CN108452541B - 蒸发器和燃料电池装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种蒸发器(V)，其包括被蒸发器壳体(5)包围的蒸发器主体(3)，所述蒸发器具有用于将液体供给至蒸发器壳体(5)中的入口(1)和用于排出产生的蒸汽的出口(6)，其中蒸发器主体(3)包括平直地布置成一个在另一个顶部上的多个板(7)，其中存在液体分配器(2)，用于将液体分配于多个板(7)之间，所述液体分配器布置在入口(1)和蒸发器主体(3)之间，其中板(7)中的每个板在第一表面上包括具有分配器管道(20、21、22)的液体分配器结构(10)、蒸发器区域(11)和气体收集结构(12)。本发明还涉及一种对应的燃料电池装置。

Description

蒸发器和燃料电池装置
技术领域
本发明涉及一种蒸发器，并且涉及一种包括根据本发明的蒸发器的燃料电池装置。
背景技术
例如从WO 2006/108796 A1已知一种蒸发器。该已知的蒸发器具有至少一个蒸发器板，所述至少一个蒸发器板具有布置在梯形区中的蒸发器通道。所述蒸发器通道是横截面积小于100μm2的所谓的微型蒸发器通道。然而，传统的蒸发器不适于大的蒸发输出，因为这会导致非恒定的蒸汽产量。更特别地，液体的小质量流率导致形成“蒸汽气泡”并且阻止了有效的蒸发。
专利US 4,470,455公开了用于热交换器的液体管状管道，所述管道由一对板形成，所述板的边缘区被连接，以为了在板的中部区段之间创建冷却剂壳体以用于流体通过。每对板中的液体入口收集管道和液体出口收集管道通过在朝外方向上偏移的拉伸(drawn)布置而形成。在收集管道之间，分离的肋的排以类似的方式形成，其中每个肋在分配器之间相对于流动通路处于倾斜位置中，并且每个排横向于流动通路的法线而延伸。每个排中的肋在流动方向上被错开且重叠于其他肋，以为了防止穿过入口收集管道和出口收集管道之间的所有横向排的线性流动，以及为了在设置经过排的端部的旁通流动通路之外，还设置断续的线性流动通路或设置穿过横向排中部的旁通道，以便提高热传递效率而不会明显地增加压力的下降。
DE 10160834A1特别公开了用于使至少一种介质蒸发和过热的设备，所述设备至少具有两个反应级，其中至少一个第一反应级采取蒸发器(20)的形式，用于所述至少一种介质的至少部分的蒸发。蒸发器(20)具有至少一个用于使待蒸发的介质通过的流动单元，和用于为流动通过流动单元的介质的至少部分蒸发提供热能的加热单元，其中流动单元热联接至加热单元。此外，蒸发器(20)下游的至少一个第二反应级设计成过热器(50)的形式，用于使蒸发的介质过热。过热器(50)具有用于使从蒸发器(20)离开的介质通过的流动单元，和具有用于提供用来将流动通过流动单元的介质加热的热能的过热单元，其中流动单元热联接至过热单元。为了创建高性能而紧凑的设备，至少一个蒸发器(20)和至少一个过热器(50)采取由单独的层构成的层状复合结构的形式。
发明内容
本发明处理的问题为消除了根据现有技术的缺点。更特别地，蒸发器将被指定为用于千瓦范围内的功率范围。本发明处理的另外的问题为指定包括这种类型的蒸发器的燃料电池装置。
根据本发明，提出了一种蒸发器，该蒸发器包括由蒸发器壳体包围的蒸发器主体，所述蒸发器具有用于将液体供给到蒸发器壳体中的入口和用于将产生的蒸汽排出的出口。
蒸发器主体包括多个板，所述多个板平直地布置成一个在另一个的顶部上。存在液体分配器，用于在多个板之间分配液体，所述液体分配器布置在入口和蒸发器主体之间。所述板中的每一个均在第一表面上包括具有分配器管道、蒸发器区域和气体收集结构的液体分配器结构。液体分配器结构、蒸发器区域和气体收集结构各自被相应的相邻板所限定边界，使得由此形成的腔具有仅仅经由液体分配器和气体收集结构下游的至彼此的流体连接。
