Brennstoffzellensystem mit Reformer und Nachbrenner

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem umfassend einen Reformer mit einer Brennereinheit zur Umsetzung von Brennstoff mit Oxidationsmittel in einer exothermen Oxida- tionsreaktion, um ein Produktgas auszubilden, welches stromabwärts der Brennereinheit mit zusätzlichem Brennstoff vermischbar ist, wobei das daraus entstehende Gasgemisch im Reformer zu Reformat umsetzbar ist; einen Brennstoffzellen- stapel, welchem das Reformat zuführbar ist; und einen Nachbrenner, dem im Brennstoffzellenstapel umgesetzte Stoffe zuführbar sind, mit einer Brennereinheit zur Umsetzung von Brennstoff mit Oxidationsmittel in einer exothermen Oxida- tionsreaktion.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit solch einem Brennstoffzellensystem.

Brennstoffzellensysteme dienen der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie. Das zentrale Element bei derartigen Systemen ist eine Brennstoffzelle, bei der durch die kontrollierte Umsetzung von Wasserstoff und Sau- erstoff elektrische Energie freigesetzt wird. Brennstoffzellensysteme müssen in der Lage sein, in der Praxis übliche Brennstoffe zu verarbeiten. Da in einer Brennstoffzelle Wasserstoff und Sauerstoff umgesetzt werden, muss der verwendete Brennstoff so aufbereitet werden, dass das der Ano- de der Brennstoffzelle zugeführte Gas einen möglichst hohen Anteil an Wasserstoff besitzt - dies ist Aufgabe des Reformers . Zu diesem Zweck werden einem Reformer Brennstoff und Oxidationsmittel, vorzugsweise Luft, zugeführt. In dem Re-

former erfolgt dann eine Umsetzung des Brennstoffs mit dem Oxidationsmittel, beispielsweise indem das Verfahren der partiellen Oxidation durchgeführt wird. Ein Reformer des Standes der Technik ist aus der DE 103 59 205 Al bekannt. Um einerseits Verbrennungsabgase des Brennstoffzellensys- tems möglichst Schadstofffrei an die Umwelt abzugeben und andererseits eine Wärmequelle zum Vorwärmen verschiedener Komponenten und Medienzuführungen des Brennstoffzellensys- tems zur Verfügung zu stellen, ist ein Nachbrenner im Brennstoffzellensystem vorgesehen. Im Unterschied zum Reformer führt der Nachbrenner eine möglichst vollständige Verbrennung durch, um dadurch möglichst wenig Schadstoffe im Verbrennungsabgas zurückzulassen. Ein Nachbrenner des Standes der Technik ist aus der DE 10 2004 049 903 Al be- kannt .

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, gattungsgemäße BrennstoffZeilensysteme und Kraftfahrzeuge derart weiterzubilden, dass Kosteneinsparungen erzielbar sind.

Diese Aufgabe wird durch das Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1 gelöst .

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin- düng ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass die Brennereinheit des Reformers baugleich zur Brennereinheit des Nachbrenners ausgeführt ist. Im Vergleich zum Stand der Technik, wonach die in dem Reformer und Nachbrenner jeweils verbauten Brennereinheiten bisher je nach Platzangebot und Anforderung an die Verdampfungsqualität ausgewählt wurden, ergeben sich Kosteneinsparungen in zweifacher Hinsicht. Zum

einen ist es kostengünstiger, eine Brennereinheit nur in einer Bauart herzustellen und zum anderen können weitere Kosteneinsparungen durch einen Stückzahleffekt realisiert werden, weil dadurch doppelt so viele Brennereinheiten der verbliebenen Bauart benötigt werden und sich der Stückpreis mit zunehmender Stückzahl verringert. Es wurde somit erkannt, dass die Auslegung des BrennstoffZeilensystems derart, dass es mit baugleichen Brennereinheiten bestückt werden kann, rationeller ist, als eine anderweitig orientierte Auslegung, die eine individuelle Auswahl und Anpassung der Brennereinheiten erforderlich macht. Die Bestückung mit baugleichen Brennereinheiten kann sogar angesichts der Tatsache vorteilhaft sein, dass im Bereich der beiden Brennereinheiten durchaus unterschiedliche physikalische und che- mische Umgebungsbegingungen vorliegen und durchaus unterschiedliche Oxidationsbedingungen zu wählen sind. Eine an sich vorteilhafte individuelle Auslegung der einzelnen Brennereinheiten ist bei angepasster Auslegung des Brennstoffzellensystems unter Umständen von geringerem Nutzen, als der Nutzen, der durch den erwähnten Stückzahleffekt erzielt wird. Weitere Vorteile sind in der vereinheitlichten Lagerhaltung zu erkennen, sowohl im Produktionsbetrieb als auch in der Werkstatt .

