DE19642939A1 - Kraft- bzw. Leistungszyklus mit indirekt befeuerter Gasturbine und zwei Brennstoffzellen - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine inte­ grierte Brennstoffzellen-Kraftwerksanlage, und näherhin eine Kombination aus Zyklen bzw. Kreisläufen, worin ein erster Brennstoffzellenzyklus einem indirekt befeuerten bzw. be­ heizten Gasturbinenzyklus vor- bzw. übergeschaltet ist und ein zweiter Brennstoffzellenzyklus dem Gasturbinenzyklus nach- bzw. untergeschaltet ist, derart, daß die Zyklen in einer Tandem-Betriebsanordnung thermisch integriert sind. Die US-Regierung besitzt Rechte an der vorliegenden Erfin­ dung aufgrund von Dienst- bzw. Anstellungsverträgen zwischen dem US-Department of Energy und den Erfindern.

Gasturbinen und Brennstoffzellen sind bekannte Vorrichtungen zur Verwendung bei der Erzeugung elektrischer Energie. Man hat bereits sowohl Gasturbinenzyklen bzw. -kreisläufen wie Brennstoffzellenzyklen bzw. -kreisläufen jeweils Dampf­ turbinenzyklen bzw. -kreisläufe zur gemeinsamen Erzeugung elektrischer Leistung nachgeschaltet. Bei Zyklen mit Verwen­ dung einer Brennstoffzelle wurden zur Druckbeaufschlagung des Systems Kompressoren verwendet, welche der Kathode der Brennstoffzelle einen Strom komprimierter Luft zuführen. Dabei wurde jedoch die komprimierte Luft nicht voll ausge­ nützt, bis zur US-Patentschrift 5 449 568 der Anmelderin, bei welcher der Luftstrom mit dem Austrittsstrom aus einer einer Gasturbine nachgeschalteten Brennstoffzelle mit ge­ schmolzenem Carbonat-Elektrolyten erhitzt wird. Zur Verbesse­ rung der Brennstoffzellenleistung wird dem Luftstrom Kohlen­ stoffdioxid zugesetzt, wobei das resultierende Gemisch eine elektrochemische Reaktion mit an der Anode der Brennstoff­ zelle eingeführtem Brennstoff erfährt. Die Brennstoffzelle erzeugt elektrische Energie und liefert heiße Gasströme, die zur Dampferzeugung für einen nach- bzw. untergeschalteten Dampfturbinenzyklus verwendet werden, der mit einem geeigne­ ten elektrischen Generator gekoppelt ist.

Eine Abwandlung eines derartigen kombinierten Zyklus weist eine Brennstoffzelle mit einer nach- bzw. untergeschalteten Gasturbine anstelle des Dampfturbinenzyklus auf, derart, daß Restwärmeenergie in dem Kathodenaustrittsstrom direkt in der Gasturbine zur Herstellung elektrischer Leistung extrahiert werden kann. Ein derartiges System ist in der US-Patent­ schrift 4 921 765 (Gmeindl et al.) der Anmelderin vom 1. Mai 1990 beschrieben, die hiermit im Wege der Verweisung mit zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemacht wird.

Gemäß einer anderen Abwandlung von aus Gasturbine und Brenn­ stoffzelle kombinierten Zyklen bzw. Kreisläufen wird ein direkt befeuerter Gasturbinenzyklus mit einem Brennstoff­ zellenzyklus zur Erzeugung des zum Antrieb der Gasturbine dienenden heißen Gasstroms kombiniert, derart, daß elektri­ sche Energie sowohl in dem Gasturbinenzyklus wie in dem Brennstoffzellenzyklus erzeugt wird.

Diese bekannten kombinierten Kreisläufe ermöglichen zwar die gemeinsame Erzeugung elektrischer Energie bzw. Leistung, je­ doch haben sich diese Systeme als ungeeignet zur Energie- bzw. Leistungsumwandlung mit hohen Wirkungsgraden erwiesen. Der Hauptgrund für diese Unzulänglichkeit besteht darin, daß derzeit verfügbare Brennstoffzellen, wie beispielsweise Brennstoffzellen mit geschmolzenem Carbonat-Elektrolyten, wie in der vorstehend erwähnten Patentschrift der Anmelderin beschrieben, nur bei Drucken bis etwa 6 Atm betrieben werden können, derart, daß sie Turbinenantriebsgasströme bei Drucken liefern, die kleiner als die für den Betrieb einer Gasturbine mit gutem Wirkungsgrad erforderlichen Drucke sind.

In dem Bestreben, den Wirkungsgrad dieser Art kombinierter Zyklen zu verbessern, wurde einem indirekt befeuerten Gas­ turbinenzyklus ein Zyklus einer Brennstoffzelle mit ge­ schmolzenem Carbonat-Elektrolyten (molten carbonate fuel­ cell (MCFC)) nach- bzw. untergeschaltet, wobei die Gastur­ bine mit einem optimalen Druck für eine wirksame Energie- bzw. Leistungsumwandlung betrieben wird. Bei dieser Kombi­ nationszyklusanordnung wird die Gasturbine mit indirekt er­ hitzter Luft bei einem für den Turbinenbetrieb mit gutem Wirkungsgrad geeigneten Druck angetrieben, während die Aus­ trittsströmung der Turbine, die sich auf einem beträchtlich niedrigeren Druck als die Einlaßströmung der Gasturbine be­ findet, direkt in dem Brennstoffzyklus für die elektrochemi­ sche Reaktion ausgenutzt wird. Ein derartiges System ist in der US-Patentschrift 5 449 568 (Micheli et al.) der Anmelde­ rin vom 12. September 1995 beschrieben, die im Wege der Inbezugnahme mit zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemacht wird.

Das System gemäß der vorstehend erwähnten Patentschrift weist einen Kompressor zur Erzeugung eines Stroms kompri­ mierter vorerhitzter Luft für die Gasturbine auf. Die kom­ primierte Luft wird in einem indirekten Wärmetauscher er­ hitzt, der mit einem Strom erhitzter Gase aus einer Ver­ brennungsvorrichtung gespeist wird, der Hilfsbrennstoff zu­ sammen mit den Austrittsgasen aus den Elektrodenkammern der MCFC-Brennstoffzelle zugeführt wird. Die Eintrittsseite der Kathodenkammer der Brennstoffzelle ist mit der Austritts­ seite der Gasturbine verbunden und erhält von dieser die aus ihr austretende erhitzte Luft. Die Hauptbrennstoffzufuhr er­ folgt an der Einlaßseite der Anodenkammer der Brennstoff­ zelle in Form eines gasförmigen Kohlenwasserstoffbrenn­ stoffs, wie beispielsweise Heizgas oder Erdgas. Dieser Brennstoff wird intern zu Wasserstoff und CO an der Zellen­ anode reformiert zur Durchführung der elektrochemischen Re­ aktion mit dem der Kathode der Brennstoffzelle zugeführten Strom heißer Luft zum Zweck der galvanischen Erzeugung elek­ trischer Energie. Die erhitzten Gase an den Anoden- und Kathodenausgängen dienen zur Aufbringung von wenigstens einem Teil der Wärme für den ankommenden druckbeaufschlagten Luftstrom in dem Wärmetauscher.

