CN103107348A - 一种sofc系统用耦合型重整反应器及发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SOFC系统用耦合型重整反应器，包括：外壳体，所述外壳体上开设有燃气进气口、尾气排气口，还有连通于所述外壳体内部的重整进气管和重整出气管；内设于所述外壳体且内部含有燃烧室的内壳体，且所述燃烧室内填充多孔介质体；设置于所述外壳体和所述内壳体之间的重整腔，且所述重整腔内填充金属蜂窝或泡沫；通过所述燃气进气口连通于所述燃烧室的燃气预混装置；设置于所述燃烧室和所述燃气预混装置之间的隔火装置。本发明的SOFC系统用耦合型重整反应器，将燃烧反应与重整反应进行了耦合，从而大大地提高了整个系统的集成度及换热效率。本发明还公开了一种应用了这种耦合重整反应器的发电系统。

Description

一种SOFC系统用耦合型重整反应器及发电系统

技术领域

本发明涉及热处理技术及催化领域，特别涉及一种SOFC系统用耦合型重整反应器及发电系统。

背景技术

SOFC发电系统是一种新型发电装置，属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。

SOFC发电系统作为将燃料从化学能转变成电能和热能的能量转换装置，其高效率、无污染、全固态结构等优点，已经使其成为最具有潜力的重要能量转换工具之一。SOFC发电系统在燃料效率、排放、维修和噪声污染方面都有很大优势。

典型的SOFC热电联产系统包括燃料处理系统、SOFC本体发电系统、直交流电转化系统、余热回收系统，所需要的设备包括压缩机、蒸汽发生器、重整器、换热器以及燃烧器等。

气体燃料或液体燃料在进入电池堆发生电化学反应之前，一般都需要转化为H2和CO的合成气，以天然气为原料的燃料电池，通常选用水蒸气重整的方式(CH4+H2O→CO+3H2)实时制取氢气，该反应是一个强吸热反应(ΔH298K＝+226kJ/mol)，其反应所需的热量则来自于燃烧器。燃烧器通过燃烧从SOFC电堆出来的阳极尾气来为整个系统提供热量，而对于SOFC系统来说，重整反应是一个能量的主要消费者。

根据重整反应发生在电池内部或外部，可以分为内重整和外重整。内重整容易造成电极各处温度分布不均且有积碳反应发生，从而导致电池功率密度大幅度下降。通过在电池外部附加专门的重整反应器的外重整技术发展的较为成熟，是世界上已有燃料电池应用系统最主流的制氢方式。

目前的重整系统主要是由分立式的重整器和尾气燃烧器组成，通过电堆尾气燃烧所产生的高温烟气冲刷重整器的壁面完成热交换，进而对重整反应进行供热。这种换热方式的瓶颈在于高温烟气冲刷重整器壁面的换热系数较低，为达到预期的换热效果，就必须有较大的换热面积，从而造成这种分立式的重整系统体积庞大，系统集成度低，且易与系统中其它部件产生结构干涉。

如果能将燃烧反应与重整反应放在一起，改变燃烧器与重整器的换热方式来强化换热效果，预期可大大提高整个系统的集成度及换热效率。

因此，如何改进SOFC发电系统，将燃烧反应与重整反应进行耦合，从而大大提高整个系统的集成度及换热效率，成为本领域技术人员亟待解决的重要技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种SOFC系统用耦合型重整反应器，将燃烧反应与重整反应进行了耦合，从而大大地提高了整个系统的集成度及换热效率。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种SOFC系统用耦合型重整反应器，包括：

