一种应用于SOFC系统中的燃烧器的制作方法

本发明涉及燃烧器技术领域，特别是涉及一种应用于sofc系统中的燃烧器。

背景技术：

固体氧化物燃料电池(sofc)是一种能源转换效率不受卡诺循环限制的发电方式，具有高效，安全，适用范围广的优点，目前受到越来越广泛的关注。固体燃料电池的电转换效率可以达到65％以上，在分布式能源船舶，车辆动力能源领域具有广阔的应用前景。

燃烧器作为固体氧化物燃料电池中热平衡系统的核心部件是固体氧化物燃料电池系统设计的难点。燃烧器在系统升温阶段作为系统的热源实现系统的整体升温，使得电堆满足发电工况条件的要求；在系统的发电工况，燃烧器将电堆的尾气进行燃烧，实现系统的燃料利用率达到85％以上。sofc系统在升温阶段的气体成分多变，不同升温阶段具有不同的过量空气系数，工况之间的切换导致燃烧因为燃气成分波动出现不稳定的现象，影响系统的整体运行；在系统的发电运行阶段，由于进入燃烧器的气体成分是电堆中未反应充分的尾气，阳极气体的热值很低，阴极气体中的氧气成分低于16％，因此如何实现气体成分均匀、稳定，流量波动小，保证燃烧器中气体的充分和稳定的燃烧是燃烧器系统结构设计的难点。

但是在现有适用于sofc系统的燃烧器的结构中，空气和燃气两种气体是从进气口通过管道直接进入混合腔室，于此，两种气体会在混合腔室入口处以及腔室内出现互相扰动等不稳定现象，使得气体流量的波动大，稳定性变差并且还会使得两种气体在腔室内混合不均匀，从而在后续的燃烧过程中出现因为局部燃气浓度过高导致的部件局部超温现象，壁面超温问题会导致燃烧器结构失效。因此，实现燃烧器的燃气和空气分配均匀是保证燃烧稳定的前提条件。

并且由于sofc系统对于燃烧器结构压损的要求，对于燃烧器燃气部分分配的压损和空气部分分配的压损均不能超过1000pa，燃烧器结构压损的限制条件影响到气流的分配均匀性设计要求，因此在燃烧器的流量分配结构设置和燃气以及空气混合结构设计方面造成一定困难。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种应用于sofc系统中的燃烧器，能够保证燃气和空气的流量稳定、混合均匀。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种应用于sofc系统中的燃烧器，包括第一管体和第二管体，所述第一管体的管壁上设置有第一腔体；所述第二管体安装于所述第一管体内部，且所述第二管体的管壁上设置有第二腔体；其中，所述第一管体的管壁和第二管体的管壁之间设置有混合腔体；所述第一腔体上分别开设有多个第一进气孔和多个第一出气孔，所述第一出气孔与所述混合腔体连通；所述第二腔体上开设有多个第二进气孔和多个第二出气孔，所述第二出气孔与所述混合腔体连通。

优选地，所述第一腔体包括第一顶板和第一腔板，所述第一顶板安装于所述第一腔板上，所述第一腔板、第一顶板与所述第一管体的管壁形成密封的第一腔体；所述第一进气孔开设于所述第一顶板上。

优选地，所述第一腔板套设在所述第一管体外，所述第一出气孔开设于所述第一管体上。

优选地，所述第一腔板设置在所述第一管体内，所述第一出气孔开设于所述第一腔板上。

优选地，所述第二腔体包括第二顶板和第二腔板，所述第二顶板安装于所述第二腔板上，所述第二腔板、第二顶板与所述第二管体的管壁形成密封的第二腔体，所述第二进气孔开设于所述第二顶板上。

