CN103904350B - 一种集成热交换及催化反应的sofc系统用辅助元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种集成热交换及催化反应的SOFC系统用辅助元件，其包含换热段和反应段，反应段的催化燃烧室出口和换热段的启动燃烧室入口通过焊接进行连接；换热段包含启动燃烧室，电火花启动器，空气管路，燃料管路和水汽管路。本发明的换热段集成了普通SOFC系统中的空气预热器、燃料预热器、蒸汽发生器和启动燃烧室，可用于启动燃烧，同时利用高温尾气加热空气、燃料及产生蒸汽；反应段集成了重整器、尾气燃烧器及空气预热器，可用于重整燃料、燃烧尾气释放热量和进一步加热空气。

Description

一种集成热交换及催化反应的SOFC系统用辅助元件
【技术领域】
本发明涉及热交换设备技术领域，具体地说，是一种集成热交换及催化反应的SOFC系统用辅助元件。
【背景技术】
燃料电池通过电化学反应将燃料的化学能转化成电能，是一种高效绿色的发电装置。其中的固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCell，SOFC)属于第三代燃料电池，具有高效、安全、价格低廉、适用范围广等优点。利用SOFC热电系统发电供热，可实现能量的梯级利用，更加高效的利用能源。特别是未来在家庭领域的应用或者作为汽车的辅助电源，不仅具备高效的能源转化效率，同时可大大减少CO2的排放量。
一般的SOFC系统主要由SOFC电堆、重整器、换热器和控制系统组成。为了保证SOFC电堆的寿命和高效性，进入SOFC电堆的非纯氢燃料需要经过燃料预处理阶段，将大部分燃料重整转化为H2和CO。进入SOFC电堆的燃料和空气还需要经过预热处理阶段，将燃料和空气的温度提升到一定值，确保在SOFC电堆中能够顺利的发生电化学反应。从SOFC电堆出来的尾气的温度一般能够达到700～900℃，这部分高品质的热量能够给重整反应、燃料预热、空气预热和蒸汽发生器提供热量。此外尾气中还有未反应完全的H2和CO，可以通过燃烧反应将剩余的燃料燃烧完全，提高尾气的温度和整个系统的燃料利用率。
中国专利公开号为CN103107348A的专利展示了一种耦合型的重整反应器，其主要依赖重整反应和燃烧室的燃烧反应，将燃烧反应释放的热量提供给吸热的重整反应，大大提高了反应器的工作效率。
催化燃烧是可燃物在催化剂的作用下，在一定的温度条件下进行的无火焰燃烧反应。催化燃烧没有火焰，燃烧完全，能够完全释放电堆尾气中剩余燃料的化学能，同时催化燃烧的起燃温度和反应温度都较普通燃烧低。因此催化燃烧不但能够提高系统效率，保证系统的安全可靠，还能够有效控制SOFC系统的整体温度，降低SOFC系统中的峰值温度，使其适用于未来SOFC的低温化操作。由于催化燃烧和重整反应一样可使用填充或者涂覆式催化剂，使得两者耦合的反应器结构形式更为广泛，并且高效安全。
为了进一步提高SOFC系统的整体效率，需要将SOFC系统中的换热元件以及反应元件整合在一起。因此，高度集成化的SOFC系统用辅助元件能够大大减少系统的热损失，提高系统综合效率，同时使系统结构更为紧凑。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种集成热交换及催化反应的SOFC系统用辅助元件。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种集成热交换及催化反应的SOFC系统用辅助元件，其包含换热段和反应段，换热段和反应段的材料均为316不锈钢，反应段的催化燃烧室出口和换热段的启动燃烧室入口通过焊接进行连接；其特征在于，换热段包含启动燃烧室，电火花启动器，空气管路，燃料管路和水汽管路，换热段的启动燃烧室设有废气出口，电火花启动器安装在启动燃烧室的壁面上，空气管路，燃料管路和水汽管路分别贯穿启动燃烧室，空气管路分别连接空气入口和空气预热室，燃料管路分别连接燃料入口和重整室，水汽管路分别连接水汽入口和重整室。
