CN112151831B - 重整器及其燃料电池发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池发电领域，公开了一种重整器及其燃料电池发电系统，其中的一种重整器包括：第一管路，第一管路内部设有重整催化层(103)，第一管路的内部空间构成内部气路(100)；第二管路，第二管路套设在第一管路之外，第二管路的内壁和第一管路的外壁所围设的空间构成外部气路(200)；内部气路(100)和外部气路(200)彼此密封地隔离。本发明通过第一管路和第二管路设置了彼此密封地隔离的两个气路，外部气路内的介质向内部气路内的介质提供重整所需的热量，相当于在重整器外集成了换热器，成本低廉、结构紧凑、高效换热且安全可靠。

Description

重整器及其燃料电池发电系统
技术领域
本发明涉及燃料电池发电领域，具体地涉及重整器及其燃料电池发电系统。
背景技术
重整器是燃料电池发电系统中必不可少的一个组件，主要用于将烃基燃料或醇基燃料转变为混合有氢和一氧化碳等的混合物。现有的燃料电池用重整装置，通常是将燃烧器与重整器集成在一起，通过在燃烧室的上部设置重整反应筒来实现两者的集成。在燃烧室内通入空气和原燃料尾气点燃燃烧器喷嘴并生成高温烟气，高温烟气在装置外筒及重整反应筒中间所形成的加热通道中流通、加热、汽化重整水并供给重整反应筒所需要的热量。现有技术虽然可以充分利用燃烧器出口的高温烟气热源，但也存在很多缺陷和安全隐患：首先，燃烧室内有明火，重整反应筒内的燃料气体一旦泄漏会发生爆炸；其次，燃烧室内因燃烧而产生高温气体要求重整部必须耐高温，昂贵的耐火耐温材料增加了设备造价；第三，燃烧室和重整部中间要留有安全距离，增加了设备尺寸；第四，设备换热效率低。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的明火安全隐患、设备尺寸大、造价高和换热效率低的问题，提供重整器及其燃料燃料电池发电系统，该重整器通过第一管路和第二管路设置了彼此密封地隔离的两个气路，外部气路内的介质向内部气路内的介质提供重整所需的热量，相当于在所述重整器外集成了换热器，成本低廉且结构紧凑、高效换热且安全可靠。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种重整器，包括：第一管路，所述第一管路内部设有重整催化层，所述第一管路的内部空间构成内部气路；第二管路，所述第二管路套设在所述第一管路之外，所述第二管路的内壁和所述第一管路的外壁所围设的空间构成外部气路；所述内部气路和所述外部气路彼此密封地隔离。
优选地，所述内部气路和外部气路中的流体流向相逆。
优选地，所述第一管路沿气流流动方向从上游到下游依次包括彼此连通的预热段、重整反应段和加热段，所述重整催化层设置在所述重整反应段内；燃料气从设置在所述第一管路一端的燃料气进口进入所述预热段，经所述重整反应段反应生成重整气后进入所述加热段，所述重整气在所述加热段中加热到预定温度后，经设置在所述第一管路另一端的重整气出口输出。
所述预热段、重整反应段和加热段的管路截面形状均为圆形，且三者为不等径结构，其中，所述重整反应段的管径最大。
优选地，所述预热段包括多个平行间隔均布设置的预热管；所述预热管与所述燃料气进口之间设有第一气体分布器，所述第一气体分布器为设置在所述第一管路或第二管路横截面上的第一隔板，所述第一隔板上设有多个第一通孔，所述第一通孔的设置位置和数量与所述预热管的位置和数量相对应。
优选地，所述重整反应段设有用于过滤所述重整催化层中遗漏的催化剂的过滤器。
优选地，所述加热段包括多个平行间隔均布设置的加热管；所述加热管与所述重整反应段间设有第二气体分布器，所述第二气体分布器为设置在所述第一管路或第二管路横截面上的第二隔板，所述第二隔板上设有多个第二通孔，所述第二通孔的设置位置和数量与所述加热管的位置和数量相对应。
优选地，所述第二管路由加热外筒构成，所述加热外筒的筒壁上设有保温层。
