DE102011083407A1

DE102011083407A1 - Restgasbrenner

Info

Publication number: DE102011083407A1
Application number: DE102011083407A
Authority: DE
Inventors: Samuel Brandt
Original assignee: J Eberspaecher GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2013-03-28
Anticipated expiration: 2031-09-27
Also published as: DE102011083407B4; US20130078539A1; US9028246B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Restgasbrenner (13) für ein Brennstoffzellensystem (1) mit zwei Eduktgaszuführungen (11, 12) zur Zuführung jeweils eines Eduktgases zu einem Brennraum (14) des Restgasbrenners (13). Ein verbesserter Betrieb des Restgasbrenners (13) ergibt sich, wenn die Eduktgaszuführungen (11, 12) jeweils Auslassöffnungen (22, 27) aufweisen, wobei die Auslassöffnungen (22, 27) dem Brennraum (14) zugewandt sind und die Auslassöffnungen (22, 27) einer der Eduktgaszuführungen (11, 12) einer ersten Unterseite (29) der anderen Eduktgaszuführung (11, 12) zugewandt sind. Die Erfindung betrifft außerdem ein Brennstoffzellensystem (1) mit einem derartigen Restgasbrenner (13).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Restgasbrenner für ein Brennstoffzellensystem sowie ein Brennstoffzellensystem mit einem derartigen Restgasbrenner.
Ein Restgasbrenner ist üblicherweise Bestandteil eines Brennstoffzellensystems. Das Brennstoffzellensystem weist darüber hinaus zumindest eine Brennstoffzelle auf, die eine Anode und eine Kathode umfasst. Zum Betreiben der Brennstoffzelle sind ein Anodengas für die Anode und ein Kathodengas für die Kathode notwendig, die der Kathode bzw. der Anode zugeführt werden. Durch die während des Betriebs der Brennstoffzelle an der Anode bzw. der Kathode stattfindenden elektro-chemischen Reaktionen entstehen ein Anodenabgas und ein Kathodenabgas. Der Restgasbrenner dient der weiteren Verwendung des Kathodenabgases und des Anodenabgases, die dem Restgasbrenner als Eduktgase zugeführt werden. Hierzu weist der Restgasbrenner zwei Eduktgaszuführungen auf, die das jeweilige Eduktgas einem Brennraum des Restgasbrenners zuführen. Die jeweiligen Eduktgaszuführungen weisen Auslassöffnungen auf, wodurch das jeweilige Eduktgas in den Brennraum gelangt und verbrannt wird. Die durch die Verbrennung der Eduktgase entstehende Wärme kann dann beispielsweise über einen Wärmeübertrager dem Kathodengas stromauf der Brennstoffzelle zugeführt werden, um die Effizienz der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellensystems zu steigern. Nachteilig dabei ist, dass der Restgasbrenner, insbesondere bedingt durch eine schlechte Durchmischung der Eduktgase im Brennraum, einen niedrigen Wirkungsgrad aufweist. Zudem weisen derartige Restgasbrenner ein hohes Gewicht auf und sind durch ihre Bauweise kompliziert herzustellen.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Restgasbrenner der eingangs genannten Art, eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen verbesserten Wirkungsgrad und/oder durch eine leichte und kostengünstige Bauweise auszeichnet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Restgasbrenner für ein Brennstoffzellensystem mit zwei Eduktgaszuführungen auszustatten, die jeweils zumindest eine Auslassöffnung zum Auslassen eines jeweiligen Eduktgases in einen Brennraum des Restgasbrenners aufweisen, und die Auslassöffnungen des einen Eduktgases näher zum Brennraum anzuordnen als die Auslassöffnungen des anderen Eduktgases. Hierdurch findet eine verbesserte Durchmischung der jeweiligen Eduktgase vor der Verbrennung statt, was zu einer besseren und stabileren Verbrennung bzw. Flamme innerhalb des Brennraums führt und folglich den Wirkungsgrad des Restgasbrenners verbessert. Auch die Modulationsfähigkeit des Restbrenners hin zu höheren Lambdawerten wird dadurch verbessert.
Insbesondere liegen erste Auslassöffnungen eines erstes Eduktgases in einer ersten Ebene, während zweite Auslassöffnungen eines zweiten Eduktgases in einer zweiten Ebene liegen, die vom Brennraum weiter entfernt ist als die erste Ebene.
Dem Erfindungsgedanken entsprechend weist der Restgasbrenner eine erste Eduktgaszuführung und eine zweite Eduktgaszuführung auf, die der Zuführung des ersten Eduktgases und des zweiten Eduktgases zum Brennraum des Restgasbrenners dienen. Zudem weist die erste Eduktgaszuführung zumindest eine erste Auslassöffnung auf, die dem Auslassen des ersten Eduktgases in den Brennraum dient und auf einer ersten Oberseite eines ersten Auslasskanalsystems der ersten Eduktgaszuführung angeordnet ist. Ferner weist die zweite Eduktgaszuführung ein zweites Auslasskanalsystem auf, das eine Oberseite umfasst, die zum Auslassen des zweiten Eduktgases in den Brennraum zumindest eine zweite Auslassöffnung aufweist. Die zweite Oberseite des zweiten Auslasskanalsystems und die erste Oberseite des ersten Auslasskanalsystems sind zudem dem Brennraum zugewandt, wobei das erste Auslasskanalsystem eine von der ersten Oberseite abgewandte erste Unterseite aufweist, die der zweiten Oberseite zugewandt ist. Das heißt insbesondere, dass das zweite Auslasskanalsystem und somit die zumindest eine zweite Auslassöffnung weiter vom Brennraum beabstandet ist als das erste Auslasskanalsystem und somit als die zumindest eine erste Auslassöffnung. Die jeweiligen Auslasskanalsysteme können jeweils einen Kanal oder mehrere Kanäle aufweisen, wobei zumindest einer der Kanäle wenigstens eine zugehörige Auslassöffnung aufweist. Die Auslasskanalsysteme sowie die Oberseiten und die Unterseiten können beliebige Formen aufweisen, sie weisen folglich nicht zwingend eine Ebene Form auf.