所述的反应段包含重整室，催化燃烧室，空气预热室和隔火装置；反应段采用三层套管式反应器，内层为可填充重整催化剂的重整室，中间层为可填充催化燃烧催化剂的催化燃烧室，外层为空气预热室，内中外三层通过焊接一体成型；
所述的反应段的重整室的一端连接燃料管路和水汽管路，重整室的另一端设有合成气出口，催化燃烧室的一端设有电堆阴阳极尾气入口，催化燃烧室的另一端设有一个环状隔火装置，同时在催化燃烧室和启动燃烧室之间设有燃烧尾气出口，空气预热室的一端连接空气管路，空气预热室的另一端设有空气出口。
所述的换热段包括启动燃烧室、电火花启动器、空气管路、燃料管路和水汽管路，可用于启动SOFC系统，预热空气，预热燃料以及将水气化为水蒸气。
所述的电火花启动器安装在启动燃烧室壁面上，可利用电池产生电火花，点燃启动燃烧室内的燃料，同时释放大量的热量，用于预热空气管路中的空气，预热燃料管路中的燃料，并将水汽管路中的水气化为水蒸气。
所述的启动燃烧室为一密闭空腔，内可填充泡沫陶瓷片等多孔介质，提高启动燃烧的传热能力和安全性。启动燃烧室的废气出口则用于排放最终反应及换热完成后的废气。在SOFC系统启动时，启动燃烧室主要用于启动燃烧，加热燃料和水，使燃料和水进入重整室后能够顺利完成重整反应；在SOFC系统稳定运行时，启动燃烧室起到换热器的作用，用于预热空气管路中的空气，预热燃料管路中的燃料，并将水汽管路中的水气化为水蒸气。
所述的空气管路可根据换热量的需要设置一路或多路管路，管路的形式可根据换热量和结构紧凑程度的需要设置为直线或弯曲的管路。空气通过空气管路进行初步预热。所述的燃料管路可根据换热量的需要设置一路或多路管路，直线或弯曲的管路，将燃料进行初步预热。若采用液体燃料，则可以使用高通量换热管来强化换热。
所述的水汽管路可使用高通量换热管来强化换热，可根据换热量的需要设置一路或多路管路，管路的形式可根据换热量和结构紧凑程度的需要设置为直线或弯曲的管路。水通过水汽管路化成水蒸气。
所述的反应段包括重整室、催化燃烧室、空气预热室和隔火装置，可将燃料和水蒸气通过重整反应转化为合成气，将电堆阴阳极尾气中未反应完全的燃料通过催化燃烧反应燃烧完全，同时进一步预热空气。
所述的重整室为一密闭空腔，空腔壁面的外侧则为催化燃烧室。空腔内填充重整催化剂，预热后的燃料和水蒸气通过重整室一端的入口进入重整室，催化剂将燃料和水蒸气重整为合成气，合成气从重整室另一端的合成气出口出去，进入SOFC电堆的阳极。重整过程为吸热反应，需要的热量来自催化燃烧室中高温的电堆阴阳极尾气以及催化燃烧反应释放的热量。
所述的催化燃烧室为一密闭空腔，空腔的内壁面内侧为重整室，空腔的外壁面外侧为空气预热室。空腔内填充催化燃烧催化剂，从电堆阴阳极出来的尾气进入催化燃烧室，通过催化燃烧反应将电堆阴阳极尾气中未反应完全的燃料燃烧完全，并释放热量。高温的电堆阴阳极尾气和催化燃烧释放的热量通过催化燃烧室的内外壁面，同时将热量提供给重整室内重整反应和预热空气预热室中的空气。
所述的空气预热室为一密闭空腔，空腔的内壁面内侧为催化燃烧室。经启动燃烧室初步预热后的空气通过空气管路进入空气预热室进一步预热，在从空气预热室另一端的空气出口出去，进入SOFC电堆的阴极。预热空气需要的热量来自催化燃烧室中高温的电堆阴阳极尾气以及催化燃烧反应释放的热量。
所述的隔火装置为多孔陶瓷圆环，根据回火极限理论确定其孔径及孔隙率。
所述的换热段的空气管路出口和反应段的空气预热室入口焊接在一起，换热段的燃料管路出口和反应段的重整室入口焊接在一起，换热段的水汽管路出口和反应段的重整室入口焊接在一起，反应段的催化燃烧室出口和换热段的启动燃烧室入口焊接在一起。换热段和反应段的外壳一体成型，提高反应器的集成度。
本发明具有如下的优点：
