EP1776546A1 - Flächenbrenner, insbesondere für ein brennstoffzellensystem - Google Patents

Flächenbrenner, insbesondere für ein brennstoffzellensystem

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EP1776546A1
EP1776546A1 EP05777013A EP05777013A EP1776546A1 EP 1776546 A1 EP1776546 A1 EP 1776546A1 EP 05777013 A EP05777013 A EP 05777013A EP 05777013 A EP05777013 A EP 05777013A EP 1776546 A1 EP1776546 A1 EP 1776546A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
burner according
nozzles
surface burner
nozzle
fuel cell
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05777013A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Brenner
Herbert Damsohn
Thomas Heckenberger
Klaus Luz
Conrad Pfender
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mahle Behr GmbH and Co KG
Original Assignee
Behr GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Behr GmbH and Co KG filed Critical Behr GmbH and Co KG
Publication of EP1776546A1 publication Critical patent/EP1776546A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H01M8/04022—Heating by combustion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/20—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone
    • F23D14/22—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone with separate air and gas feed ducts, e.g. with ducts running parallel or crossing each other
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details
    • F23D14/48—Nozzles
    • F23D14/58—Nozzles characterised by the shape or arrangement of the outlet or outlets from the nozzle, e.g. of annular configuration
    • F23D14/583—Nozzles characterised by the shape or arrangement of the outlet or outlets from the nozzle, e.g. of annular configuration of elongated shape, e.g. slits
    • F23D14/586—Nozzles characterised by the shape or arrangement of the outlet or outlets from the nozzle, e.g. of annular configuration of elongated shape, e.g. slits formed by a set of sheets, strips, ribbons or the like
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2213/00—Burner manufacture specifications
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a surface burner, in particular for a fuel cell system, according to the preamble of claim 1.
  • a fuel cell block which is arranged immersed in an approximately pot-shaped housing, wherein the Housing is provided with a supply channels for fuel and oxidant (air) having the housing cover.
  • two heat exchangers cross-flow heat exchanger
  • the fuel cell block is surrounded on all sides by a flow space which is acted upon by the hot exhaust gases.
  • a burner is provided in the housing bottom, which if appropriate can also be operated with the gas which also acts on the fuel cell.
  • a ceramic surface burner is proposed, which is not explained in detail.
  • the invention relates to a surface burner, in particular for a fuel cell system, in which two media are combined, mixed and burnt to generate heat, wherein the surface burner has a plurality of nozzles distributed over an area through which the media are supplied to a Ausbrandraum.
  • the first medium in a first distributor space and the second medium in a second distributor space formed separately therefrom are distributed over a respective area which approximately corresponds to the area of the burn-out space.
  • Plurality of nozzles distributed over the manifolds allows an optimal distribution of the media and, associated therewith, an optimal introduction of the media into the combustion chamber, whereby in particular the combustion chamber can be kept relatively flat.
  • a plurality of nozzles are preferably evenly distributed on the burner surface.
  • the variety of nozzles allows for a short Ausbrandweg, combined with a flat Ausbrandraum, the fullest possible turnover of the merged media.
  • the Aus ⁇ brand path is minimal when the mixing path of the merged media is minimized.
  • the nozzles preferably have a coaxial arrangement of the supply of the two media to the burn-out space.
  • the nozzles preferably have a line region with an approximately cylindrical shape for feeding the first medium into the burnout space, the line region protruding into the fire compartment so that the second distributor space is bridged, and an opening formed as an annular gap, at least in some areas, toward ⁇ lead the second medium in the Ausbrandraum, in which the first Lei ⁇ management area is arranged and over which it protrudes slightly in order to prevent backflow of the medium from the first distributor space into the second distributor space.
  • the coaxial arrangement allows a short mixing path, so that the surface burner can be flatter.
  • the flow cross-section of the distributor spaces is formed proportional to the introduced media volume flows.
  • the height can be minimized, and there is a compact, insbe ⁇ special flat surface burner.
  • the nozzles are preferably evenly distributed over the surface, in particular arranged in rows. The even distribution allows a uniform combustion.
  • the area in which the nozzles are arranged is preferably approximately as large as a subsequent heat exchanger or fuel cell stack area, wherein the area is preferably approximately rectangular. This allows a large heat transfer area. In the case of a Verwen ⁇ tion in high-temperature fuel cells, this allows a uniform and relatively rapid heating at startup and allows gleichze ⁇ lar heating, if necessary, during operation.
  • the large area allows a compact design with a relatively low overall height.
  • a nozzle is formed by two interconnected nozzle half-shells.
