kann auch Luft in den Motorabfluss 35' eingespritzt werden, oder der Motor kann mager laufen. Unter Bedingungen, wenn zusätzlicher Kraftstoff für die SOFC 110 erwünscht ist, kann zusätzlicher Kraftstoff spät in dem Verbrennungsprozess in den Motorabfluss 35' eingespritzt werden oder kann in dem Wärmetauscher 115 verdampft oder atomisiert werden und direkt als Brennstoff 34 an die Brennstoffseite der SOFC 110 geliefert werden. Inzwischen wird der Rest des Luftstroms 10 zu der Luftseite der SOFC geleitet, wo Sauerstoff in der Luft zu O–2 ionisiert und Elektrizität erzeugt wird. Die Elektrizität wird von der SOFC 110 über eine Leitung 56 an eine Stromquelle 140 wie z. B. eine Batterie, einen Kondensator, einen Motor/Generator, eine Kombination davon und/oder eine andere Vorrichtung geleitet, während die Sauerstoffionen über den Keramikelektrolyten zu der Brennstoffseite 42 wandern, wo sie mit dem Brennstoff und Motorabfluss reagieren, um hauptsächlich Wasser und Kohlenstoffdioxid zu bilden.
  • Der SOFC-Abfluss 21' und/oder die sauerstoffabgereicherte Luft 23' können optional eine Turbine 130 durchströmen, die Energie aus dem/den Strom/Strömen rückgewinnt. Der SOFC-Abfluss 21' und die sauerstoffabgereicherte Luft 23' durchströmen dann vorzugsweise einen Katalysator 135 bevor sie in einen Wärmetauscher 115 eintreten. Innerhalb des Wärmetauschers 115 werden der SOFC-Abfluss 21' und die sauerstoffabgereicherte Luft 23' typischerweise auf Temperaturen von unter etwa 300 °C abgekühlt, während der Brennstoff 31 und die Luft 1 auf Temperaturen aufgeheizt werden, die typischerweise etwa 300 °C übersteigen. Der Auslassstrom 43 aus dem Wärmetauscher 115 kann dann in die Umgebung entlüftet werden.
  • Alternativ führt für Kaltstart- und Aufwärmbedingungen die SOFC vorzugsweise eine Reformierfunktion aus, wobei der gesamte SOFC-Abfluss 21' oder ein Teil davon und/oder sauerstoffabgereicherte Luft 23' mit dem Brennstoffstrom 31 kombiniert werden kann/können, wenn dieser in den Motor 125 eintritt. Ein Einleiten des SOFC-Abflusses 21' und/oder von sauerstoffabgereicherter Luft 33' in den Motor hilft den Wirkungsgrad der Ultraverdünnungsverbrennung innerhalb des Motors zu verbessern, wodurch Motoremissionen, insbesondere Kohlenwasserstoffe und Stickoxide, reduziert werden. Unter Bedingungen, bei denen die gesamte SOFC oder ein Abschnitt derselben bei einer erhöhten Temperatur gehalten wird, ist diese Einlassreformierungsfunktion besonders effektiv. Diese Funktion ist in der gemeinsam erteilten US-Patentanmeldung Nr. 09/241 171 weiter definiert.
  • Wie oben festgestellt, wird die in das System eintretende Luft vor der Einleitung in die SOFC 110 verdichtet, wobei der Kompressor 100 jedoch nicht wesentlich ist, da der Motor selbst als eine Pumpe wirken kann, was eine Beseitigung des Kompressors ermöglicht. Der Kompressor 100 erlaubt jedoch ein/e erhöhte/s Leistungsabgabe und Reformat-, d. h., Motorabfluss 35'-Leistung des Motors. Der in dem System verwendete spezielle Kompressortyp ist von der speziellen Anwendung abhängig. Zum Beispiel wird ein herkömmlicher Kompressor, der zum Verdichten auf mittlere Drücke (bis zu etwa 3 Atmosphären) in der Lage ist, typischerweise in turbogeladenen Motoren verwendet, wobei der verwendete Druck gesteuert wird, um die Leistungsabgabe und den Wirkungsgrad der SOFC und den Motor als ein System zu optimieren. Für Verwendungen innerhalb eines Fahrzeugs kann der Druck bis zu etwa zwei Atmosphären (Absolutdruck) betragen oder diesen überschreiten, wobei etwa 1 bis etwa 2 Atmosphären (Absolutdruck) bevorzugt sind. Mögliche Kompressoren umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, mechanische Vorrichtungen, die z. B. durch eine direkte Verbindung mit der Abgasturbine oder durch einen mechanischen Lader angetrieben sind, oder können unabhängig über Elektrizität oder Hydraulik betrieben sein.
