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CN114709447B - 一种管式固体氧化物燃料电池反应热区 - Google Patents

一种管式固体氧化物燃料电池反应热区 Download PDF

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CN114709447B CN202210565868.0A CN202210565868A CN114709447B CN 114709447 B CN114709447 B CN 114709447B CN 202210565868 A CN202210565868 A CN 202210565868A CN 114709447 B CN114709447 B CN 114709447B
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Abstract

本发明提供了一种管式固体氧化物燃料电池反应热区，包括多夹层的反应装置和包围在所述多夹层的反应装置外部的保温层；多夹层的反应装置包括燃料前处理腔室、燃料电池电堆模块、电堆乏气后处理腔室、结构化的夹层流道以及物料输入/输出端口。本发明采用一体化的多夹层设计，实现紧凑空间多热源与多股流体的热量平衡和物质转化和迁移；反应热区内部的管式电堆为多个组装的管束模块组合集成，能够快速组装拆卸，方便检修；采用多个旋转对称供风口为阴极供给空气，能够在管式单元间形成多向切圆环流，实现中央与四周的热量和物质交换，强化阴极侧传热传质，避免温度分布不均和局部缺气等问题，有效提升管式电堆的性能输出和长期稳定性。

Description

一种管式固体氧化物燃料电池反应热区
技术领域
本发明属于管式固体氧化物燃料电池发电系统设计技术领域，涉及一种管式固体氧化物燃料电池反应热区，尤其涉及一种管式固体氧化物燃料电池发电系统的反应热区。
背景技术
固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC）是一种在中高温下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，是一种新型的能源供给技术，其能通过高温电化学反应实现燃料化学能直接转化为电能，具有发电效率高、运行噪音低、低碳绿色、燃料适应性广的优点，能够满足各种不同功率规模的供电需求。固体氧化物燃料电池大致分为两种：一种是圆柱型，其中电极和固态电解质均绕着圆柱面覆盖，另一种是平面型，其中固态电解质和电极都做成平面形状。其中，管式固体氧化物燃料电池（以下简称管式电池）凭借管式结构的高强度特性，其可以适应快速启停、负载变动频繁的应用需求，在便携式发电装置、汽车辅助动力系统、家庭热电联产装置等分布式发电场景具有广泛的应用。
管式电池应用在便携式发电领域时，紧凑化的发电装置中往往设计有用于电化学反应和燃料的催化重整反应的场所，这一高温反应区域是整个装置的核心部件，往往被设计成一体化的整体结构，通常被称为反应热区。反应热区中包括产生电能的管式电池单元串联或并联组合形成的管式电堆、为管式电堆提供反应物质的燃料重整前处理反应器以及进行热量管控的部件或结构。为实现大功率的输出，管式电堆中一般包含大量的管式电池单元，而数量上的增加会造成管式电堆制备、组装、运行方面的困难：电池的串/并联连接、集流线的绝缘以及后期故障修复和维护等，直接组合大量管式电池单元制备整个电堆在操作上较为困难。而且管式电堆在运行发电的过程还会伴随产生大量的热量，需要专门的散热设计使运行温度不至于过高，从而避免超出材料及部件的安全使用温度范围。此外，陶瓷类型的管式固体氧化物燃料电池的功能层材料对于温度梯度较为敏感，需要管式电堆运行时具有均匀的温度分布。
但是现有的管式电堆的设计大多采用沿管式电池轴向或横向方向的空气气流在管式电池的阴极侧进行吹扫，来实现管式电堆的散热，并提供阴极侧所需的氧化剂。此时，由于空气的流速较慢，对流换热的散热效果有限，并且单一方向的流动也使得管式电池中存在的气流盲区，导致阴极部分区域出现氧化剂供应不足，出现局部“缺气”和“中间热四周冷”等现象。而且散热困难和局部“缺气”的问题会随着管式电堆中管式电池单元的数量的增加而愈发恶化。所以，上述大量管式电池单元集成电堆过程存在的制备组装困难、散热困难、局部“缺气”等现象，可能造成管式电池单元短路、断路、密封失效、冷热不均开裂、高温烧结等问题，严重影响管式电堆的性能输出和长期稳定性。
因此，如何能够设计一种更为适宜的管式固体氧化物燃料电池的反应热区，解决现有的管式固体氧化物燃料电池发电系统存在的上述问题，已成为本领域诸多一线研究人员亟待解决的问题之一。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种管式固体氧化物燃料电池反应热区，该反应热区是一种包含模块化安装电堆和多向切圆环流空气供给的管式固体氧化物燃料电池发电系统的反应热区设计，具有结构紧凑、组装快速简单、温度和组分分布均匀的优点。
本发明提供了一种管式固体氧化物燃料电池发电系统的反应热区，所述反应热区包括多夹层的反应装置和包围在所述多夹层的反应装置外部的保温层；
所述多夹层的反应装置包括燃料前处理腔室、燃料电池电堆模块、电堆乏气后处理腔室、结构化的夹层流道以及物料输入/输出端口。
优选的，所述燃料前处理腔室设置于在多夹层的反应装置的中央位置；
所述燃料前处理腔室中填充有燃料前处理催化剂；
所述燃料电池电堆模块包括一个或多个电堆子模块；
所述电堆子模块包括多个管式固体氧化物燃料电池，通过串联和/或并联组成；
所述管式固体氧化物燃料电池包括阳极、电解质和阴极。
优选的，所述电堆子模块分散且对称地设置在燃料前处理腔室的外围；
所述管式固体氧化物燃料电池发电系统的反应热区包括管内区域和管外区域；
所述电堆子模块的管内区域与燃料前处理腔室之间通过燃料分配室相互连通；
