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DE112019005805B4 - Compact combustor/reformer unit for a fuel cell system and its use and method of operating the unit - Google Patents

Compact combustor/reformer unit for a fuel cell system and its use and method of operating the unit Download PDF

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DE112019005805B4
DE112019005805B4 DE112019005805.3T DE112019005805T DE112019005805B4 DE 112019005805 B4 DE112019005805 B4 DE 112019005805B4 DE 112019005805 T DE112019005805 T DE 112019005805T DE 112019005805 B4 DE112019005805 B4 DE 112019005805B4
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wall
exhaust gas
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Blue World Technologies Holding ApS
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Abstract

Eine Brenner/Reformer-Einheit (10) für ein Brennstoffzellensystem (1); wobei die Brenner/Reformer-Einheit (10) einen Reformer (6) mit einem Katalysator (6a) umfasst zur katalytischen Umwandlung von Brennstoffdampf in Synthesegas für eine Brennstoffzelle (16), ein Gehäuse (39) umschließend um den Reformer (6) herum, und einen Brenner (7) zur Übertragung von thermischer Energie an den Reformer (6) zum Erhitzen des Katalysators (6a);wobei der Reformer (6) eine Innenwand (6c) und eine äußere Wand (6d) umfasst, zwischen denen sich der Katalysator (6a) befindet und von denen der Katalysator umschlossen ist;wobei der Brenner (7) zum Erzeugen von Brennerabgas (13a) durch Verbrennen von Anodenabgas oder Brennstoff oder beidem konfiguriert ist und eine rohrförmige Brennerwand (7b) umfasst, wobei die Innenwand (6c) des Reformers (6) die Brennerwand (7b) umschließt und von der Brennerwand (7b) beabstandet ist, wodurch ein Raum (10b) zwischen der Innenwand (6c) und der Brennerwand (7b) geschaffen wird, wobei die Brennerkammer (7a) durch einen Brennerabgaskanal (12) in Fluidströmungsverbindung mit dem Raum steht (10b);wobei das Gehäuse (39) den Reformer (6) umschließt, wobei ein weiterer Raum (10c) zwischen der äußeren Wand (6d) des Reformers (6) und dem Gehäuse (39) geschaffen wird; wobei der Raum (10b) und der weitere Raum (10c) am ersten Ende (40a) durch eine verbindende Vorderendkammer (50) miteinander verbunden sind;wobei die Brenner/Reformer-Einheit (10) für Strömung von Brennerabgas (13a) von der Brennerkammer (7a) durch den Brennerabgaskanal (12) in den Raum (10b) und dann entlang der zylindrischen Innenwand (6c) zum ersten Ende (40a) des Reformers (6) ohne Wiedereintritt in die Brennerkammer (7a) konfiguriert ist zur Wärmeübertragung vom Brennerabgas (13a) zur Innenwand (6c) zur Erwärmung des Katalysators (6a) durch Wärmeleitung durch die Innenwand (6c), und des Weiteren für Strömung des Brennerabgases (13a) vom erstem Ende (40) des Reformers (6) durch die Vorderendkammer (50) in den weiteren Raum (10c) und aus der Brenner/Reformer-Einheit (10) durch einen Brennerabgas-Auslasskanal (9) konfiguriert ist,wobei der Reformer (6) einen Einlass (24a) für Brennstoffdampf am ersten Ende (40a) und einen Auslass (24b) für Synthesegas am zweiten Ende (40b) und eine im Durchschnitt unidirektional vom ersten Ende (40a) zum zweiten Ende (40b) verlaufende Reformerströmungsrichtung aufweist, und dass die Strömungsrichtung des Brennerabgases im Raum (10b) entgegen der Reformerströmungsrichtung ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand (6c) und die äußere Wand (6d) zylindrisch sind und einen Hohlzylinder mit einer Mittelachse (43) und einer Reformerlänge L bilden, wenn diese in einer Richtung entlang der Mittelachse (43) gemessen wird, wobei der Hohlzylinder ein erstes Ende (40a) und ein zweites Ende (40b) umfasst, wobei das erste Ende einen Abstand entsprechend der Reformerlänge L vom zweiten Ende (40b) hat;wobei die Brenner/Reformer Einheit (10) dazu konfiguriert ist, dass Brennerabgas (13a) im weiteren Raum (10c) entlang der Außenseite der äußeren Wand (6d) fließt zur Wärmeübertragung vom Brennerabgas (13a) zum Katalysator (6a) durch die äußere Wand (6d) für die katalytische Reaktion im Reformer (6).A burner/reformer unit (10) for a fuel cell system (1); wherein the burner/reformer unit (10) comprises a reformer (6) with a catalyst (6a) for the catalytic conversion of fuel vapor into synthesis gas for a fuel cell (16), a housing (39) enclosing the reformer (6), and a burner (7) for transferring thermal energy to the reformer (6) to heat the catalyst (6a); the reformer (6) comprising an inner wall (6c) and an outer wall (6d) between which the catalyst is sandwiched (6a) and by which the catalyst is enclosed;wherein the combustor (7) is configured to produce combustor exhaust gas (13a) by burning anode exhaust gas or fuel or both and comprises a tubular combustor wall (7b), the inner wall (6c) of the reformer (6) encloses the burner wall (7b) and is spaced from the burner wall (7b), creating a space (10b) between the inner wall (6c) and the burner wall (7b), the burner chamber (7a) being separated by a The burner exhaust duct (12) is in fluid flow communication with the space (10b); the housing (39) enclosing the reformer (6), with a further space (10c) between the outer wall (6d) of the reformer (6) and the housing ( 39) is created; the space (10b) and the further space (10c) being connected at the first end (40a) by a connecting front-end chamber (50);wherein the burner/reformer unit (10) for flow of burner exhaust gas (13a) from the burner chamber (7a) through the burner exhaust duct (12) into the space (10b) and then along the inner cylindrical wall (6c) to the first end (40a) of the reformer (6) without re-entering the combustor chamber (7a) is configured for heat transfer from the burner exhaust ( 13a) to the inner wall (6c) for heating the catalyst (6a) by heat conduction through the inner wall (6c), and further for flow of the burner exhaust gas (13a) from the first end (40) of the reformer (6) through the front-end chamber (50) into the further space (10c) and out of the burner/reformer unit (10) through a burner exhaust gas outlet duct (9), the reformer (6) having a fuel vapor inlet (24a) at the first end (40a) and a outlet (24b) for synthesis gas at the second end (40b) and having a reformer flow direction on average unidirectional from the first end (40a) to the second end (40b) and that the flow direction of the burner exhaust gas in the space (10b) is counter to the reformer flow direction; characterized in that the inner wall (6c) and the outer wall (6d) are cylindrical and form a hollow cylinder having a central axis (43) and a reformer length L when measured in a direction along the central axis (43), the hollow cylinder a first end (40a) and a second end (40b), the first end being spaced a distance equal to the reformer length L from the second end (40b);wherein the combustor/reformer unit (10) is configured to have combustor exhaust gas (13a ) in the further space (10c) along the outside of the outer wall (6d) flows for heat transfer from the burner exhaust gas (13a) to the catalyst (6a) through the outer wall (6d) for the catalytic reaction in the reformer (6).

Description

GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellensysteme, insbesondere HTPEM-Brennstoffzellen, mit einem Brenner und einem Reformer und deren Verwendung für ein Fahrzeug sowie Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Brenner/Reformer-Einheit laut Oberbegriff des Anspruchs 1 und deren Verwendung für ein Fahrzeug, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Brenner/Reformer-Einheit laut Oberbegriff des Anspruchs 11.The present invention relates to fuel cell systems, in particular HTPEM fuel cells, with a burner and a reformer and their use for a vehicle and methods for operating such a fuel cell system. In particular, the invention relates to a burner/reformer unit according to the preamble of claim 1 and its use for a vehicle, as well as a method for operating a burner/reformer unit according to the preamble of claim 11.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Bei der Stromerzeugung mit Brennstoffzellensystemen wird auch Wärme als Nebenprodukt erzeugt, die durch Kühlflüssigkeit abgeführt wird, welche durch Kanäle in der Brennstoffzelle zirkuliert. Die Temperatur wird durch das Fließen von Kühlflüssigkeit, beispielsweise auf Glykol basierend, durch Wärmetauscher und Kühler eingestellt, um die Funktion der Brennstoffzelle zu optimieren.Power generation with fuel cell systems also generates heat as a by-product, which is removed by cooling liquid circulating through channels in the fuel cell. The temperature is adjusted by flowing cooling liquid, e.g. based on glycol, through heat exchangers and coolers in order to optimize the function of the fuel cell.

Andererseits kann das Kühlmittel zum Erhitzen der Brennstoffzellen während der Startbedingungen verwendet werden.On the other hand, the coolant can be used to heat the fuel cells during start-up conditions.

Ein Beispiel hierfür ist in WO2016/008486A1 offenbart, wobei ein kompaktes Brennstoffzellensystem einen Brenner umfasst, dessen Abgas an der äußeren Wand eines Reformers entlang geleitet wird, um ihn auf eine Temperatur zu erwärmen, die für dessen Erzeugung von Synthesegas auf der Basis von verdampftem Brennstoff erforderlich ist. Sobald das Abgas, auch Rauchgas genannt, vom Brenner den Reformer zur Wärmeübertragung an den Reformer passiert hat, überträgt das Gas Wärme an einen dem Reformer nachgelagerten Wärmetauscher. Der Wärmetauscher überträgt thermische Energie auf die Kühlflüssigkeit im Kühlsystem, um sie in Startsituationen, bei dem der Brennstoffzellenstapel schnell aktiviert werden soll, zu erwärmen.An example of this is in WO2016/008486A1 discloses a compact fuel cell system comprising a burner whose exhaust gas is passed along the outer wall of a reformer to heat it to a temperature required for its production of syngas from vaporized fuel. Once the exhaust gas, also called flue gas, from the burner has passed through the reformer to transfer heat to the reformer, the gas transfers heat to a heat exchanger downstream of the reformer. The heat exchanger transfers thermal energy to the coolant liquid in the cooling system to heat it up in start-up situations where the fuel cell stack needs to be activated quickly.

Während des Starts des Brennstoffzellensystems ist ein schneller Temperaturanstieg erwünscht, um das Brennstoffzellensystem schnell in Betrieb zu bekommen. Ein schneller Start erfordert jedoch einen aggressiven Einsatz des Brenners und eine hohe Temperatur des Abgases. Bis zu einem gewissen Grad ist dies insofern vorteilhaft, als eine effiziente Nutzung des Brenners bei hohen Temperaturen ein sogenanntes sauberes Brennen mit sich führt.During start-up of the fuel cell system, a rapid temperature rise is desirable in order to get the fuel cell system up and running quickly. However, a quick start requires aggressive use of the burner and high temperature of the exhaust gas. To a certain extent this is advantageous in that efficient use of the burner at high temperatures entails so-called clean burning.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben jedoch erkannt, dass während einer optimalen Verbrennung in Startsituationen die Temperatur des Abgases so hoch werden kann, dass eine Gefahr von Verschleiß des Reformers durch die Wärme des Abgases besteht. Daher wäre es wünschenswert, wenn ein Gleichgewicht zwischen schnellem Start und Schutz des Reformers vor Überhitzung gefunden werden könnte. Dieses Problem scheint im Stand der Technik nicht zufriedenstellend gelöst worden zu sein, insbesondere nicht für kompakte Brenner/Reformer-Kombinationen.However, the inventors of the present invention have recognized that during optimal combustion in starting situations, the temperature of the exhaust gas can become so high that there is a risk of the reformer being worn out by the heat of the exhaust gas. Therefore, it would be desirable if a balance could be struck between fast start-up and protecting the reformer from overheating. This problem does not appear to have been satisfactorily solved in the prior art, particularly for compact combustor/reformer combinations.

Bei der Stromerzeugung mit Brennstoffzellensystemen in Fahrzeugen ist es wichtig, dass das Brennstoffzellensystem kompakt und effizient ist. Andererseits ist es auch wichtig, dass das System robust und langlebig ist. Eine der Komponenten, die kompakt sein muss, ist die Brenner/Reformer-Kombination, bei der der Brenner dazu verwendet wird, dem Reformer thermische Energie zuzuführen, damit der Reformierungsprozess effizient abläuft.When generating power with fuel cell systems in vehicles, it is important that the fuel cell system is compact and efficient. On the other hand, it is also important that the system is robust and durable. One of the components that needs to be compact is the combustor/reformer combination, where the combustor is used to provide thermal energy to the reformer to make the reforming process efficient.

WO2018/189375A1 offenbart einen Brenner in einem rohrförmigen Reformer. Die thermische Energie wird durch Wärmeleitung durch die dazwischen liegende Wand sowie durch die Erwärmung des Gases im Wärmetauscher zugeführt. Obwohl die Reformer/Brenner-Einheit kompakt ist, fehlt es am Wärmeschutz für den Reformer. Wie auf Seite 11, Zeilen 14-18 in WO2018/189375A1 zu lesen ist, findet ein guter Wärmetransport vom Brenner zum Reformer statt, da der Reformer über seine gesamte Länge vom Reformer-Katalysator umgeben ist. Bei aggressivem Start wird der Reformer jedoch aufgrund der Wärmeleitfähigkeit durch die Wand entsprechend erwärmt, und der Reformer ist nicht ausreichend gegen Verschleiß durch Überhitzung geschützt. WO2018/189375A1 discloses a combustor in a tubular reformer. The thermal energy is supplied by conduction through the intervening wall and by heating the gas in the heat exchanger. Although the reformer/burner unit is compact, thermal protection for the reformer is lacking. As on page 11, lines 14-18 in WO2018/189375A1 can be read, there is good heat transport from the burner to the reformer, since the reformer is surrounded by the reformer catalyst over its entire length. However, with an aggressive start, the reformer will be appropriately heated due to thermal conductivity through the wall, and the reformer is not adequately protected against wear from overheating.

Wärmeübertragung durch die Wand zwischen Brenner und Reformer ist auch in KR1020060065779A und in US8617269B2 von Son im Namen Samsungs offenbart, sowie US9238781B2 in von Du, wobei letztere einen wendelförmigen Wandabschnitt vom Brenner offenbart, der sich in den Reformer erstreckt. Ein ähnlicher Wandabschnitt, der sich in den Reformer erstreckt, ist in der koreanischen KR100988470B1 offenbart, im Namen von Korea Mach and Materials Inst.Heat transfer through the wall between burner and reformer is also discussed in KR1020060065779A and in US8617269B2 revealed by Son on behalf of Samsung, as well US9238781B2 in von Du, the latter disclosing a helical wall section from the combustor extending into the reformer. A similar section of wall extending into the reformer is in the Korean KR100988470B1 disclosed, on behalf of Korea Mach and Materials Inst.

Schutz vor Überhitzung bietet das System der WO2016/008486A1 , bei dem ein kompaktes Brennstoffzellensystem einen Brenner umfasst, dessen Abgas entlang der äußeren Wand eines Reformers geleitet wird, um ihn auf eine Temperatur zu erwärmen, die für seine Herstellung von Synthesegas auf der Basis von verdampftem Brennstoff erforderlich ist. Obwohl die Anordnung kompakt ist, ist die Energieübertragung nicht optimiert. Beispielsweise wird die Strahlungsenergie des Brenners, der ansonsten eine erhebliche Energiemenge enthält, nicht genutzt.The system offers protection against overheating WO2016/008486A1 in which a compact fuel cell system comprises a combustor whose exhaust gas is passed along the outer wall of a reformer to heat it to a temperature required for its production of syngas from vaporized fuel. Although the arrangement is compact, the energy transfer is not optimized. For example, the radiant energy of the burner, which otherwise contains a significant amount of energy, is not used.

US5998053A offenbart Übertragung von sowohl Strahlungsenergie als auch thermischer Energie vom Gas durch die Wand. Thermische Energie wird nur von der äußeren zylindrischen Wand des Reformers zugeführt, die von einem Brenner umgeben ist. US5998053A discloses transmission of both radiant energy and thermal energy from the gas through the wall. Thermal energy is supplied only from the outer cylindrical wall of the reformer, which is surrounded by a burner.

US5019463A offenbart ein Brennstoffzellensystem mit einem Brenner vor einem Reformer, wobei das Abgas von der Heizung um den Reformer herumgeführt und durch ein Abgasrohr und einen Gasauslass an die Atmosphäre abgegeben wird. Zum Starten wird das Gas selektiv von einem Ventil zum Rohr geleitet, um die Luftöffnungen und den Kühlmantel der Brennstoffzelle zu erwärmen. Obwohl es eine selektive Umleitung von Gas gibt, schützt es den Reformer nicht unter schneller aggressiver Starterwärmung, da die Umleitung stromabwärts des Reformers ist. US5019463A discloses a fuel cell system having a combustor in front of a reformer, wherein the exhaust gas from the heater is bypassed around the reformer and discharged to the atmosphere through an exhaust pipe and a gas outlet. For start-up, the gas is selectively routed from a valve to the tube to heat the fuel cell's air vents and cooling jacket. Although there is selective by-pass of gas, it does not protect the reformer under rapid aggressive start-up heat since the by-pass is downstream of the reformer.

Strömung entlang einer Seite des Reformers ist nicht optimal effizient. Das US-Patent US6936567B2 von Ueda offenbart einen Brenner mit einem zentralen rohrförmigen Brenner in einem zentralen Hohlraum eines Reformers, der als hohlzylindrisches Rohr ausgebildet ist. Der Brenner ist im Abstand zu einem ersten Ende des Reformers vorgesehen, wo der Reformer den Rohbrennstoff zur Reformierung erhält, und das Brennerabgas in einer Brennerkammer zum ersten Ende strömt und eine 180-Grad-Kehrtwende macht und dann entlang der Reformerwand in die gleiche Richtung fließt wie das Reformergas. Sowohl das Reformergas als auch das Brennerabgas machen eine 180 Grad Wende und strömen beide zum ersten Ende, wo das reformierte Gas als auch das Verbrennungsabgas freigesetzt werden. Da das Brennerabgas der Strömungsrichtung des reformierten Gases folgt, erwärmt es das Reformergas nur auf einer Seite der Reformergasströmung durch den Reformer. Es ist daher hinsichtlich der Wärmeübertragung nicht optimiert. Eine ähnliche Konfiguration findet man in US2013/0195736A1 von Fischer und in JPH07223801A im Namen von Fuji Electric Co.Flow along one side of the reformer is not optimally efficient. The US patent US6936567B2 von Ueda discloses a burner with a central tubular burner in a central cavity of a reformer, which is designed as a hollow cylindrical tube. The combustor is spaced from a first end of the reformer where the reformer receives the raw fuel for reforming, and the combustor exhaust gas in a combustor chamber flows to the first end and makes a 180 degree U-turn and then flows along the reformer wall in the same direction like the reformer gas. Both the reformer gas and the burner exhaust make a 180 degree turn and both flow to the first end where both the reformed gas and the combustion exhaust are released. Since the burner exhaust gas follows the flow direction of the reformed gas, it only heats the reformed gas on one side of the reformed gas flow through the reformer. It is therefore not optimized in terms of heat transfer. A similar configuration can be found in US2013/0195736A1 by fishermen and in JPH07223801A on behalf of Fuji Electric Co.

US5998053A offenbart ein Brennstoffzellensystem, bei dem Abgas durch ein Ventil selektiv zu dem Brennstoffzellensystem geleitet werden kann, das auch den Reformer enthält, oder zu einem Heizsystem für einen Raum. Obwohl eine selektive Gasumleitung vor dem Reformer erfolgt, schützt dies den Reformer nicht während einer schnellen, aggressiven Starterwärmung. US5998053A discloses a fuel cell system in which exhaust gas can be selectively routed through a valve to the fuel cell system that also includes the reformer or to a heating system for a room. Although selective gas bypass occurs before the reformer, it does not protect the reformer during rapid, aggressive start-up heat.

Es wäre wünschenswert, eine bessere Möglichkeit zum Schutz des Reformers vor Überhitzung in einer Startsituation bereitzustellen.It would be desirable to provide a better way of protecting the reformer from overheating in a start-up situation.

Auch für Brennstoffzellensysteme, insbesondere in der Automobilindustrie, besteht ein stetiger Optimierungsbedarf.There is also a constant need for optimization for fuel cell systems, particularly in the automotive industry.

BESCHREIBUNG / ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION/SUMMARY OF THE INVENTION

Es ist ein Ziel der Erfindung, eine Verbesserung auf dem Fachgebiet bereitzustellen. Insbesondere ist es ein Ziel, ein Brennstoffzellensystem mit einer Brenner/Reformer-Einheit bereitzustellen, bei dem das Abgas des Brenners effizient zum Heizen des Reformers verwendet wird, einschließlich des Wärmeschutzes des Reformers während des Starts des Brennstoffzellensystems. Dieses Ziel und weitere Ziele werden mit einem Brennstoffzellensystem, einer Brenner/Reformer-Einheit und einem Verfahren erreicht, wie es im Folgenden und in den Ansprüchen beschrieben ist.It is an object of the invention to provide an improvement in the art. In particular, it is an aim to provide a fuel cell system with a combustor/reformer unit in which the exhaust gas from the combustor is efficiently used for heating the reformer, including the thermal protection of the reformer during the start-up of the fuel cell system. This goal and other goals are achieved with a fuel cell system, a combustor/reformer unit and a method as described below and in the claims.

