DE10350039B4 - Brenner für einen Reformer in einem Brennstoffzellensystem - Google Patents
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Abstract
Brenner für einen Reformer zur Erzeugung der Reaktionstemperatur im Reformer, für die Reformierung von Brennstoff, vorzugsweise für eine Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass eine wenigstens teilweise Rückführung des Anodenrestgases (8), sowie eine Rückführung (5) für das Brennerabgas an den Brenner (4) vorhanden ist.
Description
- Brennstoffzellen oder Brennstoffzellensysteme benötigen für ihren Betrieb Wasserstoff, der vorzugsweise aus Kohlenwasserstoff reformiert wird. Für die Reformierung des Kohlenwasserstoffs werden Reformer eingesetzt. Für den darin ablaufenden Reformierungsprozess ist generell Energie erforderlich. Diese Energie kann dem Reformer intern und/oder extern zugeführt werden. Im Fall der externen Wärmezufuhr wird der Reformer durch einen konventionellen Vormischbrenner erwärmt.
- Im Fall der internen Wärmezufuhr kann diese Energie mittels exothermen Reaktionen, z. B. durch teilweise Oxidation der Reaktanten innerhalb des Reaktors erzeugt werden. Für die Anlaufphase ist jedoch zusätzlich eine externe Zufuhr von Wärme auch bei Reaktoren mit innerer Wärmezufuhr nötig.
- Um diese zusätzliche Energie dem Reformer zuführen zu können, wird der Brenner mit dem Reformer verbunden, so dass die durch den Brenner erzeugte Wärme den Reformer so weit erwärmt, dass die Reformierungsreaktionen ablaufen können. Die Versorgung des Brenners mit Brennstoff erfolgt vorteilhafterweise mit dem gleichen Brennstoff, mit dem der Reformer gespeist wird.
- Es handelt sich dabei also um Kohlenwasserstoffe wie beispielsweise Benzin. Der Brenner ist so eingestellt, dass er entsprechend der Flammgeschwindigkeit des zugeführten Kohlenwasserstoffs und der für die Verbrennung benötigten Luft bzw. des in der Luft vorhandenen Sauerstoffs einen stabilen Betrieb mit hohem Wirkungsgrad gewährleistet.
- In den Anlaufphasen des Brennstoffzellensystems und des Reformers wird bei der Reformierung des Brennstoffs zu Wasserstoff ein Reformatgas erzeugt, welches einen noch verhältnismäßig niedrigen Anteil an Wasserstoff aufweist, und das zusätzlich auch noch hohe Werte an Kohlenmonoxid enthält. Dieses Reformatgas mit geringem Anteil an Wasserstoff und hohem Anteil an Kohlenmonoxid kann der Brennstoffzelle noch nicht zugeführt werden, da diese für den Betrieb mit einem solchen Gemisch nicht geeignet ist.
- Da der erzeugte Wasserstoff jedoch ein hochwertiger Brennstoff ist, und da angestrebt wird, einen möglichst guten Wirkungsgrad für das System zu erzielen, wird dieses Reformat aus der Warmlaufphase aufgefangen. Es wird versucht, diesen hochwertigen Energieträger dem Reformierungsprozess wiederum zuzuführen, so dass dadurch die Verluste reduziert werden.
- Zusätzlich ist es vorgesehen, dass das Anodenrestgas der Brennstoffzelle während des Betriebs über einen Brenner ebenfalls dem Reformierungsprozess zugeführt wird.
- Die
DE 3 742 143 A1 offenbart eine Heizkesselanlage, die mit einem Gebläsebrenner und einer Abgasrückführung arbeitet, wobei die Abgasrückführungsleitung stromauf des Verbrennungsluftgebläses in den Unterdruckbereich desselben mündet oder stromab des Verbrennungsluftgebläses in das Ventilationsgehäuse desselben einmündet, sodass an der Mündung ein Unterdruck bewirkt wird, sowie ein entsprechendes Verfahren zur Abgasentgiftung. - In der
JP 2001 106 506 A - Bei einem weiteren Betriebszustand, nämlich bei einem starken Lastwechsel, kann es ebenfalls vorkommen, dass Reformatgas erzeugt wird, welches nicht den Anforderungen der Brennstoffzelle genügt, bzw. dass zu viel Reformat erzeugt wird. Auch dieses Reformatgas wird wie in der oben beschriebenen Art und Weise wiederum dem Reformierungsvorgang zugeführt.
