DE102005005307A1

DE102005005307A1 - Katalytische Verbrennungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102005005307A1
Application number: DE200510005307
Authority: DE
Inventors: Hirokuni Kariya Sasaki
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-02-09
Filing date: 2005-02-04
Publication date: 2005-08-25
Also published as: JP2005221202A; US20050172619A1

Abstract

Ein Wassertrennfilter (5), welches zwischen einer Gasmischkammer (4) und einer katalytischen Verbrennungskammer (6) in einem Kanal (81) angeordnet ist, enthält zahlreiche feine Kanäle (5a) zum Einfangen von Wassertropfen oder Dampf, die bzw. der in einer Brennstoffmischung enthalten sind bzw. ist, die in einer Gasmischkammer (4) erzeugt wird, und welche die eigefangenen Wassertropfen oder den eingefangenen Dampf in dem Wassertrennfilter (5) verweilen lässt. Die Brennstoffmischung enthält keine Wasserkomponenten, wenn sie in die katalytische Verbrennungskammer (6) einströmt. Somit haftet keine Feuchtigkeit an der Katalysatoroberfläche an. Die Brennstoffmischung kann in sicherer Weise in Kontakt mit dem Katalysator gelangen. Die katalytische Verbrennung wird dabei stabil aufrecht erhalten. Die katalytische Verbrennungswärme wird durch die Wassertropfen nicht als latente Wärme verbraucht, die bei dem Prozess des Verdampfungsvorganges erforderlich ist. Die katalytische Verbrennungsheizvorrichtung (1) kann die Katalysatortemperatur schnell auf die aktive Temperatur innerhalb einer kurzen Zeit anheben.

Description

QUERVERWEIS AUF EINE VERWANDTE ANMELDUNG
Die vorliegende Anmeldung basiert mit Beanspruchung der Priorität auf der früheren japanischen Patentanmeldung Nr. 2004-32409, eingereicht am 9. Februar 2004, so dass die Beschreibung derselben hier unter Bezugnahme voll mit einbezogen wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine katalytische Verbrennungsvorrichtung, die eine bevorzugte Heizquelle einer Heim- oder Automobil-Heizvorrichtung darstellt. Die katalytische Verbrennungsvorrichtung ist mit einem Katalysator ausgestattet, um eine Verbrennung einer Brennstoffmischung aus Luft und Brennstoff zu bewirken. Die erzeugte katalytische Verbrennungswärme wird dazu verwendet, um die Temperatur eines Heizmediums zu erhöhen.

Die katalytische Verbrennungsvorrichtung basiert auf einer flammenlosen Niedrigtemperaturverbrennung, die bevorzugt dafür verwendet wird, um vollständig die Emission von NOx zu beseitigen. Die katalytische Verbrennungsvorrichtung bietet Vorteile hinsichtlich einer hohen Flammensicherheit, hoher Absorptionsraten in Bezug auf niedrigtemperaturerhitzte Materialien und hinsichtlich eines hohen Wirkungsgrades von ferner Infrarotstrahlung. Demzufolge kann die katalytische Verbrennungsvorrichtung einen großen Betrag an Energieeinsparung realisieren.

Im Allgemeinen wird ein brennbares Gas, wie beispielsweise Wasserstoffgas oder LPG (verflüssigtes Erdgas), als Brennstoffgas für die katalytische Verbrennungs vorrichtung bevorzugt verwendet. Die Brennstoffmischung aus diesem Brennstoff (Gas) und Luft wird dem Katalysator zugeführt, um eine katalytische Verbrennung zu bewirken.

Wenn ferner die katalytische Verbrennungsvorrichtung, welche Wasserstoffgas verwendet, in einem Fahrzeug installiert ist, welches durch eine Wasserstoff-Brennstoffzelle angetrieben wird, kann der Brennstoff (das heißt das Wasserstoffgas) gemeinsam verwendet werden. Das Ausstoßgas (das heißt das so genannte Abgas), welches aus der Wasserstoff-Brennstoffzelle ausgetragen wird, enthält nicht reagiertes Wasserstoffgas, welches für die elektrische Energieerzeugung nicht verwendet wurde. Im Allgemeinen wird das Abgas verarbeitet, um Wasserkomponenten daraus zu beseitigen, bevor es erneut in die Wasserstoff-Brennstoffzelle zugeführt wird. Das Abgas kann als Teil des Brennstoffes verwendet werden, der in die katalytische Verbrennungsvorrichtung zugeführt wird, und zwar zum Zwecke der Einsparung von Energie, was für die Abgasverarbeitung erforderlich ist.

Beispielsweise wird gemäß einer herkömmlichen katalytischen Verbrennungsvorrichtung mit Hilfe einer Brennstoffzufuhrvorrichtung eine Brennstoffmischung aus Wasserstoffgas und Luft in einen Strömungspfad zugeführt. Ein elektrisch erhitzter Katalysator, ein Verbrennungskatalysator und ein Wärmeaustauscher, der ein Heizmedium enthält, welches darin zirkuliert, sind in dieser Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite dieses Strömungspfades vorgesehen. Wenn der elektrisch aufgeheizte Katalysator aktiviert wird, beginnt die Brennstoffmischung aus dem Wasserstoffgas und Luft zu verbrennen. Das Verbrennungsgas des elektrisch beheizten Katalysators strömt in den Verbrennungskatalysator. Die Temperatur des Verbrennungskatalysators wird dann erhöht. Die Brennstoffmischung aus dem Wasserstoffgas und aus Luft kann in dem Hochtemperatur-Verbrennungskatalysator verbrennen (siehe hierzu die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2002-122311 entsprechend der US-Patentanmeldung bzw. Veröffentlichung Nr. US2003/0031971 A1).

Die oben beschriebene herkömmliche katalytische Verbrennungsvorrichtung verwendet einen Pt-(Platin)-Katalysator, der eine ausgezeichnete Reaktionsaktivität aufweist. Der Pt-Katalysator kann eine katalytische Verbrennung selbst dann bewirken, wenn die Mischungstemperatur niedrig ist. Daher wird der Pt-Katalysator in bevorzugter Weise für das katalytische Verbrennungsgerät verwendet.

In Verbindung mit dem Katalysator gibt es eine charakteristische Temperatur (das heißt eine Aktivierungstemperatur), bei welcher die Funktion des Katalysators, das heißt die Oxidationsfunktion, in ausreichender Weise erhalten werden kann. Mit anderen Worten, wenn die Katalysatortemperatur niedriger liegt als die Aktivierungstemperatur, hat der Katalysator eine unzureichende Aktivität.

Unmittelbar nachdem die katalytische Verbrennungsvorrichtung ihren Betrieb startet, ist die Temperatur der katalytischen Verbrennungsvorrichtung noch niedrig. Wenn die Katalysatortemperatur niedriger ist als die Aktivierungstemperatur, wird die Oxidationsfunktion nicht in ausreichender Weise erzielt. Die erzeugte katalytische Verbrennungswärme kann dazu verwendet werden, um die Katalysatortemperatur anzuheben. Die Katalysatortemperatur erreicht dann die Aktivierungstemperatur und es wird dann eine stabile katalytische Verbrennung realisiert. Es nimmt nämlich der Wärmebetrag, der aus der katalytischen Verbrennungsvorrichtung erzeugt wird, das heißt der Wärmebetrag, der auf das Heizmedium übertragen wird, auf einen Nenn-Wärmebetrag zu.

Wenn die Temperatur der katalytischen Verbrennungsvorrichtung niedrig ist, kann Dampf, wie beispielsweise Feuchtigkeit, die in der Luft enthalten ist und Feuchtigkeit, welche durch die katalytische Verbrennung erzeugt wird, auf einer Niedrigtemperatur-Katalysatoroberfläche kondensieren und kann auf dieser Katalysatoroberfläche anhaften. Speziell dann, wenn Brennstoff aus Wasserstoffgas besteht, wird eine große Menge an Wasser erzeugt, und zwar als Produkt der katalytischen Verbrennung. Somit haftet die erzeugte Feuchtigkeit oder haften Wassertropfen auf der Katalysatoroberfläche an. Ferner wird in einem Fall, bei dem die Vorrichtung in einem Fahrzeug installiert ist, welches durch eine Wasserstoff-Brennstoffzelle angetrieben wird, zur Verarbeitung des Abgases (welches Wasserstoff enthält) dieser Brennstoffzelle in dem Abgas (das heißt dem Brennstoffgas) Wasser enthalten sein, welches durch die Brennstoffzelle erzeugt wird. Somit können Wassertropfen auf der Katalysatoroberfläche anhaften.

