DE102007039594A1 - Energieerzeugungseinheit mit zumindest einer Hochtemperaturbrennstoffzelle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Energieerzeugungseinheit (1) mit zumindest einer Hochtemperaturbrennstoffzelle (2), welcher ein Reformer (3) zur Aufbereitung des Brennstoffes für die Hochtemperaturbrennstoffzelle (2) vorgeschaltet ist, sowie mit einer kathodenseitigen Abführleitung (6), welche dem Reformer (3) thermische Energie zuführt. Erfindungsgemäß ist der Reformer (3) in einer vorzugsweise zylindrischen Brennkammer (8) eines Flammenbrenners (9) angeordnet, wobei der Flammenbrenner (9) während der Startphase der Energieerzeugungseinheit (1) aktivierbar ist und die Brennkammer (8) des Flammenbrenners (9) zur Beaufschlagung des Reformers (3) mit dem Kathodenabgas der Hochtemperaturbrennstoffzelle (2) an deren kathodenseitge Abführleitung (6) angeschlossen ist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Energieerzeugungseinheit mit zumindest einer Hochtemperaturbrennstoffzelle, welcher ein Reformer zur Aufbereitung des Brennstoffes für die Hochtemperaturbrennstoffzelle vorgeschaltet ist, sowie mit einer kathodenseitigen Abführleitung, welche dem Reformer thermische Energie zuführt.
- Derartige Energieerzeugungseinheiten können beispielsweise in Kraftfahrzeugen als PTSU (Power-Train Support Unit) zur Bereitstellung von elektrischer und thermischer Energie eingesetzt werden. Unter Anderem können solche Systeme auch zur Beheizung von Fahrerkabinen und zur Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine verwendet werden.
- So ist beispielsweise aus der
WO 2005/005027 A1 eine einer Brennkraftmaschine zugeordnete Hochtemperaturbrennstoffzelle bekannt, welche mit dem flüssigen Brennstoff der Brennkraftmaschine betrieben wird. Gemäß einer in3 dargestellten Ausführungsvariante ist der Hochtemperaturbrennstoffzelle ein Reformer und gegebenenfalls eine Entschwefelungseinrichtung vorgeschaltet. Das Anodenabgas wird für die Abgasnachbehandlung der Brennkraftmaschine eingesetzt und über entsprechende Dosierventile, welche vom elektronischen Motormanagement gesteuert werden, einem Hoch-, sowie einem Niedertemperaturkatalysator zugeführt. Es ist auch möglich, einen Teilstrom des Reformats aus dem Reformer vor der Brennstoffzelle abzuzweigen und über ein Mischventil dem Anodenabgas zuzumischen, so dass für die Abgasnachbehandlung der Brennkraftmaschine eine optimale Zusammensetzung des Reduktionsmittelstroms erzielt werden kann. Die von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie kann zur Beheizung der in der Abgasnachbehandlung der Brennkraftmaschine eingesetzten Katalysatoren verwendet werden. - Weiters zeigt die
US 5,208,114 A eine Vorrichtung zur Energieerzeugung, bei welcher eine Hochtemperaturbrennstoffzelle (MCFC) eingesetzt wird. Der Anode der Brennstoffzelle ist ein Reformer vorgeschaltet, in welchem der Brennstoff (Erdgas) für die Brennstoffzelle aufbereitet wird. Die kathodenseitige Abführleitung weist eine Zweigleitung zu einer dem Reformer zugeordneten Heizkammer auf, welche mit heißem Kathodenabgas beaufschlagt wird. Gemäß einer Variante (z.B.8 oder9 ) zweigt vom Ausgang der Anode der Brennstoffzelle eine Rezirkulationsleitung ab und mündet nach einem Gebläse und einer Heizeinrichtung in die Zufuhrleitung zum Reformer, um die Temperatur im Reformer einzustellen. - Aus der
