DE10244893A1

DE10244893A1 - Katalytischer Brenner

Info

Publication number: DE10244893A1
Application number: DE10244893A
Authority: DE
Inventors: Ingo Hermann; Axel Junge; Martin Stadie; Andre Mack-Gardner; Philip Klaus
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2001-11-20
Filing date: 2002-09-26
Publication date: 2003-06-12
Anticipated expiration: 2022-09-27
Also published as: US6709264B2; US20030096204A1; DE10244893B4

Abstract

Katalytischer Brenner mit einem Mischabschnitt oberstromig eines Verbrennungsabschnittes. Der Mischabschnitt umfasst eine Injektoreinrichtung mit mehreren Öffnungen zum Injizieren eines ersten Reaktandengases in den Mischabschnitt in einer Vielzahl von Richtungen rechtwinklig zu der Strömungsrichtung eines zweiten Reaktandengases.

Description

Diese Erfindung betrifft katalytische Brenner zum Verbrennen von zu diesen gelieferten Gasen und insbesondere einen Brenner mit einem einzigartigen Mischabschnitt, um Gase vor ihrer Lieferung an den Verbrennungskatalysator intensiv zu mischen.

Katalytische Brenner zum Verbrennen von Gasen sind bekannt und umfassen allgemein einen Gaseinlassabschnitt, einen Gasmischabschnitt und einen Katalysator unterstromig des Mischabschnittes, in dem die Verbrennung erfolgt. Brenner werden mit einer Vielzahl von gasförmigen wasserstoffhaltigen Brennstoffen verwendet und besitzen viele Anwendungen, von denen eine darin besteht, den Brennstoffprozessor oder andere Komponenten eines Brennstoffzellensystemes zu erwärmen. Brenner für Brennstoffzellensysteme verbrennen die Abgase (Abflüsse) von den Anoden- und Kathodenfächern der Brennstoffzelle, wobei die Abgase Wasserstoff bzw. Sauerstoff umfassen. Brenner nach dem Stand der Technik mit so genanntem "radialem Einlass" besitzen einen Mischabschnitt ähnlich dem, der in Fig. 1 gezeigt ist und der dazu neigt, (1) einen hohen Druckabfall zu besitzen und (2) eine sich langsam bewegende Schicht aus gut gemischten Gasen benachbart der perforierten (perforierten) Umfangswand zu erzeugen, die die Mischkammer definiert, (3) einen sich schneller bewegenden Zentralbereich von schlechter gemischten Gasen zu besitzen, und (4) eine relativ lange Verweilzeit für die Gase in dem Mischabschnitt zu besitzen. Aufgrund der langen Verweilzeit in dem Mischabschnitt kann die Wärme, die in dem Verbrennungsabschnitt unterstromig des Mischabschnittes erzeugt wird, zurück in den Mischabschnitt übertragen werden, wo sie eine Selbstentzündung der gut gemischten Gase (d. h. benachbart der perforierten Wand) bewirken kann. Dies bewirkt seinerseits eine Überhitzung oder lokale Erwärmung, die für den Brenner nachteilig sein kann.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen verbesserten katalytischen Brenner, der einen Mischabschnitt oberstromig des Verbrennungsabschnittes besitzt, der die Gase schnell und vollständig mischt, bevor diese in den Abschnitt für katalytische Verbrennung eintreten. Der verbesserte Brenner besitzt eine leicht wartbare Konstruktion, die leicht zusammenbaubar /demontierbar ist, besitzt einen relativ niedrigen Druckabfall und besitzt eine niedrige Verweilzeit (und daher ein verringertes Selbstentzündungspotential) für die Gase in dem Mischabschnitt, und sieht ferner eine hervorragende Mischung der Gase in dem Mischabschnitt vor. Genauer ist die Erfindung auf eine Verbesserung bezüglich des Mischabschnittes des Brenners gerichtet, der eine intensive Mischung der Gase über den Mischabschnitt in einer kurzen Distanz von dem Einlassende des Brenners erzielt. Der verbesserte Mischabschnitt umfasst ein Gehäuse mit einer Wand, die die Mischkammer definiert, einen ersten gasdurchlässigen oberstromigen Verteiler (beispielsweise einen offenzelligen Schaum, gesintertes Metall oder eine perforierte Platte) an dem Zugang zu der Mischkammer, um eines der Gase in die Mischkammer in einer ersten Richtung zuzuführen, und einen zweiten Gasverteiler in der Form einer Injektoreinrichtung mit einer Vielzahl von Durchlässen, die sich in die Mischkammer erstreckt und von der Gehäusewand umgeben ist, um das andere Gas in die Mischkammer in einer Vielzahl von Richtungen zuzuführen, die allgemein rechtwinklig zu der ersten Richtung angeordnet sind.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Injektoreinrichtung mit einer Vielzahl von Durchlässen einen Verteilungsring mit einer ersten inneren, mit Durchlässen versehenen (d. h. perforierten) ringförmigen Wand, die ein Loch in dem Zentrum des Verteilungsringes definiert, und einer zweiten äußeren, mit Durchlässen versehenen, ringförmigen Wand, die radial außerhalb von der ersten mit Durchlässen versehenen Wand beabstandet ist. Die inneren und äußeren Wände definieren zusammen einen ringförmigen Hohlraum, der das zweite Gas aufnimmt und derart ausgebildet ist, um das zweite Gas in die Mischkammer in einer radial einwärts gerichteten zweiten Richtung durch die erste durchlässige Wand und einer radial auswärts gerichteten dritten Richtung durch die zweite perforierte Wand zu injizieren. Zumindest eine Rohrleitung verbindet den Einlass mit dem Verteilungsring. Bevorzugt erstrecken sich mehrere derartige Rohrleitungen zwischen dem Einlass und dem Ring. Jede der Rohrleitungen besitzt eine Mündung, die das andere Gas von dem Einlass aufnimmt. Die verschiedenen Mündungen sind in einem Kreis angeordnet, der zu dem Loch in dem Verteilungsring konzentrisch angeordnet ist, wobei sich die Mündungen durch eine Stauplatte (baffle plate) öffnen, die den Einlass von der Vorkammer trennt. Eine konische Ablenkeinrichtung, die zu dem Kreis von Mündungen konzentrisch und radial innerhalb desselben angeordnet ist, lenkt das zweite Gas von dem Einlass in die Rohrleitungen, die den Verteilungsring versorgen.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst die Injektoreinrichtung eine Vielzahl von blinden Gasverteilungsrohren, von denen jedes durch eine Seitenwand definiert ist und sich in die Mischkammer unterstromig des Verteilers des ersten Gases erstreckt. Die Seitenwände besitzen jeweils eine Vielzahl von Durchlässen darin unterstromig des Verteilers des ersten Gases zum Zuführen des anderen Gases in die Mischkammer in einer Richtung, die im Allgemeinen rechtwinklig zu der Strömungsrichtung des ersten Gases angeordnet ist.

