AT519859A1 - Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit Reformer und Brenner für ein SOFCSystem - Google Patents

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AT519859A1 ATA50312/2017A AT503122017A AT519859A1 AT 519859 A1 AT519859 A1 AT 519859A1 AT 503122017 A AT503122017 A AT 503122017A AT 519859 A1 AT519859 A1 AT 519859A1
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungsvorrich- tung (100a; 100b) für ein Brennstoffzellensystem (1000), das einen Brennstoffzellen- stapel (200) mit einem Anodenabschnitt (210) und einem Kathodenabschnitt (220) aufweist, mit einem Reformer (20) zum Zuführen von reformiertem Anodenzuführgas zum Anodenabschnitt (210), einem Abgasbrenner (30) zum Verbrennen von Brenn- gas vom Kathodenabschnitt (220), wobei der Abgasbrenner (30) ringförmig um den Reformer (20) herum angeordnet ist, und einem Brenngas-Leitungsabschnitt (50) zum Zuführen des Kathodenabgases zum Abgasbrenner (30), wobei der Abgasbren- ner (30) einen Abgasbrenner-Oxidationskatalysator (31) zum Erhitzen von Brenngas, das vom Kathodenabschnitt zum Abgasbrenner (30) geleitet wird, aufweist und im Brenngas-Leitungsabschnitt (50) ein Heizmittel (40) zum Verbrennen des Brenngases angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem (1000) mit der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung (100a; 100b) sowie ein Kraftfahrzeug mit dem Brennstoffzellensystem (1000).

Description

Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit Reformer und Brenner für ein SOFC-System
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung für ein
Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein SOFC-System, zur Aufbereitung eines Kraftstoffs für einen Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems, wobei die Abgasnachbehandlungseinheit einen Reformer zum Zuführen von reformiertem Anodenzuführgas zum Anodenabschnitt und einen ringförmig um den Reformer herum angeordneten Abgasbrenner zum Verbrennen von Brenngas vom Brennstoffzellenstapel aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem mit einer wie vorstehend beschriebenen Abgasnachbehandlungsvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit dem Brennstoffzellensystem.
Aus der AT 513 932 A1 geht eine Katalysatoreinheit für ein Hochtemperatur
Brennstoffzellensystem bzw. ein SOFC-System mit einem Reformerkatalysator eines Reformers zur Aufbereitung eines Kraftstoffs für eine Brennstoffzelle und einem Oxidationskatalysator eines Abgasbrenners für die Abgasnachbehandlung der Brenn stoffzelle hervor. Gemäß AT 513 932 A1 ist der Oxidationskatalysator ringförmig um den zylindrisch ausgeführten Reformerkatalysator angeordnet. Die Gaspfade des Oxidationskatalysators und des Reformerkatalysators sind durch ein den Refor merkatalysator aufnehmendes Metallrohr getrennt, wobei das Metallrohr eine Hülse aufweist, die ein Gehäuse für den Reformerkatalysator bildet, sowie ein Innenrohr, das die Innenwand des ringförmigen Oxidationskatalysators bildet. Durch eine solche Anordnung kann auf kompakte Weise ein besonders effektiver Wärmetransport zwischen dem Reformerkatalysator und dem Oxidationskatalysator bzw. zwischen dem Reformer und dem Abgasbrenner realisiert werden. Für ein zusätzliches Erhitzen des Oxidationskatalysators ist in dem Brennstoffzellensystem ein Startbrenner angeordnet, der den Oxidationskatalysator insbesondere bei einem Startbetrieb des Brennstoffzellensystems zusätzlich erhitzen oder vorheizen kann. Dabei ist es, insbesondere für mobile Zwecke, wünschenswert, die Bauteilan zahl und somit die Größe und das Gewicht eines Brennstoffzellensystems möglichst klein bzw. gering zu halten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen Prob lematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine möglichst kompakte, leichte und einfach aufgebaute
Abgasnachbehandlungsvorrichtung zur Verwendung in einem Brennstoffzellensys tem der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen.
Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch die Abgasnachbehandlungsvorrichtung ge mäß Anspruch 1, das Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 11 sowie das Kraft fahrzeug gemäß Anspruch 12 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten
Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der Abgasnachbehandlungsvor richtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem er findungsgemäßen Brennstoffzellensystem, dem Kraftfahrzeug und jeweils umge kehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine Abgasnachbe handlungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, das einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt aufweist, zur Verfügung gestellt. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung weist einen Reformer zum Zuführen von reformiertem Anodenzuführgas zum Anodenabschnitt und einen Abgasbrenner zum Verbrennen von Brenngas vom Brennstoffzellenstapel auf, wobei der Abgasbrenner zumindest abschnittsweise ringförmig um den Reformer herum angeordnet ist. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung weist ferner einen Brenngas
Leitungsabschnitt zum Zuführen des Brenngases zum Abgasbrenner auf. Der Ab gasbrenner weist einen Abgasbrenner-Oxidationskatalysator zum Verbrennen von
Brenngas, das vom Brennstoffzellenstapel zum Abgasbrenner geleitet wird, auf. Außerdem ist im Brenngas-Leitungsabschnitt ein Heizmittel zum Vorheizen des Brenngases bzw. gegebenenfalls eingebrachten Brennstoffs angeordnet.
Unter Brenngas werden im Rahmen der vorliegenden Offenbarung Anoden- und Kathodenabgas, Sauerstoff bzw. ein sauerstoffhaltiges Gas, insbesondere Luft bzw. Umgebungsluft mit eingedüstem Brennstoff jeweils für sich oder in Mischungen untereinander verstanden.
Durch das im Brenngas-Leitungsabschnitt angeordnete Heizmittel kann der Abgas brenner-Oxidationskatalysator effizient beim Systemstart vorgeheizt und insbesonde re mit flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen als Brennstoffen betrieben werden. Beim Systemstart wird insbesondere flüssiger Brennstoff verwendet. Das Heizmittel ist demnach zum Vorheizen des des Brenngases und/oder des jeweils verwendeten Brennstoffs ausgestaltet, bevor dieses/dieser auf den AbgasbrennerOxidationskatalysator trifft. Entsprechend ist das Heizmittel in einer Brenngasströmungsrichtung stromaufwärts des Abgasbrenner-Oxidationskatalysators angeordnet. Die Vorheizmethode macht es möglich, im Abgasbrenner Startbrenner und Nachbrennerfunktionalitäten in einer Komponente zu integrieren bzw. als eine gemeinsame Komponente auszubilden. Für eine besonders effektive Vorheizwirkung ist das Heizmittel vorzugsweise direkt vor bzw. am Abgasbrenner-Oxidationskatalysator angeordnet. Dadurch kann das durch das Heizmittel erhitzte Brenngas ohne oder im Wesentlichen ohne weitere thermische Wechselwirkungen mit der Umgebung aus dem Heizmittel direkt in den Abgasbrenner-Oxidationskatalysator eintreten.
Durch die Anordnung des Heizmittels in der Nähe des Abgasbrenner
Oxidationskatalysators kann die vorliegende Abgasnachbehandlungsvorrichtung besonders kompakt bereitgestellt werden. Vorzugsweise sind der Reformer und der Abgasbrenner in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet bzw. von diesem Gehäuse im Wesentlichen, zumindest abschnittsweise, umgeben. Innerhalb dieses Gehäuses kann auch der Brenngas-Leitungsabschnitt ausgestaltet sein, in welchem sich das Heizmittel befindet. Eine solche Ausgestaltungsvariante kann entsprechend kompakt realisiert werden. Im Brenngas-Leitungsabschnitt ist vorzugsweise außerdem der Abgasbrenner, mit Bezug auf eine Brenngas-Strömungsrichtung entsprechend stromabwärts des Heizmittels, angeordnet.
Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung ist insbesondere zur Verwendung in einem SOFC-System ausgestaltet. Der Reformer weist zum Reformieren des dem Anodenabschnitt zugeführten Brennstoffs vorzugsweise einen Reformerkatalysator auf, mittels welchem der am Anodenabschnitt benötigte Brennstoff reformiert bzw. erzeugt werden kann. Da die im Reformer stattfindende Reformierung endotherm abläuft, ist ein Wärmeeintrag vom Abgasbrenner, in welchem beim Verbrennen des Brenngases eine exotherme Reaktion stattfindet, von entscheidender Bedeutung. Durch den vorliegenden Aufbau, bei welchem der Abgasbrenner ringförmig um den Reformer her- um angeordnet wird, kann ein Wärmetransport vom Abgasbrenner zum Reformer auf besonders effektive Weise realisiert werden.
