AT513931B1

AT513931B1 - Reformereinheit für Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: AT513931B1
Application number: ATA81/2013A
Authority: AT
Inventors: Dipl Ing Rechberger Jürgen; Dipl Ing Michael (Fh) Reissig; Kliment Arthur
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2013-02-04
Filing date: 2013-02-04
Publication date: 2017-03-15
Also published as: DE112014000673A5; AT513931A1; WO2014117953A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Reformereinheit (1), insbesondere für ein Brennstoffzellensystem (2), mit einem Brenner (3), welcher eine Brennkammer (4) aufweist, und einem Reformer (5), welcher zumindest teilweise in der Brennkammer (4) angeordnet ist und einer ersten Leitung (6), die den Reformer (5) mit Prozessgas, welches insbesondere rezirkuliertes Anodenabgas und Kohlenwasserstoffe aufweist, versorgt. Der Reformer (5) weist einen Prozessgasverteiler (7) auf, in welchen die erste Leitung (6) mündet und ist zumindest teilweise in der Brennkammer (4) angeordnet. Die Reformereinheit weist weiters einen Startbrenner (11) auf, der mit der Brennkammer (4) über ein Flammrohr (12) verbunden ist.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Reformereinheit, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, mit einem Brenner, welcher eine Brennkammer aufweist, und einem Reformer und einer ersten Leitung, die den Reformer mit Prozessgas, welches insbesondere rezirkuliertes Anodenabgas und Kohlenwasserstoffe aufweist, versorgt, wobei der Reformer einen Prozessgasverteiler aufweist.

[0002] Eine solche Reformereinheit kann beispielsweise in einem Energieerzeugungsaggregat mit einer Brennstoffzelle zum Einsatz kommen, welche mit Kohlenwasserstoffen und nicht mit reinem Wasserstoff betrieben wird.

[0003] Solche Brennstoffzellensysteme bilden eine kompakte und effiziente Energiequelle, insbesondere zur Bereitstellung von elektrischer und/oder thermischer Energie.

[0004] Insbesondere bei Lastkraftwagen, welche - wie zum Beispiel in den USA - große Strecken zurücklegen, auf welchen der Fahrer in dem Führerhaus der LKWs wohnt, wird elektrische Energie während der Standzeiten, z. B. während der Pausen des LKWs oder während des Schlafs des LKW-Fahrers, benötigt. Die Energie dient dazu, um in dem LKW die Haustechnik (wie zum Beispiel eine Heizung), Multimediatechnik (wie zum Beispiel Radio, Fernseher und dazugehörige Empfangsgeräte) sowie auch Licht bereitstellen zu können.

[0005] Bislang wird die hierzu benötigte Energie durch das sogenannte "Idling" erzeugt.

[0006] Das heißt, während der Standzeit des LKWs läuft dessen Maschine, entweder konstant oder in gewissen Intervallen, im Leerlauf, um über die Lichtmaschine die benötigte Energie zu erzeugen. Bekannt sind aus dem Stand der Technik auch kleine Verbrennungsmotoren, die einen Generator antreiben und zusätzlich an Bord eines solchen LKWs, allein zum Erzeugen von Energie während der Standzeiten des LKWs, angeordnet sind.

[0007] Der Wirkungsgrad solcher Systeme in Bezug auf die erzeugte elektrische Energie ist gering, da bei dem Umsetzungsprozess des Diesels in den Verbrennungskraftmaschinen naturgemäß ein hoher Energieverlust durch Erzeugung von Wärme im Verbrennungsprozess und durch Reibung bei der mechanischen Bewegung der Welle entsteht.

[0008] Durch den geringen Wirkungsgrad wird nicht nur Energie verschwendet, sondern es entstehen auch große Mengen von Emissionen, welche die Umwelt belasten. Des Weiteren stellen laufende Verbrennungskraftmaschinen bei stehenden bzw. durch externe Kraftquelle angetriebenen Fahrzeugen eine beträchtliche Lärmquelle dar. Schließlich verursacht das „Idling" auch hohe Kosten, da unnötig viel Brennstoff verbraucht wird und die Betriebsstundenzahl der Lastkraftwagen unter Umständen unnötig in die Höhe getrieben wird.

[0009] Aus dem Stand der Technik sind Energieerzeugungsaggregate bekannt, die mittels einer Brennstoffzelle elektrische Energie erzeugen. Der Wirkungsgrad von Brennstoffzellen ist wesentlich günstiger als jener von Verbrennungskraftmaschinen, da die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels direkt in elektrische Energie gewandelt wird, ohne Energieverluste, die durch eine Kopplung Verbren-nungsmotor/Generator bzw. den Umweg übereine mechanische Bewegung entstehen.

[0010] Brennstoffzellen benötigen jedoch Wasserstoff in Reinform, Methanol, Ameisensäure, Methan oder Ähnliches als Brennstoff. Langkettige Kohlenwasserstoffe wie Diesel oder Benzin, die in einem LKW unmittelbar verfügbar sind, können nicht direkt von den gängigen Brennstoffzellenarten verarbeitet werden.

[0011] Um keinen gesonderten Brennstoff in den Fahrzeugen mitführen zu müssen, sind im Stand der Technik Systeme mit Reformern beschrieben, mit welchen Kohlenwasserstoffe zunächst zu von Brennstoffzellen verarbeitbaren Prozessgasen reformiert und erst danach von einer Brennstoffzelle verarbeitet werden. Diese Systeme benötigen zur Reformierung der Kohlenwasserstoffe allerdings viel Energie, was wiederum den Wirkungsgrad des Systems schmälert.

[0012] Um den Wirkungsgrad eines solchen Systems zur Energieerzeugung zu steigern, offenbart die DE 10 2007 039 594 A1 daher zum einen, den Reformer und weitere Elemente, die zur Reformierung nötig sind, sowie einen Brennstoffzellenstapel in kompakter Bauweise in einer gemeinsamen Außenisolierung anzuordnen. Weiterhin schlägt diese Druckschrift vor, Anodenabgas in den Reformer zu rezirkulieren, um die in dem Abgas enthaltene Wärmeenergie auszunutzen und die darin enthaltenen chemischen Stoffe zur Reformierung einzusetzen. Der Reformer ist hierzu in einer zylindrischen Brennkammer eines Flammenbrenners angeordnet, um den Reformer in der Startphase zu erwärmen. Durch die Beaufschlagung der Reformerwand mit heißem Gas wird diese beheizt und im Reformer stellt sich eine homogene Temperaturverteilung ein, die eine effiziente Reformierung gewährleistet.

[0013] Die WO 00/27518 A1 beschreibt eine Reformereinheit für ein Brennstoffzellensystem, wobei mehrere Reformerröhren mit einem Reformerkatalysator in einer Brennkammer angeordnet sind und über einen Prozessgasverteiler, ein sogenanntes "gas inlet manifold", mit Prozessgas versorgt werden, und wobei der Winkel zwischen der Strömungsrichtung einer Versorgungsleitung und einer zentralen Längsachse des Reformers 90° beträgt. Der Brenner wird über zwei Versorgungsleitungen mit Luft und Brennstoff versorgt, wobei die Winkel zwischen der jeweiligen Strömungsrichtung der Versorgungsleitungen und einer zentralen Längsachse des Brenners jeweils 90° betragen.

[0014] Die WO 00/41804 beschreibt ebenfalls eine Reformereinheit für ein Brennstoffzellensystem, wobei der Reformer samt Reformerkatalysator in einer Brennkammer mit Brennerkatalysator angeordnet ist und die zentralen Längsachsen des Brenners und des Reformers parallel ausgerichtet sind. Der Reformer wird über einen Prozessgasverteiler mit Prozessgas versorgt, wobei der Winkel zwischen der Strömungsrichtung der Versorgungsleitung und der zentralen Längsachse des Reformers 90° beträgt.

