CN108448133A - 一种固体氧化物燃料电池堆的燃料供给装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固体氧化物燃料电池堆的燃料供给装置，所述装置由固体氧化物燃料电池堆、涡轮增压器、分离器和热管换热器组成；固体氧化物燃料电池堆中未参与反应的氧化剂经过涡轮增压器增压后再次进入固体氧化物燃料电池堆中进行反应；固体氧化物燃料电池堆中未参与反应的氢气和反应生成的水蒸气喷出后，进入涡轮增压器中，将动能传给涡轮增压器，同时将热能传给与涡轮增压器贴合的热管换热器，再经由分离器分离，分离出的氢气经过热管换热器加热后再次进入固体氧化物燃料电池堆中进行反应。本发明固体氧化物燃料电池堆的燃料供给装置能够有效提高整个燃料电池堆的综合效率和能源利用率。

Description

一种固体氧化物燃料电池堆的燃料供给装置
技术领域
本发明涉及一种固体氧化物燃料电池堆的燃料供给装置，属于燃料电池技术领域。
背景技术
固体氧化物燃料电池是一种将燃料中的化学能通过化学反应后直接获得电能的电池。该类电池若使用氢气作为燃料，在整个能量转换过程中，没有任何污染，最终的产物是电和水。另外，固体氧化物燃料电池不受卡诺循环的限制，其单机转换效率可达到60％左右，若使用热电联产等组合，综合效率可达到90％以上。由于固体氧化物燃料电池不需要贵金属作为催化剂，越来越受到广泛的关注。
目前国内固体氧化物燃料电池堆发电系统已完成相关的示范项目。但这些示范项目仅仅完成高温固体氧化物燃料电池堆发电系统的运行示范，关于能源综合利用的相关示范项目和研究报道还很少见。因此一种能够实现能源高效利用的固体氧化物燃料电池堆的燃料供给装置的开发很有必要。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种固体氧化物燃料电池堆的燃料供给装置，该装置能够有效提高整个燃料电池堆的综合效率和能源利用率。
发明内容：为解决上述技术问题，本发明所采用的技术手段为：
一种固体氧化物燃料电池堆的燃料供给装置，所述装置由固体氧化物燃料电池堆、涡轮增压器、分离器和热管换热器组成；固体氧化物燃料电池堆中未参与反应的氧化剂经过涡轮增压器增压后再次进入固体氧化物燃料电池堆中进行反应；固体氧化物燃料电池堆中未参与反应的氢气和反应生成的水蒸气喷出后，进入涡轮增压器中，将动能传给涡轮增压器，同时将热能传给与涡轮增压器贴合的热管换热器，再经由分离器分离，分离出的氢气经过热管换热器加热后再次进入固体氧化物燃料电池堆中进行反应。
其中，所述固体氧化物燃料电池堆包括电池堆体以及设置在电池堆体上的空气出口、空气进口、燃料出口和燃料进口；固体氧化物燃料电池堆中未参与反应的氧化剂通过空气出口进入涡轮增压器中，经涡轮增压器增压后通过空气进口再次进入固体氧化物燃料电池堆中进行反应；固体氧化物燃料电池堆中未参与反应的氢气和反应生成的水蒸气通过燃料出口进入涡轮增压器中，再经由分离器分离，分离出的氢气经过热管换热器加热后通过燃料进口再次进入固体氧化物燃料电池堆中进行反应。
其中，所述涡轮增压器包括同轴转动的主涡轮叶片和从涡轮叶片，所述主涡轮叶片和从涡轮叶片通过连接轴传动连接。
其中，所述热管换热器由冷凝区、蒸发区以及连接冷凝区和蒸发区的热管组成。
其中，所述冷凝区和蒸发区采用多个热管连接，热管的蒸发段安装在蒸发区内，热管的冷凝段安装在冷凝区内。
其中，所述冷凝区的水平高度高于蒸发区，所述热管与水平面的夹角大于10度，便于冷凝区的冷凝液回流至蒸发区。