外壳体，所述外壳体上开设有燃气进气口、尾气排气口，还有连通于所述外壳体内部的重整进气管和重整出气管；

内设于所述外壳体且内部含有燃烧室的内壳体，且所述燃烧室内填充多孔介质体；

设置于所述外壳体和所述内壳体之间的重整腔，且所述重整腔内填充金属蜂窝或泡沫；

通过所述燃气进气口连通于所述燃烧室的燃气预混装置；

设置于所述燃烧室和所述燃气预混装置之间的隔火装置。

优选的，所述多孔介质体按混合燃气的运动方向，其孔径从大到小过渡，且所述多孔介质体的四周进行封边处理。

优选的，所述多孔介质具有由SiC、ZrO2或Al2O3泡沫陶瓷构成的结构，且在所示内壳体的内壁与所述多孔介质体(13)周边的空隙填充SiC或Al2O3质浆料。

优选的，所述金属蜂窝或泡沫为整体式，且表面设有催化剂涂层。

优选的，所述外壳体具体为圆柱形，所述燃气进气口和所述尾气排气口分别开设在两个圆柱面上，所述重整进气管和所述重整出气管连通于圆周面上，所述内壳体也为圆柱形，所述外壳体和所述内壳体均轴向竖直设置且高度相同。

优选的，所述燃气预混装置具体包括相互连通的圆柱形的一级预混装置和圆锥形的二级预混装置，所述一级预混装置上连接有空气输入管和燃气输入管。

优选的，所述燃气输入管伸入所述一级预混装置的一端端部封闭，且所述燃气输入管位于所述一级预混装置内的管道侧壁上设有若干连通一级预混装置与燃气输入管管腔的开孔。

优选的，所述隔火装置具体为直孔陶瓷板，且具有根据回火极限理论确定的孔径和孔隙率。

优选的，所述的外壳体与燃气预混装置之间通过法兰及卡勾的方式连接，并在法兰和卡勾连接处加装隔热垫。

一种应用了SOFC系统用耦合重整反应器的发电系统，具有上述的SOFC系统用耦合型重整反应器。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供的SOFC系统用耦合型重整反应器，通过将燃烧室设置在重整腔的内部，使得两者进行了耦合，并在其中分别填充多孔介质体和金属蜂窝或泡沫，混合燃气在多孔介质体内部完成燃烧，为重整反应提供热量，利用多孔介质体的强化燃烧和强化换热特性，使得燃烧和重整过程都得到强化，并简化了传统分立式SOFC系统的结构，从而大大地提高了系统集成度及换热效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的SOFC系统用耦合型重整反应器的内部结构示意图；

图2为本发明实施例提供的SOFC系统用耦合型重整反应器的外部结构示意图；

图3为本发明实施例提供的SOFC系统用耦合型重整反应器中燃气进气管的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的SOFC系统用耦合型重整反应器中隔火装置的结构示意图；

具体实施方式

本发明公开了一种SOFC系统用耦合型重整反应器，将燃烧反应与重整反应进行了耦合，从而大大地提高了整个系统的集成度及换热效率。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例提供的SOFC系统用耦合型重整反应器，包括：

外壳体9-1，外壳体9-1上开设有燃气进气口、尾气排气口，用来供混合燃气进入和燃烧后尾气的排出，还有连通于外壳体9-1内部的重整进气管7和重整出气管10，甲烷和水蒸气通过重整进气管7进入重整腔B，重整反应生成的氢气和一氧化碳由重整出气管10收集；

内设于外壳体9-1且内部含有燃烧室C的内壳体9-2，内壳体9-2可以采用不锈钢材料，混合燃气在燃烧室C内进行燃烧，且燃烧室C内填充多孔介质体13，利用其多孔的特性来强化混合燃气的燃烧和强化燃烧室C、重整腔B之间的换热；

设置于外壳体9-1和内壳体9-2之间的重整腔B，重整反应在其中进行，且重整腔B内填充金属蜂窝或泡沫8，强化燃烧室C对重整腔B的传热，同时作为催化剂的载体；

通过燃气进气口连通于燃烧室C的燃气预混装置A，用来为燃烧室C提供混合均匀的燃气；

设置于燃烧室C和燃气预混装置之间的隔火装置11，以防止发生回火带来的安全隐患。

与现有技术中的结构相比，本发明实施例提供的SOFC系统用耦合型重整反应器的最大改进在于，通过将燃烧室C设置在重整腔B的内部，使得两者进行了耦合，并在其中分别填充多孔介质体13和金属蜂窝或泡沫8，混合燃气在多孔介质体13内部完成燃烧，为重整反应提供热量，利用多孔介质体13的强化燃烧和强化换热特性，使得燃烧和重整过程都得到强化，并简化了传统分立式SOFC系统的结构，减少了整个装置的体积，从而大大地提高了系统集成度及换热效率。