优选地，所述第二腔板套设在所述第二管体外，所述第二出气孔开设于所述第二腔板上。

优选地，所述第二腔板设置在所述第二管体内，所述第二出气孔开设于所述第二管体上。

优选地，所述第一顶板和第二顶板通过第三顶板连接成顶板，所述顶板为一体成型结构，所述第一管体管壁、第二管体管壁和第三顶板形成混合腔体。

优选地，所述第二出气孔的高度大于所述第一出气孔的高度。

优选地，所述第一出气孔的孔径为1～6mm；所述第二出气孔的孔径为2～8mm。更优选地，所述第一出气孔的孔径为4～6mm，可以是4mm、5mm和6mm；所述第二出气孔的孔径为6～8mm，可以是6mm、7mm和8mm。

优选地，所述第一出气孔设置有两行，两行所述第一出气孔交错布置；所述第二出气孔设置有多行。

优选地，两行所述第一出气孔的间距为4～12mm；同一行上的相邻两个所述第一出气孔的间距为8～14mm。更优选地，两行所述第一出气孔的间距为10～12mm，可以是10mm、11mm和12mm；所述同一行上的相邻两个所述第一出气孔的间距为12～14mm，可以是12mm、13mm和14mm。

优选地，相邻两行所述第二出气孔的间距为4～16mm；同一行上的相邻两个所述第二出气孔的间距为4～16mm。更优选地，相邻两行所述第二出气孔的间距为14～16mm，可以是14mm、15mm和16mm，同一行上的相邻两个所述第二出气孔的间距为12～14mm，可以是12mm、13mm和14mm。

优选地，两行所述第一出气孔的间距与所述第一出气孔的孔径比值为(1～5)：1，同一行上相邻两个所述第一出气孔的间距与所述第一出气孔的孔径比值为(1～4)：1；相邻两行所述第二出气孔的间距与所述第二出气孔的孔径比值为(1～4)：1，同一行上相邻两个所述第二出气孔的间距与所述第二出气孔的孔径比值为(1～5)：1。

本发明具有以下有益效果：

本发明的应用于sofc系统中的燃烧器通过设置第一腔体和第二腔体，第一腔体设置有第一进气孔和第一出气孔，用于通入燃气，并将燃气均匀通入到混合腔体内，而第二腔体同样设置有第二进气孔和第二出气孔，用于通入空气，将空气均匀通入到混合腔体内，使得燃气和空气流量稳定，且混合均匀；燃气和空气的流量波动控制在10％以内，燃气部分压损和空气部分压损均不能超过1000pa，保证燃气和空气的均匀混合，避免了在后续的燃烧过程中出现因为局部燃气浓度过高导致的部件局部超温现象以及燃烧器结构失效的情况发生。

附图说明

图1是本发明实施例提供的应用于sofc系统中的燃烧器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的应用于sofc系统中的燃烧器的爆炸图；

图3是本发明实施例提供的应用于sofc系统中的燃烧器的内部结构示意图；

图4是本发明实施例提供的应用于sofc系统中的燃烧器的顶板的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的应用于sofc系统中的燃烧器的剖面图。

附图标记：1、第一管体；101、第一出气孔；2、第一腔体；201、第一腔板；3、第二管体；4、第二腔体；401、第二腔板；402、第二出气孔；5、顶板；501、第一进气孔；502、第二进气孔；503、第一顶板；504、第二顶板；505、第三顶板；6、进气管；7、混合腔体；8、连接杆。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

参见图1～3和图5，本发明优选实施例提供一种应用于sofc系统中的燃烧器，包括第一管体1和第二管体3，所述第一管体1的管壁上设置有第一腔体2；所述第二管体3安装于所述第一管体1内部，且所述第二管体3的管壁上设置有第二腔体4；其中，所述第一管体1的管壁和第二管体3的管壁之间设置有混合腔体7；所述第一腔体2上分别开设有多个第一进气孔501和多个第一出气孔101，所述第一出气孔101与所述混合腔体7连通；所述第二腔体4上开设有多个第二进气孔502和多个第二出气孔402，所述第二出气孔402与所述混合腔体7连通。

需要说明的，第一管体1和第二管体3通过多根连接杆8连接，且第一管体1与第二管体3的圆心位于同一竖直线上。高温的进气温度对于燃烧器材料的选择有较高的要求，本发明燃烧器使用的材料是耐高温镍基合金，耐受的最高温度可达1200℃。