  • the nozzle half-shells may also form a plurality of nozzles arranged in a row.
  • Such an arrangement is relatively simple and very cost-effective with the aid of appropriately punched, formed and interconnected metal sheets.
  • the nozzles preferably have positioning and fastening elements, which are formed by edges, which are fitted into correspondingly formed slot-shaped extensions of openings provided in a plate arranged between the second distributor space and the combustion space.
  • the edges preferably run in the radial direction with respect to the longitudinal axis of the nozzle.
  • the edges also have the task of connecting the two halves forming the nozzles in their end with each other, so that a gap formation, which prevents an inflow of the first medium into the second distributor space is prevented.
  • the nozzles have a blind-hole-like shape in the region projecting into the expansion chamber, at least one bore being provided in this region of the nozzle projecting into the combustion chamber.
  • the bore preferably extends in the radial direction with respect to the longitudinal axis of the nozzle, but may also be arranged at an angle thereto, which may improve a mixture of the two media.
  • two holes are provided, which are aligned with each other and can be produced in one operation. An oblique discharge improves the cross-mixing and shortens the burnout, so that the height of the Ausbrandraums can be reduced.
  • the nozzle preferably has a swirling device, which is preferably formed by a helical spiral embossment in the lower region of the nozzle, through which the first medium flows into the exhaust space shortly before it exits.
  • a swirling device can also be provided in the region through which the second medium passes into the combustion chamber.
  • the upper region through which the first medium is passed is formed with a relatively large cross section, and the turbulation device is formed in a lower region with a narrowed cross section.
  • the nozzles may have a narrowed cross-section at the end.
  • Such a surface burner is preferably provided on high-temperature fuel cells.
  • Fuel cell system also suitable for mobile use and / or in confined spatial conditions.
  • FIG. 1 shows a section through a surface burner of a Brennstoff ⁇ cell system along the line l-l in Fig. 2 according to the embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic detail of a nozzle element in a longitudinal section along line HI-III in Fig. 4,
  • FIG. 5 shows a longitudinal section along line V-V in Fig. 4,
  • FIG. 6 is a schematic detail view of a nozzle element according to a first variant in a longitudinal section along line Vl-Vl in Fig. 7,
  • Fig. 8 is a longitudinal section along line VIII-VIII in Fig. 7, and
  • FIG. 9 shows a schematic detail of a nozzle element according to a second variant in longitudinal section.
  • FIG. 1 shows a section through a surface burner 1 of a fuel cell system 2 having a plurality of fuel cells, not shown in more detail, which are assembled in stacked construction.
  • An example of a stack construction is described, for example, in DE 195 28 117 A1, the disclosure content of which is expressly incorporated by reference to a heat exchanger.
  • the fuel cell stack in this case according to DE 195 28 177 A1 stacked SOFC fuel cells, the fuel cell system 2 is presently separated by a cover plate 3 with two openings 4 for the supply of exhaust gas and air for the purpose of mixing and combustion of the surface burner 1.
  • the exhaust gas which is produced as a reaction product in the individual fuel cells and forms part of a conduit from them, partly as a result of a corresponding plate shape and partly connected to separate conduits, into individual elements of the plate elements becomes an exhaust gas inlet via a first inlet opening 4a
  • Exhaust gas distribution chamber 5 passed, which extends flat below the fuel cell.
  • a second inlet opening 4b air which is required for the combustion of the exhaust gas is arranged below the exhaust gas distributor chamber 5 and from there through a plate 6, hereinafter also as first
  • Plate 6a referred to, separated air distribution chamber 7 passed, whose flumbleleich Chen expansion corresponds to that of the exhaust gas distributor chamber 5.
  • a further plate 6 hereinafter also referred to as the second plate 6b, arranged a Ausbrandraum 8, also with a corresponding areal extent, wherein the surface of the Ausbrandraums 8 is denoted by F.
  • the bottom of the burn-out space 8 is not shown, but it is designed such that an opening is provided for the exhaust gas produced during the combustion of exhaust gas and air in the exhaust space 8, and moreover a cleaning of the burn-out space 8 is possible.
  • the introduction of the exhaust gas and the air into the Ausbrandraum 8 mit ⁇ means of a plurality of nozzles 9, the distribution of which is shown via the manifolds 5 and 7 in Fig. 2.
  • the nozzles 9 are at openings 10 a, which in the exhaust gas distributor chamber 5 and the air distribution chamber 7 separating plate 6 is mounted, the nozzles 9 are formed by two nozzle half-shells 11, which in its upper portion a 90 ° to the nozzle longitudinal axis L outwardly bent edge 12, the BEFE ⁇ is flat on the plate 6 Stigt.