  • Die bei der vorliegenden Erfindung verwendete SOFC kann eine beliebige herkömmliche SOFC sein, die in der Lage ist, Sauerstoff zu ionisieren. Die SOFC umfasst einen Elektrolyt mit einem sowohl an der Brennstoff- wie auch an der Luftseite des Elektrolyten angeordneten Katalysator. Mögliche Katalysatoren umfassen jene, die in der Lage sind, Sauerstoff zu ionisieren und den ionisierten Sauerstoff mit herkömmlichen Kraftstoffen reagieren zu lassen, umfassend u. a. Katalysatoren auf Basis von Edelmetallen und Legierungen davon, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es ist vorgesehen, dass mehrere SOFCs in Serie oder parallel an der Auslassseite des Motors oder sogar an der Ansaugseite des Motors verwendet werden können.
  • Innerhalb der SOFC erzeugt die Ionisierung des Sauerstoffes Elektrizität, die von dem Fahrzeug direkt verwendet werden kann, um verschiedene elektrische Teile, umfassend, aber nicht beschränkt auf, Lichter, Heizwiderstände, Gebläse, Klimaanlagen-Kompressoren, Startermotoren, Antriebsmotoren, Computersysteme, Radio-/Stereosysteme und eine Vielzahl von Sensoren und Aktuatoren, etc. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kraftfahrzeugen ist die durch die SOFC erzeugte Elektrizität ein Gleichstrom, der auf die normale Systemspannung des Fahrzeugs abgestimmt werden kann, wodurch der Bedarf an Vorrichtungen wie z. B. Dioden, Spannungsumwandlungs- und andere Verluste wie z. B. Widerstandsverluste in der Verdrahtung und in die/aus der Batterie, die mit herkömmlichen Fahrzeugsystemen und traditionellen Hybrid-Elektrosystemen verbunden sind, vermieden werden. Diese hocheffiziente Elektrizität erlaubt eine wirksame Elektrifizierung des Fahrzeugs, mit Funktionen wie z. B. Klimaanlage und weitere, was Gewichts-, Kraftstoffökonomie- und Leistungsvorteile im Vergleich mit einer herkömmlichen Hybrid-Elektromechanisierung und herkömmlichen Verbrennungsmotoren erlaubt.
  • Während eines Starts und für die Fahrzeuginnenraumheizung kann die SOFC bei hohen adiabatischen Temperaturen, z. B. bis zu etwa 1000 °C betrieben werden, abhängig von den Einschränkungen eines Katalysator, wobei typische Betriebstemperaturen von etwa 600 °C bis etwa 900 °C und vorzugsweise von etwa 650 °C bis etwa 800 °C reichen. Demzufolge wird zumindest ein Wärmetauscher vorzugsweise verwendet, um den SOFC-Abfluss zu kühlen und im Gegensatz dazu die Luft aufzuheizen, bevor sie in die SOFC eintritt, wobei im Allgemeinen herkömmliche Wärmetauscher verwendet werden.
  • Der in dem System verwendete Kraftstoff wird typischerweise auf Basis der Anwendung und der Kosten, Verfügbarkeit und Umweltüberlegungen im Zusammenhang mit dem Kraftstoff ausgewählt. Mögliche Kraftstoffe umfassen herkömmliche Kraftstoffe wie z. B. Kohlenwasserstoffkraftstoffe, umfassend, aber nicht beschränkt auf herkömmliche flüssige Kraftstoffe wie z. B. Benzin, Diesel, Ethanol, Methanol, Kerosin und andere; herkömmliche gasförmige Kraftstoffe wie z. B. Erdgas, Propan, Butan und andere; und alternative oder „neue" Kraftstoffe wie z. B. Wasserstoff, Biokraftstoffe, Fischer-Tropsch, Dimethylether und andere; sowie Kombinationen davon. Der bevorzugte Kraftstoff basiert typischerweise auf dem verwendeten Motortyp, wobei leichtere Kraftstoffe, d. h. jene, die einfacher verdampft werden können, und/oder herkömmliche Kraftstoffe, die für die Verbraucher einfach erhältlich sind, im Allgemeinen bevorzugt sind.