Dabei ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Brennereinheit des Reformers und die Brennereinheit des Nachbrenners jeweils eine Brennstoffeinspritzdüse aufweisen.

Alternativ können die vorstehend genannten Vorteile in dem Zusammenhang erreicht werden, dass die Brennereinheit des Reformers und die Brennereinheit des Nachbrenners jeweils eine Brennstoffzuführeinrichtung der Verdampfungsbauart aufweisen.

Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit solch einem Brennstoffzellensystem, mit dem die vostehend beschriebenen Vorteile in übertragener Weise erreicht werden können.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die begleitende Zeichnung beispielhaft erläutert .

Es zeigt:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoff- zellensystems gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel .

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel. Das in einem Kraftfahrzeug installierte Brennstoff- zellensystem 10 umfasst einen Reformer 12, dem über einen ersten Brennstoffsträng 14 aus einem Brennstofftank 16

Brennstoff zugeführt wird. Ferner wird dem Reformer 12 an einer weiteren Zuführstelle mittels eines zweiten Brennstoffstrangs 18 aus dem Brennstofftank 16 Brennstoff zugeführt. Als BrennstoffSorten kommen Diesel, Benzin, Biogas, Erdgas und weitere aus dem Stand der Technik bekannte

BrennstoffSorten in Frage. Weiterhin wird dem Reformer 12 über einen ersten Oxidationsmittelstrang 22 Oxidationsmit- tel, beispielsweise Luft, zugeführt.

Der Reformer 12 umfasst eine Brennereinheit 48, welche eine primäre Brennstoffzuführeinrichtung aufweist, mittels der der Brennereinheit 48 Brennstoff zuführbar ist. Die primäre Brennstoffzuführeinrichtung ist mit dem ersten Brennstoffstrang 14 verbunden. Ferner umfasst die Brennereinheit 48

eine mit dem ersten Oxidationsmittelstrang 22 verbundene Oxidationsmittelzuführeinrichtung, mittels der der Brennereinheit 48 Oxidationsmittel zuführbar ist. Innerhalb der Brennereinheit 48 findet eine Umsetzung von Brennstoff und Oxidationsmittel in einer Verbrennung bzw. exothermen vollständigen Oxidationsreaktion statt. Der dabei entstehende heiße Produktgasstrom tritt dann stromabwärts, d.h. rechts in Fig. 1 in eine Mischzone 50 ein. In der Mischzone 50 wird dem entstandenen Produktgas mittels einer sekundären Brennstoffzuführeinrichtung 20 zusätzlicher Brennstoff beigemischt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die primäre und sekundäre Brennstoffzuführeinrichtung jeweils eine Einspritzdüse und vorzugsweise eine Venturidüse, jedoch kann der Brennstoff auch mittels einer Brennstoffzuführein- richtung der Verdampfungsbauart, die eine poröse Verdampfungseinheit aufweist, der Brennereinheit 48 bzw. der Mischzone 50 zugeführt werden. Die sekundäre Brennstoffzuführeinrichtung 20 ist mit dem zweiten Brennstoffsträng 18 verbunden. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Misch- zone 50 Oxidationsmittel zugeführt wird. Das mit dem zusätzlichen Brennstoff vermischte Gasgemisch tritt in eine Reformierungszone 52 ein, wo es in einer endothermen Reaktion mit in ein Wasserstoffreiches Gasgemisch umgesetzt wird, vorzugsweise mittels eines dort angeordneten Kataly- sators. Dieses Reformat, d.h. Wasserstoffreiche Gasgemisch, verläßt den Reformer 12 über den Reformatstrang 24 und steht zur weiteren Nutzung für den Brennstoffzellenstapel 26 zur Verfügung.