优选地，所述加热外筒具有沿其长度方向排列的中上部分筒体和中下部分筒体，所述中上部分筒体和中下部分筒体采用耐受温度不同的材质制成，所述中上部分筒体的材质的耐受温度低于所述中下部分筒体的材质的耐受温度。
优选地，所述重整催化层包括按照恒定孔隙率装填的支撑体，所述支撑体的材质为AL2O3、SiO2或TiO2，所述支撑体中包含有Pd、Pt、NiO、CuO其中任一或多个成分组合而成的重整催化剂。
本发明第二方面提供一种燃料电池发电系统，包括燃料电池电堆、燃烧器和多股流换热器，还包括如上所述的重整器，过滤水经所述多股流换热器后形成的水蒸气与净化天然气混合后形成的混合气进入所述内部气路，所述燃料电池电堆的阳极出口输出的高温的阳极尾气进入所述外部气路，所述内部气路和外部气路充分换热后，由所述混合气经重整反应生成的重整气体从所述内部气路输出后进入所述燃料电池电堆的阳极入口，从所述外部气路输出的经换热后的阳极尾气进入所述燃烧器燃烧。
优选地，所述燃料电池发电系统还包括第一支管和第二支管，空气的一部分沿所述第一支管经所述多股流换热器后，由所述燃料电池电堆的阴极入口进入所述燃料电池电堆，再由所述燃料电池电堆的阴极出口输出后进入所述燃烧器；空气的另一部分沿所述第二支管作为冷却空气直接输入所述燃烧器；从所述燃烧器中输出的高温烟气经所述多股流换热器后，作为尾气输出。
通过上述技术方案，本发明提供一种重整器及其燃料电池发电系统，该重整器通过第一管路和第二管路设置了彼此密封地隔离的两个气路，外部气路内的介质向内部气路内的介质提供重整所需的热量，相当于在所述重整器外集成了换热器，成本低廉且结构紧凑、高效换热且安全可靠。
附图说明
图1为本发明的一种实施方式的重整器逆流流向实施例的结构示意图；
图2为图1中第一气体分布器的结构示意图；
图3为图1的重整器顺流流向实施例的结构示意图；
图4为本发明的另一种实施方式的重整器逆流流向实施例的结构示意图；
图5为图4中的第二气体分布器的结构示意图；
图6为本发明的又一种实施方式的重整器逆流流向实施例的结构示意图；
图7为本发明的一种实施方式的燃料燃料电池发电系统的工作流程图。
附图标记说明
100内部气路 101燃料气进口 102重整气出口
103重整催化层 110预热管 120第一气体分布器
121第一隔板 122第一通孔 130过滤器
140加热管 141第二气体分布器 142第二隔板
143第二通孔 200外部气路 201加热外筒
1000多股流换热器 2000燃料电池电堆 2001阴极入口
2002阴极出口 2003阳极入口 2004阳极出口
2011物流入口 2012高温物流出口 3000换热器
4000燃烧器 P预热段R重整反应段
H加热段W水V水蒸气
G净化天然气A常温空气M混合气
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指参考附图所示的上、下、左、右；“内、外”通常是指相对于各部件本身的轮廓的内外；“远、近”通常是指相对于各部件本身的轮廓的远近。
如图1所示，本发明提供一种重整器，概括起来，该重整器在整体结构上实质包括：第一管路和套设在第一管路之外的第二管路，其中，所述第一管路内部设有重整催化层103，第一管路的内部空间构成内部气路100，形成重整部；第二管路的内壁和第一管路的外壁所围设的空间构成外部气路200，形成换热部；为了让外部气路200给内部气路100中的重整反应过程提供足够的热量，所述内部气路100和所述外部气路200彼此密封地隔离。同时，为了确保换热效率，在图1所示的实施例中，所述内部气路100和外部气路200中的气体流向相反，即：彼此逆流。内部气路100和外部气路200采用这种逆流的流动方式，可以促进传热效果，缩减换热区域面积。