  • Die andere Hauptkomponente neben der SOFC, die typischerweise von dem System der vorliegenden Erfindung verwendet wird, um Antriebskraft für ein Fahrzeug zu erzeugen, ist der Motor. Innerhalb des Motors werden SOFC-Abfluss, Luft und/oder Kraftstoff verbrannt, um Energie zu erzeugen, während der Rest von unverbranntem Kraftstoff und reformiertem Brennstoff als Brennstoff in der SOFC verwendet wird. Der Motor kann eine beliebige herkömmliche Verbrennungskraftmaschine sein, umfassend, aber nicht begrenzt auf Verbrennungsmotoren wie z. B. fremdgezündete und selbstzündende Motoren, umfassend, aber nicht beschränkt auf Motoren mit variabler Kompression.
  • Ähnlich dem Motor kann die Turbine 130 verwendet werden, um Energie von dem Motorabfluss 35' zurückzugewinnen und Antriebskraft zu erzeugen und ferner Energie zurückzugewinnen, um den/die Kompressor/en 100 zu betreiben und vorzugsweise, um Elektrizität für verschiedene Verwendungen in dem gesamten System und/oder Fahrzeug zu erzeugen. Die verwendete Turbine 130 kann eine beliebige herkömmliche Turbine sein, die bei Automobil- oder Energieerzeugungsanwendungen von Nutzen ist. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Turbine und/oder der Kompressor von einem Motor/Generator beschleunigt oder verzögert werden, um die Kompression zu erhöhen (wenn es erforderlich ist, die Kompression für eine optimale Systemleistung zu erhöhen) oder die Kompression zu verringern (wenn überschüssige Energie in den Abgasen vorhanden ist). Beispielsweise kann eine Hochgeschwindigkeitselektromaschine mit der Turbine und dem Kompressor verbunden sein.
  • Nach dem Durchströmen der Turbine 130 tritt der SOFC-Abfluss 21' vorzugsweise in einen Katalysator 135 ein, um extrem niedrige, nahezu null Emissionen von Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden zu erreichen. Der Katalysator 135 ist typischerweise einer jener, die in Kraftfahrzeuganwendungen verwendet werden und umfasst jene, die (1) Edelmetalle und Legierungen davon wie u. a. z. B. Platin-, Rhodium- und Palladiumkatalysatoren und Legierungen davon und/oder (2) Partikelfilterung und -zerstörung verwenden.
  • Optionale Einrichtungen, die zusätzlich mit dem vorliegenden System verwendet werden können, umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Sensoren und Aktuatoren, Wärmetauscher, eine Batterie, einen Kraftstoffreformer, einen Brenner, Phasenumwandlungsmaterial, ein Wärmespeichersystem, ein Plasmatron, einen Entschwefler oder Kombinationen davon. Der Entschwefler kann verwendet werden, wenn der Kraftstoff reich an Schwefel ist, oder wenn unter anderen herkömmlichen Einrichtungen der in der SOFC verwendete Katalysator, wie z. B. nickelbasierte Katalysatoren, besonders intolerant gegenüber Schwefel ist. Im Gegensatz zu herkömmlichen Fahrzeugen und selbst zu Systemen nach dem Stand der Technik, die Brennstoffzellen verwenden, erfordert das System der vorliegenden Erfindung nicht die Verwendung einer Batterie. Obwohl eine kleine Batterie als eine Art Reservesystem verwendet werden kann, ist dies nicht erforderlich. Der Motor kann als eine Vorrichtung für Spitzen bei Hochleistungsbetriebsarten dienen (analog einer Batterie).
