WO2014117953A1 - Reformer unit for a fuel cell system - Google Patents

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WO2014117953A1
WO2014117953A1 PCT/EP2014/000291 EP2014000291W WO2014117953A1 WO 2014117953 A1 WO2014117953 A1 WO 2014117953A1 EP 2014000291 W EP2014000291 W EP 2014000291W WO 2014117953 A1 WO2014117953 A1 WO 2014117953A1
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reformer
burner
line
longitudinal axis
central longitudinal
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PCT/EP2014/000291
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Michael Reissig
Juergen Rechberger
Arthur Kliment
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Avl List Gmbh
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    • Y02P20/00Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to a reformer unit, in particular for a fuel cell system, with a burner, which has a combustion chamber, a reformer, which at least partially in the
  • Combustion chamber is arranged and a first line, the
  • Reformer with process gas which in particular recirculated
  • Anode exhaust gas and hydrocarbons has supplied.
  • Such a reformer unit can, for example, in a
  • Energy generating unit are used with a fuel cell, which with hydrocarbons and not with pure
  • Such fuel cell systems form a compact and efficient energy source, in particular for
  • Multimedia technology such as radio, TV and
  • the low efficiency is not only energy
  • Reaction energy of a continuously supplied fuel and an oxidizing agent is converted directly into electrical energy, without energy losses caused by a coupling
  • Methanol formic acid, methane or the like as a fuel.
  • DE 10 2007 039 594 A1 therefore discloses on the one hand, the reformer and other elements that are necessary for reforming, and to arrange a fuel cell stack in a compact design in a common external insulation. Furthermore, this document proposes to recycle anode exhaust gas into the reformer in order to utilize the heat energy contained in the exhaust gas and to use the chemical substances contained therein for reforming.
  • the reformer is this purpose in a cylindrical combustion chamber of a
  • Flame burner arranged to heat the reformer in the starting phase. By applying the reformer wall with hot gas, this is heated and the reformer is a homogeneous
  • the present invention has for its object to provide a reformer unit with such a reformer, which is compact, universally applicable and energy-efficient.
  • a burner according to the invention is a device for
  • a combustion chamber in the context of the invention is used for combustion and / or mixing of fuel and oxidant.
  • Reforming or reforming for the production of a synthesis gas which contains at least hydrogen, in particular
  • a reformer is accordingly an apparatus for reforming.
  • a manifold according to the invention is a part of the housing of the reformer.
  • the manifold serves, in particular, to conduct a process gas to a reforming catalyst, to mix it and / or to distribute it homogeneously over the surface of a reforming catalyst.
  • the manifold is designed as a connection piece and can be referred to as distributor or process gas distributor.
  • a fuel cell according to the invention is a galvanic cell, which converts the chemical reaction energy of a continuously supplied fuel and an oxidizing agent into electrical energy.
  • a galvanic cell which converts the chemical reaction energy of a continuously supplied fuel and an oxidizing agent into electrical energy.
  • usually several cells are connected in series to a stack (engl., For 'stack').
  • a flow direction in the context of the invention is the
  • a longitudinal axis in the sense of the invention is that axis of a
  • Body corresponding to the direction of its greatest extent and / or its axis of symmetry.
  • a central longitudinal axis is
  • the longitudinal axis in the center of a body corresponds to a cylinder of
  • Deflection means in the sense of the invention are means for interrupting or swirling a fluid flow.
  • An overlap in the sense of the invention is a projection in a defined direction.
  • a flow volume is the volume which is available to a fluid as it flows through a device.
  • a process temperature in the sense of the invention is the temperature which in a device when executing a respective
  • Isolation in the sense of the invention is any type of
  • Adiabatic in the sense of the invention means that in the overall process of the power generation unit, both exothermic and endothermic reactions take place in parallel, so that the overall process in the power generation unit
  • Hydrocarbon-containing energy is converted into electrical energy.
  • the reformer unit according to the invention has a
  • Manifold in which a first line with process gas for the reformer opens.
  • downstream arranged inflow surface of the reforming catalyst achieved.
  • the at least one outer surface of the manifold is spaced from the respective opposite surface of the combustion chamber.
  • Reformer unit to a starting burner, the exhaust gas is inserted into the burner.
  • the starting burner provides during the starting phase of the
  • a flame tube of the starting burner protrudes into the combustion chamber.
  • the hot exhaust gas of the starting burner can be aimed at the reformer during the starting phase.
  • Anode exhaust gas and / or cathode exhaust air of the fuel cell of a fuel cell system which during the start-up phase does not yet have the temperatures required to bring about the reforming, however, are forced into the outer regions of the combustion chamber, where they essentially come into contact with the walls of the combustion chamber, but not with the manifold and / or other surfaces of the reformer.
  • the burner and / or the starting burner are arranged in such a way that a central longitudinal axis of the reformer, a central longitudinal axis of the burner and / or a central longitudinal axis of the starting burner aligned substantially parallel and in particular identical are.
  • the reformer is optimally flows around during the start phase of the exhaust gases of the starting burner, thereby enabling a speedy achievement of the operating temperature of the reformer.
  • baffles cause turbulence of the exhaust stream from the starting burner, so that the manifold or other walls of the reformer are heated excessively uniformly and not an upstream surface of the reformer.
  • the manifold of the reformer at least partially on the shape of a cone or a truncated cone.
  • the conical or truncated cone shape further leads to a
  • the reformer is optimally flown inside with educt gas or reformer process gas.
  • Entry point into the reformer substantially 45 ° to 135 °, preferably 70 ° to 110 °, more preferably 80 ° to 100 °, and most preferably 90 °.
  • a tangent to the flow direction of the first line divides at one
  • Ratio 4 1, preferably 3: 1, more preferably 2: 1,
  • a second line supplies the burner with air, in particular cathode exhaust air
  • a third line supplies the burner with fuel gas, in particular substantially anode exhaust gas, wherein the third line opens downstream of the second line in the combustion chamber or the third
  • both gas streams are ideally mixed.
  • the third line may also be previously in the second line, whereby the fuel of the burner with the Oxidizing agent or the air is already mixed before the gases are introduced into the combustion chamber.
  • the angle between each of the flow direction of the second conduit and / or the third conduit and a central longitudinal axis of the burner at an entry point into the burner is substantially 45 ° to 135 °, preferably 70 ° to 110 °, more preferably 80 ° to 100 °, and most preferably 90 °.
  • the burner has a burner catalyst which is arranged in a thermally conductive manner around the reformer and / or the reformer has a reforming catalyst.
  • the improved heat dissipation prevents particularly hot zones (hot spots) in the two catalysts. This is particularly advantageous for heating the reforming catalyst.
  • sealing means such as a sealing mat, can be dispensed with, which additionally hinder the heat exchange.
  • a substrate of the burner catalyst carries the reformer.
  • the reforming catalyst overlaps with the burner catalyst in the axial direction a quarter, preferably one third, more preferably three quarters and most preferably completely or the overlap of the reformer is variable.
  • Reformer catalyst controls significantly the thermal conduction between the burner and the reformer.
  • Burner catalyst substantially 1: 1, preferably 1: 1.5,
  • the burner catalyst is then in relation to the
  • Reformer catalyst sized large enough, so that in the case of the maximum possible power, in particular a load shedding, no damage to the system caused by overheating.
  • the burner is at least partially disposed in an exhaust gas chamber and preferably has a central longitudinal axis, which is coaxial with the central longitudinal axis of the combustion chamber and / or the Manifolds.
  • the arrangement of the reformer unit in the exhaust chamber allows further isolation from the environment.
  • the reformer unit preferably comes in one
  • Power generation unit with a fuel cell a so-called fuel row system, in particular for a vehicle used.
  • Hydrocarbons which are already present in many vehicles in the form of diesel or gasoline, to operate a
  • Fuel cell can be used.
  • the reformer unit according to the invention is not limited to use in vehicles, but can also be used in purely stationary applications such as cogeneration plants in buildings.
  • FIG. 1 is a partially schematic process picture of a
  • Figure 2 shows a partially schematic cross section of
  • Fuel cell system with a first embodiment of a reformer unit according to the invention Fuel cell system with a first embodiment of a reformer unit according to the invention.
  • FIG. 3 shows a partially schematic, perspective cross-section of the first embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows a partially schematic, perspective cross section of a second embodiment of the reformer unit according to the invention.
  • FIG. 5 shows a partially schematic, perspective cross section of a third embodiment of the reformer unit according to the invention.
  • Figure 6 shows a schematic representation of the geometric
  • FIG. 7 shows a partially schematic cross section through the second embodiment of the reformer unit according to FIG. 4.
  • the functional principle of the reformer unit 1 according to the invention is explained as follows in an application in a fuel cell system 2 or a power generation unit with a fuel cell on the basis of the process picture according to FIG.
  • Hydrocarbon is supplied. Furthermore, with the air blower 29 via the air connection 33, the fuel cell system. 2
  • Air and the hydrocarbons are preferably in the
  • Start burner 11 heated and ignited. This heats the
  • the exhaust gas of the starting burner 11, which flows out of the combustion chamber 4 of the burner 3, is preferably passed through a heat exchanger 28 to the exhaust port 34, which is preferably an exhaust. Air is heated in the heat exchanger 28 and subsequently flows to the cathode K of the fuel cell stack 22a, 22b.
  • air is conveyed to the recirculation fan 30 in the reformer 5, where this by the exhaust gas of the
  • Start burner 11 is heated and then by a preferably present first distributor plate 20 and a preferably existing second distributor plate 27 to the anode A of the
  • Fuel cell stack 22a, 22b is passed.
  • the gas flows into the evaporator 26.
  • hydrocarbons are also pumped via the hydrocarbon pump 35a to the evaporator, which evaporate through the heated anode exhaust gas in the evaporator 26.
  • This gas mixture is preferably mixed with air in the recirculation blower 30 to reformer process gas, the educt gas, and introduced into the reformer 5 via a first line 6 through the combustion chamber 4, in which the process gas is further heated.
  • the reformer 5 is now preferably heated by the starting burner 11 so far that a reforming of the reformer process gas to hydrogen and by-products, the product gas, takes place.
  • This reformate is in turn passed via the distributor plate 27 to the anode of the fuel cell 2, where now the conversion of substantially hydrogen and oxygen to water and
  • the heated cathode exhaust air is passed into the combustion chamber 4 of the burner 3. A portion of the heated anode exhaust gas is preferably returned to the evaporator 26. Another part of the
  • Anode exhaust gas is passed into the combustion chamber 4 of the burner 3.
  • this anode exhaust gas is mixed with the cathode exhaust air and preferably reacted by means of a catalyst in an exothermic reaction.
  • Heat energy is used to heat the reformer 5.
  • the starting burner 11 may preferably now be turned off.
  • Reformer catalyst 21 is heated solely by the heat of the exothermic reaction in the fuel cell stack 22a, 22b and the exotherm Reaction in the burner 3 is activated, so that the overall process in the power generation unit is substantially adiabatic.
  • Fuel cell system 2 preferably has the burner 3 with the combustion chamber 4, the reformer 5 with the Manifold 7, the
  • the starting burner 11 with flame tube 12th is the starting burner 11 with flame tube 12th
  • a bypass line (not shown) may be provided from the starting burner 11 directly into the heat exchanger 28.
  • a bypass line (not shown) may be provided from the starting burner 11 directly into the heat exchanger 28.
  • Fig. 2 shows the structure of an embodiment of a
  • Reformer unit 1 by a plane containing the central longitudinal axis ZF of the flame tube 12 (Strich Louist), central longitudinal axis ZB of the burner 3 (dotted) and central longitudinal axis ZR of the reformer 5 (dashed).
  • the fuel cell system 2 has primarily facilities that serve for media supply, for interrupting the media supply or regulation of the media supply and / or for the preparation of the media. Exemplary of this are the
  • Hydrocarbon pumps 35a, 35b Preferably is also a
  • Heat exchanger 28 is present, which heats the intake air, before being supplied to the cathode K of the fuel cell stacks 22a, 22b.
  • the reformer unit 1 is arranged in the center of the fuel cell system 2. This essentially comprises the means for reforming or converting the hydrocarbons into reformate or process gas for the fuel cell stack 22a, 22b.
  • the reformer is preferably arranged in the combustion chamber 4 of the burner 3.
  • the burner 3 is in turn preferably arranged in an exhaust gas chamber 23, in which the exhaust gas of the burner 3 and / or the exhaust gas of the starting burner 11 is conducted to the heat exchanger 28.
  • the start burner 11 is used in particular to the
  • the evaporator 26 is arranged, which hydrocarbons in the of the
  • Fuel cell 2 recirculated anode exhaust gas evaporates before it is introduced into the reformer 5.
  • the starting burner 11 and / or the burner 3 serve to heat the reformer 5.
  • the exhaust gas chamber 23 in turn heats the outer wall of the burner 3 or additionally insulates the burner from the environment.
  • Exhaust gas chamber 23 simultaneously provides heat energy for vaporization of the hydrocarbons in evaporator 26.
  • Embodiment are from the reformer unit 1 on the
  • Fuel cell stacks 22a, 22b are preferably via the Distributor plate 20, 27 connected to the respective terminals of the reformer unit.
  • the reformer 5 preferably has a reforming catalyst 21 and the burner 3 has a burner catalytic converter 19.
  • the combustion chamber 4 and the exhaust chamber 23 is bounded by a wall 10b, which is at the same time a fixing plate.
  • a wall 10b which is at the same time a fixing plate.
  • these extend only to the wall and have another, separate
  • the walls of the combustion chamber 4 and / or the exhaust chamber 23 may also be arranged at a distance from a fixing plate.
  • the fuel cell system (2) of the illustrated embodiment has two fuel cell stacks 22a, 22b.
  • the fixation of these two fuel cell stacks 22a, 22b and / or the distribution of the process gas and the other media or removal of the cathode exhaust air and the anode exhaust gas is preferably carried out via the second distributor plate 27, which is connected to the distributor plate 20 to communicate in a fluid-communicating manner.
  • the fuel cell stacks 22a, 22b are preferably made of SOFC fuel cells, but others may be
  • Fuel cell types are used, such. Alkaline fuel cells, polymer electrolyte fuel cells, direct methanol fuel cells, formic acid fuel cells,
  • Phosphoric acid fuel cells Phosphoric acid fuel cells, molten carbonate fuel cells, direct carbon fuel cells and / or magnesium air fuel cells or a combination thereof.
  • the fuel cell system 2 for power generation is preferably surrounded by insulation, which is not shown in FIG.
  • a first embodiment of the reformer unit 1 according to the invention will now be described with reference to FIG. In this
  • both the reformer 5, the burner 3 and the starting burner 11 with its flame tube 12 have a cylindrical shape.
  • the respective central longitudinal axes ZR, ZB, ZF of the three components lie in this embodiment on each other or are coaxial. This leads to a concentric arrangement of the three components.
  • each of the three components may have a shape other than the cylindrical shape and the three components may
  • the hot exhaust gas of the starting burner 11 leaves it via the flame tube 12 and heats the combustion chamber 4 of the burner 3.
  • Reformers flows directly from the exhaust gas jet of the starting burner 11 and thereby heated.
