DE10392905T5

DE10392905T5 - Verdampfer

Info

Publication number: DE10392905T5
Application number: DE10392905T
Authority: DE
Inventors: Satoshi Hanai; Kiyoshi Kasahara; Yuuji Asano
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-07-11
Filing date: 2003-07-08
Publication date: 2005-08-25
Also published as: WO2004007355A1; US20050224070A1; US7490580B2

Abstract

Verdampfer, der eine Flüssigkeit verdampft, um Dampf zu erzeugen, der aufweist:
mehrere Heizgas-Flusspfade, durch welche Heizgas zirkuliert;
mehrere Verdampfungsflusspfade, die mit Böden versehen sind und so angeordnet sind, dass sie Wärme mit den Heizgas-Flusspfaden austauschen können, und die die Flüssigkeit verdampfen, die von oben in der Schwerkraftrichtung zugeführt wird, und die den verdampften Dampf nach oben in der Schwerkraftrichtung entladen; und
mehrere Heizrippen, die auf einer inneren Fläche der Verdampfungsflusspfade vorgesehen sind.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Verdampfer, der Dampf durch Verdampfen einer Flüssigkeit erzeugt. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Verdampfer, der Dampf erzeugt, um die Qualität von Kraftstoff durch Verdampfen eines flüssigen Kraftstoffs, der Kohlenwasserstoffe enthält, zu verbessern.
Stand der Technik
Es gibt ein Verfahren zum Zuführen von Kraftstoffgas zu einer Kraftstoffzelle, in welcher ein roher flüssiger Kraftstoff, der Kohlenwasserstoffe, beispielsweise Methanol und Benzin enthält, zu einem wasserstoffreichen Kraftstoffgas (anschließend als wasserstoffreiches Gas bezeichnet) durch ein Verbesserungssystem verbessert wird, wobei das wasserstoffreiche Gas als Kraftstoffgas einer Kraftstoffzelle zugeführt wird (siehe beispielsweise japanische ungeprüfte Patentanmeldung, erste Veröffentlichung, Nr. 2001-132 909).
Bei diesem Verbesserungssystem wird ein flüssiger Kraftstoff (d. h., ein rohes Material), der durch eine Mischung von rohem Kraftstoff und Wasser gebildet wird, durch eine Verdampfer verdampft, um rohes Kraftstoffgas zu bilden. Dieses rohe Kraftstoffgas wird dann zu einer Verbesserungsvorrichtung zusammen mit Luft zum Verbessern geliefert, und das rohe Kraftstoffgas wird einer Verbesserungsreaktion unterzogen, um so zu wasserstoffreichem Gas verbessert zu werden.
Der herkömmliche Verdampfer, der bei diesem Verbesserungssystem verwendet wird, ist in der japanischen ungeprüften Patentanmeldung, erste Veröffentlichung, Nr. 2001-135 331 offenbart.
Dieser Verdampfer ist mit einer Katalysatorbrennkammer versehen, in welcher ein Oxidationskatalysator (beispielsweise Pt oder Pd) auf einem Metall-Wabenlager gelagert ist, einer Gruppe von Rohren, die im Wesentlichen zu einer U-Form gebogen sind und durch die Verbrennungsgas, welches durch die Katalysatorbrennkammer erzeugt wird, zirkuliert, einer Verdampfungskammer, die eine Gruppe von Rohren enthält und von einem Gehäuse umgeben ist, einer Kraftstoffzuführvorrichtung, welche den flüssigen Kraftstoff in die Verdamp fungskammer einspritzt, und einer Extraktionsöffnung, die das rohe Kraftstoffgas, welches durch die Verdampfung des flüssigen Kraftstoff erzeugt wird, aus der Verdampfungskammer leitet. In diesem Verdampfer wird Abgas, welches von der Anode oder der Kathode der Kraftstoffzelle entladen wird, durch die Katalyse-Brennkammer katalytisch verbrannt, und das Verbrennungsgas, welches hier durch erhalten wird, wird in die Gruppe von Rohren eingeführt. In diesem gleichen Zeitpunkt wird der flüssige Kraftstoff von der Kraftstoffzuführvorrichtung in Richtung auf die Fläche der Gruppe von Rohren eingespritzt, und eine thermische Wechselwirkung findet zwischen dem Verbrennungsgas und dem flüssigen Kraftstoff statt, so dass der flüssige Kraftstoff verdampft wird und rohes Kraftstoffgas erhalten wird.
Bei diesem herkömmlichen Verdampfer ist es jedoch in einigen Fällen unmöglich, dass ein Teil des flüssigen Kraftstoffs, der zur Verdampfungskammer von der Kraftstoffzufuhrvorrichtung geführt wird, verdampft wird, wenn er durch die Gruppe von Rohren läuft, und er wird auf dem Boden der Verdampfungskammer in einem flüssigen Zustand belassen. Wenn flüssiger Kraftstoff in einem flüssigen Zustand auf dem Boden der Verdampfungskammer in dieser Weise gelassen wird, ist es nicht möglich, dass die Menge von erzeugtem Dampf (d. h., die Menge von erzeugtem rohen Kraftstoffgas) während eines Übergangs zur Ausgangsleistung von der Kraftstoffzelle passt, so dass die Schwierigkeit auftritt, dass die Ausbeute verschlechtert wird.
Sogar, wenn eine Heizquelle, beispielsweise eine Katalysator-Brennkammer auf dem Boden der Verdampfungskammer angeordnet wird, um somit die Menge an Flüssigkeit, die zurückgelassen wird, zu reduzieren, ist es weiter schwierig, eine zufriedenstellende Ausbeute zu erzielen. Dies trifft sogar insbesondere für ein Kraftstoffverbesserungssystem für eine Kraftstoffzelle zu, welche in einem Kraftstoffzellenfahrzeug installiert ist, bei dem ein extrem hohes Übergangsverhalten erforderlich ist.
In der japanischen ungeprüften Patentanmeldung, erste Veröffentlichung, Nummer 2001-332 283 ist ein Verdampfer offenbart, bei dem Verdampfungsflusspfade, durch die flüssiger Kraftstoff und Kraftstoffdampf zirkulieren, abwechselnd mit Heizgas-Flusspfaden angeordnet sind, durch welche Heizgas zirkuliert. Flüssiger Kraftstoff wird von oben vom Verdampfungsflusspfad zugeführt und fällt den Verdampfungsflusspfad nach unten, und der flüssige Kraftstoff wird durch einen thermischen Austausch mit dem Heizgas, wenn er herunterfällt, verdampft. Als Folge davon wird Kraftstoffdampf gebildet, und der gebildete Kraftstoffdampf wird vom Boden des Verdampfungsflusspfads entladen.
Bei diesem Verdampfer ist es jedoch nicht möglich, da der Kraftstoffdampf nach unten in der Schwerkraftrichtung innerhalb des Verdampfungsflusspfads fließt, so dass der Fluss parallel mit dem flüssigen Kraftstoff ist, die Energie, die dem Kraftstoffdampf anhaftet, effektiv zu nutzen.
Bei einem herkömmlichen Verdampfer gibt es außerdem, da Verbrennungsgas in eine große Anzahl von Rohren eingeführt wird, die im Wesentlichen zu einer U-Form gebogen sind und dieses durch diese Rohre zirkuliert, einen beträchtlichen Druckverlust im Kraftstoffgas. Um folglich die Kraftstoffgas-Flussrate zu erhöhen, um die Wärmemenge zu erhöhen, war es notwendig, die Anzahl von Rohren zu erhöhen, wodurch die Schwierigkeit auftrat, dass die Größe des Verdampfers angestiegen ist. Anders ausgedrückt ist die Größe des Druckverlusts in Bezug auf den Kraftstoffgas-Flusspfad ein Hindernis, die Größe des Verdampfers zu reduzieren.
Wenn weiter ein Verbrennungskatalysator innerhalb der Rohre gelagert ist, ist es nicht möglich, ein ausreichendes Katalysatormetallschichtvolumen sicherzustellen.
Es sei angemerkt, dass in der obigen Beschreibung der Ausdruck "Ausbeute" ein Merkmal ist, welches eine zeitliche Verzögerung zum Ausdruck bringt, wenn Dampf erzeugt wird und geliefert wird, um zur erforderlichen Menge zu passen, die auf der Basis einer sich ändernden Ausgangsleistung von einer Kraftstoffzelle bestimmt wird, und eine "geringe Ausbeute" sich auf die Tatsache bezieht, dass diese Verzögerung beträchtlich ist. Außerdem bezieht sich der Ausdruck "ein Übergang" auf einen Zustand, bei dem die Menge an erzeugten Dampf, die in Bezug auf die Ausgangsleistung von der Kraftstoffzelle erforderlich ist, sich abrupt ändert, und "Übergangsverhalten" bezieht sich auf die Ausbeute während eines Übergangs.
Offenbarung der Erfindung
Daher liefert die vorliegende Erfindung einen Verdampfer, der in der Lage ist, flüssigen Kraftstoff extrem effizient zu verdampfen, indem er Energie effektiv nutzt, und der eine ausgezeichnete Ausbeute hat.
Außerdem liefert die vorliegende Erfindung einen Verdampfer, bei dem jeglicher Druckverlust in Bezug auf den Gasflusspfad reduziert wird, wodurch ermöglicht wird, dass die Größe der Vorrichtung reduziert werden kann.
Um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, liefert die vorliegende Erfindung einen Verdampfer, der eine Flüssigkeit verdampft, um Dampf zu erzeugen, der aufweist:
mehrere Heizgas-Flusspfade, durch welche Heizgas zirkuliert;
mehrere Verdampfungsflusspfade, die mit Böden versehen sind und so angeordnet sind, dass sie Wärme mit den Heizgas-Flusspfaden austauschen können, und die die Flüssig keit verdampfen, die von oben in der Schwerkraftrichtung zugeführt wird, und die den verdampften Dampf nach oben in der Schwerkraftrichtung entladen; und
mehrere Heizrippen, die auf einer inneren Fläche der Verdampfungsflusspfade vorgesehen sind.
Hier ist insbesondere die Flüssigkeit ein flüssiger Kraftstoff, der einen. Kohlenstoff enthält, und der Dampf ist ein Kraftstoffdampf, der zum Verbessern des Kraftstoffes verwendet wird.
Durch Verwenden dieses Aufbaus ist es möglich, den Bereich der Fläche der Heizfläche unter Verwendung der Heizrippen zu steigern, und als Ergebnis davon, dass flüssiger Kraftstoff an der Fläche der Heizrippen anhaftet, ist es leicht, dass der flüssige Kraftstoff sich ausbreitet. Zusätzlich steigern die Heizrippen die Häufigkeit, mit der Kontakt mit dem flüssigen Kraftstoff hergestellt wird, und machen die Temperaturdifferenz zwischen dem anhaftenden flüssigen Kraftstoff und den Heizrippen zu einer Temperaturdifferenz, die es dem flüssigen Kraftstoff leicht macht, verdampft zu werden. Da außerdem der flüssige Kraftstoff und der Kraftstoffdampf in Kontakt miteinander aufgrund ihres entgegengesetzten Flusses innerhalb der Verdampfungsflusspfade kommt, werden Tropfen von flüssigem Kraftstoff, die abfallen, verfeinert, und der flüssige Kraftstoff kann durch den Kraftstoffdampf vorgeheizt werden. Als Ergebnis ist der Verdampfer in der Lage, flüssigen Kraftstoff extrem effizient und schnell zu verdampfen, und die Ausbeute des Verdampfers wird beträchtlich verbessert.
Bei dem oben beschriebenen Verdampfer ist es auch möglich, dass die mehreren Heizgas-Flusspfade und die mehreren Verdampfungsflusspfade so angeordnet sind, dass sie einander abwechseln.
Durch Anwenden dieser Aufbauart ist es möglich, die Dampfbildungsleistung zu verbessern, während die Baugröße der Vorrichtung klein gehalten wird
Bei dem oben beschriebenen Verdampfer ist es auch für zumindest einen Bereich jedes der mehreren Heizgas-Flusspfade möglich, diese in einer in etwa orthogonalen Richtung in Bezug auf die mehreren Verdampfungsflusspfade vorzusehen.
