專利名稱：帶有多孔體的燃燒器裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種燃燒器裝置，其包括至少部分填充有多孔體的燃燒室、位于燃燒室上游用于蒸發經由燃料入口管線供入的液體燃料的蒸發區、用于點燃蒸發液體燃料和經由燃燒空氣入口管線供入蒸發區的燃燒空氣組成的燃燒混合物的點火器以及位于燃燒室下游的排氣口。
背景技術：
德國專利DE 101 60 837 A1公開了這樣一種也稱為多孔燃燒器的燃燒器裝置。多孔燃燒器的特點是它的多孔體，即至少部分地填充在燃燒器室內的多孔材料體。用于這種多孔體的多孔材料通常是非氧化性材料，例如SiC、SiN，或者是高溫氧化物，例如Al2O3或ZrO2。多孔體經常用于提高燃燒器裝置的排放質量。因為限定在大表面積上的燃燒發生在多孔體內，所以利用多孔體能獲得穩定的完全燃燒以致燃燒器可以在較低溫度下工作，這反過來減少了排氣中的NOx濃度。此外，多孔體的某些部分，例如在上述專利中公開的，被用作防焰器以防止向入口管線或蒸發區的回火。這可以實現，因為在多孔體面向入口管線或蒸發區的部分有非常小的孔尺寸以致在那里沒有火焰形成。緊鄰著小孔區，在多孔體內設有較大孔用于促進穩定火焰的形成，這樣就達到了上面所提的形成穩定火焰和作為防焰器的目的。然而，多孔體的小孔區會產生相當大的壓力損失。這就是盡管有防焰器仍然會發生回火的原因，尤其會在燃燒器的非靜止工作點發生回火，從而導致更多的廢氣排放乃至會損壞燃燒器或是它的一部分。
用于燃燒氣體燃料或可燃氣體的多孔燃燒器也是已知的。實際上，大多數多孔燃燒器都設計成氣體燃燒器。這種氣體多孔燃燒器的一個例子公開在德國專利DE 199 60 093 A1中。該氣體多孔燃燒器包括罐式多孔體，該罐的內部作為混合區，可燃氣體經由可燃氣體入口管線引入該混合區與同樣也引入罐內部的燃燒空氣混合。罐內部的外面部分還作為反應區，即燃燒區，該區的厚度可以由進氣的流量和壓力控制。反應區內所形成火焰的穩定發生在多孔體內。這種裝置非常容易發生回火，因此燃燒器的可燃氣體入口管線必須包括相應的保護裝置。
液體燃料的多孔燃燒器與可燃氣體的多孔燃燒器相比有完全不同的結構特征，如上述專利中典型描述的。
發明內容
本發明的目的是改進普通的多孔體，以便可選擇地燃燒液體燃料和可燃氣體或它們的組合。
該目的通過權利要求1中描述的特征來實現。
有利的方面和更多的實施方式在從屬權利要求中體現。
根據本發明的燃燒器裝置基于普通的現有技術，即在蒸發區和燃燒室之間設置有混合區，經由可燃氣體入口管線引入的可燃氣體在該混合區內與燃燒空氣和/或燃燒混合物混合。該配置的要點是在第一區，即蒸發區內產生優選由液體燃料和燃燒空氣組成的可燃燃燒混合物，且根據需要和可燃氣體富集在相鄰的混合區中。這樣富集的燃燒混合物就被點燃，在多孔體內形成邊界確定且穩定的火焰。應注意，本說明書范圍中的術語“燃燒空氣”應在寬范圍內理解，不僅僅是大氣混合物，而是可以與蒸發液體燃料或可燃氣體混合形成可燃混合物的任何其他含氧氣體。
優選的是，蒸發區至少部分地填充有多孔蒸發器元件。
本文中尤其考慮的優點是使用金屬泡沫作為多孔蒸發器元件，盡管為了這個目的應盡可能地使用陶瓷泡沫或多孔質固體。多孔蒸發器元件的大表面積促進液體燃料的蒸發。蒸發可以進一步通過預熱蒸發器元件或其催化涂層來維持。盡管也可以將蒸發區構造成霧化室，但是優選的是使用蒸發器元件，因為它在技術上更容易實現。然而，應盡可能經由噴嘴，即沒有填充泡沫的噴嘴供入液體燃料。
本發明的另一有利方面在于，可燃氣體入口管線構造成在混合區內為一根管子，該管子的管壁上設有徑向穿孔，并優選在管子端部關閉。這一管子被由蒸發區流入混合區的燃燒混合物流包圍，從而實現可燃氣體和燃燒混合物之間的良好混合并在其中富集。
作為選擇，可燃氣體入口管線也可以配置成在混合區內為多孔陶瓷體，因為與具有多孔管壁的管子相比這種陶瓷體有更大的表面積，所以可燃氣體和燃燒混合物會形成更好的混合。
