CN104112866B - 一种燃料电池系统用的燃烧重整预混一体化装置 - Google Patents

一种燃料电池系统用的燃烧重整预混一体化装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统用燃烧重整预混一体化装置。具体地，所述的装置自下而上地连接设有燃烧器、重整腔以及汽化预混腔，且将燃烧器的烟气膨胀腔的外壁同时构成重整腔及汽化预混腔的外壁。本发明燃烧室的高品质热量首先被用于重整反应供热，剩余的热量则被进一步用于预热甲烷并汽化水，实现了能量的梯级利用，实现了系统效率最大化。

Description

一种燃料电池系统用的燃烧重整预混一体化装置
技术领域
本发明涉及一种燃烧重整预混一体化装置，尤其是一种用于燃料电池系统的燃烧重整预混一体化装置。
背景技术
燃料电池可以高效、环境友好地将储存在燃料中的化学能等温和地转化为电能，氢是燃料电池的最佳燃料，而如果仅采用氢气作为燃料则会限制燃料电池系统产业化、规模化发展，如何将天然气等燃料转化为氢气显得至关重要。
在工业上的蒸汽重整制氢技术(CH4+H2O→CO+3H2）已相当成熟，但这种大规模制氢技术并不能满足燃料电池系统紧凑、小型化的要求。
由于燃料电池系统氢需求量少，故而无法单纯缩小成熟的大型制氢工艺的设计参数，因此，本领域迫切需要开发出适用于燃料电池系统的且的蒸汽重整一体化小型装置。
发明内容
本发明提供了一种用于燃料电池系统的集燃烧、重整、汽化、预热及混合功能于一体的重整装置。
本发明的第一方面，提供了一种燃料电池系统用燃烧重整预混一体化装置，所述的装置自下而上地连接设有燃烧器、重整腔以及汽化预混腔。
在另一优选例中，所述的燃烧器还包括烟气膨胀腔，且所述烟气膨胀腔设于燃烧器上部，向上延伸并包围所述重整腔以及汽化预混腔。
在另一优选例中，所述烟气膨胀腔的外壳形成所述重整腔以及汽化预混腔的封闭外壳。
在另一优选例中，所述烟气膨胀腔的烟气出口位于烟气膨胀腔的上部或顶部。
在另一优选例中，所述的烟气膨胀腔(或其外壳)是不锈钢材质、或合金材质。
在另一优选例中，所述的烟气膨胀腔的大小为90-320,较佳地，100-305mm，更佳地，133-245mm。
在另一优选例中，所述的燃烧器还包括燃料进口、空气进口和燃料-空气混合腔，且燃料进口、空气进口和燃料-空气混合腔与所述的烟气膨胀腔相互连通。
在另一优选例中，所述的燃烧器还包括火花塞、火焰盘和/或烟气出口。
在另一优选例中，所述的燃烧器还包括防爆开关、气体流量计。
在另一优选例中，所述的燃料进口的管道直径为5-20mm，更佳地为10-15mm。
在另一优选例中，所述的空气进口的管道直径为5-40mm，更佳地为10-30mm。
在另一优选例中，所述的燃料-空气混合腔包括初混腔和终混腔，且所述的燃料进口的燃烧器端伸入初混腔中。
在另一优选例中，所述的初混腔和终混腔的形状包括圆锥形、或圆柱形。
在另一优选例中，所述的燃料进口的燃烧器端管壁设有多孔状开口。
在另一优选例中，所述的多孔状开口的排列方式是沿圆周均匀排列的。
在另一优选例中，所述的初混腔与终混腔之间设有可拆卸的连接装置。
在另一优选例中，所述的可拆卸的连接装置包括法兰连接。
在另一优选例中，所述的汽化预混腔包括原料进口、变径预混盘管、混合缓冲罐以及混合气体出口，其中，所述原料进口、变径预混盘管、混合缓冲罐以及混合气体出口按序互相相通。
在另一优选例中，所述的汽化预混腔包括原料进口、变径预混盘管、混合缓冲罐以及混合气体出口，其中，所述原料进口、变径预混盘管、混合缓冲罐以及混合气体出口按序互相连通。
在另一优选例中，所述的变径预混盘管盘绕设于混合缓冲罐外侧。
在另一优选例中，所述的混合缓冲罐中设有导热材料。
在另一优选例中，所述的导热材料包括蜂窝状金属、网状金属、多孔介质材料、或其组合。
在另一优选例中，所述的原料进口包括水进口和甲烷进口。
在另一优选例中，所述的变径预混盘管的直径由进口-出口方向增粗；和/或
所述的变径预混盘管至少包括两种直径。
在另一优选例中，所述的变径预混盘管包括细管径盘管和粗管径盘管。
在另一优选例中，所述的细管径盘管包绕于粗管径盘管外围。
在另一优选例中，所述的重整腔包括混合气体出口、重整列管以及重整产物出气口，且所述的混合气体出口、重整列管以及重整产物出气口按序相互连通。
