CN109244506A - 固体氧化物燃料电池的真空绝缘保温箱及燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，具体公开一种固体氧化物燃料电池的真空绝缘保温箱及燃料电池系统，所述固体氧化物燃料电池的真空绝缘保温箱包括：电堆主体；真空罩，所述电堆主体位于所述真空罩围成的封闭空间中。本发明提供的固体氧化物燃料电池的真空绝缘保温箱，通过设置真空罩以代替本领域惯用的保温棉，可以大大的减少现有的电堆热箱的体积。进一步地，本发明还采取了加热装置外置的技术手段，将现有的电堆热箱的体积再次缩减。

Description

固体氧化物燃料电池的真空绝缘保温箱及燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种固体氧化物燃料电池的真空绝缘保温箱及燃料电池系统。
背景技术
由于固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)运行温度较高(800℃-1000℃)，因此，在启动SOFC之前需要先将电堆及电堆热箱加热到700℃～800℃，在启动加热阶段，需要持续向阴极和阳极通入空气和保护气(N2),还需要通过位于电堆热箱内部的电炉丝对电堆主体进行持续加热，同时，电堆热箱外部需要贴覆一层厚厚的保温材料(玻璃纤维或者硅酸铝保温棉等)以实现对电堆主体与外部的热绝缘，保温层厚度约为150mm～200mm，导致整个电堆热箱体积较大，不便于安装和操作。
发明内容
本发明的一个目的在于，提供一种固体氧化物燃料电池的真空绝缘保温箱，既能保证对电堆主体的保温，又能减小现有的电堆热箱的体积。
本发明的另一个目的在于，提供一种燃料电池系统，既能保证对电堆主体的保温，又能减小现有的电堆热箱的体积。
为达以上目的，一方面，本发明提供一种固体氧化物燃料电池的真空绝缘保温箱，包括：
电堆主体；
真空罩，所述电堆主体位于所述真空罩围成的封闭空间中。
优选地，所述真空罩包括：
罩底，所述电堆主体固定在所述罩底的上方；
内罩，所述内罩位于所述罩底的上方，所述电堆主体位于所述内罩与所述罩底形成的所述封闭空间中；
外罩，所述罩底位于所述外罩的底部，所述外罩位于所述封闭空间的外部，所述外罩与所述内罩形成用于被抽真空的真空腔。
优选地，还包括：
阴极进气管，所述阴极进气管的一端与所述电堆主体的阴极进气口连接，另一端贯穿所述内罩和外罩并与所述外罩的外部空间连通；
阳极进气管，所述阳极进气管的一端与所述电堆主体的阳极进气口连接，另一端贯穿所述内罩和外罩并与所述外罩的外部空间连通。
优选地，所述阴极进气管上设有连通所述阴极进气管的管内空间与所述封闭空间的气压平衡孔。
优选地，所述气压平衡孔的直径为0.8mm～1.2mm。
优选地，所述罩底的材料为耐火黏土泥。
优选地，所述真空腔的绝对压力在20kPa以下。
另一方面，本发明提供一种燃料电池系统，包括上述任一种固体氧化物燃料电池的真空绝缘保温箱。
优选地，还包括：
空气供应系统，所述电堆主体的阴极进气口与所述空气供应系统连通；
燃料供应系统，所述电堆主体的阳极进气口与所述燃料供应系统连通；
保护气供应系统，所述电堆主体的阳极进气口与所述保护气供应系统连通；
抽真空系统，所述抽真空系统的抽气口与所述真空罩连通，用于对所述真空罩抽真空。
优选地：
所述空气供应系统包括空气压缩机和空气热交换器，所述空气热交换器位于所述空气压缩机与电堆主体之间，所述空气热交换器位于所述真空罩的外部；
所述燃料供应系统包括燃料增压装置和重整热交换器，所述重整热交换器位于燃料增压装置与电堆主体之间，所述重整热交换器位于所述真空罩的外部。
本发明的有益效果在于：提供一种固体氧化物燃料电池的真空绝缘保温箱及燃料电池系统，通过设置真空罩以代替本领域惯用的保温棉，可以大大的减少现有的电堆热箱的体积。进一步地，本发明还采取了加热装置外置的技术手段，将现有的电堆热箱的体积再次缩减。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的燃料电池系统预热阶段的第一结构示意图；
图2为本发明实施例提供的燃料电池系统预热阶段的第二结构示意图；
图3为本发明实施例提供的燃料电池系统工作阶段的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的真空绝缘保温箱的结构示意图。
图中：
1、空气供应系统；101、空气压缩机；102、空气热交换器；
2、保护气供应系统；201、储气罐；
3、燃料供应系统；301、燃料增压装置；302、重整热交换器；
4、抽真空系统；401、真空泵；
5、真空绝缘保温箱；501、电堆主体；502、罩底；502、内罩；503、外罩；504、封闭空间；505、真空腔；
6、燃烧室；
7、供水系统；701、水泵。
具体实施方式