Durch Anwenden dieser Aufbauart können die Heizgas-Flusspfade in einer horizontalen Richtung angeordnet werden, so dass die Anordnung der Eingangs- und Ausgangsöffnungen der Heizgas-Flusspfade vereinfacht wird, und der Aufbau des Verdampfers vereinfacht werden kann. Zusätzlich kann jeglicher Druckverlust in Bezug auf den Heizgas-Flusspfad auf einem niedrigeren Wert gehalten werden.
Bei dem oben beschriebenen Verdampfer ist es möglich, dass die mehreren Heizrippen in mehreren Stufen vorgesehen werden, die in der Schwerkraftrichtung verlaufen, und dass Rippen in einer Stufe so angeordnet sind, dass sie von Rippen in benachbarten Stufen versetzt sind.
Durch Verwenden dieser Aufbauart wird der flüssige Kraftstoff verteilt, wenn er mit den Heizrippen kollidiert, und der verteilte flüssige Kraftstoff wird weiter verteilt, wenn er mit den Heizrippen, die weiter darunter liegen, kollidiert. Durch Wiederholen dieses Prozesses kann die Verteilung von flüssigem Kraftstoff beschleunigt werden. Da außerdem die Rate, mit der der Kraftstoffdampf, der innerhalb der Verdampfungsflusspfade erzeugt wird, längs dieser Verdampfungsflusspfade ansteigt, durch das Vorhandensein der Kühlrippen vermindert werden kann, welche in mehreren Schritten vorgesehen sind, kann verhindert werden, dass die Tropfen des flüssigen Kraftstoffs, welche durch die Verdampfungsflusspfade fallen, zurück nach oben durch den Kraftstoffdampf geblasen werden, und es kann verhindert werden, dass die Tropfen vom Kopfbereich der Verdampfungsflusspfade entladen werden, ohne verdampft zu werden. Folglich kann die Häufigkeit, mit der der flüssige Kraftstoff mit den Heizrippen in Kontakt kommt, vergrößert werden, so dass die Verdampfung des flüssigen Kraftstoffs beschleunigt wird.
Bei dem oben beschriebenen Verdampfer ist es in dieser Hinsicht auch möglich, dass dieser außerdem mit einem porösen Material versehen ist, das auf der Oberseite der Bodenbereiche der mehreren Verdampfungsflusspfade vorgesehen ist, und dass eine Heizvorrichtung vorgesehen ist, die auf dem Boden der Bodenbereiche angeordnet ist.
Durch Verwenden dieser Aufbauart ist es möglich, flüssigen Kraftstoff zu verdampfen, der nicht verdampft werden konnte, da er durch die Verdampfungsflusspfade auf das poröse Material fiel, und es ist möglich, zu verhindern, dass Lachen an Flüssigkeit auf Bodenbereichen der Verdampfungsflusspfade gebildet werden.
Bei dem oben beschriebenen Verdampfer ist es in dieser Hinsicht auch möglich, dass dieser außerdem mit Flüssigkeitszuführleitungen versehen wird, die über den mehreren Verdampfungsflusspfaden angeordnet sind, und dass mehrere Zuführlöcher vorgesehen, durch welche die Flüssigkeit tropft, welche in den Flüssigkeitszufuhrrohren vorgesehen werden.
Durch Anwenden dieser Aufbauart kann, da der flüssige Kraftstoff von den mehreren Zuführlöchern in den Kraftstoffzufuhrrohren tropft, welche über den Verdampfungsflusspfaden angeordnet sind, der flüssige Kraftstoff zugeführt werden, nachdem er weit innerhalb der Verdampfungsflusspfade verteilt wurde.
Um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, liefert die vorliegende Erfindung auch einen Verdampfer, der eine Flüssigkeit verdampft, um Dampf zu erzeugen, der aufweist:
einen Heizgaslenk-Bewegungsflusspfad, längs dem Heizgas durch unmittelbares Bewegen in einer horizontalen Richtung fließt;
einen Verdampfungsabschnitt, der so angeordnet ist, dass er Wärme mit dem Heizgaslenk-Bewegungsflusspfad austauschen kann und der die Flüssigkeit verdampft und bewirkt, dass Dampf davon nach oben in der Schwerkraftrichtung fließt;
einen Flüssigkeitszufuhrabschnitt, welcher die Flüssigkeit zum Verdampfungsabschnitt liefert; und
einen Superheizabschnitt, der in einem stromabwärtigen Bereich auf dem Heizgaslenk-Bewegungsflusspfad vom Verdampfungsabschnitt positioniert ist, so dass er Wärme mit dem Heizgaslenk-Bewegungsflusspfad austauschen kann, und der den Dampf so platziert, dass er vom Kopfbereich des Verdampfungsabschnitts in einem überheizten Zustand entladen wird, wobei
der Superheizabschnitt mit einem Dampfflusspfad versehen ist, der mit dem Kopfbereich des Verdampfungsabschnitts verbunden ist und der bewirkt, dass der Dampf zirkuliert.
Hier ist die Flüssigkeit ein flüssiger Kraftstoff, der Kohlenstoff enthält, und der Dampf ist ein Kraftstoffdampf, der zur Kraftstoffverbesserung verwendet wird.
Durch Anwenden dieses Aufbaus zirkuliert der Kraftstoffdampf, der im Verdampfungsabschnitt erzeugt wird, nach oben in der Schwerkraftrichtung längs des Verdampfungsabschnittes und wird nachfolgend vom Kopfbereich des Verdampfungsabschnitts entladen und in den Superheizabschnitt eingeführt. Der Kraftstoffdampf zirkuliert dann vorzugsweise in der Schwerkraftrichtung längs des Superheizabschnitts. Folglich kann, da jeglicher Druckverlust im Heizgaslenk-Bewegungsflusspfad reduziert werden kann, so dass eine größere Menge an Heizgas geliefert werden kann, die Menge an Wärme, die geliefert wird, erhöht werden. Da außerdem bewirkt wird, dass Kraftstoffdampf, der im Verdampfungsabschnitt erzeugt wird, Wärme mit dem Heizgas im Superheizabschnitt austauscht, kann der Kraftstoffdampf auf sogar eine höhere Temperatur angehoben werden. Da weiter der Kraftstoffdampf, der von einem Kopfbereich des Verdampfungsabschnitts entladen wird, in den Superheizabschnitt eingeführt wird und in der Schwerkraftrichtung zirkuliert, kann die Größe des Verdampfungsabschnitts kompakter ausgeführt werden. Somit ist es möglich, eine Verbesserung in der Leistung und eine Reduzierung der Baugröße des Verdampfers zu erreichen.
Bei dem oben beschriebenen Verdampfer ist es auch möglich, dass der Dampfflusspfad des Superheizabschnitts so ausgebildet ist, dass dieser den Fluss des Heizgases mehrere Male schneidet.
Durch Verwenden dieses Ausbaus kann, da der Kraftstoffdampf zirkuliert, um den Fluss des Heizgases mehrere Male in dem Superheizabschnitt zu schneiden, der Kraftstoffdampf ausreichend erwärmt werden, und es kann Hochtemperatur-Kraftstoffdampf erzeugt werden.
Bei dem beschriebenen Verdampfer ist daher auch möglich, dass dieser in einem Temperatursteuerungsabschnitt vorgesehen sein kann, der rundum den Verdampfungsabschnitt angeordnet ist, und der mit einer Entladeöffnung des Heizgaslenk-Bewegungsflusspfads verbunden ist, und dass der Temperatursteuerungsabschnitt mit einem Bodenbereich-Flusspfad versehen ist, in den das Heizgas, welches vom Heizgaslenk-Bewegungsflusspfad entladen wird, eingeführt wird.
Durch Verwenden dieses Aufbaus wird Heizgas, welches vom Heizgaslenk-Bewegungsflusspfad entladen wird, in einen Bodenbereichs-Flusspfad eingeführt, der am Bodenbereich dieses Temperatursteuerungsabschnitts vorgesehen ist. Da der Bodenbereich des Verdampfungsabschnitts durch Heizgas erhitzt wird, welches längs des Bodenbereichs-Flusspfads des Temperatursteuerungsabschnitts fließt, kann flüssiger Kraftstoff, der sich auf dem Boden des Verdampfungsabschnitts lachenartig angesammelt hat, unter Verwendung einer Entladungshitze vom Heizgas verdampft werden. Folglich kann die Leistung des Verdampfers verbessert werden.
Bei dem oben beschriebenen Verdampfer ist es auch möglich, dass der Temperatursteuerungsabschnitt mit einem Seitenflusspfad versehen ist, der bewirkt, dass das Heizgas, welches in den Bodenbereichs-Flusspfad eingeführt wird, um eine Seite des Verdampfungsabschnitts herum zirkuliert und dann nach oben steigt.
Durch Verwenden dieses Aufbaus zirkuliert Heizgas, welches in den Bodenbereich des Temperatursteuerungsabschnitts eingeführt wird, von diesem Bodenbereich rundum die Seite und steigt dann nach oben durch den Temperatursteuerungsabschnitt. Folglich wird, da die Temperatur des Verdampfungsabschnitts unter Verwendung von ausgestoßener Wärme von Heizgas beibehalten werden kann und die Heizentladung vom Verdampfungsabschnitt unterdrückt werden kann, die Leistung des Verdampfers verbessert.
Bei dem oben beschriebenen Verdampfer ist es somit auch möglich, dass dieser in einer thermischen Isolationskammer vorgesehen ist, die rundum den Superheizabschnitt angeordnet ist.
Durch Verwendung dieses Ausbaus wird, da die Temperatur des Superheizabschnitts durch die thermische Isolationskammer beibehalten werden kann, so dass Wärme entladung vom Verdampfungsabschnitt unterdrückt werden kann, die Leistung des Verdampfers verbessert.
Bei dem oben beschriebenen Verdampfer ist es außerdem möglich, dass ein Katalysator in einem Innenraum des Heizgaslenk-Bewegungsflusspfads vorgesehen ist.
Durch Verwendung dieses Aufbaus kann vorher festgelegtes Gas innerhalb des Heizgaslenk-Bewegungsflusspfads katalytisch verbrannt werden, um somit Heizgas zu bilden, und die Heizentladung vom Heizgaslenk-Bewegungsflusspfad kann unterdrückt werden, so dass die Leistung des Verdampfers verbessert wird.
Bei dem oben beschriebenen Verdampfer ist es außerdem möglich, dass ein erster Katalysator im Innenraum des Heizgaslenk-Bewegungsflusspfads an einer Position vorgesehen ist, wo dieser Wärme mit dem Superheizabschnitt austauschen kann, und dass ein zweiter Katalysator im Innenraum des Heizgaslenk-Bewegungsflusspfads an einer Position vorgesehen ist, wo dieser Wärme mit dem Verdampfungsabschnitt austauschen kann.
Die Temperaturzustände im Verdampfungsabschnitt und im Superheizabschnitt sind verschieden, wobei es jedoch durch Verwenden von verschiedenen Katalysatoren, die jeweils eine aktive Temperatur haben, welche für die jeweiligen Temperaturzustände geeignet ist, möglich ist, die Lebensdauer des Katalysators zu verlängern.
Bei dem oben beschriebenen Verdampfer ist es, wenn das Heizgas durch Abbrennen von Gas, welches von einer Kraftstoffzelle entladen wird, verbrannt wird, vorteilhaft, dass der erste Katalysator, der dem Superheizabschnitt benachbart ist, ein Oxidationskatalysator ist, und dass der zweite Katalysator, der benachbart zum Verdampfungsabschnitt ist, ein Emissionsreinigungskatalysator ist.