Der Brenngas-Leitungsabschnitt kann einen Teil einer Anodenabgasleitung und/oder Kathodenabgasleitung bilden bzw. anschließend an diese ausgeführt sein oder als Verbindungsstück zum Zuführen des Anodenabgases und/oder Kathodenabgases im Normalbetrieb vom Brennstoffzellenstapel zum Abgasbrenner verstanden werden. In einem zugehörigen Brennstoffzellensystem kann das vorstehend beschriebene Gehäuse demnach durch den Brenngas-Leitungsabschnitt, welcher im Normalbetrieb an Abgasleitungen von Anoden- und Kathodenabschnitt anschließt, die sich außerhalb oder zumindest im Wesentlichen außerhalb des Gehäuses befinden, mit dem Kathodenabschnitt und/oder dem Anodenabschnitt in Fluidverbindung stehen. Das Kathodenabgas umfasst überwiegend Luft, wohingegen das Anodenabgas auch (nicht umgesetzten) Brennstoff enthält. Das Ab- bzw. Brenngas ist eine Mischung aus Kathodenabgas und Anodenabgas, wobei die Mischung verbrannt wird; im Nor malbetrieb wird Abgas als Brenngas verwendet; gegebenenfalls kann auch (Umge- bungs)luft und zusätzlicher Brennstoff beigemischt werden. Als Brennstoffzellensta pel wird das Stackmodul verstanden, welches einen Kathodenabschnitt und einen
Anodenabschnitt umfasst.
Unter dem Heizmittel kann ein ein- oder mehrteiliges Bauteil verstanden werden, wobei sich zumindest der Hauptbestandteil des Heizmittels im Brenngas
Leitungsabschnitt befindet. D.h., das Heizmittel ist zumindest teilweise im BrenngasLeitungsabschnitt, in dem insbesondere eine Mischung aus Kathodenabgas und Anodenabgas strömt, angeordnet. Leitungsabschnitte, die zum Heizen eines Heizkörpers des Heizmittels erforderlich sind, müssen beispielsweise nicht oder zumindest nicht vollständig im Anodenabgas und/oder Kathodenabgas-Leitungsabschnitt angeordnet sein.
Der Abgasbrenner ist zumindest abschnittsweise, insbesondere um eine Mittelachse herum, koaxial zum Reformer angeordnet.
Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass das
Heizmittel bei einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung ein elektrisches, insbesondere plattenförmiges, Heizmittel aufweist. Mit Hilfe eines elektrischen Heizmittels lässt sich das Brenngas besonders leicht und effizient erhitzen. Außerdem kann ein elekt risches Heizmittel platzsparend in der Abgasnachbehandlungsvorrichtung platziert werden. Elektrische Heizmittel können außerdem relativ kostengünstig zur Verfügung gestellt werden. Unter einem plattenförmigen Heizmittel ist ein Heizmittel zu verstehen, das im Vergleich zu einer Höhe des Heizmittels eine mehrfach größere Länge sowie mehrfach größere Breite aufweist. Die Höhe des Heizmittels erstreckt sich vorzugsweise in einer Abgas-Strömungsrichtung (bzw. Brenngas-Strömungsrichtung) und/oder in einer Richtung entlang der vorstehend beschriebenen Mittelachse, um welche herum der Reformer und der Abgasbrenner zumindest abschnittsweise koaxial, ggf. zumindest teilweise rotationssymmetrisch, angeordnet sind. Durch eine solche Anordnung und Ausgestaltung des Heizmittels ist dieses besonders platzspa rend im Brenngas-Leitungsabschnitt angeordnet. Die Plattenform des Heizmittels ist nicht auf eine bestimmte geometrische Form beschränkt. Ein plattenförmiges Heiz mittel kann auch eine oder mehrere Durchgangsöffnungen aufweisen.
Ferner ist es möglich, dass das Heizmittel bei einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung einen Heizmittel-Oxidationskatalysator aufweist. Unter Verwendung eines Katalysators kann das Heizmittel grundsätzlich autark oder im Wesentlichen autark funktionieren. Demnach könnte auf Hilfsmittel wie Zuführleitungen zum Heizmittel verzichtet werden. Dadurch kann das Heizmittel besonders platzsparend bereitgestellt werden. Weiterhin lässt sich dadurch der Komplexitätsgrad der
Abgasnachbehandlungsvorrichtung niedrig halten. Im Rahmen der vorliegenden Er findung hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn das Heizmittel so wohl das elektrische Heizmittel als auch den Heizmittel-Oxidationskatalysator auf weist. Durch das elektrische Heizmittel (bzw. das mit dessen Hilfe verbrannte bzw. vorgewärmte Brenngas) kann der Heizmittel-Oxidationskatalysator zunächst auf eine vordefinierte Betriebstemperatur gebracht werden, um anschließend mit entsprechender Effizienz funktionieren zu können. Der Heizmittel-Oxidationskatalysator kann als Beschichtung des elektrischen Heizmittels ausgestaltet sein.
