AT524310B1

AT524310B1 - Brennervorrichtung für ein Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: AT524310B1
Application number: ATA51019/2020A
Authority: AT
Inventors: Neubauer Dr Raphael; Reiter Dipl -Ing Bernd; Schluckner Dr Christoph
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2020-11-24
Filing date: 2020-11-24
Publication date: 2022-05-15
Also published as: ZA202305159B; US20240097155A1; WO2022109642A1; EP4251920A1; CN116491003A; AT524310A4

Abstract

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

Description

Beschreibung

BRENNERVORRICHTUNG FÜR EIN BRENNSTOFFZELLENSYSTEM

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennervorrichtung für ein Brennstoffzellensystem sowie ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Brennervorrichtung.

[0002] Es ist bekannt, dass Brennstoffzellensysteme Brennervorrichtungen aufweisen, welche insbesondere beim Aufheizen des Brennstoffzellensystems Energie in Form von Wärme zur Verfügung stellen. Solche Brennervorrichtungen können im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems zur Nachbehandlung des Abgases als Nachbrenner und/oder auch als Vorbrenner eingesetzt werden. Für das Aufheizen in einer Startphase des Brennstoffzellensystems sind bei bekannten Brennstoffzellensystemen zwei unterschiedliche Brennerkonzepte im Einsatz. Zum einen handelt es sich um Flammenbrenner und zum anderen um sogenannte katalytische Brenner.

[0003] Bei katalytischen Brennern durchströmt eine Brennstofffluid einen Katalysatorkörper und dabei findet eine katalytische Verbrennung statt. Diese katalytische Verbrennung erzeugt Wärme, welche anschließend dem Brennstoffzellensystem und dort insbesondere dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird. Nachteilhaft bei solchen rein katalytisch wirksamen Brennern ist jedoch deren relativ geringe Leistungsfähigkeit sowie deren langsame Aufheizgeschwindigkeit.

[0004] Ebenfalls bekannt ist es, dass flammenbehaftete Brenner eingesetzt werden, also Brenner, welche unter einer Flammenbildung ein Brennstoff-Luft-Gemisch verbrennen und auf diese Weise ebenfalls Wärme erzeugen, welche in den Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems eingebracht wird. Nachteilhaft bei den flammenbehafteten Brennern ist es jedoch, dass diese insbesondere in einem Aufheizbetrieb nur mit hohem Aufwand stabil betreibbar sind. Insbesondere beruht dies auf der Tatsache, dass beim Aufheizen eines Brennstoffzellensystems teilweise sehr hohe Masseströme der einzelnen Fluide benötigt werden. Dies führt wiederum zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten, insbesondere in einer Brennervorrichtung, sodass dort die Gefahr besteht, nach dem Zünden der Flamme diese wieder auszublasen und auf diese Weise den Aufheizvorgang in ungewollter Weise zu stoppen. Diesem Nachteil wird üblicherweise durch einen hohen konstruktiven Aufwand begegnet, um eine einmal gezündete Flamme vor dem Ausblasen zu schützen. Neben dem konstruktiven Aufwand führt dies zu einem hohen Bauraumbedarf und entsprechend hohem Gewicht und hohen Kosten für eine solche Brennervorrichtung.

[0005] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise den Bauraum einer Brennervorrichtung zu reduzieren und/oder die Betriebsstabilität der Brennervorrichtung zu verbessern.

[0006] Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Brennervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennervorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.

[0007] Erfindungsgemäß ist eine Brennervorrichtung für ein Brennstoffzellensystem vorgesehen. Eine solche Brennervorrichtung weist ein Brennergehäuse mit einem Brennereinlass für einen Einlass von Brennstoff-Luft-Gemisch auf. Weiter ist das Brennergehäuse mit einem Brennerauslass für einen Auslass von Brennerabgas-Luft-Gemisch ausgestattet. Darüber hinaus weist die Brennervorrichtung einen Katalysatorkörper innerhalb des Brennergehäuses auf mit einem KataIysatorhohlraum, in welchen der Brennereinlass mündet. Der Katalysatorkörper ist dabei gasdurchlässig und mit einer Katalysatoroberfläche ausgestattet, welche wenigstens teilweise mit einer katalytischen Beschichtung versehen ist. Dabei bildet sich zwischen der Katalysatoroberfläche und dem Brennergehäuse ein Bypassvolumen aus, welches in den Brennerauslass mün-

det. Der Katalysatorkörper weist eine Längsachse auf, wobei die Katalysatoroberfläche wenigstens abschnittsweise zu dieser Längsachse eine von der Kreisform abweichende Querschnittskontur aufweist.

