专利名称：用于燃料重整器的混合装置、燃料重整器以及用于将碳氢燃料转化为富氢气体的方法
技术领域：
本发明涉及用于燃料重整器的混合装置；包括这种混合装置的、用于将碳氢燃料转化为用于燃料电池和/或排气处理应用的富氢气体的燃料重整器；以及用于使用该燃料重整器将碳氢燃料转化为富氢气体的方法。
背景技术：
在现有技术中，众所周知的是，通过对诸如汽油或碳氢燃料等的碳氢燃料进行重整来产生富氢气体，以用在运输装置的燃料电池中。传统上，氢在大型工业设施中产生，然后被储存并装载在运输装置上。近来对小型车载氢源(所谓的燃料重整器)的开发提供了在无需储存氢的情况下、按需生产氢的可能性。通常，存在有三种已知的将气态或液态碳氢燃料转化为氢的方法催化蒸汽重整、 部分氧化重整和自热重整。在所有已知的方法中，两种流体(即碳氢燃料和诸如蒸汽、空气或水等的氧化剂)相互混合并供给到布置于燃料重整器的反应室内的催化剂。在催化蒸汽重整过程中，蒸汽和碳氢燃料的混合物在高温下(典型地在700°C至 1000°C之间)暴露于适当的催化剂，例如镍。该反应是高度吸热的，且需要外部热源和蒸汽源。在部分氧化重整过程中，优选在存在有催化剂的情况下，将碳氢燃料和含氧气体 (例如环境空气)的混合物作为进料气体供应到反应室内。所使用的催化剂一般由贵金属或镍制成，并且其温度典型地在700°C至1700°C之间。该反应是高度放热的，而且，一旦开始该反应，就会生成足够的热以实现自维持。为了促进氧化反应，需要降低反应室内的温度变化。自热重整过程是蒸汽重整和部分氧化重整的组合。来自部分氧化重整的废热用于对吸热的蒸汽重整反应进行加热。所有重整过程的天然副产物都是一氧化碳和二氧化碳。但是，因为碳氢燃料未被设计为用于生成氢的进料物质，所以也存在其他的副产物，例如硫。对于燃料电池来说，这些副产物可能是有害的，因此，应该通过随后的步骤将这些副产物移除到燃料重整器的外部。另外，如果反应室内的混合不良，则碳氢燃料(尤其是柴油)可能产生作为催化剂内的副产物的碳烟。对于燃料电池来说，碳烟微粒又是非常有害的，因此必须注意避免在燃料重整器中形成碳烟。从现有技术的US6，770, 106中已知一种用于对进料气体进行重整的部分氧化燃料重整器，该进料气体包含碳氢化合物或甲烷、氧、以及水，其中，通过用进料气体的通道覆盖反应室来实现温度变化的减小，该进料气体被反应室内的反应热加热，并因此将反应室隔热。因此，可减小反应室内的温度变化。为了加热进料气体，可通过热交换器来回收该反应热。另外，已经发现，进料气体到富氢气体的成功而有效的转化取决于流体或反应剂的成功混合，即取决于碳氢燃料和氧化剂的成功混合。已知的现有技术的缺点是由于反应剂的混合在另外的布置于外部的混合器内进行，所以不能在燃料重整器的反应室内无燃料凝结的情况下提供碳氢燃料和氧化剂的、完美的雾化或汽化。为了解决此问题，在现有技术中例如已经提出了 将碳氢燃料和氧化剂在反应室内混合，并且优选地，甚至通过预热要与燃料混合的流入空气流或通过预热用于接收燃料喷雾的反应室表面来汽化所喷射的碳氢燃料。在提供所喷射的碳氢燃料的、可靠的完全汽化以及碳氢燃料和氧化剂的均匀混合方面，现有技术的解决方案都不是完全成功的。碳氢燃料和氧化剂的混合过程中出现的主要问题是提供两种流体在气态下的均匀混合，其中所述流体中的至少一种流体(尤其是碳氢燃料)被以其液相状态提供。在现有技术中实现的上述混合的另一个缺点是产生了流体流的再循环。当通过将碳氢燃料和/或氧化剂喷射到反应室内而提供的流体流撞击到反应室内布置的催化剂并从该催化剂被推回时，就生成了这种再循环。这种再循环甚至可能产生通过流体入口的流体回流。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于燃料重整器的混合装置、燃料重整器、以及用于将碳氢燃料转化为富氢气体的方法，其中提供了反应剂的更高程度的均匀混合并且减少了再循环。通过根据权利要求I所述的混合装置、根据权利要求12所述的燃料重整器、以及根据权利要求21所述的方法，实现了上述目的。