[0015] Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, eine Reformereinheit mit einem solchen Reformer bereitzustellen, welche kompakt ist, universell einsetzbar ist und energieeffizient arbeitet.

[0016] Diese Aufgabe wird durch eine Reformereinheit gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.

[0017] Ein Brenner im Sinne der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Ausführung einer Verbrennung, d.h. einer Redoxreaktion, die unter Abgabe von Energie in Form von Wärme und Licht, also exotherm, abläuft.

[0018] Eine Brennkammer im Sinne der Erfindung dient zur Verbrennung und/oder Durchmischung von Brennstoff und Oxidationsmittel.

[0019] Eine Reformierung im Sinne des Patents ist jede Art von Reformierung bzw. Reforming zur Erzeugung von einem Synthesegas, welches zumindest Wasserstoff enthält, insbesondere Dampfreformierung bzw. -reforming. Ein Reformer ist dementsprechend eine Vorrichtung zur Reformierung.

[0020] E in Prozessgasverteiler bzw. Manifold im Sinne der Erfindung ist ein Teil des Gehäuses des Reformers. Das Manifold dient insbesondere dazu, ein Prozessgas zu einem Reformerkatalysator zu leiten, dieses zu durchmischen und/oder homogen über der Fläche eines Reformerkatalysators zu verteilen.

[0021] Eine Brennstoffzelle im Sinne der Erfindung ist eine galvanische Zelle, die die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Um eine höhere Spannung zu erhalten, werden üblicherweise mehrere Zellen zu einem Stack (engl, für 'Stapel') in Reihe geschaltet.

[0022] Stromaufwärts im Sinne der Erfindung bedeutet, in Stromrichtung eines Fluids, insbesondere eines Prozessgases, vorstehend angeordnet. Stromabwärts bedeutet erfindungsgemäß dementsprechend nachstehend angeordnet.

[0023] Eine Strömungsrichtung im Sinne der Erfindung ist die vorherrschende Richtung der

Bewegung eines Fluids, welche sich aus der Überlagerung der verschiedenen Bewegungskomponenten der Moleküle des Fluids ergibt.

[0024] Eine Längsachse im Sinne der Erfindung ist jene Achse eines Körpers, die der Richtung seiner größten Ausdehnung und/oder seiner Symmetrieachse entspricht. Eine zentrale Längsachse ist dementsprechend die Längsachse im Zentrum eines Körpers. Rein beispielhaft entspricht diese bei einem Zylinder der Symmetrieachse.

[0025] Ablenkmittel im Sinne der Erfindung sind Mittel zur Unterbrechung bzw. Verwirbelung eines Fluidstroms.

[0026] Eine Überlappung im Sinne der Erfindung ist ein Überstand in einer definierten Richtung.

[0027] E in Durchströmungsvolumen ist das Volumen, welches einem Fluid beim Durchströmen einer Vorrichtung zur Verfügung steht.

[0028] Eine Prozesstemperatur im Sinne der Erfindung ist die Temperatur, welche in einer Einrichtung beim Ausführen eines jeweiligen Teilprozesses im Normalbetrieb erreicht wird.

[0029] Eine Isolation im Sinne der Erfindung ist jede Art von Wärmedämmung, um den Durchgang von Wärmeenergie zu reduzieren.

[0030] Adiabat im Sinne der Erfindung bedeutet, dass bei dem Gesamtprozess des Energieerzeugungsaggregats sowohl exotherme wie auch endotherme Reaktionen parallel verlaufen, sodass der Gesamtprozess im Wesentlichen unabhängig von äußerer Wärmezufuhr ist und ein großer Teil, insbesondere mehr als 25%, bevorzugt mehr als 30%, am bevorzugtesten mehr als 40%, der in den zugeführten Kohlenwasserstoffen enthaltenen Energie in elektrische Energie umgesetzt wird.

[0031] Insbesondere ist der Prozessgasverteiler, in welchen die erste Leitung mündet, zumindest teilweise in der Brennkammer angeordnet, wobei die Reformereinheit einen Startbrenner aufweist, der mit der Brennkammer über ein Flammrohr verbunden ist. Durch den Prozessgasverteiler bzw. das Manifold wird in dem Reformer der erfindungsgemäßen Reformereinheit eine bessere Durchmischung des Brennstoffs und des Trägergases, welche das Prozessgas bilden, erreicht, bevor dieses von einem Reformerkatalysator in Reformat umgesetzt wird. Weiterhin wird durch die Vorschaltung des Prozessgasverteilers eine homogene Verteilung des an einer stromaufwärts angeordneten Fläche des Prozessgasverteilers eingebrachten Prozessgases auf eine stromabwärts angeordnete Anströmfläche des Reformerkatalysators erreicht.

[0032] In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Reformereinheit ist die mindestens eine Außenfläche des Manifolds beabstandet von der jeweils gegenüberliegenden Oberfläche der Brennkammer angeordnet.

[0033] Durch die Beabstandung der Außenfläche des Prozessgasverteilers bzw. Manifolds von den Oberflächen der Brennkammer wird zum einen eine optimale Umströmung des Reformers mit in der Brennkammer verbrannten Brenngas und den Abgasen gewährleistet. Hierdurch kann der Reformer in einer Startphase eines Brennstoffzellensystems zügig auf Betriebstemperatur gebracht werden. Weiterhin gewährleistet eine Beabstandung zu den Oberflächen der Brennkammer, dass der Reformer bzw. das Manifold des Reformers zu allen Seiten hin optimal thermisch isoliert ist.

[0034] Die erfindungsgemäße Reformereinheit weist einen Startbrenner auf, dessen Abgas in den Brenner einführbar ist.

[0035] Der Startbrenner sorgt während der Startphase des Brennstoffzellensystems für ein beschleunigtes Erreichen der Betriebstemperatur.

[0036] In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Reformereinheit ragt ein Flammrohr des Startbrenners in die Brennkammer hinein.

[0037] Durch das Hineinragen des Flammrohrs in die Brennkammer kann das heiße Abgas des Startbrenners während der Startphase gezielt auf den Reformer gerichtet werden. Anodenab- gas und/oder Kathodenabluft der Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems, welche während der Startphase noch nicht die zur Herbeiführung der Reformierung benötigten Temperaturen aufweisen, werden dagegen in die äußeren Bereiche der Brennkammer gedrängt, wo sie im Wesentlichen mit den Wänden der Brennkammer in Kontakt kommen, nicht jedoch mit dem Manifold und/oder anderen Oberflächen des Reformers.

[0038] In der Brennkammer, insbesondere in den äußeren Bereichen, findet eine Durchmischung aller Gase statt, was am Beginn der Aufheizphase den Vorteil hat, dass das heiße Abgas des Startbrenners zunächst gekühlt wird und das Material, welches noch nicht auf Betriebstemperatur ist, nicht zu stark beansprucht. Mit zunehmender Zeit heizen sich die Gase, die vom Brennstoffzellenstapel kommen, auf und haben eine immer geringere Kühlwirkung.

[0039] In einerweiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Reformereinheit sind der Reformer, der Brenner und/oder der Startbrenner in der Weise angeordnet, dass eine zentrale Längsachse des Reformers, eine zentrale Längsachse des Brenners und/oder eine zentrale Längsachse des Startbrenners im Wesentlichen parallel ausgerichtet und insbesondere identisch sind.

[0040] Wenn die zentralen Längsachsen des Reformers und des Brenners parallel ausgerichtet sind, ermöglicht dies eine besonders kompakte Anordnung der beiden Bauteile und somit auch eine kompakte Ausführung der Reformereinheit. Sind die zentralen Längsachsen gar koaxial, so wird weiterhin die Isolation des Reformers gegenüber der Umwelt optimiert. Ist auch die zentrale Längsachse des Flammrohrs koaxial ausgerichtet, so wird der Reformer während der Startphase optimal von den Abgasen des Startbrenners umströmt und dadurch ein zügiges Erreichen der Betriebstemperatur des Reformers ermöglicht.

