Stand der Technik Brennstoffzellen sind als Vorrichtung zur Erzeugung von Wärme und elektrischer Energie wohl bekannt. Hochtempe- ratur-Brennstoffzellen (SOFC) werden schon als Demon- strationsanlagen mit einer elektrischen Leistung von 100 kW (Siemens-Westinghouse) in Betrieb genommen. Der elektrische Wirkungsgrad einer Hochtemperatur-Brenn- stoffzelle liegt dabei regelmäßig zwischen 45 und 55%.

Eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle (z. B. SOFC) wird mit extern oder intern reformiertem Brennstoff (gasför- mig oder flüssig), mit Luft und mit Wasser versorgt.

Mit Hilfe eines komplexen elektrochemischen Prozesses innerhalb des Brennstoffzellensystems wird elektrische Energie erzeugt, die von der Hochtemperatur-Brennstoff- zelle als Gleichstrom abgegeben wird. Die der Brenn- stoffzelle zugeführten Massenströme verlassen diese als getrennte Abgasströme aus der Kathode und aus der Anode.

Nach dem derzeitigen Stand der Brennstoffzellentechnik wird in den Abgasströmen ein Restbrennstoffanteil mitgeführt, der durch den begrenzten Brennstoffumsatz- grad in der Zelle bedingt ist. Zusammen mit dem in den Abgasströmen vorhandenen Restsauerstoffmengen wird die- se Restenergie in einer Brennkammer nachverbrannt und in thermische Energie umgewandelt. Die Brennkammer führt zu einer deutlichen Erhöhung der Abgastemperatu- ren und damit des Exergieinhaltes des Brennkammerabga- ses.

Die heißen Abgase einer oxidkeramischen Brennstoffzelle (SOFC-Anlage) können in einem weiteren Kraft-Wärme- Prozess, beispielsweise in einer nachgeschalteten Gas- turbine, vorteilhaft zu einem verbesserten Wirkungsgrad führen.

Aufgabe und Lösung Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfah- ren zur Stromerzeugung bereitzustellen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, diesbezüglich eine weitere ein- fache Vorrichtung zur Stromerzeugung mit gutem Wir- kungsgrad zu schaffen.

Die Aufgabe wird gelöst, durch ein Verfahren gemäß Hauptanspruch sowie durch eine Vorrichtung gemäß Neben- anspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweils rückbezogenen Ansprüchen.

Darstellung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch l umfaßt die folgenden Schritte : -mit Hilfe einer Brennstoffzelle wird Strom erzeugt, -die Abgase der Brennstoffzelle werden einem Stir- lingmotor zugeführt, -mit Hilfe des Stirlingmotors wird zusätzlich Strom erzeugt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden sowohl eine Brennstoffzelle als auch ein Stirlingmotor dazu ge- nutzt, Strom zu erzeugen.

Stirlingmotoren sind Wärmekraftmaschinen, d. h. sie wandeln Wärme hoher Temperatur in mechanische Energie um. Ein im Motor eingeschlossenes Arbeitsgas wird dazu erwärmt. Im Heizteil wird Wärme hoher Temperatur in den Motor gebracht und durch den Arbeitsteil in mechanische Energie umgewandelt. Diese mechanische Energie wird an einem Schwungrad frei und läßt sich vielfältig nutzen, zum Beispiel zur Erzeugung von elektrischer Energie.

Bei dem Verfahren nach Anspruch 1 werden dem Stirling- motor die Abgase der Brennstoffzelle zugeführt. Diese weisen regelmäßig eine hohe Temperatur auf, die somit zur weiteren Erzeugung von Strom genutzt werden und vorteilhaft den Wirkungsgrad des Gesamtsystems erhöhen.

Vorteilhaft wird eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle eingesetzt. Ein Stirlingmotor ist regelmäßig um so ef- fektiver, je höher das Temperaturniveau der Wärmezufuhr ist und je niedriger das Wärmeniveau der Wärmeabgabe ist. Die Abgase einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle sind zur Zuführung zu einem Stirlingmotor besonders geeignet, da sie vorteilhaft hohe Temperaturen oberhalb 900 °C, insbesondere oberhalb von 1000 °C aufweisen.

