CN111952632A - 一种高燃料利用率内级联固体氧化物燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高燃料利用率内级联固体氧化物燃料电池堆，经主燃料供应管路向内一级电堆输入燃料；经空气进口向内一级电堆和内二级电堆输入空气；内一级电堆的尾气经级联循环回路进入所述内二级电堆；经辅燃料供应管路向内二级电堆补充燃料；内二级电堆经尾气排出管路排出尾气。本发明增设级联回路，提高了燃料利用率；增设中间位置的内一级电堆，通过管理主燃料供应管路中燃料气组份确保内一级电堆中发生部分重整反应，提高电堆内部温度场均一性，降低电池堆内部温度，降低风机寄生功率；增设辅燃料供应管路，提高进入内二级电堆混合燃料气温度和气体组份的可控性。

Description

一种高燃料利用率内级联固体氧化物燃料电池堆
技术领域
本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，尤其涉及一种高燃料利用率内级联固体氧化物燃料电池堆。
背景技术
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种清洁高效的发电装置，高温下工作(600oC-1000oC)，可直接使用甲烷等多种碳氢燃料，将燃料中的化学能直接转化为电能。SOFC单电池与连接体、密封件等核心组件构成一个重复单元，多个重复单元堆叠构成固体氧化物燃料电池堆。由于平板式固体氧化物燃料电池制备工艺相对简单，可工作电流密度大等有点获得了国内外的广泛关注和重点推广。近年来，对大功率电池堆的需求日趋紧迫，其一次燃料利用率不高、内部温度场不一致等问题也变得尤为突出。
为提高固体氧化物燃料电池堆性能，现有电池堆多通过降低燃料气体进气流量或提高电堆运行电流等“软”方式提高燃料利用率，负载变化时易导致电池堆内部燃料亏空，电池衰减加速等问题，极大影响电池堆寿命；另一方面，现有电池堆冷却主要依赖阴极空气，通过调节阴极进气流量调节电堆温度，但上述方式会增大风机等辅助设备消耗的寄生功率，影响系统净发电效率，极大限制了固体氧化物燃料电池技术的推广和应用。
发明内容
为了实现高效的热管理，本发明提供一种高燃料利用率内级联固体氧化物燃料电池堆，采用内级联方式布置阳极气体通路，设置主/辅燃料供应管路，灵活调节阳极气体组份，结合电堆内重整和阴极空气双冷却方式，管理电堆内部温度场。
为达到上述目的，本发明提供了一种高燃料利用率内级联固体氧化物燃料电池堆，包括主燃料供应管路、空气进口、内一级电堆、级联循环回路、内二级电堆、辅燃料供应管路以及尾气排出管路；
经所述主燃料供应管路向内一级电堆输入燃料；
经空气进口向内一级电堆和内二级电堆输入空气；
内一级电堆的尾气经所述级联循环回路进入所述内二级电堆；
经所述辅燃料供应管路向内二级电堆补充燃料；
内二级电堆经尾气排出管路排出尾气。
进一步地，所述内二级电堆的设置在所述内一级电堆外侧；所述内二级电堆的燃气流动方向与所述内一级电堆相反。
进一步地，所述内二级电堆分为上部分和下部分，所述上部分以所述内一级电堆的上端板作为下端板，所述下部分以所述内一级电堆的下端板作为上端板。
进一步地，所述空气的流动方向与所述内一级电堆和内二级电堆的燃气流动方向交叉。
进一步地，所述高燃料利用率内级联固体氧化物燃料电池堆的外形为长方体；空气进口和出口位于所述长方体的一组相对面；所述主燃料供应管路和辅燃料供应管路位于所述长方体的另一组相对面，所述尾气排出管路位于所述主燃料供应管路的外侧。
进一步地，所述级联循环回路中的内一级电堆的尾气作为热工质预热所述辅燃料供应管路补充的燃气。
进一步地，所述级联循环回路包括阳极级联循环气路歧管和内二级电堆最外层端板；内一级电堆的尾气经阳极级联循环气路歧管内部楔形面的引导进入内二级电堆；辅燃料供应管路补充的燃气经内二级电堆最外层端板的内部楔形面及阳极级联循环气路歧管的外表面空间进入内二级电堆，并经所述阳极级联循环气路歧管的管壁与内一级电堆的尾气进行热交换。
进一步地，所述主燃料供应管路输入的燃气经楔形的内一级电堆进气歧管进入所述内一级电堆的阳极气道。
进一步地，经所述主燃料供应管路向内一级电堆输入燃料与经所述辅燃料供应管路向内二级电堆补充燃料的比例为：4:1～2:1。