[0041] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Reformereinheit sind zwischen dem Flammrohr und dem Reformer Ablenkmittel angeordnet.

[0042] Solche Ablenkmittel erzeugen eine Verwirbelung des Abgasstroms aus dem Startbrenner, so dass das Manifold bzw. die anderen Wandungen des Reformers gleichmäßig und nicht eine stromaufwärts angeordnete Fläche des Reformers übermäßig erhitzt wird.

[0043] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Reformereinheit weist das Manifold des Reformers zumindest teilweise die Form eines Kegels oder eines Kegelstumpfes auf.

[0044] Die Kegel- bzw. Kegelstumpfform führt weiterhin zu einer optimierten Umströmung des Reformers mit Brenngas bzw. Abgas aus dem Startbrenner. Zusätzlich wird der Reformer innen optimal mit Eduktgas bzw. Reformerprozessgas angeströmt.

[0045] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Reformereinheit beträgt ein Winkel zwischen der Strömungsrichtung der ersten Leitung und einer zentralen Längsachse des Reformers an einer Eintrittsstelle in den Reformer im Wesentlichen 45° bis 135°, bevorzugt 70° bis 110°, noch bevorzugter 80° bis 100° und am bevorzugtesten 90°.

[0046] Durch die Einstellung des Winkels kann eine optimale Verwirbelung des Prozessgases in dem Manifold des Reformers erreicht werden.

[0047] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung teilt eine Tangente an die Strömungsrichtung der ersten Leitung an einer Eintrittsstelle in den Reformer eine Strecke zwischen einer zentralen Längsachse des Manifolds und der mindestens einen seitlichen Fläche, welche im Wesentlichen senkrecht zu der Tangente und der zentralen Längsachse des Manifolds angeordnet ist, im Verhältnis 4:1, bevorzugt 3:1, besonders bevorzugt 2:1, bevorzugter 1:1, noch bevorzugter 1:2, noch bevorzugter 1:3 und am bevorzugtesten 1:4 oder schneidet im Wesentlichen die zentrale Längsachse des Manifolds.

[0048] Auch durch die Variierung der Strömungsrichtung des Prozessgases aus der ersten Leitung in Bezug auf eine zur zentralen Längsachse senkrechte Richtung des Reformers kann eine optimale Durchmischung und gleichmäßige Anströmung des Reformerkatalysators erreicht werden.

[0049] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung versorgt eine zweite Leitung den Brenner mit Luft, insbesondere Kathodenabluft, und eine dritte Leitung versorgt den Brenner mit Brenngas, insbesondere im Wesentlichen Anodenabgas, wobei die dritte Leitung stromabwärts der zweiten Leitung in die Brennkammer mündet oder die dritte Leitung in die zweite Leitung, welche in die Brennkammer mündet, mündet.

[0050] Durch das Anordnen der dritten Leitung, welche das Anodenabgas in den Brenner einbringt, stromabwärts der zweiten Leitung, welche die Kathodenabluft einbringt, werden beide Gasströme ideal durchmischt. Alternativ kann die dritte Leitung auch schon zuvor in die zweite Leitung münden, wodurch der Brennstoff des Brenners mit dem Oxidationsmittel bzw. der Luft schon durchmischt wird, bevor die Gase in die Brennkammer eingebracht werden.

[0051] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung beträgt der Winkel zwischen jeweils der Strömungsrichtung der zweiten Leitung und/oder der dritten Leitung und einer zentralen Längsachse des Brenners an einer Eintrittsstelle in den Brenner im Wesentlichen 45° bis 135°, bevorzugt 70° bis 110°, noch bevorzugter 80° bis 100° und am bevorzugtesten 90°.

[0052] Durch die Variierung der Strömungsrichtung des Prozessgases aus der zweiten und/ oder dritten Leitung in Bezug auf eine zur zentralen Längsachse senkrechte Richtung des Brenners kann eine optimale Durchmischung und gleichmäßige Anströmung des Brennerkatalysators erreicht werden.

[0053] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Reformereinheit weist der Brenner einen Brennerkatalysator auf, der thermisch leitend um den Reformer herum angeordnet ist und/oder der Reformer weist einen Reformerkatalysator auf.

[0054] Durch die thermisch leitende Anordnung des Brennerkatalysators auf einer Oberfläche des Reformers wird eine optimale Übertragung thermischer Energie aus dem Brenner in den Reformer, insbesondere während der Startphase, erreicht. Dadurch können einerseits der Wärmetransport zwischen dem Oxidationskatalysator und dem Reformerkatalysator und andererseits die Temperaturprofile (axial und radial) im Reformerkatalysator und/oder im Brennerkatalysator homogenisiert werden. Durch die verbesserte Wärmeableitung werden besonders heiße Zonen (Hot Spots) in den beiden Katalysatoren verhindert. Dies ist besonders vorteilhaft zum Hochheizen des Reformerkatalysators. Durch zusätzlich direktes Anschweißen der Substrate des Brennerkatalysators und des Reformerkatalysators an der Außenwand des Reformers können Dichtmittel, wie zum Beispiel eine Dichtmatte, entfallen, die zusätzlich den Wärmeaustausch behindern.

[0055] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Reformereinheit trägt ein Substrat des Brennerkatalysators den Reformer.

[0056] Hierdurch brauchen keine weiteren Fixierungsmittel für den Reformer vorgesehen werden.

[0057] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Reformereinheit überlappt sich der Reformerkatalysator mit dem Brennerkatalysator in axialer Richtung ein Viertel, bevorzugt ein Drittel, besonders bevorzugt drei Viertel und am bevorzugtesten vollständig oder die Überlappung der Katalysatoren ist variabel.

[0058] Die Überlappung des Brennerkatalysators und des Reformerkatalysators regelt maßgeblich die thermische Leitung zwischen dem Brenner und dem Reformer.

[0059] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Reformereinheit beträgt das Verhältnis des Durchströmungsvolumens des Reformerkatalysators zu dem Durchströmungsvolumens des Brennerkatalysators im Wesentlichen 1:1, bevorzugt 1:1,5, bevorzugter 1:2, noch bevorzugter 1:3 und am bevorzugtesten 1:3,7.

[0060] Der Brennerkatalysator ist dann in Bezug auf den Reformerkatalysator groß genug dimensioniert, so dass im Falle der maximal möglichen Leistung, insbesondere eines Lastabwurfs, keine Schäden an dem System durch Überhitzung entstehen.

[0061] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Reformereinheit ist der Brenner zumin- dest teilweise in einer Abgaskammer angeordnet und bevorzugt weist dieser eine zentrale Längsachse auf, die zu der zentralen Längsachse der Brennkammer und/oder des Manifolds koaxial ist.

[0062] Die Anordnung der Reformereinheit in der Abgaskammer ermöglicht eine weitere Isolation gegenüber der Umwelt.

[0063] Die Reformereinheit kommt bevorzugt in einem Energieerzeugungsaggregat mit einer Brennstoffzelle, einem sogenannten Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Fahrzeug, zum Einsatz.

[0064] E in solches Energieerzeugungsaggregat hat zum Vorteil, dass Kohlenwasserstoffe, welche in vielen Fahrzeugen ohnehin in Form von Diesel oder Benzin vorhanden sind, zum Betrieb einer Brennstoffzelle verwendet werden können.

[0065] Die erfindungsgemäße Reformereinheit ist jedoch nicht auf den Einsatz in Fahrzeugen beschränkt, sondern kann auch bei rein stationären Anwendungen wie beispielweise Blockheizkraftwerken in Gebäuden Verwendung finden.

[0066] Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.

[0067] Figur 1 ist ein teilweise schematisches Prozessbild eines Brennstoffzellensystems mit einer erfindungsgemäßen Reformereinheit.