所述管式固体氧化物燃料电池包括两端开口或一端开口的管状的固体氧化物燃料电池。
优选的，所述电堆乏气后处理腔室设置在燃料电池电堆模块的下游；
所述电堆乏气后处理腔室与燃料电池电堆模块的出口直接连接；
所述结构化的夹层流道设置在所述反应热区的外层；
所述结构化的夹层流道包括空气预热腔室和/或尾气换热腔室。
优选的，所述电堆乏气后处理腔室中设置有乏气后处理催化剂；
所述反应热区还包括温度监测部件和/或启动部件；
所述温度监测部件中的一个或多个，设置在燃料前处理腔室、燃料电池电堆模块、电堆乏气后处理腔室和结构化的夹层流道中的一处或多处；
所述温度监测部件包括热电偶和/或温度传感器；
所述物料的输入端口包括燃料原料气入口、前处理辅助原料气输入口和空气入口中的一种或多种。
优选的，所述物料的输出端口包括燃料电池反应热区向外排出完全反应后的尾气出口；
所述反应热区为一体化多夹层的反应热区；
所述空气输入口包括在反应热区的外侧布置多个旋转对称的空气输入口和/或中央区域布置多个辐射发散的空气输入口；
所述反应热区具有切圆多向环流供气和中央辐射发散供气的结构。
优选的，所述物料输入端口中的燃料原料气入口与燃料原料气预热区域相连通；
所述燃料原料气预热区域与电堆乏气后处理腔室实现换热连接；
所述燃料原料气预热区域与所述燃料前处理腔室相连通；
所述燃料前处理腔室通过前处理产气出口与一级燃料分配室相连通；
所述一级燃料分配室的出口与所述燃料电池电堆模块的燃料入口相连通；
所述燃料电池电堆模块的燃料入口与二级燃料分配室相连通。
优选的，所述二级燃料分配室的出口与管式燃料电池单元相连通；
所述管式燃料电池单元与二级燃料乏气汇总室相连通；
所述二级燃料乏气汇总室通过电堆子模块燃料乏气出口与一级燃料乏气汇总室相连通；
所述一级燃料乏气汇总室通过燃料乏气出口与电堆乏气后处理腔室相连通；
所述燃料乏气出口设置在一级燃料乏气汇总室与电堆乏气后处理腔室的间壁隔板的内侧或外侧。
优选的，所述物料输入端口中的空气入口与空气预热腔室相连通；
所述空气预热腔室具有夹层流道结构；
所述空气预热腔室设置在燃料电池电堆模块与尾气换热腔室之间；
所述空气预热腔室通过空气喷口与所述燃料电池电堆模块阴极侧的空气反应腔室相连通；
所述燃料电池电堆模块的空气乏气出口与空气乏气换热腔室相连通。
优选的，所述空气乏气换热腔室设置在所述燃料前处理腔室的外侧或包围燃料前处理腔室；
所述空气乏气换热腔室与所述一级燃料分配室和/或二级燃料分配室实现换热连接；
所述空气乏气换热腔室通过空气乏气换热腔室出口与所述电堆乏气后处理腔室相连通；
所述乏气后处理腔室的尾气出口与尾气换热腔室相连通；
所述尾气换热腔室具有夹层流道结构；
所述尾气换热腔室通过所述物料输出端口中的尾气出口与外界连通。
本发明提供了一种管式固体氧化物燃料电池发电系统的反应热区，所述反应热区包括多夹层的反应装置和包围在所述多夹层的反应装置外部的保温层；所述多夹层的反应装置包括燃料前处理腔室、燃料电池电堆模块、电堆乏气后处理腔室、结构化的夹层流道以及物料输入/输出端口。与现有技术相比，本发明提出的新型结构的反应热区采用一体化的多夹层设计，实现紧凑空间内多热源与多股流体的热量平衡和物质转化和迁移；反应热区内部的管式电堆为多个提前组装的管束模块组合集成，能够快速组装和拆卸，方便检修；采用多个旋转对称的供风口为阴极供给空气，能够在管式单元间形成多向切圆环流，实现中央与四周的热量和物质交换，强化阴极侧的传热、传质，避免温度分布不均和局部“缺气”等问题，有效提升管式电堆的性能输出和长期稳定性。
本发明采用整体式的、一体化的多夹层结构设计，在更紧凑的空间内实现燃料电池电堆、燃料前处理区域、乏气后处理区域等多热源，以及不同温度、组分的空气、燃料原料气、乏气等多股流体之间的热量平衡和物质转化和迁移，从而实现更高的功率密度和能量密度；而且反应热区内部的管式电堆为多个提前组装的管束子模块组合集成，可以根据反应热区的结构形状和系统发电功率等级的需求变化进行定制化改造和设计，并能够实现快速组装和拆卸，方便检修；同时采用切圆多向环流供气和中央辐射发散供气等多种设计思路，采用外侧布置的多个旋转对称的供风口或者中央区域布置的多个辐射发散的供风口，提高电池管阵列中央区域的空气流速，加强流场扰动，促进中央与四周的热量和物质交换，强化电池阴极侧的传热、传质，避免温度分布不均和局部“缺气”以及由此造成燃料电池集流短路、断路、密封失效、冷热不均开裂、高温烧结等问题，有效提升管式电堆的性能输出和长期稳定性。
实验结果表明，采用本发明提供的带有切圆多向环流供气的反应热区相比于单向供气时具有更均匀的温度分布。单向供气的反应热区中，不同位置的电堆温度差异较大：位于上游的管式电堆由于接触的是空气新风，散热效果好，整体温度较低，平均温度不足700℃，导致发电功率不足；位于下游的管式电堆由于接触的是上游换热过的空气，散热效果较差，局部温度极高，最高温度接近800℃，长期运行风险较大。切圆多向环流供气的反应热区中，整体温度分布良好，电堆不同位置的温度差小于25℃，平均温度大于720℃，在保证性能的同时具有更好的长期运行稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的管式固体氧化物燃料电池发电系统反应热区的纵向剖面示意图；
图2为本发明实施例1提供的反应热区在A-A位置的横向截面示意图；
图3为本发明实施例1提供的反应热区的气体流动路径示意图；
图4为本发明实施例2提供的具有不同电堆子模块的反应热区在B-B位置的横向截面示意图；
图5为本发明实施例3提供的采用翼片式切圆环流空气喷口的反应热区在A-A位置的横向截面示意图；
图6为本发明实施例3提供的采用多孔管式切圆环流空气喷口的反应热区在A-A位置的横向截面示意图；
图7为本发明实施例3提供的采用多孔管式辐射发散空气喷口的反应热区在A-A位置的横向截面示意图；
图8为本发明实施例4提供的采用瓦楞换热面的反应热区在B-B位置的横向截面示意图；
图9为本发明实施例4提供的采用翅片换热面的反应热区在B-B位置的横向截面示意图；
