AT524310A4 - Brennervorrichtung für ein Brennstoffzellensystem - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennervorrichtung (10) für ein Brennstoffzellensystem (100), aufweisend ein Brennergehäuse (20) mit einem Brennereinlass (22) für einen Einlass von Brennstoff-Luft-Gemisch (BL) und einem Brennerauslass (24) für einen Auslass eines Brennerabgas-Luft-Gemisches (BAL), weiter aufweisend einen Katalysatorkörper (30) innerhalb des Brennergehäuses (20) mit einem Katalysatorhohlraum (32) in welchen der Brennereinlass (22) mündet, wobei der Katalysatorkörper (30) gasdurchlässig ist und eine Katalysatoroberfläche (34) aufweist mit wenigstens teilweise katalytischer Beschichtung (36), wobei sich zwischen der Katalysatoroberfläche (34) und dem Brennergehäuse (20) ein Bypassvolumen (40) ausbildet, welches in den Brennerauslass (24) mündet, wobei weiter der Katalysatorköper (30) eine Längsachse (LA) aufweist und die Katalysatoroberfläche (34) wenigstens abschnittsweise zu dieser Längsachse (LA) eine von der Kreisform abweichende Querschnittskontur (QK) aufweist.
Description
Brennervorrichtung für ein Brennstoffzellensystem
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennervorrichtung für ein Brennstoffzellensystem sowie ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Brennervorrichtung.
Es ist bekannt, dass Brennstoffzellensysteme Brennervorrichtungen aufweisen, welche insbesondere beim Aufheizen des Brennstoffzellensystems Energie in Form von Wärme zur Verfügung stellen. Solche Brennervorrichtungen können im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems zur Nachbehandlung des Abgases als Nachbrenner und/oder auch als Vorbrenner eingesetzt werden. Für das Aufheizen in einer Startphase des Brennstoffzellensystems sind bei bekannten Brennstoffzellensystemen zwei unterschiedliche Brennerkonzepte im Einsatz. Zum einen handelt es sich
um Flammenbrenner und zum anderen um sogenannte katalytische Brenner.
Bei katalytischen Brennern durchströmt eine Brennstofffluid einen Katalysatorkörper und dabei findet eine katalytische Verbrennung statt. Diese katalytische Verbrennung erzeugt Wärme, welche anschließend dem Brennstoffzellensystem und dort insbesondere dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird. Nachteilhaft bei solchen rein katalytisch wirksamen Brennern ist jedoch deren relativ geringe Leistungsfähigkeit sowie deren langsame Aufheizgeschwindigkeit.
Ebenfalls bekannt ist es, dass flammenbehaftete Brenner eingesetzt werden, also Brenner, welche unter einer Flammenbildung ein Brennstoff-Luft-Gemisch verbrennen und auf diese Weise ebenfalls Wärme erzeugen, welche in den Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems eingebracht wird. Nachteilhaft bei den flammenbehafteten Brennern ist es jedoch, dass diese insbesondere in einem Aufheizbetrieb nur mit hohem Aufwand stabil betreibbar sind. Insbesondere beruht dies auf der Tatsache, dass beim Aufheizen eines Brennstoffzellensystems teilweise sehr hohe Masseströme der einzelnen Fluide benötigt werden. Dies führt wiederum zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten, insbesondere in einer Brennervorrichtung, sodass dort die Gefahr besteht, nach dem Zünden der Flamme diese wieder auszublasen und auf diese Weise den Aufheizvorgang in ungewollter Weise zu stoppen. Diesem Nachteil wird üblicherweise durch einen hohen konstruktiven Aufwand begegnet, um eine einmal gezündete Flamme vor dem Ausblasen zu schützen. Neben dem konstruktiven Aufwand führt dies zu einem hohen Bauraumbedarf und entsprechend ho-
hem Gewicht und hohen Kosten für eine solche Brennervorrichtung.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nach-
teile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise den Bauraum einer Brennervor-
richtung zu reduzieren und/oder die Betriebsstabilität der Brennervorrichtung zu ver-
bessern.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Brennervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennervorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genom-
men wird beziehungsweise werden kann.
