專利名稱：用于提供熱廢氣的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于提供熱廢氣的裝置以及這種裝置的應(yīng)用，所述熱廢氣用于驅(qū)動潤輪機。
背景技術(shù)：
原則上公知了利用燃燒的熱廢氣運行渦輪機。US 2002/0157881A1描述了一種結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，通過由燃燒器激勵的渦輪機和發(fā)電機為車輛提供電能?，F(xiàn)在，US公開文獻中的特殊之處在于，燃燒器集成地構(gòu)造在渦輪機或渦輪機入口殼體中。燃燒器本身在此構(gòu)造成火焰燃燒器，所述火焰燃燒器提供用于運行渦輪機的盡可能高的溫度?，F(xiàn)在，在這種結(jié)構(gòu)中缺點在于，這種燃燒器由于溫度非常高以及燃燒的可控性比較差而造成不期望的物質(zhì)、例如NOx排放物的強排放。因此，在US公開文獻中設(shè)置有一種可選擇的催化反應(yīng)器，所述催化反應(yīng)器以廢氣催化器的形式在內(nèi)燃機之后在渦輪機中在燃燒的熱廢氣減壓后將殘 余轉(zhuǎn)換。這造成在廢氣中產(chǎn)生一定的殘余熱，這種殘余熱必須比較麻煩地通過換熱器重新回收。此外，在燃燒器方面優(yōu)化的緊湊結(jié)構(gòu)通過附加的廢氣催化器而又增大。此外，從本發(fā)明的優(yōu)選應(yīng)用領(lǐng)域中公知，燃燒器與渦輪機相組合地安裝在燃料電池系統(tǒng)中。例如DE 10306234A1描述了一種用于給燃料電池供應(yīng)空氣的裝置。該裝置構(gòu)造成具有電支持的渦輪增壓器。為此，在膨脹器或渦輪機的區(qū)域中，熱氣體減壓，以便提供至少一部分供應(yīng)空氣所需的能量。為了產(chǎn)生熱氣體，設(shè)置有呈微孔燃燒器或催化燃燒器形式的燃燒器。這種燃燒器燃燒燃料電池的廢氣并且在需要時可以附加給燃料電池供應(yīng)燃料。JP59075571A的日文摘要也公知了一種可比較的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)雖然能夠在燃料電池系統(tǒng)中提供熱氣體，但通常不保證完全轉(zhuǎn)換燃料電池的廢氣中所含有的不期望的全部殘余物，例如在使用氣體產(chǎn)生系統(tǒng)時碳氫化合物的殘余物，如JP摘要中所述，或在使用氫儲存器時氫的殘余物，如DE文獻中所述。這典型地在于，在燃燒器中催化反應(yīng)的安全可靠的點火通常很難或不能足夠再現(xiàn)地實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于，給出一種用于提供熱廢氣的裝置，所述熱廢氣用于驅(qū)動渦輪機，所述裝置盡可能地利用在用于驅(qū)動渦輪機的可燃燒的氣體中存在的化學(xué)能量并且在無需其它措施的情況下提供不含有害排放物的廢氣。根據(jù)本發(fā)明，該目的通過一種具有權(quán)利要求I特征部分中的特征的裝置來實現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的裝置的有利的進一步構(gòu)型由從屬權(quán)利要求得到。根據(jù)本發(fā)明的裝置的特別優(yōu)選的應(yīng)用在權(quán)利要求8中予以說明，其有利的進一步構(gòu)型由其從屬權(quán)利要求得到。因此，根據(jù)本發(fā)明的解決方案提出，直接與渦輪機連接或完全地或部分地集成地構(gòu)造在渦輪機或渦輪機殼體中的燃燒器具有燃燒區(qū)，該燃燒區(qū)具有開孔材料，所述開孔材料具有高的比表面積。這種作為微孔燃燒器或矩陣燃燒器或矩陣輻射燃燒器的結(jié)構(gòu)允許在無明火的情況下實現(xiàn)非常均勻且有效的燃燒。