EP4251920A1 - Brennervorrichtung für ein brennstoffzellensystem - Google Patents

Brennervorrichtung für ein brennstoffzellensystem

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Publication number
EP4251920A1
EP4251920A1 EP21816307.9A EP21816307A EP4251920A1 EP 4251920 A1 EP4251920 A1 EP 4251920A1 EP 21816307 A EP21816307 A EP 21816307A EP 4251920 A1 EP4251920 A1 EP 4251920A1
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EP
European Patent Office
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burner
catalyst
burner device
air
fuel
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP21816307.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Raphael NEUBAUER
Bernd REITER
Christoph SCHLUCKNER
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AVL List GmbH
Original Assignee
AVL List GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by AVL List GmbH filed Critical AVL List GmbH
Publication of EP4251920A1 publication Critical patent/EP4251920A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • F23C13/06—Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material in which non-catalytic combustion takes place in addition to catalytic combustion, e.g. downstream of a catalytic element
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • 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
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C99/00—Subject-matter not provided for in other groups of this subclass
    • F23C99/006—Flameless combustion stabilised within a bed of porous heat-resistant material
    • 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
    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a burner device for a fuel cell system and a fuel cell system with such a burner device.
  • fuel cell systems have burner devices which provide energy in the form of heat, in particular when heating up the fuel cell system.
  • Such burner devices can be used in normal operation of the fuel cell system for aftertreatment of the exhaust gas as an afterburner and/or as a preburner.
  • two different burner concepts are used for heating up in a starting phase of the fuel cell system. On the one hand there are flame burners and on the other hand so-called catalytic burners.
  • catalytic burners In catalytic burners, a fuel fluid flows through a catalyst body and catalytic combustion takes place. This catalytic combustion generates heat, which is then fed to the fuel cell system and there in particular to the fuel cell stack.
  • a disadvantage of such purely ka talytisch active burners is their relatively low performance as well as their slow heating rate.
  • burners with a flame are used, ie burners which burn a fuel-air mixture with a flame forming and in this way also generate heat which is introduced into the fuel cell stack of the fuel cell system.
  • a disadvantage of the flame-prone burners is that they can only be operated stably with great effort, particularly in a heating-up operation.
  • this is based on the fact that very high mass flows of the individual fluids are sometimes required when heating up a fuel cell system. This in turn leads to high flow velocities, particularly in a burner device, so that there is a risk of the flame blowing out again after it has been ignited and in this way stopping the heating process in an unwanted manner.
  • a burner device for a fuel cell system has a burner housing with a burner inlet for an inlet of fuel-air mixture.
  • the burner housing is equipped with a burner outlet for an outlet of burner exhaust gas-air mixture.
  • the burner device has a catalyst body within the burner housing with a catalyst cavity into which the burner inlet opens.
  • the catalyst body is gas-permeable and equipped with a catalyst surface which is at least partially provided with a catalytic coating.
  • a bypass volume is formed between the catalyst surface and the burner housing, which flows into the burner outlet.
  • the catalyst body has a longitudinal axis, with the catalyst surface having a cross-sectional contour that deviates from the circular shape at least in sections relative to this longitudinal axis.
  • a burner device differs in particular from the known fuel cell systems in that it has a hybrid combustion functionality. So it serves as a hybrid burner device to provide both a flame-affected combustion of the fuel-air mixture and a catalytic implementation tables. In particular, this is based on different operating temperatures, so that at the beginning of the conversion the catalytic see reaction of the fuel-air mixture generates radicals, which in turn improve the ignitability in the area of the catalyst surface in high concentrations. This means that after the ignition, in particular both the catalytic combustion and the flame-prone combustion are operated in parallel and in this way the release of heat can be maximized.
  • This combination of two separate firing functions alone can provide a significant increase in heat dissipation with the same or even reduced installation space conditions. The necessary costs and the associated weight can already be significantly reduced by this hybrid design of the burner device.
  • the catalytic converter surface is inventively provided with a cross-sectional contour which deviates from the circular shape.
  • a cross-sectional contour which deviates from the circular shape.
  • the deviation of the cross-sectional contour from the circular shape results in an increase in the catalyst surface with the same or essentially the same volume in relation to a cylindrical catalyst body.
  • the catalytic effect is also increased with the same or reduced installation space by enlarging the catalyst surface. In particular, this can be a significant enlargement by a factor of 2 or more. It remains to summarize that a hybrid combustion functionality is made available in the manner according to the invention, which is also based on an enlarged catalyst surface, so that as a result an increase in efficiency can be achieved with reduced installation space and maximized heat emission.
  • a catalytic coating in the context of the present invention is understood to mean a catalytically active material.
  • This catalytically active material is used in particular to generate radicals from the fuel, which support or enable flame formation.
  • a high concentration of such radicals is generated by the catalytic conversion of this catalytic material in order to create an ignition situation in the area of the catalyst surface.
  • a fuel within the meaning of the present invention is in particular a gaseous fuel, ie a fuel gas.
  • the catalyst body is preferably formed with the longitudinal axis as the main extension direction.
  • this catalyst body can assume a basic cylindrical shape, the specification of the cross-sectional contour being adhered to according to the invention.
  • the respective cylinder ends of the catalyst body can be closed. These ends can also be designed to be both gas-tight and gas-permeable. It is preferred if the main passage direction for the fuel-air mixture is transverse to the longitudinal axis, ie in the radial direction.
  • the catalyst body can advantageously be arranged centrally within the burner housing.
  • the central arrangement of the catalyst body results in a bypass volume being formed between the catalyst body and the burner housing, which volume is arranged uniformly, in particular symmetrically, around the catalyst body. Because the bypass volume is now able to guide air past the catalytic converter body, a defined lambda value can be set, which provides the desired flame-prone combustion outside of the catalytic converter body and thus in the bypass volume.
  • the defined configuration of the bypass volume described above makes it possible, on the one hand, to achieve a defined concentration situation between fuel and air for the catalytic combustion and, on the other hand, to achieve a defined air consumption. train ratio for the flame-afflicted combustion in the bypass volume. In particular, this is achieved by appropriate control valves, as will be explained in more detail later, for example.
  • the burner housing has an air inlet, in particular separate from the burner inlet, for admitting air into the bypass volume.
  • air can also be introduced into the bypass volume via other channels.
  • the air inlet can be in fluid-communicating connection with an air source which, as a common air source, also supplies the burner inlet for generating the fuel-air mixture with appropriate air.
  • a fuel cell system is an intake of ambient air as an air source.
  • the air concentration in the bypass volume and thus the stoichiometric ratio to the fuel in the bypass volume can be adjusted by introducing air via the separate air inlet.
  • the desired flame-prone combustion can be better controlled and, above all, controlled and/or regulated independently of the catalytic combustion.
  • the air inlet according to the previous paragraph has a control valve for controlling the mass flow of air into the bypass volume.
  • a control valve also allows a complete shut-off and/or a complete opening of the respective air inlet, so that the bypass volume can be completely closed off from the air supply in an extreme position.
  • the intensity of the flame-prone combustion can be varied via the control valve by varying the stoichiometric ratios in the bypass volume via the control valve.
  • a particularly simple and cost-effective control option is thus provided in order to control the flame-prone combustion separately from the catalytic combustion.
  • an air supply for a controlled supply of air into the burner exhaust gas-air mixture is arranged in and/or after the burner outlet.
  • this is combined with an air intake according to the previous paragraph.
  • an external bypass capable of completely bypassing the burner device and both the catalytic and the flame combustion.
  • a controllability for the individual gases used and the resulting gas compositions is further increased in this way.
