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WO2014086731A1 - Method for operating a combustion system and combustion system - Google Patents

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Publication number
WO2014086731A1
WO2014086731A1 PCT/EP2013/075292 EP2013075292W WO2014086731A1 WO 2014086731 A1 WO2014086731 A1 WO 2014086731A1 EP 2013075292 W EP2013075292 W EP 2013075292W WO 2014086731 A1 WO2014086731 A1 WO 2014086731A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel cell
fluid
combustion
combustion chamber
injector
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/075292
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Sandro BÜCHELER
Andreas Huber
Original Assignee
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. filed Critical Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
Priority to DE112013005790.5T priority Critical patent/DE112013005790B4/en
Publication of WO2014086731A1 publication Critical patent/WO2014086731A1/en

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23GCREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G7/00Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals
    • F23G7/06Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases
    • F23G7/061Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases with supplementary heating
    • F23G7/065Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases with supplementary heating using gaseous or liquid fuel
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/286Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply having fuel-air premixing devices
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/9901Combustion process using hydrogen, hydrogen peroxide water or brown gas as fuel
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D2900/00Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/14Special features of gas burners
    • F23D2900/14002Special features of gas burners of premix or non premix types, specially adapted for the combustion of low heating value [LHV] gas
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23GCREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G2209/00Specific waste
    • F23G2209/14Gaseous waste or fumes
    • F23G2209/141Explosive gases
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23GCREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G2900/00Special features of, or arrangements for incinerators
    • F23G2900/54402Injecting fluid waste into incinerator

Definitions

  • the present invention relates to a method of operating a combustion system and a combustion system.
  • WO 00/09945 Al and JP 2011-089754 A relate to various aspects of burner devices.
  • the invention has for its object to provide a method by means of which fuel, in particular fuel-containing exhaust gas of a high-temperature fuel cell device, can be safely and reliably burned.
  • the combustion system comprises a fuel cell device formed for example as a high-temperature fuel cell device and a combustion device for burning fuel-containing exhaust gas of the fuel cell device.
  • the method comprises:
  • the injector Supplying the exhaust gas from the fuel cell device as one of at least two fluids to a combustion chamber of a combustion device of the combustion device using an injector, the injector comprising an inner fluid channel, an outer fluid channel at least partially surrounding the inner fluid channel and a guide channel, in particular a mixing channel;
  • Fluid are supplied by means of the outer fluid channel coaxially with at least approximately the same flow rate to the guide channel,
  • a supply pressure of the first fluid at least approximately corresponds to a supply pressure of the second fluid.
  • the method according to the invention for operating a combustion system preferably has one or more features and / or advantages of the combustion device described below, the combustion system described below, and / or the method described below for supplying two fluids to a combustion chamber of a combustion chamber device.
  • an oxidizer is supplied as a further fluid of the at least two fluids to the combustion chamber of the combustion chamber device.
  • a pressure of the oxidizer before it is supplied to the injector is preferably increased by means of a compressor device of a gas turbine device of the combustion device and / or by means of a separate compressor device such that the pressure of the oxidizer at least approximately corresponds to the pressure of the fuel-containing exhaust gas from the fuel cell device.
  • the oxidizer is especially air.
  • the combustion device comprises a plurality of injectors, by means of which the at least two fluids are supplied to the combustion chamber, wherein the injectors are supplied with fluid streams having mutually different volume flows and / or mass flows.
  • regions of different mixing ratios of the at least two fluids can be formed in the combustion chamber. This can increase the reliability and safety of the combustion. It may be favorable if, as one of the at least two fluids, a partial flow of a total anode exhaust gas flow from the fuel cell device is supplied to the combustion device.
  • a partial flow of a Backathodenabgasstroms is supplied from the fuel cell device of the combustion device.
  • anode exhaust gas is supplied from the fuel cell device and, as another of the at least two fluids, cathode exhaust gas is supplied from the fuel cell device to the combustion device.
  • the at least two fluids are supplied, wherein as one of the two fluids exclusively anode exhaust gas from the fuel cell device and as another of the two fluids exclusively cathode exhaust gas from the fuel cell device of the combustion device is supplied. It may be favorable if the at least two fluids are supplied by the fuel cell device to the guide channel such that the at least two fluids between the fuel cell device and the guide channel have at least approximately the same total pressure loss.
  • the at least two fluids are supplied to the combustion device with at least approximately identical pressure.
  • the at least two fluids are supplied to the combustion device with at least approximately identical supply pressure.
  • the at least two fluids preferably have at least approximately the same pressure loss, in particular until they reach the combustion chamber.
  • a fluid supplied as one of at least two fluids preferably comprises ambient air from an environment of the combustion system or is formed by ambient air from an environment of the combustion system.
  • Ambient air is in particular air which has not been passed through the fuel cell device.
  • fuel-containing exhaust gas of a high-temperature fuel cell device can be burned safely and reliably.
  • the combustion device for combusting fuel-containing exhaust gas of a high temperature fuel cell device preferably includes: a combustion chamber device comprising a combustion chamber and an injector for supplying fuel and oxidizer to the combustion chamber, the injector comprising an inner fluid channel, an outer fluid channel at least partially surrounding the inner fluid channel and a guide channel arranged downstream of the inner fluid channel with respect to a flow direction,
  • outer fluid channel comprises a tapered portion in which the cross-sectional area of the outer fluid channel decreases along a flow direction of fluids in the injector
  • a high-temperature fuel cell device is to be understood in this specification and the appended claims in particular as a solid oxide fuel cell device (SOFC).
  • SOFC solid oxide fuel cell device
  • a guide channel of the injector is in particular a section of the injector in which at least two fluids are conducted together and without separation from each other.
  • a mixing of the at least two fluids can thus take place in the guide channel.
  • the guide channel is then in particular a mixing channel.
  • mixing occurs only to a very limited extent, for example only in the region of a shear layer between the at least two fluids.
  • the inner fluid channel and the outer fluid channel may be arranged, for example, coaxially or parallel offset from one another.
  • the cross-sectional area of the outer fluid channel preferably decreases continuously and / or steadily in the tapered section.
  • the tapered portion of the outer fluid channel preferably has no region in which the cross-sectional area increases along the flow direction.
  • one fluid is a fuel and another fluid is an oxidizer.
  • the fuel is guided in the inner fluid channel or in the outer fluid channel. Accordingly, it can be provided that the oxidizer is guided in the outer fluid channel or in the inner fluid channel.
  • a cross-sectional area of the guide channel preferably corresponds at most to approximately the sum of the cross-sectional areas of the inner fluid channel and the outer fluid channel at their ends facing the combustion chamber in an area of the inner fluid channel and the outer fluid channel.
  • the guide channel preferably comprises a widening section in which the cross-sectional area of the guide channel increases along the flow direction, in particular continuously and / or continuously.
  • the guide channel consists exclusively of the widening section and the widening section preferably extends from an end of the inner fluid channel facing the combustion chamber to an end of the injector facing the combustion chamber.
  • An expanding section of the guide channel in which the cross-sectional area of the guide channel increases continuously and / or steadily along the flow direction, preferably has no steps, edges or projections.
  • the guide channel comprises one or more constant sections with respectively essentially constant cross-sectional areas along the flow direction.
  • the guide channel comprises at least two constant sections, each having substantially constant cross-sectional areas along the flow direction, the at least two constant sections being arranged sequentially along the flow direction such that an upstream, constant section of the guide channel has a first cross-sectional area and one upstream constant portion of the following downstream arranged constant portion of the guide channel having a second cross-sectional area, wherein the second cross-sectional area is greater than the first cross-sectional area.
  • a transition region between the upstream constant section of the guide channel and the downstream constant section of the guide channel is preferably formed by a sudden cross-sectional enlargement, a step and / or by a Planeinsenkung, for example, the downstream arranged constant portion forming, milled Planeinsenkung. It may be favorable if the guide channel comprises at least two successive sections which have a common axis of symmetry and / or central axis.
  • the guide channel comprises at least two successive sections, which have mutually different axes of symmetry and / or central axes. It may be favorable if the guide channel at least two
  • an end of the guide channel arranged downstream with respect to the flow direction of the fluids in particular a constant section or a widening section of the guide channel, opens into the combustion chamber of the combustion chamber device.
  • a wall of the inner fluid channel, a wall of the outer fluid channel and / or one or more walls of one or more central fluid channels and / or a wall of the guide channel at least partially have a roughened surface.
  • a roughened surface is to be understood as meaning, in particular, a surface which has been specifically processed, for example provided with a thread, to increase the roughness.
  • a wall of the inner fluid channel is provided at least in sections with a roughened surface on an inner side facing the fluid guided therein and / or on an outer side facing away from the fluid guided therein.
  • the inner fluid channel, the outer fluid channel, one or more central fluid channels and / or the guide channel at the respective end facing the combustion chamber of the combustion chamber device, in particular at an end region facing the combustion chamber, at least in sections by a wall roughened surface are formed.
  • the combustion device comprises a gas turbine device.
  • the combustor device may be, for example, a combustor device of the gas turbine apparatus.
  • the combustion chamber device is a combustion chamber device that is different from a combustion chamber device of the gas turbine device.
  • the guide channel or the entire guide channel has a length which is at most approximately the product of the mean flow velocity of the fluids in the section of the guide channel or in the entire guide channel and the ignition delay time of a mixture of fluids equivalent. In this way it can be prevented that the injector is damaged by a flashback.
  • the injector comprises one or more central fluid channels which at least partially surround the inner fluid channel and are at least partially surrounded by the outer fluid channel.
  • the inner fluid channel, the outer fluid channel and the one middle fluid channel or the plurality of central fluid channels are preferably arranged coaxially or parallel offset from one another.
  • the inner fluid channel, the outer fluid channel and the one or more central fluid channels have a common axis of symmetry and / or central axis.
  • the inner fluid channel, the outer fluid channel and / or the one middle fluid channel or the plurality of middle fluid channels each have one or more tapered portions.
  • the inner fluid channel, the outer fluid channel and / or the one or more central fluid channels are arranged and / or configured such that the inner fluid channel, the outer fluid channel and / or the one or more middle fluid channels do not widen Include section in which increases the cross-sectional area along the flow direction.
  • tapered portions of the inner fluid channel, the outer fluid channel and / or the one or more central fluid channels are disposed adjacent to each other with respect to a direction perpendicular to the flow direction.
  • a tapered section of the outer fluid channel surrounds a tapered section of the one or more central fluid channels and / or a tapered section of the inner fluid channel, for example annularly.
  • the combustion device comprises a plurality of injectors, in particular a plurality of equally dimensioned and / or differently dimensioned injectors.
  • the injectors are arranged evenly distributed on a feed head of the combustion chamber device, in particular to to provide the combustion chamber of the combustion chamber device uniformly with fluid, in particular fuel and oxidizer.
  • the injectors are arranged unevenly distributed on the feed head of the combustion chamber device.
  • an uneven supply of fluids, in particular of the fuel and the oxidizer take place to the combustion chamber of the combustion chamber device, whereby a more reliable and / or safer ignition and / or combustion can take place.
  • the combustion device is particularly suitable for use in a combustion system.
  • the present invention further relates to a combustion system.
  • the invention is in this respect the task of providing a combustion system by means of which in particular fuel-containing exhaust gas of a high-temperature fuel cell device can be safely and reliably burned.
  • a combustion system which comprises a fuel cell device configured for example as a high-temperature fuel cell device and a combustion device for combusting fuel-containing exhaust gas of the fuel cell device.
  • the combustion device comprises a combustion chamber device comprising a combustion chamber and an injector for supplying fuel and oxidizer to the combustion chamber.
  • the injector preferably comprises an inner fluid channel, an outer fluid channel surrounding the inner fluid channel at least in sections a guide channel arranged with respect to a flow direction downstream of the inner fluid channel.
  • the guide channel preferably opens into the combustion chamber.
  • An anode exhaust pipe of the fuel cell device and / or a cathode exhaust pipe of the fuel cell device is preferably fluidly connected to the injector, so that by means of at least one fluid channel of the injector an anode exhaust stream and / or a cathode Abgasström the fuel cell device the combustion chamber can be fed.
  • a first fluid can be supplied to the guide channel coaxially with at least approximately the same flow velocity by means of the inner fluid channel and a second fluid by means of the outer fluid channel.
  • a supply pressure of the first fluid preferably corresponds at least approximately to a supply pressure of the second fluid.
  • the combustion system in particular the combustion device and the fuel cell device, are preferably designed and / or set up and / or connected to one another such that the fluids can be supplied to the guide channel with at least approximately the same flow velocity and / or that a supply pressure of the first fluid is at least approximately equal to a supply pressure of the first fluid second fluid corresponds.
  • anode exhaust gas line of the fuel cell device is fluidically connected to a first fluid channel of the injector and the cathode exhaust gas line of the fuel cell device is connected to a second fluid channel of the injector, wherein the anode exhaust gas stream and the
  • Cathode exhaust gas flow can be brought together by means of the injector and jointly fed to the combustion chamber.
  • the combustion system preferably comprises a fluid guide, by means of which a fluid flow, which preferably has a pressure increased relative to atmospheric pressure, as fuel flow with fuel surplus of the fuel cell device can be supplied, then at least partially fed as fuel flow by means of the injector to the combustion chamber and then via a turbine device of a gas turbine device Combustion device is relaxing.
  • the combustion device comprises a gas turbine device and that the combustion chamber device is a combustion chamber device of the gas turbine device.
  • At least a portion of the guide channel in particular the entire guide channel, preferably has a length which corresponds at most approximately to the product of the mean flow velocity of the fluids in this section or in the entire guide channel and the ignition delay time of a mixture of the fluids.
  • the combustion system comprises a compressor device, by means of which a supply pressure of a fluid to be supplied to the combustion chamber by means of the injector can be adapted to a supply pressure of a fluid discharged from the fuel cell device and also supplied to the combustion chamber by means of the injector, in particular is comparable.
  • the combustion system comprises a compressor device, by means of which a flow velocity of a fluid as it flows into the
  • Guide channel to a flow rate of another fluid adaptable, in particular equalizable is, wherein the further fluid is in particular a discharged from the fuel cell device and also supplied to the combustion chamber by means of the injector fluid.
  • a supply pressure is, in particular, a pressure of a fluid present at a connection of the combustion device.
  • a supply pressure is a pressure of a fluid at an outlet of the fuel cell device.
  • a coaxial feed with the same or only minimally different flow rates is provided.
  • a recirculation-free and shear-layer-free coaxial flow supply is preferably realized with an air jacket layer to supply highly reactive fluids, in particular fuel-containing exhaust gas, the combustion chamber.
  • stabilization does not occur at one end of the inner fluid channel (middle nozzle).
  • the principle of pure diffusion combustion is prevented.
  • sufficiently hot combustor off-gas is mixed upstream of the heat release zone into the air jacket layer and / or into the supplied fuel-containing fluid to stabilize the flame and lower the combustion temperature by the inertization.
  • the injector is designed so that the fluid supplied by means of the inner fluid channel in the guide channel as undisturbed surrounded by the fluid supplied by the outer fluid channel and as undisturbed fed to the combustion chamber.
  • the fluid pressures in particular the supply pressures, are preferably selected to be equal, so that damage to the fuel cell device due to excessive pressure gradients can be prevented.
  • the combustion system in particular the combustion device is preferably designed so that there is a high level of security against a flashback.
  • a mixture or merging of the fluids at the narrowest point of the injector is provided for this purpose.
  • a virtually recirculation-free mixing zone without surface jumps or other disturbances in the vicinity of the injector is provided.
  • a flow guide of the fuel cell system is designed so that from the fuel cell device to the combustion chamber equal pressure losses prevail in both fluid flows to the meeting (in the guide channel), in particular to make the pressure feedback to the fuel cell device so that no pressure difference between the anode side and cathode side ,
  • the anode exhaust gas line is fluidically connected to an inner, an outer or a middle fluid channel, so that a fluid designed as an anode exhaust gas stream can be supplied to the combustion chamber by means of the inner fluid channel, the outer fluid channel or the middle fluid channel ,
  • the cathode exhaust gas line is fluidically connected to the inner, the outer and / or the middle fluid channel, so that by means of the inner, the outer and / or the middle fluid channel, a fluid formed as a cathode exhaust gas flow to the combustion chamber - is bar.
  • the combustion system according to the invention preferably has one or more features and / or advantages of the combustion device. It may be favorable if the anode exhaust gas line of the fuel cell device is fluidically connected to a first fluid channel of the injector and the cathode exhaust gas line of the fuel cell device is connected to a second fluid channel of the injector such that the anode exhaust gas stream and the Cathode exhaust gas flow can be brought together by means of the injector and, in particular together, fed to the combustion chamber.
  • the first fluid channel and the second fluid channel are preferably different fluid channels from one another, for example the inner fluid channel and the outer fluid channel.
  • the gas turbine device comprises a compressor device by means of which the fuel stream can be compressed prior to being fed to the fuel cell device and / or an oxidizer stream can be compressed before being fed to the fuel cell device.
  • an oxidizer flow and / or a fuel flow can be compressed by means of the compressor device such that the oxidizer flow and / or the fuel flow in the fuel cell device have substantially the same pressure.
  • the combustion system according to the invention is particularly suitable for carrying out a method for supplying two fluids to a combustion chamber of a combustion chamber device.
  • a method for supplying two fluids to a combustion chamber of a combustion chamber device is also described.
  • the method for supplying two fluids to a combustion chamber of a combustion chamber device is preferably carried out using an injector, wherein the injector comprises an inner fluid channel, an outer fluid channel at least partially surrounding the inner fluid channel and a guide channel.
  • a first fluid is supplied by means of the inner fluid channel and a second fluid by means of the outer fluid channel in a region of the injector to the guide channel, in which a flow rate of the first fluid and / or the second fluid is maximum.
  • a pressure of the first fluid at least approximately corresponds to a pressure of the second fluid.
  • the outer fluid channel includes a tapered portion in which the cross-sectional area of the outer fluid channel decreases along a flow direction of the fluids in the injector. This increases the flow velocity of the fluid guided in the outer fluid channel.
  • a guide channel of the injector which follows the inner fluid channel and / or the outer fluid channel, that is, which is arranged downstream of the inner fluid channel and / or the outer fluid channel, preferably has a cross-sectional area which is constant or increases along the flow direction. In the guide channel of the injector, the flow rate of the fluids guided therein thus remains substantially constant or is reduced.
  • the first fluid or the second fluid may for example be a particular gaseous fuel, in particular fuel-containing exhaust gas of a high-temperature fuel cell device. Accordingly, the second fluid or the first fluid is preferably an oxidizer, for example air or oxygen-containing exhaust gas of a high-temperature fuel cell device.
  • the method for supplying two fluids to a combustion chamber of a combustion chamber device using an injector preferably has one or more features and / or advantages of the combustion device and / or the combustion system according to the invention.
  • the combustion device and / or the combustion system preferably have a control device for controlling the combustion device or the combustion system.
  • control device is designed and arranged such that by means of the combustion device and / or the combustion system one or more of the method steps mentioned in this description and / or the appended claims are feasible.
  • the combustion device, the combustion system, the method for supplying two fluids to a combustion chamber and / or the method for operating a combustion system may furthermore have one or more of the features and / or advantages described below:
  • hydrogen-containing exhaust gas of a fuel cell device may be used.
  • At least one fluid has a temperature of at least about 200 ° C, for example at least about 400 ° C, especially at least about 600 ° C, prior to delivery to the injector.
  • a combination and / or a mixture of two fluids, in particular the fuel and the oxidizer takes place at a location of maximum flow velocity.
  • the at least two fluids, in particular the fuel and the oxidizer, preferably have substantially the same pressure.
  • neither cooling of the oxidizer, such as air, nor a high fuel supply pressure are required.
  • an injector and / or a feed head of the combustion chamber device comprises a surface jump, in particular a cross-sectional area jump, by means of which in particular a recirculation zone, for example an exhaust gas recirculation zone, can be formed.
  • a recirculation zone for example an exhaust gas recirculation zone
  • the length of a guide channel of the injector is preferably selected so that no self-ignition can take place within the guide channel.
  • the invention is particularly suitable for the combustion of highly reactive fuels.
  • the use of the combustion device results in a very low pressure loss.
  • pressure can preferably be recovered.
  • a transition between an end of the injector facing the combustion chamber and an exit surface of a delivery head of the combustion chamber device in which the injector is arranged is not rectangular.
  • an end of the injector facing the combustion chamber and an exit surface of a feed head of the combustion chamber device in which the injector is arranged have surfaces which enclose an angle of at least approximately 120 °, for example at least approximately 135 ° ,
  • the formation of reverse flow regions in a mixing zone, in particular in the guide channel, is preferably prevented by clear separation edges, in particular at an end of the inner fluid channel facing the combustion chamber.
  • a backflow-free injection preferably a self-ignition at the location of the mixture, in particular in the guide channel, prevented.
  • the risk of flashback is preferably minimized.
  • the guide channel in the region of the exit into the combustion chamber has a convex shape, so that pressure recovery is possible due to the Coanda effect.
  • a mixture of the fluids can be improved by the use of microturbulators, in particular to produce small-scale vortices and thus a low pressure drop in a mixing zone, in particular in the guide channel.
  • a fluid, in particular an oxidizer, is divided into the guide channel, for example for cooling and / or for setting a desired gas composition (so-called air split).
  • the injectors are preferably arranged distributed in a circular ring for forming an exhaust gas recirculation zone or over the entire feed head. It can be provided that the feed head is provided in the region of the injectors with Planeinsenkungen to produce small Abgasrezirkulationszonen.
  • the invention is particularly suitable for afterburning in fuel cell devices, for use in combustion chamber technology, in power plant technology and / or power engineering and for mixing and / or combustion of highly reactive fluids, in particular for hydrogen combustion.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a first embodiment of a
  • a combustion system comprising a fuel cell device, a gas turbine device and a separate combustion chamber device;
  • Figure 2 is a schematic representation of a second embodiment of a combustion system corresponding to Figure 1, wherein the combustion chamber device is a combustion chamber device of the gas turbine apparatus;
  • Figure 3 is a schematic longitudinal section through a first embodiment of an injector of a combustion device, in which an inner fluid channel and an outer fluid channel are provided, which open into a guide channel of the injector; a corresponding to Figure 3 schematic representation of the first embodiment of the injector, wherein another mode of operation is shown; a schematic representation corresponding to Figure 3 of a second embodiment of an injector in which a plurality of surfaces are roughened; a schematic representation corresponding to Figure 3 of a third embodiment of an injector, which comprises a flared guide channel; a schematic representation of a combustion chamber of a combustion chamber device of the combustion device facing the end of a wall of an inner fluid channel, in which a chamfering is provided, so that the end is conical;
  • FIG. 12 is a schematic representation, corresponding to FIG. 3, of a sixth embodiment of an injector, in which a section of the guide channel arranged eccentrically to the inner fluid channel and the outer fluid channel is provided;
  • Figure 13 is a schematic plan view of a first embodiment of a
  • Figure 14 is a schematic plan view corresponding to Figure 13 of a second embodiment of a feed head, wherein the injectors are arranged in a circle;
  • FIG. 15 shows a schematic plan view, corresponding to FIG. 13, of a third embodiment of a feed head, in which the injectors are arranged uniformly distributed on the feed head but are operated unevenly;
  • FIG. 16 shows a schematic plan view corresponding to FIG. 13 of a fourth embodiment of a feed head, wherein an annular opening for an air jacket flow is provided;
  • FIG. 17 shows a section through the feed head from FIG. 16 along the line
  • FIG. 18 shows a schematic illustration, corresponding to FIG. 13, of a fifth embodiment of a feed head, in which annularly arranged cooling air passages are provided;
  • FIG. 19 shows a sectional illustration corresponding to FIG. 17 through the fifth embodiment of the feed head according to FIG. 18 along the line 19-19 in FIG. 18;
  • Figure 20 is a schematic plan view corresponding to Figure 13 of a sixth embodiment of a feed head, with alternative arrangement of the injectors and the cooling air ducts.
  • FIG. 21 shows a schematic illustration, corresponding to FIG. 3, of a seventh embodiment of an injector, in which an inner fluid channel is arranged eccentrically in an outer fluid channel.
  • a first embodiment of a combustion system generally designated 100 in FIG. 1 comprises a fuel cell device 102 and a combustion device 104.
  • the fuel cell device 102 is designed in particular as a high-temperature fuel cell device 106, in particular as a solid oxide fuel cell device (SOFC).
  • SOFC solid oxide fuel cell device
  • the combustor 104 includes a gas turbine apparatus 108 that includes a combustor 110.
