[发明专利]具有燃料电池尾气催化燃烧功能的燃烧器及应用

说明书

本发明涉及一种用于阳极支撑管型固体氧化物燃料电池发电系统具有燃料电池尾气催化燃烧功能的燃烧器。燃烧器包括多孔陶瓷催化燃烧管、高温燃料管、外壳、保温外裹、耐高温隔板；燃烧腔通过空气尾气流道管与空气尾气收集腔相连通；燃料气在燃料气公共流腔通过高温燃料管穿过燃烧器到达管型电池；燃料尾气从燃料收集腔经过耐高温隔板和高温燃料管之间的空隙进入催化燃烧管，最后进入燃烧腔。燃烧腔内含有燃烧催化剂，催化燃烧尾气，释放热量，高温燃料管内有燃料重整催化剂，催化重整燃料气，实现重整反应与燃烧反应的热量耦合，可大大提高系统的发电效率和系统总能利用效率。

技术领域

本发明涉及一种具有燃料电池尾气催化燃烧功能功能的燃烧器及应用，该燃烧器可应用于阳极支撑管型固体氧化物燃料电池发电系统，它在催化燃料电池出口尾气燃烧的同时，催化燃料气的重整，实现重整反应与燃烧反应的热量耦合，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。

固体氧化物燃料电池通常其燃料利用率为60-90％，有10-40％的燃料气作为尾气不能被电池用来进行发电，如果这部分燃料气被直接排出，则会造成很大的浪费，同时电池发电系统的效率也会因此而大大降低，因此在固体氧化燃料电池发电系统中需要有一个燃烧器来将这部分尾气燃烧释放出热量，同时将这部分热用好来提高电池发电系统的发电效率。

采用天然气等作为固体氧化物燃料电池的燃料，其利用效率可得到大大提高。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放热反应：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。

在固体氧化物燃料电池发电系统中，重整反应和尾气催化燃烧反应器的设计需要解决以下问题：(1)重整反应放置在高温热区，以便达到重整反应进行温度；(2)重整反应最好吸收尾气燃烧产生热量，降低尾气温度，实现系统热量集成；(3)流出电池的燃料尾气要完全转化，以便实现利用余热。

发明内容

固体氧化物燃料电池发电系统中各种反应的热-热耦合是建立稳定易控、高度集成系统结构的重要问题。本专利针对阳极支撑管型固体氧化物燃料电池结构特点和要求，以及天然气的重整反应和尾气催化燃烧反应的要求，提出了一种用于阳极支撑管型固体氧化物燃料电池具有尾气催化燃烧和燃料气重整功能的燃烧器。