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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nachverbrennung von hochtemperierten
Schwachgasen mit einem Brenner mit porösen Strukturen für einen
Reaktor, insbesondere eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle, welcher
aus getrennten Auslässen
einerseits ein brennbare Bestandteile enthaltendes Gas und andererseits
ein Sauerstoff enthaltendes Gas emittiert, die mit dem Brenner mit
porösen Strukturen
verbunden sind.
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Hochtemperierte
Schwachgase treten bei unterschiedlichen Prozessen auf. In den seltensten Fällen können diese
Schwachgase ohne weitere Behandlung in die Atmosphäre entlassen
werden. Abgesehen von den Gründen
des Umweltschutzes ist eine Nachverbrennung auch wegen der Verbesserung
des Wirkungsgrades gerade bei Brennstoffzellen geboten. Hier fallen
als hochtemperierte Schwachgase einerseits Anodenrestgas, welches noch
brennbare Bestandteile enthält
und andererseits Kathodenabluft, die noch sauerstoffhaltig ist,
an.
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Um
eine sichere emissionsarme Nachverbrennung dieser Schwachgase zur
Wärmegenerierung,
und zwar auf hohem Temperaturniveau jedoch ohne schadstofferzeugende
Temperaturspitzen zu erreichen, hat sich der Einsatz eines Brenners
mit porösen
Strukturen als ein gangbarer Weg erwiesen. Der Brenner mit porösen Strukturen
besteht häufig aus
Keramik und wird als Porenbrenner bezeichnet. Nach dem Stand der
Technik kann heißes
Anodenrestgas und heiße
Kathodenabluft als Abgas von Hochtemperaturbrennstoffzellen aber
nicht direkt im Brenner mit porösen
Strukturen eingesetzt werden, da ein Flammenrückschlag bzw. Selbstentzündung nicht
ausgeschlossen werden kann.
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Unter
exergetischen Gesichtspunkten ist aber die Umwandlung der chemischen
Restenergie in Wärmeenergie
auf hohem Temperaturniveau anzustreben. Im Beispiel der Hochtemperaturbrennstoffzelle
bedeutet dies den direkten Einsatz des stacktemperierten Anodenrestgases
bei möglichst geringer
Luftzahl mit der stacktemperierten Kathodenabluft. Vormischbrenner
nach dem Stand der Technik lassen dieses Vorgehen jedoch nicht zu,
da es bereits in der Mischkammer zur Zündung kommen würde.
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Aus
DE 101 49 014 A1 ist
bekannt, das Anodenrestgas und die Kathodenabluft dem Porenbrenner
getrennt zuzuführen.
Zu diesem Zweck befindet sich zwischen dem Brennstoffzellenstack
und dem Porenbrenner eine Trennwand, die so angeordnet ist, dass
auf der einen Seite das Anodenrestgas und auf der anderen Seite
die Kathodenabluft direkt zum Porenbrenner gelangen. Hier ist eine
vorzeitige Zündung
des Anodenrestgases ausgeschlossen. Die Praxis zeigt jedoch, dass
eine einfache direkte getrennte Beaufschlagung der Brenngase bis
auf den Porenbrenner kein vorteilhaftes Brennerverhalten zulässt. Es
kommt zu keiner hinreichenden Verbrennung, da die Porosität keine
ausreichende Quervermischung in technisch sinnvollen Abmessungen
bewirkt. Des weiteren kann die Regelung des Prozesses insbesondere
beim Starten, beim Lastwechsel und beim Abfahren des Systems nicht
durch eine zumindest zeitweise Zuleitung von Zusatzbrenngas oder
kalter Frischluft positiv beeinflusst werden.
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Es
ist deshalb der Zweck der Erfindung, den direkten Einsatz des stacktemperierten
brennbare Bestandteile enthaltenden Abgases bei möglichst
geringer Luftzahl mit der stacktemperierten sauerstoffhaltigen Abluft
bei kompakter Bauweise des Brenners mit porösen Strukturen zu ermöglichen,
ohne dass es bereits vor Eintritt der Gase in den Brenner mit porösen Strukturen
zu einer Zündung
kommt. Die Erfindung bezweckt weiterhin eine zumindest zeitweise
Zuleitung von Zusatzbrenngas oder kalter Frischluft zum brennbare
Bestandteile enthaltenden Abgas bzw. zur sauerstoffhaltigen Abluft.
