两级重组器以及运行重组器的方法.pdf

本发明涉及一种重组器(10；100)，用于将燃料和氧化剂转化为重组物(26；126)，重组器具有氧化区(20；120)，可通过第一燃料输送装置(12；112)和第一氧化剂输送装置(16；116)将燃料和氧化剂的混合物输送到氧化区，重组器还具有设置在氧化区(20；120)之后的注入及混合物形成区(22；122)，可通过第二燃料输送装置(14；114)向注入及混合物形成区输送其它燃料，其中，设置第二氧化剂输送装置(18；118)，可通过第二氧化剂输送装置向注入及混合物形成区(22；122)输送其它的氧化剂。按照本发明，第二氧化剂输送装置(18；118)如此相对于第二燃料输送装置(14；114)设置，即第二氧化剂输送装置在第二燃料输送装置(14；114)前的区域中产生一种氧化剂屏障衬垫，用以减小氧化区(20；120)的混合物向第二燃料输送装置(14；114)的热传递。此外，本发明还涉及一种用于运行此类重组器(10；110)的方法。

1.  一种重组器(10；100)，用于将燃料和氧化剂转化为重组物(26；126)，重组器具有氧化区(20；120)，能够通过第一燃料输送装置(12；112)和第一氧化剂输送装置(16；116)将燃料和氧化剂的混合物输送到氧化区，重组器还具有设置在氧化区(20；120)之后的注入及混合物形成区(22；122)，能够通过第二燃料输送装置(14；114)向注入及混合物形成区输送其它燃料，其中，设置第二氧化剂输送装置(18；118)，能够通过第二氧化剂输送装置向注入及混合物形成区(22；122)输送其它的氧化剂，其特征在于，第二氧化剂输送装置(18；118)如此相对于第二燃料输送装置(14；114)设置，即第二氧化剂输送装置在第二燃料输送装置(14；114)前的区域中产生一种氧化剂屏障衬垫，用以减小氧化区(20；120)的混合物向第二燃料输送装置(14；114)的热传递。

2.  如权利要求1所述的重组器(10；100)，其特征在于，其它的氧化剂在其与来自氧化区(20；120)的混合物混合前至少部分地与第二燃料输送装置(14；114)发生接触。

3.  如权利要求1或2所述的重组器(10；100)，其特征在于，第二燃料输送装置(14；114)包括蒸发纤维网，输送给注入及混合物形成区(22；122)的其它燃料流经蒸发纤维网。

4.  如权利要求1至3中任一项所述的重组器(10；100)，其特征在于，第二氧化剂输送装置(18；118)与第二燃料输送装置(14；114)如此进行热传递，即通过第二燃料输送装置(14；114)输送的其它燃料在进入注入及混合物形成区(22；122)之前已经由第二氧化剂输送装置(18；118)有效地冷却。

5.  如权利要求1至4中任一项所述的重组器(100)，其特征在于，第一和第二氧化剂输送装置(116、118)与共同的氧化剂管道(130)连接，通过共同的氧化剂管道为第一和第二氧化剂输送装置(116、118)供给氧化剂。

6.  如权利要求5所述的重组器(100)，其特征在于，至第一和第二氧化剂输送装置(116、118)的各氧化剂体积流可通过在共同的氧化剂管道(130)上设置的体积流分流阀(128)调节。

7.  一种用于运行将燃料和氧化剂转化为重组物(26；126)的重组器(10；100)的方法，其中，重组器具有氧化区(20；120)，能够通过第一燃料输送装置(12；112)和第一氧化剂输送装置(16；116)将燃料和氧化剂的混合物输送到氧化区，重组器还具有设置在氧化区(20；120)之后的注入及混合物形成区(22；122)，能够通过第二燃料输送装置(14；114)向注入及混合物形成区输送其它燃料，其中，设置第二氧化剂输送装置(18；118)，能够通过第二氧化剂输送装置向注入及混合物形成区(22；122)输送其它的氧化剂，其特征在于，第二氧化剂输送装置(18；118)在氧化剂输送过程中在第二燃料输送装置(14；114)前的区域中产生一种氧化剂屏障衬垫，用以减小氧化区(20；120)的混合物向第二燃料输送装置(14；114)的热传递。