[0008] Eine erfindungsgemäße Brennervorrichtung unterscheidet sich insbesondere dadurch von den bekannten Brennstoffzellensystemen, dass sie eine hybride Brennfunktionalität aufweist. So dient sie als hybride Brennervorrichtung dazu, sowohl eine flammenbehaftete Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemisches als auch eine katalytische Umsetzung zur Verfügung zu stellen. Insbesondere basiert dies auf unterschiedlichen Betriebstemperaturen, sodass zu Beginn der Umsetzung die katalytische Umsetzung des Brennstoff-Luft-Gemisches Radikale erzeugt, welche wiederum in hoher Konzentration die Zündfähigkeit im Bereich der Katalysatoroberfläche verbessern. Dies führt dazu, dass nach dem Zünden insbesondere sowohl die katalytische Verbrennung als auch die flammenbehaftete Verbrennung parallel betrieben werden und auf diese Weise die Abgabe von Wärme maximiert werden kann. Bereits durch diese Kombination von zwei separaten Brennfunktionen kann eine deutliche Steigerung der Wärmeabgabe bei gleichen oder sogar reduzierten Bauraumbedingungen zur Verfügung gestellt werden. Die notwendigen Kosten und das zugehörige Gewicht können bereits durch diese Hybridbauweise der Brennervorrichtung deutlich reduziert werden.

[0009] Um trotz des reduzierten Bauraums für das Zünden der flammenbehafteten Verbrennung sowie den Betrieb der katalytischen Verbrennung eine ausreichend große katalytische Oberfläche zur Verfügung zu stellen, ist in erfindungsgemäßer Weise die Katalysatoroberfläche mit einer Querschnittskontur ausgestattet, welche von der Kreisform abweicht. Darunter ist zu verstehen, dass bei einer Schnittdarstellung durch den Katalysatorkörper quer zu der Längsachse die Umrandung der Katalysatoroberfläche die Querschnittskontur in diesem Schnitt darstellt. Während bei einem rein zylindrischen Katalysatorkörper sich auf diese Weise im Schnitt eine rein kreisförmige oder im Wesentlichen kreisförmige Querschnittskontur ausbilden würde, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass diese Querschnittskontur von der Kreisform abweicht. Dadurch, dass diese Querschnittskontur von der Kreisform abweicht, wird eine Katalysatoroberfläche erzeugt, deren geometrische Erstreckung größer ist als bei einem Zylinder. Je stärker die Abweichung der Querschnittskontur von der Kreisform erfindungsgemäß ausgeführt wird, umso stärker ist der Vergrößerungsfaktor für die geometrische Erstreckung der Katalysatoroberfläche.

[0010] Wie aus dem voranstehenden Absatz ersichtlich ist, wird also durch die Abweichung der Querschnittskontur von der Kreisform eine Vergrößerung der Katalysatoroberfläche bei gleichem oder im Wesentlichen gleichem Volumen im Verhältnis zu einem zylindrischen Katalysatorkörper erreicht. Neben der Kombination von katalytischer und flammenbehafteter Verbrennung in der hybriden Betriebsweise der Brennervorrichtung, wird bei gleichem oder reduziertem Bauraum zusätzlich die katalytische Wirkung durch eine Vergrößerung der Katalysatoroberfläche verstärkt. Dies kann insbesondere eine deutliche Vergrößerung um den Faktor 2 oder mehr sein.

[0011] Es bleibt zusammenzufassen, dass in erfindungsgemäßer Weise eine hybride Brennfunktionalität zur Verfügung gestellt wird, welche zusätzlich auf einer vergrößerten Katalysatoroberfläche basiert, sodass im Ergebnis eine Effizienzsteigerung bei reduziertem Bauraum und maximierter Wärmeabgabe erzielt werden kann.

[0012] Es ist darauf hinzuweisen, dass unter einer katalytischen Beschichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung ein katalytisch wirksames Material verstanden wird. Dieses katalytisch wirksame Material dient dabei insbesondere dazu, Radikale aus dem Brennstoff zu erzeugen, welche die Flammenbildung unterstützen oder ermöglichen. Insbesondere wird durch die katalytische Umsetzung an diesem katalytischen Material eine hohe Konzentration solcher Radikale erzeugt, um eine Zündsituation im Bereich der Katalysatoroberfläche zu schaffen. Bei einem Brennstoff im Sinne der vorliegenden Erfindung handelt es sich dabei insbesondere um einen gasförmigen Brennstoff, also ein Brennstoffgas.

[0013] Der Katalysatorkörper ist vorzugsweise mit der Längsachse als Haupterstreckungsrichtung ausgebildet. Grundsätzlich kann dieser Katalysatorkörper von einer zylindrischen Grundform ausgehen, wobei die erfindungsgemäße Vorgabe der Querschnittskontur eingehalten wird. Die

jeweiligen Zylinderenden des Katalysatorkörpers können geschlossen ausgebildet sein. Auch können diese Enden sowohl gasdicht als auch gasdurchlässig ausgebildet sein. Bevorzugt ist es, wenn die Hauptdurchlassrichtung für das Brennstoff-Luft-Gemisch quer zur Längsachse, also in radialer Richtung, ausgebildet ist.

[0014] Auch ist noch darauf hinzuweisen, dass sich der Katalysatorkörper vorteilhafterweise zentral innerhalb des Brennergehäuses anordnen lässt. Die zentrale Anordnung des Katalysatorkörpers führt dazu, dass sich ein Bypassvolumen zwischen dem Katalysatorkörper und dem Brennergehäuse ausbildet, welches gleichmäßig, insbesondere symmetrisch, um den Katalysatorkörper herum angeordnet ist. Dadurch, dass das Bypassvolumen nun in der Lage ist, Luft an dem Katalysatorkörper vorbeizuführen, kann ein definierter Lambdawert eingestellt werden, welcher außerhalb des Katalysatorkörpers und damit im Bypassvolumen die gewünschte flammenbehaftete Verbrennung zur Verfügung stellt.

