背景技術(shù)：

燃料電池是直接由氧化燃料產(chǎn)生電力的電化學(xué)轉(zhuǎn)化裝置。燃料電池的特征在于它們的電解質(zhì)材料，例如，固體氧化物燃料電池(SOFC)具有固體氧化物電解質(zhì)或陶瓷電解質(zhì)。

目前，固體氧化物燃料電池的主要變型是管式固體氧化物燃料電池(T-SOFC)、平板式固體氧化物燃料電池(P-SOFC)和單片式(monolithic)固體氧化物燃料電池(M-SOFC)。

管式固體氧化物燃料電池包括具有內(nèi)電極和外電極的管式固體氧化物電解質(zhì)構(gòu)件。通常，內(nèi)電極為陰極，外電極為陽(yáng)極。氧化劑氣體被供應(yīng)至管式固體氧化物電解質(zhì)構(gòu)件的內(nèi)部中的陰極，燃料氣體被供應(yīng)至管式固體氧化物電解質(zhì)構(gòu)件的外表面上的陽(yáng)極。(這可以倒序)。管式固體氧化物燃料電池允許簡(jiǎn)單的電池堆疊布置并且基本上完全沒(méi)有密封。然而，這種類(lèi)型的固體氧化物燃料電池的制造非常復(fù)雜、耗費(fèi)人力且成本高。此外，這種類(lèi)型的固體氧化物燃料電池由于通過(guò)相對(duì)大直徑的管式電池的長(zhǎng)電流傳導(dǎo)路徑而具有相對(duì)低的功率密度。

單片式固體氧化物燃料電池具有兩個(gè)變型。第一變型具有電極在其兩個(gè)主表面上的平板式固體氧化物電解質(zhì)構(gòu)件。第二變型具有電極在其兩個(gè)主表面上的波紋板式固體氧化物電解質(zhì)構(gòu)件。單片式固體氧化物燃料電池適于更簡(jiǎn)單的流延成型制造工藝和壓延制造工藝，并且保證了較高的功率密度。這種類(lèi)型的固體氧化物燃料電池需要將整體中的所有燃料電池層從其生坯狀態(tài)共燒結(jié)。然而，這導(dǎo)致嚴(yán)重的收縮和開(kāi)裂問(wèn)題。這種類(lèi)型的固體氧化物燃料電池并非如此容易地多樣化和密封。

平板式固體氧化物燃料電池也適于流延成型制造工藝和壓延制造工藝。目前，其需要厚的(150微米至200微米)自支承固體氧化物電解質(zhì)構(gòu)件，這限制了性能。平板式固體氧化物燃料電池還具有有限的耐熱沖擊性。

固體氧化物燃料電池需要約500℃至約1100℃的操作溫度以保持低的內(nèi)電阻。

SOFC具有陽(yáng)極回路和陰極回路，向陽(yáng)極回路供應(yīng)燃料(通常為甲烷)流，并且向陰極回路供應(yīng)氧化劑(通常為空氣)流。保持這樣的高溫是一種挑戰(zhàn)，并且已經(jīng)提出了許多解決方案。

一種產(chǎn)生熱的有用方式是使在燃料流已經(jīng)通過(guò)SOFC堆的陽(yáng)極之后燃料流中仍然存在的任何燃料燃燒。燃燒室可以被用于在陽(yáng)極回路的出口處完成耗盡燃料的氧化。燃燒室還可以將來(lái)自陰極回路的熱氧化劑作為輸入。燃燒室通常被設(shè)計(jì)成在燃料和氧化劑流中產(chǎn)生非常有限的壓力損失。燃燒產(chǎn)物被噴射器夾帶并且被供給至熱交換器的熱側(cè)，其中新鮮燃料和/或氧化劑在熱交換器的冷側(cè)被預(yù)熱。

在一些已知的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)中，燃燒產(chǎn)物與新鮮氧化劑直接混合，然后被供應(yīng)至固體氧化物燃料電池的陰極以產(chǎn)生足夠的溫度升高，使得固體氧化物燃料電池處于所需的操作溫度。然而，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，存在于被供應(yīng)至固體氧化物燃料電池的陰極的燃燒產(chǎn)物中的一些燃燒產(chǎn)物(例如，蒸汽)對(duì)固體氧化物燃料電池的性能和耐久性是有害的。

