NL1024571C2 - Brandstofcel, hulpinrichting en energieopwekkingsinstallatie. - Google Patents

Description

Korte aanduiding: Brandstofcel, hulpinrichting en energieopwekkingsinstallatie

De uitvinding heeft in de eerste plaats betrekking op een brandstofcel voor het genereren van energie, in het bijzonder elekriciteit en warmte.

Brandstofcellen zijn algemeen bekend. In een brandstofcel 5 wordt een elektrochemische reactie toegepast om waterstofionen, afkomstig uit een brandstof, gecombineerd met zuurstofionen, afkomstig uit een zuurstofhoudend gas, om te zetten in water onder gelijktijdige opwekking van elektriciteit. De brandstofcel omvat een anode, waarlangs de brandstof stroomt, een kathode waarlangs het 10 zuurstofhoudend gas stroomt, en een tussen de elektroden opgesteld elektroliet. Het elektroliet laat migratie van ionen tussen de elektroden toe. Een uitwendig circuit verbindt de elektroden. Brandstofcellen kunnen worden ingedeeld naar het type elektroliet, zoals MCFC (molten carbonate fuel cell), PEMFC (proton exchange 15 membrane fuel cell) en SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), etc.. De deelreacties van de overall elektrochemische reactie, die bij de betreffende elektroden optreden en het ionentransport door het elektroliet zijn mede afhankelijk van het type elektroliet. Bij een brandstofcel van het SOFC-type wordt zuurstof, meestal toegevoerd in 20 de vorm van lucht, aan de kathode gedissocieerd, en de zuurstofionen gaan door het elektroliet, zoals bijvoorbeeld metaaloxide, gebruikelijk met yttriumoxide gestabiliseerd zirkoniumoxide naar de anode, waar deze zuurstofionen met waterstof, afkomstig uit een waterstofhoudend gas of damp, combineren tot water. Een brandstofcel 25 van het SOFC-type werkt bij verhoogde temperatuur, gebruikelijk tussen 650° - 1000 °C, en bij een eventueel verhoogde druk van 1-8 bar. De toegepaste elektroliet- en elektrodematerialen dienen tegen deze hoge temperatuur bestendig te zijn. Water ten behoeve van de waterstof-shift reactie kan in het toegevoerde zuurstof houdende gas 30 worden gespoten. Brandstofcellen zijn interessant omdat deze ten opzichte van andere gebruikelijke energiesystemen, zoals een verbrandingsmotor, een zeer hoog rendement bezitten.

De brandstofcel kan als zodanig worden toegepast, of in combinatie met bestaande conventionele systemen zoals een gasturbine.

1024571 - 2 -

Voorbeelden van dergelijke hybridesystemen zijn bijvoorbeeld bekend uit WO 96/05625 en ÜS 6,213,234.

Voor brandstofcellen zijn verschillende configuraties bekend.

De meest frequent toegepaste configuratie is een sandwichstructuur 5 (planar single cell) van anode, elektroliet en kathode. Ten einde hogere uitvoerspanningen en -vermogens te verkrijgen worden afzonderlijke cellen seriegewijs met elkaar verbonden tot een zogeheten "stack". De verwijdering van warmte en de gasstromingen leggen aan deze techniek aanmerkelijke praktische beperkingen op. Bij 10 een buisvormige configuratie vormen de anode, elektroliet en kathode een buis. De buitenzijde van de buis omvat gebruikelijk een anodelaag (waterstofzijde), die is bedekt met een elektrolietlaag, gevolgd door een kathodelaag (zuurstofzijde). Dergelijke buizen worden onder meer door Siemens Westinghouse op de markt gebracht en bezitten doorgaans 15 een lengte van 1,5 meter en een diameter van 2,2 cm. Ook hierbij worden de buizen met elkaar verbonden teneinde de gewenste spanning en gewenst vermogen te bereiken.

In de praktijk is de toepassing van brandstofcellen als energiebron in plaats van of als aanvulling op bestaande systemen 20 echter beperkt, omdat men in het algemeen niet bereid is de daarvoor benodigde omvangrijke investeringen te doen.

