DE10007766A1 - Brenneranordnung - Google Patents

Abstract

Brenneranordnung für die Verbrennung eines Brenngas-/Sauerstoffgemisches, gekennzeichnet durch einen für das Gemisch durchlässigen Körper, dessen den freien Strömungsquerschnitt definierenden Oberflächenbereiche mit einem Oxidationskatalysator bedeckt sind, durch eine auf einer Eintrittsseite des durchlässigen Körpers angeordnete Zuführeinrichtung für das Gemisch, welche das Gemisch auf zumindest im wesentlichen die gesamte wirksame Eintrittsfläche der Eintrittsseite verteilt, und durch eine der Zuführeinrichtung zugeordnete und die katalytische Verbrennungszone des durchlässigen Körpers von der Gemischzuströmung trennende, für diese jedoch durchlässige Lage, die als Rückzündungssicherung dient.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brenneranordnung für die Ver­ brennung eines Brenngas-/Sauerstoffgemisches, insbesondere zur An­ wendung für die Brenngasaufbereitung bei einem Brennstoffzellensystem.

Brennstoffzellensysteme benötigen Wasserstoff als Energielieferant. Dieser Wasserstoff wird häufig durch einen endothermen Umwandlungsprozeß aus flüssigen Energieträgern mit einem hohen H/C-Verhältnis erzeugt. Die Bereitstellung der notwendigen Prozeßwärme erfolgt durch exotherme Reaktionen, die über autotherme oder allotherme Prozeßführungen einge­ koppelt wird. Die Kombination aus Wärmeerzeugungs- und Wasserstoff­ produktionseinheit bildet das Brenngasaufbereitungssystem für die ei­ gentliche Brennstoffzellen, die häufig räumlich getrennt vom Brenngas­ aufbereitungssystem angeordnet werden.

Bei der autothermen Reaktionsführung erfolgt die Wärmeerzeugung und der Wärmeverbrauch direkt innerhalb einer Reaktionszone, das heißt es findet der miteinander gekoppelte Ablauf mindestens einer exothermen und einer endothermen Reaktion statt. Dies führt jedoch zu schlechter Qualität des Produktstromes.

Bei der allothermen Prozeßführung sind die Wärmequelle, d. h. die Bren­ neranordnung und die Wärmesenke, beispielsweise die Reformiereinheit, geometrisch getrennt, können jedoch unmittelbar nebeneinander ange­ ordnet werden. Dies bedeutet, daß die Reformiereinheit von außen mit Wärme versorgt wird, wobei die Wärme durch eine Kombination aus Kon­ vektion, Konduktion und Strahlung eingekoppelt wird. Mit anderen Worten sind die exotherme Reaktion in der Brenneranordnung und die endo­ therme Reaktion in der Reformiereinheit örtlich voneinander getrennt.

Beim allothermen Reaktorkonzept für Brennstoffzellensysteme werden überwiegend katalytische Brenner eingesetzt. Bei der katalytischen Ver­ brennung erfolgt die Umsetzung der gasförmigen Brenngase mit Sauerstoff (üblicherweise in der Form von Luft zugeführt) an der Oberfläche eines fe­ sten Katalysators. Typische Katalysatoren sind die Edelmetalle Platin und Palladium. Durch den Katalysator wird die Energiemenge, die zum Start der Reaktion benötigt wird - die Aktivierungsenergie - heruntergesetzt. Dadurch reduzieren sich die Verbrennungstemperaturen deutlich und die thermische NO_x-Bildung wird vermieden. Durch den Katalysator wird eine nahezu vollständige Verbrennung der Edukte gewährleistet. Mithin arbei­ ten die katalytischen Brenner sehr schadstoffarm.

Wegen der genannten Vorteile werden für Brennstoffaufbereitungssysteme in der Regel katalytische Brenner eingesetzt. Jedoch bestehen auch eine Reihe von Nachteilen, zum Beispiel:

• - es ist schwierig, die Wärmeeinkopplung effizient zu gestalten, sie erfolgt meist durch Konduktion und Konvektion über ein Trägermedium,
• - es entstehen Energieverluste durch die räumliche Distanz zur Wärme­ senke,
• - die Anordnung neigt dazu, ein großes Bauvolumen zu fördern und weist ein entsprechendes Gewicht auf,
• - es entstehen Verzögerungszeiten der Betriebsgrößen im Falle dynami­ scher Lastwechsel.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Brenneranordnung vorzuse­ hen, die zu einer effizienten Wärmeeinkopplung führt, die Energieverluste durch die räumliche Distanz zur Wärmesenke vermeidet, die ein verhält­ nismäßig kleines Gewicht aufweist und die so betrieben werden kann, daß die Wärmeerzeugung an dynamische Lastwechselbedingungen mit ver­ hältnismäßig kurzen Verzögerungszeiten besser angepaßt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die vorliegende Erfindung eine Bren­ neranordnung für die Verbrennung eines Brenngas-/Sauerstoff- bzw. Luftgemisches vor gekennzeichnet durch einen für das Gemisch durchläs­ sigen Körper, dessen den freien Strömungsquerschnitt definierenden Oberflächenbereiche mit einem Oxidationskatalysator bedeckt sind, durch eine auf einer Eintrittsseite des durchlässigen Körpers angeordnete Zu­ führeinrichtung für das Gemisch, welche das Gemisch auf zumindest im wesentlichen die gesamte wirksame Eintrittsfläche der Eintrittsseite ver­ teilt, und durch eine der Zuführeinrichtung zugeordnete und die katalyti­ sche Verbrennungszone des durchlässigen Körpers von der Gemischzu­ strömung trennende, für diese jedoch durchlässige Lage, die als Rück­ zündungssicherung dient.

