JP2022547518A - Burner for fuel cell system - Google Patents

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Abstract

Figure 2022547518000001

本発明は、燃料電池システム(100)のための、特にSOFCシステムのためのバーナー(1)に関し、バーナー(1)はスタートバーナーおよび/またはアフターバーナーとして構成されて配置され、前後して配置された2つの反応室(2,3)を含み、流動方向で第2の反応室(3)は第1の反応室(2)に間接的に後続し、反応室(2,3)はそれぞれ触媒材料を有し、蒸発装置(4)が設けられ、蒸発装置(4)はそれぞれの反応室(2,3)の間に配置される。さらに本発明は、このようなバーナー(1)を有する燃料電池システム(100)に関する。これに加えて本発明は、バーナー(1)を有する燃料電池システム(100)を作動させる方法に関する。
【選択図】図1

Figure 2022547518000001

The invention relates to a burner (1) for a fuel cell system (100), in particular for an SOFC system, the burner (1) being configured and arranged as a start burner and/or an afterburner, arranged one behind the other. comprising two reaction chambers (2, 3), the second reaction chamber (3) indirectly following the first reaction chamber (2) in flow direction, the reaction chambers (2, 3) each containing catalyst material provided with an evaporator (4), the evaporator (4) being arranged between the respective reaction chambers (2,3). Furthermore, the invention relates to a fuel cell system (100) comprising such a burner (1). Additionally, the present invention relates to a method of operating a fuel cell system (100) with a burner (1).
[Selection drawing] Fig. 1

Description

本発明は、燃料電池システムのための、特にSOFCシステムのためのバーナーに関し、バーナーはスタートバーナーおよび/またはアフターバーナーとして構成されて配置され、前後して配置された2つの反応室を含み、流動方向で第2の反応室は第1の反応室に間接的に後続し、これらの反応室はそれぞれ触媒材料を有する。 The present invention relates to a burner for a fuel cell system, in particular for an SOFC system, the burner being configured and arranged as a start burner and/or an afterburner and comprising two reaction chambers arranged one behind the other and having a flow direction A second reaction chamber indirectly follows the first reaction chamber in, each of these reaction chambers containing catalyst material.

さらに本発明は、このようなバーナーの利用法に関する。 Further, the invention relates to the use of such burners.

さらに本発明は、このようなバーナーを有する燃料電池システムに関する。 Furthermore, the invention relates to a fuel cell system with such a burner.

これに加えて本発明は、燃料電池システムを作動させる方法に関する。 Additionally, the present invention relates to a method of operating a fuel cell system.

燃料電池システムのためのバーナーは従来技術から知られている。特に、ディーゼルやエタノールないしエタノールと水の混合物などの液体燃料で作動するSOFCシステムでは、液体燃料を第1のステップで蒸発させ、改質することが必要となり得る。特に水分を含むエタノールが使用される場合、高い水分含有率(およそ55%)に基づき、たとえばディーゼルで作動する燃料電池システムで適用される火炎バーナーで燃料を燃焼することが困難であり、不可能にまで至る。 Burners for fuel cell systems are known from the prior art. Especially in SOFC systems that operate on liquid fuels such as diesel or ethanol or mixtures of ethanol and water, it may be necessary to vaporize and reform the liquid fuel in a first step. Due to the high moisture content (approximately 55%), it is difficult and impossible to burn the fuel in a flame burner, which is applied, for example, in diesel-powered fuel cell systems, especially when moist ethanol is used. up to.

さらに、コールドスタートのときに燃料電池システムを動作温度まで加熱することが必要であり、そのために、通常、いわゆるスタートバーナーが設けられる。これに加えて、通常、アノード区域からの排ガスを完全に燃焼するためにアフターバーナーも必要である。したがって周知の燃料電池システムでは、多くの場合、スタートバーナーとアフターバーナーが設けられる。 Furthermore, it is necessary to heat the fuel cell system to operating temperature during a cold start, for which purpose so-called start burners are usually provided. In addition to this, an afterburner is also usually required to completely combust the exhaust gases from the anode section. Known fuel cell systems are therefore often provided with a start burner and an afterburner.

スタートバーナーとは、通常、燃料電池システムのアフターバーナーを加熱するためのスタートバーナーであり、さらにアフターバーナーが、燃料電池システムの改質器を加熱するために準備されていると理解される。アフターバーナーがまだ低温であり、そのため燃料電池システムの改質器を加熱するのに適していない燃料電池システムのコールドスタートのとき、スタートバーナーによってアフターバーナーを予加熱することができる。燃料電池システムの動作によってアフターバーナーが動作温度になると、ただちにスタートバーナーを不作動化することができる。 A start burner is generally understood to be a start burner for heating the afterburner of the fuel cell system, which in turn is provided for heating the reformer of the fuel cell system. The afterburner can be preheated by the start burner at cold start of the fuel cell system when the afterburner is still cold and therefore not suitable for heating the reformer of the fuel cell system. As soon as the afterburners reach operating temperature due to operation of the fuel cell system, the start burners can be deactivated.

たとえばドイツ特許出願公開第102 37 744号明細書より、バーナーハウジングに組み込まれたスタートバーナーを有する燃料電池システムが明らかとなる。 For example, DE 102 37 744 A1 discloses a fuel cell system with a starter burner integrated in the burner housing.

さらにドイツ特許出願公開第10 2006 048 984号明細書より、燃料電池システムでのバーナー装置の利用法が公知である。このバーナー装置は、アフターバーナーおよびスタートバーナーとして作動させることができる。しかしこの文献からは、特に液体燃料で作動する燃料電池システムを、どのようにして効率的に動作温度にすることができるのかが明らかではない。 Furthermore, from DE 10 2006 048 984 A1 the use of a burner device in a fuel cell system is known. This burner device can be operated as an afterburner and a start burner. However, it is not clear from this document how fuel cell systems, especially those operating on liquid fuels, can be efficiently brought to operating temperature.

本発明の課題は、燃料電池システムを迅速かつ効率的に動作温度にすることが可能である、冒頭に述べた種類のバーナーの効率を向上させることにある。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to improve the efficiency of a burner of the type mentioned at the outset, with which a fuel cell system can be brought to operating temperature quickly and efficiently.

さらに、このようなバーナーを有する燃料電池システムを提供することが目的である。 Furthermore, it is an object to provide a fuel cell system with such a burner.

さらに、燃料電池システムを作動させる改良された方法を提供することが目的である。 A further object is to provide an improved method of operating a fuel cell system.

この課題は本発明によると、冒頭に述べた種類のバーナーにおいて、蒸発装置が設けられ、蒸発装置はそれぞれの反応室の間に配置されることによって解決される。 According to the invention, this task is achieved in a burner of the initially mentioned type by providing an evaporator which is arranged between the respective reaction chambers.

