AT520881B1

AT520881B1 - Method for operating a fuel cell system

Info

Publication number: AT520881B1
Application number: ATA50031/2018A
Authority: AT
Inventors: Dipl Ing Nikolaus Soukup Bsc; Ing Michael Seidl Dipl; Martin Hauth Dr
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2018-01-17
Filing date: 2018-01-17
Publication date: 2020-04-15
Also published as: AT520881A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100), wobei ein ersten Betriebsfluid und ein zweiten Betriebsfluid in eine erste Brennkammer (2) eines Brenners (1) eingeleitet werden, wobei das erste Betriebsfluid und das zweite Betriebsfluid stromaufwärts eines Kammereinganges (4) der ersten Brennkammer (2) zu einem Betriebsfluid-Gemisch miteinander vermischt werden, wobei ein katalytisches Material (9) der ersten Brennkammer (2) vorab durch eine elektrische Wärmequelle (17) auf Betriebstemperatur gebracht wird, wobei das Betriebsfluid-Gemisch zumindest teilweise katalytisch verbrannt wird, wobei das teilweise verbrannte Betriebsfluid-Gemisch in eine zweite Brennkammer (3) des Brenners (1) geleitet wird, wobei die zweite Brennkammer (3) unmittelbar stromabwärts der ersten Brennkammer (2) angeordnet ist, und wobei gegebenenfalls das Betriebsfluid-Gemisch in der zweiten einen Flammenbrenner umfassenden Brennkammer (3) vollständig verbrannt wird. Weiter betrifft die Erfindung einen Brenner (1) für ein Brennstoffzellensystem (100), wobei der Brenner (1) als Startbrenner und/oder Nachbrenner ausgebildet und angeordnet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Verwendung eines solchen Brenners (1). Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem (100) mit einem solchen Brenner (1).The invention relates to a method for operating a fuel cell system (100), a first operating fluid and a second operating fluid being introduced into a first combustion chamber (2) of a burner (1), the first operating fluid and the second operating fluid upstream of a chamber entrance (4) of the first combustion chamber (2) are mixed together to form an operating fluid mixture, a catalytic material (9) of the first combustion chamber (2) being brought to operating temperature beforehand by an electrical heat source (17), the operating fluid mixture being at least partially catalytically burned the partially burned operating fluid mixture is passed into a second combustion chamber (3) of the burner (1), the second combustion chamber (3) being arranged immediately downstream of the first combustion chamber (2), and where appropriate the operating fluid mixture in the second combustion chamber (3) comprising a flame burner is completely burned. The invention further relates to a burner (1) for a fuel cell system (100), the burner (1) being designed and arranged as a starting burner and / or afterburner. The invention further relates to the use of such a burner (1). The invention also relates to a fuel cell system (100) with such a burner (1).

Description

Beschreibungdescription

VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINES BRENNSTOFFZELLENSYSTEMS [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines stationären Brennstoffzellensystems.METHOD FOR OPERATING A FUEL CELL SYSTEM The invention relates to a method for operating a fuel cell system, in particular a stationary fuel cell system.

[0002] Weiter betrifft die Erfindung einen Brenner für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein stationäres SOFC-System, wobei der Brenner als Startbrenner und/oder Nachbrenner ausgebildet und angeordnet ist.The invention further relates to a burner for a fuel cell system, in particular a stationary SOFC system, the burner being designed and arranged as a starting burner and / or afterburner.

[0003] Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Verwendung eines solchen Brenners.The invention also relates to the use of such a burner.

[0004] Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein stationäres SOFC-System, mit einem solchen Brenner.Furthermore, the invention relates to a fuel cell system, in particular a stationary SOFC system, with such a burner.

[0005] Brenner für Brennstoffzellensysteme sind aus dem Stand der Technik bekannt. Insbesondere bei stationären SOFC-Systemen, welche mit gasförmigen Brennstoff wie Erdgas betrieben werden, ist es notwendig den gasförmigen Brennstoff in einem ersten Schritt zu reformieren. Weiter ist es notwendig, das Brennstoffzellensystem bei einem Kaltstart auf eine Betriebstemperatur zu erhitzen, wofür üblicherweise ein sogenannter Startbrenner vorgesehen ist. Darüber hinaus ist gewöhnlich auch ein Nachbrenner notwendig, um Abgas aus einem Anodenabschnitt unter Zuführung von Luft aus dem Kathodenabschnitt vollständig zu verbrennen. Folglich sind in bekannten Brennstoffzellensystemen zumeist ein Startbrenner und ein Nachbrenner vorgesehen.Burners for fuel cell systems are known from the prior art. In the case of stationary SOFC systems in particular, which are operated with gaseous fuel such as natural gas, it is necessary to reform the gaseous fuel in a first step. It is also necessary to heat the fuel cell system to an operating temperature during a cold start, for which purpose a so-called start burner is usually provided. In addition, an afterburner is usually also necessary to completely burn off exhaust gas from an anode section while supplying air from the cathode section. Consequently, a start burner and an afterburner are usually provided in known fuel cell systems.

[0006] Unter dem Startbrenner ist üblicherweise ein Startbrenner zum Erwärmen eines Brennstoffzellensystems zu verstehen. Der Startbrenner stellt Energie in Form von Wärme bereit, um das gesamte Brennstoffzellensystem auf Betriebstemperatur zu bringen. Als Betriebstemperatur ist nicht eine fixe Temperatur für das gesamte System zu verstehen. Vielmehr hat jede Komponente des Brennstoffzellensystems eine spezifische Betriebstemperatur. Sobald das Brennstoffzellensystem auf Betriebstemperatur gebracht ist, kann im Brennstoffzellenstapel bzw. im Stack reformierter Brennstoff bzw. Brenngas in Strom und Wärme umgewandelt werden. Aus physikalischen Gründen ist es bei dieser Umwandlung nicht möglich, das gesamte Brenngas umzuwandeln, wodurch ein Teil desselben nicht genutzt wird.The starting burner is usually understood to mean a starting burner for heating a fuel cell system. The start burner provides energy in the form of heat in order to bring the entire fuel cell system up to operating temperature. The operating temperature is not to be understood as a fixed temperature for the entire system. Rather, each component of the fuel cell system has a specific operating temperature. As soon as the fuel cell system is brought up to operating temperature, reformed fuel or fuel gas can be converted into electricity and heat in the fuel cell stack or in the stack. For physical reasons, it is not possible with this conversion to convert all of the fuel gas, as a result of which part of it is not used.

[0007] Um das Brenngas nicht zu verschwenden und Abgase zu reduzieren, wird dieses in einem Nachbrenner verbrannt. Die bei der Umwandlung des Brenngases in Strom entstehende Wärme, welche in weiterer Folge genutzt wird, um das Brennstoffzellensystem auf Betriebstemperatur zu halten. In Abhängigkeit des gewählten Betriebspunktes und des produzierten Stromes ist es möglich, den Startbrenner auszuschalten bzw. zu deaktivieren.In order not to waste the fuel gas and to reduce exhaust gases, this is burned in an afterburner. The heat generated during the conversion of the fuel gas into electricity, which is subsequently used to keep the fuel cell system at operating temperature. Depending on the selected operating point and the electricity produced, it is possible to switch the start burner off or off.

[0008] Um stationäre SOFC-Systeme auf Betriebstemperatur zu bringen, wird nach dem Stand der Technik meistens eine Kraftstoffverbrennung gewählt. Dadurch entstehen hohe Temperaturspitzen, wodurch es wiederum zur Bildung von Stickoxiden (NOx-Bildung) kommt. Diese Art der Abgase ist jedoch gemäß gesetzlichen Vorgaben soweit wie möglich zu vermeiden. Eine andere bekannte Lösung ist es, die Verbrennung katalytisch durchzuführen, wodurch die Temperatu rspitzen gesenkt und somit die NOx-Bildung stark reduziert werden kann. Katalytische Brenner müssen jedoch vor einer Einsetzbarkeit derselben zuerst auf Betriebstemperatur gebracht werden, da die katalytische Verbrennung von Erdgas erst ab Temperaturen von mindestens 350 °C oder höher möglich ist.In order to bring stationary SOFC systems to operating temperature, a fuel combustion is usually chosen according to the prior art. This creates high temperature peaks, which in turn leads to the formation of nitrogen oxides (NOx formation). However, this type of exhaust gas should be avoided as far as possible in accordance with legal requirements. Another known solution is to carry out the combustion catalytically, as a result of which the temperature peaks are reduced and the NOx formation can thus be greatly reduced. However, catalytic burners must first be brought to operating temperature before they can be used, since the catalytic combustion of natural gas is only possible from temperatures of at least 350 ° C or higher.

[0009] In einem Nachbrenner eines SOFC-Systems werden Reste von Anodenabgas unter Zuführung von Kathodenabgas oxidiert, um einerseits die Emissionen zu reduzieren und andererseits eine höhere Ausnutzung des Brennstoffes zu erreichen. Brennbare Bestandteile des Anodenabgases sind in der Regel Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid.In an afterburner of a SOFC system, residues of anode exhaust gas are oxidized with the supply of cathode exhaust gas, on the one hand to reduce the emissions and on the other hand to achieve a higher utilization of the fuel. Flammable components of the anode exhaust gas are usually hydrogen and carbon monoxide.