8.  如权利要求7所述的方法，其特征在于，其它的氧化剂在其与氧化区(20；120)的混合物混合前至少部分地与第二燃料运输装置(14；114)发生接触。

9.  如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，输送给注入及混合物形成区(22；122)的其它燃料流经第二燃料输送装置(14；114)的蒸发纤维网。

10.  如权利要求7至9中任一项所述的方法，其特征在于，通过第二燃料输送装置(14；114)输送的其它燃料在进入注入及混合物形成区(22；122)之前已经由第二氧化剂输送装置(18；118)有效地冷却。

11.  如权利要求7至10中任一项所述的方法，其特征在于，第一和第二氧化剂输送装置(116、118)由共同的氧化剂管道(130)供给氧化剂。

12.  如权利要求11所述的方法，其特征在于，至第一和第二氧化剂输送装置(116、118)的各氧化剂体积流能够通过在共同的氧化剂管道(130)上设置的体积流分流阀(128)调节。

两级重组器以及运行重组器的方法
技术领域
本发明涉及一种将燃料和氧化剂转化为重组物的重组器，该重组器具有氧化区，可通过第一燃料输送装置和第一氧化剂输送装置将燃料和氧化剂的混合物输送到该氧化区，该重组器还具有设置在氧化区之后的注入及混合物形成区，可通过第二燃料输送装置向该注入及混合物形成区输送其它燃料，其中，设置第二氧化剂输送装置，可通过该第二氧化剂输送装置向注入及混合物形成区输送其它的氧化剂。
本发明还涉及一种用于运行此类重组器的方法。
背景技术
此类重组器常常在燃料电池或燃料电池堆的运行方面用于产生富含氢的气体混合物(即重组物)且输送给燃料电池或燃料电池堆。基于电化学进程，燃料电池通过输入这种富含氢的气体产生电能。此类燃料电池在比如机动车领域作为附加能量来源(即所谓的APU，Auxiliary PowerUnited，辅助动力装置)来使用。将燃料和氧化剂转化为重组物的重组器重组过程可以根据不同的原理实现。比如公知了一种催化剂重组，在该重组中燃料的一部分在放热反应中被氧化。此外还公知了一种所谓的“蒸汽重组”，用于从碳氢化合物中产生重组物。在此，借助于水蒸汽在吸热反应中将碳氢化合物转化为氢气。上述两种原理的组合，即基于放热反应进行重组和通过吸热反应产生氢气的组合被称作自热重组，其中，在该组合中从碳氢化合物的燃烧中获取用于蒸汽重组的能量。
例如在DE10359205A1中公开了一种以自热重组的方式实施的此类重组器。属于现有技术的该重组器具有两个燃料输送装置和两个氧化剂输送装置，两种输送装置中的一个分别用于氧化区以及注入及混合物形成区。由此实现了在重组器中温度曲线图(温度轮廓)的明显的均匀化且因此改善了重组器性能。在该公知的重组器中，首先将燃料和氧化剂(通常为空气)输送到重组器的氧化区，在氧化区中燃料的一部分借助于氧化剂完全氧化。通过氧化产生了气态的氧化产物，其在下面被称作所谓的烟气。然后，烟气到达设置在氧化区后面的重组器的注入及混合物形成区，在此通过第二燃料输送装置再输送其它燃料。这样，在注入及混合物形成区中发生了另一燃料蒸发，从而调节当前混合物中为了进行重组所必要的低化学计量的燃料/空气比例。然后，该混合物被输送到重组区，该重组区比如可至少部分地通过重组器的催化剂形成。根据DE10359205A1还设置了第二氧化剂输送装置，通过该第二氧化剂输送装置可以将其它氧化剂输送给注入及混合物形成区。