專利名稱：用于燃料重整器的混合裝置、燃料重整器以及用于將碳?xì)淙剂限D(zhuǎn)化為富氫氣體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于燃料重整器的混合裝置；包括這種混合裝置的、用于將碳?xì)淙剂限D(zhuǎn)化為用于燃料電池和/或排氣處理應(yīng)用的富氫氣體的燃料重整器；以及用于使用該燃料重整器將碳?xì)淙剂限D(zhuǎn)化為富氫氣體的方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，眾所周知的是，通過對(duì)諸如汽油或碳?xì)淙剂系鹊奶細(xì)淙剂线M(jìn)行重整來產(chǎn)生富氫氣體，以用在運(yùn)輸裝置的燃料電池中。傳統(tǒng)上，氫在大型工業(yè)設(shè)施中產(chǎn)生，然后被儲(chǔ)存并裝載在運(yùn)輸裝置上。近來對(duì)小型車載氫源(所謂的燃料重整器)的開發(fā)提供了在無需儲(chǔ)存氫的情況下、按需生產(chǎn)氫的可能性。通常，存在有三種已知的將氣態(tài)或液態(tài)碳?xì)淙剂限D(zhuǎn)化為氫的方法催化蒸汽重整、 部分氧化重整和自熱重整。在所有已知的方法中，兩種流體(即碳?xì)淙剂虾椭T如蒸汽、空氣或水等的氧化劑)相互混合并供給到布置于燃料重整器的反應(yīng)室內(nèi)的催化劑。在催化蒸汽重整過程中，蒸汽和碳?xì)淙剂系幕旌衔镌诟邷叵?典型地在700°C至 1000°C之間)暴露于適當(dāng)?shù)拇呋瘎珂?。該反?yīng)是高度吸熱的，且需要外部熱源和蒸汽源。在部分氧化重整過程中，優(yōu)選在存在有催化劑的情況下，將碳?xì)淙剂虾秃鯕怏w (例如環(huán)境空氣)的混合物作為進(jìn)料氣體供應(yīng)到反應(yīng)室內(nèi)。所使用的催化劑一般由貴金屬或鎳制成，并且其溫度典型地在700°C至1700°C之間。該反應(yīng)是高度放熱的，而且，一旦開始該反應(yīng)，就會(huì)生成足夠的熱以實(shí)現(xiàn)自維持。為了促進(jìn)氧化反應(yīng)，需要降低反應(yīng)室內(nèi)的溫度變化。自熱重整過程是蒸汽重整和部分氧化重整的組合。來自部分氧化重整的廢熱用于對(duì)吸熱的蒸汽重整反應(yīng)進(jìn)行加熱。所有重整過程的天然副產(chǎn)物都是一氧化碳和二氧化碳。但是，因?yàn)樘細(xì)淙剂衔幢辉O(shè)計(jì)為用于生成氫的進(jìn)料物質(zhì)，所以也存在其他的副產(chǎn)物，例如硫。對(duì)于燃料電池來說，這些副產(chǎn)物可能是有害的，因此，應(yīng)該通過隨后的步驟將這些副產(chǎn)物移除到燃料重整器的外部。另外，如果反應(yīng)室內(nèi)的混合不良，則碳?xì)淙剂?尤其是柴油)可能產(chǎn)生作為催化劑內(nèi)的副產(chǎn)物的碳煙。對(duì)于燃料電池來說，碳煙微粒又是非常有害的，因此必須注意避免在燃料重整器中形成碳煙。從現(xiàn)有技術(shù)的US6，770, 106中已知一種用于對(duì)進(jìn)料氣體進(jìn)行重整的部分氧化燃料重整器，該進(jìn)料氣體包含碳?xì)浠衔锘蚣淄?、氧、以及水，其中，通過用進(jìn)料氣體的通道覆蓋反應(yīng)室來實(shí)現(xiàn)溫度變化的減小，該進(jìn)料氣體被反應(yīng)室內(nèi)的反應(yīng)熱加熱，并因此將反應(yīng)室隔熱。因此，可減小反應(yīng)室內(nèi)的溫度變化。為了加熱進(jìn)料氣體，可通過熱交換器來回收該反應(yīng)熱。另外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)料氣體到富氫氣體的成功而有效的轉(zhuǎn)化取決于流體或反應(yīng)劑的成功混合，即取決于碳?xì)淙剂虾脱趸瘎┑某晒旌?。已知的現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)是由于反應(yīng)劑的混合在另外的布置于外部的混合器內(nèi)進(jìn)行，所以不能在燃料重整器的反應(yīng)室內(nèi)無燃料凝結(jié)的情況下提供碳?xì)淙剂虾脱趸瘎┑?、完美的霧化或汽化。