DE112004001696T5

DE112004001696T5 - Verdampfer und Verfahren zum Verdampfen

Info

Publication number: DE112004001696T5
Application number: DE112004001696T
Authority: DE
Inventors: Michael J. Franklin Reinke; Jeroen New Berlin Valensa
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 2003-09-16
Filing date: 2004-08-20
Publication date: 2006-09-07
Also published as: US20050056412A1; BRPI0414385A; KR20060082081A; CN1853081A; WO2005036085A1; JP2007506060A; GB2420401A; GB0603287D0; US7063047B2; GB2420401B

Abstract

Verdampfer (28), der Folgendes aufweist:
mehrere erste Zellen (68), wobei jede einen internen Durchlass für eine zu verdampfende Flüssigkeit, und gegenüberliegende Enden aufweist, sowie einen Flüssigkeitseinlass (56) an einem der Enden, einen Dampfauslass (58) an dem anderen der Enden und ein internes Labyrinth (82) für Fluidfluss, das sich zwischen den Enden erstreckt; mehrere zweite Zellen (69), wobei jede einen internen Strömdurchlass für ein heißes Fluid, der von beabstandet angeordneten Wänden begrenzt ist und gegenüberliegende Enden aufweist, sowie einen Einlass (65) für heißes Fluid an einem der Enden, und einen Auslass (67) für heißes Fluid an dem anderen der Enden;
wobei die ersten und zweiten Zellen (68, 69) wechselweise in einem Stapel angeordnet sind und in Wärmetauschbeziehung zu benachbarten Zellen (68, 69) stehen, wobei die Enden der ersten Zellen (68) Flüssigkeitseinlässe aufweisen, die nah zu den Enden der zweiten Zellen (69) benachbart angeordnet sind, die Heißfluidauslässe aufweisen, und wobei...

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft Verdampfer und insbesondere Verdampfer des Typs, der ein heißes Wärmetauschfluid in eine Wärmeübertragungsbeziehung zu einer Flüssigkeit setzt, die vollständig zu einem überhitzten Dampf verdampft werden soll.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Es gibt viele Anwendungen für Verdampfer verschiedener Art. Im weitesten Sinne wandelt ein Verdampfer eine Flüssigkeit in einen Dampf oder ein Zweiphasengemisch aus Flüssigkeit und Dampf um, oder er wandelt ein Zweiphasengemisch aus Dampf und Flüssigkeit in einen vollständig einphasigen Dampf um. In einigen Fällen können Verdampfer auch auf dem Weg zur Bereitstellung eines Dampfes oder eines zweiphasigen Flüssigkeit-Dampf-Gemischs eine Umwandlung aus einer Festkörperphase in die Flüssigphase bereitstellen.
Bei einigen Verdampfern wird das zu verdampfende Material in Kontakt mit einer heißen Fläche gebracht, die von einem nicht-fluiden Medium wie beispielsweise einem elektrischen Heizelement oder durch Bestrahlung der Heizfläche erhitzt wird. In den meisten Fällen erfolgt die Verdampfung allerdings, indem das zu verdampfende Material an einer Seite eines Wärme leitenden Separators angeordnet ist und ein heißes Wärmetauschfluid an der anderen Seite der Separatorplatte angeordnet ist. Das Wärmetauschfluid können erhitzte Gase sein, die von einer chemischen Reaktion erzeugt wurden, oder einfach eine Flüssigkeit oder ein gasförmiges Fluid, das zuvor durch eine Reaktion erhitzt wurde, oder sogar ein Heizelement oder Ähnliches. In einigen Fällen kann das Wärmetauschfluid relativ stationär sein. Es ist allerdings in vielen Fällen wünschenswert, dass sich das Wärmetauschfluid bewegt, um Turbulenz zu induzieren und Wärmetauschkoeffizienten zu verbessern. Im Allgemeinen ist es wünschenswert, dass sich für eine maximale Wärmeübertragungseffizienz das Wärmetauschfluid gegenläufig zu der verdampfenden Flüssigkeit bewegt.
Eine Anwendung eines Verdampfers des letzteren Typs findet sich in einem bestimmten Typ von Brennstoffzellensystem. Wie allgemein bekannt, erregen Brennstoffzellensysteme gegenwärtig beträchtliche Aufmerksamkeit als effiziente und umweltverträgliche Mittel zum Bereitstellen von Fahrleistung für Fahrzeuge. Einige Brennstoffzellensysteme arbeiten, indem sie relativ reinen Wasserstoff als Treibstoffquelle benutzen, während andere einen wasserstoffreichen Treibstoffstrom benutzen. Viele Brennstoffzellensysteme des letzteren Typs sind so genannte Treibstoffsysteme des Reformertyps, was bedeutet, dass sie mit einem wasserstoffreichen Treibstoff versorgt werden, der dann zu einem noch wasserstoffreicheren Strom reformiert wird, welcher wiederum an die Brennstoffzelle des Systems weitergeleitet wird. Treibstoffe umfassen Methanol, Ethanol, Benzin und Ähnliches.
Bei solchen Systemen ist der Treibstoff eine wasserstoffhaltige Flüssigkeit, die verdampft werden muss, bevor sie an den Systemreformer weitergeleitet wird, um zu einem wasserstoffreichen Gas reformiert zu werden. Ein Beispiel eines Treibstoffverdampfers, der ideal zur Benutzung in Brennstoffzellensystemen des Reformertyps geeignet ist, ist in der allgemein abgetretenen Patentanmeldung von Michael J. Reinke et al, Seriennummer 10/145,531, eingereicht am 14. Mai 2002, mit dem Titel: „Method and Apparatus for Vaporizing Fuel for a Reformer Fuel Cell System" (Docket Nr. 655.00937) offenbart, wobei die gesamte Offenbarung hier durch Querverweis zitiert ist.
Es wurde festgestellt, dass, wenn ein Brennstoffzellensystem des Reformertyps in einer Fahrzeuganwendung benutzt werden soll, der Treibstoffeinsatz so niedrig wie möglich sein sollte, um die Zeit zu minimieren, die das System benötigt, um auf eine Veränderung der Last zu reagieren. Wie allgemein bekannt ist, erwarten Fahrer von Fahrzeugen, die von Verbrennungsmotoren angetrieben werden, unmittelbare Reaktionen, wenn sie auf das Gaspedal oder eine Treibstoffzufuhr treten, um beim Überholen eines anderen Fahrzeugs zu beschleunigen. Bei Fahrzeugen, die von Brennstoffzellensystemen angetrieben werden, wird eine ähnliche Reaktion erwartet, wenn der Fahrer auf das Gaspedaläquivalent des Brennstoffzellensystems tritt. Es ist nun aber so, dass die Reaktion des Brennstoffzellensystems auf die Anforderungen der betätigenden Person umso langsamer ist, je höher der Treibstoffeinsatz in dem Treibstoffverdampfer ist. Zur selben Zeit muss der Treibstoff vollständig verdampft werden, bevor er an den Systemreformer weitergeleitet wird. Ein Weg zum Erhöhen der Effektivität des Verdampfers ist ein Verlängern der Kernlänge, das heißt der Länge des Teils des Wärmetauschers, der den Treibstoffdurchlauf und den Durchlauf des erhitzten Fluidmediums enthält, die zueinander in Wärmetauschbeziehung stehen. Bei zunehmender Verlängerung steigt jedoch als Ergebnis derselben auch die Reaktionszeit, da der Treibstoffeinsatz in dem Verdampfer aufgrund des erhöhten Volumens zunimmt, das mit der erhöhten Länge einhergeht.