Darüber hinaus ist es möglich, dass das Heizmittel bei einer Abgasnachbehand lungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung koaxial zum Abgasbrenner oder im Wesentlichen koaxial zum Abgasbrenner angeordnet ist. Durch die koaxiale Anordnung kann das Heizmittel besonders platzsparend am Abgasbrenner positioniert werden. Durch eine derartige Anordnung ist das Heizmittel außerdem strömungs günstig im Brenngas-Leitungsabschnitt angeordnet. Entsprechend können bei einer solchen Ausgestaltung Strömungsturbulenzen im Brenngas vermieden oder zumin dest reduziert werden.
Von weiterem Vorteil kann es sein, wenn bei einer Abgasnachbehandlungsvorrich tung das Heizmittel scheibenförmig ausgestaltet ist und ein Außenumfang des Heiz mittels mit einem Innenumfangsabschnitt des Brenngas-Leitungsabschnitts korres pondiert. Hierdurch lässt sich der zur Verfügung stehende Bauraum in der Abgas nachbehandlungsvorrichtung effektiv nutzen. Das Heizmittel weist vorzugsweise den gleichen oder im Wesentlichen den gleichen Durchmesser wie der Abgasbrenner auf. Der Abgasbrenner und das Heizmittel sind insbesondere in einem Abschnitt des Brenngas-Leitungsabschnitts angeordnet, in welchem der Innendurchmesser des Brenngas-Leitungsabschnitts von der Position des Heizmittels bis zur Position des Abgasbrenners gleich oder im Wesentlichen gleich bleibt. Dadurch kann ein kompaktes und einfach handhabbares Gesamtsystem geschaffen werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es zudem möglich, dass das Heizmittel bei einer Abgasnachbehandlungseinheit ringförmig ausgestaltet und zumindest ab schnittsweise um den Reformer herum, insbesondere direkt oder im Wesentlichen direkt am Oxidationskatalysator, angeordnet ist. Dadurch lässt sich die Kompaktheit der Abgasnachbehandlungseinheit weiter verbessern. Der Brenngas
Leitungsabschnitt verläuft vorzugsweise zumindest abschnittsweise ringförmig um den Reformer herum. Dadurch, dass das Heizmittel bei einer ringförmigen Ausgestaltung im Grunde wie der Abgasbrenner auf den Reformer geschoben werden kann, muss im Brenngas-Leitungsabschnitt vor dem Reformer kein Bauraum für das Heizmittel geschaffen werden. Darüber hinaus lässt sich mit der vorgeschlagenen Maßnahme die Stabilität des Reformer-Abgasbrenner-Verbunds erhöhen.
Bei einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung kann es von
Vorteil sein, wenn bei einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung wenigstens ein
Brennstoffinjektor zum Einspritzen von Brennstoff in den Brenngas
Leitungsabschnitt, insbesondere in Richtung des Heizmittels bzw. in Strömungsrich tung des Brenngases, angeordnet ist. Der eingespritzte Brennstoff kann über das
Heizmittel zum Abgasbrenner gefördert werden, wodurch sich dieser noch effektiver betreiben lässt. Wenn das Heizmittel den elektrischen Heizer oder den Heizmittel
Oxidationskatalysator aufweist, lässt sich durch den eingespritzten Brennstoff in den Brenngas-Leitungsabschnitt auch der Abgasbrenner entsprechend effektiv beim
Systemstart betreiben - der Abgasbrenner fungiert hier also als Startbrenner für das System. Bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich herausgestellt, dass es trotz des erhöhten finanziellen sowie strukturellen Aufwands durch den Brennstoffinjektor für das Gesamtsystem, also die Abgasnachbehandlungsvorrichtung, rentabel ist, den erfindungsgemäßen Brennstoffinjektor zum Einspritzen des Brennstoffs im Brenngas-Leitungsabschnitt bereitzustellen.