DE 101 55 193 A1 ist eine Brennstoffzellenanlage bekannt, die aus einer Niedertemperaturbrennstoffzelle, einer sogenannten PEM-Brennstoffzelle, und einem anodenseitig vorgeschalteten Reformer zur Aufbereitung des gasförmigen Brennstoffes besteht. Der Reformer ist in einer Brennkammer eines Gasbrenners angeordnet, welchem das Anodenabgas über eine Anodenrestgasleitung zugeführt wird. Die Abgasführung des Gasbrenners ist mit der kathodenseitigen Zufuhrleitung der Brennstoffzelle verbunden, so dass der Gasbrenner der Brennstoffzelle strömungstechnisch vorgeschaltet ist. - Aufgabe der Erfindung ist es eine Energieerzeugungseinheit mit zumindest einer Hochtemperaturbrennstoffzelle kompakt und energieeffizient auszubilden, wobei insbesondere ein rascher Kaltstart gewährleistet sein soll.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Reformer in einer vorzugsweise zylindrischen Brennkammer eines Flammenbrenners angeordnet ist, wobei der Flammenbrenner während der Startphase der Energieerzeugungseinheit aktivierbar ist, sowie dass die Brennkammer des Flammenbrenners zur Beaufschlagung des Reformers mit dem Kathodenabgas der Hochtemperaturbrennstoffzelle an deren kathodenseitige Abführleitung angeschlossen ist. Durch eine bevorzugt zentrische Anordnung des Brennstoffreformers in einem Flammenbrenner wird ein schneller Start-up ermöglicht. Gleichzeitig wird die Brennkammer des Flammenbrenners nach der Startphase für zusätzlich benötigte Heizleistung (z.B.: Kabinenbeheizung) verwendet. Der Wärmeaustausch zwischen den Medien in der Heizkammer und im Reformer ist während des Betriebs vernachlässigbar, da kein Temperaturgefälle vorliegt. Durch die Beaufschlagung der Reformerwand mit heißem Gas wird diese beheizt und im Reformer stellt sich eine ideale homogene Temperaturverteilung ein, die eine effiziente und rußfreie Reformierung garantiert.
- Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist der Flammenbrenner eine die Brennkammer umgebende Ringkammer auf, wobei die Brennkammer an der der Hochtemperaturbrennstoffzelle zugewandten Seite Übertrittsöffnungen in die Ringkammer aufweist und in der Ringkammer ein Spiralrohrwärmetauscher angeordnet ist, welcher für die kathodenseitige Zufuhr eines Oxidationsmittels, vorzugsweise Luft, dient. In kompakter Bauweise wird dadurch die der Hochtemperaturbrennstoffzelle zugeführte Luft im Wärmeaustausch mit dem Kathodenabgas optimal erwärmt.
- Gemäß einer weiteren Optimierung der Erfindung ist dem Spiralrohrwärmetauscher ein Plattenwärmetauscher vorgeschaltet, welcher von einer mit dem Spiralrohrwärmetauscher verbundenen Zuführleitung für das Oxidationsmittel, einer Zuführleitung zum Reformer und der kathodenseitigen Abführleitung durchsetzt ist. Wie im Zusammenhang mit Ausführungsbeispielen weiter unten noch näher erläutert, ergeben sich Vorteile durch die Hintereinanderschaltung von Platten- und Spiralrohwärmetauscher.
- Eine kompakte Bauweise sowie eine Minimierung der thermischen Masse wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Hochtemperaturbrennstoffzelle, der Flammenbrenner samt Spiralrohrwärmetauscher und der Plattenwärmetauscher in kompakter Bauweise hintereinander angeordnet und von einer gemeinsamen Außenisolierung umschlossen sind.
- Erfindungsgemäß kann die Energieerzeugungseinheit eine Spanneinrichtung aufweisen, welche außerhalb der Außenisolierung angeordnet ist und die einzelnen Komponenten der Einheit abdichtend vorspannt.
- Die Erfindung wird im folgenden anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine erste Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Energieerzeugungseinheit in einem Längsschnitt; sowie -
2 eine zweite Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Energieerzeugungseinheit ebenfalls in einem Längsschnitt. - Der nachfolgend beschriebene Aufbau stellt ein hoch integriertes Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem dar. Die Brennstoffzelle, beispielsweise eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) oder eine Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) wird dabei mit einem flüssigen Kohlenwasserstoff (z.B. Diesel) als Kraftstoff betrieben.
