一种用于固体燃料电池的双路燃烧器及其应用

技术领域

本发明属于燃料电池领域，更具体地，涉及一种用于固体燃料电池的双路燃烧器及其应用。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置，属于第三代燃料电池。工作过程中燃料通过蒸汽重整器转化为合成气(H

根据SOFC的工作特性，进入该燃烧室的混合气体燃料浓度稀薄且过量空气系数高(3-6)，因此燃烧室内的燃烧属于超贫(ultra-lean)燃烧。并且由于SOFC的供电分为四个不同阶段：电流拉升阶段，热待机阶段，自热维持阶段和系统性能下降阶段，导致进入燃烧器的燃料浓度也会随着发电功率的变化而改变，进而引起火焰传播速度的波动。由于火焰传播速度的波动以及较低的燃料浓度，使得燃烧室内的燃烧极易发生回火或者吹熄，对SOFC整体系统的稳定性和效率都是非常不利的。并且在实际的应用中，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。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于固体燃料电池的双路燃烧器及其应用，旨在解决现有的固体燃料电池燃烧室极易发生回火或脱火的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种用于固体燃料电池的双路燃烧器，该双路燃烧器包括空气进口、第一气体调节阀、燃料进口、第二气体调节阀、混合腔室、燃烧室和脉冲点火器，其中：

所述空气进口分为空气主路和空气支路，所述空气主路直接与所述混合腔室连接，所述空气支路通过第一气体调节阀与所述燃烧室连接；

所述燃料进口分为燃料主路和燃料支路，所述燃料主路直接与所述混合腔室连接，所述燃料支路通过第二气体调节阀与所述燃烧室连接；

所述混合腔室的出口伸入所述燃烧室，以将所述空气主路和燃料主路提供的空气和燃料混合并送入所述燃烧室内，并通过设置在所述燃烧室上的脉冲点火器进行点火燃烧；

工作时，当所述燃烧室发生脱火时，打开所述第一气体调节阀，将部分空气通过所述空气支路送入所述燃烧室；当所述燃烧室发生回火时，打开所述第二气体调节阀，将部分燃料通过所述燃料支路送入所述燃烧室。

作为进一步优选的，所述混合腔室的出口设置有分流孔板，用于为所述混合气体提供缓冲区域并对其进行分流。

作为进一步优选的，所述混合腔室的出口设置有金属丝网孔结构，用于防止回火和脱火现象的发生。

作为进一步优选的，所述金属丝网孔结构的孔隙率为75％～85％。

作为进一步优选的，所述金属丝网孔结构为金属织网或金属烧结毡。

作为进一步优选的，发生脱火时，所述空气主路与空气支路的流量比为17:3～3:1；发生回火时，所述燃料主路与燃料支路的流量比为17:3～3:1。

作为进一步优选的，所述混合腔室的内部设置有旋流金属片，用于将空气和燃料充分混合。

作为进一步优选的，所述燃烧室的内壁开设有空气环形腔和燃料环形腔，所述空气环形腔与所述空气支路连接，同时该空气环形腔上设置有预设数量的空气喷嘴，以通过所述空气喷嘴为所述燃烧室提供空气；所述燃料环形腔与所述燃料支路连接，同时该燃料环形腔上设置有预设数量的燃料喷嘴，以通过所述燃料喷嘴为所述燃烧室提供燃料。

按照本发明的另一方面，提供了一种上述双路燃烧室在固体燃料电池中的应用。

作为进一步优选的，所述空气进口与所述固体燃料电池的阳极连接，所述燃料进口与所述固体燃料电池的阴极连接。

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，具有以下有益效果：

1.本发明提供了一种用于固体燃料电池的双路燃烧器，其中根据固体燃料电池合成气燃料热值较低、过量空气系数大、水碳比高和组分波动的特点，为避免燃料电池运行过程中发生脱火或回火现象，将空气进口和燃料进口分为主路和支路，当主路的燃烧发生回火时，将部分燃料通过燃料支路喷入燃烧室，当主路的燃烧发生脱火时，则将部分空气通过空气支路喷入燃烧室，进而利用支路调节主路的燃烧情况，从而达到避免回火和脱火现象发生的目的，进而有效提高燃烧的稳定性；

2.同时，本发明在混合腔室的出口设置分流孔板和金属丝网孔结构，利用分流孔板为空气和燃料的混合气体提供缓冲区域并进行分流，利用孔隙均匀的金属丝网孔结构将火焰分为多个小火焰，起到平稳气流和稳定温度梯度的效果，从而提升主路气体在燃烧室的燃烧稳定性，减少回火和脱火的发生；