Ein Einlassabschnitt des Brenners liefert das andere Gas an die Injektoreinrichtung. Ein für Gas durchlässiger, homogenisierender Diffusor (bevorzugt ein offenzelliger Schaum) an dem unterstromigen Ende der Mischkammer beschränkt den Ausfluss der Gase von der Mischkammer, um ein Mischen oberstromig des Diffusors zu unterstützen und den Ausfluss im Wesentlichen gleichförmig über den Querschnitt des Brenners quer zu der Länge des Brenners an dem Eingang zu dem Verbrennungsabschnitt zu verteilen.

Gemäß eines wichtigen Aspektes der Erfindung ist eine Vielzahl von Öffnungen in dem Gehäuse oberstromig des Verteilers zur Lieferung eines ersten Gases hinter (d. h. oberstromig) den Verteiler vorgesehen. Eine ringförmige Sammelkammer umgibt die Öffnungen (und bevorzugt den unterstromigen Diffusor) und dient dazu, das eine Gas zu den Öffnungen in dem Gehäuse hinter dem Gasverteiler zu liefern. Das Gas strömt in die Sammelkammer in einer Richtung, die gegenstromig zu der Strömungsrichtung des anderen Gases durch den Mischabschnitt ist, was hilft, den Mischabschnitt zu kühlen und die Gefahr einer Selbstentzündung weiter zu unterdrücken. Der Brenner umfasst eine Vorkammer, die zwischen den Öffnungen in dem Gehäuse und dem Gasverteiler angeordnet ist, um das eine Gas von den Öffnungen aufzunehmen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die verschiedenen Abschnitte (d. h. Einlass, Mischen, Verbrennung) des Brenners jeweils separate und diskrete Einheiten, die mit der nächsten benachbarten Einheit über eine Schnelltrennverbindung verbunden sind, um einen praktischen und bequemen Zugriff auf die Innenräume des Brenners vorzusehen und damit den Brenner leicht warten oder diesen (beispielsweise während einer Konstruktionsentwicklung) modifizieren zu können.

Brenner, die gemäß der Verteilerringausführungsform der Erfindung aufgebaut sind, haben eine 80+ % - Mischung der Gase in 70% der Querschnittsfläche (d. h. quer zur Strömungsrichtung durch den Brenner) des Mischabschnittes gezeigt. Im Gegensatz dazu enthielten nur etwa 45% der Querschnittsfläche der radialen Mischer (siehe Fig. 1) 80+ % gemischte Gase. Eine derartige verbesserte Mischung wird in Brennern gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht, die einen um 34% niedrigeren Druckabfall und kürzere Verweilzeiten gezeigt haben, als die Brenner mit radialem Einlass nach dem Stand der Technik.