Zur Erzeugung von ausreichendem CO₂ für den Betrieb der MCFC-Brennstoffzelle wird ein Teil der heißen Gasströmung von der Kathode in einem geeigneten katalytischen Reaktions­ behälter mit der Strömung heißer Gase, einschließlich rest­ licher Brennstoffwerte von der Anode, kombiniert zur Erzeu­ gung von Kohlenstoffdioxid. Das Kohlenstoffdioxid in der Austrittsströmung heißer Gase aus dem katalytischen Reak­ tionsbehälter wird in einem CO₂-Separator abgetrennt und mit dem aus der Gasturbine austretenden heißen Luftstrom ge­ mischt und der Kathodenreaktionskammer der Brennstoffzelle zugeführt.

Die nutzbare Wärme aus der Strömung heißer Gase, die aus dem Wärmeaustauscher austreten, kann weiter in verschiedener Weise zur Energie- bzw. Leistungserzeugung genutzt werden, zur weiteren Verbesserung des Systemwirkungsgrads. Auch wird, indem man die heißen Austrittsgase aus der Brennstoff­ zelle zur teilweisen Erhitzung der komprimierten Luft in dem Wärmetauscher des Gasturbinenzyklus verwendet, etwa 35 bis 40% der erforderlichen Wärme aufgebracht, um die kompri­ mierte Luft am Eintritt auf eine geeignete Gasturbinenbe­ triebstemperatur im Bereich von etwa 1600 bis 2600°F (ca. 870 bis 1427°C) zu bringen. Diese Anordnung verringert den Brennstoffbedarf für die Erhitzung der Austrittsluft des Kompressors auf die gewünschte Gasturbinen-Eintrittstempera­ tur erheblich.

Durch die Anwendung eines indirekt befeuerten Gasturbinen­ zyklus, dem ein Brennstoffzellenzyklus nach- bzw. unterge­ schaltet ist, werden, verglichen mit einem Brennstoffzellen­ zyklus mit einer nach- bzw. untergeschalteten Dampfturbine, viele hardwaremäßige Einschränkungen überwunden; jedoch ver­ bleiben bei diesen Typen kombinierter Kreisläufe Wirkungs­ gradmängel, insofern dem System zur thermischen Potenzierung zusätzlicher Brennstoff zugeführt werden muß, sowie durch das Erfordernis eines Anoden-Kathoden-Rezykliersystems zur Erzeugung von für die Kathodenreaktion der Schmelzcarbonat- Brennzelle erforderlichem CO₂. Es besteht daher ein Be­ dürfnis nach einem integrierten Brennstoffzellen-Energie- bzw. -Leistungserzeugungssystem mit verbesserter thermischer Integration und höheren Betriebswirkungsgraden.

Zusammenfassung der Erfindung

Im Hinblick des vorstehend erwähnten Bedürfnisses besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung in der Schaffung eines verbesserten integrierten Energie- bzw. Leistungserzeugungs­ systems mit Brennstoffzellen.

Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaf­ fung eines verbesserten integrierten Brennstoffzellen- Energie- bzw. -Leistungserzeugungssystems, das keinen zu­ sätzlichen Brennstoff zur thermischen Potenzierung benötigt.

Des weiteren ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung die Schaffung eines verbesserten thermisch integrierten Energie- bzw. Leistungserzeugungssystems gemäß der vorstehenden Ziel­ setzung, bei welchem einem Turbinenzyklus eine Festkörper­ oxid-Brennstoffzelle (solid oxide fuel cell (SOFC)) vor- bzw. aufgeschaltet (′topped′) und eine MCFC-Brennstoffzelle nach- bzw. untergeschaltet (bottomed) ist.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaf­ fung eines verbesserten Energie- bzw. Leistungserzeugungs­ systems mit integrierter Brennstoffzelle gemäß der vorher­ gehenden Zielsetzung, bei welchem das für den Betrieb der MCFC-Brennstoffzelle erforderliche CO₂ in der dem Turbi­ nenzyklus vor- bzw. aufgeschalteten SOFC-Brennstoffzelle er­ zeugt und kaskadenartig durch das System zur MCFC-Kathode geführt wird.

Zusammengefaßt betrifft die vorliegende Erfindung ein kombi­ niertes Brennstoffzellen- und Gasturbinenzyklussystem, wel­ ches zwei Brennstoffzellenzyklen in Kombination mit einem Gasturbinenzyklus umfaßt, wobei ein erster Brennstoffzellen­ zyklus bzw. -kreislauf dem Turbinenzyklus vor- bzw. aufge­ schaltet ist und zur Erzeugung von CO₂ für einen zweiten Brennstoffzellenzyklus verwendet wird, welcher der Turbine nach- bzw. untergeschaltet ist und bei im wesentlichen atmo­ sphärischem Druck betrieben wird. Der erste Brennstoff­ zellenzyklus wird bei einem Druck im Bereich von etwa 6 bis etwa 15 Atm betrieben. Komprimierte Luft wird in einem indi­ rekten Wärmetauscher erhitzt und dem ersten Brennstoff­ zellenzyklus zusammen mit einem komprimierten Brennstoff­ strom zugeführt. Dem Wärmetauscher wird eine Strömung heißer Gase aus einem Niederdruckbrenner zugeführt, der mit über­ schüssigem Brennstoff im Austrittsstrom aus dem zweiten Brennstoffzellenzyklus gespeist wird. Die Austrittsströme aus dem ersten Brennstoffzellenzyklus werden einem Hoch­ druckbrenner zugeführt, in welchem der Überschußbrennstoff verbrannt wird, um den der Gasturbine zugeführten kompri­ mierten Gasstrom auf die gewünschte Temperatur zu bringen. Das Turbinenaustrittsgas wird dem Niederdruckbrenner zuge­ führt, in welchem es zum Verbrennen des Überschußbrennstoffs im Austrittsgas aus der Anode des zweiten Brennstoffzellen­ zyklus verwendet wird, zur Erzeugung von Wärme für die Ein­ gangsluft in dem indirekten Wärmetauscher.