为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。当一个组件被认为是“设置在”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中设置的组件。
此外，术语“长”“短”“内”“外”等指示方位或位置关系为基于附图所展示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或原件必须具有此特定的方位、以特定的方位构造进行操作，以此不能理解为本发明的限制。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1～图4所示，本实施例提供一种燃料电池系统，包括空气供应系统1、保护气供应系统2、燃料供应系统3、抽真空系统4、用于固体氧化物燃料电池的真空绝缘保温箱5、燃烧室6和供水系统7。
进一步地，空气供应系统1包括空气压缩机101、空气热交换器102以及相关的管路以及阀件等，保护气供应系统2包括储气罐201和相关的管路以及阀件等，燃料供应系统3包括燃料增压装置301、重整热交换器302以及相关的管路以及阀件等，抽真空系统4包括真空泵401和相关的管路以及阀件等。供水系统7包括水泵701和相关的管路以及阀件等。
真空绝缘保温箱5包括电堆主体501和真空罩。所述真空罩包括罩底502、内罩503和外罩503。所述电堆主体501固定在所述罩底502的上方；所述内罩503位于所述罩底502的上方，所述电堆主体501位于所述内罩503与所述罩底502形成的封闭空间504中；所述罩底502位于所述外罩503的底部，所述外罩503位于所述封闭空间504的外部，所述外罩503与所述内罩503形成用于被抽真空的真空腔505；于本实施例中，真空腔505与抽真空系统4的抽气口连通。
具体地，封闭空间504属于压力腔是不会被抽真空的，由于真空腔505的存在，可以最大程度地保留住封闭空间504中的热量，有效减少封闭空间504中的热量损失，而且，在厚度相同的情况下，真空腔505的保温效果显然高于保温棉，所以既能保证对电堆主体501的保温，又能减小现有的电堆热箱的体积。
真空绝缘保温箱5还包括阴极进气管和阳极进气管。所述阴极进气管的一端与所述电堆主体501的阴极进气口连接，另一端贯穿所述内罩503和外罩503并与所述外罩503的外部空间连通；于本实施例中，阴极进气管的另一端与空气供应系统1连通，所述空气热交换器102位于所述空气压缩机101与电堆主体501之间，所述空气热交换器102位于所述真空罩的外部。所述阳极进气管的一端与所述电堆主体501的阳极进气口连接，另一端贯穿所述内罩503和外罩503并与所述外罩503的外部空间连通；于本实施例中，阳极进气管的另一端分别与保护气供应系统2以及燃料供应系统3连通，所述重整热交换器202位于所述燃料增压装置301与电堆主体501之间，所述重整热交换器202位于所述真空罩的外部。具体地，空气供应系统1为电堆主体501提供空气，保护气供应系统2为电堆提供保护气，优选为氮气。空气热交换器102和重整热交换器202均设置在固体氧化物燃料电池的真空绝缘保温箱5的外部，然后通过已经在外部得到加热的空气和保护气对电堆主体501进行加热，即可保持固体氧化物燃料电池的真空绝缘保温箱5的温度，又可以有效降低固体氧化物燃料电池的真空绝缘保温箱5的体积。
所述阴极进气管上设有连通所述阴极进气管的管内空间与所述封闭空间504的气压平衡孔。具体地，气压平衡孔是为保持电堆主体501内外的压力相对均衡，以利于电堆主体501正常工作。优选地，所述气压平衡孔的直径为0.8mm～1.2mm。进一步地，所述气压平衡孔的直径为1mm。
优选地，所述罩底502的材料为耐火黏土泥，所述真空腔505的绝对压力在20kPa以下。表1为真空腔505在不同压力下对应的固体氧化物燃料电池的真空绝缘保温箱5的传热系数表，从表1可知，当真空度在20kPa以下时，固体氧化物燃料电池的真空绝缘保温箱5的导热系数急速下降。
表1真空腔在不同压力下对应的真空绝缘保温箱的传热系数表
压力kPa 对流表面的传热系数W/(m<sup>2</sup>·K) 对应导热系数W/(m·K)
5 0.034297752 0.009701
10 0.048508263 0.01372
20 0.068612129 0.019406
40 0.097063601 0.027454
50 0.108537981 0.030699
60 0.118916673 0.033635
80 0.137357713 0.038851
100 0.153620509 0.04345
以下是本实施例提供的燃料电池系统的工作过程：