一种集成热交换及催化反应的SOFC系统用辅助元件，此辅助元件由换热段和反应段组成，换热段集成了普通SOFC系统中的空气预热器、燃料预热器、蒸汽发生器和启动燃烧室，可用于启动燃烧，同时利用高温尾气加热空气、燃料及产生蒸汽；反应段集成了重整器、尾气燃烧器及空气预热器，可用于重整燃料、燃烧尾气释放热量和进一步加热空气。此外，尾气燃烧则采用了无火焰的催化燃烧，可降低燃烧反应的燃烧温度，有利于SOFC系统的低温化操作，同时更加安全可靠。通过以上手段将SOFC系统中的多种换热器和多种反应器高度集成在一起，缩小了整个系统的尺寸，减少了热能的损失，大大提升了换热效率，能够提高SOFC系统的整体发电效率和热效率，同时避免了其他不必要的辅助设备，降低了系统的成本，有利于批量生产和商业化。
【附图说明】
图1为本发明提供的一种集成热交换及催化反应的SOFC系统用辅助元件剖面的结构示意图；
图2为本发明提供的一种集成热交换及催化反应的SOFC系统用辅助元件右面的结构示意图；
附图中的标记为：1：空气预热室；2：催化燃烧室；3：重整室；4：合成气出口；5：电堆阴阳极尾气入口；6：空气出口；7：隔火装置；8：电火花启动器；9：启动燃烧室；10：废气出口；11：水汽入口；12：燃料入口；13：空气入口；14：水汽管路；15：燃料管路；16：空气管路；17：燃烧尾气出口。
【具体实施方式】
以下提供本发明一种集成热交换及催化反应的SOFC系统用辅助元件的具体实施方式。
实施例1
如图1所示的一种集成热交换及催化反应的SOFC系统用辅助元件。
当系统启动时，常温燃料从燃料入口12进入，依次经过燃料管路15、重整室3和合成气出口4进入电堆阳极，再从电堆出来，依次经过电堆阴阳极尾气入口5、催化燃烧室2、隔火装置7和燃烧尾气出口17，以上整个过程中由于温度过低，不发生任何反应，最后燃料进入启动燃烧室9；同时，常温空气从空气入口13进入，依次经过空气管路16、空气预热室1和空气出口6进入电堆阴极，再从电堆出来，依次经过电堆电堆阴阳极尾气入口5、催化燃烧室2、隔火装置7和燃烧尾气出口17，以上整个过程中由于温度过低，不发生任何反应，最后空气进入启动燃烧室9与燃料混合。
当燃料和空气在启动燃烧室9中混合后，利用电火花启动器8点燃启动燃烧室9当中的燃料和空气，同时释放大量的热量，用于加热燃料管路15中的燃料和空气管路13中的空气，燃烧后的废气经过废气出口10排放。
经加热后的燃料依次经过燃料管路15、重整室3、合成气出口4、电堆、电堆阴阳极尾气入口5和催化燃烧室2；经加热后的空气依次经过空气管路16、空气预热室1、空气出口6、电堆、电堆阴阳极尾气入口5和催化燃烧室2。当催化燃烧室2的温度达到200～300℃时，即达到了催化燃烧的起燃温度(催化燃烧催化剂的起燃温度随催化剂和燃料的不同而有所变化)时，被加热的燃料和空气在催化燃烧室2内进行催化燃烧，同时释放大量的热量，分别通过催化燃烧室2的内外壁面将热量传递给重整室3和空气预热室1。
当重整室3的温度达到300～400℃时，为防止重整催化剂积碳，需将水从水汽入口11通入水汽管路14中，并与燃料在重整室3中混合，由于催化燃烧给吸热的蒸汽重整反应提供了大量的热量，促使燃料和水蒸气在重整室3内发生部分重整反应，产生合成气，即H2和CO的混合气体，并通过合成气出口4进入电堆的阳极。随着温度的升高，燃料和水蒸气在重整室3内的重整反应越来越完全，产生的H2和CO越来也多。最终的温度和转化率可依据SOFC电堆的性能以及其能够承受的CH4的量来决定。
同时，空气预热室1内的空气也被催化燃烧所释放的热量加热到一定程度，并通过空气出口6进入电堆的阴极。达到一定温度的合成气和空气在电堆内部发生电化学反应，产生电能和热能。由于电堆的燃料利用率不可能达到100％，有一部分合成气没有发生反应，因此电堆的阳极尾气中含有一定量的H2和CO。由于需要利用过量的空气来带走电堆产生的热量，控制电堆温度的恒定，因此反应后，电堆的阴极尾气中还剩余大量未反应的O2。
