CN108758660A - 一种用于固体氧化物燃料电池系统的尾气燃烧室及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于固体氧化物燃料电池系统的尾气燃烧室及方法,属于燃料电池领域。尾气燃烧室包括入口混合燃烧单元、燃烧室一级腔室单元和燃烧室二级腔室单元。入口混合燃烧单元包括空气管道、燃料管道、空气旁路管道及钝体火焰稳定器；燃烧室一级腔室单元包括一级腔室、点火双极性电极、点火区温度测量热电偶和点火旁路空气与燃料混合管道；燃烧室二级腔室单元包括二级腔室、蓄热材料、隔热材料和出口。在SOFC发电系统正常运行和状态切换阶段，进入燃烧室的燃料含量发生变化时，本发明通过自动给定旁路小流量混合空气和燃料以及监测温度，实现自动点火，保持燃烧室持续燃烧和温度稳定，为系统换热提供高温尾气，提高系统燃料利用率。

Description

一种用于固体氧化物燃料电池系统的尾气燃烧室及方法
技术领域
本发明属于固体氧化物燃料电池技术领域，更具体地，涉及一种用于固体氧化物燃料电池系统的尾气燃烧室及方法。
背景技术
能源问题和环境问题是当今人类社会面对的两大问题，而解决能源和环境问题的关键在于寻找环保、高效的可替代能源，燃料电池发电技术便应运而生。燃料电池发电技术之一是固体氧化物燃料电池发电技术，固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)是一种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，因其发电效率高、清洁无污染、安静无噪声的优点，成为二十一世纪极具发展潜力的绿色能源之一。
固体氧化物燃料电池发电技术的应用，需要在系统中协调运作，才能实现可靠稳定的电能输出，独立的SOFC发电系统包括：电堆、尾气燃烧室，换热器、旁路阀、鼓风机、控制柜。在SOFC独立发电系统中，燃烧室作为尾气回收的功能部件，其作用是使得电堆阳极和阴极还未反应完的燃料和空气，即排出的尾气，在燃烧室中完全燃烧，产生高温烟气通入换热器对冷空气以及燃料气体进行预热，使得进入电堆的空气和燃料达到反应所需的高温。燃烧室通过尾气回收，为系统提供热量的同时，也提高了燃料的利用率。由此可知，在SOFC系统独立发电运行的过程中，电堆尾气回收燃烧室单元是不可或缺的。
现有的尾气燃烧室大部分为催化燃烧室，需要提供昂贵的催化剂才能使得燃烧室中反应完全，使得生产成本显著提高，而已有的明火燃烧室也存在燃烧不稳定，缺少独立的燃烧室明火燃烧控制流程。目前在已知的已公开发明中，发明人关于各种燃烧器的专利申请，也没有结合固体氧化物燃料电池系统，对系统中的燃烧室进行具体的设计与控制，来保证燃烧室在该系统中发挥正常作用。
发明内容
针对现有技术的缺陷和技术需求，本发明的第一目的在于提供一种用于固体氧化物燃料电池系统的尾气燃烧室，该尾气燃烧室用于SOFC发电系统运行过程中的系统预热，尾气回收、稳定燃烧，为系统提供热量，提高系统燃料利用率。
本发明的第二目的在于提供一种所述尾气燃烧室的明火燃烧控制方法，能够自动对燃烧室进行温度检测与点火控制，保证SOFC发电系统在运行过程中，燃烧室在不同稀薄燃料条件下能够稳定充分燃烧，为系统提供热量，提高系统燃料利用率。