Um also verbesserte Effizienz von Verdampfern zu erreichen, die für die Benutzung in solchen Systemen vorge sehen sind, können relativ hohe Temperaturdifferenzen eingesetzt werden, um die Wärmeübertragungsrate innerhalb des Verdampfers zu erhöhen und auf diese Weise die Verdampfungsrate des flüssigen Treibstoffs zu erhöhen. Dies erhöht wiederum die Anfälligkeit des Verdampfers für thermische Ermüdung. Da thermische Ermüdung die Nutzungsdauer des Verdampfers reduziert, ist es wünschenswert, thermische Ermüdung zu eliminieren oder zu minimieren, ohne die Reaktionszeiten des Systems zu erhöhen, insbesondere dann, wenn die Brennstoffzelle in einer Fahrzeuganwendung eingesetzt wird.
Die vorliegende Erfindung befasst sich damit, dieses Ziel zu erreichen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Hauptaufgabe der Erfindung, die Reaktionszeit eines Brennstoffzellensystems des Reformertyps zu verbessern, ohne die Kerngröße des Verdampfers so weit zu verringern, dass diese zu einer entsprechenden Verringerung der Effektivität des Verdampfers führt. Es ist außerdem eine Hauptaufgabe der Erfindung, die genannte Aufgabe zu erfüllen und dabei gleichzeitig die thermische Belastung innerhalb des Verdampfers zu reduzieren und auf diese Weise seine Nutzungsdauer zu erhöhen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erreicht dies mit einem Verdampfer zum Verdampfen eines flüssigen Treibstoffs zur Benutzung in einem Brennstoffzellensystem, der wenigstens eine erste Zelle aufweist, die einen verlängerten Treibstoffdurchlauf für Treibstoff aufweist, der verdampft werden soll, und die gegenüberliegende Enden aufweist, wobei an einem Ende ein Einlass für flüssigen Treibstoff und am anderen Ende ein Auslass für gasförmigen Treibstoff vorgesehen ist. Er weist außerdem wenigstens eine zweite Heißfluidzelle auf, die in Wärmeübertragungsbeziehung mit der ersten Zelle steht und einen verlängerten Heißfluiddurchlauf mit einem Einlassende und einem gegenüber angeordneten Auslassende aufweist. Das Einlassende ist zu dem Auslass für gasförmigen Treibstoff benachbart angeordnet, und das Auslassende ist zu dem Einlass für flüssigen Treibstoff benachbart angeordnet, so dass ein gegenläufiger Durchfluss zwischen dem Treibstoff und dem heißen Fluid existiert. Der Treibstoffdurchlauf ist zu dem Heißfluiddurchlauf benachbart angeordnet und ist eingeteilt in eine erste Erhitzungszone zum Erhitzen des flüssigen Treibstoffs, die zu dem Einlass für flüssigen Treibstoff benachbart angeordnet ist, eine zweite Erhitzungszone zum Überhitzen von verdampftem Treibstoff, die zu dem Auslass für gasförmigen Treibstoff benachbart angeordnet ist, und eine dritte Erhitzungszone zwischen der ersten und der zweiten Zone, in der der Treibstoff aus der Flüssigphase in Treibstoff der Gasphase übergeht. Wärmeübertragungsverstärker sind in dem Heißfluiddurchlauf benachbart zu der ersten und der dritten Zone angeordnet, und der Verdampfer ist ferner gekennzeichnet durch eine wesentliche Abwesenheit eines Wärmeübertragungsverstärkers in dem Teil des Heißfluiddurchlaufs, der zu der zweiten Zone benachbart angeordnet ist.
Die Abwesenheit von Wärmeübertragungsverstärkern in dem Heißfluiddurchlauf, der zu der zweiten Zone benachbart angeordnet ist, minimiert die thermische Belastung in dem Bereich, wo das Innere des Verdampfers den höchsten Temperaturen des heißen Fluids ausgesetzt ist und nicht wesentlich durch das kalte Fluid, d. h. den Treibstoff, gekühlt wird, aufgrund des überhitzten Zustands des Treibstoffs in der zweiten Zone. Die Abwesenheit eines Wärmeübertragungsverstärkers in Nachbarschaft zu der zweiten Zone ermöglicht außerdem das Anordnen zusätzli cher Verstärker in der ersten und/oder der dritten Zone, um die Wärmeübertragungseffizienz in diesen Zonen soweit zu verbessern, dass die Kerngröße des Verdampfers sogar reduziert werden kann, um die Reaktionszeit in dem Brennstoffzellensystem zu verbessern, in dem der Verdampfer benutzt wird, ohne die Wärmeübertragungseffizienz zu senken und/oder den Druckabfall zu erhöhen.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die zweite Zelle beabstandet angeordnete Wände auf, die den Heißfluiddurchlauf begrenzen, und sie weist außerdem Distanzstücke auf, die sich zwischen den beabstandet angeordneten Wänden erstrecken, um die Beabstandung zwischen denselben aufrechtzuerhalten. Die Distanzstücke sind in dem Abschnitt des Heißfluiddurchlaufs angeordnet, der zu der zweiten Zone benachbart angeordnet ist.
In einer Ausführungsform weisen die Wärmeübertragungsverstärker, die zu der ersten und der dritten Zone benachbart angeordnet sind, einen Turbulator auf.
Vorzugsweise ist der Turbulator mit beiden beabstandet angeordneten Wänden verbunden.
In einer Ausführungsform ist der Turbulator eine Lamelle, und er ist insbesondere eine Hocheffizienzlamelle wie z. B. eine gerippte und versetzte Lamelle.
Eine stark bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass mehrere erste und zweite Zellen wechselweise in einem Stapel angeordnet sind, zusammen mit Kopfstücken, die die jeweiligen Einlässe und Auslässe der ersten und zweiten Zellen in dem Stapel verbinden.
In einer solchen Ausführungsform wird bevorzugt, dass die Zellen aneinander angrenzen und ein Wärme leitendes Trennblech an ihrem Angrenzpunkt aufweisen, das eine Wand begrenzt, die den beiden Durchläufen gemeinsam ist.
Die Erfindung sieht außerdem einen Verdampfer zur allgemeinen Einsetzbarkeit vor, der mehrere erste Zellen aufweist, wobei jede einen inneren Strömdurchlass für eine Flüssigkeit, die verdampft werden soll, und Enden, die an einem Ende einem Flüssigkeitseinlass und an dem anderen Ende einem Dampfauslass gegenüberliegen, und ein inneres Labyrinth für den Fluidstrom aufweist, das sich zwischen den Enden erstreckt. Er weist außerdem mehrere zweite Zellen auf, wobei jede einen inneren Strömdurchlass für ein heißes Fluid, der durch beabstandete Wände begrenzt ist, sowie gegenüberliegende Enden aufweist. Ein Einlass für heißes Fluid ist an einem der Enden des Heißfluiddurchlaufs angeordnet, während ein Auslass für heißes Fluid an dem anderen der Enden des Heißfluiddurchlaufs angeordnet ist.