图10为本发明提供的不同供风方式时四管式电堆阵列反应热区不同位置的温度分布。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对发明权利要求的限制。
本发明所有原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备的即可。
本发明所有材料，其牌号和简称均属于本领域常规牌号和简称，每个牌号和简称在其相关用途的领域内均是清楚明确的，本领域技术人员根据牌号、简称以及相应的用途，能够从市售中购买得到或常规方法制备得到。
本发明所有工艺，其简称均属于本领域的常规简称，每个简称在其相关用途的领域内均是清楚明确的，本领域技术人员根据简称，能够理解其常规的工艺步骤。
本发明提供了一种管式固体氧化物燃料电池发电系统的反应热区，所述反应热区包括多夹层的反应装置和包围在所述多夹层的反应装置外部的保温层；
所述多夹层的反应装置包括燃料前处理腔室、燃料电池电堆模块、电堆乏气后处理腔室、结构化的夹层流道以及物料输入/输出端口。
需要说明的是，管式电池应用在便携式发电领域时，紧凑化的发电装置中往往设计有用于电化学反应和燃料的催化重整反应的场所，这一高温反应区域是整个装置的核心部件，往往被设计成一体化的整体结构，通常被称为反应热区。反应热区中包括产生电能的管式电池单元串联或并联组合形成的管式电堆、为管式电堆提供反应物质的燃料重整前处理反应器以及进行热量管控的部件或结构。
在本发明中，所述燃料前处理腔室优选设置于在多夹层的反应装置的中央位置。
在本发明中，所述燃料前处理腔室中优选填充有燃料前处理催化剂。
在本发明中，所述燃料电池电堆模块优选包括一个或多个电堆子模块，更优选为多个电堆子模块。
在本发明中，所述电堆子模块优选包括多个管式固体氧化物燃料电池，通过串联和/或并联组成。
在本发明中，所述电堆子模块优选分散且对称地设置在燃料前处理腔室的外围。
在本发明中，所述管式固体氧化物燃料电池优选包括阳极、电解质和阴极。
在本发明中，所述管式固体氧化物燃料电池发电系统的反应热区优选包括管内区域和管外区域。
在本发明中，所述电堆子模块的管内区域与燃料前处理腔室之间优选通过燃料分配室相互连通。
在本发明中，所述管式固体氧化物燃料电池优选包括两端开口或一端开口的管状的固体氧化物燃料电池。
在本发明中，所述电堆乏气后处理腔室优选设置在燃料电池电堆模块的下游。
在本发明中，所述电堆乏气后处理腔室优选与燃料电池电堆模块的出口直接连接。
在本发明中，所述结构化的夹层流道优选设置在所述反应热区的外层。
在本发明中，所述结构化的夹层流道优选包括空气预热腔室和/或尾气换热腔室，更优选为空气预热腔室和尾气换热腔室。
在本发明中，所述电堆乏气后处理腔室中优选设置有乏气后处理催化剂。
在本发明中，所述反应热区优选包括温度监测部件和/或启动部件，更优选为温度监测部件和启动部件。
在本发明中，所述温度监测部件中的一个或多个，优选设置在燃料前处理腔室、燃料电池电堆模块、电堆乏气后处理腔室和结构化的夹层流道中的一处或多处，更优选为多个设置在燃料前处理腔室、燃料电池电堆模块、电堆乏气后处理腔室和结构化的夹层流道。
在本发明中，所述温度监测部件优选包括热电偶和/或温度传感器，更优选为热电偶或温度传感器。
在本发明中，所述物料的输入端口优选包括燃料原料气入口、前处理辅助原料气输入口和空气入口中的一种或多种，更优选为燃料原料气入口、前处理辅助原料气输入口和空气入口。
在本发明中，所述物料的输出端口优选包括燃料电池反应热区向外排出完全反应后的尾气出口。
在本发明中，所述反应热区优选为一体化多夹层的反应热区。
在本发明中，所述空气输入口优选包括在反应热区的外侧布置多个旋转对称的空气输入口和/或中央区域布置多个辐射发散的空气输入口，更优选为在反应热区的外侧布置多个旋转对称的空气输入口和中央区域布置多个辐射发散的空气输入口。
在本发明中，所述反应热区优选具有切圆多向环流供气和中央辐射发散供气的结构。
在本发明中，所述物料输入端口中的燃料原料气入口优选与燃料原料气预热区域相连通。
在本发明中，所述燃料原料气预热区域优选与电堆乏气后处理腔室实现换热连接。
在本发明中，所述燃料原料气预热区域优选与所述燃料前处理腔室相连通。
在本发明中，所述燃料前处理腔室优选通过前处理产气出口与一级燃料分配室相连通。
在本发明中，所述一级燃料分配室的出口优选与所述燃料电池电堆模块的燃料入口相连通。
在本发明中，所述燃料电池电堆模块的燃料入口优选与二级燃料分配室相连通。
在本发明中，所述二级燃料分配室的出口优选与管式燃料电池单元相连通。
在本发明中，所述管式燃料电池单元优选与二级燃料乏气汇总室相连通。
在本发明中，所述二级燃料乏气汇总室优选通过电堆子模块燃料乏气出口与一级燃料乏气汇总室相连通。
在本发明中，所述一级燃料乏气汇总室优选通过燃料乏气出口与电堆乏气后处理腔室相连通。
在本发明中，所述燃料乏气出口优选设置在一级燃料乏气汇总室与电堆乏气后处理腔室的间壁隔板的内侧或外侧。
在本发明中，所述物料输入端口中的空气入口优选与空气预热腔室相连通。
在本发明中，所述空气预热腔室优选具有夹层流道结构。
在本发明中，所述空气预热腔室优选设置在燃料电池电堆模块与尾气换热腔室之间。
在本发明中，所述空气预热腔室通过空气喷口优选与所述燃料电池电堆模块阴极侧的空气反应腔室相连通。
在本发明中，所述燃料电池电堆模块的空气乏气出口优选与空气乏气换热腔室相连通。
在本发明中，所述空气乏气换热腔室优选设置在所述燃料前处理腔室的外侧或包围燃料前处理腔室。
在本发明中，所述空气乏气换热腔室优选与所述一级燃料分配室和/或二级燃料分配室实现换热连接，更优选为与所述一级燃料分配室或二级燃料分配室实现换热连接。
在本发明中，所述空气乏气换热腔室优选通过空气乏气换热腔室出口与所述电堆乏气后处理腔室相连通。
在本发明中，所述乏气后处理腔室的尾气出口优选与尾气换热腔室相连通。
在本发明中，所述尾气换热腔室优选具有夹层流道结构。