Erfindungsgemäß ist eine Brennervorrichtung für ein Brennstoffzellensystem vorgesehen. Eine solche Brennervorrichtung weist ein Brennergehäuse mit einem Brennereinlass für einen Einlass von Brennstoff-Luft-Gemisch auf. Weiter ist das Brennergehäuse mit einem Brennerauslass für einen Auslass von Brennerabgas-LuftGemisch ausgestattet. Darüber hinaus weist die Brennervorrichtung einen Katalysatorkörper innerhalb des Brennergehäuses auf mit einem Katalysatorhohlraum, in welchen der Brennereinlass mündet. Der Katalysatorkörper ist dabei gasdurchlässig und mit einer Katalysatoroberfläche ausgestattet, welche wenigstens teilweise mit einer katalytischen Beschichtung versehen ist. Dabei bildet sich zwischen der KataIysatoroberfläche und dem Brennergehäuse ein Bypassvolumen aus, welches in den Brennerauslass mündet. Der Katalysatorkörper weist eine Längsachse auf, wobei die Katalysatoroberfläche wenigstens abschnittsweise zu dieser Längsachse eine von der Kreisform abweichende Querschnittskontur aufweist.
Eine erfindungsgemäße Brennervorrichtung unterscheidet sich insbesondere dadurch von den bekannten Brennstoffzellensystemen, dass sie eine hybride Brennfunktionalität aufweist. So dient sie als hybride Brennervorrichtung dazu, sowohl eine flammenbehaftete Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemisches als auch eine katalytische Umsetzung zur Verfügung zu stellen. Insbesondere basiert dies auf unter-
schiedlichen Betriebstemperaturen, sodass zu Beginn der Umsetzung die katalyti-
reduziert werden.
Um trotz des reduzierten Bauraums für das Zünden der flammenbehafteten Verbrennung sowie den Betrieb der katalytischen Verbrennung eine ausreichend große kataIytische Oberfläche zur Verfügung zu stellen, ist in erfindungsgemäßer Weise die Katalysatoroberfläche mit einer Querschnittskontur ausgestattet, welche von der Kreisform abweicht. Darunter ist zu verstehen, dass bei einer Schnittdarstellung durch den Katalysatorkörper quer zu der Längsachse die Umrandung der Katalysatoroberfläche die Querschnittskontur in diesem Schnitt darstellt. Während bei einem rein zylindrischen Katalysatorkörper sich auf diese Weise im Schnitt eine rein kreisförmige oder im Wesentlichen kreisförmige Querschnittskontur ausbilden würde, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass diese Querschnittskontur von der Kreisform abweicht. Dadurch, dass diese Querschnittskontur von der Kreisform abweicht, wird eine KataIysatoroberfläche erzeugt, deren geometrische Erstreckung größer ist als bei einem Zylinder. Je stärker die Abweichung der Querschnittskontur von der Kreisform erfindungsgemäß ausgeführt wird, umso stärker ist der Vergrößerungsfaktor für die geo-
metrische Erstreckung der Katalysatoroberfläche.
Wie aus dem voranstehenden Absatz ersichtlich ist, wird also durch die Abweichung der Querschnittskontur von der Kreisform eine Vergrößerung der Katalysatoroberfläche bei gleichem oder im Wesentlichen gleichem Volumen im Verhältnis zu einem zylindrischen Katalysatorkörper erreicht. Neben der Kombination von katalytischer und flammenbehafteter Verbrennung in der hybriden Betriebsweise der Brennervorrichtung, wird bei gleichem oder reduziertem Bauraum zusätzlich die katalytische Wirkung durch eine Vergrößerung der Katalysatoroberfläche verstärkt. Dies kann
insbesondere eine deutliche Vergrößerung um den Faktor 2 oder mehr sein.
Es bleibt zusammenzufassen, dass in erfindungsgemäßer Weise eine hybride Brenn-
funktionalität zur Verfügung gestellt wird, welche zusätzlich auf einer vergrößerten
Katalysatoroberfläche basiert, sodass im Ergebnis eine Effizienzsteigerung bei redu-
ziertem Bauraum und maximierter Wärmeabgabe erzielt werden kann.
Es ist darauf hinzuweisen, dass unter einer katalytischen Beschichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung ein katalytisch wirksames Material verstanden wird. Dieses katalytisch wirksame Material dient dabei insbesondere dazu, Radikale aus dem Brennstoff zu erzeugen, welche die Flammenbildung unterstützen oder ermöglichen. Insbesondere wird durch die katalytische Umsetzung an diesem katalytischen Material eine hohe Konzentration solcher Radikale erzeugt, um eine Zündsituation im Bereich der Katalysatoroberfläche zu schaffen. Bei einem Brennstoff im Sinne der vorliegenden Erfindung handelt es sich dabei insbesondere um einen gasförmigen
Brennstoff, also ein Brennstoffgas.