Durch Verwenden dieses Aufbaus ist es möglich, Heizgas durch katalytische Verbrennung von Abgas innerhalb des Heizgaslenk-Bewegungsflusspfads zu erzeugen, welches durch den Superheizabschnitt läuft. Als Ergebnis ist es im Vergleich, wenn eine Katalysatorbrennkammer außerhalb des Verdampfers installiert wird, möglich, die Entladung von Wärme vom Heizgaslenk-Bewegungsflusspfad zu unterdrücken und dadurch die Heizleistung zu verbessern, und es ist außerdem möglich, das gesamte Verbesserungssystem kompakter auszuführen. Da außerdem der Verdampfer mit einem Emissionsreinigungskatalysator stromabwärts von der Stelle vorgesehen ist, wo das Abgas katalytisch verbrannt wird, ist es möglich, den Verdampfer mit einer Emissionsreinigungsfunktion vorzusehen. Folglich ist es möglich, ein einfacheres Kraftstoffreinigungssystem zu erreichen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine externe perspektivische Ansicht eines Verdampfers gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine externe perspektivische Ansicht von Heizrippen, welche auf dem Verdampferflusspfads des Verdampfers der ersten Ausführungsform vorgesehen sind;
3 ist eine Querschnittsansicht längs der Linie I-I in 1;
4 ist eine Querschnittsansicht eines Kraftstoffzufuhrrohrs des Verdampfers der ersten Ausführungsform;
5 ist eine Ansicht, die Änderungen in den Volumina des flüssigen Kraftstoffs und des Kraftstoffdampfs des Verdampfers der ersten Ausführungsform zeigt;
6 ist eine externe perspektivische Ansicht eines Verdampfers gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 ist eine Querschnittsansicht längs der Linie II-II in 6;
8 ist eine Querschnittsansicht längs der Linie III-III in 7;
9A bis 9E sind perspektivische Ansichten, die eine Vielzahl von Modi von Heizrippen zeigen, die auf einem Verdampfungsflusspfads eines Verdampfers der dritten Ausführungsform vorgesehen sind;
10 ist eine vertikale Querschnittsansicht eines Verdampfers gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
11 ist eine Querschnittsansicht längs der Linie A-A in 1;
12 ist eine Querschnittsansicht längs der Linie B-B in 1;
13 ist eine typische Ansicht eines Superheizkerns des Verdampfers der vierten Ausführungsform;
14 ist eine typische Ansicht eines Verdampferkerns eines Verdampfers der vierten Ausführungsform;
15 ist eine externe perspektivische Ansicht von Heizrippen, welche auf einem Verdampferflusspfad des Verdampfers der vierten Ausführungsform vorgesehen sind;
16 ist eine Querschnittsansicht eines Kraftstoffzufuhrrohrs des Verdampfers der vierten Ausführungsform.
Bevorzugte Ausführungsarten zum Ausüben der Erfindung
Die erste, zweite und dritte Ausführungsform des Verdampfers der vorliegenden Erfindung werden nun in bezug auf die Zeichnungen von 1 bis 9E beschrieben. Es sei angemerkt, dass der Verdampfer in jeder der Ausführungsformen, die nachfolgend beschrieben werden, eine Art ist, die in einem Kraftstoffverbesserungssystem für eine Kraft stoffzelle verwendet wird, in welcher Kraftstoffdampf, der durch den Verdampfer erzeugt wird, zu einer Verbesserungseinrichtung geliefert wird und in wasserstoffreiches Kraftstoffgas für eine Kraftstoffzelle durch die Verbesserungseinrichtung verbessert wird.
Erste Ausführungsform
Zunächst wird die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Hilfe von 1 bis 5 beschrieben.
1 ist eine schematische Strukturansicht eines Verdampfers 30. Der Verdampfer 30 ist mit einem Gehäuse 31 versehen, welches die Form eines rechteckigen Parallelflächners hat. Ein poröses Material 33 ist auf der Oberseite einer Bodenplatte (d. h., einem Bodenteil) 32 des Gehäuses 31 angebracht, und eine Heizkammer (d. h., die Heizvorrichtung) 34 ist auf dem Boden der Bodenplatte 32 vorgesehen.
Der Innenraum des Gehäuses 31 über dem porösen Material 33 ist in eine große Anzahl von schmalen Kammern, die parallel miteinander gebildet sind, durch Trennwände 35 unterteilt, und diese Kammern sind abwechselnd als Verdampfungsflusspfade 36 und als Heizgas-Flusspfade 37 ausgebildet, wobei die äußerste Kammer in allen Gehäusen ein Verdampfungsflusspfad ist.
Ein jeder der Verdampfungsflusspfade 36 ist lediglich am Kopf offen, und deren Bodenteile sind durch eine Bodenplatte 32 verschlossen, welche mit porösen Material 33 versehen ist, während alle vier Seiten durch Umfangswände 31a des Gehäuses 31 und durch Trennwände 35 verschlossen sind. Jeder Verdampfungsflusspfad 36 ist nämlich in Form einer Box ausgebildet, welche lediglich am Kopf offen ist. Heizrippen 36a, welche einem im Wesentlichen dreiecksförmigen wellenförmigen Querschnitt aufweisen, sind innerhalb jedes Verdampfungsflusspfads 36 so angeordnet, dass deren Scheitel sich in einer vertikalen Richtung (d. h., in der Richtung der Schwerkraft) erstrecken. Zusätzlich sind, wie in 2 und 3 gezeigt ist, die Heizrippen 36a in Schritten installiert, die in der Abwärtsrichtung innerhalb jedes Verdampfungsflusspfads 36 laufen, und Heizrippen 36a, die benachbart vertikal angeordnet sind, sind so positioniert, dass die Scheitelbereiche einer Heizrippe 36a von den Scheitelbereichen der benachbarten Heizrippen 36a versetzt sind. Die Scheitelbereiche dieser Heizrippen 36a sind mit den Teilwänden 35 verbunden, welche eine Grenze mit den Heizgas-Flusspfaden 37 bilden.
Im Gegensatz dazu ist jeder der Heizgas-Flusspfade 37 am Kopf durch eine Kopfplatte 38 verschlossen, und deren Bodenteile sind durch eine Bodenplatte 32 verschlossen, welche mit dem porösen Material 33 versehen ist. Die beiden Seitenteile sind durch die Trennwände 35 verschlossen, während die vordere Seitenfläche und die hintere Seitenfläche des Gehäuses 31 vollständig offen sind. Ein jeder Heizgas-Flusspfad 37 ist nämlich als rechteckiger Zylinder ausgebildet, dessen Öffnung sich von der vorderen Seitenfläche zur hinteren Seitenfläche erstreckt. In jedem Heizgas-Flusspfad 37 ist Heizgas, welches von der Öffnung auf der vorderen Seitenfläche herein fließt, in der Lage, von der Öffnung auf der hinteren Seitenfläche heraus zu fließen. Außerdem sind Heizrippen 37a, welche einen im Wesentlichen dreiecksförmige wellenförmigen Querschnitt haben, innerhalb jedes Heizgas-Flusspfads 37 angeordnet, so dass deren Scheitelteile sich in einer horizontalen Richtung erstrecken. Zusätzlich sind Scheitelteile dieser Heizrippen 37a mit den Trennwänden 35 verbunden, welche eine Grenze mit den Verdampfungsflusspfaden 36 bilden.
Zwei Kraftstoffzufuhrrohre 60 und 60, deren Achsen sich in einer Richtung erstrecken, in welcher die Verdampfungsflusspfade 36 und die Heizgas-Flusspfade 37 benachbart zueinander angeordnet sind, sind parallel miteinander über dem Gehäuse 31 vorgesehen. Die distalen Enden jedes Kraftstoffzufuhrrohrs 60 sind verschlossen, und, wie in 4 gezeigt ist, sind Paare von Zufuhrlöchern 60a in jedem Kraftstoffzufuhrrohr 60 offen, die diagonal nach unten nach links und rechts Bereichen zugewandt sind, welche über den jeweiligen Verdampfungsflusspfaden 36 angeordnet sind.
Das poröse Material 33, welches auf der Oberseite der Bodenplatte 32 vorgesehen ist, kann beispielsweise durch ein poröses Material auf Nickelbasis gebildet sein (welches beispielsweise einen Lochdurchmesser von 0,5 mm und einen spezifischen Oberflächenbereich von 7500 m²/m³) hat, welches einen großen spezifischen Flächenbereich hat und auf die Bodenplatte 32 gelötet ist.
Ein Heizmedium ist in der Lage, durch die Heizkammer 34 zu zirkulieren, die unterhalb der Obenplatte 32 vorgesehen ist, und die Wärme vom Heizmedium wird zur Bodenplatte 32 und zum porösen Material 33 übertragen. Es sei angemerkt, dass bei der ersten Ausführungsform Heizgas, welches von dem Heizgas-Flusspfad 37 entladen wird, in die Heizkammer 34 als Heizmedium eingeführt wird.
Eine Arbeitsweise des Verdampfers 30, der in dieser Weise aufgebaut ist, wird nun beschrieben.
Heizgas wird in jeden Heizgas-Flusspfad 37 von den Öffnungen auf der vorderen Seitenfläche des Gehäuses 31 eingeführt. Das Heizgas läuft dann weiter in einer horizontalen Richtung innerhalb der Heizgas-Flusspfade 37 und wird von den Öffnungen auf der hinteren Seitenfläche des Gehäuses 31 entladen. Wenn das Heizgas innerhalb der Heizgas-Flusspfade 37 zirkuliert, wird ein Teil der Wärme des Heizgases auf die Heizrippen 37a und die Trenn wände 35 übertragen, und es wird weiter auf die Heizrippen 36a der Verdampfungsflusspfade 36 übertragen.
Das Heizgas, welches von den Heizgas-Flusspfaden 37 entladen wird, wird dann zur Heizkammer 34 geliefert. Nach einem Zirkulieren durch die Heizkammer 34 wird dies an die Außenseite hin entladen. Wenn das Heizgas durch die Heizkammer 34 zirkuliert, wird ein Teil der Wärme vom Heizgas über die Bodenplatte 32 zum porösen Material 33 übertragen.
In der Zwischenzeit wird flüssiger Kraftstoff (d. h., eine gemischte Flüssigkeit von Methanol oder Benzin und Wasser oder dgl.) zu jedem Kraftstoffzufuhrrohr 60 geliefert und in Richtung auf die entsprechenden Verdampfungskraftstoffpfade 36 von den Zufuhrlöchern 60a eingespritzt, welche in den Kraftstoffzufuhrrohren 60 vorgesehen sind. Der flüssige Kraftstoff, der von den Zufuhrlöchern 60a ausgestoßen wird, bildet Tröpfchen, die an den Heizrippen 36a anhaften. Diese Tröpfchen laufen dann herunter über die Fläche der Heizrippen 36a oder laufen sogar durch die Spalte, die zwischen den Heizrippen 36a gebildet sind, und fallen herunter. Der größte Teil des flüssigen Kraftstoffs, der durch die Spalte zwischen den Heizrippen 36a abfällt, kollidiert außerdem gegen die unteren Heizrippen 36a, wenn dieser abfällt und haftet an der Fläche der Heizrippen 36a. In jedem Fall fließt, wie durch die durchgezogene Linie in 3 gezeigt ist, der flüssige Kraftstoff in der Schwerkraftrichtung innerhalb der Verdampfungsflusspfade 36 nach unten. Der flüssige Kraftstoff, der an den Heizrippen 36a angehaftet hat, tauscht Wärme mit dem Heizgas, welches durch die Heizgas-Flusspfade 37 zirkuliert, über die Trennwände 35 und die Heizrippen 36a aus und wird verdampft, um Kraftstoff zu bilden. Der flüssige Kraftstoff, der nicht verdampft werden konnte, da er durch den Innenraum der Verdampfungsflusspfade 36 fiel, durchdringt die kleinen Löcher im porösen Material 33, bevor er die Bodenplatte 32 erreicht, und tauscht hiermit Wärme mit dem Heizgas über das poröse Material 33 aus, so dass dieser unmittelbar verdampft wird und Kraftstoffdampf bildet.
