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CN107667070B - 催化燃烧器设备 - Google Patents

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CN107667070B CN201580063664.5A CN201580063664A CN107667070B CN 107667070 B CN107667070 B CN 107667070B CN 201580063664 A CN201580063664 A CN 201580063664A CN 107667070 B CN107667070 B CN 107667070B
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Abstract

公开了一种催化燃烧器设备(110)，所述催化燃烧器设备(110)至少包括催化燃烧器单元(10)，所述催化燃烧器单元(10)具有带反应室(13)的壳体(12)，所述反应室(13)中布置有催化剂(14)，其中，所述催化剂(14)适于使燃料(尤其是包含流体的氢气)与氧化剂(尤其是空气)起反应以产生热量，所述壳体(12)具有用于将流体流供应到所述壳体(12)中的流体入口(14)和用于使流体流离开所述壳体(12)的流体出口(18)，并且所述催化燃烧器设备(110)进一步包括形成混合室(26)的混合单元(20)，燃料和氧化剂在所述混合室(26)中混合，其中，所述混合装置包括燃料入口(22)、氧化剂入口(24)、以及燃料‑氧化剂混合物出口，且其中所述催化燃烧器单元(10)的所述流体入口(14)与所述混合单元(20)的所述燃料‑氧化剂出口(28)合并以将所述燃料‑氧化剂混合物从所述混合室(26)转移至所述催化燃烧器单元(10)的所述反应室(13)，所述混合室(26)的所述燃料‑氧化剂出口是管状的并且延伸到所述混合单元(20)的混合室(26)中，其中管状燃料‑氧化剂出口长度(L)延伸过氧化剂入口(24)和/或燃料入口(22)。

Description

催化燃烧器设备
技术领域
本发明涉及如在专利权利要求1和4的前序中定义的催化燃烧器设备，并且涉及根据专利权利要求12的前序的基于燃料技术的辅助电力组件。
背景技术
在基于燃料电池技术的辅助电力单元中，能量由燃料电池堆提供。燃料电池的操作通常会使用到氢气。在所述APU系统中，氢气通常是由所谓的燃料重整器(fuelreformer)来产生，该燃料重整器借助催化剂从烃类燃料(比如，柴油)生成富氢气体。在一些优选的燃料重整过程中(诸如，自热式燃料重整过程或者蒸汽重整过程)，还使用蒸汽来进行燃料重整反应。产生蒸汽所需的热量可以是通过使用布置在燃料电池或者燃料电池堆下游的催化燃烧器来提供，其中，离开燃料电池堆的空气和多余氢气在催化剂下燃烧释放能量，该能量可以用于产生蒸汽。
已知的催化燃烧器具有限定反应室的壳体，该反应室具有燃料(氢气)入口和氧化剂(空气)入口，燃料和氧化剂通过这些入口引入反应室。壳体内还包含催化剂，该催化剂布置在入口的下游，氢气和空气在此相互发生催化反应。已知的催化燃烧器的问题在于，空气和氢气通常在彼此一接触时就在催化剂的上游不受控制地起反应。在一些情况下，空气甚至可能进入燃料入口，因此也可能在管道中发生这种不受控制的燃烧。然而，这些不受控制的燃烧可以损坏管道以及燃烧器本身。此外，空气和燃料通常混合不均匀，这又导致在催化剂中发生热点，损坏催化剂并且产生有害排放物。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种催化燃烧器，该催化燃烧器会阻止氢气在管道中的点燃并且使空气和燃料混合均匀。