[0068] Figur 2 zeigt einen teilweise schematischen Querschnitt des Brennstoffzellensys tems mit einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Reformereinheit.

[0069] Figur 3 zeigt einen teilweise schematischen, perspektivischen Querschnitt der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Reformereinheit.

[0070] Figur 4 zeigt einen teilweise schematischen, perspektivischen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Reformereinheit.

[0071] Figur 5 zeigt einen teilweise schematischen, perspektivischen Querschnitt einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Reformereinheit.

[0072] Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung der geometrischen Anordnung zwei er Elemente der erfindungsgemäßen Reformereinheit zueinander, insbesondere der ersten Leitung und des Reformermanifolds.

[0073] Figur 7 zeigt einen teilweise schematischen Querschnitt durch die zweite Ausfüh rungsform der erfindungsgemäßen Reformereinheit gemäß Figur 4.

[0074] Das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Reformereinheit 1 wird in einer Anwendung in einem Brennstoffzellensystem 2 bzw. einem Energieerzeugungsaggregat mit einer Brennstoffzelle anhand des Prozessbilds gemäß Figur 1 wie folgt erläutert: [0075] Über den Brennstoffanschluss 32 werden vorzugsweise über die Kohlenwasserstoffpumpen 35a und 35b Kohlenwasserstoffe, bevorzugt Diesel, in das Brennstoffzellensystem 2 gepumpt. In der Startphase erfolgt dieser Pumpvorgang vorzugsweise über die Kohlenwasserstoffpumpe 35b, wodurch der Startbrenner 11 mit Kohlenwasserstoff versorgt wird. Weiterhin wird mit dem Luftgebläse 29 über den Luftanschluss 33 das Brennstoffzellensystem 2 vorzugsweise mit Luft versorgt, welche bevorzugt gefiltert ist.

[0076] Luft und die Kohlenwasserstoffe werden vorzugsweise in dem Startbrenner 11 erhitzt und entzündet. Hierdurch erwärmt der Startbrenner 11 die Brennkammer 4 des vorzugsweise um den Reformer 5 angeordneten Brenners 3 sowie den Reformer 5.

[0077] Das Abgas des Startbrenners 11, welches aus der Brennkammer 4 des Brenners 3 strömt, wird vorzugsweise durch einen Wärmetauscher 28 zu dem Abgasanschluss 34 geleitet, welcher bevorzugt ein Auspuff ist. In dem Wärmetauscher 28 wird Luft erwärmt und strömt hernach zur Kathode K des Brennstoffzellenstapels 22a, 22b.

[0078] Nunmehr wird vorzugsweise Luft mit dem Rezirkulationsgebläse 30 in den Reformer 5 gefördert, wo diese durch das Abgas des Startbrenners 11 erwärmt wird und dann durch eine vorzugsweise vorhandene erste Verteilerplatte 20 und eine vorzugsweise vorhandene zweite Verteilerplatte 27 zu der Anode A des Brennstoffzellenstapels 22a, 22b geleitet wird.

[0079] Weiterhin strömt das Gas in den Verdampfer 26. Zu diesem Zeitpunkt werden auch Kohlenwasserstoffe über die Kohlenwasserstoffpumpe 35a zu dem Verdampfer gepumpt, welche durch das erwärmte Anodenabgas in dem Verdampfer 26 verdampfen. Dieses Gasgemisch wird vorzugsweise mit Luft in dem Rezirkulationsgebläse 30 zu Reformer-Prozessgas, dem Eduktgas, vermischt und über eine erste Leitung 6 durch die Brennkammer 4, in welcher das Prozessgas weiter aufgeheizt wird, in den Reformer 5 eingebracht. Der Reformer 5 ist nunmehr vorzugsweise durch den Startbrenner 11 soweit erwärmt, dass eine Reformierung des Reformer-Prozessgases zu Wasserstoff und Nebenprodukten, dem Produktgas, erfolgt.

[0080] Dieses Reformat wird wiederum über die Verteilerplatte 27 zur Anode der Brennstoffzelle 2 geleitet, wo nunmehr die Umsetzung von im Wesentlichen Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser und elektrischer Energie erfolgt. Die elektrische Energie wird vorzugsweise über den elektrischen Anschluss 36 an einen Verbraucher abgeleitet. Bei der Umsetzung wird Wärmeenergie freigesetzt.

[0081] Die erwärmte Kathodenabluft wird in die Brennkammer 4 des Brenners 3 geleitet. Ein Teil des erwärmten Anodenabgases wird vorzugsweise wieder dem Verdampfer 26 zugeführt. Ein anderer Teil des Anodenabgases wird in die Brennkammer 4 des Brenners 3 geleitet.

[0082] In der Brennkammer 4 wird dieses Anodenabgas mit der Kathodenabluft vermischt und bevorzugt mittels eines Katalysators in einer exothermen Reaktion umgesetzt. Die hierbei frei werdende Wärmeenergie dient zur Erwärmung des Reformers 5. Der Startbrenner 11 kann vorzugsweise nunmehr ausgeschaltet werden. Die endotherme Reaktion in dem Reformer 5 bzw. einem bevorzugt vorhandenen Reformerkatalysator 21 wird allein über die Wärme der exothermen Reaktion in dem Brennstoffzellenstapel 22a, 22b und die exotherme Reaktion in dem Brenner 3 aktiviert, sodass der Gesamtprozess in dem Energieerzeugungsaggregat im Wesentlichen adiabat ist.

[0083] Die Reformereinheit 1 des in dem Prozessbild dargestellten Brennstoffzellensystems 2 weist dabei vorzugsweise den Brenner 3 mit der Brennkammer 4, den Reformer 5 mit dem Manifold 7, den Verdampfer 26 und/oder eine Abgaskammer 23 (in Figur 1 nicht dargestellt) auf. In der Reformereinheit 1 sind somit im Wesentlichen die Einrichtungen zur Umwandlung der Kohlenwasserstoffe in Prozessgas für die Brennstoffzelle 2 zusammengezogen.

[0084] Vorzugsweise ist auch der Startbrenner 11 mit Flammrohr 12 zumindest teilweise Bestandteil der Reformereinheit 1.

[0085] Optional kann vorzugsweise eine Bypassleitung (nicht dargestellt) vom Startbrenner 11 direkt in den Wärmetauscher 28 vorgesehen sein. Dadurch kann unabhängig von der geforderten elektrischen Leistung mehr thermische Leistung bereitgestellt werden. Dies ist insbesondere bei solchen Anwendungen von Vorteil, bei welcher der Brennstoffzellenstapel 22a, 22b extrem kalten Temperaturen ausgesetzt ist und/oder vom Fahrzeug viel Wärme zur Beheizung oder Kühlung des Innenraums gefordert wird.

[0086] Fig. 2 zeigt den Aufbau einer Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems 2 mit einer erfindungsgemäßen Reformereinheit 1 durch eine Ebene, welche die zentrale Längsachse ZF des Flammrohrs 12 (gestrichpunktet), zentrale Längsachse ZB des Brenners 3 (gepunktet) und zentrale Längsachse ZR des Reformers 5 (gestrichelt) enthält.

[0087] I m oberen Teil weist das Brennstoffzellensystem 2 in erster Linie Einrichtungen auf, die zur Medienversorgung, zur Unterbrechung der Medienversorgung bzw. Regulierung der Medienversorgung und/oder zur Aufbereitung der Medien dienen. Beispielhaft hierfür sind das Luftgebläse 29, verschiedene Ventile und/oder die Kohlenwasserstoffpumpen 35a, 35b. Vorzugs weise ist auch ein Wärmetauscher 28 vorhanden, welcher die angesaugte Luft erwärmt, bevor diese der Kathode K der Brennstoffzellenstapel 22a, 22b zugeführt wird.