具体来说，所述第一管路沿气流流动方向从上游到下游依次包括彼此连通的预热段P、重整反应段R和加热段H，所述重整催化层103设置在所述重整反应段R内。所述预热段P、重整反应段R和加热段H的管路截面形状均为圆形，且三者为不等径结构，其中，所述重整反应段R的管径最大。需要说明的是，当预热段P或加热段H包括了多个管体并通过气体分布器将气体进行均匀分配的时候，该两部分的管径指的是多个管体管径的总和，而不是仅仅某一个管体的管径。上述的变径结构可以保证燃料气在重整反应段R内有足够大的空间与重整催化层103接触，有效催化重整反应，同时，在预热段P和加热段H又有足够集中的管路方便外部气路200中的高温气体为内部气路100加热。通常情况下，所述重整催化层103包括按照恒定孔隙率装填的支撑体，所述支撑体的材质通常为AL2O3、SiO2或TiO2，所述支撑体中包含有Pd、Pt、NiO、CuO其中任一或多个成分组合而成的重整催化剂。由水蒸气与净化天然气混合后形成的混合气作为燃料气从设置在所述第一管路一端的燃料气进口101进入所述预热段P，外部气路200中的高温气体为预热段P中的燃料气预热，经所述重整反应段R反应生成重整气后进入所述加热段H继续加热到预定温度后，经设置在所述第一管路另一端的重整气出口102输出。结合图1所示，所述预热段P包括多个间隔设置的预热管110，所述预热管110的上游与所述燃料气进口101连通，预热管110的下游与所述重整反应段R的上游连通。
结合图2所示，所述预热管110与所述燃料气进口101之间设有第一气体分布器120，所述第一气体分布器120为设置在所述第二管路横截面上的第一隔板121，所述第一隔板121上设有多个第一通孔122，所述第一通孔122的设置位置和数量与所述预热管110的位置和数量相对应。如图2所示，预热管110的设置数量为5个，该数值仅仅是一种示例，在实际应用中，可以根据需要对其设置数量进行选择，但无论设置数量如何，多个第一通孔122一定是在第一隔板121上均布设置的。第一气体分布器120将内部气路100的顶部空间做了均匀的分配，使其均匀进入下游的预热管110。当燃料-水蒸气混合气从燃料气进口101进入内部气路100内时，首先充溢在第一管路的上方管壁内侧和第一隔板121的上方所围设的空间内，随后按照第一气体分布器120上第一通孔122的设置位置和数量，经多个预热管110下行。为了有效防止重整气体夹带重整催化层103中的催化剂进入燃料燃料电池发电系统中位于下游的燃料电池单元，在重整反应段R的下游出口处设置过滤器130，另外可选的，也可在下游燃料电池单元进口处设置过滤器130，具体的设置位置可以根据系统布局需要进行选择。
如图4并结合图5所示，需要说明的是，尽管图1中所示的加热管140的设置数量为一个，但在实际应用中，与预热管110和第一气体分布器120的设置方式类似，加热管140也可以根据需要选择设置一根或多根，当有两根以上加热管140时，则需要在加热管140的上游与所述重整反应段R的下游之间设置第二气体分布器141，所述第二气体分布器141为设置在所述第一管路横截面上的第二隔板142，所述第二隔板142上设有多个第二通孔143，该第二气体分布器141的自身结构和与加热管140的对应关系与上述第一气体分布器120和预热管110相同，在此不再赘述。也就是说，所述加热段H也可以包括多个平行间隔均布设置的加热管140，所述加热管140的上游与所述重整反应段R连通，加热管140的下游与所述重整气出口102连通。
在图1中，通过箭头的走向表示了在内部气路100和外部气路200中的流体流动方向，也就是说，在图1所示的实施例中，内部气路100中的流体流向是自上而下的，而外部气路200中的流体流向则是自下而上的，两者的方向是相逆的。由于外部气路200中流经的是起初为高温的电池阳极尾气，在加热外筒201底部的物流入口2011位置，流体的温度最高，而通过与内部气路100进行了充分热交换之后，在加热外筒201顶端的物流出口2012位置，流体的温度相对降低。因此，在本实施例中，所述加热外筒201具有沿其长度方向排列的中上部分筒体和中下部分筒体，该中上部分筒体和中下部分筒体可以由耐受温度不同的材质制成，由上述对外部气路200的电池阳极尾气在流经外部气路200时的温度变化可知，所述中上部分筒体的材质的耐受温度可以低于所述中下部分筒体的材质的耐受温度。换句话说，由于重整器中下部区域为高温区，可选择耐受温度较高的材料制备；中上部为低温区，可选择耐受温度较低的材料制备，以此降低制造成本。为了有效保温，所述加热外筒201的筒壁上还设有保温层(图中未示出)。另外需要说明的是，图1所示的重整器主体部分外形为一圆柱体，即：圆筒形状，该圆筒顶端和底端可根据需要添加封头和连接法兰。此外，还可根据重整器或燃料电池发电系统的布置情况，在重整器底端安装支座或其他固定支撑结构。