Die ersten und zweiten Zellen sind wechselweise in einem Stapel angeordnet und befinden sich in Wärmetauschbeziehung zu den benachbarten Zellen und zu den Enden der ersten Zellen, die Flüssigkeitseinlässe aufweisen, die nah zu den Enden der zweiten Zellen benachbart angeordnet sind, welche Auslässe für heißes Fluid aufweisen. Die Enden der ersten Zellen, die Dampfauslässe aufweisen, sind nah zu den Enden der zweiten Zellen benachbart angeordnet, die Einlässe für heißes Fluid aufweisen, um einen gegenläufigen Fluss bereitzustellen. In jeder Zelle ist in den Strömungsdurchlässen für heißes Fluid ein Turbulator angeordnet, der sich zwischen den beabstandet angeordneten Wänden derselben erstreckt und mit diesen verbunden ist. Der Turbulator weist eine Strecke auf, die benachbart zu den Enden der zugehörigen zweiten Zellen beginnt, die die Auslässe für heißes Fluid aufweisen, und ein gutes Stück vor dem Ende, das den Einlass für heißes Fluid aufweist, endet, so dass der Fließdurchlass durch das Fehlen eines Turbulators über eine Strecke in Nachbarschaft zu dem Einlass für heißes Fluid gekennzeichnet ist.
In einer Ausführungsform ist das Labyrinth durch gitterartige Schlitze oder Nuten ausgebildet, die in Fluidkommunikation miteinander stehen. Vorzugsweise sind die gitterartigen Schlitze oder Nuten in wenigstens einigen der Platten angeordnet, aus denen die ersten Zellen ausgebildet sind.
Die Erfindung sieht ferner ein Verfahren zum Verdampfen von Treibstoff vor, das die folgenden Schritte aufweist: (a) Bereitstellen einer Wärme leitenden, lang gestreckten Wand mit gegenüberliegenden Seiten, (b) Strömen eines Stroms von heißem Fluid entlang einer Seite der Wand im Wesentlichen in die Richtung der Längsausdehnung derselben, und (c) Strömen eines Treibstoffstroms zunächst in der Flüssigphase entlang der anderen Seite der Wand in gegenläufigem Verhältnis zu dem Strom aus heißem Fluid, um den flüssigen Treibstoff dazu zu veranlassen, zuerst in einem ersten Bereich entlang der Wand erhitzt zu werden und dann entlang einem zweiten Bereich der Wand aus der Flüssigphase in die Dampfphase umgewandelt zu werden, und dann entlang einem dritten Bereich der Wand in eine überhitzte Dampfphase überhitzt zu werden. Das Verfahren weist die Verbesserung auf, wobei (d) vor dem Durchführen der Schritte (b) und (c) ein Wärmeübertragungsverstärker an der einen Seite der Wand nur an Stellen an der einen Seite gegenüber dem ersten und dem zweiten Bereich bereitgestellt wird.
Vorzugsweise ist die Wand aus einem Metallblech ausgebildet.
Insbesondere ist der Wärmeübertragungsverstärker eine metallische Lamelle, die metallurgisch mit dem Blech verbunden ist. Die Lamelle kann eine Hocheffizienzlamelle wie z. B. eine gerippte und versetzte Lamelle sein.
Andere Aufgaben und Vorteile werden anhand der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren deutlich.
BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 zeigt eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellensystems des Reformertyps, das einen erfindungsgemäßen Treibstoffverdampfer enthält;
2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des Verdampfers;
3 zeigt eine auseinander gezogene Ansicht von Komponenten, die einen Treibstoffdurchlauf und einen Heißfluiddurchlauf begrenzen;
4 zeigt eine fragmentarische perspektivische Ansicht einer bevorzugten Form eines Wärmeübertragungsverstärkers, der in dem Heißfluiddurchlauf benutzt wird; und
5 zeigt einen Graph, der die vorausgesagte Leistung von zwei ansonsten identischen Verdampfern vergleicht, wobei einer gemäß der zuvor ausgewiesenen Patentanmeldung von Reinke hergestellt ist und einer gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die vorliegende Erfindung soll im Kontext einer Benutzung in einem Brennstoffzellensystem des Reformertyps beschrieben werden. Allerdings ist der Verdampfer der Erfindung nicht auf die Benutzung in solchen Systemen oder auf die Verdampfung von Treibstoff beschränkt. Er kann wirksam in jedem Kontext eingesetzt werden, der einen Verdampfer nötig macht, welcher mit relativ hohen Temperaturdifferenzen arbeitet und das verdampfte Material überhitzt, um thermische Belastung in dem Abschnitt des Verdampfers zu minimieren, in dem das zu verdampfende Material überhitzt wird. So ist abgesehen von dem Umfang der beiliegenden Ansprüche keine Beschränkung auf Brennstoffzellen oder das Verdampfen von Treibstoff beabsichtigt.
Bezug nehmend auf 1 ist ein Typ von Brennstoffzellensystem, das einen Reformer enthält, und in dem die Erfindung benutzt werden kann, in 1 dargestellt. Das System ist speziell dafür vorgesehen, in einem Fahrzeug eingesetzt zu werden, kann aber auch in anderen Umgebungen vorteilhaft benutzt werden.
Das System weist eine Brennstoffzelle 10 auf, bei der ein Anodengas-Einlassstrom an einer Leitung 12 vorgesehen ist. Bei dem Anodengas handelt es sich üblicherweise um Wasserstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf.
Die Brennstoffzelle weist außerdem eine Einlassleitung 14 auf, die zu der Kathodenseite der Brennstoffzelle führt, und durch die ein sauerstoffreicher Strom empfangen wird. Normalerweise handelt es sich bei dem Strom um Luft.
Die Brennstoffzelle weist außerdem eine allgemein bekannte Kühlschleife auf, die generell mit Bezugszeichen 16 bezeichnet ist.
Der Kathodenauslass wird an eine Leitung 18 abgegeben, die schließlich zu einem Wassertank oder Speicher 20 führt. Das bedeutet, dass Wasser, das Produkt der chemischen Reaktion innerhalb der Brennstoffzelle 10, an den Wassertank 20 zur späteren Wiederverwendung in dem Reformierungsprozess bereitgestellt wird.
Zusätzlich zu dem Wassertank 20 weist das System einen Treibstofftank 24 auf, der in dem dargestellten System Methanol enthält. Pumpen 26, die während des Startens durch Batteriestrom oder während des Betriebs durch die von der Brennstoffzelle 10 erzeugte Elektrizität elektrisch angetrieben sind, messen Wasser und Methanol in einem gewünschten Verhältnis für einen gemeinsamen Einlass oder separate Einlässe eines Treibstoffverdampfers 28 ab, der gemäß der Erfindung hergestellt ist. (Hier ist ein gemeinsamer Einlass offenbart und bevorzugt, doch die Erfindung sieht ebenfalls die Benutzung von separaten Einlässen vor.) Das Wasser/Methanol-Gemisch wird verdampft und über eine Leitung 30 an den Einlass eines Reformers und Katalytbrenners 32 abgegeben. Der Reformer und Katalytbrenner 32 gibt wiederum ein Reformat (Wasserstoff, Wasser, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid) über eine Leitung 34 an einen Gasreinigungsreaktor 36 ab, wo der Kohlenmonoxidgehalt des Gases so weit gesenkt wird, dass er die Brennstoffzelle 10 nicht vergiftet. Der Gasreinigungsreaktor 36 gibt über die Einlassleitung 12 an die Anode der Brennstoffzelle 10 ab.
Heißes so genanntes Restgas, das in dem Reformer und Katalytbrenner 32 erzeugt wird, wird über eine Leitung 37 an den Verdampfer 28 abgegeben, um als eine Wärme quelle zu dienen, um das Methanol und das Wasser darin zu verdampfen.
Das System weist außerdem eine Abgasleitung 38 auf, über die Abgas abgelassen wird. Das Abgas wird durch einen Verdichter/Kondensator 44 expandiert und als Abgas abgelassen. Eine Rückführleitung 46 für heißes Gas kann ebenfalls vorgesehen sein.