  • Die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bieten Vorteile gegenüber dem Stand der Technik, indem sie: (1) elektrische Energie bereitstellen, die „günstiger" ist als Wellenleistung (im Hinblick auf Kraftstoffverbrauch); (2) den Bedarf an Batterien reduzieren oder beseitigen (die SOFC kann bei abgestelltem Motor arbeiten, um elektrische Zusatzgeräte und bescheidene Antriebskraft zu liefern); (3) einen Effizienzvorteil bereitstellen, da herkömmliche Brennstoffreformer Elektrizität verbrauchen und die SOFC der vorliegenden Erfindung die Reformierungsfunktion und eine Zerstörung von Schadstoffen durchführen kann, während sie Elektrizität erzeugt; (4) beinahe null Emissionen verursachen, auf Grund der Fähigkeit, bei dem Kaltstart extrem verdünnte Gemische zu verbrennen, und unverbrannten und teilweise verbrannten Kraftstoff, der in der Verbrennung (insbesondere der fetten Verbrennung) immer erzeugt wird, zu verbrauchen, z. B. mit der Absicht, SULEV-Standards von 0,0235 l/km (0,010 Gallonen je Meile (g/mi)) Kohlenwasserstoffe, 2,35 l/km (1,0 g/mi) Kohlenstoffmonoxid, 0,047 l/km (0,02 g/mi) Stickoxide und 0,0235 l/km (0,01 g/mi) Partikel zu erfüllen oder zu übertreffen; (5) den Wirkungsgrad des Gesamtsystems bis etwa 60% oder mehr bei geringer Beladung und etwa 45% bei schwerer Beladung erhöhen; und (6) mit fortgeschrittenen Verbrennungssystemen wie z. B. Kompressionszündung mit homogener Ladung – eine „saubere" Dieseltechnologie, bei der vorgemischter Kraftstoff durch Kompressionsdruck und Temperatur entzündet wird, kompatibel sind; und (7) eine Verbrennung von Kraftstoffen mit extrem niedrigen Partikelemissionen durch Einfangen und Verbrauchen von Partikeln in der SOFC und dem Katalysator erlauben.
  • Die Ausführungsformen des vorliegenden Systems und Verfahrens können, obwohl meist in Bezug auf eine Verwendung innerhalb eines Fahrzeugs beschrieben, in zahlreichen Anwendungen genutzt werden, umfassend, aber nicht beschränkt auf: Kraft-Wärmekopplung von Wärme und elektrischer Energie, verteilte elektrische Energieerzeugung wie z. B. kleine Kraftwerke für wirtschaftliche/industrielle/Schifffahrts-Anwendungen und mobile Energieerzeugung wie z. B. u. a. Militär-/Konstruktions/Freizeitanwendungen.
  • Es wird einzusehen sein, dass ein Fachmann Abwandlungen an der hierin gezeigten bevorzugten Ausführungsform innerhalb des Umfangs der Ansprüche vornehmen kann. Während die vorliegende Erfindung als in einer speziellen Ausführungsform davon ausgeführt beschrieben wurde, soll sie dadurch nicht beschränkt sein.

Claims (23)

  1. Energieerzeugungssystem mit: (a) einem Motor (125) mit einem Einlass und einem Auslass; (b) einer Luftzufuhr (1) in Fluidverbindung mit dem Motoreinlass; (c) einer Brennstoffzufuhr (31) in Fluidverbindung mit dem Motoreinlass; und (d) zumindest einer Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) (110) mit einem Lufteinlass in Fluidverbindung mit der Luftzufuhr (1), einem brennstoffseitigen Einlass, einem SOFC-Abfluss (21') und einem Luftabfluss (23'), wobei der SOFC-brennstoffseitige Einlass in Fluidverbindung mit dem Motorauslass steht.
  2. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 1, ferner mit einer Turbine (130) in Fluidverbindung mit dem SOFC-Abfluss (21').
  3. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 2, wobei die Turbine (130) ferner in Fluidverbindung mit dem Luftabfluss (23') steht.
  4. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 1, wobei der SOFC-Brennstoffeinlass ferner in Fluidverbindung mit der Brennstoffzufuhr (31) steht.
  5. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 4, wobei der SOFC-Brennstoffeinlass ferner in Fluidverbindung mit der Luftzufuhr (1) steht.
  6. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 1, ferner mit zumindest einem Verdichter (100) in Fluidverbindung mit der Luftzufuhr (1) und der SOFC (110).
  7. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 1, ferner mit einer Vorwärmvorrichtung (115) in Fluidverbindung mit der Brennstoffzufuhr (31) und dem SOFC-brennstoffseitigen Einlass (34).
  8. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 7, wobei die Vorwärmvorrichtung (115) ein Brenner, ein Wärmetauscher, ein Plasmatron, ein Verdampfer, ein Brennstoffreformer oder eine Kombination aus diesen ist.
  9. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 1, ferner mit einem Katalysator (135) mit einem Einlass, wobei der Einlass in Fluidverbindung mit dem SOFC-Abfluss (21') steht.
