CN102753903A

CN102753903A - 用于热燃料电池的热交换器

Info

Publication number: CN102753903A
Application number: CN2010800634168A
Authority: CN
Inventors: 卡梅·勒文布吕克; 多米尼克·因德西; 阿卜杜勒-卡里姆·布哈勒法; 班诺瓦·塔尔博特
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2009-12-18
Filing date: 2010-12-13
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2030-12-13
Also published as: EP2513569B1; WO2011073553A2; EP2513569A2; FR2954466A1; JP5767650B2; JP2013514616A; FR2954466B1; US8906569B2; CN102753903B; US20130017462A1; WO2011073553A3

Abstract

本发明涉及一种热交换器（100），其在向该交换器供应氧化剂气体和燃料气体的热燃料电池的出口处运行，所述热交换器包括：第一氧化剂气体流动回路（111）；第二燃料气体流动回路（112）；预先混合室（142），被供应来自至少第二回路的燃料气体，并且被供应氧化剂气体；燃烧室（140），被供应来自预先混合室的气体混合物，并且被供应来自第一回路的氧化剂气体；以及废气流动回路（114），接受来自燃烧室的废气。第一氧化剂气体流动回路、第二燃料气体流动回路、燃烧室以及废气流动回路都浸入在同一热传递流体中。

Description

用于热燃料电池的热交换器

技术领域

本发明涉及能够对高温气体中所含的热量进行回收的热交换器领域。本发明尤其涉及一种在热燃料电池的出口处使用的热交换器。

背景技术

燃料电池在执行电化学氧化还原反应的同时产生电力。为此，电池的电极需要分别被供给燃料（通常是氢气）以及氧化剂（也就是氧气，其从被引入到电池芯部的空气的蒸汽中提取）。

热燃料电池，例如固体氧化物燃料电池（SOFC）型的燃料电池，在非常高的温度（约900℃）下运行。这使得它们尤其可以在所谓的“热电联产（cogeneration）”系统（即同时产生热能和电能的系统）中有利地使用。这种热电联产系统可以同样良好地在工业应用和家用电器中使用（例如在私人房屋中产生热和电）。

在这种系统中，燃料电池需要与诸如锅炉或热交换器等设备结合，所述设备能够从电池排出的气体中回收热量。遗憾的是，来自热燃料电池的气体处于非常高的温度，因此不可能在热燃料电池的下游使用设计为用于处理低温热流的标准锅炉系统。

通常，大多数锅炉由低性能材料，如不锈钢制成，从而使热量能够在热流与冷却流体之间以低成本交换。然而，在由这种材料制成的锅炉回路中控制极高温气体的注入和流动是非常困难的。

对于该问题的一个解决方案在于使用善于承受高温流的高性能材料。然而，使用这种材料将会大大增加热电联产系统的成本，这尤其对于家用电器而言是不希望的。

发明内容

本发明的一个目的在于减少那些缺陷并且提供一种热交换器设计，该热交换器设计尤其用于例如热电联产系统中的热燃料电池的出口处，以便回收来自电池的高温气体中所含的全部热量（包括显热和热值两者），并且这种做法无需在热交换器中使用高性能材料。

该目的借助一种热交换器而实现，该热交换器在向所述热交换器供应氧化剂气体和燃料气体的热燃料电池的出口处运行，其包括：

用于氧化剂气体的第一流动回路；

用于燃料气体的第二流动回路；

预先混合室，被供给氧化剂气体和来自至少第二回路的燃料气体；

燃烧室，被供给来自预先混合室的气态混合物和来自第一回路的氧化剂气体；以及

用于废气的流动回路，接收来自燃烧室中的废气；

其中，用于氧化剂气体的第一流动回路、用于燃料气体的第二流动回路、燃烧室和用于废气的流动回路都浸入在共同的冷却流体中。

在本发明的热交换器中的用于氧化剂气体的第一流动回路和用于燃料气体的第二流动回路分别被供给热燃料电池所用的氧化还原反应的废气。这些气体非常热，并且温度可能高于650℃，例如大约为900℃。根据本发明，这些气体在热交换器的燃烧室中经历“二次燃烧”。