Die Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
Fig. 1 eine isometrische Ansicht im Schnitt eines Mischabschnittes mit "radialem Einlass" eines Brenners nach dem Stand der Technik ist;
Fig. 2 eine Seitenschnittansicht einer Ausführungsform eines Brenners gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 3 eine isometrische Explosionsansicht des Mischabschnittes des Brenners von Fig. 2 ist;
Fig. 4 eine Seitenschnittansicht einer anderen Ausführungsform eines Brenners gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
Fig. 5 eine isometrische Explosionsansicht des Mischabschnittes des Brenners von Fig. 4 ist.
Fig. 1 zeigt den Mischabschnitt 2 eines Brenners mit radialem Einlass nach dem Stand der Technik, der derart ausgebildet ist, dass er über einen gasverteilenden Schaum (nicht gezeigt) mit einem Verbrennungsabschnitt (nicht gezeigt) unterstromig des Mischabschnittes verbunden werden kann. Der Mischabschnitt umfasst eine Mischkammer 4, die durch eine ringförmige, gasverteilende Wand 6 definiert ist, die eine Vielzahl von Öffnungen 8 aufweist, deren Größe variiert (wie gezeigt ist), wobei die Öffnungen mit größerem Durchmesser oberstromig der Öffnungen mit kleinerem Durchmesser angeordnet sind. Gas (beispielsweise O₂-haltiges Kathodenabgas von einer H₂-O₂-Brennstoffzelle) tritt in eine ringförmige Sammelkammer 9 über einen tangentialen Einlass 10 ein und gelangt durch eine poröse gesinterte Metallabteilung 12, die die Sammelkammer 9 von der ringförmigen Kammer 14 unmittelbar hinter der perforierten Wand 6 trennt. Die poröse gesinterte Metallabteilung 12 erzeugt einen Gegendruck in der Sammelkammer 9, der zur Folge hat, dass die Sammelkammer 9 überall unter gleichem Druck steht, so dass das Gas darin durch die poröse gesinterte Metallabteilung 12 in die Kammer 14 im Wesentlichen gleichförmig über die gesamte Fläche der Abteilung 12 hindurchgelangen kann. Daher wird das Gas, das in die Kammer 14eintritt, im Wesentlichen gleichförmig über die Kammer 14 verteilt, von der es in die Mischkammer 4 durch die Vielzahl von Öffnungen 8 in der gasverteilenden perforierten Wand 6 gelangt.
Ein zweites Gas (beispielsweise ein H₂-haltiges Anodenabgas von einer H₂-O₂-Brennstoffzelle) tritt in den Mischabschnitt 2 über den Einlass 16 ein und füllt die Anodengassammelkammer 18. Die Anodengassammelkammer 18 ist von der Mischkammer 4 mittels einer porösen gesinterten Metallplatte 20 getrennt, die dazu dient, einen Gegendruck in der Anodengassammelkammer 18 vorzusehen und die Gasströmung im Wesentlichen gleichförmig über den Querschnitt (d. h. quer zu der Strömungsrichtung) der Mischkammer 4 zu verteilen. Das erste Gas, das in die Mischkammer 4 durch die perforierte zylindrische Wand 6 eintritt, mischt sich mit dem zweiten Gas, das in die Mischkammer 4 durch die poröse gesinterte Metallplatte 20 eintritt, und die gemischten Gase gelangen von der Mischkammer 4 in den Verbrennungsabschnitt (nicht gezeigt) des Brenners. Unglücklicherweise mischt sich das Gas über den Querschnitt der Mischkammer 4 nicht gleichförmig. Vielmehr erfolgt ein hoher Grad an Mischung in dem Bereich, der der perforierten Wand 6 am nächsten liegt. Eine erheblich geringere Mischung erfolgt in dem radialen Zentrum der Mischkammer 4 entfernt von der perforierten Wand 6. Wenn die schlecht gemischten Gase den Katalysator in dem Verbrennungsabschnitt (nicht gezeigt) erreichen, tritt eine ungleiche Temperaturverteilung über den Katalysator mit heißeren Zonen, die in der Nähe des Zentrums des Katalysatorbettes auftreten (d. h. wo die Gase schlecht gemischt sind), als an dem Umfang des Katalysatorbettes auf, der die gut gemischten Gase aufnimmt. Überdies kann sich Wärme, die in dem Verbrennungsabschnitt erzeugt wird, zurück in den Mischabschnitt ausbreiten und eine Selbstentzündung des sich langsam bewegenden, gut gemischten Gases benachbart der perforierten Wand 6 bewirken. Eine Selbstentzündung in der Mischkammer 4 bewirkt einen scharfen Temperaturanstieg darin, der für die Materialien, die der Mischabschnitt umfasst, und insbesondere für die gesinterten Materialien 20 und 12 nachteilig ist.
