CN114788056A - 燃料电池系统和尾气燃烧器组件和方法 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池系统，包括燃烧器组件(10)，其具有：中空的纵向细长的主体(12)，该主体沿中心轴线(12')延伸并具有第一端部(20)和第二端部(30)；燃烧器壁(40)，其位于所述第一端部(20)和所述第二端部(30)之间，并限定从所述第一端部(20)到所述燃烧器壁(40)的第一空间(52)和从所述燃烧器壁(40)到所述第二端部(30)的第二空间(62)；通向所述第一空间(52)的氧化剂入口(70)，氧化剂入口(70)用于提供穿过该氧化剂入口的氧化剂流；以及至少一个中空的细长燃烧器(100)，其抵接所述燃烧器壁(40)或从所述第一空间(52)穿过所述燃烧器壁(40)中的开口延伸到所述第二空间(62)。细长燃烧器(100)包括：燃烧器板(156)或混合器(150)，其具有通向所述第一空间(52)的第一侧开口和通向所述第二空间(62)的第二侧开口；通向所述第一空间(52)的第一燃料入口(125)，用于将第一燃料从第一燃料通道馈送到所述第一空间(52)，以及通向所述第二空间(62)的第二燃料入口(135)，用于将第二燃料从第二燃料通道馈送到所述第二空间(62)。该系统还包括至少一个连接件(810、812)，用于将第一燃料通道选择性地连接到第二燃料通道以将第一燃料和第二燃料的混合物输送到第二燃料入口(135)。

Description

燃料电池系统和尾气燃烧器组件和方法
技术领域
本发明涉及具有尾气燃烧器的燃料电池系统，特别是具有多种燃料馈送的燃烧器及其操作方法。
背景技术
燃料电池、燃料电池堆、燃料电池堆组件和热交换器系统、布置和方法的教导为本领域普通技术人员所熟知的，并且具体包括WO02/35628、WO03/07582、WO2004/089848、WO2005/078843,WO2006/079800、WO2006/106334、WO2007/085863、WO2007/110587、WO2008/001119、WO2008/003976、WO2008/015461、WO2008/053213、WO2008/104760、WO2008/132493、WO2009/090419、WO2010/020797以及WO2010/061190，其全部内容通过引用并入本文中。
除非上下文另有说明，否则术语“流体”包括液体和气体。
立法以及改善环境责任的总体趋势鼓励人们有兴趣在所有操作中减少燃料的燃烧或烧燃产生的排放。特别是在燃料电池的操作中，有立法为排放水平设定了最大限值，诸如欧洲标准EN 50465：2008，其适用于在国内使用时的燃料电池气体加热设备。在控制排放方面特别重要的是减少一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOX)的排放。
当涉及到控制燃烧排放时，燃烧器的设计特别重要。诸如空气流量、反应物的混合以及火焰的位置之类的因素都必须连同待燃烧的燃料的化学成分一起被考虑。在相同的燃烧器中燃烧的燃料的成分的改变可导致差异很大的排放量。因此，往往必须将燃烧器设计为用于特定燃料以便遵守规定的排放限值。尽管如此，在有些情况下，燃烧器必须燃烧不同的燃料，而燃烧稳定性和排放控制在每种模式中都很重要。
燃烧器通常用于燃料电池系统中以提供热能来将燃料电池系统及其相关系统部件的温度升高到操作温度。燃料电池系统通常包括至少一个燃料电池堆。
燃料电池系统的设计需要考虑到寿命，也就是说，以便在经常连续运行的情况下运行多年。这使得在这种系统中使用的燃烧器的设计特别关键，因为在某些操作模式下，燃烧器可能具有在燃烧器的燃料供应管内形成焦炭的趋势。特别是，在输送高热值燃料(如天然气)的供应管中会发生焦化。
本文中当提及燃料电池或燃料电池系统时，更优选地，所指的是固体氧化物燃料电池(SOFC)或SOFC系统，更优选地，所指的是中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)或IT-SOFC系统。燃料电池系统将包括至少一个燃料电池堆，每个燃料电池堆均包括至少一个燃料电池。更优选地，燃料电池或燃料电池堆的燃料电池具有450℃-650℃的工作温度范围、更优选地、500℃-610℃的工作温度范围。
当利用固体氧化物燃料电池时，优选的是，燃烧器燃烧低热值(LCV)燃料和高热值(HCV)燃料二者。应当注意，这些术语区别于例如、“较低热值”(同样被称为“LCV”)和“较高热值”(同样被称为“HCV”)-所有燃料都具有较低热值和较高热值二者。低热值(LCV)燃料的示例是具有较高比例的H2、CO并且可选地具有较低比例的CH4的燃料。LCV燃料的沃泊指数(Wobbe index)通常介于18MJ/m3和35MJ/m3之间。高热值(HCV)燃料的示例是含有甲烷、乙烷、丙烷或其任何组合的燃料，HCV燃料的沃泊指数(Wobbe index)通常介于36MJ/m3和85MJ/m3之间。提及的天然气或燃料气体是指高热值燃料，并且通常意味着在燃料电池堆内没有发生降低热值(即降低气体的能量含量)的过程。提及的阳极废气是指低热值燃料，并且是指已在燃料电池系统中进行处理(例如穿过燃料电池堆并从阳极作为废气输出)过的燃料(即LCV燃料)。
燃料电池堆使用富氢的HCV燃料来进行电化学反应。由于电化学反应，燃料气体通过一些活性元素被氧化而改变了成分，诸如氢变成水蒸气并且一氧化碳变成二氧化碳。因此，这个过程的废气(off-gas)是LCV燃料。因此，显然地，HCV燃料不同于LCV燃料。
通过电化学反应形成的LCV燃料之后可在燃烧器中进行燃烧。然而，通常需要HCV燃料的燃烧来对燃料电池系统进行最初的加热(例如、在启动时)直到燃料电池达到工作温度。因而，在启动时必须使HCV燃料燃烧。在燃料电池的稳定状态运行期间，必须主要地燃烧LCV燃料。在燃料电池的工作点状态之间过渡的期间(即，当燃料电池的电能输出改变时)，待燃烧的燃料的成分相应地改变，并且在从稳定状态向停止过渡的期间其也类似地改变。为了保持这些燃料的每一者的燃烧的低排放，需要燃烧器的不同构型：HCV燃料燃烧器有利于在燃烧之前与氧化剂的较大程度的混合；而LCV燃料燃烧器有利于在燃烧之前与氧化剂的较低量的混合。而且，与LCV燃料相比，对HCV燃料而言，较大的气流是优选的。然而，由于系统中其它地方的要求，诸如被用于控制燃料电池堆的温度的氧化剂流量的要求，仅仅出于燃烧控制的目的而控制到燃烧器的气流是不可能的。因此，显然地，在所述的情况下，利用被设计用于一种燃料或特定气流的燃烧器将导致对其它燃料而言不利的燃烧。
因此，需要生产能够同时或单独地燃烧LCV和HCV燃料两者而不分离燃烧或利用复杂的系统的燃料电池系统和燃烧器，同时保持低排放，降低在燃烧器内发生焦化的可能性并应对变化的气流，特别是宽范围的空气燃料比，λ。
现有技术的装置还可能因在广泛的操作条件下(包括不同的λ)缺乏火焰稳定性而受到损失。此外，还希望实现紧凑的火焰以便减小产品尺寸。
本发明试图改进现有技术的燃烧器。特别地，本发明寻求解决、克服或减轻现有技术问题中的至少一个。
发明内容
根据本发明，提供了一种燃料电池系统，包括：
燃烧器组件，该燃烧器组件包括：
(i)中空的纵向细长的主体，所述主体沿中心轴线延伸并具有第一端部和第二端部；
(ii)燃烧器壁，所述燃烧器壁位于所述第一端部和所述第二端部之间，并限定从所述第一端部到所述燃烧器壁的第一空间和从所述燃烧器壁到所述第二端部的第二空间，
(iii)通向所述第一空间的氧化剂入口，所述氧化剂入口用于提供穿过所述氧化剂入口的氧化剂流，
(iv)至少一个中空的细长的燃烧器，所述燃烧器抵接所述燃烧器壁或从所述第一空间穿过所述燃烧器壁中的开口延伸至所述第二空间，并且所述燃烧器包括：
(a)燃烧器板或混合器，所述燃烧器板或混合器具有通向所述第一空间的第一侧开口和通向所述第二空间的第二侧开口，
(b)第一燃料入口，通向所述第一空间用于将第一燃料从第一燃料通道馈送到所述第一空间；和，
(c)第二燃料入口，通向所述第二空间，用于将第二燃料从第二燃料通道馈送到所述第二空间；
其中，所述系统还包括至少一个连接件，所述至少一个连接件用于将所述第一燃料通道选择性地连接到所述第二燃料通道，以将所述第一燃料和所述第二燃料的混合物输送到所述第二燃料入口。
本文对方法步骤或特征的提及同样是对本发明的适于或构造为执行这种方法步骤的系统的提及。
第一端部也可以称为上游端部，并且第二端部可以称为下游端部。术语“上游”和“下游”旨在反映所提及的部件的相对位置。特别地，“上游”和“下游”的使用可以反映流体流动路径或过程中的部件的相对位置。短语“‘特征X’的上游”(在主体内的特征的情况下)是指从‘特征X’朝向第一端部定位，即在第一端部和‘特征X’之间；“‘特征X’的下游”(在主体内的特征的情况下)是指从‘特征X’朝向第二端部定位，即位于特征X和第二端部之间。类似地，第一侧可以称为上游侧，以及第二侧可以称为下游侧。第一燃料入口也可以称为HCV燃料入口，而第二燃料入口也可以称为LCV燃料入口。同样，第一燃料也可以称为HCV燃料、燃料气或天然气，第二燃料也可以称为LCV燃料或阳极废气。
使用所述至少一个连接件(例如在第一燃料通道和第二燃料通道之间的连接件或在第一燃料供应子系统和第二燃料供应子系统之间的用于连接第一燃料供应装置和第二燃料供应装置的连接件)允许将通常在燃烧器板或混合器之前引入的第一燃料重新定向在燃烧器板或混合器之后引入。这种经由所述至少一个连接件(例如(连接两个相应的供应管线的)旁通管线)的流的重新定向是违反常理的，因为燃烧器板或混合器下游的HCV的燃烧条件不太理想。然而，这样的系统设计使得系统的操作范围更广泛，例如，允许它在燃料管线(特别是在第一燃料入口)中焦化的趋势要高得多的运行条件(例如，高系统运行温度)下仍然以期望的比例(例如，占第一燃料总摄入量和第二燃料总摄入量的一小部分，不超过30％，或不超过20％)使用HCV燃料。