基于上述方案，本发明优选实施例的应用于sofc系统中的燃烧器的工作原理：燃气由第一进气孔501进入到第一腔体2中，通过第一出气孔101的均匀分流进入混合腔体7内；空气通过第二进气孔502进入第二腔体4内，后通过第二出气孔402的均匀分流进入到混合腔体7内，最终燃气和空气在混合腔体7内进行混合，由于第一出气孔101和第二出气孔402的的分流作用，燃气和空气两种气体流量均匀稳定，并且可以在混合腔室进行均匀的混合，保证了气体成分的均匀稳定。混合均匀后的气体充分反应，反应后产生的废气经燃烧器出口排出。

作为优选方案，所述第一腔体2包括第一顶板503和第一腔板201，所述第一顶板503安装于所述第一腔板201上，所述第一腔板201、第一顶板503与所述第一管体1的管壁形成密封的第一腔体2；所述第一进气孔开设于所述第一顶板503上。

具体的，所述第一腔体2通过第一腔板201、第一顶板503和第一管体1组合而成，既结构简单，组装方便快捷，又便于后续维护更换。

作为优选方案，所述第一腔板201套设在所述第一管体1外，所述第一出气孔101开设于所述第一管体1上。

作为优选方案，所述第一腔板201设置在所述第一管体1内，所述第一出气孔101开设于所述第一腔板201上。

作为优选方案，所述第二腔体4包括第二顶板504和第二腔板504，所述第二顶板504安装于所述第二腔板401上，所述第二腔板401、第二顶板504与所述第二管体3的管壁形成密封的第二腔体4，所述第二进气孔开设于所述第二顶板504上。

具体的，所述第二腔体4通过第二腔板401、第二顶板504和第二管体3组合而成，既结构简单，组装方便快捷，又便于后续维护更换。

作为优选方案，所述第二腔板401套设在所述第二管体3外，所述第二出气孔402开设于所述第二腔板401上。

作为优选方案，所述第二腔板401设置在所述第二管体3内，所述第二出气孔402开设于所述第二管体3上。

值得说明的，综上所述，本发明的燃烧器的第一腔体2和第二腔体4具有拥有四种组合情况，具体的，包括：

第一种情况：所述第一腔板201设置于所述第一管体1的外侧，所述第二腔板401设置于所述第二管体3的外侧；所述第一出气孔101开设于所述第一管体1上；所述第二出气孔402开设于所述第二腔板401上；

第二种情况：所述第一腔板201设置于所述第一管体1的内侧，所述第二腔板401设置于所述第二管体3的外侧；所述第一出气孔101开设于所述第一腔板201上；所述第二出气孔402开设于所述第二腔板401上；

第三种情况：所述第一腔板201设置于所述第一管体1的内侧，所述第二腔板401设置于所述第二管体3的内侧；所述第一出气孔101开设于所述第一腔板201上；所述第二出气孔402开设于所述第二管体3上；

第四种情况：所述第一腔板201设置于所述第一管体1的外侧，所述第二腔板401设置于所述第二管体3的内侧；所述第一出气孔101开设于所述第一管体1上；所述第二出气孔402开设于所述第二管体3上。

参见图4，作为优选方案，所述第一顶板503和第二顶板504通过第三顶板505连接成顶板5，所述顶板5为一体成型结构，所述第一管体1管壁、第二管体3管壁和第三顶板5形成混合腔体7。具体的，通过第三顶板505将第一顶板503与第二顶板504连接成一体成形的顶板5，简化了整体的结构，使得整体的结构组装更加方便简单。

作为优选方案，所述第二出气孔402的高度大于所述第一出气孔101的高度。具体的，第二出气孔402的高度大于第一出气孔101的高度，可以防止空气从第二出气孔402通过第一出气孔101进入第一腔体2内燃烧，形成回火，且空气作为高温工况下的冷却气体在第一出气孔101的上方可以防止混合腔体7中气体燃烧产生的高温对顶板5产生高温腐蚀作用。

