本发明涉及一种由燃料氧化反应联合产生电能及机械能的方法及实施该方法的装置。 在大多数热电厂中，首先通过在锅炉中燃烧化石燃料产生过热蒸汽以便产生电能，该过热蒸汽在汽轮机中膨胀，並在那里转换成机械能。然后，为了将该机械能转变成电能，将发电机与该汽轮机相连，后者的效率明显地超过90%。相反，将燃烧加入燃料的化学能转换成机械能的效率就大相径庭了，因为在大汽轮机中汽轮机自身的最大效率约为37%，而且还必须承受在热锅炉中的损耗。
因此，至目前为止，在许多场合，作为发电来说仅是约自由燃烧产生的热效率的35%被利用了，而约65%作为废热损失掉或仅作为单纯供热用途使用。
近年来，人们已能通过如下方式明显地提高机械或电效率，即人们将燃气轮机与汽轮机组装起来，用于将热能转换成机械能，在那里首先在燃汽轮机中使热燃烧气体膨胀，然后利用该燃汽轮机排出气体的热量来产生汽轮机的蒸汽。附加的改进可能性在于：人们总是将由汽轮机流出的膨胀蒸汽回输到前置燃汽轮机的燃烧室，这样产生较大的驱动燃汽轮机的体积流。这些措施已使在较大的设备（超过50MW）中将由热能转化成机械能的效率达48%至50%左右的数量级成为可能。
由欧洲专利EP0 318 122A2已揭示了一种由气体燃料产生机械能的方法和装置，其中，例如用于发电可用的机械能不是部分地由汽轮机而是仅仅由燃汽轮机给出。对于所加入的热能（较低热值）来说，这些，尤其是具有50至3000KW功率的燃汽轮机效率已达42%左右。为此考虑，首先把燃烧用空气在气压机中压缩然后将压缩过的燃烧用空气在余热交换器中预热，经由第一个仅驱动压缩机的燃汽轮机部分地膨胀，並接着输入燃烧室，在该燃烧室将该燃烧用空气燃烧燃料。
燃烧时相应的热废气驱动第二个燃汽轮机，该燃汽轮机提供实际上可用地机械能。由第二个燃汽轮机泄出的、还是热的废气可用来提供给预热压缩过的燃烧用空气的余热交换器。
在没有提前公开的德国专利DE-P4003210。8中，申请人已建议了一种产生机械能的方法，该机械能通过发电机可转换成电能。该方法是，首先在蒸汽改良过程中将基于碳氢化合物的原燃料转变成从能量观点看的高值富氢气体，然后该富氢气体在一个或多个燃烧室中燃烧。燃烧借助于含氧压缩气体（例如，压缩空气）实现的。所产生的热燃烧气体在一个可向外输出机械能的燃汽轮机中膨胀，在那里相应地冷却，並接着被用作对蒸汽改良器（Dampfreformer）间接加热。然后，还利用在蒸汽改良器中进一步冷却的燃烧气体在另一间接热交换器中加热压缩过的燃烧用空气。由此，压缩过的燃烧用空气得到如此多的能量，以致于其能在用作燃烧前在燃汽轮机中部分地膨胀，並从而提供产生压缩空气必需的驱动能量。在本方法的另一种变型中，首先将压缩过的和经过间接热交换器加热的燃烧用空气导入燃烧室，並在那里用部分富氢气体将其燃烧，以便为燃汽轮机中的膨胀提供更热的气体。
这方法使得在小装置中在将包含在传统燃料（例如天然气或沼气）中的能量（较低热值Hu）转变成机械能时、效率提高到至少50%成为可能;在较大装置时，效率提高到至少55%成为可能。
在通常情况下，这种类型的方法设置用于将产生的机械能最终转换成电流。在这种形式中，能量可最简单地向任何需要能量的地方输送，並且能用比较简单的方法以高效率将其再变回成其它能量形式（例如机械能或热能）。另一方面，要考虑的是，越来越要求在将燃料转换成电流或机械能时显著地减少生成的CO2和其他有害物（尤其是NOX，SOX）。就CO2成份而言，当人们不想为从产生的废气中分离CO2作出化费时，这种要求只能这样实现，这时将加入燃料中与化学有关的能以至今显著有效的方法进行转换。进一步提高能量转换的效率，这不仅涉及到纯经济的需要，而且也涉及环境保护方面的需要。