  • the nozzles 9 have a funnel-shaped inlet 13 and a zy ⁇ -cylindrical line region 14 with an inner diameter d and an outer diameter D.
  • the nozzle length is denoted by I below.
  • the lower end of the nozzles 9 projects through the second plate 6b, which separates the air distribution chamber 7 from the Ausbrandraum 8, for which openings 10b are provided in the second plate 6b, which correspond in diameter approximately to the openings 10a in the first plate 6a
  • slot-shaped extensions 15 have, so that the nozzle ends, in which the two the Dü ⁇ sen half-shells 11 forming sheets are formed longer than in the intermediate regions between the nozzles 9, wherein in the form of A sufficient contact surface for a secure planar connection of the two nozzle half-shells 11 is also provided in its end region in the radial direction from the cylindrical region of the nozzles 9, pushed through and securely positioned and fastened to the second plate 6b can be (see Figures 4 and 5), which in the present case takes place by means of a laser welding connection, w obei also a purely mechanical Befesti ⁇ supply or designed for the operating temperature solder joint is possible.
  • the opening diameter RD in the bore region of the openings 10b is dependent on the inside diameter d and the outside diameter.
  • Sers D of the cylindrical conduit portion 14 such that an optimal mixture of exhaust gas and air and thus also an optimal Ver ⁇ combustion takes place in a burnout space 8 formed as flat as possible.
  • the height or the flow cross-section of the distributor chambers 5 and 7 is approximately proportional to the introduced volume flows.
  • Inner diameter d approx. 0.8 mm
  • Nozzle length I approx. 10 mm Opening diameter RD: approx. 3 mm.
  • the nozzle ends are closed at the bottom, however, in the lower region of the blind hole forming the line region 14, a nozzle hole extending through both nozzle half shells 11 is perpendicular to the nozzle.
  • Half shells 11 extending bore 21 is provided, through which the Ab ⁇ gas can flow into the Ausbrandraum 8. Otherwise, the variant does not differ from the exemplary embodiment, so that a further description is unnecessary.
  • the second variant shown in FIG. 9 has an inner and outer diameter varying over the length of the nozzle 9, wherein the inner diameter increases in the upper region to reduce the pressure drop, and in the lower, narrowed region, a spiral spiral embossment 31 for improvement provided the swirling, and the nozzle end also is formed narrowed, so that the outflow velocity of the exhaust gas is increased.
  • exhaust was used above, since the embodiment and its variants refer to a fuel cell system in which the exhaust gas is used for combustion.
  • an externally supplied fuel gas can be used to operate the surface burner or such can be added to the exhaust gas.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Flächenbrenner (1), insbesondere für ein Brennstoffzellensystem (2), in welchem zwei Medien zusammenführt, vermischt und zur Erzeugung von Wärme verbrannt werden, wobei der Flächenbrenner (1) eine Mehrzahl von Düsen (9) über eine Fläche verteilt aufweist, durch welche die Medien einem Ausbrandraum (8) zugeführt werden. Dabei werden vor der Zuführung zu den Düsen (9) das erste Medium in einem ersten Verteilerraum (5) und das zweite Medium in einem hiervon getrennt ausgebildeten zweiten Verteilerraum (7) auf jeweils eine Fläche verteilt, welche etwa der Fläche (F) des Ausbrandraums (8) entspricht.

Description

BEHR GmbH & Co. KG Mauserstraße 3, 70469 Stuttgart
Flächenbrenner, insbesondere für ein Brennstoffeellensystem
Die Erfindung betrifft einen Flächenbrenner, insbesondere für ein Brenn- stoffzellensystem, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei Brennstoffzellen, insbesondere bei Hochtemperaturbrennstoffzellen, wie oxidkeramische Brennstoffzellen (SOFC) mit Betriebstemperaturen von übli¬ cherweise etwa 800-10000C, ist es zur Erhöhung des Wirkungsgrades mit Hilfe einer optimierten Temperaturregelung sinnvoll, das Abgas (Kathoden- und Anodenabgas) mit Hilfe eines Brenners zu verbrennen. Bei Verbrennung des Abgases kann zum Einen die entstehende Wärmeenergie dazu benutzt werden, mit Hilfe eines Wärmeübertragers die kalte Frischluft vorzuwärmen, und zum Anderen kann bei einem Start die Kathode schneller auf die erfor- derliche Betriebstemperatur gebracht und diese gehalten werden, was ins¬ besondere bei Hochtemperaturbrennstoffzellen erforderlich ist. Eine Ver¬ brennung des Abgases verringert zudem die Emissionen.
