改进的CPOX燃料重整器和SOFC系统技术方案

一种固体氧化物燃料电池(SOFC)系统，包括作为大致连续的导热路径而形成的热区围壁，各围壁包含导热系数大于100W/nr'iv的材料。SOFC还包括CPOX反应器，CPOX反应器包括作为导热路径而形成的燃料反应器主体，其包含导热系数大于100W/m°K的材料。燃料反应器主体将CPOX反应产生的热能传导出系统，传导至支撑在环境空气中的散热凸缘。凸缘被配置成从燃料反应器主体中散出足够的热能，使燃料反应器主体维持在约100℃至250℃的范围内。任选地设置了风机，用以对散热凸缘进行冷却。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】改进的CPOX燃料重整器和SOFC系统1版权声明本专利文档的公开内容的一部分可能包含受版权保护的资料。版权所有人不反对本专利文档或本专利公开的任何人进行摹本复制，因为其在专利商标局的专利文件或记录中出现，但除此以外保留所有版权的权利。下述声明应适用于本文档：版权所有2015，ProtonextechnologyCorporation。2专利技术背景2.1
本文描述的示例说明性技术涉及固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCell，SOFC)系统，特别地涉及可用于通过部分氧化或催化部分氧化对碳氢燃料进行重整的燃料加工器反应器的结构特征和操作方法。更具体地，该技术涉及作为改进燃料加工器性能的手段的热能管理。2.2相关领域用于通过电化学过程产生电能的固体氧化物燃料电池(SOFC)系统通常包括燃料加工器，燃料加工器被配置成将各种碳氢燃料进料(如丙烷、甲烷、煤油)中的任何一种转化为在产生电流的电化学反应中更容易与固体氧化物燃料电池电极发生反应的燃料成分。理想地，可操作燃料加工器以利用无焰燃烧或优选地无焰催化燃烧将各种碳氢燃料空气混合物转化为氢和一氧化碳的混合物。无焰燃烧技术的优点包括：能对各种类型的燃料进行重整、燃料加工器中温度分布均匀、降低燃料重整器的结构中的热应力、延长重整器和气封的寿命以及减少排气中不需要的氮氧化物(NOX)的排放。示例的常规燃料加工器反应器包括部分氧化(POX)和催化部分氧化(CPOX)反应器，其各自用于通过无焰燃烧的放热过程将碳氢燃料和空气的混合物重整为适合的SOFC燃料。CPOX反应器通常包括安装在支撑基底上的催化剂。在常规CPOX反应器中，支撑基底通常是形成有内部通道的多孔陶瓷材料，燃料空气混合物通过内部通道从多孔材料的一个外部表面传到相对的外部表面。内部通道的内部表面上形成有催化剂层。随着被加工的燃料空气混合物流过多孔材料，燃料空气混合物与催化剂层接触，导致在多孔材料内发生无焰燃烧。由于无焰燃烧，燃料被转化为期望的氢和一氧化碳的混合物，如合成气，其中主要副产品为热能，热能在无焰燃烧期间放出。另一示例催化剂支撑结构包括由多个单独网板元件形成的丝网或编织网基底，多个单独网板元件一个堆叠在另一个上形成统一的多孔基底。对于丝网或编织网元件，每个网板或元件的表面上面均涂覆有催化剂层。随着燃料流过堆叠的网板元件，燃料与催化剂层相互作用，引发无焰燃烧，并且燃料被转化为期望的氢和一氧化碳的混合物，其中主要副产品为热能，热能在无焰燃烧期间放出。燃料重整器存在的典型问题是，多孔基底内发生的放热反应(无焰燃烧)产生的热能会将未加工燃料进料的温度加热至其自燃温度，使燃料在到达催化剂或催化剂支撑结构的内侧通道之前就点燃。当发生这种情况时，点燃的燃料被部分转化为二氧化碳(CO2)，其与多孔基底内形成的催化剂层发生反应并对其造成损坏，最后降低燃料重整器效率，并最终使催化剂层不可用。虽然已知的是在CPOX反应器的入口附近放置阻火器来抑制未加工燃料空气混合物进料火焰点火，但阻火器会增加成本，增加流阻，并对任何燃料重整效益没有实际贡献。常规CPOX反应器存在的另一问题是，催化层不均匀的过度加热会在局部热点损坏催化剂层，例如在催化剂支撑结构的输入端附近，并且热点最终会烧穿催化剂层，降低重整器效率。然而，催化层加热不足也会损坏催化剂，并且降低重整器效率，因为催化剂支撑结构内燃料空气混合物加热不足或燃烧不完全会在催化剂上形成碳粉。