  • combustion device 104 includes a combustion chamber device 112 separate from the combustion chamber device 110 of the gas turbine device 108.
  • the gas turbine apparatus 108 of the combustion apparatus 104 further includes a turbine apparatus 114 and a compressor apparatus 116.
  • the combustion system 100 further includes a fluid guide 118 by means of which fluids between the individually described devices are feasible.
  • the fluid guide 118 includes one or more supply lines 120 for supplying fluids from the compressor device 116 to the fuel cell device 102.
  • the fluid guide 118 includes one or more exhaust conduits 122 for supplying exhaust gas from the fuel cell apparatus 102 to the combustor apparatus 112.
  • a further exhaust line 124 of the fluid guide 118 serves to forward exhaust gas from the combustion chamber device 112 to the combustion chamber device 110 of the gas turbine device 108.
  • a further exhaust conduit 126 ultimately connects the combustor 110 of the gas turbine apparatus 108 to the turbine apparatus 114 of the gas turbine apparatus 108.
  • the fluid guide 118 further comprises a bypass line 128, by means of which exhaust gas from the fuel cell device 102, bypassing the separate combustion chamber device 112 directly to the combustion chamber device 110 of the gas turbine device 108 can be fed.
  • the exhaust pipes 122 for connecting the fuel cell device 102 to the separate combustion chamber device 112 are, in particular, an anode exhaust pipe 122a and a cathode exhaust pipe 122b.
  • exhaust gas may be supplied from an anode side of the fuel cell device 102 to the separate combustor device 112 by way of the anode exhaust passage 122a.
  • exhaust from a cathode side of the fuel cell device 102 may be supplied to the separate combustor device 112 via the cathode exhaust passage 122b.
  • the anode exhaust gas carried in the anode exhaust passage 122a is preferably fuel-containing.
  • the cathode exhaust gas conducted in the cathode exhaust pipe 122b is preferably oxidized.
  • the first embodiment of the combustion system 100 shown in FIG. 1 functions as follows:
  • Oxidizer and / or fuel is compressed by means of the compressor device 116 of the gas turbine device 108 and supplied to the fuel cell device 102 at a pressure which is increased relative to normal pressure by means of the supply lines 120.
  • the fuel is converted to generate electricity, in particular burned.
  • the fuel stream fed to an anode side of the fuel cell device 102 preferably contains a larger amount of fuel than can be converted during normal operation of the fuel cell device 102.
  • An anode exhaust gas stream leaving the fuel cell device 102 is thus still fuel-containing.
  • the fuel-containing anode exhaust gas stream is fed to the separate combustion chamber device 112. Further, a cathode exhaust gas stream is supplied from the cathode side of the fuel cell apparatus 102 to the separate combustor apparatus 112 by way of the cathode exhaust conduit 122b.
  • the anode exhaust gas and the cathode exhaust gas have a high temperature, for example about 800 ° C, and at least approximately the same pressure.
  • mixing the anode exhaust stream and the cathode exhaust stream together may, for example, result in undesirable auto-ignition, which could damage the combustion system 100.
  • the fuel-containing anode exhaust gas is burned by means of the oxidant-containing cathode exhaust gas and / or additionally supplied air, and thus the chemical energy still contained in the anode exhaust gas is utilized.
  • the hot exhaust gas from the separate combustor device 112 is supplied via the exhaust passage 124 of the combustor 110 to the gas turbine apparatus 108.
  • combustion chamber device 110 of the gas turbine device 108 can be supplied via the bypass line 128 with a part of the cathode exhaust gas branched off from the cathode exhaust line 122b from the fuel cell device 102, bypassing the separate combustion chamber device 112.
  • the exhaust gas of the combustion chamber device 110 of the gas turbine device 108 is supplied to the turbine device 114 via the exhaust line 126 for this purpose.
  • the exhaust pipe 126 may also be dispensable when the turbine device 114 directly connects to the combustor 110.
  • the turbine device 114 By means of the turbine device 114, the exhaust gas flowing out of the combustion chamber device 110 of the gas turbine device 108 is expanded to convert the energy contained therein into kinetic energy.
  • a second embodiment of a combustion system 100 shown in FIG. 2 essentially differs from the first embodiment shown in FIG. 1 in that the exhaust gas of the fuel cell device 102 is supplied directly to the combustion chamber device 110 of the gas turbine device 108 by means of the exhaust gas lines 122.
  • a separate combustion chamber device 112 is not provided in the second embodiment of the combustion system 100 shown in FIG.
  • the combustion chamber apparatus 110 of the gas turbine apparatus 108 preferably corresponds in structure and function to the separate combustor apparatus 112 of the first embodiment of the fuel cell system 100.
  • a bypass conduit 128 is dispensable.
  • the second embodiment of the combustion system 100 illustrated in FIG. 2 has the same structure and function with the combustion system shown in FIG. corresponded to the first embodiment, so that reference is made to the above description in this regard.
  • injectors and supply heads of a combustion chamber device of the combustion device 104 will be described.
  • all embodiments of injectors can be used in all embodiments of feed heads.
  • all embodiments of feed heads with all embodiments of injectors are suitable for use in a combustor 110 of the gas turbine engine 108 and / or in a separate combustor 112.
  • a first embodiment of an injector designated as a whole by 130, shown in FIG. 3, comprises an inner fluid channel 132, an outer fluid channel 134, and a guide channel 136.
  • the inner fluid channel 132 is at least partially surrounded by the outer fluid channel 134.
  • the inner fluid channel 132 and the outer fluid channel 134 are arranged coaxially with one another and have a common central axis 138, in particular a common axis of symmetry 140.
  • the entire injector 130 is rotationally symmetrical with respect to the axis of symmetry 140.
  • the inner fluid channel 132 is substantially tubular and serves to supply a first fluid to the guide channel 136 of the injector 130.
  • the outer fluid channel 134 is substantially cylinder jacket-shaped and surrounds the inner fluid channel 132. By means of the outer fluid channel 134, a second fluid may be supplied to the guide channel 136 of the injector 130.
  • the first fluid guided through the inner fluid channel 132, the second fluid guided through the outer fluid channel 134 and the fluids conveyed together in the guide channel 136 are moved in a flow direction 142 which is substantially parallel to the central axis 138 and / or the axis of symmetry 140 of the injector 130 is aligned, passed through the injector 130.
  • a cross-sectional area of the inner fluid channel 132 taken perpendicular to the flow direction 142 is substantially constant along the flow direction 142.
  • the outer fluid channel 134 has a tapering section 144 in which the cross-sectional area of the outer fluid channel 134 taken perpendicular to the flow direction 142 decreases along the flow direction 142.
  • the tapering section 144 of the outer fluid channel 134 is arranged on a combustion chamber 146 of the combustion chamber device 110, 112 facing the end 148 of the outer fluid channel 134, in particular directly adjacent to the guide channel 136.
  • the inner fluid channel 132 opens into the guide channel 136 at an end 150 of the inner fluid channel 132 facing the combustion chamber 146.
  • the cross-sectional area of the inner fluid channel 132, the outer fluid channel 134 and / or the guide channel 136 minimum.
  • the fluids passed through the injector 130 consequently have the highest flow velocity in this region 152.
  • the guide channel 136 of the injector 130 preferably has a constant section 156, in which a cross-sectional area of the guide channel 136 taken perpendicular to the flow direction 142 is substantially constant along the flow direction 142.
  • the guide channel 136 extends from the combustion chamber 146 facing the end 150 of the inner fluid channel 132 and / or from the combustion chamber 146 facing the end 148 of the outer fluid channel 134 to a combustion chamber 146 facing the end 158 of the injector 130.
  • the combustion chamber 146 facing The end 158 of the injector 130 terminates flush with an exit plane 160 of a feed head 162 of the combustion chamber device 110, 112, in which the injector 130 is arranged.
  • the exit plane 160 is formed, for example, as a flat surface, but may also be curved.
  • the injector 130 is used in particular for the supply of oxidizer and fuel to the combustion chamber 146.
  • the first fluid carried in the inner fluid passage 132 is an anode off-gas of the fuel cell device 102.
  • the second fluid guided in the outer fluid passage 134 is, in particular, a cathode exhaust gas of the fuel cell device 102.
  • the first fluid in the inner fluid channel 132 is the cathode exhaust gas and the second fluid in the outer fluid channel 134 is the anode exhaust gas.
  • the fluids can mix with each other at least to a small extent.
  • the guide channel 136 has a length L which is at most approximately equal to the product from the middle one
  • the first embodiment of the injector 130 shown in FIG. 3 functions as follows:
  • first fluid channel 132 By means of the first fluid channel 132, a first fluid, for example fuel-containing anode exhaust gas from the fuel cell device 102, is supplied.
  • outer fluid channel 134 By means of the outer fluid channel 134, a second fluid, in particular oxidator-containing cathode exhaust gas from the fuel cell device 102, is supplied. Due to the tapered portion 144 of the outer fluid channel 134 and the constant portion 156 of the guide channel 136, the mouth portion 154 in which the first fluid guided in the inner fluid passage 132 and the second fluid guided in the outer fluid passage 134 are merged Area 152 with minimum cross-sectional area. The fluids thus have the highest flow velocity in this region 152.
  • the fluids are supplied to the injector 130 at substantially identical pressure and finally to the guide channel 136.
  • one of the fluids is supplied at a pressure which is increased in relation to the pressure of the further fluid.
  • the first fluid guided in the inner fluid channel 132 is supplied at a higher pressure than the second fluid guided in the outer fluid channel 134.
  • the mode of operation of the first embodiment of the injector 130 according to FIG. 4 corresponds to the mode of operation of the injector 130, as has been described with regard to FIG.
  • a second embodiment of an injector 130 shown in FIG. 5 differs from the first embodiment of the injector 130 shown in FIGS. 3 and 4 essentially in that a wall 168 of the inner fluid channel 132 has at least partially roughened surfaces 164.
  • an inner surface 166 of the wall 168 of the inner fluid channel 132 which faces the first fluid guided in the inner fluid channel 132, is at least partially a roughened surface 164.
  • the inner surface 166 at the end 150 of the inner fluid channel 132 facing the combustion chamber 146 is a roughened surface 146.
  • an outer surface 170 of the wall 168 of the inner fluid channel 132 is at least partially a roughened surface 164.
  • the outer surface 170 at the combustion chamber 146 facing the end 150 of the inner fluid channel 132 is a roughened surface 164.
  • a roughened surface 164 is to be understood in particular as meaning a surface processed to increase the roughness, for example a surface provided with a thread.
  • a surface 172 of an outer fluid channel 134 surrounding wall 174 is at least partially a roughened surface 164.
  • the second embodiment of the injector 130 shown in FIG. 5 is identical in construction and function to the first embodiment shown in FIGS. 3 and 4, so that reference is made to the above description thereof.
  • a third embodiment of an injector 130 shown in FIG. 6 essentially differs from the first embodiment shown in FIGS. 3 and 4 in that the guide channel 136 comprises a widening section 176.
  • the widening portion 176 of the guide channel 136 the cross-sectional area of the guide channel 136 taken perpendicular to the flow direction 142 increases continuously and steadily along the flow direction 142.
  • the widening portion 176 of the guide channel 136 extends from the mouth region 154 to the combustion chamber 146 facing the end 158 of the injector 130th
  • An angle a which encloses a surface 178 of the guide channel 136 with the exit plane 160, is preferably greater than 90 °, in particular approximately 120 °. As a result, a pressure recovery can be made possible. In particular, by the deflection of the flow at the outlet of the injector 130, an additional mixing of the fluids in the combustion chamber 146 can be generated.
  • Adjacent injectors 130 of the feed head 162 are preferably sized, configured and / or arranged such that the shear layers meet between the fluids of adjacent injectors 130.
  • the Coanda effect can be used for pressure recovery.
  • the third embodiment of the injector 130 shown in FIG. 6 is identical in construction and function to the first embodiment shown in FIGS. 3 and 4, so that reference is made to the above description thereof.
  • FIGS. 7 and 8 show variants of the wall 168 of the inner fluid channel 132, which can be used as an exchange for the walls 168 of the inner fluid channels 132 according to the described embodiments of the injector 130.
  • FIG. 7 shows an embodiment in which the wall 168 has a chamfer 180.
  • the chamfer 180 is arranged at the end 150 of the inner fluid channel 132 facing the combustion chamber 146 such that the wall 168 tapers in the flow direction 142 towards the end 150.
  • the wall 168 is conically tapered.
  • a surface jump at the end 150 of the inner fluid channel 132, at which an undesirable recirculation of the fluids could form, can be avoided.
  • a rounding 182 of the wall 168 is provided instead of the chamfer 180. Such a rounding 182 can also prevent a surface jump to avoid recirculation zones. Furthermore, by avoiding edges, undesirable separation of the fluid flow from the wall 168 can be prevented.
  • the rounding 182 of the wall 168 in particular allows a convex flow guidance of the guided in the outer fluid passage 134 fluid.
  • a fourth embodiment of an injector 130 shown in FIG. 9 differs from the first embodiment illustrated in FIGS. 3 and 4 essentially in that the injector 130 comprises a central fluid channel 184 in addition to the inner fluid channel 132 and the outer fluid channel 134.
  • the middle fluid channel 184 is disposed between the inner fluid channel 132 and the outer fluid channel 134.
  • the middle fluid channel 184 thus surrounds the inner fluid channel 132 and is itself surrounded by the outer fluid channel 134.
  • the middle fluid channel 184, the inner fluid channel 132 and the outer fluid channel 134 are arranged coaxially with one another and in particular have the same axis of symmetry 140.
  • the middle fluid channel 184 opens into the mouth region 154, in particular into the region 152 of minimum cross-sectional area of the outer fluid channel 134 and / or of the guide channel 136.
  • a third fluid in particular one of the first fluid, can be used and fluid other than the second fluid is supplied to the combustion chamber 146 by means of the injector 130.
  • anode exhaust gas is supplied from the fuel cell device 102 by means of the inner fluid channel 132
  • cathode exhaust gas is supplied from the fuel cell device 102 by means of the central fluid channel 184
  • additional fresh air or residual cathode exhaust gas is supplied from the fuel cell device 102 by means of the outer fluid channel 134 ,
  • the additional fresh air or the remaining cathode exhaust gas from the fuel cell device 102 is supplied in particular to increase the air ratio in the combustion chamber 146.
  • the guided in the outer fluid passage 134 fluid can serve in particular for cooling the wall 174.
  • cathode exhaust gas is supplied from the fuel cell device 102 by means of the inner fluid channel 132, that anode exhaust gas is supplied from the fuel cell device 102 by means of the middle fluid channel 184 and that additional fresh air or residual cathode exhaust gas is supplied from the fuel cell device 102 by means of the outer fluid channel 134 becomes.
  • the fuel-containing anode exhaust gas flow from the fuel cell device 102, which is supplied by means of the middle fluid channel 184, is thereby encased by the additional fresh air or the remaining cathode exhaust gas from the fuel cell device 102, which contains oxidants, and / or by means of the inner fluid channel 132 Cathode exhaust flow from the fuel cell device 102 penetrated. This can improve a mixture.
  • the fourth embodiment of an injector 130 shown in FIG. 9 is identical in construction and function to the first embodiment shown in FIGS. 3 and 4, so that reference is made to the above description thereof.
  • a roughened surface 164 according to the second embodiment of the injector 130 shown in FIG. 5 and / or a widening portion 176 of the guide channel 136 may also be provided, at least in sections, according to the third embodiment of FIG Injector 130 may be provided.
  • FIG. 10 shows a longitudinal section through a combustion chamber device 110, 112.
  • the combustion chamber device 110, 112 comprises a combustion chamber wall 186 bounding the combustion chamber 146.
  • the combustion chamber wall 186 heats up strongly.
  • the combustion chamber device 110, 112 has one or more cooling air channels 188 arranged in the feed head 162.
  • cool air can be flowed in parallel to the combustion chamber wall 186 in order to avoid direct contact of the flame in the combustion chamber 146 with the combustion chamber wall 186.
  • a fifth embodiment of an injector 130 shown in FIG. 11 essentially differs from the third embodiment shown in FIG. 6 in that the guide channel 136 comprises two constant sections 156 instead of the continuously and continuously widening section 176 of the guide channel 136.
  • the constant sections 156 taken separately along the flow direction 142, have constant cross-sectional areas.
  • the constant portions 156 are arranged sequentially with respect to the flow direction 142, so that an upstream constant portion 156a and a downstream constant portion 156b are formed.
  • the upstream constant portion 156a of the guide channel 136 adjoins the combustion chamber 146 facing the end 150 of the inner fluid channel 132 and to the combustion chamber 146 facing the end 148 of the outer fluid channel 134 at.
  • the downstream constant portion 156b adjoins, on the one hand, the upstream constant portion 156a and, on the other hand, the exit plane 160 of the feed head 162.
  • the upstream constant portion 156 a and the downstream constant portion 156 b have substantially the same axis of symmetry 140.
  • a cross-sectional area of the upstream-side constant portion 156a is smaller than a cross-sectional area of the downstream-side constant portion 156b.
  • a junction 190 between the upstream constant portion 156a and the downstream constant portion 156b is formed as a step 192, that is, as a surface jump.
  • a sixth embodiment of an injector 130 shown in FIG. 12 essentially differs from the fifth embodiment shown in FIG. 11 in that the upstream constant section 156a and the downstream constant section 156b have no common axis of symmetry 140.
  • downstream constant portion 156b is offset from the upstream constant portion 156a in a direction perpendicular to the flow direction 142.
  • a first embodiment of a feed head 162 shown in FIG. 13 comprises a multiplicity of injectors 130, which are arranged distributed on the feed head 162.
  • injectors 130 are provided according to the fifth embodiment shown in FIG.
  • the injectors 130 may be arranged uniformly or, as illustrated in FIG. 13, unevenly distributed on the feed head 162.
  • Uneven distribution of the injectors 130 results in non-uniform mixing of the fluids in the combustion chamber 146, which can improve the reliability and / or safety of the combustion.
  • a second embodiment of a feed head 162 shown in FIG. 14 differs from the first embodiment shown in FIG. 13 essentially in that the injectors 130 are arranged substantially circularly on the feed head 162.
  • An interior 194 between the circularly arranged injectors 130 is preferably selected to be so large that a large recirculation zone can form in the combustion chamber 146.
  • the second embodiment of the feeding head 162 shown in FIG. 14 is identical in construction and function to the first embodiment shown in FIG. 13, so that reference is made to the above description thereof.
  • a third embodiment of a feed head 162 shown in FIG. 15 essentially differs from the first embodiment shown in FIG. 13 in that the injectors 130 are arranged uniformly on the feed head 162. Preferably, however, the injectors 130 are operated unevenly, that is, individual injectors 130a are supplied with more fuel than the other injectors 130b.
  • the third embodiment of the feeding head 162 shown in FIG. 15 is identical in construction and function to the first embodiment shown in FIG. 13, so that reference is made to the above description thereof.
  • a fourth embodiment of a feed head 162 shown in FIGS. 16 and 17 essentially differs from the second embodiment shown in FIG. 14 in that the feed head 162 has an annular cooling air passage 188 according to the embodiment of the combustion chamber device 110, 112 shown in FIG.
  • cooling air channel 188 By means of the cooling air channel 188, in particular the combustion chamber wall 186 can be protected against overheating.
  • FIG. 17 shows a longitudinal section through the feed head 162 according to FIG. 16.
  • the fourth embodiment of the feeding head 162 shown in FIGS. 16 and 17 is the same in structure and function as the second embodiment shown in FIG. 14, so that reference is made to the above description thereof.
  • a fifth embodiment of a feed head 162 shown in FIGS. 18 and 19 differs from the fourth embodiment shown in FIGS. 16 and 17 essentially in that individual cooling air passages 188 are provided instead of the annular cooling air passage 188.
  • the cooling air channels 188 are arranged substantially annularly, in particular arranged alternately between the injectors 130.
  • air at a high pressure in particular a higher pressure than a pressure of the fluids supplied by means of the injectors 130, can be supplied.
  • an inner recirculation zone in the combustion chamber 146 can be reinforced.
  • a circle diameter of the circle on which the cooling air channels 188 are arranged is preferably larger than a circle diameter of the circle on which the injectors 130 are arranged.
  • the fifth embodiment of the feeding head 162 shown in FIGS. 18 and 19 is identical in construction and function to the fourth embodiment shown in FIGS. 16 and 17, so that reference is made to the above description thereof.
  • a sixth embodiment of a feed head 162 shown in FIG. 20 differs from the fifth embodiment shown in FIGS. 18 and 19 essentially in that the cooling air passages 188 are arranged on the same circular ring as the injectors 130. Otherwise, the sixth illustrated in FIG Embodiment of the feed head 162 in terms of structure and function with the fifth embodiment shown in Figures 18 and 19, so that reference is made to the preceding description thereof.
  • a seventh embodiment of an injector 130 shown in FIG. 21 differs from the first embodiment shown in FIGS. 3 and 4 essentially in that the inner fluid channel 132 and the outer fluid channel 134 do not have a common axis of symmetry 140. Rather, the inner fluid channel 132 eccentrically offset in the outer fluid channel 134 is arranged. An axis of symmetry 140 a of the inner fluid channel 132 is thus arranged offset parallel to an axis of symmetry 140 b of the outer fluid channel 132. By such a staggered arrangement, for example, a one-sided fuel richer shear layer for optimized combustion can be generated.
  • the seventh embodiment of an injector 130 shown in FIG. 21 is identical in construction and function to the first embodiment shown in FIGS. 3 and 4, so that reference is made to the above description thereof. Basically, one or more features of the described
  • Embodiments of combustion systems 100, injectors 130, and / or feedheads 162 for providing further preferred embodiments may be combined with each other as desired.

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Abstract

In order to produce a method, by means of which fuel, in particular fuel-containing exhaust gas of a high-temperature fuel cell device, can be burnt safely and reliably, the method involves the following steps: feeding fuel to the fuel cell device (102); evacuating exhaust gas from the fuel cell device (102), which exhaust gas contains fuel and preferably has higher pressure than atmospheric pressure; feeding the exhaust gas from the fuel cell device (102) as one of at least two fluids to a combustion chamber (146) of a combustion chamber device (110, 112) of the combustion device using an injector, the injector comprising an inner fluid channel, an outer fluid channel that surrounds the inner fluid channel in at least some regions, and a guiding channel, in particular, mixing channel, a first fluid being coaxially fed to the guiding channel by means of the inner fluid channel and a second fluid being coaxially fed to the guiding channel by means of the outer fluid channel at at least approximately the same speed of flow, a supply pressure of the first fluid corresponding at least approximately to a supply pressure of the second fluid.

Description

Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungssystems und  Method for operating a combustion system and
Verbrennungssystem  combustion system
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbren nungssystems und ein Verbrennungssystem. The present invention relates to a method of operating a combustion system and a combustion system.
Die DE 10 2005 011 005 AI, die DE 934 118 A, die DE 10 2008 060 560 AI, die DE 21 31 490 C2, die DE 1 551 797 A, die DE 102 33 161 AI, die DE 10 2005 011 005 AI, DE 934 118 A, DE 10 2008 060 560 AI, DE 21 31 490 C2, DE 1 551 797 A, DE 102 33 161 AI, the
WO 00/09945 AI und die JP 2011-089754 A betreffen verschiedene Aspekte von Brennervorrichtungen. WO 00/09945 Al and JP 2011-089754 A relate to various aspects of burner devices.