Der Katalysatorkörper ist vorzugsweise mit der Längsachse als Haupterstreckungsrichtung ausgebildet. Grundsätzlich kann dieser Katalysatorkörper von einer zylindrischen Grundform ausgehen, wobei die erfindungsgemäße Vorgabe der Querschnittskontur eingehalten wird. Die jeweiligen Zylinderenden des Katalysatorkörpers können geschlossen ausgebildet sein. Auch können diese Enden sowohl gasdicht als auch gasdurchlässig ausgebildet sein. Bevorzugt ist es, wenn die Hauptdurchlassrichtung für das Brennstoff-Luft-Gemisch quer zur Längsachse, also in radialer
Richtung, ausgebildet ist.
Auch ist noch darauf hinzuweisen, dass sich der Katalysatorkörper vorteilhafterweise zentral innerhalb des Brennergehäuses anordnen lässt. Die zentrale Anordnung des Katalysatorkörpers führt dazu, dass sich ein Bypassvolumen zwischen dem Katalysatorkörper und dem Brennergehäuse ausbildet, welches gleichmäßig, insbesondere symmetrisch, um den Katalysatorkörper herum angeordnet ist. Dadurch, dass das Bypassvolumen nun in der Lage ist, Luft an dem Katalysatorkörper vorbeizuführen, kann ein definierter Lambdawert eingestellt werden, welcher außerhalb des Katalysatorkörpers und damit im Bypassvolumen die gewünschte flammenbehaftete Verbren-
nung zur Verfügung stellt.
Durch die voranstehend beschriebene definierte Ausgestaltung des Bypassvolumens ist es möglich, zum einen eine definierte Konzentrationssituation zwischen Brennstoff
und Luft für die katalytische Verbrennung und zum anderen ein definiertes Luftver-
hältnis für die flammenbehaftete Verbrennung im Bypassvolumen auszubilden. Ins-
besondere gelingt dies durch entsprechende Kontrollventile, wie sie beispielsweise
später noch näher erläutert werden.
Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung das Brennergehäuse einen, insbesondere vom Brennereinlass separaten, Lufteinlass aufweist für einen Einlass von Luft in das Bypassvolumen. Selbstverständlich kann auch über andere Kanäle Luft in das Bypassvolumen eingebracht werden. Dabei kann der Lufteinlass in fluidkommunizierender Verbindung mit einer Luftquelle stehen, welche als gemeinsame Luftquelle auch den Brennereinlass für das Erzeugen des Brennstoff-Luft-Gemisches mit entsprechender Luft versorgt. Bei einem Brennstoffzellensystem handelt es sich dabei in einfachster Weise um eine Ansaugung von Umgebungsluft als Luftquelle.
Wie später noch erläutert, kann durch das Einbringen von Luft über den separaten Lufteinlass die Luftkonzentration in Bypassvolumen und damit das stöchiometrische Verhältnis zum Brennstoff im Bypassvolumen eingestellt werden. Die gewünschte flammenbehaftete Verbrennung kann auf diese Weise verbessert kontrolliert und vor allem unabhängig von der katalytischen Verbrennung gesteuert und/oder geregelt
werden.
Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn der Lufteinlass gemäß dem voranstehenden Absatz ein Kontrollventil für eine Kontrolle des Massenstroms an Luft in das Bypassvolumen aufweist. Ein solches Kontrollventil erlaubt insbesondere auch ein vollständiges Absperren und/oder ein vollständiges Öffnen des jeweiligen Lufteinlasses, sodass das Bypassvolumen in einer Extremstellung vollständig von der Luftzufuhr abgeschlossen werden kann. Sobald eine Zündung der flammenbehafteten Verbrennung erfolgt ist, kann über das Kontrollventil die Stärke der flammenbehafteten Verbrennung durch die Variation der stöchiometrischen Verhältnisse im Bypassvolumen über das Kontrollventil variiert werden. Es wird so eine besonders einfache und kostengünstige Kontrollmöglichkeit gegeben, um separat von der katalytischen Verbren-
nung die flammenbehaftete Verbrennung zu kontrollieren.
Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung im und/oder nach dem Brennerauslass eine Luftzufuhr für eine kontrollierte Zufuhr von Luft in das Brennerabgas-Luft-Gemisch angeordnet ist. Insbesondere ist
dies kombiniert mit einem Lufteinlass gemäß dem voranstehenden Absatz. Dabei
kann es sich auch um einen externen Bypass handeln, welcher in der Lage ist, Luft
vollständig an der Brennervorrichtung und sowohl an der katalytischen als auch der
flammenbehafteten Verbrennung vorbeizuführen. Eine Kontrollierbarkeit für die ein-
zelnen verwendeten Gase und die sich entsprechend einstellenden Gaszusammen-
setzungen wird auf diese Weise weiter erhöht.