[0010] Für die katalytische Verbrennung von Erdgas werden auf geeigneten Katalysatoren für den Nachbrennerbetrieb geringere Raumgeschwindigkeiten benötigt, als für die Verbrennung /13For the catalytic combustion of natural gas, lower space velocities are required on suitable catalysts for afterburner operation than for combustion / 13

AT 520 881 B1 2020-04-15 österreichisches patentamt von H2 und CO notwendig sind. Die Verbrennung von CH4 auf solchen Katalysatoren benötigt daher entweder mehr Platz oder es kann nur weniger umgesetzt werden. Weiter sind geeignete Beschichtungen von Katalysatoren im SOFC-Bereich mit einer Einsatztemperatur von 900 °C begrenzt.AT 520 881 B1 2020-04-15 Austrian patent office of H2 and CO are necessary. The combustion of CH4 on such catalysts therefore either requires more space or only less can be implemented. Suitable coatings for catalysts in the SOFC area with an operating temperature of 900 ° C are also limited.

[0011] Eine Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems umfassend einen Brenner mit einer katalytischen Brennkammer und einer Brennkammer mit einem Flammenbrenner sowie einem entsprechenden Verfahren zum Betreiben desselben ist beispielsweise aus der EP 1465274 A2 und der WO 03060380 A1 bekannt.An embodiment of a fuel cell system comprising a burner with a catalytic combustion chamber and a combustion chamber with a flame burner and a corresponding method for operating the same is known for example from EP 1465274 A2 and WO 03060380 A1.

[0012] Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems anzugeben Ein weiteres Ziel ist es, eine Effizienz eines Brenners der eingangs genannten Art zu steigern, durch welchen es gleichzeitig möglich ist, die Komponentenanzahl eines Brennstoffzellensystems zu reduzieren.The object of the invention is to provide an improved method for operating a fuel cell system. Another aim is to increase the efficiency of a burner of the type mentioned at the outset, by means of which it is possible at the same time to reduce the number of components of a fuel cell system.

[0013] Weiter ist es ein Ziel, eine Verwendung eines solchen Brenners anzugeben.It is also an aim to indicate the use of such a burner.

[0014] Ferner ist es ein Ziel, ein Brennstoffzellensystem mit einem solchen Brenner anzugeben.It is also an aim to provide a fuel cell system with such a burner.

[0015] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Verfahren der eingangs genannten Art folgende Schritte aufweist:[0015] This object is achieved according to the invention in that a method of the type mentioned at the outset has the following steps:

[0016] - Einleiten eines ersten Betriebsfluides und eines zweiten Betriebsfluides in eine erste Brennkammer eines Brenners, wobei das erste Betriebsfluid und das zweite Betriebsfluid stromaufwärts eines Kammereinganges der ersten Brennkammer zu einem Betriebsfluid-Gemisch miteinander vermischt werden, wobei ein katalytisches Material der ersten Brennkammer vorab durch eine elektrische Wärmequelle auf Betriebstemperatur gebracht wird;- Introducing a first operating fluid and a second operating fluid into a first combustion chamber of a burner, wherein the first operating fluid and the second operating fluid are mixed upstream of a chamber entrance of the first combustion chamber to form an operating fluid mixture, with a catalytic material of the first combustion chamber beforehand brought to operating temperature by an electrical heat source;

- zumindest teilweises katalytisches Verbrennen des Betriebsfluid-Gemisches;- At least partial catalytic combustion of the operating fluid mixture;

- Leiten des teilweise verbrannten Betriebsfluid-Gemisches in eine zweite Brennkammer des Brenners, wobei die zweite Brennkammer unmittelbar stromabwärts der ersten Brennkammer angeordnet ist;Directing the partially burned operating fluid mixture into a second combustion chamber of the burner, the second combustion chamber being arranged immediately downstream of the first combustion chamber;

- gegebenenfalls vollständiges Verbrennen des Betriebsfluid-Gemisches in der zweiten einen Flammenbrenner umfassenden Brennkammer.- optionally complete combustion of the operating fluid mixture in the second combustion chamber comprising a flame burner.

[0017] Ein mit der Erfindung erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass durch die stufenweise Verbrennung eine kontrollierte Verbrennung möglich ist, wodurch eine Austrittstemperatur des verbrannten Betriebsfluid-Gemisches aus dem Brenner erreicht wird, welche größer ist als eine durch eine katalytische Beschichtung zulässige Temperatur in der ersten Brennkammer. Hierfür ist die erste Brennkammer, welche im Wesentlichen durch einen Katalysator gebildet ist, nicht groß genug ausgebildet, um eine vollständige Verbrennung einer Erdgasmenge zu erreichen, welche für einen Aufheizvorgang eines Brennstoffzellensystems notwendig ist. Eine vollständige Verbrennung erfolgt dann in der zweiten Brennkammer. Durch diese Aufteilung ist es möglich, eine Temperatur in der ersten Brennkammer geringer zu halten, wodurch eine katalytische Beschichtung derselben geschont wird. Darüber hinaus ist es durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich, einen ohnehin im System notwendigen katalytischen Nachbrenner als Startbrenner zu verwenden. Es ist also nur mehr ein Brenner notwendig, welcher abhängig von einem Betriebsmodus als Startbrenner oder Nachbrenner verwendet wird. Erfindungsgemäß ist auch das Betriebsfluid-Gemisch gasförmig.An advantage achieved with the invention is to be seen in particular in the fact that controlled combustion is possible by the stepwise combustion, as a result of which an exit temperature of the burned operating fluid mixture from the burner is achieved which is greater than that permitted by a catalytic coating Temperature in the first combustion chamber. For this purpose, the first combustion chamber, which is essentially formed by a catalytic converter, is not designed large enough to achieve complete combustion of an amount of natural gas, which is necessary for a heating process of a fuel cell system. Complete combustion then takes place in the second combustion chamber. This division makes it possible to keep a temperature in the first combustion chamber lower, thereby protecting the catalytic coating thereof. In addition, the method according to the invention makes it possible to use a catalytic afterburner which is necessary anyway in the system as the starting burner. So only one burner is required, which is used as a start burner or afterburner depending on an operating mode. According to the invention, the operating fluid mixture is also gaseous.

[0018] Es ist vorgesehen, dass das katalytische Material der ersten Brennkammer vorab durch eine elektrische Wärmequelle auf Betriebstemperatur gebracht wird. Als Betriebstemperatur ist im Rahmen der Erfindung hierbei eine Temperatur zu verstehen, ab welcher eine vollständige katalytische Verbrennung des Betriebsfluid-Gemisches möglich ist.It is provided that the catalytic material of the first combustion chamber is brought to operating temperature in advance by an electrical heat source. In the context of the invention, the operating temperature is to be understood as a temperature above which a complete catalytic combustion of the operating fluid mixture is possible.

[0019] Im Rahmen der Erfindung wird als erstes Betriebsfluid insbesondere ein gasförmiger Brennstoff, bevorzugt ein Erdgasgemisch, welches hauptsächlich aus Methan besteht, verwendet. In der weiteren Folge ist unter Erdgas insbesondere ein Erdgasgemisch zu verstehen, wobei dieses jedoch auch ausschließlich oder annährend ausschließlich aus Methan bestehenIn the context of the invention, a gaseous fuel, preferably a natural gas mixture, which mainly consists of methane, is used as the first operating fluid. In the further sequence, natural gas is to be understood in particular as a natural gas mixture, although this also consists exclusively or almost exclusively of methane

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AT 520 881 B1 2020-04-15 österreichisches patentamt kann. Als zweites Betriebsfluid wird in der Regel Luft, insbesondere Umgebungsluft verwendet, wobei das erste Betriebsfluid unter Zugabe oder Beimischung des zweiten Betriebsfluides zumindest teilweise verbrannt wird. Grundsätzlich kann als erstes Betriebsfluid auch ein flüssiger Brennstoff verwendet werden, welcher jedoch vor einem Zuleiten zum Brenner oder zum Brennstoffzellenstapel verdampft werden muss. Besonders günstig ist es jedoch, wenn das Verfahren mit bereits gasförmigen Betriebsfluiden durchgeführt wird.AT 520 881 B1 2020-04-15 Austrian patent office can. Air, in particular ambient air, is generally used as the second operating fluid, the first operating fluid being at least partially burned with the addition or admixture of the second operating fluid. In principle, a liquid fuel can also be used as the first operating fluid, but this must be evaporated before being fed to the burner or to the fuel cell stack. However, it is particularly expedient if the method is carried out with already gaseous operating fluids.

