EP2537199A2 - Katalytischer brenner für brennstoffzellen-abgas - Google Patents

Katalytischer brenner für brennstoffzellen-abgas

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EP2537199A2
EP2537199A2 EP10785365A EP10785365A EP2537199A2 EP 2537199 A2 EP2537199 A2 EP 2537199A2 EP 10785365 A EP10785365 A EP 10785365A EP 10785365 A EP10785365 A EP 10785365A EP 2537199 A2 EP2537199 A2 EP 2537199A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
catalyst body
catalytic burner
flow
cross
burner according
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10785365A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Kai Kuchenbuch
Patrick Mangold
Gert Hinsenkamp
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.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
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 Daimler AG filed Critical Daimler AG
Publication of EP2537199A2 publication Critical patent/EP2537199A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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, e.g. noise reduction means
    • F23D14/62—Mixing devices; Mixing tubes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C13/00—Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material
    • 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
    • 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
    • F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/14—Special features of gas burners
    • F23D2900/14701—Swirling means inside the mixing tube or chamber to improve premixing
    • 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 catalytic burner according to the further defined in the preamble of claim 1. Art Furthermore, the invention relates to the use of such a catalytic burner.
  • Catalytic burners can be used to convert flammable starting materials without open flame. For example, from the field of
  • Such catalytic burners generally have a catalyst body, which is formed for example as a porous or honeycomb-like material or as a bed of pellets or the like.
  • the material used in the catalyst body is at least partially provided with a catalytically active substance, such as platinum, palladium or the like.
  • a catalytically active substance such as platinum, palladium or the like.
  • the gas mixture then flows correspondingly mixed in the region of the catalyst body. Again, only a very good mixing is achieved, a uniform flow of the catalyst body can not be realized by the structure.
  • the structure is extremely complex due to a large number of very small and filigree components and leads to a very costly mixing area in front of the catalyst body.
  • Catalyst body allowed, so that it can be shortened sustainably in its overall length.
  • catalytic burner according to the invention will become apparent from the dependent claims.
  • a particularly preferred use of the catalytic burner according to the invention is specified in claim 8.
  • Advantageous developments of this use emerge from the dependent claims.
  • Such a swirl element which according to a very advantageous development can be formed with a plurality of guide vanes, ensures minimum installation space seen in the direction of flow that clearly homogenizes both the fuel gas distribution and the velocity profile of the gas mixture over the catalyst body in different load cases. This has been clearly demonstrated by simulations of the flow.
  • the swirl element in particular if it is formed with a plurality of guide vanes, fan out the flow of the gas mixture before the catalyst body by radial deflection and thus ensures the very uniform and homogeneous flow of the catalyst body.
  • Catalyst body with a very homogeneous velocity profile distributed can thus be ideally utilized and the catalyst body can be correspondingly minimized with regard to the installation space required by it, and here in particular with regard to the required overall length. This results in a very compact construction, which also allows a significant saving of the generally very expensive catalytically active substance.
  • the catalyst body is cylindrical and the swirl element with respect to the flow-through cross-section of the Catalyst body is arranged centrally.
  • a cylindrical catalyst body has the advantage that it can be easily integrated into a conduit element or a piece of piping.
  • the central arrangement of the swirl element makes it possible, a best possible distribution of the inflowing gas mixture on the
  • the swirl element occupies the entire cross-section of the conduit element and is arranged at its end facing the transition region. According to this embodiment, therefore, the swirl element occupies the entire flow-through cross-section, so that the entire gas mixture for the swirl element is set into a rotational movement and deflected radially. This achieves the best possible fanning out of the flow of the gas mixture. Due to the arrangement in the region of the line element, which faces the transition region and thus the catalyst body, a very simple structure is created, since the swirl element can be easily introduced as termination of the line element between the transition region and the line element.
  • the flow-through cross section widens between the swirl element and the catalyst body.
  • This extension which can take place in particular in the transition region, can typically take place in the manner of a funnel, so that a comparatively large cross-sectional area of the catalyst body which can be flowed through can be flowed through uniformly.
  • the velocity of the gas mixture is reduced due to the extension of the cross section at the same volume flow, so that the
  • Flow rate and thus the residence time of the gas mixture in the region of the catalyst body can be increased. This also serves to reduce the size and the amount of catalytically active substance in the region of the catalyst body.