由此，可以以最小的結(jié)構(gòu)空間在直接與渦輪機連接或在所述渦輪機中、例如在渦輪機殼體中集成或以套筒的形式插入渦輪機殼體中的情況下實現(xiàn)非常緊湊的結(jié)構(gòu)。通過矩陣燃燒器或微孔燃燒器的積極特性和由其輻射的熱能可實現(xiàn)待燃燒的氣體流的幾乎全部成分非常有效地燃燒。所述結(jié)構(gòu)在此可極其緊湊且有效地實現(xiàn)。在根據(jù)本發(fā)明的裝置的一種特別有利的實施方式中，具有高的比表面積的開孔材料具有至少一種催化活性材料。因此，燃燒器于是不是構(gòu)造成純粹的微孔燃燒器、矩陣燃燒器或類似燃燒器，而是同時構(gòu)造成催化燃燒器，所述催化燃燒器在無需明火的情況下安全可靠地轉(zhuǎn)換相應(yīng)的原料。此外，在根據(jù)本發(fā)明的裝置的一種非常有利且具有優(yōu)點的進一步構(gòu)型中提出，給燃燒器至少有時提供新鮮空氣，其中，燃燒器具有點火裝置，通過所述點火裝置可以點燃至少新鮮空氣和燃料電池的燃料的燃燒。因此，除了燃料電池的廢氣和至少有時供應(yīng)燃料之夕卜，也給燃燒器供應(yīng)新鮮空氣。優(yōu)選與燃料一起供應(yīng)的所述新鮮空氣于是允許通過設(shè)置在燃燒器中的點火裝置使空氣和燃料的燃燒點火。通過在例如流動方向上在真正的燃燒區(qū)即例如微孔燃燒器的微孔結(jié)構(gòu)之前進行的這種點火，燃燒器始終安全可靠地通過前置的點火 器啟動。由此保證例如可以用于驅(qū)動渦輪機的期望的熱廢氣始終在其被需要時提供。此外實現(xiàn)燃料和來自燃料電池的廢氣始終完全可以在燃燒器的區(qū)域中轉(zhuǎn)換，由此，沒有氫、碳氫化合物、一氧化碳、氮氧化物(NOx)或類似物質(zhì)的排放物到達燃料電池系統(tǒng)的周圍環(huán)境。 此外，根據(jù)本發(fā)明的一種非常有利且具有優(yōu)點的進一步構(gòu)型可提出，新鮮空氣和燃料電池的燃料在流動方向上在點火裝置后面并且在燃燒器前面與來自燃料電池的廢氣匯合。這種結(jié)構(gòu)允許非?？煽氐厍铱煽康攸c燃燃料與所供應(yīng)的新鮮空氣，而廢氣于是在完成點火后才在達到燃燒區(qū)之前或達到時與所述已經(jīng)燃燒的混合物匯合。這具有優(yōu)點與廢氣的組分無關(guān)，在任何情況下均可以獲得能點火的混合物，因為在點火裝置的區(qū)域中僅存在燃料和新鮮空氣，其混合比可以相當容易地控制，而不必通過復(fù)雜的傳感裝置例如測定廢氣中的殘余燃料含量和殘余氧含量。在本發(fā)明的一種作為替換方案的實施方式中提出，新鮮空氣和燃料電池的燃料這樣引導(dǎo)到點火裝置的區(qū)域中，使得局部存在可以點燃的混合物。取代氣體流在通過相應(yīng)的分開裝置或分開的導(dǎo)電元件點火后才進行的上述匯合，根據(jù)作為替換方案的實施方式提出，通過將新鮮空氣和燃料定向地供應(yīng)到點火裝置中，在點火裝置上局部存在可點燃的混合物。新鮮空氣和燃料例如可以通過類似于噴嘴的元件或定向的進氣流在提高的壓力下這樣供應(yīng)，使得所述新鮮空氣和燃料這樣流動到點火裝置的區(qū)域中，使得在這里新鮮空氣和燃料的濃度高于存在更多來自燃料電池的廢氣的周圍區(qū)域中的濃度。點火裝置在此原則上可以按照不同類型來構(gòu)造。例如可以設(shè)想點火裝置呈熾熱元件的形式，例如作為陶瓷熾熱點火器或作為熾熱螺旋絲。但特別有效的是通過火花點燃物質(zhì)混合物的點火裝置。通過這種火花安全可靠地以比較小的能量實現(xiàn)空氣和燃料的可點燃的混合物的點燃，其中，通過利用火花工作的點火裝置可以非常快速地實現(xiàn)點火，而無需預(yù)熾熱時間等。在一種特別有利且具有優(yōu)點的應(yīng)用中，根據(jù)本發(fā)明的裝置用于驅(qū)動燃料電池系統(tǒng)中的渦輪機，其中，給燃燒器至少供應(yīng)來自燃料電池系統(tǒng)的燃料電池的廢氣。
