CN115000451A - 一种紧凑型sofc动力系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种紧凑型SOFC动力系统，属于燃料电池领域，其包括预热单元、反应电堆和集成式燃‑电一体加热单元，其中：预热单元用于对液体燃料和空气进行初步气化、预热和二次加热并送入反应电堆进行氧化还原反应，产生的电堆尾气被送入集成式燃‑电一体加热单元进行燃烧，燃烧产生的废气作为热源送入一级换热器，同时产生的热量分别穿过外壳传递给二级换热器和反应电堆。本发明利用废气余热对液体燃料和空气进行初步预热，能够避免过多热量输入导致浪费，同时通过将二级换热器、反应电堆和集成式燃‑电一体加热单元置于同一封闭保温腔体内，在实现紧凑设计的同时能够将燃烧产生的热量直接传递给二级换热器和反应电堆，保证充足的能量供应。

Description

一种紧凑型SOFC动力系统
技术领域
本发明属于燃料电池领域，更具体地，涉及一种紧凑型SOFC动力系统。
背景技术
重载卡车的动力需求高、能源消耗量大，采用蓄电池的新能源电动卡车难以胜任。固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种高效环保的先进动力技术，具有能量效率高、污染物排放低、动力持续里程大的优点。因此，使用氢燃料、氨燃料等低碳、零碳燃料SOFC在重载货运车辆领域进行电动化替代是交通领域减少CO2排放、实现“双碳”目标的重要方式。
SOFC单电池由阳极、阴极和固体氧化物电解质组成，其中阳极为燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都使用薄的陶瓷膜用作催化剂，应用中由多个单电池组成更大功率的电堆。SOFC运行温度较高(>500℃)，启动或运行过程中需要保持电堆高温运行环境并预热进入的燃料和空气，所以传统SOFC电堆存在电堆预热时间长、预热器件组成复杂且效率低、电堆尾气温度高、可燃物排放量大等一系列问题，以致辅助加热或换热部件众多、体积庞大、可靠性差、能量利用率低，严重制约了SOFC在交通动力领域的大规模推广和应用。如何实现电堆尾气中残余可燃物的处置和有效利用、如何获得体积紧凑、稳定可靠、高效节能的尾气处理装置与燃料-空气预热装置是交通SOFC动力系统的关键问题之一。
CN113921856A提出了一种固体氧化物燃料电池外部热管理系统，通过设置一个具有高温相变材料的蓄热罐，在电堆工作时，高温尾气通入蓄热罐与高温相变材料进行热交换，将热量以相变热的形式储存在蓄热罐中，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；在电堆停止工作时，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，使维持电堆处于高温状态，实现燃料电池的快速启动和电堆工作温度的稳定，但该设计对蓄热罐的设计容量和相变材料要求很高，蓄热罐的空间占用率很大，仅可利用尾气余热而未能回收利用尾气中剩余燃料的化学能，故该方法很难在实际中得到应用。CN108758660A提出了一种用于固体氧化物燃料电池系统的尾气燃烧室，通过在一级燃烧室腔室内设置一个钝体火焰稳定器，对尾气进行明火燃烧控制，使得燃烧保持稳定，在二级燃烧室腔室内设置一个热电偶测温装置，实现点火器的自动开启与关闭，但该设计需要在电堆装置外单独设置一个燃烧室，布局分散，空间占用率大，且无法对尾气中的能量进行直接利用、效率较低，故该方法很难在实际中得到应用。CN110854419A提出了一种利用残余燃料的直接火焰燃料电池发电装置。通过以至少一个固体氧化物燃料电池配合一个直接火焰燃料电池，充分利用了固体氧化物燃料电池未完全利用的燃料，同时，直接火焰燃料电池产生的热量也为固体氧化燃料电池提供了合适的工作温度。但是该设计需要额外增加一个直接火焰燃料电池，且还需向直接火焰燃料电池中通入燃料，燃料消耗量大，能效低，故该方法很难在实际中得到应用。