该第二氧化剂输送装置用于优化重组过程且表示另一个影响重组进程的参数。不过按照DE10359205A1的重组器具有缺点，即通过在注入及混合物形成区中热的烟气将巨大的热量传递到第二燃料输送装置，特别是传递到第二燃料输送装置的蒸发纤维网上。通过这种热传递在第二燃料输送装置或第二燃料输送装置的输送管道中至少部分地发生待输入的燃料的预蒸发。这种预蒸发还导致了燃料中不可控制的气泡形成，由此可能导致非均匀的、间歇的穿过第二燃料输送装置的燃料输送。而这种穿过第二燃料输送装置的非均匀的燃料输送又导致了不稳定的重组器特性、强烈的温度波动以及通过在重组器内部形成越来越多的烟灰导致的压力上升。
发明内容
因此，本发明的目的在于，改进此类重组器和用于运行此类重组器的方法，使得能够在多级重组器中更稳定地实现重组过程。
按照本发明的重组器在此类现有技术上如此改进，即第二氧化剂输送装置如此相对于第二燃料输送装置设置，使得第二氧化剂输送装置在第二燃料输送装置前的区域中产生一种氧化剂屏障衬垫，用以减小来自氧化区的混合物向第二燃料输送装置的热传递。氧化剂借助于第一和第二氧化剂输送装置分级地、在此情况下分为两级输送到重组器的相应的区域。在此，优选将氧化区所需氧化剂总量的80％至90％通过第一氧化剂输送装置输送。从而保证了例如大于1.2的足够的λ值或者说足够的空气系数。剩余的氧化剂数量，也就是氧化剂总量的10％至20％将通过第二氧化剂输送装置输送至注入及混合物形成区。在此，第二氧化剂输送装置相对于第二燃料输送装置如此形成，即由冷的氧化剂构成的氧化剂屏障衬垫在第二燃料输送装置前在注入及混合物形成区中形成，并且由此至少减小了通过烟气向第二燃料输送装置的热传递。此外，还减小了第二燃料输送装置内部的热传导。因此，可以放弃用于冷却第二燃料输送装置的外部的和单独的冷却装置，所以还不会附带产生额外的冷却能力。通过烟气中或来自氧化区的混合物中较低的空气系数或者说较低的λ值还可以借助于烟气流中更高的温度抑制重组区、例如形成重组区的催化剂的冷却，比如利用通过壁改善在氧化区中的烟气和形成重组区的催化剂之间的热传递。
按照本发明的重组器可以以有利的方式如此改进，即其它的氧化剂在其与来自氧化区的混合物混合前至少部分地与第二燃料输送装置发生接触。这例如通过第二氧化剂输送装置相对于第二燃料输送装置的特殊的结构布置实现。特别是可以将第二氧化剂输送装置设计为环围第二燃料输送装置的管件。
此外还可以如此改进按照本发明的重组器，即第二燃料输送装置包括蒸发纤维网，输送给注入及混合物形成区的其它燃料流经该蒸发纤维网。例如，第二燃料输送装置可以至少一部分以管状构成，其中，蒸发纤维网被置入以管状构成的第二燃料输送装置中。
此外，按照本发明的重组器还能这样形成，即第二氧化剂输送装置与第二燃料输送装置如此进行热传递，即通过第二燃料输送装置输送的其它燃料在进入注入及混合物形成区之前已经由第二氧化剂输送装置有效地冷却。这种有效的冷却能够额外地用于对第二燃料输送装置进行冷却，以便最大程度地阻止其它燃料的预蒸发。
按照本发明的重组器在优选的实施方式中可以如此改进，即第一和第二氧化剂输送装置与共同的氧化剂管道连接，通过该管道为第一和第二氧化剂输送装置供给氧化剂。由此，实现了在重组器中两级的氧化剂输送的简化。例如，在这种情况下可以只设置一个鼓风机，该鼓风机将空气作为氧化剂进行供给并且供两个氧化剂输送装置使用。