Die Zuführung des jeweiligen Eduktgases an die zugehörigen Kanäle kann zudem mittels Zuführkanälen realisiert sein. Die jeweiligen Eduktgaszuführungen können eine oder mehrere derartige Zuführkanäle aufweisen, die das jeweilige Eduktgas beilspielsweise von einem Einlass der zugehörigen Eduktgaszuführung bzw. des zugehörigen Auslasskanalsystems über einen Kanaleinlass oder mehreren Kanaleinlässen zu den jeweiligen Kanälen führt/führen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das zweite Auslasskanalsystem an der ersten Unterseite des ersten Auslasskanalsystems angeordnet. Zweckmäßig sind das erste Auslasskanalsystem und das zweite Auslasskanalsystem als separate Bauteile ausgebildet. Bevorzugt wird eine Ausführungsform, bei der die jeweiligen Eduktgaszuführungen und somit die jeweiligen Auslasskanalsysteme als separate Bauteile ausgebildet sind. Die Anordnung des zweiten Auslasskanalsystems und somit der zweiten Oberseite an die erste Unterseite des ersten Auslasskanalsystems bedeutet insbesondere, dass die Eduktgaszuführungen direkt benachbart sind. Die Eduktgaszuführungen können hierbei miteinander mechanisch verbunden sein, wobei die Verbindung zwischen den Eduktgaszuführungen auf beliebige Art realisiert sein kann, sofern sie für die dort bzw. im Brennraum herrschenden Temperaturen und Drücke geeignet ist. Die separate Ausbildung der jeweiligen Eduktgaszuführungen hat insbesondere zur Folge, dass der Restgasbrenner aus einzelnen Modulen zusammengebaut werden kann. Dies führt zu einer vereinfachten und somit kostengünstigen Herstellung des Restgasbrenners. Außerdem lassen sich die Zuführungen bzw. die Kanalsysteme einfach strukturieren, was eine kostengünstige Herstellung erleichtert.
Zweckmäßig weist das erste Auslasskanalsystem zumindest eine Durchlassöffnung auf, die das durch die zumindest eine zweite Auslassöffnung strömende zweite Eduktgas in den Brennraum hindurchlässt. Die jeweilige Durchlassöffnung ist von der zumindest einen ersten Auslassöffnung beabstandet und fluchtet in Richtung zum Brennraum zu der zumindest einen zweiten Auslassöffnung.
Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen die jeweiligen Auslasskanalsysteme jeweils mehrere Auslassöffnungen aufweisen. Entsprechend kann das erste Auslasskanalsystem auch mehrere Durchlassöffnungen aufweisen, die von den ersten Auslassöffnungen beabstandet sind und jeweils zu zumindest einer der zweiten Auslassöffnungen fluchten.
Bei einer weiteren Ausführungsform weisen zumindest zwei der ersten Auslassöffnungen eine unterschiedliche Größe auf. Vorstellbar sind auch Ausführungsformen, bei denen zumindest zwei der ersten Auslassöffnungen zusätzlich oder alternativ eine unterschiedliche Form aufweisen. Entsprechendes gilt für die zweiten Auslassöffnungen. Das heißt, dass zumindest zwei der zweiten Auslassöffnungen eine unterschiedliche Größe und/oder Form aufweisen.
Hierbei kann der Restgasbrenner entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausführungsform derart ausgebildet sein, dass die ersten Auslassöffnungen größer ausgebildet sind als die zweiten Auslassöffnungen. Dies ist insbesondere bei Ausführungsformen sinnvoll, bei denen die erste Eduktgaszuführung für größere Volumenströme ausgelegt ist als die zweite Eduktgaszuführung. Das bedeutet, dass der Restgasbrenner derart ausgebildet ist, dass ein größeres Volumen des ersten Eduktgases als das des zweiten Eduktgases in den Brennraum gelangen kann. Die erste Eduktgaszuführung kann hierfür beispielsweise größer ausgebildet sein bzw. einen größeren Strömungsquerschnitt für das zugehörige Eduktgas zur Verfügung stellen als die zweite Eduktgaszuführung. Entsprechend können dann die ersten Auslassöffnungen größer ausgebildet sein als die zweiten Auslassöffnungen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Eduktgaszuführung Uförmig ausgebildet und weist zwei Schenkel auf. Das erste Auslasskanalsystem ist dabei bevorzugt mit Rohren gebildet, die parallel zwischen den Schenkeln verlaufen. Zumindest eines der Rohre, vorzugsweise jedoch alle, bilden jeweils einen ersten Kanal des ersten Auslasskanalsystems, wobei die jeweiligen Rohre entlang einer quer zur parallelen Anordnung verlaufenden Richtung voneinander beabstandet sind, um zwischen sich besagte Durchlassöffnungen des ersten Auslasskanalsystems auszubilden. Entsprechend können die Schenkel der U-förmigen Eduktgaszuführung als erste Zuführkanäle ausgebildet sein und das erste Eduktgas den Rohren zuführen. Die erste Eduktgaszuführung kann somit zwei erste Zuführkanäle aufweisen, die das erste Eduktgas den Rohren über die den Schenkeln zugewandten Enden der Rohre zuführen. Die jeweilige erste Auslassöffnung ist zudem auf der ersten Oberseite und somit auf der Oberseite eines der Rohre angeordnet.
