CN114497624A - 一种固体氧化物燃料电池系统用重整换热一体化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种固体氧化物燃料电池系统用重整换热一体化装置，包括筒状的壳体，壳体内部等距设置有多个燃料气重整换热流道，每两个相邻的燃料气重整换热流道之间的空腔为烟气流道，燃料气重整换热流道两端均连接有燃料气混合罩，两个燃料气混合罩上分别安装有燃料气入口管道、燃料气出口管道，烟气流道的两端均连接有烟气混合罩，两个烟气混合罩上分别安装有热烟气入口管道、烟气出口管道，烟气流道与燃料气重整换热流道相互密封隔绝。该装置将重整和换热两部分集成为一个整体，降低了SOFC系统的体积和复杂度，提高了系统的体积功率密度和热效率；烟气流道腔体内安装有折流挡板或者烟气换热板，提高了换热效率；节约了贵金属催化剂的使用。
Description
技术领域
本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，尤其是涉及一种固体氧化物燃料电池系统用重整换热一体化装置。
背景技术
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)可将燃料的化学能通过电化学反应直接转化为电能，其热电联供时最高能量利用率可达90％以上。此外，其燃料选择性广，除氢气、一氧化碳外，天然气、乙醇、柴油等碳氢化合物均可作为其燃料。SOFC常用的阳极材料为Ni－YSZ(氧化钇稳定的氧化锆)，Ni在高温下具有较强的催化活性，碳氢化合物极易在Ni的催化下发生裂解生成碳，碳在阳极的沉积将导致电池性能快速衰减甚至破裂。为避免上述情况的发生，在使用碳氢燃料时，通常将其与水蒸气重整为H2和CO，再通入SOFC电堆阳极侧进行发电。
碳氢化合物种类繁多，其中甲醇(CH3OH)具有体积能量比高、H/C比高、资源丰富、存储运输便利、价格低廉等特点。通过与水蒸气重整(见如下反应式)，甲醇可以较为容易地转化为H2和CO，以上两种产物可直接供SOFC使用。甲醇水蒸气重整为强吸热反应(反应式如下)，而SOFC的工作温度在650～800℃之间，完全可以利用SOFC工作中产生的高温烟气为甲醇重整提供热量。因此甲醇是一种潜在的SOFC用优质燃料，特别是在强调燃料存储的交通运输场景下。
CH3OH+H2O→CO2+3H2 ΔH＝50.7kJ/mol
研究表明，在适当的催化剂和水碳比下，甲醇在150～350℃即可完全重整，而该温度下获得的重整气的温度还达不到SOFC的工作要求(650～800℃)，因此需对重整气进一步预热才能供电堆使用。为解决上述问题，通常会单独设置一个重整器，再在重整器下游串联一个换热器，利用系统热烟气为重整器和换热器分别供热。以上设计不仅增加了系统的复杂度和体积，还导致了气体传输过程中额外的热损失，从而降低系统的体积功率密度和热效率。
目前，以天然气为燃料的SOFC系统重整器通常采用廉价的Ni基催化剂，因此在重整器设计时无需考虑催化剂的量。而对于甲醇重整而言，首选仍然是最稳定、高效的负载型Pt、Ru、Pd等贵金属催化剂。因此，如何在尽量减少催化剂使用量的情况下保证输入的甲醇燃料完全重整，是基于甲醇为燃料的SOFC系统重整器设计时需要考虑的问题。
因此，需要一种固体氧化物燃料电池系统用重整换热一体化装置，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种固体氧化物燃料电池系统用重整换热一体化装置。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种固体氧化物燃料电池系统用重整换热一体化装置，包括筒状的壳体，所述壳体的内部等距设置有多个燃料气重整换热流道，每两个相邻的燃料气重整换热流道之间的空腔为烟气流道，所述燃料气重整换热流道的两端均连接有燃料气混合罩，两个所述燃料气混合罩上分别安装有燃料气入口管道、燃料气出口管道，所述烟气流道的两端均连接有烟气混合罩，两个所述烟气混合罩上分别安装有热烟气入口管道、烟气出口管道，所述烟气流道与所述燃料气重整换热流道相互密封隔绝。
优选地，上述的固体氧化物燃料电池系统用重整换热一体化装置，其中所述燃料气重整换热流道包括两块平行设置的气体分隔板，两块所述气体分隔板之间设置有两根密封条。
优选地，上述的固体氧化物燃料电池系统用重整换热一体化装置，其中所述燃料气重整换热流道的内部设置有多个催化剂限位条，多个催化剂限位条围合构成催化剂放置区，用于放置催化剂。
