NL1030478C1 - Systeem met hoge temperatuur brandstofcellen. - Google Patents

Description

Korte aanduiding: Systeem met hoge temperatuur brandstofcellen.

De uitvinding betreft het een systeem met meerdere in serie geschakelde hoge temperatuur brandstofcellen, in het bijzonder Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) type brandstofcellen, voor het opwekken van ten minste elektrische energie.

5 Uit de stand van de techniek is het bekend dat hoge temperatuur brandstofcellen geschikt zijn voor "grootschalige (decentrale) energieopwekking". Dergelijke brandstofcellen, waarbij momenteel naast SOFC ook MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) toe worden gerekend, hebben een bedrijfstemperatuur boven 600 graden Celsius, voor SOFC 10 brandstofcellen bij voorkeur tussen 650 - 1000 graden Celsius. De lucht dient voor de aanvoer van zuurstof aan de brandstofcel en voor het verschaffen van waterstof kan als brandstof kan bijvoorbeeld aardgas of reeds verschafte waterstof dienen.

Bekende systemen waarin dergelijke brandstofcellen zijn 15 opgenomen zijn niet bijzonder tevredenstellend. De uitvinding betreft niet de constructie en productie van de dergelijke brandstofcellen, maar hun integratie in een systeem voor energieopwekking.

Een doel van de uitvinding is een systeem te verschaffen, waarbij hoge temperatuur brandstofcellen doelmatig kunnen worden 20 ingezet.

Een ander doel van.de onderhavige uitvinding is het voorstellen van maatregelen die leiden tot een verbeterd systeem.

In het bijzonder is een doel van de uitvinding het verschaffen van een systeem met een hoger rendement dan de bekende systemen.

25 Een ander doel van de uitvinding is maatregelen voor te stellen waardoor optimaal gebruik wordt gemaakt van de warmte in afvoergassen van het systeem.

Nog een ander doel is het verschaffen van een systeem met een geringere vervuilende uitstoot dan de bekende systemen.

30 Weer een ander doel is het verschaffen van een systeem, waarbij voor een of meer van de componenten van het systeem optimale bedrijfscondities worden geschapen, hetgeen bijvoorbeeld voordelig is voor de technische uitvoering van de betreffende component(-en).

1030478- -2-

De uitvinding verschaft een systeem volgens conclusie 1. Bijvoorbeeld zijn de brandstofcellen bestemd voor een luchttoevoer met lucht van ongeveer 900 graden Celsius. Door de maatregelen van conclusie wordt bereikt dat het effluent uit de kathode uitlaat van 5 de eerste brandstofcel, dat zich bijvoorbeeld op een temperatuur rond 1100 graden bevindt, wordt bijgemengd met "koele lucht", bijvoorbeeld van ongeveer 600 graden Celsius, zodat de temperatuur van de lucht die aan de tweede brandstofcel wordt toegevoerd ook weer 900 graden Celsius bedraagt. Hierdoor wordt het mogelijk een aanzienlijk 10 vermogen aan brandstofcellen op te nemen in een systeem met optimale condities voor elke cel.

Het zal duidelijk zijn dat de serie ook meer dan twee hoge temperatuur brandstofcellen kan bevatten, waarbij dan de "lucht bijmeng-aanpak" steeds weer wordt herhaald en elke brandstofcel weer 15 lucht met de juiste temperatuur aangevoerd krijgt.

Bij voorkeur is de brandstofbron verbonden met de anode inlaat van de eerste brandstofcel en is de anode uitlaat van de eerste brandstofcel verbonden met de anode inlaat van de tweede brandstofcel. Hierdoor wordt dan een "serieschakeling" verkregen van 20 de brandstoftoevoer aan de brandstofcellen.

Bij voorkeur omvat het systeem tussen de luchtbron en de kathode inlaat van de eerste brandstofcel een voorverwarmings-verbrandingsinrichting voor het verwarmen van uit de luchtbron afkomstige lucht, zodat verwarmde lucht wordt toegevoerd aan de 25 eerste brandstofcel. Deze voorverwarmings-verbrandingsinrichting kan in het bijzonder ook van dienst zijn bij het opstarten van het systeem.

In een voordelige uitvoering is de voorverwarmings-verbrandingsinrichting verbonden met de anode uitlaat van een of meer 30 brandstofcellen, bij voorkeur van de eerste brandstofcel in de serie.

In een voordelige uitvoering omvat het systeem een turbine, die is verbonden met de kathode uitlaat van de laatste brandstofcel van de serie, zodat de energie in de daaruit afkomstige hoge temperatuur gassen kunnen worden gebruikt voor het bedrijven van de turbine.

35 Met name indien het systeem een turbine omvat die is verbonden met de kathode uitlaat van de laatste brandstofcel in de serie, of een of meer andere kathode uitlaten van de serie, is het van voordeel als het systeem een bypassluchtverbinding voor lucht omvat tussen de 1030478“ -3- luchtbron en de kathode uitlaat van die op de turbine aangesloten brandstofcel(len) van de serie brandstofcellen. Hiermee kan wederom een verlaging van de temperatuur worden bereikt, bijvoorbeeld tot ongeveer 900 graden Celsius, hetgeen voordelig is voor de constructie 5 en het bedrijven van een dergelijke turbine.

Bij voorkeur omvat systeem een compressorsamenstel voor het comprimeren van lucht met ten minste een compressor met een luchtinlaat en een uitlaat die in verbinding staat met kathode inlaat van de eerste brandstofcel van de serie, zodat gecomprimeerde lucht 10 wordt toegevoerd aan de brandstofcel serie.