Wie durch die unterbrochene Linie in 3 gezeigt ist, steigt der Kraftstoffdampf, der auf diese Weise erzeugt wurde, in der Schwerkraftrichtung innerhalb der Verdampfungsflusspfade 36 nach oben und wird von den Kopfbereichsöffnungen der Verdampfungsflusspfade 36 entladen.
Folglich fließt bei diesem Verdampfer 30, während flüssiger Kraftstoff oder Kraftstoffdampf innerhalb der Verdampfungsflusspfade 36 entweder nach oben oder nach unten in der Schwerkraftrichtung wie oben beschrieben zirkuliert, das Heizgas in einer horizontalen Richtung innerhalb der Heizgas-Flusspfade 37, wodurch sich daher die Flussrichtungen einander schneiden.
Es sei angemerkt, dass 5 eine Ansicht ist, welche die Beziehung zwischen dem Abstand von der Bodenplatte 32 und der Menge an flüssigen Kraftstoff und erzeugtem Kraftstoffdampf zeigt. Wie aus dieser Zeichnung zu sehen ist, vermindert sich die Menge an flüssigen Kraftstoff näher zur Bodenplatte 32 zu, während die Menge an Kraftstoffdampf weiter weg von der Bodenplatte 32 ansteigt.
Bei diesem Verdampfer 30 ist es, da die Verdampfungsflusspfade 36 und die Heizgas-Flusspfade 37 abwechselnd angeordnet sind, möglich, die Verdampfungsbildungsleistung zu verbessern, während die Baugröße der Vorrichtung klein gehalten wird.
Da außerdem die Heizrippen 36a in den Verdampfungsflusspfaden 36 vorgesehen sind, ist der Flächenbereich der Heizfläche extrem groß, so dass es für den flüssigen Kraftstoff leicht ist, sich über einen großen Bereich auszubreiten, was zur Folge hat, dass die Verdampfung des flüssigen Kraftstoffs beschleunigt wird.
Wenn außerdem der flüssige Kraftstoff gegen die Heizrippen 36a kollidiert, wird zusätzlich zum Anhaften an den Positionen, wo dieser kollidiert (anschließend als Kollisionspositionen bezeichnet) der flüssige Kraftstoff ebenfalls zerstreut und der zerstreute flüssige Kraftstoff kollidiert nochmals mit den Heizrippen 36a in der Nähe der Kollisionsposition. Da diese Kollisionen wiederholt werden, steigt die Häufigkeit, mit der der flüssige Kraftstoff in Kontakt mit den Flächen der Heizrippen 36a kommt, welche geheizte Flächen sind, an, so dass die Verdampfung des flüssigen Kraftstoffs beschleunigt wird.
Da insbesondere die Heizrippen 36a in Stufen in einer vertikalen Richtung vorgesehen sind und da die Scheitelbereiche der Heizrippen 36a vertikal versetzt sind, kollidiert der flüssige Kraftstoff gegen die Heizrippen 36a und wird zerstreut, und dieser zerstreute flüssige Kraftstoff kollidiert noch einmal mit den unteren Heizrippen 36a und wird wiederum verteilt. Durch Wiederholen dieser Kollisionen kann das Verteilen des flüssigen Kraftstoffs beschleunigt werden. Außerdem wird eine Reduzierung bezüglich der Rate, mit der der Kraftstoffdampf, der innerhalb der Verdampfungsflusspfade 36 erzeugt wird, durch die Verdampfungsflusspfade 36 ansteigt, aufgrund des Vorhandenseins der mehrfachstufigen Heizrippen 36a erreicht. Daher ist es möglich, zu verhindern, dass flüssige Tröpfchen des flüssigen Kraftstoffs, die durch die Verdampfungsflusspfade 36 fallen, nach oben durch den Kraftstoffdampf geblasen werden, und es ist möglich, zu verhindern, dass flüssige Tröpfchen von der Oberseiten-Öffnung der Verdampfungsflusspfade 36 entladen werden, ohne verdampft zu werden. Folglich wird die Frequenz der Kollisionen (d. h., die Kontakthäufigkeit) des flüssigen Kraftstoffs gegen die Heizrippen 36a weiter gesteigert, und die Verdampfung des flüssigen Kraftstoffs wird weiter beschleunigt.
Da außerdem ein Temperaturgradient in den Heizrippen 36a in einer Richtung erzeugt wird, die sich den Trennwänden 35 annähern oder davon entfernen, wird eine Temperaturdifferenz zwischen den Flächen der Heizrippen 36a und dem flüssigen Kraftstoff, der an diesen Flächen anhaftet, in dem Bereich erzeugt, der eine Kernsiedezone bildet, so dass die Wärme in diesem Bereich leicht übertragen wird, und flüssiger Kraftstoff, der an der Fläche der Heizrippen 36a angehaftet hat, leicht verdampft wird.
Da außerdem die Temperaturverteilung über die Gesamtheit der Heizrippen 36a innerhalb der Verdampfungsflusspfade 36 im Wesentlichen gleichförmig durch die thermische Leitung der Heizrippen 36a gemacht wird, kann der gesamte Bereich der Verdampfungsflusspfade 36 als Wärmeaustauschbereich verwendet werden, so dass flüssiger Kraftstoff effizient in Kraftstoffdampf verdampft und umgesetzt werden kann.
Durch vertikalen Versatz der Scheitelbereiche der Heizrippen 36a werden außerdem alle Spalte zwischen den Heizrippen 36a in einem einzigen Verdampfungsflusspfad 36 miteinander verbunden. Daher werden flüssige Tröpfchen vom flüssigen Kraftstoff, die durch die Verdampfungsflusspfade 36 fallen und außerdem gebildeter Kraftstoffdampf zerstreut und verteilt, so dass die gesamte thermische Belastung innerhalb eines einzigen Verdampfungsflusspfads 36 gleichförmig gemacht ist. Folglich kann der flüssige Kraftstoff effizient verdampft werden.
Da außerdem die Tröpfchen von flüssigem Kraftstoff von der Oberseite zum Boden innerhalb der Verdampfungsflusspfade 36 fallen und der gebildete Kraftstoffdampf innerhalb der Verdampfungsflusspfade 36 ansteigt, kommen die Tröpfchen von flüssigem Kraftstoff und der Kraftstoffdampf aufgrund ihrer entgegengesetzten Flusses miteinander in Kontakt, so dass das Vorheizen und das Verbessern der Tröpfchen beschleunigt wird. Außerdem wird der Flüssigkeitsfilm von flüssigem Kraftstoff der auf der Fläche der Heizrippen 36a gebildet wird, schneller ausgedünnt, was zur Folge hat, dass die Verdampfung des flüssigen Kraftstoffs beschleunigt wird.
Somit ist der Verdampfer 30 in der Lage, flüssigen Kraftstoff extrem wirksam und schnell zu verdampfen, und er besitzt eine ausgezeichnete Ausbeute.
Wenn dieser Verdampfer 30 in einer Kraftstoffzelle eines Fahrzeugs installiert wird, besteht dann die Möglichkeit, dass sich das Verhalten des Verdampfers 30 in verschiedener Weise ändern wird. Wenn jedoch sogar das Verhalten des Verdampfers 30 sich ändert, ist es bei diesem Verdampfer 30, da die Heizrippen 36a als Trennwände wirken, möglich, einzuschränken, dass der flüssige Kraftstoff eine Lache in einem Bereich der Verdampfungsflusspfade 36 bildet. Folglich, sogar wenn es eine Änderung des Verhaltens gibt, kann die Heizlast innerhalb des Verdampfungsflusspfads 36 gleichförmig gehalten werden, und es kann eine konstante Verdampfungsleistung aufrechterhalten werden.
Es sei angemerkt, dass der Kraftstoffdampf, der von den Oberseitenöffnungen der Verdampfungsflusspfade 36 entladen wird, zu einer Verbesserungseinrichtung (nicht gezeigt) geliefert wird, nachdem dieser durch einen Sammelkanal (nicht gezeigt) gelaufen ist und in wasserstoffreiches Kraftstoffgas in der Verbesserungseinrichtung umgesetzt wird und dann zur Kraftstoffzelle geliefert wird.
Zweite Ausführungsform
Die zweite Ausführungsform der Verdampfers 30 nach der vorliegenden Erfindung wird mit Hilfe von 6 bis 8 beschrieben. Der Verdampfer 30 der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von der der ersten Ausführungsform in den folgenden Punkten.
Im Verdampfer 30 nach der ersten Ausführungsform sind die jeweiligen Heizgas-Flusspfade 37 auf der vorderen Seitenfläche und der hinteren Seitenfläche des Gehäuses 31 vollständig offen, wobei jedoch bei dem Verdampfer 30 nach der zweiten Ausführungsform auf der vorderen Flächenseite des Gehäuses 31 lediglich der Kopfbereich und der Bodenbereich der jeweiligen Heizgas-Flusspfade offen sind, und auf der hinteren Seitenfläche des Gehäuses 31 die gesamte Fläche der jeweiligen Heizgas-Flusspfade 37 verschlossen ist. Außerdem bildet eine Öffnung 37c, die auf dem Boden der vorderen Flächenseite des Gehäuses 31 vorgesehen ist, eine Heizgas-Einlassöffnung, während eine Öffnung 37d, die auf der Oberseite davon vorgesehen ist, eine Heizgas-Auslassöffnung bildet. (Der Platz) zwischen den Öffnungen 37c und 37d ist durch eine Seitenplatte 39 verschlossen. Außerdem sind Heizrippen 37b, welche einen im Wesentlichen dreiecksförmige wellenförmigen Querschnitt haben, innerhalb jedes Heizgas-Flusspfads 37 im Bereich der Oberseiten der Seitenplatten 39 vorgesehen, wobei sich deren Scheitelbereiche in einer vertikalen Richtung (d. h., in der Richtung der Schwerkraft) erstrecken. Die Scheitelbereiche dieser Heizrippen 39b sind mit den Trennwänden 35 verbunden, die eine Trennung mit den Verdampfungsflusspfaden 36 bilden. Es sei angemerkt, dass 7 eine Querschnittsansicht längs der Linie II-II in 6 ist.
In diesem Verdampfer 30 fließt, wie in 8 gezeigt ist, Heizgas in jeden Heizgas-Flusspfad 37 von den jeweiligen unteren Seitenöffnungen 37c und läuft weiter durch den Innenraum der Heizgas-Flusspfade 37 in Richtung auf die hintere Seitenfläche des Gehäuses 31. Zusätzlich fließt das Heizgas in die entsprechenden Spalten, welche zwischen den Heizrippen 37b gebildet werden, und steigt nach oben. Wenn das Heizgas die Kopfbereiche des Innenraums der Heizgas-Flusspfade 37 erreicht, wechselt dies seine Richtung in Richtung auf die Öffnungen 37d auf der oberen Seite und wird von den Öffnungen 37d entladen.
Folglich fallen bei diesem Verdampfer 30 der flüssige Kraftstoff, der Kraftstoffdampf und das Heizgas sämtlich in Richtung der Schwerkraft.
Der Rest des Aufbaus ist der gleiche wie bei der ersten Ausführungsform, und daher wurden die gleichen Komponenten mit den gleichen Bezeichnungen bezeichnet, so dass auf eine Beschreibung dafür verzichtet wird.
Der Verdampfer 30 nach dieser zweiten Ausführungsform ist ebenfalls in der Lage, flüssigen Kraftstoff extrem effizient und schnell zu verdampfen und besitzt eine ausgezeichnete Ausbeute.
Dritte Ausführungsform
Es sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist.
Beispielweise ist die Form der Heizrippen 36a, die innerhalb der Verdampfungsflusspfade 36 vorgesehen sind, nicht auf eine im Wesentlichen dreiecksförmige Wellenform beschränkt, und es kann eine Vielzahl von Formen, beispielsweise die, die in 9A bis 9E gezeigt sind, verwendet werden. 9A ist eine Heizrippe, die einen rechteckigen wellenförmigen Querschnitt hat, 9B ist so etwas, was als Spiral-Heizrippe bekannt ist, 9C ist eine Mehrfachloch-Plattenheizrippe, 9D ist etwas, was als Zellenheizrippe bekannt ist, und 9E ist so etwas, was als Jalousie-Heizrippe bekannt ist.
