用於燃料重整器的混合裝置、燃料重整器以及用於將碳氫燃料轉化為富氫氣體的方法

2023-05-11 23:09:26 2

專利名稱：用於燃料重整器的混合裝置、燃料重整器以及用於將碳氫燃料轉化為富氫氣體的方法
技術領域：
本發明涉及用於燃料重整器的混合裝置；包括這種混合裝置的、用於將碳氫燃料轉化為用於燃料電池和/或排氣處理應用的富氫氣體的燃料重整器；以及用於使用該燃料重整器將碳氫燃料轉化為富氫氣體的方法。
背景技術：
在現有技術中，眾所周知的是，通過對諸如汽油或碳氫燃料等的碳氫燃料進行重整來產生富氫氣體，以用在運輸裝置的燃料電池中。傳統上，氫在大型工業設施中產生，然後被儲存並裝載在運輸裝置上。近來對小型車載氫源(所謂的燃料重整器)的開發提供了在無需儲存氫的情況下、按需生產氫的可能性。通常，存在有三種已知的將氣態或液態碳氫燃料轉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(即碳氫燃料和諸如蒸汽、空氣或水等的氧化劑)相互混合併供給到布置於燃料重整器的反應室內的催化劑。在催化蒸汽重整過程中，蒸汽和碳氫燃料的混合物在高溫下(典型地在700°C至 1000°C之間)暴露於適當的催化劑，例如鎳。該反應是高度吸熱的，且需要外部熱源和蒸汽源。在部分氧化重整過程中，優選在存在有催化劑的情況下，將碳氫燃料和含氧氣體 (例如環境空氣)的混合物作為進料氣體供應到反應室內。所使用的催化劑一般由貴金屬或鎳製成，並且其溫度典型地在700°C至1700°C之間。該反應是高度放熱的，而且，一旦開始該反應，就會生成足夠的熱以實現自維持。為了促進氧化反應，需要降低反應室內的溫度變化。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於對吸熱的蒸汽重整反應進行加熱。所有重整過程的天然副產物都是一氧化碳和二氧化碳。但是，因為碳氫燃料未被設計為用於生成氫的進料物質，所以也存在其他的副產物，例如硫。對於燃料電池來說，這些副產物可能是有害的，因此，應該通過隨後的步驟將這些副產物移除到燃料重整器的外部。另外，如果反應室內的混合不良，則碳氫燃料(尤其是柴油)可能產生作為催化劑內的副產物的碳煙。對於燃料電池來說，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。從現有技術的US6，770, 106中已知一種用於對進料氣體進行重整的部分氧化燃料重整器，該進料氣體包含碳氫化合物或甲烷、氧、以及水，其中，通過用進料氣體的通道覆蓋反應室來實現溫度變化的減小，該進料氣體被反應室內的反應熱加熱，並因此將反應室隔熱。因此，可減小反應室內的溫度變化。為了加熱進料氣體，可通過熱交換器來回收該反應熱。另外，已經發現，進料氣體到富氫氣體的成功而有效的轉化取決於流體或反應劑的成功混合，即取決於碳氫燃料和氧化劑的成功混合。已知的現有技術的缺點是由於反應劑的混合在另外的布置於外部的混合器內進行，所以不能在燃料重整器的反應室內無燃料凝結的情況下提供碳氫燃料和氧化劑的、完美的霧化或汽化。為了解決此問題，在現有技術中例如已經提出了 將碳氫燃料和氧化劑在反應室內混合，並且優選地，甚至通過預熱要與燃料混合的流入空氣流或通過預熱用於接收燃料噴霧的反應室表面來汽化所噴射的碳氫燃料。在提供所噴射的碳氫燃料的、可靠的完全汽化以及碳氫燃料和氧化劑的均勻混合方面，現有技術的解決方案都不是完全成功的。碳氫燃料和氧化劑的混合過程中出現的主要問題是提供兩種流體在氣態下的均勻混合，其中所述流體中的至少一種流體(尤其是碳氫燃料)被以其液相狀態提供。在現有技術中實現的上述混合的另一個缺點是產生了流體流的再循環。當通過將碳氫燃料和/或氧化劑噴射到反應室內而提供的流體流撞擊到反應室內布置的催化劑並從該催化劑被推回時，就生成了這種再循環。這種再循環甚至可能產生通過流體入口的流體回流。

發明內容