因此，通过将（用于氧化剂气体、燃料气体、和废气的）多种气体流动回路和燃烧室浸入在同一冷却流体中，本发明的热交换器能够回收来自热燃料电池的气体中所含的全部热能，即显热和热值两者。

本发明还可以首先降低来自热燃料电池的气体（氧化剂和燃料）的温度，并且其次能够降低燃烧室的温度。

结果，与高温气体直接接触（例如其表面面积与高温气体直接接触）的部件的数量受到限制。这使得能够有益地将低成本材料（具体为低性能材料或不锈钢）用于热交换器的部件，例如用于将气体注入到燃烧室中的部件。

此外，燃烧室通过浸入在冷却流体中被冷却而使其温度降低使气体的燃烧能够在低温下发生。这具有减少燃烧期间发出的氮氧化物（NO_X）的量的效果。

此外，设置预先混合室是用于优化燃料/氧化剂混合物的均匀性，因为在位于其下游的燃烧室中需要稳定的燃烧。

被供给到预先混合室的氧化剂气体可取自第一回路。可替代地，氧化剂气体可取自用于氧化剂气体的外部流动回路。

此外，在本发明的特定的实施例中，热交换器进一步包括用于被供给到预先混合室的燃料气体的第三流动回路，所述第三流动回路浸入在冷却流体中。

第三回路可以使本发明的热交换器中的燃料气体流来自除热燃料电池之外的一个源。因此，第三回路可通过重整装置（如可以向热燃料电池供给氢的重整装置）供给。

来自重整装置的气体同样良好地可以是处于高温（即，温度高于650℃）的气体。该燃料气体本身在被供给到燃烧室之前通过冷却流体冷却。

在本发明的另一个特定的实施例中，热交换器还包括用于被供给到预先混合室的燃料气体的外部流动回路。如果需要的话，这种外部回路可以增加能够用于锅炉的能量，尤其是如果来自其上游的燃料电池的气体不足以满足热交换器的热量需求的时候。

优选地，该热交换器还包括：第一外罩，所述第一外罩将用于废气的流动回路和燃烧室包括在内；和第二外罩，所述第二外罩将用于氧化剂气体和燃料气体的流动回路包括在内，所述第一和第二外罩适于彼此连通，使得所述冷却流体在这两个外罩中流动。

在这种情况下，用于氧化剂气体和燃料气体的多个流动回路尤其可以缠绕成螺旋状，并且其围绕第一外罩的各自的长度基本相同。

通过优化气体经过冷却流体的距离（回路的长度）与所生成的热交换器的整体尺寸之间的比率，用于流动回路的设置为螺旋状的管道的使用提高了热交换的效率。多种氧化剂和燃料气体经过冷却流体回路的路径实际上是相同的。这使得每种气体与冷却流体的热交换面积相同（从而使气体/流体在热交换器内的交换更为均匀）。

在本发明的所有实施例通用的有利方案中，预先混合室通过注入栅极与燃烧室分隔开。在这种情况下，直接取自第一回路的氧化剂气体有利地以围绕注入栅极的环形方式被供给到燃烧室。以这种方式进行的供给用于提供冷却燃烧室的壁的薄层。

根据本发明的所有实施例通用的另一有利方案，直接取自第一回路并且供给燃烧室的氧化剂气体经过围绕燃烧室形成的稀释空气室。

本发明还提供在热燃料电池的出口处运行的锅炉，该锅炉包括如以上所限定的热交换器。

本发明还包括用于同时产生热能和电能的系统，该系统包括热燃料电池以及如以上所限定的热交换器，所述热交换器通过热燃料电池被供给氧化剂气体和燃料气体。

因此，本发明的热交换器执行由热交换器和热燃料电池构成的整个热电联产系统的“热的热电联产”功能，同时燃料电池执行“电的热电联产”功能。

在特定的实施例中，本发明的热电联产系统还包括重整装置，该热交换器包括用于燃料气体的第二和第三流动回路，第二和第三流动回路分别通过热燃料电池和重整装置进行供给。

附图说明

本发明的其它特征和优势将在以下参考示出了不含限制性特征的实施例的附图的描述中呈现，其中：

图1是本发明的第一实施例中的具有热交换器的热电联产系统的简图；

图2是图1的热电联产系统的纵向剖视图；

图3是与图2所示相似的视图，为更清楚起见，其示出的热电联产系统去除了回路；

图4和图5是本发明的第二实施例和第三实施例中的热交换器的操作图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的热电联产系统500。

