CN102612484A - 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 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

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℃至1000℃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℃至1700℃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1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(α/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°/(n1+n2)而与孔数相关，其中n1是所述多个第一孔的孔数，n2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γ限定。在此情况中，所述扇段和孔数将通过等式α+β+γ＝360°/(n1+n2+n3)而彼此相关，其中n1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：
Figure BDA0000132967570000051
根据该混合装置的另一优选实施例，该混合装置具有圆形形状，并且所述第一阵列和/或所述第二阵列的孔优选也形成为圆形。有利地，该混合装置的形状由反应室限定，混合装置安装在该反应室内或该反应室处。换言之，如果该反应室具有正方形横截面，则所述混合装置也优选是正方形的，而如果该反应室如大多数燃料重整器中的情况一样是管状的(即，圆形或椭圆形的)，则该混合装置优选也具有管状形状，即圆形或椭圆形形状。
更有利的是提供一种具有反应室的燃料重整器，其中，根据本发明的上述混合装置以密封方式布置在该反应室内。按照这种布置结构，该混合装置提供了大致平面的流体流，它对应于沿着燃料重整器的纵向轴线的轴向流体流。由于该平面的流体流被设计成利用所述反应室的整个横截面，所以，流体主要以可控(且受控)方式在一个方向上流过所述反应室，由此减少了该流体流的再循环。
在所述燃料重整器的另一优选实施例中，该混合装置布置在燃料重整器的燃料入口侧附近，且所述氧化剂入口优选布置在燃料重整器的燃料喷射入口侧和该混合装置之间。通过此布置结构，在燃料喷射入口侧和该混合装置之间的空间内建立了一定压力，该压力促使氧化剂在下游方向上流过该混合装置的孔，这进一步降低了发生不希望的、流体流的回流或再循环的风险。
优选地，所述氧化剂入口形成为沿着该燃料重整器的外周布置的狭缝。有利地，这些狭缝或该混合装置被设计成使得这些狭缝和该混合装置的所述多个第二孔的孔布置成彼此不对准。
所述多个第二孔的孔和所述狭缝的这种彼此不对准的布置结构确保了在启动阶段、流入燃料重整器的反应室内的氧化剂(优选甚至是其大部分)也能到达该混合装置处的所述多个第一孔中的孔。如果这些狭缝沿径向与该混合装置的所述多个第二孔的孔彼此对准地布置，则氧化剂的大部分将直接流过所述多个第二孔的孔。这也将影响在启动阶段建立塞流。在已达到稳定状态之后，氧化剂既流经所述多个第一孔又流经所述多个第二孔，其中，由于所述多个第一孔的孔的直径更小，所以，大部分氧化剂流经所述多个第二孔。
上述混合装置的任何实施例均能安装在根据本发明的此燃料重整器的反应室内。
根据本发明的涉及燃料重整器的另一个方面，通过在将碳氢燃料引入到燃料重整器中、尤其是引入到布置在此燃料重整器内的混合装置中之前对该碳氢燃料进行预热，并将其在燃料重整器内与氧化剂混合，能够实现大致彻底的燃料雾化以及随后形成的气体混合物。这样的预热可通过预热装置来实现，该预热装置可布置在燃料重整器的反应室的外部。该预热装置可以是布置在燃料入口上游的、单独的装置，但也可以将燃料入口与该预热装置一体形成为单个装置。特别地，在燃料喷射器用作燃料入口的优选情形中，有利的是加热该喷射器，由此，燃料也得到预热。此外，在另一个优选实施例中，该燃料入口导热接触所述反应室的侧壁和/或混合装置，这又使得能够将反应室内产生的热量传递到该喷射器，以对燃料进行预热。