正如從開頭所描述的現(xiàn)有技術(shù)中所公知的那樣，燃燒器和渦輪機安裝在燃料電池系統(tǒng)中，以便回收燃料電池系統(tǒng)的廢氣中的殘余能量。這種殘余能量于是以壓力和熱量的形式在渦輪機中轉(zhuǎn)換。渦輪機例如可以驅(qū)動壓縮機和/或用于提供電能的發(fā)電機。此外，從燃料電池系統(tǒng)中這樣回收能量具有優(yōu)點燃料電池的廢氣中的殘余物質(zhì)被全部轉(zhuǎn)換，由此，沒有碳氫化合物和氫的排放物到達周圍環(huán)境。理想的是，燃燒器在此構(gòu)造成催化燃燒器，由此，NOx排放由于在約600°C的比較低的溫度下無火焰燃燒而可以得到避免。


從其余的從屬權(quán)利要求得到根據(jù)本發(fā)明的裝置的其它有利構(gòu)型，借助于下面參照附圖詳細描述的實施例對其進行說明。附圖表示圖I具有根據(jù)本發(fā)明的裝置的燃料電池系統(tǒng)的第一種可能的實施方式；圖2具有根據(jù)本發(fā)明的裝置的燃料電池系統(tǒng)的另一種可能的實施方式；
圖3根據(jù)本發(fā)明的燃燒器的第一種可能的實施方式；圖4根據(jù)本發(fā)明的燃燒器的另一種實施方式；以及圖5根據(jù)本發(fā)明的燃燒器的另一種作為替換方案的實施方式。
具體實施例方式圖I和2中描述了燃料電池系統(tǒng)I的兩種不同結(jié)構(gòu)，所述燃料電池系統(tǒng)優(yōu)選、但不是僅僅用于提供熱廢氣的根據(jù)本發(fā)明的裝置。形成燃料電池系統(tǒng)I的核芯的是例如構(gòu)造成PEM燃料電池組的燃料電池2。在此，燃料電池2的陰極室3和陽極室4通過傳導(dǎo)質(zhì)子的膜片5彼此分開。作為用于運行燃料電池2的氧化劑，典型地使用空氣中的氧，為此，空氣通過空氣輸送裝置6輸送到陰極室3中。給陽極室4供應(yīng)氫或含氫的氣體。在這里所示的實施例中，應(yīng)從壓力氣體儲存器7給燃料電池2的陽極室4供應(yīng)氫。在該壓力氣體儲存器7中儲存在高壓下的氫通過閥裝置8供應(yīng)給陽極室4并且在此減壓到適合于燃料電池2運行的壓力水平。在將純氫作為燃料用于燃料電池2時，典型地將所述純氫以比在燃料電池2的陽極室4中可以轉(zhuǎn)換的體積流量高的體積流量提供給陽極室4。這用于盡可能均勻地給傳導(dǎo)質(zhì)子的膜片5的可供使用的整個活性面供給足夠量的氫。未消耗的氫然后從陽極室4通過再循環(huán)管路9輸出并且借助于再循環(huán)輸送裝置10、例如氫再循環(huán)鼓風機和/或氣體噴射泵或類似裝置與來自壓力氣體儲存器7的新鮮氫一起重新供應(yīng)給陽極區(qū)域4。隨著時間的推移，穿過膜片5進入陽極室4中的氮以及在燃料電池2的陽極室4中產(chǎn)生的少量的產(chǎn)物水聚集在再循環(huán)管路9的區(qū)域中。因為這種惰性物質(zhì)在燃料電池中不能轉(zhuǎn)換，所以隨著時間的推移這種物質(zhì)降低再循環(huán)管路9和陽極室4的體積中的氫濃度。因此，處于再循環(huán)管路9的區(qū)域中的物質(zhì)有時通過排出管路11和設(shè)置在所述排出管路中的閥裝置12排出，以便可以保持陽極室4中的氫濃度。因為在所述排出時通過排出管路11即所謂的清除管路始終也有一定量的殘余氫從系統(tǒng)逸出，所以必須對所排出的物質(zhì)流以稍后還要詳細描述的方式進行再處理，以便不允許排放到周圍環(huán)境。燃料電池3的膜片5對干燥比較敏感。因為通過空氣輸送裝置6輸送的空氣體積流量典型地是干燥的，所以相應(yīng)高的空氣體積流量會加速膜片5的干燥。因此，在燃料電池系統(tǒng)I中可以設(shè)置有例如構(gòu)造成氣體-氣體-加濕器的加濕器13。這種加濕器13的核芯是可透過水蒸汽的膜片。由空氣輸送裝置6輸送的干燥的氣體流在膜片的一側(cè)流動。