WO 2007/128963公開(kāi)了一種燃料燃燒器，其包括具有第一密封邊緣和第二開(kāi)口邊緣的多個(gè)密封燃料管。燃料管基本上彼此平行地布置以形成多個(gè)氧化劑通道。燃料管和氧化劑通道被布置成使得燃料能夠與氧化劑混合以向燃燒器提供通過(guò)燃燒器的低壓降。然而，具有以錯(cuò)綜復(fù)雜的方式布置的多個(gè)燃料管板是昂貴的并且難以制造。

WO 2012/013460公開(kāi)了一種固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其包括固體氧化物燃料電池堆和燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮機(jī)被布置成將氧化劑供應(yīng)至固體氧化物燃料電池堆的陰極，并且燃料供應(yīng)器被布置成將燃料供應(yīng)至固體氧化物燃料電池堆的陽(yáng)極。該系統(tǒng)被布置為使得未使用氧化劑和未使用燃料被再循環(huán)并且被供給至燃燒室中。燃燒室被布置成供應(yīng)熱交換器的入口。熱交換器的優(yōu)點(diǎn)在于：其使得能夠在不使已被發(fā)現(xiàn)損害固體氧化物燃料電池的性能和耐久性的燃燒產(chǎn)物(例如，蒸汽)經(jīng)過(guò)的情況下將熱傳遞至固體氧化物燃料電池堆。燃燒室依靠自燃來(lái)點(diǎn)燃燃燒器。這需要環(huán)境燃燒器溫度超過(guò)燃料混合物的自燃溫度；自燃溫度為約600℃。這個(gè)要求對(duì)啟動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)施加了限制。此外，為了確保在點(diǎn)燃燃燒器發(fā)生故障期間無(wú)法形成爆炸性混合物，燃燒器需要復(fù)雜且昂貴的安全系統(tǒng)以使得能夠進(jìn)行燃燒器的點(diǎn)燃檢測(cè)。安全系統(tǒng)通常包括非常昂貴的安全臨界傳感器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)第一方面，提供了一種高溫燃料電池系統(tǒng)，其包括高溫燃料電池堆、壓縮機(jī)和渦輪機(jī)，高溫燃料電池堆包括至少一個(gè)高溫燃料電池，每個(gè)高溫燃料電池包括電解質(zhì)、陽(yáng)極和陰極，壓縮機(jī)被布置成將至少一部分氧化劑供應(yīng)至所述至少一個(gè)高溫燃料電池的陰極，燃料供應(yīng)器被布置成將燃料供應(yīng)至所述至少一個(gè)高溫燃料電池的陽(yáng)極，高溫燃料電池堆被布置成將來(lái)自所述至少一個(gè)高溫燃料電池的陰極的未使用氧化劑的第一部分供應(yīng)至噴射器，高溫燃料電池堆被布置成將來(lái)自所述至少一個(gè)高溫燃料電池的陽(yáng)極的一部分未使用燃料供應(yīng)至噴射器，壓縮機(jī)被布置成將一部分氧化劑供應(yīng)至噴射器，噴射器被配置成通過(guò)由壓縮機(jī)供應(yīng)的所述一部分氧化劑來(lái)夾帶未使用氧化劑和未使用燃料以形成未使用燃料和氧化劑的混合物。

有利地，未使用燃料和氧化劑的混合物可以被夾帶至噴射器外部的燃燒區(qū)用于未使用燃料和氧化劑的混合物的燃燒。

燃燒區(qū)可以被配置成將來(lái)自未使用燃料和氧化劑的混合物的燃燒的廢氣供應(yīng)至熱交換器的第一入口。

熱交換器可以被布置成將來(lái)自熱交換器的第一出口的至少一部分廢氣供應(yīng)至渦輪機(jī)。

來(lái)自壓縮機(jī)的所述至少一部分氧化劑和來(lái)自所述至少一個(gè)高溫燃料電池的陰極的未使用氧化劑的第二部分可以被供應(yīng)至熱交換器的第二入口以對(duì)被供應(yīng)至所述至少一個(gè)高溫燃料電池的陰極的氧化劑進(jìn)行預(yù)熱。