  • the swirl element By means of the swirl element, the flow of the gas mixture is fanned out so that a very even distribution of the gas over the entire cross-section of the catalyst body takes place in the area of the expanding flow-through cross section since, as already mentioned several times, this is fanned out accordingly by the swirl element.
  • the gas mixture may optionally carry liquid which impinges in the region of the catalyst body and wets parts of the active surface so that the reaction of the gas is hindered. Due to the radial fanning of the gas flow, however, this is given a twist, with which this flows through the region of the cross-sectional widening. As a result, any entrained liquid droplets are thrown outward due to the centrifugal force and accumulate in the region of the walls of the cross-sectional widening.
  • corresponding guide elements and / or openings can be provided, through which the collecting liquid can flow. For example, in the walls before the
  • Catalyst body be introduced a corresponding groove in which liquid collects and is discharged from the region of the cross-sectional widening.
  • the line element is divided by at least two parallel sub-line elements in the direction of flow in front of the swirl element in the direction of flow.
  • Swirl elements lead be used to equalize the flow of the swirl element and thus ultimately make the fanned flow much more homogeneous. If such internals extending in the direction of flow, which divide the line element into at least two parallel sub-line elements, are not used, then a curved line element could lead to an uneven flow of the swirl element, which would then result in a likewise non-uniform flow of the catalyst body.
  • a particularly preferred use of the catalytic burner according to the invention in one of the embodiments described above is the use for the thermal conversion of combustible radicals in the exhaust gases of a fuel cell.
  • This particularly preferred use of the catalytic burner according to the invention enables the conversion of residues in the exhaust gases of a fuel cell, which typically have hydrogen. Due to the fact that no hydrogen should reach the environment in order to prevent any ignitable or explosive mixtures from escaping from the fuel cell system, the complete implementation of the combustible radicals in the exhaust gases of a fuel cell is particularly high
  • the gas mixture can then be conducted via the line element and possibly running in this internals to the swirl element and can be so together with the existing gas mixture, which is typically an exhaust stream from a cathode region of the fuel cell and optionally a hydrogen-containing residual gas from the
  • Fuel cell systems are also known from the general state of the art.
  • the turbine can be connected either directly or indirectly to a compressor for the process air delivered to the fuel cell. It is also conceivable to couple the turbine and / or the compressor also in an electric machine. Then arises a structure, which is also referred to as an electric turbocharger (Electric Turbo Charger) or ETC.
  • ETC Electric Turbo Charger
  • the residual energy from the region of the fuel cell can be utilized via the catalytic burner and converted into usable mechanical energy via the turbine. This then drives - at least partially - the compressor for the process air. Any remaining required power is supplied via the electric machine in motor operation. If more power is provided via the turbine than the compressor requires, the electric machine can also be used as a generator to convert this power into electrical power.
  • a highly dynamic operation of a vehicle can be realized by temporarily hot gases are generated by the additional injection of fuel in the catalytic burner, which then provide so much energy through the turbine that the electric machine as a generator additional electrical energy for driving the vehicle when,
  • Fuel cell provides no or no sufficient electrical power can be provided.
  • FIG. 1 shows a principle cross section through a catalytic burner according to the invention.
  • Fig. 2 is a plan view of a swirl element according to the invention.
  • a cross section indicated by way of principle is represented by a catalytic burner 1. This consists essentially of one
  • the starting materials for example, in the exhaust gases from a
  • Cathode space and an anode compartment of a fuel cell contained substances, in particular so be residual oxygen and residual hydrogen.
  • substances in particular so be residual oxygen and residual hydrogen.
  • other combustible substances such as those of hydrocarbons or the like is conceivable.
  • Embodiment is curved, has in the flow direction extending internals 4, which ensures that despite the curvature of the
  • Conduit element 3 is a uniform distribution of the inflowing gas mixture on the cross section of the conduit member 3 after the curvature.
  • the gas mixture flowing in according to the arrow A can for example be a mixture of the exhaust gases A from a cathode space and an anode space of a fuel cell.
  • This gas mixture which is already combustible in itself, can also be introduced via an annular nozzle 5
  • Fuel B are additionally supplied. This fuel B is introduced via the known per se ring nozzle 5 in the gas mixture A, that flows from an annular space 6 of the fuel B via distributed around the circumference of the power element 3 openings 7 in the mixture.
  • the gas mixture A, to which optionally the fuel B has been supplied, then flows through the conduit element 3 and from the internals 4
  • the swirl element 8 is, as can be seen in the plan view of Figure 2, formed with a plurality of vanes 10 so that a radial deflection of the flowing through the swirl element 8 gas mixture A occurs.