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Die
erfindungsgemäße Lösung besteht
darin, dass zwischen dem Auslass für das brennbare Bestandteile
enthaltende Gas und/oder dem Auslass für das Sauerstoff enthaltende
Gas auf der einen Seite und dem Brenner mit porösen Strukturen auf der anderen
Seite eine Verteileinrichtung vorgesehen ist, welche zum Brenner
mit porösen
Strukturen Öffnungen
aufweist. Die Verteileinrichtung ist vorzugsweise direkt über dem
Brenner mit porösen
Strukturen angeordnet. Die Verteileinrichtung besteht vorzugsweise
aus einer Reihe im Abstand angeordneter Verteilkanäle, die
mit dem Auslass für
das brennbare Bestandteile enthaltende Gas bzw. dem Auslass für das Sauerstoff
enthaltende Gas verbunden sind.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
geht der Auslass eines der beiden Medien brennbare Bestandteile
enthaltendes Gas und Sauerstoff enthaltendes Gas in ein Rohr über, dass
konzentrisch innerhalb des Auslasses für das andere Medium brennbare
Bestandteile enthaltendes Gas und Sauerstoff enthaltendes Gas angeordnet
ist und die Verteilkanäle
erstrecken sich radial über
die Oberfläche des
Brenners mit porösen
Strukturen, wobei die Verteilkanäle über einen
Ringkanal mit einander verbunden sein können. Für das andere Medium brennbare Bestandteile
enthaltendes Gas oder Sauerstoff enthaltendes Gas kann auch ein
ringförmiger
Kanal vorgesehen sein, von dem sich Verteilkanäle radial nach innen zwischen
den anderen Verteilkanälen
erstrecken.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
endet der Auslass eines der beiden Medien brennbare Bestandteile
enthaltendes Gas und Sauerstoff enthaltendes Gas in einer Verteileinrichtung, die
kammförmig
angeordnet ist.
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Eine
besondere Ausführungsform
sieht vor, dass sowohl an dem Auslass für das brennbare Bestandteile
enthaltende Gas als auch an dem Auslass für das Sauerstoff enthaltende
Gas Verteilkanäle
vorgesehen sind, wobei die Verteilkanäle für das brennbare Bestandteile
enthaltende Gas und die Verteilkanäle für das Sauerstoff enthaltende
Gas kammartig ineinander greifen.
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Noch
eine bevorzugte Ausführungsform sieht
vor, dass die Verteileinrichtung für eines der beiden Medien brennbare
Bestandteile enthaltendes Gas und Sauerstoff enthaltendes Gas aus
einem spiralförmigen
Kanal besteht. Es kann erfindungsgemäß auch je ein Verteilkanal
für das
brennbare Bestandteile enthaltende Gas und für das Sauerstoff enthaltende
Gas vorgesehen sein, die in Form einer Doppelspirale auf dem Brenner
mit porösen
Strukturen angeordnet sind.
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In
einer weiteren Ausführungsform
besteht die Verteileinrichtung aus einem Hohlblock mit Öffnungen
zum Brenner mit porösen
Strukturen für
ein der beiden Medien brennbare Bestandteile enthaltendes Gas und
Sauerstoff enthaltendes Gas, in dem Durchströmkanäle für das andere der beiden Medien brennbare
Bestandteile enthaltendes Gas und Sauerstoff enthaltendes Gas vorgesehen
sind.
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Vorzugsweise
sind an dem Auslass für
das brennbare Bestandteile enthaltende Gas eine Zuleitung für Zusatzbrenngas
und/oder an dem Auslass für
das Sauerstoff enthaltende Gas eine Zuleitung für Frischluft angeordnet.
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Durch
die erfindungsgemäße Losung
werden die Nachteile des Standes der Technik beseitigt. Es wird
eine kompakte Bauweise der Anlage erreicht, indem der Porenkörper verkürzt werden
kann. Dabei ist eine einfache Regelung durch Zuleitung von Frischluft
möglich.
Auch die Betriebssicherheit der Anlage wird erhöht.