熱交換器可以被布置成將來(lái)自壓縮機(jī)的所述至少一部分氧化劑和來(lái)自所述至少一個(gè)高溫燃料電池的陰極的未使用氧化劑的第二部分從熱交換器的第二出口供應(yīng)至所述至少一個(gè)高溫燃料電池的陰極。

具有三個(gè)入口(即，來(lái)自壓縮機(jī)的氧化劑、來(lái)自陰極的未使用氧化劑和來(lái)自陽(yáng)極的未使用燃料)的噴射器的布置提供對(duì)未使用氧化劑和未使用燃料的非常高的剪切混合。噴射器由來(lái)自壓縮機(jī)的氧化劑驅(qū)動(dòng)，并且入口噴嘴的幾何形狀可以被配置成促進(jìn)貫穿噴射器的非常高的氣體速度。通過(guò)噴射器的混合過(guò)程如此迅速使得在噴射器自身內(nèi)沒(méi)有足夠的時(shí)間發(fā)生混合物中的能量傳遞，并且在燃料與氧化劑之間的能量傳遞中的毫秒延遲的時(shí)間足夠使未使用燃料和氧化劑的混合物離開(kāi)噴射器進(jìn)入下游燃燒區(qū)，未使用燃料和氧化劑的混合物隨后在下游燃燒區(qū)中燃燒。

由于存在如果混合過(guò)程不夠迅速則混合物可能在噴射器內(nèi)點(diǎn)燃的危險(xiǎn)，因此，重要的是噴射器能夠進(jìn)行高剪切混合。

三個(gè)入口的噴射器和獨(dú)立燃燒區(qū)的益處在于：噴射器使未使用燃料和氧化劑流在可能自燃之前完全預(yù)混合。未使用燃料和氧化劑的混合物在該預(yù)混合狀態(tài)下更有效地燃燒，并且有害的氮氧化物(NOx)氣體的釋放減少。

此外，通過(guò)在噴射器內(nèi)混合未使用燃料和氧化劑，由于噴射器執(zhí)行使未使用燃料和氧化劑混合并將混合物傳送至燃燒區(qū)的過(guò)程，因此可以從高溫燃料電池系統(tǒng)中省略燃燒室。

燃燒區(qū)可以是用于預(yù)混合的未使用燃料和未使用氧化劑的燃燒的空間或?qū)Ｓ每臻g。在噴射器中形成的混合物可以在燃燒區(qū)內(nèi)自燃。

空氣動(dòng)力學(xué)再循環(huán)區(qū)可以被設(shè)置在燃燒區(qū)中以使均勻非催化燃燒穩(wěn)定。

催化氧化反應(yīng)器可以位于噴射器和燃燒區(qū)的下游。催化氧化反應(yīng)器可以幫助高溫燃料電池系統(tǒng)的冷啟動(dòng)，主要針對(duì)預(yù)熱階段期間較低溫度下的點(diǎn)燃?；蛘?，可以使用點(diǎn)火器或電熱塞來(lái)替代催化氧化反應(yīng)器以在比自燃溫度更低的溫度下實(shí)現(xiàn)燃燒。

單催化床反應(yīng)器或雙催化床反應(yīng)器可以位于催化氧化反應(yīng)器的下游以完成一氧化碳?xì)怏w(CO)的氧化。

催化氧化反應(yīng)器和/或單催化床反應(yīng)器或雙催化床反應(yīng)器可以與熱交換器組合?；蛘撸瑹峤粨Q器可以用作用于CO轉(zhuǎn)化的第二催化床反應(yīng)器。

噴射器可以具有初級(jí)夾帶空間、次級(jí)夾帶空間、混合空間和排放空間。

初級(jí)夾帶空間可以具有用于初級(jí)氧化劑供應(yīng)器的第一入口。初級(jí)氧化劑供應(yīng)器可以驅(qū)動(dòng)來(lái)自陰極的未使用氧化劑和來(lái)自陽(yáng)極的未使用燃料的高剪切混合過(guò)程。