Von der Brennstoffzelle 10 erzeugter elektrischer Strom wird während des Betriebs benutzt, um Pumpen, Motoren usw. innerhalb des Systems anzutreiben und um elektrischen Strom für die von dem System anzutreibende Last bereitzustellen. Zum Starten kann Batteriestrom benutzt werden. Im Fall eines Fahrzeugantriebsystems ist die Last üblicherweise ein Elektromotor, der an das Fahrzeugantriebsystem angeschlossen ist.
Bezug nehmend auf 2 ist eine bevorzugte Form eines Treibstoffverdampfers 28 gemäß der Erfindung dargestellt. Derselbe weist einen Kern 50 auf, der aus einer Reihe von Platten, Stäben und/oder Flanschen am Umfang der Platten, Distanzstücken und Lamellen ausgebildet ist, die an späterer Stelle genauer beschrieben werden sollen. Diese Komponenten begrenzen einen Treibstoff/Wasser-Durchlauf und einen Durchlauf eines erhitzten Wärmetauschmediums durch den Verdampfer. Bei dem erhitzten Wärmetauschmedium handelt es sich üblicherweise um ein heißes Gas wie z. B. Restgas, doch es kann auch eine erhitzte Flüssigkeit benutzt werden. Ein Einlass für flüssigen Treibstoff und Wasser an den Treibstoff/Wasser-Durchlauf ist durch ein Kopfstück 54 und ein damit verbundenes Rohr 56 mit einem relativ geringen Durchmesser bereitgestellt. Ein ähnliches Kopfstück 57 stützt ein Rohr 58 mit einem großen Durchmesser ab, das als ein Auslass für verdampften Treibstoff dient. Der Größenunterschied der Rohre 56 und 58 ergibt sich daraus, dass das Gemisch aus Treibstoff und Wasser als eine Flüssigkeit in das Rohr 56 gelangt und so eine relativ höhere Dichte aufweist als der Treibstoff, der durch das Auslassrohr 58 austritt und der dampfförmig ist. (Üblicherweise beträgt die Dichte der Flüssigkeit, die in den Verdampfer gelangt, das Zweihundertfache der Dichte des Treibstoff- und Wasserdampfes, der aus dem Verdampfer austritt.) Um also einen großen Druckabfall zu vermeiden, weist wegen der größeren volumetrischen Flussrate an dem Auslassrohr 58 das Auslassrohr 58 einen größeren Querschnitt auf.
Der Kern 50 weist gegenüberliegende Enden 60 und 62 auf. Das Ende 60 ist ein Einlassende für das erhitzte Medium und weist ein Einlasskopfstück 64 auf. Ein Einlassrohr 65 für heißes Gas erstreckt sich zu dem Kopfstück 64. Das Ende 62 ist ein Auslassende für das erhitzte Medium und weist ein Auslasskopfstück 66 auf, von dem sich ein Auslassrohr 67 für heißes Gas erstreckt. Das Kopfstück 64 ist verbunden, um heißes Restgas von dem Reformer und Katalytbrenner 32 (1) zu erhalten und es über die Heißgas-Strömungsdurchlässe abzugeben, die in Wärmetauschbeziehung zu dem Heißgasdurchlauf stehen, der ebenfalls als mehrere Durchlässe ausgebildet ist.
Der Kern 50 ist ein Stapel der zuvor erwähnten Komponenten, die abwechselnde Treibstoff/Wasser-Durchlaufstrukturen 68 und Heißgas-Durchlaufstrukturen 69 begrenzen. Es ist zu beachten, dass das Einlass- und das Auslasskopfstück 64, 66 für das heiße Gas optional pyramidenförmige Gehäuse (nicht dargestellt) sein können, die eine runde Öffnung (nicht dargestellt) an ihren Spitzen und an einer gegenüberliegenden offenen Basis (nicht dargestellt) aufweisen, die in Fluidverbindung zu den Heißgasdurchläufen (nicht dargestellt) innerhalb des Kerns 50 stehen.
Bezug nehmend auf 3 sind sowohl eine übliche treibstoffseitige Unterbaugruppe, die die den Methanol/Wasser-Durchlauf begrenzende Struktur 68 bildet, als auch eine übliche heißgasseitige Unterbaugruppe, die die den Heißgas-Durchlauf begrenzende Struktur 69 begrenzt, in einer auseinander gezogenen Ansicht dargestellt. Die treibstoffseitige Unterbaugruppe weist zwei Platten 70, 72 auf, die übereinander angeordnet sind. Die Platten 70 weisen ein oberes Ende 74 und ein nachgeordnetes Ende 76 auf.
Die Platte 70 weist mehrere abgewinkelte gestreckte Schlitze 78 intermediär zu den Enden 74 und 76 auf. Benachbart zu dem Ende 74 ist eine Reihe von Schlitzen vorgesehen, die einen Abschnitt 80 eines Labyrinths begrenzen, das generell mit Bezugszeichen 82 versehen ist und dessen Zweck an späterer Stelle erläutert werden soll. Dem gegenüberliegenden Ende 76 benachbart ist eine vergrößerte Öffnung 84 vorgesehen. Ferner sind zusätzliche vergrößerte Öffnungen 86, 88 kurz hinter den Enden 74, 76 zu einem später zu erläuternden Zweck vorgesehen. Die Platte 70 weist außerdem einen soliden Abschnitt oder eine Begrenzung 90 um ihren gesamten Umfang herum sowie einen soliden Abschnitt 92, der die vergrößerte Öffnung 86 von dem Labyrinth isoliert, und einen soliden Abschnitt 94 auf, der die vergrößerte Öffnung 88 von der vergrößerten Öffnung 84 isoliert.
Die Platte 72 weist außerdem abgewinkelte gestreckte Schlitze 96, eine Reihe von Schlitzen 98, die ebenfalls einen Abschnitt des Labyrinths begrenzen, eine vergrößerte Öffnung 100 und zusätzliche vergrößerte Öffnungen 102, 104 auf, die jenseits der Enden der Platte 72 angeordnet sind, die von der vergrößerten Öffnung 100 und dem Labyrinth 82 begrenzt ist. Die Platte 72 weist außerdem die solide Begrenzung 90 und solide Abschnitte 92 und 94 auf. Die Anordnung ist so, dass die Platten 70 und 72 übereinander angeordnet werden können, wobei ihre Begrenzungen 90 und ihre soliden Abschnitte 92, 94 fluchtend miteinander ausgerichtet sind und miteinander in Kontakt stehen, wodurch eine fluchtende Ausrichtung der vergrößerten Öffnung 88 mit der vergrößerten Öffnung 104, und eine fluchtende Ausrichtung der vergrößerten Öffnung 86 mit der vergrößerten Öffnung 102 bereitgestellt wird. Ferner überkreuzen sich die abgewinkelten Schlitze 78, 96. Die anderen vergrößerten Öffnungen 84, 100 sind ebenfalls miteinander fluchtend ausgerichtet, wie auch die Schlitze 80, 98, die das Labyrinth ausbilden. In einigen Fällen können die Schlitze durch gitterförmige Vertiefungen an der Schnittstelle der Platten 70 und 72 ersetzt sein.
Außerdem sind in 3 zwei Separatorplatten 106, 108 dargestellt. Die Platte 106 weist einen abwärts gerichteten peripheren Flansch 110 auf, während die Separatorplatte 108 einen aufwärts gerichteten peripheren Flansch 112 aufweist, der angepasst ist, um an den Flansch 110 anzugrenzen und damit abgedichtet zu sein, wie zum Beispiel durch eine geeignete Verbindung wie Hartlöten. Allerdings können auf Wunsch auch andere metallurgische, fluiddichte Verbindungen wie z. B. Schweiß- oder Lötverbindungen benutzt werden.
