CN113921856A - 一种基于相变材料的固体氧化物燃料电池外部热管理系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固体氧化物燃料电池外部热管理系统及方法，将电堆排放高温尾气中的热量储存至蓄热罐中，蓄热罐内填充有高温相变材料。当电堆处于工作状态时，可将经燃烧器完全燃烧后的高温尾气通入蓄热罐与高温相变材料进行热交换，将高温尾气中的热量以相变热的形式储存在蓄热罐中，经蓄热罐热交换后的低温尾气进入余热回收系统进行进一步的余热回收。当电堆停止工作处于待机状态时，可用电堆排放尾气作热载体，将蓄热罐内的热量重新带入电堆，维持电堆处于高温状态，防止电堆待机时电堆温度下降快，同时在该过程中可减少燃料的消耗，缩短再次启动电堆时系统的预热时间，实现燃料电池的快速启动和电堆工作温度的稳定。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池的外部热管理技术领域，特别是高温固体氧化物燃料电池外部热管理系统及方法。
背景技术
燃料电池是一种通过电极反应直接将燃料的化学能转化为电能的电化学装置。主要分为质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、磷酸型燃料电池和固体氧化物燃料电池五类。
固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cells，简称SOFCs）不需要贵金属催化剂可将电化学反应产生的化学能直接转换为电能，不受卡诺循环的限制，具有极高的能源利用率，且全固态结构，有效解决了电解质腐蚀、泄漏等问题。正是由于这些优势的存在，近年来引起了人们的广泛关注，已确定能使用SOFCs的市场包括家居、商业和工业热电联供、分布式发电、运输领域的辅助电源装置及轻便电源等分布式能源领域。
一般SOFCs系统操作温度在600℃以上，可分为电堆（Stack）和外围BOP（Balanceof Plant）辅助单元。电堆为整个发电系统的核心单元，其性能优劣直接影响整个发电系统的好坏；围绕电堆的外围辅助单元主要有空气供给预热单元、燃料供给预热单元、尾气回收处理单元、电信号管理传输单元以及热管理单元。
SOFCs热管理系统主要是维持电堆温度稳定，确保电堆安全、长寿命、高效的运行，主要由重整器、换热器等组成。当SOFCs系统工作发电时温度高达600℃以上，经燃烧器燃烧后排放的高温尾气温度很高，若直接排放会造成大量热量的浪费。但是当SOFCs停止工作处于待机状态时，若直接关闭燃料气停止系统运行发电，SOFCs电堆温度会快速降低，在再次启动工作时需要的启动时间很长，又会浪费很多燃料用于电堆启动。如何高效利用SOFCs系统排放的余热，实现电堆的快速启动，提高SOFCs的工作效率是至关重要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种固体氧化物燃料电池外部热管理系统及方法，克服现有SOFCs系统发电技术，热量利用率低，电堆处于待机状态时，电堆温度下降快，再次启动所需时间长、燃料消耗多等缺点。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
固体氧化物燃料电池外部热管理系统，包括电堆、蓄热罐、脱硫器、燃料预热器、空气预热器、重整器、气体循环系统、余热回收系统、控制系统及负载，所述蓄热罐与燃烧器高温尾气出口相连，所述气体循环系统连接在电堆和蓄热罐之间。
作为优选的，所述蓄热罐内填充有高温相变材料。
作为优选的，所述高温相变材料由NaCl、KCl、K2CO3、LiH、LiF、Na2CO3和NaF中的一种或几种复合而成。
作为优选的，所述蓄热罐有两级以上，且各级蓄热罐内的高温相变材料的相变温度逐级降低。
作为优选的，所述电堆的阳极与重整器相连，电堆的阴极与空气预热器相连，燃料依次通过脱硫器、燃料预热器再进入重整器，发生重整反应后生成的气体产物再进入电堆阳极；所述空气经空气预热器预热后再进入电堆阴极。