それに伴って得られる利点は、特に、本発明に基づくバーナーの構成によって熱伝達が特別に効果的に機能するという点に見ることができる。このように構成されたバーナーは、スタートバーナーとしてもアフターバーナーとしても構成および配置され、または、構成および配置されていてよい。すなわち、バーナーが配置されている燃料電池システムの動作状態に依存して、ただ1つのコンポーネントが同時にスタートバーナーとしてもアフターバーナーとしても機能する。バーナーは多段式のバーナーとして構成され、第1の反応室は第1の段、第2の反応室は第2の段、蒸発装置はさらに別の段を形成する。燃料は本発明によるバーナーで、一方においては蒸発して少なくとも部分的に改質され、他方においては完全に燃焼されて所要の温度または事前定義された温度まで加熱される。バーナーから流出するプロセスガスはその多段式の実施形態により、燃料電池システムの複数の部材を加熱するために十分に高い温度を有する。さらにバーナーでは、燃料電池スタックのアノード区域とカソード区域から出てくる燃料電池排ガスを完全に後燃焼可能であり、したがって別個のアフターバーナーが不要となる。単一の燃料電池システムでバーナーをスタートバーナーおよびアフターバーナーとして利用可能だからである。両方の反応室は、空気と、燃料と水の混合物と、からなる混合物により、または燃料電池排ガスにより、前後して貫流される。すなわち、第2の反応室は第1の反応室の下流側に配置され、蒸発装置がこれらの間に配置される。すなわち、これらが流動方向で前後して続いていくように配置される。 The advantages associated therewith can be seen, inter alia, in that the heat transfer functions particularly effectively with the configuration of the burner according to the invention. A burner configured in this way can be configured and arranged both as a start burner and as an afterburner or can be configured and arranged. That is, depending on the operating state of the fuel cell system in which the burners are arranged, only one component functions simultaneously as a start burner and as an afterburner. The burner is configured as a multi-stage burner, the first reaction chamber forming the first stage, the second reaction chamber forming the second stage, and the evaporator forming the further stage. The fuel is vaporized and at least partially reformed in the burner according to the invention on the one hand and completely combusted and heated to the required or predefined temperature on the other hand. The process gas exiting the burner has a sufficiently high temperature to heat several parts of the fuel cell system due to its multi-stage embodiment. Furthermore, the burner allows complete post-combustion of the fuel cell exhaust gas from the anode and cathode sections of the fuel cell stack, thus eliminating the need for separate afterburners. This is because the burner can be used as a start burner and an afterburner in a single fuel cell system. Both reaction chambers are successively flowed through by a mixture consisting of air and a mixture of fuel and water or by fuel cell exhaust gases. That is, the second reaction chamber is arranged downstream of the first reaction chamber and the evaporator is arranged between them. That is, they are arranged so that they follow one another in the direction of flow.

本発明によると蒸発装置が設けられ、これは設計的に両方の反応室の間に配置される。このことは、蒸発装置が特に第1の反応室の直後に、特に第2の反応室の直前に、配置されることを意味する。蒸発装置の高温側は、流動方向でそれぞれの反応室の間に配置される。蒸発装置は、液体燃料を加熱して、これを気体の状態にするために構成されて配置される。たとえば燃料がおよそ25℃で蒸発室の低温側に入り、およそ800℃で気体としてこれから出る。そして蒸発室の低温側の下流側で、気体状の燃料が第1の反応室へと案内される。これに加えて酸素含有の気体状の流体も、特に空気も、第1の反応室へと案内され、気体状の燃料と空気とが特に第1の反応室のすぐ上流側で互いに混合される。 According to the invention, an evaporator is provided, which is arranged between the two reaction chambers by design. This means that the evaporator is arranged in particular immediately after the first reaction chamber, in particular immediately before the second reaction chamber. The hot side of the evaporator is arranged between the respective reaction chambers in the direction of flow. The evaporator is constructed and arranged to heat the liquid fuel to bring it to a gaseous state. For example, fuel enters the cold side of the vaporization chamber at approximately 25°C and leaves it as a gas at approximately 800°C. Downstream of the cold side of the evaporation chamber, gaseous fuel is then led into the first reaction chamber. In addition, an oxygen-containing gaseous fluid, in particular air, is also guided into the first reaction chamber, and the gaseous fuel and air are mixed with one another, in particular directly upstream of the first reaction chamber. .

本発明の第1の態様では、燃料電池システムのための、特にSOFCシステムのための(SOFCは「solid oxide fuel cell」、すなわち固体酸化物燃料電池を意味する)バーナーが提供される。このような種類の燃料電池システムは、たとえば液体燃料で作動させることができる。 SUMMARY OF THE INVENTION In a first aspect of the present invention, a burner for a fuel cell system, in particular for an SOFC system (SOFC stands for "solid oxide fuel cell") is provided. Such types of fuel cell systems can, for example, operate on liquid fuels.

空気として理解されるのは、本発明の枠内では、特に気体状である酸素含有の流体である。特に、空気とは周囲空気であると理解される。燃料は、好ましくは液体の燃料と水の混合物、特にエタノールと水の混合物である動力源である。 Air is understood within the framework of the present invention to be an oxygen-containing fluid, especially gaseous. In particular, air is understood to be ambient air. The fuel is a power source which is preferably a mixture of liquid fuel and water, especially a mixture of ethanol and water.

バーナーは、特に、液体燃料を触媒燃焼するために構成され、そのために両方の反応室がそれぞれ触媒材料を含む。バーナーのコンセプトは、燃料の蒸発および部分的な予改質により、特に、周知のとおり高い水割合に基づき蒸発させてその後の過程で燃焼させるのが困難である、エタノールと水の混合物を燃料として利用することを可能にする。それにより、アノード側で必要な再循環なしには蒸発改質に適していない水分含有率の高い燃料を、スタートプロセスのためにも利用することが可能である。しかし、本発明によるバーナーが燃料電池システムに配置されれば、エタノールと水の混合物などの液体の燃料と水の混合物で容易にこれを作動させることができる。 The burner is configured in particular for the catalytic combustion of liquid fuels, for which both reaction chambers each contain catalytic material. The burner concept is based on fuel vaporization and partial pre-reformation, in particular mixtures of ethanol and water as fuel, which are known to be difficult to vaporize and subsequently burn due to their high water content. make it possible to use. It is thereby possible to utilize fuels with high moisture content, which are not suitable for evaporative reforming without the necessary recirculation on the anode side, also for the starting process. However, once the burner according to the invention is placed in a fuel cell system, it can easily be operated with liquid fuel and water mixtures, such as ethanol and water mixtures.

蒸発装置が2つの蒸発室を含んでいると好都合である。このとき、第2の蒸発室は第1の蒸発室の下流側に配置されるのが好ましい。両方の蒸発室は熱の吸収のために配置されて構成されるのが好ましく、第1の蒸発室は第1の反応室から熱を吸収し、第2の蒸発室は第1の蒸発室から熱を吸収する。このことは、それぞれの蒸発室の高温側を通じて、ないしは高温側で、それぞれ行われる。各々の蒸発室について、別々の燃料供給のための別々の調節装置が設けられると好都合である。調節装置はインジェクターまたはバルブとして構成され、蒸発装置の上流側に配置された別の蒸発器の上流側に設けられるのが好ましい。第1の蒸発室を介して、低温側を通じて燃料を蒸発させることができ(第1の反応室からの熱によって)、高温側を通じて、少なくとも部分的に燃焼された燃料と空気の混合物を第2の蒸発室へと案内することができる。これに応じて第2の蒸発室を介して、同じくインジェクターおよび/またはバルブとして構成される第2の調節装置を通じて燃料が第2の蒸発室の低温側へと案内され、蒸発し、引き続いて第2の反応室へと案内される。同様に、少なくとも部分的に燃焼した燃料と空気の混合物を、完全な燃焼のためにさらに第2の反応室へと案内することができる。このとき第1の蒸発室は、特に第1の反応室の室出口の下流側に配置され、第2の蒸発室は、第2の反応室の室入口の上流側に配置される。両方の蒸発室は特に直接的に互いに連続する。 Advantageously, the evaporation device includes two evaporation chambers. At this time, the second evaporation chamber is preferably arranged downstream of the first evaporation chamber. Both vaporization chambers are preferably arranged and configured for heat absorption, the first vaporization chamber absorbing heat from the first reaction chamber and the second vaporization chamber from the first vaporization chamber. absorb heat. This takes place through the hot side of the respective evaporation chamber or on the hot side, respectively. Advantageously, separate regulators for separate fuel supplies are provided for each evaporation chamber. Preferably, the regulating device is constructed as an injector or a valve and is provided upstream of another evaporator arranged upstream of the evaporator. Via the first vaporization chamber, the fuel can be vaporized through the cold side (by heat from the first reaction chamber) and through the hot side the at least partially combusted fuel-air mixture is transferred to the second vaporizer. can be guided to the evaporation chamber of the Correspondingly, the fuel is guided via the second vaporization chamber to the cold side of the second vaporization chamber through a second control device, which is also configured as an injector and/or a valve, where it evaporates and is subsequently vaporized. 2 reaction chamber. Likewise, the at least partially combusted fuel-air mixture can be directed further into the second reaction chamber for complete combustion. The first evaporation chamber is then arranged in particular downstream of the chamber outlet of the first reaction chamber and the second evaporation chamber is arranged upstream of the chamber inlet of the second reaction chamber. Both evaporation chambers are in particular directly adjacent to each other.