Wenn jedoch Wassertropfen auf der Katalysatoroberfläche anhaften, kann der Katalysator nicht in direkten Kontakt mit der Brennstoffmischung aus Brennstoff und Luft gelangen. Daher wird die katalytische Verbrennung nicht stabil aufrecht erhalten und es wird die Wärmeerzeugung durch die katalytische Verbrennung abgesenkt. Ferner absorbieren die Wassertropfen, die auf der Katalysatoroberfläche haften, die erzeugte katalytische Verbrennungswärme und verdampfen und strömen zusammen mit der Mischströmung zu der stromabwärtigen Seite des Kanals. Mit anderen Worten verbrauchen die Wassertropfen die erzeugte katalytische Verbrennungswärme. Demzufolge wird eine lange Zeit benötigt, bis die Katalysatortemperatur die Aktivierungstemperatur erreicht, was sich auf die Reduzierung der katalytischen Wärmeerzeugung und des Verbrauchs der erzeugten Wärme durch die Wassertropfen ergibt. Es wird somit eine lange Zeit benötigt, bevor das Heizmedium einen Nenn-Wärmebetrag in der katalytischen Verbrennungsvorrichtung erreichen kann.

Beispielsweise kann in einem Fahrzeug, welches durch eine Wasserstoff-Brennstoffzelle angetrieben wird, die katalytische Verbrennungsvorrichtung nicht nur dazu verwendet werden, um einen Fahrzeugpassagierraum zu erwärmen und um das Abgas zu verarbeiten, sondern auch dazu verwendet werden, um die Brennstoffzelle aufzuwärmen. Wenn in diesem Fall die Temperatur des Heizmediums langsam in der katalytischen Verbrennungsvorrichtung ansteigt, ist eine lange Zeitdauer erforderlich, um die Brennstoffzelle aufzuwärmen. Es wird eine lange Zeit benötigt, bevor die Brennstoffzelle eine reguläre Ausgangsleistung beim Startzustand eines Fahrzeugs erzeugen kann, welches durch diese Brennstoffzelle angetrieben wird.

Um diese Probleme zu lösen, ist gemäß der oben beschriebenen herkömmlichen katalytischen Verbrennungsvorrichtung der elektrisch beheizte Katalysator auf der stromaufwärtigen Seite des Verbrennungskatalysators vorgesehen. Im Ansprechen auf die elektrische Energiezufuhr bewirkt der elektrisch erhitzte Katalysator, dass die Brennstoffmischung aus dem Wasserstoffgas und Luft verbrennt. Demzufolge nimmt die Temperatur der Brennstoffmischung schnell zu, bevor die Brennstoffmischung in den Verbrennungskatalysator strömt. Es ist somit der Verbrennungskatalysator frei von der Adhäsion von Feuchtigkeit.

Jedoch erfordert die herkömmliche Vorrichtung absolut gesehen den Zusatz des elektrisch beheizten Katalysators. Der elektrisch beheizte Katalysator erhöht den elektrischen Energieverbrauch und reduziert den Energiewirkungsgrad.

Auf der anderen Seite wird das Herbeiführen einer Verbrennung der Brennstoffmischung aus dem Wasserstoffgas und Luft auf der stromaufwärtigen Seite des Katalysators möglich, und zwar mit einer Funkenzündung der Brennstoffmischung. Die Hochtemperatur-Brennstoffmischung, die dem Katalysator zugeführt wird, kann die Temperatur des Katalysators erhöhen. In diesem Fall kann die Verbrennung des Wasserstoffes ausgesetzt werden, und zwar mit der Flammenausbreitung, und es kann daher der elektrische Energieverbrauch unterdrückt werden.

Es ergibt sich dabei jedoch eine Schwierigkeit bei der Herbeiführung der Verbrennung der Brennstoffmischung mit der Funkenzündung, da das Mischungsverhältnis zwischen dem Wasserstoffgas und Luft zum Erzielen der zündfähigen Brennstoffmischung auf einen sehr engen Bereich begrenzt ist. Ferner bewirkt die Verbrennung der Brennstoffmischung mit Hilfe der Funkenzündung eine plötzliche Temperaturerhöhung. Demzufolge müssen Probleme gelöst werden, die durch die hohen Temperaturen verursacht werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Im Hinblick auf die oben beschriebenen Probleme ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine katalytische Verbrennungsvorrichtung zu schaffen, welche die Fähigkeit hat, die Feuchtigkeit zu reduzieren, die auf der Katalysatoroberfläche anhaftet, nachdem die katalytische Verbrennungsvorrichtung ihren Betrieb gestartet hat, und die auch dazu befähigt ist, schnell die Katalysatortemperatur auf eine Aktivierungstemperatur innerhalb einer kurzen Zeit zu erhöhen.

Um die genannte Aufgabe und weitere damit in Verbindung stehende Ziele zu lösen bzw. zu erreichen, schafft die vorliegende Erfindung eine katalytische Verbrennungsvorrichtung mit einer Gasmischeinrichtung, einer Luftzufuhreinrichtung, einer Brennstoffzuführeinrichtung, einem Kanal, einem katalytischen Verbrennungsabschnitt und einer Flüssigkeitssammeleinrichtung. Die Gasmischeinrichtung ist dafür ausgelegt, eine Brennstoffmischung aus Luft und Brennstoff zu bilden. Die Luftzufuhreinrichtung ist dafür ausgebildet, um Luft der Gasmischeinrichtung zuzuführen. Die Brennstoffzufuhreinrichtung ist dafür ausgebildet, um den Brennstoff der Gasmischeinrichtung zuzuführen. Der Kanal, der mit der Gasmischeinrichtung verbunden ist, empfängt die Brennstoffmischung, die durch die Gasmischeinrichtung gebildet wurde und von dieser zugeführt wird. Der katalytische Verbrennungsabschnitt, der auf einer stromabwärtigen Seite der Gasmischeinrichtung angeordnet ist, enthält einen Katalysator, der durch einen Katalysatorträger gehaltert ist. Ferner ist die Flüssigkeitssammeleinrichtung, die eine Vielzahl von feinen Kanälen für das Sammeln von Flüssigkeit aufweist, zwischen der Gasmischeinrichtung und dem katalytischen Verbrennungsabschnitt in einer Strömungsrichtung der Brennstoffmischung in dem Kanal zwischengefügt.

Wenn die Katalysatortemperatur noch niedrig ist, nachdem die katalytische Verbrennungsvorrichtung ihren Betrieb gestartet hat, kann sich Dampf, wie beispielsweise Feuchtigkeit, die in der Luft enthalten ist, Feuchtigkeit, die in dem Brennstoffgas enthalten ist, oder Feuchtigkeit, die in dem ausgestoßenen katalytischen Verbren nungsgas enthalten ist, auf der Niedrigtemperatur-Katalysatoroberfläche kondensieren und kann auf dieser Katalysatoroberfläche anhaften. Speziell dann, wenn der Brennstoff aus dem Abgas besteht, welches aus der Wasserstoff-Brennstoffzelle ausgetragen wird, enthält das Abgas eine große Menge an Wasser, welches als ein Ergebnis der Reaktion in der Brennstoffzelle erzeugt wird. Somit können Feuchtigkeit oder Wassertropfen auf der Katalysatoroberfläche anhaften.

Wenn die Katalysatoroberfläche mit der Feuchtigkeit bedeckt ist, kann der Katalysator nicht in Kontakt mit der Brennstoffmischung gelangen. Dies führt zu einer Verschlechterung der Katalysatorfunktion. Mit anderen Worten wird der Wärmegenerierungsbetrag durch die katalytische Verbrennung reduziert. Darüber hinaus wird auch die erzeugte katalytische Verbrennungswärme verbraucht, und zwar durch das Verdampfen der Wassertropfen, die auf dem Katalysator anhaften. Die Temperatur des Katalysators steigt dabei langsam an. Dies benötigt aber eine lange Zeitdauer, um die Katalysatortemperatur auf die Aktivierungstemperatur anzuheben.

Gemäß der Anordnung der katalytischen Verbrennungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung verläuft die Brennstoffmischung, die durch die Gasmischeinrichtung erzeugt wird, durch die Flüssigkeitssammeleinrichtung, bevor sie in den katalytischen Verbrennungsabschnitt strömt. Da die Flüssigkeitssammeleinrichtung zahlreiche feine Kanäle enthält, kollidieren Wasserkomponenten (wie beispielsweise Wassertropfen oder Dampft, die in der Brennstoffmischung enthalten sind, mit der Wandoberfläche dieser feinen Kanäle und haften daran an. Daher kann die Flüssigkeitssammeleinrichtung der vorliegenden Erfindung die Wasserkomponenten aus der Brennstoffmischung beseitigen (das heißt die Wassertropfen oder den Dampft.