该目的通过根据专利权利要求1的催化燃烧器、根据专利权利要求4的催化燃烧器、以及根据专利权利要求12的辅助电力单元组件来实现。
在下文中提供了一种催化燃烧器设备，该催化燃烧器设备至少包括催化燃烧器单元和混合单元。其中，催化燃烧器单元包括限定反应室的壳体，反应室中布置有催化剂。催化剂适于使燃料(尤其是包含流体的氢气)与氧化剂(尤其是空气)起反应以产生热量。壳体进一步具有将流体流供应到壳体中的流体入口和使流体流离开壳体的流体出口。
混合单元进而形成混合室(燃料和氧化剂在混合室中混合)并且包括燃料入口和催化剂入口以及燃料-氧化剂混合物出口。催化燃烧器单元的燃料入口与混合单元的燃料-氧化剂出口合并以便可以将来自混合室的燃料-氧化剂混合物运输至催化燃烧器单元的反应室。
为了阻止燃料和氧化剂彼此不受控制的反应并且改进其混合，混合室的所述燃料-氧化剂出口为管状并且延伸到混合单元的混合室中。借助延伸到混合室中的管状燃料-氧化剂出口，燃料和氧化剂在燃料-氧化剂出口周围旋涡式地受引导并受迫向上流动，并且在燃料/氧化剂混合物可以进入燃料-氧化剂出口之前受迫改变流动方向。
应注意，在本发明的上下文中，“管状”指细长中空元件，其可以具有圆柱形或者棱柱形形式。所述中空元件具有至少两个开口。至少一个第一开口允许燃料-氧化剂混合物进入到中空元件中并且至少一个第二开口允许燃料-氧化剂混合物离开中空元件并因此离开混合单元。因此，至少一个第一开口布置在混合室内部。应进一步明确地注意，可以提供不只一个开口作为第一开口和不只一个开口作为第二开口。
根据替代解决方案，混合室的所述燃料入口布置在所述氧化剂入口的上游。入口的该交错布置防止氧化剂进入燃料入口并且因此防止燃料不受控制地点燃。即使优选的是额外提供混合室的管状燃料-氧化剂出口(该管状燃料-氧化剂出口延伸到混合单元的混合室中)，该交错布置独自也可改进混合并且防止不受控制的燃烧。
根据优选实施例，管状燃料-氧化剂出口的长度延伸过氧化剂入口和/或燃料入口。因此，可以优选的是燃料-氧化剂出口延伸过氧化剂入口和燃料入口两者。在两个实施例中，可以使旋涡和流动重新定向最大化。
根据其它优选实施例，混合室的燃料入口布置在所述氧化剂入口的上游，因此可靠地阻止了氧化剂进入燃料入口并且不受控制地起反应。
根据其它优选实施例，燃料入口和氧化剂入口布置为相对于主流体流的方向成角度，该主流体流通过燃料-氧化剂混合物出口流向催化燃烧器的反应室。有利地，由于需要将流体从进入方向重新定向为其离开方向从而使流体混合，因此该成角度布置使得混合均匀。
为了使燃料和氧化剂的流体流定向，优选的是将燃料入口和/或氧化剂入口设计为具有纵向轴线的至少一个管道，通过该至少一个管道来提供定向流体流。
根据其它优选实施例，所述混合单元呈棱柱形或者圆柱形，具有两个基板和至少三个侧表面或者壳程侧，其中，燃料入口和氧化剂入口布置在侧表面或者壳程侧中，并且燃料-氧化剂混合物出口布置在其中一个基板处。因此，混合单元的几何设计支持混合，从而可以提供非常均匀的混合物。
根据其它优选实施例，至少一个定向流体流与混合室的纵向轴线偏移，从而提供至少一个切向流体流。借助该切向流体流，可以实现均匀的混合物。
根据其它优选实施例，燃料入口和/或氧化剂入口的纵向轴线相对混合室的截面平面倾斜。通过该倾斜布置，避免了氧化剂和燃料不受控制的点燃和/或不希望发生的氧化剂进入燃料管道。
根据其它优选实施例，氧化剂入口和燃料入口布置为彼此大体上成直角，从而改进了混合并且可靠地避免了不希望发生的点燃。