Bij voorkeur omvat het compressorsamenstel: een lagedrukcompressor met een luchtinlaat en een uitlaat, een .hogedrukcompressor met een inlaat en een uitlaat, waarbij de uitlaat van de lagedrukcompressor via een primair luchtpad in 15 verbinding staat met de inlaat van de hogedrukcompressor.

Bij voorkeur omvat het systeem een compressorturbinesamenstel voor het aandrijven van het compressorsamenstel, welk compressorturbinesamenstel een enkele compressorturbine of meerdere in serie geplaatste compressorturbines omvat, welk compressorturbinesamenstel 20 een inlaat en een uitlaat heeft, waarbij de inlaat in verbinding staat met de kathode uitlaat van de laatste brandstofcel van de serie.

Het opwekken van energie wordt bij voorkeur ook gerealiseerd doordat het systeem verder een vermogensturbine omvat met een 25 roteerbare as voor het afgeven van mechanische energie, bij voorkeur verbonden met een elektrische generator voor het opwekken van elektrische energie.

Bij voorkeur heeft de vermogensturbine een inlaat, die in verbinding staat met de uitlaat van het compressorturbinesamenstel, 30 en een afvoergassenuitlaat.

Mogelijk is in het systeem tussen de uitlaat van het compressorturbinesamenstel en de inlaat van de vermogensturbine een verbrandingsinrichting opgesteld.

In een variant zijn tussen de uitlaat van het 35 compressorturbinesamenstel en de inlaat van de vermogensturbine een of meer hoge temperatuur brandstofcellen opgesteld, bij voorkeur een serie hoge temperatuurbrandstofcellen zoals hier toegelicht.

1030478- -4-

In een systeem met een vermogensturbine omvat het systeem bij voorkeur een afvoergassenleidingstelsel, dat met een inlaateinde daarvan aansluit op de afvoergassenuitlaat van de vermogensturbine.

In een systeem met een lagedrukcompressor en een hogedruk-5 compressor omvat het systeem bij voorkeur een secundair luchtpad omvat, dat aan een inlaateinde daarvan aansluit tussen de uitlaat van de lagedrukcompressor en de inlaat van de hogedrukcompressor, zodanig dat van de uit de uitlaat van de lagedrukcompressor afkomstige gecomprimeerde lucht een primaire luchtstroom via het primaire 10 luchtpad naar de hogedrukcompressor gaat en een secundaire luchtstroom in het secundaire luchtpad komt, - en waarbij bij het secundaire luchtpad bij voorkeur waterinjectiemiddelen zijn voorzien voor het injecteren van water in de secundaire luchtstroom, 15 - en waarbij het secundaire luchtpad aan een uitlaateinde daarvan aansluit op de verbinding tussen de uitlaat van het compressorturbinesamenstel en de inlaat van de vermogensturbine.

Eventueel is in het secundaire luchtpad een ventilator is opgenomen voor het bewerkstelligen van een drukverhoging van de 20 secundaire luchtstroom.

Bij voorkeur geschiedt het voorverwarmen van de toegevoerde lucht (mede) op basis van een warmtewisselaar, die gebruik maakt van warmte in afvoergassen van het systeem, en die bijvoorbeeld is voorzien tussen het compressorsamenstel en de serie hoge temperatuur 25 brandstofcellen.

Met bijzondere voorkeur voorziet de uitvinding erin dat het systeem een of meer stoomgeneratoren omvat voor het opwekken van stoom,. waarbij een stoomgenerator bij voorkeur is verbonden met het afvoergassenleidingstelsel voor het gebruiken van warmte van de 30 afvoergassen voor het verschaffen van stoom, waarbij de stoomgenerator een uitlaat heeft die in verbinding staat met de anode uitlaat van een of meer van de brandstofcellen, bij voorkeur met een bijmengaansluiting in de verbinding tussen de anode uitlaat van een brandstofcel en de anode inlaat van een brandstofcel. Aldus wordt het 35 mogelijk ook daar optimale bedrijfscondities te handhaven.

Het zal duidelijk zijn dat bij een serie schakeling van meerdere brandstofcellen telkens tussen met elkaar verbonden anode £0304 78' -5- uitlaat en anode inlaat een dergelijke bijmenging van stoom kan plaatsvinden.

De uitvinding voorziet bij voorkeur ook in een oplossing waarbij het systeem een stoomgenerator omvat voor het opwekken van 5 stoom, waarbij de stoomgenerator bij voorkeur is verbonden met het afvoergassenleidingstelsel voor het gebruiken van warmte van de afvoergassen voor het verschaffen van stoom, en waarbij de stoomgenerator een uitlaat heeft die is verbonden met de kathode uitlaat van de laatste brandstofcel in de serie. Dit is in het 10 bijzonder voordelig indien die uitlaat is verbonden met een turbine, en zou ook kunnen worden ingezet indien een of meer andere kathode uitlaten van de serie zijn verbonden met een turbine.

In een systeem met een lagedrukcompressor en een hogedruk-compressor kunnen door de opdeling van de uit de lagedrukcompressor 15 afkomstige luchtstroom in een primaire luchtstroom en een secundaire luchtstroom optimale bedrijfscondities voor de hogedrukcompressor worden gerealiseerd, terwijl tevens een doelmatige injectie van water in de secundaire luchtstroom kan plaatsvinden.

