CN113113631A - 发电系统阴极换热器和电池模块 - Google Patents

发电系统阴极换热器和电池模块 Download PDF

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Abstract

本发明涉及燃料电池的气体处理领域，具体地涉及一种发电系统阴极换热器和电池模块。发电系统阴极换热器包括间隔设置的多个隔板和设置在相邻隔板之间的波纹换热片，相邻隔板限定换热区，同换热区中波纹换热片的波峰均与一个隔板相贴合，波谷均与另一个隔板相贴合，使得隔板与波纹换热片之间限定多个流道，流道包括依次交替设置的高温侧流道和低温侧流道，相邻换热区的高温侧流道通过热气连通结构依次串接形成热气通路，相邻换热区的低温侧流道通过冷气连通结构依次串接形成冷气通路。该阴极换热器充分利用了空间，增大换热面积，同时多流程的换热方式可以实现均匀换热，热量损失和压损较小，提高换热效率。

Description

发电系统阴极换热器和电池模块
技术领域
本发明涉及燃料电池的气体处理领域，具体地涉及一种发电系统阴极换热器和电池模块。
背景技术
CO2近零排放的合成气发电系统中，为实现热量平衡，阴极空气量通常为阳极燃气量的10～15倍，阳极气量较小，其热量平衡在系统中所占的比重较小，采用更为紧凑的板翅式换热器即可解决。阴极气量较大，对系统的热量平衡和流阻压损都占主导地位。现有技术的主要问题如下：
传统的板翅换热器通常采用方形结构，需要外置于模块外部，不利于多堆集成的发电模块的集成，无法有效利用空间和换热面积，造成系统比表面积增大，散热损失大，影响热效率；阴极换热器布置在环形系统最外侧低温侧，其表面积较大，流量大、散热损失较大；阴极气体流程较长，热量损失大，压损较大，易形成电堆进出口超压问题；采用流体单流程布置，换热面积较小，流通面积较小，影响换热效率和压力控制；阳极尾气处理后的烟气直接混入了阴极出口，虽然进行了尾气余热利用，无法直接进行CO2捕集工艺。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的发电系统阴极换热器空间利用率低、流程长、换热效率低的问题。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种发电系统阴极换热器，包括间隔设置的多个隔板和设置在相邻所述隔板之间的波纹换热片，相邻所述隔板限定换热区，同一所述换热区中，所述波纹换热片的波峰均与限定该换热区的一个隔板相贴合，所述波纹换热片的波谷均与限定该换热区的另一个隔板相贴合，使得所述隔板与所述波纹换热片之间限定多个流道，所述流道包括依次交替设置的用于流通阴极尾气的高温侧流道和用于通入阴极原料气的低温侧流道，相邻所述换热区的所述高温侧流道通过热气连通结构依次串接形成热气通路，相邻所述换热区的所述低温侧流道通过冷气连通结构依次串接形成冷气通路。
优选的，所述隔板为圆筒形隔板，多个所述隔板间隔套接，最内侧的所述隔板设置为用于通入纯氧烟气的高热管道。
优选的，与同一所述隔板贴附的两组所述波纹换热片的波峰、波谷的数量相同，其中一组所述波纹换热片的波峰均与一组所述波纹换热片的波谷对应设置，使得串接的所述流道之间形成第一间隔结构或第二间隔结构，所述第一间隔结构包括一层所述隔板，所述第二间隔结构包括一层所述隔板和与所述隔板相贴的两层所述波纹换热片。
优选的，所述冷气连通结构包括用于连通第一间隔结构两侧所述低温侧流道的第一冷通结构和用于连通第二间隔结构两侧所述低温侧流道的第二冷通结构，所述第一冷通结构包括设置在所述隔板延伸方向第一端的第二通气孔，使得相邻所述换热区的所述低温侧流道通过所述第二通气孔串接；