Des weiteren kann die Wärmeenergie aus dem Austrittsgas von der Kathode des zweiten Brennstoffzellenzyklus in einem Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator (heat recovery steam generator (HRSG)) verwendet werden. Der Wärmerückgewinnungs- Dampfgenerator kann auch zur Gewinnung des erforderlichen Wassers in Dampfform für die Brennstoffzellenzyklen dienen, zur Unterstützung der internen Reformierung von CH₄-Brenn­ stoff zu Wasserstoff.

Gemäß einer bevorzugten Anordnung ist eine Brennstoffzelle mit Festkörperoxid-Elektrolyt (solid oxide fuel cell (SOFC)) in neuartiger Weise angeordnet und thermisch mit dem System integriert, um nicht nur Energie unter erwünschten Bedin­ gungen zu erzeugen, sondern auch das CO₂ zu liefern, wel­ ches für den wirksamen Betrieb der stromabwärtigen Brenn­ stoffzelle, bei welcher es sich vorzugsweise um eine Brenn­ stoffzelle mit geschmolzenem Carbonat-Elektrolyten (MCFC) handelt, erforderlich ist. Die MCFC-Brennstoffzelle besitzt einen besseren Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Erdgas in elektrische Leistung als entweder die SOFC-Brennstoffzelle oder die Gasturbine, jedoch erfordert sie eine CO₂-Quelle.

Mittels anerkannter System-Simulationsprogramme wurde ge­ zeigt, daß dieser bevorzugte kombinierte Zyklus aus zwei Brennstoffzellen und Gasturbine ein thermodynamisch opti­ miertes System zur Erzeugung elektrischer Leistung dar­ stellt, da die Stromerzeugungs-Subsysteme in Reihe oder in Tandemanordnung und nicht parallel betrieben werden. In die­ sem Falle wird die unverbrauchte Leistung aus der ersten Energieerzeugungseinheit, der SOFC-Brennstoffzelle, kaska­ denartig in die zweite Einheit, die Gasturbine, und von der zweiten Einheit in die dritte, die MCFC-Brennstoffzelle, geführt. Da die SOFC-Brennstoffzelle am besten bei etwa 2000°F (ca. 1427°C) arbeitet, hat sie sich als ideal für die Vorschaltposition erwiesen, während die MCFC-Brenn­ stoffzelle optimal bei etwa 1000°F (ca. 538°C) und da­ mit als Nachschalteinheit zu der Turbine arbeitet.

Des weiteren wird der Zykluswirkungsgrad dieser bevorzugten Ausführungsform in großem Maße erhöht, indem man die gesamte aus dem nicht umgesetzten Wasserstoff und dem Kohlenstoff­ monoxid aus den Brennstoffzellen-Anodenaustrittsströmungen erhaltene Wärmeenergie der Gasströmung vor dem Turbinenein­ gang zuführt. Diese Anordnung stellt eine Form der Wiederge­ winnung dar, d. h. durch Rezyklierung dieser Energie zurück zur Turbine erhöht sich die Ausgangsleistung der Turbine. Detaillierte Systemanalysen haben gezeigt, daß diese Vor­ gangsweise mit Verbrennungsvorrichtung wesentlich für die Erzielung eines hohen Kreislaufwirkungsgrades ist. In allen bekannten kombinierten MCFC-Brennstoffzellenzyklen wird der nicht umgesetzte Brennstoff aus der Anode von einer Verbren­ nungsvorrichtung zurück zur Kathode rezykliert, zur Erzeu­ gung des benötigten CO₂. Diese Anoden-Kathoden-Rückführ­ strömungen ergeben zwar das erforderliche CO₂, jedoch ver­ eiteln sie die Erzielung eines hohen Wirkungsgrades, da sich die Wärmeströme auf der falschen Temperatur für eine geeig­ nete Kaskadenführung befinden.

Diese thermische Tandem- bzw. Serienanordnung kann zur Er­ zielung eines maximierten Wirkungsgrades optimiert werden, der im Bereich von 72 bis 74% (LHV) netto bestimmt wurde. Die Turbinengröße kann entweder im Hinblick auf Optimierung des Wirkungsgrades oder auf Verringerung der Systemkosten, oder auf eine Kombination dazwischen gewählt werden. System­ analysen weisen unter anderem etwa 6 Prozentpunkte an Ver­ lusten für Druckabfall, Wärmeverluste sowie Gleichstrom/- Wechselstrom-Umwandlung auf.

Weitere Ziele und viele der mit der vorliegenden Erfindung erzielbaren Vorteile ergeben sich für den Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung, deren einzige Figur ein schematisches Blockdia­ gramm eines erfindungsgemäßen integrierten Energie- bzw. Leistungserzeugungssystems mit zwei Brennstoffzellen und Gasturbine zeigt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Wie oben dargelegt und in der Zeichnung dargestellt, sind die bevorzugten Brennstoffzelltypen zur Verwendung in dem kombi­ nierten Zyklus bzw. Kreislauf der vorliegenden Erfindung mit zwei Brennstoffzellen und einer indirekt befeuerten Gasturbine eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle (′solid oxide fuel cell′ (SOFC)) 5 als die obere (topping) Einheit und eine Brennstoff­ zelle mit geschmolzenem Carbonat (′molten carbonate fuel cell′ (MCFC)) 7 als untere (bottoming) Einheit zu der der Gasturbine 9. Da diese Brennstoffzellen einen ausreichenden Entwicklungs­ zustand erreicht haben, werden hier nur die Hauptkomponenten dieser Brennstoffzellen, die Anode, die Kathode und der Elek­ trolyt, erläutert. Weitere Informationen betreffend Einzelheiten dieser Brennstoffzellentypen können dem von DOE/METC-94-1006 im Januar 1994 veröffentlichten ′Fuel Cells Handbook′ entnommen werden. Diese Referenz wird durch Verweis hiermit in die vorliegende Offenbarung aufgenommen.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich, weist die SOFC-Brenn­ stoffzelle 5 zwei poröse Elektroden 11 und 13 auf, die an einen Feststoffoxid-Keramikelektrolyten 15 gebondet sind, der zwischen ihnen zur Bildung einer selektiv permeablen Trenn- bzw. Grenzschicht (barrier) angeordnet ist. Der Brennstoff in Form von Wasserstoff wird der von der Anoden­ elektrode 11 gebildeten Seite der Grenz- bzw. Trennschicht durch einen Anodengasströmungskanal 17 zugeführt, während ein Oxidationsmittel, im vorliegenden Ball Luft, der von der Kathodenelektrode 13 gebildeten Seite der Trennschicht durch einen Kathodengasströmungskanal 19 zugeführt wird. Die mei­ sten Reaktanten können die Trenn- bzw. Grenzschicht nicht durchsetzen, jedoch können Sauerstoffionen durch das Fest­ körperoxidgitter strömen. Die Elektroden sind aus porösen, elektrisch leitenden metallischen oder Halbleiter-Keramik­ materialien hergestellt. Typischerweise besteht die Brenn­ stoffelektrode (d. h. die Anode 11) aus Nickel-Zirkonoxid- Cermet oder dergleichen, die Luftelektrode (d. h. die Kathode 13) aus mit Strontium dotiertem Lanthanmanganit oder dergleichen, und der oxidische Festkörperelektrolyt 15 be­ steht aus mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirkonoxid oder dergleichen. Die Zellen sind üblicherweise in einer koaxia­ len zylindrischen Anordnung ausgebildet, und eine Anzahl von Zellen sind elektrisch über eine Verbraucherlast 21 in Reihe geschaltet, unter Bildung eines Stapels. Die SOFC-Brenn­ stoffzelle wird bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1400 bis 2300°F (etwa 760 bis etwa 1260°C) betrieben.