Die Platten 106 und 108 weisen außerdem vergrößerte Öffnungen 114 und 116 an ihren gegenüberliegenden Enden auf. Die vergrößerten Öffnungen 114 und 116 sind jeweils mit den vergrößerten Öffnungen 86, 102 und 88, 104 fluchtend ausgerichtet. Die Begrenzung 118 der Separatorplatte 106 gegenüber dem Flansch 110 ist an der Begrenzung 90 der Platte 72 durch eine der zuvor erwähnten metallurgischen Verbindungen abgedichtet und verbunden, während die Begrenzung der Separatorplatte 108 (nicht dargestellt) an der Begrenzung 90 einer Platte 70 (nicht dargestellt) abgedichtet und mit ihr verbunden ist, das heißt der nächstunteren Platte in dem Stapel.
Aufgrund der Anwesenheit der eingreifenden Flansche 110, 112 der Separatorplatten 106 und 108 ergibt sich ein Zwischenraum, der sich zwischen den Öffnungen 114, 116 erstreckt, was als ein Durchlass für ein heißes Gas oder ein erhitztes Fluidmedium dient. Um einen exzellenten Wärmeaustausch zu fördern, ist darin ein Turbulator oder eine Lamelle 120 vorgesehen und zwischen den Öffnungen 114, 116 angeordnet. Die Lamelle 120 ist eine Hocheffizienzlamelle und ist vorzugsweise eine übliche gerippte und versetzte Lamelle, wie in 4 dargestellt. Die Lamelle kann in einem oder mehreren Abschnitten hergestellt sein, die kleine Zwischenräume zwischen den benachbarten Abschnitten aufweisen können, aber nicht müssen.
Gemäß der Erfindung dient die Lamelle 120 als ein Wärmeübertragungsverstärker für das heiße Medium, während es den Heißmediumdurchlauf zwischen den Öffnungen 114, 116 durchläuft. In dieser Hinsicht wird anhand eines Vergleichs der 2 und 3 deutlich, dass die Öffnungen 116 die Einlassenden des Heißfluiddurchlaufs begrenzen, während die Öffnungen 114 die Auslassenden begrenzen. Wie in 3 erkennbar, erstreckt sich die Lamelle 120 nicht über die gesamte Länge des Durchlaufs zwischen den Öffnungen 114 und 116. Stattdessen ist sie nah zu den Öffnungen 114 benachbart vorgesehen, und im Normalfall erstreckt sie sich über die halbe Strecke von der Öffnung 114 bis zu der Öffnung 116.
Wie zuvor allgemein angedeutet, und wie durch die zugehörige Beschriftung in 2 und 3 dargestellt, geschehen innerhalb des Verdampfers drei Dinge. Zunächst werden dem Treibstoffdurchlauf flüssiger Treibstoff und Wasser durch das Einlassrohr 56 über die Öffnungen 128 an die einzelnen Zellen zugeführt, die das Labyrinth ausbilden. Im Normalfall ist der Treibstoff unter dem Siedepunkt des Treibstoff/Wasser-Gemischs und wird deshalb im Allgemeinen fast ausschließlich in dem Labyrinth 82 auf Siedetemperatur erhitzt. Dieser Bereich ist in 2 und 3 jeweils durch die Beschriftung „Erhitzungszone Flüssigkeit" und „Flüssigkeit" in 2 bzw. 3 dargestellt.
Indem die Flüssigkeit die Erhitzungszone für Flüssigkeit verlässt, gelangt sie in eine Zone, wo eine Verdampfung einsetzt und die das Treibstoff/Wasser-Gemisch in zwei Phasen verlässt, nämlich in der flüssigen Phase und der gasförmigen Phase. Der Anteil des Treibstoff/Wasser-Gemischs, das sich in der flüssigen Phase befindet, nimmt progressiv ab, während sich das Treibstoff/Wasser-Gemisch auf die Öffnungen 84, 100 und das damit verbundene Verteilerrohr zu bewegt, bis dann an einem Punkt, der ungefähr auf halbem Weg der Länge des Kerns liegt, das gesamte Treibstoff/Wasser-Gemisch verdampft ist. Während sich das Treibstoff/Wasser-Gemisch durch den Verdampfer bewegt, wird es weiter erhitzt und erhält in einer dritten Zone, die in 2 und 3 jeweils mit „Überhitzungszone" bzw. „Überhitzung" bezeichnet ist, einen beträchtlichen Grad von Überhitzung.
Gemäß der Erfindung erstreckt sich die Lamelle 120 nicht weiter als zum Anfang der Überhitzungszone. Das heißt, dass Wärmeübertragungsverstärker im Heißfluiddurchlauf nur in Bereichen des Durchlaufs vorhanden sind, die zu der Erhitzungszone für Flüssigkeit und der Zweiphasenzone des Treibstoff/Wasser-Durchlaufs benachbart angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Wärmeübertragungsverstärker kurz vor dem Ende der Zweiphasenzone angeordnet, um sicherzustellen, dass keine Überhitzung des Treibstoff/Wasser-Gemischs in einem Bereich erfolgt, welcher in Kontakt mit den Wärmeübertragungsverstärkern steht.
Um die Trennung der Separatorplatten 106, 108 in ihren Bereichen, die zu der Überhitzungszone des Treibstoff/Wasser-Durchlaufs benachbart angeordnet sind, aufrechtzuerhalten, werden Distanzstücke benutzt. In der dargestellten Ausführungsform weisen beide Platten Flächenvertiefungen auf, wobei die Platte 106, wie in 3 erkennbar, abwärts gerichtete Vertiefungen 122 aufweist und die Platte 108 aufwärts gerichtete Vertiefungen 124 aufweist, wie ebenfalls in 3 dargestellt. Die Vertiefungen 122 und 124 berühren einander und sind metallurgisch miteinander verbunden, um diese gewünschte Beabstandung zwischen den Separatorplatten 106, 108 in der Überhitzungszone aufrechtzuerhalten. Die gewünschte Beabstandung in der Flüssigkeitszone und der Zweiphasenzone wird durch die gerippte und versetzte Lamelle 120 aufrechterhalten.
Es versteht sich, dass andere Formen der Distanzstücke als die Vertiefungen 122 und 124 benutzt werden können. Beispielsweise könnte eine ineffiziente Lamelle wie z. B. eine rechteckige gewellte Lamelle benutzt werden, die eine wesentlich geringere Lamellendichte aufweist als die gerippte und versetzte Lamelle 120.