De uitvinding heeft ten doel een brandstofcel te verschaffen, die op eenvoudige wijze kan worden ingezet, zonder dure aanvullende maatregelen, in combinatie met andere energievoorzieningssystemen, in 25 het bijzonder een gasturbine of een gecombineerde gas- en stoomturbine (STEG).

De brandstofcel volgens de uitvinding omvat daartoe een behuizing met een inlaat voor een zuurstof houdend gas en een uitlaat voor verarmd zuurstof houdend gas, die met elkaar in verbinding staan 30 via een aantal evenwijdig aan elkaar opgestelde brandstofcelbuizen, die elk een anode en een kathode met een daartussen opgesteld elektroliet omvatten, alsmede een inlaat voor een gasvormige brandstof en een uitlaat voor verarmd brandstofgas, welke met elkaar in verbinding staan via een om de brandstofcelbuizen heen opgestelde 35 kamer, waarbij de behuizing aangrenzend aan de inlaat een verdeelkamer voor het verdelen van binnenkomend zuurstof houdend gas over de brandstofcelbuizen omvat, welke verdeelkamer een groter maximaal doorsnede-oppervlak heeft, in stromingsrichting gezien, dan de inlaat, alsmede een verzamelkamer voor het verzamelen van verarmd 40 zuurstof houdend gas aan het uiteinde van de brandstofcelbuizen, 1024571 - 3 - welke verzamelkamer een groter maximaal doorsnede-oppervlak heeft, in stromingsrichting gezien, dan de uitlaat, waarbij de buizen, verdeel-en verzamelkamer zodanig zijn vormgegeven dat de drukval over de brandstofcel nagenoeg verwaarloosbaar is.

5 Aan de uitvinding ligt het inzicht ten grondslag dat de integratie van een brandstofcel in een bestaand energieopwekkingssysteem, zoals een gasturbine, mede wordt belemmerd door de kosten van de apparatuur die nodig is om de betreffende uitlaatgassen van de brandstofcel op de voor het 10 energieopwekkingssysteem benodigde bedrijfsdruk te brengen, in het bijzonder de luchtstroom. Dit is bij conventionele systemen volgens de stand van de techniek nodig omdat vanwege de configuratie van de brandstofcelinrichting, en de daarin toegepaste vlakke of buisvormige brandstofcelelementen een aanzienlijke drukval optreedt. Bij de 15 configuratie van de brandstofcel volgens de uitvinding treedt deze drukval daarentegen nauwelijks op vanwege de vormgeving van de verdeelkamer en verzamelkamer en de brandstofcelbuizen zelf. Tevens zijn bij de uitvinding geen warmtewisselaars nodig resulterend in een kostenbesparing, welke warmtewisselaars in bestaande geïntegreerde 20 systemen worden aangewend om anders onbenutte warmtestromen alsnog te benutten. De brandstofcel volgens de uitvinding kan zodoende tegen verhoudingsgewijs lage kosten als zogeheten add-on op een bestaande energieleverende installatie, bijvoorbeeld een gasturbine, worden geplaatst. De verdeelkamer heeft een vergrote doorsnede ten opzichte 25 van de inlaat, zodat de snelheid van het zuurstof houdend gas bij het binnentreden aanmerkelijk afneemt en aldus de drukval (evenredig met de snelheid in het kwadraat) in de brandstofcelbuizen. Bij de verzamelkamer. wordt het zuurstof houdend gas opnieuw geconcentreerd. Aldus kan de drukval klein worden gehouden, zodat de uitlaatgassen 30 zonder tussenliggende compressie met behulp van compressoren direct aan de hoofdbrander van een gasturbinesysteem kan worden toegevoerd. Zelfs een niet-optimaal bedrijf van de brandstofcel, bijvoorbeeld een benuttingsgraad van 10% brandstof, geeft een verhoging van het rendement van de totale inrichting, zonder dat omvangrijke 35 investeringen in randapparatuur zoals compressoren e.d. nodig zijn.