Insbesondere bei Verbrennungsvorrichtungen zum Verbrennen von brenn- stoffhaltigem Abgas einer Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung kann ein zuverlässiger Betrieb insbesondere durch Selbstzündung und Flammenrückschlag erschwert werden. In particular, in combustion devices for combusting fuel-containing exhaust gas of a high-temperature fuel cell device, a reliable operation, in particular by self-ignition and flashback can be made more difficult.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mittels welchem Brennstoff, insbesondere brennstoffhaltiges Abgas einer Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung, sicher und zuverlässig verbrannt werden kann. The invention has for its object to provide a method by means of which fuel, in particular fuel-containing exhaust gas of a high-temperature fuel cell device, can be safely and reliably burned.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungssystems gelöst, wobei das Verbrennungssystem eine beispielsweise als Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung ausgebildete Brennstoffzellenvorrichtung und eine Verbrennungsvorrichtung zum Verbrennen von brennstoffhaltigem Abgas der Brennstoffzellenvorrichtung umfasst. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren Folgendes: This object is achieved according to the invention by a method for operating a combustion system, wherein the combustion system comprises a fuel cell device formed for example as a high-temperature fuel cell device and a combustion device for burning fuel-containing exhaust gas of the fuel cell device. According to the invention, the method comprises:
Zuführen von Brennstoff zu der Brennstoffzellenvorrichtung; Abführen von Abgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung, welches Brennstoff umfasst und vorzugsweise einen gegenüber Atmosphärendruck erhöhten Druck aufweist; Supplying fuel to the fuel cell device; Discharging exhaust gas from the fuel cell device, which comprises fuel and preferably has a pressure increased from atmospheric pressure;
Zuführen des Abgases aus der Brennstoffzellenvorrichtung als eines von mindestens zwei Fluiden zu einem Brennraum einer Brennkammervorrichtung der Verbrennungsvorrichtung unter Verwendung eines Injektors, wobei der Injektor einen inneren Fluidkanal, einen den inneren Fluidkanal zumindest abschnittsweise umgebenden äußeren Fluidkanal und einen Führungskanal, insbesondere Mischkanal, umfasst,  Supplying the exhaust gas from the fuel cell device as one of at least two fluids to a combustion chamber of a combustion device of the combustion device using an injector, the injector comprising an inner fluid channel, an outer fluid channel at least partially surrounding the inner fluid channel and a guide channel, in particular a mixing channel;
wobei ein erstes Fluid mittels des inneren Fluidkanals und ein zweites wherein a first fluid by means of the inner fluid channel and a second
Fluid mittels des äußeren Fluidkanals koaxial mit zumindest näherungsweise gleicher Strömungsgeschwindigkeit dem Führungskanal zugeführt werden, Fluid are supplied by means of the outer fluid channel coaxially with at least approximately the same flow rate to the guide channel,
wobei ein Versorgungsdruck des ersten Fluids zumindest näherungsweise einem Versorgungsdruck des zweiten Fluids entspricht.  wherein a supply pressure of the first fluid at least approximately corresponds to a supply pressure of the second fluid.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungssystems weist vorzugsweise einzelne oder mehrere Merkmale und/oder Vorteile der nachfolgend beschriebenen Verbrennungsvorrichtung, des nachfolgend be- schriebenen Verbrennungssystems und/oder des nachfolgend beschriebenen Verfahrens zum Zuführen zweier Fluide zu einem Brennraum einer Brennkammervorrichtung auf. The method according to the invention for operating a combustion system preferably has one or more features and / or advantages of the combustion device described below, the combustion system described below, and / or the method described below for supplying two fluids to a combustion chamber of a combustion chamber device.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass unter Verwendung des Injektors ein Oxidator als ein weiteres Fluid der mindestens zwei Fluide zu dem Brennraum der Brennkammervorrichtung zugeführt wird . In one embodiment of the invention, it is provided that using the injector, an oxidizer is supplied as a further fluid of the at least two fluids to the combustion chamber of the combustion chamber device.
Ein Druck des Oxidators vor dessen Zuführung zu dem Injektor wird vorzugsweise mittels einer Kompressorvorrichtung einer Gasturbinenvorrichtung der Verbrennungsvorrichtung und/oder mittels einer separaten Kompressorvorrichtung so erhöht, dass der Druck des Oxidators zumindest näherungsweise dem Druck des brennstoffhaltigen Abgases aus der Brennstoffzellenvorrichtung entspricht. Der Oxidator ist insbesondere Luft. A pressure of the oxidizer before it is supplied to the injector is preferably increased by means of a compressor device of a gas turbine device of the combustion device and / or by means of a separate compressor device such that the pressure of the oxidizer at least approximately corresponds to the pressure of the fuel-containing exhaust gas from the fuel cell device. The oxidizer is especially air.
Günstig kann es sein, wenn die Verbrennungsvorrichtung mehrere Injektoren umfasst, mittels welchen dem Brennraum die mindestens zwei Fluide zugeführt werden, wobei den Injektoren Fluidströme mit voneinander verschiedenen Volumenströmen und/oder Massenströmen zugeführt werden. It may be favorable if the combustion device comprises a plurality of injectors, by means of which the at least two fluids are supplied to the combustion chamber, wherein the injectors are supplied with fluid streams having mutually different volume flows and / or mass flows.
Insbesondere dann, wenn den Injektoren Fluidströme mit voneinander ver- schiedenen Volumenströmen und/oder Massenströmen zugeführt werden, können in dem Brennraum Bereiche unterschiedlicher Mischungsverhältnisse der mindestens zwei Fluide gebildet werden. Hierdurch kann eine Zuverlässigkeit und Sicherheit der Verbrennung erhöht werden. Günstig kann es sein, wenn als eines der mindestens zwei Fluide ein Teilstrom eines Gesamtanodenabgasstroms aus der Brennstoffzellenvorrichtung der Verbrennungsvorrichtung zugeführt wird. In particular, when fluid flows having mutually different volume flows and / or mass flows are supplied to the injectors, regions of different mixing ratios of the at least two fluids can be formed in the combustion chamber. This can increase the reliability and safety of the combustion. It may be favorable if, as one of the at least two fluids, a partial flow of a total anode exhaust gas flow from the fuel cell device is supplied to the combustion device.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass als eines der mindestens zwei Fluide ein Teilstrom eines Gesamtkathodenabgasstroms aus der Brennstoffzellenvorrichtung der Verbrennungsvorrichtung zugeführt wird. Alternatively or additionally, it can be provided that as part of the at least two fluids, a partial flow of a Gesamtkathodenabgasstroms is supplied from the fuel cell device of the combustion device.
Vorteilhaft kann es sein, wenn als eines der mindestens zwei Fluide Anodenabgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung und als ein weiteres der mindestens zwei Fluide Kathodenabgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung der Verbrennungsvorrichtung zugeführt wird . It can be advantageous if, as one of the at least two fluids, anode exhaust gas is supplied from the fuel cell device and, as another of the at least two fluids, cathode exhaust gas is supplied from the fuel cell device to the combustion device.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass lediglich zwei Fluide zugeführt werden, wobei als eines der zwei Fluide ausschließlich Anodenabgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung und als ein weiteres der zwei Fluide ausschließlich Kathodenabgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung der Verbrennungsvorrichtung zugeführt wird. Günstig kann es sein, wenn die mindestens zwei Fluide derart von der Brennstoffzellenvorrichtung dem Führungskanal zugeführt werden, dass die mindestens zwei Fluide zwischen der Brennstoffzellenvorrichtung und dem Führungskanal zumindest näherungsweise denselben Gesamtdruckverlust aufwei- sen. For example, it can be provided that only two fluids are supplied, wherein as one of the two fluids exclusively anode exhaust gas from the fuel cell device and as another of the two fluids exclusively cathode exhaust gas from the fuel cell device of the combustion device is supplied. It may be favorable if the at least two fluids are supplied by the fuel cell device to the guide channel such that the at least two fluids between the fuel cell device and the guide channel have at least approximately the same total pressure loss.
Es kann vorgesehen sein, dass die mindestens zwei Fluide mit zumindest näherungsweise identischem Druck der Verbrennungsvorrichtung zugeführt werden. It can be provided that the at least two fluids are supplied to the combustion device with at least approximately identical pressure.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die mindestens zwei Fluide mit zumindest näherungsweise identischem Versorgungsdruck der Verbrennungsvorrichtung zugeführt werden. Innerhalb der Verbrennungsvorrichtung ergibt sich für die mindestens zwei Fluide vorzugsweise zumindest näherungsweise derselbe Druckverlust, insbesondere bis zum Erreichen der Brennkammer. In particular, it can be provided that the at least two fluids are supplied to the combustion device with at least approximately identical supply pressure. Within the combustion device, the at least two fluids preferably have at least approximately the same pressure loss, in particular until they reach the combustion chamber.
Ein Fluid, welches als eines von mindestens zwei Fluiden zugeführt wird, um- fasst vorzugsweise Umgebungsluft aus einer Umgebung des Verbrennungssystems oder ist durch Umgebungsluft aus einer Umgebung des Verbrennungssystems gebildet. A fluid supplied as one of at least two fluids preferably comprises ambient air from an environment of the combustion system or is formed by ambient air from an environment of the combustion system.
Umgebungsluft ist insbesondere Luft, welche nicht durch die Brennstoffzellen- Vorrichtung geführt wurde. Ambient air is in particular air which has not been passed through the fuel cell device.
Mittels einer Verbrennungsvorrichtung kann vorzugsweise brennstoffhaltiges Abgas einer Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung sicher und zuverlässig verbrannt werden. By means of a combustion device, preferably fuel-containing exhaust gas of a high-temperature fuel cell device can be burned safely and reliably.
Die Verbrennungsvorrichtung zum Verbrennen von brennstoffhaltigem Abgas einer Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung umfasst vorzugsweise Folgendes: eine Brennkammervorrichtung, welche einen Brennraum umfasst, und einen Injektor zum Zuführen von Brennstoff und Oxidator zu dem Brennraum, wobei der Injektor einen inneren Fluidkanal, einen den inneren Fluidkanal zumindest abschnittsweise umgebenden äußeren Fluidkanal und einen bezüglich einer Strömungsrichtung stromabwärts des inneren Fluidkanals angeordneten Führungskanal umfasst, The combustion device for combusting fuel-containing exhaust gas of a high temperature fuel cell device preferably includes: a combustion chamber device comprising a combustion chamber and an injector for supplying fuel and oxidizer to the combustion chamber, the injector comprising an inner fluid channel, an outer fluid channel at least partially surrounding the inner fluid channel and a guide channel arranged downstream of the inner fluid channel with respect to a flow direction,
wobei der äußere Fluidkanal einen sich verjüngenden Abschnitt umfasst, in welchem die Querschnittsfläche des äußeren Fluidkanals längs einer Strömungsrichtung von Fluiden in dem Injektor abnimmt, wherein the outer fluid channel comprises a tapered portion in which the cross-sectional area of the outer fluid channel decreases along a flow direction of fluids in the injector,
wobei der innere Fluidkanal und der äußere Fluidkanal in einem Bereich in den Führungskanal münden, in welchem die Querschnittsfläche des inneren Fluid- kanals, des äußeren Fluidkanals und/oder des Führungskanals minimal ist, wobei eine Querschnittsfläche des Führungskanals ausgehend von einem dem Brennraum zugewandten Ende des inneren Fluidkanals längs der Strömungsrichtung im Wesentlichen konstant ist oder zunimmt. Unter einer Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung ist in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen insbesondere eine Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) zu verstehen. wherein the inner fluid channel and the outer fluid channel open into a region in the guide channel, in which the cross-sectional area of the inner fluid channel, the outer fluid channel and / or the guide channel is minimal, wherein a cross-sectional area of the guide channel starting from a combustion chamber facing the end of inner fluid channel along the flow direction is substantially constant or increases. A high-temperature fuel cell device is to be understood in this specification and the appended claims in particular as a solid oxide fuel cell device (SOFC).
Ein Führungskanal des Injektors ist insbesondere ein Abschnitt des Injektors, in welchem mindestens zwei Fluide gemeinsam und ohne Trennung voneinander geführt werden. A guide channel of the injector is in particular a section of the injector in which at least two fluids are conducted together and without separation from each other.
Grundsätzlich kann somit im Führungskanal eine Durchmischung der mindestens zwei Fluide erfolgen. Der Führungskanal ist dann insbesondere ein Misch- kanal . In Abhängigkeit von einer gewählten Strömungsgeschwindigkeit der Fluide kann jedoch auch vorgesehen sein, dass eine Vermischung nur in sehr begrenztem Umfang, beispielsweise lediglich im Bereich einer Scherschicht zwischen den mindestens zwei Fluiden, erfolgt. Der innere Fluidkanal und der äußere Fluidkanal können beispielsweise koaxial oder parallel versetzt zueinander angeordnet sein. Die Querschnittsfläche des äußeren Fluidkanals nimmt in dem sich verjüngenden Abschnitt vorzugsweise kontinuierlich und/oder stetig ab. In principle, a mixing of the at least two fluids can thus take place in the guide channel. The guide channel is then in particular a mixing channel. Depending on a selected flow rate of the fluids, however, it may also be provided that mixing occurs only to a very limited extent, for example only in the region of a shear layer between the at least two fluids. The inner fluid channel and the outer fluid channel may be arranged, for example, coaxially or parallel offset from one another. The cross-sectional area of the outer fluid channel preferably decreases continuously and / or steadily in the tapered section.
Insbesondere weist der sich verjüngende Abschnitt des äußeren Fluidkanals vorzugsweise keinen Bereich auf, in welchem die Querschnittsfläche längs der Strömungsrichtung zunimmt. In particular, the tapered portion of the outer fluid channel preferably has no region in which the cross-sectional area increases along the flow direction.
Vorzugsweise ist ein Fluid ein Brennstoff und ein weiteres Fluid ein Oxidator. Preferably, one fluid is a fuel and another fluid is an oxidizer.
Es kann vorgesehen sein, dass der Brennstoff in dem inneren Fluidkanal oder in dem äußeren Fluidkanal geführt wird. Entsprechend kann vorgesehen sein, dass der Oxidator in dem äußeren Fluidkanal bzw. in dem inneren Fluidkanal geführt wird . It can be provided that the fuel is guided in the inner fluid channel or in the outer fluid channel. Accordingly, it can be provided that the oxidizer is guided in the outer fluid channel or in the inner fluid channel.
Eine Querschnittsfläche des Führungskanals entspricht in einem Mündungs- bereich des inneren Fluidkanals und des äußeren Fluidkanals vorzugsweise höchstens ungefähr der Summe der Querschnittsflächen des inneren Fluidkanals und des äußeren Fluidkanals an deren dem Brennraum zugewandten Enden. Der Führungskanal umfasst vorzugsweise einen sich erweiternden Abschnitt, in welchem die Querschnittsfläche des Führungskanals längs der Strömungsrichtung, insbesondere stetig und/oder kontinuierlich, zunimmt. A cross-sectional area of the guide channel preferably corresponds at most to approximately the sum of the cross-sectional areas of the inner fluid channel and the outer fluid channel at their ends facing the combustion chamber in an area of the inner fluid channel and the outer fluid channel. The guide channel preferably comprises a widening section in which the cross-sectional area of the guide channel increases along the flow direction, in particular continuously and / or continuously.
In dem sich erweiternden Abschnitt des Führungskanals existiert vorzugsweise kein Bereich, in welchem die Querschnittsfläche längs der Strömungsrichtung zunimmt. Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Führungskanal ausschließlich aus dem sich erweiternden Abschnitt besteht und sich der erweiternde Abschnitt vorzugsweise von einem dem Brennraum zugewandten Ende des inneren Fluidkanals bis zu einem dem Brennraum zugewandten Ende des Injektors erstreckt. In the flared portion of the guide channel, there is preferably no region in which the cross-sectional area increases along the flow direction. In one embodiment of the invention, it is provided that the guide channel consists exclusively of the widening section and the widening section preferably extends from an end of the inner fluid channel facing the combustion chamber to an end of the injector facing the combustion chamber.
Ein sich erweiternder Abschnitt des Führungskanals, in welchem die Querschnittsfläche des Führungskanals längs der Strömungsrichtung kontinuierlich und/oder stetig zunimmt, weist vorzugsweise keine Stufen, Kanten oder Vor- Sprünge auf. Somit kann eine unerwünschte Verwirbelung und/oder Ablösung eines Fluidstroms verhindert werden. An expanding section of the guide channel, in which the cross-sectional area of the guide channel increases continuously and / or steadily along the flow direction, preferably has no steps, edges or projections. Thus, an undesirable turbulence and / or separation of a fluid flow can be prevented.
Günstig kann es sein, wenn der Führungskanal einen oder mehrere konstante Abschnitte mit längs der Strömungsrichtung jeweils im Wesentlichen kon- stanten Querschnittsflächen umfasst. It may be favorable if the guide channel comprises one or more constant sections with respectively essentially constant cross-sectional areas along the flow direction.
Vorzugsweise umfasst der Führungskanal mindestens zwei konstante Abschnitte mit längs der Strömungsrichtung jeweils im Wesentlichen konstanten Querschnittsflächen, wobei die mindestens zwei konstanten Abschnitte längs der Strömungsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet sind, so dass ein stromaufwärts angeordneter konstanter Abschnitt des Führungskanals mit einer ersten Querschnittsfläche und ein auf den stromaufwärts angeordneten konstanten Abschnitt folgender, stromabwärts angeordneter konstanter Abschnitt des Führungskanals mit einer zweiten Querschnittsfläche vorgesehen sind, wobei die zweite Querschnittsfläche größer ist als die erste Querschnittsfläche. Preferably, the guide channel comprises at least two constant sections, each having substantially constant cross-sectional areas along the flow direction, the at least two constant sections being arranged sequentially along the flow direction such that an upstream, constant section of the guide channel has a first cross-sectional area and one upstream constant portion of the following downstream arranged constant portion of the guide channel having a second cross-sectional area, wherein the second cross-sectional area is greater than the first cross-sectional area.
Ein Übergangsbereich zwischen dem stromaufwärts angeordneten konstanten Abschnitt des Führungskanals und dem stromabwärts angeordneten konstan- ten Abschnitt des Führungskanals wird vorzugsweise durch eine sprungartige Querschnittsvergrößerung, eine Stufe und/oder durch eine Planeinsenkung, beispielsweise eine den stromabwärts angeordneten konstanten Abschnitt bildende, gefräste Planeinsenkung, gebildet. Günstig kann es sein, wenn der Führungskanal mindestens zwei aufeinanderfolgende Abschnitte umfasst, welche eine gemeinsame Symmetrieachse und/oder Mittelachse aufweisen. A transition region between the upstream constant section of the guide channel and the downstream constant section of the guide channel is preferably formed by a sudden cross-sectional enlargement, a step and / or by a Planeinsenkung, for example, the downstream arranged constant portion forming, milled Planeinsenkung. It may be favorable if the guide channel comprises at least two successive sections which have a common axis of symmetry and / or central axis.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass der Führungskanal mindestens zwei aufeinanderfolgende Abschnitte umfasst, welche voneinander verschiedene Symmetrieachsen und/oder Mittelachsen aufweisen. Günstig kann es sein, wenn der Führungskanal mindestens zwei Alternatively or additionally, it can be provided that the guide channel comprises at least two successive sections, which have mutually different axes of symmetry and / or central axes. It may be favorable if the guide channel at least two
aufeinanderfolgende Abschnitte umfasst, welche im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende Symmetrieachsen und/oder Mittelachsen aufweisen. comprises successive sections which have substantially parallel symmetry axes and / or central axes.
Es kann vorgesehen sein, dass ein bezüglich der Strömungsrichtung der Fluide stromabwärts angeordnetes Ende des Führungskanals, insbesondere eines konstanten Abschnitts oder eines sich erweiternden Abschnitts des Führungskanals, in den Brennraum der Brennkammervorrichtung mündet. It can be provided that an end of the guide channel arranged downstream with respect to the flow direction of the fluids, in particular a constant section or a widening section of the guide channel, opens into the combustion chamber of the combustion chamber device.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Wandung des inneren Fluidkanals, eine Wandung des äußeren Fluidkanals und/oder eine oder mehrere Wandungen eines oder mehrerer mittlerer Fluidkanäle und/oder eine Wandung des Führungskanals zumindest abschnittsweise eine aufgeraute Oberfläche aufweisen. Unter einer aufgerauten Oberfläche ist insbesondere eine Oberfläche zu verstehen, welche zur Erhöhung der Rauheit gezielt bearbeitet, beispielsweise mit einem Gewinde versehen, wurde. In one embodiment of the invention it is provided that a wall of the inner fluid channel, a wall of the outer fluid channel and / or one or more walls of one or more central fluid channels and / or a wall of the guide channel at least partially have a roughened surface. A roughened surface is to be understood as meaning, in particular, a surface which has been specifically processed, for example provided with a thread, to increase the roughness.
Günstig kann es sein, wenn eine Wandung des inneren Fluidkanals auf einer dem darin geführten Fluid zugewandten Innenseite und/oder auf einer dem darin geführten Fluid abgewandten Außenseite zumindest abschnittsweise mit einer aufgerauten Oberfläche versehen ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der innere Fluidkanal, der äußere Fluidkanal, ein oder mehrere mittlere Fluidkanäle und/oder der Führungskanal an dem jeweiligen dem Brennraum der Brennkammervorrichtung zugewandten Ende, insbesondere an einem dem Brennraum zugewandten Endbereich, zu- mindest abschnittsweise durch eine Wandung mit aufgerauter Oberfläche gebildet sind . It may be favorable if a wall of the inner fluid channel is provided at least in sections with a roughened surface on an inner side facing the fluid guided therein and / or on an outer side facing away from the fluid guided therein. In particular, it can be provided that the inner fluid channel, the outer fluid channel, one or more central fluid channels and / or the guide channel at the respective end facing the combustion chamber of the combustion chamber device, in particular at an end region facing the combustion chamber, at least in sections by a wall roughened surface are formed.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Verbrennungsvorrichtung eine Gasturbinenvorrichtung umfasst. It can be advantageous if the combustion device comprises a gas turbine device.
Die Brennkammervorrichtung kann beispielsweise eine Brennkammervorrichtung der Gasturbinenvorrichtung sein. The combustor device may be, for example, a combustor device of the gas turbine apparatus.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass die Brennkam- mervorrichtung eine von einer Brennkammervorrichtung der Gasturbinenvorrichtung verschiedene Brennkammervorrichtung ist. Alternatively or additionally, it can be provided that the combustion chamber device is a combustion chamber device that is different from a combustion chamber device of the gas turbine device.
Vorteilhaft kann es sein, wenn zumindest ein Abschnitt des Führungskanals oder der gesamte Führungskanal eine Länge aufweist, welche höchstens un- gefähr dem Produkt aus der mittleren Strömungsgeschwindigkeit der Fluide in dem Abschnitt des Führungskanals bzw. in dem gesamten Führungskanal und der Zündverzugszeit eines Gemisches der Fluide entspricht. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass der Injektor durch einen Flammenrückschlag beschädigt wird . It can be advantageous if at least a portion of the guide channel or the entire guide channel has a length which is at most approximately the product of the mean flow velocity of the fluids in the section of the guide channel or in the entire guide channel and the ignition delay time of a mixture of fluids equivalent. In this way it can be prevented that the injector is damaged by a flashback.
Es kann vorgesehen sein, dass der Injektor einen oder mehrere mittlere Fluidkanäle umfasst, welche zumindest abschnittsweise den inneren Fluidkanal umgeben und zumindest abschnittsweise von dem äußeren Fluidkanal umgeben sind . It can be provided that the injector comprises one or more central fluid channels which at least partially surround the inner fluid channel and are at least partially surrounded by the outer fluid channel.
Der innere Fluidkanal, der äußere Fluidkanal und der eine mittlere Fluidkanal oder die mehreren mittleren Fluidkanäle sind vorzugsweise koaxial oder parallel versetzt zueinander angeordnet. Insbesondere weisen der innere Fluidkanal, der äußere Fluidkanal und der eine oder die mehreren mittleren Fluidkanäle eine gemeinsame Symmetrieachse und/oder Mittelachse auf. The inner fluid channel, the outer fluid channel and the one middle fluid channel or the plurality of central fluid channels are preferably arranged coaxially or parallel offset from one another. In particular, the inner fluid channel, the outer fluid channel and the one or more central fluid channels have a common axis of symmetry and / or central axis.
Vorzugsweise weisen der innere Fluidkanal, der äußere Fluidkanal und/oder der eine mittlere Fluidkanal oder die mehreren mittleren Fluidkanäle jeweils einen oder mehrere sich verjüngende Abschnitte auf. Vorzugsweise sind der innere Fluidkanal, der äußere Fluidkanal und/oder der eine oder die mehreren mittleren Fluidkanäle so relativ zueinander angeordnet und/oder so ausgebildet, dass der innere Fluidkanal, der äußere Fluidkanal und/oder der eine oder die mehreren mittleren Fluidkanäle keinen sich erweiternden Abschnitt umfassen, in welchem die Querschnittsfläche längs der Strömungsrichtung zunimmt. Preferably, the inner fluid channel, the outer fluid channel and / or the one middle fluid channel or the plurality of middle fluid channels each have one or more tapered portions. Preferably, the inner fluid channel, the outer fluid channel and / or the one or more central fluid channels are arranged and / or configured such that the inner fluid channel, the outer fluid channel and / or the one or more middle fluid channels do not widen Include section in which increases the cross-sectional area along the flow direction.
