DE102005027698A1 - Porous burner for combustion of hydrogen, has mixing space for mixing reducing and oxidizing agents, combustion space filled with porous material, and flame barrier containing another porous material of preset porosity and density - Google Patents

Porous burner for combustion of hydrogen, has mixing space for mixing reducing and oxidizing agents, combustion space filled with porous material, and flame barrier containing another porous material of preset porosity and density Download PDF

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Abstract

The porous burner (1) has a mixing space (3) for mixing a reducing agent and an oxidizing agent, an adjoining combustion space (4) filled with porous material (I), and a flame barrier (2) having holes arranged between mixing space and combustion space. The flame barrier contains a porous material (II) having porosity of less than 60% and density of more than 1300 kg/m3>. An independent claim is included for burning method.

Description

Die Erfindung betrifft einen Porenbrenner mit einem Mischraum zur Mischung von Reduktions- und Oxidationsmittel, und einem sich anschließenden mit einem porösen Material gefüllten Brennraum, wobei zwischen dem Mischraum und dem Brennraum eine Flammensperre mit Löchern angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Verwendung eines solchen Porenbrenners.The The invention relates to a pore burner with a mixing space for mixing of reducing and oxidizing agent, and a subsequent with a porous Material filled Combustion chamber, wherein between the mixing chamber and the combustion chamber, a flame arrester with holes is arranged. Furthermore, the invention relates to a use of a such pore burner.

Aus der WO 95/01532 A1 ist ein Brenner bekannt, welcher einen mit einem porösen Material gefüllten Brennraum und einen Mischraum zeigt. Dieser Brenner weist außerdem eine Flammensperre bzw. Flammenfalle zwischen dem Mischraum und dem Brennerraum auf.Out WO 95/01532 A1, a burner is known which one with a porous Material filled Combustion chamber and a mixing room shows. This burner also has a Flame barrier or flame trap between the mixing chamber and the burner chamber on.

Vorgemischte Verbrennungstechniken wie die Porenbrennertechnik benötigen eine Flammenstabilisierung, die einen Rückschlag der Flammenfront zum Mischraum verhindert. Zwischen dem mit einem porösen Material gefüllten Brennraum und dem Mischraum wird daher eine Flammensperre angeordnet. Die bei Porenbrenner eingesetzten herkömmlichen Flammensperren sind für den Einsatz mit kohlenwasserstoffbasierten Brennstoffen wie Erdgas oder Benzin optimiert. Sie bestehen typischerweise aus meist keramischen Faserplatten mit parallelen Löchern. Diese Fasern haben zumeist eine Stärke von etwa 3,0–3,5 μm, eine Länge von etwa 2–3 mm und bestehen zu 95–97 % aus Al2O3. Sie werden bei der Fertigung derart angeordnet, dass die entstehenden Platten eine hohe Materialporosität, und daraus resultierend, eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Festigkeit bei den auftretenden hohen räumlichen und zeitlichen Temperaturgradienten aufweisen. Diese gelochten Flammensperren, wie in der oben genannten WO-Schrift beschreiben, ermöglichen mit kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffen einen Betrieb mit hoher Leistungsmodulation (1 : 25) über einen weiten Luftzahlbereich.Premixed combustion techniques such as pore burner technology require flame stabilization, which prevents the flame front from falling back to the mixing chamber. Between the filled with a porous material combustion chamber and the mixing chamber therefore a flame arrester is arranged. The conventional flame arresters used in pore burners are optimized for use with hydrocarbon-based fuels such as natural gas or gasoline. They typically consist of mostly ceramic fiber boards with parallel holes. These fibers usually have a thickness of about 3.0-3.5 microns, a length of about 2-3 mm and consist of 95-97% of Al 2 O 3 . They are arranged in the production such that the resulting plates have a high material porosity, and as a result, a low thermal conductivity and high strength at the occurring high spatial and temporal temperature gradients. These perforated flame arresters, as described in the above-referenced WO document, allow for high power modulation (1:25) operation with hydrocarbonaceous fuels over a wide range of air ratios.