- Eine Brennstoffzelle setzt sich im Wesentlichen aus mehreren Einzelzellen zusammen, die aus Anode, Elektrolyt und Kathode bestehen, wobei die Anode mit dem Brennstoff und die Kathode mit einem Oxidationsmittel (z.B. Luft) versorgt werden muss. Unter den Begriff "Hochtemperaturbrennstoffzelle" fällt insbesondere auch eine Anordnung mehrerer derartiger Einzelzellen, welche zu einem Brennstoffzellen-Stack zusammengefasst sind.
- Die in
1 dargestellte Energieerzeugungseinheit1 weist zumindest eine Hochtemperaturbrennstoffzelle2 (bzw. einen Brennstoffzellen-Stack) auf, welcher ein Reformer3 zur Aufbereitung des Brennstoffes (z.B. Erdgas oder Diesel) für die Hochtemperaturbrennstoffzelle2 vorgeschaltet ist. Die Hochtemperaturbrennstoffzelle2 weist einen kathodenseitigen Anschluss4 , einen anodenseitigen Anschluss5 , eine kathodenseitige Abführleitung6 für das Kathodenabgas und eine anodenseitige Abführleitung7 für das Anodenabgas auf, wobei die Strömungswege innerhalb der Hochtemperaturbrennstoffzelle nur schematisch angedeutet sind. - Der Reformer
3 ist in einer vorzugsweise zylindrischen Brennkammer8 eines Flammenbrenners9 angeordnet, wobei der Flammenbrenner9 während der Startphase der Energieerzeugungseinheit1 aktivierbar ist. Weiters ist die Brennkammer8 des Flammenbrenners9 zur Beaufschlagung des Reformers3 mit dem Kathodenabgas der Hochtemperaturbrennstoffzelle2 an deren kathodenseitige Abführleitung6 angeschlossen. Der Flammenbrenner9 weist eine die Brenn kammer8 umgebende Ringkammer10 auf, wobei die Brennkammer8 an der der Hochtemperaturbrennstoffzelle2 zugewandten Seite Übertrittsöffnungen11 in die Ringkammer10 aufweist. In dieser Ringkammer10 ist ein Spiralrohrwärmetauscher12 angeordnet, welcher für die kathodenseitige Zufuhr der Luft zur Hochtemperaturbrennstoffzelle2 dient. - Wie in
1 weiter dargestellt, ist dem Spiralrohrwärmetauscher12 direkt ein Plattenwärmetauscher13 vorgeschaltet, welcher Wärme zwischen dem kalten Oxidationsmittel (vorzugsweise Luft), das über die Zuführleitung14 eintritt und dem heißen Kathodenabgas, das aus der äußeren Ringkammer10 in den Plattenwärmetauscher13 eintritt und über Abführleitung19 das System verlässt, überträgt. - Der Plattenwärmetauscher
13 wird dabei entweder halbkreisförmig oder ringförmig ausgeführt, da die kathodenseitige Abführleitung6 und die Zuführleitung15 zum Reformer3 durch den Wärmetauscher hindurchgeführt werden müssen, ohne am Wärmeaustausch teilzunehmen. - In allen Ausführungsvarianten sind die Hochtemperaturbrennstoffzelle
2 , der Flammenbrenner9 samt Spiralrohrwärmetauscher12 und der Plattenwärmetauscher13 in kompakter Bauweise direkt hintereinander angeordnet und von einer gemeinsamen Außenisolierung16 umschlossen. Die Energieerzeugungseinheit1 weist eine Spanneinrichtung auf (dargestellt sind nur die stirnseitigen Spannplatten17 ), welche außerhalb der Außenisolierung16 angeordnet ist und die einzelnen Komponenten2 ,9 ,13 der Einheit abdichtend vorspannt. - Im stationären Betrieb der Energieerzeugungseinheit