  • the burner inlet, a cavity inlet into the catalyst cavity and/or the catalyst cavity itself has a mixing section for mixing air and fuel. While it is fundamentally possible to feed the fuel-air mixture to the burner device premixed externally, such a mixing device can also be integrated into the burner device as a mixing section. Such an integration allows the mixing to be carried out at the burner inlet, at a cavity inlet and/or integrated into the catalyst cavity, so that the supply of pure or essentially pure fuel and air is possible as external connections on the burner device for this mixing section . This makes it possible to integrate the mixing section into the module of the burner device and to retrofit a burner device according to the invention even in existing fuel cell systems.
  • the catalyst body is designed for a radial outlet of a fuel-air mixture, in particular exclusively for a radial outlet of a fuel-air mixture, based on the longitudinal axis.
  • a radial outlet can be provided, for example, by the porous design of the catalyst body, which will be explained later.
  • gas permeabilities such as lattice structures, sponge structures or network structures are also conceivable within the scope of the present invention.
  • the ends of the catalytic converter body can preferably be sealed in a gas-tight manner.
  • the cross-sectional contour extends between an inner radius and an outer radius, in particular in a uniform shape in the radial direction and/or in the circumferential direction.
  • a cross-sectional contour can have a star-shaped configuration.
  • the cross-sectional contour has a maximum radial extension, which does not exceed the common outer radius for all ra-media extensions.
  • the minimum radial extent is defined by the common inner radius, so that the indentations that are formed in a star shape in this way all have the same or essentially the same depth.
  • the corresponding increase in surface area resulting from the depressions and elevations, their flow-related effect and their catalytic intensification therefore have an identical or essentially identical effect for all individual star elements and indentations.
  • a uniform combustion behavior for the hybrid combustion is thus made available both in the radial direction and in the circumferential direction.
  • the cross-sectional contour is embodied symmetrically or essentially symmetrically with respect to the longitudinal axis.
  • a symmetrical or essentially symmetrical design is to be understood in particular as a point-symmetrical design in the sectional plane transverse to the longitudinal axis and thus to the point of intersection of the longitudinal axis with this cross-sectional plane. It is thus possible to distinguish such point-symmetrical cross-sectional contours from rotationally symmetrical cross-sectional contours of cylindrical catalyst bodies. It should also be pointed out that the cross-sectional contour along the longitudinal axis can of course vary within the scope of the present invention.
  • this cross-sectional contour can be varied along the longitudinal axis, so that the cross-sectional contour has an additional indentation and/or bulge over the course of the longitudinal axis.
  • This can also be described as a double or additional bulge or curvature, which increases the catalytic effect according to the invention by increasing the geometric extent of the catalytic converter surface even further.
  • the cross-sectional contour along the longitudinal axis is designed to be constant or essentially constant at least in sections. In contrast to the variation in thickness described above, this makes it possible for the catalytic converter body to be manufactured in a particularly simple and cost-effective manner.
  • constant and/or even combustion conditions are also made available for the hybrid combustion functions over the course of the longitudinal axis.
  • the cross-sectional contour is star-shaped at least in sections. This is in particular combined with the symmetrical configuration to the longitudinal axis, which has already been explained several times, so that a point-symmetrical star is provided as the cross-sectional contour.
  • the star tips define the outer radius and the star valleys the corresponding inner radius.
  • the associated and desired enlargement of the catalytic surface is provided here with a maximum reduction in installation space while at the same time increasing the efficiency of heat generation.
  • the catalyst body is designed to be porous, at least in the area of the catalyst surface, in particular completely or essentially completely.
  • a porous design is to be understood, in particular, as at least partially open-pored porosity.
  • the open pore content of the porous material is in the range of 50 to 100 percent.
  • a permeable pore structure provides the gas permeability according to the invention.
  • ceramic materials and/or metal materials can be used.
  • Manufacturing can be made available, for example, by additive manufacturing processes. Other manufacturing options are, for example, foaming or coating foams, such as polymer sponges. This results in a porous manner in a sponge-like structure, which is also equipped with a catalytically active coating in particular inside the pores.
  • the catalyst body has a varying porosity along the longitudinal axis.
  • a different different gas permeability provided by different porosities can be provided along the main flow direction within the catalyst cavity at the beginning and increasing permeability over the course along the longitudinal axis.
  • This makes it possible to compensate for pressure differences within the catalyst cavity via a varying gas permeability, so that the passage of the fuel-air mixture through the catalyst body can preferably be evened out over the course of the longitudinal axis.
  • This also makes it possible to provide a further leveling out of the hybrid burner functions on the catalyst surface.
  • the catalyst body can also be composed of disk-like individual elements which have an identical or a different porosity for each disk.
  • a combination of different manufacturing options is of course also conceivable within the scope of the present invention.
  • the catalyst surface has, at least in sections, a surface normal which intersects an adjacent surface normal of the catalyst surface outside of the catalyst body.
  • This allows the cross-sectional contour to be defined even more precisely.
  • the cross-sectional contour deviates so far from the circular shape that two surface normals from different positions of the catalyst surface intersect inside the bypass volume and thus outside the catalyst body. This leads to these surface sections of the intersecting surface normals being aligned with one another.
  • this radiation return of the heat can be intensified by aligning the individual surfaces with one another, as is the case in this embodiment.
  • this heat supply ensures that the catalyst surface does not become undesired Way cools down, but continues to provide the radicals through the catalytic conversion for a stable flame-affected combustion.
  • the catalyst surface has at least in sections a surface normal which intersects the catalyst surface in an adjacent section. This intensifies the indentation according to the previous paragraph even further, so that the surface normal not only intersects an adjacent surface normal, but directly an adjacent surface section of the catalyst surface, so that the reflection of heat and thus the return transmission from the flame zone is further increased.
  • the catalyst surface has at least one guide section for guiding the air in the bypass volume, which extends in particular along or essentially along the longitudinal axis.
  • a guide section can also be referred to as a guide fin and extends in particular along the flow direction of the air in the bypass volume.
  • Air in the bypass is protected from turbulence by such a fin-like structure as a guide section guiding the air flow and preferably protecting it from turbulence in the region of a flame zone above the catalyst surface.
  • the stability of the flame-affected combustion can be further improved in this way.
  • this defined geometric control function for the air in the bypass volume allows improved mixing above the catalyst surface.
  • Also subject matter of the present invention is a fuel cell system for generating electrical energy from a fuel and/or for generating fuel from electrical energy, having at least one burner device according to the invention.
  • a fuel cell system according to the invention thus brings with it the same advantages as have been explained in detail with reference to a burner device according to the invention.
  • Such a fuel cell system is used, for example as an SOFC fuel cell system, to generate electrical energy from a gaseous fuel.
  • such a fuel cell system from electrical energy can also be used, for example as an SOEC Fuel cell system, produce a fuel. In both modes of operation, it is necessary to reach an operating temperature for starting the fuel cell system, so that a burner device according to the invention can bring with it the advantages explained in detail for such a fuel cell system.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a burner device according to the invention
  • FIG. 3 shows a further embodiment of a burner device according to the invention
  • FIG. 5 shows a further embodiment of a burner device according to the invention
  • Fig. 7 is a possible partial cross section through another catalyst body
  • Fig. 8a is a schematic representation of a fuel cell system according to the invention.
  • FIG. 8b shows a further schematic representation of a fuel cell system according to the invention.
  • FIG. 1 schematically shows a burner device 10 in lateral cross section along the longitudinal axis LA.
  • This has two main elements. On the one hand, this is the burner housing 20, in which the second main component in the form of the cata- tor stresses 30 is arranged.
  • the burner housing 20 in which the second main component in the form of the cata- tor stresses 30 is arranged.
  • a fuel-air mixture BL can be introduced into the catalyst cavity 32 via the burner inlet 22 .
  • a mixing section 50 is provided upstream of the burner inlet 22 and is supplied with fuel B and air L. The fuel-air mixture BL thus penetrates via the combustion inlet 22 into the burner housing 20 and in particular into the catalytic converter cavity 32 .
  • air L is introduced into the bypass volume 40 via an air inlet 26 .