[0088] Die Reformereinheit 1 ist im Zentrum des Brennstoffzellensystems 2 angeordnet. Diese weist im Wesentlichen die Einrichtungen zur Reformierung bzw. Umwandlung der Kohlenwasserstoffe in Reformat bzw. Prozessgas für den Brennstoffzellenstapel 22a, 22b auf.

[0089] Gemäß der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform ist der Reformer dabei vorzugsweise in der Brennkammer 4 des Brenners 3 angeordnet. Der Brenner 3 ist wiederum vorzugsweise in einer Abgaskammer 23 angeordnet, in welcher das Abgas des Brenners 3 und/oder das Abgas des Startbrenners 11 zu dem Wärmetauscher 28 geleitet wird. Der Startbrenner 11 dient insbesondere dazu, um das Brennstoffzellensystem in der Startphase mit Wärme zu versorgen. Dieser ist vorzugsweise über das Flammrohr 12 mit dem Brenner 3 verbunden, welches vorzugsweise in den Brennraum 4 des Brenners 3 hinein ragt.

[0090] Weiterhin ist in der Abgaskammer 23 vorzugsweise der Verdampfer 26 angeordnet, welcher Kohlenwasserstoffe in dem von der Brennstoffzelle 2 rezirkulierten Anodenabgas verdampft, bevor dieses in den Reformer 5 eingebracht wird. Der Startbrenner 11 und/oder der Brenner 3 dienen hierbei zur Erwärmung des Reformers 5. Die Abgaskammer 23 erhitzt wiederum die Außenwand des Brenners 3 bzw. isoliert den Brenner zusätzlich gegenüber der Umwelt. Zusätzlich kann vorzugsweise eine Isolation um die Reformereinheit 1 vorgesehen sein, welche diese zusätzlich isoliert. Die Abgaskammer 23 stellt gleichzeitig Wärmeenergie zur Verdampfung der Kohlenwasserstoffe in dem Verdampfer 26 bereit.

[0091] Das Reformat bzw. Prozessgas für die Anode A und die Luft für die Kathode K der zwei Brennstoffzellenstapel 22a, 22b dieser Ausführungsform werden aus der Reformereinheit 1 über die Verteilerplatten 20, 27 zu den jeweiligen Anschlüssen geleitet.

[0092] Auch die Kathodenabluft und das Anodenabgas aus den Brennstoffzellenstapeln 22a, 22b werden vorzugsweise über die Verteilerplatte 20, 27 mit den jeweiligen Anschlüssen der Reformereinheit verbunden. Vorzugsweise weist der Reformer 5 einen Reformerkatalysator 21 und der Brenner 3 einen Brennerkatalysator 19 auf.

[0093] In der dargestellten Ausführungsform wird die Brennkammer 4 und die Abgaskammer 23 durch eine Wandung 10b begrenzt, welche gleichzeitig eine Fixierungsplatte ist. Vorzugsweise erstrecken sich diese nur bis zu der Wandung und weisen eine weitere, separate Begrenzungswand auf. In einer anderen Ausführungsform können die Wandungen der Brennkammer 4 und/oder der Abgaskammer 23 auch beabstandet von einer Fixierungsplatte angeordnet sein.

[0094] I m unteren Teil der Figur 2 weist das Brennstoffzellensystem der dargestellten Ausführungsform zwei Brennstoffzellenstapel 22a, 22b auf. Die Fixierung dieser beiden Brennstoffzellenstapel 22a, 22b und/oder die Verteilung des Prozessgases und der anderen Medien bzw. Abführung der Kathodenabluft und des Anodenabgases erfolgt hierbei vorzugsweise über die zweite Verteilerplatte 27, welche an die Verteilerplatte 20 fluidkommunizierend angeschlossen ist.

[0095] Vorzugsweise kann aber auch eine Brennstoffzelle mit einem einzigen Stapel oder eine Brennstoffzelle mit mehr als zwei Stapeln zum Einsatz kommen.

[0096] Die Brennstoffzellenstapel 22a, 22b bestehen bevorzugt aus SOFC-Brennstoffzellen, es können jedoch auch andere Brennstoffzellentypen zum Einsatz kommen, wie z. B. alkalische Brennstoffzellen, Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen, Direkt-Methanol-Brennstoffzellen, Ameisensäure-Brennstoffzellen, Phosphorsäure-Brennstoffzellen, Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen, Direkt-Kohlenstoff-Brennstoffzellen und/oder Magnesium-Luft-Brennstoffzellen oder eine Kombination derselbigen.

[0097] Das Brennstoffzellensystem 1 wird bevorzugt von einer Isolation umgeben, welche in der Figur 2 jedoch nicht dargestellt ist.

[0098] Anhand der Figur 3 wird nun eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Reformereinheit 1 beschrieben. In dieser Ausführungsform haben sowohl der Reformer 5, der

Brenner 3 und der Startbrenner 11 mit seinem Flammrohr 12 eine zylindrische Form. Die jeweils zentralen Längsachsen ZR, ZB, ZF der drei Bauteile liegen in dieser Ausführungsform aufeinander bzw. sind koaxial. Dies führt zu einer konzentrischen Anordnung der drei Bauteile. Selbstverständlich kann jedes der drei Bauteile eine andere als die zylindrische Form aufweisen und die drei Bauteile können vorzugsweise auch anders als mit identischen zentralen Längsachsen ZR, ZB, ZF angeordnet werden.

[0099] In der Startphase wird über die Brennstoffleitung 25 Kohlenwasserstoff in den Startbrenner 11 eingebracht. Dort werden die Kohlenwasserstoffe mittels zumindest einem Glühstift erwärmt, mit Luft durchmischt und anschließend verbrannt. Das heiße Abgas des Startbrenners 11 verlässt diesen über das Flammrohr 12 und erwärmt die Brennkammer 4 des Brenners 3.

[00100] Aufgrund der konzentrischen Anordnung des Startbrenners 11 und des Reformers 5 wird eine stromaufwärts angeordnete Fläche 8 des Reformers unmittelbar von dem Abgasstrahl des Startbrenners 11 umströmt und dadurch erwärmt. Wie dargestellt, weist das Manifold 7 des Reformers 5 an dieser stromaufwärts angeordneten Fläche 8 vorzugsweise die Form eines Kegelstumpfes oder auch eines Kegels auf, um den Abgasstrom aus dem Startbrenner 11 zu dem Brennerkatalysator 19 gleichmäßig zu verteilen, welcher den Reformer 5 vorzugsweise umgibt. In dem Brennerkatalysator 19 können noch nicht umgesetzte Kohlenwasserstoffe nachverbrannt und/oder schädliche Abgasstoffe umgewandelt werden. Nach Verlassen des Brennerkatalysators 19 strömt der Abgasstrom vorzugsweise über Abgasöffnungen 37 in die Abgaskammer 23 (in Fig. 3 nicht dargestellt), welche den Brenner 3 vorzugsweise umgibt.

[00101] Vorzugsweise besteht der Reformer 5 im Wesentlichen aus zwei Abschnitten: [00102] Das Manifold 7 mit der stromaufwärts angeordneten Fläche 8 und mindestens einer seitlichen Fläche 9 bildet einen Hohlkörper, in welchem über die erste Leitung 6 ein Prozessgas eingebracht wird, welches zu reformieren ist. Eine stromaufwärts angeordnete Fläche 8 und eine seitliche Fläche 9 kann hierbei auch die jeweilige Komponente einer zu beiden Richtungen schrägen Fläche bezeichnen.

[00103] In der in Figur 3 gezeigten Darstellung erstreckt sich dieser Hohlraum im Wesentlichen von der stromaufwärts angeordneten Fläche 8 bis zur Oberfläche eines vorzugsweise vorhandenen Reformerkatalysators 21 (hier nicht dargestellt). Der zweite Abschnitt des Reformers 5 wird im Wesentlichen von diesem Reformerkatalysator 21 gebildet. In dem Reformerkatalysator 21 findet die katalytische Reformierung statt. Auf der dem Manifold 7 abgewandten Seite verlässt das reformierte Prozessgas, das sogenannte Reformat, den Reformer 5 vorzugsweise über die Verteilerplatte 27 zur Anode A des Brennstoffzellenstapels 22a, 22b.