Es können daher Wassertropfen oder Dampf in zufrieden stellender Weise aus der Brennstoffmischung entfernt werden, bevor die Brennstoffmischung in den katalytischen Verbrennungsabschnitt strömt. Es kann daher die katalytische Verbrennungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung verhindern, dass Feuchtigkeit an der Katalysatoroberfläche anhaftet, und zwar während des Betriebes des katalytischen Verbrennungsabschnitts, und kann auch die Katalysatortemperatur schnell auf die Aktivierungstemperatur innerhalb einer kurzen Zeit anheben.

Wenn die Wasserteilchen groß sind, kann die Flüssigkeitssammeleinrichtung das Wasser sicher auffangen (das heißt die Wassertropfen). Wenn die Wasserteilchen klein sind, kann die Flüssigkeitssammeleinrichtung nicht dazu befähigt sein, alle die Wasserkomponenten (das heißt den Dampf) aufzufangen. Jedoch haften solche kleineren Wasserteilchen nur schwer an der Katalysatoroberfläche an und demzufolge kondensieren sie auch nicht auf der Katalysatoroberfläche oder verschlechtern die Katalysatorfunktion.

Nachdem die katalytische Verbrennungsvorrichtung ihren Betrieb begonnen hat, nimmt die Menge oder das Volumen der Wasserkomponenten, welches in der Flüssigkeitssammeleinrichtung vorhanden ist, im Verlauf der Zeit zu. Zur gleichen Zeit nimmt die Temperatur in dem katalytischen Verbrennungsabschnitt zu. Die Flüssigkeitssammeleinrichtung empfängt Strahlungswärme von dem katalytischen Verbrennungsabschnitt und demzufolge nimmt die Temperatur der Flüssigkeitssammeleinrichtung zu. Daher verdampfen die Wasserkomponenten, die in der Flüssigkeitssammeleinrichtung vorhanden sind und strömen zusammen mit der Brennstoffmischung in den katalytischen Verbrennungsabschnitt. Jedoch liegt der katalytische Verbrennungsabschnitt in einem ausreichend höheren Temperaturbereich, der höher liegt als die Aktivierungstemperatur des Katalysators. Der Dampf, der zusammen mit der Brennstoffmischung strömt, haftet daher nicht auf der Katalysatoroberfläche an und strömt unmittelbar aus dem katalytischen Verbrennungsabschnitt heraus.

Gemäß der katalytischen Verbrennungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist es zu bevorzugen, dass die Flüssigkeitssammeleinrichtung eine Heizvorrichtung enthält.

Es ist in diesem Fall zu bevorzugen, die Heizvorrichtung der Flüssigkeitssammeleinrichtung zu aktivieren, sobald die katalytische Verbrennungsvorrichtung ihren Betrieb startet. Die Heizvorrichtung erhöht die Temperatur der Flüssigkeitssammeleinrichtung. Die Temperatur des Dampfes nimmt zu, wenn der Dampf durch die Flüssigkeitssammeleinrichtung hindurch verläuft. Die Wasserteilchen in dem Dampf werden dann kleiner. Daher kann die oben beschriebene bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in sicherer Weise verhindern, dass Dampf an der Katalysatoroberfläche anhaftet, wenn die Brennstoffmischung den Dampf enthält und in den katalytischen Verbrennungsabschnitt strömt.

Ferner kann die erzeugte Wärme der Heizvorrichtung die Temperaturerhöhung in der Flüssigkeitssammeleinrichtung fördern und kann auch das erneute Verdampfen der Wasserkomponenten fördern, die in der Flüssigkeitssammeleinrichtung vorhanden sind. Demzufolge verbleibt eine relativ kleine Menge des Wassers in der Flüssigkeitssammeleinrichtung. Die Flüssigkeitssammeleinrichtung kann daher in der Größe reduziert gehalten werden.

Gemäß der katalytischen Verbrennungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist es zu bevorzugen, dass die Heizvorrichtung aus einem elektrischen Heizelement besteht.

In diesem Fall kann die Heizvorrichtung einfach hinsichtlich ihres Wärmeerzeugungsbetrages gesteuert werden. Es kann somit der Energieverbrauch der Heizvorrichtung minimal gehalten werden, indem man in angemessener Weise den Wärmeerzeugungsbetrag der Heizvorrichtung einstellt.

Gemäß der katalytischen Verbrennungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist es zu bevorzugen, dass die Flüssigkeitssammeleinrichtung aus einer elektrisch leitenden Substanz hergestellt ist und Wärme im Ansprechen auf das Zuführen von elektrischer Energie erzeugt.

In diesem Fall kann die Flüssigkeitssammeleinrichtung Wärme erzeugen. Mit anderen Worten ist dann keine Heizvorrichtung erforderlich. Demzufolge kann die Gesamtzahl an erforderlichen Teilen reduziert werden. Die katalytische Verbrennungsvorrichtung kann in der Größe reduziert werden. Die Temperatur des Dampfes nimmt zu, wenn der Dampf durch die Flüssigkeitssammeleinrichtung hindurch verläuft, und es werden die Wasserteilchen des Dampfes kleiner gestaltet. Daher haftet der Dampf nicht auf der Katalysatoroberfläche an, wenn die Brennstoffmischung, die den Dampf enthält, in den katalytischen Verbrennungsabschnitt strömt.

Ferner kann die Flüssigkeitssammeleinrichtung, welche die Wärmeerzeugungsfähigkeit besitzt, schnell die Temperatur der Flüssigkeitssammeleinrichtung erhöhen. Dies ist beim Einsparen von elektrischer Energie in der Flüssigkeitssammeleinrichtung wirksam.

Gemäß der katalytischen Verbrennungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist es zu bevorzugen, dass die Sammeleinrichtung aus einem porösen gasdurchlässigen Festkörpermaterial besteht.

Das poröse gasdurchlässige Festkörpermaterial ist beispielsweise aus monolithischer Keramik hergestellt, wie beispielsweise gesintertem Metall, und enthält feine Kanäle, die in einer komplizierten Weise ausgebildet sind. Daher kann das poröse gasdurchlässige Festkörpermaterial in sicherer Weise die Wassertropfen oder den Dampf einfangen, die bzw. der in der Brennstoffmischung enthalten ist.

Ferner ist die Verwendung von monolithischen Keramikmaterialien zu bevorzugen, da das poröse gasdurchlässige Festkörpermaterial in einfacher Weise in eine angemessene Gestalt konfiguriert werden kann und in einem Kanal der katalytischen Verbrennungsvorrichtung installiert werden kann.

Gemäß der katalytischen Verbrennungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist es zu bevorzugen, dass der Brennstoff aus Wasserstoffgas besteht.

Beispielsweise in einem Fall, bei dem die katalytische Verbrennungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung als ein Brennstoffzellenstapel-Vorheizgerät in einem Wasserstoff-Brennstoffzellensystem verwendet wird, kann die Katalysatortemperatur schnell auf die Aktivierungstemperatur innerhalb einer kurzen Zeit erhöht werden, und zwar nachdem die katalytische Verbrennungsvorrichtung ihren Betrieb gestartet hat.

Es ist ferner zu bevorzugen, dass die katalytische Verbrennungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung einen Wärmeaustauscher enthält, der auf einer stromabwärtigen Seite des katalytischen Verbrennungsabschnitts in dem Kanal angeordnet ist, wobei der Wärmeaustauscher ein Heizmedium enthält, um zu bewirken, dass ein Wärmeaustausch zwischen dem Heizmedium und dem Verbrennungsgas erfolgen kann, welches von dem katalytischen Verbrennungsabschnitt zugeführt wird.