Weiterhin können die heißen Abgase aus dem Stirlingmo- tor vorteilhaft für die Vorwärmung des Wassers und der Luft für die Brennstoffzelle genutzt werden. Dabei durchlaufen das Wasser und die Luft einen Wärmetau- scher, der von dem heißen Stirlingmotorabgas durch- strömt wird. Vorteilhaft wird so die Abwärme des Abga- ses reduziert.

Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens umfaßt die Zwischenschaltung einer Brennkammer. In einer Brennkam- mer werden die anoden-und/oder kathodenseitigen Abgase der Brennstoffzelle verbrannt. Die Temperatur der dar- aus entstehenden Abgase ist gegenüber den aus der Brennstoffzelle austretenden Abgasströmen regelmäßig erhöht. Damit steigt der Wärmeinhalt dieser Abgase aus der Brennkammer, die dann vorteilhaft dem Stirlingmotor zugeführt werden und dort zu einem verbesserten Wir- kungsgrad führen.

Besonders effektiv arbeitet der Stirlingmotor bei Tem- peraturen des zugeführten Abgases von 900 bis 1100 °C, wie sie typischerweise die Abgase aus einer Brennkammer aufweisen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird der Wechselstrom aus dem Stirlingmotor durch einen Gleichrichter in Gleichstrom umgewandelt. Der Vorteil besteht darin, daß die kleinere elektrische Leistung des Stirlingmotors mit der größeren Leistung der Brenn- stoffzelle zu einem gemeinsamen Gleichstrom gebündelt wird und anschließend in dem gemeinsamen Wechselrichter zu einem Wechsel-oder Drehstrom umgeformt wird, der

mit dem Netz gekoppelt und dort eingespeist werden kann. Dadurch entfällt die sonst notwendige zusätzliche Netzankopplung und Synchronisiereinrichtung für den Stirlingmotor. Je kleiner eine Netzkopplungseinrichtung ist, um so niedriger ist die Umsetzungsrate und um so höher sind die spezifischen Kosten. Die vorgeschlagene Lösung mit dem Gleichrichter für den Generator des Stirlingmotors ergibt sowohl eine bessere Energieum- wandlung als auch geringere Herstellungskosten.

Da der in der Brennstoffzelle erzeugte Strom in Form von Gleichstrom erzeugt wird, bietet es sich vorteil- haft an, zunächst den in Gleichstrom umgewandelten Wechselstrom aus dem Stirlingmotor und den Gleichstrom der Brennstoffzelle zu vereinigen. Erst im Anschluß daran findet eine Umwandlung durch einen einzelnen Wechselrichter in Wechselstrom statt. Durch diese Vor- gehensweise erspart man sich einen zusätzlichen Wech- selrichter für den Strom aus dem Stirlingmotor, da man den Wechselrichter der Brennstoffzelle mitnutzt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Stromerzeugung nach Anspruch 9 umfaßt eine Brennstoffzelle sowie einen Stirlingmotor, wobei der Stirlingmotor der Brennstoff- zelle nachgeschaltet ist.

Vorteilhaft handelt es bei der Brennstoffzelle um eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle. Diese weist gegenüber einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle vorteilhaft einen höheren Wärmeinhalt der Abgase auf.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eine Brennkammer zwischen Brennstoffzelle und Stirling-

motor angeordnet. Damit läßt sich die Temperatur des Abgases, welches dem Stirlingmotor zugeführt wird, wei- terhin geeignet erhöhen. Dies führt regelmäßig zu einer Wirkungsgradsteigerung des Stirlingmotors.

Der in dem Stirlingmotor erzeugte Wechselstrom wird durch einen nachgeschalteten Gleichrichter in Gleich- strom umgewandelt.