[0020] Vorteilhaft ist es, wenn eine Strömungsgeschwindigkeit des Betriebsfluid-Gemisches in der ersten Brennkammer bis auf einen vorbestimmten Wert erhöht wird. Insbesondere wird dabei die Strömungsgeschwindigkeit des ersten Betriebsfluids auf einen vorbestimmten Wert erhöht, sodass eine vollständige Verbrennung des ersten Betriebsfluids in der ersten Brennkammer bei einer Verwendung des Brenners als Startbrenner nicht möglich ist. Die bei der katalytischen Verbrennung entstehende Wärme kann somit begrenzt werden. Eine maximale erreichbare Temperatur liegt folglich stets unter einer berechneten adiabaten Verbrennungstemperatur. Dadurch wird eine Temperatur in der ersten Brennkammer immer unter einer zulässigen Maximaltemperatur der katalytischen Beschichtung gehalten. Geeignete katalytische Materialien sind üblicherweise mit einer Einsatztemperatur von etwa 900 °C begrenzt. Die Temperatur in der ersten Brennkammer wird durch das erfindungsgemäße Verfahren im Bereich von 700 °C bis 900 °C, insbesondere auf etwa 800 °C, gehalten. Die beiden Betriebsfluide werden hierfür mit Vorteil derart miteinander vermischt, dass die Verbrennungstemperatur die zulässige maximale Betriebstemperatur des katalytischen Materials der ersten Brennkammer nicht überschreitet. Sobald die erste Brennkammer, genauer gesagt das katalytische Material der ersten Brennkammer durcherhitzt ist, wird die Menge des Betriebsfluid Gemisches, welches dem Brenner zugeführt wir, weiter erhöht um eine größere Wärmeleistung zu erreichen. Das Gemisch wird dabei so eingestellt, dass in der ersten Brennkammer keine vollständige Verbrennung stattfindet, wodurch bei einer Verwendung des Brenners als Startbrenner nicht das gesamte erste Betriebsfluid in der ersten Brennkammer verbrannt. Dabei wird eine Strömungsgeschwindigkeit erreicht, welche größer ist als eine lokale Flammengeschwindigkeit.It is advantageous if a flow rate of the operating fluid mixture in the first combustion chamber is increased to a predetermined value. In particular, the flow rate of the first operating fluid is increased to a predetermined value, so that a complete combustion of the first operating fluid in the first combustion chamber is not possible when the burner is used as a starting burner. The heat generated during catalytic combustion can thus be limited. A maximum achievable temperature is therefore always below a calculated adiabatic combustion temperature. As a result, a temperature in the first combustion chamber is always kept below a permissible maximum temperature of the catalytic coating. Suitable catalytic materials are usually limited to an operating temperature of around 900 ° C. The temperature in the first combustion chamber is kept in the range from 700 ° C to 900 ° C, in particular at about 800 ° C, by the method according to the invention. For this purpose, the two operating fluids are advantageously mixed with one another in such a way that the combustion temperature does not exceed the permissible maximum operating temperature of the catalytic material of the first combustion chamber. As soon as the first combustion chamber, more precisely the catalytic material of the first combustion chamber, is fully heated, the amount of the operating fluid mixture which is fed to the burner is further increased in order to achieve a greater thermal output. The mixture is adjusted in such a way that complete combustion does not take place in the first combustion chamber, so that when the burner is used as the starting burner, not all of the first operating fluid burns in the first combustion chamber. A flow rate is achieved which is greater than a local flame rate.

[0021] Günstig ist es dabei, wenn das Brennstoffzellensystem durch das Verbrennen des Betriebsfluid-Gemisches im Brenner aufgeheizt wird. Dabei wird erfindungsgemäß ein üblicherweise für einen Nachbrennerbetrieb ausgelegte Oxidationskatalysator gleichzeitig zumindest als ein Teil des als Startbrenner arbeitenden Brenners verwendet. Durch die oben beschriebene stufenweise Verbrennung des ersten Betriebsfluides werden einerseits hohe Temperaturspitzen vermieden und andererseits wird eine sehr hohe Ausgangstemperatur des Prozessgases erreicht.It is advantageous if the fuel cell system is heated by burning the operating fluid mixture in the burner. According to the invention, an oxidation catalytic converter, which is usually designed for afterburner operation, is simultaneously used at least as part of the burner operating as a starting burner. The above-described gradual combustion of the first operating fluid avoids high temperature peaks on the one hand and on the other hand a very high initial temperature of the process gas is reached.

[0022] Zweckmäßig ist es dabei, wenn das Betriebsfluid in einem ersten Schritt in der ersten Brennkammer nur teilweise verbrannt und in einem zweiten Schritt in der zweiten Brennkammer vollständig verbrannt wird. Hierfür ist die erste Brennkammer, welche einen katalytischen Brenner darstellt, nicht groß genug ausgebildet, sodass eine Raumgeschwindigkeit des Betriebsfluid-Gemisches zu groß ist, um eine vollständige Verbrennung der für einen Aufheizbetrieb des Brennstoffzellensystems benötigten Menge des Betriebsfluid-Gemisches zu erreichen. Das Betriebsfluid wird anschließend in der zweiten Kammer vollständig verbrannt. Dadurch werden einerseits zu hohe Temperaturen in der ersten, katalytisch beschichteten Brennkammer vermieden, andererseits jedoch wird am Ausgang der zweiten Brennkammer eine Temperatur erreicht, welche deutlich über einer maximal zulässigen Temperatur für die katalytische Beschichtung liegt. In der zweiten Brennkammer wird also ein Restgas vollständig verbrannt, wodurch es zu einer weiteren Temperaturerhöhung des gasförmigen Brennstoff-Gemisches kommt. Darüber hinaus ermöglicht die zweite Brennkammer auch, in dieser Bestandteile des Betriebsfluid-Gemisches, welche in der ersten Brennkammer nicht umgesetzt werden können, zu verbrennen. Dies können beispielsweise lange Kohlenwasserstoff ketten wie Propan in Erdgas sein. Des Weiteren werden in der ersten Brennkammer derart hohe Strömungsgeschwindigkeiten des Betriebsfluid-Gemisches erreicht, durch welche eine Rückverbrennung der Flammenverbrennung in der zweiten Brennkammer in die erste Brennkammer zumindest größtenteils verhindert wird. Somit ist auch eine derartige Beschädigung des katalytischen Materials derIt is useful if the operating fluid is only partially burned in a first step in the first combustion chamber and completely burned in a second step in the second combustion chamber. For this purpose, the first combustion chamber, which represents a catalytic burner, is not designed large enough so that a space velocity of the operating fluid mixture is too high to achieve complete combustion of the amount of operating fluid mixture required for heating operation of the fuel cell system. The operating fluid is then completely burned in the second chamber. On the one hand, this avoids excessive temperatures in the first, catalytically coated combustion chamber, on the other hand, however, a temperature is reached at the outlet of the second combustion chamber which is significantly above a maximum permissible temperature for the catalytic coating. A residual gas is thus completely burned in the second combustion chamber, which leads to a further increase in the temperature of the gaseous fuel mixture. In addition, the second combustion chamber also allows components of the operating fluid mixture which cannot be converted in the first combustion chamber to be burned therein. For example, these can be long hydrocarbon chains such as propane in natural gas. Furthermore, such high flow velocities of the operating fluid mixture are achieved in the first combustion chamber that at least largely prevent the flame combustion in the second combustion chamber from burning back into the first combustion chamber. Thus, such damage to the catalytic material is also the

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AT 520 881 B1 2020-04-15 österreichisches patentamt ersten Brennkammer durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden. Durch die erfindungsgemäße kontrollierte katalytische Teilverbrennung mit anschließender Flammenverbrennung werden darüber hinaus die Spitzentemperaturen im Flammenraum unter etwa 1200 °C gehalten und somit wird eine kritische Schwelle (etwa 1200 °C oder mehr) für die Bildung von thermischem Stickoxiden (NOx) nicht überschritten, was geringere NOx-Bildung zur Folge hat.AT 520 881 B1 2020-04-15 Austrian patent office first combustion chamber avoided by the inventive method. The controlled catalytic partial combustion according to the invention with subsequent flame combustion also keeps the peak temperatures in the flame space below approximately 1200 ° C. and thus does not exceed a critical threshold (approximately 1200 ° C. or more) for the formation of thermal nitrogen oxides (NOx), which is lower NOx formation results.

[0023] Aus dem Brenner tritt dann vollständig verbranntes Betriebsfluid-Gemisch - heißes Prozessgas aus.Then completely burned operating fluid mixture emerges from the burner - hot process gas.

[0024] Weiterhin ist es dabei von Vorteil, wenn ein Einleiten von einem ersten Betriebsfluid aus einer ersten Betriebsfluidquelle und einem zweiten Betriebsfluid aus einer zweiten Betriebsfluidquelle eingestellt wird sobald das Brennstoffzellensystem eine vorbestimmte Betriebstemperatur erreicht. Die Teilleitungen von den Betriebsfluidquellen zum Brenner werden durch Ventile unterbrochen. Es wird also die Vorbrennerfunktion des Brenners ausgeschaltet, da das Brennstoffzellensystem bereits die gewünschte, für den Betrieb notwendige Temperatur erreicht hat. Stromabwärts des Brenners ist ein Wärmetauscher angeordnet, durch dessen warme Seite das heiße Betriebsfluid-Gemisch bzw. Prozessgas strömt. Uber die kalte Seite des Wärmetauschers wird das zweite Betriebsfluid, insbesondere Umgebungsluft, in einer ersten Teilleitung in Richtung des Kathodenabschnittes des Brennstoffzellenstapels geführt, wodurch der Brennstoffzellenstapel auf eine vorbestimmte Temperatur aufgeheizt wird. Parallel zum Wärmetauscher ist stromabwärts des Brenners auch ein Reformer angeordnet, durch welchen Brennstoff (erstes Betriebsfluid) vor einem Zuführen zum Anodenabschnitt durch das heiße Prozessgas aus dem Brenner reformiert wird. Der Brennstoff, welcher dem Anodenabschnitt zugeführt wird, wird über eine kalte Seite des Reformers geleitet, wohingegen das heiße Betriebsfluid aus dem Brenner über die warme Seite des Reformers geführt wird und diesen bzw. den Brennstoff dadurch erwärmt und reformiert. Der Leitungsabschnitt, durch welchen das Betriebsfluid-Gemisch aus dem Brenner austritt, wird folglich stromabwärts des Brenners und stromaufwärts des Wärmetauschers bzw. des Reformers geteilt. Stromabwärts des Wärmetauschers bzw. des Reformers werden die beiden Teilleitungen wieder zu einem gemeinsamen Leitungsabschnitt vereint, durch welchen vollständig verbranntes und Wärme abgegebenes Brennstoffzellenstapelabgas an die Umgebung abgegeben wird. In einem regulären Betrieb des Brennstoffzellensystems wird der Brenner dann als Nachbrenner benutzt, wobei in diesem Anodenabgas mithilfe von Kathodenabgas vollständig verbrannt wird.Furthermore, it is advantageous if an introduction of a first operating fluid from a first operating fluid source and a second operating fluid from a second operating fluid source is set as soon as the fuel cell system reaches a predetermined operating temperature. The partial lines from the operating fluid sources to the burner are interrupted by valves. The pre-burner function of the burner is therefore switched off since the fuel cell system has already reached the desired temperature necessary for operation. A heat exchanger is arranged downstream of the burner, through the warm side of which the hot operating fluid mixture or process gas flows. Via the cold side of the heat exchanger, the second operating fluid, in particular ambient air, is conducted in a first partial line in the direction of the cathode section of the fuel cell stack, as a result of which the fuel cell stack is heated to a predetermined temperature. Parallel to the heat exchanger, a reformer is also arranged downstream of the burner, by means of which fuel (first operating fluid) is reformed by the hot process gas from the burner before being fed to the anode section. The fuel which is fed to the anode section is passed over a cold side of the reformer, whereas the hot operating fluid from the burner is passed over the warm side of the reformer, thereby heating and reforming the fuel. The line section through which the operating fluid mixture emerges from the burner is consequently divided downstream of the burner and upstream of the heat exchanger or the reformer. Downstream of the heat exchanger or the reformer, the two sub-lines are combined again to form a common line section, through which completely combusted and heat-emitted fuel cell stack exhaust gas is released to the environment. In a regular operation of the fuel cell system, the burner is then used as an afterburner, in which anode exhaust gas is completely burned using cathode exhaust gas.