本申请的其它方面涉及一种基于燃料电池技术的辅助电力组件，该辅助电力组件至少包括燃料处理组件，该燃料处理组件适于通过使用至少烃类燃料和蒸汽将烃类燃料转变为用于燃料电池的富氢气体。处理器组件的下游布置有用于提供辅助电力的至少一个燃料电池或者燃料电池堆。燃料电池的下游设置有催化燃烧器单元，该催化燃烧器单元适于通过使用氧化剂(诸如，空气或者氧气)和催化剂来使离开燃料电池或者燃料电池堆的未使用氢气燃烧，以使所述氧化剂和氢气起反应从而产生热量，其中，所述热量进而用于产生燃料处理组件中使用的蒸汽。由此如上所述设计催化燃烧器。
说明书、附图和所附权利要求书中定义了其它实施例和优选布置。
在下文中，将借助附图中示出的实施例对本发明进行描述。实施例仅仅是示例性的，而非意在限制仅由所附权利要求书限定的保护范围。
附图说明
附图示出了：
图1：APU系统的示意图；
图2：催化燃烧器的第一优选实施例的示意图；
图3：图2中示出的混合单元的示意性详细空间视图；
图4：催化燃烧器的第二优选实施例的示意图；
图5：图4中示出的混合单元的示意性详细空间视图；
图6：图3和图5中示出的混合单元的示意性顶视图；
图7：图6的混合单元的示意性侧视图。
在下文中，相同或者相似功能元件由相同附图标记表示。
具体实施方式
图1示出了用于提供电力的基于燃料技术的辅助电力单元(APU)系统100的示意图。该APU系统100包括燃料重整器102，该燃料重整器102适于从烃类燃料105产生富氢气体104。该富氢气体104被引入布置在燃料重整器102下游的燃料电池堆106中。在该燃料电池堆中，通过将氢气引导至质子电子膜的阳极侧并且将氧化剂引导至阴极侧来产生电能107。然后可以将燃料电池堆中未使用的多余氢气108转移至催化燃烧器设备110，多余氢气108在此与空气起反应以产生热量112。然后该热量112用于产生蒸汽114，该蒸汽114进而用在燃料重整器102中将烃类燃料105转变为富氢气体108。来自燃料重整过程和催化燃烧的副产物(诸如，二氧化碳和氧化氮)可以作为废气116离开催化燃烧器110。
图2和图4示出了催化燃烧器设备110的两个替代实施例的示意图。如从图2和图4可见，燃烧器设备110包括至少两个单元，即，燃烧器单元10和混合单元20。燃烧器单元10包括限定反应室13的壳体12，反应室13中包含催化剂14。进一步地，壳体12包括流体入口16和流体出口18。混合单元20布置为接近燃烧单元10并且适于提供空气和氢气的均匀混合物，通过流体入口16将该均匀混合物进给到壳体12中并且进给至催化剂14。混合单元20本身包括燃料入口22和氧化剂入口24，其中，燃料和氧化剂在混合室26中混合并且可以通过燃料-氧化剂混合物出口28离开混合单元20。图2和图4进一步描绘了燃料入口22和氧化剂入口24相对于从混合单元20至燃烧器单元10的流体流方向30成一定角度。
进一步地，混合单元20可以呈圆柱形，该圆柱形具有壳程(mantel)侧32和两个基板34和36。除了圆柱形外，还能够是任何其它棱柱形，其中，两个基板34和36通过至少三个侧表面32进行连接。
如从图2中描绘的第一实施例可见，燃料-氧化剂出口28是管状中空元件并且其长度L至少延伸过混合室26中的其中一个入口22和24。通过使管状燃料-氧化剂出口28延伸过至少一个入口22和24，显著地降低了氧化剂进入燃料入口的风险，氧化剂进入燃料入口可能会导致不受控制的燃烧。此外，燃料入口可以布置在氧化剂入口24的上游，从而进一步降低不受控制的燃烧的风险。管状燃料-氧化剂出口28进一步包括布置在混合室26中的第一开口28-1和设置在混合单元20的底板34中的第二开口28-2。因此，应注意，可以设置不只一个开口用作第一开口28-1和/或第二开口28-2。
如图4中示出的第二实施例所图示，燃料入口22布置在氧化剂入口24的上游，从而避免了氧化剂进入到燃料入口22中，因此避免了氧化剂和燃料在燃料入口22内发生所不希望的点燃。与图2的图示实施例形成对照，燃料-氧化剂出口28并非管状，而是设计成位于底板34上的简单开口。
