AT519617A1 - Startbrenner für ein Brennstoffzellensystem - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Startbrenner (100a; 100b) für ein Brennstoffzellensystem (1000), aufweisend einen Katalysator (10) mit einem Katalysatoreingang (11) und einem Katalysatorausgang (12), wobei zwischen dem Katalysatoreingang (11) und dem Katalysatorausgang (12) ein Katalysebereich (13) ausgestaltet ist und der Katalysebereich (13) in einer Durchgangsrichtung (D) vom Katalysatoreingang (11) zum Katalysatorausgang (12) von einer Katalysatorwandung (14) umgeben ist, und einen Betriebsfluid- Leitabschnitt (20) zum Zuführen eines Betriebsfluids (F1) zu dem Katalysatoreingang (11), wobei der Betriebsfluid-Leitabschnitt (20) außerhalb des Katalysators (10) zumindest abschnittsweise entlang der Katalysatorwandung (14) angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem (1000) mit dem Startbrenner (100a; 100b) sowie ein Verfahren zum Erwärmen eines Betriebsfluids (F1) in dem Brennstoffzellensystem (1000).

Description

Startbrenner für ein Brennstoffzellensystem

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Startbrenner für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein SOFC-System, ein Brennstoffzellensystem mit einem Startbrenner sowie ein Verfahren zum Erwärmen eines Betriebsfluids in einem Brennstoffzellensystem.

Im Stand der Technik sind verschiedene Startbrenner für verschiedene Brennstoffzellensysteme bekannt. Aus der DE 102 37 744 A1 geht ein Brennstoffzellensystem mit einem Startbrenner hervor, der in einem Brennergehäuse eingebaut ist. In dem 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 Brennstoffzellensystem zu erwärmen. Eine Temperaturregelung kann durch entsprechende Dosierung der zugeführten Bypass-Luft und ggf. zusätzlich durch geeignete Dosierung der Luft und des Brennstoffs, beispielsweise kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff, die dem Startbrenner zugeführt werden, durchgeführt werden. Durch die Führung der Bypass-Luft entlang des Startbrenners kann die Umgebung des Startbrenners vor der im Startbrenner erzeugten Hitze geschützt werden. Gleichwohl wird der Startbrenner durch die dargestellte Führung der Bypass-Luft gekühlt und aus der in Rede stehenden Patentanmeldung geht keine Lösung hervor, wie diesem Problem Rechnung getragen werden könnte. DE 100 55 613 A1 zeigt einen Startbrenner in einem Brennstoffzellensystem, wobei der Startbrenner in Form eines Zweirohrbrenners ausgestaltet ist. Der Zweirohrbrenner weist zwei konzentrisch zueinander angeordnete Rohrleitungsabschnitte, also einen inneren und einen äußeren Rohrleitungsabschnitt, auf. Stromaufwärts des inneren Rohrleitungsabschnitts ist ein Brennstoffinjektor zum Einspritzen von Brennstoff in den inneren Rohrleitungsabschnitt angeordnet. Innerhalb des inneren Rohrleitungsabschnitts befindet sich eine Zündkerze zum Zünden des vom Brennstoffinjektor in den inneren Rohrleitungsabschnitt eingespritzten Brennstoffs. Stromabwärts des inneren Rohrleitungsabschnitts kann ein katalytischer Reaktor angeordnet sein. Durch das Umströmen des inneren Rohrleitungsabschnitts mit Luft kann eine thermi-sehe Isolierung des heißen inneren Rohrleitungsabschnitts realisiert werden. Allerdings ist es auch bei diesem System problematisch, dass die Luft, die dem inneren Rohrleitungssystem für die Verbrennung darin zugeführt wird, relativ kalt ist. Ein separates Vorheizen der zugeführten Luft wäre mit entsprechenden Zusatzkosten und einem Effizienzverlust hinsichtlich des Betriebs des Startbrenners bzw. des Brennstoffzellensystems verbunden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Startbrenner zum Vorheizen eines Brennstoffzellensystems zur Verfügung zu stellen.

Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch den Startbrenner gemäß Anspruch 1, das Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 14 sowie das Verfahren gemäß Anspruch 15 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem Startbrenner beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.

Gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Startbrenner für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein SOFC-System (SOFC steht für „solid oxide fuel cell“, bzw. Festoxidbrennstoffzelle), zur Verfügung gestellt. Der Startbrenner weist einen Katalysator mit einem Katalysatoreingang und einem Katalysatorausgang auf, wobei zwischen dem Katalysatoreingang und dem Katalysatorausgang ein Katalysebereich ausgestaltet ist und der Katalysebereich in einer Durchgangsrichtung vom Katalysatoreingang zum Katalysatorausgang von einer Katalysatorwandung umgeben ist. Der Startbrenner weist ferner einen Betriebsfluid-Leitabschnitt zum Zuführen eines Betriebsfluids zu dem Katalysatoreingang auf. Erfindungsgemäß ist der Betriebsfluid-Leitabschnitt außerhalb des Katalysators zumindest abschnittsweise entlang der Katalysatorwandung angeordnet.

Der Betriebsfluid-Leitabschnitt ist somit zum Leiten des Betriebsfluids außerhalb des Katalysators entlang der Katalysatorwandung in Richtung des Katalysatoreingangs ausgestaltet. Dadurch ist es möglich, Betriebsfluid, beispielsweise in Form von Luft, entlang der Katalysatorwandung bzw. entlang eines Außenwandabschnitts der Katalysatorwandung in Richtung des Katalysatoreingangs zu leiten. Dadurch kann eine vorteilhafte thermische Isolationsschicht gebildet werden, durch welche die Umgebung des Katalysators vor der im Katalysator entstehenden Hitze geschützt werden kann. Darüber hinaus kann die an der Katalysatorwandung entlanggeführte Luft durch den Katalysator erwärmt werden. Diese Wärme wird bei dem erfindungsgemäßen Startbrenner in den Katalysator transportiert. Dies führt zu einer effizienten Verbrennung im Katalysator. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich überraschend herausgestellt, dass das Erwärmen des Betriebsfluids bzw. der Luft durch den Katalysator keinen oder kaum einen negativen Effekt auf die Verbrennung im Katalysator hat. D.h., die Vorteile die daraus resultieren, dass dem Katalysator das erwärmte Betriebsfluid zugeführt wird, überwiegen eindeutig die möglichen Nachteilen die daraus resultieren könnten, dass der Katalysator durch das vorbeigeleitete Betriebsfluid gekühlt wird. Demnach kann der Betriebsfluid-Leitabschnitt im erfindungsgemäßen Startbrenner die vorstehend erwähnte vorteilhafte Doppelfunktion erfüllen.

Durch das erfindungsgemäße Vorheizen des Betriebsfluids stromaufwärts des Katalysators kann der Katalysators mit einem besonders hohen Wirkungsgrad betrieben werden. Entsprechend hoch ist die durch den Katalysator erzeugbare Wärmeleistung.