  • the manifold 7 of the reformer 5 on this upstream surface 8 is preferably in the shape of a truncated cone or a cone to the exhaust gas flow from the starting burner 11 to the
  • Burner catalyst 19 evenly distribute, which the
  • Reformer 5 preferably surrounds.
  • unreacted hydrocarbons can be post-combusted and / or harmful exhaust gas substances are converted.
  • the exhaust gas flow preferably flows via exhaust gas openings 37 into the exhaust gas chamber 23 (not in FIG. 3)
  • the reformer 5 consists essentially of two
  • the manifold 7 with the upstream surface 8 and at least one lateral surface 9 forms a hollow body, in which via the first conduit 6, a process gas is introduced, which is to be reformed.
  • An upstream surface 8 and a lateral surface 9 can in this case also the respective
  • Section of the reformer 5 is essentially of this
  • Reforming catalyst 20 is formed. In the reforming catalyst 20, the catalytic reforming takes place. On the side facing away from the Manifold 7 leaves the reformed process gas, the
  • reformate the reformer 5 preferably on the
  • Homogeneity of the current flow of the surface of the reforming catalyst 20 depends largely on the geometry of the arrangement of the first conduit 6, which leads the process gas in the reformer 5, and the manifold 7 from.
  • this geometry is on the one hand on the solid angle ⁇ between a flow direction SR and the
  • this geometry is over a second solid angle in a plane perpendicular to the respective central longitudinal axis ZR; For example, lies, defined.
  • this solid angle ß at a Entry point 14; 17; 18 are determined.
  • FIG. 7 shows such a solid angle with respect to the flow direction SR2 of the second line 15. It has been found to be particularly advantageous to choose the solid angle ⁇ in a range of about 90 ° to 130 °, preferably between 100 ° and 120 ° and on
  • the ratio Sa: Sb is given as a parameter in which the flow direction SR or a tangent to this flow direction SR at the entry point 14; 17; 18 divides a distance S, which on the one hand between the central longitudinal axis ZR;
  • it is arranged.
  • flow direction SRI of the first line 6 intersects the longitudinal axis ZR of the reformer 5 or, in the case of a cylindrical reformer 5 or manifold 7, corresponds to the flow direction SRI of the tangent to the manifold 7 in the direction of rotation, as is pure
  • controlled introduction of the process gases into the burner 3 is also advantageous for thorough mixing and uniform distribution of the gas to be converted to the burner catalyst 19.
  • Ratios of the sections S2a, S2b; S3a, S3b of the S2, S3 routes such as those providing good results with respect to the reformer.
  • Anode exhaust gas substantially tangential to the surface of
  • Combustion chamber 4 i. S2a >> S2b and S3a >> S3b, above the respective ones
  • the substrate of the burner catalyst 19 is preferably made
  • Such substrates have a significantly higher
  • the substrate of the reforming catalyst 21 may be made of metal. Preferably, however, this is made of ceramic. For one thing is such a substrate is more favorable than a metal substrate and good thermal conductivity is less important in this reforming catalyst 21. On the other hand, the ceramic substrate has a better sulfur compatibility and can be used at process temperatures of up to 1000 ° C, which can be significant in extreme operating conditions of the reformer unit 1.
  • the outer shell of the reformer 5 is preferably also made of metal and is preferably connected to the substrate of
  • the reformer 5 is fixed at other locations.
  • other types of attachment for example with a press fit or an additional swelling mat.
  • the reformer 5 is fixed at other locations.
  • Thermal conductivity of the temperature profile (axial and radial) of the reformer and burner catalyst can be homogenized.
  • the degree of overlap may be fixed to a quarter, preferably to one third, more preferably to three quarters and most preferably to a complete overlap of the
  • Reforming catalyst 21 may be set by the burner catalyst.
  • the degree of overlap is variable and changeable during operation of the fuel cell system to adjust the heat exchange to the respective modes of operation.
  • Burner catalyst 19 can be ensured that the
  • Burner catalyst 21 is designed to burn the reformate in the event of a sudden load shedding without causing irreversible damage to the fuel cell system.
  • the ratio is substantially 1: 1, preferably 1: 1.5, more preferably 1: 2, even more preferably 1: 3, and most preferably 1: 3.7.
  • Embodiment a volume of 95,000ccm, the burner catalyst 21 of 358,000ccm on.
  • the reformer unit according to the invention in a partially schematic, perspective cross-sectional view of the reformer unit 1
  • the flame tube 12 of the starting burner 11, the reformer 5 and the Reformermanifold 7 and the combustion chamber 4 of the burner 3 are cylindrical and more preferably concentric with coaxial centric
  • the air supply but also perpendicular to the surface for e'ine particularly good
  • Mixing be introduced into the mixture formation space.
  • a difference from the first embodiment is that the surface 10 b of the combustion chamber is formed or reinforced by a fixing plate used in the fuel cell system 2 for
  • the flame tube can also be flush on the surface 10b of the combustion chamber 4 with the surface 10b of the combustion chamber 4
  • the process gas via the first line 6 as long as possible in the burner chamber 4 is performed in order to transfer the heat energy present in the burner 3 also on this gas
  • the reforming catalyst 21 is not shown.
  • the third line 16 which directs anode exhaust gas into the burner, preferably not directly into the combustion chamber 4 but in the second line 15 opens, which air, preferably cathode exhaust air, into the burner chamber 4 leads. This allows an even better mixing of the
  • preferably cylindrical combustion chamber 4 is the
  • Flow direction SR2 then perpendicular to the surface of the combustion chamber 4.
  • the gas mixture occurs with a
  • FIG. 5 The embodiment illustrated in FIG. 5 in a partially schematic perspective cross-sectional view is shown in FIG.
  • Embodiment can be combined with the embodiments of the first and second embodiments in any way.
  • this embodiment differs from the second embodiment in that between the flame tube 12 of the burner 11 and the upstream surface 8 of the burner
  • Manifolds 7 of the burner 5 deflection means 13, are provided.
  • the deflection means 13 are held in position by a fixing means 31 in the combustion chamber 4 of the burner 3.
  • the deflection means 13 is a metal sheet, which is preferably formed as a ball cap, as shown in Figure 5.
  • the deflection means 13 may be formed as any other two- or three-dimensional structure, such as a plate or as a pyramid and / or consist of other refractory materials.
  • the deflection means 13 recesses, through which a fluid, in particular the exhaust gas of the starting burner 11 can flow. These recesses are preferably, as shown in Figure 5, formed as holes.
  • the deflection means 13 serve to ensure that the outer walls of the manifold 7, in particular the upstream surface 8 and the at least one lateral surface 9, be heated evenly.
  • the deflection means does not cause overheating in this area and the exhaust gas is distributed homogeneously over the burner catalyst 19.

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Abstract

The invention relates to a reformer unit (1), in particular for a fuel cell system (2), having a burner (3) which comprises a combustion chamber (4), and a reformer (5) which is arranged at least in part in the combustion chamber (4), and a first conduit (6) which supplies the reformer (5) with process gas, which comprises in particular recirculated anode off-gas and hydrocarbons. According to the invention, the reformer (5) comprises a manifold (7) into which the first conduit (6) opens out.

Description

Reformereinheit für Brennstoffzellensystem  Reformer unit for fuel cell system
Die Erfindung betrifft eine Reformereinheit, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, mit einem Brenner, welcher eine Brennkammer aufweist, einem Reformer, welcher zumindest teilweise in der The invention relates to a reformer unit, in particular for a fuel cell system, with a burner, which has a combustion chamber, a reformer, which at least partially in the
Brennkammer angeordnet ist und einer ersten Leitung, die den Combustion chamber is arranged and a first line, the
Reformer mit Prozessgas, welches insbesondere rezirkuliertes Reformer with process gas, which in particular recirculated
Anodenabgas und Kohlenwasserstoffe aufweist, versorgt. Anode exhaust gas and hydrocarbons has supplied.
Eine solche Reformereinheit kann beispielsweise in einem Such a reformer unit can, for example, in a
Energieerzeugungsaggregat mit einer Brennstoffzelle zum Einsatz kommen, welche mit Kohlenwasserstoffen und nicht mit reinem Energy generating unit are used with a fuel cell, which with hydrocarbons and not with pure
Wasserstoff betrieben werden. Solche Brennstoffzellensysteme bilden eine kompakte und effiziente Energiequelle, insbesondere zur Be operated hydrogen. Such fuel cell systems form a compact and efficient energy source, in particular for
Bereitstellung von elektrischer und/oder thermischer Energie. Provision of electrical and / or thermal energy.
Insbesondere bei Lastkraftwagen, welche - wie zum Beispiel in den USA - große Strecken zurücklegen, auf welchen der Fahrer in dem Führerhaus der LKWs wohnt, wird elektrische Energie während der Standzeiten, z. B. während der Pausen des LKWs oder während des Schlafs des LKW-Fahrers, benötigt. Die Energie dient dazu, um in dem LKW die Haustechnik (wie zum Beispiel eine Heizung) , In particular, in trucks, which - as for example in the US - travel long distances, on which the driver lives in the cab of the trucks, electrical energy during the downtime, z. B. during the breaks of the truck or during the sleep of the truck driver needed. The energy is used to power the truck in the truck (such as a heater),
Multimediatechnik (wie zum Beispiel Radio, Fernseher und Multimedia technology (such as radio, TV and
dazugehörige Empfangsgeräte) sowie auch Licht bereitstellen zu können . associated receivers) as well as to provide light.
Bislang wird die hierzu benötigte Energie durch das sogenannte „Idling" erzeugt. Das heißt, während der Standzeit des LKWs läuft dessen Maschine, entweder konstant oder in gewissen Intervallen, im Leerlauf, um über die Lichtmaschine die benötigte Energie zu erzeugen. Bekannt sind aus dem Stand der Technik auch kleine So far, the energy required for this purpose is generated by the so-called "idling." That is, during the life of the truck running its engine, either constantly or at certain intervals, idle to produce the required energy via the alternator State of the art even small
Verbrennungsmotoren, die einen Generator antreiben und zusätzlich an Bord eines solchen LKWs, allein zum Erzeugen von Energie während der Standzeiten des LKWs, angeordnet sind. Internal combustion engines that drive a generator and in addition are aboard such a truck, solely for generating energy during the life of the truck, are arranged.
Der Wirkungsgrad solcher Systeme in Bezug auf die erzeugte The efficiency of such systems in relation to the generated
elektrische Energie ist gering, da bei dem Umsetzungsprozess des Diesels in den Verbrennungskraftmaschinen naturgemäß ein hoher Energieverlust durch Erzeugung von Wärme im Verbrennungsprozess und durch Reibung bei der mechanischen Bewegung der Welle entsteht. Electrical energy is low, since in the conversion process of the diesel engine in the internal combustion naturally a high energy loss caused by generation of heat in the combustion process and by friction in the mechanical movement of the shaft.
Durch den geringen Wirkungsgrad wird nicht nur Energie The low efficiency is not only energy
verschwendet, sondern es entstehen auch große Mengen von wastes, but also large quantities of
Emissionen, welche die Umwelt belasten. Des Weiteren stellen laufende Verbrennungskraftmaschinen bei stehenden bzw. durch externe Kraftquelle angetriebenen Fahrzeugen eine beträchtliche Lärmquelle dar. Schließlich verursacht das „Idling" auch hohe Kosten, da unnötig viel Brennstoff verbraucht wird und die Emissions that pollute the environment. Furthermore, running internal combustion engines in standing or powered by external power source vehicles represent a significant source of noise. Finally, the "idling" also causes high costs, since unnecessarily much fuel is consumed and the
Betriebsstundenzahl der Lastkraftwagen unter Umständen unnötig in die Höhe getrieben wird. Operating hours of trucks may be unnecessarily increased.
Aus dem Stand der Technik sind Energieerzeugungsaggregate bekannt, die mittels einer Brennstoffzelle elektrische Energie erzeugen. Der Wirkungsgrad von Brennstoffzellen ist wesentlich günstiger als jener von Verbrennungskraftmaschinen, da die chemische From the prior art power generation units are known which generate electrical energy by means of a fuel cell. The efficiency of fuel cells is much cheaper than that of internal combustion engines, as the chemical
Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels direkt in elektrische Energie gewandelt wird, ohne Energieverluste, die durch eine Kopplung Reaction energy of a continuously supplied fuel and an oxidizing agent is converted directly into electrical energy, without energy losses caused by a coupling
Verbrennungsmotor/Generator bzw. den Umweg über eine mechanische Bewegung entstehen. Combustion engine / generator or detour via a mechanical movement arise.
Brennstoffzellen benötigen jedoch Wasserstoff in Reinform, However, fuel cells require pure hydrogen,
Methanol, Ameisensäure, Methan oder Ähnliches als Brennstoff. Methanol, formic acid, methane or the like as a fuel.
Langkettige Kohlenwasserstoffe wie Diesel oder Benzin, die in einem LKW unmittelbar verfügbar sind, können nicht direkt von den gängigen Brennstoffzellenarten verarbeitet werden. Long-chain hydrocarbons, such as diesel or gasoline, that are readily available in a truck can not be directly processed by the common fuel cell types.
Um keinen gesonderten Brennstoff in den Fahrzeugen mitführen zu müssen, sind im Stand der Technik Systeme mit Reformern In order not to have to carry any separate fuel in the vehicles, are in the art systems with reformers
beschrieben, mit welchen Kohlenwasserstoffe zunächst zu von Brennstoffzellen verarbeitbaren Prozessgasen reformiert und erst danach von einer Brennstoffzelle verarbeitet werden. Diese Systeme benötigen zur Reformierung der Kohlenwasserstoffe allerdings viel Energie, was wiederum den Wirkungsgrad des Systems schmälert. described with which hydrocarbons initially to from Fuel cell processable process gases reformed and only then be processed by a fuel cell. However, these systems require a lot of energy to reform the hydrocarbons, which in turn reduces the efficiency of the system.
Um den Wirkungsgrad eines solchen Systems zur Energieerzeugung zu steigern, offenbart die DE 10 2007 039 594 AI daher zum einen, den Reformer und weitere Elemente, die zur Reformierung nötig sind, sowie einen Brennstoffzellenstapel in kompakter Bauweise in einer gemeinsamen Außenisolierung anzuordnen. Weiterhin schlägt diese Druckschrift vor, Anodenabgas in den Reformer zu rezirkulieren, um die in dem Abgas enthaltene Wärmeenergie auszunutzen und die darin enthaltenen chemischen Stoffe zur Reformierung einzusetzen. Der Reformer ist hierzu in einer zylindrischen Brennkammer eines In order to increase the efficiency of such a system for generating energy, DE 10 2007 039 594 A1 therefore discloses on the one hand, the reformer and other elements that are necessary for reforming, and to arrange a fuel cell stack in a compact design in a common external insulation. Furthermore, this document proposes to recycle anode exhaust gas into the reformer in order to utilize the heat energy contained in the exhaust gas and to use the chemical substances contained therein for reforming. The reformer is this purpose in a cylindrical combustion chamber of a
Flammenbrenners angeordnet, um den Reformer in der Startphase zu erwärmen. Durch die Beaufschlagung der Reformerwand mit heißem Gas wird diese beheizt und im Reformer stellt sich eine homogene Flame burner arranged to heat the reformer in the starting phase. By applying the reformer wall with hot gas, this is heated and the reformer is a homogeneous
Temperaturverteilung ein, die eine effiziente Reformierung Temperature distribution, which is an efficient reforming
gewährleistet . guaranteed.
Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, eine Reformereinheit mit einem solchen Reformer bereitzustellen, welche kompakt ist, universell einsetzbar ist und energieeffizient arbeitet. The present invention has for its object to provide a reformer unit with such a reformer, which is compact, universally applicable and energy-efficient.
Diese Aufgabe wird durch eine Reformereinheit gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beansprucht . This object is achieved by a reformer unit according to claim 1. Advantageous embodiments of the invention are claimed in the dependent claims.
Ein Brenner im Sinne der Erfindung ist eine Vorrichtung zur A burner according to the invention is a device for
Ausführung einer Verbrennung, d.h. einer Redoxreaktion, die unter Abgabe von Energie in Form von Wärme und Licht, also exotherm, abläuft . Execution of a combustion, i. a redox reaction that proceeds with the release of energy in the form of heat and light, ie exothermic.
Eine Brennkammer im Sinne der Erfindung dient zur Verbrennung und/oder Durchmischung von Brennstoff und Oxidationsmittel . A combustion chamber in the context of the invention is used for combustion and / or mixing of fuel and oxidant.
Eine Reformierung im Sinne des Patents ist jede Art von A reform in the sense of the patent is any kind of
Reformierung bzw. Reforming zur Erzeugung von einem Synthesegas, welches zumindest Wasserstoff enthält, insbesondere Reforming or reforming for the production of a synthesis gas, which contains at least hydrogen, in particular
Dampfreformierung bzw. -reforming. Ein Reformer ist dementsprechend eine Vorrichtung zur Reformierung.  Steam reforming or reforming. A reformer is accordingly an apparatus for reforming.
Ein Manifold im Sinne der Erfindung ist ein Teil des Gehäuses des Reformers. Das Manifold dient insbesondere dazu, ein Prozessgas zu einem Reformerkatalysator zu leiten, dieses zu durchmischen und/oder homogen über der Fläche eines Reformerkatalysators zu verteilen. Bevorzugt ist das Manifold dabei als Anschlussstück ausgebildet und kann als Verteiler oder Prozessgasverteiler bezeichnet werden. A manifold according to the invention is a part of the housing of the reformer. The manifold serves, in particular, to conduct a process gas to a reforming catalyst, to mix it and / or to distribute it homogeneously over the surface of a reforming catalyst. Preferably, the manifold is designed as a connection piece and can be referred to as distributor or process gas distributor.
Eine Brennstoffzelle im Sinne der Erfindung ist eine galvanische Zelle, die die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Um eine höhere Spannung zu erhalten, werden üblicherweise mehrere Zellen zu einem Stack (engl, für 'Stapel') in Reihe geschaltet. A fuel cell according to the invention is a galvanic cell, which converts the chemical reaction energy of a continuously supplied fuel and an oxidizing agent into electrical energy. In order to obtain a higher voltage, usually several cells are connected in series to a stack (engl., For 'stack').
Stromaufwärts im Sinne der Erfindung bedeutet, in Stromrichtung eines Fluids, insbesondere eines Prozessgases, vorstehend Upstream within the meaning of the invention, in the flow direction of a fluid, in particular a process gas, above
angeordnet. Stromabwärts bedeutet erfindungsgemäß dementsprechend nachstehend angeordnet. arranged. Downstream according to the invention accordingly arranged below.
Eine Strömungsrichtung im Sinne der Erfindung ist die A flow direction in the context of the invention is the
vorherrschende Richtung der Bewegung eines Fluids, welche sich aus der Überlagerung der verschiedenen Bewegungskomponenten der predominant direction of movement of a fluid resulting from the superposition of the various components of motion of the fluid
Moleküle des Fluids ergibt. Molecules of the fluid results.
Eine Längsachse im Sinne der Erfindung ist jene Achse eines A longitudinal axis in the sense of the invention is that axis of a
Körpers, die der Richtung seiner größten Ausdehnung und/oder seiner Symmetrieachse entspricht. Eine zentrale Längsachse ist Body corresponding to the direction of its greatest extent and / or its axis of symmetry. A central longitudinal axis is
dementsprechend die Längsachse im Zentrum eines Körpers . Rein beispielhaft entspricht diese bei einem Zylinder der Accordingly, the longitudinal axis in the center of a body. Purely by way of example, this corresponds to a cylinder of
Symmetrieachse . Symmetry axis.
Ablenkmittel im Sinne der Erfindung sind Mittel zur Unterbrechung bzw. Verwirbelung eines Fluidstroms . Eine Überlappung im Sinne der Erfindung ist ein Überstand in einer definierten Richtung. Deflection means in the sense of the invention are means for interrupting or swirling a fluid flow. An overlap in the sense of the invention is a projection in a defined direction.
Ein Durchströmungsvolumen ist das Volumen, welches einem Fluid beim Durchströmen einer Vorrichtung zur Verfügung steht . A flow volume is the volume which is available to a fluid as it flows through a device.
Eine Prozesstemperatur im Sinne der Erfindung ist die Temperatur, welche in einer Einrichtung beim Ausführen eines jeweiligen A process temperature in the sense of the invention is the temperature which in a device when executing a respective
Teilprozesses im Normalbetrieb erreicht wird. Subprocess is achieved in normal operation.
Eine Isolation im Sinne der Erfindung ist jede Art von Isolation in the sense of the invention is any type of
Wärmedämmung, um den Durchgang von Wärmeenergie zu reduzieren. Thermal insulation to reduce the passage of heat energy.
Adiabat im Sinne der Erfindung bedeutet, dass bei dem Gesamtprozess des Energieerzeugungsaggregats sowohl exotherme wie auch endotherme Reaktionen parallel verlaufen, sodass der Gesamtprozess im Adiabatic in the sense of the invention means that in the overall process of the power generation unit, both exothermic and endothermic reactions take place in parallel, so that the overall process in the
Wesentlichen unabhängig von äußerer Wärmezufuhr ist und ein großer Teil, insbesondere mehr als 25%, bevorzugt mehr als 30%, am bevorzugtesten mehr als 40%, der in den zugeführten Substantially independent of external heat input and a large part, in particular more than 25%, preferably more than 30%, most preferably more than 40%, in the supplied
Kohlenwasserstoffen enthaltenen Energie in elektrische Energie umgesetzt wird. Hydrocarbon-containing energy is converted into electrical energy.
Insbesondere weist die erfindungsgemäße Reformereinheit ein In particular, the reformer unit according to the invention has a
Manifold auf, in welches eine erste Leitung mit Prozessgas für den Reformer mündet. Durch das Manifold wird in dem Reformer der erfindungsgemäßen Reformereinheit eine bessere Durchmischung des Brennstoffs und des Trägergases, welche das Prozessgas bilden, erreicht, bevor dieses von einem Reformerkatalysator in Reformat umgesetzt wird. Weiterhin wird durch die Vorschaltung des Manifolds eine homogene Verteilung des an einer stromaufwärts angeordneten Fläche des Manifolds eingebrachten Prozessgases auf eine Manifold, in which a first line with process gas for the reformer opens. By the manifold in the reformer of the reformer unit according to the invention a better mixing of the fuel and the carrier gas, which form the process gas, achieved before it is converted by a reforming catalyst in reformate. Furthermore, by the upstream of the manifold a homogeneous distribution of the introduced at an upstream surface of the manifold process gas to a
stromabwärts angeordnete Anströmfläche des Reformerkatalysators erreicht . downstream arranged inflow surface of the reforming catalyst achieved.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Reformereinheit ist die mindestens eine Außenfläche des Manifolds beabstandet von der jeweils gegenüberliegenden Oberfläche der Brennkammer angeordnet. Durch die Beabstandung der Außenfläche des Manifolds von den In an advantageous embodiment of the reformer unit, the at least one outer surface of the manifold is spaced from the respective opposite surface of the combustion chamber. By the spacing of the outer surface of the manifold of the
Oberflächen der Brennkammer wird zum einen eine optimale Umstromung des Reformers mit in der Brennkammer verbrannten Brenngas und den Abgasen gewährleistet. Hierdurch kann der Reformer in einer Surfaces of the combustion chamber is on the one hand ensures optimum flow around the reformer with combusted in the combustion chamber fuel gas and the exhaust gases. This allows the reformer in one
Startphase eines Brennstoffzellensystems zügig auf Starting phase of a fuel cell system quickly on
Betriebstemperatur gebracht werden. Weiterhin gewährleistet eine Beabstandung zu den Oberflächen der Brennkammer, dass der Reformer bzw. das Manifold des Reformers zu allen Seiten hin optimal thermisch isoliert ist. Operating temperature to be brought. Furthermore, a spacing to the surfaces of the combustion chamber ensures that the reformer or the manifold of the reformer is optimally thermally insulated on all sides.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die In a further advantageous embodiment, the
Reformereinheit einen Startbrenner auf, dessen Abgas in den Brenner einführbar ist. Reformer unit to a starting burner, the exhaust gas is inserted into the burner.
Der Startbrenner sorgt während der Startphase des The starting burner provides during the starting phase of the
Brennstoffzellensystems für ein beschleunigtes Erreichen der Fuel cell system for accelerated reaching the
Betriebstemperatur . Operating temperatur .
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Reformereinheit ragt ein Flammrohr des Startbrenners in die Brennkammer hinein. In a further advantageous embodiment of the reformer unit, a flame tube of the starting burner protrudes into the combustion chamber.
Durch das Hineinragen des Flammrohrs in die Brennkammer kann das heiße Abgas des Startbrenners während der Startphase gezielt auf den Reformer gerichtet werden. Anodenabgas und/oder Kathodenabluft der Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems , welche während der Startphase noch nicht die zur Herbeiführung der Reformierung benötigten Temperaturen aufweisen, werden dagegen in die äußeren Bereiche der Brennkammer gedrängt, wo sie im Wesentlichen mit den Wänden der Brennkammer in Kontakt kommen, nicht jedoch mit dem Manifold und/oder anderen Oberflächen des Reformers. By projecting the flame tube into the combustion chamber, the hot exhaust gas of the starting burner can be aimed at the reformer during the starting phase. Anode exhaust gas and / or cathode exhaust air of the fuel cell of a fuel cell system, which during the start-up phase does not yet have the temperatures required to bring about the reforming, however, are forced into the outer regions of the combustion chamber, where they essentially come into contact with the walls of the combustion chamber, but not with the manifold and / or other surfaces of the reformer.
In der Brennkammer, insbesondere in den äußeren Bereichen findet eine Durchmischung aller Gase statt, was am Beginn der Aufheizphase den Vorteil hat, dass das heiße Abgas des Startbrenners zunächst gekühlt wird und das Material, welches noch nicht auf In the combustion chamber, in particular in the outer regions, a thorough mixing of all gases takes place, which at the beginning of the heating phase has the advantage that the hot exhaust gas of the starting burner is first cooled and the material, which is not yet on
Betriebstemperatur ist, nicht zu stark beansprucht. Mit zunehmender Zeit heizen sich die Gase die vom Brenstoffzellenstapel kommend auf und haben eine immer geringere Kühlwirkung. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Reformereinheit sind der Reformer, der Brenner und/oder der Startbrenner in der Weise angeordnet, dass eine zentrale Längsachse des Reformers, eine zentrale Längsachse des Brenners und/oder eine zentrale Längsachse des Startbrenners im Wesentlichen parallel ausgerichtet und insbesondere identisch sind. Operating temperature is not too high stress. As time goes by, the gases that come from the fuel cell stack heat up and have less and less cooling effect. In a further advantageous embodiment of the reformer unit of the reformer, the burner and / or the starting burner are arranged in such a way that a central longitudinal axis of the reformer, a central longitudinal axis of the burner and / or a central longitudinal axis of the starting burner aligned substantially parallel and in particular identical are.
Wenn die zentralen Längsachsen des Reformers und des Brenners parallel ausgerichtet sind, ermöglicht dies eine besonders kompakte Anordnung der beiden Bauteile und somit auch eine kompakte If the central longitudinal axes of the reformer and the burner are aligned in parallel, this allows a particularly compact arrangement of the two components and thus also a compact
Ausführung der Reformereinheit. Sind die zentralen Längsachsen gar koaxial, so wird weiterhin die Isolation des Reformers gegenüber der Umwelt optimiert. Ist auch die zentrale Längsachse des Execution of the reformer unit. If the central longitudinal axes are even coaxial, the isolation of the reformer against the environment will continue to be optimized. Is also the central longitudinal axis of the
Flammrohrs koaxial ausgerichtet, so wird der Reformer während der Startphase optimal von den Abgasen des Startbrenners umströmt und dadurch ein zügiges Erreichen der Betriebstemperatur des Reformers ermöglicht . Flame tube coaxially aligned, the reformer is optimally flows around during the start phase of the exhaust gases of the starting burner, thereby enabling a speedy achievement of the operating temperature of the reformer.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Reformereinheit sind zwischen dem Flammrohr und dem Reformer Ablenkmittel In a further advantageous embodiment of the reformer unit are between the flame tube and the reformer deflection
angeordnet . arranged.
Solche Ablenkmittel erzeugen eine Verwirbelung des Abgasstroms aus dem Startbrenner, so dass das Manifold bzw. die anderen Wandungen des Reformers gleichmäßig und nicht eine stromaufwärts angeordnete Fläche des Reformers übermäßig erhitzt wird. Such baffles cause turbulence of the exhaust stream from the starting burner, so that the manifold or other walls of the reformer are heated excessively uniformly and not an upstream surface of the reformer.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Reformereinheit weist das Manifold des Reformers zumindest teilweise die Form eines Kegels oder eines Kegelstumpfes auf. In a further advantageous embodiment of the reformer unit, the manifold of the reformer at least partially on the shape of a cone or a truncated cone.
Die Kegel- bzw. Kegelstumpfform führt weiterhin zu einer The conical or truncated cone shape further leads to a
optimierten Umströmung des Reformers mit Brenngas bzw. Abgas aus dem Startbrenner. Zusätzlich wird der Reformer innen optimal mit Eduktgas bzw. Reformerprozessgas angeströmt. optimized flow around the reformer with fuel gas or exhaust gas from the starting burner. In addition, the reformer is optimally flown inside with educt gas or reformer process gas.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Reformereinheit beträgt ein Winkel zwischen der Strömungsrichtung der ersten Leitung und einer zentralen Längsachse des Reformers an einer In a further advantageous embodiment of the reformer unit, an angle between the flow direction of the first Line and a central longitudinal axis of the reformer on a
Eintrittsstelle in den Reformer im Wesentlichen 45° bis 135°, bevorzugt 70° bis 110°, noch bevorzugter 80° bis 100° und am bevorzugtesten 90° . Entry point into the reformer substantially 45 ° to 135 °, preferably 70 ° to 110 °, more preferably 80 ° to 100 °, and most preferably 90 °.