Von besonderem Vorteil kann es sein, wenn bei einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung der wenigstens eine Brennstoffinjektor koaxial zum Heizmittel angeordnet ist. Eine Längsachse des Brennstoffinjektors verläuft damit parallel zu bzw. zusammenfallend mit einer Längsachse des Heizmittels. Gemäß einer Variante der Erfindung ist eine Längsachse des Brennstoffinjektors vorzugsweise parallel zu einer Brenngas-Strömungsrichtung angeordnet. Dadurch kann der Brennstoff gezielt und gleichmäßig in Richtung des Heizmittels sowie des Abgasbrenners in den Brenngas-Leitungsabschnitt eingespritzt werden. Eine Einspritzrichtung des wenigstens einen Brennstoffinjektors verläuft entsprechend entlang einer Brenngas-Strömungsrichtung. Der wenigstens eine Brennstoffinjektor ist in der Brenngas-Strömungsrichtung durch den Brenngas-Leitungsabschnitt stromaufwärts des Heizmittels von diesem beabstandet angeordnet.
Weiterhin ist es bei einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, dass zwei Brennstoffinjektoren zum Einspritzen von Brennstoff in den Brenngas-Leitungsabschnitt angeordnet sind, wobei eine Einspritzrichtung der Brennstoffinjektoren jeweils quer zu einer Brenngas-Strömungsrichtung verläuft bzw. zeigt. Dadurch lässt sich der in den Brenngas-Leitungsabschnitt eingespritzte Brennstoff effektiv mit dem Ab- bzw. Brenngas vermischen. Auch sonst kann der Brennstoff dadurch gut im Brenngas-Leitungsabschnitt verteilt werden. Entsprechend vorteilhaft kann dadurch das Heizmittel sowie den Abgasbrenner mit dem Brennstoff benetzt werden. Dies führt wiederum zu einer entsprechend wirkungsvollen Verbrennung, sowohl an einem Heizmittel mit Heizmittel-Oxidationskatalysator als auch am Abgasbrenner. Bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich überraschend herausgestellt, dass diese Vorzüge gegenüber den Nachteilen überwiegen, welche die beiden Brennstoffinjektoren hinsichtlich Systemkomplexität, Gewicht und Kosten mit sich bringen könnten.
Darüber hinaus ist es bei einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrich tung möglich, dass an dem wenigstens einen Brennstoffinjektor eine Kühlfluidleitung zum Kühlen des wenigstens einen Brennstoffinjektors angeordnet ist, wobei die Kühlfluidleitung als Teil einer Sauerstoffzuführleitung zum Zuführen von Sauerstoff in den Brenngas-Leitungsabschnitt für eine Verbrennung mit Brennstoff, der durch den wenigstens einen Brennstoffinjektor in den Brenngas-Leitungsabschnitt eingespritzt wird, ausgestaltet ist, und wobei die Kühlfluidleitung stromaufwärts eines Endab schnitts der Sauerstoffzuführleitung, der sich in den Brenngas-Leitungsabschnitt öff net, angeordnet ist. Demnach kann Sauerstoff bzw. ein sauerstoffhaltiges Fluid, das dem Brenngas-Leitungsabschnitt für eine bessere Verbrennung am Abgasbrenner und/oder am Heizmittel zugeführt wird, zusätzlich als Kühlfluid zum Kühlen des we nigstens einen Brennstoffinjektors genutzt werden. Dadurch lässt sich die Abgas nachbehandlungsvorrichtung besonders effizient betreiben. Durch das Kühlen des wenigstens einen Brennstoffinjektors kann dieser vor einer Überhitzung durch die im Brenngas-Leitungsabschnitt auftretenden Temperaturen geschützt werden. Dies trägt zur sicheren Funktionsweise der Abgasnachbehandlungsvorrichtung bei.
Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzel lensystem, insbesondere ein SOFC-System, zur Verfügung gestellt, das einen
Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt aufweist. Das Brennstoffzellensystem weist ferner eine wie vorstehend im Detail be schriebene Abgasnachbehandlungsvorrichtung auf, wobei der Reformer mit dem
Anodenabschnitt zum Zuführen von reformiertem Anodenzuführgas zum Anodenabschnitt in Fluidverbindung steht und der Abgasbrenner mit dem Anoden- und Kathodenabschnitt zum Verbrennen von Brenngas in Fluidverbindung steht. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf die erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsvorrichtung beschrieben worden sind.
Weiterhin wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem wie vorstehend beschriebenen Brennstoffzellensystem vorgeschlagen. Das Brenn stoffzellensystem ist demnach für den mobilen Einsatz ausgestaltet. Außerdem bringt ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug damit ebenfalls die Vorteile mit sich, wie sie vorliegend ausführlich beschrieben worden sind.