由上述内容可知，本发明所提供的重整器通过设置彼此密封地隔离的内部气路100和外部气路200，实质上是在重整器结构的外部耦合换热器，且内部气路100进一步包括了预热段P、重整反应段R和加热段H。如箭头方向所示，在图1所示的实施例中，重整器的工作过程是这样的：
燃料-水蒸气混合气作为燃料气体从开设在重整器顶部的燃料气体进口101进入，在重整器顶部空间内充溢，随后按照预热段P顶端的第一气体分布器120上的第一通孔122的排布方式，分别进入多个预热管110内。经预热管110预热之后的燃料气进入重整反应段R的重整催化层103，与催化剂充分接触反应后生成重整气，重整气经设置在重整反应段R下游的过滤器130过滤后，进入设置在加热段H中的加热管140，重整气在加热管140中加热到预定温度后，从位于重整器底部的重整气体出口102输出。在整个过程中，起初为高温的电池阳极尾气从位于外加热筒201底部的物流入口2011进入重整器的加热外筒201内部，在外部气路200中为位于内部气路100中的加热段H、重整反应段R和预热段P进行充分加热之后，最终经过换热后的电池阳极尾气从位于外加热筒201顶部的物流出口2012输出。
由上述工作过程可知，本发明在重整器中设置了彼此密封地隔离的内部气路100和外部气路200，其中，内部气路100内流经燃料气体(或燃料气气体与蒸汽混合气)，外部气路200内流经高温热源气体(如高温燃料电池高温的阳极尾气，燃烧器出口高温烟气等)，内部气路和外部气路彼此不连通，燃料气体和高温热源气体彼此不接触。该预热段P将燃料气(燃料气和蒸汽混合气)预热到重整反应段R所需要的温度，该重整反应段R内装填有重整催化剂，将从预热段P流入的燃料气重整为重整气后进入加热段H；该加热段H将重整气继续加热，直至燃料电池进口所需要的温度，而后通入燃料电池进行发电。由于设置在重整器内内部气路中的预热段P、重整反应段R和加热段H是按照此顺利直线状排列的，而该加热外筒201作为第二管路需要包裹在由预热段P、重整反应段R和加热段H组成的第一管路的外围，显然第二管路的内径要大于第一管路的外径，也就是说，加热外筒201的筒径要大于预热段P中包含的多个预热管110的合径，即：多个预热管110围设在一起所形成的空间的总直径。重整反应段R的筒径通常会大于加热段H中加热管140的外径，如果加热管140也采用和预热管110相同的设置方式，由多个加热管140组成，则重整反应段R的筒径大于多个加热管140的合径。这样的设置方式会有利于燃料气在重整反应段R与重整催化剂的充分接触催化反应，同时有利于在加热段H中集中加热。加热外筒201内通入与燃料气体及重整气体逆向流动的高温热源气体，在加热外筒201与预热段P、重整反应段R及加热段H之间形成有加热流路，该加热流路为内部气路中的燃料气体和重整气体加热。
综上可知，本发明所提供的重整器可以充分利用燃料电池尤其高温燃料电池系统的高温热源为重整反应提供持续热量，保证重整反应在最优的温度下持续进行，同时换热器与重整器耦合的结构可以极大的缩减燃料电池系统备件空间，精简燃料电池系统占地空间，另外也更加适用于小型燃料电池及小型重整器系统；利用换热形式获取高温热源热量来维持重整反应温度，整个结构没有引入明火设备，更加安全可靠。
