用于燃料电池排气的催化燃烧器

摘要

本发明涉及一种催化燃烧器（1），具有催化器体（2）和用于向催化器体（2）输送混合气体（A）的管路元件（3）。催化燃烧器（1）此外在管路元件（3）与催化器体（2）之间具有过渡区（9）。沿流动方向在催化器体（2）上游，在流动区域内设置螺旋件（8）。

说明书

技术领域

本发明涉及一种按权利要求1前序部分详细定义的类型的催化燃烧 器。本发明此外涉及这种催化燃烧器的应用。

背景技术

催化燃烧器能够被用于无明火地转化可燃原材料。例如从燃料电池系 统领域公知催化燃烧器被用于再燃烧排气中的残余氢和/或用于有针对性 地燃烧氢或其他燃料以产生热能。这种类型的催化燃烧器一般具有催化器 体，该催化器体例如可被构造为多细孔的或蜂窝状的材料或也作为颗粒填 料或诸如此类。催化器体内使用的材料在此方面至少部分具有催化活性物 质，例如铂、钯或类似的物质。为通过这种催化燃烧器完全转化所使用的 原材料，这特别是在对排气内的不受欢迎的残余物质或诸如此类的物质进 行再燃烧时是使用催化燃烧器主要目的之一，必要的是提供相应规格的催 化燃烧器以便可以转化所要燃烧的混合气体/气体混合物内存在的全部可 燃物质。这需要相应大的结构空间和因此比较大的催化器体。因为现在一 般地作为催化剂使用的物质例如铂极其昂贵，所以这种相应大的催化器体 也总是与巨大的成本相关。

所使用的催化器体的长度在此方面特别是与向催化器体流动的混合气 体的均匀分布相关。如果这种均匀分布得到改善，那么在可供使用的催化 器体可通流横截面内可以取得更均匀的转化，由此该催化器体可以相应构 造得更短并因此更小和成本更低。在这种观点下DE 102008031060A1公 开了，为均匀分布排气管内的排气流而设有在流动方向上延伸的嵌件作为 导流板，尽管由于空间原因排气管经常需要弯曲，仍确保排气流在排气管 的整个横截面上相对均匀地分布。对于将混合气体输送到催化器体区域内 的弯曲管路元件的情况，这种结构的确实现了改进，但仍不能确保催化器 体可通流横截面被均匀入流从而使催化器体的纵向尺寸能被持续缩短。

US 2003/0096204A1形式的另外的一般的现有技术公开了一种催化燃 烧器，其中不是像通常通过环形喷嘴引入附加燃料的现有技术中那样，而 是形成一种非常复杂的结构，其中入流气体和经计量的燃料的流动方向多 次反转，以便取得非常好的彻底混合。然后，混合气体在相应混合的情况 下流入催化器体的区域内。尽管在此实现了非常好的彻底混合，但该结构 未能实现催化器体的均匀入流。此外，该结构由于具有大量非常小的细丝 式结构件而极其复杂并导致在催化器体上游的混合区成本非常高。

其他一般的现有技术此外还包括US 2005/0172547A1。在该文献中， 介绍了一种用于混合气体的装置，其中使用螺旋件以便使两个彼此独立地 流入螺旋件区域内的气流尽可能好地相互混合。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种催化燃烧器，其以最低的结构件成本以 简单和紧凑的结构形式实现尽可能均匀的催化器体入流，使得该催化器体 的总长度能够被持续缩短。

该目的依据本发明通过权利要求1特征部分所述的特征得以实现。依 据本发明的催化燃烧器的具有优点的其他构造方案来自其从属的权利要 求。依据本发明的催化燃烧器的特别优选的应用在权利要求8中予以说明。 这种应用的具有优点的扩展方案来自其从属权利要求。

依据本发明，沿流动方向在催化器体上游在流动区域内设有螺旋件。 依据非常具有优点的扩展方案可利用多个导向叶片构成的这种螺旋件以沿 流动方向观察的最小结构空间确保了，在催化器体上无论是燃烧气体分布 还是混合气体的速度分布都在不同负荷情况下明显均化。在流动模拟/流动 仿真中清楚地表明了这一点。螺旋件，特别是当其构造为具有多个导向叶 片时，在此使混合气体在催化器体上游的流动通过径向偏移而扇状散开并 因此确保催化器体非常均匀和均一的入流。由此混合气体以非常均一的速 度分布被分配在催化器体的整个可供使用的面上。催化器体或其内存在的 催化活性物质因此可以得到理想地利用并且催化器体所需的结构空间、在 这里特别是所需的结构长度可以相应地最小化。由此实现了非常紧凑的结 构，这种结构此外可以明显节省一般来说非常昂贵的催化活性物质。