所述热气连通结构包括用于连通第一间隔结构两侧所述高温侧流道的第一热通结构和用于连通第二间隔结构两侧所述高温侧流道的第二热通结构，所述第一热通结构包括设置在所述隔板延伸方向第二端的第一通气孔，使得相邻所述换热区的所述高温侧流道通过所述第一通气孔串接。
优选的，所述波纹换热片延伸方向的第一端设置有上环形盖帽和用于封堵所述换热区的第一端的上环形端板，所述第二热通结构包括设置在所述上环形盖帽内的第一混合腔和设置在所述上环形端板上的多个第一输气孔，所述第一混合腔通过所述第一输气孔与相邻所述换热区的所述高温侧流道相连通，最内侧的所述隔板穿过所述上环形端板和所述上环形盖帽。
优选的，所述波纹换热片延伸方向的第二端设置有下环形盖帽和用于封堵所述换热区的第二端的下环形端板，所述第二冷通结构包括设置在所述下环形盖帽内的第二混合腔和设置在所述下环形端板上的多个第二输气孔，所述第二混合腔通过所述第二输气孔与相邻所述换热区的所述低温侧流道相连通。
优选的，包括由内向外依次设置的第一隔板、第二隔板、第三隔板和第四隔板，四个所述隔板由内向外依次限定第一换热区、第二换热区和第三换热区，所述上环形端板与所述第一换热区内的所述高温侧流道对应的位置开设有热气出孔，所述第四隔板下部周侧与所述第三换热区内的所述高温侧流道对应的位置设置有热气进孔，所述下环形端板与所述第三换热区内的所述低温侧流道对应的位置设置有冷气出孔，所述第一隔板上部内壁上设置有与所述第一换热区中所述低温侧流道相通的冷气进孔。
优选的，所述第一隔板内壁上所述冷气进孔下侧设置有中空的导流塞，所述导流塞内壁向上延伸有第一延伸段，所述第一延伸段与所述第一隔板限定用于向所述冷气进孔充入阴极原料气的冷气通入结构，所述上环形盖帽内壁向上延伸有第二延伸段，所述第二延伸段与所述第一隔板限定用于排出阴极尾气的热气排出结构。
优选的，所述下环形端板底部设置有环形封盖，所述环形封盖与所述下环形端板之间限定用于排出阴极原料气的冷气排出腔，所述冷气排出腔通过所述冷气出孔与第三换热区内的所述低温侧流道相连通，所述冷气排出腔上设置有排冷孔，所述第四隔板周侧与热气进孔相应的位置设置有进气环盖，所述进气环盖、所述第四隔板限定用于向所述热气进孔通入阴极尾气的热气通入腔，所述进气环盖上设置有进热孔。
本发明第二方面提供一种电池模块，包括电堆模块和本发明所述的发电系统阴极换热器，所述电堆模块围设在所述发电系统阴极换热器的外侧。
本发明所述的发电系统阴极换热器在波纹换热片两侧设置隔板，使其形成多个交替设置的流道，其中用于流通阴极尾气的高温侧流道和用于通入阴极原料气的低温侧流道依次交替设置，相邻所述换热区的所述高温侧流道通过热气连通结构依次串接形成热气通路，相邻所述换热区的所述低温侧流道通过冷气连通结构依次串接形成冷气通路，这种流道设置方式充分利用了空间，增大换热面积，同时多流程的换热方式可以实现均匀换热，热量损失和压损较小，提高换热效率。
附图说明
图1是本发明一种实施方式的发电系统阴极换热器的结构示意图；
图2是图1所示的发电系统阴极换热器的另一视角的结构示意图；
图3是图1所示的发电系统阴极换热器的右端的具体结构示意图；
图4是图1所示的发电系统阴极换热器的左端的结构示意图；
图5是图1所示的发电系统阴极换热器的右端的具体结构示意图；
图6是电池模块示意图；
图7是图1所示的发电系统阴极换热器的右端的气体流向示意图；
图8是图1所示的发电系统阴极换热器的左端的气体流向示意图。
附图标记说明