In diesem Fall wird die erzeugte Wärme des katalytischen Verbrennungsabschnitts auf das Heizmedium des Wärmeaustauschers übertragen. Das Heizmedium bewegt sich zu einer vorbestimmten Stelle, wo die Wärme des Heizmediums freigegeben wird. Spezifischer ausgedrückt, selbst in einem Fall, bei dem die katalytische Verbrennungsvorrichtung weit weg von der Stelle gelegen ist, bei der die erzeugte Wärme verwendet wird, kann das Heizmedium in einfacher und effizienter Weise die erzeugte Wärme des katalytischen Verbrennungsabschnitts zu dem Ort oder der Stelle fördern, wo die erzeugte Wärme verwendet wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oben angegebenen und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich klarer aus der folgenden detaillierten Beschreibung unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen, in welchen zeigen:
1 eine schematische Ansicht, welche die Gesamtanordnung eines Heizsystems wiedergibt, welches eine katalytische Verbrennungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält;
2 eine Teil-Querschnittsansicht, welche die katalytische Verbrennungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wiedergibt;
3 eine Teil-Querschnittsansicht, welche eine katalytische Verbrennungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
4 eine Teil-Querschnittsansicht, die eine katalytische Verbrennungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wiedergibt;
5A eine Ansicht, welche die detaillierte Struktur eines Wassertrennfilters gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
5B eine Ansicht, welche die detaillierte Struktur eines Wassertrennfilters gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wiedergibt; und
5C eine Ansicht, welche die detaillierte Struktur eines Wassertrennfilters gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wiedergibt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es werden nun bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
Erste Ausführungsform
Im Folgenden wird eine katalytische Verbrennungsvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Hinweis auf eine katalytische Verbrennungsheizvorrichtung beschrieben, die in einem Brennstoffzellenfahrzeug installiert ist, welches Wasserstoffbrennstoff verwendet und die in bevorzugter Weise in einem Klimatisierungssystem (Heizsystem) eines Fahrzeuginsassenraumes verwendet wird.
1 ist eine schematische Ansicht, welche eine Gesamtanordnung eines Heizsystems 100 wiedergibt, welches eine katalytische Verbrennungsheizvorrichtung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält. 2 ist eine Teil-Querschnittsansicht, welche die katalytische Verbrennungsheizvorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wiedergibt.
Das Heizsystem 100 enthält gemäß der Darstellung nach 1 die katalytische Verbrennungsheizvorrichtung 1, einen Heizvorrichtungskern 101 und eine Pumpe 102. Die katalytische Verbrennungsheizvorrichtung 1 heizt Wasser auf (das heißt ein Heizmedium). Der Heizvorrichtungskern 101 empfängt das Wasser, welches durch die katalytische Verbrennungsheizvorrichtung 1 erhitzt wurde, und führt einen Wärmeaustausch der Wärme des Heizmediums mit der Luft durch. Die warme Luft wird von dem Heizvorrichtungskern 101 zugeführt und wird für die Luftkonditionierung (das heißt Heizung) eines Fahrzeuginnenraumes verwendet. Die Pumpe 102 ist zwischen der katalytischen Verbrennungsheizvorrichtung 1 und dem Heizvorrichtungskern 101 angeordnet, um das Wasser (das heißt das Heizmedium) zwischen diesen zwangsweise zirkulieren zu lassen.
Die katalytische Verbrennungsheizvorrichtung 1 und die Brennstoffzelle (das heißt die Antriebsenergiequelle) dieses Fahrzeugs verwenden gemeinsamen Brennstoff (das heißt Wasserstoff). Die katalytische Verbrennungsheizvorrichtung 1 bewirkt eine katalytische Verbrennung von Wasserstoff, um die Temperatur von Wasser (das heißt des Heizmediums) zu erhöhen.
Es wird nun im Folgenden die Anordnung der katalytischen Verbrennungsheizvorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mehr in Einzelheiten erläutert.
Wie in 2 gezeigt ist, enthält die katalytische Verbrennungsheizvorrichtung 1 einen Kanal 81, der in einem Gehäuse 8 ausgebildet ist. Die Brennstoffmischung aus dem Wasserstoffgas (das heißt Brennstoff) und Luft wird in den Kanal 81 zugeführt. Ein Gebläse 2, ein Wasserstoffeinleitabschnitt 32, ein Gasmischer 4, ein Wassertrennfilter 5, eine katalytische Verbrennungskammer 6, die als ein katalytischer Verbrennungsabschnitt dient, und ein Wärmeaustauscher 7 sind in dieser Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite des Kanals 81 angeordnet. Das Gebläse 2 besteht aus einer Luftzufuhreinrichtung der vorliegenden Erfindung. Ein Wasserstoffzuführgerät 3, welches mit der katalytischen Verbrennungsheizvorrichtung 1 zusammengebaut ist, bildet eine Brennstoffzufuhreinrichtung der vorliegenden Erfindung. Das Wasserstoffgas, welches von der Wasserstoffzufuhrvorrichtung 3 aus zugeführt wird, wird über den Wasserstoffeinleitabschnitt 32 in den Kanal 31 eingeleitet. Der Gasmischer 4 besteht aus einer Gasmischeinrichtung der vorliegenden Erfindung, welche Luft und Wasserstoffgas mischt, um eine Brennstoffmischung aus Wasserstoffgas und Luft herzustellen.
Das Gehäuse 8 ist aus hitzewiderstandsfähigem Metall hergestellt, wie beispielsweise als eine rostfreie Stahlplatte. Wie in 2 gezeigt ist, ist in dem Gehäuse 2 der Kanal 81 ausgebildet, in welchen die Brennstoffmischung aus dem Wasserstoffgas (das heißt dem Brennstoff) und Luft zugeführt wird.
Das Gebläse 2 (das heißt die Luftzufuhreinrichtung) ist an dem stromaufwärtigen Ende des Kanals 81 angeordnet (das heißt an dem linken Ende des Kanals 81 in 2). Das Gebläse 2, welches durch einen Motor angetrieben wird, führt Luft über ein Filter (nicht gezeigt) von außerhalb zu und schickt die eingeleitete Luft in den Kanal 81. Der Wasserstoffeinleitabschnitt 32 ist auf der stromabwärtigen Seite des Gebläses 2 angeordnet (das heißt auf der rechten Seite des Gebläses 2 in 2). Der Wasserstoffeinleitabschnitt 32 führt Wasserstoffgas (das heißt den Brennstoff) zu dem Gasmischer 4 zu. Die detaillierte Anordnung des Gasmischers 4 wird noch an späterer Stelle erläutert.
Die Brennstoffzufuhreinrichtung zum Zuführen des Brennstoffes in den Gasmischer 4 besteht aus der Wasserstoffzufuhrvorrichtung 3, dem Wasserstoffeinleitabschnitt 32 und einem Wasserstoffkanal 31. Die Wasserstoffzufuhrvorrichtung 3 stellt den Druck des Wasserstoffgases auf einen vorbestimmten Wert ein, welches von außerhalb zugeführt wird. Ferner steuert die Wasserstoffzufuhrvorrichtung 3 die Strömungsrate des Wasserstoffgases, welches in den Gasmischer 4 eingeleitet wird, auf einen gewünschten Wert. Der Wasserstoffeinleitabschnitt 32, der an einer stromaufwärtigen Seite des Gasmischers 4 angeordnet ist, leitet in einheitlicher Form das Wasserstoffgas in den Gasmischer 4 ein. Das Wasserstoffgas wird von der Wasserstoffgaszufuhrvorrichtung 3 über den Wasserstoffkanal 31 in den Wasserstoffeinleitabschnitt 32 zugeführt.
Das von der Wasserstoffgaszufuhrvorrichtung 3 zugeführt Wasserstoffgas wird von einem Wasserstofftank (nicht gezeigt) eines Brennstoffzellensystems zugeführt, welches in einem Fahrzeug installiert ist. Ferner wird Wasserstoffgas auch von dem Kanal des Abgases (das heißt dem Ausstoßgas) zugeführt, welches von der Brennstoffzelle ausgetragen wird (nicht gezeigt), entsprechend der katalytischen Verbrennungsheizvorrichtung 1 der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es ist beispielsweise wünschenswert, dass das Abgas hauptsächlich in die Wasserstoffgaszufuhrvorrichtung 3 zugeführt wird. In diesem Fall wird Wasserstoffgas des Wasserstofftanks (nicht gezeigt) zusätzlich der Wasserstoffgaszufuhrvorrichtung 3 lediglich dann zugeführt, wenn das verfügbare Abgas keine Wasserstoffgasströmungsrate befriedigen kann, die für die katalytische Verbrennungsheizvorrichtung 1 erforderlich ist.
Spezifischer ausgedrückt, führt die Wasserstoffzufuhrvorrichtung 3 (das heißt die Brennstoffzufuhreinrichtung) das Wasserstoffgas über den Wasserstoffkanal 31 dem Wasserstoffeinleitabschnitt 32 des Kanals 81 zu. Der Wasserstoffeinleitabschnitt 32 leitet das Wasserstoffgas in einheitlicher Form in den Kanal 81 in einer äußeren peripheren Richtung des Kanals 81 ein. Der Gasmischer 4 (das heißt die Gasmischeinrichtung) ist an der stromabwärtigen Seite des Wasserstoffeinleitabschnittes 32 angeordnet (das heißt der rechten Seite des Wasserstoffeinleitabschnitts 32 in 2).
Der Gasmischer 4 ist beispielsweise durch einen so genannten statischen Mischer gebildet. Der statische Mischer enthält spiralförmige stationäre Flügel (nicht gezeigt), die in einem Rohrdurchgang (nicht gezeigt) angeordnet sind. Wenn Luft und Wasserstoffgas den Gasmischer 4 durchströmen, und zwar in der Richtung von der stromaufwärtigen Seite zur stromabwärtigen Seite hin (das heißt von links nach rechts in 2), rühren die spiralförmigen stationären Flügel diese Strömungen um und mischen diese Gase, um die Brennstoffmischung aus dem Wasserstoffgas und Luft zu bilden. Die Wasserstoffkonzentration dieser Mischung wird im Wesentlichen einheitlich, und zwar in einem Querschnittsbereich des Kanals 81, der senkrecht zur Strömungsrichtung dieser Mischung verläuft. Das Wassertrennfilter 5, welches als Gasmischeinrichtung der vorliegenden Erfindung dient, ist an der stromabwärtigen Seite des Gasmischers 4 angeordnet (das heißt auf der rechten Seite des Gasmischers 4 in 2).