  • a mixture of burner exhaust gas and air L forms as a burner exhaust gas-air mixture BAL, which lumen 40 leaves the bypass volume via the burner outlet 24 again.
  • the burner device 10 can be referred to as a hybrid burner.
  • the fuel-air mixture BL penetrates the porous gas-permeable catalyst body 30 and reaches the catalyst surface 34 , which has a catalytic coating 36 .
  • the catalytic coating makes it possible for the fuel B to be converted so that radicals are formed, which in turn allow the remaining fuel B to be combusted with the air L in the bypass volume 40 with flames.
  • the waste heat produced is discharged from the burner device 10 via the burner outlet 24 via the burner exhaust gas/air mixture BAL and is fed to the other components of the fuel cell system 100 .
  • FIG. 2 now shows a cross-sectional contour QK of the catalyst body 30 according to the invention in a schematic cross section transverse to the longitudinal axis LA.
  • Four indentations are shown here, which allow the cross-sectional contour QK to deviate from the circular shape.
  • the catalyst cavity 32 is designed in a similar way so that the fuel-air mixture BL now flows radially through the porous catalyst body 30 to the corresponding indentations and bulges of the catalyst surface 34 and there to the catalytic coating 36 .
  • FIG. 2 also shows that the four bulges as guide sections 35 guide the air L in the bypass volume 40 in a fin-like manner along the longitudinal axis LA.
  • FIG. 3 shows the embodiment of FIG. 2, but in relation to an inner radius IR and an outer radius AR. While in principle any cross-sectional contour QK, including asymmetrical ones, is possible as long as it deviates from the circular differs, a regular design according to Figures 2 and 3 is advantageous. As can be seen here, the regular cross-sectional contour QK of this embodiment is based on a maximum outer radius AR and a minimum inner radius IR, so that the corresponding hybrid combustion functionalities are comparable in the circumferential direction and in the radial direction.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of such a burner device 10. It differs from the variant in FIG. This makes it possible to set the stoichiometric ratio in the bypass volume 40 precisely and thus to control the combustion functionalities of the flame-affected combustion even more precisely.
  • the mixing section 50 is integrated into a cavity inlet 33 of the burner inlet 22 .
  • the fuel-air mixture BL is thus formed directly at the inlet into the catalyst cavity 32, so that the overall system of the burner device 10 can be made even more compact.
  • FIG. 4 by way of example how the right-hand end surface of the catalyst body 30 is designed to be gas-tight. This makes it possible to limit the catalytic effect on the peripheral surface of the catalyst body 30, which leads to an equalization of the burner functions.
  • FIG. 10 A further embodiment of the burner device 10 is shown in FIG.
  • a mixing section 50 is now integrated into the combustor inlet 22 and protrudes into the catalyst cavity 32 .
  • Compactness for the burner assembly 10 is maximized in this manner.
  • An additional air supply 29 into the burner outlet 24 can also be seen in this embodiment, which allows air L to be added to the burner exhaust gas/air mixture via a control valve. This makes it possible, on the one hand, to subsequently influence the outlet temperature of the burner waste gas/air mixture BAL, but also its stoichiometric ratio outside of the burner device 10 .
  • FIG. 1 A further possibility for shaping the catalyst body 30 can be seen in FIG.
  • the surface normal FN is shown here at two positions of the catalyst surface 34 in each case.
  • the two surface normals FN shown intersect outside of the catalyst body 30, so that there is a flame zone between these two elevations in the indentation of the catalyst body 30 trains.
  • Fuel burned with a flame in this flame zone now has the result that heat transmitted via radiation reaches a receiving surface of the catalyst body 30 that is larger than the circular shape. In this way, the corresponding amount of heat returned by thermal radiation is increased in comparison to a circular catalyst body 30 .
  • FIG. 7 an even further intensification of the above effect can be seen by means of a further adapted cross-sectional contour QK.
  • the plane normal FN through the severe indentation of the catalyst body 30 is oriented to directly intersect an adjacent portion of the catalyst body 30 .
  • the thermal radiation back-reflection discussed in the previous paragraph with respect to Figure 6 is maximized in this way.
  • FIGS. 8a and 8b schematically show a fuel cell system 100, the fuel cell stack having an anode section 110 and a cathode section 120 here schematically.
  • the supply to the cathode section 120 is shown in FIG. 8b and the outlet from the cathode section 120 and from the anode section 110 is shown in FIG. 8a with a burner device 10, which brings with it the advantages according to the invention.
  • a heat exchanger HEX is also arranged in the supply of the air L to the cathode section 120, which heat exchanger emits waste heat from the cathode exhaust gas to the supplied air L before the exhaust gas is released to the environment.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennervorrichtung (10) für ein Brennstoffzellensystem (100), aufweisend ein Brennergehäuse (20) mit einem Brennereinlass (22) für einen Einlass von Brennstoff-Luft-Gemisch (BL) und einem Brennerauslass (24) für einen Auslass eines Brennerabgas-Luft-Gemisches (BAL), weiter aufweisend einen Katalysatorkörper (30) innerhalb des Brennergehäuses (20) mit einem Katalysatorhohlraum (32) in welchen der Brennereinlass (22) mündet, wobei der Katalysatorkörper (30) gasdurchlässig ist und eine Katalysatoroberfläche (34) aufweist mit wenigstens teilweise katalytischer Beschichtung (36), wobei sich zwischen der Katalysatoroberfläche (34) und dem Brennergehäuse (20) ein Bypassvolumen (40) ausbildet, welches in den Brennerauslass (24) mündet, wobei weiter der Katalysatorköper (30) eine Längsachse (LA) aufweist und die Katalysatoroberfläche (34) wenigstens abschnittsweise zu dieser Längsachse (LA) eine von der Kreisform abweichende Querschnittskontur (QK) aufweist.

Description

Brennervorrichtung für ein Brennstoffzellensystem
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennervorrichtung für ein Brennstoffzellen system sowie ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Brennervorrichtung.
Es ist bekannt, dass Brennstoffzellensysteme Brennervorrichtungen aufweisen, wel che insbesondere beim Aufheizen des Brennstoffzellensystems Energie in Form von Wärme zur Verfügung stellen. Solche Brennervorrichtungen können im Normalbe trieb des Brennstoffzellensystems zur Nachbehandlung des Abgases als Nachbren ner und/oder auch als Vorbrenner eingesetzt werden. Für das Aufheizen in einer Startphase des Brennstoffzellensystems sind bei bekannten Brennstoffzellensyste men zwei unterschiedliche Brennerkonzepte im Einsatz. Zum einen handelt es sich um Flammenbrenner und zum anderen um sogenannte katalytische Brenner.
Bei katalytischen Brennern durchströmt eine Brennstofffluid einen Katalysatorkörper und dabei findet eine katalytische Verbrennung statt. Diese katalytische Verbrennung erzeugt Wärme, welche anschließend dem Brennstoffzellensystem und dort insbe sondere dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird. Nachteilhaft bei solchen rein ka talytisch wirksamen Brennern ist jedoch deren relativ geringe Leistungsfähigkeit so wie deren langsame Aufheizgeschwindigkeit.