对照图3和图1可知，本发明在图3所示的实施例中所提供的重整器的基本结构与以上图1所示的实施例基本相同，同样是通过设置相互密封地隔离的内部气路100和外部气路200的方式，在重整器中耦合集成了换热器，但两者的不同之处在于，内部气路100和外部气路200内的流体流动方向不同。具体来说，对照图1和图3中的箭头指示方向，在图1所示的实施例中，内部气路100和外部气路200内流体的流动方向是相反的，即：气流逆向。而在图3所示的实施例中，内部气路100和外部气路200内流体的流动方向是相同的，即：气流顺向。在图3所示的实施例中，由于高温的电池阳极尾气是从设置在重整器顶部的物流入口2011输入并从设置在底部的物流出口2012输出的，显然这样的方式会使重整器顶部的温度高于底部的温度，那么外加热筒201中上部分和中下部分筒体所采用的耐受不同温度的材质需要因此进行调整，所述中上部分筒体的材质的耐受温度则要高于所述中下部分筒体的材质的耐受温度。对于因顺向气流而造成的其他改变，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择设置，在此不再赘述。但是，从充分换热的角度来看，图1所示的实施例中内部气路100和外部气路200逆向的技术方案更优。
如图6所示，在本发明所提供的重整器中，也可以同时设置第一气体分布器120和第二气体分布器141，在图6所示的实施例中，第一气体分布器120设置在第二管路的横截面上，第二气体分布器141设置在第一管路的横截面上。而在图6中仅仅是一种示例，实际应用中可以根据重整器内部的结构设置需要来具体布置第一气体分布器120和第二气体分布器141在第一管路和第二管路上的具体位置，既可以设置在第一管路横截面上，也可以设置在第二管路的横截面上，只要能够起到对管路中的混合气进行平均分配的作用即可。
如图7并结合图1所示，本发明还提供一种燃料电池发电系统，包括燃料电池电堆2000、燃烧器4000和多股流换热器1000，还包括如上所述的重整器3000，过滤水经所述多股流换热器1000后形成的水蒸气V与净化天然气G混合后形成的混合气M作为燃料气经燃料气进口101进入所述内部气路100；所述燃料电池电堆2000的阳极出口2004输出的高温的阳极尾气从重整器的物流入口2011进入所述外部气路200。所述外部气路200和内部气路100充分换热后，由所述混合气M经重整反应生成的重整气体从所述内部气路100经重整气出口102输出后，进入所述燃料电池电堆2000的阳极入口2003，从所述外部气路200经换热后的阳极尾气经物流出口2012进入所述燃烧器4000燃烧。与此同时，所述燃料电池发电系统还包括第一支管和第二支管，空气A的一部分沿第一支管经所述多股流换热器1000后，由所述燃料电池电堆2000的阴极入口2001进入所述燃料电池电堆2000，再由所述燃料电池电堆2000的阴极出口2002输出后进入所述燃烧器4000；空气A的另一部分沿所述第二支管作为冷却空气直接输入所述燃烧器4000；从所述燃烧器4000中输出的高温烟气经所述多股流换热器1000后，作为尾气T输出。
参照图7并结合图1所示，结合具体实施例，对本发明所提供的燃料电池发电系统在工作过程进行详细地描述：
首先需要说明的是，来自脱硫罐的净化液化天然气通常情况下主要成分包括：91.7％的CH4、5.4％的C2H6、0.4％的C3H8、0.1％的C4H10、1.3％的CO2、1.1％的N2。
如图7所示，水W经过滤后进入多股流换热器1000，在其中被加热成水蒸气V，与净化天然气G混合后形成混合气M进入重整器顶端的燃料气体进口101，经预热段第一气体分布器120的均匀分配后进入预热管110。来自高温燃料电池电堆2000阳极出口2004的高温尾气通入重整器底部的物流入口2011，自下而上流经外部气路200并从高温物流出口2012输出重整器3000，而后进入燃烧器4000内燃烧。在预热段P内，预热管110内的燃料气与热物流经外部气路换热、升温至重整反应需要的温度而后进入重整反应段R内，在重整催化层103中，燃料气中的部分CH4与全部的C2H6、C3H8和C4H10与水蒸气发生重整反应，生成H2、CO2和少量CO，重整反应所需吸收的热量来自与外部气路200中的热物流的热量。重整反应深度可根据需要通过预热段长度(预热段出口温度)，重整反应段长度(即调整进料在重整反应段停留时间)进行调节。从重整反应段R的出口经过滤器130进入加热段H的加热管140中，并在加热管140中经由加热段H继续加热至燃料电池阳极入口2003所需温度后经重整气体出口102出重整器，而后接入外部管路进入高温燃料电池电堆2000的阳极入口2003。