In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, ist lediglich ein Wechselrichter für die Umwandlung des Gleichstroms aus der Brennstoffzelle und dem Stirlingmotor vorgesehen. Diese Ausführungsform der Erfindung spart somit einen Wechselrichter ein.

Beschreibung der Zeichnungen Die Figuren l und 2 stellen schematisch zwei Ausfüh- rungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar.

Die Figur l zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer Brennstoffzelle 1, einem Stirlingmotor 2, einer dazwi- schen geschalteten Brennkammer 3 sowie einem Wärmetau- scher 4. Wasser 7 und Brennstoff 8 werden durch den Wärmetauscher 4 vorgewärmt und anschließend der Brenn- stoffzelle 1 zugeführt. Gleichzeitig wird durch den Stirlingmotor 2 vorgewärmte Luft 9 in die Brennstoff- zelle 1 geleitet. Durch die elektrochemische Umsetzung in der Brennstoffzelle entsteht Gleichstrom, der in einem Wechselrichter 6 in Wechselstrom umgewandelt wird. Die Kathoden-und Anodenabgase 10 und 11 werden der Brennkammer 3 zugeführt. Die Nachverbrennung führt zu dem Abgas 12 mit erhöhtem Wärmeinhalt, welches dem Stirlingmotor 2 zugeführt wird. Das Abgas, welches den

Stirlingmotor verläßt, weist nur noch einen geringen Wärmeinhalt auf und wird zum Wärmetauscher 4 geleitet.

Der im Stirlingmotor 2 erzeugte Strom ist ein hochfre- quenter Wechselstrom.

In der Figur 2 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Im Unterschied zu Figur 1 wird der im Stirlingmotor 2 entstehende Wechselstrom zu- nächst durch einen Gleichrichter 5 in Gleichstrom umge- wandelt. Dieser Gleichstrom wird anschließend zusammen mit dem Gleichstrom aus der Brennstoffzelle einem Wech- selrichter 6 zugeführt, der diesen Gleichstrom in han- delsüblichen Wechselstrom umwandelt.

Im Rahmen der Erfindung wurde ein besonders effektives Verfahren zur Stromerzeugung sowie eine dafür vorgese- hene Vorrichtung geschaffen, welche nachfolgend be- schrieben wird. Die Vorrichtung umfaßt eine Brennstoff- zelle, vorzugsweise eine oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC), und einen mit ihr verbundenen Stirlingmotor. In der Brennstoffzelle wird elektrische Energie mittels elektrochemischer Prozesse erzeugt. Im Stirlingmotor wird die in der Brennstoffzelle auf hohem Temperaturni- veau anfallende thermische Energie, d. h. die Restener- gie des elektrochemischen Prozesses, in mechanische Energie und anschließend in elektrische Energie umge- wandelt.

Die Brennstoffzelle (z. B. SOFC) wird mit extern oder intern reformiertem Brennstoff (gasförmig oder flüs- sig), mit Luft und mit Wasser versorgt. Mit dem komple- xen elektrochemischen Prozeß innerhalb des Brennstoff- zellensystems wird elektrische Energie erzeugt, die von

der Zelle als ein Gleichstrom abgegeben wird. Die der Brennstoffzelle zugeführten Massenströme verlassen die- se als getrennte Abgasströme aus der Kathode und aus der Anode. Nach dem derzeitigen Stand der Brennstoff- zellentechnik wird in den Abgasströmen ein Restbrenn- stoffanteil mitgeführt, der durch den begrenzten Brenn- stoffumsatzgrad in der Zelle bedingt ist. Zusammen mit dem in den Abgasströmen vorhandenen Restsauerstoffmen- gen wird diese Restenergie in einer Brennkammer nach- verbrannt und in thermische Energie umgewandelt. Die Brennkammer führt zu einer deutlichen Erhöhung der Ab- gastemperaturen und damit des Energieinhaltes des Brennkammerabgases.

Das hochtemperierte Brennkammerabgas (zum Beispiel ca.