在所述燃料重整器的另一优选实施例中，经过预热的燃料的温度适合于接近但低于该燃料的最低沸点，由此提供了大致彻底的雾化或汽化所需的燃料温度。
根据所述燃料重整器的另一有利实施例，氧化剂在与碳氢燃料混合之前也被预热，优选预热到与经过预热的燃料的温度处于同一范围或者比燃料的温度更高的温度。这基本防止了燃料或氧化剂的不希望的凝结，这种凝结可能导致燃料重整器的寿命缩短。
该氧化剂的预热可优选通过使用具有内壁和外壁的燃料重整器来进行，在该内壁和外壁之间形成有空间，其中，所述空间被设计为氧化剂通道，该氧化剂通道位于在燃料重整器的外壁中或外壁处设置的氧化剂供给口与在燃料重整器的内壁中或内壁处设置的氧化剂入口之间。该内壁因为所述反应室内发生的化学反应的热量而被加热，由此，氧化剂又因为该内壁到氧化剂的热传递而被该内壁预热。加热该内壁的有利的辅助作用是：在液体燃料的喷雾与该内壁接触的情况中，由内壁提供的热量支持了该液体燃料的蒸发汽化。
根据所述燃料重整器的另一优选实施例，另外或替代地，氧化剂的预热由布置在外部的加热器来进行。这在所述燃料重整器的启动阶段是特别有利的，因为在此阶段，反应室需要被加热直至达到其正常运行温度。由于该氧化剂通道的布置结构而提供的这种双壁式结构，预热后的氧化剂的热量能够提供给内壁并因此提供给反应室，由此，可减少加热该燃料重整器所需的时间。
在此组合使用的燃料预热以及已雾化燃料与氧化剂在混合装置下游的混合产生了大致完全均匀的反应剂混合物，并且，对氧化剂的预热起到了减少不希望的凝结的效果。所实现的大致均匀的混合物允许碳氢燃料的大致彻底的转化，这又允许有效地从转化的重碳氢燃料产生富氢气体，这又是连续生产燃料电池级氢的先决条件。
以上所述的通过从反应室的内壁向氧化剂的热传递来预热氧化剂的有利辅助作用是该热传递也将内壁冷却到如下温度：在此温度下，大大减少了由于燃料微粒与所述内壁接触并燃烧而引起的碳烟形成。
一般地，也可以为反应室提供外部冷却装置，但这增大了反应室的尺寸，且为该系统增加了的另外的耗能件(例如该系统必须被供给有由燃料电池产生的能量)。因此，通常更有利的是使用相对冷的氧化剂来冷却反应室的内壁。这种解决方案的进一步的优点是：在大多数应用中，不需要对内壁进行隔热，由此能够进一步减小该燃料重整器的总体尺寸。
通过氧化剂来冷却内壁的另一个优点是：反应室内的温度能够保持基本恒定，且能够控制氧化剂的温度。
如所述燃料重整器的另一优选实施例所示，设置在所述壳体的内壁中的氧化剂入口形成为多个孔口，尤其形成为孔隙或狭缝。优选地，这些孔口的尺寸、形状和/或位置可根据所使用的混合装置的设计、所使用的氧化剂、所使用的碳氢燃料和/或它们的温度而变化。最优选地，所述氧化剂入口设置在燃料入口附近，且位于燃料重整器的燃料入口侧和混合装置之间。
所述燃料重整器的另一优选实施例设有用于该燃料重整器的反应室内的自热反应的催化剂，以加速碳氢燃料向富氢气体的转化。由于根据本发明的方法来进行这种混合，所以能够使碳氢燃料和氧化剂的大致完全均匀的混合物接触催化剂。另外，通过本发明可实现的效果(即该混合物或其成分之一的大大减少的凝结)显著降低了催化剂失活的风险，因此延长了该燃料重整器的使用寿命。优选地，该催化剂可以是陶瓷单体或金属网格。
优选地，所述燃料重整器的混合装置与反应室内的催化剂之间的距离也设定为使得氧化剂能够实现混合物稳定性，而不会导致该氧化剂/燃料混合物的自氧化。
另外，还提供了根据本发明的、用于将碳氢燃料转化为富氢气体的方法，其中，使用燃料重整器的上述优选实施例之一来将碳氢燃料转化为富氢气体。包括本发明的混合装置的实施例的、燃料重整器的使用提供了碳氢燃料和氧化剂的均匀混合。所实现的均匀混合物允许碳氢燃料的大致彻底的转化，这又允许有效地从已转化的重碳氢燃料生产富氢气体，这又是连续生产燃料电池级氢的先决条件。
