CN111322613B - 一种可低温启动燃烧器及其启动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种低温启动燃烧器和启动方法，所述燃烧器的催化剂采用分段升温，使用少量H2直接与空气混合，并在部分燃烧催化剂表面反应，使燃烧室局部温度达到燃料电池系统所用燃料的起燃温度，燃烧释放的热量给剩余的催化剂加热，使燃烧器整体温度达到燃料起燃温度。本发明整个过程省去电加热系统，以用于锂电池无法工作的低温环境中，节约能源。

Description

一种可低温启动燃烧器及其启动方法
技术领域
本发明属于催化燃烧反应器领域，具体涉及一种可兼顾低温启动的燃烧器及其启动方法。
背景技术
在高温燃料电池系统中燃烧器是整个系统启动阶段的热量来源，其中除气相外的燃料与燃烧催化剂发生氧化反应都需要将燃烧催化剂预热到一定温度，才可以使系统正常启动。然而在低温环境下，锂电池的放电能力有限，这就造成了低温下对燃烧催化剂的预热困难，因此考虑一种不采用电加热的预热方式使燃烧器可在低温环境下使用。非气相燃料的高温燃料电池系统(如甲醇、乙醇等)所携带的H2罐的压力有限，无法满足整个燃烧催化剂启动阶段的加热功率。因此考虑使用H2罐所携带的H2与部分燃烧催化剂反应，释放热量为剩余部分催化剂加热，再通入液相燃料使燃烧器正常启动。
发明内容
本发明一方面提供一种可兼顾低温启动燃烧器的方法，其核心创新为分段升温，使用H2罐中存有的少量H2直接与空气混合在部分燃烧催化剂表面反应，使燃烧室局部温度达到燃料电池系统所用燃料的起燃温度，燃烧释放的热量给剩余的催化剂加热。整个过程省去电加热系统，以用于锂电池无法工作的低温环境中。
本发明另一方面提供一种可低温启动的燃烧器，包括腔式燃烧器本体和用于给燃烧器本体加热的加热元件，其特征在于，所述燃烧器本体内设有催化剂腔；所述催化剂腔内设有间隔结构；所述间隔结构将催化剂腔可传热分隔为n部分，n≥2。
基于以上技术方案，优选的，所述燃烧器本体内腔还设有预混腔、气体分布器；所述本体腔内的预混腔、气体分布器、催化剂腔依次连通；所述间隔结构将催化剂腔分隔为腔I和腔II；所述腔I设有控制氢气的阀门I；所述阀门I控制氢气与需要先反应腔I内的催化剂反应，燃烧释放的热量给腔II的催化剂加热；所述预混腔设有控制空气的阀门II和控制燃料的阀门Ⅲ；所述阀门II控制空气通入预混腔；所述阀门Ⅲ控制燃料通入预混腔。
基于以上技术方案，进一步优选的，所述催化剂腔的腔I位于中心，腔II位于外周；所述气体分布器分为与腔I和腔II对应的中心部和外周部，所述中心部的孔隙率低于外周部的孔隙率。所述气体分布器的气孔布局与催化剂腔相适应气体分布器中心部的孔隙率低于外周部的孔隙率，孔隙率越低，阻力越大，保证气体通过气体分布器更均匀的与催化剂接触。
本发明再一方面提供一种上述燃烧器的启动方法，所述方法包括两个，
方法一，低温启动，步骤包括：
(1)将H2阀门I和空气阀门II打开，空气经过预混腔后与腔I内燃烧催化剂I接触，与氢气在腔I内的燃烧催化剂I表面发生氧化反应，随着温度的升高，该反应会逐渐加快，释放热量；
(2)步骤(1)释放的热量给腔II内的燃烧催化剂II加热，待温度达到燃料起燃温度时，关闭H2阀I，打开燃料阀门Ⅲ，使燃料和空气充分混合，经过气体分布器均匀吹入燃烧催化剂表面充分反应，释放大量热，为燃料电池系统提供启动热源；
方法二：非低温启动，步骤包括：
启动加热棒为燃烧催化剂预热，待燃烧催化剂整体温度达到燃料起燃温度后，关闭加热棒，打开阀II和阀门Ⅲ，经过预混腔和气体分布器均匀吹入燃烧催化剂表面充分反应，释放热量，为燃料电池系统提供启动热源。
基于以上技术方案，优选的，所述方法一的步骤(1)中，空气流量为氢气流量的2倍以上。
有益效果
本发明将燃料与空气进行预混，使催化燃烧反应更充分，提高燃料的利用效率，并保证燃料完全反应；气体分布器的作用在于，将经过预混的燃料与空气混合气体均匀分布，防止造成局部燃烧过于剧烈，加速局部燃烧催化剂的性能衰减，造成放热不均匀；在低温条件不使用锂电池为电加热供电，可以有效提高锂电池的寿命，减少更换件的损耗。而且使用H2在低温下催化燃烧可以将燃烧器均匀升温，防止低温下加热棒过热而燃烧器温度低造成的壳体变形。
本发明燃烧器的催化剂分段升温，使用H2罐中存有的少量H2直接与空气混合在部分燃烧催化剂表面反应，使燃烧室局部温度达到燃料电池系统所用燃料的起燃温度，燃烧释放的热量给剩余的催化剂加热。整个过程省去电加热系统，以用于锂电池无法工作的低温环境中，节约能源。
附图说明
图1为本发明燃烧器图。
图2为催化剂俯视图。
图3为气体分布器俯视图。
具体实施方式
一种可低温启动燃烧器，燃烧器包括加热棒和圆柱体腔室燃烧器本体、燃烧器本体从上至下设置有预混腔、气体分布器、催化剂腔；所述催化剂腔可传热分隔两部分，位于中心部的腔I和位于外周部的腔II，催化剂分隔为位于中心的圆柱体部分的燃烧催化剂I和位于中心圆柱体外圆周的燃烧催化剂II；所述电加热棒均匀分布于圆柱体燃烧器本体的外圆周；气体分布器分不同孔隙率的两部分，分别为中心圆形部分和围绕中心圆形部分的外圆周部分，中心圆形部分的孔隙率低于外圆周有部分的孔隙率，气体分布器的中心圆形部分的直径等于燃烧催化剂I的直径，燃烧器上还包括控制氢气与燃烧催化剂I接触的阀门I，控制氢气进入预混腔的阀门II以及控制燃料进入预混腔的阀门Ⅲ。
一种上述燃烧器的启动方法，启动方法包括两个，低温条件下，
(1)将H2阀I和空气阀II打开，空气经过预混腔后与腔I内的中心部燃烧催化剂I接触，与氢气在腔I内的燃烧催化剂I表面发生氧化反应，随着温度的升高，该反应会逐渐加快，释放热量；
(2)步骤(1)释放的热量给外周部腔II内的燃烧催化剂II加热，待温度达到燃料起燃温度时，关闭H2阀I，打开燃料阀门Ⅲ，使燃料和空气充分混合，经过气体分布器均匀吹入燃烧催化剂表面充分反应，释放大量热，为燃料电池系统提供启动热源；
非低温条件下，启动加热棒为燃烧催化剂预热，待燃烧催化剂整体温度达到燃料起燃温度后，关闭加热棒，打开阀II和阀门Ⅲ，经过预混腔和气体分布器均匀吹入燃烧催化剂表面充分反应，释放热量，为燃料电池系统提供启动热源。

Claims (3)

1.一种低温启动燃烧器的方法，其特征在于，使用H2直接与空气混合，并在部分燃烧催化剂表面反应，使燃烧室局部温度达到燃料电池系统所用燃料的起燃温度，燃烧释放的热量给剩余的催化剂加热，使燃烧器整体温度达到燃料起燃温度；
所述燃烧器包括腔式燃烧器本体和用于给燃烧器本体加热的加热元件，其特征在于，所述燃烧器本体内设有催化剂腔；所述催化剂腔内设有间隔结构；所述间隔结构将催化剂腔可传热分隔为n部分，n≥2；
所述燃烧器本体内腔还设有预混腔、气体分布器；所述本体腔内的预混腔、气体分布器、催化剂腔依次连通；所述间隔结构将催化剂腔分隔为腔I和腔II；所述腔I设有控制氢气的阀门I；所述预混腔设有控制空气的阀门II和控制燃料的阀门Ⅲ；
所述方法具体包括两个：
方法一：低温启动，步骤包括：
(1)将阀门I和阀门II打开，空气经过预混腔后与腔I内燃烧催化剂I接触，与氢气在腔I内的燃烧催化剂I表面发生氧化反应，随着温度的升高，该反应会逐渐加快，释放热量；
(2)步骤(1)释放的热量给腔II内的燃烧催化剂II加热，待温度达到燃料起燃温度时，关闭阀门I，打开阀门Ⅲ，使燃料和空气充分混合，经过气体分布器均匀吹入燃烧催化剂表面充分反应，释放大量热，为燃料电池系统提供启动热源；
方法二：非低温启动，步骤包括：
启动加热元件为燃烧催化剂预热，待燃烧催化剂整体温度达到燃料起燃温度后，关闭加热元件，打开阀II和阀门Ⅲ，经过预混腔和气体分布器均匀吹入燃烧催化剂表面充分反应，释放热量，为燃料电池系统提供启动热源。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述催化剂腔的腔I位于中心，腔II位于外周；所述气体分布器分为与腔I和腔II对应的中心部和外周部，所述中心部的孔隙率低于外周部的孔隙率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法一的步骤(1)中，空气流量为氢气流量的2倍以上。
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