1-隔板，2-波纹换热片，3-上环形端板，4-上环形盖帽，5-第二延伸段，6-导流塞，7-第一延伸段，8-进气环盖，9-热气进孔，10-下环形端板，11-环形封盖，12-排冷孔，13-进热孔，14-下环形盖帽，15-高温侧流道，16-低温侧流道，20-第一隔板，21-第二隔板，22-第三隔板，23-第四隔板，31-第一输气孔，32-热气出孔，41-第二输气孔，42-冷气出孔，51-冷气进孔，52-第二通气孔，53-第一通气孔，100-发电系统阴极换热器，101-电堆模块。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指参考附图所示的上、下、左、右；“内、外”通常是指相对于各部件本身的轮廓的内外；“远、近”通常是指相对于各部件本身的轮廓的远近。
本发明一方面提供一种发电系统阴极换热器，包括间隔设置的多个隔板1和设置在相邻所述隔板1之间的波纹换热片2，相邻所述隔板1限定换热区，
同一所述换热区中，所述波纹换热片2的波峰均与限定该换热区的一个隔板1相贴合，所述波纹换热片2的波谷均与限定该换热区的另一个隔板1相贴合，使得所述隔板1与所述波纹换热片2之间限定多个流道，所述流道包括依次交替设置的用于流通阴极尾气的高温侧流道15和用于通入阴极原料气的低温侧流道16，
相邻所述换热区的所述高温侧流道15通过热气连通结构依次串接形成热气通路，相邻所述换热区的所述低温侧流道16通过冷气连通结构依次串接形成冷气通路。
本发明所述的发电系统阴极换热器在波纹换热片两侧设置隔板，使其形成多个交替设置的流道，其中，用于流通阴极尾气的高温侧流道和用于通入阴极原料气的低温侧流道依次交替设置，相邻所述换热区的所述高温侧流道通过热气连通结构依次串接形成热气通路，相邻所述换热区的所述低温侧流道通过冷气连通结构依次串接形成冷气通路，这种流道设置方式充分利用了空间，增大换热面积，同时多流程的换热方式可以实现均匀换热，热量损失和压损较小，提高换热效率。所述隔板1与波纹换热片2采用钎焊式连接。
优选的，所述隔板1为圆筒形隔板1，多个所述隔板1间隔套接，最内侧的所述隔板1设置为用于通入纯氧烟气的高热管道。发电系统阴极换热器为中空结构，阳极尾气纯氧燃烧烟气从该部分通过，可用以加热低温侧进口低温段。与此同时冷却纯氧烟气，便于阳极尾气剩余热值利用和CO2捕集。换热器中心为中空管式结构，阳极尾气纯氧燃烧处理后的高温烟气通过此管道，加热换热器冷端进气口换热，进行阳极尾气的余热利用。
优选的，与同一所述隔板1贴附的两组所述波纹换热片2的波峰、波谷的数量相同，其中一组所述波纹换热片2的波峰均与一组所述波纹换热片2的波谷对应设置，使得串接的所述流道之间形成第一间隔结构或第二间隔结构，所述第一间隔结构包括一层所述隔板1，所述第二间隔结构包括一层所述隔板1和与所述隔板1相贴的两层所述波纹换热片2。
同一换热区内的高温侧流道15和低温侧流道16交替设置形成板式换热形态。相邻换热区之间的高温侧流道15数量相同且在圆筒某一径向上一一对应设置，在该径向上对应设置的高温侧流道15是串连的，如图1、图2和图5所示，在该径向上相邻设置高温侧流道15之间可能存在第一间隔结构(即间隔一层所述隔板1)，也可能存在第二间隔结构(即间隔一层隔板1和两层波纹换热片2)；相邻换热区之间的低温侧流道16数量相同且在圆筒某一径向上一一对应设置，在该径向上对应设置的低温侧流道16是串连的，在该径向上相邻设置的低温侧流道16之间存在间隔情况与相邻设置的高温侧流道15之间的间隔情况相同。
优选的，所述冷气连通结构包括用于连通第一间隔结构两侧所述低温侧流道16的第一冷通结构和用于连通第二间隔结构两侧所述低温侧流道16的第二冷通结构，所述第一冷通结构包括设置在所述隔板1延伸方向第一端的第二通气孔52，使得相邻所述换热区的所述低温侧流道16通过所述第二通气孔52串接；
所述热气连通结构包括用于连通第一间隔结构两侧所述高温侧流道15的第一热通结构和用于连通第二间隔结构两侧所述高温侧流道15的第二热通结构，所述第一热通结构包括设置在所述隔板1延伸方向第二端的第一通气孔53，使得相邻所述换热区的所述高温侧流道15通过所述第一通气孔53串接。