作为优选的，所述燃烧器高温尾气出口与燃料预热器和空气预热器连接，预热燃料或空气后的低温尾气进入余热回收系统，经余热回收后再进入尾气排空装置处理排放。
作为优选的，所述气体循环系统与余热回收装置相连，经蓄热罐换热后的低温尾气进入余热回收装置，所述余热回收系统与尾气排空装置相连。
作为优选的，所述燃烧器高温尾气出口同时也与气体循环系统相连，高温尾气经蓄热罐与蓄热罐内高温相变材料发生热交换，将热量储存于蓄热罐内。
一种固体氧化物燃料电池外部热管理方法，当电堆工作时燃烧器排出的高温尾气中的热量存储至蓄热罐中；当电堆待机时，通过热载体循环将蓄热罐内的热量带入电堆中，维持电堆处于设定温度。
作为优选的，在电堆工作和待机切换过程中，通过气体循环系统使热量在电堆和蓄热罐之间循环进行蓄热-放热的热交换，便于维持电堆处于高温状态，实现电堆的快速启动。
本发明具有以下优点：
固体氧化物燃料电池电堆在工作时，排放的高温尾气中含有大量显热可通过外部热管理系统中的蓄热罐对高温尾气携带的热量进行回收。高温尾气通过蓄热罐与罐内的高温相变材料进行热交换，将热量以相变热的形式储存到相变材料中。当电堆停止工作处于待机状态时，又可通过热载体将蓄热罐中储存的热量带入电堆，保持电堆温度恒定在指定范围，减少电堆启动过程燃料的消耗，在再次启动电堆时减少系统的预热时间，可使电堆快速进入稳定的工作状态。
通过在SOFCs外部热管理系统蓄热罐中填充的相变材料与高温尾气进行热交换，可以根据热交换的温度区间范围来调整相变材料的种类和组成，最终实现电堆工作与待机过程中高温尾气携带的热量在蓄热罐中的多级蓄热、放热过程。需要蓄热罐储热时，充分发挥相变材料在不同温度区间发生相变储热的优势，高温尾气可多次逐级蓄热，在蓄热罐中充分换热。需要蓄热罐释放热量时，可通入载热气体进行换热，气体温度逐级递增，经加热后的热载体通入电堆，与电堆发生热交换，维持电堆温度处于高温状态，便于电堆快速重新启动。
附图说明
图1为本发明热管理系统示意图。
图中，1-脱硫器，2-燃料预热器，3-重整器，4-电堆，5-燃烧器，6-空气预热器，7-余热回收系统，8-尾气排空装置，9-控制系统，10-负载，11-蓄热罐Ⅰ，12-蓄热罐Ⅱ，13-蓄热罐N，14-透平压缩机。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本实施例提供一种固体氧化物燃料电池外部热管理系统，如图1所示，包括电堆、蓄热罐、脱硫器、燃料预热器、空气预热器、重整器、气体循环系统、余热回收系统、控制系统及负载，所述蓄热罐与燃烧器高温尾气出口相连，所述气体循环系统连接在电堆和蓄热罐之间。
本实施例中，所述蓄热罐内设置有高温相变材料，所述蓄热罐有两级以上，且各级蓄热罐内的高温相变材料的相变温度逐渐降低，所述高温相变材料中包括由NaCl、KCl、K2CO3、LiH、LiF、Na2CO3和NaF中的一种或者多种的复合材料；燃料气依次通过脱硫器脱硫、燃料预热器预热和重整器发生重整反应后进入电堆的阳极、空气通过空气预热器预热后进入电堆的阴极；所述燃烧器的高温尾气出口与燃料预热器和空气预热器相连，预热燃料或空气后的尾气进入余热回收系统，进行余热回收后排放；所述气体循环系统与余热回收系统相连接，经过蓄热罐的低温气体换热后进入余热回收系统，回收气体中剩余的热量，再通过尾气排空装置处理后排放。
本实施例中电堆工作时，燃料依次经过脱硫、预热和重整通入电堆阳极，H2在阳极解离并释放出电子，产生电子沿外电路运输到阴极表面，在阳极区域O2-与H+结合生成产物，释放电能；空气经过预热后通入电堆阴极，使得O2变为O2-通过固态电解质进行传导到阳极界面，电解质可采用固体氧化物陶瓷，例如氧化锆。
本实施例中电堆排出高温尾气中的热量可存储在蓄热罐中，电堆待机时，通过热载气将蓄热罐内的热量带入电推中，电堆待机时维持其温度至在指定温度范围内，避免电堆温度迅速下降；通过气体循环系统可使热量通过载热气体在电堆和蓄热罐之间连续换热。
