WO2019075502A1 - BURNER FOR A FUEL CELL SYSTEM WITH TWO REACTION CHAMBERS - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a burner for a fuel cell system, in particular an SOFC system, wherein the burner is designed and arranged as start burner and / or afterburner, comprising a first Radiofluidleitabites and a second Radiofluidleitabites.
- the invention relates to a use of such a burner.
- the invention relates to a fuel cell system with such a burner.
- the invention relates to a method for operating a
- Burners for fuel cell systems are known from the prior art.
- Fuel cell systems which are operated with diesel, is used to burn.
- the starting burner Under the starting burner is usually a starting burner for heating an afterburner of the fuel cell system, which in turn is provided for heating a reformer of the fuel cell system to understand.
- the afterburner In a cold start of the fuel cell system, when the afterburner is still cold and is therefore not suitable for heating a reformer of the fuel cell system, the afterburner can be preheated by the starting burner. Once the Afterburner is by operating the fuel cell system to operating temperature, the starting burner can be disabled.
- DE 102 37 744 A1 discloses a fuel cell system with a starting burner, which is installed in a burner housing.
- a starting burner which is installed in a burner housing.
- Burner housing can bypass air bypass flow along the outside of the starting burner before it enters together with emerging from the starting burner hot gas in a mixing zone.
- the bypass air is mixed as homogeneously as possible with the hot gas to emerge as a temperature-controlled hot gas stream and the
- Burner device can be operated as an afterburner, with a
- the burner apparatus may continue to operate as a starting burner during a start-up phase of the fuel cell system in that the combustion mixture supplied to the burner apparatus is also in
- the object of the invention is to increase an efficiency of a burner of the type mentioned, by which it is simultaneously possible to reduce the number of components of a fuel cell system.
- Another object is to provide a use of such a burner.
- a burner of the aforementioned type comprises two successively arranged and each having a chamber inlet and a chamber outlet having reaction chambers, wherein in the flow direction a chamber inlet of a second reaction chamber to a Chamber exit a first chamber reaction chamber follows wherein the reaction chambers each have a catalytic material.
- trained burner is designed and arranged both as a starting burner and as an afterburner and is or can be. That is, a single component functions simultaneously as a starting burner and as an afterburner, depending on one
- the burner is designed as a two-stage burner, the first
- Reaction chamber forms a first stage and the second reaction chamber forms a second stage.
- the first operating fluid and / or second operating fluid may be in
- inventive burner on the one hand evaporated and at least partially reformed and on the other hand also completely burned and heated to a necessary or predefined temperature.
- a process gas, which flows out of the burner, has the same by the two-stage execution thereof
- Heat exchanger elements fuel and air or operating fluids for a
- Fuel cell stack to an operating temperature to heat. Further, in the burner fuel cell exhaust gas, which consists of an anode section and a
- nachverbrennbar with a separate afterburner is thus unnecessary, since the burner can be used in a single fuel cell system as start burner and afterburner.
- the burner according to the invention thus makes it possible to dispense with an element in a fuel cell system, since this unites two elements.
- a burner for a fuel cell system in particular for a SOFC system (SOFC stands for solid oxide fuel cell or solid oxide fuel cell)
- SOFC solid oxide fuel cell or solid oxide fuel cell
- Such a fuel cell system can be operated, for example, with liquid fuel ,
- the burner is in particular designed to catalytically combust liquid fuel, for which purpose both reaction chambers each comprise a catalytic material.
- the concept of the burner allows through the pre-evaporation and partial pre-reforming of the fuel in particular a use of an ethanol-water mixture as fuel, which is known to be due to its high water content is difficult to evaporate and subsequently burn. This makes it possible, the highly hydrous fuel, which for
- the first operating fluid guide section is arranged in particular as a component of the first reaction chamber and designed to supply a first operating fluid to the burner or the first reaction chamber. If the burner operates as a start burner, the second operating fluid guide section is designed to supply air to the burner. If the burner assumes the function of an afterburner, no operating fluid flows in the first operating fluid guide section in one embodiment variant, whereas in the second operating fluid guide section, anode exhaust gas or
- Fuel cell exhaust gas (anode exhaust gas and cathode exhaust gas) flows, which is supplied to the burner to completely burn it. Since cathode exhaust gas is exclusively air in particular, the anode exhaust gas is burned in the burner with the cathode exhaust gas. In the case of too high a temperature in the operation of the burner as an afterburner, it may be advantageous to additionally supply air to the burner.
- the first operating fluid is preferably a liquid fuel-water mixture, in particular an ethanol-water mixture.
- the two reaction chambers of the burner in particular directly adjoin one another, so that the chamber outlet of a first reaction chamber connects to the chamber inlet of the second reaction chamber.
- Reaction chambers are successively flowed through by a mixture of air and a fuel-water mixture or fuel cell exhaust gas; the second reaction chamber is thus arranged downstream of the first reaction chamber. They are therefore arranged one after the other in the flow direction. It is advantageous if the reaction chambers are each formed at least in sections rotationally symmetrical, wherein these each comprise at least two, in particular cylindrical layers. Particularly preferably, the reaction chambers are each formed at least partially hollow cylindrical. The cylindrical layers are in particular coaxially inserted into one another or arranged to each other. As a result, chambers can form between the cylindrical layers.
- Heating device includes.
- the burner is electrically preheatable during a starting phase of the burner.
- the electrical heating means is designed for heating the first operating fluid, particularly preferably the heating means is designed exclusively for heating, evaporating and / or reforming the first operating fluid in a warm-up phase of the burner functioning as starting burner.
- the first operating fluid which is present as a fuel or as a fuel-water mixture, is thus not only preheatable, but also vaporizable and pre-reformable to some predetermined degree.
- the burner is particularly effective operable when used as a starting burner.
- the electric heater may operate for a period of about 2 minutes to 10 minutes.
- the electric heating means is not used in the rule.
- a first, radially outermost cylindrical layer of the first reaction chamber is designed as an evaporating jacket, wherein the electrical heating device is arranged running between the evaporation envelope and a second cylindrical layer and in particular at least partially spirally around a second cylindrical layer.
- the heating means is arranged particularly space-saving in the starting burner. Radially between the evaporation envelope and the second cylindrical layer is advantageously a
- the evaporation envelope formed.
- the evaporation envelope encloses the
- the reactions taking place in the evaporation chamber can be understood as a precursor or lower stage of the first stage of the burner.
- the Heating means in particular, spiral over the second cylindrical layer over an approximately entire axial length of the first reaction chamber; it forms a heating spiral.
- all cylindrical layers are to be understood as meaning hollow-cylindrical layers unless otherwise clearly described.
- the evaporation chamber and / or the evaporation envelope may also be arranged between the first and the second reaction chamber.
- an electrical heating device is provided, which is preferably arranged running between the evaporation envelope and a cylindrical layer of the evaporation chamber and, in particular, at least partially spirally around a cylindrical layer. Radial between the evaporation shell and the cylindrical layer is an advantage
- the evaporation envelope formed.
- the evaporation envelope encloses the
- the first operating fluid in particular a fuel-water mixture such as an ethanol-water mixture or a fuel is introduced in a first step in the evaporation chamber, which is heated by the electric heater.
- the first operating fluid is at least vaporized, in particular, it is vaporized and pre-reformed.
- Heating device switched off. , In the flow direction downstream, the vaporized and in particular vorreformator first operating fluid in the first
- Operating fluid in particular air, is catalytically burned.
- Reaction chamber is arranged either completely or at least partially radially within the evaporation chamber, so that in the catalytic
- Combustion-generated heat can be used for vaporizing and pre-reforming the first operating fluid. If the evaporation chamber is arranged between the first and the second reaction chamber, either the first and / or the second reaction chamber extends radially inwardly at least partially into the evaporation chamber, so that at least part of the heat which is generated during the catalytic combustion is emitted and for evaporation and optionally pre-reforming the first operating fluid may be used.
- heat is extracted from the burner at least or exclusively in the first reaction chamber in order to evaporate the first operating fluid and optionally
- the first Archfluidleitabites at least partially extends spirally around the second cylindrical layer.
- the helical first operating fluid guide section formed thereby runs in such a way between the heating spiral formed that the heating fluid flows around the first operating fluid.
- the first operating fluid guided in the first operating fluid guide section is particularly efficient and can be heated in a short period of time.
- the helical first Archfluidleitabites introduced, which is arranged closer to the chamber outlet than at the chamber entrance of the first reaction chamber.
- the helical first Archfluidleitabites ends approximately in the region of the chamber entrance of the first reaction chamber, where in an operation of the burner as a star burner, the first operating fluid is mixed with air and passed within a radially innermost cylindrical layer in the first reaction chamber. A distance to be covered of the first operating fluid in the spirally formed first
- the operating fluid conduit is long enough to ensure that the first operating fluid is not only heated but also nearly or completely vaporized, and at least partially reformed or pre-reformed before it is mixed with air.
- the heater is formed spirally and the first operating fluid flows around them.
- guide vanes are arranged in the vaporization chamber, so that the first operating fluid flows in a spiral towards the chamber inlet of the first chamber.
- the second cylindrical chamber can advantageously be provided with ribs on the walls in order to increase the heat transfer to the first cylindrical chamber as soon as the electrical support is switched off.
- the first operating fluid guide section comprises at least two subsections, wherein a first subsection for supplying a first part of the first operating fluid to the chamber inlet of a first
- Reaction chamber and a second section for supplying a second part of the first operating fluid is formed to the chamber entrance of the first reaction chamber.
- the first section is arranged spirally around the second cylindrical layer and advantageously conducts about 70% of the first operating fluid to the chamber entrance of the first as described
- the second section is formed substantially shorter than the first section, but also extends spirally around the second cylindrical layer. By the second subsection about 30% of the first
- this part of the first operating fluid is directed towards the chamber outlet of the first reaction chamber. This is done in particular in an operation of the burner as a starting burner, but it can also be provided that when operating as an afterburner, the first operating fluid of the first chamber as described at least by the first or second
- the second Radiofluidleitabites is formed for supplying a second operating fluid to the chamber inlet of the first reaction chamber, wherein at the chamber inlet of the first reaction chamber, a shield for
- Chamber inlet of the first reaction chamber is carried out mixing of the gaseous, in particular partially reformed first operating fluid with the second operating fluid.
- the second operating fluid is in an operation as starting burner air, in particular ambient air, which can be supplied either directly via an external source or preferably via a cathode circuit of a fuel cell system.
- the second operating fluid designed as a fuel-water mixture is burned during operation as a starting burner.
- the shield is provided, which is formed in particular circular and full surface and extends radially to about the second cylindrical layer. The incoming second operating fluid impinges on the shield and is directed by the latter in the direction of the incoming fuel-water mixture. By this arrangement, a poor mixing of the fuel-water mixture with the second operating fluid is largely avoided.
- the radially innermost cylindrical layer is perforated
- Hollow cylinder is formed.
- the hollow cylinder is formed in particular of a metal or a metal alloy and forms a radially innermost element of the first Reaction chamber.
- the second operating fluid or a mixture of first and second operating fluid is passed via guide elements in an interior of the perforated wooden cylinder. Due to the radially formed perforations in the hollow cylinder, the second operating fluid or a mixture of first and second operating fluid is directed radially outwards in the direction of the second cylindrical layer.
- Reaction chamber is formed as a catalytically coated fabric, which is in particular arranged annularly around a radially innermost cylindrical layer.
- the catalytic material formed as a coated fabric is arbitrarily shapeable. It may be favorable if the catalytically coated fabric is metallic and has several recesses. in the
- this is preferably arranged annularly on a wall of the radially innermost cylindrical layer.
- the fabric has a radially greater thickness than the innermost radial layer, the second cylindrical layer and the evaporation envelope.
- a radially inward end advantageously forms a catalyst inlet, whereas a radially outward end of the catalytic layer forms a catalyst exit.
- the fabric is preferably formed with a plurality of radial perforations or channels, so that it can be flowed through radially from the inside to the outside, wherein the first and / or second operating fluid are catalytically combusted.
- the catalytic material may also be spirally wound around the radially innermost layer.
- the catalytic material may have perforations.
- it may be immersed, for example, in a catalytic solution or sprayed with a catalytic solution. It is favorable if the fabric is metallic.
- heat-conducting elements are advantageously arranged between the coated fabric and the second cylindrical layer.
- heat-conducting elements which may be formed, for example, as ribs, heat from the catalytic combustion in the tissue is radially outward to the spiral-shaped
- Heating device can be switched off already after a short period of time, in particular already after starting a catalytic reaction. That for the further evaporation of the first operating fluid in the first Radiotabites is thus provided by the catalytic combustion available.
- the first operating fluid is particularly completely combustible. With the resulting waste heat is subsequently the first operating fluid in the first operating fluid supply line, in particular in the
- Evaporation chamber vaporizable and partially reformable before it is introduced into the chamber entrance of the first reaction chamber. Consequently, as soon as waste heat is generated, operation of the electric heating device can be dispensed with. In addition, it is heated by a resulting combustion gas only up to a temperature of about 600 ° C; the remaining heat becomes
- the second reaction chamber comprises a perforated hollow cylinder and a catalytically coated tissue, wherein the tissue at least partially surrounds the perforated hollow cylinder in the circumferential direction.