如图7和图8所示，虚线部分为阴极尾气在高温侧流道15流通的结构示意图，实线部分为阴极原料气在低温侧流道16流通的结构示意图，针对第一间隔结构(即间隔一层所述隔板1)，在该径向上对应设置的相邻流道(无论是高温侧流道15还是低温侧流道16)之间的隔板1上打孔(即第二通气孔52或第一通气孔53)即可实现第一间隔结构两侧的流道串接。这种串接结构简单实用，可以有效降低该发电系统阴极换热器的成本。
优选的，所述波纹换热片2延伸方向的第一端设置有上环形盖帽4和用于封堵所述换热区的第一端的上环形端板3，所述第二热通结构包括设置在所述上环形盖帽4内的第一混合腔和设置在所述上环形端板3上的多个第一输气孔31，所述第一混合腔通过所述第一输气孔31与相邻所述换热区的所述高温侧流道15相连通，最内侧的所述隔板1穿过所述上环形端板3和所述上环形盖帽4。
如图7和图8所示，针对第二间隔结构(即间隔一层隔板1和两层波纹换热片2)，本申请利用外接的零件形成第二热通结构，以实现相应流道之间的串接。具体地，如图3所示，上环形盖帽4上设置的第一输气孔31与相邻换热区所要串接的高温侧流道15一一对应，相邻换热区为环形，第一输气孔31也设置为环形状，形成内圆状的第一输气孔31与内环换热区中的高温侧流道15对应，形成外圆状的第一输气孔31与外环换热区中的高温侧流道15对应，外环换热区的高温侧流道15中的阴极尾气穿过形成外圆状的第一输气孔31进入第一混合腔，第一混合腔内的阴极尾气最终经过形成内圆状的第一输气孔31进入内环换热区的高温侧流道15中，以实现高温侧流道15的串接。
优选的，所述波纹换热片2延伸方向的第二端设置有下环形盖帽14和用于封堵所述换热区的第二端的下环形端板10，所述第二冷通结构包括设置在所述下环形盖帽14内的第二混合腔和设置在所述下环形端板10上的多个第二输气孔41，所述第二混合腔通过所述第二输气孔41与相邻所述换热区的所述低温侧流道16相连通。
如图7和图8所示，针对第二间隔结构(即间隔一层隔板1和两层波纹换热片2)，本申请利用外接的零件形成第二热通结构，以实现相应流道之间的串接。具体地，如图4所示，下环形盖帽14上设置的第二输气孔41与相邻换热区所要串接的低温侧流道16一一对应，相邻换热区为环形，第二输气孔41也设置为环形状，形成内圆状的第二输气孔41与内环换热区中的低温侧流道16对应，形成外圆状的第二输气孔41与外环换热区中的低温侧流道16对应，内环换热区的低温侧流道16中的阴极原料气穿过形成内圆状的第二输气孔41进入第二混合腔，第二混合腔内的阴极原料气最终经过形成外圆状的第二输气孔41进入外环换热区的低温侧流道16中，以实现低温侧流道16的串接。
优选的，包括由内向外依次设置的第一隔板20、第二隔板20、第三隔板20和第四隔板20，四个所述隔板1由内向外依次限定第一换热区、第二换热区和第三换热区，所述上环形端板3与所述第一换热区内的所述高温侧流道15对应的位置开设有热气出孔32，所述第四隔板20下部周侧与所述第三换热区内的所述高温侧流道15对应的位置设置有热气进孔9，所述下环形端板10与所述第三换热区内的所述低温侧流道16对应的位置设置有冷气出孔42，所述第一隔板20上部内壁上设置有与所述第一换热区中所述低温侧流道16相通的冷气进孔51。在该圆筒状的发电系统阴极换热器中，流道的流通截面由外向内不断降低，阴极尾气流动由外向内，阴极原料气由内向外；温度高流量大的区域流通面积大，温度低流量小的区域流通面积小，充分降低沿程阻力，有效提高换热效率。