Geeignete Brennstoffe sind unter anderem Wasserstoff und einfache Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Methan-CH₄. Im beschriebenen Anwendungsfall wird CH₄ über eine Ein­ trittsleitung 23 dem Anodengaskanal 17 der Brennstoffzelle zugeführt und intern in diesem Kanal durch Reaktion des CH₄ mit Wasser (d. h. Dampf) in Gegenwart des Nickels in der Anode, der als Katalysator wirkt, reformiert. Diese Reaktion erzeugt Wasserstoff für die elektrochemische Reaktion, welche heiße Reaktionsgasströme in den betreffenden Elektro­ dengasströmungskanälen liefert. Als Ergebnis dieses Pro­ zesses wird CO₂ erzeugt, das in weiter unten beschriebener Weise der Kathode der MCFC-Brennstoffzelle zugeführt wird, zur Aufbringung des größten Teils des für den Betrieb der MCFC-Brennstoffzelle 7 erforderlichen zusätzlichen CO₂. Der übrige Teil wird von Verbrennungsvorrichtungen in dem System aufgebracht. Üblicherweise benötigt eine MCFC-Brenn­ stoffzelle ein Oxidationsmittel, welches ein CO₂/O₂-Ver­ hältnis von etwa 2 : 1 für die Stöchiometrie der elektrochemi­ schen Reaktion aufweist. Da Luft dieses Verhältnis nicht be­ sitzt, muß der Kathodenreaktionskammer der Zelle für einen wirksamen Betrieb zusätzliches CO₂ zugeführt werden.

Allgemein gesprochen weist die MCFC-Brennstoffzelle 7 eine Anodenelektrode 24 aus porösem Nickel oder dergleichen auf, die von einer Kathodenelektrode 25 aus porösem Nickeloxid oder dergleichen durch einen geschmolzenen Elektrolyten 26 getrennt ist, der aus einem Alkalimetallcarbonat und Ge­ mischen hiervon besteht und in einer gewöhnlich aus Lithium­ aluminat (LiAlO₂) bestehenden porösen Keramikmatrix enthal­ ten ist. Die MCFC-Brennstoffzellen werden gewöhnlich in einer Schichtungsanordnung hergestellt, und eine Anzahl von Zellen sind elektrisch über eine Verbraucherlast 29 in Reihe geschaltet, unter Bildung eines Stapels.

Bei Erhitzung des Elektrolyten zu einem geschmolzenen Zustand erfährt ein Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoff, der aus Heizgas oder Erdgas in der beschriebenen Weise durch interne Reformierung gewonnen ist, an der Anode eine Elek­ trizität erzeugende elektrochemische Reaktion mit Sauerstoff an der Kathode. Diese elektrochemische Reaktion erzeugt auch heiße Reaktionsgasströme in den Anoden- und Kathodengas­ kanälen, die in dem Kombinationszyklussystem in weiter unten beschriebener Weise genutzt werden. Die MCFC-Brennstoffzelle wird bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1000 bis 1150°F (etwa 538 bis etwa 621°C) betrieben.

Die indirekt befeuerte Gasturbine 9 ist mittels einer An­ triebswelle 34 mit einem Kompressor 33 und einem elektri­ schen Generator 36 gekuppelt. Der Kompressor kann von belie­ biger geeigneter Art sein, derart, daß er an seiner Ein­ trittsseite einen Luftstrom 35 aufnehmen und diesen Luft­ strom auf einen Druck im Bereich von etwa 6 bis 25 Atm und auf eine Temperatur im Bereich von etwa 300 bis 800°F (etwa 149 bis etwa 427°C) komprimieren kann. Dieser Strom kompri­ mierter Luft wird über eine Leitung 37 in einen Wärmetau­ scher 39 zugeführt, wo der komprimierte Luftstrom indirekt durch einen Heißgasstrom aus einer Niederdruck-Verbrennungs­ vorrichtung 41 erhitzt wird, der über eine den Ausgang der Verbrennungsvorrichtung mit dem Wärmeübergangselement-Ein­ gang des Wärmetauschers 39 verbindende Leitung 43 zugeführt wird. Obzwar in der Zeichnung die Strömungen gleichgerichtet veranschaulicht sind, wird der Wärmetauscher vorzugsweise im Gegenstrom oder im Kreuzstrom betrieben. Die komprimierte Luft wird auf eine Temperatur im Bereich von etwa 1500 bis 2500°F (etwa 816 bis 1371°C), vorzugsweise etwa 2000°F (etwa 1093°C) erhitzt. Der Wärmetauscher 39 kann von be­ liebigem geeignetem Typ sein, welcher die Erhitzung der kom­ primierten Luft auf den gewünschten Temperaturbereich ge­ stattet. Im Hinblick auf die verhältnismäßig hohen Tempera­ turanforderungen ist der Wärmetauscher 39 vorzugsweise aus hochtemperaturbeständigem Metall und/oder einem Keramik­ material hergestellt. Der aus dem Wärmetauscher 39 austre­ tende heiße komprimierte Luftstrom wird über eine Leitung 45 dem Kathodengaskanal 19 der SOFC-Brennstoffzelle 5 zuge­ führt.