次級(jí)夾帶空間可以具有用于來(lái)自陰極的未使用氧化劑的第二入口和用于來(lái)自陽(yáng)極的未使用燃料的第三入口。

混合空間和排放空間將未使用燃料和氧化劑的混合物朝向燃燒區(qū)夾帶。由于可燃混合物的點(diǎn)燃延遲大于在噴射器中的駐留時(shí)間，因此，可燃混合物可以無(wú)轉(zhuǎn)化地離開(kāi)噴射器。

可以實(shí)現(xiàn)完全預(yù)混合燃燒，這可以使燃燒溫度最小并且使相關(guān)聯(lián)的NOx產(chǎn)生最少。通過(guò)降低燃燒溫度，部件的壽命通常被最大化，這是因?yàn)樗鼈兘?jīng)受更少的熱應(yīng)力。

此外，噴射器再循環(huán)性能可以受益于來(lái)自初級(jí)氧化劑供應(yīng)器的較冷的夾帶流。

燃燒區(qū)可以利用三級(jí)夾帶空間的突然膨脹而在噴射器的出口處是一體化的(integrated)。在從噴射器的出口至燃燒區(qū)突然膨脹時(shí)，燃燒區(qū)的上游端的橫截面積是噴射器的出口的橫截面積的至少兩倍。創(chuàng)建一體化燃燒區(qū)的突然膨脹可以創(chuàng)建類(lèi)似于短突擴(kuò)擴(kuò)壓器(dump diffuser)的局部流動(dòng)再循環(huán)?？扇蓟旌衔锏牧鲃?dòng)路徑可能在流動(dòng)場(chǎng)中經(jīng)歷漩渦，這可能導(dǎo)致可燃混合物在燃燒區(qū)中的駐留時(shí)間增加?？扇蓟旌衔镌谌紵齾^(qū)中的駐留時(shí)間增加的益處在于：增加的駐留時(shí)間使得燃燒反應(yīng)能夠保持在受限區(qū)域中例如在燃燒區(qū)內(nèi)，并且避免燃燒向燃燒區(qū)下游傳播的可能性。燃燒向燃燒區(qū)下游傳播的可能性的降低提供了更安全的燃料電池系統(tǒng)。

另外的燃料供應(yīng)可以被布置成將燃料供應(yīng)至噴射器。所述另外的燃料供應(yīng)在高溫燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)被使用。

高溫燃料電池堆可以是固體氧化物燃料電池堆或熔融碳酸鹽燃料電池堆。

根據(jù)第二方面，提供了一種用在高溫燃料電池系統(tǒng)中的燃料再循環(huán)裝置，該燃料再循環(huán)裝置包括噴射器和燃燒區(qū)，噴射器包括用于初級(jí)氧化劑的第一入口、用于未使用氧化劑的第二入口和用于未使用燃料的第三入口。

附圖說(shuō)明

在下文中參照附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明的實(shí)施方案，其中：

圖1示出了固體氧化物燃料電池系統(tǒng)；

圖2示出了包括噴射器的燃料再循環(huán)裝置；

圖3示出了包括具有一體化燃燒區(qū)的噴射器的燃料再循環(huán)裝置。

具體實(shí)施方式

在所描述的實(shí)施方案中，相同的特征已經(jīng)用相同的附圖標(biāo)記來(lái)標(biāo)識(shí)，但是在一些情況下具有100的整數(shù)倍的增量。例如，在不同的附圖中，30和230已經(jīng)被用于表示噴射器。

圖1示出了固體氧化物燃料電池系統(tǒng)1，其包括固體氧化物燃料電池堆2、壓縮機(jī)14和渦輪機(jī)12。固體氧化物燃料電池堆2包括具有電解質(zhì)、陽(yáng)極和陰極的至少一個(gè)固體氧化物燃料電池。壓縮機(jī)14被布置成將來(lái)自氧化劑供應(yīng)器6的至少一部分氧化劑52供應(yīng)至所述至少一個(gè)固體氧化物燃料電池的陰極，并且燃料供應(yīng)器4被布置成將燃料供應(yīng)至所述至少一個(gè)固體氧化物燃料電池的陽(yáng)極。固體氧化物燃料電池堆2被布置成將來(lái)自所述至少一個(gè)固體氧化物燃料電池的陰極的未使用氧化劑的第一部分54供應(yīng)至噴射器30，固體氧化物燃料電池堆2被布置成將來(lái)自所述至少一個(gè)固體氧化物燃料電池的陽(yáng)極的未使用燃料的第一部分56供應(yīng)至噴射器30。壓縮機(jī)14被布置成將來(lái)自氧化劑供應(yīng)器6的一部分氧化劑36供應(yīng)至噴射器30。渦輪機(jī)12被布置成經(jīng)由軸13來(lái)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)14，并且渦輪機(jī)12還被布置成驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)11。