CN113903949A提出了一种MW级固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构，阳极尾气通过采用再循环工艺，部分与重整后的燃料重整气混合、换热后再进入电堆，部分在燃烧器中燃烧形成高温烟气，与阴极尾气混合和通过两段式换热对空气进行高温预热和低温预热，提高了燃料利用率和尾气余热，但该设计需要将阳极尾气和阴极尾气分别进行处理，管道设计复杂，热区结构未能与电堆紧密集成，能量传递方式单一、利用率低，故该方法很难在实际中得到应用。CN110600774A提出了一种固体氧化物燃料电池一体化集成BOP系统，通过将燃烧室、空气换热室、高温烟气通道和燃料重整室依次层层设置，取代管道连接，整体热量通过层层传递形成了高效的换热体系，热量利用率高。但是该设计不能按各个腔室的需热量不同来分配燃烧室中产生的热量，且燃烧室布置在中心位置，其整体尺寸限制了燃烧室的尺寸，从而限制了SOFC的功率，以及整个装置太过一体化，不利于后期的维护，可靠性较低，故该方法很难在实际中得到应用。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种紧凑型SOFC动力系统，旨在解决现有的动力系统辅助加热或换热部件众多、体积庞大、可靠性差、热量分配不合理、能量利用率低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种紧凑型SOFC动力系统，该系统包括预热单元、反应电堆和集成式燃-电一体加热单元，其中：
所述预热单元包括一级换热器和二级换热器，所述一级换热器用于对液体燃料和空气进行气化和初步预热以获得预热后的气体燃料和空气，并将其送入二级换热器，所述二级换热器用于对预热后的气体燃料和空气进行二次加热，并将加热后的气体燃料和空气送入反应电堆；
所述反应电堆用于为加热后的气体燃料和空气提供氧化还原反应场所，并将产生的电堆尾气送入所述集成式燃-电一体加热单元；
所述集成式燃-电一体加热单元与反应电堆、二级换热器设置在同一封闭保温腔体内，同时所述一级换热器设置在另一封闭保温腔体内，该集成式燃-电一体加热单元包括底板、进气内管、电加热器、催化剂层和外壳，所述底板设置有进气管和出气管，所述进气管的一端与反应电堆连接，其另一端与进气内管连接，用于向所述集成式燃-电一体加热单元送入电堆尾气；所述出气管与一级换热器连接，以将电堆尾气燃烧产生的废气作为热源送入一级换热器；所述电加热器和催化剂层分别设置在所述进气内管的内部和外部，用于对电堆尾气进行加热使其达到燃烧温度，并通过催化剂层的催化作用使电堆尾气稳定清洁燃烧；所述外壳采用导热材料，以将电堆尾气燃烧产生的热量直接传递给所述二级换热器和反应电堆。
作为进一步优选的，所述紧凑型SOFC动力系统包括预设数量的集成式燃-电一体加热单元，其沿周向围绕在所述反应电堆的外侧，并且所述二级换热器缠绕在各个所述集成式燃-电一体加热单元的外侧。
作为进一步优选的，所述集成式燃-电一体加热单元还包括热电偶和点火器，所述热电偶和点火器分别通过底板上的热电偶进口和点火器进口伸入集成式燃-电一体加热单元，设置在所述外壳与进气内管之间，用于测量所述集成式燃-电一体加热单元的内部温度并在其低于燃烧温度时进行点火。
作为进一步优选的，所述集成式燃-电一体加热单元还包括密封圈和卡箍，所述密封圈设置在外壳与底板之间，并通过卡箍将外壳、密封圈和底板进行固定，以此实现集成式燃-电一体加热单元的密封。
作为进一步优选的，所述电加热器采用翅片管加热器、U型加热器、蛇形管加热器或螺旋加热器。
作为进一步优选的，所述外壳采用一体冲压式圆柱形壳身、铸造成型圆柱形壳身或焊接式圆柱形壳身。
作为进一步优选的，所述催化剂层中的催化剂采用CuO、Fe2O3和Ag2O中的一种或多种。
作为进一步优选的，所述催化剂层采用多孔支架填充催化剂颗粒或预成型蜂窝状结构催化剂层。
作为进一步优选的，所述多孔支架填充催化剂颗粒中的催化剂颗粒采用球形颗粒或圆柱形颗粒，其粒径为1mm～20mm；所述多孔支架填充催化剂颗粒的多孔支架采用多孔负载层或布风孔板，所述多孔负载层为多孔陶瓷层或多孔金属层。