Vorzugsweise sind sich verjüngende Abschnitte des inneren Fluidkanals, des äußeren Fluidkanals und/oder des einen oder der mehreren mittleren Fluidkanäle bezüglich einer senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufenden Rich- tung benachbart zueinander angeordnet. Preferably, tapered portions of the inner fluid channel, the outer fluid channel and / or the one or more central fluid channels are disposed adjacent to each other with respect to a direction perpendicular to the flow direction.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass ein sich verjüngender Abschnitt des äußeren Fluidkanals einen sich verjüngenden Abschnitt des einen oder der mehreren mittleren Fluidkanäle und/oder einen sich verjüngenden Abschnitt des inneren Fluidkanals beispielsweise ringförmig umgibt. In particular, it can be provided that a tapered section of the outer fluid channel surrounds a tapered section of the one or more central fluid channels and / or a tapered section of the inner fluid channel, for example annularly.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verbrennungsvorrichtung mehrere Injektoren, insbesondere mehrere gleichdimensionierte und/oder unterschiedlich dimensionierte Injektoren, umfasst. In one embodiment of the invention, it is provided that the combustion device comprises a plurality of injectors, in particular a plurality of equally dimensioned and / or differently dimensioned injectors.
Es kann vorgesehen sein, dass die Injektoren gleichmäßig verteilt an einem Zuführkopf der Brennkammervorrichtung angeordnet sind, insbesondere um den Brennraum der Brennkammervorrichtung gleichmäßig mit Fluid, insbesondere Brennstoff und Oxidator, zu versorgen. It can be provided that the injectors are arranged evenly distributed on a feed head of the combustion chamber device, in particular to to provide the combustion chamber of the combustion chamber device uniformly with fluid, in particular fuel and oxidizer.
Vorteilhaft kann es jedoch sein, wenn die Injektoren ungleichmäßig verteilt an dem Zuführkopf der Brennkammervorrichtung angeordnet sind . Hierdurch kann eine ungleichmäßige Zuführung der Fluide, insbesondere des Brennstoffs und des Oxidators, zu dem Brennraum der Brennkammervorrichtung erfolgen, wodurch eine zuverlässigere und/oder sicherere Zündung und/oder Verbrennung erfolgen kann. However, it can be advantageous if the injectors are arranged unevenly distributed on the feed head of the combustion chamber device. As a result, an uneven supply of fluids, in particular of the fuel and the oxidizer, take place to the combustion chamber of the combustion chamber device, whereby a more reliable and / or safer ignition and / or combustion can take place.
Die Verbrennungsvorrichtung eignet sich insbesondere zur Verwendung in einem Verbrennungssystem. The combustion device is particularly suitable for use in a combustion system.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verbrennungssystem. The present invention further relates to a combustion system.
Der Erfindung liegt diesbezüglich die Aufgabe zugrunde, ein Verbrennungssystem bereitzustellen, mittels welchem insbesondere brennstoffhaltiges Abgas einer Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung sicher und zuverlässig verbrannt werden kann. The invention is in this respect the task of providing a combustion system by means of which in particular fuel-containing exhaust gas of a high-temperature fuel cell device can be safely and reliably burned.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verbrennungssystem gelöst, welches eine beispielsweise als Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung ausgebildete Brennstoffzellenvorrichtung und eine Verbrennungsvorrichtung zum Verbrennen von brennstoffhaltigem Abgas der Brennstoffzellenvorrich- tung umfasst. According to the invention, this object is achieved by a combustion system which comprises a fuel cell device configured for example as a high-temperature fuel cell device and a combustion device for combusting fuel-containing exhaust gas of the fuel cell device.
Vorzugsweise umfasst die Verbrennungsvorrichtung eine Brennkammervorrichtung, welche einen Brennraum umfasst, und einen Injektor zum Zuführen von Brennstoff und Oxidator zu dem Brennraum. Preferably, the combustion device comprises a combustion chamber device comprising a combustion chamber and an injector for supplying fuel and oxidizer to the combustion chamber.
Der Injektor umfasst vorzugsweise einen inneren Fluidkanal, einen den inneren Fluidkanal zumindest abschnittweise umgebenden äußeren Fluidkanal und einen bezüglich einer Strömungsrichtung stromabwärts des inneren Fluidka- nals angeordneten Führungskanal. The injector preferably comprises an inner fluid channel, an outer fluid channel surrounding the inner fluid channel at least in sections a guide channel arranged with respect to a flow direction downstream of the inner fluid channel.
Der Führungskanal mündet vorzugsweise in den Brennraum. The guide channel preferably opens into the combustion chamber.
Eine Anoden-Abgasleitung der Brennstoffzellenvorrichtung und/oder eine Kathoden-Abgasleitung der Brennstoffzellenvorrichtung ist vorzugsweise mit dem Injektor fluidwirksam verbunden, so dass mittels mindestens eines Fluid- kanals des Injektors ein Anoden-Abgasstrom und/oder ein Kathoden-Abgas- ström der Brennstoffzellenvorrichtung dem Brennraum zuführbar ist. An anode exhaust pipe of the fuel cell device and / or a cathode exhaust pipe of the fuel cell device is preferably fluidly connected to the injector, so that by means of at least one fluid channel of the injector an anode exhaust stream and / or a cathode Abgasström the fuel cell device the combustion chamber can be fed.
Günstig kann es sein, wenn ein erstes Fluid mittels des inneren Fluidkanals und ein zweites Fluid mittels des äußeren Fluidkanals koaxial mit zumindest näherungsweise gleicher Strömungsgeschwindigkeit dem Führungskanal zu- führbar sind . It can be favorable if a first fluid can be supplied to the guide channel coaxially with at least approximately the same flow velocity by means of the inner fluid channel and a second fluid by means of the outer fluid channel.
Ein Versorgungsdruck des ersten Fluids entspricht vorzugsweise zumindest näherungsweise einem Versorgungsdruck des zweiten Fluids. Das Verbrennungssystem, insbesondere die Verbrennungsvorrichtung und die Brennstoffzellenvorrichtung, sind vorzugsweise derart ausgebildet und/oder eingerichtet und/oder miteinander verbunden, dass die Fluide mit zumindest näherungsweise gleicher Strömungsgeschwindigkeit dem Führungskanal zuführbar sind und/oder dass ein Versorgungsdruck des ersten Fluids zumindest näherungsweise einem Versorgungsdruck des zweiten Fluids entspricht. A supply pressure of the first fluid preferably corresponds at least approximately to a supply pressure of the second fluid. The combustion system, in particular the combustion device and the fuel cell device, are preferably designed and / or set up and / or connected to one another such that the fluids can be supplied to the guide channel with at least approximately the same flow velocity and / or that a supply pressure of the first fluid is at least approximately equal to a supply pressure of the first fluid second fluid corresponds.
Günstig kann es sein, wenn die Anoden-Abgasleitung der Brennstoffzellenvorrichtung mit einem ersten Fluidkanal des Injektors und die Kathoden-Abgasleitung der Brennstoffzellenvorrichtung mit einem zweiten Fluidkanal des Injek- tors fluidwirksam verbunden ist, wobei der Anoden-Abgasstrom und derIt may be favorable if the anode exhaust gas line of the fuel cell device is fluidically connected to a first fluid channel of the injector and the cathode exhaust gas line of the fuel cell device is connected to a second fluid channel of the injector, wherein the anode exhaust gas stream and the
Kathoden-Abgasstrom mittels des Injektors zusammenführbar und gemeinsam dem Brennraum zuführbar sind. Das Verbrennungssystem umfasst vorzugsweise eine Fluidführung, mittels welcher ein Fluidstrom, der vorzugsweise einen gegenüber Atmosphärendruck erhöhten Druck aufweist, als Brennstoffstrom mit Brennstoffüberschuss der Brennstoffzellenvorrichtung zuführbar ist, anschließend zumindest teilweise als Brennstoffstrom mittels des Injektors dem Brennraum zuführbar ist und anschließend über eine Turbinenvorrichtung einer Gasturbinenvorrichtung der Verbrennungsvorrichtung entspannbar ist. Cathode exhaust gas flow can be brought together by means of the injector and jointly fed to the combustion chamber. The combustion system preferably comprises a fluid guide, by means of which a fluid flow, which preferably has a pressure increased relative to atmospheric pressure, as fuel flow with fuel surplus of the fuel cell device can be supplied, then at least partially fed as fuel flow by means of the injector to the combustion chamber and then via a turbine device of a gas turbine device Combustion device is relaxing.
Es kann vorgesehen sein, dass die Verbrennungsvorrichtung eine Gasturbi- nenvorrichtung umfasst und dass die Brennkammervorrichtung eine Brennkammervorrichtung der Gasturbinenvorrichtung ist. It can be provided that the combustion device comprises a gas turbine device and that the combustion chamber device is a combustion chamber device of the gas turbine device.
Zumindest ein Abschnitt des Führungskanals, insbesondere der gesamte Führungskanal, weist vorzugsweise ein Länge auf, welche höchstens ungefähr dem Produkt aus der mittleren Strömungsgeschwindigkeit der Fluide in diesem Abschnitt bzw. in dem gesamten Führungskanal und der Zündverzugszeit eines Gemisches der Fluide entspricht. At least a portion of the guide channel, in particular the entire guide channel, preferably has a length which corresponds at most approximately to the product of the mean flow velocity of the fluids in this section or in the entire guide channel and the ignition delay time of a mixture of the fluids.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Ver- brennungssystem eine Kompressorvorrichtung umfasst, mittels welcher ein Versorgungsdruck eines mittels des Injektors dem Brennraum zuzuführenden Fluids an einen Versorgungsdruck eines aus der Brennstoffzellenvorrichtung abgeführten und ebenfalls mittels des Injektors dem Brennraum zuzuführenden Fluids anpassbar, insbesondere angleichbar, ist. In one embodiment of the invention, it may be provided that the combustion system comprises a compressor device, by means of which a supply pressure of a fluid to be supplied to the combustion chamber by means of the injector can be adapted to a supply pressure of a fluid discharged from the fuel cell device and also supplied to the combustion chamber by means of the injector, in particular is comparable.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass das Verbrennungssystem eine Kompressorvorrichtung umfasst, mittels welcher eine Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids beim Einströmen desselben in den Alternatively or additionally, it can be provided that the combustion system comprises a compressor device, by means of which a flow velocity of a fluid as it flows into the
Führungskanal an eine Strömungsgeschwindigkeit eines weiteren Fluids an- passbar, insbesondere angleichbar, ist, wobei das weitere Fluid insbesondere ein aus der Brennstoffzellenvorrichtung abgeführtes und ebenfalls mittels des Injektors dem Brennraum zuzuführendes Fluid ist. Ein Versorgungsdruck ist insbesondere ein an einem Anschluss der Verbrennungsvorrichtung anliegender Druck eines Fluids. Guide channel to a flow rate of another fluid adaptable, in particular equalizable, is, wherein the further fluid is in particular a discharged from the fuel cell device and also supplied to the combustion chamber by means of the injector fluid. A supply pressure is, in particular, a pressure of a fluid present at a connection of the combustion device.
Ferner kann vorgesehen sein, dass ein Versorgungsdruck ein Druck eines Fluids an einem Auslass der Brennstoffzellenvorrichtung ist. Furthermore, it can be provided that a supply pressure is a pressure of a fluid at an outlet of the fuel cell device.
Unter der Formulierung "zumindest näherungsweise" und/oder "im Wesentlichen" ist in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen insbesondere eine Abweichung von höchstens ungefähr 50 %, beispielsweise höchstens ungefähr 20 %, insbesondere höchstens ungefähr 10 %, vorzugsweise höchstens ungefähr 5 %, zu verstehen. By the terms "at least approximately" and / or "substantially" in this specification and the appended claims, in particular, a deviation of at most about 50%, for example at most about 20%, in particular at most about 10%, preferably at most about 5%, too understand.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt vorzugsweise keine Eindüsung eines erstens Fluids in ein zweites Fluid . Vielmehr ist vorzugsweise vorgese- hen, dass zwei Fluide gleichmäßig gemeinsam einem Führungskanal zugeführt und mittels des Führungskanals dem Brennraum zugeführt werden. In the method according to the invention, preferably no injection of a first fluid into a second fluid takes place. Rather, it is preferably provided that two fluids are uniformly supplied together to a guide channel and fed to the combustion chamber by means of the guide channel.
Vorzugsweise ist eine koaxiale Zuführung mit gleichen oder nur minimal unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten vorgesehen. Preferably, a coaxial feed with the same or only minimally different flow rates is provided.
Hierdurch ergeben sich insbesondere höchstens sehr schwache Scherschichten, so dass allenfalls eine sehr leichte Vermischung (insbesondere aufgrund von Diffusion und geringen Scherkräften) stattfindet. Die Zusammenführung der mindestens zwei Fluide erfolgt insbesondere nicht wie bei einem Diffusionsbrenner. In particular, this results in at most very weak shearing layers, so that at most a very slight mixing takes place (in particular due to diffusion and low shear forces). In particular, the merging of the at least two fluids does not take place as in the case of a diffusion burner.
Vorzugsweise wird eine möglichst rezirkulationsfreie und scherschichtfreie koaxiale Strömungszuführung mit einer Luftmantelschicht realisiert, um hochreaktive Fluide, insbesondere brennstoffhaltiges Abgas, der Brennkammer zuzuführen. Vorzugsweise erfolgt eine Stabilisierung nicht an einem Ende des inneren Fluidkanals (mittlere Düse). Vorzugsweise wird das Prinzip der reinen Diffusionsverbrennung verhindert. Insbesondere wird ausreichend heißes Brennkammer-Abgas stromaufwärts der Wärmefreisetzungszone in die Luftmantelschicht und/oder in das zugeführte brennstoffhaltige Fluid eingemischt, um die Flamme zu stabilisieren und durch die Inertisierung die Verbrennungstemperatur abzusenken. Preferably, a recirculation-free and shear-layer-free coaxial flow supply is preferably realized with an air jacket layer to supply highly reactive fluids, in particular fuel-containing exhaust gas, the combustion chamber. Preferably, stabilization does not occur at one end of the inner fluid channel (middle nozzle). Preferably, the principle of pure diffusion combustion is prevented. In particular, sufficiently hot combustor off-gas is mixed upstream of the heat release zone into the air jacket layer and / or into the supplied fuel-containing fluid to stabilize the flame and lower the combustion temperature by the inertization.
Vorzugsweise ist der Injektor so ausgelegt, dass das mittels des inneren Fluid- kanals zugeführte Fluid im Führungskanal möglichst ungestört von dem mittels des äußeren Fluidkanals zugeführten Fluid umgeben und möglichst ungestört dem Brennraum zuführbar ist. Preferably, the injector is designed so that the fluid supplied by means of the inner fluid channel in the guide channel as undisturbed surrounded by the fluid supplied by the outer fluid channel and as undisturbed fed to the combustion chamber.
Insbesondere dann, wenn als Fluide Kathodenabgas und Anodenabgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung zugeführt werden, werden die Fluiddrücke, insbesondere die Versorgungsdrücke, vorzugsweise gleich gewählt, so dass eine Beschädigung der Brennstoffzellenvorrichtung aufgrund zu hoher Druckgradienten verhindert werden kann. In particular, when cathode exhaust gas and anode exhaust gas are supplied as fluids from the fuel cell device, the fluid pressures, in particular the supply pressures, are preferably selected to be equal, so that damage to the fuel cell device due to excessive pressure gradients can be prevented.
Das Verbrennungssystem, insbesondere die Verbrennungsvorrichtung, ist vorzugsweise so ausgelegt, dass sich eine hohe Sicherheit gegenüber einem Flammenrückschlag ergibt. Insbesondere ist hierfür eine Mischung oder Zusammenführung der Fluide an der engsten Stelle des Injektors vorgesehen. The combustion system, in particular the combustion device is preferably designed so that there is a high level of security against a flashback. In particular, a mixture or merging of the fluids at the narrowest point of the injector is provided for this purpose.
Vorzugsweise ist eine quasi rezirkulationsfreie Mischungszone ohne Flächensprünge oder sonstige Störungen in der Nähe des Injektors vorgesehen. Preferably, a virtually recirculation-free mixing zone without surface jumps or other disturbances in the vicinity of the injector is provided.
Mittels einer ungestörten Luftmantelschicht und einer vorgegebenen Länge des Führungskanals (Mischungslänge) kann vorzugsweise ermöglicht werden, dass kein reiner Diffusionsbrenner entsteht und eine Flammenstabilisierung frühestens am Flächensprung im Bereich des Brennkammereintritts und/oder wäh- rend oder nach der Einmischung von Verbrennungsabgas stattfindet. Vorzugsweise sind die maximalen Strömungsgeschwindigkeiten der mindestens zwei Fluide bei der Zuführung derselben zu dem Führungskanal zumindest näherungsweise identisch. Vorzugsweise ist eine Strömungsführung des Brennstoffzellensystems so gestaltet, dass ausgehend von der Brennstoffzellenvorrichtung bis zur Brennkammer gleiche Druckverluste in beiden Fluidströmungen bis zum Zusammentreffen (im Führungskanal) vorherrschen, insbesondere um die Druckrückwirkung auf die Brennstoffzellenvorrichtung so zu gestalten, dass kein Druckunterschied zwischen Anodenseite und Kathodenseite entsteht. By means of an undisturbed air jacket layer and a predetermined length of the guide channel (mixing length) can preferably be made possible that no pure diffusion burner is formed and flame stabilization takes place at the earliest at the surface jump in the region of the combustion chamber inlet and / or during or after the mixing of combustion exhaust gas. Preferably, the maximum flow velocities of the at least two fluids in the supply of the same to the guide channel are at least approximately identical. Preferably, a flow guide of the fuel cell system is designed so that from the fuel cell device to the combustion chamber equal pressure losses prevail in both fluid flows to the meeting (in the guide channel), in particular to make the pressure feedback to the fuel cell device so that no pressure difference between the anode side and cathode side ,
Insbesondere an den Brennstoffzellenauslässen liegen vorzugsweise identische Drücke vor. Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass die Anoden-Abgasleitung mit einem inneren, einem äußeren oder einem mittleren Fluidkanal fluidwirksam verbunden ist, so dass dem Brennraum mittels des inneren Fluidkanals, des äußeren Fluidkanals bzw. des mittleren Fluidkanals ein als Anoden-Abgasstrom ausgebildetes Fluid zuführbar ist. In particular, at the fuel cell outlets are preferably identical pressures. In principle, it may be provided that the anode exhaust gas line is fluidically connected to an inner, an outer or a middle fluid channel, so that a fluid designed as an anode exhaust gas stream can be supplied to the combustion chamber by means of the inner fluid channel, the outer fluid channel or the middle fluid channel ,
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Kathoden-Abgasleitung mit dem inneren, dem äußeren und/oder dem mittleren Fluidkanal fluidwirksam verbunden ist, so dass mittels des inneren, des äußeren und/oder des mittleren Fluidkanals ein als Kathoden-Abgasstrom ausgebildetes Fluid dem Brennraum zuführ- bar ist. Furthermore, it can be provided that the cathode exhaust gas line is fluidically connected to the inner, the outer and / or the middle fluid channel, so that by means of the inner, the outer and / or the middle fluid channel, a fluid formed as a cathode exhaust gas flow to the combustion chamber - is bar.
Das erfindungsgemäße Verbrennungssystem weist vorzugsweise einzelne oder mehrere Merkmale und/oder Vorteile der Verbrennungsvorrichtung auf. Günstig kann es sein, wenn die Anoden-Abgasleitung der Brennstoffzellenvorrichtung mit einem ersten Fluidkanal des Injektors und die Kathoden-Abgasleitung der Brennstoffzellenvorrichtung mit einem zweiten Fluidkanal des Injektors fluidwirksam verbunden ist, so dass der Anoden-Abgasstrom und der Kathoden-Abgasstrom mittels des Injektors zusammenführbar und, insbesondere gemeinsam, dem Brennraum zuführbar sind. The combustion system according to the invention preferably has one or more features and / or advantages of the combustion device. It may be favorable if the anode exhaust gas line of the fuel cell device is fluidically connected to a first fluid channel of the injector and the cathode exhaust gas line of the fuel cell device is connected to a second fluid channel of the injector such that the anode exhaust gas stream and the Cathode exhaust gas flow can be brought together by means of the injector and, in particular together, fed to the combustion chamber.
Der erste Fluidkanal und der zweite Fluidkanal sind dabei vorzugsweise vonei- nander verschiedene Fluidkanäle, beispielsweise der innere Fluidkanal und der äußere Fluidkanal. The first fluid channel and the second fluid channel are preferably different fluid channels from one another, for example the inner fluid channel and the outer fluid channel.
Günstig kann es sein, wenn die Gasturbinenvorrichtung eine Kompressorvorrichtung umfasst, mittels welcher der Brennstoffstrom vor der Zuführung zur Brennstoffzellenvorrichtung und/oder ein Oxidatorstrom vor der Zuführung zur Brennstoffzellenvorrichtung verdichtet werden kann. It may be favorable if the gas turbine device comprises a compressor device by means of which the fuel stream can be compressed prior to being fed to the fuel cell device and / or an oxidizer stream can be compressed before being fed to the fuel cell device.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass mittels der Kompressorvorrichtung ein Oxidatorstrom und/oder ein Brennstoffstrom so verdichtbar sind, dass der Oxidatorstrom und/oder der Brennstoffstrom in der Brennstoffzellenvorrichtung im Wesentlichen denselben Druck aufweisen . In particular, it can be provided that an oxidizer flow and / or a fuel flow can be compressed by means of the compressor device such that the oxidizer flow and / or the fuel flow in the fuel cell device have substantially the same pressure.
Das erfindungsgemäße Verbrennungssystem eignet sich insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens zum Zuführen zweier Fluide zu einem Brenn- räum einer Brennkammervorrichtung. The combustion system according to the invention is particularly suitable for carrying out a method for supplying two fluids to a combustion chamber of a combustion chamber device.
Vorliegend wird ferner ein Verfahren zum Zuführen zweier Fluide zu einem Brennraum einer Brennkammervorrichtung beschrieben. Das Verfahren zum Zuführen zweier Fluide zu einem Brennraum einer Brennkammervorrichtung wird vorzugsweise unter Verwendung eines Injektors durchgeführt, wobei der Injektor einen inneren Fluidkanal, einen den inneren Fluidkanal zumindest abschnittsweise umgebenden äußeren Fluidkanal und einen Führungskanal umfasst. Insbesondere werden ein erstes Fluid mittels des inneren Fluidkanals und ein zweites Fluid mittels des äußeren Fluidkanals in einem Bereich des Injektors dem Führungskanal zugeführt, in welchem eine Strömungsgeschwindigkeit des ersten Fluids und/oder des zweiten Fluids maximal ist. Vorzugsweise entspricht ein Druck des ersten Fluids zumindest näherungsweise einem Druck des zweiten Fluids. Vorzugsweise umfasst der äußere Fluidkanal einen sich verjüngenden Abschnitt, in welchem die Querschnittsfläche des äußeren Fluidkanals längs einer Strömungsrichtung der Fluide in dem Injektor abnimmt. Hierdurch erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit des in dem äußeren Fluidkanal geführten Fluids. Ein Führungskanal des Injektors, welcher auf den inneren Fluidkanal und/oder den äußeren Fluidkanal folgt, das heißt, welcher stromabwärts des inneren Fluidkanals und/oder des äußeren Fluidkanals angeordnet ist, weist vorzugsweise eine Querschnittsfläche auf, welche längs der Strömungsrichtung konstant ist oder zunimmt. Im Führungskanal des Injektors bleibt die Strömungsgeschwindigkeit der darin geführten Fluide somit im Wesentlichen konstant bzw. wird reduziert. In the present case, a method for supplying two fluids to a combustion chamber of a combustion chamber device is also described. The method for supplying two fluids to a combustion chamber of a combustion chamber device is preferably carried out using an injector, wherein the injector comprises an inner fluid channel, an outer fluid channel at least partially surrounding the inner fluid channel and a guide channel. In particular, a first fluid is supplied by means of the inner fluid channel and a second fluid by means of the outer fluid channel in a region of the injector to the guide channel, in which a flow rate of the first fluid and / or the second fluid is maximum. Preferably, a pressure of the first fluid at least approximately corresponds to a pressure of the second fluid. Preferably, the outer fluid channel includes a tapered portion in which the cross-sectional area of the outer fluid channel decreases along a flow direction of the fluids in the injector. This increases the flow velocity of the fluid guided in the outer fluid channel. A guide channel of the injector which follows the inner fluid channel and / or the outer fluid channel, that is, which is arranged downstream of the inner fluid channel and / or the outer fluid channel, preferably has a cross-sectional area which is constant or increases along the flow direction. In the guide channel of the injector, the flow rate of the fluids guided therein thus remains substantially constant or is reduced.