- a radially inner end advantageously forms a catalyst outlet, whereas a radially outer end forms a catalyst inlet.
- the fabric is preferably formed with a plurality of radial perforations or channels, so that it can be flowed through from radially outside to inside.
- the second reaction chamber is designed to increase a temperature of the process gas to a maximum temperature in a function of the burner as a starting burner, which is limited by catalytic material and is currently used at about 950 ° C materials.
- the operation of the second reaction chamber is essentially the same during operation as a starting burner and during operation as an afterburner.
- Fuel cell system provided with a burner as shown in detail above.
- the fuel cell system further has a
- a fuel cell stack having an anode portion and a cathode portion and an evaporator and a reformer, wherein the burner for heating the reformer, the evaporator and a heat exchanger, which is responsible for the heating of the cathode portion to be supplied air arranged and configured.
- the fuel cell system is preferably an SOFC system.
- the reformer is preferred for reforming a fuel mixture, such as ethanol and water, into another
- Fuel mixture in this case hydrogen and carbon dioxide, designed.
- the reformed hydrogen can be used in a fuel cell stack for power generation.
- the burner is to heat the reformer means
- Fuel cell exhaust configured by the fuel cell stack.
- Burner exits through a warm side of the heat exchanger and flows through a cold side of the heat exchanger to a cathode section of the heat exchanger Fuel cell stack flows, heats. Furthermore, it may be favorable if an additional heat exchanger is arranged downstream of the fuel cell stack and upstream of the reformer or of the further heat exchanger.
- the fuel cell system according to the invention is
- Fuel-water mixture is. Once the operating fluid mixture is burned, the electric heater is turned off, as heat is generated by the combustion, through which the first operating fluid is heated and evaporated prior to introduction into the burner.
- the first operating fluid not only completely evaporated in the first Radiofluidleitabites, but also at least partially pre-reformed.
- the electric heating device may initially be activated for heating or preheating the first operating fluid until a defined operating temperature has been reached in the burner or in the catalytic part of the burner. Once the defined operating temperature is reached, the electric heater can be deactivated. The remaining procedural steps are then repeated.
- Fuel cell system according to the invention have been described.
- a second part of the first operating fluid is supplied to a chamber outlet of the first reaction chamber, wherein the second part of the first operating fluid and the gaseous operating fluid mixture are passed into the second reaction chamber and catalytically burned in the second reaction chamber.
- (Liquid) operating fluid evaporates, wherein the first operating fluid is supplied to the evaporator via an anode supply line.
- the reformer which is arranged downstream of the evaporator, the now gaseous first operating fluid is reformed by the hot process gas.
- the emerging from the burner process gas has a temperature of about 950 ° C and can additionally or alternatively also be used to heat at least one heat exchanger, through which the air (second operating fluid), which is supplied to the cathode portion via a Kathodenzuloomtechnisch heated becomes.
- Temperature are introduced into the fuel cell stack, which is why they are passed with advantage downstream of the heat exchanger through an additional heat exchanger, which balances temperatures of the two operating fluids. It is favorable in terms of method if the fuel is fed to the anode section downstream of the reformer, downstream of which
- Fuel cell stack Anddenabgas mixed with cathode exhaust gas and the burner is supplied via the second Melfluidleitabites.
- the burner is used as an afterburner.
- the burner is used both as a starting burner and as an afterburner.
- the anode exhaust gas is burned in two stages with the cathode exhaust gas in the burner, wherein a supply of the first operating fluid via the first Melfluidleitabites is preferably stopped. Since cathode exhaust gas (air) is already admixed with the anode exhaust gas, it is advantageously no longer necessary to supply air. Although it is in a function of the burner as
- Afterburner may be beneficial when the burner no first operating fluid is supplied, it may be advantageous if the burner over the first
- this hot exhaust gas via heat exchanger promotes an anode section and a cathode section of a fuel cell system.
- the fuel cell system is heated.
- an anode current can be activated. At the same time a fuel supply to the starting burner is deactivated and the component
- Fuel cell exhaust aftertreated by total oxidation This is possible because exit streams from the stack are directed directly into the chamber entrance of the burner.
- 1 shows a burner according to the invention
- 2 shows a further burner according to the invention
- FIG. 3 shows a section through a burner according to the invention
- FIG. 4 is a block diagram showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
- Fig. 1 and 2 show a burner 1 according to the invention for a
- Fuel cell system 100 This comprises two reaction chambers 6, 7, which are arranged one behind the other in the flow direction. Each reaction chamber 6, 7 has in each case a chamber inlet 4a, 4b and a chamber outlet 5a, 5b.
- the burner 1 further has a first Radiofluidleitabites 2 and a second Radiotabites 3, wherein the first Radiofluidleitabites 2 is designed to guide a first operating fluid and the second Radiofluidleitabites 3 for guiding a second operating fluid.
- the first operating fluid is preferably an ethanol-water mixture and second
- the first operating fluid guide section 2 comprises a first section 2a and a second section 2b.
- both a first reaction chamber 6 and a second reaction chamber 7 of the burner 1 are constructed as a hollow cylinder; These each have a plurality of cylindrical layers 8, 9, 10, 14, 15, 18.
- a radially innermost layer 10, 14 is in each case formed as a metallic, perforated hollow cylinder.
- both reaction chambers 6, 7 are closed with a radially outermost cylindrical layer 8, 16. The radially outermost
- Cylindrical layer 8 of the first reaction chamber 6 is formed as an evaporating shell, between which and a second cylindrical layer 9, an evaporation chamber is formed.
- the first operating fluid is vaporized and pre-reformed.
- FIG. 3 shows a section through the burner 1 according to the invention.
- the first reaction chamber 6 is constructed radially from the outside to the inside as follows:
- the radially outermost cylindrical layer 8 formed as the evaporation envelope includes a spiral-shaped electric heater 11, which spirally extends around a second cylindrical layer 9 and as in FIGS. 1 and 2 seen in the chamber inlet 4a of the first chamber 6 enters the evaporation shell.
- the first runs Operating fluid guide section 2 around the second cylindrical layer 9 around.
- a first operating fluid may be heated and vaporized.
- heat-conducting elements 13 are arranged, which are connected to a catalytic layer 18
- the radially innermost layer 8 formed as a perforated hollow cylinder is arranged.
- Reaction chamber 7 comprises less sub-element than the first reaction chamber 6 and is constructed radially from outside to inside as follows: An outermost cylindrical layer 16 closes the second reaction chamber 7 to the outside. Within this, a catalytic layer 18 is again provided. This is generally the same design as the catalytic layer 18 of the first reaction chamber. 6
- the catalytic layers 18 of the first and second reaction chambers 6, 7 are formed as catalytically coated fabric 15; According to FIG. 3, the catalytic layer 18 thus corresponds in each case to the tissue 15. Radially inside, the radially innermost layer 14 designed as a metallic perforated hollow cylinder adjoins it. The fabric 15 extends radially around the perforated
- Hollow cylinder wherein both the hollow cylinder and the fabric 15 are formed with radially extending perforations.
- Both reaction chambers 6, 7 each have a chamber inlet 4a, 4b and a chamber outlet 5a, 5b.
- a shield 12 for deflecting the second operating fluid is arranged in the area of the chamber entrance 4a of the first reaction chamber 6, a shield 12 for deflecting the second operating fluid is arranged.
- further guide elements 17 are provided in order to guide the second operating fluid or a mixture of first and second operating fluid into an inner region of the innermost layer 8. Heated process gas flows out of the burner 1 via the chamber outlet 5b of the second reaction chamber 7.
- the fuel cell system 1 further includes an evaporator 140, a
- Reformer 150 two heat exchangers 160, 170 and a fuel cell stack 1 10 with an anode portion 120 and a cathode portion 130.
- Fuel cell system 100 is operated with a liquid fuel-water mixture, which via an anode feed 20 via the evaporator 140 (where the fuel-water mixture is gaseous), the reformer 150 (where the gaseous fuel-water mixture is reformed) and the other
- Heat exchanger 170 is fed to the anode section. Over a The cathode supply line is supplied to the cathode section 130 via a heat exchanger 160 and the further heat exchanger 170. These steps are performed when the fuel cell system 100 is in operation, that is, after a heating operation.
- Burner 1 used as a starting burner The electric heater 1 1 is put into operation and the first operating fluid is in the first
- Chamber inlet 4a of the first reaction chamber 6 introduced or passed and mixed there.
- the mixture is passed radially outward in the direction of the catalytic layer 18 and catalytically burned there. Since heat is given off by the combustion, the electric heater 1 1 can now be turned off.
- a second part of the fuel-water mixture is supplied and this passed with the already gaseous fuel-water-air mixture in the second reaction chamber 7. There again takes place a catalytic combustion.
- Reaction chamber escaping process gas now has a temperature of about 950 ° C. As shown in FIG. 4, this process gas heats up the reformer 150, the heat exchanger 160 and the evaporator 140 in the flow direction.
- the function of the burner 1 is no longer needed as starting burner, that is, it is preferably no first operating fluid supplied via the first Melfluidleitabites 2.
- the burner 1 is used as an afterburner.
- the anode exhaust gas is mixed with the cathode exhaust gas downstream of the fuel cell stack 110.
- This stack exhaust gas is fed via the second Radiofluidleitabites 3 the burner 1 and burned there in particular two stages.
- a valve 180 is furthermore provided in the fuel cell system 100. This is designed and arranged to the burner 1 optionally with To cool the air. This may be necessary, for example, when a battery, which is supplied with electrical energy provided by the fuel cell system 100, is full and can no longer be supplied. Then the fuel cell stack 1 10 automatically turns off. However, the superfluous fuel in the fuel cell system 100 is further promoted and not
- Fuel cell stack 1 10 used, but the fuel goes directly through the fuel cell stack 1 10 in the burner. 1 There is a risk that the permissible in the burner 1 maximum temperatures will be exceeded, which is why the burner 1 is cooled by opening the valve 180 with air from the cathode supply line 30.
- the burner 1 according to the invention can be used in a fuel cell system 100 both as a starting burner and as an afterburner. When the fuel cell system 100 is being heated, it is used as start burner and during operation of the fuel cell system 100 as an afterburner.
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Brenner (1) für ein Brennstoffzellensystem (100), insbesondere ein SOFC-System, wobei der Brenner (1) als Startbrenner und/oder Nachbrenner ausgebildet und angeordnet ist, umfassend einen ersten Betriebsfluidleitabschnitt (2) und einen zweiten Betriebsfluidleitabschnitt (3), wobei der Brenner (1) zwei nacheinander angeordnete und jeweils einen Kammereingang (4a, 4b) und einen Kammerausgang (5a, 5b) aufweisende Reaktionskammern (6, 7) umfasst, wobei in Strömungsrichtung ein Kammereingang (4b) einer zweiten Reaktionskammer (7) auf einen Kammerausgang (5a) einer ersten Kammer Reaktionskammer (6) folgt, wobei die Reaktionskammern (6, 7) jeweils ein katalytisches Material (18) aufweisen. Weiter betrifft die Erfindung eine Verwendung eines solchen Brenners (1) und ein Brennstoffzellensystem mit einem solchen Brenner (1). Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einem solchen Brenner (1).The invention relates to a burner (1) for a fuel cell system (100), in particular an SOFC system, wherein the burner (1) is designed and arranged as start burner and / or afterburner, comprising a first operating fluid guide section (2) and a second operating fluid guide section (FIG. 3), the burner (1) comprising two reaction chambers (6, 7) arranged one after the other and each having a chamber inlet (4a, 4b) and a chamber outlet (5a, 5b), wherein a chamber inlet (4b) of a second reaction chamber ( 7) to a chamber outlet (5a) of a first chamber reaction chamber (6) follows, the reaction chambers (6, 7) each having a catalytic material (18). Furthermore, the invention relates to a use of such a burner (1) and a fuel cell system with such a burner (1). Furthermore, the invention relates to a method for operating a fuel cell system with such a burner (1).
Description
Brenner für ein Brennstoffzellensystem mit zwei Reaktionskammern Burner for a fuel cell system with two reaction chambers
Die Erfindung betrifft einen Brenner für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein SOFC-System, wobei der Brenner als Startbrenner und/oder Nachbrenner ausgebildet und angeordnet ist, umfassend einen ersten Betriebsfluidleitabschnitt und einen zweiten Betriebsfluidleitabschnitt. The invention relates to a burner for a fuel cell system, in particular an SOFC system, wherein the burner is designed and arranged as start burner and / or afterburner, comprising a first Betriebsfluidleitabschnitt and a second Betriebsfluidleitabschnitt.