Die typische Materialporosität derartiger Flammensperren liegt bei ca. 90 %. Die Materialporosität wird für die hier vorliegenden Darstellungen jeweils aus dem Quotienten (ρF – ρT)/ρF ermittelt, wobei ρF für die Dichte des unporösen Feststoffes steht, ρT die Dichte des porösen Materials derselben Zusammensetzung bei den selben äußeren Bedingungen, z.B. Normalbedingungen. Die Materialporosität gibt im hier verwendeten Sinne also den Anteil an „leerem" Volumen in dem Material an.The typical material porosity of such flame arresters is about 90%. The material porosity for the present representations is determined in each case from the quotient (ρ F -ρ T ) / ρ F , where ρ F stands for the density of the nonporous solid, ρ T is the density of the porous material of the same composition under the same external conditions, eg normal conditions. The material porosity in the sense used here thus indicates the proportion of "empty" volume in the material.

Beispielhafte Aufbauten und Anwendungen zu derartigen Porenbrennern hierzu finden sich z.B. in

  • – Durst, F., Kesting, A., Mößbauer, S., Pickenäcker, K., Pickenäcker, O., Trimis, D., (1997), Der Porenbrenner – Konzept, Technik und Anwendungsgebiete, Gaswärme International, Vol. 46, Nr. 6, S. 300–307; oder in
  • – Diezinger, S., Talukdar, P., von Issendorff F., Trimis, D., (2005), Verbrennung von niederkalorischen Gasen in Porenbrennern, Gaswärme International, Vol. 54, Nr. 3, S. 187–192.
Exemplary structures and applications for such pore burners for this purpose are found, for example, in
  • - Durst, F., Kesting, A., Mössbauer, S., Pickenäcker, K., Pickenäcker, O., Trimis, D., (1997), The Pore Burner - Concept, Technique and Fields of Application, Gas Heat International, Vol. 46 , No. 6, pp. 300-307; or in
  • - Diezinger, S., Talukdar, P., by Issendorff F., Trimis, D., (2005), Combustion of Lower Calorific Gases in Pore Burners, Gas Heat International, Vol. 54, No. 3, pp. 187-192.

Vielen Szenarien sehen Wasserstoff als einen der zukünftigen Energieträger, da er die Erzeugung von Wärme und Strom mit sehr niedrigen Schadstoffemissionen ermöglicht. NOX ist bei der Wasserstoffverbrennung der einzige potentielle Schadstoff, da Kohlenstoff basierte Schadstoffe wie Kohlenmonoxid oder Ruß nicht gebildet werden können. Mögliche Einsatzgebiete, bei denen emissionsarme Wasserstoffbrenner schon heute benötigt werden, sind die chemische Industrie und der Einsatz als Nach- und Heizbrenner in Brennstoffzellensystemen.Many scenarios see hydrogen as one of the future sources of energy because it enables the generation of heat and electricity with very low pollutant emissions. NO X is the only potential pollutant in hydrogen combustion, as carbon-based pollutants such as carbon monoxide or soot can not be formed. Possible areas of application in which low-emission hydrogen burners are already needed today are the chemical industry and the use as after-burners and heating burners in fuel cell systems.

Für die Wasserstoffverbrennung werden derzeit hauptsächlich nicht-vorgemischte oder katalytische Brenner eingesetzt. Bei nicht-vorgemischten Brennern erfolgt die Vermischung des Brennstoffs mit der Luft erst im Reaktionsgebiet so, dass ein Rückschlag grundsätzlich nicht auftreten kann. Dieses Konzept ist jedoch mit vergleichsweise hohen NOX-Emissionen verbunden, da unabhängig von dem Gesamtluftüberschuss immer Zonen mit stöchiometrischer Gemischzusammensetzung und damit hohen Temperaturen vorliegen. Katalytische Brenner hingegen haben den Nachteil, dass sie für viele Applikationen zu anfällig gegenüber Verschmutzung und Temperaturschwankungen sind und eine zu geringe Leistungsmodulation aufweisen. Hinzukommt, dass sie um eine Überhitzung des Katalysators zu vermeiden mit hohen Luftüberschüssen betrieben werden müssen. Der angestrebte niedrige NOX-Ausstoß wird nach derzeitigem Stand der Technik voraussichtlich nur mit vorgemischten Verbrennungssystemen erreicht werden können.For hydrogen combustion, currently mainly non-premixed or catalytic burners are used. In non-premixed burners, the mixing of the fuel with the air takes place only in the reaction area so that a setback can not occur in principle. However, this concept is associated with comparatively high NO x emissions since, regardless of the total excess air, there are always zones with a stoichiometric mixture composition and thus high temperatures. By contrast, catalytic burners have the disadvantage that they are too susceptible to soiling and temperature fluctuations for many applications and have too little power modulation. In addition, they must be operated to avoid overheating of the catalyst with high excess air. The targeted low NO x emissions are expected to be achieved according to the current state of the art only with premixed combustion systems.