因此，本发明的任务在于：提供一种方法和实施该方法的装置，达到能以至少60%的效率，甚至很可能以高于65%的效率实现将包含在燃料中的化学能（低热值Hu）转变成电能和机械能。
该任务通过具有权利要求1的特征的方法，即由燃料氧化反应联合产生电能和机械能的方法，其应用如下步骤予以完成。
-在间接对吸热反应加热时，通过至少一级碳氢化合物的吸热反应，产生含氢气体，
-将一部分含氢气体引入至少一级燃烧级以便产生一种热的、具有增加压力的燃烧用气体，
-压缩含氧气体，
-用间接热交换器加热压缩的含氧气体，
-用间接热交换器加热压缩的含氧气体，
-将压缩的、加热的含氧气体导入一个或多个燃烧级，
-通过在至少一个燃汽轮机中至少部分地膨胀热的燃烧用气体，产生机械能，
-为一级或多级吸热反应的间接加热，使用至少部分地膨胀的燃烧用气体或这种燃烧用气体的一部分气流，
-使用在至少一级吸热反应中部分地冷却下来的燃烧用气体加热压缩的含氧气体，
-通过压缩机驱动用涡轮机单元中已加热含氧气体部分地膨胀或通过取出部分的已产生的机械能作为压缩含氧气体的驱动能量，
其特征在于，下述进一步的方法步骤：
-首先将在吸热反应中产生的含氢气体的至少一部分，最好全部在产生电能条件下作为阳极气体通到燃料电池系统，
-使用燃料电池系统的含氢余量的阳极废气产生具有增加压力的燃烧用气体。
按照本发明，该方法可通过从属权利要求2至从属权利要求21的特征部分的特征，以有利的方法实现。实施该方法的装置包含权利要求22中的特征，並且可以通过从属权利要求23至从属权利要求44的特征部分的特征，以有利的方式实现，
本发明的构思在于：首先利用废热将传统的燃料通过吸热反应（例如：蒸气改良）转变成高值含氢燃料，然后至少部分地作为燃料加入燃料电池以便直接产生电能，在那里H2含量的大部分由于氧化反应而消耗。然后，将原富氢气体中留下的H2剩余量和其他可燃成份（CO和没有转变的碳氢化合物）提供燃烧。该燃烧的气体可由构成本方法的不同气流的混合物组成並通过列入原始加入燃料的份额附加地丰富了。在那里产生的热燃烧用气体在一燃汽轮机系统中膨胀，並且用于产生机械能或（在连接发电机时）产生附加的电能。其中本质上是：将存在于本方法中的热能，通过系统地利用余热能量，在尽可能有益的水准上深入地转变成最终要谋求的能量形成。尤其它是这样实现的，即首先将在燃汽轮机系统中膨胀的燃烧用气体或该燃烧用气体的一部分气流用作蒸气改良过程的加热，並然后再将其用作加热产生燃烧用气体所需要的压缩含氧气体。
在将继续冷却的燃烧用气体引出到周围环境中前，可超越产生电能和机械能的界限，将其适用于动力/热力结合的意图或者用于明显的加热目的（例如，建筑物、温室的供热），並以此进一步提高能量的应用。对于加入的低热值燃料，根据实施例，按照本发明的电效率能提高到60%至80%（典型值为65%至75%）。为产生所需要的燃烧用气体，本发明可采用一个或多个燃汽轮机，一个或多个蒸汽改良装置，一个或多个燃料电池和一个或多个燃烧室来实施。另外，可具有一个或多个蒸汽发生器和一个或多个汽轮机。在这里的工艺布置方面，同样的机组或者可以串联设置或者可以並联设置。燃料电池在本发明中可理解为相互连接的燃料电池元件的每一组合。
借助于在图1至图5中描述的例举的实施例一一详细地进一步说明本发明。该描述总是以对按照本发明的整体装置的框图，或其中的局部框图作出说明。
在图1中，按照本发明的装置具有由二级压缩机级K1和K2组成的压缩机系统K，在该压缩机系统中，将含氧气体（最好为空气）压缩成高压。该气体由管道1吸进，並且通过管道2，从第一级压缩机级K1到达第二级压缩机级K2。在管道2中设有热交换器，其对部分压缩的含氧气体进行中间压缩，並且回收的热量通过冷却回路3向外送出。在需要时，该送出的热量可以作为本方法以外的加热目的使用。