  10. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 1, ferner mit zumindest einem Wärmetauscher (115) in Fluidverbindung mit der Luftzufuhr (1) und dem SOFC-Luftzufuhreinlass.
  11. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 1, ferner mit einer alternativen Brennstoffzufuhr, wobei der SOFC-brennstoffseitige Einlass in Fluidverbindung mit dem Motorauslass, der alternativen Brennstoffzufuhr oder einer Kombination aus diesen steht; wobei die SOFC (110) unabhängig von dem Motor (125) betrieben wird, um Antriebsleistung zu liefern, Fahrzeugnebenverbraucher zu betreiben oder für eine Kombination aus diesen.
  12. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 11, wobei die SOFC (110) unabhängig von dem Motor (125) betrieben wird, um die gesamte Antriebsleistung eines Fahrzeugs zu liefern.
  13. Verfahren zum Betreiben eines Energieerzeugungssystems, umfassend die Schritte: (a) Liefern zumindest eines ersten Brennstoffanteils (31) und eines ersten Luftanteils (1) an einen Motor (125); (b) Reagieren lassen des ersten Brennstoffanteils (31) und des ersten Luftanteils (1) in einem Motor (125), um einen Motorabfluss (35') zu erzeugen; (c) Einleiten des Motorabflusses (35') in einen Brennstoffeinlass einer SOFC (110); (d) Einleiten eines zweiten Luftanteils (10) in einen Lufteinlass der SOFC (110); und (e) Ionisieren von Sauerstoff in dem zweiten Luftanteil (10), so dass der ionisierte Sauerstoff zu der Brennstoffseite der SOFC (9) wandert, wo er mit dem Motorabfluss (35') reagiert, um einen SOFC-Abfluss (21') zu erzeugen.
  14. Verfahren zum Betreiben eines Energieerzeugungssystems nach Anspruch 13, ferner mit dem Schritt: Leiten des SOFC-Abflusses (21') durch einen Katalysator (135) mit einem Katalysatorauslass.
  15. Verfahren zum Betreiben eines Energieerzeugungssystems nach Anspruch 14, wobei der Katalysatorauslass vernachlässigbare Mengen von Kohlenwasserstoffen, Stickstoffoxid, Kohlenstoffmonoxid und Partikel umfasst.
  16. Verfahren zum Betreiben eines Energieerzeugungssystems nach Anspruch 13, ferner mit dem Schritt: Verwenden des SOFC-Abflusses (21'), um den zweiten Luftanteil (10) vor einem Einleiten in den Lufteinlass zu erwärmen.
  17. Verfahren zum Betreiben eines Energieerzeugungssystems nach Anspruch 13, ferner mit dem Schritt: Einleiten eines zweiten Brennstoffanteils (34) in den Brennstoffeinlass.
  18. Verfahren zum Betreiben eines Energieerzeugungssystems nach Anspruch 13, ferner mit dem Schritt: Einleiten des SOFC-Abflusses (21') in eine Turbine (130).
  19. Verfahren zum Betreiben eines Energieerzeugungssystems nach Anspruch 13, ferner mit dem Schritt: Verdichten des ersten Luftanteils (1) und des zweiten Luftanteils (10).
  20. Verfahren zum Betreiben eines Energieerzeugungssystems nach Anspruch 13, wobei der SOFC-Abfluss (21') vernachlässigbare Mengen von Kohlenwasserstoffen, Stickstoffoxid, Kohlenstoffmonoxid und Partikel umfasst.
  21. Verfahren zum Betreiben eines Energieerzeugers nach Anspruch 13, ferner mit dem Schritt: Liefern eines Anteils des zweiten Luftanteils an den Brennstoffeinlass und Anlegen eines Gegenstromes an die SOFC (110), um Sauerstoff von dem Anteil des zweiten Luftanteils (10) zu trennen.
  22. Verfahren zum Betreiben eines Energieerzeugers nach Anspruch 13, ferner mit dem Schritt: Einleiten zumindest eines Anteils des SOFC-Abflusses (21') in den Motor (125).
  23. Verfahren zum Betreiben eines Energieerzeugers nach Anspruch 13, wobei der in die SOFC eingeleitete zweite Luftanteil (10) einen sauerstoff-verarmten Luftstrom (23') erzeugt, und ferner mit dem Schritt: Einleiten des Luftstromes (23') in den Motor (125).
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