Vorteile bringt es darüber hinaus mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung der Brennereinlass, ein Hohlraumeinlass in den Katalysatorhohlraum und/oder der Katalysatorhohlraum selbst einen Mischabschnitt aufweist für ein Vermischen von Luft und Brennstoff. Während es grundsätzlich möglich ist, das Brennstoff-Luft-Gemisch von extern vorgemischt der Brennervorrichtung zuzuführen, kann eine solche Mischvorrichtung als Mischabschnitt auch in die Brennervorrichtung integriert sein. Eine solche Integration erlaubt es, am Brennereinlass, an einem Hohlraumeinlass und/oder in den Katalysatorhohlraum integriert die Mischung durchzuführen, sodass als externe Anschlüsse an der Brennervorrichtung für diesen Mischabschnitt die Zufuhr von reinem oder im Wesentlichen reinem Brennstoff und von Luft möglich ist. Dies erlaubt es, den Mischabschnitt in das Modul der Brennervorrichtung zu integrieren und auch bei bestehenden Brennstoffzellensystemen eine er-
findungsgemäße Brennervorrichtung nachzurüsten.
Es kann weitere Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung der Katalysatorkörper für einen radialen Auslass von Brennstoff-LuftGemisch, insbesondere ausschließlich für einen radialen Auslass von BrennstoffLuft-Gemisch, bezogen auf die Längsachse, ausgebildet ist. Ein solcher radialer Auslass kann zum Beispiel durch die später noch erläuterte poröse Ausgestaltung des Katalysatorkörpers zur Verfügung gestellt werden. Selbstverständlich sind jedoch auch andere Gasdurchlässigkeiten, wie zum Beispiel Gitterstrukturen, Schwammstrukturen oder Netzstrukturen im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar. Für einen ausschließlich radialen Auslass des Brennstoff-Luft-Gemisches kann der Katalysatorkörper an seinen Enden vorzugsweise gasdicht abgeschlossen sein. Eine rein radiale Strömungsrichtung durch den Katalysatorkörper hindurch erlaubt es, die katalytische Verbrennungssituation zu vereinheitlichen und insbesondere über die gesamte Katalysatoroberfläche möglichst gleichmäßig zu verteilen. Dadurch, dass die katalytische Brennfunktionalität als Basis für die nachgeordnete flammenbehaftete Verbrennung dient, führt dies im zweiten Schritt auch zu einer
vergleichsmäßigten flammenbehafteten Verbrennung im Bypassvolumen.
für die hybride Verbrennung zur Verfügung gestellt.
Vorteilhaft ist es weiter, wenn bei einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung die Querschnittskontur symmetrisch oder im Wesentlichen symmetrisch zur Längsachse ausgebildet ist. Eine solche symmetrische oder im Wesentlichen symmetrische Ausgestaltung ist insbesondre als punktsymmetrische Ausgestaltung in der Schnittebene quer zur Längsachse und damit zum Schnittpunkt der Längsachse mit dieser Querschnittsebene zu verstehen. Somit wird es möglich, solche punktsymmetrisch ausgestalteten Querschnittskonturen von rotationssymmetrischen Querschnittskonturen zylindrischer Katalysatorkörper zu unterscheiden. Dabei ist noch darauf hinzuweisen, dass selbstverständlich die Querschnittskontur entlang der Längsachse im Rahmen der vorliegenden Erfindung variieren kann. So kann beispielsweise neben einer Abweichung von der Kreiskontur in einem Querschnitt diese Querschnittskontur entlang der Längsachse variiert werden, sodass beispielsweise über den Verlauf der Längsachse die Querschnittskontur eine zusätzliche Einbuchtung und/oder Auswölbung aufweist. Man kann dies auch als doppelte oder zusätzliche Auswölbung oder Krümmung bezeichnen, welche die erfindungsgemäße Vergrößerung der katalytischen Wirkung durch die Vergrößerung der geometrischen Erstreckung der Kataly-
satoroberfläche noch weiter verstärkt.