常温空气A分成两路进入燃料电池发电系统，一路经多股流换热器1000预热后，进入燃料电池2000的阴极入口2001，在阴极带走燃料电池散发的多余热量后从阴极出口2002进入燃烧器4000；另一路常温空气A作为燃烧器4000的冷却空气用以调节燃烧器4000的出口烟气温度，以免烟气温度过高烧毁位于下游的多股流换热器1000。进入燃烧器4000的阳极尾气与阴极出口气在燃烧器4000内混合燃烧，产生的高温烟气经冷却空气调温后(不高于900℃)，进入多股流换热器1000，作为热源将水加热为水蒸气V，将空气A预热为阴极入口气。
以下提供一个应用于直流输出功率1.5KW的以液化天然气为燃料的高温燃料电池发电系统的重整器应用实例，该高温燃料电池系统的操作参数详见如下表1：
表1高温燃料电池发电系统操作参数
Figure BDA0002110359320000121
以下提供一个应用于直流输出功率1.5KW的以液化天然气为燃料的高温燃料电池发电系统的重整器为应用实例，提供该高温燃料电池发电系统中的重整器操作参数详见如下表2：
表2重整器操作参数
燃料气体进料温度/℃ 25
重整水蒸气温度/℃ 700
预热段进口物流温度/℃ 440
预热段出口温度/℃ 500
重整反应段温度/℃ 500
加热段出口温度/℃ 700
热物流入口温度/℃ 800
热物流出口温度/℃ 521
预热段热负荷/W 25
重整反应段热负荷/W 63
加热段热负荷/W 93
根据以上重整器操作参数进行换热器设计，所得到的重整器各个部件的尺寸参数详见如下表3：
表3本重整器设计参数
Figure BDA0002110359320000131
Figure BDA0002110359320000141
由上述内容可知，在本发明提供的燃料电池发电系统中，重整器作为系统中非常重要的部分，适用于有烃类燃料(天然气，液化石油气，甲醇等)进料的燃料电池发电系统，该重整器作为燃料电池发电单元的前置设备，是烃类燃料进料的燃料电池系统的必备单元，该重整器将烃类燃料与水蒸气经重整反应后得到H2或H2与CH4、CO的混合气并通入燃料电池中进行发电。该重整器与换热器相嵌套耦合，利用换热的形式获取高温热源热量以维持重整反应所需要的热量，其最佳使用场合为高温燃料电池(SOFC，MCFC)系统中，在该系统中，由于高温燃料电池(特指MCFC和SOFC)可以处理CH4和CO这种小型碳基燃料，重整器主要作用是转化液化天然气等燃料中的C2H6、C4H10等大分子，同时重整部分CH4以防止燃料电池内部结构碳化；重整深度不高，因此重整器内重整反应段较为精简，整个重整器结构较为紧凑，可以极大的缩减燃料电池系统备件和燃料电池系统的占地空间。另外，本发明所提供的重整器摒弃了带有明火的燃烧器作为热源，更加安全可靠；相比于燃烧室最高温度可达1200℃-1300℃带有燃烧喷嘴的重整器结构，本结构的金属平均壁温更低，对装置材料耐火耐温要求较低，因此设备的制造成本较低。该重整器可以充分回收利用高温燃料电池的高温的阳极尾气的热量，是一种热量高度耦合的换热器-重整器集成设备，有助于提高燃料电池系统的热效率。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，例如，可以分别通过改变内部气路或者外部气路的流体输入、输出位置来调整两者的流体流向为逆向或者顺向，并不仅仅局限于对外部气路的输入、输出位置调整。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种重整器，其特征在于，包括：
第一管路，所述第一管路内部设有重整催化层(103)，所述第一管路的内部空间构成内部气路(100)；