作为优选方案，所述第一出气孔101的孔径为1～6mm；所述第二出气孔402的孔径为2～8mm。更优选地，所述第一出气孔101的孔径为4～6mm，可以是4mm、5mm和6mm；所述第二出气孔402的孔径为6～8mm，可以是6mm、7mm和8mm。

作为优选方案，所述第一出气孔101设置有两行，两行所述第一出气孔101交错布置；所述第二出气孔402设置有多行。具体的，两行所述第一出气孔101交错布置是因为上方一行的第一出气孔101处释放的燃气燃烧消耗空气后，会导致下方一行的燃气氧料不够，导致因为燃气富余发生燃烧效率降低和局部热点的后果，因此两行的燃气孔需要交错布置，保证每个燃气孔的氧气配比充足。

作为优选方案，两行所述第一出气孔101的间距为4～12mm；同一行上的相邻两个所述第一出气孔101的间距为8～14mm。更优选地，两行所述第一出气孔101的间距为10～12mm，可以是10mm、11mm和12mm；所述同一行上的相邻两个所述第一出气孔101的间距为12～14mm，可以是12mm、13mm和14mm。

具体的，第一出气孔101分布为设2排，每排50个，孔径为4mm；第一腔体2的周长为600mm，左右孔按腔室环形轮廓周长等距分布，左右孔距为12mm，上下孔之间交错均匀排布，上下孔距为10mm。

作为优选方案，相邻两行所述第二出气孔402的间距为4～16mm；同一行上的相邻两个所述第二出气孔402的间距为4～16mm。更优选地，相邻两行所述第二出气孔402的间距为14～16mm，可以是14mm、15mm和16mm，同一行上的相邻两个所述第二出气孔402的间距为12～14mm，可以是12mm、13mm和14mm。

具体的，第二出气孔402分布为3排128列，孔径为6mm，第二腔体4的周长为1792mm，列与列之间按腔室环形轮廓周长等距分布，左右孔距为14mm，上下孔距为12mm。

作为优选方案，两行所述第一出气孔101的间距与所述第一出气孔101的孔径比值为(1～5)：1，同一行上相邻两个所述第一出气孔101的间距与所述第一出气孔101的孔径比值为(1～4)：1；相邻两行所述第二出气孔402的间距与所述第二出气孔402的孔径比值为(1～4)：1，同一行上相邻两个所述第二出气孔402的间距与所述第二出气孔402的孔径比值为(1～5)：1。

进一步的，测试第一出气孔101的间距、孔径对流量波动和压损影响，测试结果如表一：

表一

进一步的，测试第二出气孔402的间距、孔径对流量波动和压损影响，测试结果如表二：

表二

本发明的工作原理为：燃气由第一进气孔501进入到第一腔体2中，通过第一出气孔101的均匀分流进入混合腔体7内；空气通过第二进气孔502进入第二腔体4内，后通过第二出气孔402的均匀分流进入到混合腔体7内，最终燃气和空气在混合腔体7内进行混合，由于第一出气孔101和第二出气孔402的分流作用，燃气和空气两种气体流量均匀稳定，并且可以在混合腔室进行均匀的混合，保证了气体成分的均匀稳定。混合均匀后的气体充分反应，反应后产生的废气经燃烧器出口排出。

综上，本发明优选实施例提供一种应用于sofc系统中的燃烧器，其与现有技术相比：

本发明的应用于sofc系统中的燃烧器通过设置第一腔体2和第二腔体4，第一腔体2设置有第一进气孔501和第一出气孔101，用于通入燃气，并将燃气均匀通入到混合腔体7内，而第二腔体4同样设置有第二进气孔502和第二出气孔402，用于通入空气，将空气均匀通入到混合腔体7内，使得燃气和空气流量稳定，且混合均匀；流量的波动控制在10％以内，燃气部分压损和空气部分压损均不能超过1000pa，保证燃气和空气的均匀，避免了在后续的燃烧过程中出现因为局部燃气浓度过高导致的部件局部超温现象以及燃烧器结构失效的情况发生。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。