Rige Brennverhältnisse für die hybriden Brennfunktionen zur Verfügung gestellt.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung die Querschnittskontur zumindest abschnittsweise sternförmig ausgebildet ist. Dies ist insbesondere kombiniert mit der bereits mehrfach erläuterten symmetrischen Ausgestaltung zur Längsachse, sodass ein punktsymmetrischer Stern als Querschnittskontur zur Verfügung gestellt wird. Die Sternspitzen definieren dabei den Außenradius und die Sterntäler den entsprechenden Innenradius. Die zugehörige und gewünschte Vergrößerung der katalytischen Oberfläche wird hier mit einer maximalen Reduktion des Bauraums bei gleichzeitig erhöhter Effizienz der Wärmeerzeugung
zur Verfügung gestellt.
Es ist weiter vorteilhaft, wenn bei einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung der Katalysatorkörper zumindest im Bereich der Katalysatoroberfläche, insbesondere vollständig oder im Wesentlichen vollständig, porös ausgebildet ist. Unter einer porösen Ausbildung ist insbesondere eine zumindest teilweise offenporige Porosität zu verstehen. Vorzugsweise ist der offenporige Anteil des porösen Materials im Bereich von 50 bis 100 Prozent. Dies bedeutet, dass eine durchlässige Porenstruktur die erfindungsgemäße Gasdurchlässigkeit zur Verfügung stellt. Beispielsweise können Keramikmaterialien und/oder Metallmaterialien eingesetzt werden. Eine Fertigung kann zum Beispiel durch additive Fertigungsverfahren zur Verfügung gestellt werden. Weitere Möglichkeiten der Herstellung sind zum Beispiel ein Aufschäumen oder ein Beschichten von Schäumen, wie beispielsweise Polymerschwämmen. Dadurch ergibt sich in poröser Weise eine schwammartige Struktur, welche insbesondere zusätzlich innerhalb der Poren ebenfalls mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung ausge-
stattet ist.
Bei einer Brennervorrichtung gemäß dem voranstehenden Absatz kann es vorteilhaft sein, wenn der Katalysatorkörper entlang der Längsachse eine variierende Porosität
aufweist. Mit anderen Worten wird über den Verlauf der Längsachse eine unter-
Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung die Katalysatoroberfläche wenigstens abschnittsweise eine Flächennormale aufweist, welche eine benachbarte Flächenormale der Katalysatoroberfläche außerhalb des Katalysatorkörpers schneidet. Dies erlaubt es, die Querschnittskontur noch genauer zu definieren. So reicht es bei dieser Ausführungsform aus, wenn die Querschnittskontur so weit von der Kreisform abweicht, dass sich zwei Flächennormalen von unterschiedlichen Positionen der Katalysatoroberfläche, innerhalb des Bypassvolumens und damit außerhalb des Katalysatorkörpers, schneiden. Dies führt dazu, dass diese Flächenabschnitte der sich schneidenden Flächennormalen aufeinander zugerichtet sind. Bei einem Betrieb einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung ist es unter anderem von Vorteil, wenn ein Teil der erzeugten Wärme der flammenbehafteten Verbrennung an den Katalysatorkörper und insbesondere an die Katalysatoroberfläche zurückgeführt wird. Da dies üblicherweise hauptsächlich über Wärmestrahlung erfolgt, kann durch die Ausrichtung der einzelnen Oberflächen zueinander, wie dies bei dieser Ausführungsform der Fall ist, diese Strahlungsrückführung der Wärme verstärkt werden. Mit anderen Worten wird bei dieser Ausgestaltungsform mit höherer Wahrscheinlichkeit sichergestellt, dass die Katalysatoroberfläche durch die flammenbehaftete Verbrennung weiter mit Wärme versorgt wird. Durch diese Wärmever-
sorgung ist sichergestellt, dass die Katalysatoroberfläche nicht in unerwünschter
eine stabile flammenbehaftete Verbrennung zur Verfügung stellt.
Vorteile bringt es ebenfalls mit sich, wenn bei einer Brennervorrichtung gemäß dem voranstehenden Absatz die Katalysatoroberfläche wenigstens abschnittsweise eine Flächennormale aufweist, welche die Katalysatoroberfläche in einem benachbarten Abschnitt schneidet. Dies verstärkt die Einbuchtung gemäß dem voranstehenden Absatz noch weiter, sodass die Flächennormale nicht nur eine benachbarte Flächennormale, sondern direkt einen benachbarten Oberflächenabschnitt der Katalysatoroberfläche schneidet, sodass die Rückstrahlung von Wärme und damit die Rück-
übertragung aus der Flammenzone noch weiter verstärkt ist.