Durch die Anordnung des Betriebsfluid-Leitabschnitts außerhalb des Katalysators entlang der Katalysatorwandung bzw. seitlich am Katalysator kann der Startbrenner besonders kompakt bereitgestellt werden. Dies ist insbesondere bei mobilen Anwendungen des Startbrenners, beispielsweise im Automobilbereich, von Vorteil.

Unter dem Startbrenner ist vorliegend insbesondere 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.

Aufgrund des verwendeten Katalysators im Startbrenner kann auf zusätzliche Zündmittel, beispielsweise in Form einer Zündkerze, verzichtet werden. Dadurch können entsprechende Kosten gespart werden.

Die Katalysatorwandung muss nicht direkt an den Katalysebereich angrenzen. D.h., es ist möglich, dass zumindest abschnittsweise ein Zwischenraum zwischen dem Katalysebereich und der Katalysatorwandung bzw. einem Innenwandabschnitt der Katalysatorwandung ausgestaltet ist.

Der Betriebsfluid-Leitabschnitt ist vorzugsweise entlang eines Außenwandabschnitts der Katalysatorwandung angeordnet. Der Außenwandabschnitt des Katalysators kann in diesem Fall einen Innenwandabschnitt des Betriebsfluid-Leitabschnitts darstellen. Gleichwohl ist es erfindungsgemäß möglich, dass ein Außenwandabschnitt des Betriebsfluid-Leitabschnitts am Außenwandabschnitt der Katalysatorwandung oder sogar leicht beabstandet von der Katalysatorwandung angeordnet ist.

Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass der Betriebsfluid-Leitabschnitt entlang der Katalysatorwandung eine Leitrichtung für das Betriebsfluid vorgibt, wobei die Leitrichtung zumindest abschnittsweise parallel oder im spitzen Winkel und entgegengesetzt zur Durchgangsrichtung verläuft. D.h., der Betriebsfluid-Leitabschnitt ist zum Leiten des Betriebsfluids entlang und/oder neben der Katalysatorwandung und in Richtung des Katalysatoreingangs ausgestaltet. Dies ermöglicht ein effizientes Aufwärmen bzw. Vorheizen des Betriebsfluids bei kompakter Bauweise des Startbrenners, insbesondere in dem Fall, dass die Leitrichtung parallel oder im Wesentlichen parallel zur Durchgangsrichtung verläuft. Der Betriebsfluid-Leitabschnitt gibt die Leitrichtung für das Betriebsfluid bevorzugt entlang eines Außenwandabschnitts der Katalysatorwandung vor. Der Betriebsfluid-Leitabschnitt ist vorzugsweise zumindest von einem Bereich am Katalysatorausgang bis zu einem Bereich am Katalysatoreingang entlang der Katalysatorwandung ausgestaltet. D.h., der Betriebsfluid-Leitabschnitt ist derart entlang der Katalysatorwandung ausgestaltet, dass Betriebsfluid im Bereich des Katalysatorausgangs an die Katalysatorwandung bzw. einen Außenwandabschnitt der Katalysatorwandung und von dort aus an der Katalysatorwandung entlang oder neben dieser in Richtung des Katalysatoreingangs leitbar ist. Demnach gibt der Betriebsfluid-Leitabschnitt für das Betriebsfluid eine Leitrichtung vor, die außerhalb des Katalysators und entlang der Katalysatorwandung entgegengesetzt oder zumindest im Wesentlichen oder teilweise entgegengesetzt zur Durchgangsrichtung, insbesondere von dem Bereich am Katalysatorausgang zu dem Bereich am Katalysatoreingang, verläuft.

Von weiterem Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Startbrenner die Katalysatorwandung zumindest abschnittsweise in Form eines Hohlzylinders ausgestaltet ist und der Betriebsfluid-Leitabschnitt wenigstens teilweise ringförmig, zumindest abschnittsweise um die Katalysatorwandung herum, ausgestaltet ist. Durch die ringförmige Ausgestaltung des Betriebsfluid-Leitabschnitts um die Katalysatorwandung herum kann, sobald das Betriebsfluid durch den Betriebsfluid-Leitabschnitt geleitet wird, eine Wärmeentwicklung im Katalysator wirkungsvoll von der Umgebung des Katalysators abgeschirmt werden. Außerdem kann durch die ringförmige Ausgestaltung des Betriebsfluid-Leitabschnitts ein großer Kontaktbereich bzw. eine große Kontaktfläche zwischen dem Betriebsfluid-Leitabschnitt und der Katalysatorwandung bereitgestellt werden. Dadurch kann das Betriebsfluid über eine entsprechend große Fläche erwärmt werden, wenn es in Richtung des Katalysatoreingangs geleitet wird. Dadurch ist ein effektives Vorheizen des Betriebsfluids möglich. Der Katalysator und der Betriebsfluid-Leitabschnitt sind sozusagen zumindest abschnittsweise konzentrisch oder im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnet. Die Ringform ist vorliegenden nicht auf eine kreisrunde Ringform beschränkt. So kann der Betriebsfluid-Leitabschnitt auch elliptisch oder eckig ringförmig um die Katalysatorwandung bzw. zumindest teilweise um die Katalysatorwandung herum ausgestaltet sein. Unter der teilweise ringförmigen Ausgestaltung kann eine U- oder C-förmige Ausgestaltung des Betriebsfluid-Leitabschnitts verstanden werden.

Außerdem ist es möglich, dass bei einem erfindungsgemäßen Startbrenner der Be-triebsfluid-Leitabschnitt zumindest abschnittsweise direkt oder im Wesentlichen direkt an der Katalysatorwandung angeordnet ist oder die Katalysatorwandung als Trennwand zwischen dem Betriebsfluid-Leitabschnitt und dem Katalysebereich ausgestaltet ist. Dadurch wird der Startbrenner besonders platzsparend bereitgestellt. Falls die Katalysatorwandung als Trennwand zwischen dem Betriebsfluid-Leitabschnitt und dem Katalysebereich ausgestaltet ist, kann auf einen Wandabschnitt im Betriebsfluidleitabschnitt verzichtet werden. Dadurch kann der Startbrenner nicht nur kompakt, sondern auch mit geringem Gewicht sowie entsprechend kostengünstig zur Verfügung gestellt werden. In diesem Fall kann der Betriebsfluid-Leitabschnitt als Bestandteil eines Gehäusekörpers bereitgestellt werden, in welchem sich der Katalysator zumindest teilweise befindet. Unter einer direkten Anordnung des Betriebsfluid-Leitabschnitts an der Katalysatorwandung kann im vorliegenden Fall verstanden werden, dass der Betriebsfluid-Leitabschnitt direkt oder im Wesentlichen direkt an der Katalysatorwandung verläuft oder sich dort entlang erstreckt.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es ferner möglich, dass bei einem Startbrenner der Betriebsfluid-Leitabschnitt einen Strömungsquerschnitt zum Leiten des Betriebsfluids aufweist, wobei innerhalb des Strömungsquerschnitts wenigstens ein Fluidführungselement zur definierten Strömungsbeeinflussung des Betriebsfluids im Betriebsfluid-Leitabschnitt ausgestaltet ist. Durch gezielte Strömungsbeeinflussung ist es möglich, ein besonders homogenes und turbulenzenfreies oder zumindest turbulenzenreduziertes Einströmung des Betriebsfluids in den Katalysator bzw. den Katalysatoreingang zu realisieren.

