燃料电池阳极尾气燃烧器及其控制方法与流程

本发明涉及燃料电池系统，尤其涉及燃料电池阳极尾气燃烧器及其控制方法。

背景技术：

1、燃料电池阳极尾气燃烧器是燃料电池系统中热量的来源，要具备高热流量、宽燃料范围的特点，以实现燃料电池系统的快速启动与变组分可燃物质的处理。燃料电池系统在启动过程中需要对空气进行预热，现有技术中一般通过电加热器或者燃烧器来为空气预热提供热量。然而，大功率电加热器对电路要求高，高温加热能力不足。而采用燃烧器提供热量时，因燃料电池系统的运行，进入燃烧器的空气的温度不断增加，向燃烧器供给的燃料减少，若要维持稳定火焰只能依靠扩散式燃烧或多孔介质燃烧等方式。而常规扩散式火焰燃烧器的火焰长度长，设备的体积大，不利于集成化系统；多孔介质燃烧器受限于多孔介质材料加工工艺，难以大规模应用。若采用催化燃烧器，则由于催化燃烧器需要达到一定初始温度才能启动燃烧，在燃料电池系统启动工况下，无法依靠催化燃烧器供给初始热量。从而现有的燃烧器无法既适应燃料电池系统启动工况，又适应燃料电池燃料利用率提高使阳极尾气的可燃组分降低的变组分工况，无法避免不稳定燃烧造成的熄火现象，不仅对能源造成了浪费，可燃物质的排放也增加了设备的风险性和污染物排放。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供燃料电池阳极尾气燃烧器及其控制方法，以解决现有的燃烧器无法既适用燃料电池启动工况，又适用随着燃料电池燃料利用率提高，阳极尾气的可燃组分降低的变组分工况，无法实现宽域调节，稳定燃烧的问题。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、燃料电池阳极尾气燃烧器，包括：

4、天然气预混体，所述天然气预混体设有第一空气进气口、天然气进气口和天然气预混腔，所述第一空气进气口和所述天然气进气口均与所述天然气预混腔连通；

5、空气导入件和阳极尾气导入件，所述阳极尾气导入件固定穿设于所述空气导入件，所述空气导入件固定穿设于所述天然气预混体，所述阳极尾气导入件设有阳极尾气进气口；

6、第一燃烧体，所述第一燃烧体设有连通的阳极尾气燃烧腔、天然气燃烧腔和第一气体出口，所述天然气预混腔与所述天然气燃烧腔连通，所述阳极尾气导入件和所述空气导入件均与所述阳极尾气燃烧腔连通；

7、催化预混体，所述催化预混体设有催化预混腔、第二空气进气口和第二气体出口，所述第二空气进气口、所述第二气体出口和所述第一气体出口均与所述催化预混腔连通；

8、第二燃烧体，所述第二燃烧体设有容纳腔、第三空气进气口和第三气体出口，所述容纳腔内容纳有催化载体，所述第三空气进气口、所述第三气体出口和所述第二气体出口均与所述容纳腔连通；

9、空气输入管，所述第一空气进气口、空气导入件、所述第二空气进气口和所述第三空气进气口均与所述空气输入管连通。

10、作为上述燃料电池阳极尾气燃烧器的一种优选方案，所述天然气预混体包括预混体外壳、预混体中壳和预混体内壳，所述预混体中壳穿设于所述预混体外壳，所述预混体内壳穿设于所述预混体中壳，所述预混体外壳设有所述天然气进气口，所述预混体外壳和所述预混体中壳之间形成天然气分配腔，所述预混体中壳和所述预混体内壳之间形成所述天然气预混腔和所述第一空气进气口，所述预混体中壳设有连通孔，所述连通孔的两端分别与所述天然气分配腔和所述天然气预混腔连通。

11、作为上述燃料电池阳极尾气燃烧器的一种优选方案，所述空气导入件包括第一连接部、第二连接部和多个第一空气旋流片，所述第一连接部固定套设于所述阳极尾气导入件，所述第二连接部固定穿设于所述预混体内壳，所述第一空气旋流片的一端与所述第一连接部固定连接，另一端与所述第二连接部固定连接，多个所述第一空气旋流片沿所述第一连接部的周向间隔设置，所述第一连接部沿其周向间隔设有多个第四空气进气口，所述第四空气进气口的两端分别与所述空气输入管和所述阳极尾气燃烧腔连通。

12、作为上述燃料电池阳极尾气燃烧器的一种优选方案，所述第一燃烧体包括燃烧体外壳和燃烧体内壳，所述燃烧体外壳与所述预混体外壳固定连接，所述燃烧体外壳和所述燃烧体内壳之间形成混合气分配腔，所述混合气分配腔与所述天然气预混腔连通，所述燃烧体内壳设有混合气喷射孔、所述阳极尾气燃烧腔和所述天然气燃烧腔，所述混合气喷射孔的两端分别连通所述混合气分配腔和所述天然气燃烧腔。

13、作为上述燃料电池阳极尾气燃烧器的一种优选方案，所述第一空气进气口与所述天然气预混腔之间间隔设有多个第二空气旋流片；或者，所述天然气预混腔与所述混合气分配腔之间间隔设有多个第二空气旋流片。