用于點燃可能富集的燃燒混合物的點火器優選設置在燃燒室內，并且尤其優選的是伸入多孔體內。這就確保了點火首先發生在已經進入多孔體的(富集的)燃燒混合物中，所以火焰首先在多孔體內形成，這樣就在沒有專門的防焰器的情況下避免了回火。
當根據如上所述的發明的燃燒器用于聯合操作時，該火焰可以將液體燃料的燃燒作為可燃氣體的引燃火焰，以使在直流氣體燃燒器中不可燃的燃料氣體也可以燃燒。然而，應盡可能使用根據本發明的燃燒器，且和氣體或液體燃燒器一樣在直流模式下也采用高品質可燃氣體或液體燃料。
優選的是設置有用于控制可燃氣體、液體燃料和燃燒空氣的控制器，其中可燃氣體、液體燃料和燃燒空氣中的每一個都被調節以互相混合。即使供應和質量條件不同，這一控制器也能確保實現長期的最佳燃燒。
因為很難事先檢測參與燃燒的各個組分的化學特性并相應地設定控制參數，所以本發明的一個有利方面是閉環控制調節。也就是，根據排氣口區域和/或燃燒室內的感應器感應到的參數的特征函數來控制調節。為了達到這一目的，可以在排氣口區域設置所謂的λ傳感器和/或在同一區域或燃燒室區域設置溫度傳感器。這就為監控燃燒本身提供了可能，并且當感應到的參數偏離預先設定的值時，單個燃燒組分的混合就會被調節以實現最佳燃燒。
在預料到單個燃燒組分的有效流量和/或質量會嚴重波動時，這種著重結果的閉環控制系統尤其有利，例如-在本發明尤其優選的實施例中-在根據本發明的燃燒器被用作燃料電池堆的后燃器(afterburner)的情況下，其中陽極排氣流被作為可燃氣體送入燃燒器裝置的燃料電池堆。
燃料電池是一種用于獲得電能的已知裝置，其中基本上氫化的陽極氣體和氧化的陰極氣體由燃料電池模塊中電能的催化產物轉化為水。這種燃料電池配置通常包括多個互相連接的燃料電池模塊。該配置稱為燃料電池堆。這種燃料電池堆的一個問題是氫化陽極氣體的不完全轉化。這就是(不完全的)陽極排氣流經常在后燃器內燃燒的原因，燃燒所產生的熱量隨后被熱交換器吸收或被利用。然而，燃料電池中催化轉化的程度取決于它的實際工作點，由于供入后燃器的可燃氣體的“質量”經常波動，從而導致了燃燒器故障或者至少低于最佳燃燒質量。這一問題現在可以通過將根據本發明的燃燒器裝置作為燃料電池堆的后燃器來解決。
為了有效地利用燃燒產生的熱量，優選的是燃燒室與熱交換器元件熱接觸。
現在將以參考附圖進行舉例的方式來描述本發明的一個優選實施例，其中圖1是根據本發明的燃料電池堆的一個實施例的示意性剖視圖，其包括根據本發明的燃燒器裝置。
具體實施例方式
現在參見圖1，描述了燃料電池堆的示意性剖視圖，該燃料電池堆包括指定根據本發明的燃燒器裝置10作為后燃器的燃料電池模塊42。液體燃料和燃燒空氣分別經由燃料入口管線16和燃燒空氣入口管線18供入燃燒器裝置10，燃燒器裝置10優選構造成金屬蒸發器元件14，尤其是金屬泡沫。供入的液體燃料在可能涂覆有催化劑的蒸發器元件14的整個表面積上蒸發并與燃燒空氣混合。
產生的燃燒混合物從蒸發區流入混合區20，可燃氣體則經由可燃氣體入口管線22進入該混合區，在該例子中可燃氣體入口管線22是燃料電池模塊42的陽極排氣裝置。在混合區20內，可燃氣體入口管線22優選為多孔管或多孔體的形式，尤其是多孔陶瓷體。可燃氣體入口管線22的端部在下文中稱為可燃氣體分配器24。可燃氣體分配24被來自蒸發區的燃燒混合物流包圍，從而實現可燃氣體和燃燒混合物的均勻混合，也就是燃燒混合物的富集。接著(富集的)燃燒混合物流入如實施例中所示被多孔體28完全充滿的燃燒室26。例如，可以配置成電發熱針的點火器30伸入多孔體28中。點火器30點燃已進入多孔體28的(富集的)燃燒混合物，從而形成穩定火焰并達到燃燒混合物的幾乎完全燃燒。在該燃燒室的后部設置有熱交換器32，熱交換器32例如包括與熱流體入口管線34和熱流體出口管線36連接的螺旋管。在該例子中使用的熱流體可以是任何已知的流體，例如水、乙二醇、熱油等，由此如果必要，也可以將氣態物質，例如空氣作為傳熱介質。
連接在燃燒室26后部的是排氣口38，燃燒產生的廢氣經由它排到外面。
在所示的實施例中，在排氣口的區域內設置有λ傳感器40，通過它感應某些排氣參數可以確定燃燒質量。λ傳感器40所感應的參數會傳送到調節燃燒組分，即液體燃料、燃燒空氣和可燃氣體的混合的控制器44，以優化燃燒室26內的燃燒。