Zusätzlich kann der jeweilige erste Zuführkanal zumindest eine Bypass-Öffnung aufweisen, die seitlich bzw. in einem Randbereich des Brennraums angeordnet ist oder mit einem am Brennraum vorbei führenden Bypasspfad verbunden ist. Die Bypass-Öffnungen dienen insbesondere dem Zweck, den Volumenstrom des ersten Eduktgases in den Brennraum zu reduzieren. Innerhalb einer Brennkammer des Restgasbrenners kann seitlich des Brennraums ein Randbereich vorgesehen sein, dem keine zweiten Auslassöffnungen zugeordnet sind, so dass dort nur die Bypass-Öffnungen vorgesehen sind und nur das erste Eduktgas in den Randbereich eintritt. Der über die Bypass-Öffnungen in die Brennkammer eintretende Eduktgasstrom ist dann seitlich entlang von den Brennraum einfassenden Wänden der Brennkammer geführt, was eine thermische Entlastung der Brennkammerwände bedeutet. Optional kann wenigstens eine Schottwand in der Brennkammer angeordnet sein, die parallel zu einer Brennkammerwand verläuft und zumindest in einem an die erste Oberfläche angrenzenden Bereich den Randbereich vom Brennraum trennt. Distal zur ersten Oberfläche kann die jeweilige Schottwand überströmbar sein, so dass dort der jeweilige Randbereich fluidisch mit dem Brennraum verbunden ist. Sofern der jeweilige Ranbereich durch wenigstens eine solche Schottwand vom Brennraum getrennt ist, enthält der Randbereich den zumindest teilweise am Brennraum vorbeiführenden Bypasspfad. Die Bypass-Öffnungen sind vorzugsweise auch auf der ersten Oberseite angeordnet.
Dient die auf dem ersten Zuführkanal angeordnete Öffnung als Bypass-Öffnung, so kann das durch sie hinausströmende erste Eduktgas auch zur Kühlung des Brennraums bzw. des Restgasbrenners genutzt werden. Die Bypass-Öffnung ist beispielsweise zwischen der entsprechenden Schottwand des Brennraums und einer Außenwand bzw. Brennkammerwand des Restgasbrenners angeordnet. Diese Wände bilden einen für das aus der jeweiligen Bypass-Öffnung hinausströmende erste Eduktgas durchströmbaren Hohlraum, durch den der Bypasspfad führt.
Die zweite Oberseite des zweiten Auslasskanalsystems kann als Platte ausgebildet sein. Die Platte begrenzt einen zweiten Kanal des zweiten Auslasskanalsystems, der alle zweiten Auslassöffnungen mit dem zweiten Eduktgas versorgt. Mit anderen Worten, das zweite Auslasskanalsystem kann lediglich einen einzigen zweiten Kanal aufweisen, der alle zweite Auslassöffnungen mit zweitem Eduktgas versorgt, wobei die zweiten Auslassöffnungen in der Platte und entsprechend an der zweiten Oberseite angeordnet sind. Hierbei fallen der zweiter Kanal und ein zweite Zuführkanal zumindest bereichsweise zusammen bzw. entsprechen einander.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist das zweite Auslasskanalsystem bzw. die zweite Eduktgaszuführung in Schalenbauweise hergestellt. Die zweite Oberseite kann dementsprechend als eine zweite Oberschale ausgebildet sein, die mit einer als eine zweite Unterschale ausgebildeten zweiten Unterseite das zweite Auslasskanalsystem bzw. die zweite Eduktgaszuführung formt.
Auch ist eine Ausführungsform bevorzugt, bei der das erste Auslasskanalsystem bzw. die erste Eduktgaszuführung in Schalenbauweise hergestellt ist. Entsprechend weist die erste Eduktgaszuführung eine erste Oberschale und eine komplementär ausgebildete erste Unterschale auf, die das erste Auslasskanalsystem bzw. die erste Eduktgaszuführung formen.