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Die
Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In
der zugehörigen
Zeichnung stellen
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1 einen
Längsschnitt
durch eine mit Brennstoffzellen betriebene Elektroenergie-Erzeugungsanlage
mit einem Brenner mit porösen
Strukturen zur Nachverbrennung mit einer erfindungsgemäßen Verteileinrichtung,
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2 eine
detaillierte Darstellung einer Verteileinrichtung im Schnitt,
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3 eine
Verteileinrichtung mit radialen Verteilkanälen mit einem Porenbrenner,
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4 eine
weitere Verteileinrichtung mit radialen Verteilkanälen,
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5 eine
Verteileinrichtung mit kammartig ineinander greifenden Verteilkanälen,
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6 eine
Verteileinrichtung mit einem spiralförmigen Verteilkanal,
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7 eine
Verteileinrichtung mit einem Verteilkanal in Form einer Doppelspirale,
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8 eine
Verteileinrichtung in Form eines Hohlblocks,
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9 einen
Schnitt durch die Verteileinrichtung nach 8,
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10 eine
Verteileinrichtung mit quadratischem Querschnitt dar.
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1 zeigt
eine Elektroenergie-Erzeugungsanlage 1. Diese enthält einen
Brennstoffzellenstack 2 mit einer Zuleitung für das Brenngas 3 und
einer Zuleitung für
die Verbrennungsluft 4 sowie Anschlüssen für die erzeugte Elektroenergie 5.
Weiterhin befinden sich an dem Brennstoffzellenstack 2 ein Auslass
für Anodenrestgas 6 und
ein Auslass für
Kathodenabluft 7. Der Auslass für Anodenrestgas 6 ist über ein
Rohr 8 mit einer Verteileinrichtung 9 verbunden,
die auf einem Porenbrenner 10 als einem Brenner mit porösen Strukturen
angeordnet ist. Das Rohr 8 ist zentrisch im Auslass für die Kathodenabluft 7, welches
direkt in den Porenbrenner 10 mündet, angeordnet. In das Rohr 8 mündet eine
Zuleitung für Zusatzbrenngas 11.
In den Auslass für
Kathodenabluft mündet
eine Zuleitung für
Frischluft 12. Um den Porenbrenner 10 herum befindet
sich ein Kühlmantel 13,
der die Wärme
vom Porenbrenner 10 abführt.
Auf der der Verteileinrichtung 9 gegenüberliegenden Seite des Brenners
mit porösen
Strukturen 10 schließt sich
das Abgasrohr 14 an, in dem eine Zündeinrichtung 15 angeordnet
ist.
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2 verdeutlicht
die Verteileinrichtung 9. Hier sind Öffnungen 16 ersichtlich,
die zum Porenbrenner 10 zugewandt sind.
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In 3 ist
eine Verteileinrichtung 9 dargestellt, die aus Verteilkanälen 17 besteht,
die radial vom Rohr 8 ausgehen. An den Enden sind die Verteilkanäle 17 mit
einem Ringkanal 18 verbunden. In den Verteilkanälen und
im Ringkanal 18 sind Öffnungen 16 vorgesehen,
die in Richtung Porenbrenner 10 weisen. Zur Verdeutlichung
sind die Verteileinrichtung 9 und der Porenbrenner 10 auseinander
gezogen dargestellt. In Wirklichkeit liegt die Verteileinrichtung 9 direkt
am Porenbrenner 10 an.
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Die
Wirkungsweise der Vorrichtung ist wie folgt. Im Brennstoffzellenstack 2 reagieren
an den Elektroden das Brenngas und der in der Verbrennungsluft enthaltene
Sauerstoff unter Abgabe elektrischer Energie. Als Abgase verlassen
Anodenrestgas und Kathodenabluft den Brennstoffzellenstack 2.
Das Anodenrestgas verlässt
den Brennstoffzellenstack durch den Auslass 6. Die Kathodenabluft
gelangt durch den Auslass 7. Diese Abgase haben eine Temperatur
von etwa 800° C.
Das Anodenrestgas enthält noch
brennbares Gas und die Kathodenabluft ist sauerstoffhaltig. Sie
sind somit hochtemperierte Schwachgase, deren Energieinhalt zur
Erhöhung des
Wirkungsgrades der Brennstoffzellenanlage zu gewinnen ist. Auch
aus Gründen
des Umweltschutzes ist eine Behandlung dieser Abgase erforderlich. Die
Kathodenabluft wird dem Porenbrenner 10 über den
Auslass 7 zugeführt.