1 wird dem System über die Leitung14 gefilterte Umgebungsluft unter leichtem Überdruck zugeführt. Die Luftpumpe (nicht dargestellt) kann dabei in Fahrzeuganwendungen zweckmäßigerweise in der Nähe des Fahrzeugluftfilters angebracht werden. Da die Luft vor Eintritt in die Hochtemperaturbrennstoffzelle vorgewärmt werden muss, ist ein kombinierter Wärmetauscher vorgeschaltet. Der notwendige Wärmeaustausch erfolgt zuerst im Plattenwärmetauscher13 dem der Spiralrohrwärmetauscher12 nachgeschaltet ist. Die vorgewärmte Luft (500–700°C) strömt nun über die Kathode der Brennstoffzelle2 . Ein Teil des Sauerstoffs diffundiert dabei in Form von Sauerstoffionen über den Elektrolyten zur Anode, der restliche Anteil der zuge führten Luft nimmt die Abwärme der elektrochemischen Reaktion auf und kühlt somit die Brennstoffzelle2 . Die sauerstoffabgereicherte Luft strömt über die kathodenseitige Abführleitung6 innerhalb der Isolierung16 in die Brennkammer8 des Flammenbrenners9 . Im stationären Betrieb der Brennstoffzelle strömt das Gas ohne Reaktion durch den Brenner9 und über die Öffnungen11 in die äußere Ringkammer10 wo ein Wärmeaustausch mit der kalt zugeführten Luft im Spiralrohrwärmetauscher erfolgt. Durch eine Öffnung18 im Plattenwärmetauscher13 wird das Kathodenabgas gesammelt und gibt im Wärmetauscher13 weitere Wärme an die kalte Zuluft ab. Die Ableitung des Kathodenabgases erfolgt über eine Leitung19 . - Die Ausführungsvariante gemäß
1 weist eine Rezirkulationsleitung20 für das Anodenabgas auf, welche ausgehend von der Abführleitung7 für das Anodenabgas zur Zuführleitung15 des Reformers3 führt, wobei stromaufwärts eines dem Reformer3 vorgeschalteten Verdichters21 ein Injektor22 zum Einsprühen oder Einspritzen eines flüssigen Brennstoffes in das heiße Anodenabgas angeordnet ist. Flüssiger Brennstoff wird dem System über eine Pumpe (nicht dargestellt) und über die Kraftstoffversorgungsleitung23 zugeführt. Durch die Rezirkulationsleitung20 und den Verdichter21 wird Anodenabgas der Brennstoffzelle2 angesaugt. Dieses Gasgemisch besteht im Wesentlichen aus N2, CO2, H2O und Resten von H2, CO und CH4 und eignet sich hervorragend als Trägermedium in dem flüssiger Diesel vollständig verdampft werden kann. Nach der Dieseleinsprühung durch den Injektor22 in dieses Gasgemisch sinkt die Temperatur aufgrund der Verdampfungsenthalpie von Diesel von etwa 600°C auf 350°C. Da zur Reformierung ein Oxidationsmittel benötigt wird, muss diesem Gasgemisch Luft über eine Rohrleitung24 zudosiert werden. Diese Luft ist nicht vorgewärmt, somit kann die Temperatur des Gasgemisches weiter auf etwa 250°C gesenkt werden. Die Gaseintrittstemperatur in den Verdichter21 liegt somit in einem Temperaturbereich, der die Verwendung von marktüblichen und verfügbaren Verdichtern (herkömmliche Verdränger- oder Rotationspumpen) ermöglicht. Das Gasgemisch wird (in Abhängigkeit des Förderprinzips des Verdichters) optimal homogenisiert und verlässt den Verdichter über die Zuführleitung15 . Im nachgeschalteten katalytischen Reformer3 werden die langkettigen Kohlenwasserstoffe aufgespaltet und zu H2, CO und Reste von CxHy, reformiert. Dieses Gasgemisch kann nun direkt als Brennstoff der Brennstoffzelle2 zugeführt werden. - In der Brennstoffzelle reagiert H2 mit dem von der Kathodenseite kommenden Sauerstoffionen unter Abgabe von Elektronen und Wärme. Durch diese Reaktion entsteht Wasser das mit Stickstoff und Kraftstoffresten über die anodenseitige Abführleitung
7 die Hochtemperaturbrennstoffzelle verlässt. Ein Teil dieses Abgases wird, wie oben beschrieben, über die Rezirkulationsleitung20 wieder dem System zugeführt. - Die Energieerzeugungseinheit
1 ist von einer Hochtemperatur-Isolierung16 umgeben. Durch die beiden Spannplatten17 kann die zum Betrieb der Brennstoffzelle benötigte Spannkraft aufgebracht werden, wobei das Spannkonzept von derAT 413.009 B 1 sind außerhalb der Isolierung16 in einem frischluftgekühlten Bereich angeordnet. - Die Ausführungsvariante gemäß