在两个描绘的实施例中，燃料-氧化剂混合物出口28与燃烧器单元10的流体入口16合并。当然，管状燃料-氧化剂出口28也能够是细长的，或者能够在燃烧器单元10与混合单元20之间布置连接管道，该连接管道流体连接燃料-氧化剂混合物出口28和流体入口16。
图3和图5分别示出了如图2和图4所示的混合单元20的详细空间视图。如图3和图5所图示，燃料入口22和氧化剂入口24布置在壳程侧32处，其中，燃料-氧化剂混合物出口28布置在底部基板34处或底部基板34中。燃料入口22和氧化剂入口24为管状，提供了纵向轴线A22和A24，由此分别提供了定向燃料流38和氧化剂流40。这些定向流38和40通过混合单元20的壁32偏离以作圆周运动41，从而在反应室26中引入湍流。因此，燃料和氧化剂得以混合。除此之外，混合气体流必须通过出口28来经历从圆周运动至线性运动的流动重新定向，从而可以在流体流中引起进一步的扰动并且甚至可以进一步改进混合的均匀性。如进一步从图3可见，管状燃料-氧化剂出口28会加强所引起的旋涡运动并且增强流体流的重新定向，从而增强混合。
应进一步注意的是，在使用管状燃料-氧化剂出口28的情况下，燃料入口22和氧化剂入口24可以处于相同水平上。虽然在没有管状燃料-氧化剂出口28的情况下将入口22和24布置在相同水平上在原则上也是可行的，但氧化剂进入燃料管道22的风险却增加。因此，在这种情况下，优选的是将燃料入口22布置在氧化剂入口24的上游以便阻止氧化剂进入燃料入口22。
为了提供最佳混合，燃料入口22和氧化剂入口24应布置成使得相应流体流如在图6的顶视图中描绘的那样切向地进入混合室。通过该切向喷入，可以使室26中的旋涡运动最大化，并因此使混合的均匀性最大化。
图7a和图7b示出了混合装置20的进一步的可选细节。如从图示的侧视图可见，燃料入口管道22和氧化剂入口管道24的相应轴线A22和A24可以相对于混合单元20的截面平面42倾斜预定角度α和β。通常，为了确保流体流在混合室26中具有足够长的停留时间以产生期望的均匀混合物，角度α和β相对较小，优选地小于10°。另一方面，该倾斜进一步确保流过氧化剂24的空气不会进入燃料管道22。因此，角度α和β可以提供相同或者不同的倾斜度。
总之，该发明性混合单元会阻止氢气在管道中点燃。此外，由于所有可燃气体均由于混合均匀而被燃烧掉，所以混合单元也减少了在催化燃烧过程期间产生的有害副产物的排放。此外，为了实现完全燃烧以及将温度增加至适于甲烷在催化剂中燃烧的期望温度，仅仅需要较少的多余空气，这又减少了有害副产物的量。因此，由于反应器温度且因此甲烷的转化率会迅速处于期望范围内，所以可以使催化燃烧器的效率最大化。
附图标记
100 辅助电力单元
102 燃料重整器
104 富氢气体
105 烃类燃料
106 燃料电池堆
107 电力
108 氢气
110 催化燃烧器
112 热量
114 蒸汽生产
10 催化燃烧器单元
12 壳体
14 催化剂
16 流体入口
18 流体出口
20 混合单元
22 燃料入口
24 氧化剂入口
26 混合室
28 燃料-氧化剂混合物出口
28-1、28-2 开口
30 从混合室至反应室的流体流方向
32 壳程侧
34 底部基板
36 顶部基板
38 燃料流方向
40 氧化剂流方向
42 截面平面
L 燃料-氧化剂出口的长度
A22 燃料入口的纵向轴线
A24 氧化剂入口的纵向轴线

Claims (7)

1.催化燃烧器设备(110)，包括：
催化燃烧器单元(10)，所述催化燃烧器单元(10)具有带反应室(13)的壳体(12)，所述反应室(13)中布置有催化剂(14)，其中，所述催化剂(14)适于使燃料与氧化剂起反应以产生热量，其中，所述燃料是包含流体的氢气，所述氧化剂是空气，其中所述壳体(12)具有用于将流体流供应到所述壳体(12)中的流体入口(16)和用于使流体流离开所述壳体(12)的流体出口(18)，