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 Be schreibung oder der Zeichnung hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, ein schließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Es zeigen jeweils schematisch:
Figur 1 Blockdiagramm zum Erläutern eines Brennstoffzellensystems gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform,
Figur 2 eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
Figur 3 eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 bis 3 je weils mit denselben Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist schematisch ein Brennstoffzellensystem 1000 mit einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung 100a dargestellt. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 100a weist einen Reformer 20 und einen ringförmig darum angeordneten Abgasbrenner 30 auf. Das Brennstoffzellensystem 1000 weist ferner einen Brennstoffzellenstapel 200 mit einem Anodenabschnitt 210 und einem Kathodenabschnitt 220 auf.
Der Anodenabschnitt 210 steht mit dem Reformer 20 durch eine Reformerabgaslei tung 22 in Fluidverbindung. Außerdem steht der Anodenabschnitt 210 mit dem Ab gasbrenner 30 durch eine Anodenabgasleitung 211 in Fluidverbindung. Dem Abgasbrenner 30 kann durch eine Sauerstoffzuführleitung 70 Sauerstoff bzw. ein sauerstoffhaltiges Gas, insbesondere Luft bzw. Umgebungsluft aus der Umgebung des Brennstoffzellensystems 1000, zugeführt werden.
Der Kathodenabschnitt 220 steht mit dem Abgasbrenner 30 durch eine Kathodenabgasleitung 221 in Fluidverbindung. Das Brennstoffzellensystem 1000 weist ferner einen Wärmetauscher 400 und einen Verdampfer 500 auf. Der Wärmetauscher 400, insbesondere dessen heiße Seite, steht mit dem Abgasbrenner 30 durch eine Ab gasbrenner-Abgasleitung 300 in Fluidverbindung. Durch eine kalte Seite des Wärmetauschers 400 verläuft eine Zuführleitung zum Kathodenabschnitt 220 des Brennstoffzellenstapels 200. Der Verdampfer 500 ist stromabwärts des Wärmetau schers 400 angeordnet und steht mit diesem in thermischer Wirkverbindung. Außer dem steht der Verdampfer 500 mit dem Reformer 20 durch eine Reformerzuführlei tung 21 in Fluidverbindung.
Der Reformer 20 und der Abgasbrenner 30 sind in einem Gehäuse 10 bzw. in einem Reaktionsraum des Gehäuses 10 angeordnet.
Mit Bezug auf Fig. 2 wird anschließend eine erste Ausführungsform der Abgasnach behandlungsvorrichtung 100a beschrieben. Die gezeigte Abgasnachbehandlungsvorrichtung 100a weist einen Reformer 20 zum Zuführen von reformiertem Anodenzuführgas zum Anodenabschnitt 210 und einem Abgasbrenner 30 zum Verbrennen von Brenngas, das im Normalbetrieb überwiegend Anoden- und Kathodenabgas enthält, vom Kathodenabschnitt 220 und Anodenabschnitt 210 auf, wobei der Abgasbrenner 30 ringförmig um den Reformer 20 herum angeordnet ist. Außerdem weist die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 100a einen Brenngas-Leitungsabschnitt 50 zum Zuführen des Kathoden- und Anodenabgases zum Abgasbrenner 30 auf. Der Brenngas-Leitungsabschnitt 50 kann als eine Fortführung der Kathodenabgasleitung 221 verstanden werden, in den im dargestellten Ausführungsbeispiel die Anodenabgasleitung 211 mündet. Auch Ausführungsformen, bei denen der Brenngas
Leitungsabschnitt 50 nur über die Kathodenabgasleitung 221 oder nur über die Anodenabgasleitung 211 beschickt wird, sind möglich.
Der in Fig. 2 dargestellte Abgasbrenner 30 weist einen Abgasbrenner
Oxidationskatalysator 31 zum Verbrennen von Brenngas bzw. Anoden- und Katho denabgas, das vom Anoden- und Kathodenabschnitt zum Abgasbrenner 30 geleitet wird, auf. Im Brenngas-Leitungsabschnitt 50 ist neben dem Abgasbrenner 30 strom aufwärts desselben noch ein Heizmittel 40 zum Vorheizen des Brenngases, bevor dieses auf den Abgasbrenner 30 trifft, angeordnet. Das Heizmittel 40 ist als elektri sches, (loch-) scheiben- bzw. ringförmiges Heizmittel 40 mit einem Heizmittel
Oxidationskatalysator ausgestaltet. Das Heizmittel 40 ist ferner koaxial zum Abgas brenner 30 angeordnet. Ein Außenumfang des Heizmittels 40 korrespondiert mit ei nem Innenumfangsabschnitt des Brenngas-Leitungsabschnitts 50. D.h., der Außen umfang des Heizmittels liegt am Innenumfangsabschnitt des Brenngas
Leitungsabschnitts 50 an bzw. grenzt an diesen an. Das Heizmittel 40 ist außerdem um den Reformer 20 herum direkt am Oxidationskatalysator 31 angeordnet.