為了解決此問題，在現(xiàn)有技術(shù)中例如已經(jīng)提出了 將碳?xì)淙剂虾脱趸瘎┰诜磻?yīng)室內(nèi)混合，并且優(yōu)選地，甚至通過預(yù)熱要與燃料混合的流入空氣流或通過預(yù)熱用于接收燃料噴霧的反應(yīng)室表面來汽化所噴射的碳?xì)淙剂?。在提供所噴射的碳?xì)淙剂系摹⒖煽康耐耆约疤細(xì)淙剂虾脱趸瘎┑木鶆蚧旌戏矫?，現(xiàn)有技術(shù)的解決方案都不是完全成功的。碳?xì)淙剂虾脱趸瘎┑幕旌线^程中出現(xiàn)的主要問題是提供兩種流體在氣態(tài)下的均勻混合，其中所述流體中的至少一種流體(尤其是碳?xì)淙剂?被以其液相狀態(tài)提供。在現(xiàn)有技術(shù)中實(shí)現(xiàn)的上述混合的另一個(gè)缺點(diǎn)是產(chǎn)生了流體流的再循環(huán)。當(dāng)通過將碳?xì)淙剂虾?或氧化劑噴射到反應(yīng)室內(nèi)而提供的流體流撞擊到反應(yīng)室內(nèi)布置的催化劑并從該催化劑被推回時(shí)，就生成了這種再循環(huán)。這種再循環(huán)甚至可能產(chǎn)生通過流體入口的流體回流。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于燃料重整器的混合裝置、燃料重整器、以及用于將碳?xì)淙剂限D(zhuǎn)化為富氫氣體的方法，其中提供了反應(yīng)劑的更高程度的均勻混合并且減少了再循環(huán)。通過根據(jù)權(quán)利要求I所述的混合裝置、根據(jù)權(quán)利要求12所述的燃料重整器、以及根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，實(shí)現(xiàn)了上述目的。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可通過使用如下混合裝置來減少流體的再循環(huán)該混合裝置至少具有沿著第一陣列(row)布置的多個(gè)第一孔和沿著第二陣列布置的多個(gè)第二孔。利用所述第一陣列的多個(gè)孔和所述第二陣列的多個(gè)孔，向該混合裝置的下游提供流體射流。借助于所產(chǎn)生的流體射流，上述再循環(huán)能夠得到控制，并且能夠改善所述流體的混合。這些陣列的形狀優(yōu)選與所述混合裝置的外邊緣的形狀相似，由此，所述第一陣列的外周有利地小于所述第二陣列的外周。因此，該混合裝置建立了所謂的塞流，該塞流幾乎平面地且與反應(yīng)室的縱向軸線大致平行地流動(dòng)，所述混合裝置可安裝在該反應(yīng)室內(nèi)或安裝在該反應(yīng)室處。優(yōu)選地，所述混合裝置被設(shè)計(jì)成使得針對(duì)燃料重整器(該混合裝置被設(shè)計(jì)用于此燃料重整器)的形狀和/或尺寸，所述多個(gè)第一孔和所述多個(gè)第二孔的孔數(shù)、尺寸和/或排列結(jié)構(gòu)(陣列)得到優(yōu)化。在所述混合裝置的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該混合裝置被設(shè)計(jì)為使得所述多個(gè)第一孔中的孔布置在所述氧化劑的、流經(jīng)例如燃料重整器的反應(yīng)室的氧化劑入口的流動(dòng)方向上。更有利的是，將所述多個(gè)第二孔中的孔布置成在該混合裝置的外周處，優(yōu)選與所述多個(gè)第一孔中的孔交錯(cuò)。在該混合裝置的優(yōu)選實(shí)施例中，所述多個(gè)第一孔的孔數(shù)等于所述多個(gè)第二孔的孔數(shù)。通過這種布置結(jié)構(gòu)，該混合裝置可以劃分為多個(gè)扇段，其中，每個(gè)扇段要么包括所述多個(gè)第一孔中的一個(gè)孔，要么包括所述多個(gè)第二孔中的一個(gè)孔。這些扇段的尺寸優(yōu)選取決于該混合裝置的總體尺寸和孔的總數(shù)。在該混合裝置的另一優(yōu)選實(shí)施例中，所述多個(gè)第一孔的直徑小于所述多個(gè)第二孔的直徑，其中優(yōu)選地，所述多個(gè)第一孔的直徑大致相等，并且/或所述多個(gè)第二孔的直徑大致相等。這也確保了均勻的混合，因?yàn)榱鹘?jīng)所述多個(gè)第一孔中的一個(gè)孔或流經(jīng)所述多個(gè)第二孔中的一個(gè)孔的每一體積的氧化劑是相等的。所述多個(gè)第一孔的直徑和/或所述多個(gè)第二孔的直徑優(yōu)選由該混合裝置的孔的總數(shù)和該混合裝置的尺寸限定。