一种用于中高温固体燃料电池的燃烧器及其应用的制作方法

本发明属于燃料电池领域，更具体地，涉及一种用于中高温固体燃料电池的燃烧器及其应用。

背景技术：

固体氧化物燃料电池(sofc)是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效转化为电能的发电装置。工作过程中燃料通过蒸汽重整器转化为合成气(h2和co)，合成气与电池组阳极中未反应的阳极废气，经过燃烧室燃烧产生的热量可以提供给燃料电堆和蒸汽重整器，维持电化学和重整反应。

在sofc工作供电时，由于重整过程的高水碳比(2-3)和大量空气的通入，进入燃烧室的混合气体燃料浓度稀薄(5％-12％)且过量空气系数很高(3-6)，因此尾气燃烧属于超贫(ultra-lean)燃烧；且在供电时需要经历不同阶段：电流拉升阶段，热待机阶段，自热维持阶段，系统性能下降阶段，尾气中燃料的浓度也会随着发电功率的变化而发生变化，导致火焰传播速度波动较大，最大有近7倍的变化。同时由于火焰传播速度范围广，燃料浓度低，尾气燃烧过程中非常容易产生回火或者吹熄，影响了sofc整体系统的稳定性和效率。

目前国内外研究都采用多孔介质燃烧技术设计燃烧器，其中多采用碳化硅陶瓷或金属球体作为多孔介质材料。从实际运行来看，回火和脱火的不稳定现象还没有得到有效的控制，这严重地影响了燃料电池的健康运行。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于中高温固体燃料电池的燃烧器及其应用，其中该燃烧器结合中高温固体燃料电池合成气燃料热值较低、水碳比较高并且过量空气系数较大的特点，相应设计了分流孔板和金属网状结构，从而能够建立稳定的气流，有效散发燃烧热反馈，在极限燃烧状态下分别形成蓝焰燃烧状态和红外燃烧状态，进而有效解决燃烧器燃烧不稳定的问题，同时还具备降低氮氧化物和未燃碳氢化合物排放量的优势，因而尤其适用于固体燃料电池的应用场合。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种用于中高温固体燃料电池的燃烧器，该燃烧器包括静态混合腔、分流孔板、金属网状结构、燃烧室和脉冲点火器，其中：所述静态混合腔的入口端设置有空气进口和燃料进口，通入的空气和燃料在该静态混合腔内混合均匀获得混合气体，然后所述混合气体从所述静态混合腔的出口端喷出并进行燃烧；所述分流孔板与所述静态混合腔的出口端连接，用于为所述混合气体提供缓冲区域并将其进行分流；所述金属网状结构与所述分流孔板连接，用于防止回火和脱火现象的发生；所述燃烧室设置在所述静态混合腔的外侧，用于为所述混合气体燃烧提供空间；所述脉冲点火器设置在所述金属网状结构的上方，用于将所述混合气体点燃。

作为进一步优选地，所述金属网状结构为金属织网或金属烧结毡。

作为进一步优选地，所述金属网状结构的孔隙率优选为70％～90％。

作为进一步优选地，所述金属网状结构的厚度优选为5mm～10mm。

作为进一步优选地，所述金属网状结构采用铁铬合金材料编织。

作为进一步优选地，所述静态混合腔的内部设置有旋流金属片，用于将所述空气和燃料混合均匀。

作为进一步优选地，所述空气来自中高温固体燃料电池的阳极，所述燃料来自所述中高温固体燃料电池的阴极。

按照本发明的另一方面，提供了一种固体燃料电池，包括上述用于中高温固体燃料电池的燃烧器。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明针对中高温固体燃料电池合成气燃料热值低、水碳比高、过量空气系数大、组分变化范围宽和调节比高的特点，为避免燃料电池运行过程中出现回火和脱火的现象，依次在静态混合腔的出口端设置了分流孔板和金属网状结构，其中分流孔板能够为高流速的混合气体提供缓冲区域，而金属网状结构能够将燃烧产生的火焰分成许多细小的火焰流，由于传热作用和器壁效应，能够保证金属网状结构的温度无法达到闪点以上，从而防止了回火现象的发生，同时金属网状结构的孔隙均匀，能够形成平稳的气流和温度梯度，增大燃烧强度的同时增强了火焰的稳定性，不仅能够在火焰传播速度很小的情况下形成蓝焰燃烧状态，从而有效防止脱火现象的发生，而且能够避免局部高温区的形成，从而降低了燃烧产物中co和热力型nox的含量，此外金属网状结构具有一定的厚度，能够在其内部形成有效的内部热循环，预热混合气体从而保证其完全燃烧，进而减少未燃烧碳氢化合物的排放；

2.尤其是，本发明的金属网状结构优选采用金属织网或金属烧结毡，具有较强的适应性，能够制造成各种形式如圆筒形或平板形，便于加工制造和安装，同时还具有耐久性和稳定性，避免出现局部高温区域，从而在温度变化时具有较好的适应性；