Neben den allgemeinen Vorteilen von vorgemischten Brennerkonzepten hat die Porenbrennertechnik weitere Eigenschaften, die den Einsatz eines Porenbrenners zur Wasserstoffverbrennung attraktiv erscheinen lassen. Bei Porenbrennern kann die Temperatur in der Verbrennungszone gezielt beeinflusst werden. Außerdem ist das Temperaturfeld aufgrund des hohen Wärmetransports innerhalb der Verbrennungszone sehr homogen. Beides ermöglicht NOX-Emissionen auf niedrigstem Niveau, das auch von den meisten anderen Vormischbrennern nicht erreicht werden kann. Weitere Vorteile von Porenbrennern gegenüber anderen vorgemischten Brennern sind die möglichen hohen Flächenlasten sowie die geometrische Flexibilität bei der Gestaltung der Verbrennungszone.In addition to the general advantages of premixed burner concepts, the pore burner technology has other properties that make the use of a pore burner for hydrogen combustion attractive. With pore burners, the temperature in the combustion zone can be influenced in a targeted manner. In addition, the temperature field is very homogeneous due to the high heat transfer within the combustion zone. Both allow NO x emissions at the lowest levels that can not be achieved by most other premix burners. Further advantages of pore burners over other premixed burners are the possible high surface loads as well as the geometric flexibility in the design of the combustion zone.

Nun hat es sich gezeigt, dass es bei dem Betrieb von derart ausgerüsteten Porenbrennern mit Wasserstoff oder wasserstoffreichen Gasen, wie sie z.B. bei Gewinnung von Wasserstoff durch Reformierung von kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangstoffen (Methan, Methanol, Benzin, etc.) entstehen, innerhalb kurzer Zeit zu einem Rückschlag der Flamme in den Mischraum kommt. Ein sicherer, d.h. rückschlagsfreier, stationärer Betrieb ist nur bei starker Erhöhung des Luftüberschusses möglich. Das notwendige Ausmaß der Luftzahlerhöhung hängt dabei hauptsächlich von der Flächenlast ab. Ein sicherer Betrieb bei einer für Porenbrenner gängigen Flächenlast von 1300 kW/m2 ist mit der herkömmlichen Flammensperrenkonfiguration nur ab einer Luftzahl von etwa λ = 3.0 möglich. Darüber hinaus kann die Leistung damit nur im Bereich von 1 : 2 moduliert werden. In Versuchen konnte gezeigt werden, dass die Flammenfront bei der Wasserstoffverbrennung in das poröse Material der Flammensperre eindringt, sich durch das Material in Richtung des Mischraums bewegt und zu einem Rückschlag führt.Now it has been shown that in the operation of such equipped pore burners with hydrogen or hydrogen-rich gases, such as those obtained in recovery of hydrogen by reforming hydrocarbon-containing starting materials (methane, methanol, gasoline, etc.) within a short time to a Flashback of the flame comes into the mixing chamber. A safe, ie recoilless, stationary operation is only possible with a strong increase in the excess air. The necessary extent of air increase depends mainly on the area load. Safe operation with a surface load of 1300 kW / m 2 common for pore burners is only possible with the conventional flame barrier configuration from an air ratio of approximately λ = 3.0. In addition, the power can thus be modulated only in the range of 1: 2. In tests it could be shown that the flame front penetrates into the porous material of the flame barrier during the hydrogen combustion, moves through the material in the direction of the mixing chamber and leads to a kickback.