进一步地，所述内一级电堆和所述内二级电堆分别由若干片平板式固体氧化物燃料电池堆叠组成。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
(1)本发明增设中间位置的内一级电堆，通过管理主燃料供应管路提供的燃料气体组份使得内一级电堆中发生部分重整反应，吸收电化学反应释放的热量，提高电堆内部温度场均一性，降低电池堆内部温度，降低风机寄生功率，提高电堆净发电效率；
(2)本发明增设楔形的内一级电堆阳极级联循环气路歧管，循环利用内一级阳极尾气，提高了电堆整体燃料利用率；
(3)本发明增设辅燃料供应管路，冷却内一级阳极尾气，降低内一级电堆出口温度，提高内二级电堆燃料气温度和的同时控制内二级阳极气体组份，提升电堆整体性能。
(4)燃气与空气的流向交叉，交叉流布置，提高温度场均一性。
附图说明
图1是高燃料利用率内级联固体氧化物燃料电池堆主视图；
图2为固体氧化物燃料电池堆的俯视图；
图3为固体氧化物燃料电池堆左视图；
其中1-主燃料供应管路，2-内二中间隔板，3-尾气排出管路，4-内二级阳极尾气，5-内一级电堆，6-内二级电堆，7-内一中间隔板，8-内二级电堆进气歧管，9-辅燃料供应管路，10-内二级电堆最外层端板，11-阳极级联循环气路歧管，12-内一级电堆进气歧管，13-空气进口，14-空气出口。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明公开的高效热管理运行模式包括燃料气体组份管理和内一级电堆部分内重整和阴极空气双冷却方式。燃料气体组份管理指控制主燃料供应管路提供的新鲜燃料气体组份，确保内一级电堆中同时发生碳氢燃料的重整反应和富氢燃料气的电化学反应；布置在电池堆中间位置的内一级电堆中发生的部分重整反应将吸收电化学反应过程中释放的部分热量，与阴极空气构成双冷却方式。
本发明公开的一种高燃料利用率内级联固体氧化物燃料电池堆，结合图1，主要由六部分组成：主燃料供应管路1、内一级电堆5、级联循环回路、内二级电堆6、辅燃料供应管路9、尾气排出管路3,空气进口13，空气出口14。内二级电堆(上)、内一级电堆和内二级电堆(下)构成电池堆上中下三层布置，其中内二级电堆(上)和内一级电堆上端板接触，内一级电堆下端板和内二级电堆(下)接触。
(1)主燃料供应管路
主燃料供应管路1为电池堆阳极燃料气体主要入口，主要输送碳氢燃料重整富氢混合气或含碳氢燃料的混合气等新鲜燃料气体。新鲜燃料气体进入内一级电堆进气歧管12，楔形设计的内一级电堆进气歧管12有助于燃料气的扩散和均匀分布，被内一中间隔板7隔开的上下两个内一级电堆传输，分布均匀的新鲜燃料气体进入内一级电堆5的阳极气道内。
(2)内一级电堆
内一级电堆5位于电池堆中间位置，由一片或多片平板式固体氧化物燃料电池堆叠组成。内一级电堆5一端接收新鲜燃料气体，另一端排出部分重整反应和电化学反应后生成的内一级阳极尾气，内一级阳极尾气排出后进入阳极级联循环气路歧管11；设置内一中间隔板7将内一级阳极尾气均匀分为上下两部分。
(3)级联循环回路
级联循环回路由阳极级联循环气路歧管11和内二级电堆进气歧管8构成。楔形设计的内一级阳极级联循环气路歧管11中为内一级阳极排出尾气，与内二级电堆进气歧管8经由内二中间隔板2联结，内一级阳极尾气进入内二级电堆进气歧管8后与辅燃料供应管路9提供的的少量新鲜燃料气体换热混合，循环利用内一级尾气中剩余燃料气。
在一个实施例中，内一级电堆6工作在750℃-850℃左右。
(4)内二级电堆
内二级电堆6位于内一级电堆5的上侧、下侧或同时上下两侧，由一片或多片平板式固体氧化物燃料电池堆叠组成，一端接收内二级电堆进气歧管8中的燃料气体，另一端通过尾气排出管路3排出电化学反应后的内二级阳极尾气4。
(5)辅燃料供应管路
辅燃料供应管路9为电池堆阳极燃料气体辅助入口，补充和供应内二级电堆6阳极燃料气体，与阳极级联循环气路歧管11平行设置，通过换热方式吸收内一级阳极尾气热量，降低内一级电堆5出口温度，在内二级电堆进气歧管8内与内一级阳极尾气混合，构成内二级电堆燃料；
(6)尾气排出管路
尾气排除管路3为电池堆尾气出口，内二级电堆6中反应完成的燃料气经由尾气排出管路3最终排出电池堆。
(7)空气进口和出口
如图2-3所示，高燃料利用率内级联固体氧化物燃料电池堆的外形为长方体，空气进口13，空气出口14位于所述长方体的一组相对面；主燃料供应管路1和辅燃料供应管路9位于长方体的另一组相对面，尾气排出管路3位于主燃料供应管路1的外侧。