Fachleute werden erkennen, dass die Vertiefungen oder eine Lamelle mit geringer Lamellendichte, die als Distanzstücke benutzt wird, die Wärmeübertragung innerhalb der Überhitzungszone in einem gewissen Umfang verstärken. Es ist jedoch äußerst wünschenswert, aus Gründen, die später deutlich werden sollen, unerwünschte hohe thermische Belastungen in dieser Zone zu vermeiden. Aus diesem Grund werden solche Distanzstücke nur zum Zweck der strukturellen Sicherheit benutzt und nicht als Wär meübertragungsverstärker. Auf diese Weise ist der Überhitzungszonenabschnitt des Heißfluiddurchlaufs zwischen den Platten 106, 108 durch die wesentliche Abwesenheit von Wärmeübertragungsverstärkern gekennzeichnet, obwohl die Wärmeübertragung in einem geringen Umfang durch die Anwesenheit der Distanzstücke in diesem Bereich verstärkt wird. In dieser Hinsicht kann der Gesamtwiderstand zur Wärmeübertragung zwischen dem heißen Fluid und dem Treibstoff mathematisch als ein erster konvektiver Widerstand R₁ zwischen der heißen Fluidmasse und der Wand ausgedrückt werden, die das heiße Fluid und den Treibstoff trennt, der über die Wandstärke seriell mit einem zweiten Leitwiderstand R₂ verbunden ist, der seriell mit einem dritten konvektiven Widerstand R₃ zwischen der Wand und der Treibstoffmasse verbunden ist, wobei die Gesamtsumme dieser drei Widerstände den Gesamtwiderstand R_T umfasst. Es ist üblich, dass die Größe des zweiten Widerstands R₂ im Vergleich zu der Größe des ersten und des dritten Widerstands R₁ und R₃ vernachlässigenswert gering ist, weshalb der Gesamtwiderstand R_T zur Wärmeübertragung zwischen dem heißen Fluid und dem Treibstoff als die Gesamtsumme des ersten und des dritten Widerstands (R_T = R₁ + R₃) ausgedrückt werden kann, mit einem vernachlässigenswert geringen Temperaturgradienten durch die Stärke der Wand, die das heiße Fluid und den Treibstoff trennt. Die Temperatur der Wand, die das heiße Fluid und den Treibstoff trennt, würde dann durch das algebraische Verhältnis des ersten Widerstands R₁ zu dem Gesamtwiderstand R_T bestimmt, wobei dieses Verhältnis (R₁/R_T) dasselbe ist wie das algebraische Verhältnis der Differenz zwischen der Temperatur der heißen Fluidmasse und der Wandtemperatur zu der Differenz zwischen der Temperatur der heißen Fluidmasse und der Temperatur der Treibstoffmasse. In der zweiten Zone liegt dieses Verhältnis (R₁/R_T) nahezu bei 1, und zwar aufgrund des sehr geringen thermischen Widerstands, der in dem Strömungssiede- Wärmeübertragungsmechanismus auf der Treibstoffseite dieser Zone inhärent ist. Die „wesentliche Abwesenheit" eines Wärmeübertragungsverstärkers in diesem Abschnitt des Heißfluiddurchlaufs, der zu der zweiten Zone benachbart angeordnet ist, kann durch die Menge quantifiziert werden, mit der diese die Differenz zwischen diesem Verhältnis in der zweiten Zone (R₁/R_T)₂ und diesem Verhältnis in der dritten Zone (R₁/R_T)₃ des Verdampfers reduziert. Vorzugsweise liegt die Reduktionsmenge bei diesem Verhältnis von der zweiten Zone zu der dritten Zone bei weniger als 0,5 ((R₁/R_T)₂ – (R₁/R_T)₃ < 0,5) und insbesondere bei weniger als 0,25 ((R₁/R_T)₂ – (R₁/R_T)₃ < 0,25). So bedeutet die „wesentliche Abwesenheit" im Kontext der Erfindung die Abwesenheit von Strukturen oder Flächenbehandlungen, außer insofern als Distanzstücke zugelassen sind, die notwendig sind, um die Beabstandung zwischen den Platten 106, 108 aufrechtzuerhalten, wobei ihr Hauptzweck ist, als Distanzstücke zu dienen und nicht als Wärmeübertragungsverstärker, so dass die Gleichung ((R₁/RT)₂ – (R₁/R_T)₃ < 0,5) erfüllt werden kann.
5 ist ein computererzeugter Graph, der die voraussichtliche Leistung von zwei Treibstoffverdampfern zeigt, wobei einer gemäß der Erfindung hergestellt ist und bestimmte Kennlinien aufweist, die mit durchgezogenen Linien dargestellt sind, während der andere mit einer Lamelle 120 von voller Länge hergestellt ist, die sich nicht nur durch die Flüssigkeitszone und die Zweiphasenzone erstreckt, sondern auch durch die Überhitzungszone, und der in punktierten Linien dargestellt ist. Bei den betroffenen Verdampfern ist die Temperatur in °C der Distanz in Millimetern vom Treibstoff/Wasser-Einlass zum Treibstoff/Wasser-Auslass gegenübergestellt. Die Bezeichnungen „heißes Fluid" beziehen sich auf den Verlauf der Temperatur des heißen Fluids, das zwischen den Platten 106, 108 strömt, während die Be zeichnungen „106, 108" die Temperaturen der Platten 106, 108 selbst an verschiedenen Stellen entlang dem Durchlauf darstellen. Die Bezeichnungen „Treibstoff/Wasser" zeigen die Temperatur des Treibstoff/Wasser-Gemischs bei verschiedenen Distanzen von dem Treibstoff/Wasser-Einlass. Wie anhand von 5 deutlich wird, zeigt ein Vergleich mit der durchgezogenen Linie für den Verdampfer, der gemäß der Erfindung hergestellt ist, dass dessen Platten 106, 108 bei einer wesentlich niedrigeren Temperatur laufen als die Platten 106, 108 der Version mit der Lamelle von voller Länge. Zugleich ist in beiden Fällen bei 200 Millimetern zu erkennen, dass die Treibstoff/Wasser-Temperatur allgemein die gleiche ist, mit einem leichten Vorteil bei der Wärmeübertragungseffizienz auf Seiten des Verdampfers, der gemäß der Erfindung hergestellt ist.
Es wird auffallen, dass interessanterweise der Punkt, an dem beim Erhitzen des Treibstoff/Wasser-Gemischs der Siedepunkt erreicht ist, in 5 mit „A" bezeichnet, bei dem Verdampfer, der gemäß der Erfindung hergestellt ist, näher an dem Einlass auftritt als der entsprechende, in 5 mit „B" bezeichnete Punkt für die Version mit voller Lamellenlänge. Ebenso liegt der Punkt „C", an dem die Überhitzung des Treibstoff/Wasser-Gemischs bei einem Verdampfer, der gemäß der Erfindung hergestellt ist, eintritt, viel näher an dem Einlass als der Punkt „D", an dem bei der Version mit voller Lamellenlänge die Überhitzung eintritt.
Diese Differenzen sind bedeutsam, wenn bedacht wird, dass das Volumen des Treibstoffdurchlaufs bei beiden Verdampfern identisch war. Insbesondere wird im Fall des Verdampfers, der gemäß der Erfindung hergestellt ist, eine geringere Strecke dieses Durchlaufs durch Treibstoff in der Flüssigphase eingenommen als im Fall des Verdampfers mit einer Lamelle voller Länge. Da der Treibstoff in der Flüssigphase wesentlich dichter ist als der Zweiphasentreibstoff oder der vollständig gasförmige Treibstoff, versteht sich, dass der Treibstoff/Wasser-Einsatz bei dem Verdampfer, der gemäß der Erfindung hergestellt ist, geringer ist als derjenige des Verdampfers mit einer Lamelle voller Länge. Wiederum sollen die Punkte A und B verglichen werden. Dieser Vorteil wird weiterhin dadurch betont, dass bei dem Verdampfer, der gemäß der Erfindung hergestellt ist, die Überhitzung näher an dem Einlass einsetzt als im Fall des Verdampfers mit einer Lamelle voller Länge. Typischerweise ist der Treibstoffeinsatz bei einem Verdampfer, der gemäß der Erfindung hergestellt ist, um 25 bis 30 % geringer als bei dem Verdampfer mit einer Lamelle voller Länge, wodurch außerdem eine gesteigerte Reaktionszeit bereitgestellt wird.