在另一优选例中，所述的混合气体出口及重整列管间设有气体分流盘，其中，所述气体分流盘用于收集自混合缓冲罐内流出的混合气体，并将所述的混合气体排入重整列管；和/或
所述的重整列管及重整产物出气口间设有气体集流盘，其中，所述的气体集流盘用于收集重整列管中的重整气体，并将所述的重整气体排入重整产物出气口。
在另一优选例中，所述的重整列管围绕分流盘和集流盘的中心线均匀布置。
在另一优选例中，所述重整列管数量为n个，其中n=2-16的正整数；和/或
在另一优选例中，所述的重整列管的管壁设有外螺纹结构。
在另一优选例中，所述的气体分流盘或气体集流盘上各设n个通孔，n为2-16的正整数，且气体分流盘与气体集流盘的通孔由所述重整列管相连通。
在另一优选例中，所述的重整腔还设有温控仪。
本发明第二方面，提供了一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括如本发明第一方面所述的燃烧重整预混一体化装置以及燃料电池、空压机，分水器及水箱、计量泵、各类阀控及温控装置。
应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
附图说明
图1是用于燃料电池系统的燃烧重整汽化预热一体化装置的结构示意图；
图2是燃烧重整汽化预热一体化装置的内部结构示意图；
图3是外螺纹结构的重整管管壁结构示意图。
其中，1-燃烧器，2-重整器，3-汽化预热混合装置，4-燃料进口，5-空气进口，6-初混腔，7-法兰，8-终混腔，9-火焰盘，10-火花塞，11-螺栓，12-重整产物出气口，13-气体集流盘，14-烟气膨胀腔，15-外螺纹结构重整列管，16-气体分流盘，17-填充了孔状金属材料混合缓冲罐，18-细管径盘管，19-粗管径盘管，20-燃烧烟气出口，21-水进口，22-天然气进口，23-混合气体出口，24、25-热电偶，26-防暴开关接口。
具体实施方式
本发明人经过广泛而深入的研究，首次将燃料电池系统中的燃烧器、重整腔以及汽化预混腔自下而上地连接组合，使重整及汽化预混腔位于燃烧器的烟气膨胀腔内部，从而充分利用了燃烧器中的热量，即燃烧燃料产生的烟气加热重整器达到反应所需温度，重整反应利用完的烟气剩余热量供给水汽化及天然气预热所需，在汽化预热混合装置中使水汽化成为水蒸气、天然气预热升温并与水蒸气混合之后再供给重整器。本发明装置使余热阶梯利用，有利于提高系统集成度以及系统整体效率。
燃烧器
在本发明中，燃烧器用于燃烧燃料电池的阳极尾气或其他燃料气体。阳极尾气或燃料气体燃烧后，其热量用于阶梯利用于重整反应以及重整反应原料的预混。通常，所述的燃料气体包括天然气。
本发明的燃烧器包括烟气燃料进口、空气进口以及燃料-空气混合腔，所述的燃料进口、空气进口与燃料-空气混合腔相连通，所述的燃料进口所用的管道伸入燃料-空气混合腔内。
其中，所述的燃料-空气混合腔还可进一步包括初混腔和终混腔。为了使燃料与空气能够充分混合，所述的燃料进口的燃烧器端位于初混腔内，其管壁设有多孔状开口，且所述的多孔状开口的排列方式是沿圆周均匀排列的。当通入空气和燃料时，多孔状的开口能使燃料以一定的压力与空气混合，从而进行充分的燃烧。
可用于本发明燃料进口或空气进口的管道直径没有特别限制，可以根据燃烧重整预混一体化装置的大小以及所述燃料以及空气需要的量进行不同的设计。通常，所述的燃料进口的管道直径为5-20mm，优选的为10-15mm；所述的空气进口的管道直径为5-40mm，优选的为10-30mm。
本发明中，所述的燃烧器设有一烟气膨胀腔，且所述烟气膨胀腔设于燃烧器上部，向上延伸并包围所述重整腔以及汽化预混腔。烟气膨胀腔的顶部还设有一用于排放剩余烟气的烟气出口。
可用于本发明烟气膨胀腔（或其外壳）的材质没有特殊限制，可以为任何耐受高温的材质。通常，所述的烟气膨胀腔（或其外壳）是不锈钢或合金材质的。
本发明烟气膨胀腔的直径没有特殊限制，只要可以覆盖或包围重整器及汽化预热腔即可，或根据燃烧重整预混一体化装置的大小进行设计或制造。通常，所述烟气膨胀腔的大小（外径）为90-320，较佳地，100-305mm，更佳地，133-245mm。