  • the gas mixture A is thereby fanned out accordingly and can be very homogeneous and uniformly over the through ström bare surface of the expanding cross section in the cross-section 9
  • the swirl element 8 is very small and simple in construction and can be manufactured according to cost.
  • the catalyst body 2 can thus be made very small and efficient. This is in terms of Installation space and the cost and in terms of the required catalytically active material is a decisive advantage.
  • Catalyst body 2 fanned out flow of the gas mixture, there is a movement of the droplets outward due to the centrifugal force.
  • the liquid can be deposited very efficiently in the area of the walls of the transitional area 9 via the guide elements 11 and, if appropriate, drain openings not shown here, and removed from the area of the catalytic burner 1.
  • Catalyst body 2 allowed.

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Abstract

Ein katalytischer Brenner (1) weist einen Katalysatorkörper (2) und ein Leitungselement (3) zur Zufuhr eines Gasgemischs (A) zu dem Katalysatorkörper (2) auf. Außerdem hat der katalytische Brenner (1) einen Übergangsbereich (9) zwischen dem Leitungselement (3) und dem Katalysatorkörper (2). In Strömungsrichtung vor dem Katalysatorkörper (2) ist ein Drallelement (8) im Bereich der Strömung angeordnet.

Description

Katalytischer Brenner
Die Erfindung betrifft einen katalytischen Brenner nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines solchen katalytischen Brenners.
Katalytische Brenner können zur Umsetzung von brennbaren Ausgangsstoffen ohne offene Flamme eingesetzt werden. So sind beispielsweise aus dem Bereich von
Brennstoffzellensystemen katalytische Brenner zur Nachverbrennung von
Restwasserstoff im Abgas und/oder zur gezielten Verbrennung von Wasserstoff oder einem anderen Brennstoff zur Erzeugung von thermischer Energie bekannt. Derartige katalytische Brenner weisen im Allgemeinen einen Katalysatorkörper auf, welcher beispielsweise als poröses oder wabenartiges Material oder auch als Schüttung von Pellets oder dergleichen ausgebildet ist. Das im Katalysatorkörper eingesetzte Material ist dabei zumindest teilweise mit einem katalytisch aktiven Stoff, beispielsweise Platin, Palladium oder Ähnlichem versehen. Um über einen solchen katalytischen Brenner die eingesetzten Aufgangsstoffe vollständig umzusetzen, was insbesondere bei der
Nachverbrennung von unerwünschten Reststoffen in Abgasen oder dergleichen eines der Hauptziele für den Einsatz des katalytischen Brenners ist, ist es notwendig, eine entsprechende Größe des katalytischen Brenners anzubieten, um sämtliche in dem zu verbrennenden Gasgemisch vorhandenen brennbaren Stoffe umsetzen zu können. Dies erfordert einen entsprechend großen Bauraum und damit einen vergleichsweise großen Katalysatorkörper. Da nun die typischerweise als Katalysatoren eingesetzten Stoffe, wie beispielsweise Platin, außerordentlich teuer sind, ist ein solcher entsprechend großer Katalysatorkörper immer auch mit erheblichen Kosten verbunden. Die Länge des eingesetzten Katalysatorkörpers hat dabei insbesondere mit der
Gleichverteilung des zu dem Katalysatorkörper strömenden Gasgemischs zu tun. Wenn diese sich verbessert, dann kann eine gleichmäßigere Umsetzung in der zur Verfügung gestellten durchströmbaren Querschnittsfläche des Katalysatorkörpers erzielt werden, wodurch dieser entsprechend kürzer und damit kleiner und kostengünstiger ausgeführt werden kann. Unter diesem Gesichtspunkt ist es aus der DE 10 2008 031 060 A1 bekannt, zur gleichmäßigen Verteilung eines Abgasstroms in einem Abgasrohr in
Strömungsrichtung verlaufende Einbauten als Leitbleche vorzusehen, welche trotz einer platzbedingt häufig nötigen Krümmung des Abgasrohrs eine relativ gleichmäßige
Verteilung des Abgasstroms über den gesamten Querschnitt des Abgasrohrs
sicherstellen. Dieser Aufbau ermöglicht bei gekrümmten Leitungselementen, welche das Gasgemisch in den Bereich des Katalysatorkörpers führen, durchaus eine Verbesserung, sie können aber dennoch nicht für eine so gleichmäßige Anströmung des
durchströmbaren Querschnitts des Katalysatorkörpers sorgen, dass dieser nachhaltig in seiner Längenausdehnung verkürzt werden kann.