燃料供應(yīng)器4被布置成經(jīng)由噴射器5將燃料供應(yīng)至固體氧化物燃料電池堆2中的至少一個(gè)固體氧化物燃料電池的陽(yáng)極，并且來(lái)自所述至少一個(gè)固體氧化物燃料電池的陽(yáng)極的未使用燃料的第二部分58被供應(yīng)至噴射器5以被再循環(huán)至所述至少一個(gè)固體氧化物燃料電池的陽(yáng)極。

噴射器30夾帶并混合來(lái)自固體氧化物燃料電池堆2中的固體氧化物燃料電池的陰極的未使用氧化劑、來(lái)自固體氧化物燃料電池的陽(yáng)極的未使用燃料以及從壓縮機(jī)14供應(yīng)的氧化劑，并且將該混合物供應(yīng)至燃燒區(qū)44用于燃燒。燃燒區(qū)44是用于預(yù)混合的未使用燃料和未使用氧化劑的燃燒的空間或?qū)Ｓ每臻g。在噴射器30中形成的混合物在燃燒區(qū)44內(nèi)自燃。

燃燒區(qū)44被布置成將燃燒產(chǎn)物供應(yīng)至熱交換器16的第一入口17。然而，中間部件例如另一空氣動(dòng)力學(xué)再循環(huán)區(qū)50可以被設(shè)置成使均勻非催化燃燒穩(wěn)定。

催化氧化反應(yīng)器46位于噴射器30和燃燒區(qū)44的下游。催化氧化反應(yīng)器46幫助固體氧化物燃料電池系統(tǒng)1的冷啟動(dòng)。這尤其有利于在固體氧化物燃料電池系統(tǒng)1的預(yù)熱階段或啟動(dòng)期間較低溫度下的點(diǎn)燃?；蛘?，可以使用點(diǎn)火器或電熱塞來(lái)替代催化氧化反應(yīng)器以在比自燃溫度更低的溫度下實(shí)現(xiàn)燃燒。

單催化床反應(yīng)器或雙催化床反應(yīng)器48可以位于催化氧化反應(yīng)器46的下游以完成一氧化碳?xì)怏w(CO)至二氧化碳?xì)怏w(CO₂)的氧化。

催化氧化反應(yīng)器46和/或單催化床反應(yīng)器或雙催化床反應(yīng)器48可以與熱交換器16組合?；蛘撸绻呋趸磻?yīng)器46中存在不完全燃燒，則熱交換器16可以用作用于CO至CO₂轉(zhuǎn)化的第二催化床反應(yīng)器。用作催化氧化反應(yīng)器、單催化床反應(yīng)器或雙催化床反應(yīng)器或者第二催化床反應(yīng)器的熱交換器具有施加至熱交換器內(nèi)相應(yīng)流道的表面的催化劑。為了完成CO至CO₂的轉(zhuǎn)化，可能需要在催化劑涂覆表面上的長(zhǎng)的駐留時(shí)間。使用熱交換器作為催化氧化反應(yīng)器、單催化床反應(yīng)器或雙催化床反應(yīng)器或者第二催化床反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)在于：由于熱交換器內(nèi)的流道以及由此的流道的催化劑涂覆表面的大的表面積，熱交換器為轉(zhuǎn)化反應(yīng)的發(fā)生提供了非常大的表面積。另外，熱交換器與催化氧化反應(yīng)器、單催化床反應(yīng)器或雙催化床反應(yīng)器或者第二催化床反應(yīng)器的組合使得節(jié)省了成本。