从属权利要求中限定了其他的优选实施例和优点。
附图说明
在下文中，将借助于附图来论述根据本发明的混合装置和燃料重整器的优选实施例。该描述仅应视为对本发明原理的例示，并非旨在限制本发明的范围。
在各图中：
图1示出了根据本发明的所述燃料重整器的优选实施例的示意图；
图2示出了图1所示的燃料重整器的示意性透视图；
图3示出了根据本发明的混合装置的优选实施例的一部分的透视图；并且
图4示出了根据本发明的混合装置的优选实施例的各个尺寸的示意图。
具体实施方式
图1中的燃料重整器1包括壳体2，该壳体2带有内壁4、外壁6和侧壁8a、8b。壳体2具有圆形横截面(与燃料重整器1的在侧壁8a和8b之间延伸的纵向轴线垂直)。诸如椭圆形或正方形或矩形横截面等的其他形式的横截面也是可以的。在壳体2内，碳氢燃料10和氧化剂12通过混合装置14而彼此接触，从而能够在反应室16内发生优选的自热反应，该反应室16由内壁4、混合装置14和侧壁8b限定。
在燃料重整器1的内壁4和外壁6之间限定了空间18。该空间18又形成了在氧化剂供给口20和一个或多个氧化剂入口22之间的、用于氧化剂12的通道。
另外，燃料重整器1包括用于对反应室16内的自热反应进行催化的催化剂24。催化剂24加速了该自热反应，但也可使用根据本发明的不带有此催化剂的燃料重整器。催化剂24优选是金属网格或陶瓷单体，但也可使用任何其他合适的基质，以用于催化剂24的设计。
氧化剂入口22形成为多个孔口，尤其形成为孔隙和/或狭缝，所述多个孔口的数量、尺寸、形状和位置可根据所使用的混合装置14、所使用的氧化剂12、所使用的碳氢燃料10以及这些流体的温度而变化。所述多个孔口22可具有相同的尺寸和形状，但这些孔口的尺寸和形状也可以彼此不同。优选地，这些孔口被设计为狭缝22，这些狭缝22之间基本是等距的，其中，狭缝22的长度也基本等于相邻狭缝22之间的距离。
混合装置14包括多个第一孔26和多个第二孔28，该多个第一孔26和多个第二孔28沿着优选为同心圆形式的阵列来布置。多个第一孔26的圆的直径小于多个第二孔28的圆的直径。氧化剂12流过狭缝22而进入空间30内，在该空间30中，流入的氧化剂12将产生压力，之后，所述压力促使氧化剂12通过混合装置14中的多个第一孔26和多个第二孔28而进入反应室16内，在该反应室16中，氧化剂12与经由碳氢燃料入口32喷射到反应室16内的碳氢燃料10混合。将下面参考图2至图4来详细说明该混合装置14的设计。
混合装置14和催化剂24之间的距离L被以如下方式设定：即，使得通过氧化剂12能够实现氧化剂/燃料混合物的混合物稳定性，而不会导致该氧化剂/燃料混合物的自氧化。
此外，在该燃料重整器处，碳氢燃料入口32位于壳体2的侧壁8a中内且延伸穿过混合装置14而进入反应室16。优选地，碳氢燃料入口32形成为燃料喷射器，它将燃料喷雾提供到反应室16内。
在壳体2的相反的另一侧壁8b中设有重整器气体出口34。重整器气体36是富氢气体，它可用于燃料电池的运行(易受任何必要的进一步的处理，例如清洁和净化)并且是燃料重整器1内的自热反应的产物。
如图1所示，燃料重整器1还包括预热装置38，以预热该碳氢燃料10。在图1中，燃料预热装置38被图示为单独的装置，但也可以将燃料喷射器32和燃料预热装置38一体形成为单个装置。另外，如果燃料喷射器32与侧壁8a和/或与混合装置14导热接触，则反应室16内产生的热量可传递到燃料喷射器32，在燃料喷射器32处，所述热量可用于预热该碳氢燃料10。
在下文中，通过示例性的、碳氢燃料到富氢气体的转化来描述燃料重整器1的运行，该转化以空气/蒸汽混合物作为氧化剂。用于该转化的反应是自热反应。
根据本发明，空气和蒸汽被混合，然后空气/蒸汽混合物12通过氧化剂供给口20被喷射到空间18内，该空间18用作空气/蒸汽通道，以将空气/蒸汽混合物12从燃料重整器1的氧化剂供给口20输送到氧化剂入口22。