Weiter betrifft die Erfindung eine Verwendung eines solchen Brenners. Furthermore, the invention relates to a use of such a burner.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einem solchen Brenner. Furthermore, the invention relates to a fuel cell system with such a burner.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Moreover, the invention relates to a method for operating a
Brennstoffzellensystems. Fuel cell system.
Brenner für Brennstoffzellensysteme sind aus dem Stand der Technik bekannt. Burners for fuel cell systems are known from the prior art.
Insbesondere bei SOFC-Systemen, welche mit flüssigem Brennstoff wie Diesel oder Ethanol bzw. einem Ethanol-Wasser-Gemisch betrieben werden, kann es notwendig sein, den flüssigen Brennstoff in einem ersten Schritt zu verdampfen und zu reformieren. Insbesondere bei einer Verwendung von wasserhaltigem Ethanol ist es aufgrund des hohen Wassergehaltes (etwa 55 %) schwierig bis unmöglich, den Brennstoff in einem Flammenbrenner, welcher beispielsweise bei In particular, in SOFC systems, which are operated with liquid fuel such as diesel or ethanol or an ethanol-water mixture, it may be necessary to evaporate and reform the liquid fuel in a first step. In particular, when using water-containing ethanol, it is difficult to impossible, due to the high water content (about 55%), the fuel in a flame burner, which for example at
Brennstoffzellensystemen, welche mit Diesel betrieben werden, eingesetzt wird, zu verbrennen. Fuel cell systems, which are operated with diesel, is used to burn.
Weiter ist es notwendig, das Brennstoffzellensystem bei einem Kaltstart auf eine Betriebstemperatur zu erhitzen, wofür üblicherweise ein sogenannter Startbrenner vorgesehen ist. Darüber hinaus ist üblicherweise auch ein Nachbrenner notwendig, um Abgas aus einem Anodenabschnitt vollständig zu verbrennen. Folglich sind in bekannten Brennstoffzellensystemen zumeist ein Startbrenner und ein Nachbrenner vorgesehen. Further, it is necessary to heat the fuel cell system at a cold start to an operating temperature, for which usually a so-called starting burner is provided. In addition, an afterburner is also usually necessary to completely burn exhaust gas from an anode section. Consequently, in known fuel cell systems usually a start burner and an afterburner are provided.
Unter dem Startbrenner ist üblicherweise ein Startbrenner zum Erwärmen eines Nachbrenners des Brennstoffzellensystems, der wiederum zum Erwärmen eines Reformers des Brennstoffzellensystems bereitgestellt ist, zu verstehen. Bei einem Kaltstart des Brennstoffzellensystems, wenn der Nachbrenner noch kalt ist und somit nicht zum Erwärmen eines Reformers des Brennstoffzellensystems geeignet ist, kann durch den Startbrenner der Nachbrenner vorgeheizt werden. Sobald der Nachbrenner durch den Betrieb des Brennstoffzellensystems auf Betriebstemperatur ist, kann der Startbrenner deaktiviert werden. Under the starting burner is usually a starting burner for heating an afterburner of the fuel cell system, which in turn is provided for heating a reformer of the fuel cell system to understand. In a cold start of the fuel cell system, when the afterburner is still cold and is therefore not suitable for heating a reformer of the fuel cell system, the afterburner can be preheated by the starting burner. Once the Afterburner is by operating the fuel cell system to operating temperature, the starting burner can be disabled.
Aus der DE 102 37 744 A1 geht beispielweise ein Brennstoffzellensystem mit einem Startbrenner hervor, der in einem Brennergehäuse eingebaut ist. In dem For example, DE 102 37 744 A1 discloses a fuel cell system with a starting burner, which is installed in a burner housing. In that
Brennergehäuse kann Bypass-Luft außen am Startbrenner entlang strömen, bevor sie zusammen mit aus dem Startbrenner austretendem Heißgas in eine Mischzone eintritt. In der Mischzone wird die Bypass-Luft möglichst homogen mit dem Heißgas vermischt, um als temperaturgeregelter Heißgasstrom auszutreten und das Burner housing can bypass air bypass flow along the outside of the starting burner before it enters together with emerging from the starting burner hot gas in a mixing zone. In the mixing zone, the bypass air is mixed as homogeneously as possible with the hot gas to emerge as a temperature-controlled hot gas stream and the
Brennstoffzellensystem zu erwärmen. To heat fuel cell system.
Ferner ist aus der DE 10 2006 048 984 A1 eine Verwendung einer Furthermore, from DE 10 2006 048 984 A1 a use of a
Brennervorrichtung in einem Brennstoffzellensystem bekannt. Die Burner device in a fuel cell system known. The
Brennervorrichtung kann als Nachbrenner betrieben werden, wobei einer Burner device can be operated as an afterburner, with a
Mischungszone über eine Brenngaszuleitung Anodenabgas einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellenstapels zuführbar ist. Die Brennervorrichtung kann weiter während einer Startphase des Brennstoffzellensystems als Startbrenner arbeiten, indem das der Brennervorrichtung zugeführte Verbrennungsgemisch auch in Mixture zone via a fuel gas inlet anode exhaust gas of a fuel cell or a fuel cell stack can be fed. The burner apparatus may continue to operate as a starting burner during a start-up phase of the fuel cell system in that the combustion mixture supplied to the burner apparatus is also in
Abwesenheit einer Zuführung von Anodenabgas verbrannt wird. Allerdings geht aus dieser Druckschrift nicht hervor, wie insbesondere ein mit einem flüssigen Brennstoff betriebenes Brennstoffzellensystem effizient auf Betriebstemperatur gebracht werden kann. Absence of a supply of anode exhaust gas is burned. However, it is not clear from this document how, in particular, a fuel cell system operated with a liquid fuel can be efficiently brought to operating temperature.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Effizienz eines Brenners der eingangs genannten Art zu steigern, durch welchen es gleichzeitig möglich ist, die Komponentenanzahl eines Brennstoffzellensystems zu reduzieren. The object of the invention is to increase an efficiency of a burner of the type mentioned, by which it is simultaneously possible to reduce the number of components of a fuel cell system.
Ein weiteres Ziel ist es, eine Verwendung eines solchen Brenners anzugeben. Another object is to provide a use of such a burner.
Weiter ist es ein Ziel, ein Brennstoffzellensystem mit einem solchen Brenner anzugeben. Further, it is an object to provide a fuel cell system with such a burner.
Ferner ist es ein Ziel ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Further, it is an object of an improved method for operating a
Brennstoffzellensystems anzugeben. Specify fuel cell system.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Brenner der eingangs genannten Art zwei nacheinander angeordnete und jeweils einen Kammereingang und einen Kammerausgang aufweisende Reaktionskammern umfasst, wobei in Strömungsrichtung ein Kammereingang einer zweiten Reaktionskammer auf einen Kammerausgang einer ersten Kammer Reaktionskammer folgt wobei die Reaktionskammern jeweils ein katalytisches Material aufweisen. This object is achieved in that a burner of the aforementioned type comprises two successively arranged and each having a chamber inlet and a chamber outlet having reaction chambers, wherein in the flow direction a chamber inlet of a second reaction chamber to a Chamber exit a first chamber reaction chamber follows wherein the reaction chambers each have a catalytic material.
Ein damit erzielter Vorteil ist insbesondere darin zusehen, dass ein derart An advantage achieved thereby is, in particular, that such a
ausgebildeter Brenner sowohl als Startbrenner als auch als Nachbrenner ausgebildet und angeordnet ist oder sein kann. Das heißt, ein einziges Bauteil funktioniert gleichzeitig als Startbrenner und als Nachbrenner, abhängig von einem trained burner is designed and arranged both as a starting burner and as an afterburner and is or can be. That is, a single component functions simultaneously as a starting burner and as an afterburner, depending on one
Betriebszustand eines Brennstoffzellensystems, in welchem der Brenner angeordnet ist. Der Brenner ist als zweistufiger Brenner ausgebildet, wobei die erste Operating state of a fuel cell system in which the burner is arranged. The burner is designed as a two-stage burner, the first
Reaktionskammer eine erste Stufe und die zweite Reaktionskammer eine zweite Stufe bildet. Das erste Betriebsfluid und/oder zweite Betriebsfluid kann im Reaction chamber forms a first stage and the second reaction chamber forms a second stage. The first operating fluid and / or second operating fluid may be in
erfindungsgemäßen Brenner einerseits verdampft sowie zumindest teilweise reformiert und andererseits auch vollständig verbrannt sowie auf eine notwendige oder vordefinierte Temperatur erhitzt werden. Ein Prozessgas, welches aus dem Brenner ausströmt, weist durch die zweistufige Ausführung desselben eine inventive burner on the one hand evaporated and at least partially reformed and on the other hand also completely burned and heated to a necessary or predefined temperature. A process gas, which flows out of the burner, has the same by the two-stage execution thereof
genügend hohe Temperatur auf, um über einen oder mehrere enough high temperature to over one or more
Wärmetauscherelemente Brennstoff sowie Luft bzw. Betriebsfluide für einen Heat exchanger elements fuel and air or operating fluids for a
Brennstoffzellenstapel auf eine Betriebstemperatur zu erhitzen. Ferner ist im Brenner Brennstoffzellenabgas, welches aus einem Anodenabschnitt und einem Fuel cell stack to an operating temperature to heat. Further, in the burner fuel cell exhaust gas, which consists of an anode section and a
Kathodenabschnitt aus dem Brennstoffzellenstapel austritt, vollständig Cathode section exiting the fuel cell stack, completely
nachverbrennbar, wobei ein separater Nachbrenner somit entbehrlich ist, da der Brenner in einem einzigen Brennstoffzellensystem als Startbrenner und Nachbrenner nutzbar ist. Der erfindungsgemäße Brenner ermöglicht also einen Verzicht auf ein Element in einem Brennstoffzellensystem, da dieser zwei Elemente vereint. nachverbrennbar, with a separate afterburner is thus unnecessary, since the burner can be used in a single fuel cell system as start burner and afterburner. The burner according to the invention thus makes it possible to dispense with an element in a fuel cell system, since this unites two elements.
Gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Brenner für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein SOFC-System (SOFC steht für„solid oxide fuel cell", bzw. Festoxidbrennstoffzelle), zur Verfügung gestellt. Ein derartiges Brennstoffzellensystem kann beispielsweise mit flüssigem Brennstoff betrieben werden. According to a first aspect of the present invention there is provided a burner for a fuel cell system, in particular for a SOFC system (SOFC stands for solid oxide fuel cell or solid oxide fuel cell) Such a fuel cell system can be operated, for example, with liquid fuel ,
Der Brenner ist insbesondere dazu ausgebildet, flüssigen Brennstoff katalytisch zu verbrennen, wofür beide Reaktionskammern jeweils ein katalytisches Material umfassen. Das Konzept des Brenners ermöglicht durch die Vorverdampfung und teilweise Vorreform ierung des Brennstoffs insbesondere eine Verwendung eines Ethanol-Wasser-Gemisches als Brennstoff, welches bekanntlich aufgrund seines hohen Wasseranteiles schwierig zu verdampfen und in weiterer Folge zu verbrennen ist. Dadurch ist es möglich, den stark wasserhaltigen Brennstoff, welcher für The burner is in particular designed to catalytically combust liquid fuel, for which purpose both reaction chambers each comprise a catalytic material. The concept of the burner allows through the pre-evaporation and partial pre-reforming of the fuel in particular a use of an ethanol-water mixture as fuel, which is known to be due to its high water content is difficult to evaporate and subsequently burn. This makes it possible, the highly hydrous fuel, which for
Dampf reform ierung ohne nötige Rezirkulation auf der Anodenseite angedacht ist, auch für den Startvorgang zu verwenden. Ist der erfindungsgemäße Brenner in einem Brennstoffzellensystem angeordnet, kann dieses jedoch ohne Weiteres mit einem flüssigen Brennstoff-Wasser-Gemisch wie mit einem Ethanol-Wasser- Gemisch betrieben werden. Steam reforming is required without the necessary recirculation on the anode side, to use for the starting process. If the burner according to the invention is arranged in a fuel cell system, however, this can readily be operated with a liquid fuel-water mixture as with an ethanol-water mixture.