In der DE 94 15 729 U1 wird ein Brennstoffzellen block vorgeschlagen, der in einem etwa topfförmigen Gehäuse eintauchend angeordnet ist, wobei das Gehäuse mit einem die Zuführkanäle für Brennstoff- und Oxidationsmittel (Luft) aufweisenden Gehäusedeckel versehen ist. Am Gehäusedeckel sind zwei Wärmetauscher (Kreuzstrom-Wärmetauscher) vorgesehen, welche der Erwärmung der Verbrennungsluft und des Brennstoffes mit Hilfe der im Topf- inneren entstehenden Abgase dienen. Der Brennstoffzellenblock ist in sei¬ nem Eintauchbereich allseitig von einem von den heißen Abgasen beauf¬ schlagten Strömungsraum umgeben. Um auf die erforderlichen Temperatu¬ ren zu gelangen, ist im Gehäuseboden ein Brenner vorgesehen, der gege¬ benenfalls auch mit dem auch die Brennstoffzelle beaufschlagenden Gas betreibbar ist. Als Brenner wird ein keramischer Flächenbrenner vorgeschla¬ gen, der nicht näher erläutert ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Flächenbrenner, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, zur Verfügung zu stellen, der derart kompakt aus- gebildet ist, dass ein hiermit ausgestattetes Brennstoffzellensystem insbe¬ sondere auch den Anforderungen an mobile Brennstoffzellen genügt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Flächenbrenner mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Un- teransprüche.
Die Erfindung betrifft einen Flächenbrenner, insbesondere für ein Brenn¬ stoffzellensystem, in welchem zwei Medien zusammenführt, vermischt und zur Erzeugung von Wärme verbrannt werden, wobei der Flächenbrenner eine Mehrzahl von Düsen über eine Fläche verteilt aufweist, durch welche die Medien einem Ausbrandraum zugeführt werden. Dabei werden vor der Zuführung zu den Düsen das erste Medium in einem ersten Verteilerraum und das zweite Medium in einem hiervon getrennt ausgebildeten zweiten Verteilerraum auf jeweils eine Fläche verteilt, welche etwa der Fläche des Ausbrandraums entspricht. Das Vorsehen zweier Verteilerräume mit einer
Mehrzahl von Düsen, die über die Verteilerräume verteilt angeordnet sind, ermöglicht eine optimale Verteilung der Medien und hiermit verbunden eine optimale Einleitung der Medien in den Ausbrandraum, wodurch insbesonde¬ re der Ausbrandraum relativ flach gehalten werden kann.
Dabei sind bevorzugt eine Vielzahl von Düsen gleichmäßig dicht auf der Brennerfläche verteilt. Die Vielzahl von Düsen ermöglicht bei einem kurzen Ausbrandweg, verbunden mit einem flachen Ausbrandraum, einen möglichst vollständigen Umsatz der zusammengeführten Medien. Dabei wird der Aus¬ brandweg minimal, wenn der Mischweg der zusammengeführten Medien minimiert ist.
Die Düsen weisen bevorzugt eine koaxiale Anordnung der Zuführung der beiden Medien zum Ausbrandraum auf. Bevorzugt weisen die Düsen einen Leitungsbereich mit etwa zylinderförmiger Gestalt zum Zuführen des ersten Mediums in den Ausbrandraum, wobei der Leitungsbereich bis in den Aus¬ brandraum ragt, so dass der zweite Verteilerraum überbrückt wird, und eine zumindest bereichsweise als Ringspalt ausgebildete Öffnung auf, zum Zu¬ führen des zweiten Medium in den Ausbrandraum, in welcher der erste Lei¬ tungsbereich angeordnet ist und über welchen er etwas hinausragt, um ein Rückströmen des Mediums aus dem ersten Verteilerraum in den zweiten Verteilerraum zu verhindern. Die koaxiale Anordnung ermöglicht einen kur¬ zen Mischweg, so dass der Flächenbrenner flacher ausgebildet sein kann.
Um bei möglichst flachem Bauraum eine optimale Medienverteilung zu er- möglichen, ist der Strömungsquerschnitt der Verteilerräume proportional zu den eingeleiteten Medien-Volumenströmen ausgebildet. Auf diese Weise lässt sich die Bauhöhe minimieren, und es ergibt sich ein kompakter, insbe¬ sondere flacher Flächenbrenner. Die Düsen sind bevorzugt gleichmäßig über die Fläche, insbesondere in Reihen angeordnet, verteilt. Die gleichmäßige Verteilung ermöglicht eine gleichmäßige Verbrennung.
