DE19948216B4

DE19948216B4 - Nachbrenner einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE19948216B4
Application number: DE19948216A
Authority: DE
Inventors: Joachim Berg; Martin Bielski; Dr. Hocker Thomas; Reinhold Kehl; Jochen Paulus; Dr. Ro Seonhi; Joachim Schürholz; Kerstin Wagner
Original assignee: Vaillant GmbH
Priority date: 1998-10-08
Filing date: 1999-10-07
Publication date: 2011-12-01
Anticipated expiration: 2019-10-08
Also published as: DE19948216A1; CH693910A5; ATA168498A; AT406899B

Abstract

Einrichtung mit mindestens einer Brennstoffzelle (1), der ein Reformer vorgeordnet ist und einem an eine Abgasleitung (3) der Brennstoffzelle (1) angeschlossenen Nachbrenner (4), der in einem mit einem Wärmetauscher (6) versehenen Brennraum (11) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der nachgeschaltete Brenner (4) als ein Luftstufenbrenner ausgebildet ist, wobei die Abgasleitung (3) der Brennstoffzelle (1) in einen hohlen perforierten Kegel (4) mündet, der von zu diesem im wesentlichen konzentrisch angeordneten Brennstoffdüsen (10), die im Brennraum (11) angeordnet sind, umgeben ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Beim Betrieb von Brennstoffzellen, insbesondere Hochtemperatur-Brennstoffzellen, die bei Temperaturen von mehr als 900°C betrieben werden, ist es erforderlich, eine möglichst konstante Temperatur der Brennstoffzelle bzw. eines Brennstoffzellenstapels einzuhalten. Temperaturschwankungen, die sich durch Belastungsmodulation und Variation der Stromproduktion der Brennstoffzelle ergeben würden, werden bisher durch Variation des Luftüberschusses ausgeglichen. Dies hat zur Folge, dass in der Praxis die Luftzahl des Abgases der Brennstoffzelle zwischen Lambda 3 und 9 schwankt. Um trotz des hohen Luftüberschusses die thermische Energie des heißen Abgases energetisch nutzen zu können, werden bisher konventionelle voll-vormischende Brenner nachgeschaltet, die mit der überschüssigen Luft der Brennstoffzelle und zusätzlichem Brenngas betrieben werden.
Dabei ist es jedoch erforderlich, die Belastung des Brenners an die Luftzahl des Brennstoffzellenstapels anzupassen, um zu vermeiden, dass das Brenngas-Luft-Gemisch die Zündgrenzen überschreitet. Außerdem ergeben sich bei solchen bekannten Einrichtungen auch Probleme, wenn kein Wärmebedarf gegeben ist und das heiße Abgas der Brennstoffzelle abgeführt werden muß.
Aus DE 197 17 721 A1 ist ein Brenner mit gestufter Luftzuführung bekannt, bei dem ein verbrennungsluftführender Kegel von reinem Brenngas führenden Brenngasdüsen umringt ist. Der Brenner zeichnet sich dadurch aus, dass eine Verbrennung in einem großen Brenngas-Luft-Verhältnis möglich ist.
EP 818 840 A1 zeigt ein Brennstoffzellensystem, bei dem unvollständig verbranntes Abgas der Brennstoffzelle in einem Gasbrenner nachverbrannt wird. Hierbei handelt es sich bei dem Nachbrenner um einen vollvormischender Brenner, bei dem alle Eingangsstoffe dem Brenner gemeinsam zugeführt werden. Ein derartiger vollvormischender Brenner kann wegen der Zündgrenzen des Gemischs nur in einem bestimmten Bereich des Luftüberschusses betrieben werden, weshalb eine Lambdaregelung notwendig sein kann, um unter allen Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle einen Betrieb des Brenners zu ermöglichen. Auch EP 636 280 B1 zeigt eine derartige Anlage mit vollvormischendem Nachbrenner, bei dem alle Stoffströme gemeinsam in den Brenner geleitet werden.
Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und eine Einrichtung der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, bei der das Abgas der Brennstoffzelle auf sehr einfache Weise genutzt werden kann. Erfindungsgemäß wird dies bei einer Einrichtung der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 erreicht.
Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ergibt sich eine in konstruktiver Hinsicht sehr einfache Lösung. Bei einer solchen Ausbildung des Brenners strömt Brenngas über die Brennstoffdüsen in den Brennraum und vermischt sich mit der im Abgas der Brennstoffzelle, das aus dem perforierten Kegel strömt, enthaltenen Luft. Dabei wird, wie bei einem Diffusionsbrenner, der Flamme so viel Luft zugeführt, wie sie zur vollständigen Verbrennung benötigt. Die überschüssige Luft, die durch das System gelangt, nimmt nicht an der Verbrennung teil. Daraus resultiert, dass das System mit einer Gesamtluftzahl, z. B. hinter dem Wärmetauscher gemessen, betrieben werden kann, die so groß ist, dass ein voll-vormischender Brenner nicht betrieben werden könnte, da das Gemisch sich außerhalb der Zündgrenzen befände.