In een mogelijke variant omvat het systeem koelmiddelen die de 20 primaire luchtstroom koelen, deze kunnen zijn uitgevoerd als water-injectiemiddelen, die dan onafhankelijk van de waterinjectiemiddelen voor de secundaire luchtstroom zijn.

Bij voorkeur is de primaire luchtstroom groter dan de secundaire luchtstroom, bijvoorbeeld bedraagt de primaire luchtstroom 25 70-90% en dè secundaire luchtstroom 10-30% van de door de lagedruk compressor afgegeven totale luchtstroom.

De secundaire luchtstroom kan stroomafwaarts van een eventueel compressorturbinesamenstel van het systeem worden samengevoegd met de primaire luchtstroom, zodat die secundaire luchtstroom op een 30 relatief lage druk kan worden gehouden. Indien de druk op het punt van samenvoeging van beide luchtstromen hoger is dan bij de uitlaat van de lagedrukcompressor kan zijn voorzien in een ventilator, een hulpcompressor, die de secundaire luchtstroom op een hogere druk brengt. Bijvoorbeeld is deze ventilator een elektrisch aangedreven 35 ventilator.

Bij voorkeur is een warmtewisselaar voorzien, die een warmteoverdracht bewerkstelligt tussen de afvoergassen in het afvoergassenleidingstelsel enerzijds en de secundaire luchtstroom anderzijds, bij 1030478- -6- voorkeur stroomafwaarts van de eerste waterinjectiemiddelen. Hierdoor wordt het mogelijk zoveel mogelijk water in de secundaire luchtstroom te brengen en te verdampen bij gebruikmaking van de warmte van de afvoergassen.

5 Opgemerkt wordt dat het begrip "waterinjectie" in het kader van de onderhavige uitvinding elke vorm van injectie van water omvat, dus ook het vernevelen van water, de injectie van voorverwarmd water of van stoom, etc.

Een mogelijke toepassing van het systeem van de uitvinding is 10 "decentrale energieopwekking" voor een (proces)installatie (bijvoorbeeld in de petrochemische industrie) of voor een gebouw, woonwijk, etc.

In een bijzondere variant voorziet de uitvinding in de plaatsing van het systeem in een " aardgaswinningveld, dichtbij een 15 of meer aardgasputten, bij voorkeur binnen een straal van 10 km van dergelijke aardgaswinningputten eventueel direct bij een aardgas-winningspuit Bijvoorbeeld kan hierdoor gebruik worden gemaakt van aardgas afkomstig uit putten die voor de aardgaswinning niet (langer) interessant zijn, bijvoorbeeld vanwege een te laag (geworden) 20 drukniveau.

Verdere voordelige uitvoeringsvormen van het systeem volgens de uitvinding zijn beschreven in de conclusies en de navolgende beschrijving aan de hand van de tekening. Daarbij toont: figuur 1 een schema van een niet-beperkend uitvoeringsvoorbeeld van 25 het systeem volgens de uitvinding, figuur 2 een deel met de serie hoge temperatuur brandstofcellen van het systeem van figuur 1.

De figuur 1 toont een systeem voor energieopwekking volgens de uitvinding.

30 Het systeem omvat een luchtbron 1 voor te verbranden lucht, hier de buitenlucht. Eventueel zou ook een andere bron die zuurstof kan leveren zijn voorzien.

Het systeem omvat verder een compressorsamenstel voor het comprimeren van de lucht. Het compressorsamenstel omvat in dit 35 voorbeeld: een lagedrukcompressor 2 met een luchtinlaat 3 en een uitlaat 4, 103 04 Zfts -7- een hogedrukcompressor 5 met een inlaat 6 en een uitlaat, waarbij de uitlaat 4 van de lagedrukcompressor in verbinding staat met de inlaat 6 van de hogedrukcompressor 5.

Verder omvat het getoonde systeem een compressorturbine-5 amenstel voor het aandrijven van de lagedrukcompressor 2 en de hogedrukcompressor 5, welk compressorturbinesamenstel hier een enkele compressorturbine 8 bevat, en welk compressorturbinesamenstel een inlaat 9 en een uitlaat 10 heeft.

De luchtcompressoren 4, 5 en de compressorturbine 8 zijn in dit 10 voorbeeld op een enkele gemeenschappelijke as 11 aangebracht.

Tussen de uitlaat 4 en de inlaat 6 strekt zich een primair luchtpad 12 uit, via welk primair pad 12 een primaire luchtstroom van de lagedrukcompressor 2 naar de hogedrukcompressor 5 gaat. Op dat primaire luchtpad 12 sluit een inlaateinde van een secundair luchtpad 15 13 aan, zodanig dat van de uit de uitlaat 4 van de lagedrukcompressor 2 afkomstige gecomprimeerde lucht een primaire luchtstroom naar de / hogedrukcompressor 5 gaat en een secundaire luchtstroom in het secundaire luchtpad 13 komt.

De opdeling van de luchtstroom uit de lagedrukcompressor 2 20 geschiedt bij voorkeur zodanig dat de primaire luchtstroom groter is dan de secundaire luchtstroom, bijvoorbeeld bedraagt de primaire luchtstroom 85% en de secundaire luchtstroom 15% van de totale luchtstroom. De verhouding tussen de beide luchtstromen kan constant zijn, bijvoorbeeld doordat het secundaire luchtpad een bepaalde 25 doorlaat heeft ten opzichte van de doorlaat van het primaire luchtpad 12. Eventueel kan zijn voorzien in regelmiddelen, bijvoorbeeld klepmiddelen, bij voorkeur in het secundaire luchtpad 13, voor het openen/sluiten en/of regelen van de grootte van de doorlaat van het secundaire luchtpad 13 ten opzichte van het primaire luchtpad 12.