Durch die Einstellung des Winkels kann eine optimale Verwirbelung des Prozessgases in dem Manifold des Reformers erreicht werden. By adjusting the angle, an optimal turbulence of the process gas in the manifold of the reformer can be achieved.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung teilt eine Tangente an die Strömungsrichtung der ersten Leitung an einer In a further advantageous embodiment, a tangent to the flow direction of the first line divides at one
Eintrittsstelle in den Reformer eine Strecke zwischen einer Entry into the reformer a stretch between one
zentralen Längsachse des Manifolds und der mindestens einen central longitudinal axis of the manifold and the at least one
seitlichen Fläche, welche im Wesentlichen senkrecht zu der Tangente und der zentralen Längsachse des Manifolds angeordnet ist, im lateral surface, which is arranged substantially perpendicular to the tangent and the central longitudinal axis of the manifold, in
Verhältnis 4:1, bevorzugt 3:1, besonders bevorzugt 2:1, Ratio 4: 1, preferably 3: 1, more preferably 2: 1,
bevorzugter 1:1, noch bevorzugter 1:2, noch bevorzugter 1:3 und am bevorzugtesten 1:4 oder schneidet im Wesentlichen die zentrale Längsachse des Manifolds. more preferably 1: 1, more preferably 1: 2, even more preferably 1: 3, and most preferably 1: 4, or substantially intersects the central longitudinal axis of the manifold.
Auch durch die Variierung der Strömungsrichtung des Prozessgases aus der ersten Leitung in Bezug auf eine zur zentralen Längsachse senkrechten Richtung des Reformers kann eine optimale Durchmischung und gleichmäßige Anströmung des Reformerkatalysators erreicht werden . Also, by varying the flow direction of the process gas from the first conduit with respect to a direction perpendicular to the central longitudinal axis of the reformer direction optimal mixing and uniform flow of the reforming catalyst can be achieved.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung versorgt eine zweite Leitung den Brenner mit Luft, insbesondere Kathodenabluft, und eine dritte Leitung versorgt den Brenner mit Brenngas, insbesondere im Wesentlichen Anodenabgas, wobei die dritte Leitung stromabwärts der zweiten Leitung in die Brennkammer mündet oder die dritte In a further advantageous embodiment, a second line supplies the burner with air, in particular cathode exhaust air, and a third line supplies the burner with fuel gas, in particular substantially anode exhaust gas, wherein the third line opens downstream of the second line in the combustion chamber or the third
Leitung in die zweite Leitung, welche in die Brennkammer mündet, mündet . Line in the second line, which opens into the combustion chamber, opens.
Durch das Anordnen der dritten Leitung, welche das Anodenabgas in den Brenner einbringt stromabwärts der zweiten Leitung, welche die Kathodenabluft einbringt, werden beide Gasströme ideal durchmischt. Alternativ kann die dritte Leitung auch schon zuvor in die zweite Leitung münden, wodurch der Brennstoff des Brenners mit dem Oxidationsmittel bzw. der Luft schon durchmischt wird, bevor die Gase in die Brennkammer eingebracht werden. By arranging the third conduit, which introduces the anode exhaust gas into the burner, downstream of the second conduit, which introduces the cathode exhaust air, both gas streams are ideally mixed. Alternatively, the third line may also be previously in the second line, whereby the fuel of the burner with the Oxidizing agent or the air is already mixed before the gases are introduced into the combustion chamber.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung beträgt der Winkel zwischen jeweils der Strömungsrichtung der zweiten Leitung und/ode der dritten Leitung und einer zentralen Längsachse des Brenners an einer Eintrittsstelle in den Brenner im Wesentlichen 45° bis 135°, bevorzugt 70° bis 110°, noch bevorzugter 80° bis 100° und am bevorzugtesten 90° . In a further advantageous embodiment, the angle between each of the flow direction of the second conduit and / or the third conduit and a central longitudinal axis of the burner at an entry point into the burner is substantially 45 ° to 135 °, preferably 70 ° to 110 °, more preferably 80 ° to 100 °, and most preferably 90 °.
Durch die Variierung der Strömungsrichtung des Prozessgases aus de zweiten und/oder dritten Leitung in Bezug auf eine zur zentralen Längsachse senkrechten Richtung des Brenners kann eine optimale Durchmischung und gleichmäßige Anströmung des Brennerkatalysators erreicht werden. By varying the flow direction of the process gas from the second and / or third line with respect to a direction perpendicular to the central longitudinal axis of the burner direction optimal mixing and uniform flow of the burner catalyst can be achieved.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Reformereinheit weist der Brenner einen Brennerkatalysator auf, der thermisch leitend um den Reformer herum angeordnet ist und/oder der Reformer weist einen Reformerkatalysator auf. In a further advantageous embodiment of the reformer unit, the burner has a burner catalyst which is arranged in a thermally conductive manner around the reformer and / or the reformer has a reforming catalyst.
Durch die thermisch leitende Anordnung des Brennerkatalysators auf einer Oberfläche des Reformers wird eine optimale Übertragung thermischer Energie aus dem Brenner in den Reformer, insbesondere während der Startphase, erreicht. Dadurch können einerseits der Wärmetransport zwischen dem Oxidationskatalysator und dem Due to the thermally conductive arrangement of the burner catalyst on a surface of the reformer optimal transfer of thermal energy from the burner in the reformer, especially during the startup phase is achieved. As a result, on the one hand, the heat transfer between the oxidation catalyst and the
Reformerkatalysator und andererseits die Temperaturprofile (axial und radial) im Reformerkatalysator und/oder im Brennerkatalysator homogenisiert werden. Durch die verbesserte Wärmeableitung werden besonders heiße Zonen (Hot Spots) in den beiden Katalysatoren verhindert. Dies ist besonders Vorteilhaft zum Hochheizen des Reformerkatalysators. Durch zusätzlich direktes Anschweißen der Substrate des Brennerkatalysators und des Reformerkatalysators an der Außenwand des Reformers können Dichtmittel, wie zum Beispiel eine Dichtmatte entfallen, die zusätzlich den Wärmeaustausch behindern . In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Reformereinheit trägt ein Substrat des Brennerkatalysators den Reformer. Reformer catalyst and on the other hand, the temperature profiles (axial and radial) are homogenized in the reforming catalyst and / or in the burner catalyst. The improved heat dissipation prevents particularly hot zones (hot spots) in the two catalysts. This is particularly advantageous for heating the reforming catalyst. By additionally directly welding the substrates of the burner catalyst and the reforming catalyst to the outer wall of the reformer, sealing means, such as a sealing mat, can be dispensed with, which additionally hinder the heat exchange. In a further advantageous embodiment of the reformer unit, a substrate of the burner catalyst carries the reformer.
Hierdurch brauchen keine weiteren Fixierungsmittel für den Reformer vorgesehen werden. As a result, no further fixing means for the reformer need to be provided.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Reformereinheit überlappt sich der Reformerkatalysator mit dem Brennerkatalysator in axialer Richtung ein Viertel, bevorzugt ein Drittel, besonders bevorzugt drei Viertel und am bevorzugtesten vollständig oder die Überlappung der Reformer ist variabel . In a further advantageous embodiment of the reformer unit, the reforming catalyst overlaps with the burner catalyst in the axial direction a quarter, preferably one third, more preferably three quarters and most preferably completely or the overlap of the reformer is variable.
Die Überlappung des Brennerkatalysators und des The overlap of the burner catalyst and the
Reformerkatalysators regelt maßgeblich die thermische Leitung zwischen dem Brenner und dem Reformer. Reformer catalyst controls significantly the thermal conduction between the burner and the reformer.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Reformereinheit beträgt das Verhältnis des Durchströmungsvolumens des In a further advantageous embodiment of the reformer unit, the ratio of the flow volume of the
Reformerkatalysators zu dem Durchströmungsvolumens des Reforming catalyst to the flow volume of the
Brennerkatalysators im Wesentlichen 1:1, bevorzugt 1:1,5, Burner catalyst substantially 1: 1, preferably 1: 1.5,
bevorzugter 1:2, noch bevorzugter 1:3 und am bevorzugtesten 1:3,7. more preferably 1: 2, more preferably 1: 3, and most preferably 1: 3.7.
Der Brennerkatalysator ist dann in Bezug auf den The burner catalyst is then in relation to the
Reformerkatalysator groß genug dimensioniert, so dass im Falle der maximal möglichen Leistung, insbesondere eines Lastabwurfs, keine Schäden an dem System durch Überhitzung entstehen.  Reformer catalyst sized large enough, so that in the case of the maximum possible power, in particular a load shedding, no damage to the system caused by overheating.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Reformereinheit ist der Brenner zumindest teilweise in einer Abgaskammer angeordnet und bevorzugt weist dieser eine zentrale Längsachse auf, die zu der zentralen Längsachse der Brennkammer und/oder des Manifolds koaxial ist . In a further advantageous embodiment of the reformer unit, the burner is at least partially disposed in an exhaust gas chamber and preferably has a central longitudinal axis, which is coaxial with the central longitudinal axis of the combustion chamber and / or the Manifolds.
Die Anordnung der Reformereinheit in der Abgaskammer ermöglicht eine weitere Isolation gegenüber der Umwelt. The arrangement of the reformer unit in the exhaust chamber allows further isolation from the environment.
Die Reformereinheit kommt bevorzugt in einem The reformer unit preferably comes in one
Energieerzeugungsaggregat mit einer Brennstoffzelle, einem sogenannten BrennstoffZeilensystem, insbesondere für ein Fahrzeug, zum Einsatz. Power generation unit with a fuel cell, a so-called fuel row system, in particular for a vehicle used.
Ein solches Energieerzeugungsaggregat hat zum Vorteil, dass Such a power generation unit has the advantage that
Kohlenwasserstoffe, welche in vielen Fahrzeugen ohnehin in Form von Diesel oder Benzin vorhanden sind, zum Betrieb einer Hydrocarbons, which are already present in many vehicles in the form of diesel or gasoline, to operate a
Brennstoffzelle verwendet werden können. Fuel cell can be used.
Die erfindungsgemäße Reformereinheit ist jedoch nicht auf den Einsatz in Fahrzeugen beschränkt, sondern kann auch bei rein stationären Anwendungen wie beispielweise Blockheizkraftwerken in Gebäuden Verwendung finden. However, the reformer unit according to the invention is not limited to use in vehicles, but can also be used in purely stationary applications such as cogeneration plants in buildings.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Further advantages, features and applications of the
vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden The present invention will become apparent from the following
Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Description in connection with the figures.
Figur 1 ist ein teilweise schematisches Prozessbild eines FIG. 1 is a partially schematic process picture of a
Brennstoffzellensystems mit einer erfindungsgemäßen Fuel cell system with an inventive
Reformereinheit. Reformer unit.
Figur 2 zeigt einen teilweise schematischen Querschnitt des Figure 2 shows a partially schematic cross section of
Brennstoffzellensystems mit einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Reformereinheit . Fuel cell system with a first embodiment of a reformer unit according to the invention.
Figur 3 zeigt einen teilweise schematischen, perspektivischen Querschnitt der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen FIG. 3 shows a partially schematic, perspective cross-section of the first embodiment of the invention
Reformereinheit . Reformer unit.
Figur 4 zeigt einen teilweise schematischen, perspektivischen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Reformereinheit . FIG. 4 shows a partially schematic, perspective cross section of a second embodiment of the reformer unit according to the invention.
Figur 5 zeigt einen teilweise schematischen, perspektivischen Querschnitt einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Reformereinheit . Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung der geometrischenFIG. 5 shows a partially schematic, perspective cross section of a third embodiment of the reformer unit according to the invention. Figure 6 shows a schematic representation of the geometric
Anordnung zweier Elemente der erfindungsgemäßen Reformereinheit zueinander, insbesondere der ersten Leitung und des Arrangement of two elements of the reformer unit according to the invention to each other, in particular the first line and the
Reformermanifolds . Reformer manifolds.
Figur 7 zeigt einen teilweise schematischen Querschnitt durch die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Reformereinheit gemäß Figur 4. FIG. 7 shows a partially schematic cross section through the second embodiment of the reformer unit according to FIG. 4.
Das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Reformereinheit 1 wird in einer Anwendung in einem Brennstoffzellensystem 2 bzw. einem Energieerzeugungsaggregat mit einer Brennstoffzelle anhand des Prozessbilds gemäß Figur 1 wie folgt erläutert: The functional principle of the reformer unit 1 according to the invention is explained as follows in an application in a fuel cell system 2 or a power generation unit with a fuel cell on the basis of the process picture according to FIG.
Über den Brennstoffanschluss 32 werden vorzugsweise über die About the fuel port 32 are preferably on the
Kohlenwasserstoffpumpen 35a und 35b Kohlenwasserstoffe, bevorzugt Diesel, in das Brennstoffzellensystem 2 gepumpt. In der Startphase erfolgt dieser Pumpvorgang vorzugsweise über die Hydrocarbon pumps 35a and 35b hydrocarbons, preferably diesel, pumped into the fuel cell system 2. In the starting phase, this pumping process preferably takes place via the
Kohlenwasserstoffpumpe 35b, wodurch der Startbrenner 11 mit Hydrocarbon pump 35 b, whereby the starting burner 11 with
Kohlenwasserstoff versorgt wird. Weiterhin wird mit dem Luftgebläse 29 über den Luftanschluss 33 das Brennstoffzellensystem 2 Hydrocarbon is supplied. Furthermore, with the air blower 29 via the air connection 33, the fuel cell system. 2
vorzugsweise mit Luft versorgt, welche bevorzugt gefiltert ist. preferably supplied with air, which is preferably filtered.
Luft und die Kohlenwasserstoffe werden vorzugsweise in dem Air and the hydrocarbons are preferably in the
Startbrenner 11 erhitzt und entzündet. Hierdurch erwärmt der Start burner 11 heated and ignited. This heats the
Startbrenner 11 die Brennkammer 4 des vorzugsweise um den Reformer 5 angeordneten Brenners 3 sowie den Reformer 5. Start burner 11, the combustion chamber 4 of the preferably arranged around the reformer 5 burner 3 and the reformer. 5
Das Abgas des Startbrenners 11, welches aus der Brennkammer 4 des Brenners 3 strömt, wird vorzugsweise durch einen Wärmetauscher 28 zu dem Abgasanschluss 34 geleitet, welcher bevorzugt ein Auspuff ist. In dem Wärmetauscher 28 wird Luft erwärmt und strömt hernach zur Kathode K des Brennstoffzellenstapels 22a, 22b. The exhaust gas of the starting burner 11, which flows out of the combustion chamber 4 of the burner 3, is preferably passed through a heat exchanger 28 to the exhaust port 34, which is preferably an exhaust. Air is heated in the heat exchanger 28 and subsequently flows to the cathode K of the fuel cell stack 22a, 22b.