Gleichzeitig mit der dem Kathodengaskanal 19 der SOFC-Brenn­ stoffzelle 5 zugeführten erhitzten Luft wird der Brennstoff CH₄ mittels einer Pumpe 23 dem Anodengaskanal 17 bei einem mit dem Betriebsdruck der SOFC-Brennstoffzelle verträglichen Druck zugeführt, in diesem Fall etwa 5 bis 20 Atm. Das CH₄ reagiert mit Wasser in Dampfform, der auf verschiedenen Wegen, wie weiter unten noch in einem Beispiel beschrieben wird, in den Kanal eingeführt wird, in Gegenwart eines Kata­ lysators, wie beispielsweise in dem Anodengebilde 11 vorlie­ gendem Nickel, unter Erzeugung des für die Anodenreaktion erforderlichen Wasserstoffs und von CO₂. Alternativ kann der Brennstoff durch Hindurchleiten des Brennstoffstroms durch einen mit der Anodenaustrittsströmung erhitzten Wärme­ tauscher zwischenüberhitzt werden.

Der Wasserstoff reagiert elektrochemisch mit Sauerstoff, der dem Kathodengaskanal 19 in der in den Kathodenkanal eintre­ tenden vorerhitzten komprimierten Luftströmung zugeführt wird. Diese elektrochemische Reaktion erzeugt sowohl Elek­ trizität als auch Wasser. Bei der Betriebstemperatur der Zelle im Bereich von etwa 1400 bis 2300°F (etwa 760 bis etwa 1260°C) wird das Wasser rasch in Dampf umgewandelt, was die Reformierung des CH₄ in dem Anodenkanal unterstützt. Da jedoch weder der gesamte Wasserstoff H₂ an der Anode noch der gesamte Sauerstoff O₂ an der Kathode zur Reaktion gebracht werden, strömt der jeweilige Überschuß aus den Anoden- und Kathodengaskanälen zusammen mit dem Wasser und CO₂ in der Anodenströmung und den verbleibenden Komponen­ ten der Luftströmung in der Kathodenströmung ab.

Die Austrittsströme aus dem Anoden- und Kathodengasströ­ mungskanal 17 bzw. 19 der SOFC-Brennstoffzelle werden über Leitungen 49 bzw. 51 einer Hochdruck-Brennkammer 47 zuge­ führt. Diese Hochdruck-Brennkammer arbeitet beim Betriebs­ druck der SOFC-Brennstoffzelle 5 und liefert zusätzliche Wärme für den komprimierten Heißgasstrom, welcher der Tur­ bine 9 über die vom Ausgang der Brennvorrichtung 47 zum Einlaß der Turbine führende Leitung 53 zugeführt wird. Die Hochdruck-Verbrennungsvorrichtung bzw. -Brennkammer kann in verschiedener Weise ausgebildet sein; in ihr wird nicht reagiertes H₂ und CO aus dem Anodenkanal 17 der SOFC- Brennstoffzelle 5 in Gegenwart von Sauerstoff aus dem Katho­ denkanal 19 verbrannt, zur weiteren Erhitzung der Heißgas­ strömung. Dieses weiter erhitzte Heißgas mit einer Tempera­ tur im Bereich von etwa 1800 bis 2300°F (etwa 982 bis etwa 1260°C), vorzugsweise etwa 2200°F (etwa 1204°C) wird der Turbine 9 mit einem Druck von etwa 5 bis 20 Atm, vorzugsweise etwa 10 Atm, zugeführt, zum Betrieb der Tur­ bine, die ihrerseits den Eingangsluftstrom komprimiert und in dem Generator 36 elektrischen Strom erzeugt. Die Be­ triebsgastemperatur für die Turbine kann durch Variieren der der SOFC-Anode zugeführten Brennstoffmenge verändert werden. Es kann erforderlich sein, überschüssigen Brennstoff zuzu­ geben und die Brennstoffausnutzung in der ersten Brennstoff­ zelle zu begrenzen, um auf diese Weise überschüssigen Brenn­ stoff für die Hochdruck-Verbrennungsvorrichtung zu gewähr­ leisten und die Temperatur der von der Verbrennungsvorrich­ tung an die Gasturbine zugeführten Gase zu erhöhen. Dies ist nicht notwendigerweise ein größerer Schaden für den Kreis­ laufwirkungsgrad, da die Turbinenleistung sich erhöht und ebenso der Wirkungsgradbeitrag der Wärmekraftmaschinen- Komponente zum Gesamtkreislauf.

Das aus der Gasturbine 9 austretende Gas befindet sich auf einer Temperatur im Bereich von etwa 600 bis 1300°F (etwa 315,5 bis etwa 704°C), vorzugsweise etwa 1000°F (etwa 538°C), und im wesentlichen auf Umgebungsdruck. Dieses Austrittsgas von der Turbine wird über eine Leitung 55 der Niederdruck-Verbrennungsvorrichtung bzw. -Brennkammer 41 zu­ geführt, zusammen mit dem über die Leitung 57 zugeführten Austrittsgas aus dem Anodenkanal der MCFC-Brennstoffzelle 7.

Das nicht umgesetzte H₂ und CO aus dem Anodenaustrittsgas der MCFC-Brennstoffzelle wird in der Niederdruck-Brennkammer 41 in Gegenwart des in der Turbinenaustrittsströmung 55 vor­ liegenden verbleibenden Sauerstoffs verbrannt. Diese Nieder­ druck-Verbrennungsvorrichtung liefert einen CO₂-reichen Heißgasstrom in Kaskadenführung durch das System von der SOFC-Brennstoffzelle 5 und der Hochdruck-Brennkammer 47. Dieser Gasstrom wird weiter auf eine Temperatur im Bereich von etwa 1100 bis 1400°F (etwa 315 bis 760°C), aber vorzugsweise weniger als 1350°F (732°C) erhitzt. Diese erhitzte Gasströmung gelangt, wie oben beschrieben, über eine Leitung 43 in den Wärmetauscher 39 und von dessen Aus­ trittsseite durch eine Leitung 49 in den Kathodengaskanal 28 der MCFC-Brennstoffzelle 7. Die Temperatur der Gasströmung aus dem Wärmetauscher liegt im Bereich von etwa 1000 bis 1150°F (etwa 538 bis etwa 621°C), vorzugsweise 1100°F (ca. 593°C), bei einem Druck im Bereich von etwa 1 bis 3 Atm. Die Temperatur dieser Gasströmung läßt sich variieren durch Änderung des der MCFC-Anode 27 zugeführten Brennstoffs oder durch Abänderung des Wärmetauschpfades durch den Wärmetau­ scher 39, wie in der Zeichnung veranschaulicht.