熱交換器16被布置成將來(lái)自熱交換器16的第一出口18的至少一部分廢氣60供應(yīng)至渦輪機(jī)12。熱交換器16被布置成將來(lái)自熱交換器16的第一出口18的一部分廢氣62供應(yīng)至噴射器30，并且這些廢氣與來(lái)自固體氧化物燃料電池堆2的所述至少一個(gè)固體氧化物燃料電池的陰極的未使用氧化劑54一起被供應(yīng)至噴射器30中。熱交換器16使得熱能夠傳遞至氧化劑(以在氧化劑到達(dá)固體氧化物燃料電池堆2之前對(duì)氧化劑進(jìn)行預(yù)熱)而沒(méi)有使有害的燃燒產(chǎn)物(例如蒸汽)進(jìn)入氧化劑流22以及進(jìn)入固體氧化物燃料電池堆2。

來(lái)自壓縮機(jī)14的所述一部分氧化劑52和來(lái)自固體氧化物燃料電池堆2的所述至少一個(gè)固體氧化物燃料電池的陰極的未使用氧化劑的第二部分64經(jīng)由噴射器15被供應(yīng)至熱交換器16的第二入口19以對(duì)被供應(yīng)至固體氧化物燃料電池堆2的所述至少一個(gè)固體氧化物燃料電池的陰極的氧化劑流22進(jìn)行預(yù)熱。來(lái)自壓縮機(jī)14的所述一部分氧化劑52和來(lái)自固體氧化物燃料電池堆2的所述至少一個(gè)固體氧化物燃料電池的陰極的未使用氧化劑的第二部分64在噴射器15中被混合在一起。

熱交換器16被布置成將來(lái)自壓縮機(jī)14的所述至少一部分氧化劑和來(lái)自固體氧化物燃料電池堆2的所述至少一個(gè)固體氧化物燃料電池的陰極的未使用氧化劑的第二部分64從熱交換器16的第二出口20供應(yīng)至固體氧化物燃料電池堆2的所述至少一個(gè)固體氧化物燃料電池的陰極。在該布置下，氧化劑流22通過(guò)流經(jīng)熱交換器16的再循環(huán)燃料和再循環(huán)氧化劑來(lái)預(yù)熱。

圖2中示出了噴射器30。噴射器30包括初級(jí)夾帶空間38、次級(jí)夾帶空間40、混合空間41和排放空間42。噴射器30通過(guò)初級(jí)夾帶空間38來(lái)夾帶一部分初級(jí)氧化劑36。初級(jí)夾帶空間38具有用于所述一部分初級(jí)氧化劑進(jìn)入初級(jí)夾帶空間38的第一入口37。所述一部分初級(jí)氧化劑36驅(qū)動(dòng)未使用氧化劑54和來(lái)自熱交換器16的廢氣62的組合32與未使用燃料56的混合過(guò)程以在混合空間41和排放空間42內(nèi)形成預(yù)混合的混合物。次級(jí)夾帶空間40具有用于未使用燃料供應(yīng)進(jìn)入次級(jí)夾帶空間40的第二入口35和用于未使用氧化劑供應(yīng)進(jìn)入次級(jí)夾帶空間40的第三入口33。第三入口33還是用于來(lái)自熱交換器16的第一出口18的一部分廢氣62進(jìn)入次級(jí)夾帶空間40的入口。第二入口35和第三入口33被設(shè)置在次級(jí)夾帶空間40內(nèi)盡可能靠近混合空間41。初級(jí)夾帶空間38包括在朝向次級(jí)夾帶空間40的方向上收縮的管，例如，管的橫截面積從入口37至次級(jí)夾帶空間40減小。次級(jí)夾帶空間40包括在朝向混合空間41的方向上收縮的管，例如，管的橫截面積從初級(jí)夾帶空間38至混合空間41減小。初級(jí)夾帶空間38和次級(jí)夾帶空間40優(yōu)選地為單個(gè)收縮管的部分?；旌峡臻g41包括沿其長(zhǎng)度具有均勻橫截面積的圓柱形管。然而，混合空間41可以包括在朝向排放空間42的方向上擴(kuò)大的管，例如，橫截面積從次級(jí)混合空間40至排放空間42增加。排放空間42包括在遠(yuǎn)離混合空間41的方向上擴(kuò)大的管，例如，管的橫截面積從混合空間41至排放空間42的出口43增加。排放空間42限定了用于未使用燃料和未使用氧化劑的混合物的擴(kuò)散器。第二入口35和第三入口33可以是入口噴嘴。