因此，本發明的目的是提供一種用於燃料重整器的混合裝置、燃料重整器、以及用於將碳氫燃料轉化為富氫氣體的方法，其中提供了反應劑的更高程度的均勻混合併且減少了再循環。通過根據權利要求I所述的混合裝置、根據權利要求12所述的燃料重整器、以及根據權利要求21所述的方法，實現了上述目的。本發明人已經發現，可通過使用如下混合裝置來減少流體的再循環該混合裝置至少具有沿著第一陣列(row)布置的多個第一孔和沿著第二陣列布置的多個第二孔。利用所述第一陣列的多個孔和所述第二陣列的多個孔，向該混合裝置的下遊提供流體射流。藉助於所產生的流體射流，上述再循環能夠得到控制，並且能夠改善所述流體的混合。這些陣列的形狀優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於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室的縱向軸線大致平行地流動，所述混合裝置可安裝在該反應室內或安裝在該反應室處。優選地，所述混合裝置被設計成使得針對燃料重整器(該混合裝置被設計用於此燃料重整器)的形狀和/或尺寸，所述多個第一孔和所述多個第二孔的孔數、尺寸和/或排列結構(陣列)得到優化。在所述混合裝置的另一個優選實施例中，該混合裝置被設計為使得所述多個第一孔中的孔布置在所述氧化劑的、流經例如燃料重整器的反應室的氧化劑入口的流動方向上。更有利的是，將所述多個第二孔中的孔布置成在該混合裝置的外周處，優選與所述多個第一孔中的孔交錯。在該混合裝置的優選實施例中，所述多個第一孔的孔數等於所述多個第二孔的孔數。通過這種布置結構，該混合裝置可以劃分為多個扇段，其中，每個扇段要麼包括所述多個第一孔中的一個孔，要麼包括所述多個第二孔中的一個孔。這些扇段的尺寸優選取決於該混合裝置的總體尺寸和孔的總數。在該混合裝置的另一優選實施例中，所述多個第一孔的直徑小於所述多個第二孔的直徑，其中優選地，所述多個第一孔的直徑大致相等，並且/或所述多個第二孔的直徑大致相等。這也確保了均勻的混合，因為流經所述多個第一孔中的一個孔或流經所述多個第二孔中的一個孔的每一體積的氧化劑是相等的。所述多個第一孔的直徑和/或所述多個第二孔的直徑優選由該混合裝置的孔的總數和該混合裝置的尺寸限定。根據所述混合裝置的另一優選實施例，該混合裝置具有優選位於其中心的開口， 優選地，該開口適於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，優選經過預熱的碳氫燃料被噴射到這種燃料重整器的反應室內，在該反應室中，所述碳氫燃料與從混合裝置的所述孔中流過的氧化劑混合。優選地，所述多個第一孔的孔圍繞位於中心的所述開口布置。因為熱的氧化劑流經所述多個第一孔的孔，所以其廢熱支持了碳氫燃料的汽化。為了提高混合的均勻性，更優選的是，為所述多個第二孔中的至少一個孔提供罩 (shroud)。這些罩提供了氧化劑在該混合裝置下遊的渦旋運動，這進一步增加了流體射流的擾動，由此改善了碳氫燃料和氧化劑的均勻混合。在該混合裝置的另一實施例中，所述多個第一孔中的一個孔的直徑與所述第一陣列的直徑的比值與tan(β/2)成比例，並且/或，所述多個第二孔中的一個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第二孔中的一個孔的扇段的尺寸，而角度β限定了包括所述多個第一孔中的一個孔的扇段的尺寸。該角度α和β與孔數相關，其中角度α和β可以相等和/或通過等式α+β =360° /(ηι+η2)而與孔數相關，其中Ii1是所述多個第一孔的孔數，η2是所述多個第二孔的孔數。本發明不限於均帶有布置在混合裝置處的多個孔的、兩個這種陣列的情形。甚至可存在有三個或更多個、布置在混合裝置處的這種多個孔的陣列。例如，在存在有限定了多個第三孔的第三陣列的孔的情形中，包括所述多個第三孔中的一個孔的扇段的尺寸將由角度Y限定。在此情況中，所述扇段和孔數將通過等式 α +β + Y = 360° /0^+ + )而彼此相關,其中Ii1是所述多個第一孔的孔數，n2是所述多個第二孔的孔數，n3是所述多個第三孔的孔數。因此，一般地，孔數和扇段的尺寸根據如下公式而彼此相關