Met het oog op een lage drukval zijn de buizen met voordeel rechte pijpen met een lengte, die kleiner is dan de huidige toegepaste buizen, met voordeel minder dan 75 cm, meer bij voorkeur met een lengte in het gebied van 20-60 cm. De diameter kan ongeveer 40 gelijk zijn aan de diameter van de bekende Westinghouse-buizen, 1 024571

I I

- 4 - d.w.z. circa 2,2 cm. Bij voorkeur hebben de pijpen echter een grotere diameter, bijvoorbeeld 2,5 cm of meer.

De verdeelkamer en verzamelkamer zijn zodanig vorm gegegeven dat de drukval gering is. Met voordeel vertoont de verdeelkamer een 5 geleidelijke overgang van de inlaat naar de maximale doorsnede van de behuizing. De vorm van de verzamelkamer is vergelijkbaar. Meer bij voorkeur omvat de behuizing een cilindervormige middensectie met constante diameter, waarbij de wand van de behuizing die de verdeelkamer begrenst, een geleidelijke overgang vanaf de inlaat naar 10 de middensectie omvat. De behuizing is bij de verzamelkamer op vergelijkbare wijze vormgegeven. De geleidelijke overgangen zijn met voordeel gekromde oppervlakken van de behuizing. Bij deze uitvoeringsvorm zijn met voordeel aan weerszijden van de middensectie scheidingswanden opgesteld, die aldus een kamer of ruimte definiëren, 15 waardoor de brandstof kan stromen. Deze scheidingswanden zijn voorzien van een aantal boringen, waardoor de brandstofcelbuizen zijn gestoken. De gekromde bovenzijde en de daarmee samenhangende scheidingswand definiëren de verdeelkamer. De verzamelkamer wordt op overeenkomstige wijze door het gekromde wandoppervlak van de 20 behuizing en de betreffende scheidingswand gedefinieerd. De uiteinden van de brandstofcelbuizen staan aan de ene kant in verbinding met de verdeelkamer en monden aan de andere kant uit in de verzamelkamer. De door de middensectie van de behuizing en de scheidingswanden begrensde ruimte of kamer heeft een inlaat voor brandstof en een 25 uitlaat voor gebruikt brandstofgas. Keerschotten en andere geleidingselementen kunnen zijn voorzien om de brandstof dicht langs de buitenzijde van de brandstofcelbuizen te leiden. De kathode (waterstofzijde) van de brandstofcel bevindt zich aan de buitenzijde van de brandstofcelbuizen.

30 De brandstofcel is bij voorkeur van het SOFC-type. Met andere woorden het elektroliet omvat een vaste zuurstofdrager. Andere typen brandstofcellen kunnen echter ook op vergelijkbare wijze worden ingezet. In het algemeen wordt tijdens bedrijf alle brandstof over de brandstofcel geleid, alsmede een deel van de luchthoeveelheid, die 35 voor de gasturbine nodig is. Gebruikelijk werkt de gasturbine met een luchtovermaat, bijvoorbeeld 1,3-1,5 maal de brandstofhoeveelheid op molbasis (op volumebasis ca 25-40 maal) teneinde de turbine te koelen.