在本发明中，所述尾气换热腔室优选通过所述物料输出端口中的尾气出口与外界连通。
本方法为完整和细化整体技术方案，更好的提高管式固体氧化物燃料电池发电系统的性能，上述管式固体氧化物燃料电池反应热区具体可以为以下结构：
本发明提出的管式固体氧化物燃料电池发电系统的反应热区（以下简称反应热区），主要包括一个整体式、一体化的多夹层设计的反应装置和包围其的外部保温层。
多夹层设计的反应装置包含燃料前处理腔室、燃料电池电堆模块、电堆乏气后处理腔室、结构化的夹层流道、温度监测部件、启动部件以及物料的输入/输出端口等。
具体的，所述的燃料前处理腔室一般位于整个多夹层设计的反应装置的中央位置，腔室中填充有燃料前处理催化剂，为反应装置外输入的燃料发生前处理反应提供反应场所，前处理反应转化生成的小分子、轻质的产物气进入燃料电池电堆中作为燃料电池发电的原料。
具体的，所述的燃料前处理反应包括但不限于水蒸气重整、自热重整、部分氧化重整、催化裂解等方式，产物气一般为富氢气体。
具体的，所述的燃料前处理催化剂包括但不限于粉末状/球颗粒状/蜂窝状/多孔泡沫状等外观的氧化铝/氧化铈/氧化锆/氧化硅等多孔陶瓷载体/金属框架结构载体担载的、具有镍Ni或铁Fe或钴Co或铜Cu或钯Pd或钌Ru或铑Rh或铂Pt等活性金属某一种或多种组合的催化剂等。
具体的，所述的燃料原料气中包含用于提供化学能的燃料，包括但不限于甲烷/天然气、氨、丙烷、丁烷、液化石油气（Liquefied Petroleum Gas, LPG）等气体燃料，以及汽油、柴油、煤油、醇类等液体燃料的蒸气；所述的燃料原料气中还包含燃料前处理反应所需的辅助原料包括但不限于空气、氧气、水蒸气、二氧化碳及其混合物等。
具体的，所述的燃料电池电堆模块是装置中将燃料化学能直接转化为电能的电化学过程的发生场所，一般由多个形状、尺寸相同或类似的电堆子模块组合而成，电堆子模块则由多个管式固体氧化物燃料电池串联或并联组成，管式固体氧化物燃料电池包括管内区域和管外区域。电堆子模块分散且对称地布置于燃料前处理腔室的外围，并且电堆子模块的管内区域与燃料前处理腔室之间通过特定结构的气体分配室相互连通，可以实现燃料的分配与供应。
具体的，所述的管式固体氧化物燃料电池是两端开口（通管）或一端开口（盲管）的管状的固体氧化物燃料电池，包括阳极、电解质、阴极等功能层。应当注意的是，此处的管状为广泛意义上的条状中空结构，其涵盖的范围应当包括横截面为圆形/半圆形/椭圆形、三角形/矩形/梯形/五边形等多边形、以及上述的组合形状的广义的管状。
具体的，所述的燃料电池的阳极一般为多孔的金属陶瓷材料，包括但不限于镍/铜/铁/铂等金属与氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）/氧化钪稳定的氧化锆（ScSZ）/氧化镉掺杂的氧化铈（GDC）/镧锶镓镁（LSGM）等可以传导离子的陶瓷的混合物。
具体的，所述的燃料电池的电解质一般为致密的可以传导离子的陶瓷材料，包括但不限于氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）/氧化钪稳定的氧化锆（ScSZ）/氧化镉掺杂的氧化铈（GDC）/镧锶镓镁（LSGM）等。
具体的，所述的燃料电池的阴极一般为多孔的陶瓷材料，包括但不限于锰酸镧锶（LSM）/钴铁酸镧锶（LSCF）等与氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）/氧化钪稳定的氧化锆（ScSZ）/氧化镉掺杂的氧化铈（GDC）/镧锶镓镁（LSGM）等可以传导离子的陶瓷的混合物。
具体的，所述的电堆乏气后处理腔室一般位于燃料电池电堆的下游并与电堆出口直接连接，腔室中填充有乏气后处理催化剂，为来自燃料电池电堆出口的燃料乏气发生后处理反应提供反应场所，后处理反应通过催化燃烧的方式乏气中的可燃组分完全氧化，释放残余的化学能转化为热能，所产生的高温尾气可以用于维持核心热区的运行温度和预热其他原料气体到反应温度。
具体的，所述的乏气后处理催化剂包括但不限于粉末状/球颗粒状/蜂窝状/多孔泡沫状等外观的氧化铝/氧化铈/氧化锆/氧化硅等多孔陶瓷载体/金属框架结构载体担载的、具有镍Ni或铁Fe或钴Co或铜Cu或钯Pd或钌Ru或铑Rh或铂Pt等活性金属某一种或多种组合的催化剂等。
具体的，所述的结构化的夹层流道一般位于整个燃料电池反应热区的最外层，是燃料电池反应热区中电堆阴极空气新风、后处理反应生成的高温排气进行流动和发生热量传递的场所，回收高温排气的热量，给电堆阴极空气新风进行预热。
具体的，所述的温度监测部件用于监测反应热区内不同部件或区域的实时温度，包括但不限于一个或多个位于燃料前处理腔室、燃料电池电堆模块、电堆乏气后处理腔室、结构化的夹层流道等位置的热电偶或温度传感器等位置。
具体的，所述的启动部件用于燃料电池反应热区启动时供给初始的能量，促使启动部件所在反应区内的燃料发生燃烧放热反应，从而使得反应装置升温直至达到正常运行所需的温度。启动部件的点火方式包括但不限于脉冲点火、电火花点火、电加热点火等。
具体的，所述的物料的输入端口用于燃料、前处理辅助原料气、空气等反应原料气向燃料电池反应热区内输入的端口。
具体的，所述的物料的输出端口为燃料电池反应热区向外排出完全反应后的排气的出口。
具体的，所述的外部保温层位于反应装置的外侧，且包围全部或绝大部分的反应装置的表面，用于防止热量向外扩散，维持其中反应区域运行所需的温度。外部保温层可以是采用真空保温层或由耐高温、低热导率材料制成的保温层，上述耐高温、低热导率材料可以包括玻璃纤维、气凝胶、岩棉、硅酸铝纤维棉等。
需要指出的是，本发明提出的管式固体氧化物燃料电池发电系统的反应热区的使用阶段主要包括启动、稳定运行、停机等过程。