Der durchlässige Körper ist in Draufsicht vorzugsweise viereckig, insbe­ sondere quadratisch, und läßt sich daher in einer sandwichartigen Struktur mit abwechselnden Zonen der Wärmeerzeugung und des Wär­ meverbrauches einfügen, und zwar trotz der Tatsache, daß der durchläs­ sige Körper senkrecht zu seiner Flächenausdehnung und nicht entlang seiner Flächenausdehnung durchströmt wird, wie beispielsweise bei dem bekannten Brennstoffaufbereitungssystem nach der EP-A-0 861 802 der Fall ist.

Bei diesem Brennstoffaufbereitungssystem wechseln sich die Zonen für die katalytische Verbrennung, Reformierung, Verdampfung, Überhitzung usw. miteinander ab, wobei eine stark endotherme Reaktionsstufe wie die Reformierung notwendigerweise auf beiden Seiten von wärmeliefernden Verbrennungsstufen umgeben sein muß. Die katalytische Verbrennung findet dort konventionell an Pellets statt, die in einer flachen Zone räum­ lich fixiert werden, wobei die Gemischströmung entlang der flachen Zone erfolgt. Die oben genannten Probleme gelten auch hier. Es hat sich her­ ausgestellt, daß Anordnungen mit katalytischen Pellets aus verschiedenen Gründen nachteilig sind.

Die Brenneranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung erfordert zwar eine gewisse Bauhöhe, hat jedoch den grundlegenden Vorteil, daß bei In­ betriebnahme der Brenneranordnung und ggf. im Betrieb nicht nur eine katalytische Verbrennung, sondern auch eine normale Verbrennung an oder unmittelbar oberhalb der Austrittsseite des durchlässigen Körpers stattfinden kann. Hierdurch führt die erzeugte Wärme einerseits zu einer raschen Aufwärmung des mit Katalysator beschichteten durchlässigen Körpers, ohne daß die Brenneranordnung mit vorgewärmten Gasen be­ schickt werden muß. Andererseits erfolgt eine effiziente Wärmeübertra­ gung an die benachbarte endothermische Stufe bzw. an die benachbarten endothermischen Stufen und zwar sowohl bei Inbetriebnahme der Bren­ neranordnung mit Hilfe der normalen Verbrennung als auch bei katalyti­ scher Verbrennung im durchlässigen Körper nach erfolgter Inbetriebnah­ me. Die Wärmeauskopplung erfolgt hauptsächlich durch Strahlung an den jeweils gegenüberliegenden Flächen. Dies ist sehr effizient, da nach dem Stefan-Bolzmann-Gesetz die Temperaturen mit der vierten Potenz eingehen. Konvektion und Konduktion finden ebenfalls statt. Ihr Anteil an der Wärmeübertragung ist jedoch deutlich geringer.

Im stationären Betrieb des Brennstoffaufbereitungssystems ergibt sich ei­ ne einfache Kontrolle desselben, da die Oberflächentemperaturen der Brenneranordnung über den Enthalpiestrom des eintretenden Brenngases exakt eingestellt werden können. Über den Strahlungswärmeaustausch kann der Wärmestrom in die Reformierungszone bzw. in die Reformie­ rungszonen gesteuert werden. Da der Brenner nahezu vollständig kataly­ tisch arbeitet, sind die Schadstoffemissionen sehr gering.

Die Exergie der heißen Brennerabgase kann über eine Wärmerückgewin­ nungseinrichtung, wie beispielsweise einen Wärmetauscher wieder sinn­ voll in den Prozeß eingekoppelt werden und geht daher nicht verloren.

Bei dynamischem Betrieb des Brennstoffaufbereitungssystems, zum Bei­ spiel bei mobilem Einsatz in einem PKW bestehen sehr strenge Lastwech­ selanforderungen bezüglich des Wasserstoffbedarfes in der Brenneranord­ nung. Das Brennstoffaufbereitungssystem muß imstande sein, diesen Wasserstoffbedarf abzudecken. Die Zeitkonstanten für Änderungen des Wasserstoffstromes liegen im Millisekundenbereich, wodurch unter­ schiedliche Anforderungen an die katalytische Brenneranordnung resul­ tieren. Diese muß nämlich imstande sein, schnelle Lastzyklen für die Eduktstoffströme zu realisieren, eine vollständige Umsetzung der Edukte innerhalb dieser Zeitkonstanten zu erreichen und eine effiziente und aus­ reichend schnelle Wärmeübertragung sicherzustellen. Das Management der Stoffströme, d. h. das Ein- und Ausschalten und die Regulierung der Stoffströme stellt systemtechnisch kein Hindernis dar. Die Modulation ei­ nes rein katalytisch arbeitenden Brenners hingegen kann innerhalb der oben genannten Zeitkonstanten nicht realisiert werden. Die vollständige Umsetzung sich ändernder Eduktströme liegt im Sekundenbereich. Ein herkömmlicher, rein katalytischer Brenner reagiert bei Lastwechselsprün­ gen zu langsam. Eine vollständige Verbrennung kann nicht stattfinden. Es ist jedoch möglich, unter Anwendung der Erfindung durch die ebenfalls zulässige homogene Flammenverbrennung, die Brenneranordnung so auszulegen, daß sie diesen kritischen dynamischen Anforderungen genü­ gen kann. Die Flammenverbrennung kann durch elektrische Zündung in­ itiiert werden. Wenn die Zündung aktiv ist, werden schnell wechselnde Brenngasströme in eine Flamme umgesetzt. Die Emissionen bei dieser heterogen unterstützten Verbrennung sind zwar höher als bei rein kataly­ tischer Fahrweise, jedoch innerhalb vernünftigen Grenzen zu halten.