该热电联产系统500包括：

本发明的第一实施例中的热交换器100；以及

热交换器100下游的热燃料电池200和重整装置300。

在已知的方式中，热燃料电池的运行温度非常高，高于650℃。作为示例，这种电池是固体氧化物型燃料电池，通常称作运行温度大约为900℃的SOFC。那种类型的燃料电池的结构和操作是已知的，在此不进行更为详细地描述。

为了运行（即，为了使电化学氧化还原反应能够与发电同时进行），电池的电极需要被分别供给燃料气体（通常是氢气）和氧化剂气体（即，例如供给电池的空气流中所含的氧气）。

在当前描述的示例中，重整装置300首先用于向电池供给燃料气体（在该示例中即氢气），并且还经由入口103向热交换器100供给氢气。在该示例中，来自重整装置并且供给热交换器的氢气具有高于650℃的温度。

如以上所描述的，热燃料电池200的运行温度非常高。因此，该电池以非常高的温度（通常高于650℃）下排出氧化剂气体（主要是以空气形式存在的氧气）和燃料气体（主要是氢气），这些气体经由相应的入口101和102供给到热交换器100。

如图2和图3中所示的，在此处描述的实施例中，热交换器100具有两个外罩：

第一外罩E1，其是圆柱形的并且特别包含基本呈圆柱形的燃烧室140和用于输送燃烧室中放出的废气的回路114；以及

第二外罩E2，其安置在热交换器100的上部中并且由内圆筒形壁160和外圆筒形壁161限定。在该第二外罩E2的内部，特别具有用于氧化剂气体（空气）的第一流动回路111，用于燃料气体（氢气）的第二流动回路112和用于燃料气体（氢气）的第三流动回路113。

两个外罩E1和E2彼此连通，使得同一冷却流体（例如水）在这些外罩E1和E2的每一个中流动。冷却流体可以借助在第二外罩的内壁160的下部和上部中形成的开口115而在两个外罩之间流动。

因此，燃烧室140、用于氧化剂气体和燃料气体的第一、第二和第三流动回路（111、112和113）以及来自燃烧室的废气的流动回路114都被设置在共同的冷却流体回路中。使这些不同的回路和燃烧室都浸入在共同的冷却流体中可以使用该流体回收所有的显热和所有的热值，这些显热和热值是由来自热燃料电池以及可能来自重整装置的气体的燃烧产生的。

热交换器100经由供给入口106被供给冷却流体，该供给入口106位于第二外罩E2的外壁161的下部中。该冷却流体经由第二外罩E2的外壁161的上部中的出口105从热交换器100排出。通常，冷却流体随后用于加热的目的。

位于第二外罩E2中的流动回路的供给情况如下：

第一流动回路111经由供给入口101被供给来自热燃料电池200的氧化剂气体（空气）；

第二流动回路112经由供给入口102被供给来自热燃料电池200的燃料气体（氢气）；

第三流动回路113经由供给入口103被供给直接来自重整器300的燃料气体（氢气）。

三个流动回路111、112和113由设置为螺旋形盘管的管道形成并且围绕第一外罩E1交替地设置在第二外罩E2的内侧。在公知的方式中，管道的匝数取决于热交换器100的性能。在当前描述的示例中，不同管道111、112和113中的匝数是相同的，使得每种气体与冷却流体具有相同的热交换面积（即，通过热交换器100的路径相同）。这可以使得三个管道中流动的气体与冷却流体之间的热交换更加一致，以便冷却那些气体。

在第二外罩E2的出口处，第一流动回路111通过管道121延续到控制阀131。在控制阀的下游，第一流动回路通过两个管道（即，通向在燃烧室140的上游形成的预先混合室142的一个管道125，和通向围绕燃烧室140而形成的稀释空气室144的另一个管道126）延续。