启动：燃料原料气按照启动工况（燃料和辅助原料气的组分比例为接近当量燃烧的微富燃燃烧）从入口进入，并在预热区域进行充分混合后，经过点火针的点燃处理后，在前处理腔室中发生催化燃烧，释放出大量的热量，产生高温烟气经过分配进入各个燃料电池单元中，将燃料电池加热升温。此后，高温烟气从电堆中流出，流入乏气后处理区域，烟气中残余的燃料组分，在此处与电堆阴极的空气进一步反应燃烧释放热量，并通过夹层流道为中央核心的电堆部分提供保温作用，加快系统的启动加热，直到燃料电池电堆区域的温度达到目标温度，启动过程结束，燃料电池反应热区可以进行正常运行发电。
稳定运行：启动过程结束后，燃料电池反应热区可以正常运行发电，此时燃料原料气按照重整工况（燃料和辅助原料气的组分比例为大量产生合成气组分的富燃工况）向反应热区内输入，电堆阴极所需的空气按照稳定运行时的流量向反应热区内输入，反应热区稳定地向外输出电力，可以长时间连续运行，并且根据用电功率需求的变化，可以调整物质流量和输出电压来满足负载需求。
停机：当不再有外部用电需求时，燃料电池热区可以进入停机过程。首先停止燃料电池反应热区向外供电，使电堆运行状态恢复为开路电压；然后维持燃料原料气的组分比例为重整工况，并逐渐减小输入的燃料原料气的流量，以减少燃料前处理过程和燃料电池电堆区域的放热量，与此同时保持阴极空气的流量不变，保持安全的散热降温速度；当电堆位置的温度逐渐降到300℃以下时，停止供给燃料的原料气，继续缓慢减小空气量；当温度逐渐降低到100℃以下时，停止供给空气，直到装置完全冷却。
本发明上述内容提供了一种管式固体氧化物燃料电池反应热区，该反应热区采用一体化的多夹层设计，实现紧凑空间内多热源与多股流体的热量平衡和物质转化和迁移；反应热区内部的管式电堆为多个提前组装的管束模块组合集成，能够快速组装和拆卸，方便检修；采用多个旋转对称的供风口为阴极供给空气，能够在管式单元间形成多向切圆环流，实现中央与四周的热量和物质交换，强化阴极侧的传热、传质，避免温度分布不均和局部“缺气”等问题，有效提升管式电堆的性能输出和长期稳定性。
本发明采用整体式的、一体化的多夹层结构设计，在更紧凑的空间内实现燃料电池电堆、燃料前处理区域、乏气后处理区域等多热源，以及不同温度、组分的空气、燃料原料气、乏气等多股流体之间的热量平衡和物质转化和迁移，从而实现更高的功率密度和能量密度；而且反应热区内部的管式电堆为多个提前组装的管束子模块组合集成，可以根据反应热区的结构形状和系统发电功率等级的需求变化进行定制化改造和设计，并能够实现快速组装和拆卸，方便检修；同时采用切圆多向环流供气和中央辐射发散供气等多种设计思路，采用外侧布置的多个旋转对称的供风口或者中央区域布置的多个辐射发散的供风口，提高电池管阵列中央区域的空气流速，加强流场扰动，促进中央与四周的热量和物质交换，强化电池阴极侧的传热、传质，避免温度分布不均和局部“缺气”以及由此造成燃料电池集流短路、断路、密封失效、冷热不均开裂、高温烧结等问题，有效提升管式电堆的性能输出和长期稳定性。
实验结果表明，采用本发明提供的带有切圆多向环流供气的反应热区相比于单向供气时具有更均匀的温度分布。单向供气的反应热区中，不同位置的电堆温度差异较大：位于上游的管式电堆由于接触的是空气新风，散热效果好，整体温度较低，平均温度不足700℃，导致发电功率不足；位于下游的管式电堆由于接触的是上游换热过的空气，散热效果较差，局部温度极高，最高温度接近800℃，长期运行风险较大。切圆多向环流供气的反应热区中，整体温度分布良好，电堆不同位置的温度差小于25℃，平均温度大于720℃，在保证性能的同时具有更好的长期运行稳定性。如图10所示，图10为本发明提供的不同供风方式时四管式电堆阵列反应热区不同位置的温度分布。图中，由下自上，第1、3和5线为空气流量60SLM的测试条件，第2、4和6线为空气流量40SLM的测试条件。参见表1，表1为本发明提供的不同供风方式时四管式电堆阵列反应热区不同位置的温度分布数据。
表1
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为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种管式固体氧化物燃料电池反应热区进行详细描述，但是应当理解，这些实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制，本发明的保护范围也不限于下述的实施例。
实施例1
参照图1和图2，本实施例提供了一种管式固体氧化物燃料电池反应热区装置。
图1为本发明实施例1提供的管式固体氧化物燃料电池发电系统反应热区的纵向剖面示意图。
图2为本发明实施例1提供的反应热区在A-A位置的横向截面示意图。
图3为本发明实施例1提供的反应热区的气体流动路径示意图。
其中，1-1为燃料原料气入口；1-2为燃料原料气预热区域；1-3、3-3、4-3为燃料前处理腔室；1-4为前处理产气出口；1-5为一级燃料分配室；1-6为电堆子模块，1-61为电堆子模块燃料入口，1-62、3-62、4-62为二级燃料分配室，1-63、3-63、4-63为管式燃料电池单元，1-64为二级燃料乏气汇总室，1-65为电堆子模块燃料乏气出口；1-7为一级燃料乏气汇总室；1-8为燃料乏气出口；1-9为空气入口；1-10、3-10、4-10为空气预热腔室；1-11为空气喷口，3-11-a为翼片式切圆环流空气喷口，3-11-b为多孔管式切圆环流空气喷口；1-12、3-12、4-12为空气反应腔室；1-13为空气乏气出口；1-14、3-14、4-14为空气乏气换热腔室；1-15为空气乏气换热腔室出口；1-16为乏气后处理腔室；1-17、4-17为尾气换热腔室；1-18为尾气出口；1-19、4-19为保温层；3-20-b、3-20-c为出气孔；4-21-a为瓦楞换热面，4-21-b为翅片换热面；1-22为点火针。（上述编号注释为图1~图9中的通用注释）
如图1所示，该管式固体氧化物燃料电池反应热区装置主要包括一个一体化的反应热区及一个包围全部或绝大部分的反应装置外表面的外部保温层1-19。该一体化的反应热区内主要进行外部输入燃料的前处理转化生成富氢燃料、燃料电池利用生成的富氢燃料进行发电、燃料电池排出的乏气进一步后处理释放热量并维持整个反应热区的热平衡。