來自燃料電池2的陰極室3的廢氣流在膜片的另一側(cè)流動。因為絕大部分產(chǎn)物水在燃料電池2的陰極室3中產(chǎn)生，所以這種廢氣流相應(yīng)負載呈水蒸汽和小滴的形式的液體。水蒸汽可以穿過膜片在加濕器13中加濕干燥的輸入空氣，由此，一方面排出空氣可被除濕，另一方面通過加濕的輸入空氣可以保證燃料電池2的膜片5被加濕。此外，因為不是在所有情況下均期望完全加濕，所以圍繞加濕器13、在這里例如在通到陰極室3的輸入空氣管路的區(qū)域中——但原則上也可以類似于在陰極室3的排出空氣管路的區(qū)域中——設(shè)置旁路14。該旁路可以通過閥裝置15這樣控制，使得流過加濕器13的待加濕的體積流被相應(yīng)劃分。由此可以在陰極室3的區(qū)域中實現(xiàn)可以調(diào)整的濕度。此外，圖I中的燃料電池系統(tǒng)I的結(jié)構(gòu)示出增壓空氣冷卻器16，所述增壓空氣冷卻器同樣一方面由空氣輸送裝置6后面的輸入空氣以及另一方面由來自陰極室3的排出空氣穿流。在空氣輸送裝置6后面，所輸送的空氣相應(yīng)地熱，因為該空氣在壓縮時相應(yīng)變熱。而來自陰極室3的排出空氣較冷?，F(xiàn)在，通過增壓空氣冷卻器16，在這兩股氣體流之間進行換 熱，由此，輸送到陰極室3的空氣得到冷卻，從陰極室3流出的空氣則被加熱。通過空氣輸送裝置6后面的經(jīng)冷卻的空氣，進一步降低燃料電池的膜片5干燥的危險。在增壓空氣冷卻器16中加入到陰極室3的排出空氣中的熱量在這里可以得到有益利用，正如后面還要詳細描述的那樣。來自增壓空氣冷卻器16的被加熱的排出空氣通過排出空氣管路18然后進入燃燒器17，在該燃燒器中所述排出空氣可與來自排出管路11的殘余氫以及在需要時通過氫管路19和閥裝置20與從壓力氣體儲存器7供應(yīng)的氫一起被轉(zhuǎn)換。此外，通過具有閥裝置22的新鮮空氣管路21給燃燒器17供應(yīng)新鮮空氣，所述新鮮空氣是在空氣輸送裝置6后面從流向陰極區(qū)域的輸入空氣流取出的。在燃燒器17中現(xiàn)在將所述原料在燃燒區(qū)23中以燃燒的形式進行轉(zhuǎn)換。燃燒區(qū)23在此特別是可以裝備具有高的比表面積的開孔材料。燃燒器17因此例如可以構(gòu)造成微孔燃燒器或矩陣燃燒器構(gòu)成。由所描述的原料產(chǎn)生的熱廢氣在圖I中的燃料電池系統(tǒng)I的實施例中然后進入渦輪機24的區(qū)域中并且在該渦輪機24的區(qū)域中減壓和冷卻。由此可以通過渦輪機24從燃料電池系統(tǒng)的熱廢氣流中回收機械能。在這里所示的實施例中，通過渦輪機24可以直接給空氣輸送裝置6提供機械能。此外，可設(shè)置有電機25，該電機在渦輪機24的區(qū)域中能量相應(yīng)過剩的情況下可以作為發(fā)電機運行，以便從熱廢氣流中附加回收電能。如果空氣輸送裝置需要比通過渦輪機24可以提供的能量多的能量，那么電機25也可以作為電動機運行。在這種情況下，該電機會提供所需的能量差用于通過空氣輸送裝置6輸送空氣流。由渦輪機24、電機25和在這種結(jié)構(gòu)中典型地構(gòu)造成透平壓縮機的空氣輸送裝置6組成的所述結(jié)構(gòu)總體上也稱為電動渦輪增壓器26或ETC (Electric Turbo larger) 26。不言而喻，除了這種ETC 26外，也可以設(shè)想熱廢氣的其它應(yīng)用，例如在用于從含有碳氫化合物的原料中通過蒸汽重整、自熱重整或諸如此類的重整產(chǎn)生含氫的氣體。此外，不言而喻，也可以設(shè)想渦輪機24不是設(shè)置在ETC中，而是設(shè)置在空程(freilaufend)渦輪增壓器中，所述渦輪增壓器在一側(cè)具有渦輪機24，在另一側(cè)僅具有作為透平壓縮機的空氣輸送裝置6?？粘虦u輪增壓器的透平壓縮機例如可以形成空氣輸送裝置6的一個級。