[0025] Vorteilhaft ist es also, wenn im Brenner Brennstoffzellenstapelabgas verbrannt wird, wobei das aus Kathodenabgas und Anodenabgas bestehende Brennstoffzellenstapelabgas vollständig in der ersten Brennkammer verbrannt wird. Dabei wird der Brenner als Nachbrenner verwendet. Da die erste Brennkammer für einen Nachbrennerbetrieb ausgelegt bzw. angeordnet ist, wird das Brennstoffzellenstapelabgas vollständig bzw. gänzlich in der ersten Brennkammer verbrannt. Günstig ist es dabei, wenn Kathodenabgas und Anodenabgas stromaufwärts des Brenners und stromabwärts des Brennstoffzellenstapels zusammengeführt wird. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Kathodenabgas und das Anodenabgas erst unmittelbar bei einem Kammereingang der ersten Brennkammer zum Betriebsfluid-Gemisch miteinander vermischt werden. Stromabwärts der ersten Brennkammer wird das BetriebsfluidGemisch unmittelbar in die zweite Brennkammer geleitet, welche jedoch bei einem Betrieb des Brenners als Nachbrenner keine weitere Funktion hat, da das Betriebsfluid-Gemisch bereits in der ersten Brennkammer vollständig verbrannt wird. Heißes Prozessgas wird aus dem Brenner geleitet.It is therefore advantageous if fuel cell stack exhaust gas is burned in the burner, the fuel cell stack exhaust gas consisting of cathode exhaust gas and anode exhaust gas being completely burned in the first combustion chamber. The burner is used as an afterburner. Since the first combustion chamber is designed or arranged for afterburner operation, the fuel cell stack exhaust gas is completely or completely burned in the first combustion chamber. It is advantageous if cathode exhaust gas and anode exhaust gas are brought together upstream of the burner and downstream of the fuel cell stack. However, it can also be provided that the cathode exhaust gas and the anode exhaust gas are only mixed with one another directly at a chamber entrance of the first combustion chamber to form the operating fluid mixture. Downstream of the first combustion chamber, the operating fluid mixture is passed directly into the second combustion chamber, which, however, has no further function when the burner is operating as an afterburner, since the operating fluid mixture is already completely burned in the first combustion chamber. Hot process gas is led out of the burner.

[0026] Zweckmäßig ist es, wenn das verbrannte Betriebsfluid-Gemisch stromabwärts des Brenners zum Aufheizen zumindest eines Wärmetauschers und/oder eines Reformers verwendet wird, wobei das verbrannte Betriebsfluid-Gemisch als Systemabgas einer warmen Seite des zumindest einen Wärmetauschers und/oder des Reformers zugeführt wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn sowohl zumindest ein Wärmetauscher als auch ein Reformer durch das verbrannte Betriebsfluid Gemisch aufgeheizt werden. Der Wärmetauscher und der Reformer sind dabei bevorzugt in zwei parallel zueinander ausgerichteten Leitungsabschnitten angeordnet. Die jeweiligen kalten Seiten des Wärmetauschers und des Reformers werden wie oben beIt is useful if the burned operating fluid mixture downstream of the burner is used to heat up at least one heat exchanger and / or a reformer, the burned operating fluid mixture being supplied as system exhaust gas to a warm side of the at least one heat exchanger and / or the reformer becomes. It is particularly advantageous if both at least one heat exchanger and one reformer are heated by the burned operating fluid mixture. The heat exchanger and the reformer are preferably arranged in two line sections aligned parallel to one another. The respective cold sides of the heat exchanger and the reformer are as above

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AT 520 881 B1 2020-04-15 österreichisches patentamt schrieben durchströmt, wodurch die beiden Betriebsfluide und folglich auch das gesamte Brennstoffzellensystem aufgewärmt werden.AT 520 881 B1 2020-04-15 Austrian patent office flowed through which the two operating fluids and consequently the entire fuel cell system are warmed up.

[0027] Das weitere Ziel wird erreicht, wenn bei einem Brenner der eingangs genannten Art der Brenner zwei nacheinander angeordnete Brennkammern umfasst, wobei eine erste Brennkammer ein katalytisches Material und eine unmittelbar stromabwärts der ersten Brennkammer angeordnete zweite Brennkammer einen Flammenbrenner umfasst, wobei eine elektrische Wärmequelle vorgesehen ist, um das katalytische Material auf Betriebstemperatur zu bringen.The further aim is achieved when, in a burner of the type mentioned, the burner comprises two combustion chambers arranged in succession, a first combustion chamber comprising a catalytic material and a second combustion chamber arranged immediately downstream of the first combustion chamber comprising a flame burner, an electrical heat source is provided to bring the catalytic material to operating temperature.

[0028] Ein damit erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass durch diese Ausbildung des Brenners ein katalytischer Nachbrenner zusätzlich auch für einen Aufheizvorgang eines Brennstoffzellensystems verwendbar ist. Bei bekannten katalytischen Nachbrennern ist dies nicht möglich, da das katalytische Material nicht für die für einen Aufheizvorgang notwendigen hohen Temperaturen von 950 °C oder mehr ausgelegt ist. In bekannten katalytischen Nachbrennern sind keine Temperaturen von über 900 °C zulässig, da zu hohe Temperaturen das katalytische Material und somit den Nachbrenner schädigen und folglich eine Funktion desselben zerstören. Nachbrenner sind folglich dafür ausgelegt, dass bei einer katalytischen Verbrennung von einem Brennstoff-Gemisch diese zulässigen Temperaturen für das katalytische Material nicht überschritten werden. Durch die Ausbildung des Brenners mit zwei Brennkammern ist es nicht notwendig, derart hohe Temperaturen in der ersten Brennkammer zu erzeugen. Ein Betriebsfluid-Gemisch ist bei einem Aufheizvorgang in der ersten Brennkammer nur teilweise verbrennbar, weshalb die Temperaturen in der ersten Brennkammer in einem Bereich zwischen etwa 700 °C und 900 °C haltbar sind. Eine vollständige Verbrennung des BetriebsfluidGemisches beim Aufheizvorgang erfolgt dann in der zweiten Brennkammer, welche einen Flammenbrenner umfasst. Es können folglich an einem Ausgang bzw. stromabwärts des Brenners Temperaturen des Betriebsfluid-Gemisches erzeugt werden, welche über einer zulässigen Maximaltemperatur des katalytischen Materials der ersten Brennkammer liegen, etwa im Bereich von 950 °C bis 1000 °C oder mehr. Der Brenner ist insbesondere als Startbrenner sowie Nachbrenner ausgebildet und angeordnet. Das heißt, ein einziges Bauteil funktioniert gleichzeitig als Startbrenner und als Nachbrenner, abhängig von einem Betriebszustand eines Brennstoffzellensystems, in welchem der Brenner angeordnet ist.An advantage achieved in this way can be seen in particular in the fact that this design of the burner means that a catalytic afterburner can also be used for a heating process of a fuel cell system. In known catalytic afterburners, this is not possible since the catalytic material is not designed for the high temperatures of 950 ° C. or more necessary for a heating process. In known catalytic afterburners, temperatures of over 900 ° C are not permissible since excessive temperatures damage the catalytic material and thus the afterburner and consequently destroy its function. Afterburner are consequently designed so that during catalytic combustion of a fuel mixture these permissible temperatures for the catalytic material are not exceeded. By designing the burner with two combustion chambers, it is not necessary to generate such high temperatures in the first combustion chamber. An operating fluid mixture is only partially combustible during a heating process in the first combustion chamber, which is why the temperatures in the first combustion chamber can be maintained in a range between approximately 700 ° C. and 900 ° C. A complete combustion of the operating fluid mixture during the heating process then takes place in the second combustion chamber, which comprises a flame burner. Consequently, temperatures of the operating fluid mixture which are above an allowable maximum temperature of the catalytic material of the first combustion chamber, for example in the range from 950 ° C. to 1000 ° C. or more, can be generated at an outlet or downstream of the burner. The burner is designed and arranged in particular as a starting burner and afterburner. This means that a single component functions simultaneously as a start burner and as an afterburner, depending on an operating state of a fuel cell system in which the burner is arranged.