本发明人已经发现，可通过使用如下混合装置来减少流体的再循环该混合装置至少具有沿着第一阵列(row)布置的多个第一孔和沿着第二阵列布置的多个第二孔。利用所述第一阵列的多个孔和所述第二阵列的多个孔，向该混合装置的下游提供流体射流。借助于所产生的流体射流，上述再循环能够得到控制，并且能够改善所述流体的混合。这些阵列的形状优选与所述混合装置的外边缘的形状相似，由此，所述第一阵列的外周有利地小于所述第二阵列的外周。因此，该混合装置建立了所谓的塞流，该塞流几乎平面地且与反应室的纵向轴线大致平行地流动，所述混合装置可安装在该反应室内或安装在该反应室处。优选地，所述混合装置被设计成使得针对燃料重整器(该混合装置被设计用于此燃料重整器)的形状和/或尺寸，所述多个第一孔和所述多个第二孔的孔数、尺寸和/或排列结构(阵列)得到优化。在所述混合装置的另一个优选实施例中，该混合装置被设计为使得所述多个第一孔中的孔布置在所述氧化剂的、流经例如燃料重整器的反应室的氧化剂入口的流动方向上。更有利的是，将所述多个第二孔中的孔布置成在该混合装置的外周处，优选与所述多个第一孔中的孔交错。在该混合装置的优选实施例中，所述多个第一孔的孔数等于所述多个第二孔的孔数。通过这种布置结构，该混合装置可以划分为多个扇段，其中，每个扇段要么包括所述多个第一孔中的一个孔，要么包括所述多个第二孔中的一个孔。这些扇段的尺寸优选取决于该混合装置的总体尺寸和孔的总数。在该混合装置的另一优选实施例中，所述多个第一孔的直径小于所述多个第二孔的直径，其中优选地，所述多个第一孔的直径大致相等，并且/或所述多个第二孔的直径大致相等。这也确保了均匀的混合，因为流经所述多个第一孔中的一个孔或流经所述多个第二孔中的一个孔的每一体积的氧化剂是相等的。所述多个第一孔的直径和/或所述多个第二孔的直径优选由该混合装置的孔的总数和该混合装置的尺寸限定。根据所述混合装置的另一优选实施例，该混合装置具有优选位于其中心的开口， 优选地，该开口适于以密封方式包围所述燃料重整器的燃料喷射元件。通过此燃料喷射元件，优选经过预热的碳氢燃料被喷射到这种燃料重整器的反应室内，在该反应室中，所述碳氢燃料与从混合装置的所述孔中流过的氧化剂混合。优选地，所述多个第一孔的孔围绕位于中心的所述开口布置。因为热的氧化剂流经所述多个第一孔的孔，所以其废热支持了碳氢燃料的汽化。为了提高混合的均匀性，更优选的是，为所述多个第二孔中的至少一个孔提供罩 (shroud)。这些罩提供了氧化剂在该混合装置下游的涡旋运动，这进一步增加了流体射流的扰动，由此改善了碳氢燃料和氧化剂的均匀混合。在该混合装置的另一实施例中，所述多个第一孔中的一个孔的直径与所述第一阵列的直径的比值与tan(β/2)成比例，并且/或，所述多个第二孔中的一个孔的直径与所述第二阵列的直径的比值与tan(a/2)成比例，其中，角度β限定了所述混合装置的第一类型的扇段，角度α限定了该混合装置的第二类型的扇段。角度α限定了包括所述多个第二孔中的一个孔的扇段的尺寸，而角度β限定了包括所述多个第一孔中的一个孔的扇段的尺寸。该角度α和β与孔数相关，其中角度α和β可以相等和/或通过等式α+β =360° /(ηι+η2)而与孔数相关，其中Ii1是所述多个第一孔的孔数，η2是所述多个第二孔的孔数。本发明不限于均带有布置在混合装置处的多个孔的、两个这种阵列的情形。甚至可存在有三个或更多个、布置在混合装置处的这种多个孔的阵列。例如，在存在有限定了多个第三孔的第三阵列的孔的情形中，包括所述多个第三孔中的一个孔的扇段的尺寸将由角度Y限定。在此情况中，所述扇段和孔数将通过等式 α +β + Y = 360° /0^+ + )而彼此相关,其中Ii1是所述多个第一孔的孔数，n2是所述多个第二孔的孔数，n3是所述多个第三孔的孔数。因此，一般地，孔数和扇段的尺寸根据如下公式而彼此相关
权利要求
1.一种用于燃料重整器(I)的混合装置(14)，所述混合装置布置成用于混合至少两种流体(10、12)，尤其是碳氢燃料(10)和氧化剂(12)，其特征在于，所述混合装置(14)至少包括沿着第一阵列布置的多个第一孔(26)和沿着第二阵列布置的多个第二孔(28)。