Aufgrund der bekannten Vorteile von Porenbrenners wäre es jedoch wünschenswert diese auch bei der Verwendung mit Wasserstoff oder wasserstoffreichem Gas über große Leistungsbereiche hinweg einzusetzen. Der Realisierung von vorgemischten Wasserstoffbrennern steht jedoch in der Praxis das extrem hohe Rückschlagsrisiko entgegen, welches den Betriebsbereich stark einschränkt.by virtue of However, it would be desirable to know the known benefits of pore burners these also when used with hydrogen or hydrogen-rich Gas over size Use of service areas. The realization of premixed Hydrogen burners, however, are in practice the extremely high risk of kickback contrary, which severely limits the operating range.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Porenbrenner als vorgemischten Brenner zu schaffen, welcher die rückschlagfreie Verwendung mit Wasserstoff oder wasserstoffreichem Gas ermöglicht.It Therefore, the object of the invention, a pore burner as premixed To create burners, which the non-recoiling use with Hydrogen or hydrogen-rich gas allows.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Porenbrenner mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.According to the invention this Task by a pore burner with the features in the characterizing Part of claim 1 solved.

Durch den Einsatz von Materialen mit einer deutlich niedrigeren Materialporosität und einer entsprechend höheren Dichte als bei herkömmlichen Flammensperren konnten der Betriebsbereich und die Leistungsmodulation von Porenbrennern bei der Verbrennung, insbesondere von Wasserstoff und wasserstoffreichem Gas, deutlich vergrößert werden. Das benötigte Material für die gelochte Flammensperre weist dabei eine Dichte von mindestens 1300 kg/m3 und eine Materialporosität im oben erläuterten Sinne von weniger als 60 % auf.Through the use of materials with a significantly lower material porosity and a correspondingly higher density than conventional flame arresters, the operating range and the power modulation of pore burners in the combustion, in particular of hydrogen and hydrogen-rich gas, could be significantly increased. The required material for the perforated flame arrester has a density of at least 1300 kg / m 3 and a material porosity in the sense explained above of less than 60%.

Dann ist mit den erfindungsgemäßen Flammensperren ein sicherer Betrieb mit Wasserstoff und Luft z.B. bei einer Flächenlast von 1300 kW/m2 bei einer deutlich niedrigen Luftzahl von λ = 1.8 möglich. Bei höheren Flächenlasten verringert sich diese Grenzluftzahl entsprechend. Außerdem ermöglicht die neuartige Ausführung eine Leistungsmodulation von 1 : 10.Then with the flame arrestors according to the invention a safe operation with hydrogen and air, for example at a surface load of 1300 kW / m 2 at a significantly low air ratio of λ = 1.8 possible. At higher surface loads, this limit air quantity decreases accordingly. In addition, the new version allows a power modulation of 1:10.

Durch die Vergrößerung des Betriebsbereichs mittels der erfindungsgemäßen Flammensperre können neue Einsatzgebiete erschlossen und die Flexibilität für bereits bestehende vergrößert werden.By the enlargement of the Operating range by means of the flame arrester according to the invention can new Areas of application are developed and the flexibility for already existing ones increased.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung näher dargestellten Ausführungsbeispiel.Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims and from the embodiment described in more detail below with reference to the drawing.

Dabei zeigt die einzige beigefügte Figur einen schematischen Querschnitt durch einen Porenbrenner.there shows the only one attached Figure shows a schematic cross section through a pore burner.

Nachfolgend soll ein Porenbrenner 1 mit einer Flammensperre 2 gemäß der Erfindung sowie die sich ergebenden Möglichkeiten hinsichtlich Flexibilität und Vergrößerung des Betriebsbereichs beispielhaft anhand eines Nach- bzw. Heizbrenners für ein wasserstoffbetriebenes Brennstoffzellensystem, z.B. auf der Basis einer Polymermembran als Elektrolyt (PEM), für mobile Applikationen dargestellt werden. Selbstverständlich ist der Porenbrenner 1 nicht auf eine derartige Anwendung eingeschränkt.Below is a pore burner 1 with a flame arrester 2 According to the invention and the resulting possibilities in terms of flexibility and expansion of the operating range are exemplified by a Nach- or heating burner for a hydrogen-powered fuel cell system, for example based on a polymer membrane as the electrolyte (PEM), for mobile applications. Of course, the pore burner 1 not limited to such an application.