Aus dem weiteren allgemeinen Stand der Technik in Form der US 2003/0096204 A1 ist ein katalytischer Brenner bekannt, bei dem, nicht wie im Stand der Technik üblich über eine Ringdüse ein zusätzlicher Brennstoff eingeströmt wird, sondern bei dem ein sehr komplexer Aufbau entsteht, in welchem anströmendes Gas und ein dosierter Brennstoff sich in ihrer Strömungsrichtung mehrfach umkehren, um so eine sehr gute
Durchmischung zu erzielen. Das Gasgemisch strömt dann entsprechend vermischt in den Bereich des Katalysatorkörpers. Auch hier wird lediglich eine sehr gute Durchmischung erreicht, eine gleichmäßige Anströmung des Katalysatorkörpers kann durch den Aufbau nicht realisiert werden. Darüber hinaus ist der Aufbau durch eine Vielzahl von sehr kleinen und filigranen Bauteilen außerordentlich komplex und führt zu einem sehr kostenintensiven Mischbereich vor dem Katalysatorkörper.
Zum weiteren allgemeinen Stand der Technik soll außerdem auf die US 2005/0172547 A1 verwiesen werden. In dieser Schrift ist eine Vorrichtung zur Mischung von Gasen beschrieben, in welcher Drallelemente eingesetzt werden, um zwei unabhängig voneinander in den Bereich der Drallelemente einströmende Gasströme bestmöglichst miteinander zu vermischen. Es ist nun die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, einen katalytischen Brenner anzugeben, welcher mit minimalem Aufwand hinsichtlich der Bauteile in einer einfachen und kompakten Bauform eine bestmögliche homogene Anströmung des
Katalysatorkörpers erlaubt, sodass dieser in seiner Gesamtlänge nachhaltig verkürzt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des
erfindungsgemäßen katalytischen Brenners ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Eine besonders bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen katalytischen Brenners ist im Anspruch 8 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Verwendung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß ist also in Strömungsrichtung vor dem Katalysatorkörper ein
Drallelement im Bereich der Strömung angeordnet. Ein solches Drallelement, welches gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung mit mehreren Leitschaufeln ausgebildet sein kann, sorgt auf in Strömungsrichtung gesehen minimalem Bauraum dafür, dass sich sowohl die Brenngasverteilung als auch das Geschwindigkeitsprofil des Gasgemischs über dem Katalysatorkörper in unterschiedlichen Lastfällen deutlich vergleichmäßigt. Dies haben Simulationen der Strömung deutlich gezeigt. Das Drallelement, insbesondere wenn es mit mehreren Leitschaufeln ausgebildet ist, fächert dabei die Strömung des Gasgemischs vor dem Katalysatorkörper durch radiale Auslenkung auf und sorgt so für die sehr gleichmäßige und homogene Anströmung des Katalysatorkörpers. Damit wird das Gasgemisch über die gesamte zur Verfügung stehende Fläche des
Katalysatorkörpers mit einem sehr homogenen Geschwindigkeitsprofil verteilt. Der Katalysatorkörper beziehungsweise der in ihm vorhandene katalytisch aktive Stoff kann somit ideal ausgenutzt werden und der Katalysatorkörper kann hinsichtlich des von ihm benötigten Bauraums, und hier insbesondere hinsichtlich der benötigten Baulänge, entsprechend minimiert werden. Dadurch entsteht ein sehr kompakter Aufbau, welcher außerdem eine deutliche Einsparung des im Allgemeinen sehr teuren katalytisch aktiven Stoffs ermöglicht.
Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des
erfindungsgemäßen Aufbaus ist es vorgesehen, dass der Katalysatorkörper zylindrisch ausgebildet ist und das Drallelement hinsichtlich des durchströmbaren Querschnitts des Katalysatorkörpers zentral angeordnet ist. Ein zylindrischer Katalysatorkörper hat dabei den Vorteil, dass er leicht in ein Leitungselement beziehungsweise ein Stück Rohrleitung integriert ausgebildet werden kann. Die zentrale Anordnung des Drallelements erlaubt es dabei, eine bestmögliche Verteilung des anströmenden Gasgemischs auf den
durchströmbaren Querschnitt des zylindrisch ausgebildeten Katalysatorkörpers, welcher dann entsprechend als runder Querschnitt ausgebildet ist.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen katalytischen Brenners ist es ferner vorgesehen, dass das Drallelement den gesamten Querschnitt des Leitungselements einnimmt und an dessen dem Übergangsbereich zugewandten Ende angeordnet ist. Das Drallelement nimmt gemäß dieser Ausgestaltung also den gesamten durchströmbaren Querschnitt ein, sodass das gesamte Gasgemisch für das Drallelement in eine Rotationsbewegung versetzt und radial ausgelenkt wird. Damit wird eine bestmögliche Auffächerung der Strömung des Gasgemischs erzielt. Durch die Anordnung in dem Bereich des Leitungselements, welcher dem Übergangsbereich und damit dem Katalysatorkörper zugewandt ist, entsteht ein sehr einfacher Aufbau, da das Drallelement leicht als Abschluss des Leitungselements zwischen dem Übergangsbereich und dem Leitungselement eingebracht werden kann.
In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des katalytischen Brenners gemäß der Erfindung ist es ferner vorgesehen, dass der durchströmbare Querschnitt sich zwischen dem Drallelement und dem Katalysatorkörper erweitert. Diese Erweiterung, welche insbesondere im Übergangsbereich stattfinden kann, kann typischerweise in der Art eines Trichters erfolgen, sodass eine vergleichsweise große durchströmbare Querschnittsfläche des Katalysatorkörpers gleichmäßig angeströmt werden kann. Außerdem wird die Geschwindigkeit des Gasgemischs aufgrund der Erweiterung des Querschnitts bei selbem Volumenstrom verringert, sodass die
Strömungsgeschwindigkeit und damit die Verweilzeit des Gasgemischs im Bereich des Katalysatorkörpers erhöht werden kann. Auch dies dient zur Verringerung der Baugröße und der Menge an katalytisch aktivem Stoff im Bereich des Katalysatorkörpers. Durch das Drallelement wird dabei die Strömung des Gasgemischs so aufgefächert, dass im Bereich des sich erweiternden durchströmbaren Querschnitts dennoch eine sehr gleichmäßige Verteilung des Gases auf den gesamten Querschnitt des Katalysatorkörpers erfolgt, da dieses, wie bereits mehrfach erwähnt, durch das Drallelement entsprechend aufgefächert wird. In einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen katalytischen Brenners ist es außerdem vorgesehen, dass im Bereich der Querschnittserweiterung an radial außen liegenden Wandungen Leitelemente und/oder Öffnungen zum Abführen von Flüssigkeit vorgesehen sind. Das Gasgemisch kann gegebenenfalls Flüssigkeit mit sich führen, welche im Bereich des Katalysatorkörpers auftrifft und Teile der aktiven Fläche so benetzt, dass die Umsetzung des Gases behindert wird. Durch die radiale Auffächerung der Gasströmung wird dieser jedoch ein Drall mitgegeben, mit welchem diese den Bereich der Querschnittserweiterung durchströmt. Dadurch werden eventuell mitgeführte Flüssigkeitströpfchen aufgrund der Fliehkraft nach außen geschleudert und sammeln sich im Bereich der Wandungen der Querschnittserweiterung. Hier können entsprechende Leitelemente und/oder Öffnungen vorgesehen werden, durch die die sich sammelnde Flüssigkeit abströmen kann. Beispielsweise kann in den Wandungen vor dem
Katalysatorkörper eine entsprechende Nut eingebracht sein, in der sich Flüssigkeit sammelt und aus dem Bereich der Querschnittserweiterung abgeführt wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen katalytischen Brenners kann es außerdem vorgesehen sein, dass das Leitungselement durch in Strömungsrichtung verlaufende Einbauten in Strömungsrichtung vor dem Drallelement in wenigstens zwei parallele Teilleitungselemente aufgeteilt ist. Dieser Einbau von Leitelementen, wie er auch im eingangs genannten Stand der Technik beschrieben ist, kann insbesondere bei gekrümmten Leitungselementen, welche das Gasgemisch in den Bereich des
Drallelements führen, eingesetzt werden, um die Anströmung des Drallelements zu vergleichmäßigen und damit letztlich auch die aufgefächerte Strömung deutlich homogener zu gestalten. Werden derartige in Strömungsrichtung verlaufende Einbauten, welche das Leitungselement in wenigstens zwei parallele Teilleitungselemente aufteilen, nicht eingesetzt, so könnte es durch ein gekrümmtes Leitungselement zu einer ungleichmäßigen Anströmung des Drallelements kommen, welche dann in einer ebenfalls ungleichmäßigen Anströmung des Katalysatorkörpers resultieren würde.