[00104] Die Durchmischung des Prozessgases in dem Manifold 7 und die Homogenität der Anströmung der Oberfläche des Reformerkatalysators 21 hängt dabei maßgeblich von der Geometrie der Anordnung der ersten Leitung 6, welche das Prozessgas in den Reformer 5 führt, und dem Manifold 7 ab.

[00105] Wie in Figur 6 gezeigt, wird diese Geometrie zum einen über den Raumwinkel α zwischen einer Strömungsrichtung SR bzw. der parallelverschobenen Strömungsrichtung SR' einer Leitung 6; 15; 16 und einer zentralen Längsachse ZR; ZB des jeweiligen Körpers 4; 7, in welchem das jeweilige Prozessgas eingebracht wird, definiert. Durch die Variation dieses Raumwinkels α können die Strömungen bzw. Verwirbelungen in dem jeweiligen Körper 4; 7 beeinflusst werden.

[00106] Weiterhin wird diese Geometrie über einen zweiten Raumwinkel in einer Ebene, die senkrecht zu der jeweiligen zentralen Längsachse ZR; ZB liegt, definiert. Bei einem zylinderförmigen Körper 4; 7, wie in Fig. 6 dargestellt, kann dieser Raumwinkel ß an einer Eintrittsstelle 14; 17; 18 bestimmt werden. In Figur 7 ist ein solcher Raumwinkel in Bezug auf die Strömungsrichtung SR2 der zweiten Leitung 15 gezeigt. Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, den Raumwinkel ß in einem Bereich von etwa 90° bis 130° zu wählen, bevorzugt zwischen 100° und 120° und am bevorzugtesten in einem Bereich um 113,6°.

[00107] Bei Körpern 4; 7 mit anderer Geometrie ist eine solche Bestimmung an der Eintrittsstelle 14; 17; 18 jedoch nicht zweckmäßig. Daher wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Verhältnis Sa:Sb als Parameter angegeben, in welchem die Strömungsrichtung SR bzw. eine Tangente an diese Strömungsrichtung SR an der Eintrittsstelle 14; 17; 18 eine Strecke S teilt, welche sich zum einen zwischen der zentralen Längsachse ZR; ZB des jeweiligen Körpers und einer seitlichen Fläche des Körpers erstreckt und welche im Wesentlichen senkrecht zu der Strömungsrichtung SR bzw. der Tangente an diese Strömungsrichtung SR an der Eintrittsstelle 14; 17; 18 und der zentralen Längsachse ZR; ZB angeordnet ist.

[00108] In Bezug auf den Winkel a1 zwischen der Strömungsrichtung SR1 der ersten Leitung 6 und der zentralen Längsachse ZR des Reformers 5 wurde festgestellt, dass ein Winkelbereich von 45° bis 135° vorteilhaft für eine gute Durchmischung und homogene Anströmung des Reformerkatalysator 21 durch das Prozessgases ist. In bevorzugten Ausführungsvarianten kann dieser Winkel 70° bis 110°, noch bevorzugter 80° bis 100° und am bevorzugtesten 90° betragen.

[00109] In Bezug auf das Verhältnis der Teilstrecken S1a; S1b der Strecke S1 zwischen der zentralen Längsachse ZR und der mindestens einen seitlichen Fläche 9 des Reformers 5 wurde festgestellt, dass ein Verhältnis von S1a zu S1b 4:1, bevorzugt 3:1, besonders bevorzugt 2:1, noch bevorzugter 1:1, noch bevorzugter 1:2, noch bevorzugter 1:3 und am bevorzugtesten 1:4 vorteilhaft für eine gute Durchmischung und homogene Anströmung des Reformerkatalysators 21 durch das Prozessgas ist. In der in Figur 3 gezeigten ersten Ausführungsform wird die Luft über die Startbrennerluftzufuhr 24 im Wesentlichen tangential, d.h. S1a»S1b, zur Oberfläche in den Prozessgasverteiler bzw. das Manifold 7 eingebracht.

[00110] Eine andere günstige Ausführungsvariante besteht darin, dass die Strömungsrichtung SR1 der ersten Leitung 6 die Längsachse ZR des Reformers 5 schneidet oder im Falle eines zylindrischen Reformers 5 bzw. Manifolds 7 die Strömungsrichtung SR1 der Tangente an das Manifold 7 in Rotationsrichtung entspricht, wie dies rein beispielhaft in der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform der Fall ist.

[00111] Ähnlich wie das definierte Einbringen des Prozessgases aus der ersten Leitung 6 in den Reformer 5 bzw. das Reformermanifold 7 ist auch ein kontrolliertes Einbringen der Prozessgase in den Brenner 3 vorteilhaft für eine gute Durchmischung und eine gleichmäßige Verteilung des umzusetzenden Gases auf den Brennerkatalysator 19.

[00112] Über verschiedene Geometrien der zweiten Leitung 15, welche den Brenner mit Luft, insbesondere Kathodenabluft, versorgt, und über eine Veränderung der Geometrie der dritten Leitung 16, welche den Brenner mit Brenngas, insbesondere Anodenabgas, versorgt, in Bezug auf die zentrale Längsachse ZB des Brenners 4 kann ebenfalls eine Optimierung der Verbrennung erreicht werden. Auch hier wurde festgestellt, dass ähnliche Winkel a2 und/oder a3 und/oder Verhältnisse der Teilstrecken S2a, S2b; S3a, S3b der Strecken S2, S3 wie jener in Bezug auf den Reformer gute Ergebnisse liefern. Wie in Bezug auf die erste Ausführungsform in Figur 3 gezeigt, werden sowohl Luft, insbesondere die Kathodenabluft, als auch das Anodenabgas im Wesentlichen tangential zur Oberfläche der Brennkammer 4, d.h. S2a»S2b und S3a»S3b, über die jeweilige Leitung 15, 16 in die Brennkammer 4 eingebracht.

[00113] Das Substrat des Brennerkatalysators 19 ist vorzugsweise aus Metall. Solche Substrate weisen eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit gegenüber herkömmlichen keramischen Substraten auf. Auch das Substrat des Reformerkatalysator 21 kann aus Metall bestehen. Vorzugsweise ist dieses jedoch aus Keramik. Zum einen ist ein solches Substrat gegenüber einem Metallsubstrat günstiger und eine gute Wärmeleitfähigkeit ist bei diesem Reformerkatalysator 21 weniger wichtig. Zum anderen weist das Keramiksubstrat eine bessere Schwefelverträglichkeit auf und kann bei Prozesstemperaturen von bis zu 1000°C eingesetzt werden, was in extremen Betriebszuständen der Reformereinheit 1 bedeutsam werden kann.

[00114] Die Außenhülle des Reformers 5 besteht vorzugsweise ebenfalls aus Metall und ist vorzugsweise mit dem Substrat des Brennerkatalysators 19 und/oder mit dem Substrat des

Reformerkatalysators 21 verschweißt. Dadurch wird der Reformer 5 vorzugsweise einerseits in der Brennkammer 4 des Brenners 3 fixiert. Es sind jedoch auch andere Befestigungsarten, zum Beispiel mit einer Presspassung oder einer zusätzlichen Quellmatte möglich. Vorzugsweise ist der Reformer 5 an anderen Stellen fixiert. Andererseits ergibt sich durch das Verschweißen ein wesentlich besserer Wärmetransport zwischen dem Reformerkatalysator 21 und dem Brennerkatalysator 19. Dies ist besonders vorteilhaft zum Hochheizen des Reformerkatalysators.