5A ist eine Ansicht, welche eine Einlassseite des Wassertrennfilters 5 zeigt, welches in 2 dargestellt ist. Das Wassertrennfilter 5 von 2 ist durch einen so genannten monolithischen Keramikträger gebildet, der eine Honigwabenstruktur besitzt, wie in 5A gezeigt ist. Gemäß dieser Anordnung besitzt das Wassertrennfilter 5 (das heißt der monolithische Keramikträger) zahlreiche Kanäle 5a, die durch Trennwände 5b unterteilt sind, um dadurch eine wabenartige Struktur zu bilden. Beispielsweise kann der monolithische Keramikträger dadurch hergestellt werden, indem ein Extrusionsschritt beim Formen einer Mischung aus einem Cordieritmaterial und einem organischen Bindemittel durchgeführt wird und dann ein Sinterungsschritt gemäß einem Brennvorgang des geformten Teiles durchgeführt wird. Die Zahl der feinen Kanäle 5a, die das Wassertrennfilter 5 bilden (das heißt den monolithischen keramischen Träger), liegt in dem Bereich von 900 bis 1200 pro Inch. Das Cordieritmaterial enthält das organische Bindemittel, welches bei dem Mischprozess hinzugefügt wird, wobei das organische Bindemittel abbrennt und zahlreiche Hohlräume beim Sinterungsprozess der Mischung aus dem Cordieritmaterial und dem organischen Bindemittel zurück lässt. Es werden somit zahlreiche Hohlräume zu den Oberflächen der jeweiligen Kanäle 5a des monolithischen Keramikträgers geöffnet. Diese Hohlräume bilden komplizierte inseitige Pfade, die miteinander in dem gesinterten Cordieritkörper kommunizieren, und demzufolge werden zahlreiche feine Kanäle in dem Wassertrennfilter 5 gebildet. Diese feinen Kanäle verwinden sich und erstrecken sich von der stromaufwärtigen Seite zur stromabwärtigen Seite des Wassertrennfilters 5. Wenn demzufolge die Brennstoffmischung aus Luft und dem Wasserstoffgas mit Hilfe der Gasmischkammer 4 erzeugt wird, kollidiert die Brennstoffmischung wiederholt mit den Wandoberflächen dieser feinen Kanäle bei dem Prozess des Hindurchtretens durch das Wassertrennfilter 5 von der linken Seite zur rechten Seite in 2. Demzufolge kollidieren kleine Teilchen aus Wassertropfen oder Dampf, die in der Brennstoffmischung enthalten sind, mit Wandoberflächen dieser feinen Kanäle in dem Wassertrennfilter 5 und haften an den Wandoberflächen an. Somit kann das Wassertrennfilter 5 in sicherer Weise kleine Teilchen in Form von Wassertropfen oder Dampf einfangen, die in der Brennstoffmischung enthalten sind.
Auf diese Weise werden Wasserkomponenten aus der Brennstoffmischung beseitigt, bevor die Brennstoffmischung in die katalytische Verbrennungskammer 6 einströmt. Daher ist die katalytische Verbrennungsheizvorrichtung 1 frei von Problemen, die bei einer herkömmlichen katalytischen Verbrennungsvorrichtung gegeben sind. Spezifischer ausgedrückt, können in einem Zustand unmittelbar, nachdem die katalytische Verbrennungsvorrichtung ihren Betrieb gestartet hat, die Wasserkomponenten, die in der Brennstoffmischung enthalten sind, nicht an der Niedrigtemperatur-Katalysatoroberfläche anhaften. Die Brennstoffmischung kann in sicherer Weise mit dem Katalysator in Kontakt gelangen und demzufolge verläuft die katalytische Verbrennung stabil und wird stabil aufrecht erhalten. Ferner wird die katalytische Verbrennungswärme nicht durch Wassertropfen verbraucht, und zwar für die latente Wärme, die bei dem Prozess des Verdampfens erforderlich ist. Die Katalysatortemperatur kann schnell auf die aktive Temperatur innerhalb einer kurzen Zeitdauer angehoben werden.
Das Wassertrennfilter oder -abtrennfilter 5 besitzt ausgezeichnete Wassersammeleigenschaften, wenn die Brennstoffmischung häufig mit den Wandoberflächen der feinen Kanäle kollidiert, und zwar beim Prozess gemäß dem Hindurchtreten durch das Wassertrennfilter 5 hindurch. Die Kollisionen zwischen der Brennstoffmischung und dem Wassertrennfilter 5 nehmen allgemein zu, wenn das Cordieritmaterial kleine Teilchen mit kleinem Durchmesser (oder Körner) enthält und wenn das Wassertrennfilter 5 einen kleinen Prozentsatz von Leerstellen aufweist (das heißt ein Verhältnis aus dem Volumen von allen Leerstellen zu dem Volumen des Wassertrennfilters 5). Jedoch führt die Verwendung von Cordierit mit kleinen Teilchendurchmessern (oder Körnern) und die Verwendung des Wassertrennfilters 5 mit einem kleinen Prozentsatz von Leerstellen (voids) zu einer Reduzierung der Brennstoffmischungsströmungsrate auf Grund einer unerwünschten Erhöhung des Luftströmungswiderstandes in dem Wassertrennfilter 5. Um dieses Problem zu lösen, ist es erforderlich, die Ausgangsleistung oder Energie (die Druckwerte) des Gebläses 3 und der Wasserstoffzufuhrvorrichtung zu erhöhen. Die Größe der katalytischen Verbrennungsheizvorrichtung 1 wird damit erhöht. Um somit das Wassertrennfilter 5 zu realisieren, und zwar im Sinne der Erzielung eines höheren Wassersammelwirkungsgrades unter Unterdrückung eines Druckverlustes, ist es erforderlich, die Teilchendurchmesser (oder Korndurchmesser) des Cordierits und das Leerstellenvolumen (das heißt den Prozentsatz der Leerstellen) des Wassertrennfilters 5 zu optimieren.
Die katalytische Verbrennungskammer 6 führt zu der katalytischen Verbrennung der Brennstoffmischung, die Luft und Wasserstoffgas enthält, und erzeugt ein Hochtemperatur-Verbrennungsgas. Spezifischer ausgedrückt, bildet die katalytische Verbrennungskammer 6 einen Heizabschnitt der katalytischen Verbrennungsheizvorrichtung 1 entsprechend der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die katalytische Verbrennungskammer 6 enthält einen honigwabenartigen Katalysatorträger, der aus monolithischem Keramik hergestellt ist, wie beispielsweise Tonerde oder Cordierit, und trägt einen Katalysator, wie beispielsweise einen Pt-Katalysator (Platin).
Der Wärmeaustauscher 7 ist auf der stromabwärtigen Seite der katalytischen Verbrennungskammer 6 angeordnet (das heißt auf der rechten Seite der katalytischen Verbrennungskammer 6 in 2). Das Kühlmittel kann beispielsweise aus Wasser oder einer Lösung aus Ethylenglykol bestehen. Der Wärmeaustauscher 7 empfängt die Hochtemperatur-Brennstoffmischung, die durch die katalytische Verbrennung erzeugt wird, und bewirkt einen Wärmeaustausch zwischen der Hochtemperatur-Brennstoffmischung und dem Kühlmittel (das heißt dem Heizmedium). Der Wärmeaustauscher 7 enthält eine Vielzahl von Rohren 71 und Flossen oder Rippen 72, die in dem Kanal 81 angeordnet sind. Jedes Rohr 71 erstreckt sich in einer Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung der Brennstoffmischung. Jede Flosse oder Rippe, die in einem Raum zwischen benachbarten Rohren 71 angeordnet ist, empfängt die Wärme, die von den Rohren 71 übertragen wird. Die Rohre 71 und die Flossen oder Rippen 72 sind der Hochtemperatur-Brennstoffmischung ausgesetzt. Das Kühlmittel strömt in den jeweiligen Rohren 71. Es ist somit wünschenswert, dass die Rohre 71 und die Rippen oder Flossen 72 aus hitzewiderstandsfähigen und korrosionswiderstandsfähigen Materialien hergestellt sind. Entsprechend der katalytischen Verbrennungsheizvorrichtung 1 der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Rohre 71 und die Rippen oder Flossen 72 aus einer rostfreien Stahlplatte hergestellt. Ferner ist gemäß der Darstellung nach 1 der Wärmeaustauscher 7 mit dem Heizvorrichtungskern 101 über ein Heizvorrichtungsübergaberohr 73 verbunden, um das Hochtemperatur-Kühlmittel des Wärmeaustauschers 7 auf den Heizvorrichtungskern 101 des Heizsystems 100 zu übertragen. Ferner ist der Wärmeaustauscher 7 mit dem Heizvorrichtungskern 101 über ein Heizvorrichtungsrückleitrohr 74 verbunden. Die Pumpe 102, die in dem Heizvorrichtungsrückleitrohr 74 vorgesehen ist, empfängt das Kühlmittel, welches von dem Heizvorrichtungskern 101 zurückkehrt und schickt das unter Druck gesetzte Kühlmittel zu dem Wärmeaustauscher 7. Das Kühlmittel kehrt von dem Heizvorrichtungsrückleitrohr 72 zurück und fließt in jedes Rohr 71, und zwar von einem Ende desselben aus. Während das Kühlmittel in die jeweiligen Rohre 71 strömt, empfängt das Kühlmittel Wärme von der Hochtemperatur-Brennstoffmischung, die außerhalb der jeweiligen Rohre 71 strömt. Die Temperatur des Kühlmittels wird erhöht, und zwar als Ergebnis des Wärmeaustausches mit der Brennstoffmischung. Das erhitzte Kühlmittel gelangt aus jedem Rohr 71 von dem anderen Ende desselben heraus. Dann wird das erhitzte Kühlmittel über das Heizvorrichtungsübergaberohr 73 zu dem Heizvorrichtungskern 101 zugeführt.
Als Nächstes werden die charakteristischen Merkmale der katalytischen Verbrennungsheizvorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das heißt die Funktionen und Wirkungen, die durch die Anordnung des Wassertrennfilters 5 hervorgebracht werden, unter Hinweis auf den Betrieb der katalytischen Verbrennungsheizvorrichtung 1 erläutert.
(1) Unmittelbar nach dem Beginn des Betriebes der katalytischen Verbrennungsheizvorrichtung 1:
Wenn die katalytische Verbrennungsheizvorrichtung 1 ihren Betrieb startet, schickt das Gebläse 2 Luft in die Gasmischkammer 4 und die Wasserstoffzufuhrvorrichtung 3 schickt Wasserstoffgas (das heißt Abgas) in die Gasmischkammer 4. Die in der Gasmischkammer 4 erzeugte Brennstoffmischung strömt in das Wassertrennfilter 5.