Das erste Fluid oder das zweite Fluid kann beispielsweise ein insbesondere gasförmiger Brennstoff, insbesondere brennstoffhaltiges Abgas einer Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung, sein. Entsprechend ist das zweite Fluid bzw. das erste Fluid vorzugsweise ein Oxidator, beispielsweise Luft oder sauerstoffhaltiges Abgas einer Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung . The first fluid or the second fluid may for example be a particular gaseous fuel, in particular fuel-containing exhaust gas of a high-temperature fuel cell device. Accordingly, the second fluid or the first fluid is preferably an oxidizer, for example air or oxygen-containing exhaust gas of a high-temperature fuel cell device.
Das Verfahren zum Zuführen zweier Fluide zu einem Brennraum einer Brennkammervorrichtung unter Verwendung eines Injektors weist vorzugsweise ein- zelne oder mehrere Merkmale und/oder Vorteile der Verbrennungsvorrichtung und/oder des erfindungsgemäßen Verbrennungssystems auf. The method for supplying two fluids to a combustion chamber of a combustion chamber device using an injector preferably has one or more features and / or advantages of the combustion device and / or the combustion system according to the invention.
Die Verbrennungsvorrichtung und/oder das Verbrennungssystem weisen vorzugsweise eine Steuerungsvorrichtung zur Steuerung der Verbrennungsvor- richtung bzw. des Verbrennungssystems auf. The combustion device and / or the combustion system preferably have a control device for controlling the combustion device or the combustion system.
Insbesondere ist die Steuerungsvorrichtung so ausgebildet und eingerichtet, dass mittels der Verbrennungsvorrichtung und/oder des Verbrennungssystems einzelne oder mehrere der in dieser Beschreibung und/oder den beigefügten Ansprüchen genannten Verfahrensschritte durchführbar sind. In particular, the control device is designed and arranged such that by means of the combustion device and / or the combustion system one or more of the method steps mentioned in this description and / or the appended claims are feasible.
Die Verbrennungsvorrichtung, das Verbrennungssystem, das Verfahren zum Zuführen zweier Fluide zu einem Brennraum und/oder das Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungssystems können ferner einzelne oder mehrere der nachfolgend beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile aufweisen : The combustion device, the combustion system, the method for supplying two fluids to a combustion chamber and / or the method for operating a combustion system may furthermore have one or more of the features and / or advantages described below:
Als ein Fluid kann beispielsweise wasserstoffhaltiges Abgas einer Brennstoff- Zellenvorrichtung verwendet werden. As a fluid, for example, hydrogen-containing exhaust gas of a fuel cell device may be used.
Vorzugsweise weist mindestens ein Fluid vor der Zuführung zu dem Injektor eine Temperatur von mindestens ungefähr 200 °C, beispielsweise mindestens ungefähr 400 °C, insbesondere mindestens ungefähr 600 °C, auf. Preferably, at least one fluid has a temperature of at least about 200 ° C, for example at least about 400 ° C, especially at least about 600 ° C, prior to delivery to the injector.
Vorzugsweise besteht lediglich ein geringer, insbesondere kein, Druckunterschied zwischen den Fluiden, insbesondere zwischen einem Brennstoffstrom und einem Oxidationsstrom. Insbesondere bei dem Vormischen oder Teilvormischen von Brennstoff und Oxidator besteht ein hohes Risiko an Flammenrückschlag und Selbstzündung. Preferably, there is only a slight, in particular no, pressure difference between the fluids, in particular between a fuel stream and an oxidation stream. Especially in the premixing or partial premixing of fuel and oxidizer, there is a high risk of flashback and auto-ignition.
Insbesondere dann, wenn ein Brennstoffstrom einen relativ geringen Druck aufweist, kann keine hohe Einströmgeschwindigkeit in eine Brennkammer zur Minimierung des Risikos für Selbstzündung und Flammenrückschlag realisiert werden. Vorzugsweise werden diese Nachteile durch die Erfindung kompensiert oder treten nicht auf. In particular, when a fuel flow has a relatively low pressure, a high inflow velocity into a combustion chamber can not be realized to minimize the risk of autoignition and flashback. Preferably, these disadvantages are compensated by the invention or do not occur.
Vorzugsweise erfolgt eine Zusammenführung und/oder eine Mischung zweier Fluide, insbesondere des Brennstoffs und des Oxidators, an einem Ort maximaler Strömungsgeschwindigkeit. Die mindestens zwei Fluide, insbesondere der Brennstoff und der Oxidator, weisen vorzugsweise im Wesentlichen denselben Druck auf. Preferably, a combination and / or a mixture of two fluids, in particular the fuel and the oxidizer, takes place at a location of maximum flow velocity. The at least two fluids, in particular the fuel and the oxidizer, preferably have substantially the same pressure.
Vorzugsweise sind weder eine Kühlung des Oxidators, beispielsweise Luft, noch ein hoher Brennstoff-Versorgungsdruck erforderlich. Preferably, neither cooling of the oxidizer, such as air, nor a high fuel supply pressure are required.
Vorteilhaft kann es sein, wenn ein Injektor und/oder ein Zuführkopf der Brennkammervorrichtung einen Flächensprung, insbesondere einen Querschnittsflächensprung, umfasst, mittels welchem insbesondere eine Rezirkula- tionszone, beispielsweise eine Abgasrezirkulationszone, gebildet werden kann. Hierdurch kann vorzugsweise eine Flammenfront durch Selbstzündungseffekte aufgrund der heißen Fluide, insbesondere des heißen Abgases, stabilisiert werden. Die Länge eines Führungskanals des Injektors ist vorzugsweise so gewählt, dass innerhalb des Führungskanals keine Selbstzündung stattfinden kann . It can be advantageous if an injector and / or a feed head of the combustion chamber device comprises a surface jump, in particular a cross-sectional area jump, by means of which in particular a recirculation zone, for example an exhaust gas recirculation zone, can be formed. As a result, preferably a flame front can be stabilized by auto-ignition effects due to the hot fluids, in particular the hot exhaust gas. The length of a guide channel of the injector is preferably selected so that no self-ignition can take place within the guide channel.
Die Erfindung eignet sich insbesondere für die Verbrennung von hochreaktiven Brennstoffen. The invention is particularly suitable for the combustion of highly reactive fuels.
Vorzugsweise ergibt sich durch die Verwendung der Verbrennungsvorrichtung, insbesondere des Injektors der Verbrennungsvorrichtung, ein sehr geringer Druckverlust. Durch eine konvexe Ausgestaltung des Führungskanals, insbesondere einen sich längs der Strömungsrichtung erweiternden Führungskanal, kann vorzugsweise Druck zurückgewonnen werden. Preferably, the use of the combustion device, in particular the injector of the combustion device, results in a very low pressure loss. By means of a convex configuration of the guide channel, in particular a guide channel which widens along the direction of flow, pressure can preferably be recovered.
Vorzugsweise ist ein Übergang zwischen einem dem Brennraum zugewandten Ende des Injektors und einer Austrittsfläche eines Zuführkopfs der Brennkammervorrichtung, in welcher der Injektor angeordnet ist, nicht rechtwinklig . Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass ein dem Brennraum zugewandtes Ende des Injektors und eine Austrittsfläche eines Zuführkopfs der Brennkammervorrichtung, in welchem der Injektor angeordnet ist, Oberflächen aufweisen, welche einen Winkel von mindestens ungefähr 120°, beispielsweise min- destens ungefähr 135°, miteinander einschließen. Preferably, a transition between an end of the injector facing the combustion chamber and an exit surface of a delivery head of the combustion chamber device in which the injector is arranged is not rectangular. For example, it can be provided that an end of the injector facing the combustion chamber and an exit surface of a feed head of the combustion chamber device in which the injector is arranged have surfaces which enclose an angle of at least approximately 120 °, for example at least approximately 135 ° ,
Vorzugsweise wird die Ausbildung von RückStromgebieten in einer Mischungszone, insbesondere in dem Führungskanal, durch klare Abrisskanten, insbesondere an einem dem Brennraum zugewandten Ende des inneren Fluid- kanals, verhindert. The formation of reverse flow regions in a mixing zone, in particular in the guide channel, is preferably prevented by clear separation edges, in particular at an end of the inner fluid channel facing the combustion chamber.
Eine Eindüsung eines ersten Fluids in das zweite Fluid erfolgt vorzugsweise mit einer Jet-In-Coflow-Anordnung, das heißt mit einem Eindüsungswinkel ß = 0° oder mit einem sehr kleinen Eindüsungswinkel eines oder mehrerer weiterer Fluide (ß < < 90°). An injection of a first fluid into the second fluid is preferably carried out with a jet-in-coflow arrangement, that is to say with an injection angle β = 0 ° or with a very small injection angle of one or more further fluids (β <<90 °).
Durch eine rückstromfreie Eindüsung wird vorzugsweise eine Selbstzündung am Ort der Mischung, insbesondere in dem Führungskanal, verhindert. Das Risiko für einen Flammenrückschlag wird vorzugsweise minimiert. By a backflow-free injection preferably a self-ignition at the location of the mixture, in particular in the guide channel, prevented. The risk of flashback is preferably minimized.
Vorzugsweise weist der Führungskanal im Bereich des Austritts in die Brennkammer eine konvexe Form auf, so dass aufgrund des Coanda-Effekts eine Druckrückgewinnung möglich ist. Preferably, the guide channel in the region of the exit into the combustion chamber has a convex shape, so that pressure recovery is possible due to the Coanda effect.
Eine Mischung der Fluide kann durch die Verwendung von Mikroturbulatoren verbessert werden, insbesondere um kleinskalige Wirbel und damit einen geringen Druckverlust in einer Mischungszone, insbesondere in dem Führungskanal, zu erzeugen. A mixture of the fluids can be improved by the use of microturbulators, in particular to produce small-scale vortices and thus a low pressure drop in a mixing zone, in particular in the guide channel.
Ein Fluid, insbesondere ein Oxidator, wird beispielsweise zur Kühlung und/oder zur Einstellung einer gewünschten Gaszusammensetzung im Führungskanal aufgeteilt (sogenannter Luftsplit). Die Injektoren sind vorzugsweise in einem Kreisring zur Ausbildung einer Ab- gasrezirkulationszone oder über den gesamten Zuführkopf verteilt angeordnet. Es kann vorgesehen sein, dass der Zuführkopf im Bereich der Injektoren mit Planeinsenkungen versehen ist, um kleine Abgasrezirkulationszonen zu erzeugen. A fluid, in particular an oxidizer, is divided into the guide channel, for example for cooling and / or for setting a desired gas composition (so-called air split). The injectors are preferably arranged distributed in a circular ring for forming an exhaust gas recirculation zone or over the entire feed head. It can be provided that the feed head is provided in the region of the injectors with Planeinsenkungen to produce small Abgasrezirkulationszonen.
Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Nachverbrennung bei Brennstoff- Zellenvorrichtungen, zur Verwendung in der Brennkammertechnologie, in der Kraftwerkstechnik und/oder der Energietechnik sowie zur Mischung und/oder Verbrennung hochreaktiver Fluide, insbesondere zur Wasserstoffverbrennung . The invention is particularly suitable for afterburning in fuel cell devices, for use in combustion chamber technology, in power plant technology and / or power engineering and for mixing and / or combustion of highly reactive fluids, in particular for hydrogen combustion.
Weitere bevorzugte Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegen- stand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen. Further preferred features and / or advantages of the invention are the subject of the following description and the drawings of exemplary embodiments.
In den Zeichnungen zeigen : Figur 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines In the drawings: FIG. 1 shows a schematic illustration of a first embodiment of a
Verbrennungssystems, welches eine Brennstoffzellenvorrichtung, eine Gasturbinenvorrichtung und eine separate Brennkammervorrichtung umfasst; Figur 2 eine der Figur 1 entsprechende schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Verbrennungssystems, wobei die Brennkammervorrichtung eine Brennkammervorrichtung der Gasturbinenvorrichtung ist; Figur 3 einen schematischen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Injektors einer Verbrennungsvorrichtung, bei welchem ein innerer Fluidkanal und ein äußerer Fluidkanal vorgesehen sind, welche in einen Führungskanal des Injektors münden; eine der Figur 3 entsprechende schematische Darstellung der ersten Ausführungsform des Injektors, wobei eine andere Betriebsweise dargestellt ist; eine der Figur 3 entsprechende schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Injektors, bei welchem mehrere Oberflächen aufgeraut sind; eine der Figur 3 entsprechende schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines Injektors, welcher einen sich erweiternden Führungskanal umfasst; eine schematische Darstellung eines einem Brennraum einer Brennkammervorrichtung der Verbrennungsvorrichtung zugewandten Endes einer Wandung eines inneren Fluidkanals, bei welcher eine Anfasung vorgesehen ist, so dass das Ende konisch ausgebildet ist; eine der Figur 7 entsprechende schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform des dem Brennraum zugewandten Endes der Wandung des inneren Fluidkanals, wobei die Wandung eine abgerundete Außenseite aufweist; eine der Figur 3 entsprechende schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines Injektors, bei welchem ein mittlere Fluidkanal zwischen dem inneren Fluidkanal und dem äußeren Fluidkanal angeordnet ist; Figur 10 eine schematische Schnittdarstellung eines Teils eines Brennraums der Brennkammervorrichtung samt einer daran angrenzenden Brennraumwandung und eines Abschnitts des Zuführkopfs; Figur 11 eine der Figur 3 entsprechende Schnittdarstellung einer fünften Ausführungsform eines Injektors, bei welchem ein sich stufenförmig erweiternder Führungskanal vorgesehen ist; Figur 12 eine der Figur 3 entsprechende schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform eines Injektors, bei welchem ein exzentrisch zu dem inneren Fluidkanal und dem äußeren Fluidkanal angeordneter Abschnitt des Führungskanals vorgesehen ist; Figur 13 eine schematische Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines A combustion system comprising a fuel cell device, a gas turbine device and a separate combustion chamber device; Figure 2 is a schematic representation of a second embodiment of a combustion system corresponding to Figure 1, wherein the combustion chamber device is a combustion chamber device of the gas turbine apparatus; Figure 3 is a schematic longitudinal section through a first embodiment of an injector of a combustion device, in which an inner fluid channel and an outer fluid channel are provided, which open into a guide channel of the injector; a corresponding to Figure 3 schematic representation of the first embodiment of the injector, wherein another mode of operation is shown; a schematic representation corresponding to Figure 3 of a second embodiment of an injector in which a plurality of surfaces are roughened; a schematic representation corresponding to Figure 3 of a third embodiment of an injector, which comprises a flared guide channel; a schematic representation of a combustion chamber of a combustion chamber device of the combustion device facing the end of a wall of an inner fluid channel, in which a chamfering is provided, so that the end is conical; a schematic representation of an alternative embodiment of the combustion chamber facing the end of the wall of the inner fluid channel, wherein the wall has a rounded outer side; a schematic representation corresponding to Figure 3 of a fourth embodiment of an injector in which a central fluid channel between the inner fluid channel and the outer fluid channel is arranged; Figure 10 is a schematic sectional view of a portion of a combustion chamber of the combustion chamber device together with an adjoining combustion chamber wall and a portion of the feed head; Figure 11 is a sectional view corresponding to Figure 3 of a fifth embodiment of an injector, in which a step-shaped widening guide channel is provided; FIG. 12 is a schematic representation, corresponding to FIG. 3, of a sixth embodiment of an injector, in which a section of the guide channel arranged eccentrically to the inner fluid channel and the outer fluid channel is provided; Figure 13 is a schematic plan view of a first embodiment of a
Zuführkopfs der Brennkammervorrichtung, bei welcher die Injektoren ungleichmäßig verteilt angeordnet sind;  Zuführkopfs the combustion chamber device in which the injectors are arranged unevenly distributed;
Figur 14 eine der Figur 13 entsprechende schematische Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform eines Zuführkopfs, bei welcher die Injektoren kreisförmig angeordnet sind; Figure 14 is a schematic plan view corresponding to Figure 13 of a second embodiment of a feed head, wherein the injectors are arranged in a circle;
Figur 15 eine der Figur 13 entsprechende schematische Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform eines Zuführkopfs, bei welcher die Injek- toren gleichmäßig verteilt an dem Zuführkopf angeordnet sind, jedoch ungleichmäßig betrieben werden; FIG. 15 shows a schematic plan view, corresponding to FIG. 13, of a third embodiment of a feed head, in which the injectors are arranged uniformly distributed on the feed head but are operated unevenly;
Figur 16 eine der Figur 13 entsprechende schematische Draufsicht auf eine vierte Ausführungsform eines Zuführkopfs, wobei eine ringförmige Öffnung für einen Luftmantelstrom vorgesehen ist; FIG. 16 shows a schematic plan view corresponding to FIG. 13 of a fourth embodiment of a feed head, wherein an annular opening for an air jacket flow is provided;
Figur 17 einen Schnitt durch den Zuführkopf aus Figur 16 längs der Linie FIG. 17 shows a section through the feed head from FIG. 16 along the line
17 - 17 in Figur 16; Figur 18 eine der Figur 13 entsprechende schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform eines Zuführkopfs, bei welcher ringförmig angeordnete Kühlluftkanäle vorgesehen sind; Figur 19 eine der Figur 17 entsprechende Schnittdarstellung durch die fünfte Ausführungsform des Zuführkopfs gemäß Figur 18 längs der Linie 19 - 19 in Figur 18; Figur 20 eine der Figur 13 entsprechende schematische Draufsicht auf eine sechste Ausführungsform eines Zuführkopfs, mit alternativer Anordnung der Injektoren und der Kühlluftkanäle; und 17-17 in Figure 16; FIG. 18 shows a schematic illustration, corresponding to FIG. 13, of a fifth embodiment of a feed head, in which annularly arranged cooling air passages are provided; FIG. 19 shows a sectional illustration corresponding to FIG. 17 through the fifth embodiment of the feed head according to FIG. 18 along the line 19-19 in FIG. 18; Figure 20 is a schematic plan view corresponding to Figure 13 of a sixth embodiment of a feed head, with alternative arrangement of the injectors and the cooling air ducts. and
Figur 21 eine der Figur 3 entsprechende schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform eines Injektors, bei welchem ein innerer Fluidkanal außermittig in einem äußeren Fluidkanal angeordnet ist. FIG. 21 shows a schematic illustration, corresponding to FIG. 3, of a seventh embodiment of an injector, in which an inner fluid channel is arranged eccentrically in an outer fluid channel.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Identical or functionally equivalent elements are provided with the same reference numerals in all figures.
Eine in Figur 1 dargestellte erste Ausführungsform eines als Ganzes mit 100 bezeichneten Verbrennungssystems umfasst eine Brennstoffzellenvorrichtung 102 und eine Verbrennungsvorrichtung 104. Die Brennstoffzellenvorrichtung 102 ist insbesondere als eine Hochtemperatur- Brennstoffzellenvorrichtung 106, insbesondere als eine Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (SOFC), ausgebildet. A first embodiment of a combustion system generally designated 100 in FIG. 1 comprises a fuel cell device 102 and a combustion device 104. The fuel cell device 102 is designed in particular as a high-temperature fuel cell device 106, in particular as a solid oxide fuel cell device (SOFC).
Die Verbrennungsvorrichtung 104 umfasst eine Gasturbinenvorrichtung 108, welche eine Brennkammervorrichtung 110 umfasst. The combustor 104 includes a gas turbine apparatus 108 that includes a combustor 110.
Ferner umfasst die Verbrennungsvorrichtung 104 eine von der Brennkammervorrichtung 110 der Gasturbinenvorrichtung 108 separate Brennkammervorrichtung 112. Furthermore, the combustion device 104 includes a combustion chamber device 112 separate from the combustion chamber device 110 of the gas turbine device 108.
Die Gasturbinenvorrichtung 108 der Verbrennungsvorrichtung 104 umfasst ferner eine Turbinenvorrichtung 114 und eine Kompressorvorrichtung 116. Das Verbrennungssystem 100 umfasst ferner eine Fluidführung 118, mittels welcher Fluide zwischen den einzeln beschriebenen Vorrichtungen führbar sind . Die Fluidführung 118 umfasst insbesondere eine oder mehrere Zuführleitungen 120 zum Zuführen von Fluiden von der Kompressorvorrichtung 116 zu der Brennstoffzellenvorrichtung 102. The gas turbine apparatus 108 of the combustion apparatus 104 further includes a turbine apparatus 114 and a compressor apparatus 116. The combustion system 100 further includes a fluid guide 118 by means of which fluids between the individually described devices are feasible. In particular, the fluid guide 118 includes one or more supply lines 120 for supplying fluids from the compressor device 116 to the fuel cell device 102.
Ferner umfasst die Fluidführung 118 eine oder mehrere Abgasleitungen 122 zum Zuführen von Abgas von der Brennstoffzellenvorrichtung 102 zu der Brennkammervorrichtung 112. Further, the fluid guide 118 includes one or more exhaust conduits 122 for supplying exhaust gas from the fuel cell apparatus 102 to the combustor apparatus 112.
Eine weitere Abgasleitung 124 der Fluidführung 118 dient der Weiterleitung von Abgas aus der Brennkammervorrichtung 112 zu der Brennkammervor- richtung 110 der Gasturbinenvorrichtung 108. A further exhaust line 124 of the fluid guide 118 serves to forward exhaust gas from the combustion chamber device 112 to the combustion chamber device 110 of the gas turbine device 108.
Eine weitere Abgasleitung 126 verbindet schließlich die Brennkammervorrichtung 110 der Gasturbinenvorrichtung 108 mit der Turbinenvorrichtung 114 der Gasturbinenvorrichtung 108. A further exhaust conduit 126 ultimately connects the combustor 110 of the gas turbine apparatus 108 to the turbine apparatus 114 of the gas turbine apparatus 108.
Die Fluidführung 118 umfasst ferner eine Bypass-Leitung 128, mittels welcher Abgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung 102 unter Umgehung der separaten Brennkammervorrichtung 112 direkt der Brennkammervorrichtung 110 der Gasturbinenvorrichtung 108 zuführbar ist. The fluid guide 118 further comprises a bypass line 128, by means of which exhaust gas from the fuel cell device 102, bypassing the separate combustion chamber device 112 directly to the combustion chamber device 110 of the gas turbine device 108 can be fed.
Die Abgasleitungen 122 zur Verbindung der Brennstoffzellenvorrichtung 102 mit der separaten Brennkammervorrichtung 112 sind insbesondere eine Anoden-Abgasleitung 122a und eine Kathoden-Abgasleitung 122b. Mittels der Anoden-Abgasleitung 122a kann vorzugsweise Abgas von einer Anodenseite der Brennstoffzellenvorrichtung 102 der separaten Brennkammervorrichtung 112 zugeführt werden. Mittels der Kathoden-Abgasleitung 122b kann vorzugsweise Abgas von einer Kathodenseite der Brennstoffzellenvorrichtung 102 der separaten Brennkammervorrichtung 112 zugeführt werden. Das in der Anoden-Abgasleitung 122a geführte Anodenabgas ist vorzugsweise brennstoffhaltig. The exhaust pipes 122 for connecting the fuel cell device 102 to the separate combustion chamber device 112 are, in particular, an anode exhaust pipe 122a and a cathode exhaust pipe 122b. Preferably, exhaust gas may be supplied from an anode side of the fuel cell device 102 to the separate combustor device 112 by way of the anode exhaust passage 122a. Preferably, exhaust from a cathode side of the fuel cell device 102 may be supplied to the separate combustor device 112 via the cathode exhaust passage 122b. The anode exhaust gas carried in the anode exhaust passage 122a is preferably fuel-containing.
Das in der Kathoden-Abgasleitung 122b geführte Kathodenabgas ist vorzugsweise oxidatorhaltig . The cathode exhaust gas conducted in the cathode exhaust pipe 122b is preferably oxidized.
Die in Figur 1 dargestellte erste Ausführungsform des Verbrennungssystems 100 funktioniert wie folgt: The first embodiment of the combustion system 100 shown in FIG. 1 functions as follows:
Mittels der Kompressorvorrichtung 116 der Gasturbinenvorrichtung 108 wird Oxidator und/oder Brennstoff verdichtet und mit einem gegenüber Normaldruck erhöhten Druck mittels der Zuführleitungen 120 der Brennstoffzellenvorrichtung 102 zugeführt. Oxidizer and / or fuel is compressed by means of the compressor device 116 of the gas turbine device 108 and supplied to the fuel cell device 102 at a pressure which is increased relative to normal pressure by means of the supply lines 120.