當然應了解，上述詳細描述和附圖中所示的實施例僅僅是本發明的說明性實施例，本發明一點也不受它的限制。本領域的技術人員可以對其進行變化和修改。因此，例如除所示λ傳感器40外可以使用額外的或其他的傳感器，或者根本就不使用傳感器。此外，燃燒器個別部分的特殊幾何布置也沒有必要和圖1中所示的一樣。為了冷卻廢氣或預熱可燃氣體、液體燃料和/或燃燒空氣，廢氣或它的組分可以返回，以包圍相應的入口管線16、18、22，正如也可能將它們返回到熱交換器以提高其效率。
應了解，上述說明書、附圖以及權利要求書中所公開的本發明的特征是以單獨和任何組合的形式實現本發明所必需的。
權利要求
1.一種燃燒器裝置(10)，包括至少部分地填充有多孔體(28)的燃燒室(26)；位于燃燒室(26)上游用于蒸發經由燃料入口管線(16)供入的液體燃料的蒸發區(12)；用于點燃由已蒸發的液體燃料和經由燃燒空氣入口管線(18)供入蒸發區(12)的燃燒空氣組成的燃燒混合物的點火器(30)；以及位于燃燒室(26)下游的排氣口，其特征在于在蒸發區(12)和燃燒室(26)之間設置有混合區(20)，在混合區(20)內經由可燃氣體入口管線(22，24)供入的可燃氣體與燃燒空氣和/或燃燒混合物混合。
2.如權利要求1所述的燃燒器裝置(10)，其特征在于蒸發區(12)至少部分地填充有多孔蒸發器元件(14)。
3.如權利要求2所述的燃燒器裝置(10)，其特征在于多孔蒸發器元件(14)是金屬泡沫。
4.如上述權利要求中任一項所述的燃燒器裝置(10)，其特征在于可燃氣體入口管線(22，24)構造成在混合區(20)內為在其管壁上設有徑向穿孔的管子。
5.如權利要求1-4中任一項所述的燃燒器裝置(10)，其特征在于可燃氣體入口管線(22，24)構造成在混合區(20)內為多孔陶瓷體(24)。
6.如上述權利要求中任一項所述的燃燒器裝置(10)，其特征在于用于點燃燃燒混合物的點火器(30)優選設置在燃燒室(26)內，并伸入多孔體(28)中。
7.如上述權利要求中任一項所述的燃燒器裝置(10)，其特征在于設置有控制器(44)，用于控制可燃氣體、液體燃料和燃燒空氣的進入流，可燃氣體、液體燃料和燃燒空氣中的每一個都被調節以彼此混合。
8.如權利要求7所述的燃燒器裝置(10)，其特征在于控制器(44)適于根據排氣口(38)區域和/或燃燒室(26)內的傳感器感應到的參數的特征函數來控制被調節的混合。
9.如上述權利要求中任一項所述的燃燒器裝置(10)，其特征在于燃燒室(26)與熱交換器元件(32)熱接觸。
10.上述權利要求中任一項所述的燃燒器裝置(10)作為燃料電池堆中的后燃器的使用方法，其中將陽極排氣流作為可燃氣體送入燃燒器裝置(10)的燃料電池堆。
11.一種用于通過利用至少一個燃料電池模塊(42)催化轉化氫化陽極氣體和氧化陰極氣體來產生電能的燃料電池堆，其中陽極排氣流可供入后燃器作進一步燃燒，其特征在于將權利要求1-9中任一項所述的燃燒器裝置(10)作為該后燃器。
全文摘要
本發明涉及一種燃燒器裝置，其包括至少部分地填充有多孔體(28)的燃燒室(26)、位于燃燒室(26)上游用于蒸發經由燃料入口管線(16)供入的液體燃料的蒸發區(12)、用于點燃由蒸發的液體燃料和經由燃燒空氣入口管線(18)供入蒸發區(12)的燃燒空氣組成的燃燒混合物的點火器(30)，以及位于燃燒室(26)下游的排氣口(38)。本發明的特征在于在蒸發區(14)和燃燒室(26)之間設置有混合區(20)，在混合區(20)內經由可燃氣體入口管線(22，24)引入的可燃氣體與燃燒空氣和/或燃燒混合物混合。本發明還涉及一種該燃燒器裝置作為燃料電池堆內的后燃器的使用方法，以及一種相應的燃料電池堆。
文檔編號F23G7/06GK101040147SQ200580034961
公開日2007年9月19日 申請日期2005年10月11日 優先權日2004年10月13日
發明者S·克丁, J·勞倫斯 申請人:韋巴斯托股份公司