优选的，所述第一隔板20内壁上所述冷气进孔51下侧设置有中空的导流塞6，所述导流塞6内壁向上延伸有第一延伸段7，所述第一延伸段7与所述第一隔板20限定用于向所述冷气进孔51充入阴极原料气的冷气通入结构，所述上环形盖帽4内壁向上延伸有第二延伸段5，所述第二延伸段5与所述第一隔板20限定用于排出阴极尾气的热气排出结构。纯氧烟气穿过中空的导流塞6，本申请所述的发电系统阴极换热器上端集成冷气通入结构、热气排出结构和纯氧烟气排出结构，便于发电系统阴极换热器的安装。
优选的，所述下环形端板10底部设置有环形封盖11，所述环形封盖11与所述下环形端板10之间限定用于排出阴极原料气的冷气排出腔，所述冷气排出腔通过所述冷气出孔42与第三换热区内的所述低温侧流道16相连通，所述冷气排出腔上设置有排冷孔12，所述第四隔板20周侧与热气进孔9相应的位置设置有进气环盖8，所述进气环盖8、所述第四隔板20限定用于向所述热气进孔9通入阴极尾气的热气通入腔，所述进气环盖8上设置有进热孔13。本申请所述的发电系统阴极换热器下端设置的排冷孔12便于阴极原料气由下端通入电堆模块，周侧设置的进气环盖8便于通入阴极尾气。排冷孔12排出的是冷测换热后的高温气体，此处的“冷”是相对于高温侧流道15的温度相对而言，其真实温度并不低。
本发明第二方面提供一种电池模块，包括电堆模块101和本发明所述的发电系统阴极换热器100，所述电堆模块101围设在所述发电系统阴极换热器100的外侧。如图6所示，发电系统阴极换热器100采用环形结构形式，可内置于电池模块内部，无需占用电池模块外部空间，充分利用电堆堆塔结构内部高温区域空间，极大程度减少热箱表面积，减少散热，提高设计集成度。本发明所述的电池模块通过排冷孔12自发电系统阴极换热器100底端的星形布置的气体运输管道向电堆模块101外环输送冷测高温气体，该气体自模块外侧输入电堆模块101进行反应，反应后的气体排入内侧，并从发电系统阴极换热器100底部的进热孔13进入换热器热侧。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型。包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种发电系统阴极换热器，其特征在于，包括间隔设置的多个隔板(1)和设置在相邻所述隔板(1)之间的波纹换热片(2)，相邻所述隔板(1)限定换热区，
同一所述换热区中，所述波纹换热片(2)的波峰均与限定该换热区的一个隔板(1)相贴合，所述波纹换热片(2)的波谷均与限定该换热区的另一个隔板(1)相贴合，使得所述隔板(1)与所述波纹换热片(2)之间限定多个流道，所述流道包括依次交替设置的用于流通阴极尾气的高温侧流道(15)和用于通入阴极原料气的低温侧流道(16)，
相邻所述换热区的所述高温侧流道(15)通过热气连通结构依次串接形成热气通路，相邻所述换热区的所述低温侧流道(16)通过冷气连通结构依次串接形成冷气通路。
2.根据权利要求1所述的发电系统阴极换热器，其特征在于，所述隔板(1)为圆筒形隔板(1)，多个所述隔板(1)间隔套接，最内侧的所述隔板(1)设置为用于通入纯氧烟气的高热管道。
3.根据权利要求2所述的发电系统阴极换热器，其特征在于，与同一所述隔板(1)贴附的两组所述波纹换热片(2)的波峰、波谷的数量相同，其中一组所述波纹换热片(2)的波峰均与一组所述波纹换热片(2)的波谷对应设置，使得串接的所述流道之间形成第一间隔结构或第二间隔结构，所述第一间隔结构包括一层所述隔板(1)，所述第二间隔结构包括一层所述隔板(1)和与所述隔板(1)相贴的两层所述波纹换热片(2)。