Mit anderen Worten wird die Aktivierung der Zündung dem jeweiligen Lastzyklus angepaßt. Hierfür ist ein durchdachtes Regelungsprinzip erfor­ derlich, um sicherzustellen, daß der erforderliche Wärmehaushalt für die endothermen Zonen eingehalten wird. Dies beinhaltet die Regelung der Stoffströme von Brenngas und Luft, die Verteilung der Stoffströme über die katalytische Oberfläche, die Einhaltung einer entsprechenden Oberflä­ chentemperatur sowie das bedarfsgerechte Einschalten der Zündung. Der katalytische Brenner kann so dimensioniert werden, daß sich der hetero­ gen unterstützte Betrieb mit Flammenverbrennung bei dynamischem Be­ trieb automatisch einstellt, während bei stationärem Betrieb die rein ka­ talytische Fahrweise stattfindet. Die Wärmeauskopplung über Strahlung ist, wie oben bereits gesagt, schnell und effizient. Es wird als großer Vor­ teil gesehen, daß die erfindungsgemäße Brenneranordnung imstande ist, innerhalb eines kompakten Brennstoffaufbereitungssystems den dynami­ schen Bedingungen bei mobilem Einsatz gerecht zu werden.

Die erfindungsgemäße Brenneranordnung eignet sich somit als dezentrale Wärmequelle innerhalb eines kompakten Brennstoffaufbereitungssystems, sowohl für stationärem als auch mobilem Einsatz und bietet zusammen­ gefaßt folgende Vorteile:

• - geringes Volumen und Gewicht,
• - minimierte Wärmeverluste durch die Abfolge von Wärmequellen und - senken,
• - effiziente und schnelle Wärmeeinkopplung über Strahlung,
• - Möglichkeit von schnellen Lastwechselzyklen,
• - Minimierung der Schadstoffemissionen durch katalytische Verbrennung,
• - gezieltes Management von Wärme- und Stoffhaushalt.

Besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind den An­ sprüchen zu entnehmen und werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zei­ gen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Prinzips einer erfindungsge­ mäßen Brenneranordnung,

Fig. 2 eine schematische Zeichnung zur Erläuterung, wie die erfin­ dungsgemäße Brenneranordnung in ein Brennstoffaufbereitungs­ system integriert werden kann,

Fig. 3 eine Weiterbildung der Anordnung gemäß Fig. 2, um ein Beispiel zu geben, wie ein schichtartiger Aufbau eines Brennstoffaufbe­ reitungssystems im Prinzip möglich ist,

Fig. 4 eine Darstellung einer ersten praktischen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brenneranordnung in einer perspektivischen, auseinandergezogenen Darstellung,

Fig. 5 die Zuführeinrichtung der erfindungsgemäßen Brenneranordnung gemäß Fig. 4 in Pfeilrichtung V der Fig. 4 gesehen,

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung der Zuführeinrichtung gemäß Fig. 5, in einem kleineren Maßstab,

Fig. 7 eine Draufsicht auf eine Rückzündungssicherung der erfindungs­ gemäßen Brenneranordnung gemäß Fig. 4;

Fig. 8 einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Rückzündungssi­ cherung der Fig. 7 nach der Schnittlinie VIII-VIII in Fig. 7,

Fig. 9 eine Draufsicht auf die Abgasführung der erfindungsgemäßen Brenneranordnung der Fig. 4,

Fig. 10 einen Querschnitt durch die Abgasführung der Fig. 9 entspre­ chend der Schnittebene X-X in Fig. 9,

Fig. 11 eine Darstellung einer platzsparenden Verwendung zweier Zufuh­ reinrichtungen gemäß Fig. 5 zur Speisung zweier erfindungsge­ mäßer Brenneranordnungen und

Fig. 12 eine Darstellung ähnlich der Fig. 10, bei der jedoch die von der Brenneranordnung erzeugte Wärme durch Strahlung in eine Re­ formiereinheit eingekoppelt wird, wobei die Reformiereinheit Strahlungswärme von beiden Seiten erhält.

Die Grundeinheit einer erfindungsgemäßen katalytischen Brenneranord­ nung 10 hat den schematischen Aufbau gemäß Fig. 1. Das vorgewärmte Brenngas-/Sauerstoffgemisch, hier in Form einer Brenngas-/Luft­ mischung, tritt durch eine Zufuhrstütze 12 einer Zuführeinrichtung 14 in die Brenneranordnung 10 ein. Obwohl die Zufuhrstütze 12 in Fig. 1 un­ terhalb der Brenneranordnung 10 gezeigt ist und auch tatsächlich unter­ halb der Brenneranordnung 10 angeordnet werden kann, wird sie vor­ zugsweise seitlich in die Zufuhrrichtung 14 eingeführt, wie nachher näher erläutert wird.