在第二外罩E2的出口处，第二和第三流动回路112和113通过各自的管道122和123延续，管道122和123在接合处124连接到一起而通向预先混合室142。

结果，预先混合室142被供给来自第一流动回路111的氧化剂气体以及来自第二和第三流动回路112和113的燃料气体。由于这些气体通过沿着流动回路111到113的流动而被冷却，所以氢气和空气在被注入到燃烧室140之前能够混合到一起而没有自燃的风险。

此外，由于该混合物的温度远远低于供给到热交换器100并且来自燃料电池200的气体的温度，所以该混合物能够被注入到使用通常在市场上能买到的锅炉中使用的这种低性能材料的燃烧室140中，例如这种低性能材料由不锈钢制成。

燃烧室140首先被供给来自预先混合室142的（穿过下面将详细描述的注入栅极145的）氧化剂/燃料气体混合物，并且其次被供给取自第一流动回路111并且经过稀释空气室144（经由管道126）的氧化剂气体。

预先混合室142经由注入栅极145通向燃烧室140。这种注入栅极具有大量的截面很小的孔（例如圆形孔）。孔的数量、尺寸和深度被选择成所获得的气流速度使火焰能够依附于注入栅极，从而避免火焰朝向预先混合室上升，并且所获得的火焰较短，因而限制燃烧室所需的长度。

预先混合室142还可以具有将其内部空间分成两个部分的混合器栅极146。这种混合器栅极用于提高氧化剂气体与燃烧气体之间的混合程度。

此外，燃烧室140被供给来自以环形方式围绕注入栅极145的稀释空气室144的氧化剂气体。为此，限定燃烧室的环形壁包括与注入栅极145对齐的、向预先混合室142开口并且通向燃烧室的多个孔口147（图3）。

最后，燃烧室140包括补充燃烧点火器148，其位于注入栅极145的中心并且用于点燃氧化剂/燃料混合物。

管道122和123装配有各自的设备132和133，所述设备132和133用于控制和调节燃料气体进入预先混合室142（并因而进入燃烧室140）的输送。设备132和133、还有装配到管121的控制阀131例如都可以是由控制设备（图中未示出）控制的电磁阀。

设备132和133还可以用于选择预先混合室142的氢气供给源。因此，例如在重整装置300中的某些瞬时状态期间，尤其是当开始的时候，通过重整装置输送的氢气的量无法使燃料电池200正常地工作。在这种情况下，控制该设备132使得此时燃烧室140被供给来自重整装置的氢气（来自第三流动回路113的气体）。

当瞬时状态已经结束时，控制该设备132以打开供来自电池200的氢气在其中流动的回路122，并且同样地控制该设备133以关闭供来自重整装置300的氢气在其中流动的回路123。

如以上所述，燃烧室140本身浸入在外罩E1内部的冷却流体中，因而能够使其温度降低。这有利地用于减少在气体混合物燃烧期间排出的氮氧化物（NO_X）的量。

来自燃烧室142的废气在由多个螺旋状设置的管道形成的流动回路114中被收集。这些管道也浸入在外罩E1的冷却流体中，使得燃烧废气中所含的热量也被流体回收，该流体能够用于加热的目的。

冷却的废气随后由回路114的管道的出口处的歧管104回收。

因此，借助本发明，可以回收来自热燃料电池（以及可能来自重整装置）的气体的全部热量（显热和热值），同时使得低性能材料能够被用于热交换器。通过将用于来自燃料电池和来自重整装置的气体的流动回路以及燃烧室和来自燃烧室的废气的流动回路浸入在共同的冷却流体而使上述目的成为可能。结果，不仅气体的显热由流体回收，而且气体的热值也转化为热量并且传递到同一流体。

图4是示出了在本发明的第二实施例中的热交换器100’的功能图。

热交换器100’与以上参考图1到图3描述的热交换器的不同之处在于，供给预先混合室142的氧化剂气体来自外部氧化剂气体流动回路150，所述外部氧化剂气体流动回路150中的流动速度是可调节的（例如借助电磁阀151）。