优选地，上述的固体氧化物燃料电池系统用重整换热一体化装置，其中在燃料气重整换热流道内的催化剂温度区间附近设置有两个测温热电偶，用于监测重整区域的温度。
优选地，上述的固体氧化物燃料电池系统用重整换热一体化装置，其中所述烟气流道内设置有折流挡板，所述折流挡板上设置有多个透气孔，适于均匀分配热烟气，使得热烟气与燃料气换热更加充分。
优选地，上述的固体氧化物燃料电池系统用重整换热一体化装置，其中所述壳体、两个所述燃料气混合罩以及两个所述烟气混合罩内均安装有测温热电偶。
优选地，上述的固体氧化物燃料电池系统用重整换热一体化装置，其中所述壳体的两端均安装有燃料气通道封面板，所述燃料气通道封面板上设置有多个通孔，所述通孔与所述燃料气重整换热流道的端口形状相适配。
优选地，上述的固体氧化物燃料电池系统用重整换热一体化装置，其中所述壳体上相对的两侧面上均设置有烟气流道接口，两个所述烟气流道接口分别位于所述壳体的两端处，两个所述烟气混合罩分别安装在两个所述烟气流道接口处。
优选地，上述的固体氧化物燃料电池系统用重整换热一体化装置，其中所述燃料气入口管道处设置有至少一个分支口，适于多种气体同时输入。
本发明的有益效果是：
1.由于用测温热电偶可测出燃料气重整换热流道内的温度，在知道甲醇最佳重整温度的前提下，可相对准确地将催化剂布置在燃料气重整换热流道内的具体位置，从而可提高催化剂的转换效率，避免盲目浪费催化剂，大大节约了贵金属催化剂的使用。
2.将重整和换热两部分集成为一个整体，降低了SOFC系统的体积和复杂度，提高了系统的体积功率密度和热效率。
3.燃料气通道为多个重复单元集成，生产加工方便，并且每个焊接表面都是平面，大大降低了焊接难度，提高了焊接的可靠性。
4.整个重整换热一体化装置的大小可以根据不同系统的要求轻松地更改各个组件的尺寸，增减燃料气通道的数量来实现。
5.烟气流道腔体内安装有折流挡板或者烟气换热板，使得燃料气与热烟气换热更加充分，提高了换热效率。
6.该装置不仅可用于甲醇SOFC系统，还可通过调整换热器结构参数和催化剂填充位置等来适应基于不同碳氢燃料(天然气、乙醇等)的SOFC系统。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的内部结构示意图；
图3为燃料气重整换热流道的爆炸图；
图4为本发明的内部气体流动方向示意图；
图5为折流挡板的立体图；
图6为壳体上燃料气通道封面板与烟气流道接口的结构示意图；
图7为烟气换热板的内部结构示意图；
图8为本发明中燃料气重整换热流道结构的另一实施方式。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、燃料气入口管道，2、燃料气出口管道，3、热烟气入口管道，4、烟气出口管道，5、测温热电偶，6、燃料气重整换热流道，601、气体分隔板，602、密封条，603、催化剂，604、催化剂限位条，7、折流挡板，8、烟气混合罩，9、燃料气混合罩，10、燃料气通道封面板，11、烟气流道接口，12、壳体，13、烟气换热板，14、S型烟管。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1、图2所示，一种固体氧化物燃料电池系统用重整换热一体化装置，包括筒状的壳体12，壳体12的内部等距设置有多个燃料气重整换热流道6，每两个相邻的燃料气重整换热流道6之间的空腔构成烟气流道。壳体12的外部安装有两个烟气混合罩8以及两个燃料气混合罩9。烟气混合罩8用于使烟气温度均匀地进出烟气流道，燃料气混合罩9用于将燃料气混合充分、温度均匀。
如图6所示，壳体12的两端均安装有燃料气通道封面板10，燃料气通道封面板10上设置有多个矩形的通孔，燃料气重整换热流道6的横截面呈矩形形状，燃料气重整换热流道6端部嵌入在通孔内，整个燃料气通道封面板10上仅允许燃料气重整换热流道6内的气体流通，其他位置均为密封连接，防止烟气泄漏。两个燃料气混合罩9安装在燃料气通道封面板10处，将所述燃料气重整换热流道6内的气体汇集混合，两个燃料气混合罩9上分别安装有燃料气入口管道1、燃料气出口管道2，燃料气入口管道1处用于通入燃料气，燃料气出口管道2用于排出气体。本发明中燃料气不限于甲醇，也可以用于其他碳氢燃料(如甲烷、乙醇等)。