Nunmehr wird vorzugsweise Luft mit dem Rezirkulationsgebläse 30 in den Reformer 5 gefördert, wo diese durch das Abgas des Now, preferably, air is conveyed to the recirculation fan 30 in the reformer 5, where this by the exhaust gas of the
Startbrenners 11 erwärmt wird und dann durch eine vorzugsweise vorhandene erste Verteilerplatte 20 und eine vorzugsweise vorhandene zweite Verteilerplatte 27 zu der Anode A des Start burner 11 is heated and then by a preferably present first distributor plate 20 and a preferably existing second distributor plate 27 to the anode A of the
Brennstoffzellenstapels 22a, 22b geleitet wird. Fuel cell stack 22a, 22b is passed.
Weiterhin strömt das Gas in den Verdampfer 26. Zu diesem Zeitpunkt werden auch Kohlenwasserstoffe über die Kohlenwasserstoffpumpe 35a zu dem Verdampfer gepumpt, welche durch das erwärmte Anodenabgas in dem Verdampfer 26 verdampfen. Dieses Gasgemisch wird vorzugsweise mit Luft in dem Rezirkulationsgebläse 30 zu Reformer-Prozessgas, dem Eduktgas, vermischt und über eine erste Leitung 6 durch die Brennkammer 4, in welcher das Prozessgas weiter aufgeheizt wird, in den Reformer 5 eingebracht. Der Reformer 5 ist nunmehr vorzugsweise durch den Startbrenner 11 soweit erwärmt, dass eine Reformierung des Reformer-Prozessgases zu Wasserstoff und Nebenprodukten, dem Produktgas, erfolgt. Further, the gas flows into the evaporator 26. At this time, hydrocarbons are also pumped via the hydrocarbon pump 35a to the evaporator, which evaporate through the heated anode exhaust gas in the evaporator 26. This gas mixture is preferably mixed with air in the recirculation blower 30 to reformer process gas, the educt gas, and introduced into the reformer 5 via a first line 6 through the combustion chamber 4, in which the process gas is further heated. The reformer 5 is now preferably heated by the starting burner 11 so far that a reforming of the reformer process gas to hydrogen and by-products, the product gas, takes place.
Dieses Reformat wird wiederum über die Verteilerplatte 27 zur Anode der Brennstoffzelle 2 geleitet, wo nunmehr die Umsetzung von im Wesentlichen Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser und This reformate is in turn passed via the distributor plate 27 to the anode of the fuel cell 2, where now the conversion of substantially hydrogen and oxygen to water and
elektrischer Energie erfolgt. Die elektrische Energie wird electrical energy takes place. The electrical energy will
vorzugsweise über den elektrischen Anschluss 36 an einen preferably via the electrical connection 36 to a
Verbraucher abgeleitet. Bei der Umsetzung wird Wärmeenergie freigesetzt . Consumers derived. During the implementation, heat energy is released.
Die erwärmte Kathodenabluft wird in die Brennkammer 4 des Brenners 3 geleitet. Ein Teil des erwärmten Anodenabgases wird vorzugsweise wieder dem Verdampfer 26 zugeführt. Ein anderer Teil des The heated cathode exhaust air is passed into the combustion chamber 4 of the burner 3. A portion of the heated anode exhaust gas is preferably returned to the evaporator 26. Another part of the
Anodenabgases wird in die Brennkammer 4 des Brenners 3 geleitet. Anode exhaust gas is passed into the combustion chamber 4 of the burner 3.
In der Brennkammer 4 wird dieses Anodenabgas mit der Kathodenabluft vermischt und bevorzugt mittels eines Katalysators in einer exothermen Reaktion umgesetzt. Die hierbei frei werdende In the combustion chamber 4, this anode exhaust gas is mixed with the cathode exhaust air and preferably reacted by means of a catalyst in an exothermic reaction. The hereby released
Wärmeenergie dient zur Erwärmung des Reformers 5. Der Startbrenner 11 kann vorzugsweise nunmehr ausgeschaltet werden. Die endotherme Reaktion in dem Reformer 5 bzw. einem bevorzugt vorhandenen Heat energy is used to heat the reformer 5. The starting burner 11 may preferably now be turned off. The endothermic reaction in the reformer 5 or a preferably present
Reformerkatalysator 21 wird allein über die Wärme der exothermen Reaktion in dem Brennstoffzellenstapel 22a, 22b und die exotherme Reaktion in dem Brenner 3 aktiviert, sodass der Gesamtprozess in dem Energieerzeugungsaggregat im Wesentlichen adiabat ist. Reformer catalyst 21 is heated solely by the heat of the exothermic reaction in the fuel cell stack 22a, 22b and the exotherm Reaction in the burner 3 is activated, so that the overall process in the power generation unit is substantially adiabatic.
Die Reformereinheit 1 des in dem Prozessbild dargestellten The reformer unit 1 of the illustrated in the process picture
Brennstoffzellensystems 2 weist dabei vorzugsweise den Brenner 3 mit der Brennkammer 4, den Reformer 5 mit dem Manifold 7, den Fuel cell system 2 preferably has the burner 3 with the combustion chamber 4, the reformer 5 with the Manifold 7, the
Verdampfer 26 und/oder eine Abgaskammer 23 (in Figur 1 nicht dargestellt) auf. In der Reformereinheit 1 sind somit im Evaporator 26 and / or an exhaust chamber 23 (not shown in Figure 1) on. In the reformer unit 1 are thus in the
Wesentlichen die Einrichtungen zur Umwandlung der Essentially the facilities for conversion of
Kohlenwasserstoffe in Prozessgas für die Brennstoffzelle 2 Hydrocarbons in process gas for the fuel cell 2
zusammengezogen . drawn together .
Vorzugsweise ist auch der Startbrenner 11 mit Flammrohr 12 Preferably, the starting burner 11 with flame tube 12th
zumindest teilweise Bestandteil der Reformereinheit 1. at least partially part of the reformer unit 1.
Optional kann vorzugsweise eine Bypassleitung (nicht dargestellt) vom Startbrenner 11 direkt in den Wärmetauscher 28 vorgesehen sein. Dadurch kann unabhängig von der geforderten elektrischen Leistung mehr thermische Leistung bereitgestellt werden. Dies ist Optionally, preferably a bypass line (not shown) may be provided from the starting burner 11 directly into the heat exchanger 28. As a result, more thermal power can be provided regardless of the required electrical power. This is
insbesondere bei solchen Anwendungen von Vorteil, bei welcher der Brennstoffzellenstapel 22a, 22b extrem kalten Temperaturen particularly advantageous in those applications in which the fuel cell stack 22a, 22b extremely cold temperatures
ausgesetzt ist und/oder vom Fahrzeug viel Wärme zur Beheizung oder Kühlung des Innenraums gefordert wird. is exposed and / or the vehicle much heat for heating or cooling of the interior is required.
Fig. 2 zeigt den Aufbau einer Ausführungsform eines Fig. 2 shows the structure of an embodiment of a
Brennstoffzellensystems 2 mit einer erfindungsgemäßen Fuel cell system 2 with an inventive
Reformereinheit 1 durch eine Ebene, welche die zentrale Längsachse ZF des Flammrohrs 12 (gestrichpunktet) , zentrale Längsachse ZB des Brenners 3 (gepunktet) und zentrale Längsachse ZR des Reformers 5 (gestrichelt) enthält. Reformer unit 1 by a plane containing the central longitudinal axis ZF of the flame tube 12 (Strichpunktet), central longitudinal axis ZB of the burner 3 (dotted) and central longitudinal axis ZR of the reformer 5 (dashed).
Im oberen Teil weist das Brennstoffzellensystem 2 in erster Linie Einrichtungen auf, die zur Medienversorgung, zur Unterbrechung der Medienversorgung bzw. Regulierung der Medienversorgung und/oder zur Aufbereitung der Medien dienen. Beispielhaft hierfür sind das In the upper part, the fuel cell system 2 has primarily facilities that serve for media supply, for interrupting the media supply or regulation of the media supply and / or for the preparation of the media. Exemplary of this are the
Luftgebläse 29, verschiedene Ventile und/oder die Air blower 29, various valves and / or the
Kohlenwasserstoffpumpen 35a, 35b. Vorzugsweise ist auch ein Hydrocarbon pumps 35a, 35b. Preferably is also a
Wärmetauscher 28 vorhanden, welcher die angesaugte Luft erwärmt, bevor diese der Kathode K der Brennstoffzellenstapel 22a, 22b zugeführt wird. Heat exchanger 28 is present, which heats the intake air, before being supplied to the cathode K of the fuel cell stacks 22a, 22b.
Die Reformereinheit 1 ist im Zentrum des Brennstoffzellensystems 2 angeordnet. Diese weist im Wesentlichen die Einrichtungen zur Reformierung bzw. Umwandlung der Kohlenwasserstoffe in Reformat bzw. Prozessgas für den Brennstoffzellenstapel 22a, 22b auf. The reformer unit 1 is arranged in the center of the fuel cell system 2. This essentially comprises the means for reforming or converting the hydrocarbons into reformate or process gas for the fuel cell stack 22a, 22b.
Gemäß der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform ist der Reformer dabei vorzugsweise in der Brennkammer 4 des Brenners 3 angeordnet. Der Brenner 3 ist wiederum vorzugsweise in einer Abgaskammer 23 angeordnet, in welcher das Abgas des Brenners 3 und/oder das Abgas des Startbrenners 11 zu dem Wärmetauscher 28 geleitet wird. Der Startbrenner 11 dient insbesondere dazu, um das According to the embodiment shown in FIG. 2, the reformer is preferably arranged in the combustion chamber 4 of the burner 3. The burner 3 is in turn preferably arranged in an exhaust gas chamber 23, in which the exhaust gas of the burner 3 and / or the exhaust gas of the starting burner 11 is conducted to the heat exchanger 28. The start burner 11 is used in particular to the
Brennstoffzellensystem in der Startphase mit Wärme zu versorgen. Dieser ist vorzugsweise über das Flammrohr 12 mit dem Brenner 3 verbunden, welches vorzugsweise in den Brennraum 4 des Brenners 3 hinein ragt.  To supply the fuel cell system with heat in the starting phase. This is preferably connected via the flame tube 12 to the burner 3, which preferably projects into the combustion chamber 4 of the burner 3 in.
Weiterhin ist in der Abgaskammer 23 vorzugsweise der Verdampfer 26 angeordnet, welcher Kohlenwasserstoffe in dem von der Furthermore, in the exhaust chamber 23, preferably, the evaporator 26 is arranged, which hydrocarbons in the of the
Brennstoffzelle 2 rezirkulierten Anodenabgas verdampft, bevor dieses in den Reformer 5 eingebracht wird. Der Startbrenner 11 und/oder der Brenner 3 dienen hierbei zur Erwärmung des Reformers 5. Die Abgaskammer 23 erhitzt wiederum die Außenwand des Brenners 3 bzw. isoliert den Brenner zusätzlich gegenüber der Umwelt. Fuel cell 2 recirculated anode exhaust gas evaporates before it is introduced into the reformer 5. The starting burner 11 and / or the burner 3 serve to heat the reformer 5. The exhaust gas chamber 23 in turn heats the outer wall of the burner 3 or additionally insulates the burner from the environment.
Zusätzlich kann vorzugsweise eine Isolation um die Reformereinheit 1 vorgesehen sein, welche diese zusätzlich isoliert. Die In addition, it may be preferable to provide insulation around the reformer unit 1, which additionally insulates it. The
Abgaskammer 23 stellt gleichzeitig Wärmeenergie zur Verdampfung der Kohlenwasserstoffe in dem Verdampfer 26 bereit. Exhaust gas chamber 23 simultaneously provides heat energy for vaporization of the hydrocarbons in evaporator 26.
Das Reformat bzw. Prozessgas für die Anode A und die Luft für die Kathode K der zwei Brennstoffzellenstapel 22a, 22b dieser The reformate or process gas for the anode A and the air for the cathode K of the two fuel cell stacks 22a, 22b of this
Ausführungsform werden aus der Reformereinheit 1 über die Embodiment are from the reformer unit 1 on the
Verteilerplatten 20, 27 zu den jeweiligen Anschlüssen geleitet. Distributor plates 20, 27 passed to the respective terminals.
Auch die Kathodenabluft und das Anodenabgas aus den The cathode exhaust air and the anode exhaust from the
Brennstoffzellenstapeln 22a, 22b werden vorzugsweise über die Verteilerplatte 20, 27 mit den jeweiligen Anschlüssen der Reformereinheit verbunden. Vorzugsweise weist der Reformer 5 einen Reformerkatalysator 21 und der Brenner 3 einen Brennerkatalysator 19 auf. Fuel cell stacks 22a, 22b are preferably via the Distributor plate 20, 27 connected to the respective terminals of the reformer unit. The reformer 5 preferably has a reforming catalyst 21 and the burner 3 has a burner catalytic converter 19.
In der dargestellten Ausführungsform wird die Brennkammer 4 und die Abgaskammer 23 durch eine Wandung 10b begrenzt, welche gleichzeitig eine Fixierungsplatte ist. Vorzugsweise erstrecken sich diese nur bis zu der Wandung und weisen eine weitere, separate In the illustrated embodiment, the combustion chamber 4 and the exhaust chamber 23 is bounded by a wall 10b, which is at the same time a fixing plate. Preferably, these extend only to the wall and have another, separate
Begrenzungswand auf. In einer anderen Ausführungsform können die Wandungen der Brennkammer 4 und/oder der Abgaskammer 23 auch beabstandet von einer Fixierungsplatte angeordnet sein. Boundary wall on. In another embodiment, the walls of the combustion chamber 4 and / or the exhaust chamber 23 may also be arranged at a distance from a fixing plate.
Im unteren Teil der Figur 2 weist das Brennstoffzellensystem (2) der dargestellten Ausführungsform zwei Brennstoffzellenstapel 22a, 22b auf. Die Fixierung dieser beiden Brennstoffzellenstapel 22a, 22b und/oder die Verteilung des Prozessgases und der anderen Medien bzw. Abführung der Kathodenabluft und des Anodenabgases erfolgt hierbei vorzugsweise über die zweite Verteilerplatte 27, welche an die Verteilerplatte 20 fluidkommunizierend angeschlossen ist. In the lower part of FIG. 2, the fuel cell system (2) of the illustrated embodiment has two fuel cell stacks 22a, 22b. The fixation of these two fuel cell stacks 22a, 22b and / or the distribution of the process gas and the other media or removal of the cathode exhaust air and the anode exhaust gas is preferably carried out via the second distributor plate 27, which is connected to the distributor plate 20 to communicate in a fluid-communicating manner.
Vorzugsweise kann aber auch eine Brennstoffzelle mit einem einzigen Stapel oder eine Brennstoffzelle mit mehr als zwei Stapeln zum Einsatz kommen. Preferably, however, it is also possible to use a fuel cell with a single stack or a fuel cell with more than two stacks.
Die Brennstoffzellenstapel 22a, 22b bestehen bevorzugt aus SOFC- Brennstoffzellen, es können jedoch auch andere The fuel cell stacks 22a, 22b are preferably made of SOFC fuel cells, but others may be
Brennstoffzellentypen zum Einsatz kommen, wie z. B. eine alkalische Brennstoffzellen, Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen, Direkt- Methanol-Brennstoffzellen, Ameisensäure-Brennstoffzellen,  Fuel cell types are used, such. Alkaline fuel cells, polymer electrolyte fuel cells, direct methanol fuel cells, formic acid fuel cells,
Phosphorsäure-Brennstoffzellen, Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen, Direkt-Kohlenstoff-Brennstoffzellen und/oder Magnesium-Luft- Brennstoffzellen oder eine Kombination derselbigen. Phosphoric acid fuel cells, molten carbonate fuel cells, direct carbon fuel cells and / or magnesium air fuel cells or a combination thereof.