權利要求
1.一種用於燃料重整器(I)的混合裝置(14)，所述混合裝置布置成用於混合至少兩種流體(10、12)，尤其是碳氫燃料(10)和氧化劑(12)，其特徵在於，所述混合裝置(14)至少包括沿著第一陣列布置的多個第一孔(26)和沿著第二陣列布置的多個第二孔(28)。
2.根據權利要求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選是碳氫燃料(10)。
3.根據權利要求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)優選具有圓形或橢圓形形狀，並且，所述第一陣列和/或所述第二陣列優選形成為圓或橢圓。
4.根據權利要求3所述的混合裝置(14)，其中，第一圓的半徑(Rd)小於第二圓的半徑 (RD)，其中，所述第一圓和所述第二圓優選大致布置為同心圓。
5.根據前述權利要求中的任一項所述的混合裝置(14)，其中，所述多個第一孔(26)的數量與所述多個第二孔(28)的數量相同。
6.根據前述權利要求中的任一項所述的混合裝置(14)，其中，所述多個第一孔(26)的直徑小於所述多個第二孔(28)的直徑，其中優選地，所述多個第一孔(26)的直徑大致相等並且/或所述多個第二孔(28)的直徑大致相等。
7.根據權利要求6所述的混合裝置(14)，其中，所述多個第一孔(26)的直徑(d)和/ 或所述多個第二孔(28)的直徑(D)由所述混合裝置(14)的孔的總數(N)和所述混合裝置(14)的尺寸(R)限定。
8.根據權利要求3至7中的任一項所述的混合裝置(14)，其中，所述多個第一孔(26) 中的一個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，並且/ 或所述多個第二孔(26)中的一個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第一孔(26)中的一個孔的、第一類型的扇段(SI)，所述角度α限定了包括所述多個第二孔(28)中的一個孔的、第二類型的扇段(S2)，並且，α+β大致等於360° /(ηι+η2)，其中Ii1是所述多個第一孔(26)的孔數， H2是所述多個第二孔(28)的孔數。
9.根據前述權利要求中的任一項所述的混合裝置(14)，其中，所述混合裝置(14)被劃分為彼此相等的多個扇段，所述扇段的尺寸由所述孔的總數限定，其中，在每個扇段內， 優選選擇性地要麼布置有所述多個第一孔(26)中的一個孔，要麼布置有所述多個第二孔(28)中的一個孔。
10.根據前述權利要求中的任一項所述的混合裝置(14)，還包括優選位於其中心的接收開口(40)，優選地，所述接收開口(40)適於以密封方式容納用於所述流體(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)優選具有與所述噴射元件(32)相同的形狀。
11.根據前述權利要求中的任一項所述的混合裝置(14)，其中，所述多個第一孔(26) 和/或所述多個第二孔(28)中的至少一種的至少一個孔裝配有罩。
12.一種燃料重整器(I)，所述燃料重整器(I)用於將碳氫燃料(10)轉化為用於燃料電池和/或排氣處理應用的富氫氣體(36)，所述燃料重整器(I)具有殼體(2)，所述殼體(2)帶有兩個側壁(8a、8b)，這兩個側壁(8a、8b)形成所述燃料重整器(I)的反應室(16)， 在所述反應室(16)中，碳氫燃料(10)和氧化劑(12)被混合以將碳氫燃料(10)轉化為富氫氣體(36)，其特徵在於，所述燃料重整器(I)還包括根據權利要求I至11中的任一項所述的混合裝置(14)。
13.根據權利要求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)優選為柱形的並具有圓形或橢圓形橫截面。