在一些燃烧器中，能够重新定向第一燃料的灵活性可以有助于燃烧特性，例如，它可以用于提高火焰稳定性，例如，如果在模式之间的过渡期间临时使用的话。
优选地，燃烧器可以一体地形成在燃烧器组件内，或者可以是安装在燃烧器组件中的可更换的分离的燃烧器单元。
优选地，燃烧器包括至少一个中空的纵向细长的燃烧器单元，该燃烧器单元具有从所述第一空间延伸至所述主体中的开口之外的燃烧器单元第一端部，燃烧器单元从所述第一空间穿过所述燃烧器壁中的开口延伸到所述第二空间并延伸到燃烧器单元第二端部。当系统包括混合器时，例如，轴流或涡流混合器，它可以位于所述燃烧器单元第一端部和所述燃烧器单元第二端部之间。当系统包括燃烧器板时，它可以位于或靠近所述燃烧器单元第二端部。
本文提及的“燃烧器单元”是指可更换的燃烧器单元或一体式燃烧器(视情况而定)。
优选地，中空的纵向细长的主体限定内腔。更优选地，主体是限定内部空间的有壁的形状。中空的纵向细长的主体的形状的示例包括圆筒体和管，以及具有多边形横截面的形状。多边形横截面的示例包括四边形(例如矩形)、五边形、六边形、七边形和八边形横截面。主体可以沿着并围绕所述中心轴线延伸。
如上所述，主体沿中心轴线延伸。在某些实施例中，中心轴线可以不是直的轴线。例如，轴线可以是弯曲的，也可以是阶梯状的。
从以上限定可以看出，流体流动路径被限定成从所述氧化剂入口到所述第一空间并到所述第二空间。
可以认为第一空间被限定在第一端部、燃烧器壁和主体之间。类似地，可以认为第二空间被限定在燃烧器壁、第二端部和主体之间。
优选地，主体包括从所述燃烧器壁延伸到所述第二端部的主体内表面。优选地，所述第二空间被限定在所述燃烧器壁、所述主体内表面和所述第二端部之间。
第二空间也可以被称为火焰管，并且这两个术语在本文中可互换使用。
优选地，端壁位于所述第一端部处。这允许通过端壁对部件进行可选布设。然而，入口可以定位于不同的位置处以进入第一空间。
如上所述，在一些布置中，所述至少一个燃烧器单元的第一端部从第一空间延伸到主体中的开口之外。因此，所述至少一个燃烧器单元的第一端部不必从主体第一端部处的端壁延伸。例如，所述至少一个燃烧器单元的第一端部可以从主体的侧壁延伸。在燃烧器组件包括多个燃烧器单元的情况下，在一些实施例中，从第一空间延伸到主体中的开口之外的部分可以是多个燃烧器单元的共享或共用部分。
优选地，该系统包括用于将第一燃料通道选择性地连接到第二燃料通道的三通阀。
该阀有利地允许将第一燃料引导至第一燃料入口或第二燃料入口。该阀允许根据需要关闭流向第一燃料入口或第二燃料入口的流。更优选地，阀可以(是例如可变阀并且)选择性地操作，以使得流被引导到第一燃料入口和第二燃料入口，从而第一燃料的一部分被供应到第一燃料入口并且第一燃料的剩余部分被供应到第二燃料入口。这可以允许改变燃烧器组件通过操作模式转换的燃烧特性，以减少不希望的输出物，例如焦炭堆积。
在一种布置中，第一燃料供应子系统(第一燃料通道)和第二燃料供应子系统(第二燃料通道)分别将燃料供应到燃烧器的相应入口，并且旁通管线在这两个子系统之间延伸。它可以从设置在第一燃料供应子系统中的三通阀延伸到与第二燃料供应子系统的接头，该接头可以是开放式连接件。
替代地，第一燃料供应子系统可以包括接头(开放式连接件)，其中该接头利用二通阀分成下游分支，其中一个分支通向至燃烧器的第一燃料供应入口，而另一个分支通向第二燃料供应子系统，例如，在一个或两个分支中提供(例如可致动的)开/关阀或可变阀。在该接头的上游，还可以任选地提供另外的可变阀或开/关阀，以使得HCV燃料的总量可以在所述至少一个连接件的上游选择性地计量。
因此，可以使用三通阀，或者在一些实施例中，可以使用三分支管，其中也可以使用具有引导第一燃料流的相同效果的阀，例如二通阀。
优选地，当包括混合器时，混合器是轴向涡流式混合器，该轴向涡流式混合器包括多个叶片，所述多个叶片具有通向所述第一空间的第一侧和通向所述第二空间的第二侧。轴向涡流混合为穿过涡流混合器到达第二空间的流(例如氧化剂或第一燃料和氧化剂混合物)提供涡流。这可以改变燃烧特性。
优选地，当包括燃烧器板时，所述燃烧器板包括在所述第一空间和所述第二空间之间延伸的多个通道。多个小通道产生多个小火焰，从而将燃烧限制在靠近燃烧器板的小区域。该板可以被认为是在燃烧器壁处或燃烧器壁附近将第一空间和第二空间间隔开的盘。
涡流混合器和燃烧器板是燃烧器组件内的可互换替代品。因此，除非特别限于例如多个通道或叶片，否则燃烧器组件的其他特征与两者兼容。因此，在整个文档中对一个的提及可以是对另一个的提及。
优选地，第二燃料入口比第一燃料入口更靠近所述燃烧器单元第二端部。第二空间中的第二燃料入口的定位导致与空气(即氧化剂)的混合减少，因为从第二燃料入口离开的燃料不穿过燃烧器板或混合器。通过将第二燃料入口靠近燃烧器单元第二端部定位，由此产生的与来自燃烧器板或混合器的燃烧的湍流空气/燃料的混合和/或由在第二空间中的第二燃料入口形成的火焰的位置改善了燃烧特性。
优选地，该系统还包括燃料电池堆，并且其中第一燃料包括还未穿过燃料电池堆的燃料气体。通常，第一燃料包括高热值(HCV)燃料。当第一燃料具有比第二燃料更高的热值时，将第一燃料选择性地供应到第二燃料中以使得混合物具有比第二燃料更高的热值，因此第一燃料是补充气体。在某些模式下，较高热量的气体，即HCV燃料，(在燃烧器板或混合器之前)馈送到第一燃料入口时，更有可能导致HCV供应管中的焦炭形成。在这些模式中，通过允许HCV燃料和LCV燃料进行混合，然后供应到第二燃料入口，可以在燃料电池系统中仍然使用HCV，同时在燃料电池系统寿命期间将焦炭形成的风险降至最低。
优选地，第二燃料是来自燃料电池系统的燃料电池堆的阳极废气。该阳极废气具有低热值燃料，因为(HCV)燃料已经通过燃料电池堆并且可能已经通过重整器并且经历了化学反应。由于燃料电池堆内的化学反应，这种阳极废气具有比HCV燃料更高的湿度。当燃料被混合并馈送到第二燃料入口时，这种湿度可以帮助降低HCV燃料形成焦炭的可能性。
优选地，燃料电池系统包括废气管道系统，该废气管道系统将燃料电池堆的阳极的出口连接到所述第二燃料入口，以用于将阳极废气从燃料气电池的阳极侧供应到所述第二燃料入口。第二燃料通道形成废气管道系统的一部分。废气管道系统(或第二燃料供应子系统)是一种流连接件，该流连接件用于将燃料电池堆的阳极侧的出口放置成与第二燃料入口流体连通，因此LCV燃料通过废气管道系统。废气管道系统不需要直接连接到燃烧器组件。阳极废气管道系统可以在到达燃烧器组件之前穿过各种部件，例如热交换器。
优选地，燃料电池系统包括将第一燃料气体源连接到所述第一燃料入口以将第一燃料气体供应到所述第一燃料入口的第一气体管道系统(或第一燃料供应子系统)。第一燃料通道形成第一气体管道系统的一部分。第一气体管道系统提供用于将燃料源放置成与燃烧器组件流体连通的流连接件。因此，HCV燃料通过管道系统供应到燃烧器组件。HCV燃料可以被供应到燃料电池系统中的各种其他部件，例如重整器和燃料电池堆。第一气体管道系统也称为燃料气体管道系统。
虽然描述了管道系统，但管道可以采用任何适合于允许流体(即燃料、尾气或氧化剂)在两点之间流体连通的形式。
优选地，第一气体是燃料气体，其是主管道供应的气体、天然气、启动燃料或补充燃料。这些燃料都具有高热值，因此具有与它们相关联的上述特性，例如它们可以有利地用于为燃料电池堆和系统产生热的高温燃烧。然而，在某些情况下，它们也可能导致焦炭形成，这可能导致管道堵塞(与离开燃料电池堆的阳极尾气相比，其蒸汽含量会减轻焦化)。
优选地，连接件(例如旁通管线)将所述第一燃料通道直接连接到所述第二燃料通道，以将第一燃料的供应从所述第一燃料入口选择性地转向所述第二燃料入口。旁通管线因此连接在尾气管道系统和第一气体管道系统之间。旁通管线可以是分支管线，也可以通过阀连接，例如三通阀。旁通管线的直接连接确保了在运行旁通管线时(例如经由阀)在操作模式之间的快速转换。
在使用中，可以选择性地使用通道之间的连接件，即，通过连接件或旁通管线的第一燃料的供应可以是可操作的或可控制的，例如，通过操作在旁通管线的上游或旁通管线内的阀。
优选地，所述多个叶片具有内径和外径。优选地，所述涡流混合器位于所述第一燃料入口和所述第二燃料入口之间的与垂直于所述中心轴线的平面相交的点处，并且该平面与沿着所述中心轴线的与一点(该点是沿所述中心轴线距所述第一端部最远的点，其中，在所述点处垂直于所述中心轴线的平面与所述燃烧器壁相交)的距离等于所述多个叶片的一个内径或在所述多个叶片的一个内径之内的点相交。
在某些实施例中，叶片形成为燃烧器壁的一部分，以使得燃烧器壁被制造有叶片或涡流混合器，或者燃烧器壁被切割或机加工成由燃烧器壁形成叶片而不添加独立的燃烧器单元。
优选地，所述第一燃料入口定位在所述多个叶片的所述外径的径向内部。第一燃料入口在叶片径向向内的定位有助于通过第一燃料入口提供的燃料被抽吸通过叶片。
由于所述至少一个燃烧器单元延伸穿过燃烧器壁中的开口，每个燃烧器单元第一端部可以被认为限定了第一空间的周缘的一部分。类似地，每个燃烧器单元第二端部可以被认为限定了第二空间的周缘的一部分。因此，当涡流混合器被定位成在第一空间内更靠近第一端部时，第一空间减小，而当涡流混合器第二侧被定位成在第二空间内更靠近第二端部时，第二空间减小。