Bevorzugt wird eine Ausführungsform, bei der sowohl das erste Auslasskanalsystem bzw. die erste Eduktgaszuführung als auch das zweite Auslasskanalsystem bzw. die zweite Eduktgaszuführung in Schalenbauweise hergestellt sind. Die jeweiligen Schalen, das heißt die jeweiligen Oberschalen und/oder die jeweiligen Unterschalen sind beispielsweise durch ein Tiefziehverfahren hergestellt. Die jeweiligen Schalen können aus Blech, insbesondere aus Eisenmetallen und/oder Leichtmetallen, durch das Tiefziehen geformt und anschließend miteinander verbunden sein. Als Beispiele für Verbindungsmöglichkeiten der jeweiligen Schalen wird hier auf Schweißen, Löten, Verschrauben sowie Verkleben hingewiesen, wobei beliebige Arten der Verbindung der jeweiligen zugehörigen Schalen vorstellbar sind, sofern diese Verbindungsarten für die im Brennraum herrschenden thermodynamischen Zustände geeignet sind. Durch die Schalenbauweise der insbesondere aus Blech geformten Schalen ist eine kostengünstige Herstellung der Eduktgaszuführungen und somit des Restgasbrenners möglich. Zudem wird dadurch das Gewicht des Restgasbrenners reduziert, was, insbesondere bei mobilen Anwendungen des zugehörigen Brennstoffzellensystems, vorteilhaft ist.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform sind die ersten Auslassöffnungen entlang von, vorzugsweise geraden, ersten Linien angeordnet. Jeweils mehrere erste Auslassöffnungen können dann auf unterschiedlichen ersten Linien angeordnet sein, wobei die jeweiligen ersten Linien vorzugsweise nebeneinander angeordnet sind, insbesondere in einer ersten Ebene liegen können und parallel verlaufen. Entsprechend sind die zweiten Auslassöffnungen bei einer weiteren Ausführungsform auf, insbesondere geraden, zweiten Linien angeordnet, wobei die zweiten Linien vorzugsweise nebeneinander angeordnet sind, parallel zueinander verlaufen und insbesondere in einer zweiten Ebene liegen können. Die jeweils auf einer der Linien angeordneten Auslassöffnungen können unterschiedliche Größen und/oder Formen aufweisen.
Die auf einer der Linien angeordneten Auslassöffnungen können insbesondere entlang einer Strömungsrichtung in dem jeweiligen Kanal kleiner werden. Dies dient insbesondere dem Zweck, einen Volumenstrom des jeweiligen Eduktgases in den Brennraum zu homogenisieren. Das heißt, die jeweiligen Auslassöffnungen sind derart dimensioniert bzw. geformt, dass eine Strömungsgeschwindigkeit durch alle ersten Auslassöffnungen und/oder alle zweiten Auslassöffnungen jeweils im Wesentlichen gleich ist. Die Verkleinerung der Auslassöffnungen entlang der entsprechenden Strömungsrichtung beruht auf der Kenntnis, dass der Druck im jeweiligen Eduktgas im jeweiligen Kanal entlang der Strömungsrichtung des Eduktgases bedingt durch den Aufstau des Eduktgases im jeweiligen Kanalsystem zunimmt. Dem wird insoweit entgegengetreten, dass die Größe und somit ein Strömungsquerschnitt der Auslassöffnungen entlang der Strömungsrichtung kleiner wird, wodurch die Massen- bzw. Volumenströme durch alle Auslassöffnungen der zugehörigen Eduktgaszuführung einander angepasst werden können. Wird ein Kanal über zwei Zuführkanälen an zwei gegenüberliegenden Kanaleinlässen mit Eduktgas versorgt, so können die Auslassöffnungen dieses Kanals folglich derart ausgebildet sein, dass ihre Größe hin zur Mitte der Anordnung auf der Linie abnimmt.
Alternativ oder zusätzlich kann die Homogenisierung des Volumenstroms des jeweiligen Eduktgases durch die Anpassung der Größe der zugehörigen Kanaleinlässe realisiert sein. Die jeweiligen Kanaleinlässe können beispielsweise eine Verengung aufweisen, wobei die Drosselwirkung der Verengungen entlang der Strömungsrichtung des zugehörigen Eduktgases im die Kanäle versorgenden Zuführkanal bzw. in den die Kanäle versorgenden Zuführkanälen zunehmen. Mit anderen Worten, der durch die Kanaleinlässe zur Verfügung gestellte Strömungsquerschnitt verkleinert sich entlang der Strömungsrichtung in den zugehörigen Zuführkanälen, so dass der durch Aufstau ansteigende Druck im Eduktgas entlang der Strömungsrichtung ausgeglichen werden kann.
Bevorzugt ist hierbei eine Ausführungsform, bei die die jeweiligen Verengungen integral in dem zugehörige Auslasskanalsystem ausgebildet sind. Die Verengungen sind somit durch unterschiedliche Formen bzw. Größen der Kanaleinlässe realisiert.
Eine weitere Möglichkeit zur Gestaltung eines homogenen Volumenstroms ist die Verkleinerung der Kanäle bzw. der Strömungsquerschnitte der Kanäle entlang der Strömungsrichtung des zugehörigen Zuführkanals bzw. der zugehörigen Zuführkanäle.
Zusätzlich oder alternativ kann sich der Zuführkanal bzw. können sich die Zuführkanäle, entlang der Strömungsrichtung des in ihnen strömenden Eduktgases verjüngen, um ihren Strömungsquerschnitt entlang der Strömungsrichtung zu reduzieren. Dies ist zweckmäßig dann der Fall, wenn entlang des jeweiligen Zuführkanals zumindest zwei zugehörige Kanäle bzw. zumindest zwei zugehörige Auslassöffnungen angeordnet sind, die dieser zweite Zuführkanal mit zweitem Eduktgas versorgt.
Bevorzugt wird eine Ausführungsform, bei der erste Linien und zweite Linien jeweils nebeneinander angeordnet sind. Die ersten Linien und die zweiten Linien sind dabei vorzugsweise abwechselnd entlang einer Richtung quer zu den Längsrichtungen der geraden Linien angeordnet, wobei diese Längsrichtung bevorzugt die Strömungsrichtung in den jeweiligen Kanälen ist. Sind beispielsweise die Kanäle eines der Auslasskanalsysteme als Rohre ausgebildet, so können die entsprechenden Linien insbesondere parallel zu den Rohren verlaufen. Das bedeutet, dass die zugehörigen Auslassöffnungen linienartig an der Oberseite der Rohre angeordnet sind.
