专利名称：燃烧器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃烧器，它用于含氢气体燃料与含氧气体氧化剂燃烧。
背景技术：
现代的机动车辆可能装备有发电的装置，该装置由燃料电池发电，独立于发动机而提供车辆的需要的电动率。为此借助一从供应给它的燃料例如汽油或柴油的重整装置，把含氢的可燃气体生产成为一重整产物。此重整产物或可燃气体然后被用来与一含氧气(通常是空气)的气体氧化剂一起在燃料电池中产生电流。因此该燃料电池包含至少一电解板，可燃气体流经阳极侧而氧化剂气体流经阴极侧。化学反应在可燃气体及氧化剂气体中发生而形成各个反应产物。通常，可燃气体中的氢气并不是都起反应的，所以，在阳极侧，从燃料电池出来了氢-产物气体的混合物。氧化剂混合物的情况也相似，因为，也不是所有氧气都能在那里起反应的。因此在阴极侧从燃料电池出来了氧-产物气体的混合物。从严格限制污染排放的观点来说，人们是不愿意看到有氢气排向大气中的。
发明内容
本发明的目的是解决这一问题，可提供一种减少燃料电池排放污染的方法。
根据本发明，此问题是通过如独立权利要求所述的内容解决的，而有利于的实施例则通过从属权利要求所述的内容来提供。
本发明是基于这样的概念之上的把氧化剂及燃料通过分开的燃料开口和/或氧化剂开口提供给燃烧器的一燃烧室，所述燃料开口和氧化剂开口设计在接近燃烧室的壁结构中。由于氧化剂及所述燃料分开供应，氧化剂及燃料的彻底混合只在燃烧室和/或在燃烧室的入口处发生。结果，高反应燃料-氧化剂混合物只在燃烧室和/或在它的入口处形成。这样，燃烧反应可以可靠的在燃烧室中发生。
从燃料电池排放污染的观点来看，本发明的燃烧器可以用特别简单的方式把作为燃料在阳极侧上的氢-产物气体的混合物并把作为氧化剂在阴极侧上的氧-产物气体的混合物供给燃烧室以燃烧在其中余下的氢气。这有效的防止了把氢气排放入大气之中。
根据一特别有利的实施例，至少提供一个热交换器或一热传送媒体，后者由燃烧器运行时的燃烧热进行加热并且或者被接入一加热回路。该加热回路用于加热一内燃机和/或一机动车的乘客室和/或车辆的载货区域和/或至少重整装置及燃料电池产生过程的离析物。这可以以睿智的方式实现一独立于发动机的(发动机之外的)另一个加热方式，同时又可以降低燃料电池的污染的排放。
对这样的一种燃料电池及燃烧器的组合和这样一种燃料电池及加热器的组合可以形成一特别紧凑的结构，这是因为燃烧器的壁结构形成了燃料电池两端板之一，燃料电池在它们的端板之间具有多个电解板，一燃料路径及一氧化剂路径形成在它们之中或在它们之间。壁结构从而形成了一个燃料电池和燃烧器所共有的部件，这就实现了节省空间的结构设计。
本发明的其他特点和优点可以从从属权利要求、附图及结合附图所作的叙述中导出。
不言自明的是，上述的特点以及下面要叙述的特点不仅可以用于上面所述的组合，而是也可以在本发明的范围之内用于任何其他组合或者单独地使用。
本发明的诸较佳实施例在附图中示出并且在下面的叙述详细地加以叙述。在以下的叙述中，凡是功能相同的或者相似的部件均用相同的编号加以表示。本附图中图1是根据本发明的燃料电池和加热器的组合的部分剖开的立体图；图2是通过图1所示的燃料电池和加热器的组合的纵截面的视图；图3是通过图1所示的燃料电池和加热器的组合的横截面视图；图4是图2中的IV部分的详细而放大的视图；
图5是本发明的从上面看下去的燃烧器的壁结构的放大立体图；图6是与图5相似的视图，但它是另一个实施例中的视图；图7是壁结构的部分剖视立体视图，但它是另在另一个实施例中的。
具体实施例方式