Die in Fig. 2 dargestellte Abgasnachbehandlungsvorrichtung 100a weist zwei Brennstoffinjektoren 61, 62 zum Einspritzen von Brennstoff in den KathodenabgasLeitungsabschnitt 50 auf, wobei eine Einspritzrichtung der Brennstoffinjektoren 61, 62 jeweils quer, genauer gesagt orthogonal, zu einer Brenngas
Strömungsrichtung D1 verläuft. Die Brenngas-Strömungsrichtung D1 soll die wesentliche Strömungsrichtung des Brenngases durch den Brenngas-Leitungsabschnitt 50 bzw. durch das Heizmittel 40 sowie den Abgasbrenner 30 wiederspiegeln. Die beiden Brennstoffinjektoren 61, 62 sind mit ihrer jeweiligen Brennstoffauslassöffnung einander zugewandt angeordnet und orthogonal zur Brenngas
Durchgangsrichtung D1 ausgerichtet.
In Fig. 3 ist eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung 100b gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 100b gemäß der zweiten Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 100a der ersten Ausführungsform, weshalb anschließend mit Bezug auf die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 100b gemäß der zweiten Ausführungsform nur die entscheidenden Unterscheidungsmerkmale erläutert werden.
Das entscheidende Unterscheidungsmerkmal der Abgasnachbehandlungsvorrich tung 100b gemäß der zweiten Ausführungsform ist das Heizmittel 40, das nicht ringscheibenförmig, sondern scheibenförmig ohne Durchgangsöffnung ausgestaltet ist. Entsprechend sitzt das Heizmittel 40 nicht ringförmig auf dem Reformer 20 am Abgasbrenner 30, sondern ist stromaufwärts des Abgasbrenners 30 im Brenngas
Leitungsabschnitt 50 angeordnet. Zudem ist ein Brennstoffinjektor 60 zum Einsprit zen von Brennstoff in den Brenngas-Leitungsabschnitt 50 in Richtung des Heizmit tels 40 angeordnet, wobei der Brennstoffinjektor 60 koaxial zum Heizmittel 40 ausgerichtet ist. D.h., die Brennstoffauslassöffnung des Brennstoffinjektors 60 ist gerade auf das Heizmittel 40 gerichtet. Eine Längsachse des Brennstoffinjektors 60 ist parallel bzw. koaxial zum Heizmittel bzw. parallel zu einer in Fig. 3 nicht eingezeichneten Brenngas-Strömungsrichtung (D1 in Fig. 2) angeordnet.
Darüber hinaus ist gemäß der zweiten Ausführungsform an dem Brennstoffinjek tor 60 bzw. an einem Grundkörper desselben eine Kühlfluidleitung 71 zum Kühlen des Brennstoffinjektors 60 angeordnet. Die Kühlfluidleitung 71 ist als Teil einer Sauerstoffzuführleitung 70 zum Zuführen von Sauerstoff in den BrenngasLeitungsabschnitt 50 für eine Verbrennung mit dem Brennstoff, der durch den Brennstoffinjektor 60 in den Brenngas-Leitungsabschnitt 50 eingespritzt wird, ausgestaltet. Die Kühlfluidleitung 71 ist stromaufwärts eines Endabschnitts 72 der Sauerstoffzuführleitung 70, der sich in den Brenngas-Leitungsabschnitt 50 öffnet, angeordnet.