Die Fig. 2 und 3 zeigen eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die (1) einen Mischabschnitt 22 mit einem Einlassabschnitt 24 (d. h. für eines der Gase), der damit mittels einer Schnelltrennverbindung 26 ver- bunden ist, und (2) einen Verbrennungsabschnitt 28 umfasst, der damit durch eine Schnelltrennverbindung 30 verbunden ist. Der Verbrennungsabschnitt 28 umfasst ein Gehäuse 32, das ein Katalysatorbett 34 (beispielsweise Pellets, Monolith, etc.) umfasst, das zur Unterstützung der Verbrennung der Anodenabgase 36 und Kathodenabgase 38 der Brennstoffzelle geeignet ist. Der Verbrennungsabschnitt 28 ist lösbar mit dem Mischabschnitt 22 mittels der Schnelltrennung 30 verbunden, die eine streifen-/riemenartige Klemme umfasst, die ein Spannband 41 besitzt, das einen Klemmring 40 um die Umfänge der Flansche 42 und 44 drückt und das den Flansch 42 an dem Ende des Gehäuses 32 und den Flansch 44 an dem hinteren Ende des Mischabschnittes 22 in Eingriff bringt und diese zusammenpresst.
Der Mischabschnitt 22 umfasst ein Gehäuse 46, das eine Mischkammer 48 definiert, in der die Gase gemischt werden, bevor sie durch eine Homogenisiereinheit/einen Diffusor 50 mit offenzelligem Schaum gelangen, der dazu dient, um (a) die Gase weiter zu mischen, (b) die Gasströmung im Wesentlichen gleichmäßig über den Querschnitt des Brenners zu verteilen, und (c) eine Ausbreitung von Flammen, die in dem Übergangsbereich 52 (d. h. zwischen dem Schaum 50 und dem Katalysator 34) existieren können, zurück in die Mischkammer 48 zu verhindern. Der homogenisierende Schaum 50 besitzt Porengrößen, die im Bereich von etwa 10 Poren pro linearem Inch (ppi) bis etwa 80 (bevorzugt etwa 20-40 ppi) variieren. Die zu mischenden Gase werden an die Mischkammer 48 (a) von zwei Richtungen, die allgemein rechtwinklig zueinander sind, und (b) in (im Vergleich zu Fig. 1) relativ schmale Mischzonen innerhalb der Mischkammer 48 geliefert. Genauer wird das Kathodenabgas 38 an die Mischkammer 48 über eine Sammelkammer 54 geliefert, die tangential mit Kathodenabgas 38 über Einlass 56 versorgt wird. Die Sammelkammer 54 umgibt sowohl die Mischkammer 48 als auch die Homogenisiereinheit 50 und ist durch die ringförmige Umhüllung 58 definiert. Die Umhüllung 58 besitzt einen ersten größeren Abschnitt 60, der ein großes Volumen 62 der Sammelkammer 54 definiert, die das Kathodenabgas 38 aufnimmt und dieses an einen schmaleren Abschnitt 64 mit geringerem Volumen der Sammelkammer 54 liefert. In den Zeichnungen strömt das Kathodenabgas 38 allgemein von rechts nach links in die Sammelkammer 54 gegenstromig zu der Strömung von Anodenabgas 36 durch den Brenner. Diese gegenstromige Strömung dient dazu, den Mischabschnitt 48 zu kühlen, während das Kathodenabgas 38 zugunsten einer verbesserten Verbrennung vorerhitzt wird. Das Kathodenabgas 38 verlässt die Sammelkammer 54 über eine Vielzahl von Löchern 66 in dem Gehäuse 46, die dazu dienen, die Sammelkammer 54 mit dem Vorkammer 68 in Verbindung zu bringen, die seinerseits die Kathodenabgase 38 an den Mischabschnitt 48 liefert.
Genauer ist der Mischabschnitt 48 zumindest teilweise durch einen gasdurchlässigen oberstromigen Verteiler 70 definiert, der hier als eine perforierte Platte gezeigt ist, aber genauso gut ein offenzelliges Metall oder eine offenzellige Keramikplatte oder dergleichen sein könnte. Der Verteiler 70 besitzt eine Einfassung 71, die mit dem Gehäuse 46 verschachtelt angeordnet und derart ausgebildet ist, um zu ermöglichen, dass das Gas in der Vorkammer 68 in die Mischkammer 48 in einer axialen Richtung relativ zu der Länge des Brenners strömen kann. Gleichzeitig tritt das Anodenabgas 36 in den Brenner durch den Einlassabschnitt 24 ein. Genauer tritt das Anodenabgas 36 in das Einlassrohr 72 ein, strömt durch den hohlen Konus 75 und tritt mit der konischen