优选地，至少一个燃烧器单元包括燃烧器单元外部主体，该燃烧器单元外部主体更优选地限定燃烧器单元内部空间。因此，内部空间包含在第一空间内(即，是第一空间的一部分)。优选地，燃烧器单元外部主体限定至少一个开口(至少一个进气口)。优选地，流体流动路径被限定为从所述氧化剂入口到所述第一空间、到所述燃烧器单元内部空间、到所述第二空间(即从所述氧化剂入口到所述第一空间、经由所述第一空间的所述内部空间部分到所述第二空间)。优选地，第一燃料入口位于内部空间内。
除非上下文另有说明，本文对“一至少一个燃烧器单元”和“至少一个燃烧器单元”的提及优选地视情况指每个至少一个燃烧器单元和每个燃烧器单元。
优选地，至少一个燃烧器单元包括从所述第一空间朝向所述第二空间延伸穿过所述燃烧器壁中的所述开口的外套管，所述外套管具有外径、内径、第一端部和第二端部。优选地，所述外径等于所述燃烧器壁中的开口的直径。
优选地，至少一个燃烧器单元包括从所述第一空间朝向所述第二空间延伸穿过所述燃烧器壁中的所述开口的内套管，所述内套管具有外径、内径、第一端部和第二端部。
优选地，外套管的第一端部和内套管的第一端部是外套管和内套管的最靠近涡流燃烧器组件第一端部的端部。类似地，外套管和内套管的第二端部优选地是外套管和内套管的最靠近涡流燃烧器组件的第二端部的端部。
更优选地，所述外套管的第二端部与垂直于中心轴线的平面相交，并且该平面在涡流混合器和涡流燃烧器组件的第二端部之间延伸，并且该平面与沿所述中心轴线的位于几何中点下游处且与几何中心的距离等于或介于所述多个叶片的一个内径与所述多个叶片的内径的一半之间的点相交。
更优选地，所述外套管的第一端部与垂直于中心轴线的平面相交，该平面在涡流混合器和涡流燃烧器组件的第一端部之间延伸，并且该平面与位于如下位置处的点相交，即，在所述外套管第二端部上游且等于所述多个叶片的两个外径或在所述多个叶片的两个外径内。
在某些实施例中，外套管的一部分或全部可以由燃烧器单元外部主体形成。
更优选地，所述内套管的第二端部与垂直于中心轴线的平面相交，并且该平面与在沿着所述中心轴线的一位置处的点相交，并且该平面在涡流混合器和涡流燃烧器组件的第二端部之间延伸，并且该平面与沿所述中心轴线的位于几何中点下游处且与几何中点的距离等于或小于所述多个叶片的内径的一半的点相交。
更优选地，所述内套管的第一端部(内套管的第一端部的最靠近涡流燃烧器组件的第一端部的部分)位于第一燃料入口的下游并位于内套管的第二端部的上游。
优选地，所述内套管的外径小于所述外套管的内径。更优选地，内套管定位在所述外套管的径向内部(即所述外套管的径向向内)。
在某些实施例中，外套管形成为燃烧器壁的一部分，因为它与壁是一体的。在这样的实施例中，外套管仍可以朝向主体的第一端部和/或第二端部延伸。例如，外套管可以从燃烧器壁挤压、成形、压制或以其他方式形成。类似地，内套管可以形成为燃烧器壁的一部分。
优选地，所述多个叶片定位在所述外套管内。更优选地，所述多个叶片在所述外套管和所述内套管之间径向延伸。优选地，外套管的内径等于所述多个叶片的外径，并且内套管的外径等于所述多个叶片的内径。
在一些实施例中，所述多个叶片可以从所述内套管或所述外套管中的一者延伸，以使得它们由单个套管支撑，在这样的实施例中，所述多个叶片的外径可以小于外套管的内径，或者所述多个叶片的内径可以大于内套管的外径。
对于本领域普通技术人员而言，显然的是，将叶片制造为内套管的一部分、或制造为外套管的一部分、或制造为内套管和外套管的一部分、或在外套管是燃烧器单元的一部分的情况下将叶片制造为外套管的一部分，例如作为燃烧器单元外部主体的一部分。
套管可以影响燃烧器特性，因为它们可以在第二空间内比所述多个叶片延伸得更远。
在存在多于一个燃烧器单元的情况下，优选地，每个燃烧器单元具有内套管和外套管，该外套管延伸穿过用于该燃烧器单元的燃烧器壁中的开口。
优选地，第一燃料入口和第二燃料入口位于所述多个叶片的内径的径向内部。
优选地，第一燃料入口和第二燃料入口沿着大致平行于中心轴线的轴线对齐，或者沿着大致平行于中心轴线的轴线各自对齐。
优选地，所述多个叶片的外径比所述多个叶片的内径大两倍至四倍之间，更优选地大约三倍。
优选地，每个至少一个燃烧器单元：(A)限定第一点，该第一点是沿着所述中心轴线最靠近所述第一端部的点，其中，在所述点处垂直于所述中心轴线的平面与所述燃烧器单元涡流混合器的所述多个叶片相交；(B)限定第二点，该第二点是沿着所述中心轴线的距所述第一端部最远的点，其中，在所述点处垂直于所述中心轴线的平面与所述燃烧器单元涡流混合器的所述多个叶片相交；以及(C)限定几何中点，该几何中点沿所述中心轴线与所述第一点和所述第二点等距。
优选地，每个第一燃料入口位于所述氧化剂入口和所述涡流混合器之间的与垂直于所述中心轴线的平面相交的点处，并且该平面与沿所述中心轴线的与所述第一点的距离介于所述第一燃料入口流动区域的1个等效圆直径和2个等效圆直径之间的点相交。
优选地，每个第二燃料入口位于所述第一燃料入口和所述第二端部之间的与垂直于所述中心轴线的平面相交的点处，并且该平面与沿所述中心轴线的距所述几何中点等于或小于所述多个叶片的所述内径的点相交。
此类位置的限定允许限定第一燃料入口和第二燃料入口的位置以用于所描述的改进的燃烧器性能。
优选地，所述第一点是沿着所述中心轴线最靠近所述第一端部的点，其中，在所述点处垂直于所述中心轴线的平面与所述多个叶片的适合于在沿所述多个叶片流动的流体中引起角动量的一部分相交(即，在一点处与所述多个叶片相交)。因此，在具有多个叶片的燃烧器单元中，这些叶片具有弯曲的部段和下述部段，即，在流过该部段之上的流体中不引起角动量(例如，具有不绕轴线——特别是与所述中心轴线大体平行的轴线——径向地移动的直的部段的叶片)，第一点被认为处于弯曲的部段的开始处。
在本发明的定义内，所述HCV入口可以朝向第二空间或所述LCV入口可以朝向第一空间定位。如果可能只是在一定程度上进行这种重新定位，那么燃烧不会受到不利影响，即，旋流燃烧器组件对于其功能而言不再有效。由燃烧器壁和第二端部限定的第二空间可以称为火焰管。优选地，火焰管通常为圆筒形并具有内径和外径，并围绕中心轴线布置。更优选地，火焰管内径介于所述多个叶片的外径的2至3倍之间。更优选地，火焰管内径是所述多个叶片的外径的2.5倍。
优选地，第一燃料入口和第二燃料入口中的至少一个是喷嘴。各自的至少一个喷嘴由所述燃料入口中的至少一个孔限定，其中，所述至少一个孔可以是任意形状。至少一个孔的面积之和具有与单个圆形孔的圆形直径等效的圆形直径。至少一个孔的面积之和也可以称为流动面积，例如第一燃料入口流动面积或第二燃料入口流动面积，或者第一燃料入口或第二燃料入口的流动面积。
这种入口可以是所述第一燃料管或所述第二燃料管中的孔口。所述入口不必定位在所述第一管的所述第二端部或所述第二管的所述第二端部处，而是可以沿着所述管定位。在所述第一燃料入口或第二燃料入口包括多个开口的情况下，燃料入口的位置优选地被限定为在流动面积加权平均沿中心轴线的均值处。
优选地，燃烧器组件包括点火器。优选地，点火器位于第二空间中。更优选地，点火器从第二空间从主体向外延伸。更优选地，点火器的点火端定位在第二空间内。在某些实施例中，点火器位于主体第二端之外。在某些实施例中，点火器延伸穿过燃烧器壁或穿过主体第二端壁。
除非上下文另有说明，否则本文提及的开口是指部件中的孔、通路、开口或通道，并且这些术语是可互换的。每个开口可以具有各自选自由孔、通路和狭槽组成的组中的形状。每个开口可以具有选自由圆形、卵形、椭圆形、矩形、肾脏形(即肾形)和半环形(即几乎环形)组成的组中的横截面形状。
优选地，燃烧器组件为尾气燃烧器，其中尾气燃烧器是适用于燃烧来自燃料电池堆的阳极尾气和阴极尾气的燃烧器。
涡流燃烧器组件与燃料电池组件或系统(优选与固体氧化物燃料电池系统，更优选与中温固体氧化物燃料电池系统)集成为一体。
优选地，氧化剂入口与氧化剂源流体流连通。更优选地，氧化剂入口与至少一个燃料电池堆阴极尾气出口流体流连通。优选地，所述至少一个燃烧器单元与至少一个燃料电池堆阳极尾气出口流体流连通。更优选地，至少一个燃烧器单元的第一燃料入口与用于燃料电池系统的至少一个燃料源流体流连通。优选地，至少一个燃烧器单元的第二燃料入口与至少一个燃料电池堆阳极尾气出口流体流连通。
优选地，燃料电池系统是固体氧化物燃料电池(SOFC)系统。更优选地，燃料电池系统是中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)系统。
燃烧器组件将由本领域已知的材料制成，例如，用于管道和壁的金属合金以及用于管道的玻璃。由于高温，材料必须具有耐高温性。
根据本发明还提供了一种操作燃料电池系统的方法，该方法包括下列步骤：
(i)将氧化剂引导至所述氧化剂入口；
(ii)将第一燃料选择性地引导至所述第一燃料入口并且将第二燃料选择性地引导至所述第二燃料入口；以及
(iii)使被选择性引导的一种或多种燃料在离开下列项中的一个之后在所述第二空间中燃烧：
a.燃烧器板或混合器；
b.第二燃料入口；或者
C.燃烧器板或混合器，以及第二燃料入口。
优选地，当第一燃料(HCV燃料)被供应到所述第一燃料入口(HCV燃料入口)时，所述氧化剂和所述HCV燃料流在第一燃料入口和涡流燃烧器之间的所述第一空间中会聚，并且当第二燃料(LCV燃料)被供应到所述第二燃料入口(LCV燃料入口)时，所述氧化剂和所述LCV燃料流在涡流燃烧器和第二端部之间的第二空间中会聚。
优选地，所述连接件(例如旁通管线)用于将第一燃料通道连接到第二燃料通道以将两种燃料的混合物输送到第二燃料入口，由此使这两种燃料的混合物在离开第二燃料入口后在所述第二空间中燃烧。