[0029] Der Brenner ist insbesondere dazu ausgebildet, gasförmigen Brennstoff bzw. Kraftstoff zumindest teilweise katalytisch zu verbrennen, wofür die erste Brennkammer ein katalytisches Material und die zweite Brennkammer einen Flammenbrenner umfasst.The burner is in particular designed to at least partially burn gaseous fuel or fuel, for which purpose the first combustion chamber comprises a catalytic material and the second combustion chamber comprises a flame burner.

[0030] Günstig ist es, wenn zumindest die erste Brennkammer wabenförmige Elemente umfasst. Besonders vorteilhaft ist, wenn das katalytische Material der ersten Brennkammer zumindest teilweise aus wabenförmigen Elementen mit parallel zueinander verlaufenden bzw. ausgebildeten Kanälen gebildet ist.It is favorable if at least the first combustion chamber comprises honeycomb elements. It is particularly advantageous if the catalytic material of the first combustion chamber is at least partially formed from honeycomb-shaped elements with channels running or formed parallel to one another.

[0031] Grundsätzlich kann auch vorgesehen sein, wenn die Brennkammern jeweils zumindest abschnittsweise hohlzylindrisch ausgebildet sind. Diese weisen bevorzugt einen kreisförmigen Querschnitt auf. Der Querschnitt der Brennkammern kann jedoch auch rechteckig, oval oder beliebig anders ausgebildet sein. Zweckmäßig ist es stets, wenn die erste Brennkammer und die zweite Brennkammer den selben Querschnitt aufweisen, wobei sich ein innerer freier Durchmesser der beiden Brennkammern unterscheiden kann. Dabei ist es vorteilhaft, wenn zumindest die erste Brennkammer zumindest zwei zylindrische Schichten umfasst, welche insbesondere koaxial ineinander gesteckt oder zueinander angeordnet sind. Dabei kann eine erste zylindrische Schicht die erste Brennkammer radial nach außen abschließen und auf deren radialer Innenseite mit einer zweiten zylindrischen Schicht, welche als katalytisches Material ausgebildet ist, beschichtet sein. Im Rahmen der Erfindung sind unter allen zylindrischen Schichten sofern nicht eindeutig anders beschrieben hohlzylindrische Schichten zu verstehen.Basically, it can also be provided if the combustion chambers are each hollow cylindrical at least in sections. These preferably have a circular cross section. The cross section of the combustion chambers can, however, also be rectangular, oval or any other form. It is always expedient if the first combustion chamber and the second combustion chamber have the same cross section, it being possible for an inner free diameter of the two combustion chambers to differ. It is advantageous if at least the first combustion chamber comprises at least two cylindrical layers, which are in particular inserted coaxially into one another or arranged in relation to one another. In this case, a first cylindrical layer can close off the first combustion chamber radially to the outside and can be coated on its radial inside with a second cylindrical layer, which is designed as a catalytic material. Within the scope of the invention, all cylindrical layers are to be understood as hollow-cylindrical layers unless clearly described otherwise.

[0032] Von Vorteil ist es, wenn das katalytische Material der ersten Brennkammer als eine katalytisch beschichtete Keramik oder als ein katalytisch beschichtetes Metall ausgebildet ist. Die wabenförmigen Körper sind dabei aus einer Keramik oder einem Metall oder einer Metalllegierung ausgebildet, wobei diese günstigerweise katalytisch beschichtet sind. Besonders vorIt is advantageous if the catalytic material of the first combustion chamber is designed as a catalytically coated ceramic or as a catalytically coated metal. The honeycomb-shaped bodies are formed from a ceramic or a metal or a metal alloy, and these are advantageously catalytically coated. Especially before

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AT 520 881 B1 2020-04-15 österreichisches patentamt teilhaft ist es, wenn das katalytische Material monolithisch ausgebildet ist.AT 520 881 B1 2020-04-15 Austrian patent office it is partial if the catalytic material is monolithic.

[0033] Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das katalytische Material der ersten Brennkammer als ein katalytisch beschichtetes Gewebe ausgebildet ist. Das katalytische Material bzw. die zweite zylindrische Schicht der ersten Brennkammer ist dabei insbesondere ringförmig innerhalb der ersten zylindrischen Schicht angeordnet ist. Grundsätzlich ist das als beschichtetes Gewebe ausgebildete katalytische Material beliebig formbar.However, it can also be provided that the catalytic material of the first combustion chamber is designed as a catalytically coated fabric. The catalytic material or the second cylindrical layer of the first combustion chamber is in particular arranged in a ring within the first cylindrical layer. Basically, the catalytic material formed as a coated fabric can be shaped as desired.

[0034] Eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Brenners erfolgt mit Vorteil als Startbrenner und Nachbrenner in einem Brennstoffzellensystem, welches mit gasförmigen Brennstoff betrieben wird, insbesondere in einem mit Erdgas betriebenen stationären Brennstoffzellensystem.A burner according to the invention is advantageously used as a starting burner and afterburner in a fuel cell system which is operated with gaseous fuel, in particular in a stationary fuel cell system operated with natural gas.

[0035] Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem mit einem wie vorstehend im Detail dargestellten Brenner zur Verfügung gestellt. Ein derartiges Brennstoffzellensystem weist ferner einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt sowie einen Reformer und zumindest einen Wärmetauscher auf, wobei der Brenner, der Brennstoffzellenstapel, der Reformer und der Wärmetauscher in einer Hotbox angeordnet sind.[0035] According to a further aspect of the present invention, a fuel cell system with a burner as detailed above is provided. Such a fuel cell system also has a fuel cell stack with an anode section and a cathode section and a reformer and at least one heat exchanger, the burner, the fuel cell stack, the reformer and the heat exchanger being arranged in a hot box.

[0036] Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Brenner beschrieben worden sind. Das Brennstoffzellensystem ist bevorzugt ein stationäres SOFC-System. Ein besonderer Vorteil ist darin zu sehen, dass in einem derartigen Brennstoffzellensystem kein separater Startbrenner notwendig ist, wodurch Komponenten einsparbar sind. Der Reformer ist bevorzugt zum Reformieren eines Brennstoffes, beispielsweise Erdgas, in ein anderes Brennstoffgemisch, in diesem Fall ein Wasserstoff- und kohlendioxidreiches Brennstoffgemisch, ausgestaltet. Der reformierte Wasserstoff kann in einem Brennstoffzellenstapel zur Stromerzeugung verwendet werden. Der Brenner ist zum Erwärmen des Reformers mittels Brennstoffzellenabgas vom Brennstoffzellenstapel ausgestaltet. Prozessgas bzw. verbranntes Betriebsfluid-Gemisch, welches aus dem Brenner austritt, strömt über eine warme Seite des Wärmetauschers und erwärmt Luft, welche über eine kalte Seite des Wärmetauschers zu einem Kathodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels strömt. Der Reformer und der Wärmetauscher sind parallel zueinander in zwei getrennten Fluidleitungen stromabwärts des Brenners angeordnet. Ferner kann es günstig sein, wenn stromabwärts des Brennstoffzellenstapels und stromaufwärts des Reformers bzw. des Wärmetauschers ein zusätzlicher Wärmetauscher angeordnet ist. Dieser ist für eine Anpassung von Einlasstemperaturen der Betriebsfluide (Brennstoff und Luft) ausgebildet. Ziel ist es, Temperaturunterschiede zwischen den beiden Betriebsfluiden so gering wie möglich zu halten, sodass im Brennstoffzellenstapel Wärmespannungen größtenteils vermieden werden.A fuel cell system according to the invention thus has the same advantages as have been described in detail with reference to the burner according to the invention. The fuel cell system is preferably a stationary SOFC system. A particular advantage can be seen in the fact that a separate starting burner is not necessary in such a fuel cell system, as a result of which components can be saved. The reformer is preferably designed to reform a fuel, for example natural gas, into another fuel mixture, in this case a fuel mixture rich in hydrogen and carbon dioxide. The reformed hydrogen can be used in a fuel cell stack to generate electricity. The burner is designed to heat the reformer by means of fuel cell exhaust gas from the fuel cell stack. Process gas or burned operating fluid mixture, which exits the burner, flows over a warm side of the heat exchanger and heats air, which flows over a cold side of the heat exchanger to a cathode section of the fuel cell stack. The reformer and the heat exchanger are arranged in parallel in two separate fluid lines downstream of the burner. Furthermore, it can be favorable if an additional heat exchanger is arranged downstream of the fuel cell stack and upstream of the reformer or the heat exchanger. This is designed to adapt the inlet temperatures of the operating fluids (fuel and air). The aim is to keep temperature differences between the two operating fluids as low as possible so that thermal stresses in the fuel cell stack are largely avoided.

[0037] Gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung ist das Brennstoffzellensystem ein stationäres SOFC-System (SOFC steht für „solid oxide fuel cell“, bzw. Festoxidbrennstoffzelle). Ein derartiges Brennstoffzellensystem wird insbesondere mit gasförmigem Brennstoff betrieben.According to a first aspect of the present invention, the fuel cell system is a stationary SOFC system (SOFC stands for "solid oxide fuel cell", or solid oxide fuel cell). Such a fuel cell system is operated in particular with gaseous fuel.