30 Bij het secundaire luchtpad 13 zijn eerste waterinjectie- middelen 15 voorzien voor het injecteren van water in de secundaire luchtstroom.

Voor het koelen van de primaire luchtstroom in het primaire luchtpad 12 zijn koelmiddelen, hier met een warmtewisselaar 17 35 voorzien.

Zoals algemeen bekend wordt met de injectie van water, op welke wijze dan ook, een afkoeling van de lucht en een vergroting van de .... . massastroom in. het systeem beoogd, hetgeen .diverse voordelen biedt.

1030478' -8-

Stroomopwaarts van de eerste waterinjectiemiddelen 15 kan zijn voorzien in een ventilator bij het secundaire luchtpad 13 voor het bewerkstelligen van een beperkte drukverhoging van de secundaire luchtstroom. Deze ventilator kan een gering vermogen hebben en 5 eventueel elektrisch aangedreven zijn.

Het systeem omvat een warmtewisselaar (of recuperator) 20 die uit de uitlaat van het compressorsamenstel afkomstige lucht opwarmt met gebruikmaking van warmte die wordt onttrokken aan afvoergassen van het systeem zoals verderop zal worden toegelicht.

10 Tussen het compressorsamenstel, hier stroomafwaarts van de warmtewisselaar 20, enerzijds en de compressorturbine 8 anderzijds omvat het systeem een brandstofcellen-opstelling die meer in detail is weergegeven in figuur 2.

Het systeem omvat een brandstofbron 21 voor een brandstof, in 15 dit voorbeeld voor aardgas, of in een variant waterstof.

De brandstofcellen-opstelling omvat meerdere hoge temperatuur | brandstofcellen in serie voor het opwekken van ten minste elektrische j energie, in het bijzonder Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) brandstofcellen. j 20 In het getoonde voorbeeld zijn een eerste, tweede en derde hoge j temperatuur brandstofcel, respectievelijk aangeduid met verwijzings-cijfer 30, 40 en 50 getoond.

Deze brandstofcellen 30, 40, 50 zijn in serie geschakeld op de navolgende voorkeurswijze. 1 25 Elk van de brandstofcellen 30, 40, 50 heeft een bijbehorende anode inlaat (a) voor een brandstof, bijvoorbeeld aardgas, en een anode uitlaat (b), alsmede een kathode inlaat (c) voor lucht, en een kathode uitlaat (d), en verder een elektrische aansluiting voor het afgeven van opgewekte elektrische energie (e).

30 Het weergegeven deel omvat een voorverwarmings-verbrandings- inrichting 60 voor het verwarmen van uit het compressorsamenstel, hier reeds voorverwarmd door de warmtewisselaar 20, afkomstige lucht onder druk, zodat verwarmde lucht onder druk wordt toegevoerd aan de eerste brandstofcel 30. Bijvoorbeeld bedraagt die druk ongeveer 9 bar 35 bij een temperatuur van 900 graden Celsius.

In de weergave van figuren 1 en 2 is te herkennen dat de kathode inlaat (c) van de eerste brandstofcel 30 is aangesloten op het voorverwarmings-verbrandingsinrichting 60.

103 04 Zö" -9-

De kathode uitlaat (d) van de eerste brandstofcel 30 is verbonden met de kathode inlaat (c) van de tweede brandstofcel 40, en de kathode uitlaat (d) van tweede brandstofcel 40 is hier verbonden met de kathode inlaat (c) van de derde en hier laatste brandstofcel 5 50 in de serie.

Verder is in deze voorkeursopstelling de anode inlaat (a) van de eerste brandstofcel 30 verbonden met de brandstofbron 21. De anode uitlaat (b) van de eerste brandstofcel 30 is verbonden met de anode inlaat (a) van de tweede brandstofcel (40), en de anode uitlaat (b) 10 van de tweede brandstofcel (40) is verbonden met de anode inlaat (a) van de derde brandstofcel (50).

In dit voorbeeld is de anode uitlaat (b) van de derde brandstofcel 50 verbonden met de voorverwarmingsverbrandingsinrichting 60 voor het toevoeren van brandstof aan die verbrandingsinrichting.

15 Te herkennen is verder een bypassluchtverbinding 31 voor lucht, die is voorzien tussen de luchtbron 1 enerzijds, hier stroomafwaarts van het compressorsamenstel en de warmtewisselaar 20, en anderzijds een bijmengaansluiting 31 tussen de kathode uitlaat (d) van de eerste brandstofcel 30 en de kathode inlaat (c) van de tweede brandstofcel 20 40.

Een soortgelijke bypassluchtverbinding 41 is ook voorzien tussen de luchtbron 1, hier stroomafwaarts van het compressorsamenstel en de warmtewisselaar 20, en een bijmengaansluiting 42 tussen de kathode uitlaat (d) van de tweede brandstofcel 40 en de 25 kathode inlaat (c) van de derde brandstofcel 50.

Een verdere bypassluchtverbinding 51 is in dit voorbeeld voorzien tussen de luchtbron 1, hier stroomafwaarts van het compressorsamenstel en de warmtewisselaar 20, en een bijmeng-aansluiting 52 bij de kathode uitlaat (d) van de derde, en hier 30 laatste brandstofcel 50 van de serie.