具有三個(gè)入口(即，一部分初級(jí)氧化劑、來(lái)自陰極的未使用氧化劑、來(lái)自陽(yáng)極的未使用燃料和來(lái)自熱交換器的一部分廢氣)的噴射器30的布置提供未使用氧化劑和未使用燃料的非常高的剪切混合。入口噴嘴的幾何形狀促進(jìn)貫穿噴射器的非常高的氣體速度。

由于初級(jí)空氣、未使用氧化劑和未使用燃料在噴射器30內(nèi)的駐留時(shí)間小于燃料和氧化劑混合物的能量傳遞所需的時(shí)間，因此可燃物質(zhì)在噴射器30內(nèi)不燃燒。在燃料與氧化劑之間的能量傳遞中的毫秒延遲的時(shí)間足夠使預(yù)混合的燃料-氧化劑混合物離開(kāi)噴射器30進(jìn)入下游燃燒區(qū)44，預(yù)混合的燃料和氧化劑隨后在下游燃燒區(qū)44中燃燒。

由于用于所述一部分初級(jí)氧化劑流36、未使用氧化劑流54、未使用燃料流56以及來(lái)自熱交換器的所述一部分廢氣的入口噴嘴的幾何形狀，噴射器30能夠進(jìn)行高剪切混合。如果噴嘴不輸送高速料流，則存在以下危險(xiǎn)：混合過(guò)程不夠迅速并且混合物可能在噴射器30內(nèi)點(diǎn)燃(即，導(dǎo)致在噴射器內(nèi)回火(flash back))。

所述三個(gè)入口噴射器布置和獨(dú)立燃燒區(qū)的好處在于：噴射器使未使用燃料以及初級(jí)氧化劑流和未使用氧化劑流在可能自燃之前完全預(yù)混合。預(yù)混合的燃料和氧化劑在該預(yù)混合狀態(tài)下更有效地燃燒，并且有害的一氮氧化物(NOx)氣體的釋放減少。

此外，通過(guò)在噴射器內(nèi)混合未使用燃料以及初級(jí)氧化劑和未使用氧化劑，由于噴射器執(zhí)行將燃料和氧化劑混合至燃燒區(qū)的過(guò)程，因此可以從固體氧化物燃料電池系統(tǒng)中省略燃燒室。

圖3示出了與燃燒區(qū)245耦接的噴射器230。燃燒區(qū)245在噴射器230的出口243處是一體化的。從噴射器230的出口243至燃燒區(qū)245存在突然膨脹，燃燒區(qū)的上游端的橫截面積是噴射器230的出口243的橫截面積的至少兩倍。從噴射器230的出口243至燃燒區(qū)245的突然膨脹提供了可用于預(yù)混合的燃料和氧化劑混合物的體積的增加以創(chuàng)建局部流動(dòng)再循環(huán)。燃燒區(qū)245內(nèi)的流動(dòng)剖面(flow profile)形成漩渦式流，并且因此延長(zhǎng)了在燃燒區(qū)245內(nèi)的駐留時(shí)間。在燃燒區(qū)245內(nèi)的駐留時(shí)間延長(zhǎng)有助于改善預(yù)混合的燃料和氧化劑混合物的燃燒。

在固體氧化物燃料電池系統(tǒng)1的啟動(dòng)期間，另外的燃料7可以被注入至噴射器30中，特別是次級(jí)夾帶空間40中?？梢岳玫诙肟?5或另外的入口(未示出)將燃料7注入至噴射器30中。在固體氧化物燃料電池系統(tǒng)1的啟動(dòng)期間被注入至噴射器30中的燃料7可以是天然氣、氫氣、氫氣和一氧化碳的混合物、其他合適的碳?xì)浠衔锘蚱渌线m的燃料。閥9被設(shè)置成允許在啟動(dòng)期間供應(yīng)燃料7并且防止在固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的正常操作期間供應(yīng)燃料7。在固體氧化物燃料電池系統(tǒng)1的啟動(dòng)期間供應(yīng)燃料7，以通過(guò)對(duì)經(jīng)由熱交換器16供應(yīng)至固體氧化物燃料電池堆2的氧化劑進(jìn)行加熱來(lái)將固體氧化物燃料電池堆2加熱至操作溫度。