一种用于固体氧化物燃料电池系统的尾气燃烧室，包括：入口混合燃烧单元、燃烧室一级腔室单元和燃烧室二级腔室单元；
所述入口混合燃烧单元包括电堆阳极至燃烧室的燃料管道、电堆阴极至燃烧室的空气管道以及钝体火焰稳定器；燃料管道和空气管道分别通入燃料和空气，燃料和空气在钝体火焰稳定器处充分混合，进入燃烧室一级腔室单元；
所述燃烧室一级腔室单元包括一级腔室、点火双极性电极、点火旁路空气与燃料混合管道和点火区温度测量热电偶；所述点火双极性电极用于通过双电极电弧放电点火，所述点火旁路空气与燃料混合管道用于通入空气与燃料混合气体，所述点火区温度测量热电偶用于监测一级腔室内点火区的温度；
所述燃烧室二级腔室单元包括二级腔室、蓄热材料、隔热材料、燃烧室外壁和燃烧室出口；二级腔室的内部填充有蓄热材料，隔热材料设置于蓄热材料与燃烧室外壁之间，二级腔室的顶端开有燃烧室出口。
进一步地，所述电堆阳极至燃烧室的燃料管道与电堆阴极至燃烧室的空气管道采用套筒式预混合的模式，口径较大的空气管道在外围，口径较小的氢气管道在里层；空气管道进入燃烧室的端部呈锥形。
进一步地，所述入口混合燃烧单元还包括冷空气旁路管道，用于在燃烧室温度过高时，通过该管道通入冷空气对燃烧室进行降温。
进一步地，所述钝体火焰稳定器呈圆锥状的中空结构。
进一步地，所述蓄热材料为致密多孔氧化锆陶瓷。
进一步地，所述燃烧室二级腔室单元燃烧室还包括二级腔室测温热电偶。
一种基于上述尾气燃烧室的明火燃烧控制方法，给定所述一级腔室点火旁路空气与燃料混合管道的气体流量，通过燃烧室一级腔室点火区热电偶对点火区进行实时温度检测，定义该温度为T1，判断温度T1是否大于温度临界值时，当温度T1小于温度临界值，则启动所述点火双极性电极电弧放电，空气和燃料混合气被点燃进行明火燃烧，燃烧室升温；当温度T1大于温度临界值时，则燃料和空气混合气已达到燃点，则关闭点火器。
本发明的有益技术效果体现在:
面向SOFC发电系统的尾气燃烧室，具有结构易加工，无需昂贵的催化剂进行催化燃烧，能够对SOFC发电系统电堆未反应完的燃料和空气进行明火燃烧，钝体火焰稳定器使得燃烧保持稳定，能够保证在SOFC发电系统正常运行和状态切换阶段，进入燃烧室的燃料含量发生变化时，通过自动给定旁路小流量混合空气和燃料以及监测温度，实现自动点火，保持燃烧室持续燃烧和温度稳定，为系统换热提供高温尾气，提高系统燃料利用率。
附图说明
图1是本发明固体氧化物燃料电池系统的尾气燃烧室结构图；
图2是本发明尾气燃烧室入口混合燃烧单元中钝体火焰稳定器结构图；
图3是本发明尾气燃烧室明火燃烧的自动点火控制流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1所示，尾气燃烧室包括：入口混合燃烧单元，燃烧室一级腔室单元，燃烧室二级腔室单元。
燃烧室入口混合燃烧单元包括电堆阳极至燃烧室的燃料管道1、电堆阴极至燃烧室的空气管道2、冷空气旁路管道3、钝体火焰稳定器4以及底部固定外壳5。
燃烧室一级腔室单元包括一级腔室、点火双极性电极6、点火旁路空气与燃料混合管道7以及点火区温度测量热电偶8。
燃烧室二级腔室单元包括二级腔室11、蓄热材料9、隔热材料10以及二级腔室测温热电偶12,13,14。