Wie im Folgenden dargelegt, werden verschiedene Prinzipien vorgestellt, um trotz Kompaktheit einen Wärmeschutz des Reformers zu erreichen und gleichzeitig den Wärmewirkungsgrad zu optimieren. As explained below, various principles are presented in order to achieve thermal protection of the reformer despite compactness and at the same time optimize the thermal efficiency.

Zur Verwendung in einem Brennstoffzellensystem ist eine Brenner/Reformer-Einheit vorgesehen, die einen Reformer mit einem Katalysator zur katalytischen Umwandlung von Brennstoffdampf in Synthesegas für eine Brennstoffzelle umfasst. Im Betrieb ist sie mit der Anodenseite der Brennstoffzelle leitungsverbunden, um der Brennstoffzelle Synthesegas zuzuführen. Darüber hinaus liefert ein Brenner dem Reformer thermische Energie zum Heizen des Katalysators. Der Brenner ist zum Erzeugen von Brennerabgas durch Verbrennen von Anodenabgas oder Brennstoff oder beidem konfiguriert. In einigen praktischen Ausführungsformen umfasst die Brenner/Reformer-Einheit auch ein Gehäuse um den Reformer herum. Optional wird die Brenner/Reformer-Einheit kompakt erbracht, indem der Brenner im Reformer angeordnet wird.A combustor/reformer assembly is provided for use in a fuel cell system and includes a reformer having a catalyst for catalytically converting fuel vapor to syngas for a fuel cell. In operation, it is line connected to the anode side of the fuel cell to supply synthesis gas to the fuel cell. In addition, a burner supplies thermal energy to the reformer to heat the catalyst. The combustor is configured to generate combustor exhaust by combusting anode exhaust or fuel, or both. In some practical embodiments, the burner/reformer unit also includes a housing around the reformer. Optionally, the burner/reformer unit is made compact by arranging the burner in the reformer.

Eine erste technische Lösung für den Wärmeschutz unterscheidet sich von den obigen Angaben zum Stand der Technik darin, dass ein Ventilsystem verwendet wird, um das Abgas vom Brenner selektiv entweder zum Reformer zu leiten, um den Reformers zu erhitzen, insbesondere während des Normalbetriebs, oder zu einem Wärmetauscher, wobei der Reformer in Startsituationen umgangen wird, um den Brennstoffzellenstapel zu erwärmen, bevor mit dem Erhitzen des Reformers begonnen wird. Das System und das Verfahren sind besonders nützlich in einer kompakten Brenner/Reformer-Einheit, in der die Wärme vom Brenner durch Wärmeleitung durch die Zwischenwände zum Reformer gelangt.A first technical solution for thermal protection differs from the above prior art in that a valve system is used to selectively route the exhaust gas from the burner either to the reformer to heat the reformer, particularly during normal operation, or to a heat exchanger, wherein the reformer is bypassed in start-up situations to heat the fuel cell stack before starting to heat the reformer. The system and method are particularly useful in a compact combustor/reformer unit in which heat from the combustor passes through the baffles to the reformer by conduction.

Beispielsweise ist das Ventil ein Ein/Aus-Ventil zum Umschalten zwischen der Strömung entlang der Reformierwand und der Strömung aus der Brennerkammer.
Optional ist das Ventilsystem so konfiguriert, dass das Abgas vom Brenner nur teilweise durch den Reformer geleitet wird, so dass die Temperatur des Reformers geregelt werden kann, beispielsweise kontinuierlich geregelt, indem die Öffnung des Ventils für die teilweise Strömung zum Reformer eingestellt wird. Der verbleibende Teil der Brennerabgasströmung wird vorteilhafterweise zum nachgelagerten Wärmetauscher geleitet, der die Wärme an den Kühlkreislauf überträgt. Eine schrittweise Regelung der teilweisen Umgehung ist in der Startsituation nützlich, wo der Reformer sanft und kontrolliert erwärmt werden kann.
For example, the valve is an on/off valve for switching between flow along the reforming wall and flow out of the combustor chamber.
Optionally, the valve system is configured so that the exhaust gas from the combustor is only partially routed through the reformer so that the temperature of the reformer can be controlled, for example continuously controlled by adjusting the opening of the partial flow valve to the reformer. The remaining part of the burner exhaust gas flow is advantageously routed to the downstream heat exchanger, which transfers the heat to the cooling circuit. Gradual control of the partial bypass is useful in the start-up situation where the reformer can be warmed up gently and in a controlled manner.

Um zu verhindern, dass der Reformer während des aggressiven Starts überhitzt, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass der Reformer zumindest teilweise vom Brenner wärmeisoliert ist. Beispielsweise sind die Reformerwände in einem Abstand von der Brennerwand vorgesehen.In order to prevent the reformer from overheating during the aggressive start, it has proved advantageous that the reformer is at least partially thermally insulated from the combustor. For example, the reformer walls are provided at a distance from the burner wall.

Aus diesem Grund wird eine zweite technische Lösung bereitgestellt, die vorteilhafterweise aber nicht unbedingt mit der ersten technischen Lösung kombiniert ist, die einen Raum zwischen dem Brenner und dem Reformer vorsieht, durch welchen Brennerabgas zur kontrollierten Erwärmung des Reformers strömt. Somit leiten die Brennerwände keine Wärme direkt in den Reformer.For this reason, a second technical solution is provided, which is advantageously but not necessarily combined with the first technical solution, which provides a space between the burner and the reformer through which burner exhaust gas flows for controlled heating of the reformer. Thus, the burner walls do not conduct heat directly into the reformer.

Um eine solche Wärmeisolation zusätzlich zu regulieren, umfassen einige Ausführungsformen eine Luftströmungsregelung, bei der Umgebungsluft entlang eines Raums zwischen dem Brenner und dem Reformer geführt wird, so dass der erhöhte Luftstrom entlang des Reformers den Reformerkatalysator von den heißen Wänden des zentralen Brenners thermisch isoliert.To further regulate such thermal isolation, some embodiments include air flow control in which ambient air is directed past a space between the combustor and the reformer such that the increased air flow past the reformer thermally isolates the reformer catalyst from the hot walls of the central combustor.

Verschiedene Aspekte auch der ersten und zweiten technischen Lösung, gegebenenfalls in Kombination, werden im Folgenden näher erläutert.Various aspects of the first and second technical solution, possibly in combination, are explained in more detail below.

Optionen für die BrennstoffzelleFuel cell options

Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelle, typischerweise einen Brennstoffzellenstapel. Hier wird der Begriff Brennstoffzelle sowohl für eine einzelne Brennstoffzelle als auch für mehrere Brennstoffzellen, beispielsweise einen Brennstoffzellenstapel, verwendet.The fuel cell system includes a fuel cell, typically a fuel cell stack. The term fuel cell is used here both for a single fuel cell and for a plurality of fuel cells, for example a fuel cell stack.

Beispielsweise sind die Brennstoffzellen Hochtemperatur-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen, auch Hochtemperatur-Protonenelektrolytmembran- (HTPEM) Brennstoffzellen genannt, die über 120 Grad Celsius arbeiten, welches HTPEM-Brennstoffzellen von Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen unterscheidet, wobei letztere bei Temperaturen unter 100 Grad Celsius, zum Beispiel bei 70 Grad Celsius, arbeiten. Die Betriebstemperatur von HTPEM-Brennstoffzellen liegt im Bereich von 120 bis 200 Grad Celsius, beispielsweise im Bereich von 160 bis 170 Grad Celsius. Die Elektrolytmembran in der HTPEM-Brennstoffzelle basiert auf Mineralsäure, typischerweise einem Polymerfilm, beispielsweise mit Phosphorsäure dotiertem Polybenzimidazol. HTPEM-Brennstoffzellen sind vorteilhaft, weil sie eine Toleranz gegenüber relativ hoher CO-Konzentration haben und daher keine PrOx-Reaktoren zwischen dem Reformer und dem Brennstoffzellenstapel erfordern, weshalb einfache, leichte und kostengünstige Reformer verwendet werden können, wodurch die Gesamtgröße und das Gesamtgewicht des Systems minimiert werden im Einklang mit dem Zweck, kompakte Brennstoffzellensysteme bereitzustellen, beispielsweise für die Automobilindustrie.For example, the fuel cells are high-temperature proton exchange membrane fuel cells, also called high-temperature proton electrolyte membrane (HTPEM) fuel cells, which operate above 120 degrees Celsius, which distinguishes HTPEM fuel cells from low-temperature PEM fuel cells, the latter operating at temperatures below 100 degrees Celsius, for example Example at 70 degrees Celsius, work. The operating temperature of HTPEM fuel cells is in the range of 120 to 200 degrees Celsius, for example in the range of 160 to 170 degrees Celsius. The electrolyte membrane in the HTPEM fuel cell is based on mineral acid, typically a polymer film, for example polybenzimidazole doped with phosphoric acid. HTPEM fuel cells are advantageous because they have a tolerance to relatively high CO concentration and therefore do not require PrOx reactors between the reformer and the fuel cell stack, allowing the use of simple, lightweight and inexpensive reformers, reducing the overall size and weight of the system be minimized in line with the purpose of providing compact fuel cell systems, for example for the automobile industry.

Die Brennstoffzelle wird zur Stromerzeugung verwendet, beispielsweise zum Fahren eines Fahrzeugs wie eines Automobils. Um einen Puffer für den erzeugten Strom bereitzustellen, ist typischerweise ein Batteriesystem in elektrischer Verbindung mit der Brennstoffzelle vorgesehen.The fuel cell is used to generate electricity, for example, to drive a vehicle such as an automobile. In order to provide a buffer for the electricity generated, a battery system is typically provided in electrical communication with the fuel cell.

Es ist ein Kühlkreislauf zum Umwälzen des Kühlmittels durch die Brennstoffzelle zum Einstellen der Temperatur der Brennstoffzelle mit dem Kühlmittel vorgesehen. Während des Normalbetriebs nimmt der Kühlkreislauf Wärme von der Brennstoffzelle auf, um die Temperatur stabil und in einem optimierten Bereich zu halten. Beispielsweise beträgt die Temperatur der Brennstoffzelle 170 Grad Celsius, und das Kühlmittel hat am Eingang der Brennstoffzelle eine Temperatur von 160 Grad Celsius.A cooling circuit is provided for circulating the coolant through the fuel cell to adjust the temperature of the fuel cell with the coolant. During normal operation, the cooling circuit absorbs heat from the fuel cell to keep the temperature stable and within an optimized range. For example, the temperature of the fuel cell is 170 degrees Celsius and the coolant temperature at the inlet of the fuel cell is 160 degrees Celsius.

Ein Reformer mit einem Katalysator dient zur katalytischen Umwandlung von Brennstoff in Synthesegas, das in der Brennstoffzelle zur Stromerzeugung verwendet wird. Dementsprechend ist der Reformer mit der Anodenseite der Brennstoffzelle verbunden. Der Reformer umfasst einen Katalysator in einem Reformergehäuse mit Reformerwänden.A reformer with a catalyst is used to catalytically convert fuel into synthesis gas, which is used in the fuel cell to generate electricity. Accordingly, the reformer is connected to the anode side of the fuel cell. The reformer includes a catalyst in a reformer housing with reformer walls.

Für die katalytische Reaktion im Reformer wird der zugeführte flüssige Brennstoff in einem Verdampfer verdampft, der an seiner stromabwärtigen Seite durch eine Brennstoffdampfleitung mit dem Reformer verbunden ist. Die stromaufwärtige Seite des Verdampfers ist mit einer Flüssigbrennstoffversorgung verbunden, beispielsweise um eine Mischung aus flüssigem Methanol und Wasser aufzunehmen.For the catalytic reaction in the reformer, the supplied liquid fuel is vaporized in an evaporator connected at its downstream side to the reformer by a fuel vapor line. The upstream side of the evaporator is connected to a liquid fuel supply, for example to receive a mixture of liquid methanol and water.

Zum Erhitzen des Reformers auf die richtige katalytische Umwandlungstemperatur, beispielsweise im Bereich von 250 bis 300 Grad Celsius, wird Brennerabgas, beispielsweise bei einer Temperatur im Bereich von 350 bis 400 Grad Celsius, von einem Brenner zugeführt.In order to heat the reformer to the correct catalytic conversion temperature, for example in the range of 250 to 300 degrees Celsius, burner exhaust gas, for example at a temperature in the range of 350 to 400 degrees Celsius, is supplied from a burner.

Im Normalbetrieb strömt das Brennerabgas des Brenners an den Reformerwänden entlang und erwärmt sie. Nach der Übertragung der thermischen Energie vom Brennerabgas auf die Reformerwände kann die verbleibende thermische Energie zum Heizen anderer Komponenten verwendet werden, beispielsweise Batterien, die zum Speichern der elektrischen Energie der Brennstoffzelle verwendet werden, oder zum Heizen einer Fahrzeugkabine.In normal operation, the burner exhaust gas from the burner flows along the reformer walls and heats them up. After thermal energy is transferred from the combustor exhaust to the reformer walls, the remaining thermal energy can be used to heat other components, such as batteries used to store fuel cell electrical energy, or to heat a vehicle cabin.

Während des Startvorgangs des Brennstoffzellensystems muss die Brennstoffzelle erwärmt werden, um einen stationären stromerzeugenden Betriebszustand zu erreichen. Insbesondere für den Einsatz in Fahrzeugen sollte der Startvorgang schnell sein. Aus diesem Grund wird der Brenner in der Startphase stark eingesetzt und überträgt seine Wärme auf die Brennstoffzelle.During the start-up process of the fuel cell system, the fuel cell must be heated in order to reach a stationary, power-generating operating state. The starting process should be fast, especially for use in vehicles. For this reason, the burner is used heavily during the start-up phase and transfers its heat to the fuel cell.

Typischerweise erfolgt dies im Praktischen durch Übertragung der Wärme vom Brennerabgas auf das Kühlmittel im Kühlkreislauf, das während des Startvorgangs stattdessen als Heizflüssigkeit verwendet wird, um die Brennstoffzelle auf eine für den normalen Betrieb geeignete Temperatur zu erwärmen.Typically this is done in practice by transferring the heat from the combustor exhaust to the coolant in the cooling circuit, which is used instead as a heating fluid during start-up to heat the fuel cell to a temperature suitable for normal operation.

In praktischen Ausführungsformen steht die stromabwärtige Seite des Brennerabgas-Auslasskanals in Strömungsverbindung mit einem Wärmetauscher zur Übertragung von thermischer Energie vom Brennerabgas auf das Kühlmittel im Kühlkreislauf zur Übertragung von thermischer Energie auf das Kühlmittel.In practical embodiments, the downstream side of the combustor exhaust outlet duct is in flow communication with a heat exchanger for transferring thermal energy from the combustor exhaust to the coolant in the cooling loop for transferring thermal energy to the coolant.

In einigen praktischen Ausführungsformen umfasst die Flüssigbrennstoffversorgung ein Methanolreservoir zum Zuführen von Methanol sowie eine Wasserversorgung zum Zuführen von Wasser und zum Mischen des Wassers mit dem Methanol an einem dem Verdampfer vorgelagertem Mischpunkt, wobei die Wasserversorgung so konfiguriert ist, dass das Wasser zur Versorgung aus dem Brennerabgas des Brenners wiederverwertet wird.In some practical embodiments, the liquid fuel supply includes a methanol reservoir for supplying methanol and a water supply for supplying water and mixing the water with the methanol at a mixing point upstream of the evaporator, the water supply being configured to draw the water to the supply from the combustor exhaust of the burner is recycled.

In konkreten Ausführungsformen werden Wasser und Methanol dem Mischpunkt zugeführt, die Mischung aus Wasser und Methanol in einem Verdampfer verdampft, und die verdampfte Mischung als Brennstoff in den Reformer eingespeist und katalytisch zu Synthesegas umgewandelt, welches dann in die Anodenseite der Brennstoffzelle zur Erzeugung von Abgas eingespeist wird. Das Abgas von der Anode wird in den Brenner eingespeist und zu Brennerabgas verbrannt, typischerweise katalytisch verbrannt, welches dann in einen Kondensator eingespeist wird, um Wasser aus dem Brennerabgas zu kondensieren.In specific embodiments, water and methanol are fed to the mixing point, the mixture of water and methanol is vaporized in an evaporator, and the vaporized mixture is fed as fuel to the reformer and catalytically converted to synthesis gas, which is then fed to the anode side of the fuel cell to generate exhaust gas becomes. The exhaust gas from the anode is fed to the combustor and combusted, typically catalytically combusted, into combustor exhaust gas, which is then fed to a condenser to condense water from the combustor exhaust gas.

Betrieb der Brennstoffzelleoperation of the fuel cell

Wie oben erläutert, erfordert ein schneller Start eine aggressive Anwendung des Brenners und eine hohe Temperatur des Abgases, was insofern vorteilhaft ist, als eine effiziente Verwendung des Brenners bei hoher Temperatur zu einer sogenannte sauberen Verbrennung führt, die jedoch das Risiko eines Verschleißes des Reformers durch Überhitzung mit sich führt. Im Folgenden werden verschiedene technische Lösungen für dieses Problem angegeben.As explained above, a fast start requires an aggressive application of the burner and a high temperature of the exhaust gas, which is advantageous in that an efficient use of the burner at high temperature leads to a so-called clean combustion, but with the risk of wearing out the reformer leads to overheating. Various technical solutions to this problem are given below.

Ein erstes Verfahren zur Verhinderung einer Überhitzung des Reformers wird erreicht, indem ein Bypassventil in Verbindung mit der Brennerkammer vorgesehen ist. Das Bypassventil ist so konfiguriert, dass es die Strömung des Brennerabgases zwischen einer Strömung entlang der Reformerwände und einer Strömung aus der Brennerkammer heraus durch einen Brennerabgas-Auslasskanal reguliert, wobei beim Letzteren die Reformerwände umgangen werden, um zu verhindern, dass es an den Reformerwänden entlang fließt. Durch Betätigen des Bypassventils wird die Strömung des Brennerabgases zwischen der Strömung entlang der Reformerwände und der Strömung, der die Reformerwände umgeht, reguliert.A first method of preventing overheating of the reformer is achieved by providing a bypass valve in communication with the combustor chamber. The bypass valve is configured to regulate the flow of combustor exhaust gas between flowing along the reformer walls and flowing out of the combustor chamber through a combustor exhaust outlet passage, the latter bypassing the reformer walls to prevent it from flowing along the reformer walls flows. By operating the bypass valve, the flow of combustor exhaust gas is regulated between the flow along the reformer walls and the flow bypassing the reformer walls.

Beispielsweise wird durch das Bypassventil selektiv ein Abgasweg eingerichtet, in dem eine Bypassmenge des Brennerabgases durch einen Brennerabgas-Auslasskanal aus der Brennerkammer herausgeleitet wird, wobei die Reformerwände umgangen werden. Die Bypass-Menge, die ein Teil oder das gesamte Brennerabgas umfasst, wird somit daran gehindert, an den Reformerwänden entlang zu fließen.For example, an exhaust gas path is selectively established by the bypass valve in which a bypass amount of the combustor exhaust gas is directed out of the combustor chamber through a combustor exhaust gas outlet passage, bypassing the reformer walls. The bypass flow, which includes part or all of the burner exhaust gas, is thus prevented from flowing along the reformer walls.

Zum Beispiel wird das Bypassventil für den Start in eine Startkonfiguration versetzt, bei der das gesamte oder meiste Brennerabgase in der Startphase den Reformer umgeht und die thermische Energie aus dem Brennerabgas stattdessen zum Erwärmen der Brennstoffzelle verwendet wird. Dies führt zu einem schnellen Startvorgang. Nach dem Start wird das Bypassventil so geschaltet, dass das Brennerabgas an den Reformerwänden entlang strömt.For example, the start-up bypass valve is placed in a start-up configuration where all or most of the combustor exhaust bypasses the reformer during start-up and the thermal energy from the combustor exhaust is instead used to heat the fuel cell. This results in a fast boot process. After the start, the bypass valve is switched in such a way that the burner exhaust gas flows along the reformer walls.

In praktischen Ausführungsformen steht die stromabwärtige Seite des Brennerabgas-Auslasskanals in Strömungsverbindung mit einem Wärmetauscher zur Übertragung von thermischer Energie vom Brennerabgas auf das Kühlmittel im Kühlkreislauf, um eine Übertragung von thermischer Energie an das Kühlmittel zu erreichen. Eine Bypass-Menge von mehr als der Hälfte des Brennerabgases aus dem Brenner, beispielsweise das gesamte oder im Wesentlichen gesamte Brennerabgas, umgeht den Reformer in der Startsituation und erreicht den Wärmetauscher zur Übertragung eines Großteils der thermischen Energie des Brennerabgases auf das Kühlmittel und nicht auf den Reformer, um die Brennstoffzelle auf eine normale Betriebstemperatur zu erwärmen.In practical embodiments, the downstream side of the burner exhaust gas outlet duct is in flow communication with a heat exchanger for transferring thermal energy from the Burner exhaust on the coolant in the cooling circuit to achieve a transfer of thermal energy to the coolant. A bypass quantity of more than half of the combustor exhaust from the combustor, for example all or substantially all of the combustor exhaust, bypasses the reformer in the starting situation and reaches the heat exchanger for transfer of a majority of the thermal energy of the combustor exhaust to the coolant and not to the Reformer to heat the fuel cell to a normal operating temperature.