Ebenfalls bekannt ist es, dass flammenbehaftete Brenner eingesetzt werden, also Brenner, welche unter einer Flammenbildung ein Brennstoff-Luft-Gemisch verbren nen und auf diese Weise ebenfalls Wärme erzeugen, welche in den Brennstoffzel lenstapel des Brennstoffzellensystems eingebracht wird. Nachteilhaft bei den flam menbehafteten Brennern ist es jedoch, dass diese insbesondere in einem Aufheizbe trieb nur mit hohem Aufwand stabil betreibbar sind. Insbesondere beruht dies auf der Tatsache, dass beim Aufheizen eines Brennstoffzellensystems teilweise sehr hohe Masseströme der einzelnen Fluide benötigt werden. Dies führt wiederum zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten, insbesondere in einer Brennervorrichtung, sodass dort die Gefahr besteht, nach dem Zünden der Flamme diese wieder auszublasen und auf diese Weise den Aufheizvorgang in ungewollter Weise zu stoppen. Diesem Nachteil wird üblicherweise durch einen hohen konstruktiven Aufwand begegnet, um eine einmal gezündete Flamme vor dem Ausblasen zu schützen. Neben dem kon struktiven Aufwand führt dies zu einem hohen Bauraumbedarf und entsprechend ho hem Gewicht und hohen Kosten für eine solche Brennervorrichtung. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nach teile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise den Bauraum einer Brennervor richtung zu reduzieren und/oder die Betriebsstabilität der Brennervorrichtung zu ver bessern.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Brennervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennervorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungs gemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Of fenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genom men wird beziehungsweise werden kann.
Erfindungsgemäß ist eine Brennervorrichtung für ein Brennstoffzellensystem vorge sehen. Eine solche Brennervorrichtung weist ein Brennergehäuse mit einem Bren nereinlass für einen Einlass von Brennstoff-Luft-Gemisch auf. Weiter ist das Bren nergehäuse mit einem Brennerauslass für einen Auslass von Brennerabgas-Luft- Gemisch ausgestattet. Darüber hinaus weist die Brennervorrichtung einen Katalysa torkörper innerhalb des Brennergehäuses auf mit einem Katalysatorhohlraum, in welchen der Brennereinlass mündet. Der Katalysatorkörper ist dabei gasdurchlässig und mit einer Katalysatoroberfläche ausgestattet, welche wenigstens teilweise mit einer katalytischen Beschichtung versehen ist. Dabei bildet sich zwischen der Kata lysatoroberfläche und dem Brennergehäuse ein Bypassvolumen aus, welches in den Brennerauslass mündet. Der Katalysatorkörper weist eine Längsachse auf, wobei die Katalysatoroberfläche wenigstens abschnittsweise zu dieser Längsachse eine von der Kreisform abweichende Querschnittskontur aufweist.
Eine erfindungsgemäße Brennervorrichtung unterscheidet sich insbesondere dadurch von den bekannten Brennstoffzellensystemen, dass sie eine hybride Brenn funktionalität aufweist. So dient sie als hybride Brennervorrichtung dazu, sowohl eine flammenbehaftete Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemisches als auch eine kataly tische Umsetzung zur Verfügung zu stellen. Insbesondere basiert dies auf unter schiedlichen Betriebstemperaturen, sodass zu Beginn der Umsetzung die katalyti- sehe Umsetzung des Brennstoff-Luft-Gemisches Radikale erzeugt, welche wiederum in hoher Konzentration die Zündfähigkeit im Bereich der Katalysatoroberfläche ver bessern. Dies führt dazu, dass nach dem Zünden insbesondere sowohl die katalyti sche Verbrennung als auch die flammenbehaftete Verbrennung parallel betrieben werden und auf diese Weise die Abgabe von Wärme maximiert werden kann. Bereits durch diese Kombination von zwei separaten Brennfunktionen kann eine deutliche Steigerung der Wärmeabgabe bei gleichen oder sogar reduzierten Bauraumbedin gungen zur Verfügung gestellt werden. Die notwendigen Kosten und das zugehörige Gewicht können bereits durch diese Hybridbauweise der Brennervorrichtung deutlich reduziert werden.
Um trotz des reduzierten Bauraums für das Zünden der flammenbehafteten Verbren nung sowie den Betrieb der katalytischen Verbrennung eine ausreichend große kata lytische Oberfläche zur Verfügung zu stellen, ist in erfindungsgemäßer Weise die Ka talysatoroberfläche mit einer Querschnittskontur ausgestattet, welche von der Kreis form abweicht. Darunter ist zu verstehen, dass bei einer Schnittdarstellung durch den Katalysatorkörper quer zu der Längsachse die Umrandung der Katalysatoroberfläche die Querschnittskontur in diesem Schnitt darstellt. Während bei einem rein zylindri schen Katalysatorkörper sich auf diese Weise im Schnitt eine rein kreisförmige oder im Wesentlichen kreisförmige Querschnittskontur ausbilden würde, ist erfindungsge mäß vorgesehen, dass diese Querschnittskontur von der Kreisform abweicht. Dadurch, dass diese Querschnittskontur von der Kreisform abweicht, wird eine Kata lysatoroberfläche erzeugt, deren geometrische Erstreckung größer ist als bei einem Zylinder. Je stärker die Abweichung der Querschnittskontur von der Kreisform erfin dungsgemäß ausgeführt wird, umso stärker ist der Vergrößerungsfaktor für die geo metrische Erstreckung der Katalysatoroberfläche.
Wie aus dem voranstehenden Absatz ersichtlich ist, wird also durch die Abweichung der Querschnittskontur von der Kreisform eine Vergrößerung der Katalysatoroberflä che bei gleichem oder im Wesentlichen gleichem Volumen im Verhältnis zu einem zylindrischen Katalysatorkörper erreicht. Neben der Kombination von katalytischer und flammenbehafteter Verbrennung in der hybriden Betriebsweise der Brennervor richtung, wird bei gleichem oder reduziertem Bauraum zusätzlich die katalytische Wirkung durch eine Vergrößerung der Katalysatoroberfläche verstärkt. Dies kann insbesondere eine deutliche Vergrößerung um den Faktor 2 oder mehr sein. Es bleibt zusammenzufassen, dass in erfindungsgemäßer Weise eine hybride Brenn funktionalität zur Verfügung gestellt wird, welche zusätzlich auf einer vergrößerten Katalysatoroberfläche basiert, sodass im Ergebnis eine Effizienzsteigerung bei redu ziertem Bauraum und maximierter Wärmeabgabe erzielt werden kann.
Es ist darauf hinzuweisen, dass unter einer katalytischen Beschichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung ein katalytisch wirksames Material verstanden wird. Dieses katalytisch wirksame Material dient dabei insbesondere dazu, Radikale aus dem Brennstoff zu erzeugen, welche die Flammenbildung unterstützen oder ermöglichen. Insbesondere wird durch die katalytische Umsetzung an diesem katalytischen Mate rial eine hohe Konzentration solcher Radikale erzeugt, um eine Zündsituation im Be reich der Katalysatoroberfläche zu schaffen. Bei einem Brennstoff im Sinne der vor liegenden Erfindung handelt es sich dabei insbesondere um einen gasförmigen Brennstoff, also ein Brennstoffgas.
Der Katalysatorkörper ist vorzugsweise mit der Längsachse als Haupterstreckungs richtung ausgebildet. Grundsätzlich kann dieser Katalysatorkörper von einer zylindri schen Grundform ausgehen, wobei die erfindungsgemäße Vorgabe der Quer schnittskontur eingehalten wird. Die jeweiligen Zylinderenden des Katalysatorkörpers können geschlossen ausgebildet sein. Auch können diese Enden sowohl gasdicht als auch gasdurchlässig ausgebildet sein. Bevorzugt ist es, wenn die Hauptdurch lassrichtung für das Brennstoff-Luft-Gemisch quer zur Längsachse, also in radialer Richtung, ausgebildet ist.
Auch ist noch darauf hinzuweisen, dass sich der Katalysatorkörper vorteilhafterweise zentral innerhalb des Brennergehäuses anordnen lässt. Die zentrale Anordnung des Katalysatorkörpers führt dazu, dass sich ein Bypassvolumen zwischen dem Kataly satorkörper und dem Brennergehäuse ausbildet, welches gleichmäßig, insbesondere symmetrisch, um den Katalysatorkörper herum angeordnet ist. Dadurch, dass das Bypassvolumen nun in der Lage ist, Luft an dem Katalysatorkörper vorbeizuführen, kann ein definierter Lambdawert eingestellt werden, welcher außerhalb des Katalysa torkörpers und damit im Bypassvolumen die gewünschte flammenbehaftete Verbren nung zur Verfügung stellt.