Die Dauer bis zum Erreichen eines stationären Betriebszustands, ist, insbesondere in mobilen Anwendungen, ein entscheidendes Kriterium. Durch Beheizung kann diese Zeitdauer beträchtlich verkürzt werden. Hierfür kann entweder eine elektrische Beheizung oder ein Brenner, der durch Verbrennung des Systemkraftstoffs Wasserstoff einen heißen Abgasstrom erzeugt, eingesetzt werden. Der Einsatz von Brennern hat den Vorteil, dass sich deutlich kürzere Startdauern als mit elektrischen Systemen erreichen lassen, insbesondere da in vielen mobilen Anwendungen elektrische Energie nicht in ausreichendem Maß zur Verfügung steht.The Duration until steady-state operation is reached, especially in mobile applications, a key criterion. By heating, this period can be shortened considerably. Therefor can be either an electric heater or a burner that passes through Combustion of system fuel hydrogen a hot exhaust gas flow generated, are used. The use of burners has the advantage that significantly shorter starting times than can be achieved with electrical systems, especially there In many mobile applications electrical energy is not sufficient Measure to disposal stands.

Da derartige Systeme sehr hohe Anforderungen an den Emissionsausstoß stellen, müssen die einzusetzenden Brenner jedoch höchsten Anforderungen genügen. Eine Vergrößerung des Luftzahlbereichs hin zu niedrigen Luftzahlen ist dabei entscheidend, da ansonsten die Abgastemperaturen zu niedrig bleiben, um eine deutliche Verkürzung der Startzeit zu erzielen. Ein zusätzliches Einsatzgebiet für einen derartigen Startbrenner lässt sich durch die Erhöhung des Leistungsmodulationsbereichs erschließen.There such systems place very high demands on emissions, have to however, the burners to be used satisfy the highest requirements. A Magnification of the Air range to low air numbers is crucial, otherwise the exhaust gas temperatures remain too low to a significant shortening to achieve the start time. An additional application for one such starting burner leaves through the increase of the power modulation range.

Die beim so genannten „Purgen", d.h. dem Abblasen von wasserstoffhaltigen Gasen aus der Brennstoffzelle oder aus einem Anoden-Wasserstoffkreislauf derselben, beim Abschalten oder von Zeit zu Zeit während des Betriebs, entstehenden Abgase haben typischerweise einem Wasserstoffanteil zwischen 5 % und 10 % ihres Volumens. Eine Möglichkeit die Emittierung dieser Abgase in die Atmosphäre zu vermeiden, ist die Nachverbrennung. Die in diesem Abgas enthaltene chemische Energie liegt jedoch deutlich unterhalb der beim Start benötigten thermischen Leistungen. Der Einsatz eines einzigen Brenners sowohl als Startbrenner als auch für die Nachverbrennung ist daher nur dann möglich, wenn dieser mit einer ausreichenden Lastspreizung sicher betrieben werden kann.The so-called "purge", ie the blowing off of hydrogen-containing gases from the fuel cell or an anode hydrogen cycle thereof, the shutdown or time At times during operation, resulting exhaust gases typically have a hydrogen content between 5% and 10% of their volume. One way to prevent the emission of these gases into the atmosphere, is the post-combustion. However, the chemical energy contained in this exhaust gas is well below the thermal power required at startup. The use of a single burner both as a starting burner and for afterburning is therefore only possible if it can be safely operated with a sufficient load spread.