如图6所示，壳体12上相对的两侧面上均设置有烟气流道接口11，两个烟气混合罩8分别安装在两个烟气流道接口11处，用于各烟气流道内的烟气汇集混合。两个烟气混合罩8上分别安装有热烟气入口管道3、烟气出口管道4，热烟气入口管道3用于通入热烟气，烟气出口管道4用于排出被吸热降温后的烟气。两个烟气流道接口11分别位于壳体12的两端处，便于热烟气能够充分释放热量，便于燃料气重整换热流道6内的燃料气吸收热量。烟气流道与燃料气重整换热流道6相互密封隔绝。各部件均采用激光焊接或高温钎焊以保证每个结合面的气密性；每个重复单元可以单独加工，根据实际需要增减燃料气重整换热流道6的数量，以达到最佳的重整换热效果。如图4所示，烟气流向与燃料气流向方向相反，便于充分进行热量传递。
如图3所示，燃料气重整换热流道6包括两块平行设置的气体分隔板601，两块气体分隔板601之间设置有两根密封条602。两根密封条602与两块气体分隔板601的两侧围合构成矩形的燃料气重整换热流道6。对于甲醇蒸汽这种燃料气而言，在重整换热时需要催化器的作用才能发生化学反应，则需要在燃料气重整换热流道6添加催化剂，为了使催化剂能够被约束固定在某区域内，需要在燃料气重整换热流道6内设置限制区域，具体地，燃料气重整换热流道6的内部设置有多个催化剂限位条604，多个催化剂限位条604围合构成催化剂放置区，用于放置催化剂603，从而将催化剂603限定在该区域内。在加工燃料气重整换热流道6时，催化剂603的布置区间可以根据不同燃料最佳催化重整的温度不同进行合理调整，因此该重整换热一体化装置可以不限于甲醇燃料催化重整。
如图8所示，作为燃料气重整换热流道6的另一结构实施方式，可由上层平板和底部U型槽焊接而成，构成截面为矩形的燃料气重整换热流道6，相对于使用密封条602这一实施方式而言，焊接上更为方便，仅需焊接两条边，而采用密封条602这种实施方式需要焊接四条边。但采用密封条602这种实施方式密封效果更可靠。在实施时可根据具体情况进行选择。
壳体12、两个燃料气混合罩9以及两个烟气混合罩8内均安装有测温热电偶5。在燃料气重整换热流道6内的催化剂温度区间附近设置有两个测温热电偶5，用于监测重整区域的温度。由于用测温热电偶5可测出燃料气重整换热流道6内的温度，在知道甲醇最佳重整温度的前提下，可相对准确地将催化剂603布置在燃料气重整换热流道6内的具体位置，从而可提高催化剂的转换效率，避免盲目浪费催化剂。此外，其他的测温热电偶5还分别用于测量燃料气入口温度、燃料气出口温度、热烟气入口温度、烟气出口温度。
当燃料气为甲醇和水蒸气混合时，燃料气入口管道1处设置有两个分支口，一个分支口用于通入甲醇，另一个用于通入水蒸气。将一定比例的甲醇气和水蒸气通入到燃料气重整换热流道6内，与此同时，通过热烟气入口管道3将SOFC系统燃烧室产生的热烟气通入到烟气流道中。在燃料气重整换热流道6内，初步预热的甲醇气体进入重整催化剂填充区域进行水蒸气重整，重整产生的氢气、一氧化碳、二氧化碳等混合气体在重整区域下游的腔体内继续预热至700℃－750℃，预热后的气体即可直接通入电堆阳极使用。热烟气在烟气流道中与氢气和一氧化碳充分换热后从烟气出口管道4排出，此时的热烟气还具有一定的温度，可以对其进行二次利用。
采用氢气为燃料时，氢气不需要重整即可供SOFC阳极直接使用，因此，该实施例中燃料重整换热流道6内无需添加催化剂，工作时将氢气直接通入燃料重整换热流道6，控制燃料气出口处温度高于700℃以上即可。该实施例可在燃料重整换热流道6内设置气流分配器，提高燃料气分配均匀性和换热效率。
采用天然气为燃料时，天然气的完全重整温度在650℃左右，该温度下获得的重整气体可直接供SOFC电堆阳极使用。因此，该实施例可在燃料重整换热流道6内填满催化剂，工作时将天然气和水蒸气以一定的水碳比通入燃料重整换热流道6，控制重整燃料出口温度在700℃以上，即可将天然气完全重整的同时将气体预热至工作温度。填满催化剂可以使得燃料气在燃料重整换热流道6内均匀通过，不需要在流道内额外设置气流分配器。
如图2、图4、图5所示，此外，为提高热烟气的热量释放效率，可在烟气流道内设置折流挡板7，折流挡板7上设置有多个透气孔和矩形孔，燃料重整换热流道6穿过矩形孔且与烟气流道互不干涉，当热烟气经过折流挡板7时，只能从透气孔穿过，从而使热烟气整体流速降低，热量交换时间更充分，同时，折流挡板7可均匀分配热烟气，使得热烟气与燃料气换热更加充分。
如图7所示，为提高热烟气的热量释放效率，还可采取另一种实施方式。可烟气流道的空腔内装入烟气换热板13，烟气换热板13采用高导热率的金属材质，且在烟气换热板13内嵌入有S型烟管14，S型烟管14两端分别通入两个烟气混合罩8内。在热烟气通过S型烟管14时，烟道的加长可使热烟气的热量充分释放，并通过烟气换热板13本体将热量传递至燃料重整换热流道6内。