取决于重整过程的类型(部分氧化重整过程、自热重整过程或蒸汽重整过程)，空气/蒸汽混合物12与内壁4之间的热传递方向是不同的。
例如对于自热重整过程或蒸汽重整过程来说，优选地，空气/蒸汽混合物12由外部加热装置(未示出)预热，从而空气/蒸汽混合物12能够向内壁4传热。因此，尤其在启动阶段，反应室16能够容易地到达并保持其正常的运行温度。
在部分氧化重整过程中，优选地，空气/蒸汽混合物12在通向壳体2的内壁4内的狭缝22的行程中通过从内壁4到该空气/蒸汽混合物12的热传递而被预热，由此，这种热传递也冷却了反应室16的内壁4。通过冷却该反应室16的内壁4，也将降低反应室16内的碳氢燃料分子在撞击该反应室壁时燃烧为碳烟的风险。当来自空气/蒸汽混合物12的氧与具有较短链的碳氢燃料10的“较轻”碳氢分子反应时(CxHy+O2-＞CO2+CO+H2O)，反应室16的内壁4被该反应室16内发生的大致均匀的氧化而加热。
在燃料重整器1的启动阶段，由外部加热器(未示出)预热的氧化剂12(例如空气/蒸汽混合物12)可供给到氧化剂供给口20，该氧化剂12将其热量传递给内壁4和催化剂24，由此，能够减少使燃料重整器1到达其正常运行温度所需的时间。
空气/蒸汽混合物12经过狭缝22流入空间30内，在空间30中，产生了一定压力，该压力促使空气/蒸汽混合物12经过混合装置14的上述多个孔进入燃料重整器1的反应室16内。因此，在反应室16内形成了大致均匀的空气/蒸汽混合物，在反应室16中，该空气/蒸汽混合物与通过燃料喷射器32喷射到该空气/蒸汽混合物中的碳氢燃料10混合。
为了实现碳氢燃料10与空气/蒸汽混合物12的成功混合，需要将碳氢燃料10大体上完美地雾化或汽化到空气/蒸汽混合物12内，以使碳氢燃料10或空气/蒸汽混合物12的任何不希望的凝结大致保持在可容许的最小程度。因为这种不希望的凝结可能是由于预热的空气/蒸汽混合物12与正常冷却的碳氢燃料10之间的温度差而产生的，所以根据本发明的如图1所示的实施例，碳氢燃料10也由预热装置38预热。
通过将碳氢燃料10预热到接近其最低沸点但低于该最低沸点的温度，实现了碳氢燃料10的大致完美的燃料雾化或汽化，并且实现了已雾化或汽化的碳氢燃料10与空气/蒸汽混合物12的充分混合，由此，也提供了用于大致彻底的雾化或汽化的热量。
优选地，空气/蒸汽混合物12也被预热到与碳氢燃料10的温度处于同一温度范围或者比碳氢燃料10的温度更高的温度，由此提供了碳氢燃料10和空气/蒸汽混合物12的、升高的温度，这又基本防止了物质的凝结或至少使这种凝结保持在可容许的最小程度。
因为碳氢燃料(尤其是柴油燃料)是不同成分的混合物，因而这些成分中的每一种成分均具有不同的沸点，所以空气/蒸汽混合物12优选至少被预热到比碳氢燃料10的最轻成分的沸点高的温度，该最轻成分的最低沸点构成了碳氢燃料10的最低沸点。然而，更有利的是，将空气/蒸汽混合物12预热到比碳氢燃料10的最高沸点高的温度。通过将空气/蒸汽混合物12预热到这样的温度，可实现碳氢燃料10的大致彻底的汽化。
在此组合使用的燃料预热以及已雾化碳氢燃料10与空气/蒸汽混合物12的混合产生了大致完全均匀的反应剂混合物，这允许碳氢燃料10基本完全转化为富氢气体36，这又允许高效地生产燃料电池级氢。
为了提供氧化剂12与碳氢燃料喷雾10的湍流型的均匀混合物，多个第二孔28还可以包括罩，所述罩被设计成用于使流经这些孔的氧化剂12产生涡旋运动。结果，在碳氢燃料10及氧化剂12的混合物与催化剂24接触之前，生成了碳氢燃料10和氧化剂12的大致彻底的均匀混合物。
然后，这种大致均匀的气体混合物被推送穿过催化剂24，在该催化剂24处，碳氢燃料10的碳氢化合物经历了自热反应过程。在该催化剂内进行的自热反应过程中，产生了作为主要的工艺最终产物的H2、CO和CO2。这些工艺最终产物在随后的步骤中、在燃料重整器1外部得到处理，其目的是将H2与其他的所有工艺最终产物分离，以达到能够最终提供燃料电池级氢的程度。