Eine besonders bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen katalytischen Brenners in einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen ist dabei der Einsatz zur thermischen Umsetzung von brennbaren Resten in den Abgasen einer Brennstoffzelle. Diese besonders bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen katalytischen Brenners ermöglicht den Umsatz von Resten in den Abgasen einer Brennstoffzelle, welche typischerweise Wasserstoff aufweisen. Durch die Tatsache, dass kein Wasserstoff an die Umgebung gelangen soll, um keine zündfähigen oder explosiven Gemische aus dem Brennstoffzellensystem austreten zu lassen, ist an die vollständige Umsetzung der brennbaren Reste in den Abgasen einer Brennstoffzelle eine besonders hohe
Anforderung zu richten. Daher sind entsprechend große Katalysatorkörper notwendig, um dies in allen Betriebssituationen sicher und zuverlässig zu gewährleisten. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau des katalytischen Brenners lässt sich nun jedoch die
Baugröße des Katalysatorkörpers, wie oben bereits mehrfach erwähnt, verringern.
Insbesondere für einen Einsatz bei einer Brennstoffzelle spielt dies eine entscheidende Rolle, da so mit einem hinsichtlich des Bauraums und der Kosten minimierten
katalytischen Brenner dennoch eine sichere und zuverlässige vollständige Umsetzung aller brennbaren Reste in den Abgasen erreicht werden kann. Wird die Brennstoffzelle beziehungsweise das mit ihr ausgerüstete Brennstoffzellensystem darüber hinaus zum Bereitstellen von elektrischer Antriebsleistung in Fahrzeugen eingesetzt, wie dies aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt ist, so wird durch die entsprechende Kosteneinsparung und die bei Kraftfahrzeugen üblichen Stückzahlen, welche langfristig sicherlich auch von Brennstoffzellenfahrzeugen erreicht werden, eine deutliche
Einsparung an Kosten und Rohstoffen im Bereich des katalytischen Brenners ermöglicht.
In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung der Verwendung ist es ferner vorgesehen, dass dem Abgas zusätzlicher Brennstoff zugeführt wird. Bei dem Brennstoffzellensystem würde also der Ausgangsstoff zur Erzeugung eines
wasserstoffhaltigen Gases für die Brennstoffzelle oder beim Betrieb der Brennstoffzelle mit Wasserstoff dieser Wasserstoff dem Gasgemisch zugeführt. Die Zuführung kann dabei beispielsweise durch eine Ringeindüsung erfolgen, welche so aus dem eingangs genannten Stand der Technik an sich bekannt ist. Das Gasgemisch kann dann über das Leitungselement und die gegebenenfalls in diesem verlaufenden Einbauten zu dem Drallelement geführt werden und lässt sich so zusammen mit dem bereits vorhandenen Gasgemisch, welches typischerweise ein Abluftstrom aus einem Kathodenbereich der Brennstoffzelle und gegebenenfalls ein wasserstoffhaltiges Restgas aus dem
Anodenbereich der Brennstoffzelle sein wird, vermischt. Insgesamt entsteht so ein Gasgemisch, welches vergleichsweise große Mengen an Brennstoff aufweist und so, falls die thermische Energie des katalytischen Brenners für andere Einsatzzwecke benötigt wird, diese in ausreichendem Maß bereitstellen kann. In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung dieser Verwendung des katalytischen Brenners ist es vorgesehen, dass die heißen Abgase nach dem
katalytischen Brenner in einer Turbine entspannt werden. Eine solche Turbine zur Rückgewinnung von Druckenergie und thermischer Energie in den Abgasen von
Brennstoffzellensystemen ist aus dem allgemeinen Stand der Technik ebenfalls bekannt. Dabei kann die Turbine entweder direkt oder mittelbar mit einem Verdichter für die zu der Brennstoffzelle geförderten Prozessluft verbunden sein. Es ist auch denkbar, die Turbine und/oder den Verdichter außerdem in einer elektrischen Maschine zu koppeln. Dann entsteht ein Aufbau, welcher auch als elektrischer Turbolader (Electric Turbo Charger) oder ETC bezeichnet wird. Bei diesem Aufbau kann die Restenergie aus dem Bereich der Brennstoffzelle über den katalytischen Brenner genutzt und über die Turbine in nutzbare mechanische Energie umgewandelt werden. Diese treibt dann - zumindest teilweise - den Verdichter für die Prozessluft an. Eventuell verbleibende benötigte Leistung wird über die elektrische Maschine im motorischen Betrieb geliefert. Wird über die Turbine mehr Leistung bereitgestellt als der Verdichter benötigt, so kann die elektrische Maschine auch generatorisch genutzt werden, um diese Leistung in elektrische Leistung umzuwandeln. Damit lässt sich auch ein hochdynamischer Betrieb eines Fahrzeugs realisieren, indem durch das zusätzliche Einspritzen von Brennstoff im Bereich des katalytischen Brenners vorübergehend sehr heiße Gase erzeugt werden, welche dann über die Turbine so viel Energie bereitstellen, dass über die elektrische Maschine als Generator zusätzliche elektrische Energie für den Antrieb des Fahrzeugs, wenn beispielsweise die
Brennstoffzelle keine oder keine ausreichende elektrische Leistung liefert, bereitgestellt werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen katalytischen Brenners ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert ist.