本发明将甲醇燃料的重整和换热做成一体化，不仅降低了固体氧化物燃料电池系统的复杂度和体积，减少了贵金属催化剂的使用量，而且在提升系统体积功率密度和热效率的同时也降低了制作成本。该装置不限于燃料电池领域，也可在其他领域相关技术上适用。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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、以及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，“第一”、“第二”仅由于描述目的，且不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”等应做广义理解，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连接，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。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (9)
1.一种固体氧化物燃料电池系统用重整换热一体化装置，其特征在于：包括筒状的壳体(12)，所述壳体(12)的内部等距设置有多个燃料气重整换热流道(6)，每两个相邻的燃料气重整换热流道(6)之间的空腔为烟气流道，所述燃料气重整换热流道(6)的两端均连接有燃料气混合罩(9)，两个所述燃料气混合罩(9)上分别安装有燃料气入口管道(1)、燃料气出口管道(2)，所述烟气流道的两端均连接有烟气混合罩(8)，两个所述烟气混合罩(8)上分别安装有热烟气入口管道(3)、烟气出口管道(4)，所述烟气流道与所述燃料气重整换热流道(6)相互密封隔绝。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池系统用重整换热一体化装置，其特征在于：所述燃料气重整换热流道(6)包括两块平行设置的气体分隔板(601)，两块所述气体分隔板(601)之间设置有两根密封条(602)。
3.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池系统用重整换热一体化装置，其特征在于：所述燃料气重整换热流道(6)的内部设置有多个催化剂限位条(604)，多个催化剂限位条(604)围合构成催化剂放置区，用于放置催化剂(603)。
4.根据权利要求3所述的固体氧化物燃料电池系统用重整换热一体化装置，其特征在于：在燃料气重整换热流道(6)内的催化剂温度区间附近设置有两个测温热电偶(5)，用于监测重整区域的温度。
5.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池系统用重整换热一体化装置，其特征在于：所述烟气流道内设置有折流挡板(7)，所述折流挡板(7)上设置有多个透气孔，适于均匀分配热烟气，使得热烟气与燃料气换热更加充分。
6.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池系统用重整换热一体化装置，其特征在于：两个所述燃料气混合罩(9)以及两个所述烟气混合罩(8)内均安装有测温热电偶(5)。
7.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池系统用重整换热一体化装置，其特征在于：所述壳体(12)的两端均安装有燃料气通道封面板(10)，所述燃料气通道封面板(10)上设置有多个通孔，所述通孔与所述燃料气重整换热流道(6)的端口形状相适配。
8.根据权利要求7所述的固体氧化物燃料电池系统用重整换热一体化装置，其特征在于：所述壳体(12)上相对的两侧面上均设置有烟气流道接口(11)，两个所述烟气流道接口(11)分别位于所述壳体(12)的两端处，两个所述烟气混合罩(8)分别安装在两个所述烟气流道接口(11)处。
9.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池系统用重整换热一体化装置，其特征在于：所述燃料气入口管道(1)处设置有至少一个分支口，适于多种气体同时输入。
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