如上文详述，优选地，HCV燃料是包含甲烷、乙烷或丙烷或其中的任何组合的燃料。更优选地，HCV燃料被认为是沃泊指数在36MJ/m3和85MJ/m3之间的燃料。典型的HCV燃料是天然气-天然气的沃泊指数为48MJ/m3至54MJ/m3。
优选地，LCV燃料是具有较高比例的H2、CO或CO2的燃料。更优选地，用于LCV燃料的沃泊指数通常在18MJ/m3和35MJ/m3之间，更优选地在22MJ/m3和26.53MJ/m3之间。
优选地，燃料电池系统可选择性地以第一模式、第二模式、第三模式和可选的第四模式运行，每种模式的特征如下：
(i)第一模式经由第一燃料通道将第一燃料供应到所述第一燃料入口的，所述氧化剂和所述第一燃料因此在所述第一燃料入口和所述燃烧器板之间的所述第一空间中或者在所述第一燃料入口和所述混合器之间的所述第一空间中会聚并混合，并且其中，第二燃料未被供应至第二燃料入口；
(ii)所述第二模式经由所述第一燃料通道将所述第一燃料引导到所述第一燃料入口，所述氧化剂和所述第一燃料因此在所述第一燃料入口和所述燃烧器板之间的所述第一空间中或者在所述第一燃料入口和所述混合器之间的所述第一空间中会聚并混合，
并且所述第二燃料被供应到所述第二燃料入口，所述氧化剂和所述第二燃料因此在所述第二空间中会聚并混合；
(iii)所述第三模式经由所述至少一个连接件将所述第一燃料引导至所述第二燃料入口，并且所述第二燃料也被引导至所述第二燃料入口，所述第一燃料和所述第二燃料因此混合，以作为这两种燃料的混合物离开所述第二燃料入口，
其中，所述氧化剂和所述混合物随后在所述第二空间中会聚并混合，以用于燃烧；
(iv)所述可选的第四模式将所述第二燃料供应到所述第二燃料入口，所述氧化剂和所述第二燃料在所述第二空间中会聚并混合，以用于燃烧，并且其中，所述第一燃料既未被供应到所述第一燃料入口也未被供应到所述第二燃料入口。
这些模式可以指不同的操作模式，例如启动、预热、稳态和关闭。在这些模式中，温度水平可能会导致不同的要求，例如使用旁通管线来防止焦化。因此，燃料电池系统可以根据燃料电池系统的需要在不同模式下交替使用旁通管线。这提供了涡流燃烧器组件在改进燃烧性能方面的优势，而且由于降低了焦炭形成的风险，还提高了系统寿命。
第四模式是稳态模式并且理想地使用该模式，其中不消耗燃料气体，即第一燃料既不供应到第一燃料入口也不供应到第二燃料入口。然而，可能有一些燃料电池系统希望始终使用燃料气体的滴流馈送。
优选地，该系统还具有可选择的第五模式，在该第五模式中，所述第一燃料和所述第二燃料都被供应到所述第二燃料入口，所述第一燃料和第二燃料因此会聚并混合，然后混合物与所述氧化剂在所述第二空间中会聚并混合以用于燃烧，并且其中第一燃料也被供应到第一燃料入口以与也在第一空间中的氧化剂混合。这允许旁通管线向第二燃料入口(并因此向第一燃料入口)提供可变量的第一燃料，从而允许其中(例如当改变操作模式时)第一燃料进行转变的模式。例如，可变流体可以由可变阀控制。
优选地，第一燃料和第二燃料的混合物的比例是可变的并且由处理器控制。这允许预先确定流的预设水平，或读数(例如来自传感器的读数)可以指示所需输出所需的流。
优选地，到达第一燃料入口与到达第二燃料入口的第一燃料的流量之间的比例是可变的并且由处理器控制。这允许改变燃料并因此改变燃烧特性以允许期望的输出。
更优选地，这两个比例可以由公共处理器控制。同样，所有燃料和氧化剂的流量都可以由处理器(通常是公共处理器)控制。
优选地，氧化剂是空气或来自运行中的燃料电池的阴极尾气(与空气相比，这种氧化剂会部分耗氧)。更优选地，所述氧化剂是来自运行中的固体氧化物燃料电池(更优选地，运行中的中温固体氧化物燃料电池)的阴极尾气。
LCV燃料可以通过烃燃料(例如HCV燃料)的重整形成，并且重整过程可以包括用氧化剂(例如空气或蒸汽)处理。LCV可以在进入涡流燃烧器组件之前在燃料电池中进行电化学反应。SOFC燃料电池堆阳极尾气可以被认为是LCV燃料。
优选地，烃燃料的重整发生在燃料电池系统中。更优选地，涡流燃烧器组件与燃料电池系统成一体并且燃烧由燃料电池系统产生的阳极尾气。
优选地，HCV燃料和/或LCV燃料在第二空间中被点火器点燃或燃烧。更优选地，点火发生在所述多个叶片的下游。优选地，在所述第二空间中燃烧所述燃料的步骤包括点燃和燃烧所述第二空间中的所述燃料。
优选地，第一空间和第二空间中的至少一个是密封的或封闭的空间。更优选地，燃烧器单元在其从所述主体中的开口向外延伸时形成密封件。
优选地，燃烧后的气体通过主体的第二端部(即下游端部)从第二空间流出或排出。
燃烧器壁将第一空间与第二空间间隔开的事实允许燃料的燃烧发生并且被限制在第二空间中。这允许在燃烧之前控制涡流燃烧器组件的特定部分中的不同燃料的混合。这允许不同的混合量和不同的混合强度，特别是因为所有氧化剂和HCV燃料在被供应到第一燃料入口时必须通过所述多个叶片才能到达火焰管。
通过所述多个叶片的流导致在其中限制燃烧的火焰管之前的流的进一步混合。
氧化剂和燃料的混合物的燃烧发生在第二空间中，并且这种燃烧的产物从燃烧器组件中排出。优选地，该过程产生的热用于加热燃料电池堆和燃料电池系统，
优选地，氧化剂和至少一种HCV燃料和LCV燃料的流使得到涡流燃烧器组件的气流的氧化剂与燃料的比值(λ)在1λ和20λ之间，更优选在1λ和18λ之间，更优选地在1λ和10λ之间或在2λ和18λ之间。更优选地，当涡流燃烧器具有氧化剂和HCV燃料(没有LCV燃料)的流时，涡流燃烧器组件以小于5λ的氧化剂与燃料的比值运行。
λ的相关测量值是在燃烧器入口处，即氧化剂入口、HCV入口和LCV入口处的测量值。
由于燃烧器组件与燃料电池系统是一体的，因此燃烧器组件能够在较大的λ范围内运行是有利的，因为流向燃烧器组件的氧化剂流以及(在一定程度上)LCV流由燃料电池堆和其上的电流决定。因此，燃烧器组件保持稳定燃烧的较大λ运行范围将(a)通过限制氧化剂流来阻止燃烧器组件支配燃料电池堆的运行，和/或(b)允许所有阴极和阳极尾气流向燃烧器组件。
第一燃料入口或第二燃料入口的所述至少一个喷嘴的等效直径可以由所需要的通过它们的速度限定。优选地，HCV燃料通过所述至少一个燃烧器单元的第一燃料入口的速度在3m/s和6m/s之间。更优选地，LCV燃料通过所述至少一个燃烧器单元的第二燃料入口的速度在10m/s和35m/s之间。
根据本发明的另一个方面，提供了一种涡流燃烧器组件，包括：
(i)中空的纵向细长的主体，该主体沿中心轴线延伸并具有第一端部和第二端部，
(ii)在所述第一端部处的端壁，
(iii)燃烧器壁，该燃烧器壁位于所述第一端部和所述第二端部之间，并限定从所述第一端部到所述燃烧器壁的第一空间和从所述燃烧器壁到所述第二端部的第二空间，
(iv)通向所述第一空间的氧化剂入口，
(v)至少一个中空的纵向细长的燃烧器单元，该燃烧器单元具有燃烧器单元第一端部，该燃烧器单元第一端部从所述第一空间向所述主体中的开口的外部延伸，所述燃烧器单元从所述第一空间向所述第二空间延伸穿过所述燃烧器壁中的开口并延伸到燃烧器单元第二端，并且所述燃烧器单元限定燃烧器单元内部空间，并且该燃烧器单元包括：
(a)轴向涡流式涡流混合器，该轴向涡流式涡流混合器定位于燃烧器单元的内部并且位于所述燃烧器单元第一端部和所述燃烧器单元第二端部之间，所述涡流混合器包括多个叶片，所述多个叶片具有内径和外径、朝向所述第一空间定位并通向所述第一空间的第一侧，以及朝向所述第二空间定位并通向所述第二空间的第二侧，
(b)第一燃料入口，通向所述第一空间，该第一燃料入口定位于所述氧化剂入口和所述涡流混合器之间并且在所述多个叶片的所述外径的径向内部，以及
(c)第二燃料入口，通向所述第二空间，该第二燃料入口靠近所述燃烧器单元第二端部并在所述多个叶片的所述外径的径向内部，
其中各自的至少一个燃烧器单元：
(A)限定第一点，该第一点是沿着所述中心轴线最靠近所述第一端部的点，其中，在所述第一点处垂直于所述中心轴线的平面与所述燃烧器单元涡流混合器的所述多个叶片相交；
(B)限定第二点，该第二点是沿着所述中心轴线距所述第一端部最远的点，其中，在所述第二点处垂直于所述中心轴线的平面与所述燃烧器单元涡流混合器的所述多个叶片相交；和
(C)限定几何中点，该几何中点沿所述中心轴线与所述第一点和所述第二点等距，
其中：
各自的第一燃料入口位于所述氧化剂入口和所述涡流混合器之间与垂直于所述中心轴线的平面相交的点处，并且该平面与沿所述中心轴线的与所述第一点的距离介于所述第一燃料入口流动区域的1个等效圆直径和2个等效圆直径之间的点相交，并且
各自的第二燃料入口位于所述第一燃料入口和所述第二端部之间的与垂直于所述中心轴线的平面相交的点处，并且该平面与沿所述中心轴线的距所述几何中点的距离等于或小于所述多个叶片的所述内径的点相交。
在另一方面，提供了一种操作如上所述的燃料电池系统的方法，该方法包括下列步骤：
(i)向所述氧化剂入口供应氧化剂；
(ii)将第一燃料选择性地供应到所述第一燃料入口并且将第二燃料选择性地供应到所述第二燃料入口，第一燃料和第二燃料具有不同的热值；以及
(iii)使被选择性供应的一种或多种燃料在离开涡流混合器或第二燃料入口中的一者或两者之后在所述第二空间中燃烧。
本文中用来指定部件的内含物的术语“包括”也包括不存在其它部件的实施例。
本发明的特定和优选方面在所附独立权利要求中进行了阐述。
附图说明
图1示出了适用于本发明的涡流燃烧器组件的部分剖视平面示意图；
图2示出了在图1中标记为A'的特征的详细示意图；
图2A示出了适用于本发明的轴流燃烧器组件的示意图；
图3A示出了根据本发明的并且包括图1至图2A中的燃烧器组件的燃料电池系统的示意图；和，
图3B至图3D分别示出了图3A的燃料电池系统的替代燃料电池系统的示意图。
