用于燃料电池系统的燃烧器装置的制作方法

本发明涉及一种用于燃料电池系统的燃烧器装置以及一种具有这种燃烧器装置的燃料电池系统。

背景技术：

1、已知的是燃料电池系统具有燃烧器装置，它们尤其在燃料电池系统加热时提供呈热形式的能量。这种燃烧器装置能够在燃料电池系统的正常工作中作为补燃器用来再处理废气和/或也用作预燃器。为了在燃料电池系统启动阶段内的加热，在已知的燃料电池系统中采用两种不同的燃烧器概念。其一是火焰燃烧器，其二是所谓的催化燃烧器。

2、在催化燃烧器情况下，燃料流流过催化器体且因此发生催化燃烧。催化燃烧产生热，热随后被送入燃料电池系统和尤其是其中的燃料电池堆。但这种纯催化起效的燃烧的缺点是其相对低的功率能力及其缓慢的加热速度。

3、也知道了采用着焰燃烧器，即，这种燃烧器在形成火焰下使燃料-空气混合物燃烧并通过这种方式也产生被输入到燃料电池系统的燃料电池堆中的热。但着焰燃烧器的缺点是它们尤其在加热工作中需要相当费事才能稳定运行。这尤其基于以下事实：在燃料电池系统加热时在局部需要这些流体的很高的质量流。这又造成尤其在燃烧器装置中的高速流动，使得在那里有“火焰在点燃之后又被吹灭且因此以不希望的方式停止加热过程”的危险。通常，通过高的结构成本来应对此缺点，以保护已经点燃的火焰以免吹灭。除结构成本外，这还导致这种燃烧器装置的高的结构空间需求和相应大的重量和高昂费用。

技术实现思路

1、本发明的任务是至少部分消除前述缺点。本发明的任务尤其是以低成本的简单方式减小燃烧器装置的结构空间和/或改善燃烧器装置的工作稳定性。

2、以上任务通过一种具有权利要求1的特征的燃烧器装置和一种具有权利要求15的特征的燃料电池系统来完成。本发明的其它特征和细节来自从属权利要求、说明书和图。在此，关于本发明的燃烧器装置所描述的特征和细节显然也与本发明的燃料电池系统相关地使用，反之均亦然，故关于对这些发明方面的公开内容总是相互参照或可相互参照。

3、根据本发明，规定一种用于燃料电池系统的燃烧器装置。这种燃烧器装置具有燃烧器壳体，其具有用于供燃料-空气混合物进入的燃烧器入口。另外，燃烧器壳体配备有用于供燃烧器废气-空气混合物排出的燃烧器出口。另外，燃烧器装置具有在燃烧器壳体内的催化器体，其具有的催化器空腔供燃烧器入口通入。催化器体在此是透气的且配备有至少部分带有催化涂层的催化器表面。在此，在催化器表面与燃烧器壳体之间形成通入燃烧器出口的旁通空间。催化器体具有纵轴线，其中，该催化器表面至少局部相对于纵轴线具有并非圆形的横截面轮廓。

4、本发明的燃烧器装置与已知的燃料电池系统的区别尤其是它具有混合燃烧功能性。因此它作为混合燃烧器装置用于提供燃料-空气混合物的着焰燃烧并且也提供催化转化反应。尤其是这基于不同的工作温度，因此在转化反应开始时燃料-空气混合物的催化转化反应产生自由基，其又在高浓度下改善在催化器表面区域中的可点燃性。这导致在点燃之后尤其是催化燃烧以及着焰燃烧能够并行运行并且通过这种方式可以将热输出最大化。通过组合两个单独燃烧功能就已可以在结构空间条件相同或甚至减小的情况下达成排热的明显增强。所需费用和相应的重量已经可以通过燃烧器装置的混合构型而被显著减小。

