[发明专利]改进的CPOX燃料重整器和SOFC系统

说明书

一种固体氧化物燃料电池（SOFC）系统，包括作为大致连续的导热路径而形成的热区围壁，各围壁包含导热系数大于100 W/(m·K)的材料。SOFC还包括CPOX反应器，CPOX反应器包括作为导热路径而形成的燃料反应器主体，其包含导热系数大于100 W/(m·K)的材料。燃料反应器主体将CPOX反应产生的热能传导出系统，传导至支撑在环境空气中的散热凸缘。凸缘被配置成从燃料反应器主体中散出足够的热能，使燃料反应器主体维持在约100°C至250°C的范围内。任选地设置了风机，用以对散热凸缘进行冷却。

1 版权声明

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2 发明背景

2.1 技术领域

本文描述的示例说明性技术涉及固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）系统，特别地涉及可用于通过部分氧化或催化部分氧化对碳氢燃料进行重整的燃料加工器反应器的结构特征和操作方法。更具体地，该技术涉及作为改进燃料加工器性能的手段的热能管理。

2.2 相关领域

用于通过电化学过程产生电能的固体氧化物燃料电池（SOFC）系统通常包括燃料加工器，燃料加工器被配置成将各种碳氢燃料进料（如丙烷、甲烷、煤油）中的任何一种转化为在产生电流的电化学反应中更容易与固体氧化物燃料电池电极发生反应的燃料成分。理想地，可操作燃料加工器以利用无焰燃烧或优选地无焰催化燃烧将各种碳氢燃料空气混合物转化为氢和一氧化碳的混合物。无焰燃烧技术的优点包括：能对各种类型的燃料进行重整、燃料加工器中温度分布均匀、降低燃料重整器的结构中的热应力、延长重整器和气封的寿命以及减少排气中不需要的氮氧化物（NOX）的排放。

示例的常规燃料加工器反应器包括部分氧化（POX）和催化部分氧化（CPOX）反应器，其各自用于通过无焰燃烧的放热过程将碳氢燃料和空气的混合物重整为适合的SOFC燃料。CPOX反应器通常包括安装在支撑基底上的催化剂。在常规CPOX反应器中，支撑基底通常是形成有内部通道的多孔陶瓷材料，燃料空气混合物通过内部通道从多孔材料的一个外部表面传到相对的外部表面。内部通道的内部表面上形成有催化剂层。随着被加工的燃料空气混合物流过多孔材料，燃料空气混合物与催化剂层接触，导致在多孔材料内发生无焰燃烧。由于无焰燃烧，燃料被转化为期望的氢和一氧化碳的混合物，如合成气，其中主要副产品为热能，热能在无焰燃烧期间放出。

另一示例催化剂支撑结构包括由多个单独网板元件形成的丝网或编织网基底，多个单独网板元件一个堆叠在另一个上形成统一的多孔基底。对于丝网或编织网元件，每个网板或元件的表面上面均涂覆有催化剂层。随着燃料流过堆叠的网板元件，燃料与催化剂层相互作用，引发无焰燃烧，并且燃料被转化为期望的氢和一氧化碳的混合物，其中主要副产品为热能，热能在无焰燃烧期间放出。

燃料重整器存在的典型问题是，多孔基底内发生的放热反应（无焰燃烧）产生的热能会将未加工燃料进料的温度加热至其自燃温度，使燃料在到达催化剂或催化剂支撑结构的内侧通道之前就点燃。当发生这种情况时，点燃的燃料被部分转化为二氧化碳（CO₂），其与多孔基底内形成的催化剂层发生反应并对其造成损坏，最后降低燃料重整器效率，并最终使催化剂层不可用。虽然已知的是在CPOX反应器的入口附近放置阻火器来抑制未加工燃料空气混合物进料火焰点火，但阻火器会增加成本，增加流阻，并对任何燃料重整效益没有实际贡献。