[0015] Durch die voranstehend beschriebene definierte Ausgestaltung des Bypassvolumens ist es möglich, zum einen eine definierte Konzentrationssituation zwischen Brennstoff und Luft für die katalytische Verbrennung und zum anderen ein definiertes Luftverhältnis für die flammenbehaftete Verbrennung im Bypassvolumen auszubilden. Insbesondere gelingt dies durch entsprechende Kontrollventile, wie sie beispielsweise später noch näher erläutert werden.

[0016] Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung das Brennergehäuse einen, insbesondere vom Brennereinlass separaten, Lufteinlass aufweist für einen Einlass von Luft in das Bypassvolumen. Selbstverständlich kann auch über andere Kanäle Luft in das Bypassvolumen eingebracht werden. Dabei kann der Lufteinlass in fluidkommunizierender Verbindung mit einer Luftquelle stehen, welche als gemeinsame Luftquelle auch den Brennereinlass für das Erzeugen des Brennstoff-Luft-Gemisches mit entsprechender Luft versorgt. Bei einem Brennstoffzellensystem handelt es sich dabei in einfachster Weise um eine Ansaugung von Umgebungsluft als Luftquelle.

[0017] Wie später noch erläutert, kann durch das Einbringen von Luft über den separaten Lufteinlass die Luftkonzentration in Bypassvolumen und damit das stöchiometrische Verhältnis zum Brennstoff im Bypassvolumen eingestellt werden. Die gewünschte flammenbehaftete Verbrennung kann auf diese Weise verbessert kontrolliert und vor allem unabhängig von der katalytischen Verbrennung gesteuert und/oder geregelt werden.

[0018] Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn der Lufteinlass gemäß dem voranstehenden Absatz ein Kontrollventil für eine Kontrolle des Massenstroms an Luft in das Bypassvolumen aufweist. Ein solches Kontrollventil erlaubt insbesondere auch ein vollständiges Absperren und/oder ein vollständiges Öffnen des jeweiligen Lufteinlasses, sodass das Bypassvolumen in einer Extremstellung vollständig von der Luftzufuhr abgeschlossen werden kann. Sobald eine Zündung der flammenbehafteten Verbrennung erfolgt ist, kann über das Kontrollventil die Stärke der flammenbehafteten Verbrennung durch die Variation der stöchiometrischen Verhältnisse im Bypassvolumen über das Kontrollventil variiert werden. Es wird so eine besonders einfache und kostengünstige Kontrollmöglichkeit gegeben, um separat von der katalytischen Verbrennung die flammenbehaftete Verbrennung zu kontrollieren.

[0019] Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung im und/oder nach dem Brennerauslass eine Luftzufuhr für eine kontrollierte Zufuhr von Luft in das Brennerabgas-Luft-Gemisch angeordnet ist. Insbesondere ist dies kombiniert mit einem Lufteinlass gemäß dem voranstehenden Absatz. Dabei kann es sich auch um einen externen Bypass handeln, welcher in der Lage ist, Luft vollständig an der Brennervorrichtung und sowohl an der katalytischen als auch der flammenbehafteten Verbrennung vorbeizuführen. Eine Kontrollierbarkeit für die einzelnen verwendeten Gase und die sich entsprechend einstellenden Gaszusammensetzungen wird auf diese Weise weiter erhöht.

[0020] Vorteile bringt es darüber hinaus mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung der Brennereinlass, ein Hohlraumeinlass in den Katalysatorhohlraum und/oder der Katalysatorhohlraum selbst einen Mischabschnitt aufweist für ein Vermischen von Luft und Brenn-

stoff. Während es grundsätzlich möglich ist, das Brennstoff-Luft-Gemisch von extern vorgemischt der Brennervorrichtung zuzuführen, kann eine solche Mischvorrichtung als Mischabschnitt auch in die Brennervorrichtung integriert sein. Eine solche Integration erlaubt es, am Brennereinlass, an einem Hohlraumeinlass und/oder in den Katalysatorhohlraum integriert die Mischung durchzuführen, sodass als externe Anschlüsse an der Brennervorrichtung für diesen Mischabschnitt die Zufuhr von reinem oder im Wesentlichen reinem Brennstoff und von Luft möglich ist. Dies erlaubt es, den Mischabschnitt in das Modul der Brennervorrichtung zu integrieren und auch bei bestehenden Brennstoffzellensystemen eine erfindungsgemäße Brennervorrichtung nachzurüsten.