具体实施方式
在说明书的其余部分中更具体地阐述了对本发明的对本领域普通技术人员而言的全面且可行的公开(包括其最佳模式)。现在将详细参考本发明的实施例，下面给出其中的一个或多个示例。提供每个示例是为了解释本发明，而不是限制本发明。
对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变型。例如，作为一个实施例的一部分描述的特征可以用于另一实施例以产生又一实施例。因此，本发明旨在涵盖落入所附权利要求及其等同物范围内的这些修改和变型。
本发明的其他目的、特征和方面在说明书的其余部分中公开。本领域普通技术人员应当理解，本讨论仅是对示例性实施例的描述，并不旨在限制本发明的更广泛的方面，这些更广泛的方面体现在示例性构造中。
本文使用的附图标记的列表在说明书的末尾处给出。在本说明书和附图中重复使用的附图标记旨在表示相同或类似的特征或元件。
为了本描述的目的，术语燃烧器、轴流燃烧器、轴流燃烧器组件、涡流燃烧器、尾气燃烧器和涡流燃烧器组件应理解为是指本发明的燃烧器组件，并且在适当的情况下，它们很容易互换。
在下列具体实施例中，燃料电池系统是包括至少一个燃料电池堆的IT-SOFC(中温固体氧化物燃料电池)系统，其中所述至少一个燃料电池堆中的燃料电池通常在450℃-650℃范围内运行。
参考图1，示出了涡流燃烧器组件10。涡流燃烧器组件10包括具有中心轴线12'的大体圆筒形(即，主要为圆筒形)的涡流燃烧器主体12、涡流燃烧器主体顶端壁16和涡流燃烧器主体底端壁14，其中涡流燃烧器主体底端壁14限定涡流燃烧器主体下游端部30。
涡流燃烧器组件10由燃烧器壁40划分成区段，该燃烧器壁40与主体12相交成径向地横穿其圆筒形形状。燃烧器壁40具有面向涡流燃烧器主体下游端部30的下游面42。燃烧器壁40还具有面向涡流燃烧器主体顶端壁16的上游面44。主体12在主体顶端壁16和燃烧器壁40之间的部分限定第一部段，该第一部段在本文中被称为燃烧器管50。主体12在燃烧器壁40和主体底端壁14之间的部分限定第二部段，该第二部段大体为圆筒形并且具有主体内表面64和主体外表面66。
第一空间52由燃烧器壁上游面44、涡流燃烧器主体顶端壁16的内部面54以及燃烧器管内表面56限定(即，被限定在它们之间)。类似地，第二空间62由主体内表面64、涡流燃烧器主体底端壁14和燃烧器壁下游面42限定(即，被限定在它们之间)。
燃烧器单元100具有燃烧器单元第一端部20和燃烧器单元第二端部124。燃烧器单元第一端部20(上游端部)从涡流燃烧器组件10伸出，并且特别是从第一空间52穿过涡流燃烧器主体顶端壁16中的开口16'伸出。燃烧器单元第二端部124(下游端部)从第一空间52穿过燃烧器壁40中的开口40'伸入到第二空间62。
燃烧器壁40和涡流燃烧器主体顶端壁16具有开口(分别为开口40′和开口16′)，该开口在燃烧器壁40和涡流燃烧器主体顶端壁16中限定以允许燃烧器单元100穿过它们通过或放置。这允许燃烧器单元100的制造与涡流燃烧器主体12分开进行。因此，组装只需要通过涡流燃烧器主体顶端壁16中的开口16′和燃烧器壁40中的开口40′来放置燃烧器单元100。
燃烧器单元100的肩部112抵接燃烧器壁40并阻止燃烧器单元100进一步进入到涡流燃烧器主体12和第二空间62内。然后通过焊接在涡流燃烧器主体顶端壁16处将燃烧器单元100接合到涡流燃烧器主体12，从而将燃烧器单元100约束就位。在其他实施例中，使用了其他接合技术，包括钎焊、铜焊、钉固或本领域已知的任何其他接合技术。这导致在燃烧器单元100和涡流燃烧器主体顶端壁16之间产生密封，以使得第一空间(第一空间52)被封闭。类似地，在肩部112抵接燃烧器壁40的情况下，在它们之间产生密封。
尽管下面描述了单个燃烧器单元，但在其他实施例(未示出)中，使用了多个燃烧器单元100，其中它们穿过涡流燃烧器主体12(例如穿过涡流燃烧器主体顶端壁16)、穿过第一空间52、穿过燃烧器壁40并进入到第二空间62中。
在如图1所示的涡流燃烧器组件10中，燃烧器单元100穿过第一空间52并且定位成与燃烧器管内表面56大致等距。燃烧器管内表面56的一部分具有开口，以允许空气经进气口70馈送穿过涡流燃烧器主体12进入第一空间52中。类似地穿过涡流燃烧器主体12的是点火器开口82，点火器80通过该点火器开口伸入到第二空间62中。
点火器80和进气口70的定位在图1中被示出为跨过涡流燃烧器主体12的轴线彼此相对，但是进气口70和点火器80的定位可以改变。空气被馈送到第一空间52中，并且由于点火器80的火花而在第二空间62中发生初始点火。
第二空间62限定了火焰管，在该火焰管中将发生气体的燃烧。
涡流燃烧器主体排气口定位于涡流燃烧器主体底端壁14的近端并且从第二空间62中排出气体，即与第二空间62流体流连通，但是为了简单和方便，其在图1中未示出。
参考图2，示出了涡流燃烧器组件10和燃烧器单元100的更详细的视图。燃烧器单元100的穿过第一空间52的部分具有燃烧器单元外部主体110，该燃烧器单元外部主体110大部分为圆筒形并且与涡流燃烧器主体12沿相同的圆筒形方向(在中心轴线12′上)对齐。燃烧器单元100具有面向燃烧器壁40的大体方向的燃烧器单元顶部内表面111。燃烧器单元100的穿过燃烧器壁40中的开口40′进入到第二空间62中的端部是燃烧器单元第二端部124(即燃烧器单元底部端部)。燃烧器单元外部主体110是有壁的主体并且具有厚度。燃烧器单元外部主体110的内表面是内部面114。燃烧器单元内部空间116由内部面114、燃烧器单元顶部内表面111和燃烧器单元第二端部124限定(即，限定在它们之间)。
燃烧器单元外部主体110通过燃烧器壁40中的开口40′伸入到第二空间62中。在燃烧器单元外部主体110穿过燃烧器壁40伸出的情况下，燃烧器单元外部主体110具有肩部112。肩部112在远离燃烧器单元第一端部20的位置处呈阶梯状，以使得燃烧器单元外部主体110的所述壁厚(在组装后的涡流燃烧器组件10中，这位于使燃烧器单元100在穿过燃烧器壁40伸出之前到达燃烧器壁下游面42的点处)减小。燃烧器单元外部主体110的具有减小的壁厚的部分是外套管140，其中外套管140共享相同的内部面114并具有外套管外表面144。外套管140穿过燃烧器壁40伸入第二空间62中直到燃烧器单元第二端部124的位置。
肩部112被限制靠在燃烧器壁下游面42的反面(against)，这有利地阻止肩部112在燃烧器单元100穿过燃烧器壁40和涡流燃烧器主体顶端壁16中的开口定位时穿过燃烧器壁上游面44。当组装涡流燃烧器组件时，这允许将燃烧器单元100简单地插入到涡流燃烧器主体12中，而无需测量其应当定位至穿过第一空间52多远的位置处。这使燃烧器单元100的机加工和肩部112的定位能够限定燃烧器单元100的位置并且这导致无论被制造的旋流燃烧器组件10的数量如何燃烧器单元100都相对于旋流燃烧器主体12更一致地定位。这还导致旋流燃烧器组件10的更快的组装过程，因为如果制造一致的话则不需要用以定位燃烧器单元100的附加的测量。
燃烧器单元外部主体110具有穿过内部面114的使第一空间52与燃烧器单元内部空间116邻接的至少一个进气孔115(在这个实施例中，多个进气孔115)。这些进气孔115允许来自第一空间52的气体通过以进入燃烧器单元内部空间116内(或沿相反的方向，然而，旋流燃烧器组件10的运行应当对其进行阻止)。进气孔115呈圆筒形形状并且它们绕外部主体110的圆筒形形状的外缘而布置。在其它实施例(未示出)中，进气孔115的其它几何形状是可能的。
除了进气孔115之外，第一空间52通常与位于其内部的燃烧器单元内部空间116隔离。这确保了来自进气口70的空气必须在流入到第二空间62之前行进穿过进气孔115。
HCV燃料管120平行于燃烧器单元外部主体110延伸并定位在燃烧器单元外部主体110的径向内部。HCV燃料管120穿过燃烧器单元100内的燃烧器单元顶部内表面111伸入到燃烧器单元内部空间116内。HCV燃料管120是具有HCV燃料管内表面121和HCV燃料管外表面122的有壁的圆筒。在HCV燃料管120的下游端部处的是HCV入口125。
LCV燃料管130平行于HCV燃料管120延伸并定位在HCV燃料管120的径向内部。指状件130′从LCV燃料管130延伸并在HCV燃料管120内居中。LCV燃料管130穿过燃烧器单元顶部内表面111伸出并穿过HCV管内部空间123、穿过HCV入口125、穿过燃烧器单元第二端部124(穿过燃烧器壁40中的开口40′)并进入到第二空间62内。LCV燃料管130主要是具有内表面131和外表面132的有壁的圆筒。在LCV燃料管130的下游端部处的是LCV入口135。
HCV管内部空间123由HCV燃料管内表面121、LCV管外表面132、HCV入口125和燃烧器单元第一端部20限定(即限定在它们之间)。LCV管内部空间133由LCV管内表面131、LCV入口135和燃烧器单元第一端部20限定(即，限定在它们之间)。虽然图中未示出，但HCV燃料管120的沿上游方向延续的端部将连接到HCV燃料供应装置；例如，HCV燃料管120可以在到达燃烧器单元第一端部20之前从垂直于燃烧器单元100的方向接近涡流燃烧器组件10。同样，LCV燃料管130的沿上游方向延续的端部将连接到LCV燃料供应装置。
HCV入口125定位于燃烧器单元内部空间116内，位于燃烧器壁40的上游，并且LCV入口135定位于第二空间62内，因此位于燃烧器壁40的下游。HCV入口125位于具有肩部112的径向平面上，即与涡流燃烧器主体12的圆筒体的轴线垂直的平面。LCV入口135位于下游方向上更远的位置，即比燃烧器单元第二端部124更靠近涡流燃烧器主体下游端部30。