此外，當然也可以設(shè)想按照其它任何類型驅(qū)動透平壓縮機并且渦輪機24僅與電機25或發(fā)電機25耦合。在這種情況下，可以通過渦輪機24提供電能。同樣可以設(shè)想，由渦輪機24產(chǎn)生的機械能通過相應(yīng)的傳動單元直接機械地用于驅(qū)動車輛的輔助機組和/或用于支持車輛的驅(qū)動。在此，在燃燒器17中利用來自燃料電池2的區(qū)域的全部廢氣。也可以通過氫管路19和閥裝置20有選擇地供應(yīng)氫來有針對性地加熱渦輪機。在這種情況下，例如可以實現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)I的增強運行，在所述增強運行中，通過將氫填加到燃燒器17中可以暫時通過渦輪機24提供比較高的能量。這種能量然后可以通過作為發(fā)電機的電機25轉(zhuǎn)換成電流，所述電流例如可以在車輛系統(tǒng)中使用，以便滿足燃料電池2不能足夠快速滿足的動態(tài)功率要求。這例如允許增強運行或在緊急情況下也允許斷開燃料電池2時的運 行?，F(xiàn)在在圖2的視圖中可以看出一種可對照的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，所述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以作為上述燃料電池系統(tǒng)I的替換方案來使用。該結(jié)構(gòu)的不同之處基本上在于，圍繞燃料電池2的陽極室4不存在再循環(huán)管路9。因此，在這種結(jié)構(gòu)中，給陽極室4僅提供低過量的氫，該氫通過在這里不具有閥的類似存在的排出管路11直接供應(yīng)給燃燒器17并且與來自陰極室3的排出空氣一起在該燃燒器中轉(zhuǎn)換。因此在這里進行來自燃料電池2的兩股廢氣流的連續(xù)轉(zhuǎn)換，其中，在這里也可以通過氫管路19或新鮮空氣管路21供應(yīng)附加的空氣和/或附加的氫。此外，在這種結(jié)構(gòu)中取消了加濕器13以及旁路管路14和閥裝置15。視所使用的膜片5的類型而定，這種無加濕的運行有時也可以設(shè)想在PEM燃料電池中進行。原則上完全也可以設(shè)想可以取消增壓空氣冷卻器16的結(jié)構(gòu)。但這種增壓空氣冷卻器在這里所描述的結(jié)構(gòu)中具有優(yōu)點來自燃料電池2的陰極室3的排出空氣相應(yīng)被加熱，從而可以給燃燒器17提供熱廢氣流。此外，流向燃料電池2的陰極室3的相應(yīng)冷卻的輸入空氣流保護膜片5，這特別是在無加濕器13的應(yīng)用中對膜片5的使用壽命具有優(yōu)點。由此可以提高燃燒器17的能量利用和廢氣溫度，由此，增壓空氣冷卻器16在這里在膜片5的使用壽命和所使用的能量的利用方面提供優(yōu)點。此外，在圖2的視圖中，與具有其閥裝置22的新鮮空氣管路21并聯(lián)地可以看出具有閥裝置28的可選擇的冷卻空氣管路27。稍后還要對所述冷卻空氣管路的功能進行詳細描述。在根據(jù)圖2的實施方式的燃料電池系統(tǒng)I的視圖中，其結(jié)構(gòu)設(shè)置有電動渦輪增壓器26，其中，在這里對于電動渦輪增壓器26也適用于上面已經(jīng)詳細描述的內(nèi)容并且該電動渦輪增壓器應(yīng)理解為純粹舉例?，F(xiàn)在，圖I和圖2中所描述的燃料電池系統(tǒng)的重要方面在于燃燒器17的結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在，在圖3的視圖中，可以看出用于提供熱廢氣的裝置的燃燒器17的第一種可能的實施例。燃燒器17在圖3中所示的最簡單的實施方式中這樣構(gòu)造，使得燃燒器17實際上僅由燃燒區(qū)23組成。該燃燒區(qū)23本身由構(gòu)造成開孔并且具有高的比表面積的材料構(gòu)成。