Der erste Betriebsfluidleitabschnitt ist insbesondere als Bestandteil der ersten Reaktionskammer angeordnet und dazu ausgebildet, dem Brenner bzw. der ersten Reaktionskammer ein erstes Betriebsfluid zuzuleiten. Arbeitet der Brenner als Startbrenner ist der zweite Betriebsfluidleitabschnitt dazu ausgebildet, dem Brenner Luft zuzuführen. Nimmt der Brenner die Funktion eines Nachbrenners ein, so fließt im ersten Betriebsfluidleitabschnitt bei einer Ausführungsvariante kein Betriebsfluid, wohingegen im zweiten Betriebsfluidleitabschnitt Anodenabgas oder The first operating fluid guide section is arranged in particular as a component of the first reaction chamber and designed to supply a first operating fluid to the burner or the first reaction chamber. If the burner operates as a start burner, the second operating fluid guide section is designed to supply air to the burner. If the burner assumes the function of an afterburner, no operating fluid flows in the first operating fluid guide section in one embodiment variant, whereas in the second operating fluid guide section, anode exhaust gas or
Brennstoffzellenabgas (Anodenabgas und Kathodenabgas) fließt, welches dem Brenner zugeführt wird, um dieses vollständig zu verbrennen. Da Kathodenabgas insbesondere ausschließlich Luft ist, wird das Anodenabgas im Brenner mit dem Kathodenabgas verbrannt. Im Fall zu hoher Temperatur im Betrieb des Brenners als Nachbrenner, kann es günstig sein, dem Brenner zusätzlich Luft zuzuführen. Fuel cell exhaust gas (anode exhaust gas and cathode exhaust gas) flows, which is supplied to the burner to completely burn it. Since cathode exhaust gas is exclusively air in particular, the anode exhaust gas is burned in the burner with the cathode exhaust gas. In the case of too high a temperature in the operation of the burner as an afterburner, it may be advantageous to additionally supply air to the burner.
Es kann bei einer weiteren Ausführungsvariante auch günstig sein, wenn im Betrieb des Brenners als Nachbrenner im ersten Betriebsfluidleitabschnitt das erste In a further embodiment variant, it may also be advantageous if, during operation of the burner as the afterburner in the first operating fluid guide section, the first
Betriebsfluid geführt wird. Die unten stehenden Reaktionen erfolgen dann analog zum Betrieb als Startbrenner, nur dass das zweite Betriebsfluid nicht Luft sondern Anodenabgas oder Brennstoffzellenabgas ist. Das erste Betriebsfluid ist bevorzugt ein flüssiges Brennstoff-Wasser-Gemisch, insbesondere ein Ethanol-Wasser- Gemisch. Operating fluid is performed. The reactions below are then carried out analogously to the operation as starting burner, except that the second operating fluid is not air but anode exhaust gas or fuel cell exhaust gas. The first operating fluid is preferably a liquid fuel-water mixture, in particular an ethanol-water mixture.
Die beiden Reaktionskammern des Brenners schließen insbesondere unmittelbar aneinander an, sodass der Kammerausgang einer ersten Reaktionskammer an den Kammereingang der zweiten Reaktionskammer anschließt. Die beiden The two reaction chambers of the burner in particular directly adjoin one another, so that the chamber outlet of a first reaction chamber connects to the chamber inlet of the second reaction chamber. The two
Reaktionskammern werden nacheinander von einem Gemisch aus Luft und einem Brennstoff-Wasser-Gemisch oder Brennstoffzellenabgas durchflössen; die zweite Reaktionskammer ist also stromabwärts der ersten Reaktionskammer angeordnet. Sie sind also in Strömungsrichtung nacheinander anschließend angeordnet. Günstig ist es, wenn die Reaktionskammern jeweils zumindest abschnittsweise rotationssymmetrisch ausgebildet sind, wobei diese jeweils zumindest zwei insbesondere zylindrische Schichten umfassen. Besonders bevorzugt sind die Reaktionskammern jeweils zumindest abschnittsweise hohlzylindrisch ausgebildet. Die zylindrischen Schichten sind dabei insbesondere koaxial ineinander gesteckt oder zueinander angeordnet. Zwischen den zylindrischen Schichten können sich dadurch Kammern ausbilden. Reaction chambers are successively flowed through by a mixture of air and a fuel-water mixture or fuel cell exhaust gas; the second reaction chamber is thus arranged downstream of the first reaction chamber. They are therefore arranged one after the other in the flow direction. It is advantageous if the reaction chambers are each formed at least in sections rotationally symmetrical, wherein these each comprise at least two, in particular cylindrical layers. Particularly preferably, the reaction chambers are each formed at least partially hollow cylindrical. The cylindrical layers are in particular coaxially inserted into one another or arranged to each other. As a result, chambers can form between the cylindrical layers.
Von Vorteil ist es, wenn eine erste Reaktionskammer eine elektrische It is advantageous if a first reaction chamber is an electrical
Heizeinrichtung umfasst. Dadurch ist der Brenner bei einer Startphase des Brenners elektrisch vorheizbar. Insbesondere ist das elektrische Heizmittel zum Erwärmen des ersten Betriebsfluides ausgebildet, besonders bevorzugt ist das Heizmittel ausschließlich zum Erwärmen, Verdampfen und/oder Reformieren des ersten Betriebsfluides bei einer Aufwärmphase des als Startbrenner funktionierenden Brenners ausgebildet. Das erste Betriebsfluid, welches als Brennstoff oder als Brennstoff-Wasser-Gemisch vorliegt, ist folglich nicht nur vorheizbar, sondern auch verdampfbar und bis zu einem gewissen vorbestimmten Grad vorreformierbar. Heating device includes. As a result, the burner is electrically preheatable during a starting phase of the burner. In particular, the electrical heating means is designed for heating the first operating fluid, particularly preferably the heating means is designed exclusively for heating, evaporating and / or reforming the first operating fluid in a warm-up phase of the burner functioning as starting burner. The first operating fluid, which is present as a fuel or as a fuel-water mixture, is thus not only preheatable, but also vaporizable and pre-reformable to some predetermined degree.
Dadurch ist der Brenner bei einer Verwendung als Startbrenner besonders effektiv betreibbar. Bei einem Aufheizbetrieb kann die elektrische Heizeinrichtung zum Beispiel für einen Zeitraum von etwa 2 min bis 10 min in Betrieb sein. Bei einer Verwendung des Brenners als Nachbrenner wird das elektrische Heizmittel in der Regel nicht verwendet. Die elektrische Unterstützung zur Verdampfung und As a result, the burner is particularly effective operable when used as a starting burner. For example, in a heating operation, the electric heater may operate for a period of about 2 minutes to 10 minutes. When using the burner as an afterburner, the electric heating means is not used in the rule. The electrical support for evaporation and
Reformierung kann zwar grundsätzlich in einer externen Komponente durchgeführt werden, jedoch ist eine Integration dieser Funktion aus Platzgründen anzustreben. Although reforming can in principle be carried out in an external component, integration of this function is desirable for reasons of space.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn eine erste, radial äußerste zylindrische Schicht der ersten Reaktionskammer als Verdampfungshülle ausgebildet ist, wobei die elektrische Heizeinrichtung zwischen der Verdampfungshülle und einer zweiten zylindrischen Schicht verlaufend und insbesondere zumindest teilweise spiralförmig um eine zweite zylindrische Schicht verlaufend angeordnet ist. Dadurch ist das Heizmittel besonders platzsparend im Startbrenner angeordnet. Radial zwischen der Verdampfungshülle und der zweiten zylindrischen Schicht ist mit Vorteil eine In this case, it is advantageous if a first, radially outermost cylindrical layer of the first reaction chamber is designed as an evaporating jacket, wherein the electrical heating device is arranged running between the evaporation envelope and a second cylindrical layer and in particular at least partially spirally around a second cylindrical layer. As a result, the heating means is arranged particularly space-saving in the starting burner. Radially between the evaporation envelope and the second cylindrical layer is advantageously a
Verdampfungskammer ausgebildet. Die Verdampfungshülle umschließt die Evaporating chamber formed. The evaporation envelope encloses the
Verdampfungskammer radial außen. Die in der Verdampfungskammer ablaufenden Reaktionen (verdampfen und vorreformieren des ersten Betriebsfluides) können als Vorstufe oder Unterstufe der ersten Stufe des Brenners verstanden werden. Das Heizmittel führt insbesondere über eine annähernd gesamte axiale Länge der ersten Reaktionskammer spiralförmig um die zweite zylindrische Schicht; es bildet eine Heizspirale aus. Im Rahmen der Erfindung sind unter allen zylindrischen Schichten sofern nicht eindeutig anders beschrieben hohlzylindrische Schichten zu verstehen. Evaporation chamber radially outside. The reactions taking place in the evaporation chamber (vaporization and pre-reforming of the first operating fluid) can be understood as a precursor or lower stage of the first stage of the burner. The Heating means, in particular, spiral over the second cylindrical layer over an approximately entire axial length of the first reaction chamber; it forms a heating spiral. In the context of the invention, all cylindrical layers are to be understood as meaning hollow-cylindrical layers unless otherwise clearly described.
Alternativ dazu kann die Verdampfungskammer und/oder die Verdampfungshülle auch zwischen der ersten und der zweiten Reaktionskammer angeordnet sein. Dabei kann es wieder günstig sein, wenn eine elektrische Heizeinrichtung vorgesehen ist, welche bevorzugt zwischen der Verdampfungshülle und einer zylindrischen Schicht der Verdampfungskammer verlaufend und insbesondere zumindest teilweise spiralförmig um eine zylindrische Schicht verlaufend angeordnet ist. Radial zwischen der Verdampfungshülle und der zylindrischen Schicht ist mit Vorteil eine Alternatively, the evaporation chamber and / or the evaporation envelope may also be arranged between the first and the second reaction chamber. In this case, it may again be favorable if an electrical heating device is provided, which is preferably arranged running between the evaporation envelope and a cylindrical layer of the evaporation chamber and, in particular, at least partially spirally around a cylindrical layer. Radial between the evaporation shell and the cylindrical layer is an advantage
Verdampfungskammer ausgebildet. Die Verdampfungshülle umschließt die Evaporating chamber formed. The evaporation envelope encloses the
Verdampfungskammer radial außen. Evaporation chamber radially outside.
Bei beiden Varianten wird das erste Betriebsfluid, insbesondere ein Brennstoff- Wasser-Gemisch wie ein Ethanol-Wasser-Gemisch oder ein Brennstoff in einem ersten Schritt in die Verdampfungskammer eingeleitet, welche mit der elektrischen Heizeinrichtung erhitzt wird. In der Verdampfungskammer wird das erste Betriebsfluid zumindest verdampft, insbesondere wird dieses Verdampft und vorreformiert. Sobald der Brenner eine vorbestimmte Temperatur erreicht hat, wird die elektrische In both variants, the first operating fluid, in particular a fuel-water mixture such as an ethanol-water mixture or a fuel is introduced in a first step in the evaporation chamber, which is heated by the electric heater. In the evaporation chamber, the first operating fluid is at least vaporized, in particular, it is vaporized and pre-reformed. Once the burner has reached a predetermined temperature, the electric
Heizeinrichtung ausgeschalten. . In Strömungsrichtung stromabwärts wird das verdampfte und insbesondere vorreformierte erste Betriebsfluid in die erste Heating device switched off. , In the flow direction downstream, the vaporized and in particular vorreformierte first operating fluid in the first
Reaktionskammer geleitet, in welcher dieses zusammen mit dem zweiten Passed reaction chamber in which this together with the second
Betriebsfluid, insbesondere Luft, katalytisch verbrannt wird. Die erste Operating fluid, in particular air, is catalytically burned. The first
Reaktionskammer ist entweder vollständig oder zumindest teilweise radial innerhalb der Verdampfungskammer angeordnet, sodass die bei der katalytischen Reaction chamber is arranged either completely or at least partially radially within the evaporation chamber, so that in the catalytic
Verbrennung erzeugte Wärme zum Verdampfen und Vorreformieren des ersten Betriebsfluides verwendet werden kann. Ist die Verdampfungskammer zwischen der ersten und der zweiten Reaktionskammer angeordnet, reicht entweder die erste und/oder die zweite Reaktionskammer radial innerhalb zumindest teilweise in die Verdampfungskammer hinein, sodass zumindest ein Teil der Wärme, welche beim katalytischen Verbrennen erzeugt wird, abgegeben werden und zum Verdampfen und gegebenenfalls Vorreformieren des ersten Betriebsfluides verwendet werden kann. Insbesondere ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, dass dem Brenner zumindest oder ausschließlich in der ersten Reaktionskammer Wärme entnommen wird, um das erste Betriebsfluid zu verdampfen und gegebenenfalls Combustion-generated heat can be used for vaporizing and pre-reforming the first operating fluid. If the evaporation chamber is arranged between the first and the second reaction chamber, either the first and / or the second reaction chamber extends radially inwardly at least partially into the evaporation chamber, so that at least part of the heat which is generated during the catalytic combustion is emitted and for evaporation and optionally pre-reforming the first operating fluid may be used. In particular, it is provided in the context of the invention that heat is extracted from the burner at least or exclusively in the first reaction chamber in order to evaporate the first operating fluid and optionally
vorzureformieren. vorzureformieren.