具体地，燃烧室入口混合燃烧单元中，电堆阳极至燃烧室的燃料管道1与电堆阴极至燃烧室的空气管道2采用套筒式预混合的模式，口径较大的空气管道在外围，通入流量较大的空气；口径较小的氢气管道在里层。为了防止发生回火，在进入燃烧室的空气管道管径呈锥形变小，起到收缩气流的作用，加快气体流速，并能够吸入部分在此段汇进的燃料。
冷空气旁路管道3，在燃烧室温度过高时，通过该管道通入定量的冷空气，对燃烧室进行降温，保持燃烧室温度稳定。
钝体火焰稳定器4，呈圆锥状的中空结构，能够使得部分已然高温燃烧物产生回流运动，不断点燃新鲜未燃的空气和燃料，作为具有自补偿能力的持续点火源，使得空气与燃料在燃烧时持火焰稳定。
底部固定外壳5，起到固定空气与燃料混合管道以及支撑燃烧室一级腔室的作用。
具体地，燃烧室一级腔室单元中，点火双极性电极6能够在外部点火装置开启时，进行双电极电弧放电，为点燃可燃混合物作好准备。点火旁路空气与燃料混合管道7能够通入小流量的空气与燃料混合气体，为二次点火提供可燃混合物。点火区温度测量热电偶8能够实时监测点火区的温度，为是否进行二次点火提供判断条件。
具体地，燃烧室二级腔室单元中，蓄热材料9为绝缘、耐温、抗高温膨胀、高硬度材料中的任意一种，优选致密多孔氧化锆陶瓷，保证从燃烧室一级腔室单元随气流扩散的混合气体进一步混合充分，并在多孔结构中发生燃烧反应，保证燃料完全燃烧，同时蓄热材料也将热量蓄积，提高燃烧室及混合气整体温度。隔热材料10为绝缘、耐温、低导热、低硬度材料中的任意一种，优选保温玻璃纤维棉，包裹在蓄热材料9周围,介于蓄热材料9与二级燃烧室11的外壁之间。在燃烧反应发生时，隔热材料10为蓄热材料9与二级燃烧室11的外壁之间起到缓冲作用，避免它们在高温环境下受热膨胀导致挤压破裂，并为蓄热区起到隔热保温作用。燃烧室二级腔室测温热电偶12,13,14在燃烧反应发生时，实时监测其内部温度，为燃烧室内部温度安全提供监测保障。
具体实施时，给定一定流量电堆阴极空气和阳极燃料气体进入尾气燃烧室，在钝体火焰稳定器4的作用下，扩散均匀，进入燃烧室一级腔室，点火双电极6进行点火，空气和燃料被点燃，在一级腔室进行明火燃烧，气体在一级腔室混合充分，燃烧后在气流带动下，首先与致密多孔陶瓷材料即蓄热材料9接触，通过致密多孔扩散至燃烧室二级腔室，多孔陶瓷减缓气流速度，将热量蓄积，并保持燃烧室二级腔室在高温状态，使得从电堆进入燃烧室的空气和燃料得到充分反应，并且使得燃烧室出口15气体温度维持高温，并且流速加快，为进行下一步的气体换热提供基础。
图2所示是燃烧室入口混合燃烧单元中钝体火焰稳定器4结构图。当空气与燃料从相应管道进入时，在钝体火焰稳定器的底部，沿锥面进行气体的混合，部分气从钝体中心孔穿透，在点火双电极的放电作用下，在钝体上方混合气体被点燃，进行明火燃烧，该结构起到稳定火焰，并防止发生回火。
图3所示为发明尾气燃烧室明火燃烧的自动点火控制流程。在SOFC发电系统正常运行和状态切换阶段，SOFC发电系统中电堆消耗的燃料会相应发生改变，当其消耗量增多时，则进入尾气燃烧室的燃料含量会减少，使得燃料气体中燃料的浓度降低，此时燃烧室极易发生火焰熄灭情况。导致尾气燃烧室中的燃料燃烧不完全。