如图2所示，一体化的反应热区装置和外部保温层可以设计为同心圆柱的形式。下面按照反应物料流动的顺序进行进一步介绍。
燃料原料气（一般为燃料与氧化剂的混合物）从燃料原料气入口1-1向内输入到反应热区中，而后在燃料原料气预热区域1-2被预热至适合前处理反应发生的温度，预热区域主要受到高温的电堆阴极空气乏气吹扫和乏气后处理腔室1-16的高温进行预热。经过充分预热的燃料原料气进入燃料前处理腔室1-3发生前处理反应，生成富含氢气的产气混合物（一般还包括一氧化碳、二氧化碳、水蒸气或氮气、甲烷等小分子烷烃分子），产生的前处理产气经由前处理产气出口1-4进入一级燃料分配室1-5，并在其中进行均匀分配，分别供给给电堆模块中的若干电堆子模块1-6。
所述的电堆子模块1-6在同一个反应热区装置中可以是相同的外形、尺寸和结构，并且通常是对称布置的。所述的电堆子模块1-6一般由电堆子模块燃料入口1-61，二级燃料分配室1-62，管式燃料电池单元1-63，二级燃料乏气汇总室1-64和电堆子模块燃料乏气出口1-65等结构的一部分或全部组成。来自一级燃料分配室1-5的前处理产气经过电堆子模块燃料入口1-61输入到二级燃料分配室1-62中，并在其中进一步均匀分配，然后分别进入到直接组装在二级燃料分配室1-62上的多个管式燃料电池单元1-63的阳极侧，并在多孔阳极中发生电化学反应，前处理产气中的氢气和一氧化碳等有效燃料组分被反应消耗，并产生水蒸气、二氧化碳等完全氧化产物，与未被电化学反应利用和转化的组分相互混合成为燃料乏气。燃料乏气从管式燃料电池单元1-63出口端流出并汇总到二级燃料乏气汇总室1-64中，再从电堆子模块燃料乏气出口1-65向外排出电堆子模块1-6，进入一级燃料乏气汇总室1-7。
来自电堆子模块产生的燃料乏气在一级燃料乏气汇总室1-7中汇总、混合后，形成的混合好的燃料乏气进一步经由多个对称布置的燃料乏气出口1-8进入乏气处理腔室1-16，所述的燃料乏气出口1-8一般分布在一级燃料乏气汇总室1-7与乏气处理腔室1-16间壁隔板的内侧或外侧，图1中展示的燃料乏气出口1-8位于间壁隔板的内侧。
空气新风经由反应热区外部的供应部件的输送，通过空气入口1-9进入到空气预热腔室1-10，空气预热腔室1-10一般为与反应热区形状类似的夹层流道，具有较长的流动路径和较大的换热面积，空气新风在其中流动的同时，受到两侧的反应热区的高温尾气和高温运行的电堆模块的加热，可以预热到指定温度。然后经由另一端的空气喷口1-11向内输入电堆模块阴极侧的空气反应腔室1-12，并在多孔阴极中发生电化学反应，空气中的氧气等有效燃料组分被反应消耗，并产生氧含量较低的空气乏气。
空气乏气通过空气乏气出口1-13输入到空气乏气换热腔室1-14中。所述的空气乏气换热腔室一般布置于燃料前处理腔室1-3的外侧或包围后者，并通过两个腔室的间壁进行空气乏气和前处理反应区域间的热量交换，以实现前处理腔室的温度管控：当前处理反应的放热效应较强时，空气乏气在外侧的流动起到带走多余热量的作用，避免反应区域温度过高，从而减少了催化剂高温烧结和失活等问题的发生；当前处理反应的放热效应较弱甚至是吸热过程时，空气乏气在外侧的流动起到加热反应区域的作用，并带走燃料电池电堆模块发电过程产生的大量的热量。此外，空气乏气换热腔室1-14内靠下游的流动区域，还将发生空气乏气给燃料原料气进行预热的作用。
经过热量交换之后的空气乏气经由空气乏气换热腔室1-14末端位置的空气乏气换热腔室出口1-15，输送到乏气后处理腔室1-16，并在其中发生乏气后处理反应，燃料乏气中的未利用的燃料组分与空气乏气发生氧化放热，进一步部分或充分地回收和释放残余的化学能，产生了高温的高温尾气。
产生的高温尾气进一步输送到尾气换热腔室1-17中，尾气换热腔室1-17一般为夹层流道形式，一般位于反应热区的最外层，且将内部区域完全或绝大部分包围，具有较长的流动路径和较大的换热面积，能够加热内侧空气预热腔室1-10中的空气新风。高温尾气最后经由一个或多个尾气出口向外排出反应热区装置。
实施例2
参照图4，本实施例提供了另一种管式固体氧化物燃料电池反应热区装置，图4为本发明实施例2提供的具有不同电堆子模块的反应热区在B-B位置的横向截面示意图。其中，（a）、（b）、（c）、（d）代表四种不同结构设置的电堆子模块的反应热区。
与实施例1相同或类似的是，本实施例中的部件种类和组成基本一致，有所区别的是本实施例提出了更多的可能形状或组合方式的电堆子模块1-6。
如图4中的（a）展示的是同实施例1类似的扇形的二级燃料分配室1-62的电堆子模块对称分布组成的电堆模块，图中展示的为4等分圆的扇形，其顶角角度为90°，其他数量等分圆或者其他顶角角度的扇形形状的电堆子模块1-6也在本实施例的应用方案内。
如图4中的（b）展示的是三角形的二级燃料分配室1-62的电堆子模块对称分布组成的电堆模块，图中展示的为6个相同大小的三角形，顶角角度为60°的等腰三角形，其他数量或者其他顶角角度的三角形形状的电堆子模块1-6也在本实施例的应用方案内。
如图4中的（c）展示的是方形的二级燃料分配室1-62的电堆子模块对称分布组成的电堆模块，图中展示的为4个相同大小的方形，长宽比为1，对应的反应热区的横截面外形也为方形，其他数量或者其他长宽比的方形形状的电堆子模块1-6也在本实施例的应用方案内。
如图4中的（d）展示的是方形的二级燃料分配室1-62的电堆子模块对称分布组成的电堆模块，图中展示的为4个相同大小的梯形，其顶角角度为90°，对应的反应热区的横截面外形为方形，其他数量或者其他顶角角度的梯形形状的电堆子模块1-6也在本实施例的应用方案内。
应当注意的是，本实施例提出的不同外观或结构的电堆子模块1-6不仅限于图4中展示出的这几种形状和组合方式，更多其它形状或组合方式的电堆子模块也应当视为本实施例保护的范围。
实施例3
参照图5、图6和图7，本实施例提供了另一种管式固体氧化物燃料电池反应热区装置。
图5为本发明实施例3提供的采用翼片式切圆环流空气喷口的反应热区在A-A位置的横向截面示意图。