Aldus is een opstelling van meerdere hoge temperatuur brandstofcellen in serie verkregen, waarbij telkens de kathode inlaat van een brandstofcel is verbonden met de kathode uitlaat van de -gezien in de richting van de luchtaanvoer voorgaande - brandstofcel, 35 en waarbij een bypassluchtverbinding is voorzien tussen de luchtbron en een bijmengaansluiting tussen de met elkaar verbonden kathode uitlaat en de kathode inlaat van opeenvolgende brandstofcellen.

1030478' -10-

Het systeem omvat verder een vermogensturbine 70, ook wel power turbine genoemd, hier met een roteerbare as 71 voor het afgeven van mechanische energie, bijvoorbeeld voor het aandrijven van een elektrische generator 72.

5. De vermogensturbine 70 heeft een inlaat 73, die hier in verbinding staat met de uitlaat van de compressorturbine 8.

Tussen die compressorturbine 8 en de vermogensturbine 70 is hier voorzien in een verdere serie van hoge temperatuur brandstofcellen, (100) bij voorkeur met een opbouw zoals hiervoor toegelicht. 10 Als alternatief kan zijn voorzien in een lagedrukverbrandings-inrichting.

De vermogensturbine 70 heeft verder een afvoergassenuitlaat 75.

De installatie heeft verder een afvoergassenleidingstelsel, dat met een inlaateinde 80 daarvan aansluit op de afvoergassenuitlaat 75 15 van de vermogensturbine 70. In het schema is dit vanwege de duidelijkheid op twee plaatsen weergegeven.

Het secundaire luchtpad 13 sluit in dit voorbeeld met een uitlaateinde 13b daarvan aan op de verbinding tussen de uitlaat 10 van de compressorturbine 8 en de inlaat van de opstelling 100 van 20 hoge temperatuur brandstofcellen of een eventuele lagedruk-verbrandingsinrichting op die positie.

Het afvoergassenleidingstelsel omvat een primair afvoergassen-pad 82 en een secundair afvoergassenpad 81, welke beide paden 81, 82 aansluiten op de uitlaat 75 van de vermogensturbine 70, zodat een 25 primaire afvoergassenstroom in het primaire afvoergassenpad 82 komt en een secundaire afvoergassenstroom in het secundaire afvoergassenpad 81 komt.

Bij voorkeur is de primaire afvoergassenstroom groter dan de secundaire afvoergassenstroom, bijvoorbeeld is de verhouding tussen 30 de afvoergassenstromen ongeveer dezelfde als de verhouding tussen de primaire en de secundaire luchtstroom.

Een secundaire luchtstroom warmtewisselaar 90 bewerkstelligt een warmteoverdracht tussen de afvoergassen in het afvoergassenleidingstelsel en de secundaire luchtstroom, bij voorkeur stroom-35 afwaarts van de waterinjectiemiddelen 15.

Een brandstofverwarmings-warmtewisselaar 91 bewerkstelligt een warmteoverdracht tussen de afvoergassenstroom en de brandstof die aan de opstelling van hoge temperatuur brandstofcellen wordt toegevoerd.

10304 78- -11-

Deze warmtewisselaar 91 is bij voorkeur opgenomen in de secundaire afvoergassenstroom.

De warmtewisselaar 20 (ook wel recuperator genoemd) bewerkstelligt warmteoverdracht tussen de primaire afvoergassenstroom in 5 het primaire pad 82 enerzijds en de luchtstroom naar de serie brandstofcellen, hier stroomopwaarts van de voorverwarmings-verbrandingsinrichting 60.

De warmtewisselaars zijn bij voorkeur ingericht om zoveel mogelijk warmte aan de afvoergassen te onttrekken voordat deze 10 afvoergassen worden uitgestoten. Zoals te zien bij 63 komen alle stromen afvoergassen hier samen.

In het getoonde systeem vindt tevens warmteoverdracht plaats tussen de afvoergassenstroom en de secundaire luchtstroom ter plaatse of in de directe nabijheid van de waterinjectie 15, hier middels 15 warmtewisselaar 64.

Terugwinning van het geïnjecteerde water kan eventueel geschieden door nabij de uitlaat van het afvoergassenleidingstelsel water te injecteren dat samen met het eerder geïnjecteerde water wordt opgevangen.

20 In een voorkeursuitvoering worden de afvoergassen door een condensor afgevoerd, bij voorkeur zodanig dat de afvoergassen door een of meer gordijnen van koelwater gaan. Dit.levert een terugwinning van het geïnjecteerde water en stoom op, alsmede een wassing van de afvoergassen, zodat het systeem in feite emissievrij functioneert.

25 In een variant is een lagedrukverbrandingsinrichting geplaatst in het secundaire luchtpad 13 voor het verbranden van een geschikt mengsel van de secundaire luchtstroom en een brandstof.

In de getoonde installatie zijn verder een eerste en eventueel een tweede stoomgenerator 110, 120 getoond, die stoom verschaffen. De 30 stoomopwekking geschiedt deels of geheel, zoals de voorkeur heeft, door het onttrekken van warmte aan de afvoergassen. Hier, zoals de voorkeur heeft, vindt die onttrekking plaats stroomafwaarts van de afvoergassenstroom door de recuperator 20, hier uit het primaire afvoergassenpad.

35 De stoom verkregen door de een of meer stoomgeneratoren 110, 120 van het systeem wordt hier via een uitlaat van die stoomgenerator via een niet getoonde stoomleiding toegevoerd aan de uitstroom uit een anode uitlaat (b) van een of meer van de brandstofcellen in het 1030478" -12- systeem. Dit maakt een koeling van die uitstroom mogelijk alsmede een verplaatsing van vermogen in het systeem hetgeen de efficiency vergroot.