Die einzige beigefügte Figur zeigt nun einen schematischen Querschnitt durch den Porenbrenner 1 mit der gelochten Flammensperre 2. Die Flammensperre 2 liegt dabei zwischen einem Mischraum 3, in dem Luft als Oxidationsmittel und Wasserstoff oder wasserstoffreiches Gas als Reduktionsmittel/Brennstoff vorgemischt werden, und einem Brennraum 4. Der Brennraum 4 ist, wie bei Porenbrennern 1 üblich mit einem porösen Material gefüllt, in welchem die eigentliche Verbrennung stattfindet. Dies könnte beispielsweise ein SiC-Schaum mit 10 ppi (pores per inch) sein. Daneben sind auch alle weiteren denkbaren Ausgestaltungen des Brennraums 4 möglich, welche bei bisherigen Porenbrennern auch schon Verwendung gefunden haben. Der hier dargestellte Porenbrenner 1 unterscheidet sich von diesen nur durch die Flammensperre 2 bzw. das Material derselben.The single attached figure now shows a schematic cross section through the pore burner 1 with the perforated flame barrier 2 , The flame barrier 2 lies between a mixing room 3 in which air is premixed as an oxidizing agent and hydrogen or hydrogen-rich gas as a reducing agent / fuel, and a combustion chamber 4 , The combustion chamber 4 is like with pore burners 1 usually filled with a porous material in which the actual combustion takes place. This could be, for example, 10 ppi (pores per inch) SiC foam. In addition, all other conceivable embodiments of the combustion chamber are 4 possible, which have already found use in previous pore burners. The pore burner shown here 1 differs from these only by the flame barrier 2 or the material of the same.

Das für die Flammensperre 2 verwendete Material ist eine typischerweise über Schlickerguß hergestellte Keramik. Um im Herstellungsprozess die Schwindung möglichst gering zu halten kann dieses Material neben dem pulverförmigen Anteil einen Masseanteil von weniger als 30 % bevorzugt von weniger als 15 %, z.B. ca. 10 %, an faserförmigen Bestandteilen aufweisen. Diese faserförmigen Bestandteile haben den zusätzlichen Vorteil die Stabilität des Materials zu steigern. Um die Materialporosität ausreichend klein zu halten, könnte auf den Zusatz von Fasern jedoch auch gänzlich verzichtet werden.The one for the flame arrester 2 The material used is typically a ceramic produced by slip casting. In order to minimize shrinkage in the production process, this material can have, in addition to the powdery fraction, a mass fraction of less than 30%, preferably less than 15%, for example about 10%, of fibrous constituents. These fibrous components have the additional advantage of increasing the stability of the material. In order to keep the material porosity sufficiently small, however, the addition of fibers could also be dispensed with altogether.

Die Flammensperre 2 sollte eine Dichte von mindestens 1300 kg/m3 und eine Materialporosität im oben erläuterten Sinne von weniger als 60 % aufweisen. Als typische Materialbedingte Obergrenze der Dichte kann hier 2000 kg/m3 und als typische Fertigungsbedingte Untergrenze der Materialporosität 40 % angegeben werden.The flame barrier 2 should have a density of at least 1300 kg / m 3 and a material porosity of less than 60% as explained above. As typical material-related upper limit of the density can here 2000 kg / m 3 and be given as a typical production-related lower limit of the material porosity 40%.

Als ideal haben sich in den durchgeführten Versuchen Werte in der Größenordnung von ρ = 1750 kg/m3 Dichte und ca. 50 % Materialporosität erwiesen. Als geeignetes Material sind Gemische aus Al2O3 und SiO2, bevorzugter Weise im Massenverhältnis von ca. 80 % zu ca. 20 % identifiziert worden. Dieses Material kann auch den im Bereich der Flammensperre 2 und hier insbesondere in ihrem dem Brennraum 4 zugewandten Bereich auftretenden Temperaturen von bis zu 1700°C standhalten.Values of the order of ρ = 1750 kg / m 3 density and approx. 50% material porosity have proven to be ideal in the experiments carried out. As a suitable material mixtures of Al 2 O 3 and SiO 2 , preferably in a mass ratio of about 80% to about 20% have been identified. This material can also be used in the area of the flame arrester 2 and here especially in their combustion chamber 4 facing area to withstand temperatures of up to 1700 ° C.

Mit derartigen Materialien für die gelochte Flammensperre 2 konnte im Versuch mit Wasserstoff ein sicherer Betrieb bei einer Flächenlast von 1300 kW/m2 bei einer Luftzahl von λ = 1.8 ermöglicht werden. Bei höheren Flächenlasten verringert sich diese Grenzluftzahl entsprechend weiter. Außerdem ermöglicht die neuartige Flammensperre auch eine Leistungsmodulation von 1 : 10.With such materials for the perforated flame arrester 2 In the experiment with hydrogen a safe operation with a surface load of 1300 kW / m 2 with an air ratio of λ = 1.8 could be made possible. At higher surface loads, this limit air quantity decreases accordingly. In addition, the novel flame arrester also allows a power modulation of 1:10.