3.此外，本发明对金属丝网孔结构的孔隙率进行优化，能够避免气体流动的阻力过大，在混合气体流量发生变化时使混合腔室出口处压力出现骤增或骤降，从而影响燃烧的稳定性，同时还能够避免混合气体在金属丝网孔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；

4.尤其是，本发明对空气主路与空气支路、燃料主路与燃料支路的流量比进行优化，使得双路燃烧器能够适用于5倍功率下的调节比变化，在保证调节效果的同时避免回火或吹熄的发生。

附图说明

图1是本发明实施例提供的用于中高温固体燃料电池的双路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-空气进口，2-燃料进口，3-混合腔室，4-旋流金属片，5-第一气体调节阀，6-分流孔板，7-金属丝网孔结构，8-脉冲点火器，9-燃料环形腔，10-空气环形腔，11-空气喷嘴，12-燃料喷嘴，13-燃烧室，14-第二气体调节阀。

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。

按照本发明的一方面，提供了一种用于固体燃料电池的双路燃烧器，该双路燃烧器包括空气进口1、燃料进口2、混合腔室3、燃烧室13和脉冲点火器8，其中：

空气进口1分为空气主路和空气支路，空气主路直接与混合腔室3连接，空气支路通过第一气体调节阀5与燃烧室13连接；

燃料进口2分为燃料主路和燃料支路，燃料主路直接与混合腔室3连接，燃料支路通过第二气体调节阀14与燃烧室13连接；

混合腔室3的出口伸入燃烧室13，并且混合腔室3的内部设置有旋流金属片，以将空气主路和燃料主路提供的空气和燃料混合均匀获得混合气体，然后混合气体从混合腔室3的出口端喷出进入燃烧室13，通过设置在混合腔室3出口上方的脉冲点火器8进行点火燃烧；

工作时，当燃烧室13发生脱火时，打开第一气体调节阀5，将部分空气通过空气支路送入燃烧室13；当燃烧室13发生回火时，打开第二气体调节阀14，将部分燃料通过燃料支路送入燃烧室13，以此通过支路分流的方式避免脱火和回火的发生。

进一步，混合腔室3的出口设置有分流孔板6，用于为混合气体提供缓冲区域并对其进行分流，同时该分流孔板6的上方设置有金属丝网孔结构7，分流孔板6与混合腔室3的出口端通过法兰连接，为金属丝网孔结构7提供支撑作用的同时有利于形成平稳的全预混燃气气流。同时金属丝网孔结构7作为燃烧反应的载体，用于防止回火和脱火现象的发生。

在固体燃料电池空载时，火焰传播速度较大，金属丝网孔结构7能将火焰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；在固体燃料电池满载时，火焰传播速度较小，该金属丝网孔结构7的多细孔特性能够使得混合气体的流速更加均匀进而形成蓝焰燃烧状态。此外金属丝网孔结构7能够形成平稳的全预混燃气气流，形成均匀的温度场，避免局部高温区的形成，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和热力型NOx的含量，并且金属丝网孔结构7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。

金属丝网孔结构7的孔隙率为75％～85％，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丝网孔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。金属丝网孔结构7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。

进一步，发生脱火时，空气主路与空气支路的流量比为17:3～3:1，在保证调节效果的同时避免主路空燃比过小，不利于燃料充分燃烧甚至发生回火；发生回火时，燃料主路与燃料支路的流量比为17:3～3:1，在保证调节效果的同时避免主路空燃比过大，火焰发生吹熄，不利于稳定燃烧。

进一步，燃烧室13的内壁开设有空气环形腔9和燃料环形腔10，空气环形腔9上设置有预设数量的空气喷嘴11，并与空气支路连接，以将支路空气通过空气喷嘴11均匀喷入燃烧室13；燃料环形腔10上设置有预设数量的燃料喷嘴12，并与燃料支路连接，以将支路燃料通过燃料喷嘴12均匀喷入燃烧室13。在本发明的一个优选实施例中，空气喷嘴11和燃料喷嘴12的数量分别为4个，并在空气环形腔9和燃料环形腔10上成90°分布，保证空气和燃料能够均匀喷入燃烧室内进行燃烧。

按照本发明的另一方面，提供了一种上述双路燃烧室在固体燃料电池中的应用，空气进口1与固体燃料电池的阳极连接，以将固体燃料电池阳极的空气通入空气进口1；同时燃料进口2与固体燃料电池的阴极连接，以将固体燃料电池阴极的燃料通入燃料进口2。在发明的优选实施例中，双路燃烧器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，通过主路和支路空气或燃料的分流，使得燃烧更稳定，并且金属丝网孔结构热强度高，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。