5、为了将用于着焰燃烧点火以及催化燃烧工作的结构空间减小但仍提供足够大的催化表面，通过本发明的方式使催化器表面具备并非圆形的横截面轮廓。这是指在催化器体的横向于纵轴线的截面视图中催化器表面的边缘在此截面中形成该横截面轮廓。在纯圆柱形催化器体中通过这种方式将截面设计成纯圆形或基本为圆形的横截面轮廓，而本发明规定该横截面轮廓并非圆形。由于该横截面轮廓并非圆形，故比之圆柱形，所产生的催化器表面的几何形状延伸尺寸更大。根据本发明设计，横截面轮廓与圆形相差越大，用于催化器表面的几何形状延伸尺寸的增大倍数越大。

6、因此如从前一段落中看到地，因横截面轮廓并非圆形而在相同或基本相同的体积下相比于圆柱形催化器体获得催化器表面的增大。除了在燃烧器装置混合工作方式中将催化燃烧和着焰燃烧相结合，在结构空间相同或减小的情况下还通过增大催化器表面来增强催化作用。这能够尤其明显增大2倍以上。

7、总之，通过本发明的方式提供混合的燃烧功能性，其还基于增大的催化器表面，结果可以在结构空间减小且热输出最大化的情况下获得效率提升。

8、要指明的是催化涂层在本发明意义上是指起催化作用的材料。起催化作用的材料在此尤其用于从燃料产生用于辅助或允许形成火焰的自由基。尤其通过在催化材料处的催化转化反应产生高浓度的这种自由基，用以在催化器表面区域中形成点燃条件。在本发明意义上，燃料在此尤其是指气态燃料、即燃气。

9、催化器体优选设计成以纵轴线为主延伸方向。原则上，催化器体可以基于圆柱形基本形状，其中，遵守根据本发明的横截面轮廓设定条件。催化器体的各自柱体末端可以设计成闭合的。所述末端既可以设计成气密的，也可设计成透气的。优选的是该燃料-空气混合物的主流通方向横向于纵轴线、即在径向上形成。

10、也还要指出的是催化器体有利地可居中安置在燃烧器壳体内。居中安置催化器体导致在催化器体与燃烧器壳体之间形成旁通空间，其均匀地且尤其是对称地围绕催化器体布置。由于旁通空间现在能够使空气在催化器体旁边经过，故可以出现规定的λ值，其在催化器体外且因而在旁通空间内提供期望的着焰燃烧。

11、通过如前所述地按规定设计旁通空间而可能的是，一方面形成在燃料和空气之间的用于催化燃烧的规定浓度条件，另一方面形成用于旁通空间内着焰燃烧的规定的空气比。尤其是这借助于相应的控制阀来达成，就像例如随后还要详述的那样。

12、当在本发明的燃烧器装置中燃烧器壳体具有尤其是与燃烧器入口分开的进风口以用于使空气进入旁通空间时可带来优点。显然也可以通过其它通道将空气送入旁通空间。在此，进风口可以与下述空气源以流体连通的方式相连，该空气源作为共同空气源也给燃烧器入口供应相应空气以产生燃料-空气混合物。在燃料电池系统中，在此最简单的方式是抽吸环境空气作为空气源。

13、如随后还解释地，可以通过经由单独的进风口输入空气来调节旁通空间内的空气浓度和进而旁通空间内关于燃料的化学当量比。期望的着焰燃烧可以通过这种方式被更好地控制且尤其独立于催化燃烧地被控制和/或调整。

14、当根据前一段落的进风口具有用于控制进入旁通空间的空气质量流的控制阀时可以带来优点。这种控制阀尤其也允许完全闭锁和/或完全打开各自进风口，从而旁通空间在极端位置可相对于空气供应被全封闭。一旦进行着焰燃烧的点燃，则可以通过用控制阀改变旁通空间内的化学当量比来借助控制阀改变着焰燃烧强度。因此得到特别简单且低成本的控制可能性，用以与催化燃烧分开地控制着焰燃烧。

15、当在本发明的燃烧器装置中在催化器出口之中和/或之后设置用于将空气可控地供应入燃烧器废气-空气混合物中的供风装置时可以带来优点。尤其是它与根据在前段落的进风口组合。在此，它也可以是外旁路，其能够使空气完全被引导绕过燃烧器装置并且绕过催化燃烧以及着焰燃烧。对于各自所用气体和相应出现的气体组成的可控制性通过这种方式被进一步提高。