LCV燃料管130没有直接通向HCV燃料管内部空间123的开口。也就是说，HCV管内部空间123除作为通向燃烧器单元内部空间116的开口的位于HCV入口125处的开口之外是封闭的。同样地，在涡流燃烧器组件10内的用于LCV燃料管130的唯一开口是在LCV入口135处的通向第二空间62的开口，即LCV管内部空间133除LCV入口135之外是封闭的。如前所述，尽管未示出，但HCV燃料管120和LCV燃料管130的沿上游方向沿续的端部将连接到适合的燃料供应装置。
这种封闭确保了通过燃料管的流或每个管的内部空间内的空气不会混合。在运行时，将存在沿下游方向流经管的流，这将进一步确保在存在流体流时燃料或空气的流不能因流体流的压力而向下流回管路。
在HCV燃料入口125的下游，即更靠近涡流燃烧器主体下游端部30，并在LCV燃料入口135的上游，即更远离涡流燃烧器主体下游端部30的是涡流混合器150。涡流混合器150具有叶片155，用于引导穿过叶片的流。叶片155从外套管140的内部面114延伸到内套管160，并且更具体地，延伸到内套管外表面162。内套管160定位于外套管140的内部、LCV燃料管130的外部并且从涡流混合器150的中央沿朝向涡流燃烧器主体下游端部30的下游方向延伸。内套管160没有比燃烧器单元第二端部124在下游方向上延伸得更远，这与外套管140相同。LCV燃料管130在内套管内表面163之间穿过。
涡流混合器150是轴向涡流式涡流混合器。叶片155是影响穿过它们的流的任意数量的叶片，使得它们引起轴向涡流。轴向涡流对于减少火焰长度是重要的，因为在火焰管内产生了再循环区域(即第二空间62)。
外套管140和内套管160有利地对进入到第二空间62中的氧化剂和燃料的流产生影响，并且对由涡流混合器150形成的再循环区域的位置产生影响。这导致改进的涡流以减少火焰长度并控制火焰座，使其靠近涡流混合器150但不暴露于涡流混合器150。这保护叶片155和LCV入口135免于暴露于直接燃烧，从而防止变形，例如叶片表面或入口表面上的凹陷。
图2A示出了图1和图2的涡流燃烧器组件10的替代布置。示出了呈轴流燃烧器组件10′的燃烧器组件。除了涡流混合器150之外，轴流燃烧器组件10′具有与上文参照涡流燃烧器组件10描述的相同的特征。因此，相同的附图标记用于描述轴流燃烧器组件10′，并且参照涡流燃烧器组件10的描述适用于轴流燃烧器组件10′。
轴流燃烧器组件10′具有限定第一空间52和第二空间62的燃烧器壁40。LCV燃料管130穿过第一空间52并连接到定位于第二空间62中的LCV入口135，以用于将燃料直接引入到该第二空间62，而不将燃料引入到第一空间52并与氧化剂混合。同样，氧化剂入口和HCV入口相应地分别将氧化剂和HCV燃料引入到第一空间52中。
燃烧器100一体地形成在组件内并且具有面向第二空间62的第二端部124。在燃烧器单元的第二端部124处设置有燃烧器板156。燃烧器板156定位成横跨燃烧器壁40并且在一侧面向第一空间52并且在另一侧面向第二空间62。因此，燃烧器板156代替了先前实施例中的涡流混合器150。
燃烧器板156具有多个开口157，所述多个开口157限定在第一空间52和第二空间62之间的燃烧器板通路或通道157。因此，在第一空间52中混合的氧化剂和燃料穿过所述多个燃烧器板通道157并在第二空间62中燃烧。
所述多个燃烧器板通道157允许火焰座非常靠近燃烧器单元100的第二端部124。
参考图3A，这是燃料电池系统800的管道和仪表图的一部分的示意图。这示出了尾气燃烧器400的若干流体流输入和输出，该尾气燃烧器400可选地具有以上所讨论的涡流燃烧器组件10或没有涡流混合器150的燃烧器的特征，例如参考图2A所讨论的轴流燃烧器组件10′。
示意性地示出了燃料电池堆405。堆中的每个燃料电池具有阴极侧60、阳极侧401，以及位于阴极侧60和阳极侧401之间的电解质层501。向燃料电池堆405提供燃料。所提供的燃料可以是HCV燃料，例如可燃气体或天然气。燃料可以在进入燃料电池堆405之前通过重整器进行重整。
燃料电池堆405具有来自所有相应的电池的阴极侧60和阳极侧401的公共出口。来自阴极侧60的出口为阴极废气管道系统D，这在阴极侧60的出口和尾气燃烧器400的阴极废气入口83之间提供了阴极废气流体流动路径D。应注意，阴极废气入口83优选为上文参考较早附图所讨论的氧化剂入口70。
虽然示出了阴极废气流体流动路径D直接连接在阴极侧60和尾气燃烧器400之间，但在一些实施例中，阴极废气流体流动路径D可以穿过另外的系统，例如热交换器。还可以从除阴极废气流体流动路径D之外的其他源提供到燃烧器的空气。例如，氧化剂入口70和阴极废气入口83可以是分开的并且提供不同的空气源。
阳极侧401通过形成阳极废气流体流动路径B的阳极废气管道系统B与阳极废气入口821流体连通。阳极废气入口821是LCV燃料管130的的入口，其通向LCV入口135，如上文参考涡流燃烧器组件10或轴流燃烧器组件10′所讨论的。LCV燃料和阳极废气燃料术语是可以互换的。
提供了用于燃料气体(即HCV燃料)的燃料源250。燃料源250通过是燃料气体管道系统C的燃料气体流体流C连接到尾气燃烧器400上的燃料气体入口805。燃料气体入口805是HCV燃料管120的入口，其通向HCV入口125，如上文参考涡流燃烧器组件10或轴流燃烧器组件10′所讨论的。HCV燃料、燃料气体和天然气术语是可以互换的。
燃料源250可以提供给燃料电池系统800的各种其他部分，例如为燃料电池堆405提供燃料。这在图3A的部分系统视图中未示出。
在燃料气体管道系统C上设置有阀810。阀810是与燃料源250、燃料气体管道系统C、旁通管线A连通的三通阀。旁通管线A形成燃料源250和阳极废气管道系统B之间的燃料气体到阳极废气流体流动路径A。因此，旁通管线A允许燃料气体输送到阳极废气入口821。
阳极废气管道系统B的在与旁通管线A的连接处的下游的一部分(即在旁通管线和废气入口821之间)将因此允许燃料气体和阳极废气的流。连接处的该部分是燃料气体和阳极废气流体流动路径B′，并且因此所述两种燃料的混合可以发生在阳极废气管道系统B′的该混合部分中。因此，旁通管线A允许将燃料气体(即HCV燃料)输送到LCV入口135。这种输送被控制，如下文详细讨论的那样。
虽然燃料气体和阳极废气的混合被描述为发生在阳极废气管道系统B′的混合部分中，但是混合器可以被设置为允许燃料的混合。混合器可以呈促进湍流的管道的形式，或用于容纳燃料的较大室的形式，或用于引起燃料的混合的其他组合的形式。
尾气燃烧器805具有尾气燃烧器排气口81，燃烧后的燃料，即燃料气体、阳极废气或其与氧化剂的组合，在尾气燃烧器排气口81处从尾气燃烧器805排出。排放气体然后穿过尾气燃烧器废气流体流动路径E以用于其他地方——其可能在燃料电池系统之外，例如用于CHP系统。
如上所述，三通阀810可以将燃料流输送到阳极废气管道系统B和燃料气体管道系统C以及入口，并因此输送到连接到它们的HCV入口125和LCV入口135。三通阀810并非一直在运行。相反，它可以被操作以将所有燃料气体流引导至燃料气体管道系统C，或将所有燃料气体流引导至阳极废气管道系统B。阀810的操作取决于燃料气体系统800正在操作的模式，例如启动、加热、运行、关闭以及燃料电池系统800特别是燃料电池堆405正在什么温度下运行。
在一些实施例中，三通阀810可操作以将流的一部分转向阳极废气管道系统B，从而允许燃料气体同时流向燃料气体入口805和阳极废气入口821。控制器可以控制该阀的(可变)流量比。
图3A(以及图3B、图3C和图3D)是管道和仪表图(P&ID)，因此应当理解，这些图中所示的至尾气燃烧器400的入口仅仅是说明性的，也就是说，例如，阳极废气入口821被示出为在图3A中的一侧处进入尾气燃烧器。然而，由于LCV燃料管130的位置，图2将要求阳极废气入口821定位于燃烧器组件10的第一端部处。因此，图3A不限于示出连接位置，而是示出部件是如何连接的。这同样适用于燃料气体入口和阴极废气入口83。同样，用于图3A的尾气燃烧器400的标记未示出燃烧器单元100、涡流混合器150或燃烧器板156。然而，尾气燃烧器400可以是涡流燃烧器组件10或轴流燃烧器组件10′或如前所讨论的其他燃烧器组件。
参考图3B、图3C和图3D，它们分别示出了对图3A的燃料电池系统进行了较小的改动的替代燃料电池系统的示意图。所有的附图标记都描绘了相同的装置和管道系统。图3B仅示出了在三通阀250上游的二通开/关燃料供应阀，但是在其他方面与图3A的布置相同，尽管布置被描绘地不同。图3C和3D仅替换了图3A的三通阀250，在三通阀250处，管道系统A和C分别在管道系统A和C中的每一个中用相应的二通开/关阀812连接在一起，其中管道系统A和C在永久开放的接头连接件处的上游连接。图3D在开口的接头连接处的上游还具有二通开/关燃料供应阀。
所描述的管道系统可以是适合于输送流体，特别是燃料、空气、氧化剂和废气的任何形式。管道系统可以是管状管道、柔性管道等形式。管道系统可能需要承受温度波动，包括高温流。
在燃料电池系统中，尾气燃烧器有四种主要操作模式：
1)预热，不重整：
在燃料电池系统是冷的情况下，有必要在达到运行状态之前加热堆。该初始阶段将燃料电池堆出口的温度升高到大于275℃，更优选地，300℃。燃料可以是气态的或汽化的，但在这种模式下，它(仅)是直接被馈送到燃烧器的HCV燃料。