Te zien zijn stoom-bijmengaansluitingen 111, 112 (zie figuur 2) 5 in de verbinding tussen de anode uitlaat van een brandstofcel en de anode inlaat van een navolgende brandstofcel in de serie brandstofcellen. Verder is te zien een stoom-bijmengaansluiting 113 bij de anode uitlaat (b) van de laatste brandstofcel 50 in de serie.

Een stoomgenerator is bij voorkeur met de kathode uitlaat (d) 10 van de laatste brandstofcel 50 in de serie, bij voorkeur indien op die uitlaat verder een turbine 8 aansluit zoals in dit voorbeeld. Bij voorkeur is daarbij voorzien in temperatuurregelmiddelen die een regelen van de stoomtoevoer mogelijk maken ten behoeve van het instellen van een in hoofdzaak constante temperatuur van de toevoer 15 aan die turbine 8. In dit voorbeeld is daartoe stoom-bijmengaansluiting 114 voorzien.

In een variant kan erin zijn voorzien dat in plaats van een enkele compressorturbine meerdere compressorturbines aanwezig zijn, bijvoorbeeld zodanig dat een compressorturbine de lagedrukcompressor 20 aandrijft en een andere compressorturbine de hogedrukcompressor.

In weer een variant kan erin zijn voorzien dat een compressorturbine een elektrische generator aandrijft en dat. voor het aandrijven van een of meer compressoren van het compressorsamenstel elektrische aandrijfmotoren zijn voorzien, die gekoppeld zijn met de 25 elektrische generator.

Het injecteren van water in de secundaire luchtstroom en het toevoeren van aan de afvoergassen onttrokken warmte aan die secundaire luchtstroom kan ook op andere wijzen plaatsvinden dan in de figuur getoond. Zo kunnen een of meer warmtewisselaars 30 stroomopwaarts van de waterinjectiemiddelen zijn opgesteld of kunnen de waterinjectiemiddelen op dezelfde plaats zijn opgesteld als een warmtewisselaar of kunnen de waterinjectiemiddelen tussen de warmtewisselaars zijn opgesteld.

Zoals eerder genoemde kan de waterinjectie op velerlei manieren 35 plaatsvinden afhankelijk van de situatie, bijvoorbeeld in de vorm van nevel, stoom. In dit kader wordt opgemerkt, dat alhoewel minder voordelig, op de plaatsen van de eerder beschreven stoominjectie ook waterinjectie kan geschieden.

103 04 78- -13-

Bij wijze van niet-beperkend voorbeeld zijn hieronder de temperaturen vermeld die kunnen heersen in de installatie zoals weergegeven in figuur 1.

- Uit lagedrukcompressor 2 afkomstige lucht 125°C.

5 - Luchtstroom stroomafwaarts van recuperator 20 640°C bij 9 bar.

- Luchtstroom na voorverwarmings-verbrandingsinrichting 60 900°C.

- Luchtstroom bij anode uitlaat (d) van elke brandstofcel 1100°C.

- Luchtstroom na bypassluchtbijmenging bij 32,42,52 900°C.

- Afvoergassenstroom bij uitlaat vermogensturbine 640°C.

10 Elektrisch vermogen brandstofcel 30 210 KW

Elektrisch vermogen brandstofcel 40 380 KW Elektrisch vermogen brandstofcel 50 690 KW

15 1030478-

Claims (32)

1. Systeem met meerdere hoge temperatuur brandstofcellen in serie voor het opwekken van ten minste elektrische energie, in het 5 bijzonder met Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) brandstofcellen, welk systeem omvat: een luchtbron voor lucht, een brandstofbron voor een brandstof, bijvoorbeeld aardgas, ten minste een eerste en een tweede hoge temperatuur brandstofcel 10 die in serie zijn geschakeld, elke brandstofcel omvattende een anode inlaat voor brandstof, en een anode uitlaat, alsmede een kathode inlaat voor lucht, en een kathode uitlaat, en verder een elektrische aansluiting voor het afgeven van opgewekte elektrische energie, 15. waarbij de kathode inlaat van de eerste brandstofcel is aangesloten op de luchtbron, waarbij de anode inlaat van elke brandstofcel is aangesloten op de brandstofbron, waarbij de kathode uitlaat van de eerste brandstofcel is verbonden 20 met de kathode inlaat van de tweede brandstofcel, en waarbij een bypassluchtverbinding voor lucht is voorzien tussen de luchtbron enerzijds en anderzijds een bijmengaansluiting tussen de kathode uitlaat van de eerste brandstofcel en de kathode inlaat van de tweede brandstofcel. 25

2. Systeem volgens conclusie 1, waarbij de brandstofbron is verbonden met de anode inlaat van de eerste brandstofcel en de anode inlaat van de tweede brandstofcel is verbonden met de anode uitlaat van de eerste brandstofcel voor het toevoeren van brandstof aan de 30 tweede brandstofcel.

3. Systeem volgens conclusie 1 of 2, waarbij het systeem een of meer additionele in serie geschakelde hoge temperatuur brandstofcellen omvat, waarbij telkens de kathode inlaat van een brandstofcel 35 is verbonden met de kathode uitlaat van de - gezien in de richting van de luchtaanvoer voorgaande - brandstofcel, en waarbij voor elke additionele brandstofcel een bypassluchtverbinding is voorzien tussen de luchtbron en een bijmengaansluiting tussen de kathode uitlaat van 1030478* -15- de voorgaande brandstofcel en de kathode inlaat van de additionele brandstofcel.