Wenn die Brennstoffmischung durch das Wassertrennfilter 5 hindurch strömt, werden Wassertropfen oder Dampf, die in der Luft enthalten sind bzw. ist, welche von dem Gebläse 2 zugeführt wird, oder werden Wassertropfen oder Dampf, die bzw. der in dem Abgas enthalten ist (das heißt dem Wasserstoffgas, welches von der Wasserstoffzufuhrvorrichtung 3 aus zugeführt wird), zum Kollidieren mit den Wandoberflä chen der feinen Kanäle des Wassertrennfilters 5 gebracht und haften an diesen Oberflächen an.
Unter der Bedingung, dass die katalytische Verbrennungsheizvorrichtung 1 gerade ihren Betrieb gestartet hat, befindet sich das Wassertrennfilter 5 noch auf einem niedrigen Temperaturwert nahe der Umgebungstemperatur. Demzufolge werden Wassertropfen oder Dampf durch das Wassertrennfilter 5 eingefangen und verbleiben darin in Form einer Flüssigkeit.
Ferner können Wassertropfen oder Dampf, die bzw. der in der Brennstoffmischung enthalten sind, mit den Wassertropfen kollidieren, die an den Wandflächen der feinen Kanäle des Wassertrennfilters 5 eingefangen sind. In diesem Fall haften die Wassertropfen oder der Dampf an den eingefangenen Wassertropfen an.
Auf diese Weise kann das Wassertrennfilter 5 Wassertropfen oder Dampf, die bzw. der in der Brennstoffmischung enthalten sind bzw. ist, entfernen. Die Brennstoffmischung, die keine Wassertropfen oder Dampf enthält, strömt dann in die katalytische Verbrennungskammer 6.
Die katalytische Verbrennungskammer 6 bewirkt unmittelbar, dass eine katalytische Verbrennung der Brennstoffmischung stattfindet. Die erzeugte katalytische Verbrennungswärme erhöht die Temperatur des Katalysators, der durch die katalytische Verbrennungskammer 6 gehaltert wird. Da die Brennstoffmischung keine Wasserkomponenten mehr enthält, haftet auch keine Feuchtigkeit an der Kontaktoberfläche an. Die Brennstoffmischung kann in sicherer Weise den Katalysator kontaktieren. Es wird somit die katalytische Verbrennung stabil aufrecht erhalten. Die katalytische Verbrennungswärme wird nicht durch Wassertropfen für die latente Wärme verbraucht, die bei dem Prozess des Verdampfens erforderlich ist. Es kann somit gemäß der katalytischen Verbrennungsheizvorrichtung 1 der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Katalysatortemperatur schnell auf die aktive Temperatur innerhalb einer kurzen Zeit angehoben werden.
Ferner ist gemäß der katalytischen Verbrennungsheizvorrichtung 1 der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Wassertrennfilter 5 aus Cordieritmaterial hergestellt. Die Oberfläche des Cordieritmaterials besitzt eine Polarität. Auf der anderen Seite besitzen Wassermoleküle eine Polarität auf Grund ihrer Atomanordnungen. Daher ziehen sich die Wandoberflächen der feinen Kanäle in dem Wassertrennfilter 5 und die Wassertropfen oder Dampf entsprechend ihren Polaritäten an. Die Wassertropfen oder der Dampf haften an dem Katalysator. Spezifischer ausgedrückt, verwendet die katalytische Verbrennungsheizvorrichtung 1 der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in positiver Weise die intermolekulare Anziehung, die durch das Cordieritmaterial hervorgerufen wird, um dadurch ein Wassertrennfilter 5 zu realisieren, welches ausgezeichnete Eigenschaften hinsichtlich des Sammelvorgangs von Wassertropfen oder Dampf besitzt. Demzufolge wird es möglich, einen hohen Wirkungsgrad beim Sammelvorgang der Wassertropfen oder des Dampfes, die bzw. der in der Brennstoffmischung enthalten sind bzw. ist, zu realisieren.
Das poröse gasdurchlässige Festkörpermaterial, welches die Polarität besitzt, ist nicht auf das Cordieritmaterial beschränkt. Beispielsweise bildet γ-Alumina (Tonerde) ein bevorzugtes Material zur Herstellung des Wassertrennfilters 5. Selbst wenn das Wassertrennfilter 5 aus γ-Alumina (Tonerde) hergestellt ist, ist es möglich, die oben beschriebene intermolekulare Anziehung auszunutzen, um Wassertropfen oder Dampf zu sammeln.
(2) Ein Fall, bei dem eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist, nachdem die katalytische Verbrennungsheizvorrichtung 1 ihren Betrieb gestartet hat.
Nachdem die katalytische Verbrennungsheizvorrichtung 1 ihren Betrieb gestartet hat, empfängt das Wassertrennfilter 5 Strahlungswärme von der katalytischen Verbrennungskammer und es steigt demzufolge die Temperatur in dem Wassertrennfilter 5 an.
Demzufolge absorbieren die Wasserkomponenten, die in dem Wassertrennfilter 5 vorhanden sind, die Wärme des Wassertrennfilters 5 und verdampfen bald aus dem Wassertrennfilter 5. Der Dampf der verdampfen Wasserkomponenten strömt zusammen mit dem Dampf der Brennstoffmischung. Daher trennt sich der Dampf der verdampften Wasserkomponenten von dem Wassertrennfilter 5 und strömt in die katalytische Verbrennungskammer 6.
Ferner strömen die Wassertropfen oder der Dampf, die bzw. der in der Brennstoffmischung enthalten sind bzw. ist, welche neuerlich in das Wassertrennfilter 5 strömt, von der Gasmischkammer 4 aus. Die Wassertropfen oder der Dampf haften bzw. haftet einmal an dem Wassertrennfilter 5 an und verdampft dort dann bald. Alternativ verdampfen die Wassertropfen oder verdampft der Dampf bei dem Prozess gemäß dem Hindurchtreten durch das Wassertrennfilter 5. Dann strömt der Dampf der verdampften Wasserkomponenten zusammen mit dem Dampf der Brennstoffmischung. Somit wird der Dampf der verdampften Wasserkomponenten von dem Wassertrennfilter 5 abgezweigt und strömt in die katalytische Verbrennungskammer 6. Die katalytische Verbrennungskammer 6 wird auf hohen Temperaturen gehalten. Demzufolge strömt der Dampf in die katalytische Verbrennungskammer 6 zusammen mit der Brennstoffmischung und gelangt dann aus der katalytischen Verbrennungskammer 6 heraus, ohne dabei auf der Katalysatoroberfläche anzuhaften.
Gemäß der katalytischen Verbrennungsheizvorrichtung 1 der oben beschriebenen ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Wassertrennfilter 5 (das heißt die Flüssigkeitssammeleinrichtung) zwischen der Gasmischkammer 4 und der katalytischen Verbrennungskammer 6 in der Strömungsrichtung der Brennstoffmischung in dem Kanal 81 zwischengefügt. Das Wassertrennfilter 5 enthält zahlreiche feine Kanäle.
Die Luft enthält einen signifikanten Betrag an einer Wasserkomponente. Somit enthält die Brennstoffmischung, die in der Gasmischkammer 4 erzeugt wird, Wasser komponenten. Gemäß der katalytischen Verbrennungsheizvorrichtung 1 der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht das Wasserstoffgas aus dem Abgas, welches aus der Brennstoffzelle ausgetragen wird. Das Abgas enthält einen großen Betrag an Dampf, und zwar in Form eines Reaktionsproduktes, welches aus der Brennstoffzelle ausgestoßen wird.
Gemäß der katalytischen Verbrennungsheizvorrichtung 1 der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Wassertrennfilter oder Wasserabtrennfilter 5 in sicherer Weise Wassertropfen oder Dampf einfangen, die bzw. der in der Brennstoffmischung enthalten sind bzw. ist, welche in der Gasmischkammer 4 erzeugt wird. Das eingefangene Wasser verweilt dann in dem Wassertrennfilter 5.
Es können somit Wasserkomponenten aus der Brennstoffmischung entfernt werden, bevor die Brennstoffmischung in die katalytische Verbrennungskammer 6 strömt. Da die Brennstoffmischung keine Wasserkomponenten enthält, kann auch keine Feuchtigkeit auf der Kontaktoberfläche anhaften. Die Brennstoffmischung kann somit in sicherer Weise in Kontakt mit dem Katalysator gelangen. Es wird somit auch die katalytische Verbrennung stabil aufrecht erhalten. Die katalytische Verbrennungswärme wird durch die Wassertropfen nicht als latente Wärme verbraucht, die bei dem Prozess des Verdampfens erforderlich ist. Es wird somit möglich, eine katalytische Verbrennungsheizvorrichtung 1 zu realisieren, welche schnell die Katalysatortemperatur auf die aktive Temperatur innerhalb einer kurzen Zeit anheben kann.
Gemäß der oben beschriebenen katalytischen Verbrennungsheizvorrichtung 1 der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Wassertrennfilter 5 aus Cordierit hergestellt. Es kann jedoch das Wassertrennfilter 5 auch aus irgendeinem anderen porösen gasdurchlässigen Festkörpermaterial gebildet sein, welches die Fähigkeit hat, Wassertropfen oder Dampf einzufangen. Beispielsweise kann das Wassertrennfilter 5 aus γ-Alumina (Tonerde) oder einem vergleichbaren Material verschieden von Keramikmaterial bestehen, wie beispielsweise aus einem gesinterten Metall.
Zweite Ausführungsform
3 zeigt eine Teil-Querschnittsansicht, die eine katalytische Verbrennungsheizvorrichtung 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wiedergibt.
Eine katalytische Verbrennungsheizvorrichtung 1 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von der katalytischen Verbrennungsheizvorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dadurch, dass das Wassertrennfilter 5 eine modifizierte Ausführung oder Anordnung aufweist.
5B zeigt die detaillierte Struktur des Wassertrennfilters 5, welches in 3 gezeigt ist. Das Wassertrennfilter 5 enthält eine elektrische Heizvorrichtung 51, die darin eingebettet ist, so dass sie sich innerhalb des Filterkörpers erstreckt und einige der Kanäle 5a kreuzt.