依据本发明结构的一种特别有利和具有优点的扩展方案提出，催化器 体被构造为柱形的，螺旋件相对于催化器体的可通流横截面居中设置。柱 形的催化器体在此的优点是，它可以很容易地集成/内置到管路元件或一管 道段中。螺旋件的居中设置在此可以使入流的混合气体尽可能好地分布在 构造成柱形的催化器体的可通流横截面上，该可通流横截面相应地构造成 圆形横截面。

此外，在依据本发明的催化燃烧器的一种特别具有优点的构造方案中 提出，螺旋件占据管路元件的整个横截面并设置在该管路元件的朝向过渡 区的端部上。依据这种构造方案，螺旋件占据整个可通流横截面，从而使 （进入）螺旋件的全部混合气体进行旋转运动和径向偏移。以此实现混合 气体流动的尽可能好的扇状散开。通过在管路元件的朝向过渡区、因此朝 向催化器体的区域内的这种设置实现了非常简单的结构，这因为螺旋件很 容易作为管路元件的终端安装在过渡区与管路元件之间。

此外在依据本发明的催化燃烧器的另一种非常有利并具有优点的构造 方案中提出，可通流横截面在螺旋件与催化器体之间扩宽。这种特别是可 以在过渡区内进行的扩宽可以典型地以漏斗的形式实现，从而使催化器体 的较大可通流横截面能被均匀入流。此外，在同一体积流量下混合气体的 速度由于横截面扩宽而下降，从而可以（降低）混合气体在催化器体区域 内的流动速度、进而增大停留时间。这也用于降低催化器体区域内催化活 性物质的量和结构尺寸。在此，通过螺旋件使混合气体流这样地扇状散开， 使得在扩宽的可通流横截面区域内气体仍然非常均匀地分布在催化器体的 整个横截面上，这是因为气体如已经多次叙述的那样通过螺旋件而相应地 扇状散开。

此外在依据本发明的催化燃烧器的一种非常具有优点的构造方案中提 出，在横截面扩宽的区域内，在位于径向外侧的壁部上设有用于排出液体 的导流件和/或开口。混合气体本身有可能携带液体，该液体在催化器体区 域中出现并润湿部分活性表面，使得气体转化受到阻碍。但通过气体流的 径向扇状散开，使气体流具有一涡旋/角动量（Drall），由此该气体流利用 该涡旋穿流过横截面扩宽的区域。由此，可能被携带的液滴由于离心力而 被向外甩并聚集在横截面扩宽部的壁部区域中。在这里可以设有相应的导 流件和/或开口，通过该导流件和/或开口可使所聚集的液体排出。例如在催 化器体上游的壁部中可以形成相应的槽，在该槽中收集液体并将其从横截 面扩宽的区域中排出。

此外在依据本发明的催化燃烧器的一种具有优点的扩展方案中提出， 通过在流动方向上延伸的嵌件管路元件沿流动方向在螺旋件的上游被分成 至少两个并行的分管路元件。导流件的这种构造也正如在开头提到的现有 技术中所述那样可以特别用于将混合气体导入螺旋件区域内的弯曲的管路 元件的情况，以便使螺旋件的入流均化并因此最终使扇状散开的流动明显 更均匀。如果不使用这样的在流动方向上延伸的、将管路元件分成至少两 个并行分管路元件的嵌件，那么可能由弯曲的管路元件导致螺旋件被不均 匀地入流，这又会使催化器体同样被不均匀地入流。

按上述构造方案之一的本发明催化燃烧器的一种特别优选的应用在此 是，用于热转化在燃料电池排气中的可燃残余物。依据本发明的催化燃烧 器的这种特别优选的应用可以转化一般含有氢的燃料电池排气中的残余 物。基于氢不应进入环境这一事实，为不使可燃或爆炸性的混合物逸出燃 料电池系统，应对燃料电池排气中的可燃残余物的完全转化提出特别高的 要求。因此需要相应的大催化器体以在所有运行状态下均安全可靠地保证 这一点。但通过依据本发明的催化燃烧器的结构，催化器体的结构尺寸如 上所述地可被减小。这一点特别是在应用于燃料电池时至关重要，因为这 种在结构空间和成本方面最小化的催化燃烧器仍可以实现排气中所有可燃 残余物的安全可靠的完全转化。正如从普遍的现有技术中公知的那样，如 果燃料电池或装备了燃料电池的燃料电池系统此外用于在车辆中提供电驱 动功率，那么通过相应地节省成本和长久必然也由燃料电池车辆达到的机 动车中惯常的零件数，可以在催化燃烧器的范围内明显地节省成本和原材 料。

此外在该应用的另一种非常有利和具有优点的构造方案中提出，向排 气输送附加的燃料。在燃料电池系统中为燃料电池输送用于产生含氢气体 的原材料，或在燃料电池利用氢运行的情况下向混合气体输送氢。在此例 如可以通过环形喷嘴进行输送，这种环形喷嘴由开头所述的现有技术公开。 混合气体然后可以通过管路元件和可能在该管路元件内延伸的嵌件被输送 到螺旋件，从而可以与已经存在的混合气体混合，这种已经存在的混合气 体一般是来自燃料电池阴极区的排气流以及可能的来自燃料电池阳极区含 氢的残余气体。总体上形成这样一种具有比较大量的燃料的混合气体，从 而能够在为其它应用目的而需要催化燃烧器的热能的情况下供给足够的热 能。