Bei einem erfindungsgemäßen Startbrenner wird stromaufwärts des Katalysatoreingangs ein weiteres Betriebsfluid, insbesondere ein Brennstoff, in eine Mischkammer eingespritzt. In die Mischkammer wird außerdem das Betriebsfluid, insbesondere in Form von Luft oder einem anderen sauerstoffhaltigen Fluid, geleitet. Durch die Fluidführungselemente kann eine turbulenzenfreie oder zumindest turbulenzenreduzierte Einströmung des Betriebsfluids in die Mischkammer realisiert werden, wodurch eine vorteilhafte Durchmischung des Betriebsfluids mit dem weiteren Betriebsfluid sowie eine breitflächige Anströmung des Katalysatoreingangs ermöglicht werden. Unter dem Strömungsquerschnitt ist grundsätzlich ein zumindest abschnittsweise freier Strömungsquerschnitt zu verstehen. Die Fläche des Strömungsquerschnitts ist im Bereich des wenigstens einen Fluidführungselements demnach um den entsprechenden Querschnitt des Fluidführungselements reduziert. Der Startbrenner weist vorzugsweise einen Grundkörper auf, der sich außerhalb des Katalysators zumindest abschnittsweise in Längsrichtung der Katalysatorwandung, von dieser beabstandet, erstreckt. Der Strömungsquerschnitt wird vorzugsweise in einem Bereich zwischen der Katalysatorwandung, insbesondere eines Außenwandabschnitts der Katalysatorwandung, und einem Innenwandabschnitt des Grundkörpers gebildet. Ferner ist es möglich, dass der Strömungsquerschnitt nur innerhalb des Grundkörpers gebildet ist. In diesem Fall ist ein Wandabschnitt des Grundkörpers benachbart zur Katalysatorwandung bzw. zum Außenwandabschnitt der Katalysatorwandung angeordnet. Das wenigstens eine Fluidführungselement ist vorzugsweise rippenförmig, insbesondere plattenförmig, ausgestaltet. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich herausgestellt, dass diese Form zu einer besonders vorteilhaften Strömungsbeeinflussung des Betriebsfluids führt.

Von weiterem Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Startbrenner das Fluidführungselement an der Katalysatorwandung ausgestaltet ist, insbesondere als integraler Bestandteil der Katalysatorwandung. D. h., das wenigstens eine Fluidführungselement ist nicht als separates Bauteil neben dem Katalysator und dem Be-triebsfluid-Leitabschnitt bereitgestellt. Dadurch kann der Startbrenner besonders leicht montiert und im Falle eines Fehlers oder einer Reparatur demontiert werden. Dadurch, dass das wenigstens eine Fluidführungselement integraler Bestandteil der Katalysatorwandung ist, kann auf weitere Montageteile zur Befestigung des wenigstens einen Fluidführungselements im Startbrenner verzichtet werden. Dadurch können entsprechende Kosten gespart werden. Außerdem führt die Reduzierung von Bauteilen zu einem entsprechend geringen logistischen Aufwand. Auch dies führt zu einer entsprechenden Kostenersparnis.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es ferner möglich, dass das wenigstens eine Fluidführungselement als integraler Bestandteil eines Grundkörpers ausgestaltet ist, durch welchen der Betriebsfluid-Leitabschnitt gebildet wird, in welchem der Katalysator zumindest teilweise angeordnet ist und/oder welcher den Katalysator zumindest abschnittsweise ringförmig umgibt. Darunter, dass das wenigstens eine Fluidführungselement als integraler Bestandteil der Katalysatorwandung ausgestaltet ist kann verstanden werden, dass das Fluidführungselement monolithischer Bestandteil des Katalysators bzw. der Katalysatorwandung ist. Das wenigstens eine Fluidführungselement kann zusammen mit der Katalysatorwandung als monolithisches Gussteil hergestellt sein. Das wenigstens eine Fluidführungselement kann alternativ stoffschlüssig mit der Katalysatorwandung verbunden sein. So kann das wenigstens eine Fluidführungselement beispielsweise über eine Schweiß- oder Klebenaht an der Katalysatorwandung befestig sein.

Darüber hinaus ist es möglich, dass bei einem erfindungsgemäßen Startbrenner in einer Betriebsfluid-Strömungsrichtung zwischen einem Endabschnitt des Betriebsfluid-Leitabschnitts und dem Katalysatoreingang ein perforierter Trennabschnitt angeordnet ist, durch welchen das Betriebsfluid vom Betriebsfluid-Leitabschnitt in Richtung des Katalysators leitbar ist.

Durch den perforierten Trennabschnitt kann eine besonders homogene, turbulenzenfreie oder im Wesentlichen turbulenzenfreie Einströmung des Betriebsfluids in Richtung des Katalysatoreingangs ermöglicht werden. Zwischen dem perforiertem Trennbereich und dem Katalysatoreingang ist vorzugsweise eine Mischkammer zum Vermischen des Betriebsfluids mit einem weiteren Betriebsfluid angeordnet, wobei das Betriebsfluid über bzw. durch den perforierten Trennabschnitt in die Mischkammer leitbar ist. Entsprechend kann durch den perforierten Trennabschnitt eine besonders homogene, turbulenzenfreie oder im Wesentlichen turbulenzenfreie Einströmung des Betriebsfluids in die Mischkammer ermöglicht werden. Dadurch kann eine gute Vermischung zwischen dem Betriebsfluid, beispielsweise Luft, und dem weiteren Betriebsfluid, beispielsweise einem Brennstoff, erzielt werden. Außerdem kann dadurch eine breitflächige Anströmung des Katalysatoreingangs bzw. eines Eingangsbereichs am Katalysator ermöglicht werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einem Startbrenner der perforierte Trennabschnitt trichterförmig oder im Wesentlichen trichterförmig ausgestaltet ist. Aufgrund der Trichterform kann das Betriebsfluid, das durch den Betriebsfluid-Leitabschnitt vorzugsweise um den Katalysator herum an der Katalysatorwandung entlang Richtung Katalysatoreingang geleitet wird, relativ großflächig sowie unter Vermeidung unerwünschter Turbulenzen durch den Trennabschnitt in Richtung des Katalysatoreingangs geleitet werden. Innerhalb des trichterförmigen Trennabschnitts ist vorzugsweise zumindest abschnittsweise eine Mischkammer zum Vermischen des Betriebsfluids, beispielsweise Luft, mit einem weiteren Betriebsfluid, beispielsweise Brennstoff, ausgestaltet. Die größere Öffnung des trichterförmigen Trennabschnitts ist in diesem Fall in Richtung des Katalysatoreingangs ausgestaltet. Die kleine Öffnung ist in Richtung eines Injektors, der zum Einspritzen des weiteren Betriebsfluids in die Mischkammer angeordnet ist, ausgestaltet. Der trichterförmige Trennabschnitt ist in diesem Fall vorzugsweise entsprechend einem Einspritztrichter des weiteren Betriebsfluids in Richtung des Katalysatoreingangs, bzw. etwas größer als dieser, ausgestaltet. Dadurch kann der zur Verfügung stehende Bauraum im Startbrenner besonders effizient genutzt werden. Der trichterförmige Trennabschnitt ist vorzugsweise koaxial zum Katalysator oder im Wesentlichen koaxial zum Katalysator sowie axial stromaufwärts zum Katalysator angeordnet.