考虑图1、图2和图2A的燃烧器组件10或10′以及图3A的燃料电池系统800，在这种模式下，HCV燃料(燃料气体)穿过燃烧器单元100的HCV燃料管120被馈送到燃烧器中。因此，三通阀810将来自燃料源250的所有HCV燃料经由燃料气体管道系统C引导至燃料气体入口805。HCV燃料在HCV入口125处离开HCV燃料管120。在此操作的同时，空气穿过进气口70被馈送到第一空间52，这优选经由阴极尾气管道系统D的阴极尾气。该空间内的空气穿过进气孔115进入到燃烧器单元内部空间116中并且沿下游方向朝向燃烧器主体下游端部30流动。
在到达涡流混合器150或燃烧器板156之前，即在涡流混合器150或燃烧器板156的上游，HCV燃料和空气自进入燃烧器主体12以来第一次相互暴露。HCV燃料和空气的初始预混合就是在这里进行的。HCV燃料和空气混合物穿过涡流混合器150或燃烧器板156。HCV燃料和空气之间的最大程度的混合在穿过涡流混合器150并刚好进入到第二空间62中发生。正好涡流混合器150下游的这个区域是混合区域。HCV燃料与空气的高程度混合对于允许完全燃烧和减少不需要的排放(例如CO和NOx)的量是非常重要的。
尽管已经使用了术语“空气”，但“氧化剂”以及本领域中使用的其他术语也是描述载氧介质的常用术语。因此，为了该描述的目的，空气和氧化剂是可互换的。
然后经由点火器80点燃HCV燃料和空气的混合物。涡流混合器150是轴流式涡流器，其在第二空间62内形成逆流区域或再循环区域。再循环区域使得它不仅影响燃烧区域，也影响混合区域。这有很多好处：理想情况下，HCV燃料混合物的燃烧应该发生在该区域中，因为混合会最强烈；而且这种逆流具有减少火焰长度的作用。由于再循环区域，火焰座正好位于涡流混合器150的下游。同样，燃烧器板156具有将火焰限制在靠近燃烧器板156的较小区域的效果。这是由于所述多个燃烧器板通道157导致长度较短的火焰的数量增加。
在此操作模式下，空气流量由控制系统控制，除其他测量外，该控制系统还测量至燃烧器的入口温度。HCV燃料流由控制系统使用比例控制阀控制，该比例控制阀根据在燃烧器下游端部处的温度改变HCV燃料流量。在这种模式下穿过燃烧器的空气流量可以在70SLM到116SLM之间变化。HCV燃料流量预期在0.8SLM至6SLM之间。其中空燃当量比(λ)等于或小于4。
HCV燃料入口125的布置和定位以及入口中的孔的尺寸的变化可以对燃烧器的燃烧和功能产生影响，例如产生超出规定限定的不同排放物。
2)利用温的尾气燃烧器预热、重整
涡流燃烧器组件10或轴流燃烧器组件10′的第二操作模式发生在燃料电池堆温度大于275℃、更优选地，300℃时。该模式将燃料从直接馈送的HCV燃料转变为来自燃料电池堆405的LCV燃料。也就是说，LCV燃料可以是来自燃料电池的反应的重整气体或阳极废气。
LCV燃料(阳极废气)穿过LCV燃料管130被馈送到尾气燃烧器400中。如图3A至图3D所示，阳极废气从燃料电池堆405的阳极侧401穿过阳极废气管道系统B供应到阳极废气入口821。该LCV燃料管130穿过涡流混合器150的内径的中心或燃烧器板156的内部区域并进入第二空间62中。仅在这一点上，LCV燃料穿过LCV入口135被馈送到第二空间62中。值得注意的是，这是在HCV燃料的火焰座(seat)的下游。
由于LCV燃料不通过涡流混合器150，与HCV燃料相比，在第二空间62中存在与空气较不强烈的混合区域，并且在燃烧之前仅发生少量与空气的混合。同样，由于LCV燃料不通过燃烧器板156，因此在燃烧之前也只有少量与氧化剂混合。然而，对于LCV燃料，这是优选的，因为该组合物不利于高度混合预燃烧物以导致较低的CO和NOx排放。
燃烧发生在LCV燃料入口135的下游。涡流混合器150具有互补作用：LCV燃料的燃烧通常导致较长的火焰，即比HCV火焰更长的长度，这是部分由于不太强烈的燃烧和较大的体积流；来自涡流混合器150的逆流区减少了LCV燃料火焰的火焰长度。火焰长度的这种减少对于节省空间是有用的，允许更短、更紧凑的涡流燃烧器主体12，而且还用于保护朝向涡流燃烧器组件10的下游端部或甚至超出涡流燃烧器组件10的下游端部(即主体底端壁14的下游)的仪器。
利用热的尾气燃烧器预热、重整
随着堆的温度向550℃升高并在500℃到550℃的范围内，出现此操作模式的子模式。
HCV燃料(燃料气体)被重新引导并通过燃烧器单元100的LCV燃料管130被馈送到燃烧器中。因此，三通阀810或二通阀812被移动以将所有HCV燃料从燃料源250经由将燃料源250连接到阳极废气管道系统B的旁通管线A引导到阳极废气入口821。LCV燃料和HCV燃料因此通过LCV燃料管130被馈送到涡流燃烧器组件10中阳极废气。阳极废气从燃料电池堆405的阳极侧401通过阳极废气管道系统B被供应到阳极废气入口821。该LCV燃料管130通过涡流混合器150的内径的中心并进入到第二空间62中。仅在这一点上，HCV燃料和LCV燃料通过LCV入口135被馈送到第二空间62中。
因此，HCV燃料和LCV燃料在阳极废气管道系统B′的混合部分中会聚，并且燃料的混合发生在该区域中并通过LCV管130。由于HCV燃料和LCV燃料的混合物不通过涡流混合器150，因此在第二空间62中存在与空气较不强烈的混合区并且在燃烧之前仅发生少量与空气的混合。然而，由于该子模式中的高温，如果将HCV燃料馈送到HCV燃料入口125中，将存在形成焦炭的趋势，而将LCV燃料和HCV燃料的混合物馈送到LCV入口135会降低焦炭形成(因为氢气存在于LCV燃料中)的可能性，并因此降低堵塞HCV燃料管线的趋势。
因此，旁通管线A的设置允许在系统如何操作方面具有更大的灵活性，从而提高了系统性能(例如响应时间)：在该子模式中继续使用HCV燃料和LCV燃料的混合可以提高此模式下的预热时间，因为总燃料流增加了。
解释一下，当系统处于预热的最后阶段中时，需要比稳态运行期间流动更多的燃料，燃料电池消耗的燃料与在稳态下消耗的燃料相同或更多，但产生的功率更少，并且为了提高其温度，输入到燃料电池的热更高。虽然只提供更多LCV燃料是可能的，但它可能不是最快预热的最佳选择，其中需要更高的流量和更大的系统部件；例如，如果仅供应LCV以实现相同的预热时间，则重整器可能需要更大。此外，由于堆本身内重整的吸热反应，进入到燃料电池中的燃料的流增加，所以可能会减慢预热。
随着燃料电池堆的温度向550℃升高，控制系统选择性地降低HCV流，因此随着燃料电池进行电化学反应，HCV和LCV燃料的混合操作转向单独的LCV燃料操作。
3)稳态、全功率
在第三操作模式下，燃料电池堆通常在550℃左右(单个燃料电池和单个燃料电池部件的准确温度会有所不同；燃料电池堆的燃料电池将在大约500℃-610℃的范围内运行)。这是一种以LCV燃料为主的情况。在这种模式下，LCV燃料继续通过LCV管130被馈送到燃烧器中。然而，LCV燃料流量现在由燃料电池堆和燃料电池系统所需的电输出确定。
稳定状态、低功率
在该操作子模式期间穿过燃料电池系统的空气流由燃料电池堆的温度控制。监视燃烧器的出口温度，病情如果它下降到某个阈值以下，则添加额外的HCV燃料以提高系统的温度，这将维持或提高燃料电池堆的温度。
在需要额外的HCV燃料的情况下，将其再次通过燃烧器单元100的LCV燃料管130馈送到燃烧器中。因此，移动三通阀810或二通阀812以将所有HCV燃料从燃料源250经由将燃料源250连接到阳极废气管道系统B的旁通管线A引导到阳极废气入口821。燃料的混合发生在阳极废气管道B′的混合部分和LCV管130中。
这种低功率子模式也是一种子模式，其中由于较高的操作温度，如果将HCV燃料馈送到HCV入口125中，则可能存在形成焦炭形成的趋势。随着HCV燃料和LCV燃料混合并通过LCV入口135供应，发生焦化的趋势降低，部分原因是当与HCV燃料混合时LCV燃料的湿度有助于减少焦化。馈送HCV燃料和LCV燃料也可以提高重整水的利用，因为作为流入到燃料电池堆405中的流的水被用于蒸汽重整。馈送HCV燃料和LCV燃料可以允许燃料电池堆405更热或系统更有效地运行，因为总燃料流可以增加。
因此，旁通管线A的设置再次允许在系统如何操作方面具有更大的灵活性，从而提高了系统性能。
4)关机
在第四操作模式下，减少LCV燃料流以降低燃料电池堆和燃料电池系统的温度，直到燃料电池堆达到约450℃，则停止流向燃料电池系统的HCV燃料流，进而停止通过LCV燃料入口135的LCV燃料的流并且停止燃烧。然后让燃料电池系统自然冷却。
下面的表1总结了本发明如何在四种主要操作模式下改善系统的运行；特别地，它示出了两种子模式，其中将HCV燃料流入到尾气燃烧器后涡流混合器(或后燃烧器板)中是有利的，以最大限度地减少碳形成的趋势。预涡流或后涡流混合器馈送是指其中所讨论的燃料进入尾气燃烧器的位置(即在轴流燃烧器组件中的涡流叶片或燃烧器板之前或之后)。
“热TGB”通常是当至尾气燃烧器的空气供应/阴极废气(流D)>500-550C时，而“暖TGB”通常是当至尾气燃烧器的空气入口<500-550C。模式之间的过渡可以是渐进的，因此将HCV燃料从预涡流混合器逐渐过渡到后涡流混合器(从前燃烧器板逐渐过渡到后燃烧器板)可能是有益的。
表格1
Figure BDA0003686207350000351
Figure BDA0003686207350000361
总体而言，燃料电池系统和涡流燃烧器组件的设计和运行在单一模式和混合模式下以各种燃料为燃料时可以降低排放，减少焦炭形成同时在较大的λ范围内运行并具有较小的火焰长度，从而允许紧凑的设计。
本发明不仅限于上述实施例，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，其他实施例对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的。