根据本发明的蒸发器的优点在于可以避免蒸汽气泡的形成。蒸发器可被用于产生饱和蒸汽或过热蒸汽。待蒸发的液体被非常均匀地分配在单独的板之间，并且蒸汽可以不受妨碍地流动离开。蒸发器区域可以以基本上长方形的方式构造。凭借液体分配器结构，液体可以被蒸发以基本上均匀地流动至蒸发器区域上。蒸发器区域的与液体分配器相对的侧部上布置气体收集结构，所述气体收集结构连接至蒸发器壳体的出口。产生的蒸汽从蒸发器区域通过气体收集结构被引导至蒸发器壳体的出口。
多个板之间的液体分配同样允许通过液体分配器实现均匀的蒸发。
适当地，液体分配器结构与板一起为一体式形式。在适当的构造中，液体分配器结构包括分支成至少两个第一分配器管道的分配器供给部。分开成至少两个第一分配器管道实现了覆盖蒸发器区域的液体的更好分配。液体分配器结构可以特别地包括另外的分配器管道，使得存在以树状方式分支的结构。
适当地，液体分配器结构通向蒸发器区域。
根据本发明的蒸发器的蒸发器区域适当地采取在板中的凹陷和/或隆起的形式。为凹陷形式的蒸发器板具有围绕蒸发器区域的框架。蒸发器区域可以特别地为基本上长方形的开口。优选地，蒸发器区域具有构造的(structured)区，该构造的区具有隆起的和/或凹陷的图案。该图案与布置于正上方的板相接于凸起的区中，使得凸起的区形成与上方的板的密封。构造的区还可以只包括蒸发器区域的一部分。在适当的构造中，蒸发器区域包括三个相继的区，这些区为互相邻接的区，所述互相邻接的区在从液体分配器结构延续至气体收集结构的第一方向上相继地布置。邻接液体分配器结构的区优选地不具有构造有图案的表面。接着前述区之后为具有图案的构造的区。图案可以例如为人字形图案、波浪形图案或锯齿形图案。还可以存在朝向气体收集结构延伸的不形成有图案的区。具有图案的区在布置成与第一方向成直角的第二方向上延伸，所述具有图案的区优选地在整个区域上延伸。
在本发明的蒸发器的一个构造中，图案为人字形图案。这种种类的人字形图案的优点在于，蒸发器表面的构造为完全开放的，因此不可能形成阻止液体质量流的任何气体气泡。
在另外的构造中，蒸发器区域包括凹槽或通道，所述凹槽或通道具有偏转部位并且在远离液体分配器结构的方向上延续。通道优选地以波浪的形式延续。以这种方式，可以实现提高的蒸发器效率。
在另外的构造中，气体收集结构包括弯曲的出口通道和/或至少两个气体收集管道，所述至少两个气体收集管道为结合的。根据本发明的蒸发器的气体收集结构促进了形成的蒸汽不受妨碍地流动离开。
适当地，板中的至少一些板在与第一表面相背对的面上具有加热通道，或者板为平坦的。
加热介质可以通过板的背面侧上的加热通道而被沿着板传导，用于液体的蒸发。在那种情况下，加热通道具有经由另外的出口和设置在蒸发器壳体中的另外的入口的流体连接。
适当地，两个相邻的板齐平地一个堆叠在另一个顶部上。更特别地，液体分配器结构的边缘、蒸发器区域的边缘和气体收集结构的边缘可以与相邻的板形成密封，使得每两个板之间存在的腔彼此分离。
此外提出一种燃料电池装置，所述燃料电池装置包括重整器、PrOx反应器、燃料电池和至少一个根据本发明的蒸发器。燃料电池装置特别地包括蒸发器、重整器、水-气转化反应器、PrOx反应器和燃料电池的串联连接。重整器、水-气转化反应器和PrOx反应器是这样的反应器：其中，在蒸发器中蒸发的燃料在三个相继的反应中(可选地添加空气)被转化成具有低一氧化碳含量的另外的燃料，所述另外的燃料能够被燃料电池所使用。适当地，燃料电池装置被设计为用于以丙二醇运转。这意味着丙二醇/水混合物在蒸发器中被蒸发。
附图说明
本发明通过参考附图在下文中阐明。附图示出了：