[0021] Es kann weitere Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung der Katalysatorkörper für einen radialen Auslass von Brennstoff-Luft-Gemisch, insbesondere ausschließlich für einen radialen Auslass von Brennstoff-Luft-Gemisch, bezogen auf die Längsachse, ausgebildet ist. Ein solcher radialer Auslass kann zum Beispiel durch die später noch erläuterte poröse Ausgestaltung des Katalysatorkörpers zur Verfügung gestellt werden. Selbstverständlich sind jedoch auch andere Gasdurchlässigkeiten, wie zum Beispiel Gitterstrukturen, Schwammstrukturen oder Netzstrukturen im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar. Für einen ausschließlich radialen Auslass des Brennstoff-Luft-Gemisches kann der Katalysatorkörper an seinen Enden vorzugsweise gasdicht abgeschlossen sein. Eine rein radiale Strömungsrichtung durch den Katalysatorkörper hindurch erlaubt es, die katalytische Verbrennungssituation zu vereinheitlichen und insbesondere über die gesamte Katalysatoroberfläche möglichst gleichmäßig zu verteilen. Dadurch, dass die katalytische Brennfunktionalität als Basis für die nachgeordnete flammenbehaftete Verbrennung dient, führt dies im zweiten Schritt auch zu einer vergleichsmäßigten flammenbehafteten Verbrennung im Bypassvolumen.

[0022] Vorteile bringt es darüber hinaus mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung die Querschnittskontur sich zwischen einem Innenradius und einem Außenradius erstreckt, insbesondere in gleichmäßiger Form in radialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung. Beispielsweise kann eine Querschnittskontur, wie dies später noch näher erläutert wird, eine sternförmige Ausgestaltung aufweisen. Somit hat die Querschnittskontur eine maximale radiale Erstreckung, welche bei allen radialen Erstreckungen den gemeinsamen Außenradius nicht überschreitet. Die minimale radiale Erstreckung wird dabei durch den gemeinsamen Innenradius definiert, sodass die sich auf diese Weise sternförmig ausbildenden Einbuchtungen alle eine gleiche oder im Wesentlichen gleiche Tiefe aufweisen. Die entsprechend durch die Vertiefungen und Erhöhungen entstehenden Oberflächenvergrößerungen, deren strömungstechnische Auswirkung sowie deren katalytische Verstärkung wirkt sich demnach für alle einzelnen Sternelemente und Einbuchtungen identisch oder im Wesentlichen identisch aus. Wie im voranstehenden Absatz erläutert, wird somit sowohl in radialer Richtung als auch in Umfangsrichtung ein gleichmäßiges Brennverhalten für die hybride Verbrennung zur Verfügung gestellt.

[0023] Vorteilhaft ist es weiter, wenn bei einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung die Querschnittskontur symmetrisch oder im Wesentlichen symmetrisch zur Längsachse ausgebildet ist. Eine solche symmetrische oder im Wesentlichen symmetrische Ausgestaltung ist insbesondre als punktsymmetrische Ausgestaltung in der Schnittebene quer zur Längsachse und damit zum Schnittpunkt der Längsachse mit dieser Querschnittsebene zu verstehen. Somit wird es möglich, solche punktsymmetrisch ausgestalteten Querschnittskonturen von rotationssymmetrischen Querschnittskonturen zylindrischer Katalysatorkörper zu unterscheiden. Dabei ist noch darauf hinzuweisen, dass selbstverständlich die Querschnittskontur entlang der Längsachse im Rahmen der vorliegenden Erfindung variieren kann. So kann beispielsweise neben einer Abweichung von der Kreiskontur in einem Querschnitt diese Querschnittskontur entlang der Längsachse variiert werden, sodass beispielsweise über den Verlauf der Längsachse die Querschnittskontur eine zusätzliche Einbuchtung und/oder Auswölbung aufweist. Man kann dies auch als doppelte oder zusätzliche Auswölbung oder Krümmung bezeichnen, welche die erfindungsgemäße Vergrößerung der katalytischen Wirkung durch die Vergrößerung der geometrischen Erstreckung der Katalysatoroberfläche noch weiter verstärkt.

[0024] Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung die Quer-

schnittskontur entlang der Längsachse wenigstens abschnittsweise konstant oder im Wesentlichen konstant ausgebildet ist. Dies erlaubt es, dass im Gegensatz zur voranstehend beschriebenen Dickenvariation eine besonders einfache und kostengünstige Fertigungsmöglichkeit für den Katalysatorkörper gegeben ist. Darüber hinaus werden auch über den Verlauf der Längsachse konstante und/oder gleichmäßige Brennverhältnisse für die hybriden Brennfunktionen zur Verfügung gestellt.

[0025] Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung die Querschnittskontur zumindest abschnittsweise sternförmig ausgebildet ist. Dies ist insbesondere kombiniert mit der bereits mehrfach erläuterten symmetrischen Ausgestaltung zur Längsachse, sodass ein punktsymmetrischer Stern als Querschnittskontur zur Verfügung gestellt wird. Die Sternspitzen definieren dabei den Außenradius und die Sterntäler den entsprechenden Innenradius. Die zugehörige und gewünschte Vergrößerung der katalytischen Oberfläche wird hier mit einer maximalen Reduktion des Bauraums bei gleichzeitig erhöhter Effizienz der Wärmeerzeugung zur Verfügung gestellt.