1 weist eine Schnittstelle zur Abgasnachbehandlung beim Einsatz in einem Fahrzeug mit einer Brennkraftmaschine auf. Das aus der anodenseitigen Abführleitung austretende Anodenabgas kann in bekannter Weise zur Abgasnachbehandlung der Brennkraftmaschine eingesetzt werden. - Mit der erfindungsgemäßen Energieerzeugungseinheit ist ein sehr einfacher und effizienter Start des Systems möglich. Kalte, gefilterte Luft wird über die Versorgungseinheit und die Zuführleitung
14 dem System zugeführt. Die Luft strömt durch die beiden Wärmetauscher12 ,13 und die Hochtemperaturbrennstoffzelle2 in eine Verteilungskammer25 der Brennkammer8 . Dort wird die Luft gleichmäßig über den Brennerquerschnitt verteilt und über Bohrungen in die Brennkammer8 geführt. Dem Flammenbrenner9 wird über die Kraftstoffversorgungsleitung23 flüssiger Kraftstoff zugeführt und über eine Ringleitung26 verteilt. Über eine elektrische Zündeinrichtung (nicht dargestellt) wird der flüssige Kraftstoff gezündet und eine Flamme stabilisiert. Die nun heiße Luft strömt weiter durch die Übertrittsöffnungen11 in die äußere Ringkammer10 und gibt Wärme über den Spiralrohrwärmetauscher12 und den Plattenwärmetauscher13 an die dem System zugeführte Luft ab. So kann die Brennstoffzelle2 über einen einfachen Regelkreis kontrolliert auf Temperatur gebracht werden. Die Regelgröße dabei ist die Kraftstoffmenge. Der Luftmassenstrom ergibt sich über ein defi niertes Kraftstoff/Luftverhältnis. Durch die thermische Kopplung der Brennkammer8 mit dem katalytischen Brennstoffreformer3 kann dieser sehr rasch auf Betriebstemperatur gebracht werden. Damit kann der Anodenkreis in Betrieb genommen werden und eine reduzierende Atmosphäre an der Anode hergestellt werden. Dies ist wichtig, um eine Nickeloxidation des Anodenkatalysators bei höheren Temperaturen zu vermeiden. - Die zweite in der
2 dargestellte Ausführungsvariante ist weniger stark in ein Fahrzeugsystem integriert. Es gibt hier keine Schnittstelle zur Abgasnachbehandlung. Vielmehr weist hier die Hochtemperaturbrennstoffzelle2 eine anodenseitige Abführleitung7 auf, welche innerhalb der Außenisolierung16 durch den Plattenwärmetauscher13 in die Brennkammer8 des Flammenbrenners9 führt, wobei in der Brennkammer8 ein den Reformer3 umfassender Oxidationskatalysator27 angeordnet ist. Die nicht verbrauchten Brennstoffbestandteile des Anodenabgases werden in der Kammer25 mit dem Kathodenabgas zusammengeführt und im Oxidationskatalysator27 oxidiert. Die gasförmigen Produkte nach der katalytischen Umsetzung gelangen über die Öffnungen11 in die Ringkammer10 und verlassen das System über die mit18 angedeuteten Räume im Plattenwärmetauscher13 und die daran anschließende Leitung19 . - Der in der Brennkammer
8 des Flammenbrenners9 angeordnete Reformer3 weist einen rohrförmigen (Rohr in Rohr) Wärmetauscher28 zur Vorwärmung des für die Reformierung benötigten Oxidationsmittels, vorzugsweise Luft, auf. Der rohrförmige Wärmetauscher28 weist eine Mischkammer29 auf, in welcher ein Einspritzelement30 für den flüssigen Brennstoff angeordnet ist. Der flüssige Brennstoff wird in die vorgewärmte Luft der Mischkammer29 eingespritzt und vollständig verdampft. - Die Erfindung wird durch folgende Vorteile ausgezeichnet:
- • Sehr kompakte, einfache und leichte Bauweise;
- • Die Brennerfunktion der Energieerzeugungseinheit kann unabhängig von der Brennstoffzelle betrieben werden, d.h., es kann zu jedem Zeitpunkt, sehr rasch innerhalb der Auslegungsgrenzen eine beliebige Menge thermischer Energie bereitgestellt werden;