Zweckmäßig ist es, wenn der erste Betriebsfluidleitabschnitt zumindest teilweise spiralförmig um die zweite zylindrische Schicht verläuft. Insbesondere verläuft der dadurch ausgebildete spiralförmige erste Betriebsfluidleitabschnitt derart zwischen der gebildeten Heizspirale, dass die Heizspirale vom ersten Betriebsfluid umströmt wird. Dadurch ist das im ersten Betriebsfluidleitabschnitt geführte erste Betriebsfluid besonders effizient und in einer kurzen Zeitspanne erwärmbar. Das erste It is expedient if the first Betriebsfluidleitabschnitt at least partially extends spirally around the second cylindrical layer. In particular, the helical first operating fluid guide section formed thereby runs in such a way between the heating spiral formed that the heating fluid flows around the first operating fluid. As a result, the first operating fluid guided in the first operating fluid guide section is particularly efficient and can be heated in a short period of time. The first
Betriebsfluid wird an einer Stelle in den spiralförmig verlaufenden ersten Operating fluid is at one point in the spiraling first
Betriebsfluidleitabschnitt eingeleitet, welcher näher am Kammerausgang als am Kammereingang der ersten Reaktionskammer angeordnet ist. Der spiralförmige erste Betriebsfluidleitabschnitt endet etwa im Bereich des Kammereingangs der ersten Reaktionskammer, wo bei einem Betrieb des Brenners als Starbrenner das erste Betriebsfluid mit Luft vermischt und innerhalb einer radial innersten zylindrischen Schicht in die erste Reaktionskammer geleitet wird. Eine zurückzulegende Strecke des ersten Betriebsfluides im spiralförmig ausgebildeten ersten Betriebsfluidleitabschnitt introduced, which is arranged closer to the chamber outlet than at the chamber entrance of the first reaction chamber. The helical first Betriebsfluidleitabschnitt ends approximately in the region of the chamber entrance of the first reaction chamber, where in an operation of the burner as a star burner, the first operating fluid is mixed with air and passed within a radially innermost cylindrical layer in the first reaction chamber. A distance to be covered of the first operating fluid in the spirally formed first
Betriebsfluidleitabschnitt ist folglich lang genug, um sicherzustellen, dass das erste Betriebsfluid nicht nur erhitzt sondern auch nahezu oder zur Gänze vollständig verdampft sowie zumindest teilweise reformiert oder vorreformiert ist, bevor dieses mit Luft vermischt wird. Die elektrische Heizeinrichtung und der erste Thus, the operating fluid conduit is long enough to ensure that the first operating fluid is not only heated but also nearly or completely vaporized, and at least partially reformed or pre-reformed before it is mixed with air. The electric heater and the first
Betriebsfluidleitabschnitt verlaufen jeweils zumindest teilweise innerhalb der Betriebsfluidleitabschnitt each extend at least partially within the
Verdampfungskammer. Dabei ist die Heizeinrichtung spiralförmig ausgebildet und das erste Betriebsfluid umspült diese. Um dem Betriebsfluid eine Strömungsrichtung vorzugeben, sind in der Verdampfungskammer Leitbleche angeordnet, sodass das erste Betriebsfluid spiralförmig in Richtung des Kammereingangs der ersten Kammer strömt. Die zweite zylindrische Kammer kann dabei mit Vorteil an den Wänden mit Rippen versehen sein, um den Wärmeübergang zur ersten zylindrischen Kammer zu erhöhen, sobald die elektrische Unterstützung ausgeschalten wird. Evaporation chamber. In this case, the heater is formed spirally and the first operating fluid flows around them. In order to specify a flow direction for the operating fluid, guide vanes are arranged in the vaporization chamber, so that the first operating fluid flows in a spiral towards the chamber inlet of the first chamber. The second cylindrical chamber can advantageously be provided with ribs on the walls in order to increase the heat transfer to the first cylindrical chamber as soon as the electrical support is switched off.
Günstig ist es weiter, wenn der erste Betriebsfluidleitabschnitt zumindest zwei Teilabschnitte umfasst, wobei ein erster Teilabschnitt zum Zuführen eines ersten Teiles des ersten Betriebsfluides zum Kammereingang einer ersten It is also advantageous if the first operating fluid guide section comprises at least two subsections, wherein a first subsection for supplying a first part of the first operating fluid to the chamber inlet of a first
Reaktionskammer und ein zweiter Teilabschnitt zum Zuführen eines zweiten Teiles des ersten Betriebsfluides zum Kammereingang der ersten Reaktionskammer ausgebildet ist. Der erste Teilabschnitt ist dabei wie oben beschrieben spiralförmig um die zweite zylindrische Schicht herum angeordnet und leitet vorteilhaft etwa 70 % des ersten Betriebsfluides wie beschrieben zum Kammereingang der ersten Reaction chamber and a second section for supplying a second part of the first operating fluid is formed to the chamber entrance of the first reaction chamber. As described above, the first section is arranged spirally around the second cylindrical layer and advantageously conducts about 70% of the first operating fluid to the chamber entrance of the first as described
Reaktionskammer. Der zweite Teilabschnitt ist wesentlich kürzer ausgebildet als der erste Teilabschnitt, verläuft jedoch auch spiralförmig um die zweite zylindrische Schicht. Durch den zweiten Teilabschnitt werden etwa 30 % des ersten Reaction chamber. The second section is formed substantially shorter than the first section, but also extends spirally around the second cylindrical layer. By the second subsection about 30% of the first
Betriebsfluides geleitet, wobei dieser Teil des ersten Betriebsfluides in Richtung des Kammerausganges der ersten Reaktionskammer geleitet wird. Dies erfolgt insbesondere bei einem Betrieb des Brenners als Startbrenner, es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass beim Betrieb als Nachbrenner das erste Betriebsfluid der ersten Kammer wie beschrieben zumindest durch den ersten oder zweiten Operating fluid passed, this part of the first operating fluid is directed towards the chamber outlet of the first reaction chamber. This is done in particular in an operation of the burner as a starting burner, but it can also be provided that when operating as an afterburner, the first operating fluid of the first chamber as described at least by the first or second
Teilabschnitt zuführbar ist. Subsection is fed.
Es ist von Vorteil, wenn der zweite Betriebsfluidleitabschnitt zum Zuführen eines zweiten Betriebsfluid zum Kammereingang der ersten Reaktionskammer ausgebildet ist, wobei am Kammereingang der ersten Reaktionskammer ein Schild zum It is advantageous if the second Betriebsfluidleitabschnitt is formed for supplying a second operating fluid to the chamber inlet of the first reaction chamber, wherein at the chamber inlet of the first reaction chamber, a shield for
Umlenken des zweiten Betriebsfluides angeordnet ist. Im Bereich des Diverting the second operating fluid is arranged. In the area of
Kammereinganges der ersten Reaktionskammer erfolgt eine Vermischung des gasförmigen, insbesondere teilweise reformierten ersten Betriebsfluid mit dem zweiten Betriebsfluid. Das zweite Betriebsfluid ist bei einem Betrieb als Startbrenner Luft, insbesondere Umgebungsluft, welche entweder direkt über eine externe Quelle oder bevorzugt über einen Kathodenkreislauf eines Brennstoffzellensystems zuführbar ist. Durch diese wird beim Betrieb als Startbrenner das als Brennstoff- Wasser-Gemisch ausgebildete zweite Betriebsfluid verbrannt. Um eine besonders effiziente Durchmischung des zweiten Betriebsfluides mit dem Brennstoff-Wasser- Gemisch zu erreichen, ist das Schild vorgesehen, welches insbesondere kreisrund und vollflächig ausgebildet ist und sich radial bis etwa zur zweiten zylindrischen Schicht erstreckt. Das einströmende zweite Betriebsfluid trifft auf das Schild auf und wird von diesem in Richtung des einströmenden Brennstoff-Wasser-Gemisches geleitet. Durch diese Anordnung wird eine schlechte Vermischung des Brennstoff- Wasser-Gemisches mit dem zweiten Betriebsfluid zu einem großen Teil vermieden. Günstigerweise ist die radial innerste zylindrische Schicht als perforierter Chamber inlet of the first reaction chamber is carried out mixing of the gaseous, in particular partially reformed first operating fluid with the second operating fluid. The second operating fluid is in an operation as starting burner air, in particular ambient air, which can be supplied either directly via an external source or preferably via a cathode circuit of a fuel cell system. As a result of this, the second operating fluid designed as a fuel-water mixture is burned during operation as a starting burner. In order to achieve a particularly efficient mixing of the second operating fluid with the fuel-water mixture, the shield is provided, which is formed in particular circular and full surface and extends radially to about the second cylindrical layer. The incoming second operating fluid impinges on the shield and is directed by the latter in the direction of the incoming fuel-water mixture. By this arrangement, a poor mixing of the fuel-water mixture with the second operating fluid is largely avoided. Conveniently, the radially innermost cylindrical layer is perforated
Hohlzylinder ausgebildet ist. Der Hohlzylinder ist insbesondere aus einem Metall oder einer Metalllegierung ausgebildet und bildet ein radial innerstes Element der ersten Reaktionskammer. Das zweite Betriebsfluid oder ein Gemisch aus erstem und zweitem Betriebsfluid wird über Leitelemente in einen Innenraum des perforierten Holzylinders geleitet. Durch die radial ausgebildeten Perforierungen im Hohlzylinder wird das zweite Betriebsfluid oder ein Gemisch aus erstem und zweitem Betriebsfluid radial nach außen in Richtung der zweiten zylindrischen Schicht geleitet. Hollow cylinder is formed. The hollow cylinder is formed in particular of a metal or a metal alloy and forms a radially innermost element of the first Reaction chamber. The second operating fluid or a mixture of first and second operating fluid is passed via guide elements in an interior of the perforated wooden cylinder. Due to the radially formed perforations in the hollow cylinder, the second operating fluid or a mixture of first and second operating fluid is directed radially outwards in the direction of the second cylindrical layer.
Vorteilhaft ist es, wenn das katalytische Material der zumindest ersten It is advantageous if the catalytic material of at least the first
Reaktionskammer als ein katalytisch beschichtetes Gewebe ausgebildet ist, wobei dieses insbesondere ringförmig um eine radial innerste zylindrische Schicht angeordnet ist. Grundsätzlich ist das als beschichtetes Gewebe ausgebildete katalytische Material beliebig formbar. Es kann günstig sein, wenn das katalytisch beschichtete Gewebe metallisch ist und mehrere Aussparungen aufweist. Im Reaction chamber is formed as a catalytically coated fabric, which is in particular arranged annularly around a radially innermost cylindrical layer. Basically, the catalytic material formed as a coated fabric is arbitrarily shapeable. It may be favorable if the catalytically coated fabric is metallic and has several recesses. in the
Rahmen der Erfindung ist dieses bevorzugt ringförmig an einer Wandung der radial innersten zylindrischen Schicht angeordnet. Das Gewebe weist eine radial größere Dicke, als die innerste radiale Schicht, die zweite zylindrische Schicht und die Verdampfungshülle auf. Ein radial innenliegendes Ende bildet mit Vorteil einen Katalysatoreingang, wohingegen ein radial außenliegendes Ende der katalytischen Schicht einen Katalysatorausgang bildet. Das Gewebe ist bevorzugt mit mehreren radialen Perforationen oder Kanälen ausgebildet, sodass dieses radial von innen nach außen durchströmbar ist, wobei das erste und/oder zweite Betriebsfluid katalytisch verbrannt werden. Dies hat im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Brennern für Brennstoffzellensystemen den Vorteil, dass ein Druckverlust des Gemisches durch das einen Katalysator bildende Gewebe deutlich reduziert ist. Das katalytische Material kann auch spiralförmig um die radial innerste Schicht aufgerollt sein. Darüber hinaus kann das katalytische Material Perforierungen aufweisen. Um das Gewebe zu beschichten, kann dieses beispielsweise in eine katalytische Lösung getaucht oder mit einer katalytischen Lösung besprüht werden. Günstig ist es, wenn das Gewebe metallisch ist. According to the invention, this is preferably arranged annularly on a wall of the radially innermost cylindrical layer. The fabric has a radially greater thickness than the innermost radial layer, the second cylindrical layer and the evaporation envelope. A radially inward end advantageously forms a catalyst inlet, whereas a radially outward end of the catalytic layer forms a catalyst exit. The fabric is preferably formed with a plurality of radial perforations or channels, so that it can be flowed through radially from the inside to the outside, wherein the first and / or second operating fluid are catalytically combusted. This has the advantage, in comparison to known from the prior art burners for fuel cell systems that a pressure drop of the mixture is significantly reduced by the catalyst-forming tissue. The catalytic material may also be spirally wound around the radially innermost layer. In addition, the catalytic material may have perforations. In order to coat the fabric, it may be immersed, for example, in a catalytic solution or sprayed with a catalytic solution. It is favorable if the fabric is metallic.