Volgens een tweede aspect heeft de uitvinding betrekking op 40 een hulpinrichting voor het verbeteren van het rendement van een 1024571 - 5 - energieopwekkingssysteem, welke inrichting is voorzien van een of meer brandstofcellen volgens de uitvinding, en de inlaten van een eerste brandstofcel zijn voorzien van een leiding met koppeling voor koppeling aan een overeenkomstige leiding van het 5 energieopwekkingssysteem, en de uitlaten van een laatste brandstofcel zijn voorzien van een leiding met koppeling voor koppeling aan een bijbehorende leiding van het energieopwekkingssysteem. In het bijzonder zijn de inlaten via de genoemde leidingen en koppelingen te verbinden met de afvoerleidingen van de betreffende compressoren van 10 het energieopwekkingssysteem en de uitlaten met de toevoerleidingen van de hoofdbrander. In een gasturbine als energieopwekkingssysteem wordt een overmaat lucht (ten opzichte van de hoeveelheid brandstof) gebruikt in de hoofdbrander. Met voordeel wordt bij de hulpinrichting volgens de uitvinding een deel van de brandstof en lucht al eerder 15 gebruikt om de brandstof en lucht te verwarmen tot de voor bedrijf van de brandstofcel vereiste temperatuur met behulp van voorverwarmingsinrichtingen. Meer bij voorkeur zijn de voorverwarmingsinrichtingen zogeheten in-line verbrandingsinrichtingen, waarvan het gebruikte gas (uitlaatgas) 20 samen met de betreffende opgewarmde gasvormige brandstof of lucht wordt toegevoerd aan de brandstofcel. Tevens wordt een deel van de brandstof en de lucht door de brandstofcel zelf gebruikt en wel zodanig dat door de aanwezige luchtovermaat de oorspronkelijke luchttoevoer van de gasturbine zelf gelijk kan blijven en ook zodanig 25 dat de inlaattemperatuur van de turbine gelijk kan blijven, zodat de gasturbine-installatie nauwelijks te worden aangepast.

De hulpinrichting omvat met voordeel meerdere, in serie geschakelde brandstofcellen volgens de uitvinding, waarbij de uitlaten van een brandstofcel zijn verbonden met de inlaten van een 30 aangrenzende stroomafwaarts gelegen brandstofcel, waarbij de tweede en volgende brandstofcellen tevens zijn voorzien van inlaten voor het invoeren van koud zuurstofhoudend gas, respectievelijk koude brandstof. Omdat de overall elektrochemische reactie in de brandstofcel een exotherme reactie is, komt warmte vrij, waardoor de 35 temperatuur kan oplopen. De in de hulprintichting toegepaste materialen zijn echter niet bestand tegen deze verhoogde temperatuur. De gedeeltelijke toevoer van relatief koude reactanten aan de tweede en volgende brandstofcellen zorgt voor koeling van de hulpinrichting.

Meer bij voorkeur omvat de hulpinrichting een 40 gemeenschappelijke toevoerleiding voor koude brandstof en een voor 1024571 - 6 - koud zuurstof houdend gas, welke leidingen zijn voorzien van zijleidingen naar de betreffende brandstofcellen.

Volgens nog een verder aspect heeft de uitvinding betrekking op een energieopwekkingsinstallatie voorzien van een hulpinrichting 5 volgens de uitvinding. Met voordeel omvat de installatie een compressor voor het comprimeren van zuurstof houdend gas omvat, waarvan de uitlaat is verbonden met de inlaatleiding voor zuurstof houdend gas van een brandstofcel van de hulpinrichting. Bij deze voorkeursuitvoeringsvorm volgens de uitvinding is een separate 10 compressor voor de hulpinrichting overbodig. Verder laat deze uitvoeringsvorm het gebruik van de luchtovermaat van de oorspronkelijke energieopwekkingsinstallatie toe, waarbij de bij de energieopwekkingsinstallatie behorende luchttoevoer en uitlaattemperatuur van de brander ongewijzigd blijven, zodat de 15 energieopwekkingsinstallatie en/of de bedrijfsinstellingen daarvan niet of nauwelijks moeten worden aangepast. Bij voorkeur is de hulpinrichting afschakelbaar, zodat bijvoorbeeld in het geval van falen van de hulpinriching, de energieopwekkingsinstallatie zelf op de oorspronkelijke wijze kan doordraaien. Met voordeel zijn daartoe 20 de inlaatleidingen van de hulpinrichting als zijleidingen zijn gekoppeld aan de overeenkomstige leidingen van de energieopwekkingsinstallatie. In de leidingen zijn afsluiters/regelaars voorzien. Voorkeursuitvoeringsvormen van een dergelijke energieopwekkingsinstallatie zijn een gasturbine en een 25 verbrandingsketel. Desgewenst kan de gasturbine gekoppeld zijn aan een stoomturbine.