空气的流动方向与内一级电堆和内二级电堆的燃气流动方向交叉。
电堆运行过程中，内一级电堆同时发生碳氢燃料的部分重整反应和富氢燃料气的电化学反应。本发明经由主燃料供应管路通入含有碳氢燃料的混合气，在内一级电堆阳极发生重整反应，吸收电池堆发电过程产生的热量，与交叉流布置的阴极进气一同构成双冷却热管理；内一级阳极尾气通过与辅燃料供应管路中燃料气体换热混合调节内二级电堆进气组份和温度，内二级电堆进气方向与内一级电堆进气方向相反提高电池堆内部温度场均一性。
本发明的高燃料利用率内级联固体氧化物燃料电池堆，应用于平板式固体氧化物燃料电池堆设计开发，具体为使用甲醇、甲烷等碳氢燃料为燃料的平板式固体氧化物燃料电池堆。
综上所述，本发明涉及一种高燃料利用率内级联固体氧化物燃料电池堆，经主燃料供应管路向内一级电堆输入燃料；经空气进口向内一级电堆和内二级电堆输入空气；内一级电堆的尾气经级联循环回路进入所述内二级电堆；经辅燃料供应管路向内二级电堆补充燃料；内二级电堆经尾气排出管路排出尾气。本发明增设级联回路，提高了燃料利用率；增设中间位置的内一级电堆，通过管理主燃料供应管路中燃料气组份确保内一级电堆中发生部分重整反应，提高电堆内部温度场均一性，降低电池堆内部温度，降低风机寄生功率；增设辅燃料供应管路，提高进入内二级电堆混合燃料气温度和气体组份的可控性。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种高燃料利用率内级联固体氧化物燃料电池堆，其特征在于，包括主燃料供应管路、空气进口、内一级电堆、级联循环回路、内二级电堆、辅燃料供应管路以及尾气排出管路；
经所述主燃料供应管路向内一级电堆输入燃料；
经空气进口向内一级电堆和内二级电堆输入空气；
内一级电堆的尾气经所述级联循环回路进入所述内二级电堆；
经所述辅燃料供应管路向内二级电堆补充燃料；
内二级电堆经尾气排出管路排出尾气。
2.根据权利要求1所述的高燃料利用率内级联固体氧化物燃料电池堆，其特征在于，所述内二级电堆的设置在所述内一级电堆外侧；所述内二级电堆的燃气流动方向与所述内一级电堆相反。
3.根据权利要求2所述的高燃料利用率内级联固体氧化物燃料电池堆，其特征在于，所述内二级电堆分为上部分和下部分，所述上部分以所述内一级电堆的上端板作为下端板，所述下部分以所述内一级电堆的下端板作为上端板。
4.根据权利要求2所述的高燃料利用率内级联固体氧化物燃料电池堆，其特征在于，所述空气的流动方向与所述内一级电堆和内二级电堆的燃气流动方向交叉。
5.根据权利要求4所述的高燃料利用率内级联固体氧化物燃料电池堆，其特征在于，所述高燃料利用率内级联固体氧化物燃料电池堆的外形为长方体；空气进口和出口位于所述长方体的一组相对面；所述主燃料供应管路和辅燃料供应管路位于所述长方体的另一组相对面，所述尾气排出管路位于所述主燃料供应管路的外侧。
6.根据权利要求1或2所述的高燃料利用率内级联固体氧化物燃料电池堆，其特征在于，所述级联循环回路中的内一级电堆的尾气作为热工质预热所述辅燃料供应管路补充的燃气。
7.根据权利要求6所述的高燃料利用率内级联固体氧化物燃料电池堆，其特征在于，所述级联循环回路包括阳极级联循环气路歧管和内二级电堆最外层端板；内一级电堆的尾气经阳极级联循环气路歧管内部楔形面的引导进入内二级电堆；辅燃料供应管路补充的燃气经内二级电堆最外层端板的内部楔形面及阳极级联循环气路歧管的外表面空间进入内二级电堆，并经所述阳极级联循环气路歧管的管壁与内一级电堆的尾气进行热交换。
8.根据权利要求1或2所述的高燃料利用率内级联固体氧化物燃料电池堆，其特征在于，所述主燃料供应管路输入的燃气经楔形的内一级电堆进气歧管进入所述内一级电堆的阳极气道。
9.根据权利要求1或2所述的高燃料利用率内级联固体氧化物燃料电池堆，其特征在于，经所述主燃料供应管路向内一级电堆输入燃料与经所述辅燃料供应管路向内二级电堆补充燃料的比例为：4:1～2:1。
10.根据权利要求1或2所述的高燃料利用率内级联固体氧化物燃料电池堆，其特征在于，所述内一级电堆和所述内二级电堆分别由若干片平板式固体氧化物燃料电池堆叠组成。
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