本实施例中电堆排放的气体通入燃烧器中进行完全燃烧，燃烧后排放的高温尾气中含有大量热量，用一部分高温尾气中的热量对燃料和空气进行预热，经燃料和空气预热器换热后的低温尾气再进行余热回收，最后经尾气排空装置处理后排放。
本实施例中经燃烧器排放出的另一部分高温尾气进入气体循环系统，通入蓄热罐中与蓄热罐中的相变材料进行热交换，离开蓄热罐的低温尾气进入余热回收系统进行余热回收。
本实施例中电堆停止工作处于待机状态时，为了使电堆温度保持在一定的温度范围内，避免电堆温度急剧下降，可用电堆排放出的尾气作热载体，将蓄热罐中相变材料储存的热量带出通入电堆，以保持电堆维持在高温状态，缩短电堆重新启动的时间，减少电堆重新启动的燃料消耗。在透平压缩机作用下，载热气体可在电堆和蓄热罐之间反复循环，将相变材料发生相变时释放出的热量带入电堆，以维持电堆的温度稳定。
本实施例通过高温相变材料在温度改变时会吸收或释放相变热来实现热量的储存与释放，可根据需要设置多个蓄热罐来储存电堆高温尾气中携带的热量，且每个蓄热罐可根据不同的换热温度范围选择不同的相变材料种类和组成，高温尾气经过蓄热罐后温度逐级降低。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.固体氧化物燃料电池外部热管理系统，其特征在于：包括电堆、蓄热罐、脱硫器、燃料预热器、空气预热器、重整器、气体循环系统、余热回收系统、控制系统及负载，所述蓄热罐与燃烧器高温尾气出口相连，所述气体循环系统连接在电堆和蓄热罐之间。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池外部热管理系统，其特征在于：所述蓄热罐内填充有高温相变材料。
3.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池外部热管理系统，其特征在于：所述高温相变材料由NaCl、KCl 、K2CO3、LiH、LiF、Na2CO3和NaF中的一种或几种复合而成。
4.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池外部热管理系统，其特征在于：所述蓄热罐有两级以上，且各级蓄热罐内的高温相变材料的相变温度逐级降低。
5.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池外部热管理系统，其特征在于：所述电堆的阳极与重整器相连，电堆的阴极与空气预热器相连，燃料依次通过脱硫器、燃料预热器再进入重整器，发生重整反应后生成的气体产物再进入电堆阳极；所述空气经空气预热器预热后再进入电堆阴极。
6.根据权利要求5所述的固体氧化物燃料电池外部热管理系统，其特征在于：所述燃烧器高温尾气出口与燃料预热器、空气预热器相连，预热燃料和空气后的低温尾气进入余热回收系统，经余热回收后的尾气进入排空装置处理后排放。
7.根据权利要求5所述的固体氧化物燃料电池外部热管理系统，其特征在于：所述燃烧器高温尾气出口同时也与气体循环系统相连，高温尾气经蓄热罐与蓄热罐内高温相变材料发生热交换，将其热量储存于蓄热罐内。
8.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池外部热管理系统，其特征在于：所述气体循环系统与余热回收系统连接，经蓄热罐换热后的低温尾气再进入余热回收系统进行余热回收，所述余热回收系统与尾气排空装置相连。
9.一种固体氧化物燃料电池外部热管理方法，其特征在于：将电堆工作时电堆排出的高温尾气中的热量储存在蓄热罐中；当电堆待机时，通过热载体循环将蓄热罐内的热量带入电堆中，维持电堆处于设定温度。
10.根据权利要求9所述的固体氧化物燃料电池外部热管理系统，其特征在于：在电堆工作和待机过程中，通过热载体循环使热量在电堆和蓄热罐之间循环，进行蓄热-放热的热交换。
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