Während die mit CO₂ angereicherte erhitzte Luft in den Kathodengaskanal 28 der MCFC-Brennstoffzelle 7 eintritt, wird gleichzeitig ein Brennstoffgas, wie beispielsweise Heizgas oder Erdgas, über eine Leitung 61 in den Anodengas­ kanal 27 der Brennstoffzelle eingeleitet. Dieses Brennstoff­ gas wird vorzugsweise auf eine allgemein der Temperatur des dem Kathodengaskanal 28 zugeführten Gasstroms entsprechende Temperatur vorerhitzt, um so die Verflüssigung des Carbonat- Elektrolyten zu gewährleisten und danach die laufende elek­ trochemische Reaktion in der Brennstoffzelle 7 zu befördern. Die Vorwärmung des Brennstoffs auf Reformierungstemperatur kann durch Rückführung eines Teils der Anodenaustrittsströ­ mung zum Anodenbrennstoffeinlaß über die Leitung 63 erreicht werden.

Bei Zufuhr der erhitzten Brennstoffströme und der mit CO₂ angereicherten Luftströmung an die Brennstoffzelle 7 läuft die elektrochemische Reaktion in der in der oben genannten Patentschrift der Anmelderin angegebenen Weise ab, unter Er­ zeugung elektrischer Energie und gleichzeitiger Erzeugung von Reaktionsgasen, die hauptsächlich aus CO₂ und Wasser an der Anode und nicht umgesetztem CO₂, Wasser sowie abge­ brauchter Luft an der Kathode gebildet werden. Typischer­ weise enthält dieser Gasstrom etwa 14% CO₂, 3% O₂ und 11% H₂O, wobei der Rest hauptsächlich aus N₂ besteht. Das CO₂/O₂-Verhältnis sollte entlang der gesamten Katho­ denströmung der Brennstoffzelle größer als 2 sein. Nur die MCFC-Brennstoffzelle wird unter abgebrauchtem O₂-Bedingun­ gen betrieben. Die gesamte Sauerstoff zufuhr für das System erfolgt durch die Eintrittsluftströmung, welche etwa 23 Gew.-% O₂ enthält. Etwa 12 bis 16 Gew.-% werden in der SOFC-Brennstoffzelle 5 verbraucht, während nur etwa 1 bis 3 Gew.-% jeweils in den Brennvorrichtungen 41 und 47 ver­ braucht werden, derart, daß in der in die Kathode der MCFC- Brennstoffzelle 7 eintretenden Gasströmung ein O₂-Gehalt von etwa 5 bis 7 Gew.-% verbleibt. Annähernd 2 bis 3 Gew.-% O₂ werden in der MCFC-Brennstoffzelle verbraucht, so daß in der Austrittsströmung aus der MCFC-Kathode etwa 3 Gew.-% verbleiben.

Wie in der Zeichnung veranschaulicht, können die Kathoden­ austrittsgase der MCFC-Brennstoffzelle 7, die sich auf einer Temperatur im Bereich von etwa 1000 bis 1300°F (etwa 538 bis etwa 704°C) befinden, d. h. gewöhnlich etwa 150 bis 200°F (etwa 65,5 bis etwa 93,3°C) über der Temperatur des der Brennstoffzelle 7 zugeführten Gases und Brennstoffs, an die Atmosphäre abgelassen, in die Niederdruck-Brennvorrich­ tung 41 rückgeführt oder vorzugsweise aus der Brennstoff­ zelle über eine Leitung 65 an einen Nutzungs- bzw. Verwer­ tungskreislauf abgegeben werden, beispielsweise den in der Zeichnung dargestellten Kreislauf des Wärmerückgewinnungs- Dampfgenerators (heat recovery steam generator (HRSG)) 67. Der heiße Gasstrom 65 wird in einen (nicht dargestellten) Heizkessel oder dergleichen des HRSG zugeführt, zur Extrak­ tion restlicher Wärmeenergie aus diesen Gasen unter Dampf­ erzeugung zur Verwendung in einer Dampfturbine 69 zur Erzeu­ gung elektrischer Leistung in einem Generator 71. Des wei­ teren kann der Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator HRSG 67 dazu dienen, den Brennstoffelektroden (Anoden) beider Zellen 5 und 7 Wasser in Dampfform zuzuführen, und zwar über Lei­ tungen 73 bzw. 75, und bei der jeweiligen gesonderten Brenn­ stoffzellen-Betriebstemperatur, wie oben für die Reformie­ rung des CH₄ zu H₂ beschrieben.

Vermittels der beschriebenen Kombination aus zwei Brenn­ stoffzellen und indirekt beheizter Gasturbine mit Dampf­ turbinenzyklus ergeben die hierdurch erhaltenen Quellen elektrischer Stromerzeugung eine Erhöhung des Gesamtkreis­ laufwirkungsgrades von etwa 6% gegenüber einer beliebigen bekannten Kombination eines Brennstoffzellenzyklus oberhalb oder unterhalb eines Gasturbinenzyklus, oder einem direkt beheizten Gasturbinenzyklus mit einem Brennstoffzellen­ zyklus.

Gemäß einer anderen Modifizierung der vorliegenden Erfindung kann die MCFC-Brennstoffzelle 7 bei einem mittleren Druck oberhalb atmosphärischem Druck, beispielsweise in der Grö­ ßenordnung von etwa 2 bis 5 Atm, betrieben werden, die Kathoden­ ausgangsströmung befindet sich auf einem Druck, der zum An­ trieb einer Niederdruck-Turbine unter Druckbedingungen aus­ reicht. Hierdurch verringern sich die Abmessungen und die Kosten der MCFC-Brennstoffzelle. Das Austrittsgas der Niederdruck-Turbine kann dazu dienen, mit dem bei einem mittleren Druck der Niederdruck-Turbine erzeugten Dampf Wasser in einem Heizkessel auf Siedetemperatur zu erhitzen. Dies wandelt die Gasturbine in einen Niederdruck-Leistungs­ generator um und erübrigt praktisch die Notwendigkeit eines auf die MCFC-Brennstoffzelle folgenden Dampfturbinensystems. Zwar ist hierbei der Kreislaufwirkungsgrad nicht so hoch wie bei der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform, je­ doch verringert dieses Konzept den Anlagenabgleich (′balance of plant′) beträchtlich und dient einer Verringerung der Systemkosten.

Man erkennt, daß der kombinierte Zyklus aus einem indirekt befeuerten Gasturbinenzyklus mit einem nach- und vorgeschal­ teten Brennstoffzellenzyklus und des weiteren mit Verwendung eines Dampfturbinenzyklus zusammen eine bedeutsame Verbesse­ rung auf dem Gebiet der Technik von Kombinationskreisläufen gegenüber bekannten Kombinationskreisläufen, wie oben be­ schrieben, erbringt. Des weiteren wird durch die Kaskaden­ führung des Luftstroms durch das System hindurch ohne Neben­ schluß- bzw. Parallelschaltung von komprimierter Luft, welche die Turbine betreibt, zur Verbrennung von Überschuß­ wasserstoff aus den Brennstoffzellen, mehr Leistung und damit ein höherer Wirkungsgrad erzielt.