Dann, nach dem Start wird das Bypassventil in eine normale Betriebskonfiguration versetzt, wobei der Bypass um den Reformer geschlossen wird und eine Strömung des gesamten Brennerabgases entlang der Reformerwände bewirkt wird um den Reformerkatalysator während des normalen Betriebs zu erwärmen.Then, after start-up, the bypass valve is placed in a normal operating configuration, closing the bypass around the reformer and causing all combustor exhaust to flow along the reformer walls to heat the reformer catalyst during normal operation.

In einigen Ausführungsformen kann die Bypass-Menge während des Starts des Brennstoffzellensystems geändert werden, um die Menge an thermischer Energie, die vom Brenner zum Reformer übertragen wird, zu regulieren. Anstatt beispielsweise erst zu veranlassen, dass das gesamte Brennerabgas den Reformer umgeht und den Wärmetauscher erreicht, bis die normale Betriebstemperatur der Brennstoffzelle erreicht ist, wird ein kleiner Teil zum mäßigen Erhitzen des Reformers während des Startvorgangs verwendet, insbesondere in der späteren Phase des Startvorgangs. Sofern das Bypassventil in Bezug auf die Brennerabgasmenge, die den Reformer umgeht, variabel einstellbar ist, kann das Temperaturprofil zum Erhitzen des Reformers während des Starts genau geregelt werden.In some embodiments, the amount of bypass may be changed during startup of the fuel cell system to regulate the amount of thermal energy transferred from the combustor to the reformer. For example, instead of first causing all of the combustor exhaust to bypass the reformer and reach the heat exchanger until the fuel cell's normal operating temperature is reached, a small portion is used to moderately heat the reformer during startup, particularly in the later stages of startup. If the bypass valve is variably adjustable in relation to the amount of burner exhaust gas that bypasses the reformer, the temperature profile for heating the reformer during start-up can be precisely controlled.

Im Prinzip ist es sogar möglich, während des normalen Betriebs eine Bypass-Menge bereitzustellen und zu regeln.In principle, it is even possible to provide and regulate a bypass quantity during normal operation.

Optional sind die Reformerwände rohrförmig und umgeben die Brennerwände, um eine Möglichkeit einer kompakten Brenner/Reformer-Einheit bereitzustellen. Dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, und eine Konfiguration des Brenners/Reformers nebeneinander oder eine Konfiguration eines Brenners, der zwischen zwei Abschnitten des Reformers angeordnet ist, ist ebenfalls möglich.Optionally, the reformer walls are tubular and surround the combustor walls to provide a compact combustor/reformer option. However, this is not strictly necessary and a configuration of the combustor/reformer side by side or a configuration of a combustor located between two sections of the reformer is also possible.

Aspekte mit einem Raum zwischen Brenner und ReformerAspects with a space between burner and reformer

In Bezug auf solche kompakten Konfigurationen wird im Folgenden ein zweites Verfahren zur Verhinderung einer Überhitzung des Reformers erläutert, das zur Kombination mit dem ersten Verfahren zur Verhinderung einer Überhitzung unter Verwendung eines Ventils wie bereits oben erläutert, geeignet ist.With respect to such compact configurations, a second method for preventing overheating of the reformer, which is suitable for combination with the first method for preventing overheating using a valve as already explained above, will be explained below.

Bei diesem zweiten Verfahren ist zwischen den Reformerwänden und den Brennerwänden ein isolierender Raum vorgesehen, der beispielsweise mit Isoliermaterial gefüllt ist, um die Wärme von den Brennerwänden gegen Leitung thermisch zu isolieren, der jedoch zum Leiten des Brennerabgases entlang des Reformers verwendet wird.In this second method, an insulating space is provided between the reformer walls and the burner walls, which is filled with, for example, insulating material to thermally insulate heat from the burner walls against conduction, but which is used to direct the burner exhaust gas along the reformer.

Optional ist eine Luftzufuhr vorgesehen, um Luft, gegebenenfalls Umgebungsluft, in den isolierenden Raum zu leiten, damit die Luft durch den isolierenden Raum strömen kann. Beispielsweise verläuft der Luftstrom an den Wänden des Reformers entlang und isoliert nicht nur die Wände des Reformers von den Brennerwänden, sondern leitet auch Wärme aus dem Isolierenden Raum ab. Er kann den Reformer sogar kühlen, wenn dieser durch Strahlung von der Brennerwand erwärmt wird.An air supply is optionally provided in order to direct air, possibly ambient air, into the insulating space so that the air can flow through the insulating space. For example, the airflow runs along the walls of the reformer and not only insulates the reformer walls from the burner walls, but also removes heat from the insulating space. It can even cool the reformer when it is heated by radiation from the burner wall.

Vorteilhafterweise umfasst der Reformer Reformerwände und einen von den Reformerwänden umschlossenen Katalysator. Die Reformerwände sind rohrförmig und umfassen eine innere zylindrische Wand und eine äußere zylindrische Wand, die einen Hohlzylinder mit einer Mittelachse und einer Reformerlänge L bilden, wenn sie in Richtung entlang der Mittelachse gemessen wird. Der Hohlzylinder umfasst ein erstes Ende und ein zweites Ende, wobei das erste Ende vom zweiten Ende um die Reformerlänge L beabstandet ist. In einigen Ausführungsformen ist der Brenner in einem zentralen Hohlraum des Reformers vorgesehen, der als Hohlzylinder ausgebildet ist.Advantageously, the reformer includes reformer walls and a catalyst enclosed by the reformer walls. The reformer walls are tubular and include an inner cylindrical wall and an outer cylindrical wall forming a hollow cylinder having a central axis and a reformer length L when measured in a direction along the central axis. The hollow cylinder includes a first end and a second end, the first end being spaced apart from the second end by the reformer length L . In some embodiments, the burner is provided in a central cavity of the reformer, which is designed as a hollow cylinder.

In einigen Aspekten umfasst der Brenner eine rohrförmige Brennerwand. Vorteilhafterweise umgibt die innere Wand des Reformers die Brennerwand und hat einen Abstand zur Brennerwand, wodurch ein Raum zwischen der inneren Wand und der Brennerwand geschaffen wird, wobei die Brennerkammer durch einen Brennerabgaskanal mit dem Raum in Fluidströmungsverbindung steht.In some aspects, the combustor includes a tubular combustor wall. Advantageously, the inner wall of the reformer surrounds and is spaced from the burner wall, thereby creating a space between the inner wall and the burner wall, the combustor chamber being in fluid flow communication with the space through a burner exhaust passage.

Ein Gehäuse umschließt den Reformer, wobei zwischen der äußeren Wand des Reformers und dem Gehäuse ein weiterer Raum vorgesehen ist. Der Raum und der weitere Raum sind am ersten Ende durch eine verbindende Vorderendkammer miteinander verbunden und bilden eine Wärmetauschkammer. Die Erwärmung von gegenüberliegenden Seiten eines zylindrischen Reformers erhöht den Heizwirkungsgrad und verhindert gleichzeitig eine thermische Überlastung.A housing encloses the reformer, with another space provided between the outer wall of the reformer and the housing. The space and the further space are connected at the first end by a connecting front end chamber and form a heat exchange chamber. Heating from opposite sides of a cylindrical reformer increases heating efficiency while preventing thermal overload.

In einigen Aspekten umfasst der Reformer einen Einlass für Brennstoffdampf am ersten Ende und einen Auslass für Synthesegas am zweiten Ende und eine Reformerströmungsrichtung vom Einlass zum Auslass, die im Durchschnitt vom ersten Ende zum zweiten Ende einwegig ist. In diesem Fall ist die Strömungsrichtung des Brennerabgases im Raum entgegen der Strömungsrichtung des Reformers.In some aspects, the reformer includes a fuel vapor inlet at the first end and a syngas outlet at the second end and a reformer flow direction from inlet to outlet that is one-way on average from first end to second end. In this case, the flow direction of the burner exhaust gas in space is opposite to the flow direction of the reformer.

Für den Betrieb strömt Brennerabgas

  • - von der Brennerkammer durch den Brennerabgaskanal in den Raum, der Teil der Wärmetauschkammer um den Reformer herum ist,
  • - dann entlang der zylindrischen inneren Wand des Reformers bis zum ersten Ende des Reformers (vorteilhafterweise ohne erneutes Eintreten in die Brennerkammer), wodurch Wärme vom Brennerabgas auf die innere Wand übertragen wird, um den Katalysator durch Wärmeleitung durch die innere Wand zu erwärmen,
  • - dann durch die Vorderendkammer in den weiteren Raum und
  • - dann entlang der äußeren Wand zum zweiten Ende des Reformers und
  • - aus der Brenner/Reformer-Einheit durch einen Brennerabgas-Auslasskanal,

Insbesondere für den Fall, dass der Brenner zum Starten und entsprechend aggressiven Brennen verwendet wird, verhindert der Raum zwischen der Brennerwand und der inneren zylindrischen Wand eine Überhitzung des Reformers.Burner exhaust gas flows for operation
  • - from the burner chamber through the burner exhaust duct to the space that is part of the heat exchange chamber around the reformer,
  • - then along the cylindrical inner wall of the reformer to the first end of the reformer (advantageously without re-entering the combustor chamber), whereby heat from the combustor exhaust gas is transferred to the inner wall to heat the catalyst by conduction through the inner wall,
  • - then through the front end chamber into the further room and
  • - then along the outer wall to the second end of the reformer and
  • - from the burner/reformer unit through a burner exhaust gas outlet duct,

In particular, in the event that the burner is used for starting and correspondingly aggressive burning, the space between the burner wall and the inner cylindrical wall prevents the reformer from overheating.

Obwohl der Raum gegen direkten Kontakt zwischen der Brennerwand und der Reformerwand isoliert, kann die Wärmestrahlung von der Brennerwand die Reformerwand erreichen. Diese Wärmestrahlung trägt zur thermischen Energieübertragung bei, ohne Gefahr einer Überhitzung des Reformers.Although the space insulates against direct contact between the burner wall and the reformer wall, heat radiation from the burner wall can reach the reformer wall. This thermal radiation contributes to thermal energy transfer without risk of overheating of the reformer.

Beispielsweise umfasst der Brenner einen Einspritzverteiler zum Einspritzen von Abgas oder Brennstoff in den Brenner, wobei der Einspritzverteiler näher am ersten Ende des Reformers als am zweiten Ende vorgesehen ist, um Strahlungsenergie hauptsächlich auf den Reformer an oder nahe dem ersten Ende zu übertragen. Am ersten Ende wird die meiste Energie benötigt, jedoch ohne den Reformer zu überhitzen, weshalb die Zufuhr von Strahlungsenergie an diesem ersten Ende vorteilhaft ist.For example, the combustor includes an injection manifold for injecting exhaust gas or fuel into the combustor, the injection manifold being provided closer to the first end of the reformer than the second end to transmit radiant energy primarily to the reformer at or near the first end. Most of the energy is required at the first end, but without overheating the reformer, so adding radiant energy to this first end is beneficial.

Die Hauptwärmeübertragung vom Brenner zum Reformer wird jedoch durch den Transport thermischer Energie mit dem Brennerabgas erreicht.However, the main heat transfer from the burner to the reformer is achieved by transporting thermal energy with the burner exhaust gas.

Es wird darauf hingewiesen, dass die Strömung des Brennerabgases innerhalb des Raums zwischen dem Brenner und der inneren zylindrischen Wand des Reformers in einer Richtung entgegen der Strömungsrichtung des Reformergases durch den Reformer ist, während die Strömung im weiteren Raum, der sich zwischen der äußeren zylindrischen Wand des Reformers und dem Gehäuse befindet, in der gleichen Richtung verläuft wie die Strömung des Reformergases im Reformer. Es wird betont, dass das Reformergas im Reformer Turbulenzen und möglicherweise sogar einem wendelförmigen Weg ausgesetzt ist, weshalb der Begriff „Richtung“ in Bezug auf die Gase als gemittelte Richtung zu verstehen ist. Selbst wenn sich die Strömung im Inneren des Reformers beispielsweise entlang eines wendelförmigen Wegs verläuft, ist sie im Durchschnitt entlang einer Linie vom Einlass zum Auslass, ohne dass sich die durchschnittliche Richtung zum Einlass ändert.It is noted that the flow of burner exhaust gas within the space between the burner and the inner cylindrical wall of the reformer is in a direction opposite to the direction of flow of the reformer gas through the reformer, while the flow in the wider space extending between the outer cylindrical wall of the reformer and the housing is in the same direction as the flow of the reformer gas in the reformer. It is emphasized that the reformer gas in the reformer is subject to turbulence and possibly even a helical path, therefore the term "direction" in relation to the gases should be understood as an average direction. For example, even if the flow inside the reformer is along a helical path, it is on average along a line from the inlet to the outlet without changing the average direction toward the inlet.

In einigen Ausführungsformen ist kein Bypassventil wie oben erläutert, vorgesehen. In solchen Ausführungsformen wird das gesamte Brennerabgas vom Brenner um den Reformer herumgeleitet, so dass das Brennerabgas nur durch den Brennerabgas-Auslasskanal austreten kann, die stromabwärts des weiteren Raums an der Außenseite der äußeren zylindrischen Wand des Reformers vorgesehen ist. Insbesondere zu diesem Zweck ist eine Trennwand zwischen der Brennerkammer und dem Brennerabgas-Auslasskanal sowie zwischen dem Raum und dem Brennerabgas-Auslasskanal vorgesehen, um das Brennerabgas daran zu hindern, den weiteren Raum zwischen dem Gehäuse und der äußeren zylindrischen Wand zu umströmen, und stattdessen das Brennerabgas dazu zu zwingen, immer um den Reformer zu fließen. Diese Ausführungsformen sind ohne ein Bypassventil vorgesehen. Andere Ausführungsformen umfassen jedoch auch ein solches Bypassventil, wie oben beschrieben.In some embodiments, no bypass valve as discussed above is provided. In such embodiments, all of the combustor exhaust gas is bypassed from the combustor around the reformer so that the combustor exhaust gas can only exit through the combustor exhaust gas outlet passage provided downstream of the further space on the outside of the outer cylindrical wall of the reformer. Particularly for this purpose, a partition wall is provided between the burner chamber and the burner exhaust gas outlet duct and between the space and the burner exhaust gas outlet duct in order to prevent the burner exhaust gas from bypassing the wider space between the housing and the outer cylindrical wall, and instead the Forcing burner exhaust to always flow around the reformer. These embodiments are provided without a bypass valve. However, other embodiments also include such a bypass valve, as described above.

Die folgenden optionalen vorteilhaften Ausführungsformen sind nützlich, um das Profil für die Wärmeübertragung auf den Reformer zu optimieren. Beispielsweise ist der Brennerabgaskanal in der Brennerwand vorgesehen. Optional ist der Brennerabgaskanal für die Brennerabgasströmung von der Brennerkammer zur Wärmetauschkammer in einem Abstand vom zweiten Ende vorgesehen, wobei der Abstand im Bereich von 10% - 50% von L liegt, wobei der Abstand entlang einer Mittelachse des Reformers gemessen wird. Optional erstreckt sich der Brennerabgaskanal für die Brennerabgasströmung von der Brennerkammer zur Wärmetauschkammer über eine Länge im Bereich von 5% bis 60% von L, wobei die Länge entlang einer Mittelachse des Reformers gemessen wird. Optional liegt die Summe aus Abstand und Länge im Bereich von 15% - 80% von L.The following optional advantageous embodiments are useful to optimize the heat transfer profile to the reformer. For example, the burner exhaust gas duct is provided in the burner wall. Optionally, the combustor exhaust duct is provided for combustor exhaust flow from the combustor chamber to the heat exchange chamber at a distance from the second end, the distance being in the range of 10%-50% of L, the distance being measured along a central axis of the reformer. Optionally, the combustor exhaust duct for combustor exhaust flow from the combustor chamber to the heat exchange chamber extends a length in the range of 5% to 60% of L, the length being measured along a central axis of the reformer. Optionally, the sum of distance and length is in the range of 15% - 80% of L.

In einigen Ausführungsformen umfasst der Reformer eine wendelförmige Wand, die sich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende sowie zwischen der inneren und der äußeren zylindrischen Wand erstreckt, wobei die wendelförmige Wand einen wendelförmigen Strömungsweg durch den Reformer definiert. Die wendelförmige Wand erstreckt sich über die Länge des Strömungswegs durch den Reformer, die grösser ist als eine direkte Strömung entlang des Abstands vom ersten Ende zum zweiten Ende. Ein solcher wendelförmiger Weg hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass er den Strömungsweg im Reformer verlängert, ohne dass eine Gegenströmung in zwei Richtungen durch den Reformer erzeugt werden muss. Darüber hinaus verbessert der wendelförmige Weg das Mischen des Gases im Reformer.In some embodiments, the reformer includes a helical wall extending between the first and second ends and between between the inner and outer cylindrical walls, the helical wall defining a helical flow path through the reformer. The helical wall extends the length of the flow path through the reformer that is greater than direct flow along the distance from the first end to the second end. Such a helical path has the advantage over the prior art that it lengthens the flow path in the reformer without having to generate a counterflow in two directions through the reformer. In addition, the helical path improves the mixing of the gas in the reformer.

Beispielsweise wird der Reformerkatalysator als Granulat zwischen Windungen der wendelförmigen Wand bereitgestellt, um eine effiziente Reformierung zu ermöglichen.For example, the reformer catalyst is provided as granules between turns of the helical wall to enable efficient reforming.

Optional kann durch Einstellen der Position der Freisetzung von heißem Brennerabgas vom Brenner zu den Wänden des Reformers ein Heizprofil optimiert werden. Optional ist mehr als ein Brennerabgaskanal vorgesehen, wobei mehreren Brennerabgaskanäle an verschiedenen Stellen entlang der Länge des Reformers vorgesehen sind, um das Temperaturprofil im Reformer zu optimieren.Optionally, a heating profile can be optimized by adjusting the position of the release of hot combustor exhaust from the combustor to the walls of the reformer. Optionally, more than one burner exhaust duct is provided, with multiple burner exhaust ducts being provided at various locations along the length of the reformer to optimize the temperature profile within the reformer.

Aspekte des Wasserrecyclingsaspects of water recycling

Eine weitere allgemeine Verbesserung wird im Folgenden erwähnt, die nicht nur bei den obigen Ausführungsformen Anwendung findet, sondern als allgemeines Prinzip in Brennstoffzellen nützlich ist, die Wasser für die Brennstoffzelle verwenden, wie beispielsweise eine Mischung aus Methanol und Wasser, wie oben für die HTPEM-Brennstoffzelle erläutert. Bei dieser Verbesserung wird das Wasser aus der Brennstoffzelle und/oder aus dem Brenner wiederverwertet.Another general improvement is mentioned below, which not only applies to the above embodiments, but is useful as a general principle in fuel cells that use water for the fuel cell, such as a mixture of methanol and water, as above for the HTPEM fuel cell explained. This improvement recycles the water from the fuel cell and/or burner.

In einigen praktischen Ausführungsformen umfasst die Flüssigbrennstoffversorgung ein Methanolreservoir zur Versorgung mit Methanol sowie eine Wasserversorgung zur Versorgung mit Wasser und zum Mischen des Wassers mit dem Methanol an einem Mischpunkt stromaufwärts vor dem Verdampfer, und die Wasserzufuhr ist für eine Versorgung mit Wasser, die aus dem Brennerabgas des Brenners wiederverwendet wird, ausgebildet.In some practical embodiments, the liquid fuel supply includes a methanol reservoir for supplying methanol and a water supply for supplying water and mixing the water with the methanol at a mixing point upstream of the evaporator, and the water supply is for a supply of water derived from the burner exhaust of the burner is reused.

Beispielsweise ist die Wasserversorgung Teil eines Recyclingkreislaufs vom Mischpunkt durch den Verdampfer, durch den Reformer, durch die Anodenseite der Brennstoffzelle, durch den Brenner, durch den Kondensator und zurück zum Mischpunkt.For example, the water supply is part of a recycle loop from the mix point, through the evaporator, through the reformer, through the anode side of the fuel cell, through the combustor, through the condenser, and back to the mix point.

Optional ist der Recyclingkreislauf zum Hinzufügen von Wasser aus dem Auslass der Kathodenseite der Brennstoffzelle konfiguriert.Optionally, the recycle loop is configured to add water from the outlet of the cathode side of the fuel cell.