Durch die voranstehend beschriebene definierte Ausgestaltung des Bypassvolumens ist es möglich, zum einen eine definierte Konzentrationssituation zwischen Brennstoff und Luft für die katalytische Verbrennung und zum anderen ein definiertes Luftver- hältnis für die flammenbehaftete Verbrennung im Bypassvolumen auszubilden. Ins besondere gelingt dies durch entsprechende Kontrollventile, wie sie beispielsweise später noch näher erläutert werden.
Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Brennervor richtung das Brennergehäuse einen, insbesondere vom Brennereinlass separaten, Lufteinlass aufweist für einen Einlass von Luft in das Bypassvolumen. Selbstver ständlich kann auch über andere Kanäle Luft in das Bypassvolumen eingebracht werden. Dabei kann der Lufteinlass in fluidkommunizierender Verbindung mit einer Luftquelle stehen, welche als gemeinsame Luftquelle auch den Brennereinlass für das Erzeugen des Brennstoff-Luft-Gemisches mit entsprechender Luft versorgt. Bei einem Brennstoffzellensystem handelt es sich dabei in einfachster Weise um eine Ansaugung von Umgebungsluft als Luftquelle.
Wie später noch erläutert, kann durch das Einbringen von Luft über den separaten Lufteinlass die Luftkonzentration in Bypassvolumen und damit das stöchiometrische Verhältnis zum Brennstoff im Bypassvolumen eingestellt werden. Die gewünschte flammenbehaftete Verbrennung kann auf diese Weise verbessert kontrolliert und vor allem unabhängig von der katalytischen Verbrennung gesteuert und/oder geregelt werden.
Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn der Lufteinlass gemäß dem voranstehenden Absatz ein Kontrollventil für eine Kontrolle des Massenstroms an Luft in das Bypass volumen aufweist. Ein solches Kontrollventil erlaubt insbesondere auch ein vollstän diges Absperren und/oder ein vollständiges Öffnen des jeweiligen Lufteinlasses, so- dass das Bypassvolumen in einer Extremstellung vollständig von der Luftzufuhr ab geschlossen werden kann. Sobald eine Zündung der flammenbehafteten Verbren nung erfolgt ist, kann über das Kontrollventil die Stärke der flammenbehafteten Ver brennung durch die Variation der stöchiometrischen Verhältnisse im Bypassvolumen über das Kontrollventil variiert werden. Es wird so eine besonders einfache und kos tengünstige Kontrollmöglichkeit gegeben, um separat von der katalytischen Verbren nung die flammenbehaftete Verbrennung zu kontrollieren.
Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Brennervor richtung im und/oder nach dem Brennerauslass eine Luftzufuhr für eine kontrollierte Zufuhr von Luft in das Brennerabgas-Luft-Gemisch angeordnet ist. Insbesondere ist dies kombiniert mit einem Lufteinlass gemäß dem voranstehenden Absatz. Dabei kann es sich auch um einen externen Bypass handeln, welcher in der Lage ist, Luft vollständig an der Brennervorrichtung und sowohl an der katalytischen als auch der flammenbehafteten Verbrennung vorbeizuführen. Eine Kontrollierbarkeit für die ein zelnen verwendeten Gase und die sich entsprechend einstellenden Gaszusammen setzungen wird auf diese Weise weiter erhöht.
Vorteile bringt es darüber hinaus mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Bren nervorrichtung der Brennereinlass, ein Hohlraumeinlass in den Katalysatorhohlraum und/oder der Katalysatorhohlraum selbst einen Mischabschnitt aufweist für ein Ver mischen von Luft und Brennstoff. Während es grundsätzlich möglich ist, das Brenn- stoff-Luft-Gemisch von extern vorgemischt der Brennervorrichtung zuzuführen, kann eine solche Mischvorrichtung als Mischabschnitt auch in die Brennervorrichtung inte griert sein. Eine solche Integration erlaubt es, am Brennereinlass, an einem Hohl raumeinlass und/oder in den Katalysatorhohlraum integriert die Mischung durchzu führen, sodass als externe Anschlüsse an der Brennervorrichtung für diesen Misch abschnitt die Zufuhr von reinem oder im Wesentlichen reinem Brennstoff und von Luft möglich ist. Dies erlaubt es, den Mischabschnitt in das Modul der Brennervor richtung zu integrieren und auch bei bestehenden Brennstoffzellensystemen eine er findungsgemäße Brennervorrichtung nachzurüsten.
Es kann weitere Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Bren nervorrichtung der Katalysatorkörper für einen radialen Auslass von Brennstoff-Luft- Gemisch, insbesondere ausschließlich für einen radialen Auslass von Brennstoff- Luft-Gemisch, bezogen auf die Längsachse, ausgebildet ist. Ein solcher radialer Aus lass kann zum Beispiel durch die später noch erläuterte poröse Ausgestaltung des Katalysatorkörpers zur Verfügung gestellt werden. Selbstverständlich sind jedoch auch andere Gasdurchlässigkeiten, wie zum Beispiel Gitterstrukturen, Schwammstrukturen oder Netzstrukturen im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar. Für einen ausschließlich radialen Auslass des Brennstoff-Luft-Gemisches kann der Katalysatorkörper an seinen Enden vorzugsweise gasdicht abgeschlossen sein. Eine rein radiale Strömungsrichtung durch den Katalysatorkörper hindurch er laubt es, die katalytische Verbrennungssituation zu vereinheitlichen und insbesonde re über die gesamte Katalysatoroberfläche möglichst gleichmäßig zu verteilen. Dadurch, dass die katalytische Brennfunktionalität als Basis für die nachgeordnete flammenbehaftete Verbrennung dient, führt dies im zweiten Schritt auch zu einer vergleichsmäßigten flammenbehafteten Verbrennung im Bypassvolumen. Vorteile bringt es darüber hinaus mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Bren nervorrichtung die Querschnittskontur sich zwischen einem Innenradius und einem Außenradius erstreckt, insbesondere in gleichmäßiger Form in radialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung. Beispielsweise kann eine Querschnittskontur, wie dies später noch näher erläutert wird, eine sternförmige Ausgestaltung aufweisen. Somit hat die Querschnittskontur eine maximale radiale Erstreckung, welche bei allen ra dialen Erstreckungen den gemeinsamen Außenradius nicht überschreitet. Die mini male radiale Erstreckung wird dabei durch den gemeinsamen Innenradius definiert, sodass die sich auf diese Weise sternförmig ausbildenden Einbuchtungen alle eine gleiche oder im Wesentlichen gleiche Tiefe aufweisen. Die entsprechend durch die Vertiefungen und Erhöhungen entstehenden Oberflächenvergrößerungen, deren strömungstechnische Auswirkung sowie deren katalytische Verstärkung wirkt sich demnach für alle einzelnen Sternelemente und Einbuchtungen identisch oder im We sentlichen identisch aus. Wie im voranstehenden Absatz erläutert, wird somit sowohl in radialer Richtung als auch in Umfangsrichtung ein gleichmäßiges Brennverhalten für die hybride Verbrennung zur Verfügung gestellt.