Vorteile bringt es ebenfalls mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung die Katalysatoroberfläche zumindest einen Führungsabschnitt für eine Führung der Luft im Bypassvolumen aufweist, welcher sich insbesondere entlang oder im Wesentlichen entlang der Längsachse erstreckt. Ein solcher Führungsabschnitt kann auch als Führungsfinne bezeichnet werden und erstreckt sich insbesondere entlang der Strömungsrichtung der Luft im Bypassvolumen. Dies erlaubt es, zusätzlich zu der verbesserten katalytischen Brennerfunktion eine Strömungsoptimierung durch die Querschnittskontur zur Verfügung zu stellen. Luft im Bypass wird vor Verwirbelungen geschützt, indem eine solche finnenartige Struktur als Führungsabschnitt die Luftströmung führt und vorzugsweise vor Verwirbelungen im Bereich einer Flammenzone oberhalb der Katalysatoroberfläche schützt. Die Stabilität der flammenbehafteten Verbrennung kann auf diese Weise noch weiter verbessert werden. Zusätzlich erlaubt diese definierte geometrische Führungsfunktion für die Luft im By-
passvolumen eine verbesserte Durchmischung oberhalb der Katalysatoroberfläche.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem zur Erzeugung von elektrischer Energie aus einem Brennstoff und/oder zur Erzeugung von Brennstoff aus elektrischer Energie, aufweisend wenigstens eine erfindungsgemäße Brennervorrichtung. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Brennervorrichtung erläutert worden sind. Ein solches Brennstoffzellensystem dient also, beispielsweise als SOFC-Brennstoffzellensystem, zur Erzeugung von elektrischer Energie aus einem gasförmigen Brennstoff. Umgekehrt kann ein solches
Brennstoffzellensystem aus elektrischer Energie auch, beispielsweise als SOEC-
Brennstoffzellensystem, einen Brennstoff herstellen. In beiden Betriebsweisen ist für
das Starten des Brennstoffzellensystems das Erreichen einer Betriebstemperatur
notwendig, sodass eine erfindungsgemäße Brennervorrichtung die ausführlich erläu-
terten Vorteile für ein solches Brennstoffzellensystem mit sich bringen kann.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen schema-
tisch:
Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung,
Fig. 2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung,
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung,
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung,
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung,
Fig. 6 ein möglicher Teilquerschnitt durch einen Katalysatorkörper,
Fig. 7 ein möglicher Teilquerschnitt durch einen weiteren Katalysatorkörper,
Fig. 8a eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brenn-
stoffzellensystems und
Fig. 8b eine weitere schematische Darstellung eines erfindungsgemäRen Brennstoffzellensystems.
Figur 1 zeigt schematisch im seitlichen Querschnitt entlang der Längsachse LA eine
Brennervorrichtung 10. Diese weist zwei Hauptelemente auf. Zum einen ist dies das
Darüber hinaus ist in der Figur 1 zu erkennen, dass über einen Lufteinlass 26 Luft L
in das Bypassvolumen 40 eingebracht wird. Es bildet sich ein Gemisch aus Brennerabgas und Luft L als Brennerabgas-Luft-Gemisch BAL aus, welches das Bypassvo-
lumen 40 über den Brennerauslass 24 wieder verlässt.
Hinsichtlich der Funktionsweise kann die Brennervorrichtung 10 als hybrider Brenner bezeichnet werden. Das Brennstoff-Luft-Gemisch BL durchdringt den gasdurchlässigen porösen Katalysatorkörper 30 und gelangt auf die Katalysatoroberfläche 34, welcher eine katalytische Beschichtung 36 aufweist. Durch die katalytische Beschichtung ist eine Umsetzung des Brennstoffs B möglich, sodass Radikale entstehen, welche wiederum eine flammenbehaftete Verbrennung des restlichen Brennstoffs B mit der Luft L im Bypassvolumen 40 erlauben. Die entstehende Abwärme wird über das Brennerabgas-Luft-Gemisch BAL aus der Brennervorrichtung 10 über den Brennerauslass 24 ausgetragen und den weiteren Komponenten des Brennstoffzellensystems 100 zugeführt.
Die Figur 2 zeigt im schematischen Querschnitt quer zur Längsachse LA nun eine Querschnittskontur QK des Katalysatorkörpers 30 in erfindungsgemäßer Weise. Hier sind vier Einbuchtungen dargestellt, welche die Querschnittskontur QK von der Kreisform abweichen lassen. Der Katalysatorhohlraum 32 ist ähnlich ausgebildet, sodass Brennstoff-Luft-Gemisch BL nun radial durch den porösen Katalysatorkörper 30 hindurch an die entsprechenden Einbuchtungen und Auswölbungen der Katalysatoroberfläche 34 und dort an die katalytische Beschichtung 36 gelangt. Die Figur 2 zeigt darüber hinaus, dass die vier Auswölbungen als Führungsabschnitte 35 in finnenartiger Weise entlang der Längsachse LA eine Führung der Luft L im Bypassvolumen 40
zur Verfügung stellen.