[0038] Alle Funktionselemente des Brennstoffzellensystems sind in der Hotbox angeordnet. Für einen möglichst wirksamen Hitzeschutz für Funktionselemente bzw. Hilfsvorrichtungen außerhalb der Hotbox weist die Hotbox vorzugsweise ein Isolationsgehäuse zur thermischen Isolierung der Bauteile innerhalb der Hotbox von den Hilfsvorrichtungen außerhalb der Hotbox auf. Das Isolationsgehäuse ist ein zumindest im Wesentlichen geschlossenes Gehäuse. D.h., die Hotbox weist wenigstens eine Isolationswandung zur thermischen Isolierung von Bauteilen innerhalb der Hotbox gegenüber Bauteilen außerhalb der Hotbox auf. Insbesondere ist die Hotbox nach allen Seiten hin geschlossen. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung weist die Hotbox einen Gehäuseabschnitt auf, der die Brennstoffzelleneinheit, den Reformer und den Brenner und den Wärmetauscher thermisch isolierend umschließt oder zumindest im Wesentlichen umschließt. Weiter kann die Hotbox gegebenenfalls auch gasdicht ausgebildet sein. Als Hotbox im Sinne der Erfindung ist ein Gehäuse zu verstehen, innerhalb welchem eine erhöhte Temperatur vorhanden ist. Das Gehäuse ist zumindest teilweise zur thermischen Isolation von Elementen innerhalb derselben ausgebildet.[0038] All functional elements of the fuel cell system are arranged in the hot box. For the most effective heat protection possible for functional elements or auxiliary devices outside the hotbox, the hotbox preferably has an insulation housing for thermal insulation of the components inside the hotbox from the auxiliary devices outside the hotbox. The insulation housing is an at least essentially closed housing. In other words, the hotbox has at least one insulation wall for the thermal insulation of components inside the hotbox from components outside the hotbox. In particular, the hotbox is closed on all sides. According to a preferred embodiment variant of the present invention, the hotbox has a housing section which encloses the fuel cell unit, the reformer and the burner and the heat exchanger in a thermally insulating manner, or at least essentially encloses it. Furthermore, the hot box can optionally also be gas-tight. A hot box in the sense of the invention is a housing within which an elevated temperature is present. The housing is at least partially designed for the thermal insulation of elements within it.

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AT 520 881 B1 2020-04-15 österreichisches patentamt [0039] Von Vorteil ist es dabei weiter, wenn eine erste Betriebsfluidquelle zur Bereitstellung eines ersten Betriebsfluides und eine zweite Betriebsfluidquelle zur Bereitstellung eines zweiten Betriebsfluid vorgesehen sind. Die Betriebsfluidquellen sind jeweils außerhalb der Hotbox angeordnet, wobei die erste Betriebsfluidquelle den Brennstoff, insbesondere Erdgas, und die zweite Betriebsfluidquelle ein Oxidationsmittel, insbesondere Umgebungsluft, zur Verfügung stellt, wobei aus jeder Betriebsfluidquelle eine Fluidleitung austritt. Erfindungsgemäß ist es günstig, wenn jede Fluidleitung jeweils zumindest zwei Teilleitungen umfasst. Stromabwärts der zweiten Betriebsfluidquelle ist außerhalb der Hotbox bevorzugt ein Gebläse angeordnet. Eine erste Teilleitung der zweiten Fluidleitung führt in Richtung des Kathodenabschnittes des Brennstoffzellenstapels, wobei die darin geführte Luft stromaufwärts des Kathodenabschnittes über eine kalte Seite des Wärmetauschers geführt und vom verbrannten und erhitzten BetriebsfluidGemisch, welches aus dem Brenner austritt und über eine warme Seite des Wärmetauschers geführt wird, erwärmbar ist. Stromaufwärts des Wärmetauschers und stromabwärts des Gebläses wird von der zweiten Fluidleitung vorteilhaft eine zweite Teilleitung abgezweigt, über welche Luft in Richtung eines Brennereinganges transportierbar ist. Dadurch kann durch Zuführen von Luft ein Verbrennungsverhältnis im Brenner beeinflusst werden. In der zweiten Teilleitung der zweiten Fluidleitung ist außerhalb der Hotbox günstigerweise ein Ventil zur Steuerung dieser Luftzufuhr vorgesehen. Günstig ist es auch wenn sich die erste Fluidleitung stromabwärts der Brennstoffquelle in eine erste und zweite Teilleitung teilen. Die erste Teilleitung der ersten Fluidleitung führt über ein Ventil zum Reformer und stromabwärts desselben zum Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels. Die zweite Teilleitung der ersten Fluidleitung führt ebenfalls über ein Ventil zum Brennereingang. Dadurch kann gegebenenfalls ein Verbrennungsverhältnis im Brenner auch durch Zuführen von Brennstoff beeinflusst werden.AT 520 881 B1 2020-04-15 Austrian Patent Office [0039] It is further advantageous if a first operating fluid source is provided to provide a first operating fluid and a second operating fluid source is provided to provide a second operating fluid. The operating fluid sources are each arranged outside the hotbox, the first operating fluid source providing the fuel, in particular natural gas, and the second operating fluid source an oxidizing agent, in particular ambient air, a fluid line emerging from each operating fluid source. According to the invention, it is advantageous if each fluid line comprises at least two sub-lines. A fan is preferably arranged downstream of the second operating fluid source outside the hot box. A first partial line of the second fluid line leads in the direction of the cathode section of the fuel cell stack, the air guided therein leading upstream of the cathode section via a cold side of the heat exchanger and from the burned and heated operating fluid mixture which emerges from the burner and is guided over a warm side of the heat exchanger , is heatable. Upstream of the heat exchanger and downstream of the fan, a second partial line is advantageously branched off from the second fluid line, via which air can be transported in the direction of a burner inlet. A combustion ratio in the burner can thereby be influenced by supplying air. A valve for controlling this air supply is advantageously provided in the second partial line of the second fluid line outside the hotbox. It is also favorable if the first fluid line is divided into a first and a second partial line downstream of the fuel source. The first partial line of the first fluid line leads via a valve to the reformer and downstream of the same to the anode section of the fuel cell stack. The second partial line of the first fluid line also leads to the burner inlet via a valve. As a result, a combustion ratio in the burner can also be influenced by supplying fuel, if necessary.

[0040] Das Brennstoffzellensystem umfasst günstigerweise weiter eine elektrische Wärmequelle, welche außerhalb der Hotbox angeordnet ist. Die elektrische Wärmequelle ist dazu ausgebildet und angeordnet, den Brenner, insbesondere das katalytische Material der ersten Brennkammer auf Betriebstemperatur zu bringen.The fuel cell system advantageously further comprises an electrical heat source, which is arranged outside the hot box. The electrical heat source is designed and arranged to bring the burner, in particular the catalytic material of the first combustion chamber, to operating temperature.

[0041] Weitere Vorteile, Merkmale und Wirkungen ergeben sich aus den nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. In den Zeichnungen, auf welche dabei Bezug genommen wird, zeigen:Further advantages, features and effects result from the exemplary embodiments shown below. In the drawings, to which reference is made, show:

[0042] Fig. 1 [0043] Fig. 2 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Brenner;Fig. 1 shows a section through a burner according to the invention;

ein Blockdiagramm zum Darstellen eines Brennstoffzellensystems gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;a block diagram illustrating a fuel cell system according to an embodiment of the invention;

ein Blockdiagramm zum Darstellen eines Brennstoffzellensystems gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform.a block diagram to illustrate a fuel cell system according to another embodiment of the invention.

zeigt einen erfindungsgemäßen Brenner 1. Dieser umfasst eine erste Brennkam[0044] Fig. 3 [0045] Fig. 1 mer 2 und eine zweite Brennkammer 3, wobei die zweite Brennkammer 3 stromabwärts unmittelbar an die erste Brennkammer 2 anschließt. Die erste Brennkammer 2 umfasst ein katalytisches Material 9, welches beispielsweise als Gewebe ausgebildet ist, wohingegen die zweite Brennkammer 3 einen in Fig. 1 nicht dargestellten Flammenbrenner umfasst. Die beiden Brennkammern 2, 3 schließen in Fließrichtung unmittelbar aneinander an, wobei ein BrennstoffGemisch zuerst die erste Brennkammer 2 und anschließend die zweite Brennkammer 3 durchströmt. Die Fließrichtung ist gemäß Fig. 1 also von rechts nach links angegeben. Der Brenner 1 ist sowohl als Startbrenner als auch als Nachbrenner in einem Brennstoffzellensystem 100 verwendbar. Bei einer Verwendung des Brenners 1 als Startbrenner wird in diesem ein Betriebsfluid-Gemisch, insbesondere ein Gemisch aus Brennstoff und Luft, vollständig verbrannt, wobei das dadurch entstehende Gas zur Erwärmung von Komponenten den Brennstoffzellensystems 100 bzw. des Brennstoffzellensystems 100 selbst verwendbar ist. Wird der Brenner 1 als Nachbrenner verwendet, dann wird in diesem Brennstoffzellenstapelabgas verbrannt.shows a burner 1 according to the invention. This comprises a first combustion chamber [0044] FIG. 3 [1] 2 and a second combustion chamber 3, the second combustion chamber 3 connecting directly downstream of the first combustion chamber 2. The first combustion chamber 2 comprises a catalytic material 9, which is designed, for example, as a fabric, whereas the second combustion chamber 3 comprises a flame burner, not shown in FIG. 1. The two combustion chambers 2, 3 directly adjoin one another in the direction of flow, a fuel mixture first flowing through the first combustion chamber 2 and then through the second combustion chamber 3. The flow direction is thus indicated from right to left in FIG. 1. The burner 1 can be used both as a starting burner and as an afterburner in a fuel cell system 100. When the burner 1 is used as a starting burner, an operating fluid mixture, in particular a mixture of fuel and air, is completely burned in it, the resulting gas being usable for heating components of the fuel cell system 100 or the fuel cell system 100 itself. If the burner 1 is used as an afterburner, then the fuel cell stack exhaust gas is burned.