[0026] Es ist weiter vorteilhaft, wenn bei einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung der KataIysatorkörper zumindest im Bereich der Katalysatoroberfläche, insbesondere vollständig oder im Wesentlichen vollständig, porös ausgebildet ist. Unter einer porösen Ausbildung ist insbesondere eine zumindest teilweise offenporige Porosität zu verstehen. Vorzugsweise ist der offenporige Anteil des porösen Materials im Bereich von 50 bis 100 Prozent. Dies bedeutet, dass eine durchlässige Porenstruktur die erfindungsgemäße Gasdurchlässigkeit zur Verfügung stellt. Beispielsweise können Keramikmaterialien und/oder Metallmaterialien eingesetzt werden. Eine Fertigung kann zum Beispiel durch additive Fertigungsverfahren zur Verfügung gestellt werden. Weitere Möglichkeiten der Herstellung sind zum Beispiel ein Aufschäumen oder ein Beschichten von Schäumen, wie beispielsweise Polymerschwämmen. Dadurch ergibt sich in poröser Weise eine schwammartige Struktur, welche insbesondere zusätzlich innerhalb der Poren ebenfalls mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung ausgestattet ist.

[0027] Bei einer Brennervorrichtung gemäß dem voranstehenden Absatz kann es vorteilhaft sein, wenn der Katalysatorkörper entlang der Längsachse eine varlierende Porosität aufweist. Mit anderen Worten wird über den Verlauf der Längsachse eine unterschiedliche Gasdurchlässigkeit durch unterschiedliche Porositäten zur Verfügung gestellt. Beispielsweise kann entlang der Hauptströmungsrichtung innerhalb des Katalysatorhohlraums zu Beginn eine reduzierte Gasdurchlässigkeit und über den Verlauf entlang der Längsachse eine zunehmende Durchlässigkeit zur Verfügung gestellt werden. Dies erlaubt es, Druckunterschiede innerhalb des Katalysatorhohlraums über eine varilierende Gasdurchlässigkeit auszugleichen, sodass vorzugsweise eine Vergleichmäßigung des Durchtritts an Brennstoff-Luft-Gemisch durch den Katalysatorkörper über den Verlauf der Längsachse erreicht werden kann. Auch dies erlaubt es, eine weitere Vergleichsmäßigung der hybriden Brennerfunktionen an der Katalysatoroberfläche zur Verfügung zu stellen. Diese Variation kann beispielsweise durch unterschiedliche Sintermethoden oder Sintermaterialien beim Herstellen des Katalysatorkörpers zur Verfügung gestellt werden. Auch kann der KataIysatorkörper aus scheibenartigen Einzelelementen zusammengesetzt werden, welche für jede Scheibe eine identische oder aber eine unterschiedliche Porosität aufweisen. Auch eine Kombination unterschiedlicher Fertigungsmöglichkeiten ist selbstverständlich im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar.

[0028] Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung die Katalysatoroberfläche wenigstens abschnittsweise eine Flächennormale aufweist, welche eine benachbarte Flächennormale der Katalysatoroberfläche außerhalb des Katalysatorkörpers schneidet. Dies erlaubt es, die Querschnittskontur noch genauer zu definieren. So reicht es bei dieser Ausführungsform aus, wenn die Querschnittskontur so weit von der Kreisform abweicht, dass sich zwei Flächennormalen von unterschiedlichen Positionen der Katalysatoroberfläche, innerhalb des Bypassvolumens und damit außerhalb des Katalysatorkörpers, schneiden. Dies führt dazu, dass diese Flächenabschnitte der sich schneidenden Flächennormalen aufeinander zugerichtet sind. Bei einem Betrieb einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung ist es unter anderem von Vorteil, wenn ein Teil der erzeugten Wärme der flammenbehafteten Verbrennung an den Kataly-

satorkörper und insbesondere an die Katalysatoroberfläche zurückgeführt wird. Da dies üblicherweise hauptsächlich über Wärmestrahlung erfolgt, kann durch die Ausrichtung der einzelnen Oberflächen zueinander, wie dies bei dieser Ausführungsform der Fall ist, diese Strahlungsrückführung der Wärme verstärkt werden. Mit anderen Worten wird bei dieser Ausgestaltungsform mit höherer Wahrscheinlichkeit sichergestellt, dass die Katalysatoroberfläche durch die flammenbehaftete Verbrennung weiter mit Wärme versorgt wird. Durch diese Wärmeversorgung ist sichergestellt, dass die Katalysatoroberfläche nicht in unerwünschter Weise auskühlt, sondern weiter die Radikale durch die katalytische Umsetzung für eine stabile flammenbehaftete Verbrennung zur Verfügung stellt.

[0029] Vorteile bringt es ebenfalls mit sich, wenn bei einer Brennervorrichtung gemäß dem voranstehenden Absatz die Katalysatoroberfläche wenigstens abschnittsweise eine Flächennormale aufweist, welche die Katalysatoroberfläche in einem benachbarten Abschnitt schneidet. Dies verstärkt die Einbuchtung gemäß dem voranstehenden Absatz noch weiter, sodass die Flächennormale nicht nur eine benachbarte Flächennormale, sondern direkt einen benachbarten Oberflächenabschnitt der Katalysatoroberfläche schneidet, sodass die Rückstrahlung von Wärme und damit die Rückübertragung aus der Flammenzone noch weiter verstärkt ist.