图1到图5示出了本发明的燃料电池和加热器的组合1，它配备有本发明的一燃烧器。此燃烧器2具有一燃烧室3，在燃烧器运行期间，燃烧反应将在其中发生。这里紧挨燃烧器2的输入端处有一壁结构4，在它的输出端有一个热交换器5，而在两侧处则有外壁6。通过该壁结构4，向燃烧室3供应含有氢气的气体燃料及含有氧气的气体氧化剂。热的燃烧过的排出的气体可以从燃烧室3到达安排在输出端的热交换器5。该热交换器5在此过程中被加热。
燃烧器2与热交换器5的组合形成一加热器7，它可以例如用于预热在机动车辆中的内燃发动机，和/或加热机动车辆的乘客室和/或加热机动车辆的使用的空间。利用加热器7预热重整装置(炉)以及燃料电池处理过程的离析物是特别有利的。这些离析物通常包括空气及燃料，例如柴油，汽油，合成燃料(SynFuel)，日光燃料(SunFuel)，氢气，天然气体等。而且，热交换器5可以以适当的方式结合入一相应的内燃机的加热回路(或冷却回路)和/或乘客室和/或对使用的空间进行加热。对离析物进行预热时，它们也可以通过合适的加热回路接入热交换器5或以适合于进行热传输的方式连接或通过热交换器5的加热回路。
组合1还包括一燃料电池8，它可以设计成一高温燃料电池，例如(SOFC固体氧化物燃料电池)。此燃料电池包括两块端板9和10以及几块电解板11，后者互相堆叠在一起并安排在端板9和10之间。该电解板11设计成可以堆叠起来而在燃料电池8内部在阳极侧形成燃料路径12以及在阴极侧形成氧化剂路径13。燃料路径12和氧化剂路径13在图中用箭头示出了它们的流动方向。燃料电池8的燃料是一种由重整装置(图中未示出)生产的重整产物。在机动车辆中的组合装置1的应用中，重整装置用那里可得到的燃料即柴油或汽油来运转。重整产物至少大部分由氢(气)组成。燃料电池8的氧化剂通常是周围的空气，因此主要含有氧(气)。在流经燃料路径以及氧化剂路径13中时，大部分氢气和氧气转化成电，也就是说，发生了化学反应，产生了反应产物并生产了电流。所产生的电流可以被输出(分接)，因此燃料电池8可以被用作一个发电系统。
在燃料路径12中，在燃料电池运行过程中产生的包含未燃烧氢气的氢的产物气体的混合物被送到燃烧器2作为燃料。类似地，一包含未燃烧的氧气的氧化剂的产物的混合气体被送到燃烧器中作为氧化剂。此氧化剂的产物混合物气体是在燃料电池运行过程中在氧化剂路径13中产生的。此燃料与氧化剂可在燃烧器2中燃烧。所以，可以防止氢气排放到大气中去。与此同时，产生的废热被用来加热装置中的各种部件，而特别是借助热交换器5加热重整装置及燃料电池运行过程中的离析物。
这里所示出的实施例中，面向燃烧器2的燃料电池8的端板10是由燃烧器2的壁结构4形成的。这一点是特别有利的。这意味着此端板10的功能结合入了壁结构4。这样，本发明的燃料电池和加热器的组合1可以设计得特别紧凑。
如果燃烧器2不是加热器7的一部分，则组合1只涉及到燃料电池和燃烧器的组合。
在另一种设计中，燃烧器2也可以实施而不用燃料电池8，例如形成一种独立于车辆发动机的用氢运行的加热系统。壁结构4可以在离开燃烧室3的一侧具有一适当的密封板(图中未示出)，而其他则不变。具体地说，燃烧器2可以设计成一个分开的燃烧器2或与燃料电池8相组合的燃烧器。
因为氢和氧化剂的混合物是具有高反应性的混合物，它有自燃的危险，特别是在和高温结合的情况下。为了减少此危险，在本发明的燃烧器2中，燃料混合物只形成在燃料室3中和/或在燃料及氧化剂进入燃烧室3的入口处。为此，壁结构4具有多个燃料开口14，在燃烧器2运行时，燃料可以通过开口14被引入燃烧室3中。此外，壁结构4有多个氧化剂开口15，它们与燃料开口14分开，在燃烧器2运行时，氧化剂可以通过开口15被引入燃烧室3。在这里的较佳实施例中，燃料开口14和氧化剂开口15是在一个平面内的。此平面垂直于燃料及氧化剂进入燃烧室3的入口方向延伸。从整体上说，这种安排产生了流入气体的均匀分布以及相应的氧化剂开口15及燃料开口14对称布置。特别是对称的结构。在这种情况下，一个特别大的火焰前沿(它也高度稳定地燃烧着)，能够在燃烧室3中实现。