第1の反応室の上流側に混合領域が設けられると好ましく、混合領域は、特に、第1の反応室の室入口の付近に配置される。したがって混合領域は、特に、第1の反応室のすぐ上流側に配置され、燃料電池システムスタートプロセスのときに空気と気体燃料とを混合するために構成されるのが好ましい。それによって生じる燃料と空気の混合物が引き続いて第1の反応室へと案内され、そこで少なくとも部分的に燃焼される。進行中の動作ないし定格動作のとき、混合室は通常は特別な機能を有していない。このような動作状態ではバーナーがアフターバーナーとして作動し、燃料電池スタック排ガスがそこで燃焼されるからである。このとき原則として、そのためにアノード排ガスがすでに混合室の上流側でカソード排ガス(空気)と混合されると好都合である。しかしながら、これが混合室内で行われることが意図されていてもよい。重要なのは、燃料と空気の混合物が第1の反応室の中に入ることである。混合領域が第1の反応室の一部として構成されていてもよく、またはこれと結合されていてもよい。 A mixing zone is preferably provided upstream of the first reaction chamber, the mixing zone being arranged in particular in the vicinity of the chamber inlet of the first reaction chamber. The mixing zone is therefore preferably arranged in particular immediately upstream of the first reaction chamber and configured for mixing air and gaseous fuel during the fuel cell system start-up process. The resulting fuel-air mixture is subsequently guided to the first reaction chamber and is at least partially combusted there. During on-going or rated operation, the mixing chamber normally has no special function. This is because in such operating conditions the burner operates as an afterburner, where the fuel cell stack exhaust gas is combusted. In principle, it is then advantageous for this purpose if the anode exhaust gas is already mixed with the cathode exhaust gas (air) upstream in the mixing chamber. However, it may also be intended that this takes place within the mixing chamber. What is important is that the mixture of fuel and air enter the first reaction chamber. The mixing zone may be configured as part of the first reaction chamber or may be combined therewith.

反応室と蒸発装置がそれぞれ少なくとも区域的に回転対称に構成され、これらがそれぞれ少なくとも2つの特に円筒状の層を含むと好都合であり得る。反応室と蒸発室がそれぞれ少なくとも区域的に中空円筒状に構成されるのが特別に好ましい。このとき円筒状の各層は、特に、互いに同軸に差し込まれ、または互いに同軸に配置される。それにより、円筒状の各層の間に室を形成することができる。 It can be expedient if the reaction chamber and the evaporator are each constructed at least in a section rotationally symmetrical and they each comprise at least two, in particular cylindrical layers. It is particularly preferred that the reaction chamber and the evaporation chamber are each at least partially hollow-cylindrical. The cylindrical layers are then, in particular, inserted coaxially into one another or arranged coaxially with one another. Thereby, a chamber can be formed between each cylindrical layer.

バーナーのスタート動作および/または加熱動作のために別の蒸発器が設けられていると好都合であり、別の蒸発器は蒸発装置の上流側に配置される。別の蒸発器は燃料電池システムの、特にバーナーのコールドスタートのときに必要となる。蒸発装置がまだ高温でないため、そこでは燃料を蒸発させるための熱が提供されないからである。別の蒸発器は、通常、加熱装置を含んでおり、それにより燃料の蒸発のために必要な温度に達する。このように、コールドスタートのとき蒸発装置は当初のうち機能を有さない。別の蒸発器が改質ユニットを有するのも好ましく、それにより、燃料が加熱時に蒸発するだけでなく、少なくとも部分的に改質される。それにより、別の蒸発器から出るときの燃料の温度がおよそ600℃となる。 A separate evaporator is advantageously provided for the start-up and/or heating operation of the burner, which is arranged upstream of the evaporator. A separate evaporator is required during a cold start of the fuel cell system, especially the burner. Because the evaporator is not yet hot, no heat is provided there to evaporate the fuel. A separate evaporator usually includes a heating device to reach the required temperature for vaporization of the fuel. Thus, at cold start the evaporator is initially non-functional. The further evaporator preferably also has a reforming unit, whereby the fuel not only evaporates upon heating, but is at least partially reformed. This results in a fuel temperature of approximately 600° C. when exiting the separate evaporator.

このとき、別の蒸発器が電気式の加熱装置を含んでいると好都合である。すなわち燃料が電気式の加熱装置によって蒸発し、このとき別の蒸発器の下流側でおよそ600℃を有することができる。バーナーが所要の動作温度になり、それにより第1の反応室で第1の蒸発室のための熱が十分に生じると、ただちに電気式の加熱装置をスイッチオフすることができる。このことは、特に、第1の反応室で点火が行われたときすでに行われる。すると燃料が蒸発装置で蒸発するので、別の蒸発器は機能を有さなくなる。電気式の加熱装置によってスタート段階のときに、すなわちバーナーのコールドスタートときに、バーナーを予加熱可能である。特に、電気式の加熱装置は燃料を加熱するために構成され、電気式の加熱装置は、スタートバーナーとして機能するバーナーの加熱段階での燃料の加熱、蒸発、および/または改質のためだけに構成されるのが特別に好ましい。したがって、燃料または燃料と水の混合物として存在し得る動力源を予加熱可能であるだけでなく蒸発可能でもあり、ある程度の事前設定された程度まで予改質可能である。それにより、スタートバーナーとして利用されるときにバーナーが特別に効率的に作動可能である。加熱動作のとき、電気式の加熱装置はたとえばおよそ2分から10分の時間帯のあいだ作動し得る。電気式の加熱装置がスイッチオフされた後、燃料電池システムの定格動作点に達するまで、第1のインジェクターを通じて燃料が第1の蒸発室の方向へ案内される。そして燃料が第1の蒸発室で、第1の反応室での発熱反応の際に発生する熱によって蒸発する。アフターバーナーとしてバーナーが使用されているとき、電気式の加熱装置は通常は使用されない。蒸発と改質のための電気式の補助を原則として外部のコンポーネントで実行することができるが、スペースの理由から、このような機能の統合が尽力されるべきである。 It is then expedient if the separate evaporator contains an electrical heating device. Thus, the fuel is vaporized by an electric heating device and can have a temperature of approximately 600° C. downstream of a further vaporizer. As soon as the burners reach the required operating temperature and thus generate sufficient heat in the first reaction chamber for the first evaporation chamber, the electric heating device can be switched off. This takes place in particular already when ignition takes place in the first reaction chamber. The fuel then evaporates in the evaporator, rendering the other evaporators ineffective. The burner can be preheated during the starting phase, ie when the burner is cold started, by means of an electric heating device. In particular, the electric heating device is designed for heating the fuel, the electric heating device being only for heating, vaporizing and/or reforming the fuel in the heating phase of the burner serving as start burner. is particularly preferred. Thus, the power source, which may exist as a fuel or a mixture of fuel and water, can not only be preheated, but also vaporized and pre-reformed to some preset extent. This allows the burner to operate particularly efficiently when used as a start burner. During the heating operation, the electrical heating device may operate for a period of time of, for example, approximately 2 to 10 minutes. After the electrical heating device has been switched off, fuel is led through the first injector in the direction of the first evaporation chamber until the rated operating point of the fuel cell system is reached. Fuel is then vaporized in the first vaporization chamber by the heat generated during the exothermic reaction in the first reaction chamber. When burners are used as afterburners, electrical heating devices are usually not used. Electrical assistance for evaporation and reforming can in principle be carried out with external components, but for reasons of space the integration of such functions should be encouraged.