16、另外，当在本发明的燃烧器装置中该燃烧器入口具有通入催化器空腔的空腔入口和/或催化器空腔本身具有混合部用于将空气和燃料混合时带来了优点。虽然原则上可以从外部预混合地将燃料-空气混合物供应给燃烧器装置，但这种混合装置也可作为混合部被集成到燃烧器装置中。这种集成允许在燃烧器入口、在空腔入口和/或以集成到催化器空腔中的方式执行混合，从而能够在燃烧器装置中针对混合部以外部连接的形式供应纯的或基本纯的燃料和空气。这允许将混合部集成到燃烧器装置的模块中且也在已有的燃料电池系统情况下加装本发明的燃烧器装置。

17、当在本发明的燃烧器装置中催化器体被设计用于关于纵轴线沿径向排出燃料-空气混合物、尤其仅用于沿径向排出燃料-空气混合物时可以带来其它优点。这种径向出口例如可以通过随后还描述的催化器体多孔设计来提供。但显然也可以在本发明范围内想到其它透气性例如像格栅结构、海绵结构或网状结构。为了仅沿径向排出燃料-空气混合物，催化器体可以在其末端优选被气密封闭。单纯沿径向经过催化器体的流动方向能够使催化燃烧状况统一并且尤其在整个催化器表面尽量均匀分布。由于催化燃烧功能性作为随后的着焰燃烧的基础，故这在第二步骤中也导致在旁通空间内一致化的着焰燃烧。

18、此外，当在本发明的燃烧器装置中该横截面轮廓在内半径与外半径之间延伸、尤其是以有规律的方式在径向上和/或在周向上延伸时带来优点。例如横截面轮廓如随后还将详述的那样可以具有星形设计。因此，该横截面轮廓具有最大径向延伸尺寸，其在所有径向延伸尺寸中不超过共同的外半径。最小径向延伸尺寸在此由共同的内半径限定，从而以这种方式设计成星形的凹部全都具有相同的或基本相同的深度。因凹部和凸起而相应出现的表面增大、其流体技术上的作用以及其催化加强效果因此对所有单独的星组成部分和凹部起到相同的或基本相同的作用。因此如前一段落所解释地，在径向和周向上都给混合燃烧提供一致的燃烧特性。

19、还有利的是在本发明的燃烧器装置中该横截面轮廓设计成关于纵轴线对称或基本对称。这种对称的或基本对称的设计尤其是指在横向于纵轴线且因此横向于纵轴线与该横截平面的交点的截面中的点对称设计。因此可以将这种点对称设计的横截面轮廓与圆柱形催化器体的旋转对称的横截面轮廓予以区分。在此还要指明，横截面轮廓显然可以沿纵轴线在本发明范围内变化。故例如除了横截面并非圆形轮廓，该横截面轮廓还可沿纵轴线变化，使得例如在纵轴线走向范围内该横截面轮廓具有附加的凹部和/或隆起。人们也可以将其称为双重或附加的隆起或弯曲，其还通过催化器表面的几何形状延伸尺寸的增大而进一步显著增强根据本发明的催化作用。

20、可能有利的是，在本发明的燃烧器装置中该横截面轮廓沿纵轴线至少局部设计成恒定或基本恒定。这允许不同于前述厚度变化地得到特别简单且低成本的催化器体加工可能方式。另外，也给混合燃烧功能提供在纵轴线走向上恒定的和/或均匀的燃烧状况。

21、也有利的是在本发明的燃烧器装置中该横截面轮廓至少局部设计成星形。这尤其是与已经多次解释的关于纵轴线对称的设计相组合，从而提供作为横截面轮廓的点对称的星。星角尖在此限定外半径，星内凹限定相应的内半径。在此，在尽量减小结构空间和同时提高热产生效率的情况下提供催化表面的相应期望增大。