不论哪种情况，过度加热和加热不足，尤其是不均匀的过度加热和加热不足，都会损坏催化剂层，最后降低燃料重整器效率，并最终使催化剂层不可用。还存在的又一问题是，多孔催化剂支撑结构内发生的放热反应(无焰燃烧)产生的热能会将从燃料重整器离开的重整燃料的温度加热至其自燃温度，使燃料在到达燃料电池堆之前就点燃。该问题的后果是电力输出和整体系统效率降低，因为在到达燃料电池堆之前就燃烧的燃料无法在SOFC反应器中使用以产生电力。由多孔陶瓷材料基底形成的常规CPOX反应器基底的一个问题是，陶瓷材料是一种不良的热导体，大多数陶瓷材料的导热系数均低于约40W/m°K，且更普遍地低于20W/m°K。因此，与导热系数大于200W/m°K的导热金属(如铝)相比，陶瓷材料和不锈钢网不是良好的热导体。因此，在燃料重整过程期间，通过热传导将热能从CPOX反应器的多孔陶瓷材料基底快速移除太慢，无法通过热传导将足够的热能从基底有效移除以提供主动冷却。出于相同的原因，从陶瓷CPOX反应器基底的一个区域到另一区域的热传导太慢，无法有效为整个基底体积提供均衡的温度，这也是为什么正常燃料加工期间始终存在冷热区域的部分原因。对于常规催化基底中使用的编织金属网板，其存在相同的缺陷，因为它们通常由高温金属合金诸如奥氏体不锈钢或其它高温金属合金诸如哈氏合金(Hastelloy)、蒙乃尔合金(Monel)或因科乃尔合金(Inconel)制成，因为这些金属合金适合在大于约800℃的温度下连续操作。然而，特制高温金属合金实际上提供了低于大多数陶瓷材料的导热系数。特别地，奥氏体不锈钢、哈氏合金、蒙乃尔合金和因科乃尔合金的导热系数均低于约25W/m°K。在操作中，在没有任何形式的主动冷却或热能管理的情况下，常规催化剂支撑结构的温度和穿过常规催化剂支撑结构的燃料空气混合物的温度最后会升至稳态CPOX反应温度，估计稳态CPOX反应温度在800和1200℃之间。然而，由于这超过了期望燃料诸如丙烷、甲烷或煤油的自燃或自燃烧温度，丙烷、甲烷或煤油的近似自燃温度分别为470℃、580℃和295℃，因此常规上利用在催化剂支撑基底的输入侧放置阻火器以防止点燃来解决该问题。然而，这种方案无法防止常规催化剂基底内或输出侧附近的自燃。因此，本领域需要更有效地管理CPOX反应器基底内和周围的热能，以此防止燃料空气混合物在超过约295℃以及最高达约580℃的温度下自燃，特别是防止催化剂支撑基底的输入和输出侧附近以及内部的燃料自燃。另外，本领域需要更主动并且更可靠地控制在SOFC系统中操作的常规CPOX燃料反应器的操作温度范围，以避免损坏催化剂层，并提高发电效率。另外，本领域需要更主动并且更可靠地控制常规CPOX燃料反应器的操作温度范围，以避免进入CPOX燃料反应器的未加工燃料自燃，以及也避免穿过并离开CPOX反应器的加工燃料自燃。3
技术实现思路
本技术解决了利用放热化学反应将烃化合物重整为包括氢气(H2)和一氧化碳(CO)的燃料的常规燃料重整器系统和方法存在的上述问题。具体来说，本技术提供一种结合到固体氧化物燃料电池(SOFC)系统的改进燃料重整器模块。燃料重整器模块包括围有中空燃料室的燃料反应器主体。中空燃料室由设置成围绕室纵轴线的周边壁界定。周边壁附接有顶壁，顶壁设置成封住燃料室的顶端。周边壁附接有反应器防护基壁，反应器防护基壁设置成封住燃料室的底端。反应器防护基壁和周边壁优选地为单个元件，如金属铸件。反应器防护基壁包括面朝中空燃料室里的基壁顶表面以及面朝中空燃料室外的大致平行且相对的基壁底表面。多个大致相同的基壁燃料通道从基壁顶表面通过反应器防护基壁延伸至基壁底表面，并且基壁燃料通道提供唯一的出口，通过该出口，燃料可以流出中空燃料室。