- Aufgrund der Tatsache, dass die Flammgeschwindigkeit des Wasserstoffs wesentlich höher ist als die Flammgeschwindigkeit des Kohlenwasserstoffs können herkömmliche Flammenbrenner nur mit einem ganz bestimmten Anteil von Wasserstoff zusätzlich zum Kohlenwasserstoff betrieben werden. Übersteigt der Anteil an Wasserstoff ein bestimmtes Verhältnis zum Brennstoff, so ergibt sich eine Rückzündung im Brenner, bei der die Flamme erlischt. Der Brenner ist somit nicht mehr betriebsfähig und es müssen Vorkehrungen getroffen werden, die den Brenner entsprechend wieder in Gang setzen.
- Um solche Ereignisse zu vermeiden, missten für die Nutzung H2-reichen, teilreformierten Gases in der Startphase, zwei Brenner für einen Reformer verwendet werden, so dass ein Brenner Kohlenwasserstoff verbrennt und der zweite Brenner das zusätzlich anfallende, bereits teilreformierte wasserstoffreiche Gas. Dadurch ergibt sich jedoch ein erhöhter Raumbedarf und zusätzlich auch ein erhöhter finanzieller und technischer Aufwand, der die Rentabilität des Brennstoffzellensystems schmälert.
- Aufgabe und Vorteile der Erfindung
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen Brenner nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiterzubilden, dass bei seinem Betrieb die Gefahr einer Rückzündung vermindert oder ganz behoben wird.
- Gelöst wird diese Aufgabe durch die technische Lehre des Anspruchs 1.
- Aus den Unteransprüchen gehen weitere Merkmale für vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung hervor.
- Erfindungsgemäß wird nun ein Brenner nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weitergebildet, dass eine Rückführung für das Brennerabgas an den Brenner vorgesehen ist. Durch die Rückführung des Brennerabgases kann die Flammgeschwindigkeit des Gemisches im Brenner reduziert werden bzw. ist es möglich, die Strömungsgeschwindigkeit im Brenner so zu erhöhen, dass das Gemisch des zusätzlich beigemengten Wasserstoffgases, welches eine deutlich höhere Flammgeschwindigkeit aufweist als der Kohlenwasserstoff, nicht mehr so rasch verbrennen kann, dass sich eine Rückzündung oder ein sogenannter Rückschlag im Brenner mit den oben angegebenen Nachteilen ergibt.
- D. h. durch die erfindungsgemäße Rückführung des Brennerabgases ist es möglich, mit einem einzigen Brenner sowohl Kohlenwasserstoffe als auch zusätzlich beigemengte Brennstoffe mit deutlich höherer Flammgeschwindigkeit gleichzeitig zu verbrennen.
- Dazu kann es in einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass der Brenner mindestens zwei, unterschiedliche Flammgeschwindigkeiten aufweisende Brennstoffe verbrennen kann. Somit kann sowohl das im Anlaufbetrieb des Reformers entstehende, einen hohen, für den Betrieb der Brennstoffzelle aber unzureichenden H2-Anteil aufweisende Reformatgas direkt dem Brenner zugeführt werden, als auch Anodenrestgas, welches am Ausgang der Brennstoffzelle wieder rückgewonnen werden kann. Zum ordnungsgemäßen Betrieb des Brenners kann es daher in einer demgegenüber abgewandelten Ausführung vorgesehen sein, dass eine Mengenregeleinheit für das in den Brenner rückgeführte Abgas und/oder Reformatgas vorhanden ist.
- In einer solchen Ausführungsform kann es beispielsweise auch vorgesehen sein, dass die Mengenregeleinheit von der Strömungsgeschwindigkeit des in den Brenner rückgeführten Abgases abhängig ist. In einer weiteren Ausführungsform kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass die Mengenregeleinheit von der Flammgeschwindigkeit des in den Brenner rückgeführten Reformatgases und/oder eines Anodenrestgases abhängig ist.
- Dadurch wird es möglich, die Verbrennung im Brenner entweder über die Regulierung der Strömungsgeschwindigkeit des Brennerabgases oder über die Regulierung der Flammgeschwindigkeit des die höhere Flammgeschwindigkeit aufweisenden, zusätzlich zugeführten Brennstoffs, in der Regel handelt es sich hierbei um den reformierten Wasserstoff, zu beeinflussen.
- In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Mengenregeleinheit von der im Brenner vorherrschenden Strömungsgeschwindigkeit des in den Brenner rückgeführten Reformatgases und/oder des Anodenrestgases abhängig ist.
- Dazu kann beispielsweise eine Mengenregeleinheit vorgesehen sein, die direkt die Parameter im Brenner erfasst. Bei den beiden zuvor angegebenen Ausführungsformen ist es beispielsweise möglich, dass die Mengenregeleinheit die Parameter außerhalb des Brenners erfasst.
- In einer weiteren Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass eine Sensor- und/oder Aktoreinheit in der Rückführung für das Abgas des Brenners vorhanden ist. Dort kann beispielsweise die Qualität und die Quantität des rückgeführten Abgases des Brenners in Zusammenwirkung mit der Mengenregeleinheit erfasst und beeinflusst werden.