此外，第一流动回路111（经由管道126）唯一地连接到稀释空气室144，并且安装在回路111中的设备131是电磁阀。

设置用于使氧化剂气体流经过的外部回路150的优势在于为调节氧化剂气体的流速提供了更大的灵活性。

图5是示出了在本发明的第三实施例中的热交换器100”的功能图。

热交换器100”与以上参考图1到图3描述的热交换器的不同之处在于，还包括用于输送被供给到预先混合室142的燃料气体流的外部回路170。外部回路170例如借助电磁阀171进行控制。

更精确地，用于输送燃料气体流的外部回路170被连接到第二、第三流动回路112、113的管道122与123之间的接合处124。

设置外部燃料气体流回路170的优势在于可以在需要的时候增加能够用于锅炉的能量，尤其是如果来自上游燃料电池的气体不足以满足热交换器上的热量需求的时候。

Claims

1.一种热交换器（100，100’，100”），在向所述热交换器供应氧化剂气体和燃料气体的热燃料电池的出口处运行，所述热交换器包括：

用于氧化剂气体的第一流动回路（111）；

用于燃料气体的第二流动回路（112）；

预先混合室（142），被供给氧化剂气体和来自至少所述第二回路（112）的燃料气体；

燃烧室（140），被供给来自所述预先混合室的气态混合物和来自所述第一回路（111）的氧化剂气体；以及

用于废气的流动回路（114），接收来自所述燃烧室（140）的废气；

其中，用于氧化剂气体的所述第一流动回路、用于燃料气体的所述第二流动回路、所述燃烧室和所述用于废气的流动回路都浸入在共同的冷却流体中。

2.根据权利要求1所述的热交换器（100），其中供给所述预先混合室（142）的氧化剂气体取自所述第一回路（111）。

3.根据权利要求1所述的热交换器（100’），其中供给所述预先混合室（142）的氧化剂气体取自用于氧化剂气体的外部流动回路（150）。

4.根据权利要求1到3中的任意一项所述的热交换器（100，100’，100”），还包括用于供给所述预先混合室（142）的燃料气体的第三流动回路（113），所述第三流动回路（113）浸入在所述冷却流体中。

5.根据权利要求4所述的热交换器（100”），还包括用于供给所述预先混合室（142）的燃料气体的外部流动回路（170）。

6.根据权利要求1到5中的任意一项所述的热交换器（100，100’，100”），还包括：第一外罩（E1），所述第一外罩包括用于废气的所述流动回路（114）和所述燃烧室（140）；和第二外罩（E2），所述第二外罩包括用于氧化剂气体和燃料气体的流动回路（111，112，113），所述第一和第二外罩（E1、E2）适于彼此连通，使得所述冷却流体在这两个外罩中流动。

7.根据权利要求1到6中的任意一项所述的热交换器（100，100’，100”），其中所述预先混合室（142）通过注入栅极（145）与所述燃烧室（140）分隔开。

8.根据权利要求7所述的热交换器（100，100’，100”），其中直接取自所述第一回路（111）的氧化剂气体以围绕所述注入栅极（145）的环形方式被供给到所述燃烧室（140）。

9.根据权利要求1到8中的任意一项所述的热交换器（100，100’，100”），其中直接取自所述第一回路（111）并且供给所述燃烧室（140）的氧化剂气体经过围绕所述燃烧室形成的稀释空气室（144）。

10.根据权利要求1到9中的任意一项所述的热交换器（100，100’，100”），其中所述冷却流体是水。

11.一种在热燃料电池的出口处运行的锅炉，所述锅炉包括根据权利要求1到10中的任意一项所述的热交换器（100，100’，100”）。

12.一种用于同时产生热能和电能的系统（500），所述系统包括：

热燃料电池（200）；以及

根据权利要求1到10中的任意一项所述的热交换器（100，100’，100”），所述热交换器通过所述热燃料电池（200）被供给氧化剂气体和燃料气体。

13.根据权利要求12所述的系统（500），还包括重整装置（300），所述热交换器包括用于燃料气体的第二流动回路（112）和第三流动回路（113），所述第二流动回路和所述第三流动回路分别通过所述热燃料电池（200）和所述重整装置被供给。