In der Brennstoffzellenvorrichtung 102 wird der Brennstoff zum Erzeugen von Strom umgewandelt, insbesondere verbrannt. In the fuel cell device 102, the fuel is converted to generate electricity, in particular burned.
Der einer Anodenseite der Brennstoffzellenvorrichtung 102 zugeführte Brennstoffstrom enthält vorzugsweise eine größere Menge Brennstoff als im Normalbetrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 102 umgesetzt werden kann. The fuel stream fed to an anode side of the fuel cell device 102 preferably contains a larger amount of fuel than can be converted during normal operation of the fuel cell device 102.
Ein die Brennstoffzellenvorrichtung 102 verlassender Anoden-Abgasstrom ist somit noch immer brennstoffhaltig. An anode exhaust gas stream leaving the fuel cell device 102 is thus still fuel-containing.
Mittels der Anoden-Abgasleitung 122a wird der brennstoffhaltige Anoden- Abgasstrom der separaten Brennkammervorrichtung 112 zugeführt. Ferner wird mittels der Kathoden-Abgasleitung 122b ein Kathoden-Abgasstrom von der Kathodenseite der Brennstoffzellenvorrichtung 102 der separaten Brennkammervorrichtung 112 zugeführt. Das Anodenabgas und das Kathodenabgas weisen eine hohe Temperatur, beispielsweise ungefähr 800 °C, sowie zumindest näherungsweise denselben Druck auf. By means of the anode exhaust gas line 122a, the fuel-containing anode exhaust gas stream is fed to the separate combustion chamber device 112. Further, a cathode exhaust gas stream is supplied from the cathode side of the fuel cell apparatus 102 to the separate combustor apparatus 112 by way of the cathode exhaust conduit 122b. The anode exhaust gas and the cathode exhaust gas have a high temperature, for example about 800 ° C, and at least approximately the same pressure.
Eine Vermischung des Anoden-Abgasstroms und des Kathoden-Abgasstroms miteinander kann daher beispielsweise zu einer unerwünschten Selbstzündung führen, wodurch das Verbrennungssystem 100 beschädigt werden könnte. For example, mixing the anode exhaust stream and the cathode exhaust stream together may, for example, result in undesirable auto-ignition, which could damage the combustion system 100.
Durch eine geeignete Ausgestaltung der Verbrennungsvorrichtung 104 kann dies jedoch verhindert werden (siehe insbesondere die nachfolgende Beschrei- bung der verschiedenen Ausführungsformen der Injektoren). However, this can be prevented by a suitable design of the combustion device 104 (see in particular the following description of the various embodiments of the injectors).
In der Brennkammervorrichtung 112 wird das brennstoffhaltige Anodenabgas mittels des oxidatorhaltigen Kathodenabgases und/oder mittels zusätzlich zugeführter Luft verbrannt und somit die noch in dem Anodenabgas enthaltene chemische Energie genutzt. In the combustion chamber device 112, the fuel-containing anode exhaust gas is burned by means of the oxidant-containing cathode exhaust gas and / or additionally supplied air, and thus the chemical energy still contained in the anode exhaust gas is utilized.
Das heiße Abgas aus der separaten Brennkammervorrichtung 112 wird über die Abgasleitung 124 der Brennkammervorrichtung 110 der Gasturbinenvorrichtung 108 zugeführt. The hot exhaust gas from the separate combustor device 112 is supplied via the exhaust passage 124 of the combustor 110 to the gas turbine apparatus 108.
Ferner kann der Brennkammervorrichtung 110 der Gasturbinenvorrichtung 108 mittels der Bypass-Leitung 128 ein aus der Kathoden-Abgasleitung 122b abgezweigter Teil des Kathoden-Abgasstroms aus der Brennstoffzellenvorrichtung 102 unter Umgehung der separaten Brennkammervorrichtung 112 zuge- führt werden. Furthermore, the combustion chamber device 110 of the gas turbine device 108 can be supplied via the bypass line 128 with a part of the cathode exhaust gas branched off from the cathode exhaust line 122b from the fuel cell device 102, bypassing the separate combustion chamber device 112.
In der Brennkammervorrichtung 110 der Gasturbinenvorrichtung 108 wird der in den zugeführten Fluidströmen enthaltenen Brennstoff und/oder zusätzlich verwendeter Brennstoff verbrannt und zum Antreiben der Turbinenvorrichtung 114 der Gasturbinenvorrichtung 108 verwendet. In the combustor device 110 of the gas turbine apparatus 108, the fuel contained in the supplied fluid streams and / or additionally used fuel burned and used to drive the turbine device 114 of the gas turbine apparatus 108.
Das Abgas der Brennkammervorrichtung 110 der Gasturbinenvorrichtung 108 wird hierzu über die Abgasleitung 126 der Turbinenvorrichtung 114 zugeführt. The exhaust gas of the combustion chamber device 110 of the gas turbine device 108 is supplied to the turbine device 114 via the exhaust line 126 for this purpose.
Die Abgasleitung 126 kann jedoch auch entbehrlich sein, wenn die Turbinenvorrichtung 114 sich direkt an die Brennkammervorrichtung 110 anschließt. Mittels der Turbinenvorrichtung 114 wird das aus der Brennkammervorrichtung 110 der Gasturbinenvorrichtung 108 ausströmende Abgas zur Umwandlung der darin enthaltenen Energie in kinetische Energie entspannt. However, the exhaust pipe 126 may also be dispensable when the turbine device 114 directly connects to the combustor 110. By means of the turbine device 114, the exhaust gas flowing out of the combustion chamber device 110 of the gas turbine device 108 is expanded to convert the energy contained therein into kinetic energy.
Mittels der Turbinenvorrichtung 114 wird insbesondere die Kompressorvor- richtung 116 angetrieben. By means of the turbine device 114, in particular the compressor device 116 is driven.
Eine in Figur 2 dargestellte zweite Ausführungsform eines Verbrennungssystems 100 unterscheidet sich von der in Figur 1 dargestellten ersten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass das Abgas der Brennstoffzellenvor- richtung 102 mittels der Abgasleitungen 122 direkt der Brennkammervorrichtung 110 der Gasturbinenvorrichtung 108 zugeführt wird . A second embodiment of a combustion system 100 shown in FIG. 2 essentially differs from the first embodiment shown in FIG. 1 in that the exhaust gas of the fuel cell device 102 is supplied directly to the combustion chamber device 110 of the gas turbine device 108 by means of the exhaust gas lines 122.
Eine separate Brennkammervorrichtung 112 ist bei der in Figur 2 dargestellten zweiten Ausführungsform des Verbrennungssystems 100 nicht vorgesehen. A separate combustion chamber device 112 is not provided in the second embodiment of the combustion system 100 shown in FIG.
Die Brennkammervorrichtung 110 der Gasturbinenvorrichtung 108 entspricht hinsichtlich Aufbau und Funktion vorzugsweise der separaten Brennkammervorrichtung 112 der ersten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 100. Eine Bypass-Leitung 128 ist entbehrlich. The combustion chamber apparatus 110 of the gas turbine apparatus 108 preferably corresponds in structure and function to the separate combustor apparatus 112 of the first embodiment of the fuel cell system 100. A bypass conduit 128 is dispensable.
Im Übrigen die in Figur 2 dargestellte zweite Ausführungsform des Verbrennungssystems 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in Figur 1 darge- stellten ersten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird. Incidentally, the second embodiment of the combustion system 100 illustrated in FIG. 2 has the same structure and function with the combustion system shown in FIG. corresponded to the first embodiment, so that reference is made to the above description in this regard.
Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsformen von Injektoren und Zuführköpfen einer Brennkammervorrichtung der Verbrennungsvorrichtung 104 beschrieben. Grundsätzlich können dabei sämtliche Ausführungsformen von Injektoren bei sämtlichen Ausführungsformen von Zuführköpfen verwendet werden . Ferner eignen sich sämtliche Ausführungsformen von Zuführköpfen mit sämtlichen Ausführungsformen von Injektoren für die Verwendung in einer Brennkammervorrichtung 110 der Gasturbinenvorrichtung 108 und/oder in einer separaten Brennkammervorrichtung 112. Hereinafter, various embodiments of injectors and supply heads of a combustion chamber device of the combustion device 104 will be described. In principle, all embodiments of injectors can be used in all embodiments of feed heads. Further, all embodiments of feed heads with all embodiments of injectors are suitable for use in a combustor 110 of the gas turbine engine 108 and / or in a separate combustor 112.
Eine in Figur 3 dargestellte erste Ausführungsform eines als Ganzes mit 130 bezeichneten Injektors umfasst einen inneren Fluidkanal 132, einen äußeren Fluidkanal 134 und einen Führungskanal 136. A first embodiment of an injector, designated as a whole by 130, shown in FIG. 3, comprises an inner fluid channel 132, an outer fluid channel 134, and a guide channel 136.
Der innere Fluidkanal 132 ist zumindest abschnittsweise von dem äußeren Fluidkanal 134 umgeben. Insbesondere sind der innere Fluidkanal 132 und der äußere Fluidkanal 134 koaxial zueinander angeordnet und weisen eine gemeinsame Mittelachse 138, insbesondere eine gemeinsame Symmetrieachse 140 auf. The inner fluid channel 132 is at least partially surrounded by the outer fluid channel 134. In particular, the inner fluid channel 132 and the outer fluid channel 134 are arranged coaxially with one another and have a common central axis 138, in particular a common axis of symmetry 140.
Vorzugsweise ist der gesamte Injektor 130 rotationssymmetrisch bezüglich der Symmetrieachse 140 ausgebildet. Preferably, the entire injector 130 is rotationally symmetrical with respect to the axis of symmetry 140.
Der innere Fluidkanal 132 ist im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet und dient der Zuführung eines ersten Fluids zu dem Führungskanal 136 des Injektors 130. The inner fluid channel 132 is substantially tubular and serves to supply a first fluid to the guide channel 136 of the injector 130.
Der äußere Fluidkanal 134 ist im Wesentlichen zylindermantelförmig ausgebildet und umgibt den inneren Fluidkanal 132. Mittels des äußeren Fluidkanals 134 kann ein zweites Fluid dem Führungskanal 136 des Injektors 130 zugeführt werden. The outer fluid channel 134 is substantially cylinder jacket-shaped and surrounds the inner fluid channel 132. By means of the outer fluid channel 134, a second fluid may be supplied to the guide channel 136 of the injector 130.
Das durch den inneren Fluidkanal 132 geführte erste Fluid, das durch den äußeren Fluidkanal 134 geführte zweite Fluid und die gemeinsam in dem Führungskanal 136 geführten Fluide werden in einer Strömungsrichtung 142, welche im Wesentlichen parallel zur Mittelachse 138 und/oder zur Symmetrieachse 140 des Injektors 130 ausgerichtet ist, durch den Injektor 130 hindurchgeführt. The first fluid guided through the inner fluid channel 132, the second fluid guided through the outer fluid channel 134 and the fluids conveyed together in the guide channel 136 are moved in a flow direction 142 which is substantially parallel to the central axis 138 and / or the axis of symmetry 140 of the injector 130 is aligned, passed through the injector 130.
Eine senkrecht zur Strömungsrichtung 142 genommene Querschnittsfläche des inneren Fluidkanals 132 ist längs der Strömungsrichtung 142 im Wesentlichen konstant. Der äußere Fluidkanal 134 weist einen sich verjüngenden Abschnitt 144 auf, in welchem die senkrecht zur Strömungsrichtung 142 genommene Querschnittsfläche des äußeren Fluidkanals 134 längs der Strömungsrichtung 142 abnimmt. Der sich verjüngende Abschnitt 144 des äußeren Fluidkanals 134 ist an einem einem Brennraum 146 der Brennkammervorrichtung 110, 112 zugewandten Ende 148 des äußeren Fluidkanals 134, insbesondere direkt angrenzend an den Führungskanal 136, angeordnet. Der innere Fluidkanal 132 mündet an einem dem Brennraum 146 zugewandten Ende 150 des inneren Fluidkanals 132 in den Führungskanal 136. A cross-sectional area of the inner fluid channel 132 taken perpendicular to the flow direction 142 is substantially constant along the flow direction 142. The outer fluid channel 134 has a tapering section 144 in which the cross-sectional area of the outer fluid channel 134 taken perpendicular to the flow direction 142 decreases along the flow direction 142. The tapering section 144 of the outer fluid channel 134 is arranged on a combustion chamber 146 of the combustion chamber device 110, 112 facing the end 148 of the outer fluid channel 134, in particular directly adjacent to the guide channel 136. The inner fluid channel 132 opens into the guide channel 136 at an end 150 of the inner fluid channel 132 facing the combustion chamber 146.
Ein Bereich 152, in welchem der innere Fluidkanal 132 und der äußere Fluidkanal 134 in den Führungskanal 136 münden, ist insbesondere ein Mündungs- bereich 154 des Injektors 130. A region 152, in which the inner fluid channel 132 and the outer fluid channel 134 open into the guide channel 136, is in particular an orifice region 154 of the injector 130.
In dem Bereich 152, insbesondere dem Mündungsbereich 154, ist die Querschnittsfläche des inneren Fluidkanals 132, des äußeren Fluidkanals 134 und/oder des Führungskanals 136 minimal. Die durch den Injektor 130 hindurchgeführten Fluide weisen folglich in diesem Bereich 152 die höchste Strömungsgeschwindigkeit auf. Der Führungskanal 136 des Injektors 130 weist vorzugsweise einen konstanten Abschnitt 156 auf, in welchem eine senkrecht zur Strömungsrichtung 142 genommene Querschnittsfläche des Führungskanals 136 längs der Strömungsrichtung 142 im Wesentlichen konstant ist. Der Führungskanal 136 erstreckt sich von dem dem Brennraum 146 zugewandten Ende 150 des inneren Fluidkanals 132 und/oder von dem dem Brennraum 146 zugewandten Ende 148 des äußeren Fluidkanals 134 bis zu einem dem Brennraum 146 zugewandten Ende 158 des Injektors 130. Das dem Brennraum 146 zugewandte Ende 158 des Injektors 130 schließt insbesondere bündig mit einer Austrittsebene 160 eines Zuführkopfes 162 der Brennkammervorrichtung 110, 112 ab, in welchem der Injektor 130 angeordnet ist. Die Austrittsebene 160 ist beispielsweise als eine ebene Fläche ausgebildet, kann jedoch auch gekrümmt sein. In the region 152, in particular the orifice region 154, the cross-sectional area of the inner fluid channel 132, the outer fluid channel 134 and / or the guide channel 136 minimum. The fluids passed through the injector 130 consequently have the highest flow velocity in this region 152. The guide channel 136 of the injector 130 preferably has a constant section 156, in which a cross-sectional area of the guide channel 136 taken perpendicular to the flow direction 142 is substantially constant along the flow direction 142. The guide channel 136 extends from the combustion chamber 146 facing the end 150 of the inner fluid channel 132 and / or from the combustion chamber 146 facing the end 148 of the outer fluid channel 134 to a combustion chamber 146 facing the end 158 of the injector 130. The combustion chamber 146 facing The end 158 of the injector 130 terminates flush with an exit plane 160 of a feed head 162 of the combustion chamber device 110, 112, in which the injector 130 is arranged. The exit plane 160 is formed, for example, as a flat surface, but may also be curved.
Der Injektor 130 dient insbesondere der Zuführung von Oxidator und Brennstoff zu dem Brennraum 146. The injector 130 is used in particular for the supply of oxidizer and fuel to the combustion chamber 146.
Insbesondere ist das in dem inneren Fluidkanal 132 geführte erste Fluid ein Anodenabgas der Brennstoffzellenvorrichtung 102. In particular, the first fluid carried in the inner fluid passage 132 is an anode off-gas of the fuel cell device 102.
Das in dem äußeren Fluidkanal 134 geführte zweite Fluid ist insbesondere ein Kathodenabgas der Brennstoffzellenvorrichtung 102. Alternativ hierzu kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das erste Fluid in dem inneren Fluidkanal 132 das Kathodenabgas und das zweite Fluid in dem äußeren Fluidkanal 134 das Anodenabgas ist. In dem Führungskanal 136 des Injektors 130 können sich die Fluide zumindest in geringem Umfang miteinander vermischen. The second fluid guided in the outer fluid passage 134 is, in particular, a cathode exhaust gas of the fuel cell device 102. Alternatively, however, it may also be provided that the first fluid in the inner fluid channel 132 is the cathode exhaust gas and the second fluid in the outer fluid channel 134 is the anode exhaust gas. In the guide channel 136 of the injector 130, the fluids can mix with each other at least to a small extent.
Insbesondere dann, wenn die Fluide eine hohe Temperatur aufweisen, kann es in dem Injektor 130 grundsätzlich zu einer Selbstzündung und/oder zu einem Flammenrückschlag aus dem Brennraum 146 in den Injektor 130 kommen. In particular, when the fluids have a high temperature, in the injector 130, autoignition and / or flashback from the combustion chamber 146 into the injector 130 can basically occur.
Durch eine geeignete Dimensionierung des Injektors 130 kann dies jedoch verhindert werden. So ist insbesondere bei der in Figur 3 dargestellten ersten Ausführungsform des Injektors 130 vorgesehen, dass der Führungskanal 136 eine Länge L aufweist, welche höchstens ungefähr dem Produkt aus der mittleren However, this can be prevented by suitable dimensioning of the injector 130. Thus, it is provided in particular in the first embodiment of the injector 130 shown in FIG. 3 that the guide channel 136 has a length L which is at most approximately equal to the product from the middle one
Strömungsgeschwindigkeit der Fluide in dem Führungskanal 136 und der Zündverzugszeit eines Gemisches der Fluide entspricht. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass die in dem Injektor 130, insbesondere in dem Führungskanal 136, geführten Fluide den Injektor 130 bereits verlassen haben, bevor es zu einer Zündung kommt. Flow rate of the fluids in the guide channel 136 and the Zündverzugszeit a mixture of the fluids corresponds. In this way, it can be ensured that the fluids guided in the injector 130, in particular in the guide channel 136, have already left the injector 130 before an ignition occurs.
Die in Figur 3 dargestellte erste Ausführungsform des Injektors 130 funktio- niert wie folgt: The first embodiment of the injector 130 shown in FIG. 3 functions as follows:
Mittels des ersten Fluidkanals 132 wird ein erstes Fluid, beispielsweise brenn- stoffhaltiges Anodenabgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung 102, zugeführt. Mittels des äußeren Fluidkanals 134 wird ein zweites Fluid, insbesondere oxi- datorhaltiges Kathodenabgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung 102, zugeführt. Aufgrund des sich verjüngenden Abschnitts 144 des äußeren Fluidkanals 134 und des konstanten Abschnitts 156 des Führungskanals 136 ist der Mündungsbereich 154, in welchem das in dem inneren Fluidkanal 132 geführte erste Fluid und das in dem äußeren Fluidkanal 134 geführte zweite Fluid zu- sammengeführt werden, ein Bereich 152 mit minimaler Querschnittsfläche. Die Fluide weisen somit in diesem Bereich 152 die höchste Strömungsgeschwindigkeit auf. By means of the first fluid channel 132, a first fluid, for example fuel-containing anode exhaust gas from the fuel cell device 102, is supplied. By means of the outer fluid channel 134, a second fluid, in particular oxidator-containing cathode exhaust gas from the fuel cell device 102, is supplied. Due to the tapered portion 144 of the outer fluid channel 134 and the constant portion 156 of the guide channel 136, the mouth portion 154 in which the first fluid guided in the inner fluid passage 132 and the second fluid guided in the outer fluid passage 134 are merged Area 152 with minimum cross-sectional area. The fluids thus have the highest flow velocity in this region 152.
Vorzugsweise ergibt sich erst aufgrund des Flächensprungs an dem dem Brennraum 146 zugewandten Ende 158 des Injektors 130 in dem Brennraum 146 eine Rezirkulation der Fluide und somit erst in dem Brennraum 146 eine stabile Flammenfront. Preferably, only due to the surface jump on the end 158 of the injector 130 facing the combustion chamber 146 in the combustion chamber 146 is a recirculation of the fluids and thus only in the combustion chamber 146 a stable flame front.
Aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit in dem Führungskanal 136 wird ein Flammenrückschlag vorzugsweise ebenso vermieden wie eine Selbstzündung des Gemisches der Fluide innerhalb des Führungskanals 136. Due to the flow rate in the guide channel 136, a flashback is preferably avoided as well as a self-ignition of the mixture of fluids within the guide channel 136th
Vorzugsweise werden die Fluide bei der in Figur 3 dargestellten ersten Ausführungsform des Injektors 130 mit im Wesentlichen identischem Druck dem Injektor 130 und schließlich dem Führungskanal 136 zugeführt. Preferably, in the first embodiment of the injector 130 illustrated in FIG. 3, the fluids are supplied to the injector 130 at substantially identical pressure and finally to the guide channel 136.
Bei einer in Figur 4 dargestellten alternativen Betriebsweise der ersten Ausführungsform des Injektors 130 kann vorgesehen sein, dass eines der Fluide mit einem gegenüber dem Druck des weiteren Fluids erhöhten Druck zuge- führt wird . In an alternative mode of operation of the first embodiment of the injector 130 shown in FIG. 4, it may be provided that one of the fluids is supplied at a pressure which is increased in relation to the pressure of the further fluid.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das in dem inneren Fluidkanal 132 geführte erste Fluid mit einem höheren Druck zugeführt wird als das in dem äußeren Fluidkanal 134 geführte zweite Fluid. For example, it can be provided that the first fluid guided in the inner fluid channel 132 is supplied at a higher pressure than the second fluid guided in the outer fluid channel 134.
Hierdurch kann ein Treibstrahleffekt erzeugt werden, welcher zu einem Ansaugen des in dem äußeren Fluidkanal 134 geführten zweiten Fluids führt. Im Übrigen entspricht die Betriebsweise der ersten Ausführungsform des Injektors 130 gemäß Figur 4 der Betriebsweise des Injektors 130, wie sie hinsichtlich Figur 3 beschrieben wurde. Eine in Figur 5 dargestellte zweite Ausführungsform eines Injektors 130 unterscheidet sich von der in den Figur 3 und 4 dargestellten ersten Ausführungsform des Injektors 130 im Wesentlichen dadurch, dass eine Wandung 168 des inneren Fluidkanals 132 zumindest abschnittsweise aufgeraute Oberflächen 164 aufweist. In this way, a driving jet effect can be generated, which leads to a suction of the guided in the outer fluid passage 134 second fluid. Otherwise, the mode of operation of the first embodiment of the injector 130 according to FIG. 4 corresponds to the mode of operation of the injector 130, as has been described with regard to FIG. A second embodiment of an injector 130 shown in FIG. 5 differs from the first embodiment of the injector 130 shown in FIGS. 3 and 4 essentially in that a wall 168 of the inner fluid channel 132 has at least partially roughened surfaces 164.
Insbesondere ist eine innere Oberfläche 166 der Wandung 168 des inneren Fluidkanals 132, welche dem in dem inneren Fluidkanal 132 geführten ersten Fluid zugewandt ist, zumindest abschnittsweise eine aufgeraute Oberfläche 164. In particular, an inner surface 166 of the wall 168 of the inner fluid channel 132, which faces the first fluid guided in the inner fluid channel 132, is at least partially a roughened surface 164.
So kann insbesondere vorgesehen sein, dass die innere Oberfläche 166 an dem dem Brennraum 146 zugewandten Ende 150 des inneren Fluidkanals 132 eine aufgeraute Oberfläche 146 ist. Ferner kann vorgesehen sein, dass eine äußere Oberfläche 170 der Wandung 168 des inneren Fluidkanals 132 zumindest abschnittsweise eine aufgeraute Oberfläche 164 ist. For example, it may be provided that the inner surface 166 at the end 150 of the inner fluid channel 132 facing the combustion chamber 146 is a roughened surface 146. Furthermore, it can be provided that an outer surface 170 of the wall 168 of the inner fluid channel 132 is at least partially a roughened surface 164.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die äußere Oberfläche 170 an dem dem Brennraum 146 zugewandten Ende 150 des inneren Fluidkanals 132 eine aufgeraute Oberfläche 164 ist. In particular, it can be provided that the outer surface 170 at the combustion chamber 146 facing the end 150 of the inner fluid channel 132 is a roughened surface 164.
Unter einer aufgerauten Oberfläche 164 ist dabei insbesondere eine zur Erhöhung der Rauheit bearbeitete Oberfläche zu verstehen, beispielsweise eine mit einem Gewinde versehene Oberfläche. A roughened surface 164 is to be understood in particular as meaning a surface processed to increase the roughness, for example a surface provided with a thread.