噴射器30充當(dāng)在自燃條件(溫度)之上的燃料和氧化劑混合器。噴射器30還充當(dāng)在自燃條件之下的燃料和氧化劑混合器，并且充當(dāng)在固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的預(yù)熱或啟動(dòng)期間的燃料和氧化劑混合器。

在固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的特定實(shí)例中，氧化劑供應(yīng)器可以是氧氣供應(yīng)器或空氣供應(yīng)器，并且燃料供應(yīng)器可以是氫氣供應(yīng)器，或者燃料供應(yīng)器可以包括重整器或處理器以產(chǎn)生氫氣。

雖然已經(jīng)參照包括由固體氧化物燃料電池組成的固體氧化物燃料電池堆的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明同樣適用于包括由熔融碳酸鹽燃料電池組成的熔融碳酸鹽燃料電池堆的熔融碳酸鹽燃料電池系統(tǒng)或者包括由高溫燃料電池組成的高溫燃料電池堆的其他高溫燃料電池系統(tǒng)。高溫燃料電池在約500℃至1100℃的溫度下操作，例如，固體氧化物燃料電池在約500℃至1100℃(例如，850℃至1100℃)的溫度下操作，并且熔融碳酸鹽燃料電池在約600℃至700℃的溫度下操作。

對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將清楚的是，關(guān)于上述任何實(shí)施方案所描述的特征可以在不同實(shí)施方案之間可互換地應(yīng)用。上述實(shí)施方案是示出本發(fā)明的各個(gè)特征的實(shí)例。

貫穿本說(shuō)明書(shū)的描述和權(quán)利要求書(shū)，詞語(yǔ)“包括”和“包含”及其變型意味著“包括但不限于”，并且它們不旨在(并且不)排除其他部分、添加件、部件、整數(shù)或步驟。

貫穿本說(shuō)明書(shū)的描述和權(quán)利要求書(shū)，單數(shù)包括復(fù)數(shù)，除非上下文另有要求。特別地，在不使用數(shù)量詞的情況下，除非上下文另有要求，否則本說(shuō)明書(shū)應(yīng)當(dāng)被理解為考慮復(fù)數(shù)以及單數(shù)。

除非其互不相容，否則結(jié)合本發(fā)明的特定方面、實(shí)施方案或?qū)嵗枋龅奶卣?、整?shù)、特性、化合物、化學(xué)部分或基團(tuán)應(yīng)當(dāng)被理解為適用于本文中所描述的任何其他方面、實(shí)施方案或?qū)嵗?。在本說(shuō)明書(shū)(包括任何所附權(quán)利要求、摘要和附圖)中所公開(kāi)的所有特征和/或如此公開(kāi)的任何方法或過(guò)程的所有步驟可以以除了其中這樣的特征和/或步驟的至少一些是相互排斥的組合以外的任何組合進(jìn)行組合。本發(fā)明不限于任何前述實(shí)施方案的細(xì)節(jié)。本發(fā)明延伸至本說(shuō)明書(shū)(包括任何所附權(quán)利要求、摘要和附圖)中所公開(kāi)的特征中的任何新穎的一個(gè)或任何新穎的組合或者如此公開(kāi)的任何方法或過(guò)程的步驟中的任何新穎的一個(gè)或任何新穎的組合。

讀者的注意力應(yīng)關(guān)注與本申請(qǐng)相關(guān)的和本說(shuō)明書(shū)同時(shí)提交或在本說(shuō)明書(shū)之前提交的并且對(duì)公眾開(kāi)放以供公眾查閱本說(shuō)明書(shū)的所有論文和文獻(xiàn)，并且所有這些論文和文獻(xiàn)的內(nèi)容通過(guò)引用并入到本文中。