[0046] In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 100 mit einem solchen Brenner 1 gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst weiter einen BrennstoffzellenstapelA fuel cell system 100 according to the invention with such a burner 1 is shown in FIG. 2. The fuel cell system 100 further comprises a fuel cell stack

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110 mit einem Anodenabschnitt 120 und einem Kathodenabschnitt 130 sowie einen Wärmetauscher 7 und einen Reformer 8, wobei alle diese Elemente in einer Hotbox 10 angeordnet sind. Die Hotbox 10 isoliert die darin angeordneten Elemente thermisch gegenüber der Umgebung. Weiter umfasst das Brennstoffzellensystem 100 eine erste Betriebsfluidquelle 5 und eine zweite Betriebsfluidquelle 6, wobei die erste Betriebsfluidquelle 5 einen Brennstoff in Form von Erdgas und eine zweite Betriebsfluidquelle 6 ein Oxidationsmittel in Form von Umgebungsluft bereitstellt. Ferner sind ein Gebläse 11 und mehrere Ventile 12 vorgesehen. All diese Elemente sind außerhalb der Hotbox 10 angeordnet.110 with an anode section 120 and a cathode section 130 as well as a heat exchanger 7 and a reformer 8, all of these elements being arranged in a hot box 10. The hot box 10 thermally insulates the elements arranged therein from the surroundings. The fuel cell system 100 further comprises a first operating fluid source 5 and a second operating fluid source 6, the first operating fluid source 5 providing a fuel in the form of natural gas and a second operating fluid source 6 an oxidizing agent in the form of ambient air. A blower 11 and a plurality of valves 12 are also provided. All of these elements are arranged outside the hot box 10.

[0047] Daneben umfasst ein Brennstoffzellensystem 100 auch mehrere Fluidleitungen. Von der ersten Betriebsfluidquelle 5 führt eine erste Fluidleitung 13 und von der zweiten Betriebsfluidquelle 6 führt eine zweite Fluidleitung 14 weg. Die erste Fluidleitung 13 trennt sich außerhalb der Hotbox 10 in eine erste Teilleitung 13a und eine zweite Teilleitung 13b der zweiten Fluidleitung 13. Die erste Teilleitung 13a der ersten Fluidleitung 13 führt über ein Ventil 12 zum Reformer 8 und stromabwärts desselben zum Anodenabschnitt 120 des Brennstoffzellenstapels 110. Die zweite Teilleitung 13b der ersten Fluidleitung 13 führt ebenfalls über ein Ventil 12 zum Kammereingang 4 des Brenners 1. Auch die zweite Fluidleitung 14 trennt sich stromabwärts der zweiten Betriebsfluidquelle 6 in eine erste Teilleitung 14a und zweite Teilleitung 14b.In addition, a fuel cell system 100 also includes several fluid lines. A first fluid line 13 leads from the first operating fluid source 5 and a second fluid line 14 leads away from the second operating fluid source 6. The first fluid line 13 separates outside the hotbox 10 into a first sub-line 13 a and a second sub-line 13 b of the second fluid line 13. The first sub-line 13 a of the first fluid line 13 leads to the reformer 8 via a valve 12 and downstream to the anode section 120 of the fuel cell stack 110 The second partial line 13b of the first fluid line 13 likewise leads via a valve 12 to the chamber inlet 4 of the burner 1. The second fluid line 14 also separates downstream of the second operating fluid source 6 into a first partial line 14a and second partial line 14b.

[0048] Stromabwärts der zweiten Betriebsfluidquelle 6 ist außerhalb der Hotbox 10 ein Gebläse 11 angeordnet. Die erste Teilleitung 14a der zweiten Fluidleitung 14 führt in Richtung des Kathodenabschnittes 130 des Brennstoffzellenstapels 110, wobei die darin geführte Luft stromaufwärts des Kathodenabschnittes 130 über eine kalte Seite des Wärmetauschers 7 geführt wird. Stromaufwärts des Wärmetauschers 7 und stromabwärts des Gebläses 11 wird von der zweiten Fluidleitung 14 die zweite Teilleitung 14b abgezweigt, über welche Luft in Richtung des Kammereinganges 4 des Brenners 1 transportierbar ist.A fan 11 is arranged downstream of the second operating fluid source 6 outside the hot box 10. The first partial line 14a of the second fluid line 14 leads in the direction of the cathode section 130 of the fuel cell stack 110, the air conducted therein being conducted upstream of the cathode section 130 via a cold side of the heat exchanger 7. Upstream of the heat exchanger 7 and downstream of the blower 11, the second partial line 14b is branched off from the second fluid line 14, via which air can be transported in the direction of the chamber inlet 4 of the burner 1.

[0049] Die zweite Teilleitung 13b der ersten Fluidleitung 13 und die zweite Teilleitung 14b der zweiten Teilleitung 14 führen also zum Brenner 1, um das Brennstoffzellensystem 100 bei einer Verwendung des Brenners 1 als Startbrenner aufzuheizen. Stromabwärts des Brenners 1 wird die Wärme des verbrannten Betriebsfluid-Gemisches bzw. das dadurch entstehende Prozessgas genutzt, um den Wärmetauscher 7 und den Reformer 8 aufzuheizen, wobei diese in zwei parallelen Leitungen 15a, 15b angeordnet sind. Das heiße Gas wird also jeweils einer warmen Seite des Wärmetauschers 7 und des Reformers 8 zugeführt. Die Betriebsfluide der Betriebsfluidquellen 5, 6 werden also durch das verbannte Betriebsfluid-Gemisch auf eine vorbestimmte Temperatur gebracht.The second sub-line 13b of the first fluid line 13 and the second sub-line 14b of the second sub-line 14 thus lead to the burner 1 in order to heat the fuel cell system 100 when the burner 1 is used as a starting burner. Downstream of the burner 1, the heat of the burned operating fluid mixture or the process gas resulting therefrom is used to heat the heat exchanger 7 and the reformer 8, these being arranged in two parallel lines 15a, 15b. The hot gas is thus fed to a warm side of the heat exchanger 7 and the reformer 8. The operating fluids of the operating fluid sources 5, 6 are thus brought to a predetermined temperature by the banished operating fluid mixture.

[0050] Fig. 3 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 100 mit einem solchen Brenner 1. Alle Elemente, welche jenen (inkl. deren Funktion) dem Brennstoffzellensystem gemäß Fig. 1 entsprechen werden nicht näher beschrieben. Im Unterschied zu Fig. 1 umfasst dieses Brennstoffzellensystem 100 eine elektrische Wärmequelle 17, welche außerhalb der Hotbox 10 angeordnet ist. Die elektrische Wärmequelle 17 ist dazu ausgebildet und angeordnet, den Brenner 1, insbesondere das katalytische Material der ersten Brennkammer 2 auf Betriebstemperatur zu bringen. Die elektrische Wärmequelle 17 kann beispielsweise als kalorische Heizvorrichtung ausgestaltet sein oder eine solche kalorische Heizvorrichtung aufweisen. Das Gebläse 11 ist auch (zusätzlich zur oben beschriebenen Funktionsweise) dazu ausgebildet bzw. kann auch dazu verwendet werden, die elektrische Wärmequelle 17 mit einem Temperierfluid zu beaufschlagen. Als Temperierfluid wird vorliegend Luft verwendet. Das Zuführen von Luft zur elektrischen Wärmequelle 17 ist durch ein Ventil 12 steuerbar bzw. ein- und ausschaltbar.3 shows a further fuel cell system 100 according to the invention with such a burner 1. All elements which correspond to those (including their function) of the fuel cell system according to FIG. 1 are not described in more detail. In contrast to FIG. 1, this fuel cell system 100 comprises an electrical heat source 17, which is arranged outside the hot box 10. The electrical heat source 17 is designed and arranged to bring the burner 1, in particular the catalytic material of the first combustion chamber 2, to the operating temperature. The electrical heat source 17 can be configured, for example, as a calorific heating device or can have such a caloric heating device. The blower 11 is also designed (in addition to the above-described mode of operation) or can also be used to apply a temperature control fluid to the electrical heat source 17. In the present case, air is used as the temperature control fluid. The supply of air to the electrical heat source 17 can be controlled by a valve 12 or switched on and off.

[0051] Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Brenner 1 sowohl als Startbrenner als auch als Nachbrenner genutzt. Zum Aufwärmen des Brennstoffzellensystems 100 wird das zweite Betriebsfluid über die zweite Betriebsleitung 14b elektrisch erhitzt und erwärmt in weiterer Folge den Brenner 1 auf Betriebstemperatur. Als Betriebstemperatur wird hier jene Temperatur bezeichnet, ab der die vollständige katalytische Verbrennung von Erdgas möglich ist. Sobald der Brenner 1 diese Betriebstemperatur erreicht hat, wird das erste Betriebsfluid in FormIn a method according to the invention, the burner 1 is used both as a starting burner and as an afterburner. To warm up the fuel cell system 100, the second operating fluid is electrically heated via the second operating line 14b and subsequently heats the burner 1 to operating temperature. The operating temperature is the temperature above which the complete catalytic combustion of natural gas is possible. As soon as the burner 1 has reached this operating temperature, the first operating fluid is in shape