Ablenkeinheit oder dem Strömungsteiler 74 in Kontakt, der koaxial mit dem Konus 75 und axial mit dem Rohr 72 entlang der zentralen Linie des Brenners ausgerichtet ist und dazu dient, das Anodenabgas 36 in die Mündungen 76 einer Vielzahl von Rohrleitungen 78 zu lenken, die als Gaslieferrohre zu der Mischkammer 48 dienen. Der Einlassabschnitt 24 ist von dem Mischabschnitt 22 durch eine Stauplatte 80 getrennt. Die Rohrleitungen 78 erstrecken sich von der Stauplatte 80 durch die Vorkammer 68 zu der perforierten Platte 70, um das Anodenabgas 36 durch die Vorkammer 68 zu leiten, ohne dass sich dieses mit dem Kathodenabgas 38 darin mischt. Vielmehr liefern die Rohrleitungen 78 die Anodenabgase an einen ringförmigen Verteilungsring 82 zur Abgabe der Anodenabgase 36 in die Mischkammer 48 in einer Richtung im Allgemeinen rechtwinklig zu der Strömungsrichtung der Kathodenabgase 38 durch die perforierte Platte 70. Genauer umfasst der Verteilungsring 82 eine erste ringförmige Wand 84 mit einer Vielzahl von Durchlässen, die ein Loch 86 in dem Zentrum des Ringes 82 definiert, und eine zweite ringförmige Wand 88 mit einer Vielzahl von Durchlässen, die radial von der ersten Wand 84 nach außen beabstandet ist. Die inneren und äußeren Wände 84 und 88 definieren einen ringförmigen Hohlraum 90 dazwischen, der derart ausgebildet ist, um die Anodenabgase 36von den Lieferrohrleitungen 78 aufzunehmen, und daher, um die Anodenabgase 36 in die Mischkammer 48 in einer radialen Richtung (d. h. einwärts in das Loch 86 und auswärts in den ringförmigen Raum 92, der den Ring 82 umgibt) zugunsten einer Querströmungsmischung der Gase 36 und 38 in der Mischkammer 48 zu liefern. Flansche 91 und 94 an dem oberstromigen Ende des Mischabschnittes 22 und dem unterstromigen Ende des Einlassabschnittes 24 werden jeweils durch eine Spannklemme 96 zusammengehalten, die eine Spannschraube 98 zum Festziehen des ringförmigen Bandes 100 besitzt, wodurch die Flansche 91 und 94 mittels des Sicherungsringes 102 zusammengepresst werden. Dichtungen 104 und 106 stehen abdichtend mit der Platte 80 in Eingriff. Der Brenner kann zur Modifikation und/oder Wartung einfach dadurch auseinander gebaut werden, dass die Spannklemmen um die Flansche 42, 44, 91 und 94 freigegeben werden und der Einlass 24, der Mischabschnitt 22 und der Verbrennungsabschnitt 28 voneinander getrennt werden.
Die Fig. 4 und 5 zeigen eine andere Ausführungsform der Erfindung, die (1) einen Mischabschnitt 122, (2) einen Einlassabschnitt 124 (d. h. für eines der Gase), der damit über eine Schnelltrennverbindung 126 verbunden ist, und (3) einen Verbrennungsabschnitt 128 umfasst, der damit über eine Schnelltrennverbindung 130 verbunden ist. Der Verbrennungsabschnitt 128 umfasst ein Gehäuse 132 mit einem Katalysatorbett 134 (beispielsweise Pellets, Monolith, etc.), das zur Unterstützung der Verbrennung von Anodenabgasen 136 und Kathodenabgasen 138 der Brennstoffzelle geeignet ist. Der Verbrennungsabschnitt 128 ist lösbar mit dem Mischabschnitt 122 mittels der Schnelltrennung 130 verbunden, die eine streifenartige Klemme mit einem Spannband 141 umfasst, das ein Klemmband 140 um die Umfänge der Flansche 142 und 144 drückt und diese zusammenpresst.
Der Mischabschnitt 122 umfasst ein Gehäuse mit einer Wand 146, die eine Mischkammer 148 definiert, in der die Gase gemischt werden, bevor sie durch eine Homogenisiereinheit/einen Diffusor 150 mit offenzelligem Schaum gelangen, die/der dazu dient, um (a) die Gase weiter zu mischen, (b), die Gasströmung im Wesentlichen gleichmäßig über den Querschnitt des Brenners zu verteilen und (c) eine Ausbreitung von Flammen, die in dem Übergangsbereich 152 (d. h. zwischen dem Schaum 150 und dem Katalysator 134) auftreten können, zurück in die Mischkammer 148 zu verhindern. Der homogenisierende Schaum 150 besitzt Porengrößen im Bereich von etwa 10 Poren pro linearem Inch (ppi) bis etwa 80 (bevorzugt etwa 20-40 ppi). Die zu mischenden Gase werden an die Mischkammer 148 (a) von zwei Richtungen, die im Allgemeinen rechtwinklig zueinander angeordnet sind, und (b) in relativ schmale Mischzonen innerhalb der Mischkammer 148 geliefert. Genauer wird das Kathodenabgas 138 an die Mischkammer 148 über eine Sammelkammer 154 beliefert, die tangential mit Kathodenabgase 138 über einen Einlass 156 versorgt wird. Die Sammelkammer 154 umgibt sowohl die Mischkammer 148 als auch die Homogenisiereinheit 105 und ist durch die ringförmige Umhüllung 158 definiert. Die Umhüllung 158 besitzt einen ersten größeren Abschnitt 160, der ein großes Volumen 162 der Sammelkammer 154 definiert, die das Kathodenabgas 138 aufnimmt und dieses an einen schmaleren und ein niedrigeres Volumen besitzenden Abschnitt 164 der Sammelkammer 154 liefert. In den Zeichnungen strömt das Kathodenabgas 138 allgemein von rechts nach links in der Sammelkammer 154 gegenstromig zu der Strömung von Anodenabgas 136 durch den Brenner. Diese gegenstromige Strömung dient dazu, den Mischabschnitt 148 zu kühlen, während das Kathodenabgas 138 zu Gunsten einer verbesserten Verbrennung vorerwärmt wird. Das Kathodenabgas 138 verlässt die Sammelkammer 154 über eine Vielzahl von Löchern 166 in der Wand 146, die dazu dienen, die Sammelkammer 154 mit der Vorkammer 168 in Verbindung zu bringen, die ihrerseits die Kathodenabgase 138 an den Mischabschnitt 148 liefert. Der Mischabschnitt 148 ist zumindest teilweise durch einen gasdurchlässigen oberstromigen Verteiler 170 definiert, der hier als eine perforierte Platte gezeigt ist, aber genauso gut ein offenzelliges Metall oder eine offenzellige Keramikplatte oder dergleichen sein könnte. Der Verteiler 170 besitzt eine Einfassung 171, die mit der Wand 146 verschachtelt angeordnet und derart ausgebildet ist, um zu ermöglichen, dass das Gas in der Vorkammer 168 in einer axialen Richtung relativ zu der Länge des Brenners in die Mischkammer 148 strömen kann. Gleichzeitig tritt das Anodenabgas 136 in den Brenner durch den Einlassabschnitt 124 über Einlass 172 und den hohlen Konus 175 und in die Mündungen 176 einer Vielzahl von blinden Rohren 178 ein, die als Gasverteilungs- und Lieferinjektoren zu der Mischkammer 148 dienen. Der Einlassabschnitt 124 ist von dem Mischabschnitt 122 durch eine Stauplatte 180 getrennt. Die blinden Gasverteilungsrohre 178 erstrecken sich von der Stauplatte 180 durch den Vorkammer 168 und die perforierte Platte 170, um das Anodenabgas 136 durch den Vorkammer 168 zu leiten, ohne dass sich dieses mit dem Kathodenabgas 138 darin mischt. Vielmehr geben die Verteilungsrohre 178 die Anodenabgase 136 in die Mischkammer 148 über eine Vielzahl von Durchlässen 182, die sich (relativ zu der Länge des Rohres 178) radial durch die ringförmigen Seitenwände 181 der Rohre 178 erstrecken, und in einer Richtung allgemein rechtwinklig zu der Richtung der Strömung der Kathodenabgase 138 durch die perforierte Platte 170 ab.
Flansche 191 und 194 an dem oberstromigen Ende des Mischabschnittes 122 und dem unterstromigen Ende des Einlassabschnittes 24 werden jeweils durch eine Spanneinrichtung 196 mit einer Spannschraube 198 zum Festziehen des ringförmigen Bandes 100 zusammengehalten, wodurch die Flansche 191 und 194 mittels des Sicherungsringes 101 zusammengepresst werden. Dichtungen 105 und 107 stehen abdichtend mit der Platte 180 in Eingriff. Der Brenner kann zur Modifikation und/oder Wartung durch einfaches Freigeben der Spannklemmen um die Flansche 142, 144, 191 und 194 und Trennen des Einlasses 124, des Mischabschnittes 122 und des Verbrennungsabschnitts 128 voneinander auseinander gebaut werden.
Zusammengefasst betrifft die vorliegende Erfindung einen katalytischen Brenner mit einem Mischabschnitt oberstromig eines Verbrennungsabschnittes. Der Mischabschnitt umfasst eine Injektoreinrichtung mit einer Vielzahl von Durchlässen zum Injizieren eines ersten Reaktandengases in den Mischabschnitt in einer Vielzahl von Richtungen rechtwinklig zu der Strömungsrichtung eines zweiten Reaktandengases.