图1本发明的蒸发器的横截面示意图，
图2本发明的蒸发器的蒸发器板的第一构造，
图3沿着线III-III’穿过根据图2的蒸发器板的横截面，
图4沿着线IV-IV’穿过根据图2的蒸发器板的横截面，
图5沿着线V-V’穿过根据图2的蒸发器板的横截面，
图6蒸发器板的第二构造，
图7根据图6的蒸发器板的细节放大，
图8穿过根据图7的蒸发器板的横截面，和
图9根据本发明的燃料电池装置。
具体实施方式
图1示出了蒸发器V，所述蒸发器具有入口1、蒸发器壳体5和出口6。液体分配器2被连接于入口1和蒸发器主体3之间，利用所述液体分配器，液体被分配在板7之间。该实施例中的液体分配器2采取腔8的形式。然而，在可替换的构造中，液体分配器也可以包括树状的液体分配器结构。板7平直地布置成一个在另一个的顶部上，使得板7的堆叠在图1中为显而易见的。
图2示出了板7的构造。板7包括液体分配器结构10。液体分配器结构10具有分配器供给部20，该供给部分开成第一分配器管道21，特别地分开成两个第一分配器管道21。第一分配器管道21可以进一步地分开成第二分配器管道22并且随后分开成第三分配器管道23。第一分配器管道21、第二分配器管道22和第三分配器管道23形成树状结构，使得例如第一分配器管道21的横截面与从该第一分配器管道分支出的第二分配器管道22的总横截面相等。这样的液体分配器结构10将液体以均匀的压力和均匀的速率施加至蒸发器区域11。
蒸发器区域11为基本上长方形的区域。在中间区，图案13在从液体分配器结构10至气体收集结构12的方向上形成于蒸发器区域11上。蒸发器区域11采取在板7中的凹陷部的形式。图案13为凸起的结构，例如为人字形图案。该人字形图案防止液体没有被液体分配器结构10偏转便流动至气体收集结构12。图案13形成开放的结构，使得有效地防止蒸发器区域11上的单独的通道的阻塞。
气体收集结构12包括两个气体收集管道30。在气体收集管道30中存在采取桩部32的形式的另外的结构元件。气体收集管道30收集气体并且通向出口通道31。出口通道31适当地具有偏转，使得产生的气体(即蒸汽)在板7的一个侧部上被排出。
图3示出了根据图2的板7沿着截面线III-III’的横截面。横截面视图切开穿过四个第二分配器管道22。第二分配器管道22各自具有相同的深度且各自具有相同的宽度。
图4示出了根据图2的板7沿着截面线IV-IV’的横截面。该图清楚地示出了具有图案13的凹陷的蒸发器区域11，所述图案在所述凹陷的蒸发器区域上方突出。由图案13产生的凹槽皆具有相同的深度。图案13的隆起则因此与板7的未构造(unstructured)的边缘处于相同的水平高度。因此，一个放在另一个顶部上的两个板7可以被密封，特别是朝向边缘被密封，并且同时所述两个板借助于图案13中的隆起被互相支撑。
图5示出了穿过气体收集结构12的横截面。布置于气体收集管道30中的桩部32和板7的边缘具有相同的高度。
图6示出了板7的另外的构造。不同于根据图2的第一实施例，板7具有呈波浪形通道14的形式的图案13。通道14的一个维度处于宽度约1mm的区中且具有较小的深度。波浪形通道14仅仅在蒸发器区域11的中间区中延伸。
在图7中示出了这样的通道14的截面的俯视图，并且在图8中示出了所述通道的横截面。通道14具有相同的深度。
图9示出了一种燃料电池装置。燃料电池装置是蒸发器V、紧跟着的重整器R、水-气转化反应器W、PrOx反应器P和燃料电池B的串联连接。蒸发器V为根据前述实施例的蒸发器。借助于所述反应器的串联连接，蒸发器V中的蒸发的燃料(特别是丙二醇/水混合物)被处理成使得该燃料可以被用于在燃料电池B中产生电力。该实施例中的燃料电池B具有5kW的功率。