900 bis 1. 100 °C) wird zur Beheizung eines Stirlingmo- tors eingesetzt. Die für den Antrieb des Stirlingmotors benötigte Wärme wird diesem mit durch Abkühlung des Brennkammerabgases gewonnener thermischer Energie so- weit zugeführt, daß eine hohe Endtemperatur des im Ar- beitszylinder des Stirlingmotors vorhandenen Arbeits- mittels erreicht wird. Das Brennkammerabgas verläßt mit merklich reduzierter Temperatur die Heizzone des Stir- lingmotors. Die noch vorhandene Restwärme wird an- schließend in zwei Abkühlstufen dem Abgas entnommen und teils dem Brennstoff, teils dem Wasser zugeführt. Die Vorwärmung der Brennstoff-und Wasserströme verringert den internen Bedarf an thermischer Energie innerhalb des Brennstoffzellensystems und führt damit zu einer wirksamen Steigerung des Wirkungsgrades der Brennstoff- zellen.

Im Stirlingmotor befindet sich ein Regenerator, der die Heizzone von der Kühlzone trennt. In der Kühlzone wird das Arbeitsmittel nach der Entspannung abgekühlt. Die- ser Wärmestrom hat ein niedriges Temperaturniveau und die darin übertragene Wärme dient zur Erwärmung der Reaktionsluft. Da die Luft mit Umgebungstemperatur in die Kühlzone des Stirlingmotors eintritt, ist eine hin- reichend wirksame Abkühlung des Arbeitsmittels im Stir- lingmotor gewährleistet.

Mit diesen Rahmenbedingungen (d. h. höchstmögliches Temperaturniveau der Wärmezufuhr und niedrigstmögliches Temperaturniveau der Wärmeabgabe) erreicht der Stir- lingmotor einen hohen Wirkungsgrad.

Der Wirkungsgrad des Gesamtsystems kann durch die hier beschriebene Kombination von Brennstoffzelle und Stir- lingmotor auf ca. 55 bis 70 % gesteigert werden.

In den Stirlingmotoren wird üblicherweise die mechani- sche Energie durch mechanische Kopplung mittels Kurbel- trieb, Kurbelwelle und Generator, gegebenenfalls noch über ein dazwischen geschaltetes Getriebe, in elektri- sche Energie (in Form von z. B. 50 Hz und 0,4 kV) umge- wandelt.

Neuere Entwicklungen von Stirlingmotoren, die als Frei- kolben-oder Flugkolbenmaschinen ausgeführt sind, sehen vor, die mechanische Energie der sich bewegenden, frei gelagerten Kolben ohne mechanische Kopplung unmittelbar in elektrische Energie mit Hilfe eines in den Kolben und Zylinder integrierten Lineargenerators umzuwandeln.

Die daraus resultierende hochfrequente Wechselspannung

wird in einem Gleichrichter in eine Gleichspannung und anschließend in einem Wechselrichter in einen Strom mit netzüblichen Merkmalen (z. B. 50 Hz und 0,4 kV) umge- wandelt. Diese Art der Erzeugung der elektrischen Ener- gie in einem Stirlingmotor kommt der hier beschriebenen Kombination zwischen Brennstoffzelle und Stirlingmotor sehr entgegen. Die Gleichspannungen der aus der Brenn- stoffzelle und aus dem Stirlingmotor abgeleiteten elek- trischen Ströme können vor dem Wechselrichter zu einem elektrischen Strom zusammen geführt werden. Es wird dabei für den Stirlingmotor kein zusätzlicher Wechsel- richter benötigt (siehe Figur 2).

Legende zu den Figuren : 1. Brennstoffzelle (BZ) 2. Stirlingmotor 3. Brennkammer 4. Wärmetauscher 5. Gleichrichter 6. Wechselrichter 7. Wasser 8. Brennstoffmittel 9. Luft 10. anodenseitiges Abgas der BZ 11. kathodenseitiges Abgas der BZ 12. Abgas der Brennkammer