該材料例如可以是由無定向纖維制成的針織物、定向纖維的聚集物、例如金屬基或陶瓷基的開孔泡沫或開孔燒結(jié)材料。此外可以設(shè)想，如在后面的實施例中還要描述的那樣，燃燒區(qū)23由金屬材料或陶瓷材料制成的網(wǎng)或織物構(gòu)成并且構(gòu)造成所謂的矩陣燃燒器或矩陣輻射燃燒器。在圖3的視圖中，燃燒器17是催化燃燒器。燃燒區(qū)23的材料因此設(shè)置有催化活性材料，所述催化活性材料例如精細分布地存在于開孔結(jié)構(gòu)中或以涂層的形式至少覆蓋開孔結(jié)構(gòu)的部分表面。作為適用的催化材料例如可以使用鈀、鉬或類似材料。由于構(gòu)造成催化燃燒器17，在燃燒器17的燃燒區(qū)23的區(qū)域中，燃料電池2的向燃燒器17流動的廢氣供應(yīng)到燃燒區(qū)23的區(qū)域中，所述廢氣在這里作為氣體混合物通過箭頭表示并且來自或可以來自排出管路11、排出空氣管路18、氫管路19和新鮮空氣管路21。在那里進行催化反應(yīng)或催化燃燒，由此，在不形成火焰的情況下，燃料電池2的廢氣和需要時供應(yīng)的附加的來自氫管路19的氫中的物質(zhì)進行轉(zhuǎn)換。催化燃燒在此除了提供約600°C溫度水平的熱燃燒廢氣用于驅(qū)動渦輪機24外，還保證向燃燒器17流動的氣體流中的可燃燒物質(zhì)幾乎完全轉(zhuǎn)換，從而可以在很大程度上避免排放物。此外，在圖3的視圖中可以看出，燃燒區(qū)23集成地構(gòu)造在渦輪機24的螺旋形的渦輪機殼體29的入口區(qū)域中。這種結(jié)構(gòu)允許以最小的結(jié)構(gòu)空間提供渦輪機24和燃燒器17。此外，從燃燒器17向渦輪機24引導(dǎo)熱廢氣體積流量必須經(jīng)過的距離最小化。由此一方面避免熱損失，另一方面可以在很大程度上取消用于管路引導(dǎo)裝置的長度的昂貴的耐高溫材料。僅渦輪機殼體必須由相應(yīng)的抗高溫材料構(gòu)成或至少在其內(nèi)壁的區(qū)域中涂覆有例如陶瓷基的這種材料。因此，圖3中所示的具有直接集成地構(gòu)造在渦輪機24上或渦輪機24的渦輪機殼體29中的燃燒器17的結(jié)構(gòu)除了最小的結(jié)構(gòu)空間需求外還允許在高效利用熱廢氣的情況下非常有效地運行。通過燃燒區(qū)23的區(qū)域中具有高的比表面積的開孔材料的催化涂層，在此實現(xiàn)燃料電池2的廢氣中所含有的全部可燃燒殘余物質(zhì)完全轉(zhuǎn)換，從而向燃料電池系 統(tǒng)I的周圍環(huán)境不放出有害排放物。在催化燃燒器17中可能的問題可能在于，這種催化燃燒器在確定的運行狀況下可能難于點火或只是稍后才達到其所謂的點火溫度，由此，未燃燒的物質(zhì)可以穿過燃燒區(qū)23的區(qū)域。由此，一方面出現(xiàn)排放物，另一方面，可以有益地轉(zhuǎn)換成熱能的物質(zhì)未經(jīng)利用地從燃料電池系統(tǒng)I流出。為防止這種情況，如在圖4的視圖中可看到的那樣，渦輪機殼體29中的燃燒器17的結(jié)構(gòu)具有點火裝置30。圖4的視圖中的燃燒器17的結(jié)構(gòu)也構(gòu)造有具有微孔材料的燃燒區(qū)23。此外，通過管路元件31供應(yīng)來自燃料電池2、即特別是來自排出管路11和排出空氣管路18的廢氣。通過另一管路元件32供應(yīng)來自氫管路19的氫和來自新鮮空氣管路21的新鮮空氣。點火裝置30在此設(shè)置在管路元件32的區(qū)域中，從而在其區(qū)域中始終存在可以良好點燃的由氫和新鮮空氣構(gòu)成的混合物。此外，為檢查是否點火在點火裝置30的區(qū)域中也可靠進行，在燃燒器17中可設(shè)置有監(jiān)測電極33，通過所述監(jiān)測電極可以鑒別進行的點火。圖4中所示的燃燒器17在其它方面構(gòu)造得類似于圖3的范圍中所描述的燃燒器。