4. Systeem volgens conclusie 2 en 3, waarbij de anode inlaat van 5 de additionele brandstofcel is verbonden met de anode uitlaat van die voorgaande brandstofcel.

5. Systeem volgens een of meer van de voorgaande conclusies, waarbij het systeem een bypassluchtverbinding voor lucht omvat tussen 10 de luchtbron en de kathode uitlaat van de laatste brandstofcel van de serie brandstofcellen.

6. Systeem volgens een of meer van de voorgaande conclusies, waarbij het systeem tussen de luchtbron en de kathode inlaat van de 15 eerste brandstofcel een voorverwarmingsinrichting, bij voorkeur met een verbrandingsinrichting, omvat voor het verwarmen van uit de luchtbron afkomstige lucht, zodat verwarmde lucht wordt toegevoerd aan de eerste brandstofcel.

7. Systeem volgens conclusie 6, waarbij de voorverwarmings- verbrandingsinrichting voor de toevoer van brandstof daaraan is verbonden met de anode uitlaat van een of meer brandstofcellen, bij voorkeur van de laatste brandstofcel in de serie.

8. Systeem volgens een of meer van de voorgaande conclusies, waarbij het systeem verder een turbine omvat, die is verbonden met de kathode uitlaat van de laatste brandstofcel van de serie brandstofcellen.

9. Systeem volgens een of meer van de voorgaande conclusies, waarbij het systeem verder een compressorsamenstel omvat voor het comprimeren van lucht met ten minste een compressor met een luchtinlaat en een uitlaat die in verbinding staat met kathode inlaat van de eerste brandstofcel van de serie, zodat gecomprimeerde lucht 35 wordt toegevoerd aan die brandstofcel en een of meer bypassluchtverbindingen en bijbehorende bijmengaansluiting van de serie brandstofcellen. *030478- -Ιβ-

10. Systeem volgens conclusie 9, waarbij het compressorsamenstel omvat: een lagedrukcompressor met een luchtinlaat en een uitlaat, een hogedrukcompressor met een inlaat en een uitlaat, waarbij 5 de uitlaat van de lagedrukcompressor via een primair luchtpad in verbinding staat met de inlaat van de hogedrukcompressor.

11. Systeem volgens conclusie 9 of 10, waarbij het systeem verder een compressorturbinesamenstel omvat voor het aandrijven van het 10 compressorsamenstel, welk compressorturbinesamenstel een enkele compressorturbine of meerdere in serie geplaatste compressorturbines omvat, welk compressorturbinesamenstel een inlaat en een uitlaat heeft, waarbij de inlaat van het compressorturbinesamenstel bij voorkeur in verbinding staat met de kathode uitlaat van de laatste 15 brandstofcel van de serie.

12. Systeem volgens een of meer van de voorgaande conclusies, waarbij het systeem een vermogensturbine omvat voor het afgeven van mechanische energie, bij voorkeur verbonden met een bij het systeem 20 behorende elektrische generator voor het opwekken van elektrische energie.

13. Systeem volgens conclusies 11 en 12, waarbij de vermogensturbine een inlaat heeft, die in verbinding staat met de uitlaat van 25 het compressorturbinesamenstel, en een afvoergassenuitlaat heeft.

14. Systeem volgens conclusies 11 en 12, waarbij in het systeem tussen de uitlaat van het compressorturbinesamenstel en de inlaat van de vermogensturbine een verbrandingsinrichting is opgesteld. 30

15. Systeem volgens conclusies 11 en 12, waarbij tussen de uitlaat van het compressorturbinesamenstel en de inlaat van de vermogensturbine een of meerdere hoge temperatuur brandstofcellen zijn opgesteld, bij voorkeur een serie hoge temperatuurbrandstofcellen 35 volgens conclusie 1. 10304 78· -17-

, 16. Systeem volgens conclusie 13, waarbij het systeem een afvoergassenleidingstelsel omvat, dat met een inlaateinde daarvan aansluit op de afvoergassenuitlaat van de vermogensturbine'.

17. Systeem volgens conclusie 10, waarbij het systeem een secundair luchtpad omvat, dat aan een inlaateinde daarvan aansluit tussen de uitlaat van de lagedrukcompressor en de inlaat van de hogedruk-compressor, zodanig dat van de uit de uitlaat van de lagedrukcompressor afkomstige gecomprimeerde lucht een primaire luchtstroom 10 via het primaire luchtpad naar de hogedrukcompressor gaat en een secundaire luchtstroom in het secundaire luchtpad komt, waarbij het secundaire luchtpad bij voorkeur aan een uitlaateinde daarvan aansluit op de verbinding tussen de uitlaat van het compressor-turbinesamenstel en de inlaat van de vermogensturbine. 15

18. Systeem volgens een of meer van de voorgaande conclusies, waarbij het systeem waterinjectiemiddelen omvat, bij voorkeur voor het injecteren van water in het secundaire luchtpad volgens conclusie 17. 20

19. Systeem volgens conclusie 17, waarbij in het secundaire luchtpad een ventilator is opgenomen voor het bewerkstelligen van een drukverhoging van de secundaire luchtstroom. 25

.20. Systeem volgens conclusies 16 en 17, waarbij een secundaire luchtstroom warmtewisselaar is voorzien, die een warmteoverdracht bewerkstelligt tussen de afvoergassen in het afvoergassenleidingstelsel en de secundaire luchtstroom, bij voorkeur stroomafwaarts van de eventuele waterinjectiemiddelen. 30