Die Fläche, in der die Düsen angeordnet sind, ist bevorzugt annähernd so groß wie eine anschließende Wärmeübertrager- oder Brennstoffzellenstapel- Fläche, wobei die Fläche bevorzugt etwa rechteckförmig ausgebildet ist. Dies ermöglicht eine große Wärmeübertragungsfläche. Im Falle einer Verwen¬ dung bei Hochtemperaturbrennstoffzellen ermöglicht dies eine gleichmäßige und relativ schnelle Erwärmung beim Starten und ermöglicht eine gleichmä¬ ßige Beheizung, sofern erforderlich, beim laufenden Betrieb. Die große Flä¬ che ermöglicht eine kompakte Bauweise mit relativ geringer Bauhöhe.
Bevorzugt ist eine Düse durch zwei miteinander verbundene Düsen- Halbschalen gebildet. Dabei können die Düsen-Halbschalen auch eine Mehrzahl von in einer Reihe angeordneten Düsen bilden. Eine derartige An¬ ordnung ist relativ einfach und sehr kostengünstig mit Hilfe von entsprechend ausgestanzten, umgeformten und miteinander verbundenen Blechen her¬ stellbar.
Die Düsen weisen vorzugsweise Positionier- und Befestigungselemente auf, welche durch Ränder gebildet sind, die in entsprechend ausgebildete schlitzförmige Erweiterungen von in einer zwischen dem zweiten Verteiler¬ raum und dem Ausbrandraum angeordneten Platte vorgesehenen Öffnun- gen eingepasst sind. Die Ränder verlaufen bevorzugt in radialer Richtung bezüglich der Längsachse der Düse. Neben der Positionierungs- und Befe¬ stigungsfunktion haben die Ränder auch die Aufgabe, die beiden die Düsen bildenden Halbschalen in ihrem Endbereich miteinander zu verbinden, so dass eine Spaltbildung, die ein Einströmen des ersten Mediums in den zweiten Verteilerraum verhindert wird. Um eine optimale Vermischung der beiden Medien im Ausbrandraum zu ge¬ währleisten, weisen die Düsen gemäß einer Ausgestaltungsform im in den Ausbraήdraum ragenden Bereich eine sacklochartige Gestalt auf, wobei mindestens eine Bohrung in diesem in den Ausbrandraum hineinragenden Bereich der Düse vorgesehen ist. Die Bohrung verläuft bevorzugt in radialer Richtung bezüglich der Längsachse der Düse, kann jedoch auch in einem Winkel hierzu angeordnet sein, was unter Umständen eine Mischung der beiden Medien verbessert. Bevorzugt sind zwei Bohrungen vorgesehen, die miteinander fluchten und so in einem Arbeitsgang herstellbar sind. Ein schräges Ausströmen verbessert die Quervermischung und verkürzt die Ausbrandstrecke, so dass die Höhe des Ausbrandraums verringert werden kann.
Vorzugsweise weist die Düse eine Verwirbelungsvorrichtung auf, die bevor- zugt durch eine Drallwendel-Prägung im unteren Bereich der Düse gebildet ist, durch welchen das erste Medium kurz vor dem Austritt in den Aus¬ brandraum strömt. Natürlich kann auch im Bereich, durch welchen das zweite Medium in den Ausbrandraum gelangt, eine Verwirbelungsvorrichtung vorgesehen sein.
Um eine optimale Verwirbelung bei möglichst geringem Druckabfall zu er¬ möglichen, ist der obere Bereich durch welchen das erste Medium geleitet wird, mit relativ großem Querschnitt ausgebildet, und die Verwirbelungsvor¬ richtung ist in einem unteren Bereich mit verengtem Querschnitt ausgebildet.
Um die Austrittsgeschwindigkeit in den Ausbrandraum zu erhöhen, kann die Düsen am Ende einen verengten Querschnitt aufweisen.