De uitvinding wordt hierna toegelicht aan de hand van de bijgevoegde tekening, waarin:

Fig. 1 toont een uitvoeringsvorm van een gasturbinesysteem met 30 geïntegreerd brandstofcelsysteem volgens de uitvinding;

Fig. 2 toont een uitvoeringsvorm van een brandstofcel volgens de uitvinding; en

Fig. 3 toont een schamatische voorkeursuitvoeringsvorm van een hulpinrichting volgens de uitvinding met seriegewijs geschakelde 35 brandstofcellen.

In Fig. 1 is onder de streeplijn een energieopwekkingssysteem in de vorm van een conventionele gasturbine weergegeven. Deze gasturbine is voorzien van een hulpinrichting volgens de uitvinding, die een brandstofcel volgens de uitvinding omvat. Via leiding 10 40 wordt brandstof, bijvoorbeeld een lage koolwaterstof zoals methaan, m?4R71 - 7 - aan brandstofcompressor 12 toegevoerd en daarin gecomprimeerd. De gecomprimeerde brandstof wordt via leiding 14 afgevoerd. Lucht, aangevoerd via leiding 16, wordt in luchtcompressor 18 gecomprimeerd, en daaruit afgevoerd via leiding 20. Leiding 14 is voorzien van een 5 zijleiding 22, die geschikt is om ten minste een deel van de gecomprimeerde brandstof naar een brandstofcel 24 te transporteren. Afsluiter 65 regelt de hoeveelheid brandstof, die naar de brandstofcel gaat. De zijleiding 22 is op losneembare wijze aan de leiding 14 gekoppeld. Deze koppeling is aangeduid met 10 verwijzingscijfer 26. De zijleiding 22 is voorzien van een afsluiter 28. De zijleiding 22 heeft twee verdere zijtakken. Een eerste zijleiding 30 naar een voorverwarmingsinrichting 32 voor het voorverwarmen van gecomprimeerde lucht. Deze voorverwarmingsinrichting 32 is een in-line brander, waarin de voor 15 voorverwarming benodigde warmte wordt verkregen door een deel van de brandstof met een deel van de gecomprimeerde lucht te verbranden. Via een tweede zijleiding 34 wordt een deel van de gecomprimeerde brandstof naar een voorverwarmingsinrichting 36 voor het voorverwarmen van de gecomprimeerde brandstof, toegevoerd via 20 zijleiding 22, geleid. Ook deze voorverwarmingsinrichting 36 is een in-line brander. Hierin wordt de resterende brandstof, aangevoerd via het uiteinde van zijleiding 22, opgewarmd door verbranding van genoemde deelhoeveelheden van gecomprimeerde brandstof en gecomprimeerde lucht. De voorverhitting van de reactanten voor de 25 brandstofcel 24 is nodig, daar de daarin optredende elektrochemische reactie pas bij hogere temperaturen verloopt. Voor het aanvoeren van gecomprimeerde lucht aan de voorverwarmingsinrichtingen is de afvoerleiding 20 voorzien van een zijleiding 38, die eveneens loskoppelbaar is door middel van koppeling 40. De zijleiding 38 is 30 voorzien van een afsluiter 39. De afvoergassen van de voorverwarmingsinrichtingen worden via afvoerleidingen 42 respectievelijk 44 aan brandstofcel 24 toegevoerd. Details vaix de brandstofcel worden aan de hand van fig. 2 hierna toegelicht. In de brandstofcel 24 vindt een elektrochemische reactie plaats tussen 35 brandstof en lucht, waarbij de opgewekte elektriciteit via leidingen 46 op gebruikelijke wijze wordt afgevoerd. Zelfs bij niet-optimaal bedrijf van de brandstofcel 24, bijvoorbeeld bij een brandstofbenuttingsgraad van ongeveer 10%, wordt het totale rendement van het totaalsysteem met enkele procenten verhoogd. De stromen van 40 reactieproducten van de brandstofcel, die nog een aanzienlijke .1024571 - 8 - hoeveelheid brandstof, respectievelijk lucht kunnen bevatten, worden via van afsluiters 48, 50 voorziene afvoerleidingen voor brandstof 52 respectievelijk voor lucht 54 naar de hoofdbrander 56 geleid. Meer in het bijzonder is afvoerleiding 52 gekoppeld aan leiding 14 via 5 koppeling 58. De afvoerleiding 20 voor gecomprimeerde lucht van de compressor mondt ook uit in de hoofdbrander 56. In de hoofdbrander 56 vindt verdere verbranding plaats. De afgassen worden op gebruikelijke wijze toegevoerd aan de turbinesectie 60 van de gasturbine, en elektriciteit wordt opgewekt met behulp van generator 62. De 10 afvoergassen 64 van de turbinesectie 60 kunnen bijvoorbeeld worden benut in een niet-weergegeven stoomturbine. Een andere mogelijkheid betreft het gebruik van afvoergassen 64 voor recuperatie, indien dit in de oorspronkelijke gasturbine reeds werd toegepast.