Dabei zeigen:
Fig. 1 einen prinzipmäßigen Querschnitt durch einen katalytischen Brenner gemäß der Erfindung; und
Fig. 2 eine Draufsicht auf ein Drallelement gemäß der Erfindung.
In der Darstellung der Figur 1 ist ein prinzipmäßig angedeuteter Querschnitt durch einen katalytischen Brenner 1 dargestellt. Dieser besteht im Wesentlichen aus einem
Katalysatorkörper 2 sowie einem Leitungselement 3, welches ein Gasgemisch mit brennbaren beziehungsweise umsetzbaren Ausgangsstoffen zu dem Katalysatorkörper 2 führt. Die Ausgangsstoffe können beispielsweise die in den Abgasen aus einem
Kathodenraum und einem Anodenraum einer Brennstoffzelle enthaltenen Stoffe, insbesondere also Restsauerstoff und Restwasserstoff sein. Prinzipiell ist jedoch auch die Umsetzung anderer brennbarer Stoffe, beispielsweise die von Kohlenwasserstoffen oder dergleichen denkbar. Das Leitungselement 3, welches in dem hier dargestellten
Ausführungsbeispiel gekrümmt ausgeführt ist, weist in Strömungsrichtung verlaufende Einbauten 4 auf, durch welche sichergestellt wird, dass trotz der Krümmung des
Leitungselements 3 eine gleichmäßige Verteilung des anströmenden Gasgemischs auf den Querschnitt des Leitungselements 3 nach der Krümmung erfolgt. Das gemäß dem Pfeil A anströmende Gasgemisch kann beispielsweise eine Mischung aus den Abgasen A aus einem Kathodenraum und einem Anodenraum einer Brennstoffzelle sein. Diesem an sich bereits brennbaren Gasgemisch kann außerdem über eine Ringdüse 5 ein
Brennstoff B zusätzlich zugeführt werden. Dieser Brennstoff B wird über die an sich bekannte Ringdüse 5 so in das Gasgemisch A eingebracht, dass aus einem Ringraum 6 der Brennstoff B über um den Umfang des Leistungselements 3 verteilte Öffnungen 7 in das Gemisch einströmt. Das Gasgemisch A, welchem optional der Brennstoff B zugeführt worden ist, strömt dann durch das Leitungselement 3 und von den Einbauten 4
gleichmäßig durch die Krümmung des Leitungselements 3 geführt in den Bereich eines Drallelements 8 und von dort durch einen Übergangsbereich 9 in den Katalysatorkörper 2.