Weiterhin ist es möglich, dass bei einem erfindungsgemäßen Startbrenner der perforierte Trennabschnitt an einen Stirnabschnitt der Katalysatorwandung angrenzt, wobei die Katalysatorwandung in einem Bereich des Katalysatoreingangs einen größeren Querschnitt als der Katalysebereich aufweist und sich die Katalysatorwandung von diesem Bereich in Durchgangsrichtung zumindest über einen Teil des Katalysebereichs beabstandet zum Katalysebereich erstreckt. Dadurch ist es möglich, dass das Betriebsfluid oder ein Betriebsfluidgemisch nicht nur in eine Stirnseite des Katalysators bzw. des Katalysatoreingangs eindringt, sondern auch in einen seitlichen Abschnitt des Katalysebereichs, der orthogonal oder im Wesentlichen orthogonal zur Stirnseite des Katalysators verläuft. Demnach kann ein großer Eintrittsbereich für das Betriebsfluid oder ein Betriebsfluidgemisch geschaffen werden, wodurch der Katalysator besonders effektiv betreibbar ist.

Weiterhin kann es im Rahmen der vorliegenden Erfindung von Vorteil sein, wenn der Betriebsfluid-Leitabschnitt zumindest abschnittsweise als Bestandteil eines Gehäusekörpers des Startbrenners ausgestaltet ist, wobei der perforierte Trennabschnitt als Bestandteil, insbesondere als integraler und/oder monolithischer Bestandteil des Gehäusekörpers, ausgestaltet ist. Dadurch, dass der Betriebsfluid-Leitabschnitt sowie der perforierte Trennabschnitt als integrale bzw. monolithische Bestandteile des Gehäusekörpers ausgestaltet sind, kann der Startbrenner besonders kompakt und zuverlässig zur Verfügung gestellt werden. Wenige Einzelteile führen zu einer einfachen Montage bzw. Demontage des Startbrenners, einem geringen logistischen Aufwand sowie entsprechend geringen Kosten bei der Fertigung und Wartung des Startbrenners.

Außerdem ist es bei einem erfindungsgemäßen Startbrenner möglich, dass wenigstens ein Injektor, der zum Einspritzen eines weiteren Betriebsfluids in eine Mischkammer des Startbrenners stromaufwärts des Katalysatoreingangs ausgestaltet ist, angeordnet ist, wobei die Mischkammer zum Vermischen des Betriebsfluids mit dem weiteren Betriebsfluid angeordnet und ausgestaltet ist. Der Injektor kann als beliebige Düse ausgebildet sein. Durch die Anordnung der Mischkammer stromaufwärts des Katalysators kann ein Betriebsfluidgemisch erzeugt werden, das vor dem Eintreten in den Katalysator durch das aufgewärmte Betriebsfluid vorgeheizt ist. Dadurch kann der Katalysator mit einer besonders hohen Leistung betrieben werden. Das Betriebsfluid ist vorzugsweise Luft, insbesondere aus einem Kompressor oder Umgebungsluft. Das weitere Betriebsfluid ist vorzugsweise ein Brennstoff, insbesondere ein kohlenwasserstoffhaltiges Fluid, beispielsweise Methan oder Ethanol. Gleichwohl ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich, dass das Betriebsfluid der Brennstoff ist und das weitere Betriebsfluid Luft.

Bei einem erfindungsgemäßen Startbrenner kann es von Vorteil sein, wenn die Mischkammer einen Umlenkabschnitt, der zum Umlenken einer Strömungsrichtung des Betriebsfluids von der Leitrichtung in die Durchgangsrichtung ausgestaltet ist, aufweist. Durch den Umlenkabschnitt kann das Betriebsfluid in einem Bereich zwischen 150° und 210°, bevorzugt um 180° oder im Wesentlichen um 180°, von der Leitrichtung in die Durchgangsrichtung umgelenkt werden. Durch den Umlenkabschnitt kann das Betriebsfluid vorteilhaft in Richtung des Katalysatoreingangs geleitet werden. Der Umlenkabschnitt weist vorzugsweise einen Kurvenabschnitt bzw. einen sphärischen Abschnitt auf, durch welchen das Betriebsfluid möglichst reibungsarm in Richtung des Katalysatoreingangs umlenkbar ist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann der Umlenkabschnitt zumindest teilweise an einem Endabschnitt des Be-triebsfluid-Leitabschnitts, und somit vor und/oder nach dem perforierten Trennabschnitt, ausgestaltet sein. Dadurch kann das Betriebsfluid vorteilhaft in den perforierten Trennabschnitt geleitet werden.

Außerdem ist es möglich, dass bei einem erfindungsgemäßen Startbrenner stromaufwärts des Katalysatoreingangs, insbesondere stromaufwärts des Katalysatoreingangs und stromabwärts der Mischkammer, ein Heizmittel, insbesondere ein elektrisches Heizmittel, zum Erwärmen einer Betriebsfluidmischung aus dem Betriebsfluid und dem weiteren Betriebsfluid angeordnet ist. Durch das Heizmittel ist ein weiteres Vorheizen des Betriebsfluids bzw. der Betriebsfluidmischung möglich. Dadurch kann der Katalysator besonders effektiv und mit entsprechend hoher Leistung betrieben werden. Das Heizmittel ist vorzugsweise plattenförmig ausgestaltet und liegt mit einer der beiden großen Seitenflächen am Katalysatoreingang an. Dadurch ist das

Heizmittel besonders platzsparend im Startbrenner angeordnet. Vorzugsweise weist das Heizmittel den gleichen oder im Wesentlichen den gleichen Querschnitt wie eine Stirnseite des Katalysatoreingangs auf. D. h., das Heizmittel erstreckt sich, bevorzugt plattenförmig, insbesondere über die gesamte Stirnseite des Katalysators bzw. des Katalysatoreingangs. Mit anderen Worten, eine der beiden Seitenflächen ist vorzugsweise deckungsgleich oder im Wesentlichen deckungsgleich mit der Stirnseite des Katalysators. Dadurch kann das Betriebsfluid bzw. das Betriebsfluidgemisch möglichst großflächig sowie platzsparend vorgeheizt werden.

Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem mit einem wie vorstehend im Detail dargestellten Startbrenner zur Verfügung gestellt. Das Brennstoffzellensystem weist ferner einen Nachbrenner und einen Reformer auf, wobei der Nachbrenner zum Erwärmen des Reformers und der Startbrenner zum Erwärmen des Nachbrenners angeordnet und ausgestaltet sind. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Startbrenner beschrieben worden sind. Das Brennstoffzellensystem ist bevorzugt ein SOFC-System. Der Reformer ist bevorzugt zum Reformieren eines Brennstoffgemischs, beispielsweise Ethanol und Wasser, in ein anderes Brennstoffgemisch, in diesem Fall Wasserstoff und Kohlendioxid, ausgestaltet. Der reformierte Wasserstoff kann in einem Brennstoffzellenstapel zur Stromerzeugung verwendet werden. Der Nachbrenner ist zum Erwärmen des Reformers mittels Anodenabgas vom Brennstoffzellenstapel ausgestaltet. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass ein Betriebsfluid-Zuführabschnitt, durch welchen dem Betriebsfluid-Leitabschnitt beispielsweise Luft zugeführt wird, zumindest abschnittsweise entlang eines Außenwandabschnitts des Betriebsfluid-Zuführabschnitts angeordnet ist. Dadurch ist es auf platzsparende Weise möglich, dass das zugeführte Betriebsfluid bereits im Betriebsfluid-Zuführabschnitt vorgewärmt wird. Außerdem kann dadurch ein weiterer thermischer Isolationsabschnitt zur thermischen Abschirmung des Startbrenners geschaffen werden. Zum Erwärmen des Reformers ist der Nachbrenner bevorzugt zumindest abschnittsweise ringförmig um den Reformer herum angeordnet.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erwärmen eines Betriebsfluids in einem wie vorstehend dargestellten Brennstoffzellensystem.

Erfindungsgemäß wird das Betriebsfluid durch den Betriebsfluid-Leitabschnitt außerhalb des Katalysators zumindest abschnittsweise entlang der Katalysatorwandung, insbesondere über die gesamte Länge der Katalysatorwandung, in Richtung des Katalysatoreingangs geleitet. 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. Weiterhin ist es möglich, dass das Betriebsfluid bei einem erfindungsgemäßen Verfahren durch den Betriebsfluid-Leitabschnitt außerhalb des Katalysators zumindest abschnittsweise entlang der Katalysatorwandung entgegengesetzt der Durchgangsrichtung zu einem Heizmittel geleitet wird, das sich stromaufwärts des Katalysatoreingangs, insbesondere direkt oder im Wesentlichen direkt am Katalysatoreingang befindet, und anschließend durch das Heizmittel hindurch in den Katalysebereich. Hierbei ist ein sequentielles Betreiben bzw. Hochfahren des Startbrenners möglich. So kann das Heizmittel zunächst so lange zum Heizen bzw. Vorheizen des Betriebsfluids bzw. der Betriebsfluidmischung aktiviert sein, bis im Startbrenner bzw. im Katalysator eine definierte Betriebstemperatur erreicht ist. Sobald die definierte Betriebstemperatur erreicht ist, kann das Heizmittel deaktiviert werden.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.

Es zeigen jeweils schematisch:

Figur 1 ein Blockdiagramm zum Darstellen eines Brennstoffzellensystems gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform,

Figur 2 einen Startbrenner gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Figur 3 einen Startbrenner gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Figur 4 einen Katalysator mit Fluidführungselementen und einem Heizmittel gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, und

Figur 5 eine Zusammenschau mit einem Startbrenner gemäß der ersten Ausführungsform, einem Reformer und einem Nachbrenner zum Erläutern einer möglichen Funktionsweise des Startbrenners.

Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 bis 5 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm zum Darstellen eines Brennstoffzellensystems 1000 mit einem Startbrenner 100a. Das Brennstoffzellensystem 1000 weist ferner einen Nachbrenner 200 sowie einen Reformer 300 auf. Der Nachbrenner 200 ist zum Erwärmen des Reformers 300 ringförmig um den Reformer 300 herum angeordnet. Der Startbrenner 100a ist zum Erwärmen des Nachbrenners 200 und somit zum indirekten Erwärmen des Reformers 300 angeordnet und ausgestaltet. Demnach befindet sich der Startbrenner 100a stromaufwärts des Nachbrenners 200.

In Fig. 1 sind der Startbrenner 100a und der Nachbrenner 200 getrennt voneinander dargestellt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich, dass der Startbrenner 100a als integrale Einheit das Nachbrenners 200 ausgestaltet ist. Dadurch kann das Brennstoffzellensystem 1000 noch kompakter ausgestaltet werden. Das Brennstoffzellensystem 1000 gemäß Fig. 1 ist als SOFC-System ausgestaltet.

Stromabwärts des Reformers 300 ist ein Brennstoffzellenstapel 400 mit einem Anodenbereich 410 und einem Kathodenbereich 420 angeordnet. Ein Brennstoffgemisch, das durch den Reformer 300 erzeugt wird, wird zum Anodenbereich 410 geleitet. Anodenabgas wird in den Nachbrenner 200 geleitet, wo mittels einer Verbrennung des Anodenabgases der Reformer 300 erwärmt werden kann. Für die Verbrennung im Nachbrenner 200 weist dieser einen Nachbrennerkatalysator 230 (siehe z.B. Fig. 5) in Form eines Oxydationskatalysators auf. Das verbrannte Anodenabgas wird vom Reformer 300 zu einem Wärmetauscher 500 geleitet. Von dort wird das Abgas über einen Verdampfer 600 in die Umgebung des Brennstoffzellensystems 1000 geführt. Über den Wärmetauscher 500 wird dem Kathodenbereich 420 erwärmte Luft zugeführt. Kathodenabgas wird ebenfalls dem Nachbrenner 200 zugeführt.

Der Startbrenner 100a, der Nachbrenner 200, der Reformer 300 und der Verdampfer 600 befinden sich in dem Brennstoffzellensystem 1000 in einer sogenannten Hotbox 700, in welcher ein kompakter Wärmetransport zwischen den jeweiligen Bauteilen ermöglicht werden kann. Die zusammenhängenden Funktionen von Startbrenner 100a, Nachbrenner 200 und Reformer 300 werden später mit Bezug auf Fig. 5 im Detail beschrieben.