第1の燃料供給配管が設けられていると好ましく、第1の燃料供給配管を介して燃料を別の蒸発器および蒸発装置を通じて、特に第1の蒸発室を通じて、混合領域へ、および引き続いて第1の反応室へと案内可能である。燃料供給配管は、燃料の形態の第1の作動流体をバーナーないし第1の反応室に引き込むために構成される。第1の燃料供給配管の上流側に、特に第1のインジェクターおよび/または第1のバルブが配置される。インジェクターを介して燃料を第1の燃料供給配管へと案内可能であり、このことは特にスタート動作のとき、すなわちスタートバーナーとしてバーナーが使用されるときに行われる。バーナーと燃料電池システムが定格動作点に達すると、ただちに第1の調節装置が閉じた状態になり、それにより燃料がそれ以上供給されなくなり、そしてバーナーはアフターバーナーとしてのみ使用される。それと同時に、蒸発室も定格動作では機能を有さなくなる。すなわち第1の燃料供給配管は、特に燃料源から別の蒸発器、蒸発装置を介して混合領域および第1の反応室へと延び、および/またはこれらの部材を相互に接続する。 A first fuel supply line is preferably provided, via which fuel is fed through a further evaporator and evaporator, in particular through the first vaporization chamber, to the mixing zone and subsequently to the first 1 reaction chamber. A fuel supply line is configured to draw a first working fluid in the form of fuel into the burner or into the first reaction chamber. In particular a first injector and/or a first valve are arranged upstream of the first fuel supply line. Via the injector, the fuel can be guided into the first fuel supply line, especially during the starting operation, ie when the burner is used as the starting burner. As soon as the burner and fuel cell system reach the rated operating point, the first regulator closes so that no more fuel is supplied and the burner is used only as an afterburner. At the same time, the evaporation chamber also becomes non-functional at rated operation. That is, the first fuel supply line extends, in particular, from the fuel source via the further evaporator, the evaporator to the mixing zone and the first reaction chamber and/or interconnects these members.

空気供給配管が設けられるとさらに好ましく、空気供給配管を介して空気を混合領域へ、および引き続いて第1の反応室へと案内可能である。混合領域は、燃料と空気とを混合するために構成されて配置される。すなわち空気と燃料は、スタートバーナーとしてバーナーが使用されるときに混合室で合流する。アフターバーナーとしてバーナーが使用されるとき、特に定格動作のとき、特にカソードとアノードの排ガスをすでに含む燃料電池スタック排ガスだけがバーナーへと案内されるのが好ましい。しかしながら、空気が空気供給配管を介して、および/または燃料が第1の燃料供給配管を介して、第1の反応室へと追加的に案内されることが意図されていてもよい。すなわち空気供給配管は、特に、空気源から混合領域を介して第1の反応室へと延びる。 More preferably, an air supply line is provided, via which air can be guided to the mixing area and subsequently to the first reaction chamber. The mixing region is constructed and arranged to mix fuel and air. That is, air and fuel meet in the mixing chamber when the burner is used as a start burner. When a burner is used as an afterburner, especially in rated operation, it is preferred that only the fuel cell stack exhaust gas, which already contains in particular cathode and anode exhaust gas, is directed to the burner. However, it may also be provided that air is additionally guided to the first reaction chamber via an air supply line and/or fuel via a first fuel supply line. The air supply line thus runs in particular from the air source via the mixing area to the first reaction chamber.

第2の燃料供給配管が設けられるのが好都合な場合もあり、第2の燃料供給配管を介して燃料を第2の蒸発室を通じて第2の反応室へと案内可能である。第2の燃料供給配管の上流側に、燃料を案内するために開放および閉止することができるインジェクターが同じく配置されるのが好ましい。バーナーのスタート段階のとき、第2の燃料供給配管を介して燃料を第2のインジェクターまたは第2のバルブから直接的に第2の蒸発室へと案内可能であり、第1の蒸発室から出てくる少なくとも部分的に燃焼された燃料と空気の混合物の熱によってこの燃料を蒸発可能である。第2の蒸発室の下流側に第2の反応室が配置され、バーナーのスタート段階のときに蒸発した燃料によってこれが動作温度になる。定格動作のときには、通常、第2の調節装置もオフになり、それによって燃料が第2の燃料供給配管を介して案内されなくなる。 A second fuel supply line may advantageously be provided, via which fuel can be guided through the second vaporization chamber to the second reaction chamber. An injector, which can be opened and closed for guiding the fuel, is also preferably arranged upstream of the second fuel supply line. During the start-up phase of the burner, fuel can be guided via a second fuel supply line from a second injector or a second valve directly into the second vaporization chamber and out of the first vaporization chamber. The heat of the incoming at least partially combusted fuel-air mixture can vaporize this fuel. Downstream of the second vaporization chamber is a second reaction chamber which is brought to operating temperature by vaporized fuel during the start-up phase of the burner. During nominal operation, the second regulator is also normally switched off, so that fuel is no longer guided through the second fuel supply line.

システム排ガス配管が設けられると好ましく、システム排ガス配管を介してシステム排ガスを混合領域を通じてバーナーへと案内可能である。システム排ガスは、特に燃料電池スタックのすぐ下流側でアノード排ガスとカソード排ガスが混合される燃料電池スタック排ガスである。この配管は特に定格動作のときにのみ使用され、少なくとも1つの燃料電池スタックをバーナーと接続する。バーナーがアフターバーナーの機能を担っているとき、システム排ガス配管の中でアノード排ガスまたは燃料電池排ガス(アノード排ガスとカソード排ガス)が流れ、完全な燃焼のためにこれがバーナーに供給される。カソード排ガスは特に空気のみであるため、アノード排ガスはバーナーでカソード排ガスとともに燃焼される。アフターバーナーとしてのバーナーの作動時に温度が高すぎるケースでは、空気供給配管を介して空気を追加的にバーナーへ供給するのが好都合であり得る。このとき、第1の燃料供給配管および第2の燃料供給配管には通常は何も流れない、つまりこれらは作動していない。本発明の枠内では、システム排ガスとはスタック排ガスであると理解される。 A system exhaust gas line is preferably provided, via which the system exhaust gas can be guided through the mixing area to the burner. The system exhaust is specifically the fuel cell stack exhaust where the anode and cathode exhaust are mixed just downstream of the fuel cell stack. This line is specifically used only during rated operation and connects at least one fuel cell stack with the burner. When the burner assumes the afterburner function, the anode or fuel cell exhaust gas (anode exhaust gas and cathode exhaust gas) flows in the system exhaust gas line and is supplied to the burner for complete combustion. Since the cathode exhaust gas is in particular air only, the anode exhaust gas is combusted together with the cathode exhaust gas in a burner. In case the temperature is too high when the burner is operated as afterburner, it may be expedient to additionally supply air to the burner via the air supply line. At this time, nothing normally flows through the first fuel supply line and the second fuel supply line, that is, they are not operating. Within the framework of the present invention, system exhaust gas is understood to be stack exhaust gas.

本発明によるバーナーの利用は、液体燃料で作動する燃料電池システムにおけるスタートバーナーおよびアフターバーナーとして行われるのが好ましい。 The use of the burners according to the invention is preferably carried out as start burners and afterburners in fuel cell systems operating on liquid fuels.

本発明の別の態様では、上に詳細に説明したバーナーを有する燃料電池システムが提供される。さらに燃料電池システムは、アノード区域とカソード区域とを備えた燃料電池スタックと、改質器と、熱交換器とを有し、バーナーは改質器を加熱するため、および、カソード区域から引き込まれるべき空気の加熱を担当する少なくとも1つの熱交換器を加熱するために配置されて構成される。それに伴い、本発明による燃料電池システムは、本発明によるバーナーに関して詳細に説明したのと同じ利点をもたらす。 In another aspect of the invention, there is provided a fuel cell system having a burner as detailed above. The fuel cell system further includes a fuel cell stack with an anode section and a cathode section, a reformer, and a heat exchanger, with burners for heating the reformer and drawn from the cathode section. It is arranged and configured for heating at least one heat exchanger responsible for heating the air to be heated. Accordingly, the fuel cell system according to the invention offers the same advantages as those described in detail with respect to the burner according to the invention.