图1，图2及图3还示出了一特别有利的不同的燃烧器2的结构形式，因为图中燃烧器3除了在外侧的外壁6以外，在两侧另外还有内壁16，该内壁16基本上在平行于外壁6的方向上延伸并且与外壁6离开一段距离，以便在内壁16及外壁5之间形成一冷却空间17。此冷却空间17在周围方向完全环绕燃烧室3。在燃烧器2运行期间，此冷却空间17内充满冷却气体，从而内壁16，特别是外壁6可以被有效地冷却。在这里所用的冷却气体最好是氧化剂，它是在入口端通过多个氧化剂开口15引入冷却空间17的。因此，该冷却空间17在入口端连接多个氧化剂开口15。在出口端，该冷却空间与燃烧室3内部在图中18处相连通。为此，内壁16不完全往上到达热交换器5以使用于冷却的氧化剂可以在内壁16的自由端从冷却空间17流进燃烧室3。例如，此冷却空气可以用于辅助或次级燃烧。
在图1到图3的实施例中，有另外一条管路27也连接到中空空间22，在另外需要用氧化剂时，例如冷空气可以提供给中空空间22从而提供给燃烧室3。
为了能够把氧化剂及燃料彼此相互分开地从燃料开口14及氧化剂开口15引入燃烧室3，壁结构4配备有一底板19及一盖板20。该盖板20安排在底版19上面向燃烧室3的一侧。该盖板20至少具有多个第一贯通开口21，后者与图1到图5的实施例中的氧化剂开口15相重合或形成氧化剂开口15。
从图1到图6的实施例中，一中空空间22形成在盖板20和底板19之间。在盖板20中的该第一贯通开口21与中空空间22相连通。在图1到图4的实施例中，此中空空间22连接于氧化剂路径13以使离开阴极侧燃料电池8的氧化剂-产物气体的混合物进入中空空间22，并从那里通过诸第一贯通开口21，换句话说，通过氧化剂开口15进入燃烧室3。
在图1到图6的实施例中，底板19也具有几个贯通开口23。该底板19将中空空间22与馈给室24隔开，底板19中的贯通开口23与此馈给室24相连通。这些贯通开口23还连接到燃料开口14，这一点将在下面详细说明。在图1到图4的实施例中，馈给室24是连接到燃料电池8的燃料路径12上的。因此，从阳极侧的燃料电池8出来的氢的产物气体的混合物进入馈给室24并从底板19中的贯通开口23出来而通过燃料开口14进入燃烧室3。因此，在底板19的帮助下，通过中空空间22提供的氧化剂可以可靠地与通过馈给室24提供的燃料分开一直到进入燃烧室3的入口为止。
图1到图5的实施例是这样一种实施例，其中，底板19中的贯通开口23与在盖板20中的第一贯通开口21是同轴的安排的。这在图2及图4可以清楚的看出。在燃烧器2运行期间，同轴地对准的结果，使得可燃气体(它通过馈给室24提供)以及氧化剂气体(它通过中空空间22提供)能通过盖板20中第一贯通开口直接或间接地进入燃烧室3，以致可燃气体被由通过中空空间22提供的氧化剂所围绕。这样，通过盖板20中的每一第一贯通开口21，可燃气体和氧化剂气体彼此被同轴地引入。这就可以实现或得到一特别强和彻底混合的氧化剂和燃料。
为了能够让燃料流以简单的方式被盖板20中的在各个第一贯通开口21的氧化剂流围绕，在盖板20中的第一贯通开口21的横截面比在底板19中的各个贯通开口23的横截面为大。
