[发明专利]一种SOFC系统用燃烧能量梯级利用的重整反应装置及发电系统

说明书

技术领域

本发明涉及热处理技术及催化领域，具体地，本发明涉及一种SOFC系统用燃烧能量梯级利用的重整反应装置，以及应用此重整反应装置的SOFC发电系统。

背景技术

固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell）系统，即SOFC发电系统，是一种新型发电装置，属于第三代燃料电池，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。

SOFC发电系统作为将燃料从化学能转变成电能和热能的能量转换装置，其高效率、无污染、全固态结构等优点，已经使其成为最具有潜力的重要能量转换工具之一。SOFC发电系统在燃料效率、排放、维修和噪声污染方面都有很大优势。

典型的SOFC热电联产系统包括燃料处理系统、SOFC本体发电系统、直交流电转化系统、余热回收系统，所需要的设备包括压缩机、蒸汽发生器、重整反应器、换热器以及燃烧器等。

气体燃料或液体燃料在进入电池堆发生电化学反应之前，一般都需要转化为H₂和CO的合成气，以天然气为原料的燃料电池，通常选用水蒸气重整的方式(CH₄+H₂O→CO+3H₂）实时制取氢气，该反应是一个强吸热反应（△H298K=+226kJ/mol)，其反应所需的热量则来自于燃烧器。燃烧器通过燃烧从SOFC电堆出来的阳极尾气来为整个系统提供热量，而对于SOFC系统来说，重整反应是这个能量的主要消费者。

根据重整反应发生在电池内部或外部，可以分为内重整和外重整。内重整容易造成电极各处温度分布不均且有积碳反应发生，从而导致电池功率密度大幅度下降。通过在电池外部附加专门的重整反应器的外重整技术发展的较为成熟，是世界上已有燃料电池应用系统最主流的制氢方式。

目前的重整反应装置主要是由分立式的重整反应器和尾气燃烧器组成，通过SOFC电堆尾气燃烧所产生的高温烟气冲刷重整反应器的壁面完成热交换，进而对重整反应进行供热。这种换热方式的瓶颈在于高温烟气冲刷重整反应器壁面的换热系数较低，为达到预期的换热效果，就必须有较大的换热面积，从而造成这种分立式的重整反应装置体积庞大，系统集成度低，且易与装置系统中其它部件产生结构干涉。

另一方面，重整反应所需的原料为天然气和水蒸汽。为了使重整反应能够达到较高的反应效率，原料在进入重整器进行反应之前还需要经过原料预混器，使天然气和水蒸汽充分地混合预热。另外，还需要通过蒸汽发生器将液态水加热产生所需的水蒸汽。

综上所述，本领域迫切需要开发一种体积小，装置简易，高效率的重整反应装置。

发明内容

本发明提供了一种体积小、热效率高的重整反应装置。

本发明的第一方面，提供了一种固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell,SOFC）系统用燃烧能量梯级利用的重整反应装置，所述装置包括燃气-空气预混器、燃烧室和位于燃烧室外围的重整腔，还包括：预重整烟气辐射腔和预重整腔；

其中，所述的燃烧室与燃气-空气预混器相连通；

所述的预重整烟气辐射腔与燃烧室相连通；并且

所述的预重整腔位于预重整烟气辐射腔的外围，且预重整腔与重整腔相连通。

在另一优选例中，所述装置还包括水-甲烷预混器和汽化预热腔。

在另一优选例中，所述的汽化预热腔与预重整烟气辐射腔相连通；所述的水-甲烷预混器位于汽化预热腔之内并与预重整腔相连通。

在另一优选例中，所述装置还具有以下一个或多个特征：

所述的燃烧室位于燃气-空气预混器之上；

所述的预重整烟气辐射腔位于燃烧室之上；和/或

预重整腔位于重整腔之上。

在另一优选例中，所述的燃烧室还包括填充的多孔介质体。

在另一优选例中，所述的多孔介质体的孔径和分布密度按燃气-空气混合气流自上游至下游的流向由小到大渐变分布。

在另一优选例中，所述的多孔介质体的孔径为30-120mm，和/或所述的多孔介质体的孔分布密度为60PPI-10PPI。

在另一优选例中，所述多孔介质体的四周是经封边处理的。

在另一优选例中，所述的多孔介质体包括SiC、ZrO₂或Al₂O₃泡沫陶瓷。

在另一优选例中，在所述的多孔介质体和燃烧室外壁之间的空隙处填充有SiC或Al₂O₃质浆料。