Claims (12)

1. Energieerzeugungssystem in Form eines aus einer Gasturbine und zwei Brennstoffzellen kombinierten Zyklus bzw. Kreislaufs, umfassend:

• - eine "off-base", d. h. indirekt befeuerte Gasturbine (9) mit einer Gaseintrittsvorrichtung (53) zur Aufnahme einer erhitzten komprimierten Gasströmung zum Antrieb der Turbine, und mit einer Gasaustrittsvorrichtung (55) zur Ab­ gabe einer Austrittsgasströmung aus der Turbine;
• - eine Kompressorvorrichtung (33) zur Erzeugung einer Strömung komprimierter Luft bei einem Druck, welcher dem Druck der erwähnten komprimierten Gasströmung der Turbine entspricht;
• - eine erste Brennstoffzelle (5), die bei einer Tempera­ tur und einem Druck entsprechend dem genannten komprimierten Gasstrom (45, 37) betrieben werden kann, mit einer Kathoden­ vorrichtung (13, 19) zur Aufnahme der komprimierten Luft­ strömung (37, 45) von der Kompressorvorrichtung (33), einer Anodenvorrichtung (11, 17) zur Aufnahme einer ersten Brenn­ stoffströmung (23) bei einem Druck entsprechend dem Druck des genannten Betriebsgasstroms, sowie mit Mitteln zur Reak­ tion eines Teils des genannten ersten Brennstoffstroms mit dem komprimierten Luftstrom zur Erzeugung elektrischer Lei­ stung und erhitzter Kathoden- und Anoden-Austrittsgasströme (51, 49), zur Zufuhr der genannten komprimierten Gasströmung (53) zu der Gaseinlaßvorrichtung der Gasturbine (9); sowie
• - eine zweite Brennstoffzelle (7), die bei einer Tempera­ tur und einem Druck entsprechend der Austrittsgasströmung (55) der Turbine (9) betrieben werden kann, mit einer Katho­ denvorrichtung (25, 28) zur Aufnahme der Austrittsgasströ­ mung (59) aus der Turbine (9), einer Anodenvorrichtung (24, 27) zur Aufnahme eines zweiten Brennstoffstroms (75, 61, 63), sowie mit Mitteln zur Reaktion eines Teils des zweiten Brennstoffstroms mit dem Austrittsgasstrom (59) der Turbine (9) zur Erzeugung von elektrischem Strom und gesonderter Anoden- und Kathodenströme (75 bzw. 65) aus erhitztem Aus­ trittsgas.

2. System nach Anspruch 1, welches des weiteren eine Hochdruck-Verbrennungsvorrichtung (47) in Wirkverbindung einerseits mit den Kathoden- und Anodenmitteln (19 bzw. 17) der ersten Brennstoffzelle (5) und der Gaseinlaßvorrichtung (53) der Gasturbine (9) andererseits aufweist, zur Verbrennung des gesamten in der Anoden-Austrittsströmung (49) der ersten Brennstoffzelle (5) verbliebenen Teils der ersten Brenn­ stoffströmung, zur weiteren Erhitzung des komprimierten Gas­ stroms (37, 45, 51, 53) zum Antrieb der Gasturbine (9).

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Brennstoffzellenvor­ richtung (5) eine Festkörperoxid-Brennstoffzelle und die zweite Brennstoffzellenvorrichtung (7) eine Brennstoffzelle mit geschmolzenem Carbonat-Elektrolyten ist und daß des wei­ teren eine indirekte Wärmetauschervorrichtung (39) vorge­ sehen ist, um den komprimierten Luftstrom (37) durch in­ direkten Wärmetausch mit einer durch einen Heizkanal des Wärmetauschers geführten Strömung heißer Gase (43, 59) auf eine Temperatur zu erhitzen, welche einer ausgewählten Be­ triebstemperatur der Festkörperoxid-Brennstoffzelle (5) ent­ spricht, derart, daß die Wärmetauschervorrichtung (39) die thermischen Erfordernisse der bei unterschiedlichen Tempera­ turen betriebenen ersten (5) und zweiten (7) Brennstoffzelle ausgleicht.

4. System nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Niederdruck-Verbrennungsvorrich­ tung (41) zur Aufnahme der Austrittsgasströmung (55) der Turbine (9) und der Austrittsgasströmung (57) von der Anoden­ vorrichtung (24, 27) der zweiten Brennstoffzelle (7), in welcher ein in der Anoden-Austrittsströmung (57) der zweiten Brennstoffzelle (7) enthaltener verbliebener Teil der zwei­ ten Brennstoffströmung (75, 61, 63) verbrannt wird, um die Austrittsgasströmung (55) aus der Gasturbine (9) zu erhitzen und diese Austrittsgasströmung (55, 43) von der Turbine (9) dem Heizkanal des Wärmetauschers (39) zur Erhitzung des kom­ primierten Luftstroms (37, 45) zuzuführen, sowie durch Lei­ tungsmittel (59), welche einen Ausgang des Heizkanals des Wärmetauschers (39) mit der Kathodenvorrichtung (28, 25) der zweiten Brennstoffzelle (7) verbindet.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompressorvorrichtung einen von der Gasturbine (9) angetriebenen Kompressor (33) auf­ weist.

6. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste (5) und die zweite (7) Brennstoffzelle vom Typ mit innerer Brennstoffreformierung sind, bei welchem die Reformierung des Brenngases mit der Anodenvorrichtung der Brennstoffzelle integriert ist und die ersten und zweiten Brennstoffgasströme (23 bzw. 61) aus CH₄ bestehen.

7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das System des weiteren eine Pumpvorrichtung (23) zur Kompression der der Anode (17, 11) der Festkörperoxid-Brennstoffzelle (5) zugeführten ersten Brennstoffgasströmung auf einen dem Druck der der Kathode (19, 13) der Brennstoffzelle (5) zugeführten komprimierten Luftströmung (37, 45) entsprechenden Druck.