Fig. 2 toont een uitvoeringsvorm van een brandstofcel volgens 15 de uitvinding in meer detail. De brandstofcel 24 omvat een cilindervormige behuizing 70 met in het weergegeven geval een luchtinlaat 72 voor gecomprimeerde lucht aan de bovenzijde, en een aan de onderzijde voorzien luchtuitlaat 74. De behuizing 70 omvat een middensectie 76 met constante diameter. Nabij de grenzen van deze 20 middensectie 76 zijn in het inwendige scheidingswanden 78 voorzien. Een aantal parallelle brandstofcelbuizen 80, in het algemeen regelmatig verdeeld, zijn door boringen in deze scheidingswanden 78 gestoken en verbinden de luchtverdeelkamer 82 aan de bovenzijde met de verzamelkamer 84 aan de onderzijde van de behuizing 70. De 25 bovenzijde van de behuizing 70, die tezamen met de bovenste scheidingswand de verdeelkamer 82 begrenst, verwijdt zich geleidelijk vanaf de luchtinlaat 72 naar de middensectie 76. Op overeenkomstige wijze vernauwt de ondezijde van de behuizing 70, die tezamen met de onderste scheidingswand de verzamelkamer 84 begrenst, zich 30 geleidelijk vanaf de middensectie 76 naar de luchtuitlaat 74. Tussen de scheidingswanden 78 en de wand van de behuizing van middensectie 76 is een brandstofkamer 79 gevormd, die voorzien is van diametraal tegenover elkaar gelegen gasinlaat 86 en gasuitlaat 88. De brandstofcelbuizen 80 zijn korte pijpen met een lengte van 60 cm en 35 een relatief grote diameter van 2,5 cm. Door de vormgeving van de verdeelkamer en verzamelkamer in combinatie met de relatief korte brandstofcelbuizen 80 is de drukval in de brandstofcel 24 laag. De stromingsrichting van de verschillende reactanten en reactieproducten is met pijlen aangeduid. Bij de bovenste scheidingswand is een vaste 40 afdichting tussen de brandstofbuizen 80 en de scheidingswand 78 1024571 - 9 - voorzien, terwijl bij de onderste scheidingswand een beweegbare afdichting in de vorm van een labyrinth is aangebracht.

Als gevolg van de vormgeving van de brandstofcel is de drukval over de brandstofcel voor de lucht ΔΡι_ϋ vergelijkbaar met de drukval 5 APi-üt over de normaal toegepaste leiding 20 (zie fig. 1).