Da nach den vorgeschlagenen Maßnahmen nicht die gesamte im Abgas der Brennstoffzelle enthaltene Luft den Flammen zugeführt wird, kann nach der Erfindung der Nachbrenner mit Luftzahlen zwischen 1,05 und 3 betrieben werden, wodurch sich eine wesentlich einfachere Regelungsstrategie als bei den herkömmlichen voll-vormischenden Brennern ergibt.
Durch die Merkmale des Anspruches 2 ergibt sich der Vorteil, dass bei Betriebszuständen, bei denen keine entsprechende Wärmeanforderung vorliegt und das heiße Abgas der Brennstoffzelle abgeführt werden muss, zusätzliche kühle Luft über die Luftleitung in den hohlen Kegel eingebracht werden kann. Dadurch kann das aus dem Kegel austretende Gasgemisch soweit abgekühlt werden, dass der im Brennraum angeordnete Wärmetauscher mit einer Temperatur von weniger als 100°C beaufschlagt wird. Dadurch wird eine Blasenbildung im Wärmetauscher, aber auch eine vermehrte Korrosion des Wärmetauschers, insbesondere Hochtemperatur-Korrosion, vermieden.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert, die schematisch eine erfindungsgemäße Einrichtung zeigt. Eine Brennstoffzelle 1, bzw. ein Stapel von Brennstoffzellen 1, ist über eine Wasserstoffleitung 8 mit einem nicht dargestellten vorgeschalteten Reformer verbunden und mit einer Luftleitung 7 versehen, über die der Brennstoffzelle 1 Luft zugeführt wird.
Eine Abgasleitung 3 der Brennstoffzelle 1 mündet im Inneren eines hohlen perforierten als Nachbrenner dienenden Kegels 4, der in einem Brennraum 11 angeordnet ist. Weiters mündet auch noch eine Luftleitung 2 in den perforierten Kegel 4.
Dieser Kegel 4 ist konzentrisch von einem Ring von Brennstoffdüsen 10 umgeben, die im Boden des Brennraumes 11, in dem auch ein mit einer Zentralheizung in Verbindung stehenden wasserführenden Wärmetauscher 6 angeordnet ist, gehalten und an eine Brenngasleitung 9 angeschlossen sind. Weiters ist der Brennraum mit einem Abgasstutzen 5 versehen.
Beim Betrieb der Einrichtung wird Wasserstoffgas über die Wasserstoffleitung 8 und Luft über die Luftleitung 7 in die Brennstoffzelle 1 eingeleitet und in dieser Strom erzeugt. Das dabei entstehende heiße Abgas, das einen erheblichen Luftüberschuss aufweist, gelangt über die Abgasleitung 3 in das Innere des hohlen Kegels 4.
Besteht ein über die im Abgas, das aus dem Kegel 4 austritt und den Wärmetauscher 6 beaufschlagt, enthaltene Wärme hinausgehender Wärmebedarf, so wird über die Brenngasleitung 9 und die Brennstoffdüsen 10 Brenngas in den Brennraum 11 geleitet, das sich mit dem aus dem Kegel 4 austretenden Abgas vermischt und verbrennt. Dabei wird von den Flammen nur soviel Luft aus dem Abgas der Brennstoffzelle verbrannt, als für eine vollständige Verbrennung des Brenngases erforderlich ist. Die übrige Luft nimmt an der Verbrennung nicht teil und beaufschlagt den Wärmetauscher 6, der auch durch das verbrannte Brenngas aus den Brennstoffdüsen beaufschlagt wird.
Wird überhaupt keine Wärme benötigt, so wird das Abgas der Brennstoffzelle 1 durch Zufuhr von kühler Luft über die Luftleitung 2 soweit abgekühlt, dass die Temperatur des so gebildeten verdünnten Abgases weniger als 100°C beträgt. Dadurch wird vermieden, dass es im Bereich des Wärmetauschers zum Sieden des Wassers bzw. zur Ausbildung von Blasen kommt.

Claims

Einrichtung mit mindestens einer Brennstoffzelle (1), der ein Reformer vorgeordnet ist und einem an eine Abgasleitung (3) der Brennstoffzelle (1) angeschlossenen Nachbrenner (4), der in einem mit einem Wärmetauscher (6) versehenen Brennraum (11) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der nachgeschaltete Brenner (4) als ein Luftstufenbrenner ausgebildet ist, wobei die Abgasleitung (3) der Brennstoffzelle (1) in einen hohlen perforierten Kegel (4) mündet, der von zu diesem im wesentlichen konzentrisch angeordneten Brennstoffdüsen (10), die im Brennraum (11) angeordnet sind, umgeben ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in das Innere des Kegels (4) weiters eine Luftleitung (2) mündet.