但是原则上还可能将这些热量用作本方法自身需要，例如用作产生过程蒸汽的水的预热。压缩机系统K其本身应该理解为可以为一级的，也可以为多于二级的。
压缩的含氧气体通过管道4离开最后一级压缩机级K2，並且到达间接加热的热交换器W。在实现温度升高后，含氧压力气体通过管道5进入燃烧室B，在燃烧室中，在生成热压缩燃烧用气体条件下，其与通过管道15通入的含氢和在需要时含有其他可燃组分的气体进行放热反应。也可以（至少短时地）附加于含氢气体一种原燃料（例如天燃气）一起燃烧。热的燃烧用气体通过管道6离开燃烧室B，並且在一燃气轮机T中膨胀直到接近于燃料电池FC的驱动压力。燃汽轮机T产生的机械能一部分用于（例如通过机械连接）驱动压缩机系统K，另一部分用于在所连的发电机G上产生交流电。
然后，通过管道7，将继续膨胀，但总是热的燃烧用气体作为热介质导入间接可加的热蒸汽改良器R。通过管道13可把气态碳氢化合物（原燃料）和蒸汽装入蒸汽改良器R，以致于在其中形成富氢气体，该富氢气体通过管道14引出。在蒸汽改良器R中继续冷却的燃烧用气体始终具有可观的焓。因此，其通过管道10通入热交换器W，並且在那里造成上面已提到的已提高压力的现有含氧气体的温度升高。
当然，其中还能利用剩余的热能（例如，用作过程水预热或大楼供热）。在这例子中，在最终导出前还可作其他利用。这要求，在燃烧室B中用剩余O2进行燃烧。即能通过管道11导入在相当程度上冷却的燃烧用气体作为燃料电池FC的阴极气体並且弥补其O2需求量。最终才通过管道12引出。
通过管道14向燃料电池FC的阳极室导入燃料电池所需作为燃料的富氢气体。在燃料电池中通过电化学氧化过程产生直流电，其通过导线16向外输出，並且在需要时，可通过当未图示出的电逆变器将其转换成交流电。也能直接将直流电输送到发电机G。
由于在燃料电池FC中始终只能转换富氢气体的氢含量部分，而还能包含其他可燃的气体成分（例如CO和没有转换的碳氢化合物），故通过管道15将燃料电池FC的阳极废气引入燃烧室B作为燃料。另外，为了满足热量需要，也还可通过放热反应向燃烧室B直接地未先前转换地提供部分原始燃料。这尤其对过程的起动有利，並且也能简化控制。为了使阳极废气带有在燃烧室B中所需的压力，可在管道15上设置一个未画出的压缩机。但是人们也能以在改良器反应空间适当超压的方式运行改良器R，以致于在管道14中的阳极气体e带有足够的压力。但是，这要求预先对燃料电池采取结构上的措施，使其能允许阳极室和阴极室之间有相应的压力差。
最好燃料电池FC这样运行，为了能确保蒸汽改良器R的加热和能产生高于压缩机系统K驱动需要的燃气轮机的机械能，阳极废气的剩余热值要足够高。如果所设置的燃料电池类型是以相对低的运行温度工作的，那么在本方法废气侧端所作出的燃料电池系统的设置是相当有益的。具有基于磷酸（PAFC）、碱（AFC）或固态聚合物（SP（E）FC）电解质的燃料电池是尤其适用的。
在图2至图5中，以框图形式描述了本发明的其他实施方式，它们基本上与图1中的实施例是一致的。
因此，用相同的标记表示功能相同的装置部件。下文也仅仅进一步考虑变化的部分。
在图2中设置有二个燃气轮机，其中，第一个燃气轮机KT仅仅用作压缩机系统K的驱动，而第二个燃气轮机T产生可向外输出的机械能。当燃气轮机KT和T中的任务分配与所示表达的相反时，将他们设置在共同轴上原则上是可能的。其与图1的本质不同在于：首先燃烧室B设置在驱动压缩机的汽轮机KT的后面。因此，仅由在热交换器W中加热足够高的受压缩燃烧用空气的部分膨胀驱动压缩机驱动用汽轮机KT。另外的不同在于：燃料电池FC没有设置在本方法的废气侧端。也就是通过管道10d，使燃烧用气体离开蒸气改良器R的加热空间后直接引入燃料电池FC的阴极室。然后，通过管道12a到达热交换器W，以便对受压缩的燃烧用空气间接加热。这样的设置有利于具有较高运行温度的燃料电池类型（例如，熔碳酸盐燃料电池（MCFC）或固态氧化物燃料电池（SOFC））。