并且所述催化燃烧器设备(110)进一步包括形成混合室(26)的混合单元(20)，燃料和氧化剂在所述混合室(26)中进行混合，其中，所述混合单元包括燃料入口(22)、与所述燃料入口分开的氧化剂入口(24)、以及燃料-氧化剂混合物出口(28)，且其中，
所述催化燃烧器单元(10)的所述流体入口(16)与所述混合单元(20)的所述燃料-氧化剂混合物出口(28)合并以将所述燃料-氧化剂混合物从所述混合室(26)转移至所述催化燃烧器单元(10)的所述反应室(13)，从而建立主流体流的方向，
其特征在于，
其中所述混合室(26)呈棱柱形或者圆柱形，具有两个基板(34、36)和至少三个侧表面侧或者壳程侧(32)，其中，所述燃料入口(22)和所述氧化剂入口(24)布置在侧表面或者壳程侧(32)处，并且所述燃料-氧化剂混合物出口(28)布置在其中一个所述基板(34、36)处，以及
其中所述混合室(26)的所述燃料-氧化剂混合物出口(28)是管状的并且延伸到所述混合单元(20)的混合室(26)中，其中管状燃料-氧化剂混合物出口(28)长度(L)延伸过氧化剂入口(24)和/或燃料入口(22)，以及
其中，相对于从所述混合单元(20)至所述催化燃烧器单元(10)的主流体流的方向，所述混合室(26)的所述燃料入口(22)布置在所述混合单元(20)的所述氧化剂入口(24)的上游。
2.根据权利要求1所述的催化燃烧器设备(110)，其中，燃料入口(22)和氧化剂入口(24)布置为相对于主流体流的方向(30)成角度，所述主流体流通过所述燃料-氧化剂混合物出口(28)流向所述催化燃烧器单元的所述反应室(13)。
3.根据任一前述权利要求所述的催化燃烧器设备(110)，其中，所述燃料入口(22)和/或所述氧化剂入口(24)设计为具有纵向轴线(A22、A24)的至少一个管道，通过所述至少一个管道将燃料(38)和/或氧化剂(40)的定向流体流引入所述混合室(26)中。
4.根据权利要求3所述的催化燃烧器设备(110)，其中，所述燃料(38)和/或氧化剂(40)的定向流体流与所述混合室(26)的纵向轴线偏移，从而提供至少一个切向流体流。
5.根据权利要求3所述的催化燃烧器设备(110)，其中，所述燃料入口(22)和/或所述氧化剂入口(24)的纵向轴线相对所述混合室(26)的横截面平面(42)倾斜。
6.根据权利要求1所述的催化燃烧器设备(110)，其中，所述氧化剂入口(24)和所述燃料入口(22)布置为彼此大体上成直角。
7.基于燃料电池技术的辅助电力组件(100)，所述辅助电力组件(100)至少包括：
燃料处理组件(102)，所述燃料处理组件(102)适于通过使用至少烃类燃料(105)和蒸汽(114)将所述烃类燃料(105)转变为用于燃料电池(106)的富氢气体(104)；
处于所述燃料处理组件(102)下游用于提供辅助电力(107)的至少一个燃料电池或者燃料电池堆(106)；以及
处于所述至少一个燃料电池或者燃料电池堆(106)下游的根据前述权利要求中的任一项所述的催化燃烧器设备(110)，所述催化燃烧器设备(110)具有催化燃烧器单元(10)，所述催化燃烧器单元(10)适于通过使用氧化剂和催化剂(14)来使离开所述至少一个燃料电池或者燃料电池堆(106)的未使用氢气(108)燃烧以使氧化剂和氢气起反应产生热量(112)，其中，所述热量用于产生在所述燃料处理组件(102)中使用的蒸汽(114)。
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