Spezifischer ausgedrückt, enthält das Wassertrennfilter 5 die elektrische Heizvorrichtung 51, die beispielsweise aus einem Nichromdraht oder einem Nickeldraht besteht. Die elektrische Heizvorrichtung 51 kann in Cordieritmaterial eingebettet werden, und zwar beim Prozess der Formung des Wassertrennfilters 5. Wie ferner in 3 gezeigt ist, ist die elektrische Heizvorrichtung 51 elektrisch über Anschlussdrähte 52 und 53 mit einer externen Vorrichtung (nicht gezeigt) verbunden, die außerhalb der katalytischen Verbrennungsheizvorrichtung 1 vorgesehen ist.
Gemäß der Anordnung der zweiten Ausführungsform ist es zu bevorzugen, elektrische Energie der elektrischen Heizvorrichtung 51 so bald zuzuführen, als die katalytische Verbrennungsheizvorrichtung 1 ihren Betrieb startet. Die Temperatur der elektrischen Heizvorrichtung 51 steigt früh an. Die Temperatur des Wassertrennfilters 5 steigt schnell an, und zwar verglichen mit der katalytischen Verbrennungsheizvorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die katalytische Verbrennungsheizvorrichtung 1 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Verweilzeit der Wassertropfen oder des Dampfes reduzieren in einem Fall, bei dem die Wassertropfen oder der Dampf in dem Wassertrennfilter 5 eingefangen werden bzw. eingefangen wird, und zwar nachdem die katalytische Verbrennungsheizvorrichtung 1 ihren Betrieb begonnen hat.
Das Wassertrennfilter 5 fängt nicht nur Wassertropfen oder Dampf ein, die bzw. der in der Brennstoffmischung enthalten sind bzw. ist, sondern speichert auch eingefangene Wasserkomponenten. Spezifischer ausgedrückt, erhöht die Strahlungswärme von der katalytischen Verbrennungskammer 6 die Temperatur des Wassertrennfilters 5. Die Wassertropfen oder der Dampf strömen bzw. strömt in das Wassertrennfilter 5 und haftet einmal an dem Hochtemperatur-Wassertrennfilter 5 an. Dann verdampfen die Wassertropfen oder der Dampf unmittelbar mit der Wärme, die von dem Wassertrennfilter 5 aus übertragen wird. Die Wassertropfen oder der Dampf können verdampfen, wenn diese bzw. wenn dieser in das Wassertrennfilter 5 strömen bzw. ström. Die Länge des Wassertrennfilters 5 in der Mischungs-Strömungsrichtung sollte ausreichend lang bemessen sein, um sicher all die eingefangenen Wasserkomponenten zu speichern, und zwar ohne irgendeine Leckage nach außen hin.
Gemäß der katalytischen Verbrennungsheizvorrichtung 1 der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Wassertrennfilter 5 mit der elektrischen Heizvorrichtung 51 ausgestattet. Die elektrische Heizvorrichtung 51 kann die Zeitdauer reduzieren, die dafür erforderlich ist, damit die Wassertropfen oder Dampf, die neuerlich in das Wassertrennfilter 5 eingeströmt sind bzw. ist, verdampfen, bevor sie bzw. der Dampf aus dem Wassertrennfilter 5 heraus gelangen bzw. gelangt. Mit anderen Worten kann die katalytische Verbrennungsheizvorrichtung 1 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Wassermenge reduzieren, die in dem Wassertrennfilter 5 gespeichert wird. Die Länge des Wassertrennfilters 5 in der Brennstoffmischungs-Strömungsrichtung kann reduziert werden. Demzufolge kann die katalytische Verbrennungsheizvorrichtung 1 in der Größe reduziert werden.
Gemäß der katalytischen Verbrennungsheizvorrichtung 1 der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die elektrische Heizvorrichtung 51 in dem Wassertrennfilter 5 eingebettet. Mit anderen Worten sind die elektrische Heizvorrichtung 51 und das Wassertrennfilter 5 in einer Einheit integriert. Es ist jedoch auch möglich, die elektrische Heizvorrichtung 51 und das Wassertrennfilter 5 getrennt vorzusehen, und zwar als zwei unabhängige Komponenten, und die elektrische Heizvorrichtung 51 auf der stromaufwärtigen Seite des Wassertrennfilters 5 in dem Kanal 81 anzuordnen.
Dritte Ausführungsform
4 ist eine Teil-Querschnittsansicht, die eine katalytische Verbrennungsheizvorrichtung 1 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Eine katalytische Verbrennungsheizvorrichtung 1 gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von der katalytischen Verbrennungsheizvorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dadurch, dass das Wassertrennfilter 5 eine modifizierte Ausführung oder Anordnung besitzt.
5C zeigt die detaillierte Struktur des Wassertrennfilters 5, welches in 4 dargestellt ist. Das Wassertrennfilter 5 enthält Kollektorplatten 56, die an dessen oberen und unteren Enden angeordnet sind. Das Wassertrennfilter 5 enthält Anschlussdrähte 54 und 55, die sich von diesen oberen und unteren Kollektorplatten 56 aus nach außen hin erstrecken.
Spezifischer ausgedrückt, besteht das Wassertrennfilter 5 aus einer elektrisch leitenden Substanz und aus einem porösen gasdurchlässigen Festkörpermaterial. Ferner ist gemäß der Darstellung in 4 das Wassertrennfilter 5 elektrisch über die Anschlussleitungen 54 und 55 mit einer externen Vorrichtung (nicht gezeigt) verbunden, die außerhalb von der katalytischen Verbrennungsheizvorrichtung 1 vorgesehen ist. Das Wassertrennfilter 5 erzeugt, wenn dieses elektrische Energie empfängt, Joule-Wärme, und zwar auf Grund von dessen elektrischem Widerstand. Die erzeugte Wärme erhöht die Temperatur des Wassertrennfilters 5.
Das elektrisch leitende und poröse gasdurchlässige Festkörpermaterial für das Wassertrennfilter 5 gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht beispielsweise aus einem gesinterten Metall oder aus elektrisch leitenden Keramikstoffen.
Gemäß der Anordnung und Ausführung der dritten Ausführungsform ist es zu bevorzugen, dem Wassertrennfilter 5 elektrische Energie zuzuführen, sobald die katalytische Verbrennungsheizvorrichtung 1 ihren Betrieb startet. Die Temperatur des Wassertrennfilters 5 steigt schnell an, und zwar verglichen mit der katalytischen Verbrennungsheizvorrichtung 1, die gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert wurde.
Demzufolge besitzt die katalytische Verbrennungsheizvorrichtung 1 gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen die gleichen Wirkungen wie diejenigen der katalytischen Verbrennungsheizvorrichtung 1 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Spezifischer ausgedrückt, kann das Wassertrennfilter 5, welches dazu befähigt ist, Joule-Wärme zu erzeugen, die Zeit reduzieren, die erforderlich ist, damit Wassertropfen oder Dampf, die neuerlich in das Wassertrennfilter 5 einströmen bzw. einströmt, verdampfen, bevor diese aus dem Wassertrennfilter 5 heraus gelangen. Mit anderen Worten kann die katalytische Verbrennungsheizvorrichtung 1 gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Länge des Wassertrennfilters 5 in der Brennstoffmischungs- Strömungsrichtung reduzieren. Demzufolge kann die katalytische Verbrennungsheizvorrichtung 1 klein gestaltet werden.
Die katalytische Verbrennungsheizvorrichtung 1, die bei der ersten, der zweiten oder der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist, enthält den Wärmeaustauscher 7, der in dem Heizsystem 100 inkorporiert ist, um die Temperatur des Kühlmittels (das heißt des Heizmediums) zu erhöhen. Jedoch ist die Anwendung der katalytischen Verbrennungsheizvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung nicht auf die Temperaturerhöhung des Heizmediums in dem Heizsystem 10 beschränkt. Es ist beispielsweise möglich, den Wärmeaustauscher 7 von der katalytischen Verbrennungsheizvorrichtung 1 zu entfernen, wenn das Verbrennungsgas, welches aus der katalytischen Verbrennungskammer 6 ausgetragen wird, direkt für das Aufheizen der Warmluft verwendet wird.
Das Verbrennungsgas, welches aus der katalytischen Verbrennungskammer 6 ausgetragen wird, enthält keine schädlichen Substanzen, wie beispielsweise NOx, da das Verbrennungsgas (das heißt das Produkt der katalytischen Verbrennung basierend auf dem Wasserstoffbrennstoff) aus einer Mischung aus Luft und Dampf (H₂O) besteht. Dies ist der Grund dafür, warum das Verbrennungsgas, welches aus der katalytischen Verbrennungsheizvorrichtung 1 ausgetragen wird, direkt dazu verwendet werden kann, um die Warmluft eines Fahrzeugraumes oder irgendeines anderen Raumes aufzuheizen.
Ferner verwendet gemäß den oben beschriebenen ersten bis dritten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die katalytische Verbrennungsheizvorrichtung 1 Wasserstoffbrennstoff. Jedoch ist der Brennstoff nicht auf das Wasserstoffgas begrenzt. Demzufolge ist es auch möglich, einen anderen Typ eines gasförmigen Brennstoffes zu verwenden.
Die katalytische Verbrennungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann in bevorzugter Weise dazu verwendet werden, um Wasserkomponenten zu be seitigen, die in Luft enthalten sind, und zwar bei einer niedrigen Verbrennungstemperatur, oder um Wasserkomponenten zu beseitigen, die bei der katalytischen Verbrennung von Wasserstoff-Brennstoffgas erzeugt werden. Ferner kann die katalytische Verbrennungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung auch dazu verwendet werden, um Wasserkomponenten zu beseitigen, die in dem Abgas enthalten sind, welches von der Brennstoffzelle ausgetragen wird. Das Abgas enthält nicht reagiertes Wasserstoffgas, und zwar mit einer großen Menge an Wasserkomponenten. Wenn demzufolge das Abgas als Brennstoffgas wieder verwendet wird, haften diese Wasserkomponenten auf der Oberfläche des Katalysators an. Selbst in solch einem Fall kann die katalytische Verbrennungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung das Feuchtigkeitsanhaften an der Kontaktoberfläche unterdrücken.