In Fig. 2 ist ein Startbrenner 100a für das in Fig. 1 dargestellte Brennstoffzellensystem 1000 im Detail dargestellt. Der Startbrenner 100a weist einen Katalysator 10 mit einem Katalysatoreingang 11 und einem Katalysatorausgang 12 auf, wobei zwischen dem Katalysatoreingang 11 und dem Katalysatorausgang 12 ein Katalysebereich 13 ausgestaltet ist. Der Katalysebereich 13 ist in einer Durchgangsrichtung D vom Katalysatoreingang 11 zum Katalysatorausgang 12 von einer Katalysatorwandung 14 umgeben.

Der Startbrenner 100a weist ferner einen Betriebsfluid-Leitabschnitt 20 zum Zuführen eines Betriebsfluids F1, gemäß Fig. 2 in Form von Luft, zu dem Katalysatoreingang 11 auf. Der Betriebsfluid-Leitabschnitt ist 20 außerhalb des Katalysators 10 entlang der Katalysatorwandung 14 angeordnet. Genauer gesagt ist der Betriebsfluid-Leitabschnitt 20 unter anderem von einem Bereich am Katalysatorausgang 12 bis zu einem Bereich am Katalysatoreingang 11 entlang der Katalysatorwandung 14 angeordnet und ausgestaltet.

Der Betriebsfluid-Leitabschnitt 20 gibt entlang der Katalysatorwandung 14 eine Leitrichtung R für das Betriebsfluid vor, wobei die Leitrichtung R parallel und entgegengesetzt zur Durchgangsrichtung D verläuft. Die Katalysatorwandung 14 ist in Form eines Hohlzylinders, genauer gesagt in Form eines gestuften Holzylinders ausgestaltet. Der Betriebsfluid-Leitabschnitt 20 ist ringförmig um die Katalysatorwandung 14 herum ausgestaltet.

Gemäß der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist der Betriebsfluid-Leitabschnitt 20 abschnittsweise direkt an der Katalysatorwandung 14 angeordnet. Genauer gesagt ist die Katalysatorwandung 14 in der dargestellten Ausführungsform als Trennwand zwischen dem Betriebsfluid-Leitabschnitt 20 und dem Katalysebereich 13 ausgestaltet. Fig. 2 kann grundsätzlich auch dahingehend verstanden werden, dass ein

Außenwandabschnitt der Katalysatorwandung 14 einen Teil des Betriebsfluid-Leitabschnitts 20 bildet.

Wie ferner in Fig. 2 dargestellt, ist in einer Betriebsfluid-Strömungsrichtung zwischen einem Endabschnitt des Betriebsfluid-Leitabschnitts 20 und dem Katalysatoreingang 11 ein perforierter Trennabschnitt 60 angeordnet, durch welchen das Betriebsfluid F1 vom Betriebsfluid-Leitabschnitt 20 in Richtung des Katalysators 10 leitbar ist. Der perforierte Trennabschnitt 60 ist trichterförmig ausgestaltet. Perforiert bedeutet hier, dass der Trennabschnitt 60 mit Ausnehmungen ausgeführt ist, die z.B. regelmäßig in Form von Löchern oder Schlitzen oder anders geartet, auch in verschiedenen Kombinationen unterschiedlicher Varianten, realisiert sind.

Außerdem ist in Fig. 2 dargestellt, dass der perforierte Trennabschnitt 60 an eine Stirnseite der Katalysatorwandung 14 angrenzt, wobei die Katalysatorwandung 14 in einem Bereich des Katalysatoreingangs 11 einen größeren Querschnitt bzw. einen größeren Querschnittdurchmesser als der Katalysebereich 13 aufweist und sich die Katalysatorwandung 14 von diesem Bereich in Durchgangsrichtung D über einen Teil des Katalysebereichs 13 beabstandet zum Katalysebereich 13 erstreckt. Zwischen einem Innenwandabschnitt der Katalysatorwandung 14 und dem Katalysebereich 13 befindet sich demnach ein Freiraum. Der Betriebsfluid-Leitabschnitt 20 sowie der perforierte Trennabschnitt 60 sind als monolithischer Bestandteil eines Gehäusekörpers 70 des Startbrenners 100a ausgestaltet.

Der dargestellte Startbrenner 100a weist ein Einspritzelement bzw. einen Injektor 50 zum Einspritzen eines weiteren Betriebsfluids F2, vorliegend Ethanol, in eine Mischkammer 80 des Startbrenners 100a stromaufwärts des Katalysatoreingangs 11 auf. In der Mischkammer 80 kann das Betriebsfluid F1 mit dem weiteren Betriebsfluid F2 vermischt werden. Der perforierte Trennabschnitt 60, der die Mischkammer 80 umgibt oder im Wesentlichen umgibt, ist in Form eines Einspritztrichters des weiteren Betriebsfluids F2 bzw. etwas größer als dieser ausgestaltet. Der trichterförmige Trennabschnitt 60 ist koaxial zum Injektor 50 bzw. einer Einspritzdüse des Injektors 50 ausgestaltet.

Die Mischkammer 80 weist einen Umlenkabschnitt 81a zum Umlenken einer Strömungsrichtung des Betriebsfluids F1 von der Leitrichtung R in die Durchgangsrich-tung D auf. Der Umlenkabschnitt 81a überlappt sich gemäß Fig. 2 teilweise mit der Mischkammer 80.

Der Startbrenner 100a gemäß Fig. 2 weist stromaufwärts des Katalysatoreingangs 11 und stromabwärts der Mischkammer 80 ein Heizmittel 40 in Form eines plattenförmigen, elektrischen Heizmittels 40 zum Erwärmen einer Betriebsfluidmischung aus dem Betriebsfluid F1 und dem weiteren Betriebsfluid F2 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Heizmittel 40 so wie der Katalysator 10 einen runden Querschnitt auf und ist direkt am Katalysatoreingang 11 angeordnet. Das Heizmittel 40 ist zum Heizen des Fluidgemisches aktivierbar. Für den Fall, dass das Vorheizen des Fluidgemisches nicht mehr benötigt wird, ist das Heizmittel 40 deaktivierbar.

Das Betriebsfluid F1 wird gemäß Fig. 2 durch einen Betriebsfluid-Zuführabschnitt 30 zugeführt, der außerhalb des Betriebsfluid-Leitabschnitts 20 entlang einer Außenwandfläche des Betriebsfluid-Leitabschnitts 20 angeordnet und ausgestaltet ist.

In Fig. 3 ist ein Startbrenner 100b gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Die zweite Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der ersten Ausführungsform. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden anschließend nur Unterscheidungsmerkmale zwischen der ersten und der zweiten Ausführungsform beschrieben.