[0030] Vorteile bringt es ebenfalls mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung die Katalysatoroberfläche zumindest einen Führungsabschnitt für eine Führung der Luft im Bypassvolumen aufweist, welcher sich insbesondere entlang oder im Wesentlichen entlang der Längsachse erstreckt. Ein solcher Führungsabschnitt kann auch als Führungsfinne bezeichnet werden und erstreckt sich insbesondere entlang der Strömungsrichtung der Luft im Bypassvolumen. Dies erlaubt es, zusätzlich zu der verbesserten katalytischen Brennerfunktion eine Strömungsoptimierung durch die Querschnittskontur zur Verfügung zu stellen. Luft im Bypass wird vor Verwirbelungen geschützt, indem eine solche finnenartige Struktur als Führungsabschnitt die Luftströmung führt und vorzugsweise vor Verwirbelungen im Bereich einer Flammenzone oberhalb der Katalysatoroberfläche schützt. Die Stabilität der flammenbehafteten Verbrennung kann auf diese Weise noch weiter verbessert werden. Zusätzlich erlaubt diese definierte geometrische Führungsfunktion für die Luft im Bypassvolumen eine verbesserte Durchmischung oberhalb der Katalysatoroberfläche.

[0031] Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem zur Erzeugung von elektrischer Energie aus einem Brennstoff und/oder zur Erzeugung von Brennstoff aus elektrischer Energie, aufweisend wenigstens eine erfindungsgemäße Brennervorrichtung. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Brennervorrichtung erläutert worden sind. Ein solches Brennstoffzellensystem dient also, beispielsweise als SOFC-Brennstoffzellensystem, zur Erzeugung von elektrischer Energie aus einem gasförmigen Brennstoff. Umgekehrt kann ein solches Brennstoffzellensystem aus elektrischer Energie auch, beispielsweise als SOEC-Brennstoffzellensystem, einen Brennstoff herstellen. In beiden Betriebsweisen ist für das Starten des Brennstoffzellensystems das Erreichen einer Betriebstemperatur notwendig, sodass eine erfindungsgemäße Brennervorrichtung die ausführlich erläuterten Vorteile für ein solches Brennstoffzellensystem mit sich bringen kann.

[0032] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schematisch:

[0033] Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung,

[0034] Fig. 2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung, [0035] Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung, [0036] Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung, [0037] Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung, [0038] Fig. 6 ein möglicher Teilquerschnitt durch einen Katalysatorkörper,

[0039] Fig. 7 ein möglicher Teilquerschnitt durch einen weiteren Katalysatorkörper,

[0040] Fig. 8a eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems und

[0041] Fig. 8b eine weitere schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.

[0042] Figur 1 zeigt schematisch im seitlichen Querschnitt entlang der Längsachse LA eine Brennervorrichtung 10. Diese weist zwei Hauptelemente auf. Zum einen ist dies das Brennergehäuse 20, in welchem der zweite Hauptbestandteil in Form des Katalysatorkörpers 30 angeordnet ist. Bei der Ausführungsform der Figur 1 kann nun in den Katalysatorhohlraum 32 ein BrennstoffLuft-Gemisch BL über den Brennereinlass 22 eingebracht werden. Um das Brennstoff-Luft-Gemisch BL zu erzeugen ist dem Brennereinlass 22 vorgelagert ein Mischabschnitt 50 vorgesehen, welcher mit Brennstoff B und Luft L versorgt wird. Das Brennstoff-Luft-Gemisch BL dringt also über den Brenneinlass 22 in das Brennergehäuse 20 und insbesondere in den Katalysatorhohlraum 32 ein.

[0043] Darüber hinaus ist in der Figur 1 zu erkennen, dass über einen Lufteinlass 26 Luft L in das Bypassvolumen 40 eingebracht wird. Es bildet sich ein Gemisch aus Brennerabgas und Luft L als Brennerabgas-Luft-Gemisch BAL aus, welches das Bypassvolumen 40 über den Brennerauslass 24 wieder verlässt.

[0044] Hinsichtlich der Funktionsweise kann die Brennervorrichtung 10 als hybrider Brenner bezeichnet werden. Das Brennstoff-Luft-Gemisch BL durchdringt den gasdurchlässigen porösen Katalysatorkörper 30 und gelangt auf die Katalysatoroberfläche 34, welcher eine katalytische Beschichtung 36 aufweist. Durch die katalytische Beschichtung ist eine Umsetzung des Brennstoffs B möglich, sodass Radikale entstehen, welche wiederum eine flammenbehaftete Verbrennung des restlichen Brennstoffs B mit der Luft L im Bypassvolumen 40 erlauben. Die entstehende Abwärme wird über das Brennerabgas-Luft-Gemisch BAL aus der Brennervorrichtung 10 über den Brennerauslass 24 ausgetragen und den weiteren Komponenten des Brennstoffzellensystems 100 zugeführt.