根據(jù)所述混合裝置的另一優(yōu)選實(shí)施例，該混合裝置具有優(yōu)選位于其中心的開口， 優(yōu)選地，該開口適于以密封方式包圍所述燃料重整器的燃料噴射元件。通過此燃料噴射元件，優(yōu)選經(jīng)過預(yù)熱的碳?xì)淙剂媳粐娚涞竭@種燃料重整器的反應(yīng)室內(nèi)，在該反應(yīng)室中，所述碳?xì)淙剂吓c從混合裝置的所述孔中流過的氧化劑混合。優(yōu)選地，所述多個(gè)第一孔的孔圍繞位于中心的所述開口布置。因?yàn)闊岬难趸瘎┝鹘?jīng)所述多個(gè)第一孔的孔，所以其廢熱支持了碳?xì)淙剂系钠?。為了提高混合的均勻性，更?yōu)選的是，為所述多個(gè)第二孔中的至少一個(gè)孔提供罩 (shroud)。這些罩提供了氧化劑在該混合裝置下游的渦旋運(yùn)動(dòng)，這進(jìn)一步增加了流體射流的擾動(dòng)，由此改善了碳?xì)淙剂虾脱趸瘎┑木鶆蚧旌?。在該混合裝置的另一實(shí)施例中，所述多個(gè)第一孔中的一個(gè)孔的直徑與所述第一陣列的直徑的比值與tan(β/2)成比例，并且/或，所述多個(gè)第二孔中的一個(gè)孔的直徑與所述第二陣列的直徑的比值與tan(a/2)成比例，其中，角度β限定了所述混合裝置的第一類型的扇段，角度α限定了該混合裝置的第二類型的扇段。角度α限定了包括所述多個(gè)第二孔中的一個(gè)孔的扇段的尺寸，而角度β限定了包括所述多個(gè)第一孔中的一個(gè)孔的扇段的尺寸。該角度α和β與孔數(shù)相關(guān)，其中角度α和β可以相等和/或通過等式α+β =360° /(ηι+η2)而與孔數(shù)相關(guān)，其中Ii1是所述多個(gè)第一孔的孔數(shù)，η2是所述多個(gè)第二孔的孔數(shù)。本發(fā)明不限于均帶有布置在混合裝置處的多個(gè)孔的、兩個(gè)這種陣列的情形。甚至可存在有三個(gè)或更多個(gè)、布置在混合裝置處的這種多個(gè)孔的陣列。例如，在存在有限定了多個(gè)第三孔的第三陣列的孔的情形中，包括所述多個(gè)第三孔中的一個(gè)孔的扇段的尺寸將由角度Y限定。在此情況中，所述扇段和孔數(shù)將通過等式 α +β + Y = 360° /0^+ + )而彼此相關(guān),其中Ii1是所述多個(gè)第一孔的孔數(shù)，n2是所述多個(gè)第二孔的孔數(shù)，n3是所述多個(gè)第三孔的孔數(shù)。因此，一般地，孔數(shù)和扇段的尺寸根據(jù)如下公式而彼此相關(guān)
權(quán)利要求
1.一種用于燃料重整器(I)的混合裝置(14)，所述混合裝置布置成用于混合至少兩種流體(10、12)，尤其是碳?xì)淙剂?10)和氧化劑(12)，其特征在于，所述混合裝置(14)至少包括沿著第一陣列布置的多個(gè)第一孔(26)和沿著第二陣列布置的多個(gè)第二孔(28)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的混合裝置(14)，其中，所述至少兩種流體(10、12)中的至少一種流體被以其液相引入到所述混合裝置(14)中，所述至少一種流體優(yōu)選是碳?xì)淙剂?10)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的混合裝置(14)，其中，所述第一陣列和/或所述第二陣列大致布置在一條線上，該線的形狀與所述混合裝置(14)的外邊緣的形狀相似，其中，所述混合裝置(14)優(yōu)選具有圓形或橢圓形形狀，并且，所述第一陣列和/或所述第二陣列優(yōu)選形成為圓或橢圓。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的混合裝置(14)，其中，第一圓的半徑(Rd)小于第二圓的半徑 (RD)，其中，所述第一圓和所述第二圓優(yōu)選大致布置為同心圓。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的混合裝置(14)，其中，所述多個(gè)第一孔(26)的數(shù)量與所述多個(gè)第二孔(28)的數(shù)量相同。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的混合裝置(14)，其中，所述多個(gè)第一孔(26)的直徑小于所述多個(gè)第二孔(28)的直徑，其中優(yōu)選地，所述多個(gè)第一孔(26)的直徑大致相等并且/或所述多個(gè)第二孔(28)的直徑大致相等。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的混合裝置(14)，其中，所述多個(gè)第一孔(26)的直徑(d)和/ 或所述多個(gè)第二孔(28)的直徑(D)由所述混合裝置(14)的孔的總數(shù)(N)和所述混合裝置(14)的尺寸(R)限定。