燃料電池システムはSOFCシステムであるのが好ましい。改質器は、たとえばエタノールと水などの燃料混合物を、このケースでは水素と二酸化炭素である別の燃料混合物へと改質するために構成されるのが好ましい。改質された水素を、燃料電池スタックで電流生成のために利用することができる。バーナーは、燃料電池スタックからの燃料電池排ガスによって改質器を加熱するために構成される。 Preferably, the fuel cell system is an SOFC system. The reformer is preferably arranged for reforming a fuel mixture, for example ethanol and water, into another fuel mixture, in this case hydrogen and carbon dioxide. The reformed hydrogen can be utilized for electric current generation in the fuel cell stack. A burner is configured to heat the reformer with the fuel cell exhaust gas from the fuel cell stack.

本発明の好ましい発展例では別の熱交換器が設けられることが可能であり、バーナーから出ていくプロセスガスが熱交換器の高温側を介して流れ、熱交換器の低温側を介して燃料電池スタックのカソード区域へと流れる空気を加熱する。本発明による燃料電池システムは特に自動車で利用される。 In a preferred development of the invention, a separate heat exchanger can be provided, the process gas leaving the burner flowing via the hot side of the heat exchanger and the fuel via the cold side of the heat exchanger. It heats the air flowing to the cathode area of the cell stack. The fuel cell system according to the invention finds particular application in motor vehicles.

さらに別の目的は、冒頭に述べた種類の方法が次の各ステップを含むときに達成される。
-電気式の加熱装置が作動し、第1の調節装置を介して第1の燃料供給配管へと燃料が導入され、燃料が第1の燃料供給配管を介して別の蒸発器へと案内されて、燃料を少なくとも蒸発させ、
-空気供給配管を介して第1の反応室の上流側の混合領域へと空気が導入され、
-第1の燃料供給配管を介して別の蒸発器から第1の蒸発室を通して第1の反応室の上流側の混合領域へと燃料が案内され、
-混合領域で燃料が空気と混合され、この燃料と空気の混合物が第1の反応室へと導入され、
-燃料と空気の混合物が触媒燃焼され、
-電気式の加熱装置がスイッチオフされる。
A further object is achieved when a method of the kind mentioned at the outset comprises the following steps.
- the electrical heating device is activated, the fuel is introduced via the first adjusting device into the first fuel supply line, and the fuel is guided via the first fuel supply line to the further evaporator; to at least evaporate the fuel,
- air is introduced into the mixing zone upstream of the first reaction chamber via an air supply line,
- fuel is guided from a separate vaporizer via a first fuel supply line through a first vaporization chamber to a mixing zone upstream of the first reaction chamber,
- the fuel is mixed with air in the mixing zone and this fuel-air mixture is introduced into the first reaction chamber;
- a mixture of fuel and air is catalytically combusted,
- the electrical heating device is switched off.

これに伴って得られる利点は、特に、本発明による方法の各ステップによって燃料電池システムを効率的に、かつ短い時間内で加熱できるという点に見ることができ、バーナーそのものも効率的かつ迅速に加熱されて、コールドスタート時間が短縮される。燃料と空気の混合物が燃焼するとただちに、電気式の加熱装置がスイッチオフされる。燃焼によって熱が生成され、この熱によって第1の蒸発室が加熱されるからである。そして定格動作点に達するまで、第1の蒸発室を通して燃料が蒸発する。電気式の加熱装置がスイッチオフされると、ただちに自己保持的な動作点に到達する。すなわち、本発明のすべての方法ステップが実行されることで燃料電池システムが加熱され、それにより定格動作点に到達する。このときバーナーの反応室が加熱されるだけでなく、特に、2つの反応室の間に配置された蒸発装置も加熱される。 The advantages associated with this can be seen, inter alia, in that the steps of the method according to the invention enable the fuel cell system to be heated efficiently and within a short time, and the burner itself to be heated efficiently and quickly. Heated to reduce cold start time. As soon as the fuel/air mixture has burned, the electric heating device is switched off. This is because the combustion produces heat which heats the first vaporization chamber. Fuel is then vaporized through the first vaporization chamber until the rated operating point is reached. As soon as the electrical heating device is switched off, a self-holding operating point is reached. That is, all method steps of the invention are performed to heat the fuel cell system so that it reaches its rated operating point. In this case, not only the reaction chamber of the burner is heated, but also in particular the evaporator arranged between the two reaction chambers.

特に、燃料が別の蒸発器で完全に蒸発するだけでなく、加熱もなされ、少なくとも部分的に予改質されるのが好ましい。このように、バーナーで定義された動作温度に達するまで、電気式の加熱装置がさしあたり燃料の加熱ないし予加熱のために作動化されればよい。定義された動作温度に達するとただちに、電気式の加熱装置を不作動化することができる。そして方法に関わる残りの各ステップが反復される。スタートバーナーとしてのバーナーの機能形態と関連するその他の利点や機能は、本発明によるバーナーならびに本発明による燃料電池システムに関して上で詳細に説明したものと同様である。 In particular, it is preferred that the fuel is not only completely vaporized in a separate evaporator, but is also heated and at least partially pre-reformed. In this way, the electric heating device only has to be activated for the moment to heat or preheat the fuel until the operating temperature defined by the burner is reached. As soon as a defined operating temperature has been reached, the electrical heating device can be deactivated. Each remaining step in the method is then repeated. Other advantages and functions associated with the functional form of the burner as a starter burner are the same as those described in detail above with respect to the burner according to the invention and the fuel cell system according to the invention.

このとき、少なくとも部分的に燃焼された燃料と空気の混合物が第1の蒸発室から第2の蒸発室へと案内され、次いで、これが第2の反応室へと案内されるとさらに好ましい。第2の反応室で燃料と空気の混合物が完全に触媒燃焼され、同時に第2の反応室の出口でもあるバーナーの出口で800℃から900℃の間の範囲内の温度を有し、プロセスガスとなっている。 It is then even more preferred if the at least partially combusted fuel-air mixture is guided from the first vaporization chamber to the second vaporization chamber, which in turn is guided to the second reaction chamber. The mixture of fuel and air is completely catalytically combusted in the second reaction chamber and at the same time has a temperature in the range between 800° C. and 900° C. at the outlet of the burner, which is also the outlet of the second reaction chamber, and the process gas It has become.

第2の反応室での触媒反応を改善および/または促進するために、第2の調節装置を介して燃料が第2の燃料供給配管を通じて第2の蒸発室の低温側へと案内され、蒸発し、その下流側で第2の反応室へと案内されるのが好都合である。この燃料が第2の蒸発室で蒸発し、そのために、第1の蒸発室から出てくる燃料と空気の混合物の熱が利用される。蒸発した燃料が引き続いて第2の反応室へと案内され、そこで、第1の反応室で少なくとも部分的に改質された燃料と空気の混合物と混合されて、完全に触媒燃焼される。燃料と空気の混合物は、第2の蒸発室の下流側ではたとえば650℃またはこれ以下の温度を有する。燃料を蒸発させるために、この熱が特に両方の蒸発室に放出されるからである。 In order to improve and/or promote the catalytic reaction in the second reaction chamber, the fuel is guided through the second fuel supply line to the cold side of the second vaporization chamber via a second regulator and vaporized. and is guided downstream thereof into a second reaction chamber. This fuel is vaporized in the second vaporization chamber, for which purpose the heat of the fuel-air mixture emerging from the first vaporization chamber is utilized. The vaporized fuel is subsequently guided to a second reaction chamber where it is mixed with the fuel-air mixture that was at least partially reformed in the first reaction chamber and completely catalytically combusted. The fuel-air mixture has a temperature of, for example, 650° C. or less downstream of the second evaporation chamber. This heat is released in particular to both vaporization chambers in order to evaporate the fuel.

このとき、第2の反応室で完全に改質された燃料と空気の混合物がバーナーの下流側で少なくとも改質器および熱交換器の加熱のために利用されると好ましい。バーナーから出てくるプロセスガスは800℃から900℃の間の温度、特におよそ950℃の温度を有し、蒸発器の加熱のためにも追加的または代替的に利用することができる。燃料電池システムのすべての部材が動作温度になると、そのときには冷却されるプロセスガスが周囲に放出される。 The fuel-air mixture completely reformed in the second reaction chamber is then preferably used downstream of the burner for heating at least the reformer and the heat exchanger. The process gas leaving the burner has a temperature of between 800° C. and 900° C., in particular approximately 950° C., and can additionally or alternatively be used for heating the evaporator. When all parts of the fuel cell system are at operating temperature, the process gas, which is now cooled, is released into the environment.