Das Drallelement 8 ist dabei, wie auch in der Draufsicht der Figur 2 zu erkennen ist, mit mehreren Leitschaufeln 10 so ausgebildet, dass eine radiale Auslenkung des durch das Drallelement 8 strömenden Gasgemischs A auftritt. Das Gasgemisch A wird dadurch entsprechend aufgefächert und kann durch den sich im Übergangsbereich 9 erweiternden Querschnitt sehr homogen und gleichmäßig über die durch ström bare Fläche des
Katalysatorkörpers 2 verteilt werden. Das Drallelement 8 ist dabei sehr klein und einfach aufgebaut und kann entsprechend kostengünstig hergestellt werden. In
Strömungssimulationen konnte bestätigt werden, dass durch dieses einfache und effiziente Drallelement 8 sowohl die Gasverteilung als auch das Geschwindigkeitsprofil über dem Katalysatorkörper 2 in unterschiedlichen Lastfällen deutlich vergleichmäßigt werden konnte. Damit wird der zur Verfügung stehende Katalysatorkörper 2
beziehungsweise die im Katalysatorkörper 2 zur Verfügung stehende durchströmbare Querschnittsfläche ideal angeströmt und optimal ausgenutzt. Der Katalysatorkörper 2 kann somit sehr klein und effizient ausgestaltet werden. Dies ist hinsichtlich des Bauraums und der Kosten sowie hinsichtlich des benötigten katalytisch aktiven Materials ein entscheidender Vorteil.
Sollte in der Strömung des Gasgemischs Flüssigkeit in der Form von flüssigen Tröpfchen vorhanden sein, so würden diese zumindest einen Teil der Fläche des Katalysatorkörpers 2 entsprechend benetzen und unwirksam machen. Um dies zu verhindern kann es optional vorgesehen sein, dass im Übergangsbereich 9 im Bereich der Wandungen, beispielsweise im Bereich der Wandungen unmittelbar bevor diese auf den
Katalysatorkörper 2 treffen, entsprechende Leitelemente 11 und/oder Öffnungen vorgesehen sind. In der durch das Drallelement 8 auf die Querschnittsfläche des
Katalysatorkörpers 2 aufgefächerten Strömung des Gasgemischs kommt es zu einer Bewegung der Tröpfchen nach außen aufgrund der Fliehkraft. Dadurch kann im Bereich der Wandungen des Übergangsbereichs 9 über die Leitelemente 11 und gegebenenfalls hier nicht dargestellte Ablassöffnungen sehr effizient die Flüssigkeit abgeschieden und aus dem Bereich des katalytischen Brenners 1 abgeführt werden.
Alles in allem entsteht so ein sehr effizienter und kompakter Aufbau, welcher mit sehr einfachen und kostengünstigen Mitteln die bestmögliche Anströmung der verfügbaren durchströmbaren Querschnittsfläche des Katalysatorkörpers 2 ermöglicht, und so einen in Strömungsrichtung sehr kurzen und damit kostengünstigen Aufbau des
Katalysatorkörpers 2 erlaubt.

Claims

Patentansprüche
1. Katalytischer Brenner mit einem Katalysatorkörper und einem Leitungselement zur Zufuhr eines Gasgemischs zu dem Katalysatorkörper, sowie einem
Übergangsbereich zwischen dem Leitungselement und dem Katalysatorkörper, dadurch gekennzeichnet, dass
in Strömungsrichtung vor dem Katalysatorkörper (2) ein Drallelement (8) im Bereich der Strömung angeordnet ist.
2. Katalytischer Brenner nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Katalysatorkörper (2) zylindrisch ausgebildet ist und das Drallelement (8) hinsichtlich des durchströmbaren Querschnitts des Katalysatorkörpers (2) zentral angeordnet ist.
3. Katalytischer Brenner nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Drallelement (8) den gesamten Querschnitt des Leitungselements (3) einnimmt und an dessen dem Übergangsbereich (9) zugewandten Ende angeordnet ist.
4. Katalytischer Brenner nach Anspruch , 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Drallelement (8) mehrere Leitschaufeln (10) aufweist.
5. Katalytischer Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass der durchströmbare Querschnitt sich zwischen dem Drallelement (8) und dem Katalysatorkörper (2) erweitert.
6. Katalytischer Brenner nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Bereich der Querschnittserweiterung an radial außen liegenden Wandungen Leitelemente (11 ) und/oder Öffnungen zum Abführen von Flüssigkeit vorgesehen sind.
7. Katalytischer Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Leitungselement (3) durch in Strömungsrichtung verlaufende Einbauten (4) in Strömungsrichtung vor dem Drallelement (8) in wenigstens zwei parallele Teilleitungselemente aufgeteilt ist.
8. Verwendung des katalytischen Brenners nach einem der Ansprüche 1 bis 7
zur thermischen Umsetzung von brennbaren Resten in den Abgasen (A) einer Brennstoffzelle.
9. Verwendung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
den Abgasen (A) zusätzlicher Brennstoff (B) zugeführt wird.
10. Verwendung nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die heißen Gase nach dem katalytischen Brenner (1 ) in einer Turbine entspannt werden.
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