Die Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer solchen Brennervorrichtung 10. Sie unterscheidet sich dadurch von der Variante der Figur 1, dass nun die Luftzufuhr in das Bypassvolumen 40 mithilfe eines Kontrollventils 28 geregelt beziehungsweise gesteuert werden kann. Damit wird es möglich, das stöchiometrische Verhältnis im Bypassvolumen 40 genau einzustellen und damit noch genauer die Brennfunktionalitäten der flammenbehafteten Verbrennung zu kontrollieren. Weiter ist in der Figur 4 zu erkennen, dass der Mischabschnitt 50 in einen Hohlraumeinlass 33 des Brennereinlasses 22 integriert ist. Somit wird das Brennstoff-Luft-Gemisch BL direkt am Einlass in den Katalysatorhohlraum 32 ausgebildet, sodass das Gesamtsystem der Brennervorrichtung 10 noch kompakter ausgebildet werden kann. Weiter ist beispielhaft in der Figur 4 zu erkennen, wie die rechte Endfläche des Katalysatorkörpers 30 gasdicht ausgestaltet ist. Dies erlaubt es, die katalytische Wirkung auf die Umfangsfläche des Katalysatorkörpers 30 zu beschränken, was zu einer Vergleichmäßigung der Brennerfunktionen führt.
In der Figur 5 ist eine weitere Ausgestaltung der Brennervorrichtung 10 dargestellt. Hier ist ein Mischabschnitt 50 nun in den Brennereinlass 22 integriert und ragt in den Katalysatorhohlraum 32 hinein. Die Kompaktheit wird auf diese Weise für die Brennervorrichtung 10 maximiert. Auch ist bei dieser Ausführungsform eine zusätzliche Luftzufuhr 29 in den Brennerauslass 24 zu erkennen, welche es erlaubt über ein Kontrollventil Luft L dem Brennerabgas-Luft-Gemisch hinzuzufügen. Damit wird es möglich, zum einen die Auslasstemperatur des Brennerabgas-Luft-Gemisches BAL, aber auch deren stöchiometrisches Verhältnis noch nachträglich außerhalb der Brennervorrichtung 10 zu beeinflussen.
In der Figur 6 ist eine weitere Möglichkeit der Formgebung des Katalysatorkörpers 30
zu erkennen. Hier ist an zwei Positionen der Katalysatoroberfläche 34 jeweils die
In der Figur 7 ist eine noch weitere Verstärkung der voranstehenden Wirkung durch eine weiter angepasste Querschnittskontur QK zu erkennen. Hier ist die Flächennormale FN durch die starke Einbuchtung des Katalysatorkörpers 30 so ausgerichtet, dass sie einen benachbarten Abschnitt des Katalysatorkörpers 30 direkt schneidet. Die im voranstehenden Absatz bezüglich der Figur 6 erläuterte Rückstrahlung durch
Wärmestrahlung wird auf diese Weise maximiert.
Die Figuren 8a und 8b zeigen schematisch ein Brennstoffzellensystem 100, wobei der Brennstoffzellenstapel hier schematisch einen Anodenabschnitt 110 und einen Kathodenabschnitt 120 aufweist. Die Zufuhr zum Kathodenabschnitt 120 ist hier mit einer Brennervorrichtung 10 ausgestattet, welche die erfindungsgemäßen Vorteile mit sich bringt. In Figur 8a ist in der Zufuhr der Luft L zum Kathodenabschnitt 120 noch ein Wärmetauscher HEX angeordnet, welcher Abwärme aus dem Kathodenabgas an die zugeführte Luft L abgibt bevor das Abgas an die Umgebung abgegeben
wird.
