[發明專利]具有燃料電池尾氣催化燃燒功能的燃燒器及應用

在審

• 申請號: 201611050336.4
• 申請日: 2016-11-25
• 公開（公告）號: CN108123151A
• 公開（公告）日: 2018-06-05
• 發明（設計）人: 程謨杰;涂寶峰;崔大安;區定容;王萌;趙哲
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M8/04014
• 分類號: H01M8/04014;H01M8/12
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發明涉及一種用于陽極支撐管型固體氧化物燃料電池發電系統具有燃料電池尾氣催化燃燒功能的燃燒器。燃燒器包括多孔陶瓷催化燃燒管、高溫燃料管、外殼、保溫外裹、耐高溫隔板；燃燒腔通過空氣尾氣流道管與空氣尾氣收集腔相連通；燃料氣在燃料氣公共流腔通過高溫燃料管穿過燃燒器到達管型電池；燃料尾氣從燃料收集腔經過耐高溫隔板和高溫燃料管之間的空隙進入催化燃燒管，最后進入燃燒腔。燃燒腔內含有燃燒催化劑，催化燃燒尾氣，釋放熱量，高溫燃料管內有燃料重整催化劑，催化重整燃料氣，實現重整反應與燃燒反應的熱量耦合，可大大提高系統的發電效率和系統總能利用效率。

技術領域

本發明涉及一種具有燃料電池尾氣催化燃燒功能功能的燃燒器及應用，該燃燒器可應用于陽極支撐管型固體氧化物燃料電池發電系統，它在催化燃料電池出口尾氣燃燒的同時，催化燃料氣的重整，實現重整反應與燃燒反應的熱量耦合，提高系統的發電效率和系統總能利用效率。

背景技術

固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種采用固體氧化物作為電解質隔膜，通過電化學反應將燃料的化學能高效、清潔地轉化為電能的發電裝置，其發電效率可達50％以上，熱電聯供效率高于80％，是降低二氧化碳排放的新型發電裝置。固體氧化物燃料電池不僅可以使用氫氣燃料，還可以采用資源豐富而且廉價的天然氣、液化石油氣、燃油、城市煤氣及生物質氣等作為燃料。

固體氧化物燃料電池通常其燃料利用率為60-90％，有10-40％的燃料氣作為尾氣不能被電池用來進行發電，如果這部分燃料氣被直接排出，則會造成很大的浪費，同時電池發電系統的效率也會因此而大大降低，因此在固體氧化燃料電池發電系統中需要有一個燃燒器來將這部分尾氣燃燒釋放出熱量，同時將這部分熱用好來提高電池發電系統的發電效率。

采用天然氣等作為固體氧化物燃料電池的燃料，其利用效率可得到大大提高。但是，直接將天然氣通到固體氧化物燃料電池陽極反應會引起陽極積炭，進而破壞電流傳導的界面，降低電催化劑的性能，影響電極內的氣體傳質，降低電池壽命。因此，在發電系統中，天然氣等燃料一般先經過水蒸汽催化重整為合成氣，再在電池陽極上進行電化學反應。燃料重整反應是一個在高溫下(600-900℃)進行的強吸熱反應：CH₄+H₂O→3H₂+CO,ΔH₁₀₇₃＝225.7kJ mol^-1，該反應進行需要提供大量的熱能。電池工作時因電壓效率和電流效率不是100％而產生一部分熱；燃料尾氣的催化燃燒是一個強放熱反應：H₂+0.5O₂→H₂O,ΔH₁₀₇₃＝-248.3kJ mol^-1，電池堆和尾氣催化燃燒產生的熱量需要及時移走，防止產生局部高溫沖擊。對于強吸放熱反應，如何促進熱的傳遞是催化劑和反應器設計需要考慮的一個重要因素。

在固體氧化物燃料電池發電系統中，重整反應和尾氣催化燃燒反應器的設計需要解決以下問題：(1)重整反應放置在高溫熱區，以便達到重整反應進行溫度；(2)重整反應最好吸收尾氣燃燒產生熱量，降低尾氣溫度，實現系統熱量集成；(3)流出電池的燃料尾氣要完全轉化，以便實現利用余熱。

發明內容

固體氧化物燃料電池發電系統中各種反應的熱-熱耦合是建立穩定易控、高度集成系統結構的重要問題。本專利針對陽極支撐管型固體氧化物燃料電池結構特點和要求，以及天然氣的重整反應和尾氣催化燃燒反應的要求，提出了一種用于陽極支撐管型固體氧化物燃料電池具有尾氣催化燃燒和燃料氣重整功能的燃燒器。