Ein derartiger Flächenbrenner wird bevorzugt an Hochtemperatur- Brennstoffzellen vorgesehen. In Folge der kompakten Bauform ist das Brennstoffzellensystem auch für einen mobilen Einsatz und/oder bei beeng¬ ten räumlichen Verhältnissen geeignet.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Varianten unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch einen Flächenbrenner eines Brennstoff¬ zellensystems entlang der Linie l-l in Fig. 2 gemäß dem Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 einen Schnitt entlang Linie H-Il in Fig. 1 ,
Fig. 3 eine schematische Detaildarstellung eines Düsenelements im Längsschnitt entlang Linie HI-III in Fig. 4,
Fig. 4 einen Schnitt entlang Linie IV-IV in Fig. 3,
Fig. 5 einen Längsschnitt entlang Linie V-V in Fig. 4,
Fig. 6 eine schematische Detaildarstellung eines Düsenelements gemäß einer ersten Variante im Längsschnitt entlang Linie Vl-Vl in Fig. 7,
Fig. 7 einen Schnitt entlang Linie VII-VII in Fig. 6,
Fig. 8 einen Längsschnitt entlang Linie VIII-VIII in Fig. 7, und
Fig. 9 eine schematische Detaildarstellung eines Düsenelements gemäß einer zweiten Variante im Längsschnitt. Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Flächenbrenner 1 eines Breπnstoff- zeilensystems 2 mit einer Mehrzahl von nicht näher dargestellten Brennstoff¬ zellen, die in Stapelbauweise zusammengesetzt sind. Ein Beispiel einer Sta¬ pelbauweise ist beispielsweise in der DE 195 28 117 A1 , deren Offenba- rungsgehalt ausdrücklich einbezogen wird, anhand eines Wärmeübertragers beschrieben. Der Brennstoffzellenstapel, vorliegend entsprechend der DE 195 28 177 A1 stapeiförmig angeordnete SOFC-Brennstoffzelien, des Brennstoffzellensystems 2 ist vorliegend durch ein Deckblech 3 mit zwei Öff¬ nungen 4 für die Zuleitung von Abgas und Luft zwecks Mischung und Ver- brennung vom Flächenbrenner 1 getrennt.
Das als Reaktionsprodukt in den einzelnen Brennstoffzellen entstehende und von denselben über teils in Folge einer entsprechenden Plattenform ei¬ nen Teil einer Leitung bildenden und teils mit getrennten Leitungen verbun- denen Öffnungen in einzelnen der Plattenelemente kommende Abgas wird über eine erste Eintritts-Öffnung 4a in einen Abgas-Verteilerraum 5 geleitet, welcher sich flächig unterhalb der Brennstoffzellen erstreckt. Durch eine zweite Eintritts-Öffnung 4b wird Luft, welche für die Verbrennung des Abga¬ ses erforderlich ist, einem unterhalb des Abgas-Verteilerraums 5 angeord- neten und von diesem durch eine Platte 6, im Folgenden auch als erste
Platte 6a bezeichnet, getrennten Luft-Verteilerraum 7 geleitet, dessen flä¬ chenmäßige Ausdehnung der des Abgas-Verteilerraums 5 entspricht. Unter¬ halb des Luft-Verteilerraums 7 ist, getrennt durch eine weitere Platte 6, im Folgenden auch als zweite Platte 6b bezeichnet, ein Ausbrandraum 8 ange- ordnet, ebenfalls mit einer entsprechenden flächenmäßigen Ausdehnung, wobei die Fläche des Ausbrandraums 8 mit F bezeichnet ist. Der Boden des Ausbrandraums 8 ist nicht dargestellt, jedoch ist er derart ausgebildet, dass eine Öffnung für das bei der Verbrennung von Abgas und Luft im Aus¬ brandraum 8 entstehende Abgas vorgesehen ist, und dass zudem eine Rei- nigung des Ausbrandraums 8 möglich ist. Die Einleitung des Abgases und der Luft in den Ausbrandraum 8 erfolgt mit¬ tels einer Mehrzahl von Düsen 9, deren Verteilung über die Verteilerräume 5 und 7 in Fig. 2 dargestellt ist. Die Düsen 9 sind an Öffnungen 10a, die in der den Abgas-Verteilerraum 5 und den Luft-Verteilerraum 7 trennenden Platte 6 angebracht, wobei die Düsen 9 durch zwei Düsen-Halbschalen 11 gebildet sind, die in ihrem oberen Bereich einen 90° zur Düsenlängsachse L nach außen umgebogenen Rand 12 aufweisen, der flächig an der Platte 6 befe¬ stigt ist. Die Düsen 9 weisen einen trichterförmigen Eintritt 13 und einen zy¬ lindrischen Leitungsbereich 14 mit einem Innendurchmesser d und einem Außendurchmesser D auf. Die Düsenlänge wird im Folgenden mit I bezeich¬ net.