Das Brennstoffzellensystem 2 zur Energieerzeugungwird bevorzugt von einer Isolation umgeben, welche in der Figur 2 jedoch nicht dargestellt ist. Anhand der Figur 3 wird nun eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Reformereinheit 1 beschrieben. In dieser The fuel cell system 2 for power generation is preferably surrounded by insulation, which is not shown in FIG. A first embodiment of the reformer unit 1 according to the invention will now be described with reference to FIG. In this
Ausführungsform haben sowohl der Reformer 5, der Brenner 3 und der Startbrenner 11 mit seinem Flammrohr 12 eine zylindrische Form. Die jeweils zentralen Längsachsen ZR, ZB, ZF der drei Bauteile liegen in dieser Ausführungsform aufeinander bzw. sind koaxial. Dies führt zu einer konzentrischen Anordnung der drei Bauteile. Embodiment, both the reformer 5, the burner 3 and the starting burner 11 with its flame tube 12 have a cylindrical shape. The respective central longitudinal axes ZR, ZB, ZF of the three components lie in this embodiment on each other or are coaxial. This leads to a concentric arrangement of the three components.
Selbstverständlich kann jedes der drei Bauteile eine andere als die zylindrische Form aufweisen und die drei Bauteile können  Of course, each of the three components may have a shape other than the cylindrical shape and the three components may
vorzugsweise auch anders als mit identischen zentralen Längsachsen ZR, ZB, ZF angeordnet werden. preferably also be arranged differently than with identical central longitudinal axes ZR, ZB, ZF.
In der Startphase wird über die Brennstoffleitung 25 In the starting phase is via the fuel line 25th
Kohlenwasserstoff in den Startbrenner 11 eingebracht. Dort werden die Kohlenwasserstoffe mittels zumindest einem Glühstift erwärmt, mit Luft durchmischt und anschließend verbrannt. Das heiße Abgas des Startbrenners 11 verlässt diesen über das Flammrohr 12 und erwärmt die Brennkammer 4 des Brenners 3. Hydrocarbon introduced into the starting burner 11. There, the hydrocarbons are heated by means of at least one glow plug, mixed with air and then burned. The hot exhaust gas of the starting burner 11 leaves it via the flame tube 12 and heats the combustion chamber 4 of the burner 3.
Aufgrund der konzentrischen Anordnung des Startbrenners 11 und des Reformers 5 wird eine stromaufwärts angeordnete Fläche 8 des Due to the concentric arrangement of the starting burner 11 and the reformer 5 is an upstream surface 8 of the
Reformers unmittelbar von dem Abgasstrahl des Startbrenners 11 umströmt und dadurch erwärmt. Wie dargestellt, weist das Manifold 7 des Reformers 5 an dieser stromaufwärts angeordneten Fläche 8 vorzugsweise die Form eines Kegelstumpfes oder auch eines Kegels auf, um den Abgasstrom aus dem Startbrenner 11 zu dem Reformers flows directly from the exhaust gas jet of the starting burner 11 and thereby heated. As shown, the manifold 7 of the reformer 5 on this upstream surface 8 is preferably in the shape of a truncated cone or a cone to the exhaust gas flow from the starting burner 11 to the
Brennerkatalysator 19 gleichmäßig zu verteilen, welcher den Burner catalyst 19 evenly distribute, which the
Reformer 5 vorzugsweise umgibt. In dem Brennerkatalysator 19 können noch nicht umgesetzte Kohlenwasserstoffe nachverbrannt und/oder schädliche Abgasstoffe umgewandelt werden. Nach Verlassen des Brennerkatalysators 19 strömt der Abgasstrom vorzugsweise über Abgasöffnungen 37 in die Abgaskammer 23 (in Fig. 3 nicht Reformer 5 preferably surrounds. In the burner catalyst 19 unreacted hydrocarbons can be post-combusted and / or harmful exhaust gas substances are converted. After leaving the burner catalytic converter 19, the exhaust gas flow preferably flows via exhaust gas openings 37 into the exhaust gas chamber 23 (not in FIG. 3)
dargestellt), welche den Brenner 3 vorzugsweise umgibt. shown), which preferably surrounds the burner 3.
Vorzugsweise besteht der Reformer 5 im Wesentlichen aus zwei Preferably, the reformer 5 consists essentially of two
Abschnitten : Das Manifold 7 mit der stromaufwärts angeordneten Fläche 8 und mindestens einer seitlichen Fläche 9 bildet einen Hohlkörper, in welchem über die erste Leitung 6 ein Prozessgas eingebracht wird, welches zu reformieren ist. Eine stromaufwärts angeordnete Fläche 8 und eine seitliche Fläche 9 kann hierbei auch die jeweilige Sections: The manifold 7 with the upstream surface 8 and at least one lateral surface 9 forms a hollow body, in which via the first conduit 6, a process gas is introduced, which is to be reformed. An upstream surface 8 and a lateral surface 9 can in this case also the respective
Komponente einer zu beiden Richtungen schrägen Fläche bezeichnen. Designate component of an inclined surface to both directions.
In der in Figur 3 gezeigten Darstellung erstreckt sich dieser In the illustration shown in Figure 3, this extends
Hohlraum im Wesentlichen von der stromaufwärts angeordneten Fläche 8 bis zur Oberfläche eines vorzugsweise vorhandenen Cavity substantially from the upstream surface 8 to the surface of a preferably present
Reformerkatalysators 20 (hier nicht dargestellt) . Der zweite Reformer catalyst 20 (not shown here). The second
Abschnitt des Reformers 5 wird im Wesentlichen von diesem Section of the reformer 5 is essentially of this
Reformerkatalysator 20 gebildet. In dem Reformerkatalysator 20 findet die katalytische Reformierung statt. Auf der dem Manifold 7 abgewandten Seite verlässt das reformierte Prozessgas, das Reforming catalyst 20 is formed. In the reforming catalyst 20, the catalytic reforming takes place. On the side facing away from the Manifold 7 leaves the reformed process gas, the
sogenannte Reformat, den Reformer 5 vorzugsweise über die so-called reformate, the reformer 5 preferably on the
verteilerplatte 27 zur Anode A des Brennstoffzellenstapels 22a, 22b. distributor plate 27 to the anode A of the fuel cell stack 22a, 22b.
Die Durchmischung des Prozessgases in dem Manifold 7 und die The mixing of the process gas in the manifold 7 and the
Homogenität der Anstromung der Oberfläche des Reformerkatalysators 20 hängt dabei maßgeblich von der Geometrie der Anordnung der ersten Leitung 6, welche das Prozessgas in den Reformer 5 führt, und dem Manifold 7 ab. Homogeneity of the current flow of the surface of the reforming catalyst 20 depends largely on the geometry of the arrangement of the first conduit 6, which leads the process gas in the reformer 5, and the manifold 7 from.
Wie in Figur 6 gezeigt, wird diese Geometrie zum einen über den Raumwinkel α zwischen einer Strömungsrichtung SR bzw. der As shown in Figure 6, this geometry is on the one hand on the solid angle α between a flow direction SR and the
parallelverschobenen Strömungsrichtung SR' einer Leitung 6; 15; 16 und einer zentralen Längsachse ZR; ZB des jeweiligen Körpers 4; 7, in welchem das jeweilige Prozessgas eingebracht wird, definiert. Durch die Variation dieses Raumwinkels können die Strömungen bzw. Verwirbelungen in dem jeweiligen Körper 4; 7 beeinflusst werden. parallel flow direction SR 'of a line 6; 15; 16 and a central longitudinal axis ZR; For example, the respective body 4; 7, in which the respective process gas is introduced defined. By varying this solid angle, the currents or turbulences in the respective body 4; 7 are affected.
Weiterhin wird diese Geometrie über einen zweiten Raumwinkel in einer Ebene, die senkrecht zu der jeweiligen zentralen Längsachse ZR; ZB liegt, definiert. Bei einem zylinderförmigen Körper 4; 7, wie in Fig. 6 dargestellt, kann dieser Raumwinkel ß an einer Eintrittsstelle 14; 17; 18 bestimmt werden. In Figur 7 ist ein solcher Raumwinkel in Bezug auf die Strömungsrichtung SR2 der zweiten Leitung 15 gezeigt. Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, den Raumwinkel ß in einem Bereich von etwa 90° bis 130° zu wählen, bevorzugt zwischen 100° und 120° und am Furthermore, this geometry is over a second solid angle in a plane perpendicular to the respective central longitudinal axis ZR; For example, lies, defined. In a cylindrical body 4; 7, as shown in Fig. 6, this solid angle ß at a Entry point 14; 17; 18 are determined. FIG. 7 shows such a solid angle with respect to the flow direction SR2 of the second line 15. It has been found to be particularly advantageous to choose the solid angle β in a range of about 90 ° to 130 °, preferably between 100 ° and 120 ° and on
bevorzugtesten in einem Bereich um 113,6°. most preferred in a range around 113.6 °.
Bei Körpern 4; 7 mit anderer Geometrie ist eine solche Bestimmung an der Eintrittsstelle 14; 17; 18 jedoch nicht zweckmäßig. Daher wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Verhältnis Sa : Sb als Parameter angegeben, in welchem die Strömungsrichtung SR bzw. eine Tangente an diese Strömungsrichtung SR an der Eintrittsstelle 14; 17; 18 eine Strecke S teilt, welche sich zum einen zwischen der zentralen Längsachse ZR; ZB des jeweiligen Körpers und einer seitlichen Fläche des Körpers erstreckt und welche im Wesentlichen senkrecht zu der Strömungsrichtung SR bzw. der bzw. eine Tangente an diese Strömungsrichtung SR an der Eintrittsstelle 14; 17; 18 und der zentralen Längsachse ZR; ZB angeordnet ist. For bodies 4; 7 with another geometry is such a determination at the entry point 14; 17; 18 but not appropriate. Therefore, in the context of the present invention, the ratio Sa: Sb is given as a parameter in which the flow direction SR or a tangent to this flow direction SR at the entry point 14; 17; 18 divides a distance S, which on the one hand between the central longitudinal axis ZR; For example, the respective body and a lateral surface of the body and which extends substantially perpendicular to the flow direction SR and / or a tangent to this flow direction SR at the entry point 14; 17; 18 and the central longitudinal axis ZR; For example, it is arranged.
In Bezug auf den Winkel al zwischen der Strömungsrichtung SRI der ersten Leitung 6 und der zentralen Längsachse ZR des Reformers 5 wurde festgestellt, dass ein Winkelbereich von 45° bis 135° vorteilhaft für eine gute Durchmischung und homogene Anströmung des Reformerkatalysator 20 durch das Prozessgases ist. In bevorzugten Ausführungsvarianten kann dieser Winkel 70° bis 110°, noch With respect to the angle α1 between the flow direction SRI of the first conduit 6 and the central longitudinal axis ZR of the reformer 5, it has been found that an angular range of 45 ° to 135 ° is advantageous for good mixing and homogenous flow of the reforming catalyst 20 through the process gas. In preferred embodiments, this angle 70 ° to 110 °, still
bevorzugter 80° bis 100° und am bevorzugtesten 90° betragen. more preferably 80 ° to 100 °, and most preferably 90 °.
In Bezug auf das Verhältnis der Teilstrecken Sla; Slb der Strecke Sl zwischen der zentralen Längsachse ZR und der mindestens einen seitlichen Fläche 9 des Reformers 5 wurde festgestellt, dass ein Verhältnis von Sla zu Slb 4:1, bevorzugt 3:1, besonders bevorzugt 2:1, noch bevorzugter 1:1, noch bevorzugter 1:2, noch bevorzugter 1:3 und am bevorzugtesten 1:4 vorteilhaft für eine gute With respect to the ratio of the sections Sla; Slb of the distance Sl between the central longitudinal axis ZR and the at least one lateral surface 9 of the reformer 5, it has been found that a ratio of Sla to Slb 4: 1, preferably 3: 1, more preferably 2: 1, even more preferably 1: 1, even more preferably 1: 2, more preferably 1: 3, and most preferably 1: 4, for a good one
Durchmischung und homogene Anströmung des Reformerkatalysator 21 durch das Prozessgases ist. In der in Figur 3 gezeigten ersten Ausführungsform wird die Luft über die Startbrennerluftzufuhr 24 im Wesentlichen tangential, d.h. Sla>>Slb, zur Oberfläche in das Manifold 7 eingebracht. Mixing and homogeneous flow of the reforming catalyst 21 through the process gas is. In the first embodiment shown in Figure 3, the air via the starting burner air supply 24 in Substantially tangential, ie Sla >> Slb, introduced to the surface in the manifold 7.
Eine andere günstige Ausführungsvariante besteht darin, dass die Strömungsrichtung SRI der ersten Leitung 6 die Längsachse ZR des Reformers 5 schneidet oder im Falle eines zylindrischen Reformers 5 bzw. Manifolds 7 die Strömungsrichtung SRI der Tangente an das Manifold 7 in Rotationsrichtung entspricht, wie dies rein Another favorable embodiment variant is that the flow direction SRI of the first line 6 intersects the longitudinal axis ZR of the reformer 5 or, in the case of a cylindrical reformer 5 or manifold 7, corresponds to the flow direction SRI of the tangent to the manifold 7 in the direction of rotation, as is pure
beispielhaft in der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform der Fall ist. by way of example in the embodiment shown in Figure 3 is the case.
Ähnlich wie das definierte Einbringen des Prozessgases aus der ersten Leitung 6 in den Reformer 5 bzw. das Reformermanifold 7 ist auch ein kontrolliertes Einbringen der Prozessgase in den Brenner 3 vorteilhaft für eine gute Durchmischung und eine gleichmäßige Verteilung des umzusetzenden Gases auf den Brennerkatalysator 19. Similar to the defined introduction of the process gas from the first conduit 6 into the reformer 5 or the reformer manifold 7, controlled introduction of the process gases into the burner 3 is also advantageous for thorough mixing and uniform distribution of the gas to be converted to the burner catalyst 19.