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AT 520 881 B1 2020-04-15 österreichisches patentamt von Erdgas über die erste Teilleitung 13b und das zweite Betriebsfluid in Form von Umgebungsluft über die beiden zweiten Teilleitungen 14a, 14b in die erste Brennkammer 2 des Brenners 1 geleitet, wobei diese stromaufwärts des Kammereinganges 4 der ersten Brennkammer 2 miteinander zu einem Betriebsfluid-Gemisch vermischt werden. In der ersten Brennkammer 2 wird das Betriebsfluid-Gemisch bei einer Temperatur von etwa 600 °C katalytisch verbrannt. Dabei wird das als Luftbrennstoffgemisch vorliegende Betriebsfluid-Gemisch derart gemischt, dass die Verbrennungstemperatur die zulässige maximale Betriebstemperatur des Katalysators nicht überschreitet. Sobald der Katalysator durcherhitzt ist, werden die Brennstoff- und die Luftmenge weiter erhöht um eine größere Wärmeleistung zu erreichen. Das Gemisch wird dabei so eingestellt, dass in der ersten Brennkammer keine vollständige Verbrennung stattfindet. Unmittelbar nach der ersten Brennkammer 2 wird das teilweise verbrannte BetriebsfluidGemisch in die zweite Brennkammer 3 geleitet, in welcher dieses durch eine Flammenverbrennung vollständig verbrannt wird. Das verbrannte Betriebsfluid-Gemisch bzw. das Prozessgas wird nun aus dem Brenner 1 geleitet, wobei dieses abhängig von einer Aufheizstrategie eine Temperatur von etwa 900 °C bis etwal 100 °C aufweist. Stromabwärts des Brenners 1 wird das Prozessgas auf die zwei parallel zueinander angeordneten Leitungen 15a, 15b aufgeteilt. Ein erster Teil des Prozessgases wird auf die warme Seite des Wärmetauschers 7 und ein zweiter Teil auf die warme Seite des Reformers 8 geführt. Gleichzeitig wird von der ersten Betriebsfluidquelle 5 Erdgas über die erste Teilleitung 13a auf die kalte Seite des Reformers 8 geführt, wobei das Erdgas nun vom heißen Prozessgas aufgewärmt bzw. dadurch reformiert wird bevor dieses zum Anodenabschnitt 120 weitergeleitet wird. Parallel dazu wird von der zweiten Betriebsfluidquelle 6 Luft über die erste Teilleitung 14a mithilfe des Gebläses zum Wärmetauscher 7 geleitet, wodurch die Luft für den Kathodenabschnitt 130 erwärmt wird. Dadurch werden der Brennstoffzellenstapel 110 und das Brennstoffzellensystem 100 auf eine vordefinierte Betriebstemperatur gebracht. Sobald diese erreicht ist, wird die Zufuhr des ersten Betriebsfluids über die zweite Teilleitung 13b zum Brenner 1 durch Stellung des Ventils 12 eingestellt.AT 520 881 B1 2020-04-15 Austrian patent office for natural gas via the first sub-line 13b and the second operating fluid in the form of ambient air via the two second sub-lines 14a, 14b into the first combustion chamber 2 of the burner 1, the latter upstream of the chamber inlet 4 of the first combustion chamber 2 are mixed with one another to form an operating fluid mixture. In the first combustion chamber 2, the operating fluid mixture is burned catalytically at a temperature of approximately 600 ° C. The operating fluid mixture present as an air-fuel mixture is mixed in such a way that the combustion temperature does not exceed the permissible maximum operating temperature of the catalytic converter. As soon as the catalyst is fully heated, the amount of fuel and air are increased further in order to achieve a higher thermal output. The mixture is adjusted so that there is no complete combustion in the first combustion chamber. Immediately after the first combustion chamber 2, the partially burned operating fluid mixture is conducted into the second combustion chamber 3, in which it is completely burned by flame combustion. The burned operating fluid mixture or the process gas is now led out of the burner 1, which, depending on a heating strategy, has a temperature of approximately 900 ° C. to approximately 100 ° C. Downstream of the burner 1, the process gas is divided into the two lines 15a, 15b arranged parallel to one another. A first part of the process gas is led to the warm side of the heat exchanger 7 and a second part to the warm side of the reformer 8. At the same time, natural gas is led from the first operating fluid source 5 via the first partial line 13a to the cold side of the reformer 8, the natural gas now being warmed up or reformed by the hot process gas before it is passed on to the anode section 120. At the same time, air is conducted from the second operating fluid source 6 via the first sub-line 14a with the aid of the blower to the heat exchanger 7, as a result of which the air for the cathode section 130 is heated. As a result, the fuel cell stack 110 and the fuel cell system 100 are brought to a predefined operating temperature. As soon as this is reached, the supply of the first operating fluid to the burner 1 via the second sub-line 13b is stopped by setting the valve 12.

[0052] Das Brennstoffzellensystem 100 befindet sich nun im Regelbetrieb und der Brenner 1 wird als Nachbrenner benutzt. In diesem wird Abgas des Brennstoffzellenstapels 110, welches in diesem nicht vollständig verbrannt wurde, verbrannt. Dafür werden Anodenabgas und Kathodenabgas stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 110 und stromaufwärts des Kammereinganges 4 der ersten Brennkammer 2 zusammengeführt. Dieses wird in die erste Brennkammer 2 geleitet und in dieser vollständig katalytisch verbrannt. Anschließend wird das verbrannte Gas durch die zweite Brennkammer 3 durchgeleitet, welche in diesem Betrieb keine weitere Funktion hat. Da das Abgas bereits in der ersten Brennkammer 2 vollständig verbrennt wird, ist eine weitere Verbrennung in der zweiten Brennkammer 3 nicht notwendig. Das heiße Prozessgas, welches aus dem Brenner 1 austritt, wird wiederum zum Wärmetauscher 7 und Reformer 8 geleitet, um die Prozessfluide aufzuwärmen. Stromabwärts des Wärmetauschers 7 und des Reformers 8 werden die beiden Leitungen 15a, 15b wieder zusammengeführt und das nun abgekühlte Gas wird an die Umgebung abgegeben oder in einem Behältnis 16 gesammelt.The fuel cell system 100 is now in normal operation and the burner 1 is used as an afterburner. Exhaust gas from the fuel cell stack 110, which was not completely burned in the latter, is burned in this. For this purpose, anode exhaust gas and cathode exhaust gas are brought together downstream of the fuel cell stack 110 and upstream of the chamber entrance 4 of the first combustion chamber 2. This is fed into the first combustion chamber 2 and burned completely catalytically in this. The burned gas is then passed through the second combustion chamber 3, which has no further function in this operation. Since the exhaust gas is already completely burned in the first combustion chamber 2, further combustion in the second combustion chamber 3 is not necessary. The hot process gas, which emerges from the burner 1, is in turn passed to the heat exchanger 7 and reformer 8 in order to heat up the process fluids. Downstream of the heat exchanger 7 and the reformer 8, the two lines 15a, 15b are brought together again and the gas which has now cooled is released to the environment or collected in a container 16.

Claims

1. A method for operating a fuel cell system (100), in particular a stationary fuel cell system (100), the method comprising the following steps:

- Introducing a first operating fluid and a second operating fluid into a first combustion chamber (2) of a burner (1), the first operating fluid and the second operating fluid being mixed upstream of a chamber entrance (4) of the first combustion chamber (2) to form an operating fluid mixture , wherein a catalytic material (9) of the first combustion chamber (2) is brought to operating temperature beforehand by an electrical heat source (17);

- At least partial catalytic combustion of the operating fluid mixture;

- guiding the partially burned operating fluid mixture into a second combustion chamber (3) of the burner (1), the second combustion chamber (3) being arranged immediately downstream of the first combustion chamber (2);

- optionally complete combustion of the operating fluid mixture in the second combustion chamber (3) comprising a flame burner.

2. The method according to claim 1, characterized in that a flow rate of the operating fluid mixture in the first combustion chamber (2) is increased to a predetermined value.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the fuel cell system (100) is heated by the combustion of the operating fluid mixture in the burner (1).

4. The method according to claim 3, characterized in that the operating fluid is only partially burned in a first step in the first combustion chamber (2) and completely burned in a second step in the second combustion chamber (3).

5. The method according to claim 4, characterized in that an introduction of a first operating fluid from a first operating fluid source (5) and a second operating fluid from a second operating fluid source (6) is set as soon as the fuel cell system (100) reaches a predetermined operating temperature.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that fuel cell stack exhaust gas is burned in the burner (1), the fuel cell stack exhaust gas consisting of cathode exhaust gas and anode exhaust gas being completely burned in the first combustion chamber (2).

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the burned operating fluid mixture downstream of the burner (1) for heating at least one heat exchanger (7) and / or a reformer (8) is used, the burned operating fluid Mixture is supplied as system exhaust gas to a warm side of the at least one heat exchanger (7) and / or the reformer (8).

8. burner (1) for a fuel cell system (100), in particular a stationary SOFC system, the burner (1) being designed and arranged as a starting burner and / or afterburner, the burner (1) having two combustion chambers (2, 3) arranged one after the other A first combustion chamber (2) comprises a catalytic material (9) and a second combustion chamber (3) arranged immediately downstream of the first combustion chamber (2) comprises a flame burner, characterized in that an electrical heat source (17) is provided to the Bring catalytic material (9) to operating temperature.

9. burner (1) according to claim 8, characterized in that at least the first combustion chamber (2) comprises honeycomb elements.

10. Burner (1) according to claim 8 or 9, characterized in that the catalytic material (9) of the first combustion chamber (2) is designed as a catalytically coated ceramic or as a catalytically coated metal.

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11. Use of a burner (1) according to one of claims 8 to 10 as a starting burner and / or afterburner in a fuel cell system (100) which is operated with gaseous fuel, in particular in a stationary fuel cell system (100) operated with natural gas.

12. Fuel cell system (100), in particular a stationary SOFC system, with a burner (1) according to one of claims 8 to 10, characterized in that the fuel cell system (100) further comprises a fuel cell stack (110) with an anode section (120) and has a cathode section (130) and a reformer (8) and at least one heat exchanger (7), the burner (1), the fuel cell stack (110), the reformer (8) and the heat exchanger (7) in a hot box (10) are arranged.

13. The fuel cell system (100) according to claim 12, characterized in that a first operating fluid source (5) for providing a first operating fluid and a second operating fluid source (6) are provided for providing a second operating fluid.