[00115] Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass durch die verbesserte Wärmeleitfähigkeit das Temperaturprofil (axial und radial) des Reformer- und Brennerkatalysators homogenisiert werden kann. Dadurch können besonders heiße Zonen (Hot Spots) in den beiden Katalysatoren verhindert werden.

[00116] Zusätzlich kann durch direktes Verschweißen des Brennersubstrats oder der Substrate mit der Außenwand des Reformers 5 eine Dichtmatte zwischen dem Brenner 3 und dem Reformer 5 entfallen, die für den Wärmeaustausch eher hinderlich ist.

[00117] Eine weitere Optimierungsmöglichkeit des Reformierungsprozesses in dem Reformer 5 bietet sich über die Anordnung des Brennerkatalysators 19 und des Reformerkatalysators 21 zueinander.

[00118] Durch eine Variierung der Überlappung der beiden Katalysatoren 19, 21 in Richtung der zentralen Längsachsen ZR, ZB können die Wärmeübertragung und damit die Reaktionsgeschwindigkeiten in dem Reformerkatalysator 21 und/oder dem Brennerkatalysator 19 beeinflusst werden.

[00119] Der Grad der Überlappung kann hierbei fest auf ein Viertel, bevorzugt auf ein Drittel, besonders bevorzugt auf Dreiviertel und am bevorzugtesten auf eine vollständige Überlappung des Reformerkatalysators 21 durch den Brennerkatalysator eingestellt sein. Vorzugsweise ist der Grad der Überlappung jedoch variabel und während des Betriebs des Brennstoffzellensystems veränderbar, um den Wärmeaustausch den jeweiligen Betriebsarten anzupassen.

[00120] Weiterhin kann über das Verhältnis des Durchströmungsvolumens des Reformerkatalysators 21 zu dem Durchströmungsvolumens des Brennerkatalysators 19 gewährleistet werden, dass der Brennerkatalysator 19 so ausgelegt ist, um das Reformat im Falle eines plötzlichen Lastabwurfs zu verbrennen, ohne dass irreversible Schäden an dem Brennstoffzellensystem entstehen. Das Verhältnis beträgt im Wesentlichen 1:1, bevorzugt 1:1,5, bevorzugter 1:2, noch bevorzugter 1:3 und am bevorzugtesten 1:3,7. Rein beispielhaft weist der Reformerkatalysator 21 in der dargestellten Ausführungsform ein Volumen von 95.000 ccm, der Brennerkatalysator 19 von 358.000 ccm auf.

[00121] Anhand der Figur 4 wird eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Reformereinheit in einer teilweise schematischen, perspektivischen Querschnittsansicht der Reformereinheit 1 dargestellt. Die Ausgestaltungen der ersten Ausführungsform und zweiten Ausführungsform sind dabei frei kombinierbar, so dass weitere Ausführungsformen entstehen können.

[00122] I m Wesentlichen ist das Funktionsprinzip der Reformereinheit 1 der zweiten Ausführungsform identisch zu jenem der ersten Ausführungsform. Auch in dieser Ausführungsform sind das Flammrohr 12 des Startbrenners 11, der Reformer 5 bzw. das Reformermanifold 7 und die Brennkammer 4 des Brenners 3 zylindrisch ausgeführt und weiter vorzugsweise konzentrisch mit koaxialen zentrischen Längsachsen ZR, ZB, ZF angeordnet. Wie in Bezug auf diese Ausführungsform gezeigt, wird die Luft über die Startbrennerluftzufuhr 24 im Wesentlichen tangential zu der Oberfläche des Startbrenners in einen Gemischbildungsraum des Startbrenners 11 eingebracht. Vorzugsweise kann die Luftzufuhr aber auch senkrecht zu der Oberfläche für eine besonders gute Durchmischung in den Gemischbildungsraum eingebracht werden.

[00123] Ein Unterschied zur ersten Ausführungsform besteht darin, dass die Fläche 10b der Brennkammer durch eine Fixierungsplatte gebildet oder verstärkt wird, die in dem Brennstoffzellensystem 2 zur Fixierung von verschiedenen Vorrichtungen dient. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass das Flammrohr 12 des Startbrenners 11 weiter in die Brennkammer 4 des

Brenners 3 hineinragt. Vorzugsweise kann das Flammrohr aber auch an der Fläche 10b der Brennkammer 4 mit der Fläche 10b der Brennkammer 4 bündig abgeschlossen sein und überhaupt nicht in die Brennkammer 4 hineinragen.

[00124] Weiterhin wird das Prozessgas über die erste Leitung 6 möglichst lange in der Brennerkammer 4 geführt, um die in dem Brenner 3 vorhandene Wärmeenergie auch auf dieses Gas zu übertragen beziehungsweise dieses Prozessgas gegenüber der Umwelt zu isolieren.

[00125] Auch in dieser Ausführungsform ist der Reformerkatalysator 21 nicht dargestellt.

[00126] Ein weiterer Unterschied gegenüber der ersten Ausführungsform besteht bei dieser Ausführungsform darin, dass die dritte Leitung 16, welche Anodenabgas in den Brenner leitet, vorzugsweise nicht direkt in die Brennkammer 4 sondern in die zweite Leitung 15 mündet, welche Luft, bevorzugt Kathodenabluft, in die Brennkammer 4 führt. Dies ermöglicht eine noch bessere Durchmischung des Anodenabgases mit der Kathodenabluft für eine bessere Verbrennung in dem Brenner 3. Es ist auch umgekehrt möglich, dass die dritte Leitung 16 in die zweite Leitung 15 mündet, bevor diese dann in die Brennkammer mündet.

[00127] Die Strömungsrichtung SR2 des Gasgemisches aus Kathodenabluft und Anodenabgas ist in dieser Ausführungsform direkt auf die zentrale Längsachse ZB des Brenners 3 gerichtet. Bei der gezeigten vorzugsweise zylindrischen Brennkammer 4 steht die Strömungsrichtung SR2 dann senkrecht zur Oberfläche der Brennkammer 4. Bevorzugt tritt das Gasgemisch jedoch mit einer Strömungsrichtung SR2 in den Brenner 3 ein, welche einen Winkel in einem Bereich um 113,6° zu einer Tangente an die Oberfläche des Brenners 3 bildet, wie dies in Figur 7 dargestellt ist.

[00128] Die in Figur 5 in einer teilweise schematischen perspektivischen Querschnittsansicht dargestellte Ausführungsform ist im Wesentlichen identisch mit der zweiten Ausführungsform der Reformereinheit. Auch die Ausgestaltungen dieser dritten Ausführungsform lassen sich mit den Ausgestaltungen der ersten und zweiten Ausführungsform in jeglicher Art kombinieren.

[00129] I m Wesentlichen unterscheidet sich diese Ausführungsform von der zweiten Ausführungsform dadurch, dass zwischen dem Flammrohr 12 des Brenners 11 und der stromaufwärts angeordneten Fläche 8 des Manifolds 7 des Brenners 5 Ablenkmittel 13, vorgesehen sind.

[00130] Die Ablenkmittel 13 werden von einem Fixierungsmittel 31 in der Brennkammer 4 des Brenners 3 in Stellung gehalten. Vorzugsweise handelt es sich bei den Ablenkmitteln 13 um ein Metallblech, welches vorzugsweise als Kugelkappe, wie in der Figur 5 gezeigt, ausgebildet ist. In anderen Ausführungsformen kann das Ablenkmittel 13 jedoch auch als jegliche andere zwei-oder dreidimensionale Struktur, wie eine Platte oder als Pyramide ausgebildet sein und/oder aus anderen, hitzebeständigen Materialien bestehen.

[00131] Weiterhin vorzugsweise weisen die Ablenkmittel 13 Aussparungen auf, durch welche ein Fluid, insbesondere das Abgas des Startbrenners 11 strömen kann. Diese Aussparungen sind vorzugsweise, wie in Figur 5 gezeigt, als Löcher ausgebildet.