Claims

1. Katalytischer Brenner mit einem mit Katalysator gefüllten Verbrennungsabschnitt für die Verbrennung von wasserstoffhaltigen Brennstoff- und Sauerstoffgasen und einem Mischabschnitt oberstromig des Verbrennungsabschnitts zum vorbereitenden Mischen der Gase vor einem Eintritt in den Verbrennungsabschnitt, mit (a) einem Gehäuse mit einer Wand, die die Mischkammer definiert, (b) einem gasdurchlässigen Verteiler oberstromig der Mischkammer zur Zufuhr eines der Gase in die Mischkammer in einer ersten Richtung, (c) einer Injektoreinrichtung mit einer Vielzahl von Durchlässen, die von der Wand umgeben ist, um das andere der Gase in die Mischkammer in einer Vielzahl von Richtungen zuzuführen, die allgemein rechtwinklig zu der ersten Richtung liegen, (d) einem Einlassabschnitt des Brenners zur Lieferung des anderen Gases an den Injektor; und (e) einem gasdurchlässigen Diffusor an dem unterstromigen Ende der Mischkammer zur Begrenzung des Ausflusses der Gase von der Mischkammer und zum Verteilen des Ausflusses im Wesentlichen gleichförmig über den Querschnitt des Brenners quer zu der Länge des Brenners an dem Zugang zu dem Verbrennungsabschnitt.

2. Brenner nach Anspruch 1, wobei der gasdurchlässige Gasverteiler eine perforierte Platte umfasst.

3. Brenner nach Anspruch 1, wobei der Diffusor einen offenzelligen Schaum umfasst.

4. Brenner nach Anspruch 1, mit einer Vielzahl von Öffnungen in dem Gehäuse oberstromig des gasdurchlässigen Gasverteilers zur Lieferung des ersten Gases hinter den Verteiler.

5. Brenner nach Anspruch 4, mit einer ringförmigen Sammelkammer, die Öffnungen zur Lieferung des einen Gases an die Öffnungen umgibt.

6. Brenner nach Anspruch 5, wobei die Sammelkammer auch den Diffusor umgibt.

7. Brenner nach Anspruch 4, mit einem Vorraum zwischen den Öffnungen und dem Verteiler zur Aufnahme des einen Gases von den Öffnungen.

8. Brenner nach Anspruch 1, wobei zumindest zwei der Einlass-, Misch- und Verbrennungsabschnitte aneinander durch eine Schnelltrennverbindung für einen praktischen Zugriff auf die Innenräume des Brenners befestigt sind.

9. Brenner nach Anspruch 8, mit einem ersten Flansch an dem Ende des Einlassabschnittes benachbart des Mischabschnittes und einem zweiten Flansch an dem Ende des Mischabschnittes benachbart des Einlassabschnittes, wobei die ersten und zweiten Flansche aneinander anliegen, um die Einlass- und Mischabschnitte abdichtend aneinander zu sichern.

10. Brenner nach Anspruch 8, mit einem dritten Flansch an dem Ende des Mischabschnittes benachbart des Verbrennungsabschnittes und einem vierten Flansch an dem Ende des Verbrennungsabschnittes benachbart des Mischabschnittes, wobei die dritten und vierten Flansche aneinander anliegen, um die Misch- und Verbrennungsabschnitte abdichtend aneinander zu sichern.

11. Brenner nach Anspruch 9, wobei die ersten und zweiten Flansche mittels eines Streifens um den Umfang der Flansche zusammengeklemmt sind.

12. Brenner nach Anspruch 8, wobei die dritten und vierten Flansche mittels eines Streifens um die Umfänge der Flansche zusammengeklemmt sind.

13. Katalytischer Brenner mit einem mit Katalysator gefüllten Verbrennungsabschnitt für die Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoffgasen und einem Mischabschnitt oberstromig des Verbrennungsabschnittes zum vorbereitenden Mischen der Gase vor einem Eintritt in den Verbrennungsabschnitt, mit (a) einem Gehäuse mit einer Wand, die eine Mischkammer deiniert, (b) einem gasdurchlässigen Gasverteiler oberstromig der Mischkammer zur Zufuhr von einem der Gase in die Mischkammer in einer ersten Richtung, (c) einem Verteilungsring in der Mischkammer zur Zufuhr des anderen der Gase in die Mischkammer in zweiten und dritten Richtungen, die im Allgemeinen rechtwinklig zu der ersten Richtung liegen, wobei der Verteilungsring umfasst: (i) eine erste perforierte ringförmige Wand, die ein Loch in dem Mittelpunkt des Ringes definiert, und (ii) eine zweite perforierte ringförmige Wand, die radial außerhalb der ersten perforierten Wand beabstandet ist, wobei die ersten und zweiten Wände gemeinsam einen ringförmigen Hohlraum zur Aufnahme des anderen Gases definieren und derart ausgebildet sind, um das andere Gas in den zweiten und dritten Richtungen in die Mischkammer radial einwärts durch die erste durchlässige Wand und radial auswärts durch die zweite perforierte Wand zu injizieren, (d) einem Einlassabschnitt des Brenners zur Lieferung des anderen Gases an den Verteilungsring; und (e) einem gasdurchlässigen Diffusor an dem unterstromigen Ende der Mischkammer zur Begrenzung des Ausflusses der Gase von der Mischkammer und zur Verteilung des Ausflusses im Wesentlichen gleichförmig über den Querschnitt des Brenners quer zu der Länge des Brenners an dem Zugang zu dem Verbrennungsabschnitt.