Um die bei der katalytischen Verbrennung entstehende Wärme zu nutzen, sind vorteilhaft zwischen dem beschichteten Gewebe und der zweiten zylindrischen Schicht Wärmeleitelemente angeordnet. Über die Wärmeleitelemente, welche beispielsweise als Rippen ausgebildet sein können, ist Wärme von der katalytischen Verbrennung beim Gewebe radial nach außen zum spiralförmigen In order to utilize the heat generated during the catalytic combustion, heat-conducting elements are advantageously arranged between the coated fabric and the second cylindrical layer. By way of the heat-conducting elements, which may be formed, for example, as ribs, heat from the catalytic combustion in the tissue is radially outward to the spiral-shaped
Betriebsfluidleitabschnitt übertragbar. Dies ermöglicht, dass die elektrische Betriebsfluidleitabschnitt transferable. This allows the electrical
Heizeinrichtung bereits nach einer kurzen Zeitspanne abgeschaltet werden kann, insbesondere bereits nach einem Starten einer katalytischen Reaktion. Die für die weitere Verdampfung des ersten Betriebsfluides im ersten Betriebsleitabschnitt wird also durch die katalytische Verbrennung zur Verfügung gestellt. Heating device can be switched off already after a short period of time, in particular already after starting a catalytic reaction. That for the further evaporation of the first operating fluid in the first Betriebsleitabschnitt is thus provided by the catalytic combustion available.
In der ersten Reaktionskammer ist das erste Betriebsfluid insbesondere vollständig verbrennbar. Mit der dabei entstehenden Abwärme ist in weiterer Folge das erste Betriebsfluid in der ersten Betriebsfluidzuleitung, insbesondere in der In the first reaction chamber, the first operating fluid is particularly completely combustible. With the resulting waste heat is subsequently the first operating fluid in the first operating fluid supply line, in particular in the
Verdampfungskammer, verdampfbar und teilweise reformierbar bevor dieses in den Kammereingang der ersten Reaktionskammer eingeleitet wird. Folglich kann sobald Abwärme entsteht auf einen Betrieb der elektrischen Heizeinrichtung verzichtet werden. Darüber hinaus wird dadurch ein entstehendes Verbrennungsgas nur bis auf eine Temperatur von etwa 600 °C aufgeheizt; die restliche Wärme wird zum Evaporation chamber, vaporizable and partially reformable before it is introduced into the chamber entrance of the first reaction chamber. Consequently, as soon as waste heat is generated, operation of the electric heating device can be dispensed with. In addition, it is heated by a resulting combustion gas only up to a temperature of about 600 ° C; the remaining heat becomes
Verdampfen des ersten Betriebsfluides genutzt. Dadurch ist einerseits eine zulässig Höchsttemperatur gängiger katalytischer Materialien von etwa 1000 °C nicht überschritten und andererseits werden einzelne heiße Stellen in der ersten Evaporation of the first operating fluid used. As a result, on the one hand a permissible maximum temperature of common catalytic materials of about 1000 ° C is not exceeded and on the other hand, individual hot spots in the first
Reaktionskammer vermieden, wodurch eine möglichst homogene Vermischung erreichbar ist. Reaction chamber avoided, whereby the most homogeneous possible mixing is achievable.
Es ist vorteilhaft, wenn die zweite Reaktionskammer einen perforierten Hohlzylinder und ein katalytisch beschichtetes Gewebe umfasst, wobei das Gewebe den perforierten Hohlzylinder in Umfangsrichtung zumindest teilweise umschließt. Im Unterschied zur ersten Reaktionskammer bildet hier ein radial innenliegendes Ende mit Vorteil einen Katalysatorausgang, wohingegen ein radial außenliegendes Ende einen Katalysatoreingang bildet. Das Gewebe ist bevorzugt mit mehreren radialen Perforationen oder Kanälen ausgebildet, sodass dieses von radial außen nach innen durchströmbar ist. Insbesondere die zweite Reaktionskammer ist dazu ausgebildet in einer Funktion des Brenners als Startbrenner eine Temperatur des Prozessgases auf eine Maximaltemperatur zu erhöhen, wobei diese von katalytischen Material begrenzt ist und bei derzeitig gebräuchlichen Materialen bei etwa 950 °C liegt. Da ein Teil des ersten Betriebsfluid erst an einem axialen Ende der ersten Reaktionskammer zugeführt wird, wird dieses in der zweiten Reaktionskammer katalytisch verbrannt, wodurch sich die Temperatur des den Brenner verlassenden Prozessgases deutlich erhöht. Dies wird auch dadurch ermöglicht, dass in der zweiten Reaktionskammer keine Abwärme der Verbrennung für andere Zwecke genutzt wird. Durch den zweistufigen Brenner ist also eine Maximaltemperatur des Prozessgases erzielbar, ohne das katalytische Material des Brenners zu beschädigen. Eine Lebensdauer des Brenners ist folglich erhöht, da eine Zersetzung des katalytischen Materials reduziert, insbesondere nahezu vermieden ist. In der zweiten Reaktionskammer ist eine It is advantageous if the second reaction chamber comprises a perforated hollow cylinder and a catalytically coated tissue, wherein the tissue at least partially surrounds the perforated hollow cylinder in the circumferential direction. In contrast to the first reaction chamber, a radially inner end advantageously forms a catalyst outlet, whereas a radially outer end forms a catalyst inlet. The fabric is preferably formed with a plurality of radial perforations or channels, so that it can be flowed through from radially outside to inside. In particular, the second reaction chamber is designed to increase a temperature of the process gas to a maximum temperature in a function of the burner as a starting burner, which is limited by catalytic material and is currently used at about 950 ° C materials. Since a portion of the first operating fluid is supplied to an axial end of the first reaction chamber, this is catalytically burned in the second reaction chamber, whereby the temperature of the process gas leaving the burner increases significantly. This is also made possible by the fact that in the second reaction chamber no waste heat of combustion is used for other purposes. By the two-stage burner so a maximum temperature of the process gas can be achieved without damaging the catalytic material of the burner. A lifetime of Burner is thus increased because a decomposition of the catalytic material is reduced, in particular almost avoided. In the second reaction chamber is a
Verteilung zwischen ersten Betriebsfluid und gasförmigem Gemisch homogener, weshalb auch eine Temperaturverteilung in der zweiten Reaktionskammer homogen ist. Folglich ist eine zu erzielende Maximaltemperatur des Prozessgases besser approximierbar. Die Funktionsweise der zweiten Reaktionskammer ist beim Betrieb als Startbrenner und beim Betrieb als Nachbrenner im Wesentlichen dieselbe. Distribution between the first operating fluid and gaseous mixture homogeneous, which is why a temperature distribution in the second reaction chamber is homogeneous. Consequently, a maximum temperature of the process gas to be achieved can be better approximated. The operation of the second reaction chamber is essentially the same during operation as a starting burner and during operation as an afterburner.
Es ist günstig, wenn der erfindungsgemäße Brenner zumindest teilweise, It is favorable if the burner according to the invention is at least partially
insbesondere vollständig, durch ein additives Verfahren oder 3-D-Druck gefertigt oder hergestellt ist. Besonders bevorzugt ist dieser dabei einteilig herstellbar. in particular, completely made or manufactured by an additive process or 3-D printing. This is particularly preferably this one-piece produced.
Eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Brenners erfolgt mit Vorteil als A use of a burner according to the invention is advantageously carried out as
Startbrenner und Nachbrenner in einem Brennstoffzellensystem, welches mit flüssigem Brennstoff betrieben wird. Starting burner and afterburner in a fuel cell system, which is operated with liquid fuel.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein According to another aspect of the present invention is a
Brennstoffzellensystem mit einem wie vorstehend im Detail dargestellten Brenner zur Verfügung gestellt. Das Brennstoffzellensystem weist ferner einen Fuel cell system provided with a burner as shown in detail above. The fuel cell system further has a
Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt sowie einen Verdampfer und einen Reformer auf, wobei der Brenner zum Erwärmen des Reformers, des Verdampfers und eines Wärmetauschers, welcher für das Erhitzen von dem Kathodenabschnitt zuzuleitender Luft zuständig ist, angeordnet und ausgestaltet sind. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf den A fuel cell stack having an anode portion and a cathode portion and an evaporator and a reformer, wherein the burner for heating the reformer, the evaporator and a heat exchanger, which is responsible for the heating of the cathode portion to be supplied air arranged and configured. Thus brings a fuel cell system according to the invention with the same advantages, as described in detail with reference to the
erfindungsgemäßen Brenner beschrieben worden sind. Das Brennstoffzellensystem ist bevorzugt ein SOFC-System. Der Reformer ist bevorzugt zum Reformieren eines Brennstoffgemisches, beispielsweise Ethanol und Wasser, in ein anderes inventive burners have been described. The fuel cell system is preferably an SOFC system. The reformer is preferred for reforming a fuel mixture, such as ethanol and water, into another
Brennstoffgemisch, in diesem Fall Wasserstoff und Kohlendioxid, ausgestaltet. Der reformierte Wasserstoff kann in einem Brennstoffzellenstapel zur Stromerzeugung verwendet werden. Der Brenner ist zum Erwärmen des Reformers mittels Fuel mixture, in this case hydrogen and carbon dioxide, designed. The reformed hydrogen can be used in a fuel cell stack for power generation. The burner is to heat the reformer means
Brennstoffzellenabgas vom Brennstoffzellenstapel ausgestaltet. Bei einer Fuel cell exhaust configured by the fuel cell stack. At a
vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass ein weiterer Wärmetauscher vorgesehen ist, wobei Prozessgas, welches aus dem Advantageous development of the present invention, it is possible that a further heat exchanger is provided, wherein process gas, which from the
Brenner austritt über eine warme Seite des Wärmetauschers strömt und Luft, welche über eine kalte Seite des Wärmetauschers zu einem Kathodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels strömt, erwärmt. Ferner kann es günstig sein, wenn stromabwärts des Brennstoffzellenstapels und stromaufwärts des Reformers bzw. des weiteren Wärmetauschers ein zusätzlicher Wärmetauscher angeordnet ist. Burner exits through a warm side of the heat exchanger and flows through a cold side of the heat exchanger to a cathode section of the heat exchanger Fuel cell stack flows, heats. Furthermore, it may be favorable if an additional heat exchanger is arranged downstream of the fuel cell stack and upstream of the reformer or of the further heat exchanger.
Dieser ist für eine Anpassung von Einlasstemperaturen der Betriebsfluide This is for an adjustment of inlet temperatures of the operating fluids
(Brennstoff-Wasser-Gemisch und Luft) ausgebildet. Ziel ist es, (Fuel-water mixture and air) is formed. The aim is,
Temperaturunterschiede zwischen den beiden Betriebsfluiden so gering wie möglich zu halten, sodass im Brennstoffzellenstapel Wärmespannungen größtenteils vermieden werden. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem wird Keep temperature differences between the two operating fluids as low as possible, so that in the fuel cell stack thermal stresses are largely avoided. The fuel cell system according to the invention is
insbesondere in einem Kraftfahrzeug verwendet. used in particular in a motor vehicle.
Das weitere Ziel wird erreicht, wenn ein Verfahren der eingangs genannten Art folgende Schritte umfasst: The further aim is achieved if a method of the type mentioned at the beginning comprises the following steps:
- In Betrieb nehmen einer elektrischen Heizeinrichtung und Einbringen eines ersten Betriebsfluides in einen ersten Betriebsfluidleitabschnitt, um das erste Betriebsfluid zumindest zu verdampfen; - to put into operation of an electric heater and introducing a first operating fluid in a first Betriebsfluidleitabschnitt to at least to evaporate the first operating fluid;
- Einleiten eines zweiten Betriebsfluides durch einen zweiten - Introduce a second operating fluid through a second
Betriebsfluidleitabschnitt zu einem Kammereingang einer ersten Betriebsfluidleitabschnitt to a chamber inlet of a first
Reaktionskammer; Reaction chamber;
- Leiten des ersten Betriebsfluides über den ersten Betriebsfluidleitabschnitt zum Kammereingang der ersten Reaktionskammer; - Passing the first operating fluid via the first Betriebsfluidleitabschnitt to the chamber inlet of the first reaction chamber;
- Vermischen des ersten Betriebsfluides mit dem zweiten Betriebsfluid am Kammereingang der ersten Reaktionskammer, wobei das zweite Betriebsfluid über ein Schild umgelenkt wird; - Mixing the first operating fluid with the second operating fluid at the chamber inlet of the first reaction chamber, wherein the second operating fluid is deflected by a shield;
- Katalytisches Verbrennen des Betriebsfluid-Gemisches; - Catalytic combustion of the working fluid mixture;
- Ausschalten der elektrischen Heizeinrichtung. - Turn off the electric heater.