Ergänzend kann bei einer (nicht dargestellten) Ausführungsform des Injektors 130 vorgesehen sein, dass eine Oberfläche 172 einer den äußeren Fluidkanal 134 umgebenden Wandung 174 zumindest abschnittsweise eine aufgeraute Oberfläche 164 ist. In addition, in an embodiment (not shown) of the injector 130, it may be provided that a surface 172 of an outer fluid channel 134 surrounding wall 174 is at least partially a roughened surface 164.
Mittels der aufgerauten Oberfläche 164, welche vorzugsweise als Mikroturbu- lator dient, können kleinskalige Wirbel erzeugt werden, um eine Mischung bei relativ geringem Druckverlust zu verbessern. Ferner kann sich hierdurch eine Grenzschichtturbulenz erhöhen und somit das Risiko einer Grenzschichtablösung minimiert werden. Im Übrigen stimmt die in Figur 5 dargestellte zweite Ausführungsform des Injektors 130 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in den Figuren 3 und 4 dargestellten ersten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird. Eine in Figur 6 dargestellte dritte Ausführungsform eines Injektors 130 unterscheidet sich von der in den Figuren 3 und 4 dargestellten ersten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass der Führungskanal 136 einen sich erweiternden Abschnitt 176 umfasst. In dem sich erweiternden Abschnitt 176 des Führungskanals 136 nimmt die senkrecht zur Strömungsrichtung 142 genommene Querschnittsfläche des Führungskanals 136 längs der Strömungsrichtung 142 kontinuierlich und stetig zu. Insbesondere erstreckt sich der sich erweiternde Abschnitt 176 des Führungskanals 136 von dem Mündungsbereich 154 bis zu dem dem Brennraum 146 zugewandten Ende 158 des Injektors 130. By means of the roughened surface 164, which preferably serves as a microturbulator, small-scale vortices can be generated in order to improve a mixture with a relatively low pressure loss. Furthermore, this can increase a boundary layer turbulence and thus minimize the risk of boundary layer separation. Incidentally, the second embodiment of the injector 130 shown in FIG. 5 is identical in construction and function to the first embodiment shown in FIGS. 3 and 4, so that reference is made to the above description thereof. A third embodiment of an injector 130 shown in FIG. 6 essentially differs from the first embodiment shown in FIGS. 3 and 4 in that the guide channel 136 comprises a widening section 176. In the widening portion 176 of the guide channel 136, the cross-sectional area of the guide channel 136 taken perpendicular to the flow direction 142 increases continuously and steadily along the flow direction 142. In particular, the widening portion 176 of the guide channel 136 extends from the mouth region 154 to the combustion chamber 146 facing the end 158 of the injector 130th
Ein Winkel a, welchen eine Oberfläche 178 des Führungskanals 136 mit der Austrittsebene 160 einschließt, ist vorzugsweise größer als 90°, insbesondere ungefähr 120°. Hierdurch kann eine Druckrückgewinnung ermöglicht werden. Insbesondere kann durch die Umlenkung der Strömung am Austritt des Injektors 130 eine zusätzliche Vermischung der Fluide im Brennraum 146 erzeugt werden. Benachbarte Injektoren 130 des Zuführkopfes 162 sind vorzugsweise so dimen- sioniert, ausgebildet und/oder angeordnet, dass die Scherschichten zwischen den Fluiden von benachbarten Injektoren 130 aufeinandertreffen. An angle a, which encloses a surface 178 of the guide channel 136 with the exit plane 160, is preferably greater than 90 °, in particular approximately 120 °. As a result, a pressure recovery can be made possible. In particular, by the deflection of the flow at the outlet of the injector 130, an additional mixing of the fluids in the combustion chamber 146 can be generated. Adjacent injectors 130 of the feed head 162 are preferably sized, configured and / or arranged such that the shear layers meet between the fluids of adjacent injectors 130.
Bei der in Figur 6 dargestellten dritten Ausführungsform des Injektors 130 kann insbesondere der Coanda-Effekt zur Druckrückgewinnung genutzt wer- den. In the third embodiment of the injector 130 shown in FIG. 6, in particular the Coanda effect can be used for pressure recovery.
Im Übrigen stimmt die in Figur 6 dargestellte dritte Ausführungsform des Injektors 130 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in den Figur 3 und 4 dargestellten ersten Ausführungsform, so dass auf deren vorstehende Beschrei- bung insoweit Bezug genommen wird. Incidentally, the third embodiment of the injector 130 shown in FIG. 6 is identical in construction and function to the first embodiment shown in FIGS. 3 and 4, so that reference is made to the above description thereof.
In den Figur 7 und 8 sind Varianten der Wandung 168 des inneren Fluidkanals 132 dargestellt, welche als Austausch für die Wandungen 168 der inneren Fluidkanäle 132 gemäß den beschriebenen Ausführungsformen des Injektors 130 verwendet werden können. FIGS. 7 and 8 show variants of the wall 168 of the inner fluid channel 132, which can be used as an exchange for the walls 168 of the inner fluid channels 132 according to the described embodiments of the injector 130.
In Figur 7 ist eine Ausgestaltung dargestellt, bei welcher die Wandung 168 eine Anfasung 180 aufweist. Die Anfasung 180 ist dabei an dem dem Brennraum 146 zugewandten Ende 150 des inneren Fluidkanals 132 so angeordnet, dass sich die Wandung 168 in der Strömungsrichtung 142 zu dem Ende 150 hin verjüngt. FIG. 7 shows an embodiment in which the wall 168 has a chamfer 180. The chamfer 180 is arranged at the end 150 of the inner fluid channel 132 facing the combustion chamber 146 such that the wall 168 tapers in the flow direction 142 towards the end 150.
Insbesondere ist die Wandung 168 konisch verjüngend ausgebildet. In particular, the wall 168 is conically tapered.
Mittels der Anfasung 180 kann ein Flächensprung am Ende 150 des inneren Fluidkanals 132, an welchem sich eine unerwünschte Rezirkulation der Fluide ausbilden könnte, vermieden werden. Bei der in Figur 8 dargestellten Ausgestaltung ist anstelle der Anfasung 180 eine Abrundung 182 der Wandung 168 vorgesehen. Durch eine solche Abrun- dung 182 kann ebenso ein Flächensprung zur Vermeidung von Rezirkulations- zonen verhindert werden. Ferner kann durch die Vermeidung von Kanten eine unerwünschte Ablösung des Fluidstroms von der Wandung 168 verhindert werden. By means of the chamfer 180, a surface jump at the end 150 of the inner fluid channel 132, at which an undesirable recirculation of the fluids could form, can be avoided. In the embodiment shown in Figure 8, a rounding 182 of the wall 168 is provided instead of the chamfer 180. Such a rounding 182 can also prevent a surface jump to avoid recirculation zones. Furthermore, by avoiding edges, undesirable separation of the fluid flow from the wall 168 can be prevented.
Die Abrundung 182 der Wandung 168 ermöglicht insbesondere eine konvexe Strömungsführung des in dem äußeren Fluidkanal 134 geführten Fluids. The rounding 182 of the wall 168 in particular allows a convex flow guidance of the guided in the outer fluid passage 134 fluid.
Eine in Figur 9 dargestellte vierte Ausführungsform eines Injektors 130 unterscheidet sich von der in den Figuren 3 und 4 dargestellten ersten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass der Injektor 130 zusätzlich zu dem inneren Fluidkanal 132 und dem äußeren Fluidkanal 134 einen mittleren Fluidkanal 184 umfasst. A fourth embodiment of an injector 130 shown in FIG. 9 differs from the first embodiment illustrated in FIGS. 3 and 4 essentially in that the injector 130 comprises a central fluid channel 184 in addition to the inner fluid channel 132 and the outer fluid channel 134.
Der mittlere Fluidkanal 184 ist zwischen dem inneren Fluidkanal 132 und dem äußeren Fluidkanal 134 angeordnet. The middle fluid channel 184 is disposed between the inner fluid channel 132 and the outer fluid channel 134.
Der mittlere Fluidkanal 184 umgibt somit den inneren Fluidkanal 132 und ist selbst von dem äußeren Fluidkanal 134 umgeben. The middle fluid channel 184 thus surrounds the inner fluid channel 132 and is itself surrounded by the outer fluid channel 134.
Der mittlere Fluidkanal 184, der innere Fluidkanal 132 und der äußere Fluid- kanal 134 sind koaxial zueinander angeordnet und weisen insbesondere dieselbe Symmetrieachse 140 auf. The middle fluid channel 184, the inner fluid channel 132 and the outer fluid channel 134 are arranged coaxially with one another and in particular have the same axis of symmetry 140.
Der mittlere Fluidkanal 184 mündet in den Mündungsbereich 154, insbesondere in den Bereich 152 minimaler Querschnittsfläche des äußeren Fluidkanals 134 und/oder des Führungskanals 136. The middle fluid channel 184 opens into the mouth region 154, in particular into the region 152 of minimum cross-sectional area of the outer fluid channel 134 and / or of the guide channel 136.
Durch die Verwendung eines weiteren Fluidkanals, nämlich des mittleren Fluidkanals 184, kann ein drittes Fluid, insbesondere ein von dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid verschiedenes Fluid, mittels des Injektors 130 zu dem Brennraum 146 zugeführt werden. By using a further fluid channel, namely the middle fluid channel 184, a third fluid, in particular one of the first fluid, can be used and fluid other than the second fluid is supplied to the combustion chamber 146 by means of the injector 130.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass mittels des inneren Fluidkanals 132 Anodenabgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung 102 zugeführt wird, dass mittels des mittleren Fluidkanals 184 Kathodenabgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung 102 zugeführt wird und dass mittels des äußeren Fluidkanals 134 zusätzliche Frischluft oder restliches Kathodenabgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung 102 zugeführt wird. For example, it can be provided that anode exhaust gas is supplied from the fuel cell device 102 by means of the inner fluid channel 132, that cathode exhaust gas is supplied from the fuel cell device 102 by means of the central fluid channel 184 and additional fresh air or residual cathode exhaust gas is supplied from the fuel cell device 102 by means of the outer fluid channel 134 ,
Die zusätzliche Frischluft oder das restliche Kathodenabgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung 102 wird insbesondere zugeführt, um die Luftzahl in dem Brennraum 146 zu erhöhen. Das in dem äußeren Fluidkanal 134 geführte Fluid kann insbesondere zur Kühlung der Wandung 174 dienen. The additional fresh air or the remaining cathode exhaust gas from the fuel cell device 102 is supplied in particular to increase the air ratio in the combustion chamber 146. The guided in the outer fluid passage 134 fluid can serve in particular for cooling the wall 174.
Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass mittels des inneren Fluidkanals 132 Kathodenabgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung 102 zugeführt wird, dass mittels des mittleren Fluidkanals 184 Anodenabgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung 102 zugeführt wird und dass mittels des äußeren Fluidkanals 134 zusätzliche Frischluft oder restliches Kathodenabgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung 102 zugeführt wird. Der brennstoffhaltige Anoden-Abgasstrom aus der Brennstoffzellenvorrichtung 102, welcher mittels des mittleren Fluidkanals 184 zugeführt wird, wird dabei von der zusätzlichen Frischluft oder dem restlichen Kathodenabgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung 102, welche oxidatorhaltig ist, ummantelt und/ oder von dem mittels des inneren Fluidkanals 132 zugeführten Kathoden- Abgasstrom aus der Brennstoffzellenvorrichtung 102 durchdrungen. Hierdurch kann eine Mischung verbessert werden. Ferner kann hierdurch eine effiziente Kühlung der Wandung 174 des äußeren Fluidkanals 134 ermöglicht werden. Im Übrigen stimmt die in Figur 9 dargestellte vierte Ausführungsform eines Injektors 130 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in den Figuren 3 und 4 dargestellten ersten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird. Alternatively, it can be provided that cathode exhaust gas is supplied from the fuel cell device 102 by means of the inner fluid channel 132, that anode exhaust gas is supplied from the fuel cell device 102 by means of the middle fluid channel 184 and that additional fresh air or residual cathode exhaust gas is supplied from the fuel cell device 102 by means of the outer fluid channel 134 becomes. The fuel-containing anode exhaust gas flow from the fuel cell device 102, which is supplied by means of the middle fluid channel 184, is thereby encased by the additional fresh air or the remaining cathode exhaust gas from the fuel cell device 102, which contains oxidants, and / or by means of the inner fluid channel 132 Cathode exhaust flow from the fuel cell device 102 penetrated. This can improve a mixture. Furthermore, an efficient cooling of the wall 174 of the outer fluid channel 134 can thereby be made possible. Incidentally, the fourth embodiment of an injector 130 shown in FIG. 9 is identical in construction and function to the first embodiment shown in FIGS. 3 and 4, so that reference is made to the above description thereof.
Bei der in Figur 9 dargestellten vierten Ausführungsform kann ferner auch zumindest abschnittsweise eine aufgeraute Oberfläche 164 gemäß der in Figur 5 dargestellten zweiten Ausführungsform des Injektors 130 und/oder ein sich erweiternder Abschnitt 176 des Führungskanals 136 gemäß der in Figur 6 dar- gestellten dritten Ausführungsform des Injektors 130 vorgesehen sein. In the fourth embodiment shown in FIG. 9, a roughened surface 164 according to the second embodiment of the injector 130 shown in FIG. 5 and / or a widening portion 176 of the guide channel 136 may also be provided, at least in sections, according to the third embodiment of FIG Injector 130 may be provided.
In Figur 10 ist ein Längsschnitt durch eine Brennkammervorrichtung 110, 112 dargestellt. Die Brennkammervorrichtung 110, 112 umfasst eine den Brennraum 146 begrenzende Brennraumwandung 186. FIG. 10 shows a longitudinal section through a combustion chamber device 110, 112. The combustion chamber device 110, 112 comprises a combustion chamber wall 186 bounding the combustion chamber 146.
Im Betrieb der Brennkammervorrichtung 110, 112 heizt sich die Brennraumwandung 186 stark auf. During operation of the combustion chamber device 110, 112, the combustion chamber wall 186 heats up strongly.
Zur Abkühlung und somit zum Schutz der Brennraumwandung 186 weist die Brennkammervorrichtung 110, 112 einen oder mehrere in dem Zuführkopf 162 angeordnete Kühlluftkanäle 188 auf. For cooling and thus protecting the combustion chamber wall 186, the combustion chamber device 110, 112 has one or more cooling air channels 188 arranged in the feed head 162.
Mittels der Kühlluftkanäle 188 kann parallel zur Brennraumwandung 186 kühle Luft eingeströmt werden, um einen direkten Kontakt der Flamme in dem Brennraum 146 mit der Brennraumwandung 186 zu vermeiden. By means of the cooling air channels 188, cool air can be flowed in parallel to the combustion chamber wall 186 in order to avoid direct contact of the flame in the combustion chamber 146 with the combustion chamber wall 186.
Als Kühlluftkanal 188 kann beispielsweise Frischluft verwendet werden. Alternativ hierzu kann jedoch auch Kathodenabgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung 102 verwendet werden. Eine in Figur 11 dargestellte fünfte Ausführungsform eines Injektors 130 unterscheidet sich von der in Figur 6 dargestellten dritten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass der Führungskanal 136 anstelle des sich kontinuierlich und stetig erweiternden Abschnitts 176 des Führungskanals 136 zwei konstante Abschnitte 156 umfasst. As a cooling air channel 188, for example, fresh air can be used. Alternatively, however, cathode exhaust gas from the fuel cell device 102 may be used. A fifth embodiment of an injector 130 shown in FIG. 11 essentially differs from the third embodiment shown in FIG. 6 in that the guide channel 136 comprises two constant sections 156 instead of the continuously and continuously widening section 176 of the guide channel 136.
Die konstanten Abschnitte 156 weisen jeweils für sich genommen längs der Strömungsrichtung 142 konstante Querschnittsflächen auf. Die konstanten Abschnitte 156 sind bezüglich der Strömungsrichtung 142 nacheinander angeordnet, so dass ein stromaufwärts angeordneter konstanter Abschnitt 156a und ein stromabwärts angeordneter konstanter Abschnitt 156b gebildet sind . Der stromaufwärts angeordnete konstante Abschnitt 156a des Führungskanals 136 grenzt an das dem Brennraum 146 zugewandte Ende 150 des inneren Fluidkanals 132 und an das dem Brennraum 146 zugewandte Ende 148 des äußeren Fluidkanals 134 an. Der stromabwärts angeordnete konstante Abschnitt 156b grenzt einerseits an den stromaufwärts angeordneten konstanten Abschnitt 156a und andererseits an die Austrittsebene 160 des Zuführkopfes 162 an. The constant sections 156, taken separately along the flow direction 142, have constant cross-sectional areas. The constant portions 156 are arranged sequentially with respect to the flow direction 142, so that an upstream constant portion 156a and a downstream constant portion 156b are formed. The upstream constant portion 156a of the guide channel 136 adjoins the combustion chamber 146 facing the end 150 of the inner fluid channel 132 and to the combustion chamber 146 facing the end 148 of the outer fluid channel 134 at. The downstream constant portion 156b adjoins, on the one hand, the upstream constant portion 156a and, on the other hand, the exit plane 160 of the feed head 162.
Mittels der konstanten Abschnitte 156a, 156b ist somit der gesamte Führungs- kanal 136 gebildet. By means of the constant sections 156a, 156b, the entire guide channel 136 is thus formed.
Der stromaufwärts angeordnete konstante Abschnitt 156a und der stromabwärts angeordnete konstante Abschnitt 156b weisen im Wesentlichen dieselbe Symmetrieachse 140 auf. The upstream constant portion 156 a and the downstream constant portion 156 b have substantially the same axis of symmetry 140.
Eine Querschnittsfläche des stromaufwärts angeordneten konstanten Abschnitts 156a ist kleiner als eine Querschnittsfläche des stromabwärts angeordneten konstanten Abschnitts 156b. Ein Übergang 190 zwischen dem stromaufwärts angeordneten konstanten Abschnitt 156a und dem stromabwärts angeordneten konstanten Abschnitt 156b ist als eine Stufe 192, das heißt als ein Flächensprung, ausgebildet. A cross-sectional area of the upstream-side constant portion 156a is smaller than a cross-sectional area of the downstream-side constant portion 156b. A junction 190 between the upstream constant portion 156a and the downstream constant portion 156b is formed as a step 192, that is, as a surface jump.
Hierdurch ergibt sich im Betrieb des Injektors 130 eine Rezirkulation der Fluide und somit eine zuverlässige Flammenankerung im Bereich des stromabwärts angeordneten konstanten Abschnitts 156b. Eine in Figur 12 dargestellte sechste Ausführungsform eines Injektors 130 unterscheidet sich von der in Figur 11 dargestellten fünften Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass der stromaufwärts angeordnete konstante Abschnitt 156a und der stromabwärts angeordnete konstante Abschnitt 156b keine gemeinsame Symmetrieachse 140 aufweisen. This results in the operation of the injector 130, a recirculation of the fluids and thus a reliable flame anchorage in the region of the downstream arranged constant portion 156b. A sixth embodiment of an injector 130 shown in FIG. 12 essentially differs from the fifth embodiment shown in FIG. 11 in that the upstream constant section 156a and the downstream constant section 156b have no common axis of symmetry 140.
Vielmehr ist der stromabwärts angeordnete konstante Abschnitt 156b in einer senkrecht zur Strömungsrichtung 142 verlaufenden Richtung versetzt gegenüber dem stromaufwärts angeordneten konstanten Abschnitt 156a angeordnet. Rather, the downstream constant portion 156b is offset from the upstream constant portion 156a in a direction perpendicular to the flow direction 142.
Durch eine solche exzentrische Anordnung der konstanten Abschnitte 156a, 156b kann eine Flammenankerung in dem stromabwärts angeordneten konstanten Abschnitt 156b ermöglicht, insbesondere optimiert, werden. Im Übrigen stimmt die in Figur 12 dargestellte sechste Ausführungsform des Injektors 130 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in Figur 11 dargestellten fünften Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird. Eine in Figur 13 dargestellte erste Ausführungsform eines Zuführkopfes 162 umfasst eine Vielzahl von Injektoren 130, welche verteilt an dem Zuführkopf 162 angeordnet sind. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass Injektoren 130 gemäß der in Figur 11 dargestellten fünften Ausführungsform vorgesehen sind. By such eccentric arrangement of the constant portions 156a, 156b, flame anchoring in the downstream constant portion 156b can be made possible, in particular optimized. Incidentally, the sixth embodiment of the injector 130 shown in FIG. 12 is identical in construction and function to the fifth embodiment shown in FIG. 11, so that reference is made to the above description thereof. A first embodiment of a feed head 162 shown in FIG. 13 comprises a multiplicity of injectors 130, which are arranged distributed on the feed head 162. In particular, it can be provided that injectors 130 are provided according to the fifth embodiment shown in FIG.
Die Injektoren 130 können gleichmäßig oder, wie in Figur 13 dargestellt, un- gleichmäßig verteilt an dem Zuführkopf 162 angeordnet sein. The injectors 130 may be arranged uniformly or, as illustrated in FIG. 13, unevenly distributed on the feed head 162.
Durch eine ungleichmäßige Verteilung der Injektoren 130 ergibt sich eine ungleichmäßige Vermischung der Fluide in dem Brennraum 146, wodurch die Zuverlässigkeit und/oder Sicherheit der Verbrennung verbessert werden kann . Uneven distribution of the injectors 130 results in non-uniform mixing of the fluids in the combustion chamber 146, which can improve the reliability and / or safety of the combustion.
Eine in Figur 14 dargestellte zweite Ausführungsform eines Zuführkopfes 162 unterscheidet sich von der in Figur 13 dargestellten ersten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass die Injektoren 130 im Wesentlichen kreisförmig an dem Zuführkopf 162 angeordnet sind. A second embodiment of a feed head 162 shown in FIG. 14 differs from the first embodiment shown in FIG. 13 essentially in that the injectors 130 are arranged substantially circularly on the feed head 162.
Ein Innenraum 194 zwischen den kreisförmig angeordneten Injektoren 130 wird dabei vorzugsweise so groß gewählt, dass sich eine große Rezirkulations- zone in dem Brennraum 146 ausbilden kann. Im Übrigen stimmt die in Figur 14 dargestellte zweite Ausführungsform des Zuführkopfes 162 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in Figur 13 dargestellten ersten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird. Eine in Figur 15 dargestellte dritte Ausführungsform eines Zuführkopfes 162 unterscheidet sich von der in Figur 13 dargestellten ersten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass die Injektoren 130 gleichmäßig an dem Zuführkopf 162 angeordnet sind. Vorzugsweise werden die Injektoren 130 jedoch ungleichmäßig betrieben, das heißt, dass einzelne Injektoren 130a mit mehr Brennstoff beaufschlagt werden als die anderen Injektoren 130b. Hierdurch kann eine Homogenität der Mischung der Fluide im Brennraum 146 vermieden werden, wodurch die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Verbrennung erhöht werden kann. Im Übrigen stimmt die in Figur 15 dargestellte dritte Ausführungsform des Zuführkopfes 162 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in Figur 13 dargestellten ersten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird. Eine in den Figuren 16 und 17 dargestellte vierte Ausführungsform eines Zuführkopfes 162 unterscheidet sich von der in Figur 14 dargestellten zweiten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass der Zuführkopf 162 einen ringförmigen Kühlluftkanal 188 gemäß der in Figur 10 dargestellten Ausführungsform der Brennkammervorrichtung 110, 112 aufweist. An interior 194 between the circularly arranged injectors 130 is preferably selected to be so large that a large recirculation zone can form in the combustion chamber 146. Incidentally, the second embodiment of the feeding head 162 shown in FIG. 14 is identical in construction and function to the first embodiment shown in FIG. 13, so that reference is made to the above description thereof. A third embodiment of a feed head 162 shown in FIG. 15 essentially differs from the first embodiment shown in FIG. 13 in that the injectors 130 are arranged uniformly on the feed head 162. Preferably, however, the injectors 130 are operated unevenly, that is, individual injectors 130a are supplied with more fuel than the other injectors 130b. As a result, a homogeneity of the mixture of the fluids in the combustion chamber 146 can be avoided, whereby the safety and reliability of the combustion can be increased. Incidentally, the third embodiment of the feeding head 162 shown in FIG. 15 is identical in construction and function to the first embodiment shown in FIG. 13, so that reference is made to the above description thereof. A fourth embodiment of a feed head 162 shown in FIGS. 16 and 17 essentially differs from the second embodiment shown in FIG. 14 in that the feed head 162 has an annular cooling air passage 188 according to the embodiment of the combustion chamber device 110, 112 shown in FIG.