Innerhalb der Zufuhreinrichtung 14 befinden sich in diesem Beispiel Stege 16, die dafür sorgen, daß das einströmende Gemisch über die gesamte wirksame Eintrittsfläche der Eintrittsseite 18 des durchlässigen Körpers 20 verteilt wird. Der durchlässige Körper 20 besteht in diesem Beispiel aus einem durchlässigen monolithischen Körper aus Keramik, beispiels­ weise in einer Form, die an sich für Abgasreinigungskatalysatoren be­ kannt ist, wobei die Oberflächenbereiche des keramischen Körpers, die dessen freien Strömungsquerschnitt definieren, mit einem geeigneten Oxi­ dationskatalysator, beispielsweise Platin oder Palladium, bedeckt sind. Der durchlässige Körper 20 könnte alternativ aus Metall bestehen, wie später erläutert wird.

Zu der Zufuhreinrichtung 14 gehört auch eine durchlässige Lage 22, die als Rückzündungssicherung oder Rückschlagsicherung dient und verhin­ dert, daß bei einer entstandenen Flammenverbrennung Verbrennungs­ flammen rückwärts in die Zufuhreinrichtung 14 schlagen und zu der Ver­ brennung der dort vorhandenen Mischung führen. Die Rückschlagsiche­ rung 22 kann im Prinzip aus jeder temperaturbeständigen Lage bestehen mit Poren oder Öffnungen, die klein genug sind, um das Fortpflanzen von Flammen in die Einrichtung hinein zu verhindern. Die Lage besteht vor­ zugsweise aus einem gelochten Blechteil, das später im Zusammenhang mit Fig. 4 und den nachfolgenden Figuren näher erläutert wird.

Zwischen den durchlässigen Lagen, die die Rückzündungssicherung bil­ den, und der Eintrittsfläche 18 des durchlässigen, mit Katalysator be­ decktem Körper, d. h. des Katalysatorträgers, befindet sich ein Abstand 24, der für die gleichmäßige Verteilung des Brenngasgemisches auf die Ein­ trittsfläche 18 ebenfalls sorgt, damit alle Bereiche des durchlässigen Kör­ pers an der katalytische Verbrennung teilnehmen können.

Die durchlässige Lage 22, die die stromabwärts liegende Reaktionszone, d. h. den Katalysatorkörper 20, von der Gemischzuströmung trennt, dient nicht nur als Rückzündungssicherung, was insbesondere bei Wasserstoff­ befeuerung der Brenneranordnung wichtig ist, sondern auch als Tempe­ raturbarriere. Der durchlässige Körper 20, der hier als keramischer Mo­ nolith realisiert ist, muß nicht zwangsweise aus Keramik angefertigt wer­ den. Hier kämen auch mit Katalysator beschichtete metallische Struktu­ ren in Frage, insbesondere Metallnetze, die beispielsweise aus einem Drahtgeflecht, beispielsweise ähnlich einem Metallscheuerschwamm, oder aus einem Metallschaum bestehen können. Monolithe und Metallnetze unterschiedlicher Geometrien sind vorstellbar. Wichtig ist, daß die Dicke der katalytisch aktiven Zone entsprechend der vorgesehenen Brenngas­ menge für eine vollständige katalytische Umsetzung derselben dimensio­ niert ist.

Hinter der katalytisch aktiven Zone sitzt eine elektrische Zündung 26, die nach Belieben ausgebildet werden kann, beispielsweise als eine Funken­ strecke, als ein piezoelektrischer Zünder oder als ein Widerstandsdraht.

Beim Startbetrieb des Brenners erfolgt die Zündung des Gemisches unter Anwendung der elektrischen Zündung. Es setzt eine normale Flammen­ verbrennung auf der Oberseite 30 des durchlässigen Körpers 20 ein. Diese homogene Verbrennung sorgt für hohe Temperaturen, so daß einerseits Wärme in Pfeilrichtung 28 von dieser Flammenverbrennung abgestrahlt wird, andererseits erwärmt sich die katalytisch aktive Zone, d. h. der durchlässige Körper 20, entsprechend. Ab einem Temperaturniveau von 300°C setzt dann die heterogen katalysierte Reaktion am Katalysator, d. h. an den mit Katalysator bedeckten Oberflächenbereichen des durchlässi­ gen Körpers 20, ein. Je nach verwendetem Brenngas stabilisiert sich die Temperatur in dieser katalytisch aktiven Zone auf einem Niveau zwischen 400 und 800°C. Es findet eine nahezu vollständige Umsetzung durch he­ terogene Katalyse statt. Eine homogene Nachverbrennung findet nicht statt, und die elektrische Zündung ist nicht aktiv. Die Schadstoffemissio­ nen sind in dieser stationären Betriebsphase äußerst gering. Die Wärme­ auskopplung erfolgt hauptsächlich durch Strahlung entsprechend der Pfeilrichtung 28 zu einer der Austrittsseite 30 des durchlässigen Körpers 20 gegenüberliegenden Einrichtung, beispielsweise zu einer endothermi­ schen Stufe eines Brennstoffaufbereitungssystems. Dies ist sehr effizient, da nach dem Stefan-Bolzmann-Gesetz die Temperaturen mit der vierten Potenz eingehen. Konvektion und Konduktion finden ebenfalls statt, ihr Anteil an der Wärmeübertragung ist jedoch deutlich geringer.

In diesem stationären Betrieb ergibt sich eine einfache Kontrolle des Brennstoffaufbereitungssystems, da die Oberflächentemperaturen der Brenneranordnung, hier als Strahlungsbrenner funktionierend, über den Enthalpiestromes des eintretenden Brenngases exakt eingestellt werden können.