[0045] Die Figur 2 zeigt im schematischen Querschnitt quer zur Längsachse LA nun eine Querschnittskontur QK des Katalysatorkörpers 30 in erfindungsgemäßer Weise. Hier sind vier Einbuchtungen dargestellt, welche die Querschnittskontur QK von der Kreisform abweichen lassen. Der Katalysatorhohlraum 32 ist ähnlich ausgebildet, sodass Brennstoff-Luft-Gemisch BL nun radial durch den porösen Katalysatorkörper 30 hindurch an die entsprechenden Einbuchtungen und Auswölbungen der Katalysatoroberfläche 34 und dort an die katalytische Beschichtung 36 gelangt. Die Figur 2 zeigt darüber hinaus, dass die vier Auswölbungen als Führungsabschnitte 35 in finnenartiger Weise entlang der Längsachse LA eine Führung der Luft L im Bypassvolumen 40 zur Verfügung stellen.

[0046] Die Figur 3 zeigt die Ausführungsform der Figur 2, jedoch mit Relation zu einem Innenradius IR und einem Außenradius AR. Während grundsätzlich jede, auch asymmetrische, Querschnittskontur QK möglich ist, solange diese von der Kreisform abweicht, ist eine regelmäßige Ausgestaltung gemäß der Figuren 2 und 3 von Vorteil. Wie hier zu erkennen, orientiert sich die regelmäßige Querschnittskontur QK diese Ausführungsform an einem maximalen Außenradius AR und einem minimalen Innenradius IR, sodass die entsprechenden hybriden Brennfunktionalitäten in Umfangsrichtung und in radialer Richtung vergleichbar sind.

[0047] Die Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer solchen Brennervorrichtung 10. Sie unterscheidet sich dadurch von der Variante der Figur 1, dass nun die Luftzufuhr in das Bypassvolumen 40 mithilfe eines Kontrollventils 28 geregelt beziehungsweise gesteuert werden kann. Damit wird es möglich, das stöchiometrische Verhältnis im Bypassvolumen 40 genau einzustellen und damit noch genauer die Brennfunktionalitäten der flammenbehafteten Verbrennung zu kontrollieren. Weiter ist in der Figur 4 zu erkennen, dass der Mischabschnitt 50 in einen Hohlraumeinlass 33 des Brennereinlasses 22 integriert ist. Somit wird das Brennstoff-Luft-Gemisch BL direkt am Einlass in den Katalysatorhohlraum 32 ausgebildet, sodass das Gesamtsystem der Bren-

nervorrichtung 10 noch kompakter ausgebildet werden kann. Weiter ist beispielhaft in der Figur 4 zu erkennen, wie die rechte Endfläche des Katalysatorkörpers 30 gasdicht ausgestaltet ist. Dies erlaubt es, die katalytische Wirkung auf die Umfangsfläche des Katalysatorkörpers 30 zu beschränken, was zu einer Vergleichmäßigung der Brennerfunktionen führt.

[0048] In der Figur 5 ist eine weitere Ausgestaltung der Brennervorrichtung 10 dargestellt. Hier ist ein Mischabschnitt 50 nun in den Brennereinlass 22 integriert und ragt in den Katalysatorhohlraum 32 hinein. Die Kompaktheit wird auf diese Weise für die Brennervorrichtung 10 maximiert. Auch ist bei dieser Ausführungsform eine zusätzliche Luftzufuhr 29 in den Brennerauslass 24 zu erkennen, welche es erlaubt über ein Kontrollventil Luft L dem Brennerabgas-Luft-Gemisch hinzuzufügen. Damit wird es möglich, zum einen die Auslasstemperatur des Brennerabgas-Luft-Gemisches BAL, aber auch deren stöchiometrisches Verhältnis noch nachträglich außerhalb der Brennervorrichtung 10 zu beeinflussen.

[0049] In der Figur 6 ist eine weitere Möglichkeit der Formgebung des Katalysatorkörpers 30 zu erkennen. Hier ist an zwei Positionen der Katalysatoroberfläche 34 jeweils die Flächennormale FN dargestellt. Die beiden dargestellten Flächennormalen FN schneiden sich außerhalb des Katalysatorkörpers 30, sodass sich eine Flammenzone zwischen diesen beiden Erhöhungen in der Einbuchtung des Katalysatorkörpers 30 ausbildet. In dieser Flammenzone flammenbehaftet verbrannter Brennstoff führt nun dazu, dass über Strahlung übertragene Wärme eine im Vergleich zur Kreisform vergrößerte Aufnahmefläche des Katalysatorkörpers 30 erreicht. Die entsprechende durch Wärmestrahlung zurückgeführte Wärmemenge wird auf diese Weise im Vergleich zu einem kreisförmigen Katalysatorkörper 30 vergrößert.

[0050] In der Figur 7 ist eine noch weitere Verstärkung der voranstehenden Wirkung durch eine weiter angepasste Querschnittskontur QK zu erkennen. Hier ist die Flächennormale FN durch die starke Einbuchtung des Katalysatorkörpers 30 so ausgerichtet, dass sie einen benachbarten Abschnitt des Katalysatorkörpers 30 direkt schneidet. Die im voranstehenden Absatz bezüglich der Figur 6 erläuterte Rückstrahlung durch Wärmestrahlung wird auf diese Weise maximiert.