Mittels des Kühlluftkanals 188 kann insbesondere die Brennraumwandung 186 vor einer Überhitzung geschützt werden. By means of the cooling air channel 188, in particular the combustion chamber wall 186 can be protected against overheating.
Figur 17 zeigt einen Längsschnitt durch den Zuführkopf 162 gemäß Figur 16. FIG. 17 shows a longitudinal section through the feed head 162 according to FIG. 16.
Im Übrigen stimmt die in den Figuren 16 und 17 dargestellte vierte Ausführungsform des Zuführkopfs 162 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in Figur 14 dargestellten zweiten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird. Incidentally, the fourth embodiment of the feeding head 162 shown in FIGS. 16 and 17 is the same in structure and function as the second embodiment shown in FIG. 14, so that reference is made to the above description thereof.
Eine in den Figuren 18 und 19 dargestellte fünfte Ausführungsform eines Zuführkopfes 162 unterscheidet sich von der in den Figuren 16 und 17 dargestellten vierten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass anstelle des ringförmigen Kühlluftkanals 188 einzelne Kühlluftkanäle 188 vorgesehen sind . A fifth embodiment of a feed head 162 shown in FIGS. 18 and 19 differs from the fourth embodiment shown in FIGS. 16 and 17 essentially in that individual cooling air passages 188 are provided instead of the annular cooling air passage 188.
Die Kühlluftkanäle 188 sind dabei im Wesentlichen ringförmig angeordnet, insbesondere alternierend zwischen den Injektoren 130 angeordnet. Mittels der Kühlluftkanäle 188 kann insbesondere Luft mit einem hohen Druck, insbesondere einem höheren Druck als ein Druck der mittels der Injektoren 130 zugeführten Fluide, zugeführt werden. Hierdurch kann eine innere Rezir- kulationszone in dem Brennraum 146 verstärkt werden. The cooling air channels 188 are arranged substantially annularly, in particular arranged alternately between the injectors 130. By means of the cooling air channels 188, in particular, air at a high pressure, in particular a higher pressure than a pressure of the fluids supplied by means of the injectors 130, can be supplied. As a result, an inner recirculation zone in the combustion chamber 146 can be reinforced.
Ein Kreisdurchmesser des Kreises, auf welchem die Kühlluftkanäle 188 angeordnet sind, ist vorzugsweise größer als ein Kreisdurchmesser des Kreises, auf welchem die Injektoren 130 angeordnet sind. Im Übrigen stimmt die in den Figuren 18 und 19 dargestellte fünfte Ausführungsform des Zuführkopfes 162 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in den Figuren 16 und 17 dargestellten vierten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird. Eine in Figur 20 dargestellte sechste Ausführungsform eines Zuführkopfes 162 unterscheidet sich von der in den Figuren 18 und 19 dargestellten fünften Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass die Kühlluftkanäle 188 auf demselben Kreisring angeordnet sind wie die Injektoren 130. Im Übrigen stimmt die in Figur 20 dargestellte sechste Ausführungsform des Zuführkopfes 162 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in den Figuren 18 und 19 dargestellten fünften Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird. Eine in Figur 21 dargestellte siebte Ausführungsform eines Injektors 130 unterscheidet sich von der in den Figuren 3 und 4 dargestellten ersten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass der innere Fluidkanal 132 und der äußere Fluidkanal 134 keine gemeinsame Symmetrieachse 140 aufweisen. Vielmehr ist der innere Fluidkanal 132 außermittig versetzt in dem äußeren Fluidkanal 134 angeordnet. Eine Symmetrieachse 140a des inneren Fluid- kanals 132 ist somit parallel versetzt zu einer Symmetrieachse 140b des äußeren Fluidkanals 132 angeordnet. Durch eine solche versetzte Anordnung kann beispielsweise eine einseitig brennstoff reichere Scherschicht zur optimierten Verbrennung erzeugt werden. Im Übrigen stimmt die in Figur 21 dargestellte siebte Ausführungsform eines Injektors 130 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in den Figuren 3 und 4 dargestellten ersten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird. Grundsätzlich können einzelne oder mehrere Merkmale der beschriebenenA circle diameter of the circle on which the cooling air channels 188 are arranged is preferably larger than a circle diameter of the circle on which the injectors 130 are arranged. Incidentally, the fifth embodiment of the feeding head 162 shown in FIGS. 18 and 19 is identical in construction and function to the fourth embodiment shown in FIGS. 16 and 17, so that reference is made to the above description thereof. A sixth embodiment of a feed head 162 shown in FIG. 20 differs from the fifth embodiment shown in FIGS. 18 and 19 essentially in that the cooling air passages 188 are arranged on the same circular ring as the injectors 130. Otherwise, the sixth illustrated in FIG Embodiment of the feed head 162 in terms of structure and function with the fifth embodiment shown in Figures 18 and 19, so that reference is made to the preceding description thereof. A seventh embodiment of an injector 130 shown in FIG. 21 differs from the first embodiment shown in FIGS. 3 and 4 essentially in that the inner fluid channel 132 and the outer fluid channel 134 do not have a common axis of symmetry 140. Rather, the inner fluid channel 132 eccentrically offset in the outer fluid channel 134 is arranged. An axis of symmetry 140 a of the inner fluid channel 132 is thus arranged offset parallel to an axis of symmetry 140 b of the outer fluid channel 132. By such a staggered arrangement, for example, a one-sided fuel richer shear layer for optimized combustion can be generated. Incidentally, the seventh embodiment of an injector 130 shown in FIG. 21 is identical in construction and function to the first embodiment shown in FIGS. 3 and 4, so that reference is made to the above description thereof. Basically, one or more features of the described
Ausführungsformen von Verbrennungssystemen 100, Injektoren 130 und/oder Zuführköpfen 162 zur Bereitstellung von weiteren bevorzugten Ausführungsformen beliebig miteinander kombiniert werden. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Zuführkopf 162 gemäß der in Figur 15 dargestellten dritten Ausführungsform mit Injektoren 130 gemäß der in Figur 6 dargestellten dritten Ausführungsform in einem Verbrennungssystem 100 gemäß der in Figur 1 dargestellten ersten Ausführungsform, insbesondere in der separaten Brennkammervorrichtung 112 oder in der Brenn- kammervorrichtung 110 der Gasturbinenvorrichtung 108, verwendet wird. Embodiments of combustion systems 100, injectors 130, and / or feedheads 162 for providing further preferred embodiments may be combined with each other as desired. For example, it may be provided that the feed head 162 according to the third embodiment shown in Figure 15 with injectors 130 according to the third embodiment shown in Figure 6 in a combustion system 100 according to the first embodiment shown in Figure 1, in particular in the separate combustion chamber device 112 or the combustor 110 of the gas turbine apparatus 108.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
100 Verbrennungssystem 100 combustion system
102 Brennstoffzellenvorrichtung  102 fuel cell device
104 Verbrennungsvorrichtung  104 combustion device
106 Hochtemperatur- Brennstoffzellenvorrichtung  106 high-temperature fuel cell device
108 Gasturbinenvorrichtung  108 gas turbine device
110 Brennkammervorrichtung der Gasturbinenvorrichtung 108 110 combustor device of the gas turbine apparatus 108
112 Brennkammervorrichtung einer separaten 112 combustion chamber device a separate
Verbrennungsvorrichtung 104  Combustion device 104
114 Turbinenvorrichtung  114 turbine device
116 Kompressorvorrichtung  116 compressor device
118 Fluidführung  118 fluid guide
120 Zuführleitung  120 feed line
122 Abgasleitung  122 exhaust pipe
122a Anoden-Abgasleitung  122a anode exhaust pipe
122b Kathoden-Abgasleitung  122b cathode exhaust pipe
124 Abgasleitung  124 exhaust pipe
126 Abgasleitung  126 exhaust pipe
128 Bypass-Leitung  128 bypass line
130 Injektor  130 injector
130a Injektor  130a injector
130b Injektor  130b injector
132 innerer Fluidkanal  132 inner fluid channel
134 äußerer Fluidkanal  134 outer fluid channel
136 Führungskanal  136 guide channel
138 Mittelachse  138 central axis
140 Symmetrieachse  140 symmetry axis
140a Symmetrieachse des inneren Fluidkanals 132  140a axis of symmetry of the inner fluid channel 132nd
140b Symmetrieachse des äußeren Fluidkanals 134  140b symmetry axis of the outer fluid channel 134th
142 Strömungsrichtung  142 flow direction
144 sich verjüngender Abschnitt des äußeren Fluidkanals 134 146 Brennraum 144 tapered portion of the outer fluid channel 134th 146 combustion chamber
148 dem Brennraum 146 zugewandtes Ende des äußeren Fluidkanals 134 148 the combustion chamber 146 facing the end of the outer fluid channel 134th
150 dem Brennraum 146 zugewandtes Ende des inneren Fluidkanals 132150 the combustion chamber 146 facing the end of the inner fluid channel 132nd
152 Bereich minimaler Querschnittsfläche 152 area of minimum cross-sectional area
154 Mündungsbereich  154 mouth area
156 konstanter Abschnitt des Führungskanals 136  156 constant section of the guide channel 136
156a stromaufwärts angeordneter konstanter Abschnitt  156a upstream constant portion
156b stromabwärts angeordneter konstanter Abschnitt  156b downstream constant section
158 dem Brennraum 146 zugewandtes Ende des Injektors 130  158 the combustion chamber 146 facing the end of the injector 130th
160 Austrittsebene  160 exit level
162 Zuführkopf  162 feeding head
164 aufgeraute Oberfläche  164 roughened surface
166 innere Oberfläche  166 inner surface
168 Wandung des inneren Fluidkanals 132  168 wall of the inner fluid channel 132nd
170 äußere Oberfläche  170 outer surface
172 Oberfläche der Wandung 174 des äußeren Fluidkanals 134  172 surface of the wall 174 of the outer fluid channel 134th
174 Wandung des äußeren Fluidkanals 134  174 wall of the outer fluid channel 134th
176 sich erweiternder Abschnitt des Führungskanals 136  176 expanding portion of the guide channel 136th
178 Oberfläche  178 surface
180 Anfasung  180 chamfering
182 Abrundung  182 rounding off
184 mittlerer Fluidkanal  184 medium fluid channel
186 Brennraumwandung  186 combustion chamber wall
188 Kühlluftkanal  188 Cooling air duct
190 Übergang  190 transition
192 Stufe  192 level
194 Innenraum  194 interior
α Winkel α angle
L Länge des Führungskanals 136  L length of the guide channel 136

Claims

Patentansprüche  claims
Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungssystems (100), Method for operating a combustion system (100),
wobei das Verbrennungssystem (100) eine beispielsweise als Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung (106) ausgebildete Brennstoffzellenvorrichtung (102) und eine Verbrennungsvorrichtung (104) zum Verbrennen von brennstoffhaltigem Abgas der Brennstoffzellenvorrichtung (102) umfasst, the combustion system (100) comprising a fuel cell device (102) formed, for example, as a high-temperature fuel cell device (106) and a combustion device (104) for burning fuel-containing exhaust gas of the fuel cell device (102),
wobei das Verfahren Folgendes umfasst: the method comprising:
Zuführen von Brennstoff zu der Brennstoffzellenvorrichtung (102);  Supplying fuel to the fuel cell device (102);
Abführen von Abgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung (102), welches Brennstoff umfasst und vorzugsweise einen gegenüber Atmosphärendruck erhöhten Druck aufweist;  Discharging exhaust gas from the fuel cell device (102) comprising fuel and preferably having a pressure increased from atmospheric pressure;
Zuführen des Abgases aus der Brennstoffzellenvorrichtung (102) als eines von mindestens zwei Fluiden zu einem Brennraum (146) einer Brennkammervorrichtung (110, 112) der Verbrennungsvorrichtung (104) unter Verwendung eines Injektors (130), wobei der Injektor (130) einen inneren Fluidkanal (132), einen den inneren Fluidkanal (132) zumindest abschnittsweise umgebenden äußeren Fluidkanal (134) und einen Führungskanal (136) umfasst,  Supplying the exhaust gas from the fuel cell device (102) as one of at least two fluids to a combustion chamber (146) of a combustor device (110, 112) of the combustor (104) using an injector (130), the injector (130) having an inner fluid channel (132), an outer fluid channel (134) at least partially surrounding the inner fluid channel (132) and a guide channel (136),
wobei ein erstes Fluid mittels des inneren Fluidkanals (132) und ein zweites Fluid mittels des äußeren Fluidkanals (134) koaxial mit zumindest näherungsweise gleicher Strömungsgeschwindigkeit dem Führungskanal (136) zugeführt werden, wobei ein Versorgungsdruck des ersten Fluids zumindest näherungsweise einem Versorgungsdruck des zweiten Fluids entspricht.  wherein a first fluid is supplied by means of the inner fluid channel (132) and a second fluid by means of the outer fluid channel (134) coaxially with at least approximately the same flow rate to the guide channel (136), wherein a supply pressure of the first fluid at least approximately corresponds to a supply pressure of the second fluid ,
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung des Injektors (130) ein Oxidator als ein weiteres Fluid der mindestens zwei Fluide zu dem Brennraum (146) der Brennkammervor- richtung (110, 112) zugeführt wird, wobei ein Druck des Oxidators vor dessen Zuführung zu dem Injektor (130) mittels einer Kompressorvorrichtung (116) einer Gasturbinenvorrichtung (108) der Verbrennungsvorrichtung (104) so erhöht wird, dass der Druck zumindest näherungsweise dem Druck des Abgases aus der Brennstoffzellenvorrichtung (102) entspricht. A method according to claim 1, characterized in that using the injector (130) an oxidizer as a further fluid of the at least two fluids to the combustion chamber (146) of the combustion chamber vor- direction (110, 112) is supplied, wherein a pressure of the oxidizer before it is supplied to the injector (130) by means of a compressor device (116) of a gas turbine apparatus (108) of the combustion device (104) is increased so that the pressure at least approximately the pressure of the exhaust gas from the fuel cell device (102).
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsvorrichtung (104) mehrere Injektoren (130) um- fasst, mittels welchen dem Brennraum (146) die mindestens zwei Fluide zugeführt werden, wobei den Injektoren (130) Fluidströme mit voneinander verschiedenen Volumenströmen und/oder Massenströmen zugeführt werden. 3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the combustion device (104) comprises a plurality of injectors (130), by means of which the combustion chamber (146), the at least two fluids are supplied to the injectors (130) fluid flows be supplied with mutually different flow rates and / or mass flows.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als eines der mindestens zwei Fluide ein Teilstrom eines Gesamt- anodenabgasstroms aus der Brennstoffzellenvorrichtung (102) der Verbrennungsvorrichtung (104) zugeführt wird. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that as one of the at least two fluids, a partial flow of a total anode exhaust gas stream from the fuel cell device (102) of the combustion device (104) is supplied.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als eines der mindestens zwei Fluide ein Teilstrom eines Gesamt- kathodenabgasstroms aus der Brennstoffzellenvorrichtung (102) der Verbrennungsvorrichtung (104) zugeführt wird. 5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that as one of the at least two fluids, a partial flow of a total cathode exhaust gas stream from the fuel cell device (102) of the combustion device (104) is supplied.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als eines der mindestens zwei Fluide Anodenabgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung (102) und als ein weiteres der mindestens zwei Fluide Kathodenabgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung (102) der Verbrennungsvorrichtung (104) zugeführt wird . 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that as one of the at least two fluids anode exhaust gas from the fuel cell device (102) and as another of the at least two fluids cathode exhaust gas from the fuel cell device (102) of the combustion device (104) is supplied ,
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich zwei Fluide zugeführt werden, wobei als eines der zwei Fluide ausschließlich Anodenabgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung (102) und als ein weiteres der zwei Fluide ausschließlich Kathodenabgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung (102) zugeführt wird. 7. The method according to claim 6, characterized in that only two fluids are supplied, wherein as one of the two fluids exclusively anode exhaust gas from the fuel cell device (102) and as a another of the two fluids is supplied exclusively cathode exhaust gas from the fuel cell device (102).
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Fluide derart von der Brennstoffzellenvorrichtung (102) dem Führungskanal (136) zugeführt werden, dass die mindestens zwei Fluide zwischen der Brennstoffzellenvorrichtung (102) und dem Führungskanal (136) zumindest näherungsweise denselben Gesamtdruckverlust aufweisen. 8. The method according to any one of claims 6 or 7, characterized in that the at least two fluids are supplied from the fuel cell device (102) to the guide channel (136) that the at least two fluids between the fuel cell device (102) and the guide channel (136 ) have at least approximately the same total pressure loss.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Fluide mit zumindest näherungsweise identischem Druck der Verbrennungsvorrichtung (104) zugeführt werden. 9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the at least two fluids with at least approximately identical pressure of the combustion device (104) are supplied.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fluid, welches als eines von mindestens zwei Fluiden zugeführt wird, Umgebungsluft aus einer Umgebung des Verbrennungssystems ist oder umfasst. A method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that a fluid supplied as one of at least two fluids is or comprises ambient air from an environment of the combustion system.
11. Verbrennungssystem (100), umfassend eine beispielsweise als Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung (106) ausgebildete Brennstoffzellenvorrichtung (102) und eine Verbrennungsvorrichtung (104) zum Verbrennen von brennstoffhaltigem Abgas der Brennstoffzellenvorrichtung (102), A combustion system (100) comprising a fuel cell device (102) formed as a high-temperature fuel cell device (106), for example, and a combustion device (104) for burning fuel-containing exhaust gas of the fuel cell device (102),
wobei die Verbrennungsvorrichtung (104) Folgendes umfasst:  wherein the combustion device (104) comprises:
eine Brennkammervorrichtung (110, 112), welche einen Brennraum (146) umfasst, und  a combustion chamber device (110, 112) comprising a combustion chamber (146), and
einen Injektor (130) zum Zuführen von Brennstoff und Oxidator zu dem Brennraum (146),  an injector (130) for supplying fuel and oxidizer to the combustion chamber (146),
wobei der Injektor (130) einen inneren Fluidkanal (132), einen den inneren Fluidkanal (132) zumindest abschnittsweise umgebenden äußeren Fluidkanal (134) und einen bezüglich einer Strömungsrichtung (142) stromabwärts des inneren Fluidkanals (132) angeordneten Führungskanal (136) umfasst, welcher in den Brennraum (146) mündet, wobei eine Anoden-Abgasleitung (122a) der Brennstoffzellenvorrichtung (102) und/oder eine Kathoden-Abgasleitung (122b) der Brennstoffzellenvorrichtung (102) mit dem Injektor (130) fluidwirksam verbunden ist, so dass mittels mindestens eines Fluidkanals (132, 134, 184) des Injektors (130) ein Anoden-Abgasstrom und/oder ein Kathoden- Abgasstrom der Brennstoffzellenvorrichtung (102) dem Brennraum (146) zuführbar sind, wherein the injector (130) comprises an inner fluid channel (132), an outer fluid channel (134) at least partially surrounding the inner fluid channel (132) and a flow direction (142) downstream of the inner fluid channel (132) arranged guide channel (136) which opens into the combustion chamber (146), wherein an anode exhaust pipe (122a) of the fuel cell device (102) and / or a cathode exhaust pipe (122b) of Fuel cell device (102) with the injector (130) is fluidly connected, so that by means of at least one fluid channel (132, 134, 184) of the injector (130) an anode exhaust stream and / or a cathode exhaust stream of the fuel cell device (102) the combustion chamber (146) are deliverable,
wobei ein erstes Fluid mittels des inneren Fluidkanals (132) und ein zweites Fluid mittels des äußeren Fluidkanals (134) koaxial mit zumindest näherungsweise gleicher Strömungsgeschwindigkeit dem Führungskanal (136) zuführbar ist,  wherein a first fluid can be supplied to the guide channel (136) by means of the inner fluid channel (132) and a second fluid by means of the outer fluid channel (134) coaxially with at least approximately the same flow velocity,
wobei ein Versorgungsdruck des ersten Fluids zumindest näherungsweise einem Versorgungsdruck des zweiten Fluids entspricht.  wherein a supply pressure of the first fluid at least approximately corresponds to a supply pressure of the second fluid.
12. Verbrennungssystem (100) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anoden-Abgasleitung (122a) der Brennstoffzellenvorrichtung (102) mit einem ersten Fluidkanal (132, 134, 184) des Injektors (130) und die Kathoden-Abgasleitung (122b) der Brennstoffzellenvorrichtung (102) mit einem zweiten Fluidkanal (132, 134, 184) des Injektors (130) fluidwirksam verbunden ist, so dass der Anoden-Abgasstrom und der Kathoden-Abgasstrom mittels des Injektors (130) zusammenführbar und dem Brennraum (146) zuführbar sind. 12. A combustion system (100) according to claim 11, characterized in that the anode exhaust pipe (122a) of the fuel cell device (102) having a first fluid channel (132, 134, 184) of the injector (130) and the cathode exhaust pipe (122b) the fuel cell device (102) is fluidly connected to a second fluid channel (132, 134, 184) of the injector (130) so that the anode exhaust stream and the cathode exhaust stream can be brought together by means of the injector (130) and fed to the combustion chamber (146) are.
13. Verbrennungssystem (100) nach einem der Ansprüche 11 oder 12, 13. combustion system (100) according to any one of claims 11 or 12,
dadurch gekennzeichnet, dass das Verbrennungssystem (100) eine Fluidführung (118) umfasst, mittels welcher ein Fluidstrom, welcher vorzugsweise einen gegenüber Atmosphärendruck erhöhten Druck aufweist,  characterized in that the combustion system (100) comprises a fluid guide (118) by means of which a fluid flow, which preferably has an elevated pressure relative to atmospheric pressure,
als Brennstoffstrom mit Brennstoffüberschuss der Brennstoffzellenvorrichtung (102) zuführbar ist, anschließend zumindest teilweise als Brennstoffstrom mittels des Injektors (130) dem Brennraum (146) zuführbar ist und anschließend über eine Turbinenvorrichtung (114) einer Gasturbinenvorrichtung (108) der Verbrennungsvorrichtung (104) entspannbar ist. as fuel flow with excess fuel, the fuel cell device (102) can be supplied, then at least partially as a fuel flow by means of the injector (130) to the combustion chamber (146) can be supplied and then via a turbine device (114) of a gas turbine device (108) of the combustion device (104) can be relaxed.
Verbrennungssystem (100) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsvorrichtung (104) eine Gasturbinenvorrichtung (108) umfasst und dass die Brennkammervorrichtung (110) eine Brennkammervorrichtung (110) der Gasturbinenvorrichtung (108) ist. A combustion system (100) according to any one of claims 11 to 13, characterized in that the combustion device (104) comprises a gas turbine device (108) and that the combustion chamber device (110) is a combustion chamber device (110) of the gas turbine device (108).
15. Verbrennungssystem (100) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, 15. A combustion system (100) according to any one of claims 11 to 14,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Abschnitt (156a) des Führungskanals (136), insbesondere der gesamte Führungskanal (136), eine Länge (L) aufweist, welche höchstens ungefähr dem Produkt aus der mittleren Strömungsgeschwindigkeit der Fluide in diesem Abschnitt (156a) bzw. in dem gesamten Führungskanal (136) und der Zündver- zugszeit eines Gemisches der Fluide entspricht.  characterized in that at least a portion (156a) of the guide channel (136), in particular the entire guide channel (136), has a length (L) which is at most approximately equal to the product of the average flow rate of the fluids in that portion (156a). in the entire guide channel (136) and the ignition delay time of a mixture of the fluids.
16. Verbrennungssystem (100) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, 16. The combustion system (100) according to any one of claims 11 to 15,
dadurch gekennzeichnet, dass das Verbrennungssystem (100) eine Kompressorvorrichtung (116) umfasst, mittels welcher ein Versorgungsdruck eines mittels des Injektors (130) dem Brennraum (146) zuzuführenden Fluids an einen Versorgungsdruck eines aus der Brennstoffzellenvorrichtung (102) abgeführten und ebenfalls mittels des Injektors (130) dem Brennraum (146) zuzuführenden Fluids anpassbar, insbesondere angleichbar, ist.  characterized in that the combustion system (100) comprises a compressor device (116), by means of which a supply pressure of a fluid to be supplied to the combustion chamber (146) by means of the injector (130) to a supply pressure of a discharged from the fuel cell device (102) and also by means of the injector (130) the fluid to be supplied to the combustion chamber (146) adaptable, in particular equalizable, is.
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