8. System nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Rückführleitungsmittel (63) zur Rück­ führung eines Teils der Anoden-Austrittsgasströmung (57) aus der zweiten Brennstoffzelle (7) zur Mischung mit dem zweiten Brennstoffgasstrom (61, 75) vor der Einleitung in die Anoden­ vorrichtung (27, 24), um die zweite Brennstoffströmung auf eine Reformierungstemperatur zu erhitzen, sowie durch Dampf­ erzeugungsmittel zur Dampfzufuhr an die Anodenvorrichtungen jeder der beiden Brennstoffzellen (5, 7) bei der jeweiligen entsprechenden Betriebstemperatur, zur Lieferung des für die Reformierung der Brennstoffströme in diesen erforderlichen Wassergehalts.

9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Brennstoffzelle (5) bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1400 bis 2300°F (etwa 760 bis etwa 1260°C) und bei einem Druck im Bereich von etwa 5 bis 20 Atm betrieben wird, daß der erhitzte Gasstrom (53) am Einlaß der Gasturbine (9) sich auf einer Temperatur im Bereich von etwa 1800 bis 2300°F (etwa 982 bis etwa 1260°C) und auf einem Druck im Bereich von etwa 5 bis 20 Atm befindet, und daß die zweite Brennstoffzelle (7) bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1000 bis 1150°F (etwa 538 bis etwa 621°C) und bei einem Druck von etwa 1 bis 3 Atm betrie­ ben wird.

10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Kathode (28, 25) der zweiten Brennstoffzelle (7) eingeleitete Gasströmung (59) mit in der Anodenvorrichtung (17, 11) der ersten Brennstoff­ zelle (5) und in den Hoch- und Niederdruck-Verbrennungsvor­ richtungen (47 bzw. 41) erzeugtem CO₂ angereichert ist.

11. System nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Mittel (67, 69) zur Wärmerückgewinnung und Leistungserzeugung in solcher Anordnung, daß sie die heiße Gasströmung (65) aus der Kathodenvorrichtung (28, 25) der zweiten Brennstoffzelle (7) aufnehmen, zur weiteren Energiegewinnung aus dieser.

12. Indirekt befeuerter Gasturbinenzyklus mit vor- und nachgeschaltetem Brennstoffzyklus zur kombinierten Erzeugung elektrischer Energie, umfassend:

• - eine Kompressorvorrichtung (33), welche an einem Auslaß eine Strömung (37) komprimierter Luft erzeugt;
• - eine mit dem Auslaß der Kompressorvorrichtung (33) ver­ bundene Wärmetauschervorrichtung (39) zur Erhitzung des kom­ primierten Luftstroms (37) durch indirekten Wärmeaustausch mit einem hindurchgeleiteten zwischenerhitzten Gasstrom (43);
• - eine erste Brennstoffzellenvorrichtung (5) mit einer Anodenvorrichtung (11, 17), welche eine erste Brennstoff­ gasströmung (23) aufnimmt, und einer Kathodenvorrichtung (13, 19), welche die aus dem Wärmetauscher (39) austretende erhitzte komprimierte Luftströmung (45) aufnimmt;
• - eine mit der Anodenvorrichtung (17) der ersten Brenn­ stoffzellenvorrichtung (5) verbundene erste Brennstoffzu­ fuhrvorrichtung (23) zur Zufuhr einer ersten Brennstoffströ­ mung an diese, wobei wenigstens ein Teil des ersten Brenn­ stoffstroms an der Anodenvorrichtung (17, 11) und die er­ hitzte Strömung (45) komprimierter Luft an der Kathodenvor­ richtung (19, 13) eine elektrochemische Reaktion innerhalb der Brennstoffzellenvorrichtung (5) unter Erzeugung einer elektrischen Ausgangsgröße (bei 21) erfahren, bei gleichzei­ tiger Erzeugung von heißen Gasströmen (49, 51) an der Ano­ denvorrichtung (17, 11) und der Kathodenvorrichtung (19, 13);
• - eine erste Verbrennungsvorrichtung (47) in solcher An­ ordnung, daß sie die heißen Gasströme (49, 51) aus der Ano­ denvorrichtung (17) und der Kathodenvorrichtung (19) der ersten Brennstoffzellenvorrichtung (5) aufnimmt, zur Ver­ brennung des in der heißen Gasströmung (49) aus der Anoden- Vorrichtung (17) der ersten Brennstoffzellenvorrichtung (5) verbliebenen Teils des Brennstoffs, zur weiteren Erhitzung der sie durchsetzenden und an einem Ausgang (53) austreten­ den komprimierten Gasströmung;
• - eine Gasturbinenanordnung (9) mit einem Einlaß (53) für komprimiertes Gas und einer Niederdruck-Ausgangsseite (55) sowie mit einem durch sie angetriebenen Elektrogenerator (36), wobei die Gasturbinenvorrichtung an ihrem genannten Einlaß die komprimierte Gasströmung (53) vom Ausgang der ersten Verbrennungsvorrichtung (47) zum Antrieb der Turbine (9) aufnimmt;
• - eine zweite Brennstoffzellenvorrichtung (7) mit einer Anodenvorrichtung (24, 27) und einer Kathodenvorrichtung (25, 28);
• - eine mit der Anodenvorrichtung (28) der zweiten Brenn­ stoffzellenvorrichtung (7) verbundene zweite Brennstoff­ zufuhrvorrichtung (61) zur Zufuhr einer zweiten Brennstoff­ strömung, wobei wenigstens ein Teil der zweiten Brennstoff­ strömung an der Anodenvorrichtung (24, 27) der zweiten Brennstoffzellenvorrichtung (7) eine elektrochemische Reak­ tion mit einer Strömung reaktionsfähiger Gase an der Katho­ denvorrichtung (25, 28) der zweiten Brennstoffzellenvorrich­ tung (7) erfährt, unter Erzeugung einer elektrischen Aus­ gangsgröße (bei 29) bei gleichzeitiger Erzeugung weiterer heißer Gasströme (65, 57) an der Anodenvorrichtung (27) bzw. der Kathodenvorrichtung (28) der zweiten Brennstoffzellen­ vorrichtung (7);
• - eine zweite Verbrennungsvorrichtung (41) in solcher An­ ordnung, daß sie die weitere heiße Gasströmung (57) und die Niederdruck-Ausgangsströmung (55) aus der Turbinenvorrich­ tung (9) zugeführt erhält, zur Verbrennung des verbleibenden Brennstoffanteils aus der Anodenvorrichtung (27) der zweiten Brennstoffzelle (7), zur Erzeugung der zwischenüberhitzten Gasströmung (43) für den Wärmetauscher (39); sowie
• - Leitungsmittel (43, 59) zur Hindurchleitung der zwi­ schenerhitzten Gasströmung (43) durch den Wärmetauscher (39) in die Kathodenvorrichtung (28, 25) der zweiten Brennstoff­ zellenvorrichtung (7).