多孔介质燃烧技术是一种将预混气体燃料的燃烧稳定在既耐高温又具有良好导热和辐射性能的多孔介质孔隙中，利用多孔介质的蓄热性能将燃烧热量储存在多孔介质内部，用来预热未燃的预混气体，使得预混燃烧火焰温度大于绝热火焰混度。多孔介质体13按混合燃气的运动方向，如图1箭头所示，其孔径从大到小过渡，在本实施例中，具体为由60PPI逐渐过渡到10PPI，(PPI是多孔泡沫陶瓷结构的度量单位，即指多孔泡沫陶瓷每英寸长度的孔数)由于沿气流方向多孔介质体13的孔径不一样，气体在其内部的流速也随着孔径的变化而不同，当某处多孔介质体13内的气体流速与火焰回流速度相等时，火焰便稳定在该处介质体内；且多孔介质体13的四周进行封边处理，这是为了使混合气体充分在多孔介质体13内部扰流，把火焰控制在介质体内部。

为了提高多孔介质体13的耐高温性能，多孔介质13具有由SiC、ZrO2或Al2O3泡沫陶瓷构成的结构，提高了多孔介质体13的耐高温性能，且在内壳体9-2的内壁与多孔介质体13周边的空隙填充SiC或Al2O3质浆料12，以强化内壳体9-2的内壁与多孔介质体13的换热效果，提高重整反应的效率。

本发明实施例提供的SOFC系统用耦合型重整反应器，重整腔B内填充的金属蜂窝或泡沫8为整体式，具有良好的导热性，以钎焊的方式将其固定在重整腔B的内壁，且表面设有催化剂涂层，促进了重整反应的进行。当然，如果是非整体式的金属蜂窝或泡沫8也可以起到相同的作用，原理相同，不再赘述。

反应器的形状可以有很多种，比如圆形、方形或者其他形状，在本实施例中外壳体9-1具体为圆柱形，燃气进气口和尾气排气口分别开设在两个圆柱面上，重整进气管7和重整出气管10连通于圆周面上，且重整进气管7低于重整出气管10，内壳体9-2也为圆柱形，两者均轴向竖直设置且高度相等。这样一来，就形成了环形的重整腔B和圆柱形的燃烧室C，两者通过这样的形状配合增大了贴合面，具有更大的换热面积，进一步提高了换热效率。在这里，燃气进气口设置在下圆柱面，尾气排气口设置在上圆柱面，则燃气预混装置A连通在燃烧室C的下部。

上述技术方案中提到，燃气预混装置A为燃烧室C提供预先混合均匀的燃气，其具体包括相互连通的圆柱形的一级预混装置3和圆锥形的二级预混装置4，其中分别包含一级预混腔和二级预混腔，一级预混装置3上连接有空气输入管2和燃气输入管1，二级预混装置4连通于燃烧室C。燃气通过燃气输入管1进入到圆柱形的一级预混腔中，能与空气输入管2中输入的空气进行初步混合；进行初步预混后的混合气体，随后进入圆锥形的二级预混腔中完成进一步的扩散混合。

进一步的，如图3所示，燃气输入管1伸入一级预混装置3的一端端部封闭，且燃气输入管1位于一级预混装置3内的管道侧壁上设有若干连通一级预混装置3与燃气输入管1管腔的开孔1-1，使得燃气通过燃气输入管1管腔上的开孔1-1喷射进入到一级预混腔中，具有较高的速度，强制与空气输入管2中输入的空气进行初步混合，大大地增加了燃气和空气的混合速率。

请参考图4，图4为本发明实施例提供的SOFC系统用耦合型重整反应器中隔火装置的结构示意图。隔火装置11具体为直孔陶瓷板，且具有根据回火极限理论确定的孔径和孔隙率。在这里具体的，其直径与多孔介质体的直径相同，厚度不小于10mm。直孔板上均布若干个小孔，孔径不大于1mm，并根据预混气体的最小流速设置其孔隙率，使气流通过直孔板后的速度始终高于火焰的回流速度，从而防止回火的发生，同时起到对预混气体整流的作用。