Auch können die Bypass-Öffnungen der ersten Zuführkanäle entlang von Byepass-Linien angeordnet sein, die sich zweckmäßig entlang des zugehörigen ersten Zuführkanals erstrecken. Diese verlaufen quer, insbesondere senkrecht, zu den ersten Linien.
Die Durchgangsöffnungen können durch geradlinige Langlöcher oder Schlitze gebildet sein, die nebeneinander angeordnet sind, parallel zu den ersten Linien verlaufen und sich mit diesen abwechseln, wobei sie zweckmäßig in der ersten Ebene liegen können und bevorzugt senkrecht zur ersten Ebene zu den zweiten Linien fluchten.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die ersten Auslassöffnungen linienartig auf ersten Linien entlang der als Rohre ausgebildeten ersten Kanäle des ersten Auslasskanalsystems und/oder des zumindest einen ersten Zuführkanals angeordnet, während die zweiten Auslassöffnungen linienartig auf zu den durch die beabstandeten Rohre ausgebildeten Durchgangsöffnungen fluchtenden zweiten Linien angeordnet sind.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine der Eduktgaszuführungen als Anodenabgasführung eines Brennstoffzellensystems und die andere Eduktgaszuführung als Kathodenabgasführung des Brennstoffzellensystems ausgestaltet. Vorzugsweise ist die erste, für größere Volumenströme ausgelegte Eduktgaszuführung als Kathodenabgasführung ausgestaltet, während die zweite Eduktgaszuführung als Anodenabgasabführung ausgestaltet ist. Hierbei wird die Kenntnis genutzt, dass beim Betrieb einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems mehr Kathodengas verwendet wird als Anodengas und entsprechend mehr Kathodenabgas anfällt als Anodenabgas, wobei das Kathodengas und das Anodengas jeweils zumindest einer auf einer Anodenseite angeordneten Anode bzw. zumindest einer auf einer Kathodenseite angeordneten Kathode zumindest einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems zugeführt werden. Außerdem kann dem Kathodenabgas stromauf des Brennraums ein Kühlgas, z.B. Luft, zugemischt werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist ein Brennstoffzellensystem einen Restgasbrenner der vorstehend beschriebenen Art auf. Das Brennstoffzellensystem umfasst die zumindest eine Brennstoffzelle, welche die Anodenseite und die Kathodenseite aufweist. Zweckmäßig ist eine der Eduktgaszuführungen fluidisch mit der Kathodenseite verbunden, während die andere Eduktgaszuführung fluidisch mit der Anodenseite verbunden ist. Somit kann das auf der Anodenseite entstehende Anodenabgas durch eine der Eduktgaszuführungen zum Brennraum des Restgasbrenners gelangen, während das auf der Kathodenseite entstehende Kathodenabgas durch die andere Eduktgaszuführung zum Brennraum geführt wird. Bevorzugt ist hierbei eine Ausführungsform, bei der die erste Eduktgaszuführung, welche für größere Volumenströme ausgelegt ist als die zweite Eduktgaszuführung, fluidisch mit der Kathodenseite verbunden ist, während die zweite Eduktgaszuführung fluidisch mit der Anodenseite verbunden ist. Folglich strömt durch die der ersten Unterseite zugewandten zweiten Auslassöffnungen Anodenabgas in den Brennraum, während durch die ersten Auslassöffnungen Kathodengas in den Brennraum strömt.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch,
1 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Darstellung eines Brennstoffzellensystems,
2 eine Draufsicht auf eine erste Eduktgaszuführung und eine zweite Eduktgaszuführung eines Restgasbrenners,
3 eine Seitenansicht des Restgasbrenners,
4 eine Explosionsdarstellung des Restgasbrenners.
Entsprechend 1 weist ein Brennstoffzellensystem 1 zumindest eine Brennstoffzelle 2 auf, welche auf einer Anodenseite 3 eine Anode 4 und auf einer Kathodenseite 5 eine Kathode 6 aufweist. Zum Betreiben des Brennstoffzellensystems 1 wird die Anode 4 mit einem Anodengas und die Kathode 6 mit einem Kathodengas versorgt. Hierzu ist eine Anodengaszuführung 7 vorgesehen, die das Anodengas der Anode 4 auf der Anodenseite 3 zuführt. Weiter ist eine Kathodengaszuführung 8 vorgesehen, die das Kathodengas der Kathode 6 auf der Kathodenseite 5 zuführt. Die Brennstoffzelle 2 wandelt die bei der chemischen Reaktion des Kathodengases und des Anodengases entstehende chemische Energie in elektrische Energie um und führt die elektrische Energie beispielsweise in Form einer elektrischen Spannung mittels elektrischer Leitungen 9 einem elektrischen Verbraucher 10 zu. Dabei entstehen auf der Anodenseite 3 Anodenabgas und auf der Kathodenseite 5 Kathodenabgas. Das Kathodenabgas und das Anodenabgas werden über eine Kathodenabgasführung 36 oder eine erste Eduktgaszuführung 11 und eine Anodenabgasführung 37 oder eine zweite Eduktgaszuführung 12 als ein erstes Eduktgas (Kathodenabgas) und ein zweites Eduktgas (Anodenabgas) einem Restgasbrenner 13 des Brennstoffzellensystems 1 zugeführt. Der Restgasbrenner 13 weist einen Brennraum 14 auf, in den die Eduktgase mittels der ersten Eduktgaszuführung 11 und der zweiten Eduktgaszuführung 12 gelangen. Im Brennraum 14 findet eine Verbrennung der Eduktgase statt, wobei ein heißes Brennerabgas entsteht. Das Brennerabgas wird durch eine Brennerabgasführung 15 vom Restgasbrenner 13 weggeführt. Die Brennerabgasführung 15 ist mittels eines Wärmeübertragers 16 wärmeübertragend mit der Kathodengaszuführung 8 verbunden, so dass die vom Restgasbrenner 13 erzeugte Wärme auf das Kathodengas übertragen wird.