作为进一步优选的，所述液体燃料为液氨或甲醇。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.本发明针对液体燃料SOFC系统存在的辅助加热或换热部件较多、体积庞大、可靠性差，一级换热器、二级换热器和反应电堆的热量需求具有较大差异等问题，提出了电堆尾气热量梯级利用的紧凑型SOFC动力系统，将集成式燃-电一体加热单元与二级换热器、反应电堆置于同一封闭保温腔体内，并将一级换热器置于另一封闭保温腔体内，利用该特定的空间位置关系使得系统体积大幅降低，工作时通过将电堆尾气燃烧产生的废气通入一级换热器，以利用废气余热对液体燃料和空气进行初步预热，能够避免过多热量输入导致能量浪费，同时将燃烧产生的热量穿过外壳直接传递给二级换热器和反应电堆，在提高能量利用率的同时能够保证其具有充足的热量供应，在一定程度上解决了反应电堆启动困难的问题，此外该系统各单元之间相互独立设置，不仅有利于后期维护，而且对尺寸要求较少，具有较高的灵活性；
2.尤其是，本发明提出将预设数量的集成式燃-电一体加热单元沿周向围绕在反应电堆外侧，并将二级换热器缠绕在各个集成式燃-电一体加热单元的外侧，进而分别通过辐射换热和壁面热传导的方式将电堆尾气燃烧产生的热量传递给反应电堆和二级换热器，从而有效增加集成式燃-电一体加热单元与反应电堆、二级换热器的换热量，有利于对反应电堆和二级换热器进行加热，不仅可以减少空间占用率和材料使用量，还能够使整个系统保持较高的温度，提高能量利用率；
3.此外，本发明通过在集成式燃-电一体加热单元中设置热电偶和点火器，能够实时检测集成式燃-电一体加热单元的温度，并在温度较低时通过点火器进行点火，保证集成式燃-电一体加热单元正常工作。
附图说明
图1是本发明实施例提供的紧凑型SOFC动力系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的紧凑型SOFC动力系统中集成式燃-电一体加热单元的剖视图；
图3是本发明实施例提供的紧凑型SOFC动力系统中底板的机构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1：液体燃料，2：空气，3：一级换热器，3-1：液体燃料入口，3-2：空气入口，3-3：气体燃料出口，3-4：空气出口，3-5：废气入口，3-6：废气出口，4：二级换热器，5：反应电堆，5-1：气体入口，5-2：气体出口，6：集成式燃-电一体加热单元，7：进气管，8：出气管，9：底板，10：密封圈，11：卡箍，12：进气内管，13：催化剂层，14：电加热器，15：外壳，16：点火器进口，17：热电偶进口，18：高温保温腔，19：中温保温腔。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1～3所示，本发明提供了一种紧凑型SOFC动力系统，该系统包括预热单元、反应电堆5和集成式燃-电一体加热单元6，其中：
预热单元包括一级换热器3和二级换热器4，一级换热器3用于对液体燃料和空气进行气化和初步预热以获得预热后的气体燃料和空气，并将其送入二级换热器4，二级换热器4用于对预热后的气体燃料和空气进行二次加热，并将加热后的气体燃料和空气送入反应电堆5，以此通过两级换热的方式对液体燃料和空气进行预热，从而保持反应电堆5始终处于高温运行环境；
反应电堆5设置有气体入口5-1和气体出口5-2，气体入口5-1与二级换热器4连接，用于通入加热后的气体燃料和空气，以在反应电堆5中进行氧化还原反应并产生电堆尾气，气体出口5-2与集成式燃-电一体加热单元6连接，用于将反应产生的电堆尾气送入集成式燃-电一体加热单元6；