所述第一管路沿气流流动方向从上游到下游依次包括彼此连通的预热段(P)、重整反应段(R)和加热段(H)，所述重整催化层(103)设置在所述重整反应段(R)内；所述预热段(P)、重整反应段(R)和加热段(H)的管路截面形状均为圆形，且三者为不等径结构，其中，所述重整反应段(R)的管径最大；所述预热段(P)包括多个平行间隔均布设置的预热管(110)；所述预热管(110)与设置在所述第一管路一端的燃料气进口(101)之间设有第一气体分布器(120)，所述第一气体分布器(120)为设置在所述第一管路或第二管路横截面上的第一隔板(121)，所述第一隔板(121)上设有多个第一通孔(122)，所述第一通孔(122)的设置位置和数量与所述预热管(110)的位置和数量相对应；
第二管路，所述第二管路套设在所述第一管路之外，所述第二管路的内壁和所述第一管路的外壁所围设的空间构成外部气路(200)；
所述内部气路(100)和所述外部气路(200)彼此密封地隔离；
所述内部气路(100)和外部气路(200)中的流体流向相逆，高温的电池阳极尾气通入所述外部气路(200)中作为热源。
2.根据权利要求1所述的重整器，其特征在于，燃料气从所述燃料气进口(101)进入所述预热段(P)，经所述重整反应段(R)反应生成重整气后进入所述加热段(H)，所述重整气在所述加热段(H)中加热到预定温度后，经设置在所述第一管路另一端的重整气出口(102)输出。
3.根据权利要求2所述的重整器，其特征在于，所述重整反应段(R)设有用于过滤所述重整催化层(103)中遗漏的催化剂的过滤器(130)。
4.根据权利要求2所述的重整器，其特征在于，所述加热段(H)包括多个平行间隔均布设置的加热管(140)；
所述加热管(140)与所述重整反应段(R)间设有第二气体分布器(141)，所述第二气体分布器(141)为设置在所述第一管路或第二管路横截面上的第二隔板(142)，所述第二隔板(142)上设有多个第二通孔(143)，所述第二通孔(143)的设置位置和数量与所述加热管(140)的位置和数量相对应。
5.根据权利要求1所述的重整器，其特征在于，所述第二管路由加热外筒(201)构成，所述加热外筒(201)的筒壁上设有保温层。
6.根据权利要求5所述的重整器，其特征在于，所述加热外筒(201)具有沿其长度方向排列的中上部分筒体和中下部分筒体，所述中上部分筒体和中下部分筒体采用耐受温度不同的材质制成，所述中上部分筒体的材质的耐受温度低于所述中下部分筒体的材质的耐受温度。
7.根据权利要求1所述的重整器，其特征在于，所述重整催化层(103)包括按照恒定孔隙率装填的支撑体，所述支撑体的材质为AL2O3、SiO2或TiO2，所述支撑体中包含有Pd、Pt、NiO、CuO其中任一或多个成分组合而成的重整催化剂。
8.一种燃料电池发电系统，包括燃料电池电堆(2000)、燃烧器(4000)和多股流换热器(1000)，其特征在于，还包括如权利要求1-7任一项所述的重整器(3000)，过滤水经所述多股流换热器(1000)后形成的水蒸气(V)与净化天然气(G)混合后形成的混合气(M)进入所述内部气路(100)，所述燃料电池电堆(2000)的阳极出口(2004)输出的高温的阳极尾气进入所述外部气路(200)，所述内部气路(100)和外部气路(200)充分换热后，由所述混合气(M)经重整反应生成的重整气体从所述内部气路(100)输出后进入所述燃料电池电堆(2000)的阳极入口(2003)，从所述外部气路(200)输出的经换热后的阳极尾气进入所述燃烧器(4000)燃烧。
9.根据权利要求8所述的燃料电池发电系统，其特征在于，所述燃料电池发电系统还包括第一支管和第二支管，空气(A)的一部分沿所述第一支管经所述多股流换热器(1000)后，由所述燃料电池电堆(2000)的阴极入口(2001)进入所述燃料电池电堆(2000)，再由所述燃料电池电堆(2000)的阴极出口(2002)输出后进入所述燃烧器(4000)；空气(A)的另一部分沿所述第二支管作为冷却空气直接输入所述燃烧器(4000)；从所述燃烧器(4000)中输出的高温烟气经所述多股流换热器(1000)后，作为尾气(T)输出。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115149026A (zh) * 2021-03-30 2022-10-04 国家能源投资集团有限责任公司 发电系统