图2示出了从燃料入口侧的侧壁8a处以透视角度观察到的、图1所示的重整器1的示意性透视图，其中侧壁8a已略去。如该图可见，混合装置14以密封方式布置在管状的柱形重整器1内且安装在燃料重整器1的壳体2的内壁4处。如上文所述，氧化剂12流过在壳体2的内壁4和外壁6之间形成的空间18，并沿径向方向穿过布置在侧壁8a(未示出)和混合装置14之间的狭缝22进入混合装置14中。
混合装置14至少具有第一阵列的多个孔26和第二阵列的多个孔28，该第一阵列的多个孔26优选沿着第一圆布置，该第二阵列的多个孔28优选沿着第二圆布置。这两个圆彼此同心，并且该第一圆或内侧圆的直径小于第二圆或外侧圆的直径。优选地，所述多个第一孔和多个第二孔的数量相等，并且这些孔以交替方式布置，稍后将结合图4对此进一步详细说明。
应注意，该混合装置14的形状与燃料重整器1的横截面相似。因此，带有圆形或椭圆形横截面的柱形或管状燃料重整器导致了该混合装置的圆形或椭圆形形状。但该重整器和混合装置也可具有不同的形状，例如正方形、矩形或多边形形状。
混合装置14中的孔的总数也限定了多个第一孔26的孔直径和多个第二孔28的孔直径。稍后将参考图4进一步说明这些孔的尺寸、圆的半径和孔数之间的关系。
在所述启动阶段，氧化剂12(例如，空气/蒸汽混合物)的大部分在通过狭缝22沿径向方向进入空间30之后、作为热的气体而流向多个第一孔26并穿过这些孔26。因为氧化剂12在空间30内分散，所以氧化剂12的一部分也经由沿着混合装置14的外边缘布置的多个第二孔28的孔流出。因为所述多个孔26和28有效地具有比由多个狭缝22建立的总开度更小的总开度，所以在燃料重整器1的运行的启动阶段，流入空间30内的氧化剂12比穿过混合装置14经由孔26和28排放的氧化剂12多。因此，空间30被氧化剂12逐渐充满，从而建立起一定压力，该压力促使氧化剂12穿过孔26和28。在稳定状态下，当流入空间30内的氧化剂12与通过混合装置14排放的氧化剂12的量相同时，氧化剂12既流经所述多个第一孔26，又流经所述多个第二孔28，其中，由于所述多个第一孔26的孔的直径更小，所以大部分氧化剂12流经所述多个第二孔28。
在混合装置14的中心布置有接收开口40，该接收开口40适于以密封方式容纳所述燃料喷射元件32。优选地，接收开口40具有与燃料喷射元件32相同的形状。
因为所述多个第二孔28的孔从由狭缝22的排列结构所提供的、氧化剂12的主流方向偏移，所以确保了氧化剂12在燃料重整器1的启动阶段也流经所述多个第一孔26。如果狭缝22与所述多个第二孔28沿径向对准，则氧化剂的主流将直接流经所述多个第二孔28，从而在该启动阶段影响或甚至阻碍建立所期望的塞流。
这些孔的排列结构被以如下方式设计：即，使得在燃料重整器1的运行的稳定状态中，能够实现碳氢燃料10和氧化剂12的均匀混合物。所述多个第一孔26的较小尺寸的孔确保了：氧化剂12的流动不会干扰由燃料喷射元件32提供的燃料喷雾，以及，随着氧化剂12流经所述多个第二孔28，产生了碳氢燃料10和氧化剂12的主要混合。因此，这些孔的数量、尺寸和排列结构能够针对所使用的燃料重整器来进行优化。
图3中示出了所述狭缝、以及所述多个第一孔26和多个第二孔28的孔的优选布置结构的透视图。
图3示出了燃料重整器1的扇区的透视图，该扇区具有两个扇段S1和S2(由虚线指示)，图中显示了侧壁8a、内壁4、外壁6和混合装置14(从空间30的内侧观察)。从该图中的虚线所指示的扇段S1和S2可见，第一扇段S1内包括狭缝22和所述多个第一孔26中的一个孔，而第二扇段S2内包括所述多个第二孔28中的一个孔。从图2中进一步可见，狭缝22布置成与所述多个第二孔28的孔沿径向偏移(这意味着狭缝22与这些孔28沿径向不对准)，其中，所述多个第一孔26中的孔与狭缝22布置在同一扇段S1内，因此直接布置在氧化剂12的流经狭缝22进入空间30内的径向流动方向上。