图6为本发明实施例3提供的采用多孔管式切圆环流空气喷口的反应热区在A-A位置的横向截面示意图。
图7为本发明实施例3提供的采用多孔管式辐射发散空气喷口的反应热区在A-A位置的横向截面示意图。
图5、图6和图7均为反应热区装置在图1中的A-A方向上的横向截面图。
其中，1-1为燃料原料气入口；1-2为燃料原料气预热区域；1-3、3-3、4-3为燃料前处理腔室；1-4为前处理产气出口；1-5为一级燃料分配室；1-6为电堆子模块，1-61为电堆子模块燃料入口，1-62、3-62、4-62为二级燃料分配室，1-63、3-63、4-63为管式燃料电池单元，1-64为二级燃料乏气汇总室，1-65为电堆子模块燃料乏气出口；1-7为一级燃料乏气汇总室；1-8为燃料乏气出口；1-9为空气入口；1-10、3-10、4-10为空气预热腔室；1-11为空气喷口，3-11-a为翼片式切圆环流空气喷口，3-11-b为多孔管式切圆环流空气喷口；1-12、3-12、4-12为空气反应腔室；1-13为空气乏气出口；1-14、3-14、4-14为空气乏气换热腔室；1-15为空气乏气换热腔室出口；1-16为乏气后处理腔室；1-17、4-17为尾气换热腔室；1-18为尾气出口；1-19、4-19为保温层；3-20-b、3-20-c为出气孔；4-21-a为瓦楞换热面，4-21-b为翅片换热面；1-22为点火针。（上述编号注释为图1~图9中的通用注释）
与实施例1相同或类似的是，本实施例中的部件种类和组成基本一致，有所区别的是本实施例提出了更多可能的空气供给方式和电堆阴极侧的空气喷口。
如图5所示，电堆阴极侧的空气喷口可以设计成多个对称布置的翼片式切圆环流空气喷口3-11-a。翼片式的空气喷口具有航空发动机中发动机叶片相似的形状，具有将轴向流动和周向流动的空气气流进行整定，并使之成为平行于喷口端面法向的方向喷出的效果。在这样的设计下，空气的流动路径如图5右侧示意图所示，均匀分配的多股空气气流从翼片式的空气喷口中喷出后，在空气反应腔室3-12中形成切向环流，大大增强了气流扰动的程度，实现对每一个电堆子模块中央区域的高效散热和物质传输。实际应用时，翼片式切圆环流空气喷口3-11-a的数量、形状、尺寸和布置位置可以根据电堆子模块的电特性、布局形式、散热条件等进行定制。
如图6所示，电堆阴极侧的空气喷口还可以设计成多个对称布置的多孔管式切圆环流空气喷口3-11-b。多孔管式的空气喷口具有多孔雾化喷管相似的形状，在管的侧面的某一个或多个方向，具有多个按一定规律布局的相同或不同直径的出气孔3-20-b，可以将轴向流动和周向流动而来汇总的空气气流进行分配输出，并使之成为平行于出气孔3-20-b法向的方向喷出的效果。在这样的设计下，空气的流动路径如图6右侧示意图所示，均匀分配的多股空气气流从多孔管式的空气喷口中喷出后，在空气反应腔室3-12中形成切向环流，与翼片式的类似，可以大大增强气流扰动的程度，实现对每一个电堆子模块中央区域的高效散热和物质传输。实际应用时，多孔管式切圆环流空气喷口3-11-b的数量、形状、尺寸和布置位置可以根据电堆子模块的电特性、布局形式、散热条件等进行定制。
如图7所示，电堆阴极侧的空气喷口还可以设计成多个对称布置的多孔管式辐射发散空气喷口3-11-c。多孔管式的空气喷口具有多孔雾化喷管相似的形式，在空气喷管的末端和中间段的某一个或多个方向（如图7中所示），具有多个按一定规律布局的相同或不同直径的的出气孔3-20-c，可以将轴向流动和周向流动而来汇总的空气气流进行分配输出，并使之成为平行于出气孔3-20-c法向的方向喷出的效果。在这样的设计下，空气的流动路径如图7右侧示意图所示，均匀分配的多股空气气流从多孔管式的空气喷口中喷出后，在空气反应腔室3-12中形成由中心向四周辐射的气流，并在外侧发生转向形成外围环流，可以大大增强气流扰动的程度，并且能有效地将电堆中央内侧的热量携带传递到外围，实现对每一个电堆子模块中央区域的高效散热和物质传输。实际应用时，多孔管式切圆环流空气喷口3-11-c的数量、形状、尺寸和布置位置可以根据电堆子模块的电特性、布局形式、散热条件等进行定制。
应当注意的是，本实施例提出的不同空气供给方式和电堆阴极侧的空气喷口形式，不仅限于图5、图6和图7中展示出的这几种形状和供气方式，更多其它形状和供气方式符合切圆多向环流供气和中央辐射发散供气设计思路的，也应当视为本实施例保护的范围。
实施例4
参照图8和图9，本实施例提供了另一种管式固体氧化物燃料电池反应热区装置。
图8为本发明实施例4提供的采用瓦楞换热面的反应热区在B-B位置的横向截面示意图。
图9为本发明实施例4提供的采用翅片换热面的反应热区在B-B位置的横向截面示意图。
图8和图9均为反应热区装置在图1中的B-B方向上的横向截面图。1-1为燃料原料气入口；1-2为燃料原料气预热区域；1-3、3-3、4-3为燃料前处理腔室；1-4为前处理产气出口；1-5为一级燃料分配室；1-6为电堆子模块，1-61为电堆子模块燃料入口，1-62、3-62、4-62为二级燃料分配室，1-63、3-63、4-63为管式燃料电池单元，1-64为二级燃料乏气汇总室，1-65为电堆子模块燃料乏气出口；1-7为一级燃料乏气汇总室；1-8为燃料乏气出口；1-9为空气入口；1-10、3-10、4-10为空气预热腔室；1-11为空气喷口，3-11-a为翼片式切圆环流空气喷口，3-11-b为多孔管式切圆环流空气喷口；1-12、3-12、4-12为空气反应腔室；1-13为空气乏气出口；1-14、3-14、4-14为空气乏气换热腔室；1-15为空气乏气换热腔室出口；1-16为乏气后处理腔室；1-17、4-17为尾气换热腔室；1-18为尾气出口；1-19、4-19为保温层；3-20-b、3-20-c为出气孔；4-21-a为瓦楞换热面，4-21-b为翅片换热面；1-22为点火针。（上述编号注释为图1~图9中的通用注释）
与实施例1相同或类似的是，本实施例中的部件种类和组成基本一致，有所区别的是本实施例提出了更多可能形式的尾气换热腔室4-17和空气预热腔室4-10之间的空气预热换热面4-21。