Die 2 bis 4 zeigen den Restgasbrenner 13. Die erste Eduktgaszuführung 11 ist U-förmig ausgebildet und weist ein erstes Auslasskanalsystem 17 auf, welches als Rohre 18 ausgebildete erste Kanäle 18 umfasst, die parallel zwischen als erste Zuführkanäle 40 ausgebildete Schenkeln 19 der U-förmig geformten ersten Eduktgaszuführung 11 verlaufen. Die parallel verlaufenden ersten Kanäle 18 sind zudem entlang einer senkrecht zur parallelen Anordnung verlaufenden Richtung 38 voneinander beabstandet und bilden somit schlitzartige Durchlassöffnungen 20 des ersten Auslasskanalsystems 17 aus. Die erste Eduktgaszuführung 11 und somit das erste Auslasskanalsystem 17 weisen zudem eine dem von Wänden 39 begrenzten Brennraum 14 zugewandte erste Oberseite 21 auf. Zum Auslassen des ersten Eduktgases in den Brennraum 14 sind erste Auslassöffnungen 22 linienartig entlang geradlinigen ersten Linien 23 auf der ersten Oberseite 21 des ersten Auslasskanalsystems 17 angeordnet, wobei jeweils eine der ersten Linien 23 entlang der Rohre 18 verläuft. Zudem sind auf weiteren geraden Bypass-Linien 46 entlang der ersten Oberseite 21 der Schenkeln 19 runde Bypass-Öffnungen 47 angeordnet. Die Bypass-Öffnungen 47 sind seitlich in einem Randbereich 48 des Brennraums 14 angeordnet, so dass das durch sie hinausströmende erste Eduktgas seitlich entlang des Brennraums 14 geführt wird. In einer Brennkammer des Restgasbrenners 13 kann wenigstens eine Schottwand 39 vorgesehen sein, die den Randbereich 48 von dem eigentlichen Brennraum 14 trennt. Zwischen der Schottwand 39 und einer nicht gezeigten Wand der Brennkammer kann dann ein Hohlraum ausgebildet sein, der als Bypasspfad dient. Über diesen Bypasspfad kann das erste Eduktgas an dem Brennraum 14 vorbeigeführt werden. Die auf den jeweiligen Bypass-Linien 46 verlaufenden Bypass-Öffnungen 47 können somit optional zwischen einer solchen Schottwand 39 des Brennraums 14 und einer hier nicht gezeigten Außenwand des Restgasbrenners 13 angeordnet sein, so dass der Bypasspfad durch den damit gebildeten Hohlraum führt und das zugehörige Eduktgas den Restgasbrenner 13 dabei kühlen kann. Die jeweilige Schottwand 39 kann distal zur ersten Oberseite 21 überströmbar ausgestaltet sein, so dass das erste Eduktgas dort vom Bypasspfad in den Brennraum 14 gelangt. Fehlt dagegen eine solche Schottwand, kann das entlang der Außenwand der Brennkammer strömende erste Eduktgas bereits entlang der Wand in den Brennraum 14 eintreten. Dennoch kann das entlang der Brennkammerwand strömende erste Eduktgas eine Schutzschicht bilden, die eine thermische Belastung der Brennkammerwand reduziert.
Die ersten Auslassöffnungen 22 weisen eine runde Form auf, wobei die Größe der ersten Auslassöffnungen 22 auf den jeweiligen Rohren 18 hin zur Mitte des jeweiligen Rohrs 18 abnimmt. Die Mitte bezieht sich hierbei auf den entlang des jeweiligen Rohrs 18 verlaufenden Abstand zwischen den Schenkeln 19 der ersten Eduktgaszuführung 11. Die Abnahme der Größe der ersten Auslassöffnungen 22 ist somit entlang einer durch Pfeile 41 angedeuteten ersten Strömungsrichtung im ersten Auslasskanalsystem 17 gegeben. Die Schenkel 19 der ersten Eduktgaszuführung 11 laufen einem ersten Einlass 24 des ersten Auslasskanalsystems 17 zusammen. Das erste Eduktgas strömt also von der Brennstoffzelle 6 über den ersten Einlass 24 in den jeweiligen Schenkel 19 und anschließend durch die Bypass-Öffnungen 47. Zusätzlich strömt das erste Eduktgas über den ersten Einlass 24 in den jeweiligen Schenkel 19 und über erste Kanaleinlässe 42 in die jeweiligen Rohre 18 und durch die ersten Auslassöffnungen 22 in den Brennraum 14. Alle ersten Kanaleinlässe 42, mit Ausnahme der Kanaleinlässe 42 des dem ersten Einlass 24 nächst benachbarten Rohrs 18, weisen zudem jeweils eine Verengung 43 auf, wobei die Verengungen 43 sich entlang der Strömungsrichtung 41 in den Schenkeln 19 vergrößern. Die Verengungen 43 sind zudem integral in das jeweilige zugehörige Rohr 18 bzw. in das erste Auslasskanalsystem 17 ausgebildet. Dementsprechend könnte die jeweilige Verengung 43 als Flaschenhals des zugehörigen Rohrs 18 beschrieben werden.