基本上，当可燃气体必须先流过中空空间22并流过底板19中的贯通开口21以到达盖板20中的各个第一贯通开口21时，氧化剂气体包围可燃气体已经发生在中空空间22中。但是，在这里所示的实施例中，底板19中的某些或所有贯通开口23被套子25所包围或围绕，这些套子25被底板19所围住，并突伸入中空空间22。此外，用于引导燃料的套子25在它们的端部是敞开的，它与底板19离开一端距离，此敞开端形成了各个燃料开口14。在此实施例中，套子25具有这样的尺寸它们延伸入并穿过盖板20中的各个第一贯通开口21直到它们与盖板20齐平为止。然而，再长些或短些的套子25也是可以用的。这一设计在使用套子25的情况下达到了这样的结果在套子25及盖板20中的第一喷嘴开口21的开口边缘之间径向地形成了一个环形间隙26。在燃烧器2运行期间，通过燃烧器2送入中空空间22的气体通过此环形间隙26进入燃烧室3，这就是说，这里的氧化剂可以进入燃烧室3。因此环形间隙26形成了氧化剂开口15。方便的是，套子25被设计成在底板19上形成一个单一的套件，例如，通过对底板19进行深拉而在底板19上形成一个单一的套件，从而开口23及14也可以同时形成。然而，也可以使用分开的套子而不是形成一个单一的套件，在这种情况下，它们就以适当的方式连接于底板19。
在上述及下面的实施例中，氧化剂是送入中空空间22，燃料是送如馈给室24的，但是也可以反其道而行之，即氧化剂送入馈给室24而燃料送入中空空间22。
图5再次示出了在面向燃烧室3的一侧的壁结构的细节的透视图。形成氧化剂开口15的环形通道25以及与之同轴安排的燃料开口14都可以清楚地被看出来。突伸入盖板20中的第一贯通开口21的套子25形成环形间隙26在图中也清晰可见。闭合的套子25’安排在敞开的套子25周围，其中含有燃料开口14。以这种方式，环形间隙26以及环形氧化剂开口15可以形成而不用燃料开口14与之同轴设置。安排在外面的闭合的套子25’是例如用于在冷却室17内定位的。然而，此区域也可以不用这样的闭合套子25’而是在此区域中提供具有较小截面的第一贯通开口21。此外，在图5的实例中的另一套子25”装入各个第一贯通开口21中。具体的说，此套子25”可以压向盖板20。以这种方式，盖板20以一特别紧凑和简单的方式连接于基板19。
图6示出了另一个实施例，其中，盖板20还具有多个第二贯通开口28。在盖板20中的这些第二贯通开口28与在底板19中的贯通开口23同轴排列。结果，在燃烧器2的运行过程中，燃料先通过底板19中的贯通开口23，然后通过盖板20中的第二贯通开口28以进入燃烧室3。与此成为对照的是，氧化剂经过盖板20中的第一贯通开口21，直接进入燃烧室3。为了使来自底板19中的贯通开口23的燃料不与正在向盖板20中的第二贯通开口28的路径上去的氧化剂混合，在此可以方便的再提供一套子25以把底板19中的贯通开口23连接到盖板20中的第二贯通开口28。这些套子25然后安排成让它们相对于中空空间22密封在贯通开口23和第二贯通开口28之间的连接。这可以如图6所示地那样来实现。即让套子25突伸入第二贯通开口28并使它们紧紧地配合。也可以把结构反过来，使套子25从盖板20反突伸出来，并紧紧地延伸入底板19中的适当尺寸的贯通开口23。此外，套子可以插入底板19并且同时插入盖板20或者可以由盖板20及底板19径向地重叠或搭接在端部上面。
图6示出闭合的套子25”，它与第二贯通开口28”紧压在一起以把盖板20固定在底板19上。