Fig. 3 toont een serieschakeling van brandstofcellen volgens de uitvinding. Deze is in het bijzonder bedoeld voor die situaties, waarbij als gevolg van een hogere benuttingsgraad een temperatuurstijging optreedt, die nadelig is voor de in de cellen 10 toegepaste materialen en opbouw daarvan. In de weergegeven uitvoeringsvorm omvat de schakeling vier brandstofcellen 24a t/m 24d, elk met een basisconfiguratie zoals hiervoor aan de hand van fig. 2 is toegelicht. De brandstofcellen 24 zijn in een cilindervormig huis 100 opgesteld, dat aan een uiteinde een centrale luchtinvoer 102 voor 15 voorverwarmde lucht voor de eerste brandstofcel 24a heeft, alsmede een centrale uitlaat 104 voor het uitlaatgas, dat nog een resthoeveelheid lucht bevat. Voorverwarmd gas wordt via gasinvoer 106 aan de eerste brandstofcel 24a toegevoerd. De brandstofuitlaat van de eerste cel 24a staat in verbinding met de brandstofinlaat van de 20 volgende cel 24b via tussenleiding 108, enz.. De stroom afgas met resthoeveelheid brandstof wordt uit de laatste brandstofcel 24d verwijderd via uitlaat 110. Teneinde de brandstofcellen 24 te koelen wordt koude lucht via gemeenschappelijke toevoerleiding 1.12 aangevoerd, en via betreffende zijopeningen 114 naar de tweede 25 brandstofcel 24b en volgende, waarbij de verse koude lucht wordt gemengd met het luchtafvoergas uit de voorgaande brandstofcel 24a. Op overeenkomstige wijze wordt koude brandstof toegevoerd via een gemeenschappelijke toevoerleiding 116 met zijleidingen 118 naar de tweede en volgende brandstofcellen, waar de verse brandstof met het 30 brandstofafvoergas uit de voorgaande brandstofcel wordt gemengd. Door het toevoeren van verse koude lucht en brandstof bij het begin van elke volgende trap van de serieschakeling zullen de gassen afkoelen en kan de bedrijfstemperatüur worden geregeld. Daarnaast kunnen de voorverwarmingsinrichtigen kleiner worden uitgevoerd, omdat een 35 kleinere hoeveelheid lucht en brandstof moet worden opgewarmd.

1024571

Claims (16)

1. Brandstofcel (24) voor het genereren van energie, omvattende een behuizing (70) met een inlaat (72) voor een zuurstof houdend gas en een uitlaat (74) voor verarmd zuurstof houdend gas, die met elkaar in verbinding staan via een aantal evenwijdig aan elkaar opgestelde 5 brandstofcelbuizen (80), welke brandstofcelbuizen elk een anode en een kathode met een daartussen opgesteld elektroliet omvatten, alsmede een inlaat (86) voor een gasvormige brandstof en een uitlaat (88) voor verarmd brandstofgas, welke met elkaar in verbinding staan via een om de brandstofcelbuizen heen gelegen ruimte (79), waarbij de 10 behuizing (70) aangrenzend aan de inlaat (72) een verdeelkamer (82) voor het verdelen van binnenkomend zuurstof houdend gas over de brandstofcelbuizen (80) omvat, welke verdeelkamer (82) een groter maximaal doorsnede-oppervlak heeft, in stromingsrichting gezien, dan de inlaat (72), alsmede een verzamelkamer (84) voor het verzamelen 15 van verarmd zuurstof houdend gas aan het uiteinde van de brandstofcelbuizen (80), welke verzamelkamer (84) een groter maximaal doorsnede-oppervlak heeft, in stromingsrichting gezien, dan de uitlaat (74), waarbij de buizen (80), verdeel- en verzamelkamer (82; 84) zodanig zijn vormgegeven dat de drukval over de brandstofcel (24) 20 nagenoeg verwaarloosbaar is.

2. Brandstofcel volgens conclusie 1, met het kenmerk dat de brandstofcelbuizen (80) een lengte van minder dan 75 centimeter bezitten. 25

3. Brandstofcel volgens conclusie 2, met het kenmerk dat de brandstofcelbuizen (80) een lengte in het gebied van 20 tot 60 centimeter bezitten.