(1)预热阶段：如图1～图2所示连接各设备，阳极通入保护气，阴极通入空气，燃料直接进入燃烧室6燃烧产生高温烟气，高温烟气回热至空气预热器102和重整热交换器302(重整热交换器302此时仅仅气道换热作用，无重整)，将空气和保护气加热至一定温度，利用此两路气体对真空绝缘保温箱5持续加热，待到真空绝缘保温箱5温度达到800℃～1000℃时，意味着燃料电池具备了反应条件；
(2)工作阶段：如图3所示，阳极开始切换连接关系，撤掉保护气，使重整热交换器302分别与供水系统7和燃料供应系统3连接，此时燃料和水在重整热交换器302中的催化剂的作用下发生反应，CH4+H2O＝CO+3H2，此时的重整热交换器302既是热交换器又是反应釜，不能完全反应，所以重整后的气体成分包含CO、H2和少量CH4、H2O，重整后的气体进入电堆主体501的阳极，再次在电堆主体501发生化学反应：CO+O2＝CO2，2H2+O2＝2H2O，对外产生直流电，不能完全反应，燃料利用率大约是60％，电堆主体501的阳极尾气就是CH4、CO、H2、CO2、H2O，阴极尾气依然是空气组分，但是氧气浓度较一般的空气低，这两种尾气在燃烧室燃烧产生热量，持续给前端的重整热交换器302和空气热交换器102提供热源。
在两个阶段，燃烧室6始终为系统提供热源，在预热阶段采用燃料直接燃烧，而在电堆主体501工作时采用电堆主体501的尾气燃烧，因为要维持电堆主体501的正常反应，必须使热箱主体5达到电堆主体501的工作温度，需要空气热交换器102和重整热交换器302的持续工作，具体的温度是通过控制空气量和燃料量来达到平衡。
本实施例提供的固体氧化物燃料电池的真空绝缘保温箱5，采用真空腔505使电堆主体501与外界隔绝，将阴极空气和阳极保护气的加热装置设置在固体氧化物燃料电池的真空绝缘保温箱5的外部，然后通过管道送入电堆主体501，可将固体氧化物燃料电池的真空绝缘保温箱5的尺寸缩小到原来的电堆热箱的1/8，且真空绝缘保温箱5对外界的散热量减少至原来的电堆热箱的1/4。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种固体氧化物燃料电池的真空绝缘保温箱，其特征在于，包括：
电堆主体；
真空罩，所述电堆主体位于所述真空罩围成的封闭空间中。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池的真空绝缘保温箱，其特征在于，所述真空罩包括：
罩底，所述电堆主体固定在所述罩底的上方；
内罩，所述内罩位于所述罩底的上方，所述电堆主体位于所述内罩与所述罩底形成的所述封闭空间中；
外罩，所述罩底位于所述外罩的底部，所述外罩位于所述封闭空间的外部，所述外罩与所述内罩形成用于被抽真空的真空腔。
3.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池的真空绝缘保温箱，其特征在于，还包括：
阴极进气管，所述阴极进气管的一端与所述电堆主体的阴极进气口连接，另一端贯穿所述内罩和外罩并与所述外罩的外部空间连通；
阳极进气管，所述阳极进气管的一端与所述电堆主体的阳极进气口连接，另一端贯穿所述内罩和外罩并与所述外罩的外部空间连通。
4.根据权利要求3所述的固体氧化物燃料电池的真空绝缘保温箱，其特征在于，所述阴极进气管上设有连通所述阴极进气管的管内空间与所述封闭空间的气压平衡孔。
5.根据权利要求4所述的固体氧化物燃料电池的真空绝缘保温箱，其特征在于，所述气压平衡孔的直径为0.8mm～1.2mm。
6.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池的真空绝缘保温箱，其特征在于，所述罩底的材料为耐火黏土泥。
7.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池的真空绝缘保温箱，其特征在于，所述真空腔的绝对压力在20kPa以下。
8.一种燃料电池系统，其特征在于，包括权利要求1～7任一项所述的固体氧化物燃料电池的真空绝缘保温箱。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括：
空气供应系统，所述电堆主体的阴极进气口与所述空气供应系统连通；
燃料供应系统，所述电堆主体的阳极进气口与所述燃料供应系统连通；
保护气供应系统，所述电堆主体的阳极进气口与所述保护气供应系统连通；
抽真空系统，所述抽真空系统的抽气口与所述真空罩连通，用于对所述真空罩抽真空。
10.根据权利要求9所述的燃料电池系统，其特征在于：
所述空气供应系统包括空气压缩机和空气热交换器，所述空气热交换器位于所述空气压缩机与电堆主体之间，所述空气热交换器位于所述真空罩的外部；
所述燃料供应系统包括燃料增压装置和重整热交换器，所述重整热交换器位于燃料增压装置与电堆主体之间，所述重整热交换器位于所述真空罩的外部。
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