Das Reformat wird in dem Brennstoffzellenstapel 26 mit Hilfe von über einen Kathodenzuluftsträng 28 geförderter Kathodenzuluft unter Erzeugung von Strom und Wärme umgesetzt. Der erzeugte Strom ist über elektrische Anschlüsse 30 abgreifbar. Im dargestellten Fall wird das Anodenabgas über

einen Anodenabgasstrang 32 einer Mischeinheit 34 eines Nachbrenners 36 zugeführt. Dem Nachbrenner 36 ist über einen dritten Brennstoffsträng 38 Brennstoff aus dem Brennstofftank 16 zuführbar. Ferner ist dem Nachbrenner 36 über einen zweiten Oxidationsmittelstrang 40 Oxidationsmittel zuführbar .

Der Nachbrenner 36 umfasst eine Brennereinheit 54, welche eine Brennstoffzuführeinrichtung aufweist, über die der Brennereinheit 54 Brennstoff zuführbar ist. Die Brennstoff- zuführeinrichtung ist mit dem dritten Brennstoffsträng 38 verbunden. Ferner umfasst die Brennereinheit 54 eine mit dem zweiten Oxidationsmittelstrang 40 verbundene Oxidati- onsmittelzuführeinrichtung, mittels der der Brennereinheit 54 Oxidationsmittel zuführbar ist. Innerhalb der Brennereinheit 54 findet eine Umsetzung von Brennstoff und Oxidationsmittel in einer exothermen Oxidationsreaktion, d.h. einer möglichst vollständigen Verbrennung, statt. Die dabei entstehenden Verbrennungsabgase treten dann stromabwärts, d.h. rechts in Fig. 1 in eine Mischzone 56 ein. In der

Mischzone 56 wird den entstandenen Abgasen mittels einer Mischeinheit 34 Anodenabgas beigemischt. Das mit dem Anodenabgas vermischte Gasgemisch tritt in eine Verbrennungs- zone 58 ein, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel von einem Porenkörper ausgefüllt wird, in dem das Gasgemisch nahezu vollständig verbrennt, d.h. das Gasgemisch verglüht an dem Porenkörper in der Verbrennungszone 58.

Das Verbrennungsabgas aus dem Nachbrenner 36, welches in einer Mischeinheit 42 mit Kathodenabluft vermischt wird, die über einen Kathodenabluftstrang 44 von dem Brennstoff- zellenstapel 26 zu der Mischeinheit 42 gefördert wird, durchströmt einen Wärmetauscher 46 zum Vorwärmen der Katho-

denzuluft und verläßt schließlich das Brennstoffzellensys- tem 10.

Die einzelnen Zonen des Reformers 12, d.h. die die Brenner- einheit 48 aufnehmende Zone, die Mischzone 50 und die Re- formierungszone 52, sowie die einzelnen Zonen des Nachbrenners 36, d.h. die die Brennereinheit 54 aufnehmende Zone, die Mischzone 56 und die Verbrennungszone 58, sind in Fig. 1 durch gestrichelte Linien bzw. durch Volllinien voneinan- der getrennt. Die Zonen können durch bauliche Merkmale voneinander getrennt sein oder fließend ineinander übergehen.

Obwohl in den beschriebenen Figuren dies nicht explizit dargestellt ist, können in den Brennstoffsträngen 14, 18 und 38, in den Oxidationsmittelsträngen 22 und 40 sowie im Kathodenzuluftstrang 28 entsprechende Fördereinrichtungen wie beispielsweise Pumpen bzw. Gebläse und/oder Steuerventile zur Durchflussregelung vorgesehen sein.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Bezugszeichenliste:

10 Brennstoffzellensystem

12 Reformer 14 erster Brennstoffsträng

16 Brennstofftank

18 zweiter Brennstoffsträng

20 sekundäre Brennstoffzuführeinrichtung

22 erster Oxidationsmittelstrang 24 Reformatstrang

26 Brennstoffzellenstapel

28 Kathodenzuluftsträng

30 elektrische Anschlüsse 32 Anodenabgasstrang 34 Mischeinheit

36 Nachbrenner

38 dritter Brennstoffsträng

40 zweiter Oxidationsmittelstrang 42 Mischeinheit 44 Kathodenabluftsträng

46 Wärmetauscher

48 Brennereinheit

50 Mischzone

52 Reformierungszone 54 Brennereinheit

56 Mischzone

58 Verbrennungszone