Die Abgase der katalytischen Verbrennung bestehen aus vollständig um­ gesetztem Brennerabgas, vorwiegend aus CO₂ und H₂O. Die Exergie dieser heißen Brennerabgase kann beispielsweise über eine seitliche Abgasfüh­ rang mittels eines Wärmetauschers sinnvoll in den im Brennstoffaufbe­ reitungssystem stattfindenden Prozessen ausgenutzt werden.

Unterstellt man, daß die erfindungsgemäße Brenneranordnung 10 in ei­ nem Brennstoffzellenantriebssystem eines PKW oder LKW eingebaut ist, und daß dieser im Teillastbereich fährt, so wird während dieses Teillast­ betriebs nur soviel Wärme in der Brenneranordnung 10 erzeugt, die bei­ spielsweise notwendig ist, um die Reformierungsarbeit in einer ange­ schlossenen Reformierungseinheit durchzuführen, damit diese ausrei­ chende Mengen eines wasserstoffsreichen Synthesegases für die Brenn­ stoffzellen zur Verfügung stellt. Wird sofort mehr Leistung verlangt, bei­ spielsweise um ein Überholmanöver durchzuführen, so wäre es aufgrund der Trägheit der katalytischen Verbrennung unter Umständen nicht mög­ lich, die Wärmeabgabe der katalytischen Brenneranordnung 10 so zu stei­ gern, daß auch die Reformierungsarbeit erhöhte Mengen an wasser­ stoffreichem Synthesegas sofort zur Verfügung stellt. Um hier Abhilfe zu schaffen, kann die elektrische Zündung 26 nochmals eingeschaltet wer­ den, so daß die zusätzlich zugeführte Brenngasmenge, die schlagartig er­ höht werden kann, teilweise katalytisch und teilweise über eine homogene Flammenverbrennung an oder kurz oberhalb der Austrittsseite 30 des durchlässigen Körpers 20 in Wärme umgesetzt wird, wodurch die erfor­ derliche erhöhte Wärmemenge für die Reformierungsarbeit kurzfristig zur Verfügung gestellt wird. Mit anderen Worten ist der Bereich oberhalb der Austrittsseite 130 des durchlässigen Körpers 120 als ein Verbrennungs­ raum konzipiert bzw. ausgebildet.

Die Brenneranordnung 10 gemäß Fig. 1 kann nun leicht modifiziert wer­ den in dem Sinne, daß die Zufuhreinrichtung 14 nunmehr das Brenn­ stoffgemisch zu zwei durchlässigen Körpern 20 speist, das heißt, das Ge­ misch einmal nach oben, wie in Fig. 1 gezeigt, und einmal nach unten speist. Hierfür ist es erforderlich, unterhalb der seitlich angeordneten Stütze 12 eine zweite poröse Lage und im Abstand unterhalb dieser zwei­ ten porösen Lage einen weiteren durchlässigen, mit Katalysator bedeck­ ten Körper vorzusehen (in Fig. 1 nicht gezeigt). Die so erreichte Bren­ neranordnung wird dann nicht nur Wärme entsprechend dem Pfeil 28 nach oben, sondern auch in der entgegengesetzten Richtung nach unten vom weiteren durchlässigen Körper 20 abstrahlen.

Wie eine solche zweiseitig abstrahlende Brenneranordnung ausgenutzt werden kann, geht aus der schematischen Zeichnung der Fig. 2 hervor.

In dieser Zeichnung deutet das Bezugszeichen 50 auf eine solche doppelte Anordnung hin, d. h. die soeben beschriebene doppelte Anordnung der Grundanordnung von Fig. 1. Es sind in Fig. 2 zwei solche doppelte Anord­ nungen 50 vorgesehen. Dazwischen ist eine Überhitzungszone 52 eines Brennstoffaufbereitungssystems angeordnet, so daß diese Überhitzungs­ zone 52 Strahlungswärme von beiden Seiten von den beiden Brenneran­ ordnungen 50 erhält. Oberhalb der oberen Brenneranordnung 50 befindet sich außerdem eine Verdampfungszone 54, die gemäß Fig. 2 nur einseitig von Strahlungswärme der oberen erfindungsgemäßen Brenneranordnung 50 versorgt wird. Unterhalb der unteren Brenneranordnung 50 befindet sich eine Reformierungszone 56 des Brennstoffaufbereitungssystems, die nur von oben von der unteren erfindungsgemäßen Brenneranordnung 50 mit Strahlungswärme versorgt wird. In der Praxis erfordert die Reformierungszone 46 eine starke Wärmezufuhr, so daß die Anordnung gemäß Fig. 2 in einem praktischen Beispiel unter Umständen zu verdoppeln wäre, wie in Fig. 3 gezeigt.

Die konkrete Auslegung von Brennstoffaufbereitungssystemen ist nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung. Die Auslegung von Brennstoffauf­ bereitungssystemen ist jedoch in der Praxis gut bekannt, wie beispielswei­ se in der oben genannten EP-A 0 861 802 beschrieben.