Zusätzlich sind bei den oben beschriebenen Ausführungsformen die Heizrippen 36a in mehreren Stufen in einer Richtung der Schwerkraft innerhalb der Verdampfungsflusspfade 36 vorgesehen, und die Heizrippen 36a in benachbarten Stufen sind zueinander versetzt angeordnet, wobei die vorliegende Erfindung auch noch erreicht wird, sogar wenn mehrere Lagen von Heizrippen 36 nicht vorgesehen sind oder wenn die Heizrippen 36a nicht versetzt sind.
Es ist außerdem für die Heizvorrichtung auch möglich, die auf der Bodenseite des Bodenbereichs der Verdampfungsflusspfade vorgesehen ist, dass diese durch einen elektrischen Heizer oder dgl. gebildet wird.
Vierte Ausführungsform
Die vierte Ausführungsform des Verdampfers nach der vorliegenden Erfindung wird nun mit Hilfe von 10 bis 16 beschrieben. Es sei angemerkt, dass der Verdampfer nach der vierten Ausführungsform eine Form hat, die bei einem Kraftstoffverbesserungssystem für eine Kraftstoffzelle verwendet wird, und der Kraftstoff, der durch diesen Verdampfer erzeugt wird, zu einer Verbesserungseinrichtung geliefert wird und durch die Verbesserungseinrichtung in wasserstoffreiches Kraftstoffgas für eine Kraftstoffzelle verbessert wird.
10 ist eine vertikale Querschnittsansicht eines Verdampfers 101. 11 ist eine Querschnittsansicht längs der Linie A-A in 10, während 12 eine Querschnittsansicht längs der Linie B-B in 10 ist. Der Verdampfer 101 ist mit einem boxförmigen Gehäuse 102 versehen, und eine Heizgas-Einlassöffnung 103 ist in einer vorderen Fläche (d. h., auf der rechten Seite in 10) des Gehäuses 102 vorgesehen. Eine Heizgas-Auslassöffnung 104 ist in der hinteren Fläche (d. h., auf der linken Seite in 10) des Gehäuses 102 vorgesehen, und eine Dampfauflassöffnung 105 ist in einer Seitenfläche (d. h., der hinteren Seitenfläche 10) des Gehäuses 102 vorgesehen. Es sei angemerkt, dass in der unten angegebenen Beschreibung der Ausdruck "vordere Fläche" die rechte Seite in 10 bezeichnet, während der Ausdruck "hintere Fläche" die linke Seite in 10 bezeichnet.
Ein Superheizkern 110 ist auf der vorderen Flächenseite innerhalb des Gehäuses 102 des Verdampfers 101 angeordnet, und ein Verdampfungskern 130 ist auf der hinteren Flächenseite des Superheizkerns 110 vorgesehen.
Wie in einer repräsentativen Ansicht in 13 gezeigt ist, ist der Superheizkern 110 mit einem rechteckigen Parallelflächner-Gehäuse 111 vorgesehen, und ein Dampfflusspfad 112 ist im Bodenbereich innerhalb des Gehäuses 111 gebildet. Der Innenraum des Gehäuses 111 über dem Dampfflusspfad 112 ist in eine große Anzahl von schmalen Kammern, die parallel zueinander gebildet sind, durch Trennwände 113 unterteilt, die sich von der vorderen Seitenfläche in Richtung auf die hintere Seitenfläche erstrecken, und diese Kammern sind abwechselnd als Heizgas-Flusspfade (d. h., unmittelbarer Heizgas-Flusspfade) 114 und Dampfflusspfade 115 ausgebildet.
Ein jeder der Heizgas-Flusspfade 114 ist am Kopfbereich und an dessen Bodenbereich abgeschlossen, um somit vom Dampfflusspfad 112 abgeschlossen zu sein, während die beiden Seitenbereiche durch die Trennwände 113 verschlossen sind. Heizrippen 114a, die einen im Wesentlichen dreieckförmigen wellenförmigen Querschnitt haben, sind innerhalb jedes Heizgas-Flusspfads 114 angeordnet, so dass deren Scheitelbereiche sich in einer horizontalen Richtung von der vorderen Seitenfläche in Richtung auf die hintere Seitenfläche erstrecken. Zusätzlich sind die Scheitelbereiche dieser Heizrippen 114a mit den Trennwänden 113 verbunden. Ein Oxidationskatalysator auf Pt-Basis ist auf der Fläche der Heizrippen 114 gelagert. Außerdem sind, wie in 10 gezeigt ist, die Öffnungen auf der vorderen Seitenflä che der jeweiligen Heizgas-Flusspfade 114 mit der Heizgas-Einlassöffnung 103 über eine Heizgas-Verteilungskammer 125 verbunden, während die Öffnungen auf der hinteren Seitenfläche mit einer Verbindungskammer 120 verbunden sind, die zwischen dem Superheizkern 110 und dem Verdampfungskern 130 vorgesehen ist.
Im Gegensatz dazu ist jeder Dampfflusspfad 115 durch eine Trennwand 116 unterteilt, der teilweise weg längs der Dampfflusspfade zu einem ersten hinteren Seitenflächen-Dampfflusspfad (d. h., in einem Superheizabschnitt) 117 und einem vorderen zweiten Seitenflächen-Dampfflusspfad (d. h., ein Superheizabschnitt) 118 vorgesehen ist. Beide Dampfflusspfade 117 und 118 haben einen Aufbau, bei dem die vorderen Seitenflächen und die hinteren Seitenflächen durch Umfangswände 111a des Gehäuses 11 oder durch die Trennwand 116 verschlossen sind. Außerdem sind deren beiden Seitenbereiche durch die Umfangswände 111a oder durch die Trennwand 113 verschlossen, während die Kopfbereiche und die Bodenbereiche vollständig offen sind. Heizrippen 117a und 118a, die einen im Wesentlichen dreiecksförmigen wellenförmigen Querschnitt haben, sind entsprechend innerhalb der ersten Dampfflusspfade 117 und der zweiten Dampfflusspfade 118 vorgesehen, so dass deren Scheitelbereiche sich in einer vertikalen Richtung (d. h., in der Schwerkraftrichtung) erstrecken. Die Scheitelbereiche der Heizrippen 117a und 118a sind mit der Trennwand 113 verbunden.
Alle Bodenbereichsöffnungen der jeweiligen Dampfflusspfade 117 und 118 sind mit dem Dampfflusspfad 112 verbunden. Zusätzlich sind, wie in 10 gezeigt ist, die Kopfbereichsöffnungen der ersten Dampfflusspfade 117 mit einem Dampfflusspfad 141, der in einem Kopfbereich der Verbindungskammer 120 vorgesehen ist, und den ersten Dampfflusspfaden 117 innerhalb des Gehäuses 102 verbunden. Die Kopfbereichsöffnungen der zweiten Dampfflusspfade 118 sind mit einem Dampfflusspfad 142 verbunden, der in einem Kopfbereich der zweiten Dampfflusspfade 118 innerhalb des Gehäuses 102 vorgesehen ist, und der Dampfflusspfad 142 ist mit einer Dampfauslassöffnung 105 verbunden.
Außerdem sind, wie in 12 gezeigt ist, ein Bodenbereich und beide Seitenbereiche des Superheizkerns 110 durch eine thermische Isolationskammer 121 umschlossen, welche durch einen luftdichten Raum gebildet ist, innerhalb welcher die Luft abgedichtet ist, so dass die Temperatur des Superheizkerns 110 konstant gehalten wird.
Dagegen ist, wie in einer repräsentativen Ansicht in 14 gezeigt ist, der Verdampfungskern 130 mit einem Gehäuse 131 versehen, der die Form eines rechteckigen Parallelflächners hat. Ein poröses Material 133 ist auf der Oberseite einer Bodenplatte (d. h., einem Bodenbereich) 132 des Gehäuses 131 befestigt. Das poröse Material 133 kann beispiels weise durch ein poröses Material auf Nickelbasis gebildet sein, welches einen großen spezifischen Flächenbereich hat (beispielsweise einen Lochdurchmesser von 0,5 mm und einen spezifischen Flächenbereich von 7500 m²/m³) und auf der Bodenplatte 132 verlötet ist. Der Innenraum des Gehäuses 131 über dem porösen Material 133 ist in eine große Anzahl von schmalen Kammern, die parallel zueinander gebildet sind, durch Trennwände 135 unterteilt, welche sich von der vorderen Seitenfläche in Richtung auf die hintere Seitenfläche erstrecken, und diese Kammern sind abwechselnd als Verdampfungsflusspfade (d. h., Verdampfungsabschnitte) 136 und Heizgas-Flusspfade (d. h., Heizgas-Lenkflusspfade) 137 ausgebildet.
Jeder der Verdampfungsflusspfade 136 ist lediglich am Kopf offen, und deren Bodenbereiche sind durch die Bodenplatte 132 verschlossen, welche mit dem porösen Material 133 versehen ist, während alle vier Seiten durch Umfangswände 131a des Gehäuses 131 und durch Trennwände 135 verschlossen sind. Jeder Verdampfungsflusspfad 136 ist nämlich zu einer Boxform ausgebildet, welche lediglich am Kopf offen ist. Heizrippen 136, welche eine im Wesentlichen dreiecksförmige wellenförmige Querschnittsform haben, sind innerhalb jedes Verdampfpfugsflusspfads 136 angeordnet, so dass deren Scheitelbereiche sich in einer Vertikalrichtung (d. h ., in der Richtung der Schwerkraft) erstrecken. Zusätzlich sind, wie in 15 gezeigt ist, die Heizrippen 136a in Stufen installiert, die in der Aufwärtsrichtung innerhalb jedes Verdampfungsflusspfads 136 1aufen, und in Stufen 136a, die benachbart vertikal angeordnet sind, so dass die Scheitelbereiche einer Rippe 136a von den Scheitelbereichen von den benachbarten Rippen 136a versetzt sind. Die Scheitelbereiche dieser Heizrippen 136a sind mit den Trennwänden 135 verbunden, die eine Grenze mit den Heizgas-Flusspfaden 137 bilden.
Im Gegensatz dazu ist ein jeder der Heizgas-Flusspfade 137 am Kopf durch eine Kopfplatte 138 verschlossen, und deren Bodenbereiche sind durch eine Bodenplatte 132 verschlossen, welche mit dem porösen Material 133 versehen ist. Beide Seitenbereiche sind durch die Trennwände 135 verschlossen, wobei die vordere Seitenfläche und die hintere Seitenfläche des Gehäuses 131 vollständig offen sind. Jeder Heizgas-Flusspfad 137 ist nämlich als rechteckiger Zylinder ausgebildet, dessen Öffnung sich von der vorderen Seitenfläche zur hinteren Seitenfläche erstreckt. Folglich ist jeder Heizgas-Flusspfad 137 des Verdampfungskerns 130 mit dem Heizgas-Flusspfad 114 des Superheizkerns 110 über die Verbindungskammer 120 verbunden. Zusätzlich sind Heizrippen 137a, welche einen im Wesentlichen dreiecksförmigen wellenförmigen Querschnitt haben, innerhalb jedes Heizgas-Flusspfads 137 vorgesehen, so dass deren Scheitelbereiche sich in einer horizontalen Richtung erstrecken. Die Scheitelbereiche dieser Heizrippen 137a sind mit den Trennwänden 135 verbunden, wel the eine Grenze mit den Verdampfungsflusspfaden 136 bilden. Ein Reinigungskatalysator (beispielsweise Pt, Pd oder Rh), der zum Reinigen von Emissionen, beispielsweise Kohlenstoffmonoxid (CO) geeignet ist, ist auf der Fläche der Heizrippen 137a angeordnet.