Vorteilhaft ist es weiter, wenn bei einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung die Querschnittskontur symmetrisch oder im Wesentlichen symmetrisch zur Längsachse ausgebildet ist. Eine solche symmetrische oder im Wesentlichen symmetrische Aus gestaltung ist insbesondre als punktsymmetrische Ausgestaltung in der Schnittebene quer zur Längsachse und damit zum Schnittpunkt der Längsachse mit dieser Quer schnittsebene zu verstehen. Somit wird es möglich, solche punktsymmetrisch ausge stalteten Querschnittskonturen von rotationssymmetrischen Querschnittskonturen zylindrischer Katalysatorkörper zu unterscheiden. Dabei ist noch darauf hinzuweisen, dass selbstverständlich die Querschnittskontur entlang der Längsachse im Rahmen der vorliegenden Erfindung variieren kann. So kann beispielsweise neben einer Ab weichung von der Kreiskontur in einem Querschnitt diese Querschnittskontur entlang der Längsachse variiert werden, sodass beispielsweise über den Verlauf der Längs achse die Querschnittskontur eine zusätzliche Einbuchtung und/oder Auswölbung aufweist. Man kann dies auch als doppelte oder zusätzliche Auswölbung oder Krümmung bezeichnen, welche die erfindungsgemäße Vergrößerung der katalyti schen Wirkung durch die Vergrößerung der geometrischen Erstreckung der Kataly satoroberfläche noch weiter verstärkt. Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung die Querschnittskontur entlang der Längsachse wenigstens abschnittsweise konstant oder im Wesentlichen konstant ausgebildet ist. Dies erlaubt es, dass im Gegensatz zur voranstehend beschriebenen Dickenvariation eine besonders einfache und kos tengünstige Fertigungsmöglichkeit für den Katalysatorkörper gegeben ist. Darüber hinaus werden auch über den Verlauf der Längsachse konstante und/oder gleichmä ßige Brennverhältnisse für die hybriden Brennfunktionen zur Verfügung gestellt.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung die Querschnittskontur zumindest abschnittsweise sternförmig ausgebildet ist. Dies ist insbesondere kombiniert mit der bereits mehrfach erläuterten symmetrischen Ausgestaltung zur Längsachse, sodass ein punktsymmetrischer Stern als Quer schnittskontur zur Verfügung gestellt wird. Die Sternspitzen definieren dabei den Au ßenradius und die Sterntäler den entsprechenden Innenradius. Die zugehörige und gewünschte Vergrößerung der katalytischen Oberfläche wird hier mit einer maxima len Reduktion des Bauraums bei gleichzeitig erhöhter Effizienz der Wärmeerzeugung zur Verfügung gestellt.
Es ist weiter vorteilhaft, wenn bei einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung der Katalysatorkörper zumindest im Bereich der Katalysatoroberfläche, insbesondere vollständig oder im Wesentlichen vollständig, porös ausgebildet ist. Unter einer porö sen Ausbildung ist insbesondere eine zumindest teilweise offenporige Porosität zu verstehen. Vorzugsweise ist der offenporige Anteil des porösen Materials im Bereich von 50 bis 100 Prozent. Dies bedeutet, dass eine durchlässige Porenstruktur die er findungsgemäße Gasdurchlässigkeit zur Verfügung stellt. Beispielsweise können Ke ramikmaterialien und/oder Metallmaterialien eingesetzt werden. Eine Fertigung kann zum Beispiel durch additive Fertigungsverfahren zur Verfügung gestellt werden. Wei tere Möglichkeiten der Herstellung sind zum Beispiel ein Aufschäumen oder ein Be schichten von Schäumen, wie beispielsweise Polymerschwämmen. Dadurch ergibt sich in poröserWeise eine schwammartige Struktur, welche insbesondere zusätzlich innerhalb der Poren ebenfalls mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung ausge stattet ist.
Bei einer Brennervorrichtung gemäß dem voranstehenden Absatz kann es vorteilhaft sein, wenn der Katalysatorkörper entlang der Längsachse eine variierende Porosität aufweist. Mit anderen Worten wird über den Verlauf der Längsachse eine unter- schiedliche Gasdurchlässigkeit durch unterschiedliche Porositäten zur Verfügung ge stellt. Beispielsweise kann entlang der Hauptströmungsrichtung innerhalb des Kata lysatorhohlraums zu Beginn eine reduzierte Gasdurchlässigkeit und über den Verlauf entlang der Längsachse eine zunehmende Durchlässigkeit zur Verfügung gestellt werden. Dies erlaubt es, Druckunterschiede innerhalb des Katalysatorhohlraums über eine variierende Gasdurchlässigkeit auszugleichen, sodass vorzugsweise eine Vergleichmäßigung des Durchtritts an Brennstoff-Luft-Gemisch durch den Katalysa torkörper über den Verlauf der Längsachse erreicht werden kann. Auch dies erlaubt es, eine weitere Vergleichsmäßigung der hybriden Brennerfunktionen an der Kataly satoroberfläche zur Verfügung zu stellen. Diese Variation kann beispielsweise durch unterschiedliche Sintermethoden oder Sintermaterialien beim Herstellen des Kataly satorkörpers zur Verfügung gestellt werden. Auch kann der Katalysatorkörper aus scheibenartigen Einzelelementen zusammengesetzt werden, welche für jede Schei be eine identische oder aber eine unterschiedliche Porosität aufweisen. Auch eine Kombination unterschiedlicher Fertigungsmöglichkeiten ist selbstverständlich im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung die Katalysatoroberfläche wenigstens abschnittsweise eine Flächennormale aufweist, welche eine benachbarte Flächenormale der Katalysatoroberfläche außerhalb des Katalysatorkörpers schneidet. Dies erlaubt es, die Querschnittskontur noch genauer zu definieren. So reicht es bei dieser Ausführungsform aus, wenn die Querschnitts kontur so weit von der Kreisform abweicht, dass sich zwei Flächennormalen von un terschiedlichen Positionen der Katalysatoroberfläche, innerhalb des Bypassvolumens und damit außerhalb des Katalysatorkörpers, schneiden. Dies führt dazu, dass diese Flächenabschnitte der sich schneidenden Flächennormalen aufeinander zugerichtet sind. Bei einem Betrieb einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung ist es unter anderem von Vorteil, wenn ein Teil der erzeugten Wärme der flammenbehafteten Verbrennung an den Katalysatorkörper und insbesondere an die Katalysatoroberflä che zurückgeführt wird. Da dies üblicherweise hauptsächlich über Wärmestrahlung erfolgt, kann durch die Ausrichtung der einzelnen Oberflächen zueinander, wie dies bei dieser Ausführungsform der Fall ist, diese Strahlungsrückführung der Wärme verstärkt werden. Mit anderen Worten wird bei dieser Ausgestaltungsform mit höhe rer Wahrscheinlichkeit sichergestellt, dass die Katalysatoroberfläche durch die flam menbehaftete Verbrennung weiter mit Wärme versorgt wird. Durch diese Wärmever sorgung ist sichergestellt, dass die Katalysatoroberfläche nicht in unerwünschter Weise auskühlt, sondern weiter die Radikale durch die katalytische Umsetzung für eine stabile flammenbehaftete Verbrennung zur Verfügung stellt.
Vorteile bringt es ebenfalls mit sich, wenn bei einer Brennervorrichtung gemäß dem voranstehenden Absatz die Katalysatoroberfläche wenigstens abschnittsweise eine Flächennormale aufweist, welche die Katalysatoroberfläche in einem benachbarten Abschnitt schneidet. Dies verstärkt die Einbuchtung gemäß dem voranstehenden Absatz noch weiter, sodass die Flächennormale nicht nur eine benachbarte Flächen normale, sondern direkt einen benachbarten Oberflächenabschnitt der Katalysator oberfläche schneidet, sodass die Rückstrahlung von Wärme und damit die Rück übertragung aus der Flammenzone noch weiter verstärkt ist.
