固体氧化物燃料电池系统及其燃烧室技术方案

本实用新型专利技术涉及固体氧化物燃料电池系统的燃烧室，包括燃烧室机匣和同轴位于其内的火焰筒，火焰筒的侧壁上设有多个侧壁通孔，火焰筒的头部端壁与燃烧室机匣的头部端壁之间设有阳极尾气集气室，阳极尾气集气室与火焰筒之间设有旋流器，旋流器设有旋流阳极尾气进气通道和旋流阴极尾气进气通道，旋流阴极尾气进气通道为环形通道，同轴位于旋流阳极尾气进气通道的外侧，火焰筒的头部端壁上密布有端壁通孔。本实用新型专利技术还涉及采用所述燃烧室的固体氧化物燃料电池系统。本实用新型专利技术的燃烧室通过采用旋流稳焰、火焰多点排布、阴极尾气多种进气方式等手段，实现了在气体成分变化复杂、余气系数多变、燃烧热值极低情况下的稳定燃烧，且出口温度分布均匀。出口温度分布均匀。出口温度分布均匀。

【技术实现步骤摘要】
固体氧化物燃料电池系统及其燃烧室


[0001]本技术涉及固体氧化物燃料电池系统及其燃烧室，属于固体氧化物燃料电池


技术介绍

[0002]固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)属于第三代燃料电池，是一种在中高温下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，是几种燃料电池中，理论能量密度最高的一种。SOFC具有燃料适应性广、能量转换效率高、近零污染等优点。其电转换效率可以达到65%以上，在大型集中供电、中型分电和小型家用热电联供等民用领域作为固定电站，以及作为船舶动力电源、交通车辆动力电源等移动电源，都有广阔的应用前景。
[0003]燃烧室作为SOFC系统热平衡的核心部件，在系统启动阶段起到为整个系统升温的作用，使得电堆满足发电工况条件的要求，在系统稳定发电阶段，将电堆的尾气的残余燃料烧净，起到维持系统高温运行的作用。SOFC系统在升温阶段的气体成分多变，从最开始的碳氢气体燃料到之后有水蒸气通入，随着重整反应的进行，燃料成分出现了氢气和一氧化碳等，二氧化碳和水蒸气也会同时出现，且不同升温阶段具有不同的余气系数；在系统的发电运行阶段，由于进入燃烧室的气体成分是电堆中未反应充分的尾气，阳极气体的热值很低，阴极气体中的氧气成分也变低，因此如何实现气体成分变化复杂、余气系数多变、燃料热值极低情况下燃烧室的稳定燃烧是SOFC燃烧室结构设计的主要难点。由于发电工况下燃料热值极低，且各工况下燃料和空气的流量存在波动，燃烧稳定性一直是一个较难解决的问题。目前SOFC系统所用的燃烧组织方式多为催化燃烧或多孔介质预混燃烧方式，催化燃烧需要用到昂贵的催化剂，且使用寿命有限制；多孔介质预混燃烧目前由于多孔介质材料韧性较差的原因，抗冲击振动性能极差，且长时间使用寿命受限制，另外压损过大，会影响系统整体的工作稳定性。