Wie in 10 gezeigt ist, ist der Verdampfungskern 130 durch ein Loch in einer Lagerplatte eingeführt, die vertikal innerhalb des Gehäuses 102 fixiert ist. Ein Außenumfang eines Endbereichs auf der hinteren Seitenfläche des Gehäuses 131 und die Lagerplatte 122 sind durch Bälge 123 verbunden, die thermische Expansion absorbieren.
Wie in 10 und 11 gezeigt ist, ist eine Verdampfungskammer 140 innerhalb des Gehäuses 102 in einem Kopfbereich des Verdampfungskerns 130 vorgesehen, der auf der vorderen Seitenfläche der Lagerplatte 122 angeordnet ist. Kopfbereichsöffnungen der jeweiligen Verdampfungsflusspfade 136 des Verdampfungskerns 130 sind mit der Verdampfungskammer 140 verbunden, und der Dampfflusspfad 141, der oben erläutert wurde, ist ebenfalls mit der Verdampfungskammer 140 verbunden.
Zwei Kraftstoffzufuhrrohre (d. h., Kraftstoffzufuhrabschnitte) 160 und 160, deren Achsen sich in einer Richtung erstrecken, in welcher die Verdampfungsflusspfade 136 und die Heizgas-Flusspfade 137 benachbart zueinander liegen, sind parallel zueinander in der Verdampfungskammer 140 vorgesehen. Die distalen Enden jedes Kraftstoffzufuhrrohrs 160 sind verschlossen, und, wie in 16 gezeigt ist, sind Paare von Zufuhrlöchern 160a in jedem Kraftstoffzufuhrrohr 160 offen, welche diagonal nach unten den linken und rechten Bereichen gegenüberliegen, welche über den jeweiligen Verdampfungsflusspfaden 136 angeordnet sind. Flüssiger Kraftstoff (d. h., eine gemischte Flüssigkeit von Methanol oder Benzin und Wasser oder dgl.) wird zu jedem Kraftstoffzufuhrrohr 160 über eine Flüssigkraftstoff-Zufuhrleitung 100 geliefert.
Ein Heizgas-Flusspfad 150 ist innerhalb des Gehäuses 120 so gebildet, dass er den hinteren Bereich des Verdampfungskerns 130 und den äußeren Umfang der Bälge 123 umgibt. Die Öffnung auf der hinteren Seitenfläche ein jedes Heizgas-Flusspfads 137 des Verdampfungskerns 130 ist mit dem Heizgas-Flusspfad 150 verbunden.
Außerdem ist, wie in 10 und 11 gezeigt ist, ein Heizgas-Flusspfad (d. h ., ein Temperatursteuerungsabschnitt 151 innerhalb des Gehäuses 102 so gebildet, dass er den Bodenbereich und beide Seitenbereiche des Verdampfungskerns 130 umgibt, der auf der vorderen Seitenfläche der Lagerplatte 122 positioniert ist, und dass er den Kopfbereich und beide Seitenbereiche der Verdampfungskammer 140 umgibt.
Der Heizgas-Flusspfad 150 und die Verdampfungskammer 140 sind durch die Lagerplatte 122 getrennt. Der Heizgas-Flusspfad 150 und der Heizgas-Flusspfad 151 sind eben falls durch die Lagerplatte 122 getrennt, wobei jedoch der Heizgas-Flusspfad 150 und der Heizgas-Flusspfad 151 über die Öffnung 122a miteinander verbunden sind, welche in der Lagerplatte 122 auf der Bodenseite des Verdampfungskerns 130 gebildet ist.
Der Heizgas-Flusspfad 151 ist ebenfalls mit einem Heizgas-Flusspfad 152 verbunden, der innerhalb des Gehäuses 102 so gebildet ist, dass er den hinteren Bereich, den oberen Bereich und beide Seitenbereiche des Heizgas-Flusspfads 150 umgibt. Der Heizgas-Flusspfad 152 ist mit der Heizgas-Auslassöffnung 104 verbunden.
Die Arbeitsweise des Verdampfers 101, der auf diese Art und Weise ausgebildet ist, wird nun beschrieben.
Zunächst wird der Fluss des Heizgases beschrieben. Die Pfeile, die durch unterbrochene Linien in 10, 11, 13 und 14 gezeigt sind, zeigen die Flussrichtung des Heizgases.
Bei dieser vierten Ausführungsform werden Kathodenabgas, welches Sauerstoff enthält, welches von der Kathode einer Kraftstoffzelle (nicht gezeigt) entladen wird, und Anoden-Abgas, welches Wasserstoff enthält, welcher von der Anode der Kraftstoffzelle entladen wird, von der Heizgas-Einlassöffnung 103 geliefert. Diese Gase werden dann zu jedem Heizgas-Flusspfad 114 des Verdampfungskerns 130 über die Heizgas-Verteilungskammer 125 geliefert. Die Abgase laufen weiter horizontal längs der jeweiligen Heizgas-Flusspfade 114 von der vorderen Seitenfläche zur hinteren Seitenfläche, und, da die Abgase längs der jeweiligen Heizgas-Flusspfade 114 fließen, werden sie durch den Oxidationskatalysator, der auf den Heizrippen 114a gelagert ist, katalytisch verbrannt. Verbrennungsgas, welches durch diese Verbrennung erzeugt wird, wird bei der vorliegenden Ausführungsform als Heizgas verwendet. Ein Bereich der Wärme vom Heizgas wird zu den Trennwänden 113 des Superheizkerns 110 über die Heizrippen 114a übertragen, und es wird weiter zu den Heizrippen 117a und 118a über die Dampfflusspfade 117 und 118 des Superheizkerns 110 übertragen. Es sei angemerkt, dass die Temperatur der Heizrippen 117 und 118 auf oder über der gesättigten Dampftemperatur des flüssigen Kraftstoffs gehalten wird.
Das Heizgas, welches innerhalb der jeweiligen Heizgas-Flusspfade 114 des Superheizkerns 110 gelaufen ist, fließt in die jeweiligen Heizgas-Flusspfade 137 des Verdampfungskerns 130 über die Verbindungskammer 120, und es fließt horizontal durch die jeweiligen Heizgas-Flusspfade 137 von der vorderen Seitenfläche zur hinteren Seitenfläche. Es sei jedoch angemerkt, da der Superheizkern 110 und der VerdampfUngskern 130 auf einer Geraden angeordnet sind, sogar, wenn die Verbindungskammer 120 zwischen den beiden angeordnet ist, sich das Heizgas in einer Geraden im Wesentlichen horizontal von der Öffnung auf der vorderen Seitenfläche der Heizgas-Flusspfade 114 bewegt, bis es bei der Öffnung auf der hinteren Seitenfläche der Heizgas-Flusspfade 137 ankommt. Somit gibt es einen extrem kleinen Druckverlust im Heizgas von der Stelle, wo dieses den Superheizkern 110 betritt, bis es den Verdampfungskern 130 verlässt, so dass eine große Menge an Heizgas zirkulieren kann. Da außerdem der Superheizkern 110 und der Verdampfungskern 130 auf einer Geraden angeordnet sind, kann die Verbindungskammer 120 als kurzer geradliniger Pfad ausgebildet werden. Als Folge davon ist es möglich, die Wärmeentladung von der Verbindungskammer 120 zu unterdrücken, so dass das Heizgas zum Verdampfungskern 130 mit einer höheren Temperatur geliefert werden kann. Zusätzlich kann die Baugröße des Verdampfers 101 reduziert werden.
Da das Heizgas längs der jeweiligen Heizgas-Flusspfade 137 zirkuliert, wird nichtreaktionsfähiger Wasserstoff, der im Heizgas enthalten ist, durch den Reinigungskatalysator, der auf den Heizrippen 137a gelagert ist, katalytisch verbrannt, wodurch die Temperatur des Gases angehoben wird. Wenn außerdem Emissionen, beispielsweise CO in kleinen Mengen im Heizgas vorhanden sind, verbrennt der Reinigungskatalysator, der auf den Heizrippen 137a angeordnet ist, diese Emissionen katalytisch und reinigt diese. Ein Teil der Wärme vom Heizgas wird zu den Trennwänden 135 des Verdampfungskerns 130 über die Heizrippen 137a übertragen, und es wird außerdem zu den Heizrippen 136a der Verdampfungsflusspfade 136 des Verdampfungskerns 130 übertragen.
Da auf diese Weise Heizgas durch die katalytische Verbrennung von Abgas unter Verwendung eines Katalysators gebildet wird, der auf sowohl den Heizgas-Flusspfaden 114 des Superheizkerns 110 als auch auf den Heizgas-Flusspfaden 137 des Verdampfungskerns 130 vorgesehen ist, wird es im Vergleich dazu, wenn eine Katalyseverbrennungskammer außerhalb des Verdampfers 101 installiert ist, möglich, die Entladung von Wärme von den Heizgas-Flusspfaden 114 und 137 zu unterdrücken und dadurch die Heizwirksamkeit zu verbessern, und es ist möglich, das gesamte Verbesserungssystem kompakter auszuführen.
Es sei angemerkt, dass die Temperaturbedingungen im Superheizkern 110 und im Verdampfungskern 130 verschieden sind. Da folglich die Temperatur der Heizrippen 114a der Heizgas-Flusspfade 114 von der der Heizrippen 137a der Heizgas-Flusspfade 137 verschieden ist, kann durch Anwenden von Katalysatoren, welche eine aktive Temperatur haben, die für die jeweiligen Temperaturzustände geeignet ist, als Katalysatoren, die auf den entsprechenden Heizrippen 114a und 137a gelagert sind, die Lebensdauer der Katalysatoren verlängert werden.
Das Heizgas, welches unmittelbar in die Heizgas-Flusspfade 137 des Verdampfungskerns 130 geflossen ist, fließt in den Heizgas-Flusspfad 150. Die Flussrichtung des Heizgases wird dann im Heizgas-Flusspfad 150 umgedreht, und das Heizgas fließt durch die Öffnungen 122a der Lagerplatte 122 und in den Heizgas-Flusspfad 151. Heizgas, welches von den Öffnungen 122a und zum Heizgas-Flusspfad 151 geflossen ist, heizt das poröse Material 133 über die Bodenplatte 132 des Verdampfungskerns 130 auf und zirkuliert rundum beide Seiten, um somit aufzusteigen, und zirkuliert dann um die Seitenbereiche des Verdampfungskerns 130 und den Kopf der Verdampfungskammer 140 (siehe 11). Als Folge davon, dass das Heizgas zum Heizgas-Flusspfad 151 auf diese Art und Weise fließt, ist es möglich, das poröse Material 133 ohne Bereitstellung einer externen Heizquelle zu erhitzen. Zusätzlich ist eine temperatur-gesteuerte Ebene um den Verdampfungskern 130 und die Verdampfungskammer 140 gebildet, wodurch die Entladung von Wärme vom Verdampfungskern 130 unterdrückt werden kann.
Das Heizgas zirkuliert dann vom Heizgas-Flusspfad 151 durch den Heizgas-Flusspfad 152 und wird dann zur Außenseite des Systems von der Heizgas-Auslassöffnung 104 entladen.
Anschließend wird der Fluss von flüssigen Kraftstoff (beispielsweise eine Mischung von Methanol oder Benzin oder dgl. und Wasser) und des Kraftstoffdampfs beschrieben. In 10 bis 14 zeigen die Pfeile, welche durch durchgezogene Linien gezeigt sind, die Flussrichtung des flüssigen Kraftstoffs oder des Kraftstoffdampfs.