14、作为上述燃料电池阳极尾气燃烧器的一种优选方案，所述燃烧体内壳设置有均流板，所述均流板位于所述混合气分配腔内。

15、作为上述燃料电池阳极尾气燃烧器的一种优选方案，所述天然气燃烧腔的内壁设有金属纤维网。

16、作为上述燃料电池阳极尾气燃烧器的一种优选方案，所述阳极尾气导入件伸入所述阳极尾气燃烧腔，所述阳极尾气导入件还设有阳极尾气喷射孔，所述阳极尾气喷射孔与所述阳极尾气燃烧腔连通。

17、作为上述燃料电池阳极尾气燃烧器的一种优选方案，所述燃料电池阳极尾气燃烧器还包括燃烧器外壳，所述天然气预混体、所述第一燃烧体、所述催化预混体和所述第二燃烧体依次连接且均位于所述燃烧器外壳内，所述燃烧器外壳与所述天然气预混体、所述第一燃烧体、所述催化预混体和所述第二燃烧体之间形成空气分配腔，所述燃烧器外壳与所述天然气预混体之间形成第五空气进气口，所述第二空气进气口、所述第三空气进气口和所述第五空气进气口均与所述空气分配腔连通，所述第五空气进气口与所述空气输入管连通。

18、作为上述燃料电池阳极尾气燃烧器的一种优选方案，所述阳极尾气燃烧腔的内壁固定设有第一隔热耐火层。

19、作为上述燃料电池阳极尾气燃烧器的一种优选方案，所述容纳腔的内壁与所述催化载体之间设有第二隔热耐火层。

20、本发明还提供了燃料电池阳极尾气燃烧器的控制方法，采用上述的燃料电池阳极尾气燃烧器，包括：

21、s1：向燃料电池阳极尾气燃烧器通入空气；

22、s2：向燃料电池阳极尾气燃烧器通入天然气，并对天然气燃烧腔进行点火；

23、s3：对天然气燃烧腔进行火焰检测，判断天然气燃烧腔是否产生火焰；

24、若是，进行s4；

25、s4：根据第三出口处的气体温度和设定燃烧器出口温度，调节天然气流量；

26、s5：检测空气输入管内的空气温度；

27、s6：判断空气输入管内的空气温度是否大于设定燃烧器入口空气温度；

28、若是，则进行s7；

29、s7：向燃料电池阳极尾气燃烧器通入阳极尾气；

30、s8：实时对阳极尾气燃烧腔进行火焰检测，判断阳极尾气燃烧腔是否产生火焰；

31、若是，则进行火焰燃烧，并进行s10；

32、若否，则进行s9；

33、s9：根据第三出口处的气体温度衰减速率和催化载体的温度，判断燃料电池阳极尾气燃烧器是否进行稳定催化燃烧；

34、若是，则进行s10；

35、若否，则燃料电池阳极尾气燃烧器熄火；

36、s10：根据第三出口处的气体温度和设定燃烧器出口温度，调节天然气流量。

37、作为上述燃料电池阳极尾气燃烧器的控制方法的一种优选方案，根据第三出口处的气体温度衰减速率和催化载体的温度，判断燃料电池阳极尾气燃烧器是否进行稳定催化燃烧包括：

38、判断第三出口处的气体温度衰减速率是否大于设定温度衰减速率；

39、若是；则进行s91；

40、若否，则燃料电池阳极尾气燃烧器进行稳定催化燃烧；

41、s91：判断设定时间内催化载体的温度是否升高；

42、若是，则燃料电池阳极尾气燃烧器进行稳定催化燃烧；

43、若否，则燃料电池阳极尾气燃烧器未进行稳定催化燃烧。

44、作为上述燃料电池阳极尾气燃烧器的控制方法的一种优选方案，s3中，若天然气燃烧腔未产生火焰；则进行s31；

45、s31：停止向燃料电池阳极尾气燃烧器供给天然气，并向燃料电池阳极尾气燃烧器供给空气以吹扫天然气燃烧腔；

46、s32：判断对天然气燃烧腔的点火次数是否大于设定次数；

47、若是，则燃料电池阳极尾气燃烧器熄火；

48、若否，则返回s2。

49、作为上述燃料电池阳极尾气燃烧器的控制方法的一种优选方案，根据第三出口处的气体温度和设定燃烧器出口温度，调节天然气流量包括：

50、判断第三出口处的气体温度是否大于设定燃烧器出口温度；

51、若是，则降低天然气流量；

52、若否，则增大天然气流量。

53、作为上述燃料电池阳极尾气燃烧器的控制方法的一种优选方案，在s7和s8之间还包括：对阳极尾气燃烧腔进行点火。

54、本发明的有益效果：

55、本发明提供了燃料电池阳极尾气燃烧器及其控制方法，该燃料电池阳极尾气燃烧器，在燃料电池系统启动工况时，天然气和空气在天然气燃烧腔进行全预混燃烧，之后通入阳极尾气，刚通入阳极尾气时，阳极尾气的可燃组分的含量多，能够在第一燃烧体内进行火焰燃烧，当阳极尾气的可燃组分的含量变少，直至无法再支持火焰燃烧，火焰熄灭时，阳极尾气、天然气和空气还能在催化载体内进行稳定催化燃烧。现有技术中的燃烧器，在阳极尾气中的可燃组分过少时无法产生稳定燃烧，而该燃料电池阳极尾气燃烧器不仅在阳极尾气中的可燃组分过少时还能进行稳定催化燃烧，适应阳极尾气的可燃组分降低的变组分工况，还适应燃料电池系统启动工况，能够实现燃料的宽域调节和完全燃烧，能降低污染物排放，且提高热效率，节约了能源。