Über verschiedene Geometrien der zweiten Leitung 15, welche den Brenner mit Luft, insbesondere Kathodenabluft, versorgt, und über eine Veränderung der Geometrie der dritten Leitung 16, welche den Brenner mit Brenngas, insbesondere Anodenabgas, versorgt, in Bezug auf die zentrale Längsachse ZB des Brenners 4 kann ebenfalls eine Optimierung der Verbrennung erreicht werden. Auch hier wurde festgestellt, dass ähnliche Winkel a.2 und/oder a3 und/oder About different geometries of the second conduit 15, which supplies the burner with air, in particular cathode exhaust air, and via a change in the geometry of the third conduit 16, which supplies the burner with fuel gas, in particular anode exhaust, with respect to the central longitudinal axis ZB of the burner 4, an optimization of the combustion can also be achieved. Again, it has been found that similar angles a.2 and / or a3 and / or
Verhältnisse der Teilstrecken S2a, S2b; S3a, S3b der Strecken S2, S3 wie jener in Bezug auf den Reformer gute Ergebnisse liefern. Wie in Bezug auf die erste Ausführungsform in Figur 3 gezeigt, werden sowohl Luft, insbesondere die Kathodenabluft, wie auch das Ratios of the sections S2a, S2b; S3a, S3b of the S2, S3 routes, such as those providing good results with respect to the reformer. As shown in relation to the first embodiment in Figure 3, both air, in particular the cathode exhaust air, as well as the
Anodenabgas im Wesentlichen tangential zur Oberfläche der Anode exhaust gas substantially tangential to the surface of
Brennkammer 4, d.h. S2a>>S2b und S3a>>S3b, über die jeweilige Combustion chamber 4, i. S2a >> S2b and S3a >> S3b, above the respective ones
Leitung 15, 16 in die Brennkammer 4 eingebracht. Line 15, 16 introduced into the combustion chamber 4.
Das Substrat des Brennerkatalysators 19 ist vorzugsweise aus The substrate of the burner catalyst 19 is preferably made
Metall. Solche Substrate weisen eine deutlich höhere Metal. Such substrates have a significantly higher
Wärmeleitfähigkeit gegenüber herkömmlichen keramischen Substraten auf. Auch das Substrat des Reformerkatalysator 21 kann aus Metall bestehen. Vorzugsweise ist dieses jedoch aus Keramik. Zum einen ist ein solches Substrat gegenüber einem Metallsubstrat günstiger und eine gute Wärmeleitfähigkeit ist bei diesem Reformerkatalysator 21 weniger wichtig. Zum anderen weist das Keramiksubstrat eine bessere Schwefelverträglichkeit auf und kann bei Prozesstemperaturen von bis zu 1000°C eingesetzt werden, was in extremen Betriebszuständen der Reformereinheit 1 bedeutsam werden kann. Thermal conductivity over conventional ceramic substrates. Also, the substrate of the reforming catalyst 21 may be made of metal. Preferably, however, this is made of ceramic. For one thing is such a substrate is more favorable than a metal substrate and good thermal conductivity is less important in this reforming catalyst 21. On the other hand, the ceramic substrate has a better sulfur compatibility and can be used at process temperatures of up to 1000 ° C, which can be significant in extreme operating conditions of the reformer unit 1.
Die Außenhülle des Reformers 5 besteht vorzugsweise ebenfalls aus Metall und ist vorzugsweise mit dem Substrat des The outer shell of the reformer 5 is preferably also made of metal and is preferably connected to the substrate of
Brennerkatalysators 19 und/oder mit dem Substrat des Burner catalyst 19 and / or with the substrate of the
Reformerkatalysators 21 verschweißt. Dadurch wird der Reformer 5 vorzugsweise einerseits in der Brennkammer 4 des Brenners 3 Reformed catalyst 21 welded. As a result, the reformer 5 preferably on the one hand in the combustion chamber 4 of the burner. 3
fixiert. Es sind jedoch auch andere Befestigungsarten, zum Beispiel mit einer Presspassung oder einer zusätzlichen Quellmatte möglich. Vorzugsweise ist der Reformer 5 an anderen Stellen fixiert. fixed. However, other types of attachment are possible, for example with a press fit or an additional swelling mat. Preferably, the reformer 5 is fixed at other locations.
Andererseits ergibt sich durch das Verschweißen ein wesentlich besserer Wärmetransport zwischen dem Reformerkatalysator 21 und dem Brennerkatalysator 19. Dies ist besonders Vorteilhaft zum On the other hand results from the welding a much better heat transfer between the reforming catalyst 21 and the burner catalyst 19. This is particularly advantageous for
Hochheizen des Reformerkatalysators. Heating up the reforming catalyst.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass durch die verbesserte Another advantage is that improved by the
Wärmeleitfähigkeit das Temperaturprofil (axial und radial) des Reformer- und Brennerkatalysators homogenisiert werden kann. Thermal conductivity of the temperature profile (axial and radial) of the reformer and burner catalyst can be homogenized.
Dadurch können besonders heiße Zonen (Hot Spots) in den beiden Katalysatoren verhindert werden. As a result, particularly hot zones (hot spots) can be prevented in the two catalysts.
Zusätzlich kann durch direktes Verschweißen des Brennersubstrats oder der Substrate mit der Außenwand des Reformers 5 eine In addition, by directly welding the burner substrate or the substrates to the outer wall of the reformer 5, a
Dichtmatte zwischen dem Brenner 3 und dem Reformer 5 entfallen, die für den Wärmeaustausch eher hinderlich ist. Sealing mat between the burner 3 and the reformer 5 accounts, which is more of a hindrance to the heat exchange.
Eine weitere Optimierungsmöglichkeit des Reformierungsprozesses in dem Reformer 5 bietet sich über die Anordnung des Another possibility for optimizing the reforming process in the reformer 5 is provided by the arrangement of the
Brennerkatalysators 19 und des Reformerkatalysators 21 zu einander.  Burner catalyst 19 and the reforming catalyst 21 to each other.
Durch eine Variierung der Überlappung der beiden Katalysatoren 19, 21 in Richtung der zentralen Längsachsen ZR, ZB können die By varying the overlap of the two catalysts 19, 21 in the direction of the central longitudinal axes ZR, ZB, the
Wärmeübertragung und damit die Reaktionsgeschwindigkeiten in dem Reformerkatalysator 21 und/oder dem Brennerkatalysator 19 beeinflusst werden. Heat transfer and thus the reaction rates in the Reformer catalyst 21 and / or the burner catalyst 19 are influenced.
Der Grad der Überlappung kann hierbei fest auf ein Viertel, bevorzugt auf ein Drittel, besonders bevorzugt auf Dreiviertel und am bevorzugtesten auf eine vollständige Überlappung des The degree of overlap may be fixed to a quarter, preferably to one third, more preferably to three quarters and most preferably to a complete overlap of the
Reformerkatalysators 21 durch den Brennerkatalysator eingestellt sein. Vorzugsweise ist der Grad der Überlappung jedoch variabel und während des Betriebs des Brennstoffzellensystems veränderbar, um den Wärmeaustausch den jeweiligen Betriebsarten anzupassen. Reforming catalyst 21 may be set by the burner catalyst. Preferably, however, the degree of overlap is variable and changeable during operation of the fuel cell system to adjust the heat exchange to the respective modes of operation.
Weiterhin kann über das Verhältnis des Durchströmungsvolumens des Reformerkatalysators 21 zu dem Durchströmungsvolumens des Furthermore, the ratio of the flow volume of the reforming catalyst 21 to the flow volume of the
Brennerkatalysators 19 gewährleistet werden, dass der Burner catalyst 19 can be ensured that the
Brennerkatalysator 21 so ausgelegt ist, um das Reformat im Falle eines plötzlichen Lastabwurfs zu verbrennen, ohne dass irreversible Schäden an dem Brennstoffzellensystem entstehen. Das Verhältnis beträgt im Wesentlichen 1:1, bevorzugt 1:1,5, bevorzugter 1:2, noch bevorzugter 1:3 und am bevorzugtesten 1:3,7. Rein beispielhaft weist der des Reformerkatalysators 21 in der dargestellten Burner catalyst 21 is designed to burn the reformate in the event of a sudden load shedding without causing irreversible damage to the fuel cell system. The ratio is substantially 1: 1, preferably 1: 1.5, more preferably 1: 2, even more preferably 1: 3, and most preferably 1: 3.7. Purely by way of example, that of the reforming catalyst 21 in the illustrated
Ausführungsform ein Volumen von 95.000ccm, der Brennerkatalysator 21 von 358.000ccm auf. Embodiment, a volume of 95,000ccm, the burner catalyst 21 of 358,000ccm on.
Anhand der Figur 4 wird eine zweite Ausführungsform der With reference to FIG 4, a second embodiment of
erfindungsgemäßen Reformereinheit in einer teilweise schematischen, perspektivischen Querschnittsansicht der Reformereinheit 1 The reformer unit according to the invention in a partially schematic, perspective cross-sectional view of the reformer unit 1
dargestellt. Die Ausgestaltungen der ersten Ausführungsform und zweiten Ausführungsform sind dabei frei kombinierbar, so dass weitere Ausführungsformen entstehen können. shown. The embodiments of the first embodiment and second embodiment are freely combinable, so that further embodiments may arise.
Im Wesentlichen ist das Funktionsprinzip der Reformereinheit 1 der zweiten Ausführungsform identisch zu jenem der ersten In essence, the operation principle of the reformer unit 1 of the second embodiment is identical to that of the first embodiment
Ausführungsform. Auch in dieser Ausführungsform sind das Flammrohr 12 des Startbrenners 11, der Reformer 5 bzw. das Reformermanifold 7 und die Brennkammer 4 des Brenners 3 zylindrisch ausgeführt und weiter vorzugsweise konzentrisch mit koaxialen zentrischen Embodiment. Also in this embodiment, the flame tube 12 of the starting burner 11, the reformer 5 and the Reformermanifold 7 and the combustion chamber 4 of the burner 3 are cylindrical and more preferably concentric with coaxial centric
Längsachsen ZR, ZB, ZF angeordnet. Wie in Bezug auf diese Ausführungsform gezeigt, wird die Luft über die Longitudinal axes ZR, ZB, ZF arranged. As for this Shown embodiment, the air over the
Startbrennerluftzufuhr 24 im Wesentlichen tangential zu der Start burner air supply 24 substantially tangential to the
Oberfläche des Startbrenners in einen Gemischbildungsraum des Startbrenners 11 eingebracht. Vorzugsweise kann die Luftzufuhr aber auch senkrecht zu der Oberfläche für e'ine besonders gute Surface of the starting burner in a mixture forming space of the starting burner 11 introduced. Preferably, the air supply but also perpendicular to the surface for e'ine particularly good
Durchmischung in den Gemischbildungsraum eingebracht werden. Mixing be introduced into the mixture formation space.
Ein Unterschied zur ersten Ausführungsform besteht darin, dass die Fläche 10b der Brennkammer durch eine Fixierungsplatte gebildet oder verstärkt wird, die in dem BrennstoffZeilensystem 2 zur A difference from the first embodiment is that the surface 10 b of the combustion chamber is formed or reinforced by a fixing plate used in the fuel cell system 2 for
Fixierung von verschiedenen Vorrichtungen dient. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass das Flammrohr 12 des Startbrenners 11 weiter in die Brennkammer 4 des Brenners 3 hineinragt. Fixation of various devices is used. Another difference is that the flame tube 12 of the starting burner 11 projects further into the combustion chamber 4 of the burner 3.
Vorzugsweise kann das Flammrohr aber auch an der Fläche 10b der Brennkammer 4 mit der Fläche 10b der Brennkammer 4 bündig Preferably, however, the flame tube can also be flush on the surface 10b of the combustion chamber 4 with the surface 10b of the combustion chamber 4
abgeschlossen sein und überhaupt nicht in die Brennkammer 4 hineinragen . be completed and do not protrude into the combustion chamber 4 at all.
Weiterhin wird das Prozessgas über die erste Leitung 6 möglichst lange in der Brennerkammer 4 geführt, um die in dem Brenner 3 vorhandene Wärmeenergie auch auf dieses Gas zu übertragen Furthermore, the process gas via the first line 6 as long as possible in the burner chamber 4 is performed in order to transfer the heat energy present in the burner 3 also on this gas
beziehungsweise dieses Prozessgas gegenüber der Umwelt zu or this process gas towards the environment
isolieren . isolate.
Auch in dieser Ausführungsform ist der Reformerkatalysator 21 nicht dargestellt . Also in this embodiment, the reforming catalyst 21 is not shown.
Ein weiterer Unterschied gegenüber der ersten Ausführungsform besteht bei dieser Ausführungsform darin, dass die dritte Leitung 16, welche Anodenabgas in den Brenner leitet, vorzugsweise nicht direkt in die Brennkammer 4 sondern in die zweite Leitung 15 mündet, welche Luft, bevorzugt Kathodenabluft, in die Brennerkammer 4 führt. Dies ermöglicht eine noch bessere Durchmischung des Another difference to the first embodiment in this embodiment is that the third line 16, which directs anode exhaust gas into the burner, preferably not directly into the combustion chamber 4 but in the second line 15 opens, which air, preferably cathode exhaust air, into the burner chamber 4 leads. This allows an even better mixing of the
Anodenabgases mit der Kathodenabluft für eine bessere Verbrennung in dem Brenner 3. Es ist auch umgekehrt möglich, dass die dritte Leitung 16 in die zweite Leitung 15 mündet, bevor diese dann in die Brennkammer mündet . Die Strömungsrichtung SR2 des Gasgemisches aus Kathodenabluft und Anodenabgas ist in dieser Ausführungsform direkt auf die zentrale Längsachse ZB des Brenners 3 gerichtet. Bei der gezeigten Anodenabgases with the cathode exhaust air for a better combustion in the burner 3. It is also possible conversely that the third line 16 opens into the second line 15 before it then opens into the combustion chamber. The flow direction SR2 of the gas mixture of cathode exhaust air and anode exhaust gas is directed directly to the central longitudinal axis ZB of the burner 3 in this embodiment. At the shown
vorzugsweise zylindrischen Brennkammer 4 steht die preferably cylindrical combustion chamber 4 is the
Strömungs ichtung SR2 dann senkrecht zur Oberfläche der Brennkammer 4. Bevorzugt tritt das Gasgemisch jedoch mit einer  Flow direction SR2 then perpendicular to the surface of the combustion chamber 4. Preferably, however, the gas mixture occurs with a
Strömungsrichtung SR2 in den Brenner 3 ein, welche einen Winkel in einem Bereich um 113,6° zu einer Tangente an die Oberfläche des Brenners 3 bildet, wie dies in Figur 7 dargestellt ist.  Flow direction SR2 in the burner 3, which forms an angle in a range around 113.6 ° to a tangent to the surface of the burner 3, as shown in Figure 7.
Die in Figur 5 in einer teilweise schematischen perspektivischen Querschnittsansicht dargestellte Ausführungsform ist im The embodiment illustrated in FIG. 5 in a partially schematic perspective cross-sectional view is shown in FIG
Wesentlichen identisch mit der zweiten Ausführungsform der Essentially identical to the second embodiment of the
Reformereinheit. Auch die Ausgestaltungen dieser dritten Reformer unit. Also the embodiments of this third
Ausführungsform lassen sich mit den Ausgestaltungen der ersten und zweiten Ausführungsform in jeglicher Art kombinieren. Embodiment can be combined with the embodiments of the first and second embodiments in any way.
Im Wesentlichen unterscheidet sich diese Ausführungsform von der zweiten Ausführungsform dadurch, dass zwischen dem Flammrohr 12 des Brenners 11 und der stromaufwärts angeordneten Fläche 8 des In essence, this embodiment differs from the second embodiment in that between the flame tube 12 of the burner 11 and the upstream surface 8 of the burner
Manifolds 7 des Brenners 5 Ablenkmittel 13, vorgesehen sind. Manifolds 7 of the burner 5 deflection means 13, are provided.