- Dadurch ist es beispielsweise möglich, dass abhängig von der Zusammensetzung des Abgases und von der im Brenner vorherrschenden Strömungsgeschwindigkeit mehr oder weniger Abgas in den Brenner zugeführt werden kann, um eine möglichst optimale Flammgeschwindigkeit im Brenner zu erreichen.
- In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass eine Sensor- und/oder Aktoreinheit in der Rückführung für das wasserstoffreiche Reformatgas vorgesehen ist. Dadurch kann beispielsweise wiederum eine quantitative und qualitative Überwachung der Zufuhr von Reformatgas an den Brenner durchgeführt werden. Die entsprechenden Parameter können beispielsweise an die Mengenregeleinheit weitergegeben werden bzw. auch von dieser an die entsprechenden Sensor- und Aktoreinheiten für wasserstoffreiches Reformatgas oder für die Rückführung des Abgases vom Brenner übermittelt werden.
- In einer weiteren Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass der Brenner als ein Flammbrenner ausgebildet ist. Dabei kann es beispielsweise auch vorgesehen sein, dass für den Betrieb des Brenners eine Brennstoff führende Leitung vorhanden ist. In einer besonderen Ausführungsform kann es dabei vorgesehen sein, dass der Brennstoff Kohlenwasserstoff ist.
- In der für den Betrieb des Brenners vorgesehenen Brennstoff führenden Leitung kann also wahlweise getrennt von der Versorgung des Reformers Brennstoff zugeführt werden. Es kann aber auch Kohlenwasserstoff zugeführt werden, der über eine mit der Versorgungsleitung für den Reformer verbundenen Leitung zugeführt wird.
- Durch diese Merkmale ist es möglich, lediglich einen einzigen Brenner für einen Reformer zur Erzeugung der Reaktionstemperatur im Reformer vorzusehen. Für die Reformierung von Brennstoff, vorzugsweise für eine Brennstoffzelle, mit wenigstens teilweiser Rückführung des Reformatgases und/oder eines Anodenrestgases in den Brenner kann somit abhängig von der rückgeführten Menge des wasserstoffhaltigen Reformatgases und/oder des rückgeführten Anodenrestgases mehr oder weniger Brennerabgas in den Brennraum rückgeführt werden, um so die Flammgeschwindigkeit herabzusetzen bzw. die Strömungsgeschwindigkeit im Brenner zu erhöhen, so dass dadurch eine Rückzündung im Brenner, aufgrund der hohen Flammgeschwindigkeit des beigemengten Wasserstoffanteils, erfolgreich verhindert wird.
- Ausführungsbeispiel der Erfindung
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der beigefügten Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend anhand der Figurenbeschreibung näher erläutert.
- Die beiliegende Figur zeigt ein Brennstoffzellensystem
1 mit einer Brennstoffzelle2 , einem Brennstoffreformer3 und dem erfindungsgemäßen Brenner4 . - Der Brenner
4 beheizt den Reformer3 , welcher reformierten Wasserstoff über die Leitung10 an die Brennstoffzelle2 abgibt. Der von der Brennstoffzelle2 nicht umgesetzte Anteil an Wasserstoff wird über die Rückführung8 als Anodenrestgas wieder rückgewonnen und über die Verbindung7 und die Rückführung6 dem Brenner4 zugeführt. - In der Leitung
10 ist eine Abzweigung9 dargestellt. Von dieser kann über die Rückführung6 wasserstoffreiches Reformatgas abgefangen und über die Sensor- und/oder Aktoreinheit18 dem Brenner4 zugeführt werden. So kann der Brenner4 , welcher zur Grundversorgung über die Leitung13 mit Brennstoff versorgt wird, zusätzlich mit energiereichem Reformatgas versorgt werden. - Dieses energiereiche Reformatgas weist jedoch eine gegenüber dem Grundbrennstoff deutlich höhere Flammgeschwindigkeit auf. Zur Vermeidung von Rückzündungen ist erfindungsgemäß eine Abgasrückführung für den Brenner
4 vorgesehen. Das Abgas des Brenners4 wird dazu wenigstens teilweise erfasst und entsprechend den betriebsbedingten Situationen diesem selbst wieder zugeführt. - Dies kann beispielsweise über eine Sensor- und/oder Aktoreinheit
16 erfolgen, welche sich beispielsweise in der Rückführung5 für das Abgas vom Brenner4 befinden kann. In der gezeigten Darstellung ist die Rückführung5 über eine Abzweigung11 mit der Abgasleitung12 des Brenners4 verbunden. - Im Ausführungsbeispiel ist zusätzlich eine Mengenregeleinheit
17 zusammen mit dieser Sensor- und/oder Aktoreinheit16 dargestellt. Die Mengenregeleinheit17 kann aber grundsätzlich an jeder beliebigen, dafür geeigneten Stelle des Brennstoffzellensystems1 angeordnet sein. - Die Luft bzw. der Sauerstoff wird dem Brenner