Das untere Ende der Düsen 9 ragt durch die zweite Platte 6b, welche den Luft-Verteilerraum 7 von dem Ausbrandraum 8 trennt, wofür in der zweiten Platte 6b Öffnungen 10b vorgesehen sind, welche in ihrem Durchmesser etwa den Öffnungen 10a in der ersten Platte 6a entsprechen, auf Grund der Halbschalen-Ausgestaltung der Düsen 9 aber schlitzförmige Erweiterungen 15 aufweisen, damit die Düsenenden, in deren Bereich die beiden die Dü¬ sen-Halbschalen 11 bildenden Bleche länger ausgebildet sind als in den Zwischenbereichen zwischen den Düsen 9, wobei in Form von seitlich in ra¬ dialer Richtung vom zylinderförmigen Bereich der Düsen 9 abstehenden Rändern eine ausreichende Kontaktfläche für eine sichere flächige Verbin¬ dung der beiden Düsen-Halbschalen 11 auch in ihrem Endbereich vorgese¬ hen ist, durchgesteckt und sicher positioniert und an der zweiten Platte 6b befestigt werden können (vgl. Figuren 4 und 5), was vorliegend mittels einer Laserschweißverbindung erfolgt, wobei auch eine rein mechanische Befesti¬ gung oder eine für die Betriebstemperatur ausgelegte Lotverbindung möglich ist.
Der Öffnungsdurchmesser RD im Bohrungsbereich der Öffnungen 10b ist hierbei in Abhängigkeit des Innendurchmessers d und des Außendurchmes- sers D des zylindrischen Leitungsbereichs 14 derart bemessen, dass eine optimale Mischung von Abgas und Luft und somit auch eine optimale Ver¬ brennung in einem möglichst flach ausgebildeten Ausbrandraum 8 erfolgt. Entsprechendes gilt auch für die Anzahl und Verteilung der Düsen 9, wobei bei möglichst geringer Bauhöhe eine optimierte spezifische Flächenleistung des Flächenbrenners 1 erreicht werden soll. Hierfür ist die Höhe bezie¬ hungsweise der Strömungsquerschnitt der Verteilerräume 5 und 7 annä¬ hernd proportional zu den eingeleiteten Volumenströmen.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind folgende Abmessungen vorgesehen:
Innendurchmesser d: ca. 0,8 mm
Außendurchmesser D: ca. 1 ,4 mm
Düsenlänge I: ca. 10 mm Öffnungsdurchmesser RD: ca. 3 mm.
Gemäß einer in den Figuren 6 bis 8 dargestellten ersten Variante des Aus¬ führungsbeispiels sind die Düsenenden unten verschlossen, jedoch ist im unteren Bereich des den Leitungsbereich 14 bildenden Sackloches eine durch beide Düsen-Halbschalen 11 gehende, senkrecht zu den Düsen-
Halbschalen 11 verlaufende Bohrung 21 vorgesehen, durch welche das Ab¬ gas in den Ausbrandraum 8 strömen kann. Ansonsten unterscheidet sich die Variante nicht vom Ausführungsbeispiel, so dass sich eine weitere Beschrei¬ bung erübrigt.
Die in Fig. 9 dargestellte zweite Variante weist einen sich über die Länge der Düse 9 verändernden Innen- und Außendurchmesser auf, wobei im oberen Bereich der Innendurchmesser zur Druckabfall-Verringerung vergrößert, und im unteren, verengt ausgebildeten Bereich eine Drallwendel-Prägung 31 zur Verbesserung der Verwirbelung vorgesehen, und das Düsenende zudem verengt ausgebildet ist, so dass die Ausströmgeschwindigkeit des Abgases erhöht wird.
Vorstehend wurde die Bezeichnung Abgas verwendet, da sich das Ausfüh- rungsbeispiel und seine Varianten auf ein Brennstoffzellensystem bezieht, bei dem das Abgas zum Verbrennen verwendet wird. Es ist jedoch selbst¬ verständlich, dass an Stelle von Abgas auch ein von außen zugeführtes Brenngas zum Betreiben des Flächenbrenners verwendet oder ein solches dem Abgas zugemischt werden kann.