技术实现思路

[0004]为克服现有技术的上述缺陷，本技术提供了固体氧化物燃料电池系统及其燃烧室，燃烧室采用多点旋流扩散燃烧的方式，实现了SOFC系统全工况的稳定燃烧，保证了燃烧室出口温度的均匀性。
[0005]本技术实现上述目的的技术方案是：固体氧化物燃料电池系统的燃烧室，包括燃烧室机匣和火焰筒，所述火焰筒同轴位于所述燃烧室机匣内，二者的头端均封闭、末端均敞口，所述火焰筒的末端与所述燃烧室机匣的末端固定密封连接，所述火焰筒的头部端壁与所述燃烧室机匣的头部端壁之间留有间距，所述燃烧室机匣的侧壁上设有阳极尾气进口和阴极尾气进口，所述火焰筒的侧壁上设有多个侧壁通孔，所述火焰筒的头部端壁与所述燃烧室机匣的头部端壁之间设有阳极尾气集气室，所述阳极尾气集气室与所述阳极尾气进口连通，所述阳极尾气集气室与所述火焰筒之间设有旋流器，所述旋流器设有旋流阳极
尾气进气通道和旋流阴极尾气进气通道，所述旋流阴极尾气进气通道为环形通道，同轴位于所述旋流阳极尾气进气通道的外侧，所述旋流阳极尾气进气通道连通所述阳极尾气集气室与所述火焰筒，所述旋流阴极尾气进气通道连通所述燃烧室机匣的内部空间与所述火焰筒，所述火焰筒的头部端壁上密布有端壁通孔，燃烧室的点火器（通常为点火杆）自所述燃烧室机匣的头端外侧伸入所述火焰筒。
[0006]优选的，所述火焰筒内的头部端壁侧同轴设有外缘呈圆形的挡溅盘，所述挡溅盘的直径小于所述火焰筒的头部内径，且与所述火焰筒的头部端壁之间留有间距，构成阴极尾气的火焰筒头部进气通道，所述挡溅盘上设有旋流器插入孔，所述旋流器的出气端插入所述旋流器插入孔并密封连接。
[0007]优选的，所述旋流器的数量为多个，其中，一个所述旋流器与所述火焰筒同轴，其余的所述旋流器以所述火焰筒的轴线为中心线沿同一圆周均匀分布。
[0008]优选的，所述旋流器包括内筒体和外筒体，所述外筒体同轴套在所述内筒体外，所述内筒体的外径小于所述外筒体的内径，所述内筒体与所述外筒体之间的环形空间构成所述旋流阴极尾气进气通道，所述内筒体的内部空间构成所述旋流阳极尾气进气通道，所述旋流阳极尾气进气通道与所述旋流阴极尾气进气通道内均设有旋流组件，所述内筒体的进气端与所述阳极尾气集气室的对应侧室壁固定连接，所述外筒体的进气端与所述阳极尾气集气室的对应侧室壁之间留有间距。
[0009]优选的，所述旋流阳极尾气进气通道内的旋流组件为旋流叶片，旋流叶片的数量为多个，所述内筒体内同轴设有旋流叶片安装轴，多个旋流叶片沿所述旋流阳极尾气进气通道的径向圆周均匀分布，各旋流叶片的内缘与所述旋流叶片安装轴固定连接，各旋流叶片的外缘与所述内筒体的内壁固定连接。
[0010]优选的，所述旋流阴极尾气进气通道内的旋流组件为旋流叶片，旋流叶片的数量为多个，多个旋流叶片沿所述旋流阴极尾气进气通道的径向圆周均匀分布，各旋流叶片的内缘与所述内筒体的外壁固定连接，各旋流叶片的外缘与所述外筒体的内壁固定连接。
[0011]优选的，所述内筒体的出气端外径渐缩，所述外筒体自进气端向出气端依次包括内径等径段、内径渐缩段和内径渐扩段，所述内筒体的外径渐缩段位于所述外筒体的内径渐缩段内。
[0012]优选的，所述侧壁通孔分为若干组，每组侧壁通孔的数量均为多个，若干组侧壁通孔在所述火焰筒的侧壁上沿径向的不同圆周分布，每组的多个侧壁通孔沿其所在圆周均匀分布。
[0013]进一步的，各组侧壁通孔的数量相同，且在所述火焰筒的侧壁上一一对应分布，各组侧壁通孔中相对应的侧壁通孔沿与所述火焰筒的轴线平行的直线排列。
[0014]更进一步的，所述侧壁通孔的孔径为4
‑
30mm。
[0015]优选的，所述端壁通孔分为多组，每组端壁通孔的数量均为多个，多组端壁通孔在所述火焰筒的头部端壁上沿以头部端壁的圆心为圆心的不同圆周均匀分布。