图3中的本方法的变型如图2中的一样，具有两个分开的燃气轮机KT和T。但是，燃料电池系统FC的阳极废气的可燃烧成分的燃烧发生在两个燃烧室B1和B2，它们各自直接设置在两个燃气轮机KT和T中的一个之前。
由于通过燃烧室B1可将能在压缩机驱动用的汽轮机KT中膨胀的满足本方法全部所需氧的压力气体，在实际可能时，提高到显著高的能量水平，当仅仅通过在热交换器W中的间接热交换实现温度升高时，这也能使燃气轮机KT输出产生机械能或电能。因此，在图示中已将一个附加发电机GK（用虚线表达）与压缩机驱动用的汽轮机KT相连接。
在使用中，按照本发明的方法的可能变形不仅在于有更多的燃气轮机和燃烧室，而且还在于有更多的蒸气改良器。它们可以诸如並联连接。但是，最好象图3中虚线描述的那样，串联连接。第一个蒸气改良器R1直接连接在压缩机驱动汽轮机KT的后面。通过管道8将由蒸气改良器R1流出的、並具有可观氧含量的冷却的燃烧用气体导向第二个燃烧室B2。在该燃烧室B2燃烧由管道15导出的阳极废气的部分气流15b，而另一部分气流15a则在第一个燃烧室B1中燃烧。通过燃烧过程，在第二个燃烧室B2中形成了燃烧用气体的热气流，其与从第一个燃烧室流出的燃烧用气体相比为相当大的气流。
该气流通过管道9引入燃气轮机T，並且膨胀到高于燃料电池FC规定的运行压力，以及通过管道10进一步流通。但是，随后燃烧用气体不是通过管路10的管道10a流通，而是通过虚线所示的管道10c到达第二个蒸气改良器R2的加热空间，並且在热量给出后通过管道10d回到管路10的管道10a。该管路10象图1中的一样，直接通向热交换器W。通过虚线表达的管道13a将气体碳氢化合物和蒸气供给蒸气改良器R2。通过管道14a，将在蒸气改良器R2中产生的富氢气体导入管路14，並且通过管道段14b与在蒸气改良器R1中形成的富氢气体一起到达燃料电池系统FC的阳极室，当然，该燃料电池系统可以由多个单个的燃料电池组成。
在图3中还表达了本方法两种其他的安排，这样的安排在很多场合是有利的。例如，在导入燃料电池FC前，还可在一个或多个反应器S中对富氢气体进行CO/H2转换反应（Shiftreaktion）。这是一种放热还原反应，在那里通过CO和水蒸汽转换成CO2和H2从而提高H2的份额。此外，在使用对某种气体组分（例如CO）很敏感的燃料电池时，设置相应的气体净化装置P（例如借助于薄膜或者压力变换吸收PSA）是很有意义的。一种这样的气体净化装置对提高燃料电池的效率也是有利的。最好直接将在图3中没有表达的已分离气体、只要其包含可燃烧成分输入燃烧室B1和B2。
在图4中，以框图形式表达了本发明的另一种实施形式，其包括了一个产生能量的汽轮机程序，並从而从本质上提高由包含在原始加入燃料中能量（低热值）转变成机械能或电能总效率，直到其有可能达到70-80%的数量级。与图3相比不同的是，燃烧用空气的压缩量在没有中间冷却，並仅有一级的压缩机系统K中进行的。为了达到在压缩机中还是尽可能高的压缩效果，通过管道1吸进已预冷的空气是有益的。接着，在一起输送产生在蒸气改良器R1和R2中的富氢气流（管路14和14a）的管道14b中连接一个热交换器W1，该热交换器的作用在于将富氢气体的热量用于预热通过管道15（来自燃料电池FC）和管道17（来自气体净化装置P）送来的可燃烧含氢气体的间接热交换，再通过管道15a和15b将其输入蒸气改良器R1和R2的火焰空间。