14. Brenner nach Anspruch 13, mit einem Vorraum zwischen den Öffnungen und dem Verteiler zur Aufnahme des einen Gases von den Öffnungen.

15. Brenner nach Anspruch 14, mit zumindest einer Rohrleitung, die sich durch den Vorraum erstreckt und den Einlass mit dem Verteilungsring in Verbindung bringt.

16. Brenner nach Anspruch 15, mit einer Vielzahl von Rohrleitungen, von denen jede eine Mündung aufweist, um das andere Gas von dem Einlass aufzunehmen.

17. Brenner nach Anspruch 16, mit einer Stauplatte, die den Vorraum von dem Einlass trennt, wobei die Vielzahl von Rohrleitungen in einem Kreis angeordnet ist, der konzentrisch zu dem Loch ausgerichtet ist.

18. Brenner nach Anspruch 17, mit einer konischen Ablenkeinheit, die konzentrisch zu dem Kreis von Mündungen und radial innerhalb desselben angeordnet ist, um das andere Gas von dem Einlass in die Rohrleitungen zu lenken.

19. Katalytischer Brenner mit einem mit Katalysator gefüllten Verbrennungsabschnitt für die Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoffgasen und einem Mischabschnitt oberstromig des Verbrennungsabschnittes zum vorbereitenden Mischen der Gase vor einem Eintritt in den Verbrennungsabschnitt, mit (a) einem Gehäuse mit einer Wand, das die Mischkammer definiert, (b) einem ersten gasdurchlässigen Gasverteiler oberstromig der Mischkammer zur Zufuhr eines der Gase in die Mischkammer in einer ersten Richtung, (c) einem zweiten Gasverteiler in der Mischkammer zur Zufuhr des anderen der Gase in die Mischkammer in einer Vielzahl von Richtungen, die allgemein rechtwinklig zu der ersten Richtung angeordnet sind, wobei der zweite Gasverteiler eine Vielzahl von blinden Gasverteilungsrohren umfasst, die sich in die Mischkammer unterstromig des ersten Gasverteilers erstrecken, wobei jedes der Rohre eine Seitenwand mit einer Vielzahl von Durchlässen darin unterstromig des ersten Gasverteilers zur Injektion des anderen Gases in die Mischkammer in den zweiten Richtungen aufweist, (d) einem Einlassabschnitt des Brenners zur Lieferung des anderen Gases an den zweiten Gasverteiler und (e) einem gasdurchlässigen Diffusor an dem unterstromigen Ende der Mischkammer zur Begrenzung des Ausflusses der Gase von der Mischkammer und zur Verteilung des Ausflusses im Wesentlichen gleichförmig über den Querschnitt des Brenners quer zu der Länge des Brenners an dem Zugang zu dem Verbrennungsabschnitt.

20. Brenner nach Anspruch 19, wobei zumindest zwei der Einlass-, Misch- und Verbrennungsabschnitte aneinander durch eine Schnelltrennverbindung für einen praktischen Zugriff auf die Innenräume des Brenners befestigt sind.

21. Brenner nach Anspruch 20, mit einem ersten Flansch an dem Ende des Einlassabschnittes benachbart des Mischabschnittes und einem zweiten Flansch an dem Ende des Mischabschnittes benachbart des Einlassabschnittes, wobei die ersten und zweiten Flansche aneinander anliegen, um die Einlass- und Mischabschnitte abdichtend aneinander zu sichern.

22. Brenner nach Anspruch 20, mit einem dritten Flansch an dem Ende des Mischabschnittes benachbart des Verbrennungsabschnittes und einem vierten Flansch an dem Ende des Verbrennungsabschnittes benachbart des Mischabschnittes, wobei die dritten und vierten Flansche aneinander anliegen, um die Misch- und Verbrennungsabschnitte abdichtend aneinander zu sichern.

23. Brenner nach Anspruch 21, wobei die ersten und zweiten Flansche mittels eines Streifens um den Umfang der Flansche zusammengeklemmt sind.

24. Brenner nach Anspruch 22, wobei die dritten und vierten Flansche mittels eines Streifens um die Umfänge der Flansche zusammengeklemmt sind.