22、还有利的是，在本发明的燃烧器装置中催化器体至少在催化器表面的区域中尤其是完全或基本上完全设计成是多孔的。多孔的设计尤其是指至少部分开孔的多孔性。优选地，多孔材料的开孔率在50％至100％范围内。这意味着，渗透性多孔结构提供根据本发明的透气性。例如可以采用陶瓷材料和/或金属材料。加工可以例如通过增材制造方法来提供。其它制造可能性例如是发泡或涂覆泡沫材料例如像聚合物海绵。由此以多孔方式得到海绵状结构，其尤其是也还在孔内配设有起催化作用的涂层。

23、在根据前面段落的燃烧器装置中可能有利的是，催化器体沿纵轴线具有变化的多孔性。换言之，在纵轴线延伸范围内通过不同的多孔性提供不同的透气性。例如可以沿主流动方向在催化器空腔内在一开始提供减小的透气性并且在沿纵轴线的延伸范围内提供增大的透气性。这允许通过变化的透气性来补偿催化器空腔内的压力差，从而优选可以获得燃料-空气混合物在纵轴线延伸范围内穿透催化器体的一致化。这也允许在催化器表面处进一步提供混合燃烧器功能的一致化。所述变化例如可通过不同的烧结方法或烧结材料在催化器体制造时来提供。催化器体也可以由盘形零件组成，其中的每个盘具有相同的或不同的多孔性。显然也可以在本发明范围内想到不同加工可能性的组合。

24、可能有利的是，在本发明的燃烧器装置中该催化器表面至少局部具有表面法线，其在催化器体外与催化器表面的相邻表面法线相交。这允许更精确限定横截面轮廓。故在此实施方式中横截面轮廓与圆形相差达足够程度而使得催化器表面的不同位置的两个表面法线在旁通空间内和进而在催化器体外相交。这导致相交的表面法线的表面部分相互对置。在本发明的燃烧器装置工作中尤其有利的是着焰燃烧所产生的热一部分被回输至催化器体和尤其是催化器表面。因为这通常主要通过热辐射进行，故可以通过就像此实施方式中那样的这些表面的相对取向来加强热辐射回输。换句话说，在此实施方式中以更高概率确保催化器表面通过着焰燃烧而被进一步供热。通过供热来保证该催化器表面没有以不期望的方式变冷，而是仍通过催化转化反应产生自由基用以稳定的着焰燃烧。

25、当在根据前一段落的燃烧器装置中催化器表面至少局部具有在相邻部段中与催化器表面相交的表面法线时也带来优点。这还进一步加强根据前一段落的凹部深度，使得表面法线不仅与相邻的表面法线相交，也直接与催化器表面的相邻的表面部分相交，从而反向热辐射并且来自火焰区的反向传输因此还被进一步加强。

26、当在本发明的燃烧器装置中催化器表面具有至少一个用于引导旁通空间内空气的导向部时也带来优点，导向部尤其沿或基本沿纵轴线延伸。这种导向部也可以被称为导向翅片并且尤其沿旁通空间内的空气流动方向延伸。除了改善的催化燃烧器功能外，这还允许提供由横截面轮廓带来的流动优化。旁通中的空气被防止出现涡旋，做法是这种翅片状结构作为导向部引导空气流动并且优选防止在催化器表面上方的火焰区的区域中出现涡旋。着焰燃烧的稳定性可以通过这种方式还被进一步改善。此外，针对旁通空间内的空气所限定的几何形状导向功能允许在催化器表面上方的更好的混匀。

27、本发明的主题也是一种用于由燃料产生电能和/或由电能产生燃料的燃料电池系统，具有至少一个根据本发明的燃烧器装置。因此，本发明的燃料电池系统带来与关于本发明的燃烧器装置所详尽描述的一样的优点。这种燃料电池系统因此例如作为sofc燃料电池系统用于由气态燃料产生电能。相反，这种燃料电池系统也可以例如作为soec燃料电池系统由电能产生燃料。在两种工作方式中，燃料电池系统的启动需要达到工作温度，使得本发明的燃烧器装置可以带来针对这种燃料电池系统所详尽描述的优点。