Bei Versuchen wurde eine aus derartigem Material gefertigte gelochte Flammensperre 2 eingesetzt. Die Löcher in der Flammensperre 2 waren dabei mit einem Durchmesser von d = 0,5 mm ausgeführt. Eine ebenfalls ausreichende Funktionalität wird mit Lochdurchmessern von bis zu d = 0,8 mm erzielt. Fertigungsbedingt sind Lochdurchmesser unter ca. d = 0,35 mm kaum zu realisieren, obwohl eine gute Funktionalität zu erwarten wäre.In experiments, a perforated flame arrester made of such material was used 2 used. The holes in the flame barrier 2 were designed with a diameter of d = 0.5 mm. An equally sufficient functionality is achieved with hole diameters of up to d = 0.8 mm. Production-related hole diameter below about d = 0.35 mm can hardly be realized, although a good functionality would be expected.

Die Summe der Querschnitte der Löcher in der Flammensperre 2 sollten dabei 5 % der Gesamtfläche der Flammensperre 2 nicht überschreiten. Besonders gute Ergebnisse sind zwischen 1 % und 4 % zu erzielen. Die Summe der Querschnitte der Löcher im Rahmen der vorgenommenen Versuche lagen z.B. bei ca. 1,4 % der Gesamtfläche der Flammensperre 2. Damit wurde ein Rückschlagen der Flammenfront effektiv vermieden. Da jedoch mit abnehmender Querschnittsfläche der Löcher auch die durch die Flammensperre 2 verursachten Druckverluste steigen, sollte die Optimierung des Porenbrenners 1 bzw. der Flammensperre 2 in der Praxis anhand der gerade noch tolerierbaren Druckverluste innerhalb des oben vorgegeben Rahmens erfolgen. Steht z.B. ein hoher Druck zur Verfügung kann durchaus ein Anteil der Summe der Querschnitte der Löcher in der Flammensperre 2 von 1 % bis 2 % für höchste Rückschlagsicherheit gewählt werden. Wird dagegen die Förderung der Luft und/oder des Wasserstoffes mit nur geringem Drucküberschuss realisiert, z.B. mittels Gebläsen, so wäre ein Anteil der Summe der Querschnitte der Löcher in der Flammensperre 2 von 3 % bis 4 % zu wählen, um bei minimierten Druckverlusten in der Flammensperre 2 einen immer noch sehr sicheren Betrieb zu gewährleisten.The sum of the cross sections of the holes in the flame arrester 2 should be 5% of the total area of the flame arrester 2 do not exceed. Particularly good results can be achieved between 1% and 4%. The sum of the cross sections of the holes in the context of the experiments carried out, for example, was about 1.4% of the total area of the flame arrester 2 , This was a strikeback of the flame front effectively avoided. However, as the cross-sectional area of the holes decreases, so do those through the flame arrestor 2 caused pressure drops should increase, the optimization of the pore burner 1 or the flame arrester 2 in practice, based on the barely tolerable pressure losses within the frame given above. If, for example, a high pressure is available, it may well be a proportion of the sum of the cross sections of the holes in the flame arrester 2 from 1% to 2% for maximum resistance to kickback. If, on the other hand, the delivery of air and / or hydrogen is realized with only a slight pressure surplus, for example by means of blowers, then a proportion of the sum of the cross sections of the holes would be in the flame arrester 2 from 3% to 4% to choose at minimized pressure losses in the flame arrester 2 to ensure a still very safe operation.