4.根据权利要求3所述的发电系统阴极换热器，其特征在于，所述冷气连通结构包括用于连通第一间隔结构两侧所述低温侧流道(16)的第一冷通结构和用于连通第二间隔结构两侧所述低温侧流道(16)的第二冷通结构，所述第一冷通结构包括设置在所述隔板(1)延伸方向第一端的第二通气孔(52)，使得相邻所述换热区的所述低温侧流道(16)通过所述第二通气孔(52)串接；
所述热气连通结构包括用于连通第一间隔结构两侧所述高温侧流道(15)的第一热通结构和用于连通第二间隔结构两侧所述高温侧流道(15)的第二热通结构，所述第一热通结构包括设置在所述隔板(1)延伸方向第二端的第一通气孔(53)，使得相邻所述换热区的所述高温侧流道(15)通过所述第一通气孔(53)串接。
5.根据权利要求4所述的发电系统阴极换热器，其特征在于，所述波纹换热片(2)延伸方向的第一端设置有上环形盖帽(4)和用于封堵所述换热区的第一端的上环形端板(3)，所述第二热通结构包括设置在所述上环形盖帽(4)内的第一混合腔和设置在所述上环形端板(3)上的多个第一输气孔(31)，所述第一混合腔通过所述第一输气孔(31)与相邻所述换热区的所述高温侧流道(15)相连通，最内侧的所述隔板(1)穿过所述上环形端板(3)和所述上环形盖帽(4)。
6.根据权利要求5所述的发电系统阴极换热器，其特征在于，所述波纹换热片(2)延伸方向的第二端设置有下环形盖帽(14)和用于封堵所述换热区的第二端的下环形端板(10)，所述第二冷通结构包括设置在所述下环形盖帽(14)内的第二混合腔和设置在所述下环形端板(10)上的多个第二输气孔(41)，所述第二混合腔通过所述第二输气孔(41)与相邻所述换热区的所述低温侧流道(16)相连通。
7.根据权利要求6所述的发电系统阴极换热器，其特征在于，包括由内向外依次设置的第一隔板(20)、第二隔板(20)、第三隔板(20)和第四隔板(20)，四个所述隔板(1)由内向外依次限定第一换热区、第二换热区和第三换热区，所述上环形端板(3)与所述第一换热区内的所述高温侧流道(15)对应的位置开设有热气出孔(32)，所述第四隔板(20)下部周侧与所述第三换热区内的所述高温侧流道(15)对应的位置设置有热气进孔(9)，所述下环形端板(10)与所述第三换热区内的所述低温侧流道(16)对应的位置设置有冷气出孔(42)，所述第一隔板(20)上部内壁上设置有与所述第一换热区中所述低温侧流道(16)相通的冷气进孔(51)。
8.根据权利要求7所述的发电系统阴极换热器，其特征在于，所述第一隔板(20)内壁上所述冷气进孔(51)下侧设置有中空的导流塞(6)，所述导流塞(6)内壁向上延伸有第一延伸段(7)，所述第一延伸段(7)与所述第一隔板(20)限定用于向所述冷气进孔(51)充入阴极原料气的冷气通入结构，所述上环形盖帽(4)内壁向上延伸有第二延伸段(5)，所述第二延伸段(5)与所述第一隔板(20)限定用于排出阴极尾气的热气排出结构。
9.根据权利要求7所述的发电系统阴极换热器，其特征在于，所述下环形端板(10)底部设置有环形封盖(11)，所述环形封盖(11)与所述下环形端板(10)之间限定用于排出阴极原料气的冷气排出腔，所述冷气排出腔通过所述冷气出孔(42)与第三换热区内的所述低温侧流道(16)相连通，所述冷气排出腔上设置有排冷孔(12)，所述第四隔板(20)周侧与热气进孔(9)相应的位置设置有进气环盖(8)，所述进气环盖(8)、所述第四隔板(20)限定用于向所述热气进孔(9)通入阴极尾气的热气通入腔，所述进气环盖(8)上设置有进热孔(13)。
10.一种电池模块，其特征在于，包括电堆模块(101)和权利要求1-9任意一项所述的发电系统阴极换热器(100)，所述电堆模块(101)围设在所述发电系统阴极换热器(100)的外侧。
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