第1の調節装置および/または第2の調節装置は、本発明の枠内ではインジェクターとして有益に構成され得る。その代替として、第1の調節装置および/または第2の調節装置は少なくとも1つの特に制御可能なバルブとして構成され得る。しかしながら、第1の調節装置および/または第2の調節装置がインジェクターと少なくとも1つのバルブとを含むことが意図されていてもよい。 The first adjusting device and/or the second adjusting device can advantageously be configured as an injector within the framework of the invention. Alternatively, the first adjusting device and/or the second adjusting device can be configured as at least one particularly controllable valve. However, it may also be provided that the first adjusting device and/or the second adjusting device comprise an injector and at least one valve.

燃料電池システムの自己保持的な動作点に到達するとただちに調節装置がスイッチオフされ、それにより燃料供給配管を介しての燃料供給が停止されると好ましい。すなわちバーナーがアフターバーナーとして利用され、特にアノード排ガスおよびカソード排ガスを含む燃料電池スタック排ガスがこれに供給される。燃料電池スタックが燃料電池スタックの下流側で第1の反応室に供給され、そこで少なくとも部分的に触媒燃焼され、両方の蒸発室を介して第2の反応室へと案内されて、完全に燃焼される。蒸発室に燃料が供給されなくなると、蒸発室も動作を止める。バーナーがアフターバーナーとして機能しているとき、バーナーに空気が供給されないと好都合な場合があるが、空気供給配管を介してバーナーに少なくとも一時的に空気が供給されると好ましいこともあり得る。 As soon as the self-holding operating point of the fuel cell system has been reached, the control device is preferably switched off, thereby stopping the fuel supply via the fuel supply line. The burner is thus used as an afterburner, to which the fuel cell stack exhaust gas, which comprises in particular the anode exhaust gas and the cathode exhaust gas, is fed. A fuel cell stack is fed downstream of the fuel cell stack into a first reaction chamber where it is at least partially catalytically combusted and guided via both vaporization chambers into a second reaction chamber for complete combustion. be done. When the vaporization chamber is no longer supplied with fuel, the vaporization chamber also ceases to operate. While it may be advantageous if the burner is not supplied with air when the burner is functioning as an afterburner, it may also be preferable if the burner is at least temporarily supplied with air via the air supply line.

その他の利点、特徴、および作用は、以下に説明する実施例から明らかとなる。その際に参照する図面には次のものが示されている。 Further advantages, features and effects will become apparent from the examples described below. The drawings referred to at that time show the following.

本発明によるバーナーを示す模式図である。1 is a schematic diagram showing a burner according to the invention; FIG. 本発明によるバーナーを示す断面図である。1 is a cross-sectional view of a burner according to the invention; FIG. 本発明の実施形態に基づく燃料電池システムを図示するためのブロック図である。1 is a block diagram to illustrate a fuel cell system according to an embodiment of the invention; FIG.

図1および2は、燃料電池システム100のための本発明によるバーナー1ないしその一部分を示している。このバーナーは、流動方向で間接的に前後して配置された反応室2,3を含んでいる。各々の反応室2,3は、室入口と室出口とをそれぞれ有している。さらにバーナー1は、第1の燃料供給配管7と空気供給配管8とを有しており、第1の燃料供給配管7は燃料を案内するために構成され、空気供給配管8は空気を案内するために構成される。本発明の枠内では、燃料として好ましくはエタノールと水の混合物が使用される。両方の反応室2,3の間に、2つの蒸発室4a,4bを有する蒸発装置4が設けられている。蒸発装置4の上流側に、図示しない電気式の加熱装置を含む別の蒸発器6が配置されている。別の蒸発器6は、流動方向におけるその第1の部分で燃料が蒸発し、流動方向における蒸発器の第2の部分で燃料が少なくとも部分的に改質されるように構成されている。それにより別の蒸発器6は改質器としても同時に構成され、蒸発ユニット6aと改質ユニット6bとを含み、改質ユニット6bは蒸発ユニット6aの下流側に配置されていて、蒸発ユニット6aのほぼ2倍の容積を要する。さらに、別の蒸発器6は電気式の加熱装置を含んでいる。燃料の導入と転送のために、第1のインジェクター11を介して燃料を別の蒸発器6へと案内可能である燃料供給配管7が設けられている。燃料供給配管7はさらに第1の蒸発室4aへ、次いでさらに混合領域5へ、および第1の反応室2へと通じている。蒸発して少なくとも部分的に改質された燃料は、別の蒸発器6の下流側かつ第1の蒸発室4aの上流側で、およそ600℃の温度を有している。この燃料は、スタート段階のときには他の機能を有さない第1の蒸発室4aを通るように案内される。混合領域5で、蒸発して部分的に改質された燃料が、空気供給配管8を介して混合領域5へと案内される空気と混合される。それによって発生する燃料と空気の混合物が、第1の反応室2、第1の蒸発室4a、第2の蒸発室4b、および第2の反応室3を通って案内されて、これらのコンポーネントを動作温度にする。高温の燃料と空気の混合物によって両方の反応室4a,4bが加熱され、その触媒材料が動作温度にされて点火される。これが行われるとただちに加熱装置がスイッチオフされる。これが通常はおよそ2分から10分続く。そして第1のインジェクター11を介して、定格動作点に達するまで燃料がさらに供給される。液体燃料が第1の蒸発室4aまで案内され、そこで蒸発する(その高温側を介して案内される燃料と空気の混合物の熱を通じて)。そして気体になった燃料が混合領域で空気と混合されて第1の反応室2へと案内され、そこで燃料と空気の混合物が少なくとも部分的に触媒燃焼される。第1の反応室の下流側に第1の蒸発室4aが配置されていて、その中で少なくとも部分的に燃焼した燃料と空気の混合物が、第1の蒸発室4aの低温側を介して流れる燃料の蒸発ないし熱交換のために利用される。定格動作点にまだ達していない限り、第2のインジェクター12を介して燃料が第2の燃料供給配管9を通じて第2の蒸発室4bへと案内される。すなわち、燃料は第2の蒸発室4bの低温側を介して流れる。第2の蒸発室の高温側を介して、少なくともすでに部分的に燃焼された燃料と空気の混合物が案内され、この燃料と空気の混合物の熱(およそ650℃)が、第2の燃料供給配管9の中の燃料を蒸発させるために利用される。燃料と空気の混合物と、すでに蒸発した燃料と、が両方とも第2の反応室3へと案内されて、そこで完全な触媒燃焼が行われる。第2の反応室3から、およびこれに伴ってバーナー1から出ていくガスは、このとき800℃から900℃の範囲内の温度を有しており、燃料電池システム100の他のコンポーネントの加熱のために利用可能である。燃料電池システム100のすべてのコンポーネントが動作温度になるとただちに定格動作点に達し、両方のインジェクター11,12がスイッチオフされる。 1 and 2 show a burner 1 or part thereof according to the invention for a fuel cell system 100. FIG. This burner contains reaction chambers 2, 3 arranged indirectly behind one another in the direction of flow. Each reaction chamber 2, 3 has a chamber inlet and a chamber outlet respectively. Furthermore, the burner 1 has a first fuel supply line 7 and an air supply line 8, the first fuel supply line 7 being designed for conducting fuel and the air supply line 8 for conducting air. configured for A mixture of ethanol and water is preferably used as fuel within the framework of the present invention. Between the two reaction chambers 2, 3 an evaporator 4 with two evaporator chambers 4a, 4b is provided. Arranged upstream of the evaporator 4 is a further evaporator 6 which includes an electrical heating device (not shown). The further evaporator 6 is arranged such that in its first part in the direction of flow the fuel is vaporized and in the second part of the evaporator in the direction of flow the fuel is at least partially reformed. The further evaporator 6 is thus simultaneously configured as a reformer and comprises an evaporator unit 6a and a reformer unit 6b, which is arranged downstream of the evaporator unit 6a and of which the Approximately double the volume is required. Furthermore, the further evaporator 6 contains an electrical heating device. For the introduction and transfer of fuel, a fuel supply line 7 is provided through which the fuel can be guided to the further evaporator 6 via the first injector 11 . The fuel supply line 7 leads further to the first evaporation chamber 4a, then to the mixing region 5 and to the first reaction chamber 2. FIG. The vaporized and at least partially reformed fuel downstream of the further vaporizer 6 and upstream of the first vaporization chamber 4a has a temperature of approximately 600.degree. This fuel is guided through the first evaporation chamber 4a, which has no other function during the starting phase. In the mixing area 5 , the vaporized and partially reformed fuel is mixed with air, which is led to the mixing area 5 via an air supply line 8 . The fuel-air mixture thereby generated is guided through the first reaction chamber 2, the first vaporization chamber 4a, the second vaporization chamber 4b and the second reaction chamber 3 to dissipate these components. Bring to operating temperature. A mixture of hot fuel and air heats both reaction chambers 4a, 4b, bringing the catalyst material to operating temperature and igniting it. As soon as this is done, the heating device is switched off. This usually lasts about 2 to 10 minutes. Further fuel is then supplied via the first injector 11 until the rated operating point is reached. Liquid fuel is guided to the first vaporization chamber 4a, where it is vaporized (via the heat of the fuel-air mixture guided via its hot side). The gasified fuel is then mixed with air in a mixing zone and guided to the first reaction chamber 2, where the fuel-air mixture is at least partially catalytically combusted. Arranged downstream of the first reaction chamber is a first vaporization chamber 4a in which the at least partially combusted fuel-air mixture flows through the cold side of the first vaporization chamber 4a. Used for fuel evaporation or heat exchange. As long as the rated operating point has not yet been reached, via the second injector 12 fuel is led through the second fuel supply line 9 to the second evaporation chamber 4b. That is, the fuel flows through the cold side of the second evaporation chamber 4b. Via the hot side of the second vaporization chamber, the at least partially already combusted fuel-air mixture is guided, the heat of this fuel-air mixture (approximately 650° C.) being transferred to the second fuel supply line. It is used to evaporate the fuel in 9. Both the fuel-air mixture and the already vaporized fuel are led to the second reaction chamber 3 where complete catalytic combustion takes place. The gas exiting the second reaction chamber 3 and thus from the burner 1 now has a temperature in the range 800° C. to 900° C. and heats the other components of the fuel cell system 100 . available for As soon as all components of the fuel cell system 100 reach operating temperature, the rated operating point is reached and both injectors 11, 12 are switched off.