每个基壁燃料通道均具有沿本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料重整器模块，包括：燃料反应器主体，所述燃料反应器主体围有中空燃料室，其中，所述中空燃料室由以下界定：沿着室纵向轴线设置的周边壁，附接至所述周边壁并设置成封住所述燃料室的顶端的顶壁，以及附接至所述周边壁并设置成封住所述燃料室的底端的反应器防护基壁，其中，所述反应器防护基壁包括面朝所述中空燃料室里的基壁顶表面以及面朝所述中空燃料室外的大致平行且相对的基壁底表面，以及从所述基壁顶表面至所述基壁底表面延伸穿过所述反应器防护基壁的多个大致相同的基壁燃料通道，并且其中，每个基壁燃料通道均具有沿其纵向长度大致恒定的截面面积，且轴向中心为通道纵向轴线，所述通道纵向轴线大致与所述室纵向轴线平行；以及催化主体，所述催化主体包括固体无孔陶瓷基底，所述固体无孔陶瓷基底由催化主体顶表面和大致平行且相对的催化主体底表面界定，其中，所述催化主体顶表面设置成在接合面范围内与所述基壁底表面基本相对；其中，所述催化主体包括多个大致相同的催化剂燃料通道，每个催化剂燃料通道从所述催化主体顶表面延伸至所述催化主体底表面，其中所述多个催化剂燃料通道中的每个均具有沿其纵向长度大致恒定的截面面积以及涂覆在每个催化剂燃料通道的内侧表面上的催化剂层，并且其中，所述多个基壁燃料通道中的每个均与所述多个催化剂燃料通道中的一个纵向对齐，使得所述多个基壁燃料通道中的每个与所述多个催化剂燃料通道中的一个的纵向轴线大致共轴。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.10.20 US 62/243,9601.一种燃料重整器模块，包括：燃料反应器主体，所述燃料反应器主体围有中空燃料室，其中，所述中空燃料室由以下界定：沿着室纵向轴线设置的周边壁，附接至所述周边壁并设置成封住所述燃料室的顶端的顶壁，以及附接至所述周边壁并设置成封住所述燃料室的底端的反应器防护基壁，其中，所述反应器防护基壁包括面朝所述中空燃料室里的基壁顶表面以及面朝所述中空燃料室外的大致平行且相对的基壁底表面，以及从所述基壁顶表面至所述基壁底表面延伸穿过所述反应器防护基壁的多个大致相同的基壁燃料通道，并且其中，每个基壁燃料通道均具有沿其纵向长度大致恒定的截面面积，且轴向中心为通道纵向轴线，所述通道纵向轴线大致与所述室纵向轴线平行；以及催化主体，所述催化主体包括固体无孔陶瓷基底，所述固体无孔陶瓷基底由催化主体顶表面和大致平行且相对的催化主体底表面界定，其中，所述催化主体顶表面设置成在接合面范围内与所述基壁底表面基本相对；其中，所述催化主体包括多个大致相同的催化剂燃料通道，每个催化剂燃料通道从所述催化主体顶表面延伸至所述催化主体底表面，其中所述多个催化剂燃料通道中的每个均具有沿其纵向长度大致恒定的截面面积以及涂覆在每个催化剂燃料通道的内侧表面上的催化剂层，并且其中，所述多个基壁燃料通道中的每个均与所述多个催化剂燃料通道中的一个纵向对齐，使得所述多个基壁燃料通道中的每个与所述多个催化剂燃料通道中的一个的纵向轴线大致共轴。2.根据权利要求1所述的燃料重整器模块，其中，所述多个基壁燃料通道中每个的所述截面面积与所述多个催化剂燃料通道中每个的所述截面面积的比小于0.9。3.根据权利要求1所述的燃料重整器模块，其中，所述多个基壁燃料通道中每个的所述截面面积与所述多个催化剂燃料通道中每个的所述截面面积的比在0.6至0.9之间。4.根据权利要求1所述的燃料重整器模块，其中，所述多个基壁燃料通道中的每个均具有直径在0.65至2.6mm范围内的圆形截面，并且所述多个催化剂燃料通道中的每个均具有边尺寸在等于所述基壁燃料通道的直径至最高达所述基壁燃料通道的直径的1.26倍范围内的方形截面。5.根据权利要求1所述的燃料重整器模块，其中，所述多个基壁燃料通道中的每个均具有直径在0.65至2.6mm范围内的圆形截面，其中纵向长度在所述直径的10倍和20倍之间。6.根据权利要求5所述的燃料重整器模块，其中，所述多个催化燃料通道中的每个均具有边尺寸在0.65至2.6mm范围内的方形截面，其中纵向长度在所述边尺寸的5倍至40倍之间。7.根据权利要求3所述的燃料重整器模块，其中，所述多个基壁燃料通道布置成阵列模式，其中，所述阵列模式具有固体材料区域和孔模式区域，其中，所述固体材料区域与孔模式区域的比具有0.75至0.9的范围。8....

【专利技术属性】
技术研发人员：内森·帕伦博，约书亚·佩斯基，福雷斯特·哈林顿，
申请(专利权)人：布罗托尼克斯技术公司，
类型：发明
国别省市：美国,US