电堆的阳极尾气和阴极尾气混合后从电堆阴阳极尾气入口5进入催化燃烧室2，并发生催化燃烧反应，将未反应完的合成气全部燃烧掉，最终的废气进入启动燃烧室9。此时的启动燃烧室9内由于没有可用于燃烧的燃料，因此，其燃烧反应也停止了。此时的启动燃烧室9实际为一个换热器，经过启动燃烧室9的高温废气用于预热空气管路16中的空气，预热燃料管路15中的燃料，并将水汽管路14中的水气化为水蒸气。
当系统各个部位的温度达到预定温度时，SOFC系统则进入稳定运行阶段。此时燃料和水分别通过燃料管路15和水汽管路14的预热，进入重整室3内发生重整反应。重整反应产生的合成气和经过空气预热室1的空气分别通过合成气出口4和空气出口6进入电堆的阳极和阴极发生电化学反应。电堆产生的尾气从电堆阴阳极尾气入口5进入催化燃烧室2内，将未反应完全的合成气燃烧完全，同时释放热量，用于重整反应和空气预热。反应完的废气经过隔火装置7从燃烧尾气出口17进入启动燃烧室9内，用于预热空气管路16中的空气，预热燃料管路15中的燃料，并将水汽管路14中的水气化为水蒸气。经过换热后的废气最终从废气出口10排出。
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，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种SOFC系统用集成热交换及催化反应的辅助元件，其包含换热段和反应段，换热段和反应段的材料均为316不锈钢，反应段的催化燃烧室出口和换热段的启动燃烧室入口通过焊接进行连接；其特征在于，换热段包含启动燃烧室，电火花启动器，空气管路，燃料管路和水汽管路，换热段的启动燃烧室设有废气出口，电火花启动器安装在启动燃烧室的壁面上，空气管路，燃料管路和水汽管路分别贯穿启动燃烧室，空气管路分别连接空气入口和空气预热室，燃料管路分别连接燃料入口和重整室，水汽管路分别连接水汽入口和重整室。
2.如权利要求1所述的一种SOFC系统用集成热交换及催化反应的辅助元件，其特征在于，所述的反应段包含重整室，催化燃烧室，空气预热室和隔火装置；反应段采用三层套管式反应器，内层为可填充重整催化剂的重整室，中间层为可填充催化燃烧催化剂的催化燃烧室，外层为空气预热室，内中外三层通过焊接一体成型。
3.如权利要求2所述的一种SOFC系统用集成热交换及催化反应的辅助元件，其特征在于，所述的反应段的重整室的一端连接燃料管路和水汽管路，重整室的另一端设有合成气出口，催化燃烧室的一端设有电堆阴阳极尾气入口，催化燃烧室的另一端设有一个环状隔火装置，同时在催化燃烧室和启动燃烧室之间设有燃烧尾气出口，空气预热室的一端连接空气管路，空气预热室的另一端设有空气出口。
4.如权利要求1所述的一种SOFC系统用集成热交换及催化反应的辅助元件，其特征在于，所述的换热段的空气管路根据换热量的需要设置一路或多路管路，管路的形式为直线或弯曲的管路。
5.如权利要求1所述的一种SOFC系统用集成热交换及催化反应的辅助元件，其特征在于，所述的换热段的水汽管路使用高通量换热管来强化换热，设置一路或多路管路，管路的形式为直线或弯曲的管路。
6.如权利要求2所述的一种SOFC系统用集成热交换及催化反应的辅助元件，其特征在于，所述的反应段的重整室为一密闭空腔，空腔壁面的外侧则为催化燃烧室。
7.如权利要求1所述的一种SOFC系统用集成热交换及催化反应的辅助元件，其特征在于，所述的反应段的催化燃烧室为一密闭空腔，空腔的内壁面内侧为重整室，空腔的外壁面外侧为空气预热室。
8.如权利要求2所述的一种SOFC系统用集成热交换及催化反应的辅助元件，其特征在于，所述的反应段的空气预热室为一密闭空腔，空腔的内壁面内侧为催化燃烧室。
9.如权利要求2所述的一种SOFC系统用集成热交换及催化反应的辅助元件，其特征在于，所述的反应段的隔火装置为多孔陶瓷圆环。
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