定格動作ではバーナー1がアフターバーナーとして利用され、システム排ガス配管10を介してスタック排ガスがこれに供給され、それにより、これがバーナー1で完全に触媒燃焼される。 In rated operation burner 1 is used as an afterburner and is supplied with stack exhaust gas via system exhaust line 10 so that it is completely catalytically combusted in burner 1 .

図3は、バーナー1を有する燃料電池システム100のブロック図を示しているが、バーナー1のすべての詳細が図示されているわけではない。燃料電池システム1は、アノード区域300とカソード区域400とをそれぞれ備える2つの燃料電池スタック200をさらに有している。これに加えて改質器500と熱交換器が設けられている。これに加えて燃料電池システム100は、改質器500の方向に案内される燃料を蒸発させるための蒸発器800と、蒸発器800により蒸発した燃料を過熱するための過熱器700とを含んでいる。改質器500の高温側、過熱器700の高温側、および蒸発器800の高温側を介して、上に説明したプロセスのために必要な熱を提供するスタック排ガスが通される。燃料電池システム100は、本発明の枠内では通常は燃料と呼ぶ液体の燃料と水の混合物で作動する。これが燃料源13からアノード供給配管を介して蒸発器800(そこで燃料と水の混合物が気体になる)、過熱器700、および改質器500(そこで気体状の燃料と水の混合物が改質される)を通ってアノード区域300に供給される。カソード供給配管10を介して、空気が送風機14により熱交換器600を通じてカソード区域400に供給される。燃料電池システム100が作動するとただちに、すなわち加熱動作の後に、これらのステップが実行される。 FIG. 3 shows a block diagram of a fuel cell system 100 with burner 1, not all details of burner 1 being shown. The fuel cell system 1 further comprises two fuel cell stacks 200 each having an anode section 300 and a cathode section 400 . In addition, a reformer 500 and a heat exchanger are provided. In addition, the fuel cell system 100 includes an evaporator 800 for evaporating the fuel guided toward the reformer 500 and a superheater 700 for superheating the fuel evaporated by the evaporator 800. there is Through the hot side of the reformer 500, the hot side of the superheater 700, and the hot side of the evaporator 800 is passed the stack exhaust gas, which provides the necessary heat for the process described above. The fuel cell system 100 operates on a mixture of liquid fuel and water, commonly referred to as fuel within the framework of the present invention. It passes from the fuel source 13 through the anode supply line to the evaporator 800 (where the fuel and water mixture becomes a gas), the superheater 700, and the reformer 500 (where the gaseous fuel and water mixture is reformed). ) into the anode section 300 . Air is supplied to cathode section 400 through heat exchanger 600 by blower 14 via cathode supply line 10 . These steps are performed as soon as the fuel cell system 100 is activated, ie after the heating operation.

燃料電池システム100を加熱するために、本発明によるバーナー1が上で説明したようにスタートバーナーとして利用される。 For heating the fuel cell system 100 the burner 1 according to the invention is used as a start burner as explained above.

燃料電池システム100の作動時には、バーナー1がアフターバーナーとして利用される。アノード排ガスは、燃料電池スタック200の下流側でカソード排ガスと混合される。このスタック排ガスがバーナー1に供給されて、そこで特に2段階で燃焼される。 During operation of the fuel cell system 100, the burner 1 is used as an afterburner. The anode exhaust gas is mixed with the cathode exhaust gas downstream of the fuel cell stack 200 . This stack exhaust gas is fed to the burner 1 and is combusted there, preferably in two stages.

本発明によるバーナー1は、燃料電池システム100でスタートバーナーとしてもアフターバーナーとしても利用することができる。燃料電池システム100の加熱時にはバーナーがスタートバーナーとして利用され、燃料電池システム100の作動時にはアフターバーナーとして利用される。バーナー1は第1のステップで、コールドスタートのときと(電気式の加熱装置が作動する)、加熱段階のとき(電気式の加熱装置がスイッチオフされるが、インジェクター11および12が開いている)にはスタートバーナーとして利用され、定格動作のとき(燃料がバルブ11,12を介して供給されなくなる)にはアフターバーナーとして利用される。 The burner 1 according to the invention can be used in a fuel cell system 100 both as a start burner and as an afterburner. The burner is used as a start burner when heating the fuel cell system 100 and as an afterburner when the fuel cell system 100 is in operation. The burner 1 is operated in the first step, during cold start (electrical heating is activated) and during the heating phase (electrical heating is switched off but injectors 11 and 12 are open). ) as a start burner and during rated operation (fuel is no longer supplied through the valves 11, 12) as an afterburner.