- • Durch das hoch integrierte System und die geringen zu erwärmenden Massen ist ein sehr rascher Start des Systems möglich;
- • Der Anodenkreis kann sehr rasch in Betrieb genommen werden, da der Katalysator des Reformers über den Brenner vorgewärmt wird;
- • Eine
dynamische Entnahme von Reformatgas zur Abgasnachbehandlung ist
möglich
(siehe Variante
1 ); - • Während des
Abschaltvorganges kann durch den Verdichter im Anodenkreislauf unter
einer reduzierenden Umgebung abgekühlt werden. (keine Nickeloxidation)
(siehe Variante
1 ); - • Durch Verschachtelung und Integration kann die thermische Masse des Systems minimiert werden;
- • Die freie Oberfläche zur Umgebung ist minimal → Reduktion der Wärmeverluste;
- • Durch Hintereinanderschaltung von Platten- und Spiralrohrwärmetauscher kann die maximale Temperaturdifferenz für den jeweiligen Wärmetauscher von 800°C auf 400°C herabgesetzt werden → Signifikante Senkung der Wahrscheinlichkeit von Spannungsrissen und Erhöhung der Lebensdauer der Wärmetauscher (Zusätzlich ergeben sich sehr geringer Druckverluste im Spiralrohrwärmetauscher);
- • Die Zuführung der Gase und des Kraftstoffes erfolgt von einer Seite, die durch Gehäusespülung im kalten Bereich liegt → kein unkontrolliertes, vorzeitiges Verdampfen von Kraftstoff, Regelung aller Gase im kalten Zustand;
- • Durch eine elektrische Zündvorrichtung ist ein unabhängiger Betrieb des Flammenbrenners von der Brennstoffzelle möglich → Start auch bei sehr niedrigen Temperaturen;
- • Durch die zentrische Anordnung des Brennstoffreformers in der Brennkammer kann dieser nach Start des Brenners in kürzester Zeit auf Betriebstemperatur gebracht werden. Über den Brenner kann somit das gesamte System sehr effizient und rasch aufgeheizt werden;
- • Der Kraftstoffreformer ist nach kürzester Zeit in der Lage Reformatgas zu produzieren und kann somit die Anode der Brennstoffzelle unter eine reduzierende Umgebung setzen → Vermeidung der Nickeloxidation;
- • Durch die außerhalb der Isolierung liegende Spannvorrichtung kann die zum Betrieb der Brennstoffzelle notwendige Spannkraft problemlos aufgebracht werden;
- • Alle Ventile und Förderaggregate liegen in einem mit Umgebungsluft gespülten Bereich außerhalb der Isolierung und unterliegen somit keiner thermischen Belastung;
- • Für die Mischung und Aufbereitung von Kraftstoff, Luft und Anodenabgas steht genug Raum und Wärme zur Verfügung, dadurch kann die – für eine rußfreie und effiziente Reformierung notwendige – optimale Homogenisierung und Kraftstoffverdampfung sichergestellt werden;
- • Durch
den Anodenkreislauf kann die Anode bei der Abkühlphase der Brennstoffzelle
permanent unter einer reduzierenden Atmosphäre gehalten werden → Vermeidung
der Nickeloxidation (siehe Variante
1 ); - • Durch große Strömungsquerschnitte können die Druckverluste des Systems deutlich reduziert werden → Erhöhung des Systemwirkungsgrades durch Reduktion der notwendigen Verdichterleistung;
- • Durch sehr einfache Bauteile (Rohre, Schalen, Platten) und nicht notwendige aufwendige Fertigungstechnologien besteht das Potential von sehr niedrigen Herstellkosten einer Serienproduktion;
- • Der Flammenbrenner ist der Brennstoffzelle in Strömungsrichtung nachgeschaltet, das heißt, während des Aufwärmens des Systems werden die Abgase des Brenners nicht über die Brennstoffzelle geführt, dem Stack wird mit Hilfe eines Wärmetauschers ausschließlich thermische Energie zugeführt.