Zunächst wurde gemäß der zweiten Ausführungsform auf den perforierten Trennabschnitt 60 verzichtet. Dadurch kann ein Druckverlust verhindert werden, der durch den perforierten Trennabschnitt 60 im Startbrenner 100b bzw. im Brennstoffzellensystem 1000 verursacht werden könnte. Der Umlenkabschnitt 81b dieser Ausführungsform weist einen Kurvenabschnitt bzw. einen sphärischen Abschnitt auf, durch welchen das Betriebsfluid F1 besonders reibungsarm in Richtung des Katalysatoreingangs 11 umleitbar und der Startbrenner 100b entsprechend wirkungsvoll betreibbar ist. Der Betriebsfluid-Zuführabschnitt 30 ist beabstandet zum Betriebsfluid-Leitabschnitt 20 ausgestaltet. Außerdem ist in Fig. 3 dargestellt, dass innerhalb eines freien Strömungsquerschnitts des Betriebsfluid-Leitabschnitts 20 zwei Fluidführungselemente 15 zur definierten Strömungsbeeinflussung des Betriebsfluids F1 ausgestaltet sind.

Durch Figuren 1 bis 3 wird ein Verfahren zum Erwärmen eines Betriebsfluids F1 in einem Brennstoffzellensystem 1000 dargestellt. Bei dem Verfahren wird Betriebsfluid F1 durch den Betriebsfluid-Leitabschnitt 20 außerhalb des Katalysators 10 abschnittsweise entlang der Katalysatorwandung 14 über die gesamte Länge der Katalysatorwandung 14 in Richtung des Katalysatoreingangs 11 geleitet. Genauer gesagt wird das Betriebsfluid F1 im Betriebsfluid-Leitabschnitt 20 von einem Bereich am Katalysatorausgang 12 zu einem Bereich am Katalysatoreingang 11 entlang der Leitrichtung R, und somit parallel und entgegengesetzt zur Durchgangsrichtung D, an der Katalysatorwandung 14 entlang und in Richtung des Katalysatoreingangs 11 geleitet.

In Fig. 4 ist ein Katalysator 10 mit einem Katalysatoreingang 11, einem Katalysatorausgang 12 und einer Katalysatorwandung 14 dargestellt. Außerdem zeigt Fig. 4 ein Heizmittel 40, das direkt am Katalysatoreingang 11 angeordnet ist. Wie in Fig. 4 weiter zu erkennen ist, sind an der Katalysatorwandung 14 plattenförmige, lineare Fluidführungselemente 15 zur definierten Strömungsbeeinflussung eines Betriebsfluids F1 ausgestaltet. Die Fluidführungselemente 15 sind stoffschlüssig mit der Katalysatorwandung 14 verbunden und stehen von dieser radial hervor. Die Fluidführungselemente 15 erstrecken sich in ihrer Längsrichtung parallel zur Durchgangsrichtung D. Wenn ein solcher Katalysator 10 in einem wie in Fig. 2 oder Fig. 3 dargestellten Startbrenner 100a bzw. 100b verwendet wird sind die Fluidführungselemente 15 innerhalb eines Strömungsquerschnitts bzw. eines freien Strömungsquerschnitts des Betriebsfluid-Leitabschnitts 20 ausgestaltet.

Fig. 5 zeigt eine Zusammenschau mit einem Startbrenner 100a, der stromaufwärts eines Nachbrenners 200 angeordnet ist, wobei der Nachbrenner 200 ringförmig um einen Reformer 300 angeordnet ist. Der Nachbrenner 200 weist einen Nachbrennereingang 210 und einen Nachbrennerausgang 220 auf. Außerdem weist der Nachbrenner 200 einen Nachbrennerkatalysator 230 auf, der im vorliegenden Fall ringförmig ausgestaltet ist. Der Reformer 300 weist einen Reformereingang 310 und einen Reformerausgang 320 auf. Der Reformer 300 weist ferner einen Reformerkatalysator 330 auf.

Bei einem Start des Brennstoffzellensystems 1000 wird über den Betriebsfluid-Leitabschnitt 20 Betriebsfluid F1 in Form von Luft in die Mischkammer 80 geführt. Außerdem wird durch den Injektor 50 ein weiteres Betriebsfluid F2 in Form eines Brennstoffs in die Mischkammer 80 gespritzt. Das Betriebsfluidgemisch wird durch das Heizmittel 40 erwärmt und entsprechend vorgeheizt in den Katalysator 10 weitergeleitet. Dort wird das Betriebsfluidgemisch zumindest teilweise verbrannt. Verbranntes Fluid wird vom Katalysator 10 bzw. vom Startbrenner 100a in den Nachbrenner 200 geleitet. Dort kann es den Reformer 300 erwärmen.

Dem Reformer 300 wird über den Reformereingang 310 ein Brennstoffgemisch vom Verdampfer 600 zugeführt. Mittels des Reformerkatalysators 330 kann das Brennstoffgemisch, wie vorstehend beschrieben, in ein geeignetes Anoden-Zuführgas, beispielsweise Wasserstoff und Kohlendioxid, umgewandelt werden. Das Anoden-Zuführgas wird dem Anodenbereich 410 des Brennstoffzellenstapels 400 über den Reformerausgang 320 zugeführt. Nach einer chemischen Reaktion im Brennstoffzellenstapel 400 wird dem Nachbrenner 200 über den Nachbrennereingang 210 Ano-den-Abgas sowie Kathoden-Abgas zugeführt, welches im Nachbrenner 200 mittels des Nachbrennerkatalysators 230 verbrannt wird. Durch diese Verbrennung kann der Reformer 300 ebenfalls erwärmt werden. Die erhitzten Fluide bzw. Abgase des Brennstoffzellenstapels 400 werden, wie in Fig. 5 dargestellt, zusammen mit dem verbrannten Fluid aus dem Startbrenner 100a in den Nachbrenner 200 geführt. Hierzu ist zwischen dem Startbrenner 100a und dem Nachbrenner 200 ein geeigneter Fluid-Verbindungsabschnitt 800 ausgestaltet. Sobald der Reformer 300 eine definierte Betriebstemperatur erreicht hat, kann der Startbrenner 100a deaktiviert werden, d.h., in den Startbrenner 100a werden in diesem Fall kein Brennstoff und keine Luft mehr eingeleitet.

Das Heizmittel 40 steht mit einem Temperatursensor 240, der im Nachbrenner 200 angeordnet ist, in Kommunikationsverbindung. Ein Heizbetrieb des Heizmittels 40 kann deshalb abhängig von einer definierten Temperatur, die durch den Temperatursensor 240 ermittelt wird, aktiviert oder deaktiviert werden.