Die Ablenkmittel 13 werden von einem Fixierungsmittel 31 in der Brennkammer 4 des Brenners 3 in Stellung gehalten. Vorzugsweise handelt es sich bei den Ablenkmitteln 13 um ein Metallblech, welches vorzugsweise als Kugelkappe, wie in der Figur 5 gezeigt, ausgebildet ist. In anderen Ausführungsformen kann das Ablenkmittel 13 jedoch auch als jegliche andere zwei- oder dreidimensionale Struktur, wie eine Platte oder als Pyramide ausgebildet sein und/oder aus anderen, hitzebeständigen Materialien bestehen. The deflection means 13 are held in position by a fixing means 31 in the combustion chamber 4 of the burner 3. Preferably, the deflection means 13 is a metal sheet, which is preferably formed as a ball cap, as shown in Figure 5. However, in other embodiments, the deflection means 13 may be formed as any other two- or three-dimensional structure, such as a plate or as a pyramid and / or consist of other refractory materials.
Weiterhin vorzugsweise weisen die Ablenkmittel 13 Aussparungen auf, durch welche ein Fluid, insbesondere das Abgas des Startbrenners 11 strömen kann. Diese Aussparungen sind vorzugsweise, wie in Figur 5 gezeigt, als Löcher ausgebildet. Further preferably, the deflection means 13 recesses, through which a fluid, in particular the exhaust gas of the starting burner 11 can flow. These recesses are preferably, as shown in Figure 5, formed as holes.
Die Ablenkmittel 13 dienen dazu, dass die Außenwände des Manifolds 7, insbesondere die stromaufwärts angeordnete Fläche 8 und die mindestens eine seitliche Fläche 9, gleichmäßig erwärmt werden. Durch die Ablenkmittel entsteht in diesem Bereich keine Überhitzung und das Abgas wird homogen über den Brennerkatalysator 19 verteilt. The deflection means 13 serve to ensure that the outer walls of the manifold 7, in particular the upstream surface 8 and the at least one lateral surface 9, be heated evenly. The deflection means does not cause overheating in this area and the exhaust gas is distributed homogeneously over the burner catalyst 19.
Bezugszeichenliste : List of reference numbers:
Reformereinheit 1 Reformer unit 1
Brennstoffzellensystem 2  Fuel cell system 2
Brenner 3  Burner 3
Brennkammer 4  Combustion chamber 4
Reformer 5  Reformer 5
erste Leitung 6 first line 6
Manifold 7  Manifold 7
Stromaufwärts angeordnete Located upstream
Fläche des Manifolds 8  Surface of the manifold 8
Seitliche Fläche des Manifolds 9Side surface of the manifold 9
Wandung der Brennkammer 10a, 10bWall of the combustion chamber 10a, 10b
Startbrenner 11 Starting burner 11
Flammrohr 12  Flame tube 12
Ablenkmittel 13  Deflection means 13
Eintrittsstelle 14, 17, 18 Entry point 14, 17, 18
Zweite Leitung 15 Second line 15
Dritte Leitung 16  Third line 16
Brennerkatalysator 19  Burner catalyst 19
Erste Verteilerplatte 20  First distributor plate 20
Reformerkatalysator 21  Reforming catalyst 21
Brennstoffzellenstapel 22a, 22b Fuel cell stack 22a, 22b
Abgaskämmer 23 Exhaust gas chambers 23
Startbrennerluftzufuhr 24  Starting burner air supply 24
Brennstoffleitung 25  Fuel line 25
Verdampfer 26  Evaporator 26
Zweite Verteilerplatte 27  Second distributor plate 27
Wärmetauscher 28  Heat exchanger 28
Luftgebläse 29 ReZirkulationsgebläse 30Air blower 29 Recirculation fan 30
Fixierungsmittel 31Fixing agent 31
Brennstoffanschluss 32Fuel connection 32
Luftanschluss 33Air connection 33
Abgasanschluss 34Exhaust port 34
Kohlenwasserstoffpumpe 35aHydrocarbon pump 35a
Elektrischer Anschluss 36Electrical connection 36
Abgasöffnung 37 Exhaust opening 37

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e P a t e n t a n s p r u c h e
Reformereinheit (1) , insbesondere für ein Reformer unit (1), especially for one
Brennstoffzellensystem Fuel cell system
(2), mit einem Brenner (2), with a burner
(3), welcher eine Brennkammer (4) aufweist, und einem Reformer (5) , welcher zumindest teilweise in der (3), which has a combustion chamber (4), and a reformer (5), which is at least partially in the
Brennkammer (4) angeordnet ist und einer ersten Leitung (6), die den Reformer (5) mit Prozessgas, welches insbesondere rezirkuliertes Anodenabgas und Combustion chamber (4) is arranged and a first line (6) which supplies the reformer (5) with process gas, which in particular recirculated anode exhaust gas and
Kohlenwasserstoffe aufweist, versorgt, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (5) ein Manifold (7) aufweist, in welches die erste Leitung (6) mündet. Has hydrocarbons, characterized in that the reformer (5) has a manifold (7) into which the first line (6) opens.
Reformereinheit (1) nach Anspruch 1, wobei mindestens eine Außenfläche (8, 9) des Manifolds (7) beabstandet von einer jeweils gegenüberliegenden Oberfläche (10a, 10b) der Reformer unit (1) according to claim 1, wherein at least one outer surface (8, 9) of the manifold (7) is spaced apart from a respective opposite surface (10a, 10b) of the
Brennkammer (4) angeordnet ist. Combustion chamber (4) is arranged.
Reformereinheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Reformer unit (1) according to claim 1 or 2, wherein the
Reformereinheit des Weiteren einen Startbrenner (11) aufweist, der mit der Brennkammer Reformer unit further has a starting burner (11) which is connected to the combustion chamber
(4), insbesondere über ein Flammrohr (12), verbunden ist und bevorzugt im Wesentlichen in diese hineinragt . (4), in particular via a flame tube (12), is connected and preferably projects substantially into it.
Reformereinheit (1) nach Anspruch 3, welche des Weiteren eine Bypassleitung für das Abgas des Startbrenners zu einem A reformer unit (1) according to claim 3, further comprising a bypass line for the exhaust gas of the starting burner
Wärmetauscher 28 aufweist. Heat exchanger 28 has.
Reformereinheit (1) nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Reformer (5), der Brenner (3) und/oder der Startbrenner (11) in der Weise angeordnet sind, dass eine zentrale Längsachse (ZR) des Reformers Reformer unit (1) according to claim 3 or 4, wherein the reformer (5), the burner (3) and / or the starting burner (11) are arranged in such a way that a central longitudinal axis (ZR) of the reformer
(5), eine zentrale Längsachse (ZB) der Brenners (4) und/oder eine zentrale Längsachse (ZF) des Startbrenners (11) im Wesentlichen parallel ausgerichtet und insbesondere koaxial sind . (5), a central longitudinal axis (ZB) of the burner (4) and/or a central longitudinal axis (ZF) of the starting burner (11) is aligned substantially parallel and in particular coaxial.
6. Reformereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen einem Flammrohr (12) und dem Reformer (5) Ablenkmittel (13) angeordnet sind. 6. Reformer unit (1) according to one of the preceding claims, wherein deflection means (13) are arranged between a flame tube (12) and the reformer (5).
7. Reformereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Manifold zumindest teilweise die Form eines Kegels oder eines Kegelstumpfes aufweist. 7. Reformer unit (1) according to one of the preceding claims, wherein the manifold at least partially has the shape of a cone or a truncated cone.
8. Reformereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Winkel (al) zwischen der Strömungsrichtung (SRI) der ersten Leitung (6) und einer zentralen Längsachse (ZR) des Reformers (5) an einer Eintrittsstelle (14) in den Reformer (5) im Wesentlichen 45° bis 135°, bevorzugt 70° bis 110°, noch bevorzugter 80° bis 100° und am bevorzugtesten 90° beträgt. 8. Reformer unit (1) according to one of the preceding claims, wherein the angle (al) between the flow direction (SRI) of the first line (6) and a central longitudinal axis (ZR) of the reformer (5) at an entry point (14) in the Reformer (5) is essentially 45° to 135°, preferably 70° to 110°, more preferably 80° to 100° and most preferably 90°.
9. Reformereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Tangente an die Strömungsrichtung (SRI) der ersten Leitung (6) an einer Eintrittsstelle (14) in den Reformer (5) eine Strecke (Sl) zwischen einer zentralen Längsachse (ZR) des Manifolds (7) und der mindestens einen seitlichen Fläche (9) , welche im Wesentlichen senkrecht zu der Tangente und der zentralen Längsachse (ZR) des Manifolds (7) angeordnet ist, im Verhältnis (Sla:Slb) 4:1, bevorzugt 3:1, besonders bevorzugt 2:1, bevorzugter 1:1, noch bevorzugter 1:2, noch bevorzugter 1:3 und am bevorzugtesten 1:4 teilt oder im Wesentlichen die zentrale Längsachse (ZR) des Manifolds (7) schneidet. 9. Reformer unit (1) according to one of the preceding claims, wherein a tangent to the flow direction (SRI) of the first line (6) at an entry point (14) into the reformer (5) forms a distance (Sl) between a central longitudinal axis (ZR ) of the manifold (7) and the at least one lateral surface (9), which is arranged essentially perpendicular to the tangent and the central longitudinal axis (ZR) of the manifold (7), in a ratio (Sla:Slb) 4:1, preferred 3:1, particularly preferably 2:1, more preferably 1:1, even more preferably 1:2, even more preferably 1:3 and most preferably 1:4 divides or substantially intersects the central longitudinal axis (ZR) of the manifold (7).
10. Reformereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine zweite Leitung (15) den Brenner (3) mit Luft, insbesondere Kathodenabluft versorgt und eine dritte Leitung (16) den Brenner (3) mit Brenngas, insbesondere im 10. Reformer unit (1) according to one of the preceding claims, wherein a second line (15) supplies the burner (3) with air, in particular cathode exhaust air, and a third line (16) supplies the burner (3) with fuel gas, in particular in
Wesentlichen Anodenabgas, versorgt und wobei die dritte Essentially anode exhaust gas, supplied and the third
Leitung (16) stromabwärts der zweiten Leitung (15) in die Brennkammer (4) mündet oder die dritte Leitung (16) in die zweite Leitung (15) , welche in die Brennkammer (4 ) mündet , mündet . Line (16) opens into the combustion chamber (4) downstream of the second line (15) or the third line (16) opens into the second line (15), which opens into the combustion chamber (4).
11. Reformereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Winkel (α2, 3) zwischen jeweils der 11. Reformer unit (1) according to one of the preceding claims, wherein the angle (α2, 3) between each
Strömungsrichtung (SR2, SR3 ) der zweiten Leitung (15) und/oder der dritten Leitung (16) und einer zentralen Längsachse (ZB) des Brenners (3) an einer Eintrittsstelle (17,18) in den Brenner (3) im Wesentlichen 45° bis 135°, bevorzugt 70° bis 110°, noch bevorzugter 80° bis 100° und am bevorzugtesten 90° beträgt . Flow direction (SR2, SR3) of the second line (15) and/or the third line (16) and a central longitudinal axis (ZB) of the burner (3) at an entry point (17,18) into the burner (3) essentially 45 ° to 135°, preferably 70° to 110°, more preferably 80° to 100° and most preferably 90°.
12. Reformereinheit (1) nach Anspruch 11, wobei eine Tangente an die Strömungsrichtung (SR2, SR3 ) der zweiten Leitung (15) und/oder der dritten Leitung (16) an einer Eintrittsstelle (17, 18) in den Reformer eine Strecke (S2, S3) zwischen einer zentrale Längsachse (ZB) des Brenners (3) und der mindestens einen seitlichen Fläche (10a, 10b) , welche im Wesentlichen senkrecht zu der Tangente und der zentralen Längsachse (ZB) des Brenners (3) angeordnet ist, im Verhältnis 4:1, bevorzugt 3:1, besonders bevorzugt 2:1, bevorzugter 1:1, noch 12. Reformer unit (1) according to claim 11, wherein a tangent to the flow direction (SR2, SR3) of the second line (15) and / or the third line (16) at an entry point (17, 18) into the reformer is a distance ( S2, S3) between a central longitudinal axis (ZB) of the burner (3) and the at least one lateral surface (10a, 10b), which is arranged essentially perpendicular to the tangent and the central longitudinal axis (ZB) of the burner (3), in a ratio of 4:1, preferably 3:1, particularly preferably 2:1, more preferably 1:1, still
bevorzugter 1:2, noch bevorzugter 1:3 und am bevorzugtesten 1:4 teilt oder im Wesentlichen durch die zentrale Längsachse (ZB) des Brenners (3) geht. more preferably 1:2, even more preferably 1:3 and most preferably 1:4 or essentially passes through the central longitudinal axis (ZB) of the burner (3).
13. Reformereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Brenner (3) einen Brennerkatalysator (19) aufweist, der thermisch leitend um den Reformer (5) herum angeordnet ist und/oder der Reformer (5) einen Reformerkatalysator (21) aufweist . 13. Reformer unit (1) according to one of the preceding claims, wherein the burner (3) has a burner catalyst (19) which is arranged in a thermally conductive manner around the reformer (5) and / or the reformer (5) has a reformer catalyst (21) having .
14. Reformereinheit (1) nach Anspruch 13, wobei ein Substrat (20) des Brennerkatalysators (19) den Reformer (5) trägt. 14. Reformer unit (1) according to claim 13, wherein a substrate (20) of the burner catalytic converter (19) carries the reformer (5).
15. Reformereinheit (1) nach Anspruch 13 oder 14, wobei sich der Reformerkatalysator (21) mit dem Brennerkatalysator (19) in axialer Richtung (ZR; ZB) ein Viertel, bevorzugt ein Drittel, besonders bevorzugt drei Viertel und am bevorzugtesten vollständig überlappt oder bei welcher die Überlappung 15. Reformer unit (1) according to claim 13 or 14, wherein the reformer catalyst (21) with the burner catalyst (19) in the axial direction (ZR; ZB) is a quarter, preferably a third, particularly preferably three quarters and most preferably completely overlapped or where the overlap
variabel ist. is variable.
Reformereinheit (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei das Verhältnis des Durchströmungsvolumens des Reformer unit (1) according to one of claims 13 to 15, wherein the ratio of the flow volume of the
Reformerkatalysators (21) zu dem Durchströmungsvolumens des Brennerkatalysators (19) im Wesentlichen 1:1, bevorzugt 1:1,5, bevorzugter 1:2, noch bevorzugter 1:3 und am bevorzugtesten 1:3,7 ist. Reformer catalyst (21) to the flow volume of the burner catalyst (19) is essentially 1:1, preferably 1:1.5, more preferably 1:2, even more preferably 1:3 and most preferably 1:3.7.
Reformereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Manifold (7) zumindest teilweise in der Brennkammer (4) angeordnet ist. Reformer unit (1) according to one of the preceding claims, wherein the manifold (7) is at least partially arranged in the combustion chamber (4).
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