如图8所示，空气预热换热面4-21被设计成瓦楞换热面4-21-a，瓦楞面可以在相同的当量圆周长度中实现更大的换热面积，可以根据实际的换热功率及气体组分、流量等进行瓦楞单元角度的专门设计。
如图9所示，空气预热换热面4-21被设计成翅片换热面4-21-b，可以视作在实施例1的基础上（如图2中所示）增加了径向的换热翅片，换热翅片的数量或分布密度和换热翅片形状（长度、厚度和形状等），可以根据实际的换热功率及气体组分、流量等进行专门设计。
应当注意的是，本实施例提出的不同形式的空气预热换热面4-21，不仅限于图2、图8和图9中展示出的这几种形式，更多其它形式的符合增大换热面积的设计思路的，也应当视为本实施例保护的范围。
以上对本发明所提供的一种管式固体氧化物燃料电池发电系统的反应热区进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，包括最佳方式，并且也使得本领域的任何技术人员都能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，和实施任何结合的方法。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。本发明专利保护的范围通过权利要求来限定，并可包括本领域技术人员能够想到的其他实施例。如果这些其他实施例具有不是不同于权利要求文字表述的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的文字表述无实质差异的等同结构要素，那么这些其他实施例也应包含在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种管式固体氧化物燃料电池反应热区，其特征在于，所述反应热区包括多夹层的反应装置和包围在所述多夹层的反应装置外部的保温层；
所述多夹层的反应装置包括燃料前处理腔室、燃料电池电堆模块、电堆乏气后处理腔室、结构化的夹层流道以及物料输入/输出端口；
所述燃料电池电堆模块包括一个或多个电堆子模块；
所述电堆子模块的管内区域与燃料前处理腔室之间通过燃料分配室相互连通；
所述燃料分配室包括一级燃料分配室和二级燃料分配室；
空气乏气换热腔室设置在所述燃料前处理腔室的外侧或包围燃料前处理腔室；
所述空气乏气换热腔室与所述一级燃料分配室和/或二级燃料分配室实现换热连接；
所述空气乏气换热腔室通过空气乏气换热腔室出口与所述电堆乏气后处理腔室相连通。
2.根据权利要求1所述的反应热区，其特征在于，所述燃料前处理腔室设置于在多夹层的反应装置的中央位置；
所述燃料前处理腔室中填充有燃料前处理催化剂；
所述电堆子模块包括多个管式固体氧化物燃料电池，通过串联和/或并联组成；
所述管式固体氧化物燃料电池包括阳极、电解质和阴极。
3.根据权利要求2所述的反应热区，其特征在于，所述电堆子模块分散且对称地设置在燃料前处理腔室的外围；
所述管式固体氧化物燃料电池的反应热区包括管内区域和管外区域；
所述管式固体氧化物燃料电池包括两端开口或一端开口的管状的固体氧化物燃料电池。
4.根据权利要求1所述的反应热区，其特征在于，所述电堆乏气后处理腔室设置在燃料电池电堆模块的下游；
所述电堆乏气后处理腔室与燃料电池电堆模块的出口直接连接；
所述结构化的夹层流道设置在所述反应热区的外层；
所述结构化的夹层流道包括空气预热腔室和/或尾气换热腔室。
5.根据权利要求1所述的反应热区，其特征在于，所述电堆乏气后处理腔室中设置有乏气后处理催化剂；
所述反应热区还包括温度监测部件和/或启动部件；
所述温度监测部件中的一个或多个，设置在燃料前处理腔室、燃料电池电堆模块、电堆乏气后处理腔室和结构化的夹层流道中的一处或多处；
所述温度监测部件包括热电偶和/或温度传感器；
所述物料的输入端口包括燃料原料气入口、前处理辅助原料气输入口和空气入口中的一种或多种。
6.根据权利要求5所述的反应热区，其特征在于，所述物料的输出端口包括燃料电池反应热区向外排出完全反应后的尾气出口；
所述反应热区为一体化多夹层的反应热区；
所述空气入口包括在反应热区的外侧布置多个旋转对称的空气输入口和/或中央区域布置多个辐射发散的空气输入口；
所述反应热区具有切圆多向环流供气和中央辐射发散供气的结构。
7.根据权利要求1~6任意一项所述的反应热区，其特征在于，所述物料输入端口中的燃料原料气入口与燃料原料气预热区域相连通；
所述燃料原料气预热区域与电堆乏气后处理腔室实现换热连接；
所述燃料原料气预热区域与所述燃料前处理腔室相连通；
所述燃料前处理腔室通过前处理产气出口与一级燃料分配室相连通；
所述一级燃料分配室的出口与所述燃料电池电堆模块的燃料入口相连通；
所述燃料电池电堆模块的燃料入口与二级燃料分配室相连通。
8.根据权利要求7所述的反应热区，其特征在于，所述二级燃料分配室的出口与管式燃料电池单元相连通；
所述管式燃料电池单元与二级燃料乏气汇总室相连通；
所述二级燃料乏气汇总室通过电堆子模块燃料乏气出口与一级燃料乏气汇总室相连通；
所述一级燃料乏气汇总室通过燃料乏气出口与电堆乏气后处理腔室相连通；
所述燃料乏气出口设置在一级燃料乏气汇总室与电堆乏气后处理腔室的间壁隔板的内侧或外侧。
9.根据权利要求7所述的反应热区，其特征在于，所述物料输入端口中的空气入口与空气预热腔室相连通；
所述空气预热腔室具有夹层流道结构；
所述空气预热腔室设置在燃料电池电堆模块与尾气换热腔室之间；
所述空气预热腔室通过空气喷口与所述燃料电池电堆模块阴极侧的空气反应腔室相连通；
所述燃料电池电堆模块的空气乏气出口与空气乏气换热腔室相连通。
10.根据权利要求9所述的反应热区，其特征在于，所述乏气后处理腔室的尾气出口与尾气换热腔室相连通；
所述尾气换热腔室具有夹层流道结构；
所述尾气换热腔室通过所述物料输出端口中的尾气出口与外界连通。
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