In konkreten Ausführungsformen werden Wasser und Methanol dem Mischpunkt zugeführt, die Mischung aus Wasser und Methanol wird in einem Verdampfer verdampft, die verdampfte Mischung wird als Brennstoff in den Reformer eingespeist und katalytisch zu Synthesegas umgesetzt, das dann in die Anodenseite der Brennstoffzelle eingespeist wird zur Erzeugung von Abgas. Das Abgas von der Anode wird in den Brenner eingespeist und wird zu Brennerabgas verbrannt, typischerweise katalytisch verbrannt, welches dann in einen Kondensator eingespeist wird, um Wasser aus dem Brennerabgas zu kondensieren. Das Wasser wird zur Wiederholung des Kreislaufs zum Mischpunkt zurückgeführt. Optional wird Wasser aus dem Auslass der Kathodenseite der Brennstoffzelle in den Recyclingkreislauf gegeben.In specific embodiments, water and methanol are fed to the mixing point, the mixture of water and methanol is vaporized in an evaporator, the vaporized mixture is fed as fuel to the reformer and catalytically converted to synthesis gas, which is then fed to the anode side of the fuel cell for generation of exhaust gas. The exhaust gas from the anode is fed to the combustor and is combusted, typically catalytically combusted, into combustor exhaust gas, which is then fed to a condenser to condense water from the combustor exhaust gas. The water is returned to the mixing point to repeat the cycle. Optionally, water from the outlet of the cathode side of the fuel cell is fed into the recycling loop.

Optional umfasst das Brennstoffzellensystem zur Nutzung der Abwärme einen weiteren Wärmetauscher zur Übertragung thermischer Energie vom Kühlmittel auf Luft stromaufwärts vor dem Brenner. Dieses wird dazu verwendet, die Temperatur der Luft vor dem Eintritt in die Brennerkammer zu erhöhen, was die Energieeffizienz des Brennstoffzellensystems erhöht.Optionally, the fuel cell system includes a further heat exchanger for the transfer of thermal energy from the coolant to air upstream of the burner in order to use the waste heat. This is used to increase the temperature of the air before it enters the combustor chamber, which increases the energy efficiency of the fuel cell system.

ASPEKTEASPECTS

Im Folgenden werden eine Reihe von Aspekten erläutert, die miteinander zusammenhängen und mit den anderen hier genannten Aspekten kombiniert werden können.A number of aspects are explained below that are related to one another and can be combined with the other aspects mentioned here.

Aspekt 1. Ein Brennstoffzellensystem, umfassend:

  • eine Brennstoffzelle;
  • einen Kühlkreislauf zum Umwälzen von Kühlmittel durch die Brennstoffzelle zum Einstellen der Temperatur der Brennstoffzelle mit dem Kühlmittel;
  • einen Reformer, der einen Katalysator umfasst, der von Reformerwänden umschlossen und für die katalytische Umwandlung von Brennstoffdampf in Synthesegas konfiguriert ist, wobei der Reformer mit der Anodenseite der Brennstoffzelle zur Erzeugen von Synthesegas für die Brennstoffzelle verbunden ist;
  • einen Verdampfer, der zum Verdampfen von flüssigem Brennstoff konfiguriert und mit dem Reformer leitungsverbunden ist, um den verdampften Brennstoff dem Reformer bereitzustellen;
  • eine Flüssigbrennstoffversorgungsleitung, die mit dem Verdampfer verbunden ist, um dem Verdampfer flüssigen Brennstoff zuzuführen;
  • einen Brenner mit einer Brennerkammer innerhalb der Brennerwände, wobei die Brennerkammer zum Erzeugen von Brennerabgas durch Verbrennen von Anodenabgas oder Brennstoff oder beidem konfiguriert ist, wobei die Brennerkammer mit den Reformerwänden für die Strömung des Brennerabgases von der Brennerkammer zu und entlang der Reformerwände in Fluidströmungsverbindung steht zur Übertragung von Wärme vom Brennerabgas zu den Reformerwänden zur Erwärmung des Katalysators durch Wärmeübertragung durch die Reformerwände; dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem ein Bypassventil umfasst, das mit der Brennerkammer in Verbindung steht, und zur Regulierung des Abgasstroms zwischen
  1. a) Strömung entlang der Reformerwände und
  2. b) Strömung aus der Brennerkammer heraus durch einen Brennerabgas-Auslasskanal (9) unter Umgehung der Reformerwände zur Verhinderung der Strömung entlang der Reformerwände konfiguriert ist.
Aspect 1. A fuel cell system, comprising:
  • a fuel cell;
  • a cooling circuit for circulating coolant through the fuel cell to adjust the temperature of the fuel cell with the coolant;
  • a reformer comprising a catalyst enclosed by reformer walls and configured for catalytic conversion of fuel vapor to syngas, the reformer being connected to the anode side of the fuel cell for generating syngas for the fuel cell;
  • a vaporizer configured to vaporize liquid fuel and in line communication with the reformer to provide the vaporized fuel to the reformer;
  • a liquid fuel supply line connected to the vaporizer for supplying liquid fuel to the vaporizer;
  • a combustor having a combustor chamber within the combustor walls, the combustor chamber configured to produce combustor exhaust gas by combusting anode exhaust gas or fuel, or both, the combustor chamber being in fluid flow communication with the reformer walls for the flow of combustor exhaust gas from the combustor chamber to and along the reformer walls transferring heat from the combustor exhaust to the reformer walls to heat the catalyst by heat transfer through the reformer walls; characterized in that the fuel cell system comprises a bypass valve communicating with the combustor chamber and for regulating the flow of exhaust gas between
  1. a) Flow along the reformer walls and
  2. b) flow out of the combustor chamber is configured through a burner exhaust gas outlet passage (9) bypassing the reformer walls to prevent flow along the reformer walls.

Aspekt 2. Brennstoffzellensystem nach Aspekt 1, wobei der Brennerabgas-Auslasskanal, auf ihrer stromabwärtigen Seite mit einem Wärmetauscher zur Übertragung thermischer Energie vom Brennerabgas auf das Kühlmittel im Kühlkreislauf in Strömungsverbindung steht zur Übertragung thermischer Energie zum Kühlmittel; wobei das Bypassventil dazu konfiguriert ist, zwischen einem Startkonfigurationszustand während des Starts des Brennstoffzellensystems und einem normalen Betriebszustand nach dem Start zu wechseln, wobei sich das Bypassventil in der Startkonfiguration dazu konfiguriert ist, eine Bypassmenge von mehr als der Hälfte des Brennerabgases vom Brenner zu veranlassen, den Reformer zu umgehen und den Wärmetauscher zu erreichen, um einen Großteil der thermischen Energie des Brennerabgases auf das Kühlmittel zu übertragen und nicht auf den Reformer, um dadurch die Brennstoffzelle auf eine normale Betriebstemperatur zu erwärmen, und wobei das Bypassventil im normalen Betriebszustand so konfiguriert ist, dass es die Umgehung des Reformers stoppt und das Brennerabgas entlang der Reformerwände strömen lässt zur Erwärmung des Reformerkatalysators nach dem Start.Aspect 2. The fuel cell system according to aspect 1, wherein the combustor exhaust gas outlet passage is in fluid communication, on its downstream side, with a heat exchanger for transferring thermal energy from the combustor exhaust gas to the coolant in the cooling circuit for transferring thermal energy to the coolant; wherein the bypass valve is configured to transition between a start-up configuration state during start-up of the fuel cell system and a normal operating state after start-up, wherein in the start-up configuration the bypass valve is configured to cause a bypass amount of more than half of the combustor exhaust gas from the combustor, bypassing the reformer and reaching the heat exchanger to transfer much of the thermal energy of the combustor exhaust to the coolant and not to the reformer, thereby heating the fuel cell to a normal operating temperature, and wherein the bypass valve is so configured in the normal operating condition that it stops the reformer bypass and allows the burner exhaust to flow along the reformer walls to heat the reformer catalyst after start-up.

Aspekt 3. Brennstoffzellensystem gemäß Aspekt 2, wobei das Bypassventil zur graduellen Einstellung der Bypass-Menge des Brennerabgases, das durch den Reformer geleitet wird, konfiguriert ist, wobei die Bypass-Menge im Bereich von einer minimalen Menge bis zu einer maximalen Menge liegt, wobei die minimale Menge weniger als 20% und die maximale Menge größer als 80% relativ zur Gesamtmenge des vom Brenner erzeugten Brennerabgases ist.Aspect 3. The fuel cell system according to aspect 2, wherein the bypass valve is configured to gradually adjust the bypass amount of the combustor exhaust gas passed through the reformer, the bypass amount ranging from a minimum amount to a maximum amount, wherein the minimum amount is less than 20% and the maximum amount is greater than 80% relative to the total amount of burner exhaust gas produced by the burner.

Aspekt 4. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Reformerwände rohrförmig sind und die Brennerwände umgeben, und wobei ein isolierender Raum zwischen den Reformerwänden und den Brennerwänden zur Wärmeisolierung vorgesehen ist.Aspect 4. The fuel cell system according to any preceding aspect, wherein the reformer walls are tubular and surround the combustor walls, and wherein an insulating space is provided between the reformer walls and the combustor walls for thermal insulation.

Aspekt 5. Brennstoffzellensystem gemäß Aspekt 4, wobei eine Luftzufuhr in den isolierenden Raum zur Luftströmung durch den isolierenden Raum vorgesehen ist, um Wärme aus dem isolierender Raum während der Startbedingungen abzuleiten.Aspect 5. The fuel cell system according to aspect 4, wherein an air supply is provided in the insulating space for air flow through the insulating space to remove heat from the insulating space during start-up conditions.

Aspekt 6. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Brennstoffzelle eine Hochtemperatur-Protonenelektrolytmembran, HTPEM, Brennstoffzelle ist, die für den Betrieb bei einer Temperatur im Bereich von 120 bis 200 Grad Celsius konfiguriert ist, und wobei der flüssige Brennstoff eine Mischung aus Methanol und Wasser ist.Aspect 6. The fuel cell system of any preceding aspect, wherein the fuel cell is a high temperature proton electrolyte membrane, HTPEM, fuel cell configured to operate at a temperature in the range of 120 to 200 degrees Celsius, and wherein the liquid fuel is a mixture of methanol and water is.

Aspekt 7. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Flüssigbrennstoffversorgung ein Methanolreservoir zum Zuführen von Methanol sowie eine Wasserversorgung zum Zuführen von Wasser und zum Mischen des Wassers mit dem Methanol an einem dem Verdampfer vorgelagerten Mischpunkt umfasst, wobei die Wasserversorgung für die Versorgung von Wassers, das aus dem Brennerabgas des Brenners wiederverwendet wird, konfiguriert ist.Aspect 7. The fuel cell system according to any one of the preceding aspects, wherein the liquid fuel supply comprises a methanol reservoir for supplying methanol and a water supply for supplying water and for mixing the water with the methanol at a mixing point upstream of the evaporator, the water supply for supplying water , which is reused from the burner off-gas from the burner.

Aspekt 8. Brennstoffzellensystem nach Aspekt 7, wobei die Wasserversorgung Teil eines Recyclingkreislaufs vom Mischpunkt, durch den Verdampfer, durch den Reformer, durch die Anodenseite der Brennstoffzelle, durch den Brenner, durch den Kondensator, und zurück zum Mischpunkt ist.Aspect 8. The fuel cell system of aspect 7, wherein the water supply is part of a recycle loop from the merging point, through the evaporator, through the reformer, through the anode side of the fuel cell, through the combustor, through the condenser, and back to the merging point.

Aspekt 9. Brennstoffzellensystem gemäß Aspekt 8, wobei der Recyclingkreislaufs zum Hinzufügen von Wasser aus dem Auslass der Kathodenseite der Brennstoffzelle konfiguriert ist.Aspect 9. The fuel cell system according to aspect 8, wherein the recycle loop is configured to add water from the cathode side outlet of the fuel cell.

Aspekt 10. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Aspekte, umfassend einen weiteren Wärmetauscher zur Übertragung thermischer Energie vom Kühlmittel auf Luft stromaufwärts des Brenners, um die Temperatur der Luft vor dem Eintritt in die Brennerkammer zu erhöhen.Aspect 10. A fuel cell system according to any preceding aspect, comprising a further heat exchanger for transferring thermal energy from the coolant to air upstream of the combustor to increase the temperature of the air prior to entering the combustor chamber.

Aspekt 11. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei der Kühlkreislauf ein primärer Kühlkreislauf ist und wobei das Brennstoffzellensystem einen sekundären Kühlkreislauf mit Kühlmittel umfasst, das vom Kühlmittel im primären Kühlkreislauf getrennt ist; wobei das Brennstoffzellensystem einen sekundären Wärmetauscher zur Übertragung thermischer Energie zwischen dem primären Kühlkreislauf und dem sekundären Kühlkreislauf umfasst, wobei der sekundäre Kühlkreislauf in thermischer Verbindung mit einer Batterie steht und zum Regulieren der Temperatur der Batterie konfiguriert ist.Aspect 11. The fuel cell system according to any one of the preceding aspects, wherein the cooling circuit is a primary cooling circuit and wherein the fuel cell system comprises a secondary cooling circuit with coolant that is separate from the coolant in the primary cooling circuit; wherein the fuel cell system includes a secondary heat exchanger for transferring thermal energy between the primary cooling circuit and the secondary cooling circuit, the secondary cooling circuit being in thermal communication with a battery and configured to regulate the temperature of the battery.

Aspekt 12. Verwendung eines Brennstoffzellensystems gemäß einem der vorhergehenden als Aspekte für ein Automobil.Aspect 12. Use of a fuel cell system according to any one of the preceding as aspects for an automobile.

Aspekt 13. Ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, des Brennstoffzellensystems, umfassend:

  • eine Brennstoffzelle;
  • einen Kühlkreislauf zum Umwälzen von Kühlmittel durch die Brennstoffzelle zum Einstellen der Temperatur der Brennstoffzelle mit dem Kühlmittel;
  • einen Reformer, umfassend einen Katalysator, der von Reformerwänden umschlossen ist und für die katalytische Umwandlung von Brennstoffdampf in Synthesegas konfiguriert ist, wobei der Reformer mit der Anodenseite der Brennstoffzelle verbunden ist zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Synthesegas;
  • einen Verdampfer, der zum Verdampfen von flüssigem Brennstoff konfiguriert und mit dem Reformer verbunden ist, um dem Reformer verdampften Brennstoff zuzuführen;
  • eine Flüssigbrennstoffversorgung, die mit dem Verdampfer leitungsverbunden ist, um dem Verdampfer flüssigen Brennstoff zuzuführen;
  • einen Brenner mit einer Brennerkammer innerhalb der Brennerwände, wobei die Brennerkammer zur Versorgung von Brennerabgas durch Verbrennen von Anodenabgas oder Brennstoff oder beidem konfiguriert ist, wobei die Brennerkammer in Fluidströmungsverbindung mit den Reformerwänden steht für die Strömung des Brennerabgases von der Brennerkammer zu und entlang der Reformerwände zur Übertragung von Wärme vom Brennerabgas zu den Reformerwänden zur Erwärmung des Katalysators durch Wärmeübertragung durch die Reformerwände; dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem ein Bypassventil umfasst, das in Verbindung mit der Brennerkammer steht und zur Regulierung des Abgasstroms zwischen
  1. a) Strömung entlang der Reformerwände und
  2. b) Strömung aus der Brennerkammer heraus durch einen Brennerabgas-Auslasskanal (9) unter Umgehung der Reformerwände zur Verhinderung der Strömung entlang der Reformerwände konfiguriert ist;
und wobei das Verfahren das Betreiben des Bypassventils umfasst und als Folge des Betreibens des Bypassventils die Strömung des Brennerabgases zwischen der Strömung entlang der Reformerwände und der die Reformerwände umgehende Strömung reguliert wird.Aspect 13. A method for operating a fuel cell system, the fuel cell system, comprising:
  • a fuel cell;
  • a cooling circuit for circulating coolant through the fuel cell to adjust the temperature of the fuel cell with the coolant;
  • a reformer comprising a catalyst enclosed by reformer walls and configured for catalytic conversion of fuel vapor to synthesis gas, the reformer being connected to the anode side of the fuel cell for supplying synthesis gas to the fuel cell;
  • a vaporizer configured to vaporize liquid fuel and connected to the reformer to supply vaporized fuel to the reformer;
  • a liquid fuel supply in line communication with the vaporizer for supplying liquid fuel to the vaporizer;
  • a combustor having a combustor chamber within the combustor walls, the combustor chamber configured to supply combustor exhaust gas by burning anode exhaust gas or fuel or both, the combustor chamber being in fluid flow communication with the reformer walls for flow of combustor exhaust gas from the combustor chamber to and along the reformer walls transferring heat from the combustor exhaust to the reformer walls to heat the catalyst by heat transfer through the reformer walls; characterized in that the fuel cell system comprises a bypass valve which is in communication with the combustor chamber and for regulating the flow of exhaust gas between
  1. a) Flow along the reformer walls and
  2. b) flow out of the combustor chamber is configured through a burner exhaust gas outlet passage (9) bypassing the reformer walls to prevent flow along the reformer walls;
and wherein the method comprises operating the bypass valve and, as a result of operating the bypass valve, the flow of the combustor exhaust gas is regulated between the flow along the reformer walls and the flow bypassing the reformer walls.

Aspekt 14. Verfahren nach Aspekt 13, wobei das Verfahren Einstellung des Bypassventils während des Starts der Brennstoffzelle in eine Startkonfiguration umfasst und Veranlassung, dass eine Bypass-Menge von mehr als der Hälfte des Brennerabgases vom Brenner den Reformer umgeht.Aspect 14. The method of aspect 13, wherein the method comprises adjusting the bypass valve during startup of the fuel cell to a startup configuration and causing a bypass amount greater than half of the combustor exhaust from the combustor to bypass the reformer.

Aspekt 15. Verfahren nach Aspekt 14, wobei der Brennerabgas-Auslasskanal (9) auf seiner stromabwärtigen Seite mit einem Wärmetauscher zur Übertragung thermischer Energie vom Brennerabgas auf das Kühlmittel im Kühlkreislauf in Strömungsverbindung steht zur Übertragung thermischer Energie zum Kühlmittel; wobei das Verfahren eine Umgehung des Reformers mit einer Bypassmenge von mehr als der Hälfte des Brennerabgases vom Brenner vorhersieht, um damit den Wärmetauscher zu erreichen zur Übertragung einer Mehrheit der thermischen Energie des Brennerabgases auf das Kühlmittel und nicht auf den Reformer, um die Brennstoffzelle auf eine normale Betriebstemperatur zu erwärmen.Aspect 15. The method of aspect 14, wherein the burner exhaust gas outlet passage (9) is in flow communication on its downstream side with a heat exchanger for transferring thermal energy from the burner exhaust gas to the coolant in the cooling circuit for transferring thermal energy to the coolant; the method providing for bypassing the reformer with a bypass amount of more than half of the combustor exhaust from the combustor to reach the heat exchanger for transferring a majority of the thermal energy of the combustor exhaust to the coolant and not to the reformer to convert the fuel cell to a normal operating temperature.

Aspekt 16. Verfahren nach Aspekt 14 oder 15, wobei das Verfahren umfasst, dass nach dem Start das Bypassventil in eine normale Betriebskonfiguration versetzt wird und der Brennerabgas-Bypass zum Umgehen des Reformers geschlossen wird, und das gesamte Brennerabgases entlang der Reformerwände strömt, um den Reformerkatalysator während des normalen Betriebs zu erwärmen.Aspect 16. The method of aspect 14 or 15, wherein the method comprises after start-up placing the bypass valve in a normal operating configuration and closing the combustor exhaust bypass to bypass the reformer and flowing all of the combustor exhaust along the reformer walls to bypass the Heat reformer catalyst during normal operation.

Aspekt 17. Verfahren nach einem der Aspekte 14 bis 17, wobei die Reformerwände rohrförmig sind und die Brennerwände umgeben, und wobei ein isolierender Raum zwischen den Reformerwänden und den Brennerwänden zur Wärmeisolierung vorgesehen ist, wobei eine Luftzufuhr in den isolierenden Raum zur Luftströmung durch den isolierenden Raum vorgesehen ist, um Wärme aus dem isolierender Raum während der Startbedingungen abzuleiten, wobei das Verfahren während des Starts das Erzeugen eines Luftstroms durch die Luftzufuhr und in und entlang des isolierenden Raums zur Wärmeabfuhr aus dem isolierenden Raum vorsieht.Aspect 17. The method of any one of aspects 14 to 17, wherein the reformer walls are tubular and surround the combustor walls, and wherein an insulating space is provided between the reformer walls and the combustor walls for thermal insulation, with an air supply into the insulating space for air flow through the insulating Space is provided to remove heat from the insulating space during start-up conditions, the method during start-up including creating an air flow through the air supply and in and along the insulating space for dissipating heat from the insulating space.

Aspekt 18. Verfahren nach einem der Aspekte 14 bis 17, wobei die Brennstoffzelle eine Hochtemperatur-Protonenelektrolytmembran, HTPEM, Brennstoffzelle ist und das Verfahren das Betreiben der Brennstoffzelle bei einer Temperatur im Bereich von 120 bis 200 Grad Celsius umfasst sowie eine Versorgung von flüssigem Brennstoff als Mischung aus Methanol und Wasser.Aspect 18. The method according to any one of aspects 14 to 17, wherein the fuel cell is a high temperature proton electrolyte membrane, HTPEM, fuel cell and the method comprises operating the fuel cell at a temperature in the range of 120 to 200 degrees Celsius and a supply of liquid fuel as Mixture of methanol and water.

Aspekt 19. Verfahren nach einem der Aspekte 14 bis 18, wobei die Flüssigbrennstoffversorgung ein Methanolreservoir zum Zuführen von Methanol sowie eine Wasserversorgung zum Zuführen von Wasser und zum Mischen des Wassers mit dem Methanol an einem dem Verdampfer vorgelagertem Mischpunkt umfasst, wobei die Wasserversorgung für die Versorgung von Wasser, das aus dem Brennerabgas des Brenners wiederverwendet wird, konfiguriert ist, wobei die Wasserversorgung Teil eines Recyclingkreislaufs vom Mischpunkt, durch den Verdampfer, durch den Reformer, durch die Anodenseite der Brennstoffzelle, durch den Brenner, durch den Kondensator, und zurück zum Mischpunkt ist, wobei das Verfahren das Zuführen von Wasser und Methanol zum Mischpunkt umfasst, sowie das Verdampfen des Gemisches aus Wasser und Methanol in einem Verdampfer, das Zuführen des verdampften Gemisches als Brennstoff in den Reformer und das katalytische Umwandeln des Brennstoffs zu Synthesegas, das Zuführen des Synthesegases in die Anodenseite der Brennstoffzelle und Erzeugen von Abgas, Einspeisen des Abgases in den Brenner und Verbrennen des Abgases zu Brennerabgas, Einspeisen des Brennerabgases in einen Kondensator und Kondensieren von Wasser aus dem Brennerabgas, Zuführen des Kondensats des Wasser zurück zum Mischpunkt, um den Zyklus zu wiederholen.Aspect 19. The method of any one of aspects 14 to 18, wherein the liquid fuel supply comprises a methanol reservoir for supplying methanol and a water supply for supplying water and mixing the water with the methanol at a mixing point upstream of the vaporizer, the water supply for the supply of water reused from the combustor exhaust gas, the water supply being part of a recycle loop from the mix point, through the evaporator, through the reformer, through the anode side of the fuel cell, through the combustor, through the condenser, and back to the mix point is, the method comprising feeding water and methanol to the mixing point, and evaporating the mixture of water and methanol in an evaporator, feeding the vaporized mixture as fuel in the reformer and catalytically converting the fuel to synthesis gas, feeding the synthesis gas into the anode side of the fuel cell and generating off-gas, feeding the off-gas to the combustor and combusting the off-gas to become combustor off-gas, feeding the combustor off-gas to a condenser and condensing water from the combustor off-gas, feeding the condensate of the water back to the mixing point to complete the cycle to repeat.

Aspekt 20. Verfahren nach Aspekt 19, wobei das Verfahren das Hinzufügen von Wasser vom Auslass der Kathodenseite der Brennstoffzelle zum Recyclingkreislauf umfasst.Aspect 20. The method of aspect 19, wherein the method comprises adding water from the outlet of the cathode side of the fuel cell to the recycle loop.

Aspekt 21. Verfahren nach einem der Aspekte 14 bis 20, wobei das Brennstoffzellensystem einen weiteren Wärmetauscher zur Übertragung thermischer Energie vom Kühlmittel auf Luft stromaufwärts vor dem Brenner umfasst und das Verfahren eine Erhöhung der Temperatur der Luft vor dem Eintritt in die Brennerkammer durch das Kühlmittel umfasst, um die Energieeffizienz des Brennstoffzellensystems zu erhöhen.Aspect 21. The method of any one of aspects 14 to 20, wherein the fuel cell system includes a further heat exchanger for transferring thermal energy from the coolant to air upstream of the combustor, and the method includes increasing the temperature of the air prior to entry into the combustor chamber by the coolant to increase the energy efficiency of the fuel cell system.

Figurenlistecharacter list

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlicher erläutert, wobei

  • 1 ein Beispiel eines Brennstoffzellensystems darstellt;
  • 2a eine alternative Ausführungsform mit einem Ventil darstellt, bei dem sich die kompakte Brenner/Reformer-Einheit im stationären Betrieb befindet;
  • 2b die alternative Ausführungsform im Startzustand darstellt;
  • 3 ein Flussdiagramm für das Brennstoffzellensystem darstellt;
  • 4a, 4b, 4c und 4d alternative Ausführungsformen mit versetzten Brennerabgaskanälen veranschaulichen;
  • 5a eine beispielhafte kompakte Brenner/Reformer-Einheit mit einem Reformer zeigt, der eine wendelförmige Strömungsführung in perspektivischer Ansicht umfasst;
  • 5b eine Querschnittslinienzeichnung des Reformers mit der wendelförmigen Strömungsführung zeigt.
The invention will be explained in more detail with reference to the drawing, in which
  • 1 Figure 12 illustrates an example of a fuel cell system;
  • 2a Figure 12 shows an alternative embodiment with a valve in which the compact burner/reformer unit is in steady state operation;
  • 2 B Figure 12 shows the alternative embodiment in the starting state;
  • 3 Figure 12 illustrates a flowchart for the fuel cell system;
  • 4a , 4b , 4c and 4d illustrate alternative embodiments with offset burner exhaust passages;
  • 5a Figure 12 shows an exemplary compact combustor/reformer unit with a reformer incorporating a helical flow guide in perspective view;
  • 5b Figure 12 shows a cross-sectional line drawing of the reformer with the helical flow guide.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG / BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGDETAILED DESCRIPTION / PREFERRED EMBODIMENT

1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1 mit einer Brennstoffzelle 16, typischerweise einem Brennstoffzellenstapel, und einer Brenner/Reformer-Einheit 10, die einen Brenner 7 und einen Reformer 6 umfasst. Der Brenner 7 umfasst eine Brennerkammer 7a zur Erzeugung von Brennerabgas mit thermischer Energie zum Erhitzen des Reformers 6. Innerhalb der Brennerkammer 7a ist typischerweise ein Brennerkatalysator vorgesehen, der jedoch der Einfachheit halber in 1 und 2 nicht gezeigt ist. 1 shows a fuel cell system 1 with a fuel cell 16, typically a fuel cell stack, and a burner/reformer unit 10, which comprises a burner 7 and a reformer 6. The burner 7 comprises a burner chamber 7a for generating burner exhaust gas with thermal energy for heating the reformer 6. A burner catalyst is typically provided inside the burner chamber 7a, but for the sake of simplicity in 1 and 2 is not shown.

Beispielsweise ist der Brenner 7 zwischen zwei Schichten einer Wärmetauschkammer 10b angeordnet, in der sich der Reformer 6 befindet.For example, the burner 7 is arranged between two layers of a heat exchange chamber 10b in which the reformer 6 is located.

Alternativ hat der Brenner 7 eine zylindrische Form und ist von einer zylindrischen rohrförmigen Wärmetauschkammer 10a umgeben, die als hohles Rohr mit einem inneren Hohlraum und einem ringförmigen Querschnitt ausgebildet ist. Insbesondere ist die zylindrische Konfiguration kompakt, was vorteilhaft ist, wenn sie in einem Automobil verwendet wird, in dem wenig Platz vorhanden ist.Alternatively, the burner 7 has a cylindrical shape and is surrounded by a cylindrical tubular heat exchange chamber 10a formed as a hollow tube with an internal cavity and an annular cross-section. In particular, the cylindrical configuration is compact, which is advantageous when used in an automobile where space is limited.

Der zylindrische Reformer 6 ist innerhalb der Reformerwände 6b vorgesehen, die eine innere zylindrische Wand 6c umfasst und eine äußere zylindrische Wand 6d, die koaxial zu der inneren zylindrischen Wand 6c ist.The cylindrical reformer 6 is provided inside the reformer walls 6b, which includes an inner cylindrical wall 6c and an outer one cylindrical wall 6d coaxial with the inner cylindrical wall 6c.

Ein Lufteinlass 31 sorgt für einen Luftstrom 32 in die Brennerkammer 7a. Durch den Abgaseinlass 3 und den Einspritzverteiler 4 tritt das Abgas 3a von der Anode der Brennstoffzelle 16 in die Brennerkammer 7a ein und wird als Brennstoff im Brenner 7 verwendet, da das Abgas Brennstoffreste enthält auch nach der Reaktion in der Brennstoffzelle 16. Das Brennerabgas 13a aus der Verbrennung in der Brennerkammer 7a strömt in die Wärmetauschkammer 10a.An air inlet 31 provides air flow 32 into the combustion chamber 7a. Through the exhaust gas inlet 3 and the injection manifold 4, the exhaust gas 3a from the anode of the fuel cell 16 enters the combustor chamber 7a and is used as fuel in the burner 7, since the exhaust gas contains fuel residues even after the reaction in the fuel cell 16. The burner exhaust gas 13a out of combustion in the combustion chamber 7a flows into the heat exchange chamber 10a.

Da das Brennerabgas 13a erhebliche Wärme enthält, erwärmt es die Außenseiten der Wände 6b des Reformers 6, indem es an diesen entlang strömt. Aufgrund von Leitung thermischer Energie durch die Wände 6b, typischerweise Metallwände, wird die thermische Energie aus dem Brennerabgas 13a auf den Katalysator 6a in dem von den Reformerwänden 6b umschlossenen Raum übertragen.Since the burner exhaust gas 13a contains considerable heat, it heats the outsides of the walls 6b of the reformer 6 by flowing along them. Due to conduction of thermal energy through the walls 6b, typically metal walls, the thermal energy from the burner exhaust gas 13a is transferred to the catalyst 6a in the space enclosed by the reformer walls 6b.

Der erhitzte Katalysator 6a in dem Reformer 6 erhält eine Mischung aus Wasser und Methanol von einem dem Mischpunkt 38 nachgelagertem Verdampfer 28, dem Wasser von einer Dosierzufuhr 19 und Methanol über ein Methanol-Dosierventil 20 zugeführt wird. Die Mischung tritt durch den Einlass 24a an einem ersten Ende 40a des zylindrischen Reformers 6 in den Reformer 6 ein.The heated catalyst 6a in the reformer 6 receives a mixture of water and methanol from an evaporator 28 downstream of the mixing point 38 to which water is supplied from a metering feed 19 and methanol via a methanol metering valve 20 . The mixture enters the reformer 6 through the inlet 24a at a first end 40a of the cylindrical reformer 6 .

In dem Reformer 6 wird die Mischung zu Synthesegas katalysiert, das den Reformer 6 durch einen Auslass 24b an einem zweiten Ende 40b des zylindrischen Reformers 6 verlässt, von dem aus es in die Anode der Brennstoffzelle 16 eingespeist wird. Die Kathode wird mit Luft von einem Kompressor 17 zur Versorgung von Sauerstoff gespeist.In the reformer 6 the mixture is catalyzed into synthesis gas which exits the reformer 6 through an outlet 24b at a second end 40b of the cylindrical reformer 6 from which it is fed to the anode of the fuel cell 16 . The cathode is supplied with air from a compressor 17 to supply oxygen.

Wie es in 1 illustriert ist, liegen die Wände 7b der Brennerkammer 7a nicht an den Reformerwänden 6b an, insbesondere nicht an der Innenwand 6c des Reformers 6, sondem es ist ein Raum 10b dazwischen vorgesehen, der isoliert und die direkte Wärmeleitung von den Brennerkammerwänden 7b zu den Reformerwänden 6b verhindert. Dies verhindert vorteilhafterweise eine Überhitzung des Reformers 6.like it in 1 is illustrated, the walls 7b of the combustion chamber 7a do not lie against the reformer walls 6b, in particular not against the inner wall 6c of the reformer 6, but there is a space 10b between them which isolates and direct heat conduction from the combustion chamber walls 7b to the reformer walls 6b prevented. This advantageously prevents overheating of the reformer 6.

Im Gegensatz zum Stand der Technik hat der Reformer 6 keine zweite Stufe, die das Reformergas in einen Gegenstrom zum ersten Ende 40a des zylindrischen Reformers 6 umleitet. Stattdessen ist die gemittelte Reformerströmung von einem ersten Ende 40a zu einem zweiten Ende 40b des Reformers 6 einwegig, wie durch einen Pfeil angezeigt.In contrast to the prior art, the reformer 6 does not have a second stage which diverts the reformed gas into a counterflow to the first end 40a of the cylindrical reformer 6 . Instead, the averaged reformer flow is one way from a first end 40a to a second end 40b of the reformer 6 as indicated by an arrow.

Das Brennerabgas 13a innerhalb des Brenners 7 hat eine Richtung zum zweiten Reformerende 40b und tritt dann durch einen Brennerabgaskanal 12 an der Trennwand 52 in die Wärmetauschkammer 10a ein.The burner exhaust gas 13a inside the burner 7 has a direction towards the second reformer end 40b and then enters the heat exchange chamber 10a through a burner exhaust gas channel 12 at the partition wall 52 .

Die Trennwand 52 ist am zweiten Ende 40b des Reformers vorgesehen und ist ununterbrochen und erstreckt sich über die Hohlkammer, die die Brennerkammer 7a enthält und die durch die Innenwand 6c begrenzt ist. Die Trennwand 52 trennt den Brenner 7 und den stromaufwärtigen Teil der Wärmetauschkammer 10a von dem Brennerabgas-Auslasskanal 9 und von der Brennerabgaskammer 13, so dass die einzige Möglichkeit des Brennerabgases die Brennerabgaskammer 13 zu erreichen darin besteht, um den Reformer herum zu fließen 6. Wie in 1 beispielhafterweise dargestellt, befindet sich das stromaufwärtige Ende der Wärmetauschkammer 10a ungefähr am stromabwärtigen zweiten Ende 40b des Reformers 6.The partition wall 52 is provided at the second end 40b of the reformer and is continuous and extends across the hollow chamber containing the combustion chamber 7a and defined by the inner wall 6c. The partition wall 52 separates the burner 7 and the upstream part of the heat exchange chamber 10a from the burner exhaust gas outlet duct 9 and from the burner exhaust chamber 13, so that the only way for the burner exhaust gas to reach the burner exhaust chamber 13 is to flow around the reformer 6. How in 1 shown by way of example, the upstream end of the heat exchange chamber 10a is located approximately at the downstream second end 40b of the reformer 6.

Wenn das Brennerabgas 13a durch den Brennerabgaskanal 12 am Ende der Brennerkammer 7a in die Wärmetauschkammer 10a eintritt, ändert es die Richtung in eine entgegengesetzt gerichtete Gegenströmung in der Wärmetauschkammer 10a zum ersten Ende 40a des Reformers 6 hin und entlang der inneren zylindrischen Wand 6c, die im Vergleich zu der Strömung in der Brennerkammer 7a und der Richtung des Reformergases in dem Reformer 6 entgegengesetzt ist. Beim Erreichen des ersten Endes 40a strömt das Brennerabgas 13a um das erste Ende 40a des Reformers 6 herum und ändert innerhalb des Gehäuses 39 erneut die Richtung in eine Strömung entlang der äußeren Zylinderwand 6d des Reformers 6 parallel und in der gleichen Richtung wie die Strömung in der Brennerkammer 7a und dem Reformer 6.When the burner exhaust gas 13a enters the heat exchange chamber 10a through the burner exhaust gas duct 12 at the end of the burner chamber 7a, it changes direction to an oppositely directed counterflow in the heat exchange chamber 10a towards the first end 40a of the reformer 6 and along the inner cylindrical wall 6c, which is in the Compared to the flow in the combustion chamber 7a and the direction of the reformed gas in the reformer 6 is opposite. Upon reaching the first end 40a, the combustor exhaust gas 13a flows around the first end 40a of the reformer 6 and again changes direction within the casing 39 to flow along the outer cylinder wall 6d of the reformer 6 parallel and in the same direction as the flow in the Combustion chamber 7a and the reformer 6.

Nach der Übertragung thermischer Energie vom Brennerabgas 13a zum Reformer 6 verlässt das Brennerabgas 13a nach Erreichen des zweiten Endes 40b des Reformers 6 die Wärmetauschkammer 10a am zweiten Ende 40b durch den Brennerabgaskanal 9 in die Brennerabgaskammer 13.After the transfer of thermal energy from the burner exhaust gas 13a to the reformer 6, the burner exhaust gas 13a, after reaching the second end 40b of the reformer 6, leaves the heat exchange chamber 10a at the second end 40b through the burner exhaust gas duct 9 into the burner exhaust gas chamber 13.

Der Vorteil dieser Konfiguration ist die Wärmeübertragung für die katalytische Reaktion im Reformer 6 nicht nur von der inneren zylindrischen Wand 6c, sondern auch von der äußeren zylindrischen Wand 6d, wodurch die Reaktion im Inneren des Reformers 6 von beiden Seiten gleichmäßiger erwärmt werden kann, selbst wenn der Reformer einen relativ großen Durchmesser hat. Wenn nur die innere zylindrische Wand 6c oder nur die äußere zylindrische Wand 6d erwärmt wird, ist die Wärmeübertragung nicht optimal.The advantage of this configuration is the heat transfer for the catalytic reaction in the reformer 6 not only from the inner cylindrical wall 6c but also from the outer cylindrical wall 6d, which allows the reaction inside the reformer 6 to be heated more evenly from both sides even if the reformer has a relatively large diameter. If only the inner cylindrical wall 6c or only the outer cylindrical wall 6d is heated, the heat transfer is not optimal.

In Konfigurationen des Standes der Technik, in denen nur eine Seite des Reformers erwärmt wird, wurde versucht, den Mangel an ausreichender Wärme zu verbessern, indem die Wände des Brenners durch eine wendelförmige Wandstruktur in den Reformer hinein verlängert wurden. Dieses Prinzip des Standes der Technik führt jedoch mit sich, dass die Wand des Brenners die Wärme durch Wärmeleitung durch die Metallwände in den Reformer leitet. Dies erfordert, dass der Brenner nur bei mäßiger Hitze verwendet wird, da die Wärmeübertragung ansonsten zu aggressiv ist. Die Folge davon im Stand der Technik ist, dass der Brenner nicht mit hoher Effizienz verwendet werden kann, so dass ein sauberes Verbrennen verhindert wird. In der Erfindung wurde dieser Nachteil überwunden.Prior art configurations in which only one side of the reformer is heated attempted to overcome the lack of sufficient To improve heat by extending the walls of the combustor into the reformer through a helical wall structure. However, this principle of the prior art entails that the wall of the combustor conducts the heat through the metal walls into the reformer by conduction. This requires the burner to be used only at moderate heat, otherwise the heat transfer will be too aggressive. The consequence of this in the prior art is that the burner cannot be used with high efficiency, so that clean burning is prevented. In the invention, this disadvantage has been overcome.

Alles in allem im Vergleich zwischen den dargestellten Ausführungsformen und dem Stand der Technik bewirkt die indirekte Wärmeübertragung durch die Strömung des an den Reformerwänden 6b entlang fließenden Brennerabgases 13a eine moderatere Erwärmung als die Wärmeübertragung direkt durch die Metallwände von den Brennerwänden 7b zu den Reformerwänden 6b, während gleichzeitig eine große und optimierte Gesamtwärmemenge bereitgestellt wird, da die Wärme sowohl auf die innere zylindrische Wand 6c als auch auf die äußere zylindrische Wand 6d übertragen wird.All in all, in comparison between the illustrated embodiments and the prior art, the indirect heat transfer through the flow of the burner exhaust gas 13a flowing along the reformer walls 6b causes a more moderate heating than the heat transfer directly through the metal walls from the burner walls 7b to the reformer walls 6b, while at the same time a large and optimized total amount of heat is provided, since the heat is transferred to both the inner cylindrical wall 6c and the outer cylindrical wall 6d.

Optional wird Strahlungsenergie vom Brenner 7 durch die Brennerwände 7b hinzugefügt, um die Effizienz zu erhöhen.Optionally, radiant energy from burner 7 is added through burner walls 7b to increase efficiency.

Optional erhält das gekühlte Kühlmittel im Kühlkreislauf 22 stromaufwärts der Brennstoffzelle 16 weitere thermische Energie aus dem Brennerabgas 13a durch Wärmeübertragung in dem der Brennerabgaskammer 13 nachgelagerten Wärmetauscher 14.Optionally, the cooled coolant in the cooling circuit 22 upstream of the fuel cell 16 receives further thermal energy from the burner exhaust gas 13a through heat transfer in the heat exchanger 14 downstream of the burner exhaust gas chamber 13.

Von der Kathode der Brennstoffzelle 16 tritt über die Verbindung 33 Luft- und Wasserdampf in die Brennerabgaskammer 13 ein und mischen sich mit dem Brennerabgas 13a, bevor sie den Wärmetauscher 14 zur Übertragung thermischer Energie auf das Kühlmittel im Kühlkreislauf 22 erreichen, durch die die Kühlflüssigkeit mit der Pumpe 15 gepumpt wird.From the cathode of the fuel cell 16, air and water vapor enter the burner exhaust gas chamber 13 via the connection 33 and mix with the burner exhaust gas 13a before they reach the heat exchanger 14 for the transfer of thermal energy to the coolant in the cooling circuit 22, through which the cooling liquid with of the pump 15 is pumped.

Nach Abkühlen der Brennstoffzelle 16 durch Aufnahme weiterer thermische Energie aus der Brennstoffzelle 16 tritt das Kühlmittel in einen weiteren Wärmetauscher 18 ein, durch den Wärme zum Erhitzen anderer Komponenten, beispielsweise der Batterie im Fahrzeug oder in der Kabine, verwendet wird.After cooling the fuel cell 16 by absorbing further thermal energy from the fuel cell 16, the coolant enters another heat exchanger 18, through which heat is used to heat other components, such as the battery in the vehicle or in the cabin.

Typische Temperaturen in Celsius für einen HTPEM-Brennstoffzellenstapel im stationären Betrieb:

  • Brennstoffzelle: 170 Grad Celsius
  • Kühlflüssigkeit: 160 Grad Celsius
  • Katalysator im Reformer: 280 Grad Celsius
  • Brennerabgas: 350-400 Grad Celsius
Typical temperatures in Celsius for a HTPEM fuel cell stack in steady-state operation:
  • Fuel cell: 170 degrees Celsius
  • Coolant: 160 degrees Celsius
  • Catalyst in the reformer: 280 degrees Celsius
  • Burner exhaust: 350-400 degrees Celsius

Optional kann in Startsituationen derselbe Brenner 7 als anfänglicher Aufheizbrenner verwendet werden. In diesem Fall wird Methanol von einem entsprechenden Methanol-Dosierventil 21 durch einen Methanoleinlass 2 aufgenommen und durch die Methanol-Einspritzdüse 5 in die Brennerkammer 7a eingespritzt. Für das Verbrennen, typischerweise katalytisches Verbrennen durch einen Brennerkatalysator, tritt Luft 32 durch den Lufteinlass 31 ein.Optionally, in start-up situations, the same burner 7 can be used as the initial heat-up burner. In this case, methanol is received by a corresponding methanol metering valve 21 through a methanol inlet 2 and injected through the methanol injection nozzle 5 into the combustor chamber 7a. Air 32 enters through air inlet 31 for combustion, typically catalytic combustion by a combustor catalyst.

Das Brennerabgas überträgt die höchste Wärmemenge an die innere zylindrische Wand 6c an der Stelle, wo das Brennerabgas 13a aus der Brennerkammer 7a austritt und sich der Reformerwand 6b nähert. Nach und nach wird die Temperatur des Brennerabgases 13a verringert, während es der inneren zylindrischen Wand 6c entlang zum ersten Ende 40a strömt. Dies bedeutet jedoch nicht notwendigerweise, dass die innere zylindrische Wand 6c am ersten Ende 40a die niedrigste Gesamtwärmemenge erhält. Dies ist so, weil Strahlungsenergie von der Brennerwand 7b zu der inneren zylindrischen Wand 11 c hinzugefügt wird, insbesondere am ersten Ende 40a, da die Temperatur in der Brennerkammer 7a an der Düse 5 am höchsten ist.The combustor exhaust transfers the greatest amount of heat to the inner cylindrical wall 6c at the point where the combustor exhaust 13a exits the combustor chamber 7a and approaches the reformer wall 6b. Gradually, the temperature of the burner exhaust gas 13a is lowered as it flows along the inner cylindrical wall 6c toward the first end 40a. However, this does not necessarily mean that the inner cylindrical wall 6c at the first end 40a receives the lowest total amount of heat. This is because radiant energy is added from the combustor wall 7b to the inner cylindrical wall 11c, particularly at the first end 40a, since the temperature in the combustor chamber 7a is highest at the nozzle 5.

Eine Weiterentwicklung ist in 2a und 2b dargestellt, wobei die Letztere zur leichteren Veranschaulichung nur einen Teil des Brennstoffzellensystems zeigt. Besondere Aufmerksamkeit wird auf das Bypassventil 8 mit einem Verschlusselement 8a gelenkt, das durch einen Aktuator 11 geregelt wird und das verwendet wird, um das Brennerabgas 13a in die Brennerabgaskammer 13 so zu leiten, dass der Reformer 6 in Startsituationen umgangen wird.A further development is in 2a and 2 B shown, the latter showing only part of the fuel cell system for ease of illustration. Particular attention is drawn to the bypass valve 8 with a shutter element 8a controlled by an actuator 11 and used to direct the burner exhaust gas 13a into the burner exhaust chamber 13 so that the reformer 6 is bypassed in start-up situations.

Das System in 2a zeigt eine ähnliche Situation wie das System in 1, da das Ventil 8 geschlossen ist und die Trennwand 52 ersetzt. In dieser Ausführungsform zeigt 2a die Konfiguration während des stationären Betriebs, und 2b zeigt eine Startsituation.The system inside 2a shows a similar situation as the system in 1 , since the valve 8 is closed, replacing the partition 52. In this embodiment shows 2a the configuration during stationary operation, and 2 B shows a starting situation.

Wie in 2b dargestellt, ist das Verschlusselement 8a des Bypassventils 8 in eine Konfiguration gebracht, in der das Verschlusselement 8a vom Ventilsitz 8b zurückgezogen ist und das Bypassventil 8 vollständig geöffnet ist, so dass die Brennerkammer 7a mit der Brennerabgaskammer 13 verbunden, damit das Brennerabgas 13a von der Brennerkammer 7a zur Brennerabgaskammer 13 fließt, während die Wärmetauschkammer 10a, die den Reformer 6 enthält, umgangen wird.As in 2 B As shown, the closure member 8a of the bypass valve 8 is placed in a configuration in which the closure member 8a is retracted from the valve seat 8b and the bypass valve 8 is fully opened so that the combustor chamber 7a communicates with the combustor exhaust chamber 13 so that the combustor exhaust gas 13a from the combustor chamber 7a to the burner exhaust chamber 13 while bypassing the heat exchange chamber 10a containing the reformer 6.

In der Startsituation wird Methanol 2a durch einen Methanoleinlass 2 aufgenommen und durch die Methanoleinspritzdüse 5 in die Brennerkammer 7a eingespritzt. Für das Verbrennen, typischerweise katalytische Verbrennen durch einen Brennerkatalysator, tritt Luft 32 durch den Lufteinlass 31 ein.In the starting situation, methanol 2a is received through a methanol inlet 2 and injected through the methanol injection nozzle 5 into the combustor chamber 7a. Air 32 enters through air inlet 31 for combustion, typically catalytic combustion by a combustor catalyst.

Wie dargestellt und diskutiert, liegen die Brennerwände 7b nicht an den Reformerwänden 6b an, sondern es ist ein isolierender Raum 10b dazwischen vorgesehen, der eine direkte Wärmeleitung von den Brennerkammerwänden 7b zu den Reformerwänden 6b verhindert. Optional kann, um den Reformer 6 weiter vor der Wärme des Brenners 7 zu schützen, ein Bypass-Luftstrom 42A durch die Luft-Bypass-Öffnung 42 hergestellt werden, wodurch ein Luftstrom 42A vom Lufteinlass 31 und entlang der Außenseite der Brennerkammer 7a in dem isolierenden Raum 10b zwischen den Brennerwänden 7b und der inneren Reformerwand 6b erzeugt wird. Der Luftstrom 42A isoliert den Reformer 6 nicht nur weiter von den heißen Brennerwänden 7b der Brennerkammer 7, sondern entzieht den Reformerwänden 6b möglicherweise auch Wärme. In der dargestellten Ausführungsform verlässt der Bypass-Luftstrom 42A die Wärmetauschkammer 10a durch das Ventil 8 und verbindet sich mit dem Brennerabgas 13a in der Brennerabgaskammer 13. Optional kann die Bypass-Öffnung zur Regulierung des Bypass-Luftstroms geschlossen werden.As illustrated and discussed, the burner walls 7b do not abut the reformer walls 6b, but there is an insulating space 10b therebetween which prevents direct heat conduction from the burner chamber walls 7b to the reformer walls 6b. Optionally, to further protect the reformer 6 from the heat of the combustor 7, a bypass airflow 42A can be established through the air bypass opening 42, allowing airflow 42A from the air inlet 31 and along the outside of the combustor chamber 7a into the insulating Space 10b is generated between the burner walls 7b and the inner reformer wall 6b. The airflow 42A not only further isolates the reformer 6 from the hot combustor walls 7b of the combustor chamber 7, but also potentially extracts heat from the reformer walls 6b. In the illustrated embodiment, the bypass airflow 42A exits the heat exchange chamber 10a through the valve 8 and joins the burner exhaust gas 13a in the burner exhaust chamber 13. Optionally, the bypass opening can be closed to regulate the bypass airflow.

Optional ist es möglich, das Bypassventil 8 nur teilweise zu öffnen, wobei in diesem Fall das Verschlusselement 8a nur geringfügig vom Ventilsitz 8b zurückgezogen wird. In diesem Fall strömt ein Teil des Brennerabgases 13a durch die Wärmetauschkammer 10a und ein anderer Teil durch das Bypassventil 8. Dies ist nützlich, um die Temperatur des Reformers 6 und seines Katalysators 6a einzustellen und gleichzeitig eine Überhitzung zu verhindern. Beispielsweise ist in einer Startsituation das Bypassventil 8 anfänglich vollständig geöffnet, um die Brennstoffzelle 16 aggressiv und schnell zu erwärmen, gefolgt von einem teilweisen Schließen des Bypassventils 8, um den Reformer allmählich und sanft zu erwärmen, bis eine ausreichend hohe Temperatur erreicht ist, bei dem die Komponenten in einen normalen stationären Brennstoffzellenbetrieb übergehen und das Bypassventil 8 geschlossen wird.It is optionally possible to only partially open the bypass valve 8, in which case the closure element 8a is only slightly pulled back from the valve seat 8b. In this case, part of the burner exhaust gas 13a flows through the heat exchange chamber 10a and another part through the bypass valve 8. This is useful for adjusting the temperature of the reformer 6 and its catalyst 6a while preventing overheating. For example, in a start-up situation, the bypass valve 8 is initially fully open to aggressively and rapidly heat the fuel cell 16, followed by a partial closing of the bypass valve 8 to gradually and gently heat the reformer until a sufficiently high temperature is reached at which the components go into normal stationary fuel cell operation and the bypass valve 8 is closed.

Grundsätzlich ist es möglich, das Bypassventil 8 auch während des stationären Betriebs des Brennstoffzellensystems zur Regelung und Optimierung, zum Beispiel kontinuierlichen Regelung und Optimierung, der Wärmeübertragung auf den Reformer 6 zu verwenden.In principle it is possible to use the bypass valve 8 also during stationary operation of the fuel cell system for controlling and optimizing, for example continuous controlling and optimizing, the heat transfer to the reformer 6 .

3 zeigt einige der Strömungen durch das Brennstoffzellensystem. Aus dem Methanoltank 23 fließt Methanol 2a durch das Methanol-Dosierventil 20, um am Mischpunkt 38 mit Wasser aus der Wasserversorgung 19 gemischt zu werden. Nach dem Verdampfen im Verdampfer 28 stromabwärts des Mischpunktes 38 wird das verdampfte Luft/Methanol-Gemisch durch den Einlass 24a in den Reformer 6 zur katalytischen Umwandlung in Synthesegas eingespeist, das dann den Reformer 6 durch den Auslass 24b verlässt und in die Anodenseite der Brennstoffzelle 16 eingespeist wird. 3 shows some of the flows through the fuel cell system. From the methanol tank 23, methanol 2a flows through the methanol metering valve 20 to be mixed with water from the water supply 19 at the mixing point 38. After vaporization in vaporizer 28 downstream of mixing point 38, the vaporized air/methanol mixture is fed through inlet 24a into reformer 6 for catalytic conversion to synthesis gas, which then exits reformer 6 through outlet 24b and into the anode side of fuel cell 16 is fed.

Nach der katalytischen Reaktion in der Brennstoffzelle zur Erzeugung von Elektrizität tritt das teilweise umgewandelte Synthesegas aus der Anodenseite der Brennstoffzelle als Abgas aus, welches durch den Abgaseinlass des Brenners in die Brennerkammer 7a eintritt und als Brennstoff im Brenner 7 verwendet wird. Luft wird dem Brenner 7 durch den Lufteinlass 31 zugeführt.After the catalytic reaction in the fuel cell to produce electricity, the partially converted synthesis gas exits the anode side of the fuel cell as exhaust gas, which enters the combustor chamber 7a through the combustor exhaust gas inlet and is used as fuel in the combustor 7 . Air is supplied to the burner 7 through the air inlet 31 .

Es wird nun auf 3 Bezug genommen. Wenn das Ventil 8 geöffnet ist, wie in 1 dargestellt, verlässt das katalytisch umgewandelte Synthesegas/Luft-Gemisch in der Brennerkammer 7a den Brenner als Brennerabgas 13a durch das Ventil 8 in die Brennerabgaskammer 13 und, wie in 3 dargestellt, mischt sich mit Wasserdampf und verbleibender Luft von der Kathode am Mischpunkt 33. Die heiße Mischung verlässt die Brennerabgaskammer 13 und überträgt Wärme im Wärmetauscher 14 auf die Flüssigkeit im Kühlkreislauf 22. Der Dampf wird dann im Kondensator 27 kondensiert und das Wasser zum Mischen mit Methanol 2a am Mischpunkt 38 zurückgeführt, bevor es in den Reformer 6 eintritt.It will now open 3 referenced. When valve 8 is open, as in 1 shown, the catalytically converted synthesis gas/air mixture in the burner chamber 7a leaves the burner as burner exhaust gas 13a through the valve 8 into the burner exhaust gas chamber 13 and, as in FIG 3 shown, mixes with water vapor and remaining air from the cathode at mixing point 33. The hot mixture exits the burner exhaust chamber 13 and transfers heat in heat exchanger 14 to the liquid in cooling circuit 22. The vapor is then condensed in condenser 27 and the water is mixed with it Methanol 2a recycled at mixing point 38 before entering reformer 6.

Wenn das Ventil 8 geöffnet ist, findet aufgrund des Widerstands in der Strömung durch die Wärmetauschkammer 10a nur ein sehr kleiner Teil des Brennerabgases seinen Weg um den Reformer 6 herum. Wenn jedoch das Ventil 8 geschlossen ist, wie in 2 dargestellt, wird das Brennerabgas vom Brenner 7a in die Wärmetauschkammer 10a und um den Reformer 6 gedrückt und verlässt den Reformer 6 durch den Auslasskanal 9 in die Brennerabgaskammer 13. In jeder Zwischenposition des Ventils 8 zwischen vollständig geschlossen und offen strömt ein entsprechender Teil des Brennerabgases durch die Wärmetauschkammer 10a und verlässt den Reformer 6, und ein anderer Teil verlässt den Brenner 7a in die Brennerabgaskammer 13.When the valve 8 is open, only a very small part of the burner exhaust gas finds its way around the reformer 6 due to the resistance in the flow through the heat exchange chamber 10a. However, if the valve 8 is closed, as in 2 As shown, the burner exhaust gas is forced from the burner 7a into the heat exchange chamber 10a and around the reformer 6 and exits the reformer 6 through the outlet duct 9 into the burner exhaust chamber 13. In each intermediate position of the valve 8 between fully closed and open, a corresponding portion of the burner exhaust gas flows through the heat exchange chamber 10a and exits the reformer 6, and another part exits the burner 7a into the burner exhaust chamber 13.

Es ist zu beachten, dass in dem dargestellten Beispiel von 3 der Dampf von der Kathode sowie das Brennerabgas 13a entweder direkt vom Brenner oder nach Wärmeübertragung zum Reformer 6 zurückgeführt und am Mischpunkt 38 stromabwärts des Kondensators 27 mit Methanol gemischt wird, um anschließend Synthesegas zu erzeugen. Dies impliziert, dass der Wasserkreislauf für die Brennstoffzelle ein geschlossener Kreislauf ist.It should be noted that in the illustrated example of 3 the vapor from the cathode as well as the burner exhaust gas 13a is returned to the reformer 6 either directly from the burner or after heat transfer and is mixed with methanol at the mixing point 38 downstream of the condenser 27 to subsequently produce synthesis gas. This implies that the water circuit for the fuel cell is a closed circuit.

In dem primären Kühlkreislauf 22 wird ein Brennstoffzellenkühler (FC-Kühler) zum Einstellen der Temperatur des Kühlmittels verwendet, das von der Kühlmittelpumpe 15 gepumpt wird.In the primary cooling circuit 22 , a fuel cell cooler (FC cooler) is used for adjusting the temperature of the coolant pumped by the coolant pump 15 .

Optional ist ein sekundärer Kühlkreislauf 35 bis zum Kühler 26 vorgesehen, um die Temperatur anderer Geräte einzustellen, beispielsweise zum Heizen und/oder Kühlen der Batterien 37 in einem Fahrzeug oder zum Heizen einer Kabine eines Fahrzeugs. Wie dargestellt, ist zu Heiz- oder Kühlzwecken ein Wärmetauscher 18 zur thermischen Energieübertragung zwischen dem primären Kühlkreislauf 22 und dem sekundären Kühlkreislauf 35 vorgesehen. Die Wärme von dem Kühlmittel in dem sekundären Kühlkreislauf 35, das von der Pumpe 36 gepumpt wird, wird durch einen entsprechenden Wärmetauscher 18 übertragen, um die Batterie 37 auf einer vorteilhaften festen Temperatur zu halten, beispielsweise während des Starts erwärmt und während des stationärer Betrieb gekühlt.Optionally, a secondary cooling circuit 35 is provided up to the radiator 26 to adjust the temperature of other devices, for example for heating and/or cooling the batteries 37 in a vehicle or for heating a cabin of a vehicle. As shown, a heat exchanger 18 is provided for thermal energy transfer between the primary cooling circuit 22 and the secondary cooling circuit 35 for heating or cooling purposes. The heat from the coolant in the secondary cooling circuit 35 pumped by the pump 36 is transferred through an appropriate heat exchanger 18 to maintain the battery 37 at a favorable fixed temperature, e.g. heated during start-up and cooled during steady-state operation .

Optional tauscht ein weiterer Kühlkreislauf thermische Energie mit dem Primärkühlkreislauf 22 über einen weiteren Wärmetauscher 18a aus, beispielsweise zur Kabinenheizung in einem Fahrzeug.Optionally, a further cooling circuit exchanges thermal energy with the primary cooling circuit 22 via a further heat exchanger 18a, for example for cabin heating in a vehicle.

Ein dem Brenner 7 vorgelagerter Wärmetauscher 30 wird zum Vorwärmen von Luft vor dem Eintritt in den Brenner 7 verwendet, was von Vorteil ist, um die Anlaufgeschwindigkeit zu erhöhen und auch um die Effektivität des Brenners 7 zu erhöhen. Luft wird auch in einem anderen der Kathodenseite der Brennstoffzelle 16 nachgelagertem Wärmetauscher 29 erwärmt, um eine Temperatureinstellung der Luft vom Kompressor 17 zu erreichen.A heat exchanger 30 upstream of the burner 7 is used to preheat air before it enters the burner 7, which is advantageous in order to increase the start-up speed and also to increase the burner 7's effectiveness. Air is also heated in another heat exchanger 29 downstream of the cathode side of the fuel cell 16 to achieve temperature adjustment of the air from the compressor 17 .

In Bezug auf 1 und 2a kann die Wärmemenge, die am zweiten Reformerende 40b vom direkten Brennergas abgegeben wird, relativ zu der Wärmemenge, die am ersten Ende 40a durch die Kombination von Brennerabgas und Strahlungswärme von der Brennerwand 7b am ersten Ende 40a geliefert wird, mit einer Konfiguration wie sie in Verbindung mit 4 erläutert wird, besser eingestellt werden.In relation to 1 and 2a For example, the amount of heat delivered at the reformer second end 40b from the direct combustor gas relative to the amount of heat delivered at the first end 40a by the combination of combustor exhaust gas and radiant heat from the combustor wall 7b at the first end 40a with a configuration such as that described in connection with 4 is explained, can be adjusted better.

In diesem Fall ist der Brennerabgaskanal 12 für das Brennerabgas 13a aus der Brennerkammer 7a als eine Anzahl Öffnungen 12' in der zylindrischen Brennerwand 7b in einem Abstand 45 zum zweiten Ende 40b des Reformers 6 vorgesehen, so dass das Brennerabgas 13a in die Wärmetauschkammer 10a im Abstand zum zweiten Ende 40b des Reformers 6 eintritt. Abhängig von der genauen Konfiguration wird der Abstand 45 angepasst. Auch die Erstreckung 46 des Brennerabgaskanals 12 entlang der Mittelachse des Reformers 6 kann zur Optimierung eingestellt werden.In this case, the burner exhaust gas duct 12 for the burner exhaust gas 13a from the burner chamber 7a is provided as a number of openings 12' in the cylindrical burner wall 7b at a distance 45 from the second end 40b of the reformer 6, so that the burner exhaust gas 13a enters the heat exchange chamber 10a at a distance to the second end 40b of the reformer 6 enters. Depending on the exact configuration, the distance 45 will be adjusted. The extension 46 of the burner exhaust gas duct 12 along the central axis of the reformer 6 can also be adjusted for optimization.

Alternativ zu einer Anzahl von Öffnungen könnte eine einzelne Öffnung 12' in dem Brennerabgaskanal verwendet werden, beispielsweise eine Schlitzöffnung, die sich über einen Abstand 46 erstreckt, der entlang der Zylinderachse gemessen wird. Zum Beispiel ist die einzelne Öffnung ein wendelförmiger Schlitz. Der Abstand 45 wird dann ähnlich wie für die Öffnung gemessen, nämlich von der Position der Öffnung, die dem zweiten Ende am nächsten liegt, gemessen entlang der Mittelachse des Reformers 6.As an alternative to a number of orifices, a single orifice 12' in the burner exhaust duct could be used, such as a slotted orifice extending a distance 46 measured along the cylinder axis. For example, the single opening is a helical slot. The distance 45 is then measured similarly as for the orifice, namely from the position of the orifice closest to the second end, measured along the central axis of the reformer 6.

Als weitere Alternative können mehrere Zonen mit Öffnungen 12', die als Brennerabgaskanal 12 wirken, zur Optimierung zwischen dem ersten Ende 40a und dem zweiten Ende 40b angeordnet werden. Ein Beispiel, bei dem der Brennerabgaskanal 12 durch einen beabstandeten weiteren Brennerabgaskanal 12A ergänzt wird, ist in 4d dargestellt.As a further alternative, multiple zones of openings 12' that act as burner exhaust passage 12 may be placed between first end 40a and second end 40b for optimization. An example in which the burner exhaust gas channel 12 is supplemented by a further spaced-apart burner exhaust gas channel 12A is shown in FIG 4d shown.

In der beispielhaften Darstellung von 4a ist die Brennerendwand 7c am zweiten Ende 40b des Reformers 6 vorgesehen und in der Trennwand 52 integriert. Dies muss jedoch nicht der Fall sein, wie in 4b dargestellt, wo die Endwand 7c des Brenners 7 im Abstand zur Trennwand 52 am zweiten Ende 40b des Reformers 6 ist.In the exemplary representation of 4a the burner end wall 7c is provided at the second end 40b of the reformer 6 and is integrated in the partition wall 52. However, this need not be the case, as in 4b shown where the end wall 7c of the combustor 7 is spaced from the bulkhead 52 at the second end 40b of the reformer 6.

Optional ist die Brennerendwand 7c am Ende des Brennerabgaskanals 12 vorgesehen, wie in 4c. Beispielsweise bildet die Brennerendwand 7c das Ende des Brennerabgaskanals 12.Optionally, the burner end wall 7c is provided at the end of the burner exhaust gas duct 12, as shown in FIG 4c . For example, the burner end wall 7c forms the end of the burner exhaust gas duct 12.

Es ist zu beachten, dass die Brennerkammer 7a sowie der Raum 10b abgedichtet und von dem Brennerabgaskanal 9 getrennt sind, so dass das Brennerabgas 13a um den Reformer 6 am vorderen Ende 40a und durch den weiteren Raum 10c zwischen der äußeren zylindrischen Wand und dem Gehäuse 39 strömen muss, bevor es durch den Brennerabgaskanal 9 in die Brennerabgaskammer 13 strömt.It should be noted that the combustor chamber 7a as well as the space 10b are sealed and separated from the burner exhaust duct 9 so that the burner exhaust gas 13a flows around the reformer 6 at the front end 40a and through the further space 10c between the outer cylindrical wall and the housing 39 must flow before it flows through the burner exhaust channel 9 into the burner exhaust chamber 13.

Die Konfigurationen, bei denen der Brennerabgaskanal 12 vom zweiten Ende 40b des Reformers 6 versetzt ist, können jedoch mit der Ausführungsform von 2 mit dem Ventil 8 kombiniert werden.However, the configurations in which the burner exhaust passage 12 is offset from the second end 40b of the reformer 6 can be used with the embodiment of FIG 2 be combined with the valve 8.

Ein Beispiel einer Brenner/Reformer-Einheit ist in 5a gezeigt in einer schattierten halbtransparenten Darstellung und in einer gestrichelten Zeichnung in 5b. Der Einspritzverteiler 4 ist nicht dargestellt, ist jedoch gegebenenfalls dem von 1 und 2 ähnlich und wird in der Brennerkammer 7a eingesetzt. In der Brennerkammer 7a ist typischerweise auch ein Brenner-Katalysator vorgesehen, beispielsweise in Form eines Granulats, das jedoch der Einfachheit halber nicht gezeigt ist.An example of a burner/reformer unit is in 5a shown in a shaded semi-transparent representation and in a dashed drawing in 5b . The injection manifold 4 is not shown, but may be that of FIG 1 and 2 similar and is used in the combustion chamber 7a. A burner catalyst is typically also provided in the burner chamber 7a, for example in the form of granules, which, however, are not shown for the sake of simplicity.

Innerhalb des Reformers 6 zwingt eine wendelförmige Strömungsführung 44 das Reformergas in eine wendelförmige Bewegung im Reformer 6 zwischen der inneren zylindrischen Wand 6c und der äußeren zylindrischen Wand 6d. Es ist zu beachten, dass die gemittelte Strömungsrichtung des Gases innerhalb des Reformers trotz der helikalen Bewegung des Gases vom Einlass 24a zum Auslass 24b unidirektional ist.Within the reformer 6, a helical flow guide 44 forces the reformer gas to helically move within the reformer 6 between the inner cylindrical wall 6c and the outer cylindrical wall 6d. It should be noted that the average flow direction of the gas within the reformer is unidirectional despite the helical motion of the gas from inlet 24a to outlet 24b.

Wie es detaillierter in 5b dargestellt ist, tritt das Brennerabgas 13a im Brenner 7 aus der Brennerkammer 7a durch den Brennerabgaskanal 12 aus, die in der beispielhaften Darstellung aus mehreren Öffnungen 12' besteht, die über eine Länge 46 des Brennerabgaskanals 12 verteilt sind, die ein Bruchteil der Gesamtlänge L des Reformers 6, beispielsweise im Bereich von 5% bis 50%, ausmacht.As it is more detailed in 5b is shown, the burner exhaust gas 13a in the burner 7 exits the burner chamber 7a through the burner exhaust gas duct 12, which in the exemplary illustration consists of a plurality of openings 12' distributed over a length 46 of the burner exhaust gas duct 12, which is a fraction of the total length L of the Reformers 6, for example in the range from 5% to 50%.

Der Brennerabgaskanal 12 ist in einem Abstand 45 vom zweiten Ende 40b des Reformers 6 vorgesehen, wobei der Abstand 25 typischerweise in der Größenordnung von 10 bis 60% von L liegt.The burner exhaust duct 12 is provided a distance 45 from the second end 40b of the reformer 6, the distance 25 being typically in the order of 10 to 60% of L .

Die Gesamtlänge 45+46 ist typischerweise weniger als 80% von L und typischerweise größer als 15% von L.Overall length 45+46 is typically less than 80% of L and typically greater than 15% of L.

Wenn das Brennerabgas 13a die Brennerkammer 7a durch den Brennerabgaskanal 12 verlassen hat, bewegt sich das Brennerabgas 13a in der Wärmetauschkammer 10a in dem Raum 10b zwischen der Außenseite der Brennerwand 7b und der inneren zylindrischen Wand 6c der Reformer 6. Während das Brennerabgas 13a entlang der inneren zylindrischen Wand 6c des Reformers 6 fließt, überträgt es Wärme an die innere zylindrische Wand 6c und nimmt auch neue Wärme von der zylindrischen heißen Brennerwand 7b auf. Des Weiteren wird Strahlungsenergie von der Brennerwand 7b auf die innere zylindrische Wand 6c des Reformers 6 übertragen. Dementsprechend ist die Wärmeübertragung zwischen dem Brenner 7 und dem Reformer 6 komplex.When the burner exhaust gas 13a has left the burner chamber 7a through the burner exhaust channel 12, the burner exhaust gas 13a moves in the heat exchange chamber 10a in the space 10b between the outside of the burner wall 7b and the inner cylindrical wall 6c of the reformer 6. While the burner exhaust gas 13a travels along the inner cylindrical wall 6c of the reformer 6, it transfers heat to the inner cylindrical wall 6c and also absorbs new heat from the hot burner cylindrical wall 7b. Furthermore, radiant energy is transmitted from the burner wall 7b to the inner cylindrical wall 6c of the reformer 6. Accordingly, the heat transfer between the burner 7 and the reformer 6 is complex.

Das Brennerabgas 13a in der Wärmetauschkammer 10a in dem Raum 10b zwischen der Außenseite der Brennerwand 7b und der inneren zylindrischen Wand 6c des Reformers 6 strömt zum ersten Ende 40a des Reformers 6 und ändert die Richtung in der ringförmigen Brennerabgas-Vorderendkammer 50 und fließt in der Wärmetauschkammer 10a weiter in Richtung des zweiten Endes 40b des Reformers 6 in dem weiteren Raum 10c zwischen dem Gehäuse 39 und der äußeren zylindrischen Wand 6d des Reformers 6. Am zweiten Ende 40b des Reformers 6 strömt das Brennerabgas 13a durch den Brennerabgas-Auslasskanal 9 zur Brennerabgaskammer 13.The burner exhaust gas 13a in the heat exchange chamber 10a in the space 10b between the outside of the burner wall 7b and the inner cylindrical wall 6c of the reformer 6 flows to the first end 40a of the reformer 6 and changes direction in the annular burner exhaust gas front-end chamber 50 and flows in the heat exchange chamber 10a further in the direction of the second end 40b of the reformer 6 in the further space 10c between the housing 39 and the outer cylindrical wall 6d of the reformer 6. At the second end 40b of the reformer 6, the burner exhaust gas 13a flows through the burner exhaust gas outlet channel 9 to the burner exhaust gas chamber 13 .

Eine Sonde 47 wird verwendet, um die Temperatur in dem Reformer 6 zu überwachen, und eine andere Sonde 48 wird verwendet, um die Abgastemperatur 13a in dem Brenner 7 zu überwachen.A probe 47 is used to monitor the temperature in the reformer 6 and another probe 48 is used to monitor the exhaust gas temperature 13a in the combustor 7.

Mögliche beispielhafte Abmessungen sind wie folgt:

  • - Reformerdurchmesser: 50-200 mm
  • - Reformerlänge: 300-1000 mm
  • - Brennerdurchmesser: 20-40% des Reformerdurchmessers
  • - Breite der Wärmetauschkammer 10a: 1-4 mm
  • - Dicke der Wände des Brenners und / oder der Wände des Reformers: 05-1,5 mm (typischerweise Metall)
Possible example dimensions are as follows:
  • - Reformer diameter: 50-200 mm
  • - Reformer length: 300-1000 mm
  • - Burner diameter: 20-40% of the reformer diameter
  • - Width of the heat exchange chamber 10a: 1-4 mm
  • - Thickness of the walls of the burner and / or the walls of the reformer: 05-1.5 mm (typically metal)

Die Ausführungsform von 5 umfasst ein Zusammenspiel verschiedener Faktoren, nämlich:

  • - einen Raum 10b zwischen der Brennerwand 7b und der inneren zylindrischen Wand 6c des Reformers 6;
  • - eine Wärmetauschkammer 10a in dem Raum 10b zwischen der Brennerwand 7b und der inneren zylindrischen Wand 6c des Reformers 6 zum Abströmen des Brennerabgases 13a entlang der inneren zylindrischen Wand 6c;
  • - Verlängerung der Wärmetauschkammer 10a um das erste Ende 40a des Reformers 6 und zur äußeren zylindrischen Wand 6d des Reformers 6 in den weiteren Raum 10c zwischen der äußeren zylindrischen Wand 6d und dem Gehäuse 39;
  • - Bereitstellung des Brennerabgaskanals 12, wo das Brennerabgas die Brennerkammer 7a verlässt, wobei der Brennerabgaskanal 12 zwischen dem ersten und dem zweiten Ende 40a, 40b des Reformers 6 und im Abstand zum zweiten Ende 40b vorgesehen ist, wenn entlang der Mittelachse 43 des Reformers 6 gemessen wird;
  • - eine wendelförmige Strömungsführung 44 innerhalb des Reformers 6.
The embodiment of 5 comprises a combination of various factors, namely:
  • - a space 10b between the burner wall 7b and the inner cylindrical wall 6c of the reformer 6;
  • - a heat exchange chamber 10a in the space 10b between the burner wall 7b and the inner cylindrical wall 6c of the reformer 6 for outflow of the burner exhaust gas 13a along the inner cylindrical wall 6c;
  • - Extension of the heat exchange chamber 10a around the first end 40a of the reformer 6 and to the outer cylindrical wall 6d of the reformer 6 into the further space 10c between the outer cylindrical wall 6d and the housing 39;
  • providing the burner exhaust duct 12 where the burner exhaust exits the burner chamber 7a, the burner exhaust duct 12 being provided between the first and second ends 40a, 40b of the reformer 6 and spaced from the second end 40b when measured along the central axis 43 of the reformer 6 becomes;
  • - a helical flow guide 44 within the reformer 6.

Der Raum 10b zwischen der Brennerwand 7b und der inneren zylindrischen Wand 6c des Reformers 6 verhindert eine Überhitzung des Reformers 6 durch den Brenner 7. Es muss jedoch noch sichergestellt werden, dass ausreichend thermische Energie vom Brenner 7 zum Reformer 6 übertragen wird. Dies ist insbesondere so im Fall der wendelförmigen Strömungsführung 44, die den Strömungsweg des Reformergases innerhalb des Reformers 6 verlängert. Die wendelförmige Strömungsführung 44 ist vorteilhaft, da sie die Effektivität der Umwandlung erhöht, während der Reformer 6 kompakt gehalten bleibt, andererseits jedoch einen Bedarf an mehr thermischer Energie mit sich führt als eine gerade Strecke vom ersten Ende 40a zum zweiten Ende 40b des Reformers. Um die Übertragung thermischer Energie ohne Überhitzung zu erhöhen, wird das Brennerabgas 13a sowohl entlang der inneren zylindrischen Wand 6c als auch der äußeren zylindrischen Wand 6d geführt, wodurch eine Übertragung thermischer Energie von beiden Seiten des hohlen zylindrischen Reformers erreicht wird. Während der einwegigen Strecke vom Einlass 24a zum Auslass 24b wird das Gas im Inneren des Reformers 6 von beiden Seiten erwärmt. Des Weiteren kann das Temperaturprofil optimiert werden, indem der Brennerabgaskanal 12 zwischen dem ersten und dem zweiten Ende 40a, 40b des Reformers 6 und im Abstand zum zweiten Ende 40b positioniert wird. Durch diese Einstellung der Position des Brennerabgaskanals 12 und gegebenenfalls durch eine oder mehrere weitere Brennerabgaskanäle kann mehr thermische Energie im stromaufwärtigen Teil des Reformers 6 in der Nähe des ersten Endes 40a zugeführt werden, wo die Anforderungen nach thermischer Energie am höchsten sind, während am zweiten Ende 40b des Reformers 6 weniger thermische Energie zugeführt wird, wo der Energiebedarf geringer ist, da das meiste Gas bereits umgewandelt wurde. Die Energieversorgung am ersten Ende muss jedoch der Strahlungsenergie von den Brennerwänden 7b angeglichen werden, da diese auch am ersten Ende am höchsten ist, wo sich der Brennerverteiler befindet ist und wo die Brennreaktion beginnt. Dementsprechend haben die verschiedenen Faktoren eine enge Wechselwirkung und führen zu einem synergistischen Effekt in Bezug auf Optimierung.The space 10b between the burner wall 7b and the inner cylindrical wall 6c of the reformer 6 prevents the reformer 6 from being overheated by the burner 7. However, it must still be ensured that sufficient thermal energy is transferred from the burner 7 to the reformer 6. This is particularly so in the case of the helical flow guide 44 which lengthens the flow path of the reformer gas within the reformer 6. The helical flow guide 44 is advantageous because it increases the efficiency of the conversion while keeping the reformer 6 compact, but on the other hand there is a need for more thermal energy as a straight line from the first end 40a to the second end 40b of the reformer. In order to increase thermal energy transfer without overheating, the combustor exhaust gas 13a is guided along both the inner cylindrical wall 6c and the outer cylindrical wall 6d, thereby achieving thermal energy transfer from both sides of the hollow cylindrical reformer. During the one-way route from the inlet 24a to the outlet 24b, the gas inside the reformer 6 is heated from both sides. Furthermore, the temperature profile can be optimized by positioning the burner exhaust duct 12 between the first and second ends 40a, 40b of the reformer 6 and at a distance from the second end 40b. By adjusting the position of the burner exhaust duct 12 and optionally one or more further burner exhaust ducts, more thermal energy can be supplied in the upstream part of the reformer 6 near the first end 40a, where the thermal energy requirements are highest, while at the second end 40b of the reformer 6 less thermal energy is supplied where the energy demand is lower since most of the gas has already been converted. However, the energy supply at the first end must be matched to the radiant energy from the burner walls 7b as this is also highest at the first end where the burner manifold is located and where the combustion reaction begins. Accordingly, the various factors interact closely and lead to a synergistic effect in terms of optimization.

Selbst wenn sie einzeln in Brenner/Reformersystemen verwendet werden, beispielsweise in Brenner/Reformersystemen im Stand der Technik, können diese Faktoren auch Verbesserungen bewirken, obwohl sie nicht gemeinsam mit allen anderen oben genannten Faktoren verwendet werden.Even when used individually in burner/reformer systems, such as in prior art burner/reformer systems, these factors can also produce improvements even though they are not used in conjunction with all of the other factors mentioned above.

BezugszeichenlisteReference List

1)1)
Brennstoffzellensystemfuel cell system
2)2)
Methanoleinlass für Brenner 7Methanol inlet for burner 7
2a)2a)
Methanolströmung vom Methanoleinlass 2 zur Kammer 7aMethanol flow from methanol inlet 2 to chamber 7a
3)3)
Einlass des Brenners für Abgas von der Anode der Brennstoffzelle 16Burner inlet for exhaust gas from fuel cell anode 16
4)4)
Einspritzverteiler zum Einspritzen von Gas oder Brennstoff in den Brenner 7Injection manifold for injecting gas or fuel into the burner 7
5)5)
Methanol-Einspritzdüsemethanol injector
6)6)
Reformerreformer
6a)6a)
Katalysator in Reformer 6 für Methanol zu Wasserstoff, wobei Methanol zu Wasserstoff reformiert wirdCatalyst in methanol to hydrogen reformer 6, wherein methanol is reformed to hydrogen
6b)6b)
Reformerwandreformer wall
6c)6c)
zylindrische Innenwand des Reformerscylindrical inner wall of the reformer
6d)6d)
zylindrische äußere Wand des Reformers 6cylindrical outer wall of the reformer 6
7)7)
Brennerburner
7a)7a)
Brennerkammercombustion chamber
7b)7b)
Brennerwändeburner walls
7c)7c)
Brennerendwandburner end wall
8)8th)
Bypassventilbypass valve
8a)8a)
Verschlusselement des Bypassventils 8Bypass valve locking element 8
9)9)
Brennerabgas-AuslasskanalBurner exhaust outlet duct
10)10)
Brenner /Reformer-EinheitBurner/reformer unit
10a)10a)
Wärmetauschkammer zwischen Brennerwänden 7b und innerer Reformerwand 6cHeat exchange chamber between burner walls 7b and inner reformer wall 6c
10b)10b)
Raum zwischen Brennerwänden 7b und innerer Reformerwand 6cSpace between burner walls 7b and inner reformer wall 6c
10c)10c)
Weiterer Raum zwischen Gehäuse 43 und äußerer Reformerwand 6dAdditional space between the housing 43 and the outer reformer wall 6d
11)11)
Stellantrieb für Bypassventil 8Bypass valve actuator 8
12)12)
Abgaskanal von der Brennerkammer 7a in die Wärmetauschkammer 10aExhaust duct from the combustion chamber 7a into the heat exchange chamber 10a
12')12')
Öffnungen im Abgaskanal 12Openings in the exhaust duct 12
12A)12A)
Weiterer GaskanalAnother gas channel
13)13)
Brennerabgaskammerburner exhaust chamber
13a)13a)
Brennerabgasburner exhaust
14)14)
Wärmetauscher zum Wärmetausch zwischen Brennerabgas 13a und Kühlkreislauf 22Heat exchanger for heat exchange between burner exhaust gas 13a and cooling circuit 22
15)15)
Umwälzpumpe für Flüssigkeit im Kühlkreislauf 2Circulation pump for liquid in the cooling circuit 2
16)16)
Brennstoffzellefuel cell
17)17)
Luftkompressorair compressor
18)18)
Zusatzwärmetauscher zum Beispiel zum Heizen der BatterieAdditional heat exchanger for heating the battery, for example
18a)18a)
Zusatzwärmetauscher zum Beispiel zum Heizen der Kabine oder anderer GeräteAdditional heat exchanger for heating the cabin or other equipment, for example
19)19)
Wasserdosierungsversorgung für ReformerWater dosing supply for reformers
20)20)
Methanol-Dosierventil für ReformerMethanol metering valve for reformers
21)21)
Methanol-Dosierventil für Startbrenner 20Methanol metering valve for starting burner 20
22)22)
Primärkühlkreislauf für BrennstoffzellePrimary cooling circuit for fuel cell
23)23)
Methanoltankmethanol tank
24a)24a)
Reformereinlass für Methanol/Wasser-Gemisch zur SynthesegasherstellungReformer inlet for methanol/water mixture for synthesis gas production
24b)24b)
Reformerausgang für SynthesegasSyngas reformer outlet
25)25)
Kühlkreislaufkühlercooling circuit cooler
26)26)
Batteriekühlerbattery cooler
27)27)
Kondensatorcapacitor
28)28)
Verdampfer zum Verdampfen von Methanol/Wasser-Gemisch für ReformerEvaporator for evaporating methanol/water mixture for reformers
29)29)
Wärmetauscher zum Vorwärmen der Luft für die KathodeHeat exchanger to preheat the air for the cathode
30)30)
Wärmetauscher zum Vorheizen der Luft für den Brenner 7Heat exchanger for preheating the air for the burner 7
31)31)
Lufteinlass für Brenner 7Air inlet for burner 7
32)32)
Luftstrom vom Lufteinlass 31 zur Brennerkammer 7aAir flow from air inlet 31 to burner chamber 7a
33)33)
Anschluss zum Mischen von Luft und Dampf von der Kathode mit Brennerabgas 13aPort for mixing air and vapor from cathode with burner exhaust 13a
34)34)
Expansionsbehälterexpansion tank
35)35)
Sekundärkühlkreislauf für Batterie 37 und andere ZweckeSecondary cooling circuit for battery 37 and other purposes
36)36)
Pumpe für Batteriekühlkreislauf 35Battery cooling circuit pump 35
37)37)
Batteriebattery
38)38)
Mischpunkt für Methanol und WasserMixing point for methanol and water
39)39)
GehäuseHousing
40a)40a)
Erstes Ende des Reformers 6First end of the reformer 6
40b)40b)
zweites Ende des Reformers 6second end of reformer 6
42)42)
Bypass-Öffnung (optional)Bypass opening (optional)
42A)42A)
Bypass-Luftstrombypass airflow
42)42)
Verdampfer für Methanol und Wasser mischenMix evaporator for methanol and water
43)43)
Mittelachse des Reformers 6Central axis of the reformer 6
44)44)
Wendelförmige StrömungsführungHelical flow guidance
45)45)
Abstand von dem Brennerabgaskanal 12, 12' zum zweiten Ende 40b des Reformers 6Distance from the burner exhaust gas duct 12, 12' to the second end 40b of the reformer 6
46)46)
Weite des Brennerabgaskanals 12, 12'Width of the burner exhaust gas channel 12, 12'
47)47)
Sensorsonde im Reformer 6Sensor probe in the reformer 6
48)48)
Sensorsonde im Brenner 7Sensor probe in burner 7
49)49)
Länge L des Reformers 6Length L of the reformer 6
50)50)
Abgas-VorderendkammerExhaust front end chamber
52)52)
Trennwand, die den Raum 10c der Wärmetauschkammer 10a von der Brennerabgas-Auslasskanal 9 trenntPartition wall separating the space 10c of the heat exchange chamber 10a from the burner exhaust gas outlet duct 9

Claims (13)

Eine Brenner/Reformer-Einheit (10) für ein Brennstoffzellensystem (1); wobei die Brenner/Reformer-Einheit (10) einen Reformer (6) mit einem Katalysator (6a) umfasst zur katalytischen Umwandlung von Brennstoffdampf in Synthesegas für eine Brennstoffzelle (16), ein Gehäuse (39) umschließend um den Reformer (6) herum, und einen Brenner (7) zur Übertragung von thermischer Energie an den Reformer (6) zum Erhitzen des Katalysators (6a); wobei der Reformer (6) eine Innenwand (6c) und eine äußere Wand (6d) umfasst, zwischen denen sich der Katalysator (6a) befindet und von denen der Katalysator umschlossen ist; wobei der Brenner (7) zum Erzeugen von Brennerabgas (13a) durch Verbrennen von Anodenabgas oder Brennstoff oder beidem konfiguriert ist und eine rohrförmige Brennerwand (7b) umfasst, wobei die Innenwand (6c) des Reformers (6) die Brennerwand (7b) umschließt und von der Brennerwand (7b) beabstandet ist, wodurch ein Raum (10b) zwischen der Innenwand (6c) und der Brennerwand (7b) geschaffen wird, wobei die Brennerkammer (7a) durch einen Brennerabgaskanal (12) in Fluidströmungsverbindung mit dem Raum steht (10b); wobei das Gehäuse (39) den Reformer (6) umschließt, wobei ein weiterer Raum (10c) zwischen der äußeren Wand (6d) des Reformers (6) und dem Gehäuse (39) geschaffen wird; wobei der Raum (10b) und der weitere Raum (10c) am ersten Ende (40a) durch eine verbindende Vorderendkammer (50) miteinander verbunden sind; wobei die Brenner/Reformer-Einheit (10) für Strömung von Brennerabgas (13a) von der Brennerkammer (7a) durch den Brennerabgaskanal (12) in den Raum (10b) und dann entlang der zylindrischen Innenwand (6c) zum ersten Ende (40a) des Reformers (6) ohne Wiedereintritt in die Brennerkammer (7a) konfiguriert ist zur Wärmeübertragung vom Brennerabgas (13a) zur Innenwand (6c) zur Erwärmung des Katalysators (6a) durch Wärmeleitung durch die Innenwand (6c), und des Weiteren für Strömung des Brennerabgases (13a) vom erstem Ende (40) des Reformers (6) durch die Vorderendkammer (50) in den weiteren Raum (10c) und aus der Brenner/Reformer-Einheit (10) durch einen Brennerabgas-Auslasskanal (9) konfiguriert ist, wobei der Reformer (6) einen Einlass (24a) für Brennstoffdampf am ersten Ende (40a) und einen Auslass (24b) für Synthesegas am zweiten Ende (40b) und eine im Durchschnitt unidirektional vom ersten Ende (40a) zum zweiten Ende (40b) verlaufende Reformerströmungsrichtung aufweist, und dass die Strömungsrichtung des Brennerabgases im Raum (10b) entgegen der Reformerströmungsrichtung ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand (6c) und die äußere Wand (6d) zylindrisch sind und einen Hohlzylinder mit einer Mittelachse (43) und einer Reformerlänge L bilden, wenn diese in einer Richtung entlang der Mittelachse (43) gemessen wird, wobei der Hohlzylinder ein erstes Ende (40a) und ein zweites Ende (40b) umfasst, wobei das erste Ende einen Abstand entsprechend der Reformerlänge L vom zweiten Ende (40b) hat; wobei die Brenner/Reformer Einheit (10) dazu konfiguriert ist, dass Brennerabgas (13a) im weiteren Raum (10c) entlang der Außenseite der äußeren Wand (6d) fließt zur Wärmeübertragung vom Brennerabgas (13a) zum Katalysator (6a) durch die äußere Wand (6d) für die katalytische Reaktion im Reformer (6).A burner/reformer unit (10) for a fuel cell system (1); wherein the burner/reformer unit (10) comprises a reformer (6) with a catalyst (6a) for the catalytic conversion of fuel vapor into synthesis gas for a fuel cell (16), a housing (39) enclosing the reformer (6), and a burner (7) for transferring thermal energy to the reformer (6) to heat the catalyst (6a); wherein the reformer (6) comprises an inner wall (6c) and an outer wall (6d) between which the catalyst (6a) is located and by which the catalyst is enclosed; wherein the combustor (7) is configured to generate combustor exhaust gas (13a) by burning anode exhaust gas or fuel or both and comprises a tubular combustor wall (7b), the inner wall (6c) of the reformer (6) enclosing the combustor wall (7b) and is spaced from the burner wall (7b), thereby creating a space (10b) between the inner wall (6c) and the burner wall (7b), the burner chamber (7a) being in fluid flow communication with the space (10b ); the casing (39) enclosing the reformer (6) with a further space (10c) being created between the outer wall (6d) of the reformer (6) and the casing (39); the space (10b) and the further space (10c) being connected to each other at the first end (40a) by a connecting front-end chamber (50); the burner/reformer unit (10) for flow of burner exhaust gas (13a) from the burner chamber (7a) through the burner exhaust duct (12) into the space (10b) and then along the cylindrical inner wall (6c) to the first end (40a) of the reformer (6) without re-entering the combustor chamber (7a) is configured for heat transfer from the combustor exhaust gas (13a) to the inner wall (6c) for heating the catalyst (6a) by conduction of heat through the internal wall (6c), and further for flow of the combustor exhaust gas (13a) from the first end (40) of the reformer (6) through the front-end chamber (50) into the further space (10c) and out of the burner/reformer unit (10) through a burner exhaust gas outlet duct (9), wherein the reformer (6) has a fuel vapor inlet (24a) at the first end (40a) and a syngas outlet (24b) at the second end (40b) and an average unidirectional running from the first end (40a) to the second end (40b). Has reformer flow direction, and that the flow direction of the burner exhaust gas in the space (10b) is opposite to the reformer flow direction; characterized in that the inner wall (6c) and the outer wall (6d) are cylindrical and a hollow cylinder with a center axis (43) and a reformer length L when measured in a direction along the central axis (43), the hollow cylinder comprising a first end (40a) and a second end (40b), the first end having a distance corresponding to the has reformer length L from the second end (40b); wherein the burner/reformer unit (10) is configured such that burner exhaust gas (13a) flows in the further space (10c) along the outside of the outer wall (6d) for heat transfer from the burner exhaust gas (13a) to the catalyst (6a) through the outer wall (6d) for the catalytic reaction in the reformer (6). Eine Brenner/Reformer-Einheit (10) nach Anspruch 1, wobei der Brennerabgaskanal (12) für die Strömung von Brennerabgas von der Brennerkammer (7a) in den Raum (10b) hinein einen ersten Kanalabstand (45) vom zweiten Ende (40b) hat, wobei der erste Kanalabstand (45) im Bereich von 10% bis 50% der Reformerlänge L liegt, wobei der erste Kanalabstand entlang der Mittelachse (43) gemessen wird .A burner/reformer unit (10) after claim 1 , wherein the burner exhaust gas channel (12) for the flow of burner exhaust gas from the burner chamber (7a) into the space (10b) has a first channel spacing (45) from the second end (40b), the first channel spacing (45) being in the range of 10 % to 50% of the reformer length L, the first channel spacing being measured along the central axis (43). Eine Brenner/Reformer-Einheit (10) nach Anspruch 2, wobei sich der Brennerabgaskanal (12) zum Strömen von Brennerabgas von der Brennerkammer (7a) in den Raum (10b) hinein über eine erste Kanallänge (46) erstreckt im Bereich von 5% - 60% der Reformerlänge L, wobei die erste Kanallänge (46) entlang der Mittelachse (43) in Verlängerung des ersten Kanalabstands (45) und in Richtung Brenner (7) gemessen wird.A burner/reformer unit (10) after claim 2 , wherein the burner exhaust gas channel (12) for the flow of burner exhaust gas from the burner chamber (7a) into the space (10b) extends over a first channel length (46) in the range of 5% - 60% of the reformer length L, the first channel length ( 46) is measured along the central axis (43) in extension of the first channel spacing (45) and in the direction of the burner (7). Eine Brenner/Reformer-Einheit (10) nach Anspruch 3, wobei die Summe des ersten Kanalabstands (45) und der ersten Kanallänge (46) im Bereich von 25% bis 80% von L liegt.A burner/reformer unit (10) after claim 3 , wherein the sum of the first channel spacing (45) and the first channel length (46) is in the range of 25% to 80% of L. Eine Brenner/Reformer-Einheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Brennerabgaskanal (12) als eine erste Gruppe von Öffnungen (12') in der Brennerkammer vorgesehen ist.A combustor/reformer unit (10) as claimed in any preceding claim, wherein the combustor exhaust duct (12) is provided as a first set of openings (12') in the combustor chamber. Eine Brenner/Reformer-Einheit (10) nach Anspruch 5, wobei ein weiterer Brennerabgaskanal (12A) als eine zweite Gruppe von Öffnungen (12') in der Brennerkammer (7a) vorgesehen ist; wobei der weitere Brennerabgaskanal (12A) sich näher am ersten Ende (40 A) befindet als der Brennerabgaskanal (12); wobei benachbarte Öffnungen (12') in der ersten Gruppe einem ersten Abstand zueinander haben; und wobei ein Gruppenabstand zwischen der ersten und der zweiten Gruppe mindestens das 10-fache des ersten Abstands beträgt; und wobei der weitere Brennerabgaskanal (12A) eine andere Gesamtströmungsfläche aufweist als der Brennerabgaskanal (12).A burner/reformer unit (10) after claim 5 wherein another burner exhaust passage (12A) is provided as a second group of openings (12') in the burner chamber (7a); the further burner exhaust duct (12A) being closer to the first end (40A) than the burner exhaust duct (12); wherein adjacent openings (12') in the first group are spaced a first distance from each other; and wherein a group spacing between the first and second groups is at least 10 times the first spacing; and wherein the further burner exhaust passage (12A) has a different total flow area than the burner exhaust passage (12). Eine Brenner/Reformer-Einheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Brenner (7) einen Einspritzverteiler (4) zum Einspritzen von Gas oder Brennstoff in den Brenner (7) umfasst, wobei der Einspritzverteiler (4) im Inneren der Brennerkammer (7a) näher am ersten Ende (40a) des Reformers als am zweiten Ende (40b) vorgesehen ist, um dem Reformer (6) hauptsächlich am ersten Ende (40a) Strahlungsenergie zuzuführen.A combustor/reformer unit (10) as claimed in any preceding claim, wherein the combustor (7) includes an injection manifold (4) for injecting gas or fuel into the combustor (7), the injection manifold (4) being inside the combustor chamber (7a) closer to the first end (40a) of the reformer than to the second end (40b) to supply radiant energy to the reformer (6) mainly at the first end (40a). Eine Brenner/Reformer-Einheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Trennwand (52) zwischen der Brennerkammer (7a) und dem Brennerabgas-Auslasskanal (9) und zwischen dem Raum (10b) und dem Brennerabgas-Auslasskanal (9) vorgesehen ist, um zu verhindern, dass das Brennerabgas (13a) den Reformer (6) umgeht, und um stattdessen das Brennerabgas (13a) dazu zu zwingen, in den Raum (10b) und den weiteren Raum (10c) zu strömen.A burner/reformer unit (10) according to any one of the preceding claims, wherein a partition wall (52) between the burner chamber (7a) and the burner exhaust gas outlet duct (9) and between the space (10b) and the burner exhaust gas outlet duct (9) is provided to prevent the burner exhaust gas (13a) from bypassing the reformer (6) and instead to force the burner exhaust gas (13a) to flow into the space (10b) and the further space (10c). Eine Brenner/Reformer-Einheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Reformer (6) eine wendelförmige Strömungsführung (44) umfasst, die sich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende (40a, 40b) und zwischen der inneren und der äußeren zylindrischen Wand erstreckt (6c, 6d), wobei die wendelförmige Strömungsführung (44) einen wendelförmigen Strömungsweg durch den Reformer (6) definiert, um die Länge des Strömungsweges durch den Reformer (6) zu verlängern relativ zu einem Abstand vom ersten Ende (40a) zum zweiten Ende (40b), wenn dieser entlang der Mittelachse (43) gemessen wird, wobei der Katalysator (6a) zwischen Windungen der wendelförmigen Strömungsführung (44) vorgesehen ist.A combustor/reformer unit (10) as claimed in any preceding claim, wherein the reformer (6) includes a helical flow guide (44) extending between the first and second ends (40a, 40b) and between the inner and outer cylindrical wall (6c, 6d), the helical flow guide (44) defining a helical flow path through the reformer (6) to increase the length of the flow path through the reformer (6) relative to a distance from the first end (40a) to the second end (40b) when measured along the central axis (43), the catalyst (6a) being provided between turns of the helical flow guide (44). Eine Brenner/Reformereinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Brennstoffzellensystem ein Bypassventil (8) umfasst, das mit der Brennerkammer (7a) in Verbindung steht und zum Regulieren der Strömung des Brennerabgases (13a) zwischen den Folgenden konfiguriert ist: a) Strömung entlang der Reformerwände (6b) und b) Strömung aus der Brennerkammer (7a) heraus durch einen Brennerabgas-Auslasskanal (9), wobei die Reformerwände (6b) umgangen werden, um zu verhindern, dass sie entlang der Reformerwände (6b) fließen.A combustor/reformer unit (10) according to any one of the preceding claims, wherein the fuel cell system comprises a bypass valve (8) communicating with the combustor chamber (7a) and configured to regulate the flow of combustor exhaust gas (13a) between: a) Flow along the reformer walls (6b) and b) Flowing out of the combustor chamber (7a) through a combustor exhaust outlet duct (9), bypassing the reformer walls (6b) to prevent it from flowing along the reformer walls (6b). Verfahren zum Betreiben einer Brenner/Reformer-Einheit (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7; wobei das Verfahren folgendes umfasst: Veranlassen von Strömung von Brennerabgas (13a) von der Brennerkammer (7a) durch den Brennerabgaskanal (12) in den Raum (10b) und dann entlang der inneren zylindrischen Wand (6c) zum ersten Ende (40a) des Reformers (6), ohne erneut in die Brennerkammer (7a) einzutreten, und Wärmeübertragung vom Brennerabgas (13a) zum Katalysator (6a) durch die Innenwand (6c), und dann durch die Vorderendkammer (50) in den weiteren Raum (10c) und dann entlang der äußeren Wand (6c) bis zum zweiten Ende (40b) des Reformers (6) und Wärmeübertragung vom Brennerabgas (13a) zum Katalysator (6a) auch durch die äußere Wand (6d) für die katalytische Reaktion im Reformer (6) und aus der Brenner/Reformer-Einheit (10) heraus durch einen Brennerabgas-Auslasskanal (9), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren Folgendes umfasst: Versehen des Reformers (6) mit einem Einlass (24a) für Brennstoffdampf am ersten Ende (40a) und ein Auslass (24b) für Synthesegas am zweiten Ende (40b) und Veranlassen einer Strömungsrichtung vom Einlass (24a) zum Auslass (24b), die vom ersten Ende (40a) zum zweiten Ende (40b) im Durchschnitt unidirektional ist und einer Strömungsrichtung des Brennerabgases im Raum (10b) entgegengesetzt zur Reformerströmungsrichtung.Method for operating a burner / reformer unit (10) according to one of Claims 1 until 7 ; the method comprising: causing burner exhaust (13a) to flow from the burner chamber (7a) through the burner exhaust duct (12) into the space (10b) and then along the inner cylindrical wall (6c) to the first end (40a) of the reformer (6) without re-entering the entering the combustor chamber (7a), and heat transfer from the combustor exhaust gas (13a) to the catalyst (6a) through the inner wall (6c), and then through the front end chamber (50) into the further space (10c) and then along the outer wall (6c) to to the second end (40b) of the reformer (6) and heat transfer from the burner exhaust gas (13a) to the catalyst (6a) also through the outer wall (6d) for the catalytic reaction in the reformer (6) and out of the burner/reformer unit (10 ) out through a burner exhaust gas outlet duct (9), characterized in that the method comprises: providing the reformer (6) with an inlet (24a) for fuel vapor at the first end (40a) and an outlet (24b) for synthesis gas at the second end (40b) and causing a flow direction from the inlet (24a) to the outlet (24b) that is unidirectional on average from the first end (40a) to the second end (40b) and a flow direction of the combustor exhaust gas in the space (10b) opposite to the reformer flow direction. Verwendung einer Brenner/Reformer-Einheit (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 für ein Brennstoffzellensystem in einem Automobil.Use of a burner/reformer unit (10) according to any one of Claims 1 until 10 for a fuel cell system in an automobile. Verwendung nach Anspruch 12, wobei das Brennstoffzellensystem (1) eine HTPEM-Brennstoffzelle (16) umfasst, die zum Betrieb bei einer Temperatur im Bereich von 120 bis 200 Grad Celsius mit einem flüssigen Brennstoff konfiguriert ist, der eine Mischung aus Methanol (2a) und Wasser ist.use after claim 12 wherein the fuel cell system (1) comprises an HTPEM fuel cell (16) configured to operate at a temperature in the range of 120 to 200 degrees Celsius with a liquid fuel that is a mixture of methanol (2a) and water.
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