Bei Verdampfern dieses Typs stellt der zulässige Druck des heißen Fluidmediums eine Beschränkung der Konstruktion des Verdampfers dar, da der Druck, der zur Verfügung steht, um denselben durch den Verdampfer zu treiben, durch Systemkosten-, Größen- und Gewichtsbeschränkungen begrenzt ist. Es ist zu beachten, dass, zur Erläuterung der vorstehenden Ausführungen, die Überhitzungszone keine hoch optimierte Heißfluidlamelle benötigt. Im Gegensatz dazu ist eine hoch optimierte Heißfluidlamelle insbesondere in der Flüssigkeitserhitzungszone notwendig. Der Widerstand zur konvektiven Wärmeübertragung an den Platten 106, 108, mit denen der Treibstoffdampf in Kontakt steht, ist viel höher als der Widerstand zur Wärmeübertragung an solchen Flächen, mit denen das heiße Fluidmedium in Kontakt steht, da auf der Treibstoffseite praktisch keine Flächenveränderung (Wärmeübertragungsverstärkung) vorhanden ist. Dies steht im Gegensatz zu den Bedingungen in der Flüssigkeitserhitzungszone und der Zweiphasenzone, wo die höheren Wärmeübertragungskoeffizienten den Mangel an Flä chenveränderung auf der Treibstoffseite der Separatorplatten 106, 108 mehr als ausgleichen. Offenbar ist also die Unfähigkeit des Treibstoffs, Wärme von den Separatorplatten 106, 108 angemessen zu absorbieren, sobald der Treibstoff einen vollständig gasförmigen Zustand erreicht hat, die Ursache für die hohen thermischen Belastungen an dem Einlassende des heißen Fluidmediums. Indem also die Lamelle 120 in dem Bereich eliminiert wird, wo sie am wenigsten wirksam ist, werden die hohen thermischen Belastungen, die in diesem Bereich auftreten, wesentlich reduziert, da die Eliminierung der Lamelle dazu führt, dass die Separatorplatten 106, 108 auf Temperaturen gehalten werden, die näher an den Temperaturen des kühleren Treibstoff/Wasserdampfes liegen als an denen des heißen Fluidmediums.
Der resultierende erhöhte Widerstand gegenüber der Wärmeübertragung führt zu einer Erhöhung der Länge der Überhitzungszone, die benötigt wird, um den Treibstoff/Wasserdampf auf die gewünschte Temperatur zu bringen, wie durch die Differenz zwischen den Punkten „C" und „D" in 5 deutlich wird. Allerdings führt die Reduktion der Durchlaufstrecke durch die Lamelle 120 zu einer Reduktion des Druckabfalls des heißen Gasmediums, welche dann genutzt wird, indem die Wärmeübertragungsverstärkung in der Flüssigkeitserhitzungszone und der Zweiphasenzone erhöht wird. So zeigt 5, dass es möglich ist, die Flüssigkeitserhitzungszone und die Zweiphasenzone ausreichend zu verkürzen, so dass die Gesamtlänge des Verdampfers unverändert bleibt. Aus diesem Grund weist ein Verdampfer, der gemäß der Erfindung hergestellt ist, wobei die Lamelle von dem Durchlaufabschnitt des heißen Fluidmediums entfernt wurde, welcher zu dem Bereich benachbart angeordnet ist, in dem die Überhitzung des Treibstoffs stattfindet, den zweifachen Vorteil eines reduzierten Treibstoffeinsatzes und reduzierter thermischer Belastungen ohne Verän derung der Größe, Effektivität des Verdampfers oder Druckabfall des Systems auf.
Auf diese Weise erfüllt ein Verdampfer, der gemäß der Erfindung hergestellt ist, die zuvor genannten Aufgaben.
Zusammenfassung
Die Erfindung betrifft einen Verdampfer, der beispielsweise zum Verdampfen eines flüssigen Treibstoffs in einem Brennstoffzellensystem verwendbar ist, wobei wenigstens eine erste Zelle (68) einen gestreckten Treibstoffdurchlauf für zu verdampfenden Treibstoff und gegenüberliegende Enden mit einem Einlass (56) für flüssigen Treibstoff an dem einen Ende und einen Auslass (58) für gasförmigen Treibstoff an dem anderen Ende aufweist; wenigstens eine zweite Heißfluidzelle (69), die in Wärmetauschbeziehung mit der ersten Zelle (68) steht, weist einen gestreckten Heißfluiddurchlauf mit einem Einlassende (65) und einem gegenüberliegenden Auslassende (67) auf; das Einlassende (65) benachbart zu dem Auslass für gasförmigen Treibstoff angeordnet ist und das Auslassende (67) benachbart zu dem Einlass für flüssigen Treibstoff angeordnet ist, so dass ein gegenläufiger Strom zwischen dem Treibstoff und dem heißen Fluid besteht; der Treibstoffdurchlauf zu dem Heißfluiddurchlauf benachbart angeordnet ist und eingeteilt ist in eine erste Erhitzungszone zum Erhitzen von flüssigem Treibstoff, die benachbart zu dem Einlass für flüssigen Treibstoff angeordnet ist, eine zweite Erhitzungszone zum Überhitzen von verdampftem Treibstoff, die benachbart zu dem Auslass für gasförmigen Treibstoff angeordnet ist, und eine dritte Erhitzungszone zwischen der ersten und der zweiten Zone, in der der Treibstoff von Treibstoff der Flüssigphase in Treibstoff der Gasphase übergeht; und ein Wärmeübertragungsverstärker (120) im Heißfluiddurchlauf benachbart zu der ersten und der dritten Zone vorgesehen ist; wobei der Verdampfer durch die wesentliche Abwesenheit von Wärmeübertragungsverstärkern (120) in dem Teil des Heißfluiddurchlaufs gekennzeichnet ist, der zu der zweiten Zone benachbart ist. Außerdem wird ein Verfahren zum Verdampfen von beispielsweise Treibstoff vorgeschlagen.

Claims

Verdampfer (28), der Folgendes aufweist: mehrere erste Zellen (68), wobei jede einen internen Durchlass für eine zu verdampfende Flüssigkeit, und gegenüberliegende Enden aufweist, sowie einen Flüssigkeitseinlass (56) an einem der Enden, einen Dampfauslass (58) an dem anderen der Enden und ein internes Labyrinth (82) für Fluidfluss, das sich zwischen den Enden erstreckt; mehrere zweite Zellen (69), wobei jede einen internen Strömdurchlass für ein heißes Fluid, der von beabstandet angeordneten Wänden begrenzt ist und gegenüberliegende Enden aufweist, sowie einen Einlass (65) für heißes Fluid an einem der Enden, und einen Auslass (67) für heißes Fluid an dem anderen der Enden; wobei die ersten und zweiten Zellen (68, 69) wechselweise in einem Stapel angeordnet sind und in Wärmetauschbeziehung zu benachbarten Zellen (68, 69) stehen, wobei die Enden der ersten Zellen (68) Flüssigkeitseinlässe aufweisen, die nah zu den Enden der zweiten Zellen (69) benachbart angeordnet sind, die Heißfluidauslässe aufweisen, und wobei die Enden der ersten Zellen (68) Dampfauslässe aufweisen, die nah zu den Enden der zweiten Zellen (69) benachbart angeordnet sind, die Heißfluideinlässe aufweisen, um einen gegenläufigen Strom der zu verdampfenden Flüssigkeit und des heißen Fluids innerhalb des Verdampfers (28) bereitzustellen; und einen Turbulator (120) in dem Heißfluid-Strömdurchlass in jeder zweiten Zellen (69), der sich zwischen den Wänden (106, 108) derselben erstreckt und mit diesen verbunden ist, wobei der Turbulator (120) eine Strecke aufweist, die in Nachbarschaft zu den Enden der zugehörigen zweiten Zelle (69) beginnt, die den Heißfluidauslass aufweist, und kurz vor dem Ende endet, das den Heißfluideinlass aufweist, so dass der Heißfluid-Strömdurchlass durch das Fehlen eines Turbulators (120) über eine Strecke gekennzeichnet ist, die zu dem Heißfluideinlass benachbart ist.