CN114483387B (zh) * 2022-01-26 2023-02-28 武汉理工大学 废气重整双燃料发动机系统及控制方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101499534A (zh) * 2008-01-31 2009-08-05 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种固体氧化物燃料电池分布式热电联产系统
CN102881923A (zh) * 2011-07-14 2013-01-16 中国科学院大连化学物理研究所 一种由阳极支撑管型固体氧化燃料电池构建的电站
CN104112866A (zh) * 2013-04-19 2014-10-22 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种燃料电池系统用的燃烧重整预混一体化装置
CN104752747A (zh) * 2013-12-31 2015-07-01 通用电气公司 固体氧化物燃料电池系统
CN105594045A (zh) * 2013-07-09 2016-05-18 塞瑞斯知识产权有限公司 改进的燃料电池系统和方法
CN106784940A (zh) * 2016-12-27 2017-05-31 宁波索福人能源技术有限公司 一种固体氧化物燃料电池发电系统
CN107514321A (zh) * 2017-07-12 2017-12-26 同济大学 一种用于egr系统中的重整制氢装置
CN109748241A (zh) * 2019-03-08 2019-05-14 西安交通大学 一种甲烷自热重整的高效重整器

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2631006A3 (en) * 2012-02-22 2013-11-13 International Engine Intellectual Property Company, LLC Catalytic fuel vaporizer and fuel reformer assembly

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101499534A (zh) * 2008-01-31 2009-08-05 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种固体氧化物燃料电池分布式热电联产系统
CN102881923A (zh) * 2011-07-14 2013-01-16 中国科学院大连化学物理研究所 一种由阳极支撑管型固体氧化燃料电池构建的电站
CN104112866A (zh) * 2013-04-19 2014-10-22 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种燃料电池系统用的燃烧重整预混一体化装置
CN105594045A (zh) * 2013-07-09 2016-05-18 塞瑞斯知识产权有限公司 改进的燃料电池系统和方法
CN104752747A (zh) * 2013-12-31 2015-07-01 通用电气公司 固体氧化物燃料电池系统
CN106784940A (zh) * 2016-12-27 2017-05-31 宁波索福人能源技术有限公司 一种固体氧化物燃料电池发电系统
CN107514321A (zh) * 2017-07-12 2017-12-26 同济大学 一种用于egr系统中的重整制氢装置
CN109748241A (zh) * 2019-03-08 2019-05-14 西安交通大学 一种甲烷自热重整的高效重整器

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