Die mit der gelochten Flammensperre 2 aus dem oben beschriebenen Material erreichte Betriebsbereichsvergrößerung ermöglicht erst den Einsatz des Porenbrenners 1 für den Wasserstoffumsatz in Industriebrennern und insbesondere in Brennstoffzellensystemen. In den Brennstoffzellensystemen kann zum einen eine Verkürzung der Kaltstartzeit und zum anderen eine Verringerung der Systemkomplexität erreicht werden, da auf einen zusätzlichen Brenner verzichtet werden kann.The one with the perforated flame arrester 2 From the material described above achieved operating range enlargement allows only the use of pore burner 1 for the conversion of hydrogen in industrial burners and in particular in fuel cell systems. In the fuel cell systems, on the one hand can shorten the cold start time and on the other hand, a reduction of the system comple xity can be achieved because it can be dispensed with an additional burner.

Claims (9)

Porenbrenner mit einem Mischraum zur Mischung von Reduktions- und Oxidationsmittel, und einem sich anschließenden mit einem porösen Material gefüllten Brennraum, wobei zwischen dem Mischraum und dem Brennraum eine Flammensperre mit Löchern angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Flammensperre ein poröses Material, mit einer Materialporosität von weniger als 60 % aufweist, wobei dieses Material eine Dichte von größer als 1300 kg/m3 aufweist.Pore burner with a mixing chamber for mixing of reducing and oxidizing agent, and a subsequent filled with a porous material combustion chamber, wherein between the mixing chamber and the combustion chamber, a flame arrester is arranged with holes, characterized in that the flame arrestor a porous material, with a material porosity less than 60%, this material having a density greater than 1300 kg / m 3 . Porenbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher einen Durchmesser von weniger als 0,8 mm, insbesondere ca. 0,5 mm, aufweisen und die Summe der Querschnitte der Löcher weniger als 5 %, insbesondere zwischen 1 % und 4 %, der Fläche der Flammensperre beträgt.Pore burner according to claim 1, characterized that the holes have a diameter of less than 0.8 mm, in particular about 0.5 mm and the sum of the cross sections of the holes less than 5%, in particular between 1% and 4% of the area the flame barrier is. Porenbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material eine Dichte von ca. 1750 kg/m3, jedoch nicht mehr als 2000 kg/m3 aufweist.Pore burner according to claim 1 or 2, characterized in that the material has a density of about 1750 kg / m 3 , but not more than 2000 kg / m 3 . Porenbrenner nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material einen Massenanteil an faserförmigen Bestandteilen von weniger als 30 % ausweist, insbesondere von weniger als 15 %, aufweist.Pore burner according to claim 1, 2 or 3, characterized that the material has a mass fraction of fibrous constituents of less than 30%, in particular less than 15%. Porenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material ein Mischung aus Al2O3 und SiO2 aufweist.Pore burner according to one of claims 1 to 4, characterized in that the material comprises a mixture of Al 2 O 3 and SiO 2 . Porenbrenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung ca. 80 % Al2O3 und ca. 20 % SiO2 jeweils bezogen auf deren Masse aufweist.Pore burner according to claim 5, characterized in that the mixture comprises about 80% Al 2 O 3 and about 20% SiO 2 in each case based on their mass. Verwendung eines Porenbrenners nach einem der oben angegebenen Ansprüche zur Verbrennung eines Gemischs aus einem Oxidationsmittel, insbesondere Luft, und einem Reduktionsmittel, wobei das Reduktionsmittel einen Anteil von wenigstens 75 %, insbesondere mehr als 90 %, seines Volumens an Wasserstoff aufweist.Using a pore burner according to one of the above specified claims for combustion of a mixture of an oxidizing agent, in particular Air, and a reducing agent, wherein the reducing agent is a Share of at least 75%, in particular more than 90%, of its volume has hydrogen. Verwendung eines Porenbrenners nach einem der oben angegebenen Ansprüche zur Verbrennung eines Gemischs aus Luft und Wasserstoff oder wasserstoffreichem Gas mit einem Wasserstoffanteil von mehr als 90 % seines Volumens in einem Brennstoffzellensystem.Using a pore burner according to one of the above specified claims for combustion of a mixture of air and hydrogen or hydrogen-rich Gas with a hydrogen content of more than 90% of its volume in a fuel cell system. Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Porenbrenner zur Verbrennung von Abgasen aus der Brennstoffzelle genutzt wird.Use according to claim 8, characterized that the pore burner for combustion of exhaust gases from the fuel cell is being used.
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