Bezugszeichenliste 10 Katalysator 11 Katalysatoreingang 12 Katalysatorausgang 13 Katalysebereich 14 Katalysatorwandung 15 Fluidführungselement 20 Betriebsfluid-Leitabschnitt 30 Betriebsfluid-Zuführabschnitt 40 Heizmittel 50 Injektor 60 perforierter Trennabschnitt 70 Gehäusekörper 80 Mischkammer 81a Umlenkabschnitt 81b Umlenkabschnitt 100a Startbrenner 100b Startbrenner 200 Nachbrenner 210 Nachbrennereingang 220 Nachbrennerausgang 230 Nachbrennerkatalysator 240 Temperatursensor 300 Reformer 310 Reformereingang 320 Reformerausgang 330 Reformerkatalysator 400 Brennstoffzellenstapel 410 Anodenbereich 420 Kathodenbereich 500 Wärmetauscher 600 Verdampfer 700 Hotbox 800 Fluid-Verbindungsabschnitt 1000 Brennstoffzellensystem D Durchgangsrichtung F1 Betriebsfluid F2 weiteres Betriebsfluid R Leitrichtung

Claims (15)

1. Patentansprüche

   1. Startbrenner (100a; 100b) für ein Brennstoffzellensystem (1000), aufweisend: einen Katalysator (10) mit einem Katalysatoreingang (11) und einem Katalysatorausgang (12), wobei zwischen dem Katalysatoreingang (11) und dem Katalysatorausgang (12) ein Katalysebereich (13) ausgestaltet ist und der Katalysebereich (13) in einer Durchgangsrichtung (D) vom Katalysatoreingang (11) zum Katalysatorausgang (12) von einer Katalysatorwandung (14) umgeben ist, und einen Betriebsfluid-Leitabschnitt (20) zum Zuführen eines Betriebsfluids (F1) zu dem Katalysatoreingang (11), dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsfluid-Leitabschnitt (20) außerhalb des Katalysators (10) zumindest abschnittsweise entlang der Katalysatorwandung (14) angeordnet ist.
2. 2. Startbrenner (100a; 100b) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsfluid-Leitabschnitt (20) entlang der Katalysatorwandung (14) eine Leitrichtung (R) für das Betriebsfluid (F1) vorgibt, wobei die Leitrichtung (R) zumindest abschnittsweise parallel oder im spitzen Winkel und entgegengesetzt zur Durchgangsrichtung (D) verläuft.
3. 3. Startbrenner (100a; 100b) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorwandung (14) zumindest abschnittsweise in Form eines Hohlzylinders ausgestaltet ist und der Betriebsfluid-Leitabschnitt (20) wenigstens teilweise ringförmig, zumindest abschnittsweise um die Katalysatorwandung (14) herum, ausgestaltet ist.
4. 4. Startbrenner (100a; 100b) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsfluid-Leitabschnitt (20) zumindest abschnittsweise direkt oder im Wesentlichen direkt an der Katalysatorwandung (14) angeordnet ist oder die Katalysatorwandung (14) als Trennwand zwischen dem Betriebsfluid-Leitabschnitt (20) und dem Katalysebereich (13) ausgestaltet ist.
5. 5. Startbrenner (100b) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsfluid-Leitabschnitt (20) einen Strömungsquerschnitt zum Leiten des Betriebsfluids aufweist, wobei innerhalb des Strömungsquerschnitts wenigstens ein Fluidführungselement (15) zur definierten Strömungsbeeinflussung des Betriebsfluids (F1) im Betriebsfluid-Leitabschnitt (20) ausgestaltet ist.
6. 6. Startbrenner (100b) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Fluidführungselement (15) an der Katalysatorwandung (14) ausgestaltet ist, insbesondere als integraler Bestandteil der Katalysatorwandung (14).
7. 7. Startbrenner (100a) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Betriebsfluid-Strömungsrichtung zwischen einem Endabschnitt des Betriebsfluid-Leitabschnitts (20) und dem Katalysatoreingang (11) ein perforierter Trennabschnitt (60) angeordnet ist, durch welchen das Betriebsfluid (F1) vom Betriebsfluid-Leitabschnitt (20) in Richtung des Katalysators (10) leitbar ist.
8. 8. Startbrenner (100a) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der perforierte Trennabschnitt (60) trichterförmig oder im Wesentlichen trichterförmig ausgestaltet ist.
9. 9. Startbrenner (100a) nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der perforierte Trennabschnitt (60) an einen Stirnabschnitt der Katalysatorwandung (14) angrenzt, wobei die Katalysatorwandung (14) in einem Bereich des Katalysatoreingangs (11) einen größeren Querschnitt als der Katalysebereich (13) aufweist und sich die Katalysatorwandung (14) von diesem Bereich in Durchgangsrichtung (D) zumindest über einen Teil des Katalysebereichs (13) beabstandet zum Katalysebereich (13) erstreckt.
10. 10. Startbrenner (100a) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsfluid-Leitabschnitt (20) zumindest abschnittsweise als Bestandteil eines Gehäusekörpers (70) des Startbrenners (100a) ausgestaltet ist, wobei der perforierte Trennabschnitt (60) als Bestandteil, insbesondere als integraler und/oder monolithischer Bestandteil, des Gehäusekörpers (70) ausgestaltet ist.
11. 11. Startbrenner (100a; 100b) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Injektor (50), zum Einspritzen eines weiteren Betriebsfluids (F2) in eine Mischkammer (80) des Startbrenners (100a; 100b) stromaufwärts des Katalysatoreingangs (11), angeordnet ist, wobei die Mischkammer (80) zum Vermischen des Betriebsfluids (F1) mit dem weiteren Betriebsfluid (F2) angeordnet und ausgestaltet ist.
12. 12. Startbrenner (100a; 100b) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkammer (80) einen Umlenkabschnitt (81a; 81b), zum Umlenken einer Strömungsrichtung des Betriebsfluids (F1) von der Leitrichtung (R) in die Durchgangsrichtung (D), aufweist.
13. 13. Startbrenner (100a; 100b) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des Katalysatoreingangs (11), insbesondere stromaufwärts des Katalysatoreingangs (11) und stromabwärts der Mischkammer (80), ein Heizmittel (40), insbesondere ein elektrisches Heizmittel (40), zum Erwärmen einer Betriebsfluidmischung aus dem Betriebsfluid (F1) und dem weiteren Betriebsfluid (F2) angeordnet ist.
14. 14. Brennstoffzellensystem (1000) mit einem Startbrenner (100a) nach einem der voranstehenden Ansprüche, ferner aufweisend einen Nachbrenner (200) und einen Reformer (300), wobei der Nachbrenner (200) zum Erwärmen des Reformers (300) und der Startbrenner (100a) zum Erwärmen des Nachbrenners (200) angeordnet und ausgestaltet sind.
15. 15. Verfahren zum Erwärmen eines Betriebsfluids (F1) in einem Brennstoffzellensystem (1000) nach Anspruch 14, wobei das Betriebsfluid (F1) durch den Betriebsfluid-Leitabschnitt (20) außerhalb des Katalysators (10) zumindest abschnittsweise entlang der Katalysatorwandung (14), insbesondere über die gesamte Länge der Katalysatorwandung (14), in Richtung des Katalysatoreingangs (11) geleitet wird.