4. Brandstofcel volgens één van de voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de behuizing (70) een cilindervormige middensectie (76) met constante diameter omvat, waarbij de wand van de behuizing (70) die de verdeelkamer (82) begrenst, een geleidelijke overgang vanaf de inlaat (72) naar de middensectie (76) omvat. 35 1024571 - 11 -

5. Brandstofcel volgens één van de voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de behuizing (70) een cilindervormige middensectie (76) met constante diameter omvat, waarbij de wand van de behuizing (70) die de verzamelkamer (84) begrenst, een geleidelijke overgang vanaf 5 de uitlaat (74) naar de middensectie (76) omvat.

6. Brandstofcel volgens één van de voorgaande conclusies, met het kenmerk dat het elektroliet een vaste zuurstofdrager omvat.

7. Hulpinrichting voor het verbeteren van het rendement van een energieopwekkingssysteem, welke inrichting is voorzien van een of meer brandstofcellen (24) volgens een van de voorgaande conclusies, en de inlaten (72, 86) van een eerste brandstofcel (24) zijn voorzien van een leiding (22, 38) met koppeling (26, 40) voor koppeling aan 15 een overeenkomstige leiding van het energieopwekkingssysteem, en de uitlaten (74, 88) van een laatste brandstofcel (24) zijn voorzien van een leiding ((52, 54) met koppeling (58) voor koppeling aan een bijbehorende leiding (14) van het energieopwekkingssysteem of systeem zelf. 20

8. Hulpinrichting volgens conclusie 7, met het kenmerk dat de inlaatleidingen (22, 38) zijn voorzien van voorverwarmingsinrichtingen (32, 36), bij voorkeur in-line verbrandingsinrichtingen. 25

9. Hulprinrichting volgens conclusie 7 of 8, met het kenmerk dat de inrichting meerdere, in serie geschakelde brandstofcellen (24a-24d) volgens een van de voorgaande conclusies 1-6 omvat, waarbij de uitlaten (74, 88) van een brandstofcel (24a) in verbinding staan met 30 de inlaten (72, 86) van een aangrenzende stroomafwaarts gelegen brandstofcel (24b), waarbij de tweede en volgende brandstofcellen (24b-24d) tevens zijn voorzien van inlaten (112, 114; 116, 118) voor het invoeren van koud zuurstofhoudend gas, respectievelijk koude brandstof. 35

10. Hulpinrichting volgens conclusie 9, met het kenmerk dat de hulpinrichting een gemeenschappelijke toevoerleiding (112) voor koud zuurstof houdend gas omvat, die voorzien is van zij leidingen (114) naar de tweede en volgende brandstofcellen (24b-24d). 1024571 - 12 -

11. Hulpinrichting volgens conclusie 9 of 10, met het kenmerk dat de hulpinrichting een gemeenschappelijke toevoerleiding (116) voor koude brandstof omvat, die voorzien is van zijleidingen (118) naar de 5 tweede en volgende brandstofcellen (24b-24d).

12. Energieopwekkingsinstallatie voorzien van een hulpinrichting volgens een van de voorgaande conclusies 7-11.

13. Energieopwekkingsinstallatie volgens conclusie 12, met het kenmerk dat de installatie een compressor (18) voor het comprimeren van zuurstof houdend gas omvat, waarvan de uitlaat (20) is verbonden met de inlaatleiding (38) voor zuurstof houdend gas van een brandstofcel (24) van de hulpinrichting. 15

14. Energieopwekkingsinstallatie volgens conclusie 12 of 13, met het kenmerk dat de inlaatleidingen (22, 38) van de hulpinrichting als zijleidingen zijn gekoppeld aan de overeenkomstige leidingen (14, 20) van de energieopwekkingsinstallatie. 20

15. Energieopwekkingsinstallatie volgens een van de conclusies 12-14, met het kenmerk dat de energieopwekkingsinstallatie een gasturbine is.

16. Energieopwekkingsinstallatie volgens een van de conclusies 12- 14, met het kenmerk dat de energieopwekkingsinstallatie een verbrandingsketel is. 1024571