附图标记列表
1 入口
2 液体分配器
3 蒸发器主体
5 蒸发器壳体
6 出口
7 板
8 腔
10 液体分配器结构
11 蒸发器区域
12 气体收集结构
13 图案
14 通道
20 分配器供给部
21 第一分配器管道
22 第二分配器管道
23 第三分配器管道
30 气体收集管道
31 出口通道
32 桩部
B 燃料电池
P PrOx反应器
R 重整器
V 蒸发器
W 水-气转化反应器

Claims (14)

1.一种蒸发器(V)，所述蒸发器包括被蒸发器壳体(5)包围的蒸发器主体(3)，所述蒸发器具有用于将液体供给至蒸发器壳体(5)中的入口(1)和用于排出产生的蒸汽的出口(6)，其中所述蒸发器主体在结构上与所述蒸发器壳体分离，
其中，所述蒸发器主体(3)包括多个实心封闭的板(7)，所述多个实心封闭的板平直地布置成一个实心封闭的板在另一个实心封闭的板顶部上，
其中，存在液体分配器(2)，用于将液体分配于所述多个实心封闭的板(7)之间，所述液体分配器布置在所述入口(1)和所述蒸发器主体(3)之间，
其中，实心封闭的板(7)中的每个板均在第一表面上包括：具有分配器管道(21、22、23)的液体分配器结构(10)；蒸发器区域(11)；和气体收集结构(12)，
其中，所述液体分配器结构(10)包括分支成至少两个第一分配器管道(21)的分配器供给部(20)；并且
其中，所述实心封闭的板中的至少一些板在与所述实心封闭的板的所述第一表面相背对的面上具有加热通道，所述加热通道具有经由设置在所述蒸发器壳体中的另外的入口和另外的出口的流体连接。
2.根据权利要求1所述的蒸发器(V)，其中，所述液体分配器结构(10)与所述实心封闭的板(7)一起为一体式形式。
3.根据权利要求1或2所述的蒸发器(V)，其中，所述液体分配器结构(10)通向所述蒸发器区域(11)。
4.根据权利要求1或2所述的蒸发器(V)，其中，所述蒸发器区域(11)采取在所述实心封闭的板(7)中的凹陷或隆起的形式。
5.根据权利要求1或2所述的蒸发器(V)，其中，所述蒸发器区域(11)包括构造的区，所述构造的区具有凸起的和/或凹陷的图案(13)。
6.根据权利要求5所述的蒸发器(V)，其中，所述图案(13)为人字形图案。
7.根据权利要求1或2所述的蒸发器(V)，其中，所述蒸发器区域(11)包括具有偏转部位的凹槽或具有偏转部位的通道(14)，并且所述凹槽或所述通道在指向远离所述液体分配器结构(10)的方向上延续。
8.根据权利要求7所述的蒸发器(V)，其中，所述通道(14)以波浪的形式延续。
9.根据权利要求1或2所述的蒸发器(V)，其中，所述气体收集结构(12)包括弯曲的出口通道(31)和/或至少两个气体收集管道(30)，所述至少两个气体收集管道结合在一起。
10.根据权利要求1或2所述的蒸发器(V)，其中，所述实心封闭的板(7)中的至少一些板在与所述第一表面相背对的第二面上为平的。
11.根据权利要求1或2所述的蒸发器(V)，其中，两个相邻的实心封闭的板(7)齐平地堆叠成一个在另一个的顶部上。
12.根据权利要求11所述的蒸发器(V)，其中，所述液体分配器结构(10)的边缘、所述蒸发器区域(11)的边缘和所述气体收集结构(12)的边缘与相邻于它们布置的实心封闭的板(7)形成密封。
13.一种燃料电池装置，所述燃料电池装置包括重整器(R)、PrOx反应器(P)、燃料电池(B)和至少一个根据权利要求1至12中任一项所述的蒸发器(V)。
14.根据权利要求13所述的燃料电池装置，其中，所述燃料电池装置设计成使用丙二醇运转。
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