其中，涡轮增压器(的主涡轮箱体)与热管换热器的蒸发区紧密贴合(也可以主涡轮箱体与蒸发区采用导热胶紧密贴合)，主涡轮箱体、蒸发区、冷凝区和热管均采用导热性良好的材料制成。
相比于现有技术，本发明技术方案具有的有益效果为：
本发明装置通过涡轮增压器大大提高了电池反应堆的空气进入量，从而为化学反应提供足够高的氧化剂，同时通过热管换热器将常温燃料加热成高温燃料，使进入反应堆的燃料温度大大提高，两者协同增效提高了反应堆的反应效率，并且在提高效率的同时还能节能，因为本发明装置不需要额外给涡轮增压器提供动力，燃料出口喷出的高温气体一方面能够带动主涡轮叶片转动，从而带动从涡轮叶片转动，另一方面高温气体还能用于传导给热管换热器，从而给新加入热管换热器的燃料进行加热；另外，本发明装置还能实现将未反应的燃料和氧化剂再次回收重复利用的作用；最后，本发明装置中热管换热器的热源还能来自于涡轮增压器，即涡轮增压器转动产生的热能传送至热管换热器，用于加热燃料，提高整个装置的能源利用率。
附图说明
图1为本发明装置的结构原理图；
图2为本发明装置中热管换热器的结构示意图；
图3为本发明装置中涡轮增压器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步说明。
如图1～3所示，本发明固体氧化物燃料电池堆的燃料供给装置，装置由固体氧化物燃料电池堆1、涡轮增压器4、分离器3和热管换热器2组成；其中，固体氧化物燃料电池堆1由电池堆体1-7以及设置在电池堆体1-7上的电源正极接口1-1、电源负极接口1-2、空气出口1-3、空气进口1-4、燃料出口1-5和燃料进口1-6构成；涡轮增压器4包括同轴转动的主涡轮叶片4-1和从涡轮叶片4-2，主涡轮叶片4-1和从涡轮叶片4-2通过连接轴4-6传动连接；涡轮增压器4还包括从涡轮进口4-3、从涡轮出口4-4、从涡轮箱体4-5、主涡轮进口4-7、主涡轮箱体4-8和主涡轮出口4-9；热管换热器2由冷凝区2-1、蒸发区2-3以及连接冷凝区2-1和蒸发区2-3的热管2-4组成，冷凝区2-1和蒸发区2-3采用多个热管2-4连接，热管2-4的蒸发段安装在蒸发区2-3内，热管2-4的冷凝段安装在冷凝区2-1内，冷凝区2-1还包括冷凝区进口2-2和冷凝区出口2-5；冷凝区2-1中心点与水平面的距离大于蒸发区2-3中心点与水平面的距离，即冷凝区2-1的水平高度高于蒸发区2-3，从而热管2-4呈倾斜状设置，便于冷凝区2-1的冷凝液回流至蒸发区2-3，热管2-4与水平面的夹角大于10度。固体氧化物燃料电池堆1中未参与反应的氧化剂从空气出口1-3排出，通过从涡轮进口4-3进入从涡轮箱体4-5中，同时与从涡轮进口4-3连接的还有空气加入口，空气在涡轮增压器4增压后，从从涡轮出口4-4排出然后通过空气进口1-4再次进入固体氧化物燃料电池堆1中进行反应，固体氧化物燃料电池堆1中未参与反应的氢气和反应生成的水蒸气从燃料出口1-5喷出，燃料出口1-5与主涡轮进口4-7连接，燃料出口1-5喷出的高温气体带动涡轮增压器4主涡轮叶片4-1转动，从而带动与主涡轮叶片4-1传动连接的从涡轮叶片4-2转动，从涡轮叶片4-2的转动能够增加燃料电池堆空气侧进口氧化剂的供给，从而为燃料电池堆提供足够高的氧化剂，同时燃料出口1-5喷出的高温气体将热能传导给热管换热器2，用于给新加入的燃料预热；主涡轮出口4-9与分离器3输入端连接，分离器3有两个输出口，第一输出口输出氢气，第二输出口输出水，第一输出口输出的氢气与冷凝区进口2-2连接，冷凝区进口2-2同时还连接有氢气加入口，冷凝区出口2-5与燃料进口1-6连接，即热管换热器2将预热后的燃料通过燃料进口1-6进入固体氧化物燃料电池堆1中。