2.根据权利要求I所述的混合装置(14)，其中，所述至少两种流体(10、12)中的至少一种流体被以其液相引入到所述混合装置(14)中，所述至少一种流体优选是碳氢燃料(10)。
3.根据权利要求I或2所述的混合装置(14)，其中，所述第一阵列和/或所述第二阵列大致布置在一条线上，该线的形状与所述混合装置(14)的外边缘的形状相似，其中，所述混合装置(14)优选具有圆形或椭圆形形状，并且，所述第一阵列和/或所述第二阵列优选形成为圆或椭圆。
4.根据权利要求3所述的混合装置(14)，其中，第一圆的半径(Rd)小于第二圆的半径 (RD)，其中，所述第一圆和所述第二圆优选大致布置为同心圆。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的混合装置(14)，其中，所述多个第一孔(26)的数量与所述多个第二孔(28)的数量相同。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的混合装置(14)，其中，所述多个第一孔(26)的直径小于所述多个第二孔(28)的直径，其中优选地，所述多个第一孔(26)的直径大致相等并且/或所述多个第二孔(28)的直径大致相等。
7.根据权利要求6所述的混合装置(14)，其中，所述多个第一孔(26)的直径(d)和/ 或所述多个第二孔(28)的直径(D)由所述混合装置(14)的孔的总数(N)和所述混合装置(14)的尺寸(R)限定。
8.根据权利要求3至7中的任一项所述的混合装置(14)，其中，所述多个第一孔(26) 中的一个孔的直径与所述第一圆的半径的比值(d/Rd)大致与tan(i3/2)成比例，并且/ 或所述多个第二孔(26)中的一个孔的直径与所述第二圆的半径的比值(D/RD)大致与 tan(a/2)成比例，其中，所述角度β限定了包括所述多个第一孔(26)中的一个孔的、第一类型的扇段(SI)，所述角度α限定了包括所述多个第二孔(28)中的一个孔的、第二类型的扇段(S2)，并且，α+β大致等于360° /(ηι+η2)，其中Ii1是所述多个第一孔(26)的孔数， H2是所述多个第二孔(28)的孔数。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的混合装置(14)，其中，所述混合装置(14)被划分为彼此相等的多个扇段，所述扇段的尺寸由所述孔的总数限定，其中，在每个扇段内， 优选选择性地要么布置有所述多个第一孔(26)中的一个孔，要么布置有所述多个第二孔(28)中的一个孔。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的混合装置(14)，还包括优选位于其中心的接收开口(40)，优选地，所述接收开口(40)适于以密封方式容纳用于所述流体(10、12)之一的喷射元件(32)，尤其是所述燃料重整器(I)的燃料喷射元件(32)，其中，所述接收开口(40)优选具有与所述喷射元件(32)相同的形状。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的混合装置(14)，其中，所述多个第一孔(26) 和/或所述多个第二孔(28)中的至少一种的至少一个孔装配有罩。
12.一种燃料重整器(I)，所述燃料重整器(I)用于将碳氢燃料(10)转化为用于燃料电池和/或排气处理应用的富氢气体(36)，所述燃料重整器(I)具有壳体(2)，所述壳体(2)带有两个侧壁(8a、8b)，这两个侧壁(8a、8b)形成所述燃料重整器(I)的反应室(16)， 在所述反应室(16)中，碳氢燃料(10)和氧化剂(12)被混合以将碳氢燃料(10)转化为富氢气体(36)，其特征在于，所述燃料重整器(I)还包括根据权利要求I至11中的任一项所述的混合装置(14)。