Ein damit erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass durch die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Brennstoffzellensystem effizient und in einer kurzen Zeit aufgewärmt werden kann, wobei auch der Brenner selbst effizient und schnell aufgewärmt wird. Beim Betrieb des Brenners als Startbrenner ist das zweite Betriebsfluid Luft, wohingegen das erste Betriebsfluid ein Brennstoff oder ein An advantage achieved with this is to be seen in particular in the fact that a fuel cell system can be heated efficiently and in a short time by the steps of the method according to the invention, wherein the burner itself is warmed up efficiently and quickly. When operating the burner as a starting burner, the second operating fluid is air, whereas the first operating fluid is a fuel or a
Brennstoff-Wasser-Gemisch ist. Sobald das Betriebsfluid-Gemisch verbrannt wird, wird die elektrische Heizeinrichtung ausgeschalten, da durch die Verbrennung Wärme erzeugt wird, durch welche das erste Betriebsfluid vor einem Einbringen in den Brenner erwärmt und verdampft wird. Insbesondere wird das erste Betriebsfluid im ersten Betriebsfluidleitabschnitt nicht nur vollständig verdampft, sondern auch zumindest teilweise vorreformiert. So kann die elektrische Heizeinrichtung zunächst so lange zum Heizen bzw. Vorheizen des ersten Betriebsfluides aktiviert sein bis im Brenner bzw. im katalytischen Teil des Brenners eine definierte Betriebstemperatur erreicht ist. Sobald die definierte Betriebstemperatur erreicht ist, kann die elektrische Heizeinrichtung deaktiviert werden. Die restlichen verfahrensmäßigen Schritte werden dann wiederholt. Die übrigen mit der Funktionsweise des Brenners als Startbrenner verbundenen Vorteile und Funktionen sind gleichen wie sie vorstehend ausführlich mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Brenner sowie das Fuel-water mixture is. Once the operating fluid mixture is burned, the electric heater is turned off, as heat is generated by the combustion, through which the first operating fluid is heated and evaporated prior to introduction into the burner. In particular, the first operating fluid not only completely evaporated in the first Betriebsfluidleitabschnitt, but also at least partially pre-reformed. Thus, the electric heating device may initially be activated for heating or preheating the first operating fluid until a defined operating temperature has been reached in the burner or in the catalytic part of the burner. Once the defined operating temperature is reached, the electric heater can be deactivated. The remaining procedural steps are then repeated. The other advantages and functions associated with the operation of the burner as start-up burner are the same as described in detail above with reference to the burner according to the invention and to the burner
erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem beschrieben worden sind. Fuel cell system according to the invention have been described.
Dabei ist es weiter von Vorteil, wenn an einem Kammerausgang der ersten Reaktionskammer ein zweiter Teil des ersten Betriebsfluid zugeführt wird, wobei der zweite Teil des ersten Betriebsfluid und das gasförmige Betriebsfluid-Gemisch in die zweite Reaktionskammer geleitet und in der zweiten Reaktionskammer katalytisch verbrannt werden. Dadurch wird ein aus dem Brenner austretendes Prozessgas auf eine gewünschte und festgelegte Prozesstemperatur erhöht, ohne die katalytischen Teile des Brenners zu beschädigen. It is further advantageous if a second part of the first operating fluid is supplied to a chamber outlet of the first reaction chamber, wherein the second part of the first operating fluid and the gaseous operating fluid mixture are passed into the second reaction chamber and catalytically burned in the second reaction chamber. Thereby, a process gas exiting the burner is increased to a desired and fixed process temperature without damaging the catalytic parts of the burner.
Vorteilhaft ist es dabei, wenn entstehendes Prozessgas stromabwärts des Brenners zumindest zur Erwärmung eines Reformers und eines Verdampfers genutzt wird, wobei dem Reformer und dem Verdampfer das erste Betriebsfluid zugeführt wird. Im Verdampfer wird folglich durch das im Brenner erhitze Prozessgas das erste It is advantageous if emerging process gas is used downstream of the burner at least for heating a reformer and an evaporator, wherein the reformer and the evaporator, the first operating fluid is supplied. In the evaporator is thus due to the heated process gas in the burner, the first
(flüssige) Betriebsfluid verdampft, wobei das erste Betriebsfluid dem Verdampfer über eine Anodenzuführleitung zugeführt wird. Im Reformer, welcher stromabwärts des Verdampfers angeordnet ist, wird das nun gasförmige erste Betriebsfluid durch das heiße Prozessgas reformiert. Das aus dem Brenner austretende Prozessgas weist eine Temperatur von etwa 950 °C auf und kann zusätzlich oder alternativ auch zur Erwärmung von zumindest einem Wärmetauscher verwendet werden, wobei durch diesen die Luft (zweites Betriebsfluid), welche dem Kathodenabschnitt über eine Kathodenzuführleitung zugeführt wird, erwärmt wird. Grundsätzlich ist es günstig, wenn das erste und zweite Betriebsfluid annähernd mit derselben (Liquid) operating fluid evaporates, wherein the first operating fluid is supplied to the evaporator via an anode supply line. In the reformer, which is arranged downstream of the evaporator, the now gaseous first operating fluid is reformed by the hot process gas. The emerging from the burner process gas has a temperature of about 950 ° C and can additionally or alternatively also be used to heat at least one heat exchanger, through which the air (second operating fluid), which is supplied to the cathode portion via a Kathodenzuführleitung heated becomes. In principle, it is favorable if the first and second operating fluid approximately with the same
Temperatur in den Brennstoffzellenstapel eingeleitet werden, weshalb diese mit Vorteil stromabwärts des Wärmetauscher durch einen zusätzlichen Wärmetauscher geleitet werden, welcher Temperaturen der beiden Betriebsfluide abgleicht. Verfahrensmäßig günstig ist es, wenn der Brennstoff stromabwärts des Reformers dem Anodenabschnitt zugeführt wird, wobei stromabwärts des Temperature are introduced into the fuel cell stack, which is why they are passed with advantage downstream of the heat exchanger through an additional heat exchanger, which balances temperatures of the two operating fluids. It is favorable in terms of method if the fuel is fed to the anode section downstream of the reformer, downstream of which
Brennstoffzellenstapels Andenabgas mit Kathodenabgas vermischt und dem Brenner über den zweiten Betriebsfluidleitabschnitt zugeführt wird. Durch diesen Fuel cell stack Anddenabgas mixed with cathode exhaust gas and the burner is supplied via the second Betriebsfluidleitabschnitt. Through this
Verfahrensschritt wird der Brenner als Nachbrenner genutzt. Dadurch wird der Brenner sowohl als Startbrenner als auch als Nachbrenner genutzt. Damit bringt auch ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie vorstehend ausführlich mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Startbrenner sowie das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem beschrieben worden sind. Process step, the burner is used as an afterburner. As a result, the burner is used both as a starting burner and as an afterburner. Thus, a method according to the invention also brings about the same advantages as have been described in detail above with reference to the starting burner according to the invention and the fuel cell system according to the invention.
Vorteilhaft ist es dabei, wenn das Anodenabgas mit dem Kathodenabgas zweistufig im Brenner verbrannt wird, wobei eine Zuführung des ersten Betriebsfluides über den ersten Betriebsfluidleitabschnitt bevorzugt gestoppt wird. Da dem Anodenabgas bereits Kathodenabgas (Luft) beigemischt wird, ist vorteilhaft keine Zuführung von Luft mehr notwendig. Wenngleich es bei einer Funktion des Brenners als It is advantageous if the anode exhaust gas is burned in two stages with the cathode exhaust gas in the burner, wherein a supply of the first operating fluid via the first Betriebsfluidleitabschnitt is preferably stopped. Since cathode exhaust gas (air) is already admixed with the anode exhaust gas, it is advantageously no longer necessary to supply air. Although it is in a function of the burner as
Nachbrenner günstig sein kann, wenn dem Brenner kein erstes Betriebsfluid zugeführt wird, kann es vorteilhaft sein, wenn dem Brenner über den ersten Afterburner may be beneficial when the burner no first operating fluid is supplied, it may be advantageous if the burner over the first
Betriebsfluidleitabschnitt zumindest zeitweise Brennstoff oder ein Brennstoff-Wasser- Gemisch zugeführt wird. Betriebsfluidleitabschnitt at least temporarily fuel or a fuel-water mixture is supplied.
Nach der Inbetriebnahme des Brenners als Startbrenner fördert dieser heißes Abgas über Wärmetauscher einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt eines Brennstoffzellensystems. Durch das Fördern von Umgebungsluft über eine kalte Seite eines Wärmetauschers im Kathodenkreislauf zum Kathodenabschnitt wird das Brennstoffzellensystem aufgeheizt. Sobald im Brennstoffzellensystem eine After start-up of the burner as start burner this hot exhaust gas via heat exchanger promotes an anode section and a cathode section of a fuel cell system. By conveying ambient air over a cold side of a heat exchanger in the cathode circuit to the cathode section, the fuel cell system is heated. Once in the fuel cell system one
Betriebstemperatur erreicht wird, kann ein Anodenstrom aktiviert werden. Gleichzeitig wird eine Brennstoffzufuhr zum Startbrenner deaktiviert und die Komponente Operating temperature is reached, an anode current can be activated. At the same time a fuel supply to the starting burner is deactivated and the component
(Brenner) geht in den passiven Betrieb des Nachbrenners, welcher das (Burner) goes into the passive operation of the afterburner, which the
Brennstoffzellenabgas durch totale Oxidation nachbehandelt. Dies ist möglich, da Austrittsströme aus dem Stack direkt in den Kammereingang des Brenners geleitet werden. Fuel cell exhaust aftertreated by total oxidation. This is possible because exit streams from the stack are directed directly into the chamber entrance of the burner.
Weitere Vorteile, Merkmale und Wirkungen ergeben sich aus den nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. In den Zeichnungen, auf weiche dabei Bezug genommen wird, zeigen: Further advantages, features and effects will become apparent from the embodiments illustrated below. In the drawings, to which reference is made, show:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Brenner, Fig. 2 einen weiteren erfindungsgemäßen Brenner; 1 shows a burner according to the invention, 2 shows a further burner according to the invention;
Fig. 3 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Brenner; 3 shows a section through a burner according to the invention;
Fig. 4 ein Blockdiagramm zum Darstellen eines Brennstoffzellensystems gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform. 4 is a block diagram showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
Fig. 1 und 2 zeigen einen erfindungsgemäßen Brenner 1 für ein Fig. 1 and 2 show a burner 1 according to the invention for a
Brennstoffzellensystem 100. Dieser umfasst zwei Reaktionskammern 6, 7, welche in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind. Jede Reaktionskammer 6, 7 weist jeweils einen Kammereingang 4a, 4b und einen Kammerausgang 5a, 5b auf. Der Brenner 1 weist weiter einen ersten Betriebsfluidleitabschnitt 2 und einen zweiten Betriebsleitabschnitt 3 auf, wobei der erste Betriebsfluidleitabschnitt 2 zum Führen eines ersten Betriebsfluides und der zweite Betriebsfluidleitabschnitt 3 zum Führen eines zweiten Betriebsfluides ausgebildet ist. Im Rahmen der Erfindung wird als erstes Betriebsfluid bevorzugt ein Ethanol-Wasser-Gemisch und als zweites Fuel cell system 100. This comprises two reaction chambers 6, 7, which are arranged one behind the other in the flow direction. Each reaction chamber 6, 7 has in each case a chamber inlet 4a, 4b and a chamber outlet 5a, 5b. The burner 1 further has a first Betriebsfluidleitabschnitt 2 and a second Betriebsleitabschnitt 3, wherein the first Betriebsfluidleitabschnitt 2 is designed to guide a first operating fluid and the second Betriebsfluidleitabschnitt 3 for guiding a second operating fluid. In the context of the invention, the first operating fluid is preferably an ethanol-water mixture and second
Betriebsfluid Luft verwendet. Der erste Betriebsfluidleitabschnitt 2 umfasst dabei einen ersten Teilabschnitt 2a und einen zweiten Teilabschnitt 2b. Operating fluid used air. The first operating fluid guide section 2 comprises a first section 2a and a second section 2b.
Wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich sind sowohl eine erste Reaktionskammer 6 als auch eine zweite Reaktionskammer 7 des Brenners 1 hohlzylindrisch aufgebaut; diese weisen jeweils mehrere zylindrische Schichten 8, 9, 10, 14, 15, 18 auf. Eine radial innerste Schicht 10, 14 ist dabei jeweils als metallischer, perforierter Hohlzylinder ausgebildet. Radial nach außen sind beide Reaktionskammern 6, 7 mit einer radial äußersten zylindrischen Schicht 8, 16 abgeschlossen. Die radial äußerste As can be seen from Figures 1 and 2, both a first reaction chamber 6 and a second reaction chamber 7 of the burner 1 are constructed as a hollow cylinder; These each have a plurality of cylindrical layers 8, 9, 10, 14, 15, 18. A radially innermost layer 10, 14 is in each case formed as a metallic, perforated hollow cylinder. Radially outward, both reaction chambers 6, 7 are closed with a radially outermost cylindrical layer 8, 16. The radially outermost
zylindrische Schicht 8 der ersten Reaktionskammer 6 ist als Verdampfungshülle ausgebildet, zwischen welcher und einer zweiten zylindrischen Schicht 9 eine Verdampfungskammer ausgebildet ist. In der Verdampfungskammer wird das erste Betriebsfluid verdampft und vorreformiert. Cylindrical layer 8 of the first reaction chamber 6 is formed as an evaporating shell, between which and a second cylindrical layer 9, an evaporation chamber is formed. In the evaporation chamber, the first operating fluid is vaporized and pre-reformed.