[00132] Die Ablenkmittel 13 dienen dazu, dass die Außenwände des Manifolds 7, insbesondere die stromaufwärts angeordnete Fläche 8 und die mindestens eine seitliche Fläche 9, gleichmäßig erwärmt werden. Durch die Ablenkmittel entsteht in diesem Bereich keine Überhitzung und das Abgas wird homogen über den Brennerkatalysator 19 verteilt. BEZUGSZEICHENLISTE:

Reformereinheit 1

Brennstoffzellensystem 2

Brenner 3

Brennkammer 4

Reformer 5 erste Leitung 6

Manifold 7

Stromaufwärts angeordnete Fläche des Manifolds 8

Seitliche Fläche des Manifolds 9

Wandung der Brennkammer 10a, 10b

Startbrenner 11

Flammrohr 12

Ablenkmittel 13

Eintrittsstelle 14, 17, 18

Zweite Leitung 15

Dritte Leitung 16

Brennerkatalysator 19

Erste Verteilerplatte 20

Reformerkatalysator 21

Brennstoffzellenstapel 22a, 22b

Abgaskammer 23

Startbrennerluftzufuhr 24

Brennstoffleitung 25

Verdampfer 26

Zweite Verteilerplatte 27 Wärmetauscher 28

Luftgebläse 29

Rezirkulationsgebläse 30

Fixierungsmittel 31

Brennstoffanschluss 32

Luftanschluss 33

Abgasanschluss 34

Kohlenwasserstoffpumpe 35a, 35b

Elektrischer Anschluss 36

Abgasöffnung 37

Claims

Patentansprüche

1. Reformereinheit (1), insbesondere für ein Brennstoffzellensystem (2), mit einem Brenner (3), welcher eine Brennkammer (4) aufweist, und einem Reformer (5), einer ersten Leitung (6), die den Reformer (5) mit Prozessgas, welches insbesondere rezir-kuliertes Anodenabgas und Kohlenwasserstoffe aufweist, versorgt, wobei der Reformer (5) einen Prozessgasverteiler (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessgasverteiler (7), in welchen die erste Leitung (6) mündet, zumindest teilweise in der Brennkammer (4) angeordnet ist, sowie dass die Reformereinheit einen Startbrenner (11) aufweist, der mit der Brennkammer (4) über ein Flammrohr (12) verbunden ist.
2. Reformereinheit (1) nach Anspruch 1, wobei mindestens eine Außenfläche (8, 9) des Prozessgasverteilers (7) beabstandet von einer jeweils gegenüberliegenden Oberfläche (10a, 10b) der Brennkammer (4) angeordnet ist.
3. Reformereinheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Startbrenner (11) in die Brennkammer (4) hineinragt.
4. Reformereinheit (1) nach Anspruch 1 bis 3, welche des Weiteren eine Bypassleitung für das Abgas des Startbrenners (11) zu einem Wärmetauscher (28) aufweist.
5. Reformereinheit (1) nach Anspruch 1 bis 4, wobei der Reformer (5), der Brenner (3) und/oder der Startbrenner (11) in der Weise angeordnet sind, dass eine zentrale Längsachse (ZR) des Reformers (5), eine zentrale Längsachse (ZB) der Brenners (4) und/oder eine zentrale Längsachse (ZF) des Startbrenners (11) im Wesentlichen parallel ausgerichtet und insbesondere koaxial sind.
6. Reformereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Flammrohr (12) und dem Reformer (5) Ablenkmittel (13) angeordnet sind.
7. Reformereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Prozessgasverteiler (7) zumindest teilweise die Form eines Kegels oder eines Kegelstumpfes aufweist.
8. Reformereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Winkel (a1) zwischen der Strömungsrichtung (SR1) der ersten Leitung (6) und einer zentralen Längsachse (ZR) des Reformers (5) an einer Eintrittsstelle (14) in den Reformer (5) im Wesentlichen 45° bis 135°, bevorzugt 70° bis 110°, noch bevorzugter 80° bis 100° und am bevorzugtesten 90° beträgt.
9. Reformereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Tangente an die Strömungsrichtung (SR1) der ersten Leitung (6) an einer Eintrittsstelle (14) in den Reformer (5) eine Strecke (S1) zwischen einer zentralen Längsachse (ZR) des Prozessgasverteilers (7) und der mindestens einen seitlichen Fläche (9), welche im Wesentlichen senkrecht zu der Tangente und der zentralen Längsachse (ZR) des Prozessgasverteilers (7) angeordnet ist, im Verhältnis (S1a:S1b) 4:1, bevorzugt 3:1, besonders bevorzugt 2:1, bevorzugter 1:1, noch bevorzugter 1:2, noch bevorzugter 1:3 und am bevorzugtesten 1:4 teilt oder im Wesentlichen die zentrale Längsachse (ZR) des Prozessgasverteilers (7) schneidet.
10. Reformereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine zweite Leitung (15) den Brenner (3) mit Luft, insbesondere Kathodenabluft versorgt und eine dritte Leitung (16) den Brenner (3) mit Brenngas, insbesondere im Wesentlichen Anodenabgas, versorgt und wobei die dritte Leitung (16) stromabwärts der zweiten Leitung (15) in die Brennkammer (4) mündet oder die dritte Leitung (16) in die zweite Leitung (15), welche in die Brennkammer (4) mündet, mündet.
11. Reformereinheit (1) nach Anspruch 10, wobei der Winkel (α2, a3) zwischen jeweils der Strömungsrichtung (SR2, SR3) der zweiten Leitung (15) und/oder der dritten Leitung (16) und einer zentralen Längsachse (ZB) des Brenners (3) an einer Eintrittsstelle (17,18) in den Brenner (3) im Wesentlichen 45° bis 135°, bevorzugt 70° bis 110°, noch bevorzugter 80° bis 100° und am bevorzugtesten 90° beträgt.
12. Reformereinheit (1) nach Anspruch 11, wobei eine Tangente an die Strömungsrichtung (SR2, SR3) der zweiten Leitung (15) und/oder der dritten Leitung (16) an einer Eintrittsstelle (17, 18) in den Reformer eine Strecke (S2, S3) zwischen einer zentralen Längsachse (ZB) des Brenners (3) und der mindestens einen seitlichen Fläche (10a, 10b), welche im Wesentlichen senkrecht zu der Tangente und der zentralen Längsachse (ZB) des Brenners (3) angeordnet ist, im Verhältnis 4:1, bevorzugt 3:1, besonders bevorzugt 2:1, bevorzugter 1:1, noch bevorzugter 1:2, noch bevorzugter 1:3 und am bevorzugtesten 1:4 teilt oder im Wesentlichen durch die zentrale Längsachse (ZB) des Brenners (3) geht.
13. Reformereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Brenner (3) einen Brennerkatalysator (19) aufweist, der thermisch leitend um den Reformer (5) herum angeordnet ist und/oder der Reformer (5) einen Reformerkatalysator (21) aufweist.
14. Reformereinheit (1) nach Anspruch 13, wobei ein Substrat (20) des Brennerkatalysators (19) den Reformer (5) trägt.
15. Reformereinheit (1) nach Anspruch 13 oder 14, wobei sich der Reformerkatalysator (21) mit dem Brennerkatalysator (19) in axialer Richtung (ZR; ZB) ein Viertel, bevorzugt ein Drittel, besonders bevorzugt drei Viertel und am bevorzugtesten vollständig überlappt oder bei welcher die Überlappung variabel ist.
16. Reformereinheit (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei das Verhältnis des Durchströmungsvolumens des Reformerkatalysators (21) zu dem Durchströmungsvolumens des Brennerkatalysators (19) im Wesentlichen 1:1, bevorzugt 1:1,5, bevorzugter 1:2, noch bevorzugter 1:3 und am bevorzugtesten 1:3,7 ist. Hierzu 7 Blatt Zeichnungen