13.根据权利要求12所述的燃料重整器(I)，其中，所述混合装置(14)具有与所述燃料重整器(I)的横截面大致相同的形状，其中，所述燃料重整器(I)优选为柱形的并具有圆形或椭圆形横截面。
14.根据权利要求12或13所述的燃料重整器(I)，其中，沿着所述第二阵列布置的所述多个第二孔(28)装配有罩，以在所述反应室(16)的外侧部分中、提供经由所述多个第二孔(28)进入所述重整器的反应室(16)和/或碳氢燃料(10)中的所述氧化剂(12)的涡旋运动。
15.根据权利要求12至14中的任一项所述的燃料重整器(I)，其中，在所述壳体(2)的两个侧壁(8a、8b)之一中设有燃料入口(32)，以将碳氢燃料(10)提供到所述反应室(16) 内，并且所述混合装置(14)布置在此燃料入口侧壁(8a)附近，其中优选地，所述碳氢燃料(10)由预热装置(38)优选预热至大体上比所述燃料(10)的最低沸点低的温度。
16.根据权利要求12至15中的任一项所述的燃料重整器(I)，还包括优选位于所述燃料入口(32)附近的至少一个氧化剂入口(22)，以将所述氧化剂(12)提供给所述反应室(16)，所述氧化剂(12)优选是空气或蒸汽、或者尤其是空气和蒸汽的预混合的混合物，其中，所述氧化剂入口(22)布置在所述壳体(2)的设有所述燃料入口(32)的侧壁(8a)与所述混合装置(14)之间。
17.根据权利要求16所述的燃料重整器(I)，其中，所述氧化剂入口(22)被设计为多个孔口，尤其为多个孔隙和/或狭缝，以将所述氧化剂(12)引入到在所述燃料重整器(I) 的所述壳体(2)中布置的空间(30)内，所述空间(30)限定在所述壳体(2)的燃料入口侧壁(8a)与所述混合装置(14)之间，其中，所述多个孔口优选布置在所述混合装置(14)的多个扇段(SI)处，所述扇段(SI)包括所述多个第一孔(26)中的一个孔。
18.根据权利要求17所述的燃料重整器(I)，其中，所述多个孔口的尺寸和/或形状和 /或位置取决于所使用的所述混合装置(14)和/或所使用的碳氢燃料(10)和/或所使用的氧化剂(12) ο
19.根据权利要求12至18中的任一项所述的燃料重整器(I)，其中，所述燃料重整器 ⑴还包括内壁⑷和外壁(6)，在所述内壁(4)和所述外壁(6)之间形成有空间(18)，其中，所述空间(18)被设计为氧化剂通道，所述氧化剂通道位于在所述外壁￠)中或所述外壁(6)处设置的氧化剂供给口(20)与在所述内壁(4)中或所述内壁(4)处设置的氧化剂入口(22)之间，并且其中，所述氧化剂供给口(20)和所述氧化剂入口(22)优选彼此相反地布置在所述燃料重整器(I)的壳体(2)的两个相反的侧壁(8a、8b)处或附近。
20.根据权利要求12至21中的任一项所述的燃料重整器(I)，其中，所述氧化剂(12) 尤其被预热到与碳氢燃料(10)的温度大致处于同一温度范围的温度，或者预热到比碳氢燃料(10)的温度更高的温度，其中，所述氧化剂(12)的预热优选由所述内壁(4)提供。
21.一种将碳氢燃料(10)转化为用于燃料电池和/或排气处理应用的富氢气体(36) 的方法，所述转化优选使用根据权利要求12至20中的任一项所述的燃料重整器(I)、通过自热反应来进行。
全文摘要
本发明涉及用于燃料重整器(1)的混合装置(14)，该混合装置(14)用于混合至少两种流体(10、12)，其中该混合装置(14)至少包括沿着第一阵列布置的多个第一孔(26)和沿着第二阵列布置的至少多个第二孔(28)。该混合装置(14)优选在用于将碳氢燃料(10)通过自热反应过程转化为富氢气体(36)的燃料重整器(1)中使用，该燃料重整器(1)具有优选柱形的双壁式壳体(2)，该壳体(2)带有两个侧壁(8a、8b)，这两个侧壁(8a、8b)形成燃料重整器(1)的反应室(16)，其中，所述碳氢燃料(10)和氧化剂(12)由混合装置(14)混合。
文档编号F01N3/20GK102612484SQ200980160640
公开日2012年7月25日 申请日期2009年7月23日 优先权日2009年7月23日
发明者安德斯·卡尔森 申请人:瑞典电池公司