[0051] Die Fig 8b zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem 100, wobei der Brennstoffzellenstapel hier schematisch einen Anodenabschnitt 110 und einen Kathodenabschnitt 120 aufweist. Die Zufuhr zum Kathodenabschnitt 120 ist hier mit einer Brennervorrichtung 10 ausgestattet, welche die erfindungsgemäßen Vorteile mit sich bringt. In Figur 8a ist in der Zufuhr der Luft L zum Kathodenabschnitt 120 noch ein Wärmetauscher HEX angeordnet, welcher Abwärme aus dem Kathodenabgas an die zugeführte Luft L abgibt bevor das Abgas an die Umgebung abgegeben wird. In der Fig. 8a ist die Brennervorrichtung 10 im Gegensatz dazu im Abgaspfad angeordnet.

[0052] Die voranstehende Erläuterung beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

BEZUGSZEICHENLISTE

10 Brennervorrichtung 20 Brennergehäuse

22 Brennereinlass

24 Brennerauslass

26 Lufteinlass

28 Kontrollventil

29 Luftzufuhr

30 _Katalysatorkörper

32 Katalysatorhohlraum 33 Hohlraumeinlass

34 Katalysatoroberfläche 35 _ Führungsabschnitt

36 katalytische Beschichtung 40 _Bypassvolumen

50 _Mischabschnitt

100 Brennstoffzellensystem 110 Anodenabschnitt 120 Kathodenabschnitt

HEX Wärmetauscher

L Luft B Brennstoff BL Brennstoff-Luft-Gemisch

BAL Brennerabgas-Luft-Gemisches

LA Längsachse

QK Querschnittskontur IR Innenradius

AR Außenradius

FN Flächennormale

Claims

Patentansprüche

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

2. Brennervorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennergehäuse (20) einen, insbesondere vom Brennereinlass (22) separaten, Lufteinlass (26) aufweist für einen Einlass von Luft in das Bypassvolumen (40).

3. Brennervorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lufteinlass (26) ein Kontrollventil (28) für eine Kontrolle des Massenstroms an Luft in das Bypassvolumen (40) aufweist.

4. Brennervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im und/oder nach dem Brennerauslass (24) eine Luftzufuhr (29) für eine kontrollierte Zufuhr von Luft (L) in das Brennerabgas-Luft-Gemisch (BAL) angeordnet ist.

5. Brennervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennereinlass (22), ein Hohlraumeinlass (33) in den Katalysatorhohlraum (32) und/oder der Katalysatorhohlraum (32) einen Mischabschnitt (50) aufweist für ein Vermischen von Luft (L) und Brennstoff (B).

6. Brennervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysatorkörper (30) für einen radialen Auslass von Brennstoff-LuftGemisch (BL) bezogen auf die Längsachse (LA), insbesondere ausschließlich für einen radialen Auslass von Brennstoff-Luft-Gemisch (BL) bezogen auf die Längsachse (LA), ausgebildet ist.

7. Brennervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittskontur (QK) sich zwischen einem Innenradius (IR) und einem Außenradius (AR) erstreckt, insbesondere in gleichmäßiger Form in radialer Richtung und/ oder in Umfangsrichtung.

8. Brennervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittskontur (QK) symmetrisch oder im Wesentlichen symmetrisch zur Längsachse (LA) ausgebildet ist.

9. Brennervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittskontur (QK) entlang der Längsachse (LA) wenigstens abschnittsweise konstant oder im Wesentlichen konstant ausgebildet ist.

10. Brennervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittskontur (QK) zumindest abschnittsweise sternförmig ausgebildet ist.

11. Brennervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysatorkörper (30) zumindest im Bereich der Katalysatoroberfläche (34), insbesondere vollständig oder im Wesentlichen vollständig, porös ausgebildet ist.

12. Brennervorrichtung (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysatorkörper (30) entlang der Längsachse (LA) eine variierende Porosität aufweist.

13. Brennervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoroberfläche (34) wenigstens abschnittsweise eine Flächennormale (FN) aufweist, welche eine benachbarte Flächennormale (FN) der Katalysatoroberfläche (34) außerhalb des Katalysatorkörpers (30) schneidet.

14. Brennervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoroberfläche (34) wenigstens abschnittsweise eine Flächennormale (FN) aufweist, welche die Katalysatoroberfläche (34) in einem benachbarten Abschnitt schneidet.

15. Brennervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoroberfläche (34) zumindest einen Führungsabschnitt (25) für eine Führung der Luft im Bypassvolumen (40) aufweist, welcher sich insbesondere entlang oder im Wesentlichen entlang der Längsachse (LA) erstreckt.

16. Brennstoffzellensystem (100) zur Erzeugung von elektrischer Energie aus einem Brennstoff und/oder zur Erzeugung von Brennstoff aus elektrischer Energie, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Brennervorrichtung (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 15 vorgesehen ist.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen