DE112019005805B4 - Compact combustor/reformer unit for a fuel cell system and its use and method of operating the unit - Google Patents
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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
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
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.
Wärmeübertragung durch die Wand zwischen Brenner und Reformer ist auch in KR1020060065779A und in
Schutz vor Überhitzung bietet das System der
Strömung entlang einer Seite des Reformers ist nicht optimal effizient. Das US-Patent
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
- a) Strömung entlang der Reformerwände und
- b) Strömung aus der Brennerkammer heraus durch einen Brennerabgas-Auslasskanal (9) unter Umgehung der Reformerwände zur Verhinderung der Strömung entlang der Reformerwände konfiguriert ist.
- 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
- a) Flow along the reformer walls and
- 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Aspekt 9. Brennstoffzellensystem gemäß Aspekt 8, wobei der Recyclingkreislaufs zum Hinzufügen von Wasser aus dem Auslass der Kathodenseite der Brennstoffzelle konfiguriert ist.
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.
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.
Aspekt 12. Verwendung eines Brennstoffzellensystems gemäß einem der vorhergehenden als Aspekte für ein Automobil.
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
- a) Strömung entlang der Reformerwände und
- b) Strömung aus der Brennerkammer heraus durch einen Brennerabgas-Auslasskanal (9) unter Umgehung der Reformerwände zur Verhinderung der Strömung entlang der Reformerwände konfiguriert ist;
- 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
- a) Flow along the reformer walls and
- 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 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.
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.
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.
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.
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.
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.
Aspekt 20. Verfahren nach Aspekt 19, wobei das Verfahren das Hinzufügen von Wasser vom Auslass der Kathodenseite der Brennstoffzelle zum Recyclingkreislauf umfasst.
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.
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 und4d 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.
-
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 and4d 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
Beispielsweise ist der Brenner 7 zwischen zwei Schichten einer Wärmetauschkammer 10b angeordnet, in der sich der Reformer 6 befindet.For example, the
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
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
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
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
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
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
Wie es in
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
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
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
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
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
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
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
Optional wird Strahlungsenergie vom Brenner 7 durch die Brennerwände 7b hinzugefügt, um die Effizienz zu erhöhen.Optionally, radiant energy from
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
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
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
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
- 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
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
Eine Weiterentwicklung ist in
Das System in
Wie in
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,
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
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
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
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
Es wird nun auf
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
Es ist zu beachten, dass in dem dargestellten Beispiel von
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
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
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
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
In Bezug auf
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
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
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
In der beispielhaften Darstellung von
Optional ist die Brennerendwand 7c am Ende des Brennerabgaskanals 12 vorgesehen, wie in
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
Die Konfigurationen, bei denen der Brennerabgaskanal 12 vom zweiten Ende 40b des Reformers 6 versetzt ist, können jedoch mit der Ausführungsform von
Ein Beispiel einer Brenner/Reformer-Einheit ist in
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
Wie es detaillierter in
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
Die Gesamtlänge 45+46 ist typischerweise weniger als 80% von L und typischerweise größer als 15% von 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
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
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
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)
- - 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
- -
einen Raum 10b zwischen derBrennerwand 7b und der inneren zylindrischenWand 6c desReformers 6; - -
eine Wärmetauschkammer 10a indem Raum 10b zwischen derBrennerwand 7b und der inneren zylindrischenWand 6c desReformers 6 zum Abströmen des Brennerabgases 13a entlang der inneren zylindrischenWand 6c; - -
Verlängerung der Wärmetauschkammer 10a um das ersteEnde 40a desReformers 6 und zur äußeren zylindrischenWand 6d desReformers 6 in den weiterenRaum 10c zwischen der äußeren zylindrischenWand 6dund dem Gehäuse 39; - - Bereitstellung des Brennerabgaskanals 12, wo das
Brennerabgas die Brennerkammer 7a verlässt, wobei derBrennerabgaskanal 12 zwischen dem ersten und dem zweiten Ende 40a, 40b desReformers 6 und im Abstand zum zweitenEnde 40b vorgesehen ist, wenn entlang der Mittelachse 43 desReformers 6 gemessen wird; - - eine wendelförmige Strömungsführung 44 innerhalb des
Reformers 6.
- - a
space 10b between theburner wall 7b and the innercylindrical wall 6c of thereformer 6; - - a
heat exchange chamber 10a in thespace 10b between theburner wall 7b and the innercylindrical wall 6c of thereformer 6 for outflow of theburner exhaust gas 13a along the innercylindrical wall 6c; - - Extension of the
heat exchange chamber 10a around thefirst end 40a of thereformer 6 and to the outercylindrical wall 6d of thereformer 6 into thefurther space 10c between the outercylindrical wall 6d and thehousing 39; - providing the
burner exhaust duct 12 where the burner exhaust exits theburner chamber 7a, theburner exhaust duct 12 being provided between the first and 40a, 40b of thesecond ends reformer 6 and spaced from thesecond end 40b when measured along thecentral axis 43 of thereformer 6 becomes; - - a
helical flow guide 44 within thereformer 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
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 tochamber 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 andinner reformer wall 6c - 10b)10b)
-
Raum zwischen Brennerwänden 7b und innerer Reformerwand 6cSpace between
burner walls 7b andinner reformer wall 6c - 10c)10c)
-
Weiterer Raum zwischen Gehäuse 43 und äußerer Reformerwand 6dAdditional space between the
housing 43 and theouter reformer wall 6d - 11)11)
-
Stellantrieb für Bypassventil 8
Bypass valve actuator 8 - 12)12)
-
Abgaskanal von der Brennerkammer 7a in die Wärmetauschkammer 10aExhaust duct from the
combustion chamber 7a into theheat 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 coolingcircuit 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 toburner 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 thesecond end 40b of thereformer 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 theheat exchange chamber 10a from the burner exhaustgas outlet duct 9
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| R020 | Patent grant now final |