在这种催化燃烧器应用的一种特别有利和具有优点的扩展方案中，热 气在催化燃烧器下游在一涡轮机中被减压。这种用于回收燃料电池系统排 气中的压力能和热能的涡轮机也同样从一般的现有技术中公知。在此涡轮 机可以直接或间接地与用于输送给燃料电池的处理空气的压缩机连接。也 可以设想将涡轮机和/或压缩机此外与电机连接。从而形成一种也称为电涡 轮增压器（Electric Turbo Charger）或ETC的结构。在这种结构中，来 自燃料电池区域的剩余能量可以通过催化燃烧器被利用并通过涡轮机转化 成可以利用的机械能。这种机械能然后至少部分地驱动用于处理空气的压 缩机。可能仍需要的功率由以电动机模式运行的电机供给。如果涡轮机供 给的功率多于压缩机所需，那么电机也可以作为发电机，以便将这种功率 转化成电功率。因此也可以实现车辆的高动力性运行，其方法是通过在催 化燃烧器的区域内附加喷入燃料而暂时产生非常热的气体，该气体然后通 过涡轮机供给这样多的能量，使得在例如燃料电池不能供给或不能供给足 够的电功率情况下，可以通过作为发电机的电机供给用于驱动车辆的附加 的电能。

附图说明

依据本发明的催化燃烧器的其他具有优点的构造方案可由实施例得 出，下面借助附图对其进行详细说明。其中：

图1示出依据本发明的催化燃烧器的原理性的剖视图；以及

图2示出依据本发明的螺旋件的俯视图。

具体实施方式

图1示出催化燃烧器1的原理性示出的剖视图。该催化燃烧器主要由 催化器体2以及管路元件3组成，该管路元件3将含有可燃或可转化的原 材料的混合气体输送到催化器体2。所述原材料例如可以是来自燃料电池 阴极室和阳极室的排气内所含的物质，也就是特别是残余氧和残余氢。但 原则上也可以设想转化其他可燃物质，例如碳氢化合物或诸如此类的物质。 在这里所示的实施例中弯曲构成的管路元件3具有在流动方向上延伸的嵌 件4，通过该嵌件确保尽管管路元件3是弯曲的但入流的混合气体在弯曲 部的下游仍均匀地分布到管路元件3的横截面上。依据箭头A入流的混合 气体例如可以是来自燃料电池的阴极室和阳极室排气A中的混合物。此外 可以通过环形喷嘴5附加地向这种本身已经可燃的混合气体添加燃料B。 这种燃料B通过本身公知的环形喷嘴5被这样加入混合气体A，使得来自 环形室6的燃料B通过围绕管路元件3的周向分布的开口7流入混合物内。 被有选择地添加燃料B的混合气体A然后流过管路元件3，由嵌件4均匀 地引导通过管路元件3的弯曲部并流入螺旋件8的区域内，并从那里通过 过渡区9流入催化器体2内。

如图2的俯视图所示，利用多个导向叶片10将螺旋件8构造成，使流 过螺旋件8的混合气体A出现径向偏移。由此，使混合气体A相应地扇状 散开并可以通过在过渡区9中扩宽的横截面非常均一并且均匀地分布在催 化器体2的可通流面上。螺旋件8在此构造得非常小和简单并可以相应成 本低廉地制造。在流动模拟中证明，通过这种简单有效的螺旋件8，在不 同的负荷情况下均能明显地均化在催化器体2上的气体分布和速度分布。 因此可供使用的催化器体2或催化器体2内可供使用的可通流横截面被理 想地入流并得到最佳的利用。催化器体2因此可以构造得非常小且有效。 这一点在结构空间和成本方面以及在所需的催化活性材料方面具有决定性 的优点。

如果混合气体流中存在液滴形式的液体，那么这些液体至少是相应地 润湿催化器体2表面的一部分并使之失效。为避免这种情况可以选择性地 提出，在过渡区9内在壁部区域内、例如在壁部的紧接在到达催化器体2 前的区域内设置相应的导流件11和/或开口。在通过螺旋件8而扇状散开 到催化器体2的横截面上的混合气体流中，由于离心力使液滴向外运动。 由此可以在过渡区9的壁部区域内通过导流件11和可能设有的这里未示出 的排出口非常有效地将液体分离出并将其从催化燃烧器1的区域排出。

总而言之，这样形成一种有效紧凑的结构，这种结构可以采用非常简 单和成本低廉的手段使催化器体2的可供使用的可通流横截面被尽可能好 的入流，从而实现催化器体2在流动方向上非常短、进而成本低廉的结构。