本发明实施例提供的SOFC系统用耦合型重整反应器，由于外壳体9-1和燃气预混装置A为分立式结构，两者通过法兰及卡勾5的方式连接，并在法兰和卡勾5连接处加装隔热垫6，尽量减少燃烧室C及重整腔B的热量通过法兰传导至燃气预混装置A的预混腔，使得预混腔内温度过高，以避免气体在预混腔内发生自燃，同时，绝热垫有一定的弹性，安装时通过调节卡勾5上的螺母，可以保证重整腔和预混腔之间法兰连接的气密性。

为了进一步优化上述技术方案，重整腔B的外壁上部连接处9-3可用有缓冲余量的薄片、弧片或其他形式连接，以减少热应力，避免产生裂缝。

在上述技术方案的基础上，本发明还提供了一种SOFC发电系统，该SOFC发电系统应用了上述技术方案中的SOFC系统用耦合型重整反应器，其有益效果这里不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种SOFC系统用耦合型重整反应器，其特征在于，包括：

外壳体(9-1)，所述外壳体(9-1)上开设有燃气进气口、尾气排气口，还有连通于所述外壳体(9-1)内部的重整进气管(7)和重整出气管(10)；

内设于所述外壳体(9-1)且内部含有燃烧室(C)的内壳体(9-2)，且所述燃烧室(C)内填充多孔介质体(13)；

设置于所述外壳体(9-1)和所述内壳体(9-2)之间的重整腔(B)，且所述重整腔(B)内填充金属蜂窝或泡沫(8)；

通过所述燃气进气口连通于所述燃烧室(C)的燃气预混装置(A)；

设置于所述燃烧室(C)和所述燃气预混装置(A)之间的隔火装置(11)。

2.根据权利要求1所述的SOFC系统用耦合型重整反应器，其特征在于，所述多孔介质体(13)按混合燃气的运动方向，其孔径从大到小过渡，且所述多孔介质体(13)的四周进行封边处理。

3.根据权利要求2所述的SOFC系统用耦合型重整反应器，其特征在于，所述多孔介质(13)具有由SiC、ZrO2或Al2O3泡沫陶瓷构成的结构，且在所示内壳体(9-2)的内壁与所述多孔介质体(13)周边的空隙填充SiC或Al2O3质浆料(12)。

4.根据权利要求1所述的SOFC系统用耦合型重整反应器，其特征在于，所述金属蜂窝或泡沫(8)为整体式，且表面设有催化剂涂层。

5.根据权利要求1所述的SOFC系统用耦合型重整反应器，其特征在于，所述外壳体(9-1)具体为圆柱形，所述燃气进气口和所述尾气排气口分别开设在两个圆柱面上，所述重整进气管(7)和所述重整出气管(10)连通于圆周面上，所述内壳体(9-2)也为圆柱形，所述外壳体(9-1)和所述内壳体(9-2)均轴向竖直设置且高度相同。

6.根据权利要求1所述的SOFC系统用耦合型重整反应器，其特征在于，所述燃气预混装置(A)具体包括相互连通的圆柱形的一级预混装置(3)和圆锥形的二级预混装置(4)，所述一级预混装置(3)上连接有空气输入管(2)和燃气输入管(1)。

7.根据权利要求6所述的SOFC系统用耦合型重整反应器，其特征在于，所述燃气输入管(1)伸入所述一级预混装置(3)的一端端部封闭，且所述燃气输入管(1)位于所述一级预混装置(3)内的管道侧壁上设有若干连通一级预混装置(3)与燃气输入管(1)管腔的开孔(1-1)。

8.根据权利要求1所述的SOFC系统用耦合型重整反应器，其特征在于，所述隔火装置(11)具体为直孔陶瓷板，且具有根据回火极限理论确定的孔径和孔隙率。

9.根据权利要求1所述的SOFC系统用耦合型重整反应器，其特征在于，所述的外壳体(9-1)与燃气预混装置(A)之间通过法兰及卡勾(5)的方式连接，并在法兰和卡勾(5)连接处加装隔热垫(6)。

10.一种应用了SOFC系统用耦合重整反应器的发电系统，其特征在于，具有权利要求1-9任意一项所述的SOFC系统用耦合型重整反应器。

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