4 über entsprechende Öffnungen zugeführt. Bei beengtem Raum kann es aber auch vorteilhaft sein, dass eine vom Brenner4 entfernt liegende Stelle zur Erfassung von Luft oder Sauerstoff genutzt wird und diese mittels der Leitung15 dem Brenner zugeführt wird. - Der Reformer
3 wird mittels einer Leitung14 mit Brennstoff versorgt, um in bekannter Weise Wasserstoff im Reformverfahren zu gewinnen. Der reformierte Wasserstoff wird anschließend über die Leitung10 an die Brennstoffzelle2 geführt. - Im Anlaufbetrieb des Reformers
3 oder auch bei Lastwechsel wird das für die Brennstoffzelle2 ungeeignete, wasserstoffreiche Reformatgas über die Rückführung6 an der Abzweigung9 abgezweigt und an die Sensor- und/oder Aktoreinheit18 weitergeleitet. Dabei kann beispielsweise sowohl die Quantität als auch die Qualität des durchgeleiteten Reformatgases bestimmt werden. Zusätzlich kann eine Beeinflussung dieses Volumenstroms durch die Verwendung geeigneter Sensormittel erfolgen. - Die Anordnung der Sensor- und/oder Aktoreinheit
18 kann beispielsweise aber auch direkt in der Verbindung7 für die Zusammenführung der Rückführungen6 und8 angeordnet sein. Dabei könnte es beispielsweise auch vorgesehen sein, dass sowohl die Rückführung8 als auch die Rückführung6 von dieser Sensor- und/oder Aktoreinheit18 überwacht bzw. beeinflusst werden. - In den Fällen, in welchen das Reformatgas nun nicht die Qualität aufweist, welche die Brennstoffzelle
2 für ihren einwandfreien Betrieb erfordert, wird dieses dem Brenner4 für die Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades zugeführt. Dazu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, mittels qualitativ und/oder quantitativ kontrollierter Rückführung des Abgases des Brenners4 diesen so zu betreiben, dass keine Rückzündung im Brenner4 erfolgen kann. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Brennstoffzellensystem
- 2
- Brennstoffzelle
- 3
- Reformer
- 4
- Brenner
- 5
- Rückführung
- 6
- Rückführung
- 7
- Verbindung
- 8
- Rückführung
- 9
- Abzweigung
- 10
- Leitung
- 11
- Abzweigung
- 12
- Leitung
- 13
- Leitung
- 14
- Leitung
- 15
- Leitung
- 16
- Sensor- und/oder Aktoreinheit
- 17
- Mengenregeleinheit
- 18
- Sensor- und/oder Aktoreinheit
Claims (11)
- Brenner für einen Reformer zur Erzeugung der Reaktionstemperatur im Reformer, für die Reformierung von Brennstoff, vorzugsweise für eine Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass eine wenigstens teilweise Rückführung des Anodenrestgases (
8 ), sowie eine Rückführung (5 ) für das Brennerabgas an den Brenner (4 ) vorhanden ist. - Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine wenigstens teilweise Rückführung (
6 ) für ein Reformatgas vorhanden ist. - Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mengenregeleinheit (
17 ) für das in den Brenner (4 ) rückgeführte Brennerabgas vorgesehen ist. - Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mengenregeleinheit (
17 ) in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des in den Brenner (4 ) rückgeführten Brennerabgases regelt. - Brenner nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mengenregeleinheit (
17 ) in Abhängigkeit von der Flammgeschwindigkeit des in den Brenner (4 ) rückgeführten, Reformatgases und/oder des Anodenrestgases regelt. - Brenner nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mengenregeleinheit (
17 ) in Abhängigkeit von der im Brenner (4 ) vorherrschenden Strömungsgeschwindigkeit des in den Brenner rückgeführten Reformatgases und/oder des Anodenrestgases regelt. - Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensor- und/oder Aktoreinheit (
16 ) in der Rückführung (5 ) für das Brennerabgas an den Brenner (4 ) vorgesehen ist. - Brenner nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensor- und/oder Aktoreinheit (
18 ) in der Rückführung (6 ) für das wasserstoffreiche Reformatgas vorgesehen ist. - Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (
4 ) ein Flammbrenner ist. - Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass für den Betrieb des Brenners (
4 ) eine Brennstoff führende Leitung (13 ) vorhanden ist. - Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Brenner (
4 ) zugeführte Brennstoff ein Kohlenwasserstoff ist.
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