此外，按照本发明的重组器能够在这种关系中如此实现，即至第一和第二氧化剂输送装置的各氧化剂体积流可通过在共同的氧化剂管道上设置的体积流分流阀调节。因此，能够将氧化剂总量分配为至第一氧化剂输送装置和至第二氧化剂输送装置的体积流。通过可变地控制体积流分流阀可以实现根据重组器的相应的运行状态有针对性地调节第二燃料输送装置前的温度水平。此外可以通过经体积流分流阀的氧化剂输送在将空气作为氧化剂的情况下有针对性地调节第一氧化剂输送装置与第二氧化剂输送装置之间的可变的空气比例，而不需要额外的鼓风机。
按照本发明的方法在此类现有技术的基础上如此改进，即第二氧化剂输送装置在氧化剂输送过程中在第二燃料输送装置前的区域中产生一种氧化剂屏障衬垫，用以减小来自氧化区的混合物向第二燃料输送装置的热传递。因此以相同或相似的方式得出了结合按照本发明的重组器所阐述的优点，为了避免重复，相应的实施方式参照结合按照本发明的重组器。
相同地也适用于按照本发明的方法的下列优选实施方式，其中，为了避免重复，相应的实施方式也参照结合按照本发明的重组器。
按照本发明的方法可以以有利地方式如此改进，即其它的氧化剂在其与来自氧化区的混合物混合之前至少部分地与第二燃料输送装置发生接触。
此外，按照本发明的方法可以如此实现，即输送给注入及混合物形成区的其它燃料流过第二燃料输送装置的蒸发纤维网。
此外还可以如此实现按照本发明的方法，即通过第二燃料输送装置输送的其它燃料在其进入注入及混合物形成区之前就已经通过第二氧化剂输送装置有效地被冷却。
在按照本发明的方法的优选实施方式中，第一和第二氧化剂输送装置由共同的氧化剂管道供给氧化剂。
结合按照本发明的方法可以如此改进，即通过设置在共同的氧化剂管道上的体积流分流阀调节至第一和第二氧化剂输送装置的各氧化剂体积流。
本发明还提出了可以结合多级的、特别是两级的重组器通过冷却第二燃料输送装置抑制穿过第二燃料输送装置的间歇的燃料输送。这一方面可以通过借助于特殊为第二燃料输送装置设置的第二氧化剂输送装置通过产生氧化剂屏障衬垫实现。可替换地或额外地还可以对第二燃料输送装置比如通过第二氧化剂输送装置进行有效地冷却；在此情况下可以将第二氧化剂输送装置与第二燃料输送装置相邻地设置并且进行热传递。两种冷却方案既可以组合实现也可以单独实现。
附图说明
下面，借助于附图举例说明本发明的优选实施方式。其中，
图1为按照本发明的重组器根据本发明的第一实施例的示意图，该重组器适用于实施按照本发明的方法；以及
图2为按照本发明的重组器根据本发明的第二实施例的示意图，该重组器适用于实施按照本发明的方法。
具体实施方式
图1示出了按照本发明的重组器10根据本发明的第一实施例的示意图，该重组器适用于实施按照本发明的方法。按照本发明的重组器10包括氧化区20，可将燃料和氧化剂通过第一燃料输送装置12和第一氧化剂输送装置16输送到该氧化区。可以考虑将例如天然气、柴油或汽油作为燃料，氧化剂通常为空气。通过输送燃料和氧化剂产生了混合物，其流向氧化区20且在此处至少部分地氧化，从而可以在氧化区20中形成烟气。因此在氧化区20中发生燃料和氧化剂在空气系数为1(λ≈1)的放热反应中的转化。然后，混合物或者说烟气到达或者说流到设置在氧化区20后面的注入及混合物形成区22。在注入及混合物形成区22中设置了第二燃料输送装置14和第二氧化剂输送装置18，其能够分别向注入及混合物形成区22输送其它燃料和其它氧化剂。由氧化区20产生的烟气的热能还有助于第二燃料输送装置14的其它燃料的蒸发。不过为了将通过烟气直接向第二燃料输送装置14的热传递保持得尽可能小，如此设置第二氧化剂输送装置18，即在氧化剂输送中在第二燃料输送装置14之前的区域中形成氧化剂屏障衬垫。