[发明专利]一种气体混合器及固体氧化物燃料电池发电系统

说明书

本申请提供了一种气体混合器及固体氧化物燃料电池发电系统。气体混合器包括引射混合器和缓冲混合器，引射混合器具有第一腔体、第一进气口、第二进气口和第一混合气体出口，第一腔体包括收缩段和扩张段，第一腔体周向设置有多个连通第二进气口的引射口；缓冲混合器具有沿轴向延伸的第二腔体和第二混合气体出口，第二腔体的截面尺寸大于第一腔体的最大截面尺寸。第一腔体还包括混合段并设有叶片旋流器；引射口的穿设方向和轴向交错布置，且向前倾斜，使从引射口喷出的第二气体形成旋流。固体氧化物燃料电池发电系统包括气体混合器、固体氧化物燃料电池、水蒸气发生器和重整器。本申请可实现充分、均匀、低压损、低气体组分波动的气体混合功能。

技术领域

本申请涉及混合器领域和燃料电池技术领域，尤其涉及一种气体混合器及固体氧化物燃料电池发电系统。

背景技术

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)具有效率高、燃料适应性好等优点。SOFC可使用的燃料范围较广，通常固体氧化物燃料电池系统采用水蒸气催化重整的方式将天然气、煤油等燃料和水蒸气转化为氢气、一氧化碳供SOFC发电。若重整器进口处燃料气、水蒸气混合不均匀或因水蒸气流量波动造成重整器进口气体组分突变，会造成重整器内反应时局部水碳比过高或过低从而引发催化剂失活，影响整体重整效率。

因此固体氧化物燃料电池重整器前需要燃料气-水蒸气混合器以实现两者充分、均匀、低组分波动的混合。目前国内外针对SOFC重整器进口端气体混合器的研究较少，通用的气体混合器采用的气体混合方式主要为射流混合，如专利文献CN212089251U、CN205613296U、US2013343147等提供的技术方案中，副气体从混合壳体的进气管以喷射的方式进入混合腔与主气体发生混合。这类混合方式的弊端在于需要借助外部动力，混合阻力大，气体压头衰减较大。

而专利文件CN114738748A、CN216841974U等采用引射效应使不同压力的两股流体相互混合，不需要为被引射的气体设置外置的动力，节省能源。但这些通用的气体混合器较少考虑气体进口端的流量波动对混合气体组分带来的影响，运用在固体氧化物燃料电池系统中存在混合气体组分容易出现突变的不足。

发明内容

针对现有技术存在的以上不足之处，本申请的目的在于提供一种压损小、可降低进口端的流量波动对混合气体的组分产生的影响、气体混合充分均匀的气体混合器，以及基于该气体混合器的固体氧化物燃料电池发电系统。

为了实现上述目的，本申请提供了以下技术方案。

一种气体混合器，包括：引射混合器，具有第一腔体、第一进气口、第二进气口和第一混合气体出口，所述第一腔体包括沿所述引射混合器的轴向依次设置的收缩段和扩张段，所述收缩段的入口构成第一进气口，所述第一腔体的腔壁上沿周向分布设置有多个引射口，所述引射口连通至至所述第二进气口；缓冲混合器，具有沿所述轴向延伸的第二腔体，所述第二腔体具有混合气体进气口和第二混合气体出口，所述第一混合气体出口与所述混合气体进气口连通，所述第二腔体的截面尺寸大于所述第一腔体的最大截面尺寸。

在一些实施方式中，所述第一腔体还包括混合段，所述混合段设置于所述扩张段和所述第一混合气体出口之间；所述混合段呈圆柱形且截面尺寸大于所述第一进气口的截面尺寸；所述第二腔体呈圆柱形，所述引射混合器、所述第二腔体、所述混合气体进气口、所述第二混合气体出口共轴设置。

在一些实施方式中，所述第一混合气体出口处设置有叶片旋流器，用于产生绕所述轴向的旋流。

在一些实施方式中，所述第二腔体的直径D根据所述第一进气口的半径R₁和所述叶片旋流器的旋流数S^′确定：D＝α×R₁×S^′，其中α为调整系数且取值范围为16～20，所述旋流数的取值范围为0.5～0.6；所述第二腔体的长度等于直径D或在直径D的±10％范围内设置。