集成式燃-电一体加热单元6与反应电堆5、二级换热器4设置在高温保温腔18内，同时一级换热器3设置在中温保温腔19内，该集成式燃-电一体加热单元6包括底板9、进气内管12、电加热器14、催化剂层13和外壳15，底板9设置有进气管7和出气管8，进气管7的一端与反应电堆5的气体出口5-2连接，其另一端与进气内管12连接，用于向集成式燃-电一体加热单元6送入电堆尾气；出气管8与一级换热器3连接，以将电堆尾气燃烧产生的废气作为热源送入一级换热器3，因一级换热器3需要的热量相对较少，故仅利用电堆尾气的余热即可满足其热量需求；电加热器14和催化剂层13设置在进气内管12的内部和外部，用于对电堆尾气进行加热使其达到燃烧温度，并通过催化剂层13的催化作用使电堆尾气稳定清洁燃烧；外壳15采用导热材料，以将燃烧产生的热量传递给二级换热器4和反应电堆5，因二级换热器4和反应电堆5需要的热量相对较多，将其置于同一封闭保温腔体内直接进行热传导能够保证足够的热量供应。
进一步，一级换热器3设置有液体燃料入口3-1、空气入口3-2、废气入口3-5、废气出口3-6、气体燃料出口3-3和空气出口3-4，其中：液体燃料入口3-1与液体燃料1连接，空气入口3-2与空气2连接，以向一级换热器3通入液体燃料和空气；废气入口3-5与集成式燃-电一体加热单元6的出气管8连接，用于将电堆尾气燃烧产生的废气作为热源送入一级换热器3，并通过热交换作用对液体燃料和空气进行加热，获得预热后的气体燃料和空气，同时换热后的废气通过废气出口3-6排出；气体燃料出口3-3和空气出口3-4分别与二级换热器4连接，用于将预热后的气体燃料和空气送入二级换热器4。
进一步，紧凑型SOFC动力系统优选采用共圆柱腔体结构，反应电堆5布置于腔体的中心位置，预设数量的集成式燃-电一体加热单元6沿周向紧密布置在反应电堆5周围，以通过辐射换热的方式将热量传递给反应电堆5；同时二级换热器4缠绕在各个集成式燃-电一体加热单元6的外侧，以通过壁面热传导的方式将热量传递给二级换热器4，进而有效提高热量传递效率，使得进入反应电堆5的进气温度得到进一步提升，以提高反应电堆5的工作效率。同时，二级换热器4、反应电堆5和集成式燃-电一体加热单元6共用外部绝热层，该结构能够有效提高空间利用率，从而实现紧凑布置的目的。为了保证反应电堆5正常工作，其外侧可设置电加热棒，在其温度较低时进行加热以弥补反应电堆5所需的热量。
进一步，集成式燃-电一体加热单元6还包括热电偶、点火器、密封圈10和卡箍11，热电偶和点火器分别通过底板9上的热电偶进口17和点火器进口16伸入集成式燃-电一体加热单元6，并设置在外壳15与进气内管12之间，用于测量集成式燃-电一体加热单元6的内部温度并在其低于燃烧温度时进行点火；密封圈10设置在外壳15与底板9之间，并通过卡箍11将外壳15、密封圈10和底板9进行固定，以此实现集成式燃-电一体加热单元6的密封。
进一步，电加热器14采用翅片管加热器、U型加热器、蛇形管加热器或螺旋加热器，并优选采用螺旋加热器；外壳15采用一体冲压式圆柱形壳身、铸造成型圆柱形壳身或焊接式圆柱形壳身，并优选采用一体冲压式、圆柱形壳身、碗形壳顶的结构，外壳15的材料优选采用310S不锈钢；催化剂层13中的催化剂优选采用CuO、Fe2O3或Ag2O，并采用多孔支架填充催化剂颗粒或预成型蜂窝状结构催化剂层，其中多孔支架填充催化剂颗粒中的催化剂颗粒采用球形颗粒或圆柱形颗粒，其粒径为1mm～20mm，多孔支架采用多孔负载层或布风孔板，所述多孔负载层为多孔陶瓷层或多孔金属层；液体燃料优选采用液氨或甲醇。
本发明提供的紧凑型SOFC动力系统的具体工作过程为：反应电堆5稳定运行时，液体燃料1和空气2通过液体燃料入口3-1和空气入口3-2进入一级换热器，液体燃料1被加热气化、空气2被预热后分别通过气体燃料出口3-3和空气出口3-4排出进入二级换热器4，进一步被加热后通过气体入口5-1进入反应电堆5以进行氧化还原反应，产生的电堆尾气通过气体出口5-2排出经进气管7和进气内管12进入集成式燃-电一体加热单元6，在电加热器14的加热和催化剂层13的催化作用下进行燃烧反应，产生的电堆尾气依次通过出气管8、废气入口3-5进入一级换热器3中，以对液体燃料和空气进行气化和初步预热，同时集成式燃-电一体加热单元6燃烧产生的热量通过辐射换热和壁面热传导的方式对反应电堆5和二级换热器4进行加热。