在這里呈微孔燃燒器類型也具有開孔材料的燃燒區(qū)在此比在圖3的視圖中更深地集成到渦輪機殼體29中，從而形成一種非常緊湊的結(jié)構(gòu)，在所述結(jié)構(gòu)中，來自燃燒器17的區(qū)域的熱廢氣僅須在非常短的行程距離上流動。在這里燃燒區(qū)23特別是也設(shè)置有催化活性材料，從而燃燒器17構(gòu)造成催化燃燒器。但在沒有催化涂層的燃燒器17中也可以設(shè)想可比較的結(jié)構(gòu)。此外，在圖4的視圖中，在為了轉(zhuǎn)換或燃燒而流動的氣體的流動方向上在燃燒區(qū)23前面設(shè)置有火焰阻隔裝置34。這種火焰阻隔裝置在此已由一般的現(xiàn)有技術(shù)公知并且在各種類型的燃燒器中常用。所述火焰阻隔裝置典型地由孔板等構(gòu)成并且阻止火焰從燃燒器的區(qū)域回火到入流氣體的區(qū)域中。在燃燒器17的一種未示出的實施方案中，作為對兩個管路元件31、32的替換方案也可提出，相應(yīng)的氣體流、特別是來自新鮮空氣管路21的新鮮空氣和來自氫管路19的氫通過噴嘴元件或類似元件也可以這樣導(dǎo)入點火裝置30的區(qū)域中，使得在那里與燃料電池2的已經(jīng)與新鮮空氣和氫混合的廢氣無關(guān)地保證可點燃的混合物。這種方案可以取消通過兩個分開的管路元件31、32進行供應(yīng)并且需要時可以構(gòu)造得更緊湊?，F(xiàn)在，在圖5的視圖中示出燃燒器17的另一種可能的實施方式。在這里，燃燒器17也在很大程度上集成地構(gòu)造在渦輪機24的渦輪機殼體29中。燃燒區(qū)23構(gòu)造成矩陣燃燒器或矩陣輻射燃燒器的燃燒區(qū)。這意味著，燃燒區(qū)23構(gòu)造成由織物或網(wǎng)、典型地金屬基或陶瓷基的織物或網(wǎng)構(gòu)成的典型地拱曲的元件。例如燃燒區(qū)23可以是球缺、圓柱體或錐體的一部分。在這里形成燃燒區(qū)23的矩陣的材料同樣可以具有催化材料，例如在所述催化材料中，用于形成織物或網(wǎng)的所使用的纖維的一些或全部具有催化涂層。正如在矩陣燃燒器中常見的那樣，燃燒通過點火裝置30點火在燃燒區(qū)23的背離入流氣體的側(cè)進行，正如這里所示的那樣。此外，不言而喻，此前已經(jīng)描述的監(jiān)測電極33在這里也可以存在，以監(jiān)測安全可靠的點火。此外，在燃燒區(qū)23與入流氣體之間的區(qū)域中存在可選擇的火焰阻隔裝置34。 現(xiàn)在，根據(jù)圖5的燃燒器17的結(jié)構(gòu)是這樣的，即通過管路元件31，來自燃料電池2的陰極室3的排出空氣管路18的排出空氣與來自排出管路11的殘余氫一起入流。通過在這里從上面伸入管路元件31的區(qū)域中的另一管路元件32供應(yīng)來自氫管路10的氫和來自新鮮空氣管路21的新鮮空氣。管路元件32在此在其端部上以噴嘴的類型來構(gòu)造，從而新鮮空氣和氫比較直接地導(dǎo)入點火裝置30的區(qū)域中，以便在這里在形成燃燒區(qū)23的需要時催化涂覆的矩陣燃燒器上實現(xiàn)燃燒的安全可靠點火。此外，除了在前述附圖中已經(jīng)可比較地描述的這種結(jié)構(gòu)，在根據(jù)圖5的燃燒器17的結(jié)構(gòu)中還存在第三管路元件35，通過所述第三管路元件可以供應(yīng)來自在圖2的范圍內(nèi)所描述的冷卻空氣管路27的區(qū)域的冷卻空氣。這種冷卻空氣在確定的運行狀況下可導(dǎo)致通過相應(yīng)的過量空氣降低燃燒的溫度，從而例如不超過渦輪機24和/或燃燒區(qū)23的允許的運行溫度。由此，在另外保證所使用的原料完全燃燒的情況下，可以防止例如燃燒區(qū)23的催化涂層由于過熱而損壞。燃燒器17的所有結(jié)構(gòu)在此均極為緊湊并且可以要么直接集成地構(gòu)造在渦輪機殼體29中，要么直接與渦輪機殼體連接。此外可以設(shè)想，燃燒器17構(gòu)造成獨立的套筒的形式，所述套筒在裝配時才插入渦輪機殼體29的入口區(qū)域中。