21. Systeem volgens een of meer van de voorgaande conclusies, waarbij een afvoergassenleidingstelsel een primair afvoergassenpad en een secundair afvoergassenpad omvat, die aansluiten op de uitlaat van een turbine, bij voorkeur een vermogensturbine, zodat een primaire 35 afvoergassenstroom in het primaire afvoergassenpad komt en een secundaire afvoergassenstroom in het secundaire afvoergassenpad komt, waarbij een warmtewisselaar of recuperator warmteoverdracht van het primaire afvoergassenpad naar de luchttoevoer aan de serie hoge 4030478- -18- temperatuur brandstofcellen bewerkstelligt, en de eventuele secundaire luchtstroom een warmteoverdracht bewerkstelligt tussen de secundaire afvoergassenstroom en de secundaire luchtstroom.

22. Systeem volgens een of meer van de voorgaande conclusies, waarbij een warmtewisselaar is voorzien voor het opwarmen van de brandstof voor de serie hoge temperatuur brandstofcellen.

23. Systeem volgens een of meer van de voorgaande conclusies, 10 waarbij het systeem een of meer stoomgeneratoren omvat voor het opwekken van stoom, waarbij een stoomgenerator bij voorkeur is verbonden met het afvoergassenleidingstelsel van een vermogensturbine voor het gebruiken van warmte van de afvoergassen voor het verschaffen van de stoom, bij voorkeur stroomafwaarts van een 15 eventuele warmtewisselaar of recuperator, waarbij de stoomgenerator een uitlaat heeft die in verbinding staat met de anode uitlaat van een of meer van de brandstofcellen, bij voorkeur met een bijmengaansluiting in de verbinding tussen de anode uitlaat van een brandstofcel en de anode inlaat van een navolgende brandstofcel in de 20 serie brandstofcellen.

24. Systeem volgens een of meer van de voorgaande conclusies, waarbij het systeem een stoomgenerator omvat voor het opwekken van stoom, waarbij de stoomgenerator bij voorkeur is verbonden met het 25 afvoergassenleidingstelsel voor het gebruiken van warmte van de afvoergassen voor het verschaffen van stoom, en waarbij de stoomgenerator een uitlaat heeft die is verbonden met de kathode uitlaat van de laatste brandstofcel in de serie, waarbij bij voorkeur op die uitlaat verder een turbine aansluit, en waarbij bij voorkeur 30 temperatuurregelmiddelen zijn voorzien die een regelen van de stoomtoevoer mogelijk maken ten behoeve van het instellen van een in hoofdzaak constante temperatuur van de toevoer aan die turbine.

25. Systeem volgens conclusie 10, waarbij het systeem een vierde 35 warmtewisselaar omvat voor het koelen van de primaire luchtstroom tussen de uitlaat van de lagedrukcompressor en de inlaat van de hogedrukcompressor, welke vierde warmtewisselaar bij voorkeur is opgenomen in een voedingswaterleiding van een in het systeem 1030478- -19- aanwezige stoomgenerator en/of waterinjectiemiddel voor het opwarmen van dat voedingswater.

26. Systeem volgens conclusie 10, waarbij het compressorturbine- 5 samenstel een enkele compressorturbine bevat, die op een gemeenschappelijke as is aangebracht met een compressor, bijvoorbeeld met de lagedrukcompressor en de hogedrukcompressor indien aanwezig.

27. Systeem volgens conclusie 10, waarbij het compressorturbine-10 samenstel een elektrische generator aandrijft en waarbij voor het aandrijven van een of meer compressoren van het compressorsamenstel elektrische aandrijfmotoren zijn voorzien, die gekoppeld zijn met de elektrische generator.

28. Systeem volgens een of meer van de voorgaande conclusies, waarbij de serie van hoge temperatuur brandstofcellen is gecombineerd met een stroomafwaarts daarvan opgenomen (gas)turbine, die eventueel is voorzien van een of meer van de volgende aspecten: compressortussenkoeling, recuperatie, herverhitting van het aan de 20 turbine toegevoerde medium, waterinjectie, stoominjectie, enkel- of meerassige uitvoering van de turbine.

29. Systeem volgens een of meer van de voorgaande conclusies, waarbij de serie van hoge temperatuur brandstofcellen is toegepast in 25 een droogsysteem voor het verkrijgen van een droogproces, bijvoorbeeld voor een hete-lucht droogproces of in een systeem in combinatie met een verbrandingsketel, bijvoorbeeld voor een fornuis in de chemische industrie.

30. Systeem volgens een of meer van de voorgaande conclusies, waarbij het systeem een warmte-kracht systeem is voor het verschaffen van warmte en elektrisch vermogen.

31. Systeem volgens een of meer van de voorgaande conclusies, 35 waarbij de serie van hoge temperatuur brandstofcellen als stand-alone energie opwekkingssysteem is uitgevoerd, bijvoorbeeld voor het verschaffen van elektrisch vermogen. I03Q478' -20-

32. Systeem volgens een of meer van de voorgaande conclusies, waarbij het systeem een condensor omvat voor afvoergassen, bijvoorbeeld een condensor waarbij de afvoergassen een of meerdere malen een watergordijn passeren met koelwater, welk koelwater 5 eventueel wordt teruggevoerd naar een of meer waterinjectiemiddelen en/of stoomgeneratoren van het systeem. 10 f030478-