8.根據(jù)權(quán)利要求3至7中的任一項(xiàng)所述的混合裝置(14)，其中，所述多個(gè)第一孔(26) 中的一個(gè)孔的直徑與所述第一圓的半徑的比值(d/Rd)大致與tan(i3/2)成比例，并且/ 或所述多個(gè)第二孔(26)中的一個(gè)孔的直徑與所述第二圓的半徑的比值(D/RD)大致與 tan(a/2)成比例，其中，所述角度β限定了包括所述多個(gè)第一孔(26)中的一個(gè)孔的、第一類型的扇段(SI)，所述角度α限定了包括所述多個(gè)第二孔(28)中的一個(gè)孔的、第二類型的扇段(S2)，并且，α+β大致等于360° /(ηι+η2)，其中Ii1是所述多個(gè)第一孔(26)的孔數(shù)， H2是所述多個(gè)第二孔(28)的孔數(shù)。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的混合裝置(14)，其中，所述混合裝置(14)被劃分為彼此相等的多個(gè)扇段，所述扇段的尺寸由所述孔的總數(shù)限定，其中，在每個(gè)扇段內(nèi)， 優(yōu)選選擇性地要么布置有所述多個(gè)第一孔(26)中的一個(gè)孔，要么布置有所述多個(gè)第二孔(28)中的一個(gè)孔。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的混合裝置(14)，還包括優(yōu)選位于其中心的接收開口(40)，優(yōu)選地，所述接收開口(40)適于以密封方式容納用于所述流體(10、12)之一的噴射元件(32)，尤其是所述燃料重整器(I)的燃料噴射元件(32)，其中，所述接收開口(40)優(yōu)選具有與所述噴射元件(32)相同的形狀。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的混合裝置(14)，其中，所述多個(gè)第一孔(26) 和/或所述多個(gè)第二孔(28)中的至少一種的至少一個(gè)孔裝配有罩。
12.一種燃料重整器(I)，所述燃料重整器(I)用于將碳?xì)淙剂?10)轉(zhuǎn)化為用于燃料電池和/或排氣處理應(yīng)用的富氫氣體(36)，所述燃料重整器(I)具有殼體(2)，所述殼體(2)帶有兩個(gè)側(cè)壁(8a、8b)，這兩個(gè)側(cè)壁(8a、8b)形成所述燃料重整器(I)的反應(yīng)室(16)， 在所述反應(yīng)室(16)中，碳?xì)淙剂?10)和氧化劑(12)被混合以將碳?xì)淙剂?10)轉(zhuǎn)化為富氫氣體(36)，其特征在于，所述燃料重整器(I)還包括根據(jù)權(quán)利要求I至11中的任一項(xiàng)所述的混合裝置(14)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的燃料重整器(I)，其中，所述混合裝置(14)具有與所述燃料重整器(I)的橫截面大致相同的形狀，其中，所述燃料重整器(I)優(yōu)選為柱形的并具有圓形或橢圓形橫截面。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的燃料重整器(I)，其中，沿著所述第二陣列布置的所述多個(gè)第二孔(28)裝配有罩，以在所述反應(yīng)室(16)的外側(cè)部分中、提供經(jīng)由所述多個(gè)第二孔(28)進(jìn)入所述重整器的反應(yīng)室(16)和/或碳?xì)淙剂?10)中的所述氧化劑(12)的渦旋運(yùn)動(dòng)。
15.根據(jù)權(quán)利要求12至14中的任一項(xiàng)所述的燃料重整器(I)，其中，在所述殼體(2)的兩個(gè)側(cè)壁(8a、8b)之一中設(shè)有燃料入口(32)，以將碳?xì)淙剂?10)提供到所述反應(yīng)室(16) 內(nèi)，并且所述混合裝置(14)布置在此燃料入口側(cè)壁(8a)附近，其中優(yōu)選地，所述碳?xì)淙剂?10)由預(yù)熱裝置(38)優(yōu)選預(yù)熱至大體上比所述燃料(10)的最低沸點(diǎn)低的溫度。