在另一优选例中，所述的燃料和空气进入初混腔进入初步混合后，再进入终混腔混合均匀，通过电打火火花塞在火焰盘处燃烧产生烟气，烟气喷射出进入烟气膨胀腔，当所述烟气膨胀腔的外壳形成所述重整腔以及汽化预混腔的封闭外壳，则烟气在紧靠燃烧器上方的重整腔以及顶端的汽化预热腔外围封装腔体中扩压降速，从而加热位于燃烧器上部的重整腔以及汽化预混腔。
此外，本发明的燃烧器还包括火花塞、火焰盘、烟气出口、防爆开关和/或气体流量计。燃烧器进料、初混腔部分与燃烧火焰盘间、终混腔部分分开，并采用法兰连接，安装灵活、拆卸更换方便。为了防止燃烧器成为高压容器等危险情况发生，设置了防爆开关，保证安全可靠运行。同时通过流量计控制燃料流量1-35l/min来控制燃烧功率、调节天然气及空气比例10-20来控制燃烧火焰位置及高度。
汽化预混腔
在本发明中，汽化预混腔包括原料进口、变径预混盘管、混合缓冲罐以及混合气体出口，所述原料进口、变径预混盘管、混合缓冲罐以及混合气体出口按序互相连通。
其中，所述的原料进口包括水进口和甲烷进口；所述的变径预混盘管盘绕设于混合缓冲罐外侧，变径预混盘管至少包括两种直径，其直径由进口-出口方向增粗。通常，所述的变径预混盘管包括细管径盘管和粗管径盘管。
可用于本发明的变径预混盘管管径和燃料的流量没有特别限制，可根据燃烧重整预混一体化装置的大小进行设计或制造。通常，细管径盘管包绕于粗管径盘管的外围，且细管径盘管的直径为2-10mm，更佳地，为4-6mm，水流量为1-160g/min；粗管径盘管的直径为6-20mm，更佳地，为8-16mm，当甲烷和液态水通过原料进口进入细管径盘管后，经由燃烧器提供的热量加热，液态水逐渐经汽化成水蒸汽，并在体积膨胀后进入更粗管径的盘管。当然，变径预混盘管的直径还可以为渐变式或多级式，均可以用于液态水的加热。
本发明中，混合缓冲罐连接于变径预混盘管的远端，其内部可填充导热材料以缓冲混合气体并进一步使其加热。可用于本发明混合缓冲罐的导热材料和大小均没有特殊限制，其中，导热材料可以为任何导热快速且能形成气流缓冲作用的材料，比如，金属或其他导热介质，优选的，所述金属或导热介质材料呈蜂窝状、网状或多孔状；混合缓冲罐的大小可以根据燃烧重整预混一体化装置的大小进行设计或制造，如50-102mm。
可用于本发明汽化预混腔的原料气体包括甲烷或天然气。甲烷或天然气可直通缓冲罐，或与水进口共同通向变径盘管。在另一优选例中，原料气体可直接进入混合缓冲罐，并与水蒸气充分混合后，进入重整器进行重整反应。
在本发明总，原料气体与水蒸气的比例可以经气源或流量计根据重整反应物的水碳比(水蒸汽与天然气的摩尔比为1到5之间)的不同需要进行调节。在另一优选例中，该燃烧重整汽化预混装置可以用于燃料电池系统中将天然气重整制得的氢供燃料电池发电用。
重整腔
在本发明中，所述的重整腔包括混合气体出口、重整列管以及重整产物出气口，且所述的混合气体出口、重整列管以及重整产物出气口按序相互连通。
其中，所述的混合气体出口及重整列管间设有气体分流盘，其中，所述气体分流盘用于收集自混合缓冲罐内流出的混合气体，并将所述的混合气体排入重整列管；和/或
所述的重整列管及重整产物出气口间设有气体集流盘，所述的气体集流盘用于收集重整列管中的重整气体，并将所述的重整气体排入重整产物出气口。
在本发明中，所述的气体分流盘或气体集流盘上各设n个通孔，n为2-16的正整数，且气体分流盘与气体集流盘的通孔由所述重整列管相连通。而重整列管的数量可以根据分流盘或集流盘的通孔设计；在一优选例中，所述的通孔在气体分流盘或集流盘上均匀分布，且所述的重整列管围绕分流盘和集流盘的中心线均匀布置。其中，所述重整列管数量为n个，其中n=2-16的正整数。重整管数目可2-26根，在一优选例中，所述重整列管数为6-16根
为了能使重整列管内部的重整气体的换热和重整反应更充分，优选在所述的重整列管的管壁设有外螺纹结构，从而加大重整气体的换热面积。
可用于本发明的重整列管的大小没有特殊限制，可以包括各种适合于本发明装置的大小，通常，其大小为10-50mm*250mm-700mm，更佳地，所述的重整列管为18-28*330-465mm。
在本发明中，重整腔上部通向预混腔，其间以水蒸气和天然气的混合气进气口经分流盘连接，下部通向燃烧器，其间以集流盘连接。气体分流盘中的混合气体通过通孔进入各重整列管进行重整反应，各重整列管中反应产生的重整产物气体通过集流盘收集，并通过出气口排出。