Der flüssige Kraftstoff wird von der Flüssigkeitskraftstoff-Zufuhrleitung 100 zu jedem Kraftstoffzufuhrrohr 160 geliefert. Der flüssige Kraftstoff wird dann von den Zufuhrlöchern 160a, die in den Kraftstoffzufuhrrohren 160 vorgesehen sind, in Richtung auf die jeweiligen Verdampfungsflusspfade 136 des Verdampfungskerns 130 gespritzt. Der flüssige Kraftstoff, der von den Zufuhrlöchern 160a eingespritzt wurde, bildet Tröpfchen, die an den Heizrippen 136a der jeweiligen Verdampfungsflusspfade 136 anhaften und fällt nach unten, während er sich über die Flächen der Heizrippen 136a bewegt. Alternativ fällt der flüssige Kraftstoff durch die Spalte, welche zwischen den Heizrippen 136a gebildet sind. Der größte Teil des flüssigen Kraftstoffs, der durch die Spalte zwischen die Heizrippen 136a fällt, kollidiert mit den unterhalb angeordneten Heizrippen 136a, wenn dieser abfällt, und haftet an den Flächen dieser Heizrippen 136a. In jedem Fall fließt der flüssige Kraftstoff in der Schwerkraftrichtung innerhalb der Verdampfungsflusspfade 136 nach unten. Der flüssige Kraftstoff, der an den Heizrippen 136a angehaftet ist, tauscht Wärme mit dem Heizgas, welches durch die Heizgas-Flusspfade 137 zirkuliert, über die Trennwände 135 und die Heizrippen 136a aus und wird verdampft, um Kraftstoffdampf zu bilden. Der flüssige Kraftstoff, der nicht verdampft werden konnte, da er durch den Innenraum der Verdampfungsflusspfade 136 fiel, durchdringt die kleinen Löcher im porösen Material 133, bevor er die Bodenplatte 132 erreicht und tauscht hier Wärme mit dem Heizgas über das poröse Material 133 aus, so dass er unmittelbar verdampft wird und Kraftstoffdampf bildet.
Der Kraftstoffdampf, der auf diese Weise erzeugt wurde, steigt nach oben in der Schwerkraftrichtung innerhalb der Verdampfungsflusspfade 136 und wird von den Kopfbereichsöffnungen der Verdampfungsflusspfade 136 zur Verdampfungskammer 140 entladen.
Folglich fließt in diesem Verdampfer 130, während flüssiger Kraftstoff oder Kraftstoffdampf innerhalb der Verdampfungsflusspfade 136 entweder nach oben oder nach unten in der Richtung der Schwerkraft zirkuliert, wie oben beschrieben, das Heizgas in einer horizontalen Richtung innerhalb der Heizgas-Flusspfade 137, wodurch sich die Flussrichtungen einander schneiden.
In diesem Verdampfungskern 130 ist es, da die Verdampfungsflusspfade 136 und die Heizgas-Flusspfade 137 abwechselnd angeordnet sind, möglich, die Verdampfungsbildungsleistung zu verbessern, während die Baugröße der Vorrichtung klein gehalten wird.
Da außerdem die Heizrippen 136a auf den Verdampfungsflusspfaden 136 vorgesehen sind, ist der Flächenbereich der Heizfläche extrem groß, so dass es für den flüssigen Kraftstoff einfach ist, sich auszubreiten, was zur Folge hat, dass die Verdampfung von flüssigem Kraftstoff beschleunigt wird.
Wenn außerdem der flüssige Kraftstoff gegen die Heizrippen 136a kollidiert, zusätzlich zum Anhaften an den Positionen, an denen dieser kollidiert (bezeichnet anschließend als Kollisionspositionen), wird der flüssige Kraftstoff ebenfalls zerstreut und der zerstreute flüssige Kraftstoff kollidiert noch einmal mit den Heizrippen 136a in der Nähe der Kollisionspositionen. Da diese Kollisionen wiederholt werden, steigt die Häufigkeit, mit welcher der flüssige Kraftstoff in Kontakt mit den Flächen der Heizrippen 136a kommt, die die geheizten Flächen sind, an, so dass die Verdampfung von flüssigem Kraftstoff beschleunigt wird.
Da insbesondere die Heizrippen 136a in Stufen in einer vertikalen Richtung vorgesehen sind und da die Scheitelbereiche der Heizrippen 136a vertikal versetzt sind, wird die Häufigkeit der Kollisionen von flüssigem Kraftstoff gegen die Heizrippen 136a weiter gesteigert, und die Verdampfung des flüssigen Kraftstoffs wird weiter beschleunigt.
Da weiter ein Temperaturgradient in den Heizrippen 136a in einer Richtung erzeugt wird, wenn sich den Trennwänden 135 angenähert wird oder sich davon wegbewegt wird, wird eine Temperaturdifferenz zwischen den Flächen der Heizrippen 136a und dem flüssigen Kraftstoff, der an diesen Flächen haftet, in dem Bereich erzeugt, der eine Kernsiedezone bildet, so das Wärme leicht in diesem Bereich übertragen wird, und flüssiger Kraftstoff, der an der Fläche der Heizrippen 136a angehaftet hat, leicht verdampft wird.
Da außerdem die Temperaturverteilung über die Gesamtheit der Heizrippen 136a innerhalb der Verdampfungsflusspfade 136 durch die thermische Leitung der Heizrippen 136a in etwa gleichförmig gemacht wird, kann der gesamte Bereich der Verdampfungsflusspfade 136 als Heizaustauschbereich verwendet werden, so dass flüssiger Kraftstoff effizient verdampft und in Kraftstoffdampf umgesetzt werden kann.
Durch vertikalen Versatz der Scheitelbereiche der Heizrippen 136a werden außerdem alle Spalte zwischen den Heizrippen 136a in einem einzigen Verdampfungsflusspfad 136 miteinander verbunden. Daher werden flüssige Tröpfchen an flüssigen Kraftstoff, welche durch die Verdampfungsflusspfade 136 fallen und außerdem gebildeter Kraftstoffdampf zerstreut verteilt, so dass die gesamte thermische Belastung innerhalb eines einzigen Verdampfungsflusspfads 136 gleichförmig gemacht wird. Folglich kann der flüssige Kraftstoff effizient verdampft werden.
Da außerdem die Tröpfchen von flüssigem Kraftstoff vom Kopf zum Boden innerhalb der Verdampfungsflusspfade 136 fallen und der gebildete Kraftstoffdampf innerhalb der Verdampfungsflusspfade 136 ansteigt, kommen die Tröpfchen von flüssigem Kraftstoff und der Kraftstoffdampf aufgrund ihres entgegengesetzten Flusses in Kontakt miteinander, wodurch das Vorheizen und das Verfeinern der Tröpfchen beschleunigt wird. Zusätzlich wird der flüssige Film von flüssigem Kraftstoff, der auf der Fläche der Heizrippen 136a gebildet wird, schnell ausgedünnt, was zur Folge hat, dass die Verdampfung von flüssigem Kraftstoff beschleunigt wird.
Folglich ist der Verdampfer 101 in der Lage, flüssigen Kraftstoff extrem effizient und schnell zu verdampfen, und er besitzt eine ausgezeichnete Ausbeute.
Kraftstoffdampf, der in die Verdampfungskammer 140 entladen wurde, läuft durch die Dampfkammer 141 und fließt in die jeweiligen ersten Verdampfungsflusspfade 117 des Superheizkerns 110. Der Kraftstoffdampf zirkuliert dann durch den ersten Dampfflusspfad 117 stromabwärts in der vertikalen Richtung (d. h., in der Richtung der Schwerkraft) und fließt in den Dampfflusspfad 112. Wenn der Kraftstoffdampf durch die ersten Dampfflusspfade 117 zirkuliert, tauscht er Wärme mit dem Heizgas, welches durch die Heizgas-Flusspfade 114 zirkuliert, über die Trennwände 113 und die Heizrippen 117a aus und wird dann erwärmt.
Die Flussrichtung des Kraftstoffdampfs, der in den Dampfflusspfad 112 fließt, wird um 180° im Dampfflusspfad 112 umgekehrt, so dass der Kraftstoffdampf in die jeweili gen zweiten Dampfflusspfade 118 des Superheizkerns 110 fließt, durch jeden der zweiten Dampfflusspfade 118 nach oben in einer vertikalen Richtung fließt (d. h., in der Schwerkraftrichtung) und in den Dampfflusspfad 142 entladen wird. Wenn der Kraftstoffdampf durch die zweiten Dampfflusspfade 118 zirkuliert, tauscht er Wärme mit dem Heizgas, welches durch die Heizgas-Flusspfade 114 zirkuliert, über die Trennwände 113 und die Heizrippen 118a aus und wird erwärmt.
Da nämlich der Kraftstoffdampf so zirkuliert, dass er die Flussrichtung des Heizgases im Superheizkern 110 zweimal schneidet und Wärme mit dem Heizgas austauscht, da er zweimal durch den Heizkern 110 zirkuliert, wird dieser ausreichend erhitzt, und es ist möglich, die Temperatur des Kraftstoffdampfs auf eine Temperatur anzuheben, die in der Nähe der Temperatur des Heizgases in den stromaufwärtigen Bereichen der Heizkraft-Flusspfade 114 liegt. Da außerdem die Heizrippen 114a der Heizgas-Flusspfade 114 des Superheizkerns 110 bei oder über der gesättigten Dampftemperatur sind, ist es möglich, den Kraftstoffdampf auf die gesättigte Dampftemperatur oder darüber übermäßig zu erwärmen.
Der Kraftstoffdampf, der im Superheizkern 110 in dieser Weise übermäßig erwärmt wurde, wird vom Dampfflusspfad 142 zu einer Verbesserungseinrichtung (nicht gezeigt) über die Dampfentladeöffnung 105 geliefert. Er wird dann in wasserstoffreiches Kraftstoffgas in der Verbesserungsvorrichtung umgesetzt und zu einer Kraftstoffzelle geliefert. Es sei angemerkt, dass es möglich ist, da die Dampfentladeöffnung 105 im oberen Bereich der Seitenfläche des Gehäuses 102 vorgesehen ist, das Entladen von Tröpfchen zu verhindern, welche vom Standpunkt der Ausbeute in der Verbesserungseinrichtung unerwünscht sind. Außerdem ist es wünschenswert, zu verhindern, dass Tröpfchen, die erzeugt werden, wenn der Betrieb des Verdampfers 1 gestoppt wird, in die Verbesserungseinrichtung entladen werden.
Industrielle Verwertbarkeit
Wie oben beschrieben werden gemäß dem Verdampfer nach der vorliegenden Erfindung die ausgezeichneten Wirkungen dadurch erzielt, dass flüssiger Kraftstoff extrem wirksam und schnell verdampft werden kann, und die Ausbeute des Verdampfers beträchtlich verbessert wird.
Gemäß dem Verdampfer nach der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Verdampferbildungsleistung zu verbessern, wobei die Baugröße der Vorrichtung klein gehalten wird.
Gemäß dem Verdampfer nach der vorliegenden Erfindung können die Heizgas-Flusspfade in einer horizontalen Richtung angeordnet sein, so dass die Anordnung der Einlass- und Auslassöffnungen des Heizgas-Flusspfads vereinfacht wird und der Aufbau des Verdampfers vereinfacht werden kann. Außerdem kann jeglicher Druckverlust in bezug auf den Heizgas-Flusspfad auf einem niedrigeren Niveau gehalten werden.
Gemäß dem Verdampfer nach der vorliegenden Erfindung wird der flüssige Kraftstoff verteilt, wenn er mit den Heizrippen kollidiert, und der verteilte flüssige Kraftstoff wird weiter verteilt, wenn er mit Heizrippen, die darunter liegen, kollidiert. Durch Wiederholen dieses Prozesses kann das Verteilen von flüssigem Kraftstoff beschleunigt werden. Da außerdem die Rate, mit welcher der Kraftstoffdampf, der innerhalb der Verdampfungsflusspfade gebildet wird, längs dieser Verdampfungsflusspfade ansteigt, durch das Vorhandensein der Heizrippen vermindert werden kann, die in mehreren Stufen vorgesehen sind, kann verhindert werden, dass die Tröpfchen des flüssigen Kraftstoffs, welche durch die Verdampfungsflusspfade fallen, zurück nach oben durch den Kraftstoffdampf geblasen werden, und es kann verhindert werden, dass die Tröpfchen von dem Kopfbereich der Verdampfungsflusspfade entladen werden, ohne verdampft zu werden. Folglich wird die Wirkung erzielt, dass die Häufigkeit, mit welcher der flüssige Kraftstoff in Kontakt mit den Heizrippen kommt, vergrößert wird, so dass die Verdampfung des flüssigen Kraftstoffs beschleunigt wird.