按照图7中的另一个实施例中，一氧化剂通道系统29可以结合入底板19并以适当方式连接于一氧化剂馈给室处30。在此实施例中，相应地连接于一燃料馈给室32的燃料通道系统31也结合入底板19中。而氧化剂通道系统29与氧化剂开口15相连通，燃料通道系统31则连接于燃料开口14。在通道系统29及31的各个通道例如由切割或冲压结合入面向燃烧室3的一侧上的底板19之中。这样，诸通道就向燃烧室3敞开。但是，它们被盖板20覆盖，盖板20再次被提供了第一贯通开口21，后者在这里形成诸小孔33。小孔33与通道系统29相协调或配合，使盖板20中的第一贯通开口21处于通道系统29，31的各个通道上，从而形成燃料开口14及氧化剂开口15。
在安装好的情况下，燃料馈给室32连接于燃料电池8的燃料路径12，而氧化剂馈给室30连接于燃料电池8和氧化剂路径13中。
燃烧器2通常包括一点火装置(图中未示出)以及一探测器系统(图中未示出)。用于测量温度，压力和/或排放物。
权利要求
1.一种燃烧器，它用于燃烧含有氢的气体燃料以及含有氧的一气体氧化剂，该燃烧器包括-燃烧室(3)，在燃烧器运行期间，在燃烧器(2)中发生燃烧反应，-壁结构(4)，它密封在入口侧的燃烧室(3)，并具有多个燃料开口(1 4)，在燃烧器(2)运行期间，燃料通过此燃料开口(14)进入燃烧室(3)，以及具有多个氧化剂开口(15)，在燃烧器运行期间，氧化剂通过氧化剂开口(15)进入燃烧室(3)。
2.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于至少设有一个热交换器(5)，在燃烧器(2)运行期间，它由燃烧热所加热，该热交换器与一加热回路相连，用作加热至少下列各项之一-内燃发动机；-机动车辆中的内燃发动机；-机动车辆的乘客室；-机动车辆的载货区；-重整装置及燃料电池运行过程中的至少一种离析物。
3.如权利要求1或2所述的燃烧器，其特征在于-燃料是由在燃料电池(8)的阳极侧释放出来的氢-产物气体的混合物形成的，-氧化剂是至少部分地由在燃料电池(8)的阴极侧出来的氧-产物气体的混合物形成的。
4.如权利要求1～3中任一权利要求所述的燃烧器，其特征在于壁结构(4)形成燃料电池(8)的两端板(9，10)之一，燃料电池(8)具有多个在它们的端板(9，10)之间的电解质板(11)，而燃料路径(12)及氧化剂路径(13)设置在电解板中或电解板之间。
5.如权利要求1～4中任一权利要求所述的燃烧器，其特征在于燃料开口(14)及氧化剂开口(15)位于一个平面上。
6.如权利要求1～5中任一权利要求所述的燃烧器，其特征在于氧化剂开口(15)及燃料开口(14)以均匀和/或对称方式布置。
7.如权利要求1～6中任一权利要求燃烧器，其特征在于-燃烧室(3)横向由一个外壁(6)以便一内壁(16)围绕，该外壁(6)位于外面，而内壁(16)位于里面，-一冷却空间(17)设置在内壁(16)和外壁(6)之间，并且在入口处与壁结构(4)中的多个氧化剂开(15)相连，并且在出口端与燃烧室(3)相连通。
8.如权利要求1～7中任一权利要求燃烧器，其特征在于-壁结构(4)具有一底板和一个盖板(20)，后在安排在面向燃烧室(3)的底板(19)的一侧，-盖板(20)有多个第一贯通开口(21)，其中至少几个形成燃料开口(14)或氧化剂开口(15)。
9.如权利要求8所述的项燃烧器，其特征在于一中空空间(22)形成在盖板(20)及底板(19)之间并与第一贯通开口(21)相连通。
10.如权利要求9所述的燃烧器，其特征在于-底板(19)有多个贯通开口(23)，该贯通开口与一馈给室(24)相连通，后者由一底板(19)与中空空间(22)隔开，-在燃烧器(2)运行期间，一种气体，即氧化剂或燃料通过中空空间(22)供应给燃烧室(3)，而另一种气体，即燃料或氧化剂，通过馈给室(24)被供给到燃烧室(3)。