3.本发明通过优化金属网状结构的孔隙率为70％～90％，并设定金属网状结构的厚度为5mm～10mm，能够避免混合气体流动的阻力过大，防止混合气体流量发生变化时，进口处出现压力的骤增或骤降，影响燃烧的稳定性，同时还能够避免混合气体在金属网状结构内部燃烧的反应面积过小，不利于混合气体的完全燃烧，从而增大未燃烧碳氢化合物和氮氧化合物的排放。

附图说明

图1是按照本发明优选实施例构建的用于中高温固体燃料电池的燃烧器的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-静态混合腔，2-旋流金属片，3-分流孔板，4-金属网状结构，5-燃烧室，6-脉冲点火器，7-空气进口，8-燃料进口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提出了一种用于中高温固体燃料电池的燃烧器，该燃烧器包括静态混合腔1、分流孔板3、金属网状结构4、燃烧室5和脉冲点火器6，其中：

静态混合腔1的入口端设置有空气进口7和燃料进口8，来自中高温固体燃料电池阳极的空气和来自阴极的燃料分别通过空气进口7和燃料进口8进入静态混合腔1，并且通入的空气和燃料在该静态混合腔1内混合均匀获得混合气体，然后该混合气体从静态混合腔1的出口端喷出并进行燃烧，为保证空气和燃料混合均匀，可在静态混合腔1的内部焊接旋流金属片2；

分流孔板3与静态混合腔1的出口端通过法兰连接，用于为混合气体提供缓冲区域并将其进行分流，分流孔板3为金属网状结构4提供支撑作用的同时形成平稳的混合气体气流；

金属网状结构4焊接在分流孔板3的上方，作为燃烧反应的载体，用于防止回火和脱火现象的发生，其中金属网状结构4的多细孔特性能够在火焰传播速度很大的情况(sofc空载条件)下，有效降低燃烧热反馈，形成表面燃烧状态，即火焰在短时间与金属网状结构4接触，被分成许多细小的火焰流，形成红外燃烧状态，由于传热作用和器壁效应，不能把金属加热到闪点以上，火源达不到燃烧温度而自动熄灭，从而防止回火现象的发生，同时该金属网状结构4的多细孔特性还能够进一步使得混合气体的流速更加均匀并得到有效降低，从而在火焰传播速度很小的情况(sofc满载条件)下，形成蓝焰燃烧状态，有效防止脱火现象的发生，提高燃烧稳定性，此外金属网状结构4能够形成平稳的混合气体气流，形成均匀的温度场，有效地降低了燃烧高温区的温度，从而减少了燃烧产物中co和nox的含量；

燃烧室5设置在静态混合腔1的外侧，通过法兰与静态混合腔1连接，用于为混合气体燃烧提供空间；

脉冲点火器6与燃烧室5连接并设置在金属网状结构4的上方，用于将混合气体点燃。

进一步，金属网状结构4为金属织网或金属烧结毡，其中金属织网由致密的金属纤维编制而成，金属烧结毡由致密的金属纤维编制烧结而成，从而获得多孔区域。

同时该金属网状结构4的孔隙率优选为70％～90％，该孔隙率可以避免气体流动的阻力过大，在混合气体流量发生变化时在进口处出现压力的骤增或骤降，影响燃烧的稳定性，同时还能够避免混合气体在金属网状结构内部燃烧的反应面积过小，不利于完全燃烧，增大未燃烧碳氢化合物和氮氧化合物的排放；金属网状结构4的厚度优选为5mm～10mm，保证金属网状结构形成有效的内部热循环，预热未燃烧的混合气体使其完全燃烧，进一步降低氮氧化物和未燃碳氢化合物的排放，金属网状结构4的孔隙率和厚度在上述优选范围内，能够保证燃烧产物中co与nox含量小于60mg/nm³。

金属网状结构4采用铁铬合金材料编织，因金属纤维的断裂韧性优于多孔陶瓷，其几何结构对于热应变的适应性好，并且有一定机械强度，易于加工安装，并且在复杂的工况下更加耐用，同时金属网状结构4能够以各种形式制造，如圆筒形或平板形，从而便于加工制造和安装。

本发明提供的用于中高温固体燃料电池的燃烧器，其温度从固体燃料电池启动阶段的500k左右升至稳定供电时的1500k左右时，由于金属网状结构的热惰性大、热惯性小，能够快速响应温度的变化，因其热强度高，使得燃烧器能够适用于5倍功率下的调节比变化。

本发明还提供了一种固体燃料电池，包括上述用于中高温固体燃料电池的燃烧器，工作时将阳极产生的空气和阴极产生的燃料分别通过空气进口7和燃料进口8进入静态混合腔1，将燃料在燃烧室5内燃烧产生的热量提供给燃料电堆和蒸汽重整器，从而维持电化学和重整反应的进行。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。