Das Anodenrestgas gelangt vom Auslass 6 über das
Rohr 8 in die Verteileinrichtung 9. Dort verteilt
sich das Anodenrestgas über dem
gesamten Querschnitt des Porenbrenners 10 und tritt von
dort aus durch die Öffnungen 16 in
den Porenbrenner 10. Beim Eintritt des Anodenrestgases und
der Kathodenabluft vermischen sich diese sofort, so dass beim Eintritt
beider Komponenten in den Porenbrenner 10 die Verbrennung
einsetzen kann. Die entstehende Wärme wird durch den Kühlmantel 13 abgeführt und
der weiteren Verwendung zugeführt.
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In
der Anfahrphase wird mit Hilfe der Zündeinrichtung 15 das
austretende Gemisch aus Anodenrestgas und Kathodenabluft entzündet. Nach dem
Zünden
des Gemischs wandert die Brennzone sofort in den Porenbrenner. Zum
Erleichtern des Zündens
wird in der Anfahrphase über
die Zuleitung 11 Zusatzbrenngas und über die Zuleitung 12 Frischluft zugeführt. Frischluft
kann der Kathodenabluft über die
Zuleitung 12 ebenfalls zur Temperatur- und Verbrennungsregelung
zugeführt
werden.
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In 4 ist
eine Verteileinrichtung 9 dargestellt, die radial nach
außen
gerichtete Verteilkanäle 17 für Anodenrestgas
und radial nach innen gerichtete Verteilkanäle 21 für Kathodenabluft
enthält.
Im Unterschied zu 3 ist der hier nicht dargestellte
Auslass für
die Kathodenabluft über
ein Zuführrohr 19 mit einem
weiteren Verteilringkanal 20 verbunden, an dem die radial
nach innen gerichteten Verteilkanäle 21 mit Öffnungen 22 angebracht
sind. Der Porenbrenner wurde hier wie auch in den folgenden Figuren
der Übersicht
halber weggelassen.
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5.
zeigt eine Verteileinrichtung 9 mit parallel angeordneten
Verteilkanälen 17 für Anodenrestgas
und ebenso angeordneten Verteilkanälen 21 für Kathodenabluft,
wobei die Verteilkanäle 17, 21 kammartig
ineinander greifen. Das Rohr 8 und das Zuführrohr 19 als
Fortsetzung des nicht dargestellten Auslasses für die Kathodenabluft sind seitlich
an der Verteileinrichtung 9 angeordnet.
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In 6 ist
eine Verteileinrichtung 9 ersichtlich, in der ein Verteilkanal 17 für Anodenrestgas
spiralförmig
angeordnet ist, während
in 7 sowohl der Verteilkanal 17 für Anodenrestgas
als auch der Verteilkanal 21 für Kathodenabluft in Form einer
Doppelspirale vorliegen.
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In 8 besteht
die Verteileinrichtung 9 aus einem Hohlblock 23,
der mit dem Rohr 8 für
die Zuführung
des Anodenrestgases verbunden ist. Der Hohlblock 23 besitzt Öffnungen 22 und
Durchströmkanäle 24 für die Kathodenrestluft
(9). Der Querschnitt der Vorrichtung kann rund
sein, wie in den bisher beschriebenen Figuren, aber auch andere zweckmäßige Formen
haben, z. B. quadratisch wie in 10 dargestellt.
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- 1
- Elektroenergie-Erzeugungsanlage
- 2
- Brennstoffzellenstack
- 3
- Zuleitung
für das
Brenngas
- 4
- Zuleitung
für die
Verbrennungsluft
- 5
- Anschlüsse für die erzeugte
Elektroenergie
- 6
- Auslass
für Anodenrestgas
- 7
- Auslass
für Kathodenabluft
- 8
- Rohr
- 9
- Verteileinrichtung
- 10
- Porenbrenner
- 11
- Zuleitung
für Zusatzbrenngas
- 12
- Zuleitung
für Frischluft
- 13
- Kühlmantel
- 14
- Abgasrohr
- 15
- Zündeinrichtung
- 16
- Öffnungen
- 17
- Verteilkanäle
- 18
- Ringkanal
- 19
- Zuführrohr
- 20
- Verteilringkanal
für Kathodenabluft
- 21
- Verteilkanäle für Kathodenabluft
- 22
- Öffnungen
- 23
- Hohlblock
- 24
- Durchströmkanäle