附图标记：
10 涡流燃烧器组件
10′ 轴流燃烧器组件
12 涡流/轴流燃烧器主体
12′ 中心轴线
14 涡流/轴流燃烧器主体底端壁
15 涡流/轴流燃烧器主体排气口
16 涡流/轴流燃烧器主体顶端壁
20 燃烧器单元第一端部
30 涡流/轴流燃烧器主体下游端部
40 燃烧器壁
42 燃烧器壁下游面
44 燃烧器壁上游面
50 燃烧器管
52 第一空间
54 内部面
56 燃烧器管内表面
60 阴极侧
62 第二空间
64 主体内表面
66 主体外表面
70 进气口
80 点火器
81 尾气燃烧器排气口
82 点火器开口
83 阴极废气入口(氧化剂入口)
100 燃烧器单元/燃烧器
110 燃烧器单元外部主体
111 燃烧器单元顶部内表面
112 肩部
114 内部面
115 进气孔
116 燃烧器单元内部空间
120 HCV燃料管
121 HCV燃料管内表面
122 HCV燃料管外表面
123 HCV管内部空间
124 燃烧器单元第二端部
125 HCV入口
130 LCV燃料管
130′ 指状件
131 LCV燃料管内表面
132 LCV燃料管外表面
133 LCV管内部空间
135 LCV入口
140 外套管
144 外套管外表面
150 涡流混合器
155 叶片
156 燃烧器板
157 燃烧器板通道
160 内套管
162 内套管外表面
163 内套管内表面
250 燃料源
400 涡流燃烧器组件/尾气燃烧器
401 阳极侧
405 燃料电池堆
501 电解质层
800 燃料电池系统
805 燃料气体(HCV燃料)入口
810 三通阀
812 二通阀
821 阳极废气入口
A 燃料气体至阳极废气流体流动路径-旁通管线
B 阳极废气流体流动路径-阳极废气管道系统
B′ 燃料气体和阳极废气流体流动路径-阳极废气管道系统的混合部分
C 燃料气体流体流动路径——燃料气体管道系统
D 阴极废气流体流动路径——阴极废气管道系统
E 尾气燃烧器废气流体流动路径

Claims (20)

1.一种燃料电池系统，包括：
燃烧器组件，所述燃烧器组件包括：
(i)中空的纵向细长的主体，所述主体沿中心轴线延伸并具有第一端部和第二端部；
(ii)燃烧器壁，所述燃烧器壁位于所述第一端部和所述第二端部之间，并限定从所述第一端部到所述燃烧器壁的第一空间和从所述燃烧器壁到所述第二端部的第二空间，
(iii)通向所述第一空间的氧化剂入口，所述氧化剂入口用于提供穿过所述氧化剂入口的氧化剂流，
(iv)至少一个中空的细长的燃烧器，所述燃烧器抵接所述燃烧器壁或从所述第一空间穿过所述燃烧器壁中的开口延伸至所述第二空间，并且所述燃烧器包括：
(a)燃烧器板或混合器，所述燃烧器板或所述混合器具有通向所述第一空间的第一侧开口和通向所述第二空间的第二侧开口，
(b)第一燃料入口，通向所述第一空间，用于将第一燃料从第一燃料通道馈送到所述第一空间；和，
(c)第二燃料入口，通向所述第二空间，用于将第二燃料从第二燃料通道馈送到所述第二空间；
其中，所述系统还包括至少一个连接件，所述至少一个连接件用于将所述第一燃料通道选择性地连接到所述第二燃料通道，以将所述第一燃料和所述第二燃料的混合物输送到所述第二燃料入口。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统包括用于将所述第一燃料通道选择性地连接到所述第二燃料通道的三通阀。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，当包括所述混合器时，其中所述混合器是轴向涡流式混合器，所述轴向涡流式混合器包括多个叶片，所述多个叶片具有通向所述第一空间的第一侧开口和通向所述第二空间的第二侧开口。
4.根据权利要求1或2所述的系统，当包括所述燃烧器板时，所述燃烧器板包括多个通道，所述多个通道在所述第一空间和所述第二空间之间延伸。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，还包括燃料电池堆，并且其中，所述第一燃料包括还未穿过所述燃料电池堆的燃料气体。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述第二燃料是来自所述燃料电池系统的燃料电池堆的阳极废气。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，还包括废气管道系统，所述废气管道系统将燃料电池堆的阳极的出口连接到所述第二燃料入口，以用于将所述第二燃料输送到所述第二燃料入口，其中，所述第二燃料通道形成所述阳极废气管道系统的一部分。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，还包括第一气体管道系统，所述第一气体管道系统将燃料气体源连接到所述第一燃料入口，以用于将所述第一燃料气体输送到所述第一燃料入口，其中，所述第一燃料通道形成所述第一气体管道系统的一部分。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述第一燃料是主管道供应的气体、天然气、启动燃料或补充燃料中的任何一种或多种。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述连接件包括旁通管线，所述旁通管线从所述第一燃料通道延伸到所述第二燃料通道，以用于将所述第一燃料从所述第一燃料入口选择性地转向到所述第二燃料入口。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述第一燃料入口和所述第二燃料入口中的至少一个是喷嘴。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，至少一个所述喷嘴由在其相应的燃料入口中的至少一个孔限定。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述第一燃料入口和所述第二燃料入口中的至少一个是相应地在所述第一燃料管或所述第二燃料管中的孔口。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述第一燃料入口和/或所述第二燃料入口没有定位在其相应的燃料通道的端部处，而是沿其相应的燃料通道定位。
15.一种操作根据前述权利要求中的任一项所述的燃料电池系统的方法，所述方法包括下列步骤：
(i)将氧化剂引导至所述氧化剂入口；
(ii)将所述第一燃料选择性地引导至所述第一燃料入口并且将所述第二燃料选择性地引导至所述第二燃料入口；以及
(iii)使被选择性引导的一种或多种燃料在离开下列项中的一个之后在所述第二空间中燃烧：
a.所述燃烧器板或所述混合器；
b.所述第二燃料入口；或者
c.所述燃烧器板或所述混合器，以及所述第二燃料入口。
16.根据权利要求15所述的方法，包括：使用用于将所述第一燃料通道连接到所述第二燃料通道的连接件，将两种燃料的混合物输送到所述第二燃料入口，由此使所述两种燃料的混合物在离开所述第二燃料入口之后在所述第二空间中燃烧。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述燃料电池系统能够选择性地以第一模式、第二模式、第三模式和可选的第四模式操作，每种模式的特征如下：
(i)所述第一模式经由所述第一燃料通道将所述第一燃料引导到所述第一燃料入口，所述氧化剂和所述第一燃料因此在所述第一燃料入口和所述燃烧器板之间的所述第一空间中或者在所述第一燃料入口和所述混合器之间的所述第一空间中会聚并混合，并且其中，所述第二燃料未被供应至所述第二燃料入口；
(ii)所述第二模式经由所述第一燃料通道将所述第一燃料引导到所述第一燃料入口，所述氧化剂和所述第一燃料因此在所述第一燃料入口和所述燃烧器板之间的所述第一空间中或者在所述第一燃料入口和所述混合器之间的所述第一空间中会聚并混合，并且所述第二燃料被供应到所述第二燃料入口，所述氧化剂和所述第二燃料因此在所述第二空间中会聚并混合；
(iii)所述第三模式经由所述至少一个连接件将所述第一燃料引导至所述第二燃料入口，并且所述第二燃料也被引导至所述第二燃料入口，所述第一燃料和所述第二燃料因此混合，以作为这两种燃料的混合物离开所述第二燃料入口，
其中，所述氧化剂和所述混合物随后在所述第二空间中会聚并混合，以用于燃烧；
(iv)所述可选的第四模式将所述第二燃料供应到所述第二燃料入口，所述氧化剂和所述第二燃料在所述第二空间中会聚并混合，以用于燃烧，并且其中，所述第一燃料既未被供应到所述第一燃料入口也未被供应到所述第二燃料入口。
18.根据权利要求17所述的方法，所述系统还具有可选择的第五模式，在所述第五模式中，所述第一燃料和所述第二燃料都被引导至所述第二燃料入口，所述第一燃料和第二燃料因此会聚并混合，然后所述混合物与所述氧化剂在所述第二空间中会聚并混合，以用于燃烧，并且其中，所述第一燃料也被引导至所述第一燃料入口，以与也在所述第一空间中的所述氧化剂混合。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第一燃料和第二燃料的混合物的比例是能够变化的并且由处理器控制。
20.根据权利要求18或19所述的方法，其中，所述第一燃料到所述第一燃料入口的流量和所述第一燃料到所述第二燃料入口的流量之间的比例是能够变化的并且由处理器控制。
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