为保证SOFC发电系统在运行过程中，燃烧室在不同稀薄燃料条件下能够稳定充分燃烧，基于设计的燃烧室结构，对燃烧室进行自动点火控制，如图3所示流程，给定一级腔室点火旁路空气与燃料混合管道7的气体流量，并通过燃烧室一级腔室点火区热电偶8进行实时温度检测，定义该温度为T1，根据温度条件判断当温度T1是否大于550℃，当温度T1小于温度临界值(譬如550℃)时，则自动开启点火装置，使双电极进行电放发电，空气和燃料混合气被点燃进行明火燃烧，燃烧室升温；当温度T1大于温度临界值(譬如550℃)时，则燃料和空气混合气已达到燃点，可进行明火燃烧，自动关闭点火器。此过程能够保持燃烧室维持明火燃烧及温度稳定状态，为系统级的固体氧化物燃料电池发电系统回收未反应完的尾气，提供热量，提高系统的能量利用率。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于固体氧化物燃料电池系统的尾气燃烧室，其特征在于，包括：入口混合燃烧单元、燃烧室一级腔室单元和燃烧室二级腔室单元；
所述入口混合燃烧单元包括电堆阳极至燃烧室的燃料管道(1)、电堆阴极至燃烧室的空气管道(2)以及钝体火焰稳定器(4)；燃料管道(1)和空气管道(2)分别通入燃料和空气，燃料和空气在钝体火焰稳定器(4)处充分混合，进入燃烧室一级腔室单元；
所述燃烧室一级腔室单元包括一级腔室、点火双极性电极(6)、点火旁路空气与燃料混合管道(7)和点火区温度测量热电偶(8)；所述点火双极性电极(6)用于通过双电极电弧放电点火，所述点火旁路空气与燃料混合管道(7)用于通入空气与燃料混合气体，所述点火区温度测量热电偶(8)用于监测一级腔室内点火区的温度；
所述燃烧室二级腔室单元包括二级腔室、蓄热材料(9)、隔热材料(10)、燃烧室外壁(11)和燃烧室出口(15)；二级腔室的内部填充有蓄热材料(9)，隔热材料(10)设置于蓄热材料(9)与燃烧室外壁(11)之间，二级腔室的顶端开有燃烧室出口(15)。
2.根据权利要求1所述的用于固体氧化物燃料电池系统的尾气燃烧室，其特征在于，所述电堆阳极至燃烧室的燃料管道(1)与电堆阴极至燃烧室的空气管道(2)采用套筒式预混合的模式，口径较大的空气管道在外围，口径较小的氢气管道在里层；空气管道进入燃烧室的端部呈锥形。
3.根据权利要求1所述的用于固体氧化物燃料电池系统的尾气燃烧室，其特征在于，所述入口混合燃烧单元还包括冷空气旁路管道(3)，用于在燃烧室温度过高时，通过该管道通入冷空气对燃烧室进行降温。
4.根据权利要求1或2或3所述的用于固体氧化物燃料电池系统的尾气燃烧室，其特征在于，所述钝体火焰稳定器(4)呈圆锥状的中空结构。
5.根据权利要求1或2或3所述的用于固体氧化物燃料电池系统的尾气燃烧室，其特征在于，所述蓄热材料(9)为致密多孔氧化锆陶瓷。
6.根据权利要求1或2或3所述的用于固体氧化物燃料电池系统的尾气燃烧室，其特征在于，所述燃烧室二级腔室单元燃烧室还包括二级腔室测温热电偶。
7.一种基于权利要求1-6任意一种尾气燃烧室的明火燃烧控制方法，其特征在于，给定所述一级腔室点火旁路空气与燃料混合管道(7)的气体流量，通过燃烧室一级腔室点火区热电偶(8)对点火区进行实时温度检测，定义该温度为T1，判断温度T1是否大于温度临界值时，当温度T1小于温度临界值，则启动所述点火双极性电极(6)电弧放电，空气和燃料混合气被点燃进行明火燃烧，燃烧室升温；当温度T1大于温度临界值时，则燃料和空气混合气已达到燃点，则关闭点火器。
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