Claims (15)

燃料電池システム(100)のための、特にSOFCシステムのためのバーナー(1)であって、前記バーナー(1)はスタートバーナーおよび/またはアフターバーナーとして構成されて配置され、前後して配置された2つの反応室(2,3)を含み、流動方向で第2の反応室(3)は第1の反応室(2)に間接的に後続し、前記反応室(2,3)はそれぞれ触媒材料を有する、バーナー(1)において、蒸発装置(4)が設けられ、前記蒸発装置(4)はそれぞれの前記反応室(2,3)の間に配置されることを特徴とする、バーナー(1)。 1. A burner (1) for a fuel cell system (100), in particular for an SOFC system, said burner (1) being configured and arranged as a start burner and/or an afterburner, 2 arranged one behind the other. two reaction chambers (2, 3), the second reaction chamber (3) indirectly following the first reaction chamber (2) in flow direction, said reaction chambers (2, 3) each containing catalyst material , characterized in that an evaporator (4) is provided, said evaporator (4) being arranged between each of said reaction chambers (2, 3) ). 前記蒸発装置(4)は2つの蒸発室(4a,4b)を含むことを特徴とする、請求項1に記載のバーナー(1)。 2. Burner (1) according to claim 1, characterized in that the evaporation device (4) comprises two evaporation chambers (4a, 4b). 前記第1の反応室(2)の上流側に混合領域(5)が設けられ、前記混合領域(5)は特に前記第1の反応室(2)の室入口の付近に配置されることを特徴とする、請求項1または2に記載のバーナー(1)。 A mixing zone (5) is provided upstream of said first reaction chamber (2), said mixing zone (5) being arranged in particular near the chamber inlet of said first reaction chamber (2). Burner (1) according to claim 1 or 2, characterized in that. 別の蒸発器(6)が設けられ、前記別の蒸発器(6)は前記蒸発装置(4)の上流側に配置されることを特徴とする、請求項1から3のいずれか1項に記載のバーナー(1)。 4. According to any one of claims 1 to 3, characterized in that a further evaporator (6) is provided, said further evaporator (6) being arranged upstream of said evaporator (4). Burner (1) as described. 前記別の蒸発器は電気式の加熱装置を含むことを特徴とする、請求項4に記載のバーナー(1)。 Burner (1) according to claim 4, characterized in that said further evaporator comprises an electrical heating device. 第1の燃料供給配管(7)が設けられ、前記第1の燃料供給配管(7)を介して燃料を前記別の蒸発器(6)および前記蒸発装置(4)を通じて、特に第1の蒸発室(4a)を通じて、前記混合領域(5)へ、および引き続いて前記第1の反応室(2)へと案内可能であることを特徴とする、請求項1から5のいずれか1項に記載のバーナー(1)。 A first fuel supply line (7) is provided through which fuel is fed through said further evaporator (6) and said evaporator (4), in particular through the first evaporator. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that it can be guided through a chamber (4a) to the mixing area (5) and subsequently to the first reaction chamber (2). burner (1). 空気供給配管(8)が設けられ、前記空気供給配管(8)を介して空気を前記混合領域(5)へ、および引き続いて前記第1の反応室(2)へと案内可能であることを特徴とする、請求項3から6のいずれか1項に記載のバーナー(1)。 An air supply line (8) is provided through which air can be guided to the mixing zone (5) and subsequently to the first reaction chamber (2). Burner (1) according to any one of claims 3 to 6, characterized in that. 第2の燃料供給配管(9)が設けられ、前記第2の燃料供給配管(9)を介して燃料を第2の蒸発室(4b)を通じて前記第2の反応室(3)へと案内可能であることを特徴とする、請求項1から7のいずれか1項に記載のバーナー(1)。 A second fuel supply line (9) is provided via which fuel can be guided through the second evaporation chamber (4b) to the second reaction chamber (3). A burner (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that システム排ガス配管(10)が設けられ、前記システム排ガス配管(10)を介してシステム排ガスを前記混合領域(5)を通じて前記バーナー(1)へと案内可能であることを特徴とする、請求項1から8のいずれか1項に記載のバーナー(1)。 Claim 1, characterized in that a system exhaust gas line (10) is provided via which the system exhaust gas can be guided through the mixing region (5) to the burner (1). 9. A burner (1) according to any one of Claims 8 to 8. 請求項1から9のいずれか1項に記載のバーナーを有する燃料電池システム(100)、特にSOFCシステムにおいて、前記燃料電池システムは、アノード区域(300)およびカソード区域(400)を備えた少なくとも1つの燃料電池スタック(200)と、改質器(500)と、熱交換器(600)とをさらに有することを特徴とする燃料電池システム(100)。 10. A fuel cell system (100), in particular a SOFC system, with a burner according to any one of claims 1 to 9, wherein said fuel cell system comprises at least one anode section (300) and a cathode section (400). A fuel cell system (100) further comprising a fuel cell stack (200), a reformer (500) and a heat exchanger (600). 請求項1に記載のバーナー(1)を有する燃料電池システム(100)を、特に請求項10に記載の燃料電池システム(100)を作動させる方法において、前記方法は次の各ステップを含み、
電気式の加熱装置が作動し、第1の調節装置を介して第1の燃料供給配管(7)へと燃料が導入され、燃料が前記第1の燃料供給配管(7)を介して別の蒸発器(6)へと案内されて、燃料を少なくとも蒸発させ、
空気供給配管(8)を介して第1の反応室(2)の上流側の混合領域(5)へと空気が導入され、
前記第1の燃料供給配管(7)を介して前記別の蒸発器(6)から第1の蒸発室(4a)を通して前記第1の反応室(2)の上流側の前記混合領域(5)へと燃料が案内され、
前記混合領域(5)で燃料が空気と混合され、前記燃料と空気の混合物が前記第1の反応室(2)へと導入され、
前記燃料と空気の混合物が触媒燃焼され、
前記電気式の加熱装置がスイッチオフされる、方法。
A method of operating a fuel cell system (100) with a burner (1) according to claim 1, in particular a fuel cell system (100) according to claim 10, said method comprising the steps of
The electric heating device is activated, fuel is introduced via the first adjusting device into the first fuel supply line (7), and fuel is supplied via said first fuel supply line (7) to another guided to an evaporator (6) to at least evaporate the fuel;
air is introduced into the mixing zone (5) upstream of the first reaction chamber (2) via an air supply line (8);
Said mixing zone (5) upstream of said first reaction chamber (2) through said first vaporization chamber (4a) from said further vaporizer (6) via said first fuel supply line (7) The fuel is guided to
fuel is mixed with air in said mixing zone (5) and said fuel-air mixture is introduced into said first reaction chamber (2);
the mixture of fuel and air is catalytically combusted;
A method, wherein the electrical heating device is switched off.
少なくとも部分的に燃焼された前記燃料と空気の混合物が前記第1の蒸発室(4b)から第2の蒸発室(4b)へと案内され、次いで第2の反応室(3)へと案内されることを特徴とする、請求項11に記載の方法。 said at least partially combusted fuel-air mixture is guided from said first evaporation chamber (4b) to a second evaporation chamber (4b) and then to a second reaction chamber (3); 12. A method according to claim 11, characterized in that: 第2の調節装置を通じて燃料が第2の燃料供給配管(9)を介して前記第2の蒸発室(4b)の低温側へと案内され、蒸発し、前記第2の蒸発室(4b)の下流側で前記第2の反応室(3)へと案内されることを特徴とする、請求項12に記載の方法。 Through a second adjusting device fuel is guided via a second fuel supply line (9) to the cold side of said second vaporization chamber (4b) where it evaporates and reaches the temperature of said second vaporization chamber (4b). 13. Process according to claim 12, characterized in that downstream is guided into the second reaction chamber (3). 前記第2の反応室(3)で完全に改質された前記燃料と空気の混合物が前記バーナー(1)の下流側で少なくとも改質器(500)および熱交換器(600)の加熱のために利用されることを特徴とする、請求項13に記載の方法。 The fuel-air mixture completely reformed in the second reaction chamber (3) is supplied downstream of the burner (1) for heating at least a reformer (500) and a heat exchanger (600). 14. A method according to claim 13, characterized in that it is used for 前記燃料電池システム(100)の自己保持的な動作点に達するとただちに前記調節装置(11,12)がスイッチオフされ、それにより前記燃料供給配管(7,9)を介しての燃料供給が停止することを特徴とする、請求項11から14のいずれか1項に記載の方法。 As soon as the self-retaining operating point of the fuel cell system (100) is reached, the regulators (11, 12) are switched off, thereby stopping the fuel supply via the fuel supply lines (7, 9). 15. A method according to any one of claims 11 to 14, characterized in that
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