11.如权利要求10所述的燃烧器，其特征在于在底板(19)中的贯通开口(23)与盖板(20)中的贯通开口(21)同轴地安排，以在燃烧器(2)运作期间，通过馈给室(24)提供的气体以及通过中空空向(22)提供的气体通过盖板(20)中的第一贯通开口(21)进入燃烧室(3)，通过馈给室(24)提供的气体则被通过中空空间(22)提供的气体所包围。
12.如权利要求11所述的燃烧器，其特征在于在盖板(20)中的第一贯通开口(21)与在底板(19)中的贯通开口(23)对齐，盖板(20)中的第一贯通开口(21)具有比底板(19)中的各个贯通开口(23)为大的横截面。
13.如权利要求11或12所述的燃烧器，其特征在于-底板(19)中的部分或所有的贯通开口(23)被一套子(25)所围绕，该套子突出地离开底板(19)进入中空空间(22)，并引向在盖板(20)中的各个第一贯通开口(21)，-部分或所有套子(25)在远离底板(19)的一端是敞开的，-在部分或所有套子(25)中，在套子(25)及盖板(20)中的各个第一贯通开口(21)的敞开边之间径向地形成一间隙(26)，在燃烧器(2)运行期间，通过中空空间(22)提供的气体进入燃烧室(3)。
14.如权利要求10所述的燃烧器，其特征在于盖板(20)具有与底板(19)中的贯通开口(21)同轴安排的多个第二贯通开口(28)，在燃烧器运行期间，通过中空空间(22)供应的气体经过盖板(20)中的第一贯通开口(21)，而通过馈给室(24)提供的气体经过盖板(20)中的第二贯通开口(28)而进入燃烧室(3)。
15.如权利要求14所述的燃烧器，其特征在于一套子(25)为底板(19)中的部分或所有贯通开口(23)提供在中空空间(22)中，把底板(19)中的各个贯通开口(23)与盖板(20)中的各个第二贯通开口(28)相连，以使它们相对于中空空间(22)是密封的。
16.如权利要求13或15所述的燃烧器，其特征在于-至少诸套子(25)之一是被用于把盖板(20)紧固于底板(19)，和/或-至少诸套子(25)之一在远离底板(19)的一端是被密封的。
17.如权利要求8所述的燃烧器，其特征在于-底板(19)包含一氧化剂通道系统(29)，后者连接于氧化剂馈给室(30)并与盖板(20)中的部分第一贯通开口(21)相连通，-底板(19)包含一燃料通道系统(31)，后者连接于一燃料馈给室(32)并与盖板(20)中的其他第一贯通开口(21)相连通。
18.如权利要求17所述的燃烧器，其特征在于通道系统(29，31)的通道向着燃烧室(3)敞开并且被盖板(20)所覆盖。
19.燃料电池，尤其是用于机动车辆的燃料电池，它具有权利要求1到18中任一权利要求的燃烧器(2)。
20.燃料电池-加热器的组合，尤其是用于机动车辆中，它具有从权利要求1到权利要求18中任一权利要求所述的燃烧器(2)。
全文摘要
本发明涉及一燃烧器(2)，它用于燃烧一含有氢气的气体燃料及含有氧气的气体氧化剂，该燃烧器具有一燃烧室(3)，其中，当燃烧器(2)在运行其间发生燃烧反应，该燃烧器还具有一壁结构(4)，后者在输入端密封燃烧室(3)并且具有多个燃料开口(14)，在燃烧室(2)运行期间，燃料通过该多个燃料开口(14)进入燃烧室(3)，并且具有多个氧化剂开口(15)，在燃烧器运行期间，氧化剂通过氧化剂开口15被引入燃烧室(3)。
文档编号H01M8/22GK1737426SQ200510084448
公开日2006年2月22日 申请日期2005年7月11日 优先权日2004年7月9日
发明者J·考佩特, G·埃贝施帕赫, A·科尔默 申请人:爱博斯倍谢两合有限公司