本发明装置中电源正极接口1-1和电源负极接口1-2用于对外提供电力；空气进口1-4用于提供氧化剂，空气出口1-3返回空气进口1-4，将未参加反应的氧化剂进行重复循环利用；燃料进口1-6用于提供化学反应所需要的燃料，燃料出口1-5的产物未已经参加反应得到水蒸气和未参加反应的氢气，氢气与水蒸气混合物带动涡轮增压器4的主涡轮叶片4-1转动，主涡轮叶片4-1带动从涡轮叶片4-2转动，从而使得空气进口1-4侧的氧化剂供给量增加，主涡轮出口4-9处的产物仍为氢气和水蒸气混合物，经过分离器3分离后，氢气与水蒸气分开，氢气送至冷凝区进口2-2，重新加入燃料进口1-6，形成燃料的循环再利用。
本发明装置，在高温燃料电池堆燃料出口侧安装涡轮增压器4，从而增加燃料电池堆空气侧进口氧化剂的供给，提供足够高的氧化剂；同时，涡轮增压器4安装在高温燃料电池堆出口则，出口的气体温度较高，在涡轮增压器4旁边安装热管换热器2，将涡轮增压器4传导过来的热能加热供给的燃料，起到燃料预热的效果，提高系统的能源转换效率；利用分离器3将未参加反应的燃料进行分离，并循环利用，提高能源使用效率。

Claims (7)

1.一种固体氧化物燃料电池堆的燃料供给装置，其特征在于：所述装置由固体氧化物燃料电池堆、涡轮增压器、分离器和热管换热器组成；固体氧化物燃料电池堆中未参与反应的氧化剂经过涡轮增压器增压后再次进入固体氧化物燃料电池堆中进行反应；固体氧化物燃料电池堆中未参与反应的氢气和反应生成的水蒸气喷出后，进入涡轮增压器中，将动能传给涡轮增压器，同时将热能传给与涡轮增压器贴合的热管换热器，再经由分离器分离，分离出的氢气经过热管换热器加热后再次进入固体氧化物燃料电池堆中进行反应。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆的燃料供给装置，其特征在于：所述固体氧化物燃料电池堆包括电池堆体以及设置在电池堆体上的空气出口、空气进口、燃料出口和燃料进口；固体氧化物燃料电池堆中未参与反应的氧化剂通过空气出口进入涡轮增压器中，经涡轮增压器增压后通过空气进口再次进入固体氧化物燃料电池堆中进行反应；固体氧化物燃料电池堆中未参与反应的氢气和反应生成的水蒸气通过燃料出口进入涡轮增压器中，再经由分离器分离，分离出的氢气经过热管换热器加热后通过燃料进口再次进入固体氧化物燃料电池堆中进行反应。
3.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆的燃料供给装置，其特征在于：所述涡轮增压器包括同轴转动的主涡轮叶片和从涡轮叶片，所述主涡轮叶片和从涡轮叶片通过连接轴传动连接。
4.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆的燃料供给装置，其特征在于：所述热管换热器由冷凝区、蒸发区以及连接冷凝区和蒸发区的热管组成。
5.根据权利要求4所述的固体氧化物燃料电池堆的燃料供给装置，其特征在于：所述冷凝区和蒸发区采用多个热管连接，热管的蒸发段安装在蒸发区内，热管的冷凝段安装在冷凝区内。
6.根据权利要求4所述的固体氧化物燃料电池堆的燃料供给装置，其特征在于：所述冷凝区的水平高度高于蒸发区，所述热管与水平面的夹角大于10度。
7.根据权利要求4所述的固体氧化物燃料电池堆的燃料供给装置，其特征在于：热管换热器的蒸发区通过导热胶与涡轮增压器紧密贴合。
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