[0016]进一步的，各组端壁通孔中沿半径最小圆周和半径最大圆周分布的两组端壁通孔的端壁通孔分布密度大于沿其他半径圆周分布的端壁通孔组的端壁通孔分布密度。
[0017]更进一步的，所述端壁通孔的孔径为0.5
‑
4mm。
[0018]优选的，所述燃烧室机匣呈筒状，自头端向末端包括等径段和内径减缩的变径段，
所述变径段的末端内径与所述火焰筒的末端内径相同，所述变径段的末端与所述火焰筒的末端固定密封连接。
[0019]优选的，所述燃烧室机匣的头部端壁、所述阳极尾气集气室的两侧室壁、所述火焰筒的头部端壁和所述挡溅盘上均设有可供所述点火器穿过的点火器孔，所述阳极尾气集气室内设有水平的点火器套管，构成点火器通道，所述点火器套管的两端分别与所述阳极尾气集气室的两侧室壁上的点火器孔密封连通。
[0020]固体氧化物燃料电池系统，包括换热器、重整器、电堆和燃烧室，所述燃烧室采用本技术所述的任一种燃烧室，所述换热器设有进水口和空气进口，所述换热器的热水出口连接所述重整器的进水口，所述重整器的燃料气出口连接所述电堆的阳极进口，所述换热器的热气出口连接所述电堆的阴极进口，所述电堆的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.固体氧化物燃料电池系统的燃烧室，包括燃烧室机匣和火焰筒，所述火焰筒同轴位于所述燃烧室机匣内，二者的头端均封闭、末端均敞口，其特征在于所述火焰筒的末端与所述燃烧室机匣的末端固定密封连接，所述火焰筒的头部端壁与所述燃烧室机匣的头部端壁之间留有间距，所述燃烧室机匣的侧壁上设有阳极尾气进口和阴极尾气进口，所述火焰筒的侧壁上设有多个侧壁通孔，所述火焰筒的头部端壁与所述燃烧室机匣的头部端壁之间设有阳极尾气集气室，所述阳极尾气集气室与所述阳极尾气进口连通，所述阳极尾气集气室与所述火焰筒之间设有旋流器，所述旋流器设有旋流阳极尾气进气通道和旋流阴极尾气进气通道，所述旋流阴极尾气进气通道为环形通道，同轴位于所述旋流阳极尾气进气通道的外侧，所述旋流阳极尾气进气通道连通所述阳极尾气集气室与所述火焰筒，所述旋流阴极尾气进气通道连通所述燃烧室机匣的内部空间与所述火焰筒，所述火焰筒的头部端壁上密布有端壁通孔，燃烧室的点火器自所述燃烧室机匣的头端外侧伸入所述火焰筒。2.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池系统的燃烧室，其特征在于所述火焰筒内的头部端壁侧同轴设有外缘呈圆形的挡溅盘，所述挡溅盘的直径小于所述火焰筒的头部内径，且与所述火焰筒的头部端壁之间留有间距，构成阴极尾气的火焰筒头部进气通道，所述挡溅盘上设有旋流器插入孔，所述旋流器的出气端插入所述旋流器插入孔并密封连接。3.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池系统的燃烧室，其特征在于所述旋流器的数量为多个，其中，一个所述旋流器与所述火焰筒同轴，其余的所述旋流器以所述火焰筒的轴线为中心线沿同一圆周均匀分布。4.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池系统的燃烧室，其特征在于所述旋流器包括内筒体和外筒体，所述外筒体同轴套在所述内筒体外，所述内筒体的外径小于所述外筒体的内径，所述内筒体与所述外筒体之间的环形空间构成所述旋流阴极尾气进气通道，所述内筒体的内部空间构成所述旋流阳极尾气进气...

【专利技术属性】
技术研发人员：林宇震，王晓峰，
申请(专利权)人：北京有恒能动科技有限公司，
类型：新型
国别省市：