如上所述，这些孔和狭缝的尺寸及其排列结构取决于孔的总数。所述多个第一孔26的直径和/或所述多个第二孔28的直径由混合装置14的孔的总数和混合装置14的尺寸限定。在图示的实施例中，混合装置14被划分为多个扇段S1和S2，该扇段S1和S2的尺寸由孔的总数限定，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。图4中示出了这些关系的细节。
图4示出了具有半径R的混合装置14的一部分的示意性正视图，该混合装置14安装在所述燃料重整器的内壁4处。在内壁4和外壁6之间限定有氧化剂通道18。在混合装置14的中心，布置了具有半径Rn的、用于燃料喷射元件32的接收开口40。该接收开口40的形状对应于燃料喷射元件32的形状。直径为d的所述多个第一孔26(图4中仅示出了所述圆的一部分以及这些孔26之一)沿着半径为Rd的第一圆或内侧圆布置。直径为D的所述多个第二孔28(图4中仅示出了所述圆的一部分以及这些孔28之一)沿着半径为RD的第二圆或外侧圆布置。
所述多个第一孔26的孔数n1和所述多个第二孔28的孔数n2优选相等。通过使用公式θ＝360°/N，孔的总数N(N＝n1+n2)限定了角度θ，其中该θ由α+β之和限定。该角度α和β分别是扇段S2和S1的角度，每个扇段S2和S1要么包括所述多个第二孔28中的一个孔，要么包括所述多个第一孔26中的一个孔，其中α和β不必相等。该角度θ将混合装置14划分为尺寸相等的多个扇区(每个扇区均包括如图3所示的、S1类型的扇段和S2类型的扇段)，其中，每个扇区均包括一对孔，这一对孔即所述多个第一孔26中的一个孔和所述多个第二孔28中的一个孔。
根据一优选实施例，这些孔的尺寸和排列结构可通过如下关系来限定：即，所述多个第一孔26中的一个孔的直径d与所述第一圆的半径Rd的比值与tan(β/2)成比例，并且/或，所述多个第二孔28中的一个孔的直径D与所述第二圆的半径RD的比值与tan(α/2)成比例。
应当注意，所述第二圆的半径RD也受到混合装置14的总尺寸所限制，该总尺寸由混合装置的半径R给出。例如，可通过计算由混合装置14的半径R和角度α给出的三角形的边心距来计算该半径RD。于是，根据公式RD≈R*(1-sin(α/2))tan(α/2)，半径RD与R成比例。
在本发明的如图2至图4所示的实施例中，狭缝22布置在包括所述第一圆的孔26的扇段处，并且狭缝22的长度与2π*R*β/360°成比例。
应当注意，在此上下文中，不仅可以在混合装置14处布置有沿着两个圆或两个阵列的孔，而且在混合装置14处也可布置有沿着三个或更多个这种阵列的孔。而且，这种同心布置结构也仅仅是一种优选布置结构。也可以将这些孔布置成均匀分布在混合装置14上(类似于筛子)，或者沿着从用于燃料喷射元件32的开口40附近开始且在混合装置14上朝着壳体2的内壁4连续向外扩展的平面螺旋来布置。
所图示的混合装置14的设计在燃料重整器1的反应室16内建立了塞流，这降低了再循环，因此，在减少彼此混合的流体10和12的、由于催化剂24对该混合物的反推而引起的再循环方面，所示的实施例得到了优化。为了进一步改善其混合，所述多个第二孔28的孔可还包括罩(未示出)，该罩在反应室16内、在混合装置14下游提供了流经这些孔28的氧化剂12的涡旋运动。该涡旋运动提高了碳氢燃料喷雾10和氧化剂12的混合物的均匀性。
本发明的混合装置14的另一个优点是：从所述内侧圆上的孔26中流过的氧化剂12是热的。因此，氧化剂12的热量也可用于加热所述碳氢燃料10。因此，也能够减少彼此混合的流体10、12的凝结。
虽然针对碳氢燃料和氧化剂的混合情形描述了该混合装置，但该混合装置也可用于其他流体的混合。另一个可能的应用例如是用于空气和蒸汽的(单独的)混合物的混合装置，以用于提供空气/蒸汽混合物，该空气/蒸汽混合物然后以混合物的形式被作为氧化剂引入到燃料重整器中。
附图标记列表
1  燃料重整器
2  壳体
4  内壁
6  外壁
8a、8b  侧壁
10  碳氢燃料
12  氧化剂
14  混合装置
16  反应室
18  空间＝氧化剂通道
20  氧化剂供给口
22  氧化剂入口
24  催化剂
26  多个第一孔
28  多个第二孔
30  用于氧化剂的空间
32  碳氢燃料入口
34  富氢气体出口
36  富氢气体
38  预热装置
40  接收开口

Claims (21)

1.一种用于燃料重整器(1)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1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1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(β/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(α/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(S1)，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°/(n1+n2)，其中n1是所述多个第一孔(26)的孔数，n2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(1)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(1)，所述燃料重整器(1)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(1)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(1)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(1)还包括根据权利要求1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(1)，其中，所述混合装置(14)具有与所述燃料重整器(1)的横截面大致相同的形状，其中，所述燃料重整器(1)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(1)，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(1)，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(1)，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(1)，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(1)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(S1)处，所述扇段(S1)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(1)，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)。
19.根据权利要求12至18中的任一项所述的燃料重整器(1)，其中，所述燃料重整器(1)还包括内壁(4)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(6)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(1)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(1)，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(1)、通过自热反应来进行。
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