Claims

Katalytische Verbrennungsvorrichtung, mit: einer Gasmischeinrichtung (4) zum Herstellen einer Gasmischung aus Luft und Brennstoff; einer Luftzufuhreinrichtung (2) zum Zuführen von Luft zu der Gasmischeinrichtung; einer Brennstoffzuführeinrichtung (3), um Brennstoff der Gasmischeinrichtung zuzuführen; einem Kanal (81), der mit der Gasmischeinrichtung (4) verbunden ist und der die Brennstoffmischung empfängt, die durch die Gasmischeinrichtung (4) gebildet wird und von dieser zugeführt wird; und einem katalytischen Verbrennungsabschnitt (6), der auf einer stromabwärtigen Seite der Gasmischeinrichtung (4) angeordnet ist und der einen Katalysator enthält, welcher durch einen Katalysatorträger (61) gehaltert ist, bei der: eine Flüssigkeitssammeleinrichtung (5) vorgesehen ist, die zahlreiche feine Kanäle (5a) aufweist, um Flüssigkeit zu sammeln und die zwischen der Gasmischeinrichtung (4) und dem katalytischen Verbrennungsabschnitt (6) in einer Strömungsrichtung der Gasmischung in dem Kanal(81) zwischengefügt ist.
Katalytische Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Flüssigkeitssammeleinrichtung eine Heizvorrichtung (51) enthält.
Katalytische Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Heizvorrichtung aus einem elektrischen Heizelement besteht.
Katalytische Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Flüssigkeitssammeleinrichtung (5) aus einer elektrisch leitenden Substanz hergestellt ist und Wärme im Ansprechen auf zugeführte elektrische Energie erzeugt.
Katalytische Verbrennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Flüssigkeitssammeleinrichtung (5) aus einem porösen gasdurchlässigen Festkörpermaterial besteht.
Katalytische Verbrennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der Brennstoff aus Wasserstoffgas besteht.
Katalytische Verbrennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner mit einem Wärmeaustauscher (7), der auf einer stromabwärtigen Seite des katalytischen Verbrennungsabschnitts (6) in dem Kanal (81) angeordnet ist und ein Heizmedium enthält, um einen Wärmeaustausch zwischen dem Heizmedium und dem Verbrennungsgas zu bewirken, welches von dem katalytischen Verbrennungsabschnitt zugeführt wird.