Es gilt hier lediglich zum Ausdruck zu bringen, daß die Reformierungszo­ ne 56 die Aufgabe hat, ein wasserstoffreiches Synthesegas zu erzeugen. In dem Beispiel gemäß Fig. 2 wird in der Reformierungseinheit Methanol und Wasser zu diesem wasserstoffreichem Synthesegas umgewandelt. Zu die­ sem Zweck fließen zunächst flüssiges Methanol und Wasser entsprechend dem Pfeil 58 in die Verdampfungszone 54 ein. Hier werden sie verdampft und strömen dann in Gasform entsprechend dem Pfeil 60 in die Überhit­ zungszone ein. Hier wird die Temperatur der Gase weiter erhöht. Sie wer­ den schließlich entsprechend dem Pfeil 62 der Reformierungszone 56 zu­ geführt, aus der das erwünschte wasserstoffreiche Synthesegas entspre­ chend dem Pfeil 64 strömt. Dieses wasserstoffreiche Synthesegas wird dann unmittelbar den Brennstoffzellen, dem sogenannten Stack, zuge­ führt, um dort elektrische Energie für den Antrieb eines Fahrzeuges oder für andere Zwecke zu erzeugen.

Die heißen Abgase aus den erfindungsgemäßen Brenneranordnungen 50 werden über ein Kanalsystem 66 zusammengeführt und entsprechend dem Pfeil 68 abgeführt. Da diese Abgase bedeutende Mengen an Wärmee­ nergie aufweisen, werden sie üblicherweise einem Wärmetauscher zugeführt, so daß die dort enthaltende Wärme wiedergewonnen und für die insgesamt durchzuführenden Prozesse verwendet werden können.

Fig. 3 zeigt im Prinzip das gleiche wie Fig. 2, jedoch mit dem Unterschied, daß jetzt vier erfindungsgemäße Brenneranordnungen 50 vorgesehen sind und die Reformierungszone 56 nunmehr Wärme von oben und unten er­ hält.

Die in Fig. 2 verwendeten Bezugszeichen sind ebenfalls in Fig. 3 eingetra­ gen und die Beschreibung der entsprechend bezeichneten Elemente gilt ebenfalls für die Anordnung gemäß Fig. 3. Man sieht hier, daß die Ver­ dampfungszone 54 und die Überhitzungszone 52 zweimal vorkommen. Bei einem praktischen Brennstoffaufbereitungssystem können die einzelnen Elemente mehrfach vorhanden sein und die Erfindung ermöglicht hier ei­ nen modularen Aufbau. Bei einem praktischen Brennstoffaufbereitungs­ system kommen auch andere Aufbereitungsstufen zur Anwendung, die ebenfalls in die hier gezeigte Struktur integriert werden können.

Eine konkrete Auslegung einer erfindungsgemäßen Brenneranordnung entsprechend der Fig. 1 wird nunmehr mit Bezug auf die Fig. 4 bis 12 nä­ her erläutert.

Es werden hier die gleichen Bezugszeichen verwendet wie beim Ausfüh­ rungsbeispiel gemäß Fig. 1, jedoch um die Grundzahl 100 erhöht. Die für Teile in Fig. 1 mit entsprechenden Bezugszeichen gegebene Beschreibung gilt auch hier, es sei denn, es wird etwas gegenteiliges gesagt.

Die erfindungsgemäße Brenneranordnung 110 der Fig. 4 besteht aus einer Zufuhreinrichtung 114 mit einer seitlichen Gaszufuhrstütze 112 und ist in zusammengebautem Zustand über einen Flansch 115 und eine Dichtung 117 mit einem Flansch 119 eines Gehäuses 121 zusammenge­ schraubt, durch Schrauben, die sich durch entsprechende Bohrungen wie 123, 125 und 127 erstrecken. Das Gehäuseteil 121 ist fest mit einer Ab­ gasführung 129 verbunden, die an einen seitlichen Anschluß 131 für eine Abgasleitung mündet.

Man merkt, insbesondere auch aus den Fig. 5 und 6, daß die Zufuhrstüt­ ze 112 über ein Zwischenstück 131 mit einem keilförmigen Zufuhrraum 133 derart verbunden ist, daß das Brenngas-/Sauerstoffgemisch, das über die Stütze 112 in die Zufuhreinrichtung 114 eingeführt wird, über die volle Breite B in Fig. 6 des Zufuhrraumes 133 verteilt wird. Durch die keilförmige Gestalt des Zufuhrraumes 133, wie aus Fig. 5 ersichtlich, wer­ den die einströmenden Gase nach oben in Fig. 5 umgelenkt und gleich­ mäßig über die Länge L und Breite B der stirnseitigen Öffnung 133 der Zufuhreinrichtung 114 verteilt. Ein poröser Filter, der ebenfalls als weitere Rückzündurigssicherung dient, kann in der Zufuhreinrichtung 114 einge­ baut werden, beispielsweise am Übergang zwischen dem Zwischenstück 131 und dem Zufuhrraum 133.

Man merkt auch aus Fig. 6, daß die obere Stirnseite der Luftzufuhrein­ richtung 114 eine umlaufende Stufe 135 aufweist. Diese nimmt die Unter­ seite des Teils 137 auf, die in den Fig. 7 und 8 einfacher zu erkennen ist und aus einem Lochblech besteht, das die Rückzündungssicherung 122 bildet. Das die Rückzündungssicherung bildende Lochblech 122 hat schlitzartige Öffnungen 139, die in Reihen in regelmäßigen Abständen an­ geordnet sind, wobei jede Reihe gegenüber der benachbarten Reihe um eine halbe Teilung versetzt ist. Die Schlitze sind so dimensioniert, daß eine sich im Raum 124 oberhalb des Lochbleches ausbildende Flamme das im Raum 133 unterhalb des Lochbleches befindliche Gemisch nicht entzün­ den kann.