Die zweite Eduktgaszuführung 12 weist ein zweites Auslasskanalsystem 25 auf, welches eine dem Brennraum 14 zugewandte zweite Oberseite 26 umfasst. Um das zweite Eduktgas in den Brennraum 14 strömen zu lassen, sind runde zweite Auslassöffnungen 27 linienartig auf entlang von parallel angeordneten zweiten Kanälen 44 verlaufenden geradlinigen zweiten Linien 28 und an der zweiten Oberseite 26 des zweiten Auslasskanalsystems 25 angeordnet. Die zweite Oberseite 26 ist einer vom Brennraum 14 abgewandten ersten Unterseite 29 des ersten Auslasskanalsystems 11 zugewandt. Bei der in 3 gezeigten Ansicht sind die zweiten Auslassöffnungen 27 somit unterhalb der ersten Auslassöffnungen 22 angeordnet, so dass die zweiten Auslassöffnungen 27 weiter vom Brennraum 14 beabstandet sind als die ersten Auslassöffnungen 22. Zudem sind die Bypass-Öffnungen 47 oberhalb der ersten Auslassöffnungen 22 angeordnet. Weiter sind die zweiten Linien 28 parallel zu den entlang den Rohren 18 verlaufenden ersten Linien 23 bzw. senkrecht zu den entlang den Schenkeln 19 verlaufenden Bypass-Linien 46 angeordnet, derart, dass sie und somit die zweiten Auslassöffnungen 27 senkrecht zu einer Ebene, in welcher die ersten Linien 23 liegen, fluchtend zu den schlitzartig ausgebildeten Durchgangsöffnungen 20 verlaufen. Somit kann das durch die zweiten Auslassöffnungen 27 strömende zweite Eduktgas durch die Durchlassöffnungen 20 hindurch in den Brennraum 14 gelangen. Die entlang der parallel zu den Schenkeln 19 verlaufenden Bypass-Linien 46 angeordneten Bypass-Öffnungen 47 bilden ferner in der in 2 gezeigten Draufsicht den Schnittpunkt zwischen diesen ersten Linien 23 und den zweiten Linien 28, so dass sich entlang der Strömungsrichtung in den ersten Zuführkanälen 40 die Bypass-Öffnungen 47 und die ersten Kanaleinlässe 42 abwechseln.
Wie in 3 zu sehen, ist das zweite Auslasskanalsystem 25 mittels der zweiten Oberseite 26 an der ersten Unterseite 21 des ersten Auslasskanalsystems 17 angeordnet. Zudem weist das zweite Auslasskanalsystem 25 einen einzigen zweiten Zuführkanal 30 auf, der alle zweiten Kanäle 44 mit zweitem Eduktgas versorgt. Der zweite Zuführkanal 30 ist dabei mittig in der zweiten Eduktgaszuführung 12 angeordnet. Die zweiten Auslassöffnungen 27 und die zweiten Kanäle 44 sind, wie in 4 zu sehen, in eine dem Brennraum 14 zugewandten zweiten Oberschale 31 der in Schalenbauweise hergestellten zweiten Eduktgaszuführung 12 ausgebildet. Die zweite Oberschale 31 formt somit mit einer komplementär geformten zweiten Unterschale 32 die zweite Eduktgaszuführung 12. Die zweite Eduktgaszuführung 12 weist einen zweiten Einlass 33 zum Einlassen des zweiten Eduktgases in das zweite Auslasskanalsystem 17 auf, so dass das zweite Eduktgas entlang einer mit Pfeilen 45 angedeuteten zweiten Strömungsrichtung des zweiten Eduktgases über den zweiten Einlass 33 in den zweiten Zuführkanal 30 und dann über die zweiten Kanäle 44 zu den zweiten Auslassöffnungen 27 und anschließend durch die Durchgangsöffnungen 20 in den Brennraum 14 gelangt. Der zweite Zuführkanal 30 verjüngt sich zudem entlang der zweiten Strömungsrichtung im zweiten Zuführkanal 30.
Auch die erste Eduktgaszuführung 11 ist, wie in 4 zu sehen, in Schalenbauweise hergestellt. Hierzu weist die erste Eduktgaszuführung 17 eine dem Brennraum 14 zugewandte erste Oberschale 34 und eine komplementär geformte und vom Brennraum 14 abgewandte erste Unterschale 35 auf. In 4 ist der Bereich des ersten Einlasses 24 im zusammengebauten Zustand dargestellt.
Die jeweiligen Unterschalen 32, 35 und Oberschalen 31, 34 sind vorzugsweise jeweils durch ein Tiefziehverfahren aus einem Blech hergestellt. Zudem sind die erste Eduktgaszuführung 11 und die zweite Eduktgaszuführung 12 als separate Bauteile ausgebildet. Dies ermöglicht eine leichte, kostengünstige und einfache Herstellung des Restgasbrenners 13. Zudem kann durch die Anordnung der ersten Auslassöffnungen 22 und der zweiten Auslassöffnungen 27 sowie die entsprechenden Verengungen 43 und die Verjüngung eine verbesserte Durchmischung der Eduktgase stattfinden, womit das Verbrennen der Eduktgase im Brennraum 14 des Restgasbrenners 13 stabilisiert wird, was zu einer Steigerung des Wirkungsgrades des Restbrenners 13 führt.
