[发明专利]具有燃料气重整和尾气催化燃烧功能的燃料分配管及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有燃料气重整和尾气催化燃烧功能的燃料分配管及其应用，该燃料分配管可应用于一端封闭的阳极支撑管型固体氧化物燃料电池发电系统，它在分配燃料的同时，催化燃料气的重整，催化燃料电池出口尾气的燃烧，同时实现重整反应与燃烧反应、电池反应的热量耦合，提高系统的发电效率和系统总能利用效率。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种采用固体氧化物作为电解质隔膜，通过电化学反应将燃料的化学能高效、清洁地转化为电能的发电装置，其发电效率可达50％以上，热电联供效率高于80％，是降低二氧化碳的排放的新型发电装置。固体氧化物燃料电池不仅可以使用氢气燃料，还可以采用资源丰富而且廉价的天然气、液化石油气、燃油、城市煤气及生物质气等作为燃料。

按照固体氧化物燃料电池的核心部件-膜电极或者单电池的构型不同，固体氧化物燃料电池可以分为管型电池、平板型电池和整体型电池。按照膜电极或电池的支撑体不同，固体氧化物燃料电池可以分为电解质支撑型、阴极支撑型和阳极支撑型。不同电池构型和类型的电池在构建电池堆和电站系统采用的部件结构不同，构建的方式也不同，电池堆和电站的结构也不同。在各种类型的电池中，以美国西门子-西屋公司的阴极支撑管型固体氧化物燃料电池技术发展的技术和电解质支撑的电池技术比较成熟，二者电池的工作温度都在900C以上。而阳极支撑电池技术是国内内外近些年来在研发的电池技术，电池的工作温度在650-800C。

如前所述，天然气等是固体氧化物燃料电池的燃料，固体氧化物燃料电池可以提高天然气的利用效率。但是，直接将天然气通到固体氧化物燃料电池阳极反应会引起阳极积炭，进而破坏电流传导的界面，降低电催化剂的性能，影响电极内的气体传质，降低电池寿命。因此，在发电系统中，天然气等燃料一般先经过水蒸汽催化重整为合成气，再在电池阳极上进行电化学反应。

燃料重整反应是一个在高温下(600-900℃)进行的强吸热反应：CH₄+H₂O→3H₂+CO，ΔH₁₀₇₃＝225.7kJ mol^-1，该反应进行需要提供大量的热能。电池工作时因电压效率和电流效率不是100％而产生一部分热；燃料尾气的催化燃烧是一个强热反应：H₂+0.5O₂→H₂O，ΔH₁₀₇₃＝-248.3kJ mol^-1，电池堆和尾气催化燃烧产生的热量需要及时移走，防止产生局部高温冲击。对于强吸放热反应，如何促进热的传递是催化剂和反应器设计需要考虑的一个重要因素。

天然气等燃料的水蒸汽重整反应在重整反应器中或者说在重整催化剂上进行。重整反应器和重整催化剂可以放置在从发电系统燃料气的进口到固体氧化燃料电池阳极的任何燃料气流经位置。根据电池构型和类型的不同，天然气的水蒸汽催化重整反应设置的场所差别。重整反应器放置在电池堆外部、或者是重整催化剂放置在电池堆外部的公共流腔、流道上的叫做外重整。如，美国专利US007320836所述的阴极支撑管型电池发电系统和美国专利US007326482、US007410016所述的固体氧化物燃料电池发电系统中，燃料重整器置于电池堆外部，利用阳极反应尾气与燃料气混合后重整；中国专利(申请号200780010926.7)将重整反应器置于电池堆之间，重整器为填充催化剂的反应管，利用SOFC的辐射热对重整器加热；中国专利(申请号200810059387.2)燃料气与的水蒸汽在汽水混合室混合合流后，一起输送连接到催化重整器进行重整，从重整器出来的混合气连接输送到固体氧化物燃料的电池堆阳极。重整反应器或催化剂置于电池堆内部的公共流腔和流道、电池层间、单电池内的流道、电池阳极的扩散层上的叫做内部重整。如中国专利(申请号200880107952.6)为具有内部重整能力的固体氧化物燃料电池，该固体氧化物燃料电池包括一个与阳极接触的催化剂层。