此外所述的重整腔还设有温控仪，通过温控仪可以反馈重整管内反应温度，来控制燃烧器的燃烧进口燃料。重整反应后的混合气输送入燃料电池堆的阳极中进行反应使用。
燃料电池系统
本发明燃料电池系统包括本发明燃烧重整预混一体化装置以及燃料电池、空压机，分水器及水箱、计量泵、各类阀控及温控装置。
应用
本发明燃烧重整预混一体化装置可用于小规模制氢，也可用于燃料电池系统的外重整，从而不存在储氢和运输问题，只要给燃料电池系统的重整预混一体化装置接上天然气，就能源源不断地输出电能。该系统可作为一种安全、环保、可靠性佳且结构紧凑、合理布置的便携式或分布式燃料电池发电装置。燃料电池分布式热电联产系统在区域性用能网络中可以为网络服务器、电信设备、住宅小区、医院、银行等提供稳定电源，同时提供廉价热源。其市场规模较大和用户承受能力适中，具有良好的市场应用前景和商业价值。
本发明的有益效果
本发明提供了一种燃料电池用燃烧能量梯级利用的重整反应装置。该装置通过将燃烧器的烟气膨胀腔设于重整腔及汽化预混腔的外围，使燃烧室产生的热能依次经过重整腔、和水-甲烷预混腔进行多次梯级热交换，将燃烧、汽化、预热、混合、重整等多功能集成于一体，且结构简单，能够满足小型化的要求，省去了蒸汽发生器，提高装置的集成度。燃烧室的高品质热量首先被用于为外围的重整反应供热，剩余的热量则被进一步用于预热甲烷并汽化水，实现了能量的梯级利用，实现了系统效率最大化。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种燃料电池系统用燃烧重整预混一体化装置，其特征在于，所述的装置自下而上地连接设有燃烧器、重整腔以及汽化预混腔；其中
所述的重整腔包括混合气体出口、重整列管以及重整产物出气口，且所述的混合气体出口、重整列管以及重整产物出气口按序相互连通；以及
所述的混合气体出口及重整列管间设有气体分流盘，所述气体分流盘用于收集自混合缓冲罐内流出的混合气体，并将所述的混合气体排入重整列管；和/或
所述的重整列管及重整产物出气口间设有气体集流盘，其中，所述的气体集流盘用于收集重整列管中的重整气体，并将所述的重整气体排入重整产物出气口。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的燃烧器还包括烟气膨胀腔，且所述烟气膨胀腔设于燃烧器上部，向上延伸并包围所述重整腔以及汽化预混腔。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的燃烧器还包括燃料进口、空气进口和燃料-空气混合腔，且燃料进口、空气进口和燃料-空气混合腔与所述的烟气膨胀腔相互连通。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的燃料-空气混合腔包括初混腔和终混腔，且所述的燃料进口的燃烧器端伸入初混腔中。
5.如权利要求1-4任一所述的装置，其特征在于，所述的汽化预混腔包括原料进口、变径预混盘管、混合缓冲罐以及混合气体出口，其中，所述原料进口、变径预混盘管、混合缓冲罐以及混合气体出口按序互相相通。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述的变径预混盘管的直径由进口-出口方向增粗；和/或
所述的变径预混盘管至少包括两种直径。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的重整列管围绕分流盘和集流盘的中心线均匀布置。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的气体分流盘或气体集流盘上各设n个通孔，n为2-16的正整数，且气体分流盘与气体集流盘的通孔由所述重整列管相连通。
9.一种燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括如权利要求1所述的燃烧重整预混一体化装置以及燃料电池、空压机，分水器及水箱、计量泵、各类阀控及温控装置。
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