Gemäß dem Verdampfer nach der vorliegenden Erfindung ist es möglich, flüssigen Kraftstoff, der nicht verdampft werden konnte, da er durch die Verdampfungsflusspfade auf das poröse Material fiel, zu verdampfen, und die Wirkung wird erreicht, dass möglich wird, zu verhindern, dass Lachen an Flüssigkeit auf Bodenbereichen der Verdampfungsflusspfade gebildet werden.
Gemäß dem Verdampfer nach der vorliegenden Erfindung wird die Wirkung erzielt, dass flüssiger Kraftstoff geliefert werden kann, nachdem er breit innerhalb der Verdampfungsflusspfade verteilt wurde.
Gemäß dem Verdampfer nach der vorliegenden Erfindung kann, da jeglicher Druckverlust im Heizgas in bezug auf den Heizgas-Direktbewegungs-Flusspfad reduziert werden kann, so dass eine größere Menge von Heizgas geliefert werden kann, die gelieferte Menge an Wärme gesteigert werden. Da es außerdem erreicht wird, dass Kraftstoffdampf, der im Verdampfungsabschnitt erzeugt wird, Wärme mit dem Heizgas im Superheizabschnitt austauscht, kann der Kraftstoffdampf sogar auf eine höhere Temperatur angehoben werden. Da außerdem Kraftstoffdampf, welcher von einem Kopfbereich des Verdampfungsabschnitts entladen wird, in den Superheizabschnitt eingeführt wird und in der Schwerkraftrichtung zir kuliert, kann die Größe des Verdampfungsabschnitts kompakter ausgeführt werden. Folglich werden die Wirkungen erreicht, dass es ermöglicht wird, eine Verbesserung der Leistung und eine Reduzierung der Baugröße des Verdampfers zu erreichen.
Gemäß dem Verdampfer nach der vorliegenden Erfindung können die Wirkungen erreicht werden, dass der Kraftstoffdampf ausreichend erwärmt werden kann und dass ein Hochtemperatur-Kraftstoffdampf gebildet werden kann.
Gemäß dem Verdampfer nach der vorliegenden Erfindung wird, da flüssiger Kraftstoff, der sich auf dem Boden des Verdampfungsabschnitts angesammelt hat, unter Verwendung von Abgaswärme vom Heizgas verdampft werden kann, der Effekt erreicht werden, dass die Leistung des Verdampfers verbessert werden kann.
Gemäß dem Verdampfer nach der vorliegenden Erfindung wird, da die Temperatur des Verdampfungsabschnitts unter Verwendung von Abgaswärme vom Heizgas beibehalten werden kann und Wärmeentladung vom Verdampfungsabschnitt unterdrückt werden kann, die Wirkung erzielt, dass die Leistung des Verdampfers verbessert wird.
Gemäß dem Verdampfer nach der vorliegenden Erfindung wird, da die Temperatur des Superheizabschnitts durch die thermische Isolationskammer beibehalten werden kann, so dass Wärmeentladung vom Verdampferabschnitt unterdrückt werden kann, die Wirkung erreicht, dass die Leistung des Verdampfers verbessert wird.
Gemäß dem Verdampfer nach der vorliegenden Erfindung kann ein vorher bestimmtes Gas innerhalb des Heizgas-Direktbewegungs-Flusspfads katalytisch verbrannt wer den, um so Heizgas zu bilden, und die Heizgasentladung vom Heizgaslenk-Bewegungsflusspfad kann unterdrückt werden, so dass die Wirkung erzielt wird, dass die Leistung des Verdampfers verbessert wird.
Gemäß dem Verdampfer nach der vorliegenden Erfindung wird unter Verwendung unterschiedlicher Katalysatoren, welche verschiedene aktive Temperaturen haben, die Wirkung erreicht, dass es möglich ist, die Lebensdauer des Katalysators zu verlängern.
Gemäß dem Verdampfer nach der vorliegenden Erfindung ist es im Vergleich da mit, wenn eine katalytische Brennkammer außerhalb des Verdampfers installiert wird, möglich, die Entladung von Wärme von den Heizgaslenk-Bewegungsflusspfaden zu unterdrücken und dadurch die Heizleistung zu verbessern, und es ist möglich, das gesamte Verbesserungssystem kompakter auszuführen. Zusätzlich ist es möglich, den Verdampfer mit einer Emissionsreinigungsfunktion bereitzustellen und ein einfacheres Kraftstoffverbesserungssystem zu erreichen.
Zusammenfassung
Ein Verdampfer erzeugt Dampf durch Verdampfen einer Flüssigkeit. Insbesondere erzeugt ein Verdampfer Kraftstoffdampf, der dazu verwendet wird, Kraftstoff durch Verdampfen einer flüssigen Kraftstoffs, der einen Kohlenstoff enthält, zu verbessern. Dieser Verdampfer weist einen Heizgaslenk-Bewegungsflusspfad auf, längs dem ein Heizgas dadurch fließt, dass er sich unmittelbar in einer horizontalen Richtung bewegt, Verdampfungsflusspfade, welche so positioniert sind, dass sie Wärme mit dem Heizgaslenk-Bewegungsflusspfad austauschen können und die flüssigen Kraftstoff verdampfen, ein Kraftstoffzufuhrrohr, welches den flüssigen Kraftstoff zu den Verdampfungsflusspfaden liefert, und einen Verdampfungsflusspfad, der in einem stromaufwärtigen Bereich auf dem Heizgaslenk-Bewegungsflusspfad von den Verdampfungsflusspfaden positioniert ist und der Kraftstoffdampf erhitzt, der von den Verdampfungsflusspfaden entladen wird. Kraftstoffdampf, der auf den Verdampfungsflusspfaden erzeugt wird, zirkuliert nach oben in der Schwerkraftrichtung längs der Verdampfungsflusspfade und wird nachfolgend von einem Kopfbereich der Verdampfungsflusspfade entladen und in den Verdampfungsflusspfad eingeführt. Der Kraftstoffdampf zirkuliert dann in der Schwerkraftrichtung längs des Verdampfungsflusspfads.

Claims

Verdampfer, der eine Flüssigkeit verdampft, um Dampf zu erzeugen, der aufweist: mehrere Heizgas-Flusspfade, durch welche Heizgas zirkuliert; mehrere Verdampfungsflusspfade, die mit Böden versehen sind und so angeordnet sind, dass sie Wärme mit den Heizgas-Flusspfaden austauschen können, und die die Flüssigkeit verdampfen, die von oben in der Schwerkraftrichtung zugeführt wird, und die den verdampften Dampf nach oben in der Schwerkraftrichtung entladen; und mehrere Heizrippen, die auf einer inneren Fläche der Verdampfungsflusspfade vorgesehen sind.
Verdampfer nach Anspruch 1, wobei die mehreren Heizgas-Flusspfade und die mehreren Verdampfungsflusspfade so angeordnet sind, dass sie einander abwechseln.
Verdampfer nach Anspruch 1, wobei zumindest ein Teil von jedem der mehreren Heizgas-Flusspfade in einer im Wesentlichen orthogonalen Richtung in bezug auf die mehreren Verdampfungsflusspfade vorgesehen ist.
Verdampfer nach Anspruch 1, wobei die mehreren Heizrippen in mehreren Stufen vorgesehen sind, die in der Schwerkraftrichtung verlaufen, und Heizrippen in einer Stufe so angeordnet sind, dass sie von Heizrippen in benachbarten Stufen versetzt sind.
Verdampfer nach Anspruch 1, wobei weiter ein poröses Material vorgesehen ist, welches auf der Oberseite der Böden der mehreren Verdampfungsflusspfade angeordnet ist, und eine Heizvorrichtung, die auf einer Bodenseite der Böden angeordnet ist.
Verdampfer nach Anspruch 1, wobei außerdem Flüssigkeitszufuhrrohre vorgesehen sind, die über den mehreren Verdampfungsflusspfaden angeordnet sind, und mehrere Zufuhrlöcher, über welche die Flüssigkeitstropfen in den Flüssigkeitszufuhrrohren bereitgestellt werden.
Verdampfer nach Anspruch 1, wobei die Flüssigkeit ein flüssiger Kraftstoff ist, der einen Kohlenstoff enthält, und der Dampf ein Kraftstoffdampf ist, der zur Kraftstoffverbesserung verwendet wird.
Verdampfer, welcher eine Flüssigkeit verdampft, um Dampf zu erzeugen, der aufweist: einen Heizgaslenk-Bewegungsflusspfad, längs dem Heizgas durch unmittelbares Bewegen in einer horizontalen Richtung fließt; einen Verdampfungsabschnitt, der so angeordnet ist, dass er Wärme mit dem Heizgaslenk-Bewegungsflusspfad austauschen kann und der die Flüssigkeit verdampft und bewirkt, dass Dampf davon nach oben in der Schwerkraftrichtung fließt; einen Flüssigkeitszufuhrabschnitt, welcher die Flüssigkeit zum Verdampfungsabschnitt liefert; und einen Superheizabschnitt, der in einem stromabwärtigen Bereich auf dem Heizgaslenk-Bewegungsflusspfad vom Verdampfungsabschnitt positioniert ist, so dass er Wärme mit dem Heizgaslenk-Bewegungsflusspfad austauschen kann, und der den Dampf so platziert, dass er vom Kopfbereich des Verdampfungsabschnitts in einem überheizten Zustand entladen wird, wobei der Superheizabschnitt mit einem Dampfflusspfad versehen ist, der mit dem Kopfbereich des Verdampfungsabschnitts verbunden ist und der bewirkt, dass der Dampf zirkuliert.
Verdampfer nach Anspruch 8, wobei der Dampfflusspfad des Superheizabschnitts so ausgebildet ist, dass er mit dem Fluss des Heizgases mehrere Male sich schneidet.
Verdampfer nach Anspruch 8, wobei ein Temperatursteuerungsabschnitt vorgesehen ist, der rundum den Verdampfungsabschnitt angeordnet ist und der mit einer Entladeöffnung des Heizgaslenk-Bewegungsflusspfads verbunden ist, und der Temperatursteuerungsabschnitt mit einem Bodenbereich-Flusspfad versehen ist, in den das Heizgas, welches vom Heizgaslenk-Bewegungsflusspfad entladen wird, eingeführt wird.
Verdampfer nach Anspruch 8, wobei der Temperatursteuerungsabschnitt mit einem Seitenflusspfad versehen ist, der bewirkt, dass das Heizgas, welches in den Bodenbe reich-Flusspfad eingeführt wird, rundum eine Seite des Verdampfungsabschnitts zirkuliert und dann nach oben ansteigt.
Verdampfer nach Anspruch 8, wobei eine thermische Isolationskammer vorgesehen ist, die rundum den Superheizabschnitt angeordnet ist.
Verdampfer nach Anspruch 8, wobei ein Katalysator in einem Innenraum des Heizgaslenk-Bewegungsflusspfads vorgesehen ist.
Verdampfer nach Anspruch 8, wobei ein erster Katalysator im Innenraum des Heizgaslenk-Bewegungsflusspfads an einer Position vorgesehen ist, wo er Wärme mit dem Superheizabschnitt austauschen kann, und ein zweiter Katalysator im Innenraum des Heizgaslenk-Bewegungsflusspfads an einer Position vorgesehen ist, wo er Wärme mit dem Verdampfungsabschnitt austauschen kann.
Verdampfer nach Anspruch 14, wobei das Heizgas durch Abbrennen von Abgas erhalten wird, welches von einer Kraftstoffzelle entladen wird, der erste Katalysator ein Oxidationskatalysator ist und der zweite Katalysator ein Emissionsreinigungskatalysator ist.
Verdampfer nach Anspruch 8, wobei die Flüssigkeit ein flüssiger Kraftstoff ist, der einen Kohlenstoff enthält, und der Kraftstoff ein Kraftstoffdampf ist, der zum Verbessern von Kraftstoff verwendet wird.