16.根據(jù)權(quán)利要求12至15中的任一項(xiàng)所述的燃料重整器(I)，還包括優(yōu)選位于所述燃料入口(32)附近的至少一個(gè)氧化劑入口(22)，以將所述氧化劑(12)提供給所述反應(yīng)室(16)，所述氧化劑(12)優(yōu)選是空氣或蒸汽、或者尤其是空氣和蒸汽的預(yù)混合的混合物，其中，所述氧化劑入口(22)布置在所述殼體(2)的設(shè)有所述燃料入口(32)的側(cè)壁(8a)與所述混合裝置(14)之間。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的燃料重整器(I)，其中，所述氧化劑入口(22)被設(shè)計(jì)為多個(gè)孔口，尤其為多個(gè)孔隙和/或狹縫，以將所述氧化劑(12)引入到在所述燃料重整器(I) 的所述殼體(2)中布置的空間(30)內(nèi)，所述空間(30)限定在所述殼體(2)的燃料入口側(cè)壁(8a)與所述混合裝置(14)之間，其中，所述多個(gè)孔口優(yōu)選布置在所述混合裝置(14)的多個(gè)扇段(SI)處，所述扇段(SI)包括所述多個(gè)第一孔(26)中的一個(gè)孔。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的燃料重整器(I)，其中，所述多個(gè)孔口的尺寸和/或形狀和 /或位置取決于所使用的所述混合裝置(14)和/或所使用的碳?xì)淙剂?10)和/或所使用的氧化劑(12) ο
19.根據(jù)權(quán)利要求12至18中的任一項(xiàng)所述的燃料重整器(I)，其中，所述燃料重整器 ⑴還包括內(nèi)壁⑷和外壁(6)，在所述內(nèi)壁(4)和所述外壁(6)之間形成有空間(18)，其中，所述空間(18)被設(shè)計(jì)為氧化劑通道，所述氧化劑通道位于在所述外壁￠)中或所述外壁(6)處設(shè)置的氧化劑供給口(20)與在所述內(nèi)壁(4)中或所述內(nèi)壁(4)處設(shè)置的氧化劑入口(22)之間，并且其中，所述氧化劑供給口(20)和所述氧化劑入口(22)優(yōu)選彼此相反地布置在所述燃料重整器(I)的殼體(2)的兩個(gè)相反的側(cè)壁(8a、8b)處或附近。
20.根據(jù)權(quán)利要求12至21中的任一項(xiàng)所述的燃料重整器(I)，其中，所述氧化劑(12) 尤其被預(yù)熱到與碳?xì)淙剂?10)的溫度大致處于同一溫度范圍的溫度，或者預(yù)熱到比碳?xì)淙剂?10)的溫度更高的溫度，其中，所述氧化劑(12)的預(yù)熱優(yōu)選由所述內(nèi)壁(4)提供。
21.一種將碳?xì)淙剂?10)轉(zhuǎn)化為用于燃料電池和/或排氣處理應(yīng)用的富氫氣體(36) 的方法，所述轉(zhuǎn)化優(yōu)選使用根據(jù)權(quán)利要求12至20中的任一項(xiàng)所述的燃料重整器(I)、通過自熱反應(yīng)來進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于燃料重整器(1)的混合裝置(14)，該混合裝置(14)用于混合至少兩種流體(10、12)，其中該混合裝置(14)至少包括沿著第一陣列布置的多個(gè)第一孔(26)和沿著第二陣列布置的至少多個(gè)第二孔(28)。該混合裝置(14)優(yōu)選在用于將碳?xì)淙剂?10)通過自熱反應(yīng)過程轉(zhuǎn)化為富氫氣體(36)的燃料重整器(1)中使用，該燃料重整器(1)具有優(yōu)選柱形的雙壁式殼體(2)，該殼體(2)帶有兩個(gè)側(cè)壁(8a、8b)，這兩個(gè)側(cè)壁(8a、8b)形成燃料重整器(1)的反應(yīng)室(16)，其中，所述碳?xì)淙剂?10)和氧化劑(12)由混合裝置(14)混合。
文檔編號(hào)F01N3/20GK102612484SQ200980160640
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2009年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月23日
發(fā)明者安德斯·卡爾森 申請(qǐng)人:瑞典電池公司