此外，图4和图3的不同在于两个蒸气发生器D1和D2，在这两蒸汽发生器中借助于热燃烧用气体间接热交换产生新蒸汽，其可使用有利于产生碳氢化合物/蒸汽混合物（改良器进料）（图中未画出）。对产生蒸汽其他有意义的使用可能性在于，为了加大物料流量使涡轮叶片冷却和将蒸气导入燃烧室B1和B2。
将蒸汽发生器D1装在管路11和11a中间，並且燃烧用气体约冷却到燃料电池的运行温度，而将蒸汽发生器D2装在管道12c中间，其仅使阴极气体（管路12a）的一部分通过，阴极气体的另一部分经由管道12b形成一个旁流作为一间接加热空气预热器LW2的热介质，並且，此后再导入管道12c。在本发明的这个实施形式中，为了仅保证燃料电池系统FC阴极气体的供给，在燃烧用废气中含氧量一般地不再够了，因此，还要借助于管道18将附加的新鲜空气流导入燃料电池系统FC。为了加热该附加的由压缩机V达到运行压力的气流、使其约达燃料电池系统FC的运行温度，除空气预热器LW2外，还设置了空气预热器LW1，其与管路12相连接，通过该管路将尽量冷却的燃烧用气体导出。
本发明的这些变形也能用于按照图1至图3实施形式的框图中。尤其是通过按照本发明的方法中附加一汽轮机程序，人们对于尽可能提高能量转换效率方面取得了根本性进步。在图4中通过点划线划出並强调了原则上要补充的装置。
将通过蒸汽发生器D2及空气预热器LW2后一般已膨胀到接近环境压力的燃烧用气体进入空气预热器LW1前，在一分离装置MD中将其分离成两个不同部分气流，即通过管路12流出的纯废气流和通过分离的管路23从分离装置23流出的蒸气流。在本质上，该分离装置MD分离出包含在燃烧用气体中水份不是以液体形式（例如借助于冷凝器）而是蒸气形式的。由于其是低压，通过相应的低压蒸汽入口将蒸气供给汽轮机TD，並在那里膨胀成负压。这是由使得通过管路19连接到汽轮机TD上去的冷凝器C在真空下运行来实现的。如果没有在分离装置MD中将燃烧用气流作气态组分的分离，就无法以在技术上和经济上有意义的方式来维持冷却器中所需的真空。
此外，通过管路22b用较高压蒸气进气冲击汽轮机TD。该蒸气是在其他图中没有标别画出和说明的燃料电池系统FC的冷却范围中产生的。为此，将冷凝器C中产生的一部分冷凝液作为冷却液使用，通过管路20和管路22a将其导入燃料电池系统FC的冷却系统。剩余的冷凝液可通过管路21导出，例如可用作在蒸气发生器D1和D2中产生蒸气或作为其他过程中有价值的去矿物水。因为按照本发明的方法是在H2连续氧化形成H2O的基础上，必然地会产生多余的水，因此产生一有价值的副产品。
在现情况下，由低压蒸气和高压蒸气膨胀产生的机械能，通过连接于汽轮机TD的发电机GD转换成交流电。当然，两个发电机GD和G可在壳体上合并成一个机组或者在机械上相互连结。
在蒸气发生器D1和D2中产生的蒸气按适当的方法特别用作已阐述的涡轮和叶片冷却和引入燃烧室B1和B2（也作为对燃烧用气体温度的调节）。当然，也可以想象作为本发明方向以外的对产生蒸气的应用，诚然，在这种情况下，必然会减少转变成机械能或电能的原燃料中包含的化学能份额。
在图1至图4描述的实施形式中始终出于这样的情况，即阴极废气（例如，PAFC型时）包含了在燃料电池系统FC中产生的H2O份额。但是，情况未必总是这样。为此，图5以整个装置框图中相应的局部形式展示了一个变型。在该变化形态中，燃料电池系统基于碱电解质而工作。在这种情况下，虽然也通过管路14时富氢气导入阳极室。但是，燃料电池FC形成的水蒸汽份额在阳极废气中通过管路15离开它。因此，为了获得蒸气将分离装置MD2接入管路15。例如，通过管路23b能再次将分离出来的蒸气到没有画出的汽轮机里膨胀，而将气体部分通过管路15c导入（没有画出的）燃烧室，利用其可燃性组分。