当反应电堆5冷启动时，液体燃料和空气在反应电堆5中达不到反应温度，无法进行反应，此时热电偶检测到集成式燃-电一体加热单元6内部的温度无法达到着火温度，可以利用点火器进行引燃，其产生的热量可加快反应电堆5启动，直至进入集成式燃-电一体加热单元6的电堆尾气达到着火温度，点火器自动关闭。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种紧凑型SOFC动力系统，其特征在于，该系统包括预热单元、反应电堆(5)和集成式燃-电一体加热单元(6)，其中：
所述预热单元包括一级换热器(3)和二级换热器(4)，所述一级换热器(3)用于对液体燃料和空气进行气化和初步预热以获得预热后的气体燃料和空气，并将其送入二级换热器(4)，所述二级换热器(4)用于对预热后的气体燃料和空气进行二次加热，并将加热后的气体燃料和空气送入反应电堆(5)；
所述反应电堆(5)用于为加热后的气体燃料和空气提供氧化还原反应场所，并将产生的电堆尾气送入所述集成式燃-电一体加热单元(6)；
所述集成式燃-电一体加热单元(6)与反应电堆(5)、二级换热器(4)设置在同一封闭保温腔体内，同时所述一级换热器(3)设置在另一封闭保温腔体内，该集成式燃-电一体加热单元(6)包括底板(9)、进气内管(12)、电加热器(14)、催化剂层(13)和外壳(15)，所述底板(9)设置有进气管(7)和出气管(8)，所述进气管的一端与反应电堆(5)连接，其另一端与进气内管(12)连接，用于向所述集成式燃-电一体加热单元(6)送入电堆尾气；所述出气管(8)与一级换热器(3)连接，以将电堆尾气燃烧产生的废气作为热源送入一级换热器(3)；所述电加热器(14)和催化剂层(13)分别设置在所述进气内管(12)的内部和外部，用于对电堆尾气进行加热使其达到燃烧温度，并通过催化剂层(13)的催化作用使电堆尾气稳定清洁燃烧；所述外壳(15)采用导热材料，以将电堆尾气燃烧产生的热量直接传递给所述二级换热器(4)和反应电堆(5)。
2.如权利要求1所述的紧凑型SOFC动力系统，其特征在于，所述紧凑型SOFC动力系统包括预设数量的集成式燃-电一体加热单元(6)，其沿周向围绕在所述反应电堆(5)的外侧，并且所述二级换热器(4)缠绕在各个所述集成式燃-电一体加热单元(6)的外侧。
3.如权利要求1所述的紧凑型SOFC动力系统，其特征在于，所述集成式燃-电一体加热单元(6)还包括热电偶和点火器，所述热电偶和点火器分别通过底板(9)上的热电偶进口(17)和点火器进口(16)伸入集成式燃-电一体加热单元(6)，设置在所述外壳(15)与进气内管(12)之间，用于测量所述集成式燃-电一体加热单元(6)的内部温度并在其低于燃烧温度时进行点火。
4.如权利要求1所述的紧凑型SOFC动力系统，其特征在于，所述集成式燃-电一体加热单元(6)还包括密封圈(10)和卡箍(11)，所述密封圈(10)设置在外壳(15)与底板(9)之间，并通过卡箍(11)将外壳(15)、密封圈(10)和底板(9)进行固定，以此实现集成式燃-电一体加热单元(6)的密封。
5.如权利要求1所述的紧凑型SOFC动力系统，其特征在于，所述电加热器(14)采用翅片管加热器、U型加热器、蛇形管加热器或螺旋加热器。
6.如权利要求1所述的紧凑型SOFC动力系统，其特征在于，所述外壳(15)采用一体冲压式圆柱形壳身、铸造成型圆柱形壳身或焊接式圆柱形壳身。
7.如权利要求1所述的紧凑型SOFC动力系统，其特征在于，所述催化剂层(13)中的催化剂采用CuO、Fe2O3和Ag2O中的一种或多种。
8.如权利要求1所述的紧凑型SOFC动力系统，其特征在于，所述催化剂层(13)采用多孔支架填充催化剂颗粒或预成型蜂窝状结构催化剂层。
9.如权利要求8所述的紧凑型SOFC动力系统，其特征在于，所述多孔支架填充催化剂颗粒中的催化剂颗粒采用球形颗粒或圆柱形颗粒，其粒径为1mm～20mm；所述多孔支架填充催化剂颗粒的多孔支架采用多孔负载层或布风孔板，所述多孔负载层为多孔陶瓷层或多孔金属层。
10.如权利要求1～9任一项所述的紧凑型SOFC动力系统，其特征在于，所述液体燃料为液氨或甲醇。
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