Claims (9)
- Energieerzeugungseinheit (
1 ) mit zumindest einer Hochtemperaturbrennstoffzelle (2 ), welcher ein Reformer (3 ) zur Aufbereitung des Brennstoffes für die Hochtemperaturbrennstoffzelle (2 ) vorgeschaltet ist, sowie mit einer kathodenseitigen Abführleitung (6 ), welche dem Reformer (3 ) thermische Energie zuführt, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (3 ) in einer vorzugsweise zylindrischen Brennkammer (8 ) eines Flammenbrenners (9 ) angeordnet ist, wobei der Flammenbrenner (9 ) während der Startphase der Energieerzeugungseinheit (1 ) aktivierbar ist, sowie dass die Brennkammer (8 ) des Flammenbrenners (9 ) zur Beaufschlagung des Reformers (3 ) mit dem Kathodenabgas der Hochtemperaturbrennstoffzelle (2 ) an deren kathodenseitige Abführleitung (6 ) angeschlossen ist. - Energieerzeugungseinheit (
1 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flammenbrenner (9 ) eine die Brennkammer (8 ) umgebende Ringkammer (10 ) aufweist, wobei die Brennkammer (8 ) an der der Hochtemperaturbrennstoffzelle (2 ) zugewandten Seite Übertrittsöffnungen (11 ) in die Ringkammer (10 ) aufweist, sowie dass in der Ringkammer (10 ) ein Spiralrohrwärmetauscher (12 ) angeordnet ist, welcher für die kathodenseitige Zufuhr eines Oxidationsmittels, vorzugsweise Luft, dient. - Energieerzeugungseinheit (
1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Spiralrohrwärmetauscher (12 ) ein Plattenwärmetauscher (13 ) vorgeschaltet ist, welcher zumindest von einer mit dem Spiralrohrwärmetauscher (12 ) verbundenen Zuführleitung (14 ) für das Oxidationsmittel, einer Zuführleitung (15 ) zum Reformer (3 ) und der kathodenseitigen Abführleitung (6 ) durchsetzt ist. - Energieerzeugungseinheit (
1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochtemperaturbrennstoffzelle (2 ), der Flammenbrenner (9 ) samt Spiralrohrwärmetauscher (12 ) und der Plattenwärmetauscher (13 ) in kompakter Bauweise hintereinander angeordnet und von einer gemeinsamen Außenisolierung (16 ) umschlossen sind. - Energieerzeugungseinheit (
1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieerzeugungseinheit (1 ) eine Spanneinrichtung (17 ) aufweist, welche außerhalb der Außenisolierung (16 ) angeordnet ist und die einzelnen Komponenten (2 ,9 ,13 ) der Einheit abdichtend vorspannt. - Energieerzeugungseinheit (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rezirkulationsleitung (20 ) für das Anodenabgas vorgesehen ist, welche ausgehend von einer Abführleitung (7 ) für das Anodenabgas zur Zuführleitung (15 ) des Reformers (3 ) führt, wobei stromaufwärts eines dem Reformer (3 ) vorgeschalteten Verdichters (21 ) ein Injektor (22 ) zum Einsprühen oder Einspritzen eines flüssigen Brennstoffes in das heiße Anodenabgas angeordnet ist. - Energieerzeugungseinheit (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochtemperaturbrennstoffzelle (2 ) eine anodenseitige Abführleitung (7 ) aufweist, welche in die Brennkammer (8 ) des Flammenbrenners (9 ) führt, wobei in der Brennkammer (8 ) ein den Reformer (3 ) umfassender Oxidationskatalysator (27 ) angeordnet ist. - Energieerzeugungseinheit (
1 ) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der in der Brennkammer (8 ) des Flammenbrenners (9 ) angeordnete Reformer (3 ) einen rohrförmigen Wärmetauscher (28 ) zur Vorwärmung des für die Reformierung benötigten Oxidationsmittels, vorzugsweise Luft, aufweist. - Energieerzeugungseinheit (
1 ) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Wärmetauscher (28 ) eine Mischkammer (29 ) aufweist, in welcher ein Einspritzelement (30 ) für den flüssigen Brennstoff angeordnet ist.
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