Vorteile bringt es ebenfalls mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Brennervor richtung die Katalysatoroberfläche zumindest einen Führungsabschnitt für eine Füh rung der Luft im Bypassvolumen aufweist, welcher sich insbesondere entlang oder im Wesentlichen entlang der Längsachse erstreckt. Ein solcher Führungsabschnitt kann auch als Führungsfinne bezeichnet werden und erstreckt sich insbesondere entlang der Strömungsrichtung der Luft im Bypassvolumen. Dies erlaubt es, zusätz lich zu der verbesserten katalytischen Brennerfunktion eine Strömungsoptimierung durch die Querschnittskontur zur Verfügung zu stellen. Luft im Bypass wird vor Ver wirbelungen geschützt, indem eine solche finnenartige Struktur als Führungsab schnitt die Luftströmung führt und vorzugsweise vor Verwirbelungen im Bereich einer Flammenzone oberhalb der Katalysatoroberfläche schützt. Die Stabilität der flam menbehafteten Verbrennung kann auf diese Weise noch weiter verbessert werden. Zusätzlich erlaubt diese definierte geometrische Führungsfunktion für die Luft im By passvolumen eine verbesserte Durchmischung oberhalb der Katalysatoroberfläche.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem zur Erzeugung von elektrischer Energie aus einem Brennstoff und/oder zur Erzeugung von Brennstoff aus elektrischer Energie, aufweisend wenigstens eine erfindungsge mäße Brennervorrichtung. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensys tem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungs gemäße Brennervorrichtung erläutert worden sind. Ein solches Brennstoffzellensys tem dient also, beispielsweise als SOFC-Brennstoffzellensystem, zur Erzeugung von elektrischer Energie aus einem gasförmigen Brennstoff. Umgekehrt kann ein solches Brennstoffzellensystem aus elektrischer Energie auch, beispielsweise als SOEC- Brennstoffzellensystem, einen Brennstoff hersteilen. In beiden Betriebsweisen ist für das Starten des Brennstoffzellensystems das Erreichen einer Betriebstemperatur notwendig, sodass eine erfindungsgemäße Brennervorrichtung die ausführlich erläu terten Vorteile für ein solches Brennstoffzellensystem mit sich bringen kann.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Aus führungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schema tisch:
Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennervorrich tung,
Fig. 2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bren nervorrichtung,
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bren nervorrichtung,
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bren nervorrichtung,
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bren nervorrichtung,
Fig. 6 ein möglicher Teilquerschnitt durch einen Katalysatorkörper,
Fig. 7 ein möglicher Teilquerschnitt durch einen weiteren Katalysator körper,
Fig. 8a eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brenn stoffzellensystems und
Fig. 8b eine weitere schematische Darstellung eines erfindungsgemä ßen Brennstoffzellensystems.
Figur 1 zeigt schematisch im seitlichen Querschnitt entlang der Längsachse LA eine Brennervorrichtung 10. Diese weist zwei Hauptelemente auf. Zum einen ist dies das Brennergehäuse 20, in welchem der zweite Hauptbestandteil in Form des Katalysa torkörpers 30 angeordnet ist. Bei der Ausführungsform der Figur 1 kann nun in den Katalysatorhohlraum 32 ein Brennstoff-Luft-Gemisch BL über den Brennereinlass 22 eingebracht werden. Um das Brennstoff-Luft-Gemisch BL zu erzeugen ist dem Bren nereinlass 22 vorgelagert ein Mischabschnitt 50 vorgesehen, welcher mit Brennstoff B und Luft L versorgt wird. Das Brennstoff-Luft-Gemisch BL dringt also über den Brenneinlass 22 in das Brennergehäuse 20 und insbesondere in den Katalysator hohlraum 32 ein.
Darüber hinaus ist in der Figur 1 zu erkennen, dass über einen Lufteinlass 26 Luft L in das Bypassvolumen 40 eingebracht wird. Es bildet sich ein Gemisch aus Brenner abgas und Luft L als Brennerabgas-Luft-Gemisch BAL aus, welches das Bypassvo lumen 40 über den Brennerauslass 24 wieder verlässt.
Hinsichtlich der Funktionsweise kann die Brennervorrichtung 10 als hybrider Brenner bezeichnet werden. Das Brennstoff-Luft-Gemisch BL durchdringt den gasdurchlässi gen porösen Katalysatorkörper 30 und gelangt auf die Katalysatoroberfläche 34, wel cher eine katalytische Beschichtung 36 aufweist. Durch die katalytische Beschich tung ist eine Umsetzung des Brennstoffs B möglich, sodass Radikale entstehen, wel che wiederum eine flammenbehaftete Verbrennung des restlichen Brennstoffs B mit der Luft L im Bypassvolumen 40 erlauben. Die entstehende Abwärme wird über das Brennerabgas-Luft-Gemisch BAL aus der Brennervorrichtung 10 über den Brenner auslass 24 ausgetragen und den weiteren Komponenten des Brennstoffzellensys tems 100 zugeführt.
Die Figur 2 zeigt im schematischen Querschnitt quer zur Längsachse LA nun eine Querschnittskontur QK des Katalysatorkörpers 30 in erfindungsgemäßerweise. Hier sind vier Einbuchtungen dargestellt, welche die Querschnittskontur QK von der Kreis form abweichen lassen. Der Katalysatorhohlraum 32 ist ähnlich ausgebildet, sodass Brennstoff-Luft-Gemisch BL nun radial durch den porösen Katalysatorkörper 30 hin durch an die entsprechenden Einbuchtungen und Auswölbungen der Katalysator oberfläche 34 und dort an die katalytische Beschichtung 36 gelangt. Die Figur 2 zeigt darüber hinaus, dass die vier Auswölbungen als Führungsabschnitte 35 in finnenarti ger Weise entlang der Längsachse LA eine Führung der Luft L im Bypassvolumen 40 zur Verfügung stellen.
Die Figur 3 zeigt die Ausführungsform der Figur 2, jedoch mit Relation zu einem In nenradius IR und einem Außenradius AR. Während grundsätzlich jede, auch asym metrische, Querschnittskontur QK möglich ist, solange diese von der Kreisform ab- weicht, ist eine regelmäßige Ausgestaltung gemäß der Figuren 2 und 3 von Vorteil. Wie hier zu erkennen, orientiert sich die regelmäßige Querschnittskontur QK diese Ausführungsform an einem maximalen Außenradius AR und einem minimalen Innen radius IR, sodass die entsprechenden hybriden Brennfunktionalitäten in Umfangs richtung und in radialer Richtung vergleichbar sind.
Die Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer solchen Brennervorrichtung 10. Sie unterscheidet sich dadurch von der Variante der Figur 1, dass nun die Luftzufuhr in das Bypassvolumen 40 mithilfe eines Kontrollventils 28 geregelt beziehungsweise gesteuert werden kann. Damit wird es möglich, das stöchiometrische Verhältnis im Bypassvolumen 40 genau einzustellen und damit noch genauer die Brennfunktionali täten der flammenbehafteten Verbrennung zu kontrollieren. Weiter ist in der Figur 4 zu erkennen, dass der Mischabschnitt 50 in einen Hohlraumeinlass 33 des Brenner einlasses 22 integriert ist. Somit wird das Brennstoff-Luft-Gemisch BL direkt am Ein lass in den Katalysatorhohlraum 32 ausgebildet, sodass das Gesamtsystem der Brennervorrichtung 10 noch kompakter ausgebildet werden kann. Weiter ist beispiel haft in der Figur 4 zu erkennen, wie die rechte Endfläche des Katalysatorkörpers 30 gasdicht ausgestaltet ist. Dies erlaubt es, die katalytische Wirkung auf die Umfangs fläche des Katalysatorkörpers 30 zu beschränken, was zu einer Vergleichmäßigung der Brennerfunktionen führt.
In der Figur 5 ist eine weitere Ausgestaltung der Brennervorrichtung 10 dargestellt. Hier ist ein Mischabschnitt 50 nun in den Brennereinlass 22 integriert und ragt in den Katalysatorhohlraum 32 hinein. Die Kompaktheit wird auf diese Weise für die Bren nervorrichtung 10 maximiert. Auch ist bei dieser Ausführungsform eine zusätzliche Luftzufuhr 29 in den Brennerauslass 24 zu erkennen, welche es erlaubt über ein Kontrollventil Luft L dem Brennerabgas-Luft-Gemisch hinzuzufügen. Damit wird es möglich, zum einen die Auslasstemperatur des Brennerabgas-Luft-Gemisches BAL, aber auch deren stöchiometrisches Verhältnis noch nachträglich außerhalb der Brennervorrichtung 10 zu beeinflussen.