Bezugszeichenliste 10 Gehäuse 20 Reformer 21 Reformerzuführleitung 22 Reformerabgasleitung 30 Abgasbrenner 31 Abgasbrenner-Oxidationskatalysator 40 Heizmittel 50 Brenngas-Leitungsabschnitt 60 Brennstoffinjektor 61 Brennstoffinjektor 62 Brennstoffinjektor 70 Sauerstoffzuführleitung 71 Kühlfluidleitung 72 Endabschnitt 100a, 100b Abgasnachbehandlungsvorrichtung 200 Brennstoffzellenstapel 210 Anodenabschnitt 211 Anodenabgasleitung 220 Kathodenabschnitt 221 Kathodenabgasleitung 300 Abgasbrenner-Abgasleitung 400 Wärmetauscher 500 Verdampfer 1000 Brennstoffzellensystem D1 Brenngas-Strömungsrichtung

Claims (10)

  1. Patentansprüche
    1. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (100a; 100b) für ein Brennstoffzellensystem (1000), das einen Brennstoffzellenstapel (200) mit einem Anodenabschnitt (210) und einem Kathodenabschnitt (220) aufweist, mit einem Reformer (20) zum Zuführen von reformiertem Anodenzuführgas zum Anodenabschnitt (210), einem Abgasbrenner (30) zum Verbrennen von Brenngas vom Brennstoffzellenstapel (200), wobei der Abgasbrenner (30) ringförmig um den Reformer (20) herum angeordnet ist, und einem Brenngas Leitungsabschnitt (50) zum Zuführen des Brenngases zum Abgasbrenner (30), dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasbrenner (30) einen Abgasbrenner-Oxidationskatalysator (31) zum Verbrennen von Brenngas, das vom Brennstoffzellenstapel (200) zum Abgasbrenner (30) geleitet wird, aufweist und im Brenngas-Leitungsabschnitt (50) ein Heizmittel (40) zum Vorheizen des Brennstoffes angeordnet ist.
  2. 2. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (100a; 100b) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizmittel (40) ein elektrisches, insbesondere plattenförmiges, Heizmittel und/oder einen Heizmittel-Oxidationskatalysator aufweist.
  3. 3. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (100a; 100b) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizmittel (40) koaxial zum Abgasbrenner (30) oder im Wesentlichen koaxial zum Abgasbrenner (30) angeordnet ist.
  4. 4. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (100a; 100b) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizmittel (40) scheibenförmig ausgestaltet ist und ein Außenumfang des Heizmittels (40) mit einem Innenumfangsabschnitt des BrenngasLeitungsabschnitts (50) korrespondiert.
  5. 5. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (100a) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizmittel (40) ringförmig ausgestaltet und zumindest abschnittsweise um den Reformer (20) herum, insbesondere direkt oder im Wesentlichen direkt am Oxidationskatalysator (31), angeordnet ist.
  6. 6. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (100a; 100b) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Brennstoffinjektor (60; 61, 62) zum Einspritzen von Brennstoff in den Brenngas-Leitungsabschnitt (50), und insbesondere in Richtung des Heizmittels (40), angeordnet ist, wobei vorzugsweise der wenigstens eine Brenn stoffinjektor (60) koaxial zum Heizmittel (40) angeordnet ist.
  7. 7. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (100a) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Brennstoffinjektoren (61, 62) zum Einspritzen von Brennstoff in den Brenngas-Leitungsabschnitt (50) angeordnet sind, wobei eine Einspritzrichtung der Brennstoffinjektoren (61, 62) jeweils quer zu einer Brenngas Strömungsrichtung (D1) verläuft.
  8. 8. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (100b) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass an dem wenigstens einen Brennstoffinjektor (60; 61, 62) eine Kühlfluidleitung (71) zum Kühlen des wenigstens einen Brennstoffinjektors (60; 61, 62) angeordnet ist, wobei die Kühlfluidleitung (71) als Teil einer Sauerstoffzuführlei tung (70) zum Zuführen von Sauerstoff in den Brenngas-Leitungsabschnitt (50) für eine Verbrennung mit Brennstoff, der durch den wenigstens einen Brennstoffinjektor (60; 61, 62) in den Brenngas-Leitungsabschnitt (50) eingespritzt wird, ausgestaltet ist, und wobei die Kühlfluidleitung (71) stromaufwärts eines Endabschnitts (72) der Sauerstoffzuführleitung (70), der sich in den BrenngasLeitungsabschnitt (50) öffnet, angeordnet ist.
  9. 9. Brennstoffzellensystem (1000), aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (200) mit einem Anodenabschnitt (210) und einem Kathodenabschnitt (220), und eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung (100a) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Reformer (20) mit dem Anodenabschnitt (210) zum Zuführen von reformiertem Anodenzuführgas zum Anodenabschnitt (210) in Fluidverbindung steht und der Abgasbrenner (30) mit dem Kathodenabschnitt (220) zum Verbrennen von Kathodenabgas in Fluidverbindung steht.
  10. 10. Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem (1000) nach Anspruch 9.
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