Bβzugszeichenlϊste
I Flächenbrenner 2 Brennstoffzellensystem
3 Deckblech
4 Öffnung
4a erste Eintrittsöffnung (Abgas) 4b zweite Eintrittsöffnung (Luft) 5 Abgas-Verteilerraum
6 Platte
6a erste Platte 6b zweite Platte
7 Luft-Verteilerraum 8 Ausbrandraum
9 Düse
10a, 10b Öffnung
II Düsen-Halbschale 12 Rand 13 trichterförmigen Eintritt
14 Leitungsbereich
15 schlitzförmige Erweiterung 21 Bohrung
31 Drallwendel-Prägung D Außendurchmesser d Innendurchmesser F Fläche
L Düsenlängsachse I Düsenlänge RD Öffnungsdurchmesser

Claims

P a t e n t a n s p r u c h
1. Flächenbrenner, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem (2), in welchem zwei Medien zusammenführt, vermischt und zur Erzeugung von Wärme verbrannt werden, wobei der Flächenbrenner (1) minde¬ stens eine Düse (9) aufweist, durch welche die Medien einem Aus¬ brandraum (8) zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Düsen (9) über eine Fläche verteilt vorgesehen sind, wo¬ bei das erste Medium in einem ersten Verteilerraum (5) und das zweite Medium in einem hiervon getrennt ausgebildeten zweiten Verteilerraum (7) vor der Zuführung zu den Düsen (9) auf jeweils eine Fläche verteilt werden, welche etwa der Fläche (F) des Ausbrandraums (8) entspricht.
2. Flächenbrenner nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt der Verteilerräume (5 und 7) proportional zu den eingeleiteten Medien-Volumenströmen ist.
3. Flächenbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (9) derart ausgebildet sind, dass ein Medium mit Hilfe eines Teils der Düsen (9) durch den zweiten Verteilerraum (7) geleitet wird.
4. Flächenbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (9) eine koaxiale Anordnung der Zu¬ führung der beiden Medien zum Ausbrandraum (8) aufweisen.
5 5. Flächenbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (9) einen Leitungsbereich (14) mit et¬ wa zylinderförmiger Gestalt zum Zuführen des ersten Mediums in den Ausbrandraum (8), wobei der Leitungsbereich (14) bis in den Aus¬ brändraum (8) ragt, und eine zumindest bereichsweise als Ringspalt 0 ausgebildete Öffnung (10b), in welcher der erste Leitungsbereich (14) angeordnet ist, zum Zuführen des zweiten Mediumg in den Aus¬ brandraum (8).
6. Flächenbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch 5 gekennzeichnet, dass die Düsen (9) gleichmäßig über die Fläche ver¬ teilt sind.
7. Flächenbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (9) in Reihen angeordnet über die o Fläche verteilt sind.
8. Flächenbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche, in der die Düsen (9) angeordnet sind, annähernd so groß ist, wie eine anschließende Wärmeübertrager- oder 5 Brennstoffzellenstapel-Fläche.
9. Flächenbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche einen rechteckförmigen Grundriss aufweist. 0
10. Flächenbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Düse (9) durch zwei miteinander verbunde¬ ne Düsen-Halbschalen (11 ) gebildet ist.
11. Flächenbrenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Düsen-Halbschalen (11) eine Mehrzahl von in einer Reihe angeordnete Düsen (9) bilden.
12. Flächenbrenner nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen-Halbschalen (11 ) durch ausgestanzte und umgeformte
Bleche gebildet sind.
13. Flächenbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (9) Positionier- und Befestigungsele- mente aufweisen, welche durch Ränder gebildet sind, die in entspre¬ chend ausgebildete schlitzförmige Erweiterungen (15) von in einer zwi¬ schen dem zweiten Verteilerraum (7) und dem Ausbrandraum (8) an¬ geordneten Platte (6b) vorgesehenen Öffnungen (10b) eingepasst sind.
14. Flächenbrenner nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die
Ränder in radialer Richtung bezüglich der Längsachse (L) der Düse (9) verlaufen.
15. Flächenbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (9) im in den Ausbrandraum (8) ra¬ genden Bereich sacklochartig ausgebildet sind, wobei mindestens eine Bohrung (21) in der Düse (9) vorgesehen ist.
16. Flächenbrenner nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (21) in radialer Richtung bezüglich der Längsachse (L) der
Düse (9) verläuft.
17. Flächenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Düse (9) eine Verwirbelungsvorrichtung aufweist.
18. Flächenbrenner nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Verwirbelungsvorrichtung durch eine Drallwendel-Prägung (31) gebildet ist.
19. Flächenbrenner nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Verwirbelungsvorrichtung in einem Bereich mit verengtem
Querschnitt ausgebildet ist.
20. Flächenbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (9) am Ende einen verengten Quer- schnitt aufweisen.
21. Brennstoffzellensystem, insbesondere mit mindestens einer Hochtem¬ peraturbrennstoffzelle, gekennzeichnet durch einen Flächenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 20.
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