14.根據權利要求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第二孔(28)裝配有罩，以在所述反應室(16)的外側部分中、提供經由所述多個第二孔(28)進入所述重整器的反應室(16)和/或碳氫燃料(10)中的所述氧化劑(12)的渦旋運動。
15.根據權利要求12至14中的任一項所述的燃料重整器(I)，其中，在所述殼體(2)的兩個側壁(8a、8b)之一中設有燃料入口(32)，以將碳氫燃料(10)提供到所述反應室(16) 內，並且所述混合裝置(14)布置在此燃料入口側壁(8a)附近，其中優選地，所述碳氫燃料(10)由預熱裝置(38)優選預熱至大體上比所述燃料(10)的最低沸點低的溫度。
16.根據權利要求12至15中的任一項所述的燃料重整器(I)，還包括優選位於所述燃料入口(32)附近的至少一個氧化劑入口(22)，以將所述氧化劑(12)提供給所述反應室(16)，所述氧化劑(12)優選是空氣或蒸汽、或者尤其是空氣和蒸汽的預混合的混合物，其中，所述氧化劑入口(22)布置在所述殼體(2)的設有所述燃料入口(32)的側壁(8a)與所述混合裝置(14)之間。
17.根據權利要求16所述的燃料重整器(I)，其中，所述氧化劑入口(22)被設計為多個孔口，尤其為多個孔隙和/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，所述空間(30)限定在所述殼體(2)的燃料入口側壁(8a)與所述混合裝置(14)之間，其中，所述多個孔口優選布置在所述混合裝置(14)的多個扇段(SI)處，所述扇段(SI)包括所述多個第一孔(26)中的一個孔。
18.根據權利要求17所述的燃料重整器(I)，其中，所述多個孔口的尺寸和/或形狀和 /或位置取決於所使用的所述混合裝置(14)和/或所使用的碳氫燃料(10)和/或所使用的氧化劑(12) ο
19.根據權利要求12至18中的任一項所述的燃料重整器(I)，其中，所述燃料重整器 ⑴還包括內壁⑷和外壁(6)，在所述內壁(4)和所述外壁(6)之間形成有空間(18)，其中，所述空間(18)被設計為氧化劑通道，所述氧化劑通道位於在所述外壁￠)中或所述外壁(6)處設置的氧化劑供給口(20)與在所述內壁(4)中或所述內壁(4)處設置的氧化劑入口(22)之間，並且其中，所述氧化劑供給口(20)和所述氧化劑入口(22)優選彼此相反地布置在所述燃料重整器(I)的殼體(2)的兩個相反的側壁(8a、8b)處或附近。
20.根據權利要求12至21中的任一項所述的燃料重整器(I)，其中，所述氧化劑(12) 尤其被預熱到與碳氫燃料(10)的溫度大致處於同一溫度範圍的溫度，或者預熱到比碳氫燃料(10)的溫度更高的溫度，其中，所述氧化劑(12)的預熱優選由所述內壁(4)提供。
21.一種將碳氫燃料(10)轉化為用於燃料電池和/或排氣處理應用的富氫氣體(36) 的方法，所述轉化優選使用根據權利要求12至20中的任一項所述的燃料重整器(I)、通過自熱反應來進行。
全文摘要
本發明涉及用於燃料重整器(1)的混合裝置(14)，該混合裝置(14)用於混合至少兩種流體(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第一孔(26)和沿著第二陣列布置的至少多個第二孔(28)。該混合裝置(14)優選在用於將碳氫燃料(10)通過自熱反應過程轉化為富氫氣體(36)的燃料重整器(1)中使用，該燃料重整器(1)具有優選柱形的雙壁式殼體(2)，該殼體(2)帶有兩個側壁(8a、8b)，這兩個側壁(8a、8b)形成燃料重整器(1)的反應室(16)，其中，所述碳氫燃料(10)和氧化劑(12)由混合裝置(14)混合。
文檔編號F01N3/20GK102612484SQ200980160640
公開日2012年7月25日 申請日期2009年7月23日 優先權日2009年7月23日
發明者安德斯·卡爾森 申請人:瑞典電池公司