Die voranstehende Erläuterung beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste
10 Brennervorrichtung 20 Brennergehäuse
22 Brennereinlass
24 Brennerauslass
26 Lufteinlass
28 Kontrollventil
29 Luftzufuhr
30 Katalysatorkörper
32 Katalysatorhohlraum 33 Hohlraumeinlass
34 Katalysatoroberfläche 35 Führungsabschnitt
36 katalytische Beschichtung 40 Bypassvolumen
50 Mischabschnitt
100 Brennstoffzellensystem 110 Anodenabschnitt
120 Kathodenabschnitt HEX Wärmetauscher
L Luft B Brennstoff BL Brennstoff-Luft-Gemisch
BAL Brennerabgas-Luft-Gemisches
LA Längsachse
QK Querschnittskontur IR Innenradius
AR Außenradius
FN Flächennormale
Claims (15)
1. Brennervorrichtung (10) für ein Brennstoffzellensystem (100), aufweisend ein Brennergehäuse (20) mit einem Brennereinlass (22) für einen Einlass von Brennstoff-Luft-Gemisch (BL) und einem Brennerauslass (24) für einen Auslass eines Brennerabgas-Luft-Gemisches (BAL), weiter aufweisend einen Katalysatorkörper (30) innerhalb des Brennergehäuses (20) mit einem Katalysatorhohlraum (32) in welchen der Brennereinlass (22) mündet, wobei der KataIysatorkörper (30) gasdurchlässig ist und eine Katalysatoroberfläche (34) aufweist mit wenigstens teilweise katalytischer Beschichtung (36), wobei sich zwischen der Katalysatoroberfläche (34) und dem Brennergehäuse (20) ein Bypassvolumen (40) ausbildet, welches in den Brennerauslass (24) mündet, wobei weiter der Katalysatorköper (30) eine Längsachse (LA) aufweist und die Katalysatoroberfläche (34) wenigstens abschnittsweise zu dieser Längsachse
(LA) eine von der Kreisform abweichende Querschnittskontur (QK) aufweist.
2. Brennervorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennergehäuse (20) einen, insbesondere vom Brennereinlass (22) separaten, Lufteinlass (26) aufweist für einen Einlass von Luft in das Bypassvolumen (40).
3. Brennervorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lufteinlass (26) ein Kontrollventil (28) für eine Kontrolle des Massenstroms
an Luft in das Bypassvolumen (40) aufweist.
4. Brennervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im und/oder nach dem Brennerauslass (24) eine Luftzufuhr (29) für eine kontrollierte Zufuhr von Luft (L) in das Brennerab-
gas-Luft-Gemisch (BAL) angeordnet ist.
5. Brennervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennereinlass (22), ein Hohlraumeinlass (33) In den Katalysatorhohlraum (32) und/oder der Katalysatorhohlraum (32) einen Mischabschnitt (50) aufweist für ein Vermischen von Luft (L) und Brennstoff (B).
Gemisch (BL) bezogen auf die Längsachse (LA), ausgebildet ist.
7. Brennervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittskontur (QK) sich zwischen einem Innenradius (IR) und einem Außenradius (AR) erstreckt, insbesondere
in gleichmäßiger Form in radialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung.
8. Brennervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittskontur (QK) symmetrisch oder im Wesentlichen symmetrisch zur Längsachse (LA) ausgebildet ist.
9. Brennervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittskontur (QK) entlang der Längsachse (LA) wenigstens abschnittsweise konstant oder im Wesentlichen
konstant ausgebildet ist.
10. Brennervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittskontur (QK) zumindest ab-
schnittsweise sternförmig ausgebildet ist.
11. Brennervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysatorkörper (30) zumindest im Bereich der Katalysatoroberfläche (34), insbesondere vollständig oder im We-
sentlichen vollständig, porös ausgebildet ist.
10. Brennervorrichtung (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysatorkörper (30) entlang der Längsachse (LA) eine variierende Po-
rosität aufweist.
12. Brennervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoroberfläche (34) wenigstens abschnittsweise eine Flächennormale (FN) aufweist, welche eine benachbarte Flächennormale (FN) der Katalysatoroberfläche (34) außerhalb des Katalysatorkörpers (30) schneidet.
oberfläche (34) in einem benachbarten Abschnitt schneidet.
14. Brennervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoroberfläche (34) zumindest einen Führungsabschnitt (25) für eine Führung der Luft im Bypassvolumen (40) aufweist, welcher sich insbesondere entlang oder im Wesentlichen entlang der
Längsachse (LA) erstreckt.
15. Brennstoffzellensystem (100) zur Erzeugung von elektrischer Energie aus einem Brennstoff und/oder zur Erzeugung von Brennstoff aus elektrischer Energie, aufweisend wenigstens eine Brennervorrichtung (10) mit den Merkmalen
eines der Ansprüche 1 bis 14.
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| ATA51019/2020A AT524310B1 (de) | 2020-11-24 | 2020-11-24 | Brennervorrichtung für ein Brennstoffzellensystem |
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