Verdampfer nach Anspruch 1, wobei die ersten Zellen (68) und die Wände der zweiten Zelle (69) durch Platten (70, 72, 106, 108) ausgebildet sind.
Verdampfer nach Anspruch 2, wobei das Labyrinth (82) durch gitterförmige Schlitze (78) oder Nuten ausgebildet ist, die in Fluidkommunikation miteinander stehen.
Verdampfer nach Anspruch 3, wobei die gitterförmigen Schlitze (78) oder Nuten in wenigstens einigen der Platten (70, 72) angeordnet sind, aus denen die ersten Zellen (68) gebildet sind.
Verdampfer nach Anspruch 1, der ferner Distanzstücke (122, 124) zwischen den Wänden der zweiten Zelle (69) auf der Strecke, die zu dem Heißfluideinlass benachbart ist, aufweist, die die Wände der zweiten Zelle (69) in beabstandeter Beziehung zueinander halten.
Verdampfer nach Anspruch 5, wobei die Distanzstücke (122, 124) trotzdem die wesentliche Abwesenheit von Wärmeübertragungsverstärkern (120) auf der Strecke, die zu dem Heißfluideinlass benachbart ist, erlauben.
In einem Verdampfer (28) zum Verdampfen eines flüssigen Treibstoffs zum Benutzen in einem Brennstoffzellensystem, wobei wenigstens eine erste Zelle (68) einen gestreckten Treibstoffdurchlauf für zu verdampfenden Treibstoff und gegenüberliegende Enden mit einem Einlass (56) für flüssigen Treibstoff an dem einen Ende und einen Auslass (58) für gasförmigen Treibstoff an dem anderen Ende aufweist; wenigstens eine zweite Heißfluidzelle (69), die in Wärmetauschbeziehung mit der ersten Zelle (68) steht, einen gestreckten Heißfluiddurchlauf mit einem Einlassende (65) und einem gegenüberliegenden Auslassende (67) aufweist; das Einlassende (65) benachbart zu dem Auslass für gasförmigen Treibstoff angeordnet ist und das Auslassende (67) benachbart zu dem Einlass für flüssigen Treibstoff angeordnet ist, so dass ein gegenläufiger Strom zwischen dem Treibstoff und dem heißen Fluid besteht; der Treibstoffdurchlauf zu dem Heißfluiddurchlauf benachbart angeordnet ist und eingeteilt ist in eine erste Erhitzungszone zum Erhitzen von flüssigem Treibstoff, die benachbart zu dem Einlass für flüssigen Treibstoff angeordnet ist, eine zweite Erhitzungszone zum Überhitzen von verdampftem Treibstoff, die benachbart zu dem Auslass für gasförmigen Treibstoff angeordnet ist, und eine dritte Erhitzungszone zwischen der ersten und der zweiten Zone, in der der Treibstoff von Treibstoff der Flüssigphase in Treibstoff der Gasphase übergeht; und ein Wärmeübertragungsverstärker (120) in dem der Heißfluiddurchlauf benachbart zu der ersten und der dritten Zone vorgesehen ist; wobei der Verdampfer (28) durch die wesentliche Abwesenheit von Wärmeübertragungsverstärkern (120) in dem Teil des Heißfluiddurchlaufs gekennzeichnet ist, der zu der zweiten Zone benachbart ist.
Verdampfer nach Anspruch 6, wobei die zweite Zelle (69) beabstandete Wände (106, 108) aufweist, die den Heißfluiddurchlauf begrenzen, und die ferner Distanzstücke (122, 124) aufweist, die sich zwischen den beabstandet angeordneten Wänden erstreckt, um die Trennung zwischen denselben aufrechtzuerhalten, und die in dem Teil des Heißfluiddurchlaufs angeordnet sind, der zu der zweiten Zone benachbart ist.
Verdampfer nach Anspruch 8, wobei die Wärmeübertragungsverstärker (120), die zu der ersten und der dritten Zone benachbart angeordnet sind, einen Turbulator (120) aufweisen.
Verdampfer nach Anspruch 9, wobei der Turbulator (120) mit den beabstandet angeordneten Wänden verbunden ist.
Verdampfer nach Anspruch 10, wobei der Turbulator eine Lamelle ist.
Verdampfer nach Anspruch 11, wobei die Lamelle eine gerippte und versetzte Lamelle ist.
Verdampfer nach Anspruch 7, wobei mehrere der ersten und zweiten Zellen (68, 69) wechselweise in einem Stapel angeordnet sind und Kopfstücke zugehörige Einlässe und Auslässe der ersten und zweiten Zellen (68, 69) in dem Stapel verbinden.
Verdampfer nach Anspruch 7, wobei die Zellen (68, 69) aneinander angrenzen und ein Wärme leitendes Separatorblech an ihrem Angrenzungspunkt aufweisen, das eine Wand begrenzt, die beiden Durchläufen gemeinsam ist.
Verdampfer nach Anspruch 7, wobei ein erster konvektiver Widerstand R₁ zwischen dem heißen Fluid und einer Struktur zwischen dem benachbarten Treibstoffdurchlauf und Heißfluiddurchlauf vorgesehen ist, sowie ein konvektiver Widerstand R₃ zwischen der Struktur und dem Treibstoff, ein gesamter konvektiver Widerstand R_T, der R₁ + R₃ entspricht, ein konvektives Widerstandsverhältnis (R₁/R_T)₃ in der dritten Zone, ein konvektives Widerstandsverhältnis (R₁/R_T)₂ in der zweiten Zone, und wobei die Differenz zwischen dem zweiten konvektiven Widerstandsverhältnis und dem dritten konvektiven Widerstandsverhältnis weniger als 0,25 ist.
In einem Verfahren zum Verdampfen von Treibstoff, das die folgenden Schritte umfasst: (a) Bereitstellen einer Wärme leitenden gestreckten Wand mit gegenüberliegenden Seiten; (b) Strömen eines Stroms von heißem Fluid entlang einer Seite der Wand im Wesentlichen in Richtung der Längsausdehnung derselben; (c) Strömen eines Stroms von Treibstoff, der sich zunächst in der Flüssigphase befindet, entlang der anderen Seite der Wand in gegenläufigem Verhältnis zu dem Strom von heißem Fluid, um den flüssigen Treibstoff dazu zu veranlassen, zunächst in einem ersten Bereich entlang der Wand erhitzt zu werden und dann entlang einem zweiten Bereich der Wand aus der Flüssigphase in die Gasphase umgewandelt zu werden und dann entlang einem dritten Bereich der Wand in eine überhitzte Dampfphase umgewandelt zu werden, wobei die Verbesserung den folgenden Schritt umfasst: (d) vor dem Durchführen der Schritte (b) und (c), Bereitstellen eines Wärmeübertragungsverstärkers (120) an der einen Seite der Wand nur an Stellen an der einen Seite gegenüber dem ersten und dem zweiten Bereich, so dass sich eine wesentliche Abwesenheit von Übertragungsverstärkern auf der einen Seite der Wand in dem dritten Bereich ergibt.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Wand aus einem Metallblech gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Wärmeübertragungsverstärker (120) eine metallische Lamelle ist, die metallurgisch mit dem Blech verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Lamelle eine Hocheffizienzlamelle wie z. B. eine gerippte und versetzte Lamelle (120) ist.