因为来自燃烧室的燃烧用气体包含有明显影响碱燃料电池使用寿命的成分，因此，不能将该燃烧用气体作为阴极气体而向燃料电池FC供氧。为此，可取的做法是引入新鲜空气，该空气在压缩机V中压缩到运行压力，並在借助于包含在燃烧用气体中的热量的空气预热器中以间接途径预热。将压缩机V和空气预热器LW连接于空气导入管路18上。为了能利用包含在燃烧用气体中的水蒸气部分，可在管道支路11和12之间安置一相应的分离装置MD1（例如薄膜过滤器）。分离出的蒸气通过管道23a导出，並诸如在汽轮机中进行膨胀。
通过下面的例子就会清楚了解按照本发明方法的效力，该例子涉及如图4所描述的设备配置，所以不再一次仔细对部件描述。当然要提及的是，在热交换器W中将加入的碳氢化合物/水蒸气混合物重新加热到蒸气改良器R1和R2的预热温度。本发明这个适用的实施形式在图4没有特别加以描述。通过管路1把已预冷的空气导入压缩机K。在蒸气发生器D1中产生的蒸气部分地用于压缩机驱动用涡轮机KT叶片冷却和部分导入燃烧室B1。相应地，在蒸气发生器D2中产生的蒸气部分地用于燃气轮机T叶片冷却和导入第二个燃烧室B2。产生的蒸气的其他部分用作两个蒸气改良器R1和R2的进料。该方法过程可从下列主要过程参数表格中得到。
加入的燃料：天燃气（主要为CH4）
压缩机K：
进气温度 4℃
出气温度 160℃
进气压力 4巴
热交换器W：
燃烧用空气的温度升高 405K
燃烧用气体的温度下降 305K
燃烧室B1：
通过燃烧温度升高 685K
压缩机-驱动涡轮机KT：
进气温度 1250℃
涡轮机压缩比 1.45
出气温度 1150℃
改良器R1：
过热碳氢化合物/蒸气混合物的进气温度 550℃
燃烧用气体的出气温度 610℃
富氢气体的出气温度 720℃
燃烧室B2：
通过燃烧温度升高 595K
燃气轮机T：
进气温度 1205℃
压缩比 2.47
出气温度 980℃
蒸气改良器R2
碳氢化合物/蒸气混合物的进气温度 550℃
燃烧用气体的出气温度 610℃
富氢气体的出气温度 720℃
蒸气发生器D1：
进水温度 15℃
输出蒸气温度 290℃
蒸气压力 4.5巴
燃烧用气体的温度下降 130K
燃料电池：PAFC型
阴极气体输入温度 175℃
阴极气体输出温度 200℃
阳极气体输入温度 175℃
阳极气体输出温度 200℃
通过产生高压蒸气冷却燃料电池空气
加热器LW2：
空气的输入温度 15℃
空气温度升高 160K
部分燃烧用气流的温度下降 150K
燃气发生器D2
进水温度 15℃
蒸气输出温度 185℃
蒸气压力 3巴
部分燃烧用气流的温度下降 100K
汽轮机TD：
变压蒸气输入温度 165℃
变压蒸气输入压力 6.5巴
低压蒸气输入温度 100℃
低压蒸气输入压力 1巴
冷凝器压力 0.15巴
电功率：
燃气轮机T的发电机G 1860KW
汽轮机TD的发电机GD 1935KW
燃料电池FC 16375KW
基于低热值的电效率：75.2%
与公知的由化石燃料产生电能或机械能的方法相比较，本发明方法不仅具有显著高的效率和释放出涉及电动率的与公知方法相比明显少的CO2，此外还产生含有最低量氮的氧化物的废气。另外，还附带形成了可用于其他目的的高价值的过程水作为副产品。
突出的优点在于，“燃烧室/涡轮机/改良器”联合机组，其各自双重地（串接）设置在图3和图4中，实际上各自结构相同並可组装在一个外壳中。因此，尽管是一个相对复杂的总体布置，但是本发明装置却可相对简单和成本低地加以实施。