權(quán)利要求
1.一種用于提供熱廢氣的裝置，所述熱廢氣用于驅(qū)動渦輪機，所述裝置具有燃燒器，所述燃燒器的燃燒區(qū)直接一體地構(gòu)造在所述渦輪機的氣體入ロ上或氣體入口中，其中，給所述燃燒器至少供應(yīng)一可燃燒的氣體或氣體混合物，其特征在于所述燃燒區(qū)(23)具有開孔材料，所述開孔材料具有高的比表面積。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于具有高的比表面積的所述開孔材料具有至少ー種催化活性材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述催化活性材料具有鈀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的裝置，其特征在于給所述燃燒器(17)至少有時提供新鮮空氣，其中，所述燃燒器(17)具有點火裝置(30)，通過所述點火裝置能點燃至少所述新鮮空氣和所述燃料電池(2)的燃料的燃燒。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于所述新鮮空氣和所述燃料電池(2)的燃料在流動方向上在所述點火裝置(30 )后面并且在所述燃燒器(23 )前面與來自所述燃料電池(2)的廢氣匯合。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的裝置，其特征在于所述新鮮空氣和來自燃料電池(2)的燃料這樣引導(dǎo)到所述點火裝置(30)的區(qū)域中，使得局部存在這兩種物質(zhì)的可點燃的混合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6之一所述的裝置，其特征在于所述點火裝置(30)通過火花點燃所述物質(zhì)混合物。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至7之一所述的裝置用于驅(qū)動燃料電池系統(tǒng)(I)中的渦輪機(24)的應(yīng)用，其中，給所述燃燒器(17)至少供應(yīng)來自所述燃料電池系統(tǒng)(I)的燃料電池(2)的廢氣。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的應(yīng)用，其特征在于在需要時給所述燃燒器(17)附加地供應(yīng)空氣和所述燃料電池(2)的燃料。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的應(yīng)用，其特征在于所述渦輪機(24)與用于被輸送到所述燃料電池(2)的過程空氣流的壓縮機(6)和/或電機(17)聯(lián)接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于提供熱廢氣的裝置，所述熱廢氣用于驅(qū)動渦輪機(24)。所述裝置具有燃燒器(17)，所述燃燒器的燃燒區(qū)(23)直接集成地構(gòu)造在所述渦輪機(24)的氣體入口(渦輪機殼體29)上或氣體入口中。給所述燃燒器(17)供應(yīng)至少一種可燃燒的氣體或氣體混合物。根據(jù)本發(fā)明，所述燃燒區(qū)(23)具有開孔材料，所述開孔材料具有高的比表面積。
文檔編號F23C13/08GK102782412SQ201080065194
公開日2012年11月14日 申請日期2010年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月5日
發(fā)明者B·斯坦豪瑟爾, G·康拉德, G·欣森坎普, H·斯塔克, U-M·梅克斯 申請人:戴姆勒股份公司