In Fig. 3 ist ein Schnitt durch den erfindungsgemäßen Brenner 1 gezeigt. Die erste Reaktionskammer 6 ist radial von außen nach innen wie folgt aufgebaut: Die als Verdampfungshülle ausgebildete radial äußerste zylindrische Schicht 8 schließt eine spiralförmige elektrische Heizeinrichtung 1 1 ein, wobei diese spiralförmig um eine zweite zylindrische Schicht 9 verläuft und wie in Fig. 1 und 2 ersichtlich im Bereich des Kammereinganges 4a der ersten Kammer 6 in die Verdampfungshülle eintritt. Ebenfalls und abwechselnd mit der elektrischen Heizeinrichtung 1 1 verläuft der erste Betriebsfluidleitabschnitt 2 um die zweite zylindrische Schicht 9 herum. Dadurch kann bei einem Kaltstart eines Brennstoffzellensystems 100 ein erstes Betriebsfluid erhitzt und verdampft werden. Radial innerhalb der zweiten zylindrischen Schicht 9 sind Wärmeleitelemente 13 angeordnet, welche an eine katalytische Schicht 18 FIG. 3 shows a section through the burner 1 according to the invention. The first reaction chamber 6 is constructed radially from the outside to the inside as follows: The radially outermost cylindrical layer 8 formed as the evaporation envelope includes a spiral-shaped electric heater 11, which spirally extends around a second cylindrical layer 9 and as in FIGS. 1 and 2 seen in the chamber inlet 4a of the first chamber 6 enters the evaporation shell. Also and alternately with the electric heater 1 1, the first runs Operating fluid guide section 2 around the second cylindrical layer 9 around. As a result, during a cold start of a fuel cell system 100, a first operating fluid may be heated and vaporized. Radially within the second cylindrical layer 9, heat-conducting elements 13 are arranged, which are connected to a catalytic layer 18
anschließen. Radial innerhalb der katalytischen Schicht 18 ist die als perforierter Hohlzylinder ausgebildete radial innerste Schicht 8 angeordnet. Die zweite connect. Radially within the catalytic layer 18, the radially innermost layer 8 formed as a perforated hollow cylinder is arranged. The second
Reaktionskammer 7 umfasst weniger Teilelement als die erste Reaktionskammer 6 und ist radial von außen nach innen wie folgt aufgebaut: Eine äußerste zylindrische Schicht 16 schließt die zweite Reaktionskammer 7 nach außen ab. Innerhalb dieser ist wieder eine katalytische Schicht 18 vorgesehen. Diese ist in der Regel gleich ausgebildet wie die katalytische Schicht 18 der ersten Reaktionskammer 6. Reaction chamber 7 comprises less sub-element than the first reaction chamber 6 and is constructed radially from outside to inside as follows: An outermost cylindrical layer 16 closes the second reaction chamber 7 to the outside. Within this, a catalytic layer 18 is again provided. This is generally the same design as the catalytic layer 18 of the first reaction chamber. 6
Besonders bevorzugt sind die katalytischen Schichten 18 der ersten und zweiten Reaktionskammer 6, 7 als katalytisch beschichtetes Gewebe 15 ausgebildet; gemäß Fig. 3 entspricht die katalytische Schicht 18 also jeweils dem Gewebe 15. Radial innen schließt daran die als metallischer, perforierter Hohlzylinder ausgebildete radial innerste Schicht 14 an. Das Gewebe 15 verläuft radial um den perforierten Particularly preferably, the catalytic layers 18 of the first and second reaction chambers 6, 7 are formed as catalytically coated fabric 15; According to FIG. 3, the catalytic layer 18 thus corresponds in each case to the tissue 15. Radially inside, the radially innermost layer 14 designed as a metallic perforated hollow cylinder adjoins it. The fabric 15 extends radially around the perforated
Hohlzylinder an, wobei sowohl der Hohlzylinder als auch das Gewebe 15 mit radial verlaufenden Perforierungen ausgebildet sind. Hollow cylinder, wherein both the hollow cylinder and the fabric 15 are formed with radially extending perforations.
Beide Reaktionskammern 6, 7 weisen jeweils einen Kammereingang 4a, 4b und einen Kammerausgang 5a, 5b auf. Im Bereich des Kammereinganges 4a der ersten Reaktionskammer 6 ist ein Schild 12 zur Ablenkung des zweiten Betriebsfluides angeordnet. Um das zweite Betriebsfluid oder eine Mischung aus erstem und zweiten Betriebsfluid in einen Innenbereich der innersten Schicht 8 zu leiten sind weiter Leitelemente 17 vorgesehen. Erhitztes Prozessgas strömt über den Kammerausgang 5b der zweiten Reaktionskammer 7 aus dem Brenner 1 aus. Both reaction chambers 6, 7 each have a chamber inlet 4a, 4b and a chamber outlet 5a, 5b. In the area of the chamber entrance 4a of the first reaction chamber 6, a shield 12 for deflecting the second operating fluid is arranged. In order to guide the second operating fluid or a mixture of first and second operating fluid into an inner region of the innermost layer 8, further guide elements 17 are provided. Heated process gas flows out of the burner 1 via the chamber outlet 5b of the second reaction chamber 7.
Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 100 mit dem Brenner 1 . Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst weiter einen Verdampfer 140, einen 4 shows a block diagram of a fuel cell system 100 with the burner 1. The fuel cell system 1 further includes an evaporator 140, a
Reformer 150, zwei Wärmetauscher 160, 170 und einen Brennstoffzellenstapel 1 10 mit einem Anodenabschnitt 120 und einem Kathodenabschnitt 130. Das Reformer 150, two heat exchangers 160, 170 and a fuel cell stack 1 10 with an anode portion 120 and a cathode portion 130. Das
Brennstoffzellensystem 100 wird mit einem flüssigen Brennstoff-Wasser-Gemisch betrieben, welcher über eine Anodenzuführleitung 20 über den Verdampfer 140 (dort wird das Brennstoff-Wasser-Gemisch gasförmig), den Reformer 150 (dort wird das gasförmige Brennstoff-Wasser-Gemisch reformiert) und dem weiteren Fuel cell system 100 is operated with a liquid fuel-water mixture, which via an anode feed 20 via the evaporator 140 (where the fuel-water mixture is gaseous), the reformer 150 (where the gaseous fuel-water mixture is reformed) and the other
Wärmetauscher 170 dem Anodenabschnitt zugeführt. Über eine Kathodenzuführleitung wird Luft über einen Wärmetauscher 160 und dem weiteren Wärmetauscher 170 dem Kathodenabschnitt 130 zugeführt. Diese Schritte werden durchgeführt, wenn das Brennstoffzellensystem 100 in Betrieb ist, also nach einem Aufheizbetrieb. Heat exchanger 170 is fed to the anode section. Over a The cathode supply line is supplied to the cathode section 130 via a heat exchanger 160 and the further heat exchanger 170. These steps are performed when the fuel cell system 100 is in operation, that is, after a heating operation.
Zum Aufheizen des Brennstoffzellensystems 100 wird der erfindungsgemäße For heating the fuel cell system 100 of the invention
Brenner 1 als Startbrenner verwendet: Die elektrischen Heizeinrichtung 1 1 wird in Betrieb genommen und das ersten Betriebsfluid wird in den ersten Burner 1 used as a starting burner: The electric heater 1 1 is put into operation and the first operating fluid is in the first
Betriebsfluidleitabschnitt 2 eingebracht. Dort wird dieses mit der Heizeinrichtung 1 1 erhitzt, verdampft und teilweise reformiert. Kurz darauf wird Luft durch einen zweiten Betriebsfluidleitabschnitt 3 und das Brennstoff-Wasser-Gemisch zum Operating fluid guide 2 introduced. There, this is heated with the heater 1 1, evaporated and partially reformed. Shortly thereafter, air through a second Betriebsfluidleitabschnitt 3 and the fuel-water mixture for
Kammereingang 4a der ersten Reaktionskammer 6 eingebracht bzw. geleitet und dort vermischt. Das Gemisch wird radial nach außen in Richtung der katalytischen Schicht 18 geleitet und dort katalytisch verbrannt. Da durch die Verbrennung Wärme abgegeben wird, kann die elektrische Heizeinrichtung 1 1 nun ausgeschalten werden. Am Kammerausgang 5a der ersten Reaktionskammer 6 wird ein zweiter Teil des Brennstoff-Wasser-Gemisches zugeführt und dieses mit dem bereits gasförmigen Brennstoff-Wasser-Luft-Gemisch in die zweite Reaktionskammer 7 geleitet. Dort findet wiederum eine katalytische Verbrennung statt. Ein aus der zweiten Chamber inlet 4a of the first reaction chamber 6 introduced or passed and mixed there. The mixture is passed radially outward in the direction of the catalytic layer 18 and catalytically burned there. Since heat is given off by the combustion, the electric heater 1 1 can now be turned off. At the chamber outlet 5a of the first reaction chamber 6, a second part of the fuel-water mixture is supplied and this passed with the already gaseous fuel-water-air mixture in the second reaction chamber 7. There again takes place a catalytic combustion. One from the second
Reaktionskammer austretendes Prozessgas hat nun eine Temperatur von etwa 950 °C. Dieses Prozessgas heizt wie in Fig. 4 gezeigt in Strömungsrichtung den Reformer 150, den Wärmetauscher 160 und den Verdampfer 140 auf. Die Reaction chamber escaping process gas now has a temperature of about 950 ° C. As shown in FIG. 4, this process gas heats up the reformer 150, the heat exchanger 160 and the evaporator 140 in the flow direction. The
einströmende Luft zum Wärmetauscher 160 heizt wiederum den incoming air to the heat exchanger 160 in turn heats the
Brennstoffzellenstapel 1 10 auf. Sobald alle Elemente eine vordefinierte Fuel cell stack 1 10 on. Once all the elements have a predefined one
Betriebstemperatur aufweisen, wird die Funktion des Brenners 1 als Startbrenner nicht mehr benötigt, das heißt es wird bevorzugt kein erstes Betriebsfluid über den ersten Betriebsfluidleitabschnitt 2 zugeführt. Having operating temperature, the function of the burner 1 is no longer needed as starting burner, that is, it is preferably no first operating fluid supplied via the first Betriebsfluidleitabschnitt 2.
Beim Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 wird der Brenner 1 als Nachbrenner verwendet. Das Anodenabgas wird stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 1 10 mit dem Kathodenabgas vermischt. Dieses Stackabgas wird über den zweiten Betriebsfluidleitabschnitt 3 dem Brenner 1 zugeführt und dort insbesondere zweistufig verbrannt. During operation of the fuel cell system 100, the burner 1 is used as an afterburner. The anode exhaust gas is mixed with the cathode exhaust gas downstream of the fuel cell stack 110. This stack exhaust gas is fed via the second Betriebsfluidleitabschnitt 3 the burner 1 and burned there in particular two stages.
Gemäß Fig. 4 ist im Brennstoffzellensystem 100 weiter ein Ventil 180 vorgesehen. Dieses ist dazu ausgebildet und angeordnet, um den Brenner 1 gegebenenfalls mit Luft zu kühlen. Dies kann beispielsweise dann notwendig sein, wenn eine Batterie, welche mit vom Brennstoffzellensystem 100 zur Verfügung gestellter elektrischer Energie gespeist wird, voll ist und nicht weiter gespeist werden kann. Dann schaltet sich der Brennstoffzellenstapel 1 10 automatisiert ab. Jedoch wird der überflüssige Brennstoff im Brennstoffzellensystem 100 noch weiter gefördert und nicht According to FIG. 4, a valve 180 is furthermore provided in the fuel cell system 100. This is designed and arranged to the burner 1 optionally with To cool the air. This may be necessary, for example, when a battery, which is supplied with electrical energy provided by the fuel cell system 100, is full and can no longer be supplied. Then the fuel cell stack 1 10 automatically turns off. However, the superfluous fuel in the fuel cell system 100 is further promoted and not
Brennstoffzellenstapel 1 10 verwendet, sondern der Brennstoff geht direkt durch den Brennstoffzellenstapel 1 10 in den Brenner 1 . Dabei besteht die Gefahr, dass die im Brenner 1 zulässigen maximalen Temperaturen überschritten werde, weshalb der Brenner 1 durch Öffnen des Ventils 180 mit Luft aus der Kathodenzuführleitung 30 gekühlt wird. Fuel cell stack 1 10 used, but the fuel goes directly through the fuel cell stack 1 10 in the burner. 1 There is a risk that the permissible in the burner 1 maximum temperatures will be exceeded, which is why the burner 1 is cooled by opening the valve 180 with air from the cathode supply line 30.
Der erfindungsgemäße Brenner 1 kann in einem Brennstoffzellensystem 100 sowohl als Startbrenner als auch als Nachbrenner verwendet werden. Bei einem Aufheizen des Brennstoffzellensystems 100 wird dieser als Startbrenner und beim Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 als Nachbrenner verwendet. The burner 1 according to the invention can be used in a fuel cell system 100 both as a starting burner and as an afterburner. When the fuel cell system 100 is being heated, it is used as start burner and during operation of the fuel cell system 100 as an afterburner.
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