由此减小了来自氧化区20的混合物或者说烟气向第二燃料输送装置14的热传递。特别是在该实施例中，由第二氧化剂输送装置18输送的氧化剂在与混合物或者说氧化区20的烟气混合之前，至少部分地与第二燃料输送装置接触。另外还可以通过第二氧化剂输送装置18实现第二燃料输送装置14的有效冷却，其中，第二燃料输送装置14与第二氧化剂输送装置18发生热传递。特别是可以将第二燃料输送装置14设计为管件，该管件同心设置在形成第二氧化剂输送装置18的管件之内。因此，在其它燃料穿过第二氧化剂输送装置18输送到注入及混合物形成区22之前，已经发生了第二燃料输送装置14和通过第二燃料输送装置所输送的燃料的有效冷却。然后，在注入及混合物形成区22中形成的混合物到达设置在注入及混合物形成区其后的重组区，该重组区至少部分地通过催化剂24形成。在此处，混合气体在以比如λ≈0.4的吸热反应中转化为重组物26。接着，从催化剂24中产生的重组物26经过重组器排出口催化剂流出。重组区24和氧化区20还可以如此设计，即重组区和氧化区相互发生热传递，从而可以从氧化区20中提取吸热反应所需的热量。
用于运行按照本发明的重组器10的按照本发明的方法如下设计。首先通过第一燃料输送装置12和第一氧化剂输送装置16将燃料和氧化剂(在此情况下为空气)输送到氧化区20。由此产生了在氧化区20中至少部分地氧化成氧化了的混合物或者说烟气的气体混合物。然后，如此产生的烟气从氧化区20流到注入及混合物形成区22。在那里通过第二燃料输送装置14向烟气输送其它燃料，其中，还额外通过第二氧化剂输送装置18输送其它氧化剂。此外，如此输送第二氧化剂输送装置18的其它氧化剂，即在第二燃料输送装置14之前的区域中形成氧化剂屏障衬垫，用以减小混合物或者说烟气从氧化区20向第二燃料输送装置14的热传递。随后，如此产生的气体混合物到达形成重组区的催化剂24，在催化剂中气体混合物转换为重组物26且经过重组器排出口从重组器10排出。
图2示出了按照本发明的重组器100的根据本发明的第二实施例的示意图。为了避免重复，在该实施例的描述中仅探讨相对于第一实施例的不同之处，其中，第二实施例的相同或相似的部件以与第一实施例的附图标记相似的附图标记示出。第二实施例与第一实施例的不同之处在于，第一氧化剂输送装置116和第二氧化剂输送装置118通过体积流分流阀128与共同的氧化剂管道130连接。氧化剂管道130又与用于供给氧化剂的氧化剂供给装置连接；在将空气作为氧化剂的情况下，氧化剂供给装置通过鼓风机构成。借助于体积流分流阀128可以将相应的体积流输送到第一氧化剂输送装置16和第二氧化剂输送装置18。由此仅需要一个氧化剂供给装置，其将氧化剂供给到共同的氧化剂管道130。
在上述的说明书、图例以及在权利要求中公开的本发明的特征可以独立地或者任意组合，为实现本发明是不可缺少的。
附图标记
10  重组器
12  第一燃料输送装置
14  第二燃料输送装置
16  第一氧化剂输送装置
18  第二氧化剂输送装置
20  氧化区
22  注入及混合物形成区
24  催化剂装置
26  重组物
100 重组器
112 第一燃料输送装置
114 第二燃料输送装置
116 第一氧化剂输送装置
118 第二氧化剂输送装置
120 氧化区
122 注入及混合物形成区
124 催化剂装置
126 重组物
128 体积流分流阀
130 氧化剂管道