Wie insbesondere in 3 und 4 sichtbar, ist die erste Eduktgaszuführung 11 für größere Volumengasströme ausgebildet als die zweite Eduktgaszuführung 12, so dass die erste Eduktgaszuführung 11 bei etwa gleichen Srömungsgeschwindigkeiten größere Volumenströme ermöglicht als die zweite Eduktgaszuführung 12. Hierzu trägt auch bei, dass die unterschiedlich großen ersten Auslassöffnungen 22 größer sind als die gleich großen zweiten Auslassöffnungen 27.
Bevorzugt ist die erste Eduktgaszuführung 11 fluidisch mit der Kathodenseite 5 verbunden, während die zweite Eduktgaszuführung 12 fluidisch mit der Anodenseite 3 verbunden ist. Das heißt insbesondere, dass die erste Eduktgaszuführung 11 als die Kathodenabgasführung 36 ausgestaltet ist, während die zweite Eduktgaszuführung 12 als die Anodenabgasführung 37 ausgestaltet ist.

Claims

Restgasbrenner (13) für ein Brennstoffzellensystem (1), mit einem Brennraum (14) und einer ersten Eduktgaszuführung (11) und einer zweiten Eduktgaszuführung (12) zum Zuführen eines ersten Eduktgases und eines zweiten Eduktgases zum Brennraum (14), wobei – die erste Eduktgaszuführung (11) ein erstes Auslasskanalsystem (17) aufweist, das eine dem Brennraum (14) zugewandte erste Oberseite (21) umfasst, die zum Auslassen des ersten Eduktgases in den Brennraum (14) zumindest eine erste Auslassöffnung (22) aufweist, – die zweite Eduktgaszuführung (12) ein zweites Auslasskanalsystem (25) aufweist, das eine dem Brennraum (14) zugewandte zweite Oberseite (26) umfasst, die zum Auslassen des zweites Eduktgases in den Brennraum (14) zumindest eine zweite Auslassöffnung (27) umfasst, – das erste Auslasskanalsystem (17) eine von der ersten Oberseite (21) abgewandte erste Unterseite (29) aufweist, die der zweiten Oberseite (26) zugewandt ist.
Restgasbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Auslasskanalsystem (25) an der ersten Unterseite (29) des ersten Auslasskanalsystems (17) angeordnet ist.
Restgasbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Auslasskanalsystem (17) zumindest eine von der zumindest einen ersten Auslassöffnung (22) beabstandete Durchlassöffnung (20) aufweist, die zu zumindest einer zweiten Auslassöffnung (27) fluchtet.
Restgasbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei der ersten Auslassöffnungen (22) eine unterschiedliche Größe und/oder Form aufweisen.
Restgasbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei der zweiten Auslassöffnungen (27) eine unterschiedliche Größe und/oder Form aufweisen.
Restgasbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Eduktgaszuführung (11) U-förmig ausgebildet ist und zwei Schenkel (19) aufweist, die durch von der zumindest einen Durchlassöffnung (20) beabstandete, parallel verlaufende und als erstes Auslasskanalsystem ausgebildete Rohre (18) miteinander verbunden sind, wobei zumindest eines der Rohre (18) zumindest eine erste Auslassöffnung (22) aufweist.
Restgasbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Eduktgaszuführung (11) und/oder die zweite Eduktgaszuführung (12) eine Schalenbauweise aufweist.
Restgasbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Eduktgaszuführung (11) zumindest eine Bypass-Öffnung (47) aufweist, die einem seitlichen Randbereich (48) des Brennraums (14) oder einem Bypasspfad zugeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Kanäle (18, 44) zumindest eines der Auslasskanalsysteme (17, 25) Kanaleinlässe (42) zum Einlassen des jeweiligen Eduktgases in die zugehörigen Kanäle (18, 44) umfasst, die unterschiedliche Verengungen (43) aufweisen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verengungen (43) integral in die zughörige Eduktgaszuführung (11, 12) ausgebildet sind.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Eduktgaszuführung (11, 12) zumindest ein Zuführkanal (30, 40) zum Zuführen des zugehörigen Eduktgases zu den Kanälen (18, 44) aufweist, die sich entlang einer Strömungsrichtung des Eduktgases verjüngen.
Restgasbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Auslassöffnungen (22) linienförmig auf ersten Linien (23) angeordnet sind und/oder die zweiten Auslassöffnungen (27) linienförmig auf zweiten Linien (28) angeordnet sind, wobei insbesondere vorgesehen sein kann, dass zumindest zwei erste Linien (23) und zweite Linien (28) parallel, insbesondere parallel zu dem zumindest einen Rohr (18), verlaufen und/oder dass zumindest zwei erste Linien (23) und zweite Linien (28) abwechselnd entlang einer Richtung quer zu den Linien (23, 28) angeordnet sind.
Restgasbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Eduktgaszuführung (11) für größere Volumenströme ausgelegt ist als die zweite Eduktgaszuführung (12).
Brennstoffzellensystem (1) mit einem Restgasbrenner (13) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, – und mit zumindest einer Brennstoffzelle (2), die eine Anodenseite (3) und eine Kathodenseite (5) aufweist, – wobei eine der Eduktgaszuführungen (11, 12) fluidisch mit der Kathodenseite (5) verbunden ist und die andere Eduktgaszuführung (11, 12) fluidisch mit der Anodenseite (3) verbunden ist.