In der Figur 6 ist eine weitere Möglichkeit der Formgebung des Katalysatorkörpers 30 zu erkennen. Hier ist an zwei Positionen der Katalysatoroberfläche 34 jeweils die Flächennormale FN dargestellt. Die beiden dargestellten Flächennormalen FN schneiden sich außerhalb des Katalysatorkörpers 30, sodass sich eine Flammenzo ne zwischen diesen beiden Erhöhungen in der Einbuchtung des Katalysatorkörpers 30 ausbildet. In dieser Flammenzone flammenbehaftet verbrannter Brennstoff führt nun dazu, dass über Strahlung übertragene Wärme eine im Vergleich zur Kreisform vergrößerte Aufnahmefläche des Katalysatorkörpers 30 erreicht. Die entsprechende durch Wärmestrahlung zurückgeführte Wärmemenge wird auf diese Weise im Ver gleich zu einem kreisförmigen Katalysatorkörper 30 vergrößert.
In der Figur 7 ist eine noch weitere Verstärkung der voranstehenden Wirkung durch eine weiter angepasste Querschnittskontur QK zu erkennen. Hier ist die Flächen normale FN durch die starke Einbuchtung des Katalysatorkörpers 30 so ausgerichtet, dass sie einen benachbarten Abschnitt des Katalysatorkörpers 30 direkt schneidet. Die im voranstehenden Absatz bezüglich der Figur 6 erläuterte Rückstrahlung durch Wärmestrahlung wird auf diese Weise maximiert.
Die Figuren 8a und 8b zeigen schematisch ein Brennstoffzellensystem 100, wobei der Brennstoffzellenstapel hier schematisch einen Anodenabschnitt 110 und einen Kathodenabschnitt 120 aufweist. Die Zufuhr zum Kathodenabschnitt 120 ist in Figur 8b und die Abfuhr vom Kathodenabschnitt 120 und vom Anodenabschnitt 110 ist in Figur 8a mit einer Brennervorrichtung 10 ausgestattet, welche die erfindungsgemä ßen Vorteile mit sich bringt. In Figur 8a ist in der Zufuhr der Luft L zum Kathodenab schnitt 120 noch ein Wärmetauscher HEX angeordnet, welcher Abwärme aus dem Kathodenabgas an die zugeführte Luft L abgibt bevor das Abgas an die Umgebung abgegeben wird.
Die voranstehende Erläuterung beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.
Bezugszeichenliste
10 Brennervorrichtung
20 Brennergehäuse
22 Brennereinlass
24 Brennerauslass
26 Lufteinlass
28 Kontrollventil
29 Luftzufuhr
30 Katalysatorkörper
32 Katalysatorhohlraum
33 Hohlraumeinlass
34 Katalysatoroberfläche
35 Führungsabschnitt
36 katalytische Beschichtung
40 Bypassvolumen
50 Mischabschnitt
100 Brennstoffzellensystem
110 Anodenabschnitt
120 Kathodenabschnitt
HEX Wärmetauscher
L Luft
B Brennstoff
BL Brennstoff-Luft-Gemisch
BAL Brennerabgas-Luft-Gemisches
LA Längsachse
QK Querschnittskontur
IR Innenradius
AR Außenradius
FN Flächennormale

Claims

Patentansprüche
1. Brennervorrichtung (10) für ein Brennstoffzellensystem (100), aufweisend ein Brennergehäuse (20) mit einem Brennereinlass (22) für einen Einlass von Brennstoff-Luft-Gemisch (BL) und einem Brennerauslass (24) für einen Aus lass eines Brennerabgas-Luft-Gemisches (BAL), weiter aufweisend einen Ka talysatorkörper (30) innerhalb des Brennergehäuses (20) mit einem Katalysa torhohlraum (32) in welchen der Brennereinlass (22) mündet, wobei der Kata lysatorkörper (30) gasdurchlässig ist und eine Katalysatoroberfläche (34) auf weist mit wenigstens teilweise katalytischer Beschichtung (36), wobei sich zwischen der Katalysatoroberfläche (34) und dem Brennergehäuse (20) ein Bypassvolumen (40) ausbildet, welches in den Brennerauslass (24) mündet, wobei weiter der Katalysatorköper (30) eine Längsachse (LA) aufweist und die Katalysatoroberfläche (34) wenigstens abschnittsweise zu dieser Längsachse (LA) eine von der Kreisform abweichende Querschnittskontur (QK) aufweist.
2. Brennervorrichtung (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Brennergehäuse (20) einen, insbesondere vom Brennereinlass (22) sepa raten, Lufteinlass (26) aufweist für einen Einlass von Luft in das Bypassvolu men (40).
3. Brennervorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lufteinlass (26) ein Kontrollventil (28) für eine Kontrolle des Massenstroms an Luft in das Bypassvolumen (40) aufweist.
4. Brennervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im und/oder nach dem Brennerauslass (24) eine Luftzufuhr (29) für eine kontrollierte Zufuhr von Luft (L) in das Brennerab- gas-Luft-Gemisch (BAL) angeordnet ist.
5. Brennervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennereinlass (22), ein Hohlraumein lass (33) in den Katalysatorhohlraum (32) und/oder der Katalysatorhohlraum (32) einen Mischabschnitt (50) aufweist für ein Vermischen von Luft (L) und Brennstoff (B).
6. Brennervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysatorkörper (30) für einen radialen Auslass von Brennstoff-Luft-Gemisch (BL) bezogen auf die Längsachse (LA), insbesondere ausschließlich für einen radialen Auslass von Brennstoff-Luft- Gemisch (BL) bezogen auf die Längsachse (LA), ausgebildet ist.
7. Brennervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittskontur (QK) sich zwischen einem Innenradius (IR) und einem Außenradius (AR) erstreckt, insbesondere in gleichmäßiger Form in radialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung.
8. Brennervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittskontur (QK) symmetrisch oder im Wesentlichen symmetrisch zur Längsachse (LA) ausgebildet ist.
9. Brennervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittskontur (QK) entlang der Längsachse (LA) wenigstens abschnittsweise konstant oder im Wesentlichen konstant ausgebildet ist.
10. Brennervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittskontur (QK) zumindest ab schnittsweise sternförmig ausgebildet ist.
11 . Brennervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysatorkörper (30) zumindest im Be reich der Katalysatoroberfläche (34), insbesondere vollständig oder im We sentlichen vollständig, porös ausgebildet ist.
12. Brennervorrichtung (10) nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysatorkörper (30) entlang der Längsachse (LA) eine variierende Po rosität aufweist.
13. Brennervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoroberfläche (34) wenigstens abschnittsweise eine Flächennormale (FN) aufweist, welche eine benachbarte Flächennormale (FN) der Katalysatoroberfläche (34) außerhalb des Katalysa torkörpers (30) schneidet.
14. Brennervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoroberfläche (34) wenigstens abschnittsweise eine Flächennormale (FN) aufweist, welche die Katalysator oberfläche (34) in einem benachbarten Abschnitt schneidet.
15. Brennervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoroberfläche (34) zumindest ei nen Führungsabschnitt (25) für eine Führung der Luft im Bypassvolumen (40) aufweist, welcher sich insbesondere entlang oder im Wesentlichen entlang der Längsachse (LA) erstreckt.
16. Brennstoffzellensystem (100) zur Erzeugung von elektrischer Energie aus ei nem Brennstoff und/oder zur Erzeugung von Brennstoff aus elektrischer Ener gie, aufweisend wenigstens eine Brennervorrichtung (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 15.
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