Der Wandbereich 141 des Teils 137 paßt im zusammengebauten Zustand in das Gehäuse 121.

Aus Fig. 4 und vor allem aus den Fig. 7 und 8 ist ein Abstandshalter 143 ersichtlich, der vier kreuzweise zueinander angeordnete Arme aufweist und dafür sorgt, daß der durchlässige Körper 120 in einem Abstand ober­ halb des Lochbleches 122 gehalten wird, so daß das Gemisch, das durch die Schlitze in den entsprechenden Raum 124 hineinströmt, sich gleich­ mäßig über die Eintrittsfläche 118 des durchlässigen mit Katalysator be­ deckten Körper 120 verteilen kann.

Oberhalb des durchlässigen Körpers 120 befindet sich, wie aus Fig. 4 er­ sichtlich, ein weiteres Kreuz 145, das innerhalb des Gehäuses 121 gefan­ gengehalten wird und dafür sorgt, daß der durchlässige Körper 120 zwi­ schen sich selbst und dem Abstandshalter 143 festgehalten wird. Die elektrische Zündung ist der Einfachheit halber hier nicht gezeigt. Die hei­ ßen Abgase aus der katalytischen Verbrennung im bzw. am durchlässigen Körper 120 können ungehindert am Kreuz 145 vorbeiströmen und werden aufgrund der ebenfalls keilförmigen Abgasführung 129 zu dem Anschluß 131 geleitet.

Die hier mit 151 gekennzeichneten Teile stellen lediglich Öffnungen für Meßinstrumente dar, die bei einem praktischen Beispiel nicht vorhanden wären. Die Abgasführung 129 ist in Fig. 4 doppelwandig ausgeführt. Die äußere Wand ist beispielsweise bei 153 (siehe auch Fig. 4) zu erkennen, um zu verhindern, daß die heißen Abgase zu Verbrennungen führen.

Die keilförmige Gestalt der Zufuhreinrichtung 114 hat nicht nur den Vor­ teil, daß sie die Verteilung des zuströmenden Gasgemisches über die ge­ samte Eintrittsfläche 118 des durchlässigen Körpers 120 fordert, sondern daß, wie in Fig. 11 gezeigt, zwei Zuführeinrichtungen 114, 114' entgegen­ gesetzt zueinander angeordnet werden können, so daß die entsprechenden Stirnflächen 133 und 133' parallel zueinander verlaufen, ohne daß die ge­ samte Bauhöhe der beiden Zufuhreinrichtungen 114, 114' übermäßig groß wird. Man sieht hieraus, daß eine doppelte Brenneranordnung da­ durch erreicht werden kann, wenn eine zweite Brenneranordnung gemäß Fig. 4 in umgekehrter Form direkt benachbart zur Zufuhreinrichtung 114 der Fig. 4 angeordnet wird, wobei, wie in Fig. 11 gezeigt, es nicht notwen­ dig ist, eine doppelte schräggestellte Trennwand 157 vorzusehen. Eine einfache Wand reicht hier vollkommen aus.

Wie zum Ausdruck gebracht, dient die erfindungsgemäße Brenneranord­ nung hauptsächlich dazu, Strahlungswärme an endothermische Reakti­ onspositionen eines Brennstoffaufbereitungssystems zu liefern, die natur­ gemäß der Austrittsfläche 130 (Fig. 4) des durchlässigen Körpers 120 ge­ genüberliegend anzuordnen sind. Wie dies erreicht werden kann, zeigt Fig. 12, bei der zwei Abgasführungen 129, 129' ähnlich der Abgasführung 129 der Fig. 4 einander benachbart angeordnet sind mit einer Reformierungs­ zone 156 dazwischen angeordnet. Hier bilden die Außenseiten der Refor­ mierungszone 156, deren Konstruktion nicht im Detail gezeigt ist, selbst die obere bzw. untere Begrenzung der entsprechenden Abgasführungen 129', damit die von den entsprechenden Brennern abgestrahlte Wärme direkt und ungeschwächt in der Reformierungszone 156 zur Wirkung kommt.

Obwohl die hier gezeigten schrägen Wände der Zufuhreinrichtungen 114, 114' und der Abgasführungen 129, 129' eine bevorzugte Ausführungsform darstellen, sind sie nicht zwingend erforderlich - die notwendigen Umlenk- und Verteilungsfunktionen können auch anders gelöst werden.

Claims (21)

1. Brenneranordnung (10, 50, 110) für die Verbrennung eines Brenn­ gas/Sauerstoffgemisches gekennzeichnet durch einen für das Ge­ misch durchlässigen Körper (20, 120), dessen den freien Strö­ mungsquerschnitt definierenden Oberflächenbereiche mit einem Oxidationskatalysator bedeckt sind, durch eine auf einer Eintritts­ seite des durchlässigen Körpers angeordnete Zuführeinrichtung (14, 114) für das Gemisch, welche das Gemisch auf zumindest im we­ sentlichen die gesamte wirksame Eintrittsfläche (18, 118) der Ein­ trittsseite verteilt, und durch eine der Zuführeinrichtung (14, 114) zugeordnete und die katalytische Verbrennungszone des durchlässi­ gen Körpers (20, 120) von der Gemischzuströmung trennende, für diese jedoch durchlässige Lage (22, 122), die als Rückzündungssi­ cherung dient.

2. Brenneranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durchlässige Lage von der Eintrittsseite des durchlässigen Kör­ pers einen Abstand (24, 124) aufweist.

3. Brenneranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß eine elektrische Zündungseinrichtung (26) vorgesehen ist.

4. Brenneranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Zündungseinrichtung auf der Austrittsseite (30, 130) des durchlässigen Körpers (20, 120) angeordnet ist.

5. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündungseinrichtung (26) aus der Gruppe der nachfolgenden Einrichtungen ausgewählt ist:

• - Fünkenstrecke,
• - Widerstandsdraht,
• - Piezoelektrischer Zünder.

6. Brenneranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß auf der Austrittsseite (30, 130) des durchlässigen Körpers (20, 120) eine Wärmesenke (52, 54, 56, 156) vorgesehen ist die Strahlungswärme vom durchlässigen Körper er­ hält.

7. Brenneranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Abgase der Brenneranordnung (10, 50, 110) zwischen der Austrittsseite (130) des durchlässigen Körpers und der Wärmesenke (52, 54, 56, 156) durch einen seitlichen Aus­ laß (131) abgeführbar sind.

8. Brenneranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der durchlässige Körper (20, 120) in Draufsicht viereckig, insbesondere quadratisch, ist.

9. Brenneranordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auf der den durchlässigen Körper (20, 120) ab­ gewandten Seite der Zuführeinrichtung (14, 114) ein weiterer, für das Gemisch durchlässiger Körper (20, 120) vorgesehen ist, dessen den freien Strömungsquerschnitt definierende Oberflächenbereiche ebenfalls mit einem Oxidationskatalysator bedeckt sind, wobei eine weitere die katalytische Verbrennungszone des weiteren durchlässi­ gen Körpers (20, 120) von der Gemischzuströmung trennende, für diese jedoch durchlässige Lage (22, 122) vorgesehen ist, die als Rückzündungssicherung dient.

10. Brenneranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführeinrichtung (14, 114) sowohl für die Gemischzuströmung zu dem erstgenannten durchlässigen Körper (20, 120) als auch für die Gemischzuströmung zum weiteren durchlässigen Körper (20, 120) sorgt.

11. Brenneranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeweilige Zuführeinrichtungen (14, 114) für die durchlässigen Körper (20, 120) vorgesehen und auf entgegengesetzten Seiten einer Trenn­ wand (157) ausgebildet sind, auf einer oder mehreren in bezug auf die Strömungsrichtung (159) durch den durchlässigen Körper late­ ralen Seite bzw. Seiten jeweilige Eingänge (12, 112) für die Be­ standteile des Gemisches aufweist.

12. Brenneranordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die oder jede Zuführeinrichtung (14, 114) einen bezo­ gen auf die Strömungsrichtung durch den jeweiligen durchlässigen Körper seitlichen Eingang (12, 112) für das Gemisch aufweist.

13. Brenneranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (157) schräg zur Stromungsrichtung (159) durch die durchlässigen Körper steht und hierdurch für jeden durchlässi­ gen Körper einen sich verjüngenden Eintrittsraum (133) bildet, der die Verteilung des einströmenden Gasgemisches auf die Eintrittsflä­ che (18, 118) begünstigt.

14. Brenneranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der erste durchlässige Körper (20, 120) und/oder der weitere durchlässige Körper (20, 120) eine metallische Struktur ist, beispielsweise in Form eines Metallnetzes.

15. Brenneranordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallnetz aus einer der folgenden Strukturen besteht:

• - einem Drahtgeflecht, bspw. ähnlich einem Metallscheuerschwam,
• - einem Metallschaum.

16. Brenneranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der erste durchlässige Körper (20, 120) und/oder der weitere durchlässige Körper (20, 120) eine keramische Struktur ist, beispielsweise in Form eines Monoliths.

17. Brenneranordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Monolith aus einem Schaum oder durchlässiger Struktur mit regelmäßiger oder unregelmäßiger Geometrie.

18. Brenneranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die heißen Abgase der Brenneranord­ nung eine Wärmerückgewinnungseinrichtung zugeführt werden, die ggf. am seitlichen Auslaß (131) anschließbar bzw. angeschlossen ist.

19. Brenneranordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmegewinnungseinrichtung in Form eines Wärmetau­ schers zur Erwärmung eines Materialstroms, wie bspw. eines Luft­ stroms, eines Wassserstoffstroms oder eines organischen Brenn­ stoffstroms vorliegt.

20. Brennstoff-Aufbereitungssystem (Fig. 2, Fig. 3) bestehend aus einer Reformierungseinrichtung (56, 156) zum Umwandeln eines organi­ schen Brennstoffs in ein wasserstoffreiches Synthesegas, insbeson­ dere für den Betrieb von Brennstoffzellen, dadurch gekennzeichnet, daß die Reformierungseinrichtung (56, 156) mindestens auf einer Seite und vorzugsweise auf beiden Seiten durch Strahlungswärme von einem durchlässigen Körper (20, 120) einer jeweiligen Bren­ neranordnung (10, 50, 110), insbesondere einer Brenneranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 19, erhält.

21. Brennstoff-Aufbereitungssystem nach Anspruch 20, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jede Brenneranordnung über einen weiteren durchlässigem Körper (20, 120) verfügt, der Strahlungswärme an eine weitere Einrichtung des Brennstoff-Aufbereitungssystems ab­ gibt, beispielsweise an eine Verdampfungseinrichtung (54) oder an eine Überhitzungseinrichtung (52) oder an eine weitere Reformie­ rungseinrichtung (56, 156).