CN115295825B - 一种适用于sofc的高效换热橇装装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于SOFC的高效换热橇装装置，包括：电堆阳极换热模块，用于调节氢气的温度；电堆阴极换热模块，用于调节空气的温度；温度均衡模块，所述电堆阳极换热模块和电堆阴极换热模块均与所述温度均衡模块连接，用于将进入反应堆的氢气的温度和空气的温度调节为一致。本高效换热橇装装置高度集成，主要有电堆阳极换热模块、阴极换热模块和温度均衡模块组成，采用多通道串并联的换热结构，同时在温度均衡模块设计了调温介质通道，能够通过多种手段实现电堆入口的温度精准调控。

Description

一种适用于SOFC的高效换热橇装装置
技术领域
本发明属于固体氧化物燃料电池(SOFC)领域，尤其涉及一种适用于SOFC的高效换热橇装装置。
背景技术
固体氧化物燃料电池具有高能量转化效率、零污染、零噪声等优点，被认为是发电效率最高的技术。电堆是SOFC实现化学能转化为电能的核心部件，为了是电堆能够安全、高效的运行，对电堆进出口工作温度环境的控制至关重要。
电堆温度过低时，电池片功率密度小、发电效率低下；电堆温度过高、温差过大以及温度场分布不均时都会导致密封材料快速老化，电池片和连接体发生形变，甚至断裂，从而电堆性能急剧下降。为此必须为其设计出合理的SOFC热管理系统对其工作温度进行合理、有效的控制。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种适用于SOFC的高效换热橇装装置，能够在电池高温运行过程中使电堆阴极和阳极入口气体温差精准控制的换热需求特性。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种适用于SOFC的高效换热橇装装置，包括：
电堆阳极换热模块，用于调节氢气的温度；
电堆阴极换热模块，用于调节空气的温度；
温度均衡模块，所述电堆阳极换热模块和电堆阴极换热模块均与所述温度均衡模块连接，用于将进入反应堆的氢气的温度和空气的温度调节为一致。
进一步的，所述适用于SOFC的高效换热橇装装置还包括：
调温模块，所述调温模块包括冷介质调温模块和热介质调温模块，所述热介质调温模块和冷介质调温模块均与所述温度均衡模块连接，用于调节进入电堆阳极或阴极的氢气温度和空气的温度。
进一步的，所述电堆阳极换热模块包括富氢气体入口、阳极换热模块、阳极出口气进气口、阳极出口气出气口、第一调节阀；
所述第一调节阀将所述富氢气体分为第一富氢气体和第二富氢气体，所述第一富氢气体从所述富氢气体入口进入至所述阳极换热模块内；
阳极出口气从所述阳极出口气进气口进入阳极换热模块内与所述第一富氢气体进行热交换，所述阳极出口气从所述阳极出口气出气口排出；
所述第二富氢气体与所述热交换后的第一富氢气体混合后进入至所述温度均衡模块。
进一步的，所述第二富氢气体与所述温度均衡模块之间通过管道连通，所述管道上设有第二调节阀和第一温度传感器，所述第一温度传感器用于检测混合后的富氢气体的温度，并根据检测的温度信息控制所述第二调节阀，所述第二调节阀通过调控所述第一富氢气体和第二富氢气体之间的比例以控制混合后进入至所述温度均衡模块内的富氢气体的温度。
进一步的，所述电堆阴极换热模块包括空气入口、阴极换热模块、阴极出口气进气口、阴极出口气出气口、第三调节阀；
所述第三调节阀将所述空气分为第一空气体和第二空气体，所述第一空气体从所述阴极出口气进气口进入至所述阴极换热模块内；
阴极出口气从所述阴极出口气进气口进入阴极换热模块内与所述第一空气体进行热交换，所述阴极出口气从所述阴极出口气出气口排出；
所述第二空气体与热交换后的第一空气体混合后进入至所述温度均衡模块。
进一步的，所述第二空气体与所述温度均衡模块之间通过管道连通，所述管道上设有第四调节阀和第二温度传感器，所述第二温度传感器用于检测混合后的空气的温度，并根据检测的温度信息控制所述第四调节阀，所述第四调节阀通过调控所述第一空气体和第二空气体之间的比例以控制混合后进入至所述温度均衡模块内的空气的温度。
进一步的，所述热介质调温模块包括调温热介质入口，所述调温热介质入口通过管道与所述温度均衡模块连接，所述管道上设有第五调节阀，用于调节调温热介质的流量。
进一步的，所述冷介质调温模块包括调温冷介质入口，所述调温冷介质入口通过管道与所述温度均衡模块连接，所述管道上还设有第六调节阀，所述第六调节阀用于调节所述调温冷介质的流量。
进一步的，还包括富氢气体出口、调温介质出口和空气出口，所述富氢气体出口、调温介质出口和空气出口均与所述温度均衡模块的出气端之间通过管道连通。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
(1)本高效换热橇装装置高度集成，主要有电堆阳极换热模块、阴极换热模块和温度均衡模块组成，采用多通道串并联的换热结构，同时在温度均衡模块设计了调温介质通道，能够通过多种手段实现电堆入口的温度精准调控。
(2)本橇装装置高度集成“多合一”换热模块，并采用多通道多级串并联换热理念，高度集成独立设计。
(3)本换热橇装装置包含的阴极换热模块和阳极换热模块，能够满足SOFC工艺上游重整制氢系统换热需求和SOFC工艺下游电堆发电换热需求，设置了各类冷热流接口，上下游工段有非常便利的兼容性和匹配性；同时在阴极换热模块和阳极换热模块均设置了旁路，能够精准实现模块内的温度调控。
(4)本换热系统还设置了温度均衡模块，其主要作用进一步降低进入电堆阳极和阴极的气体温差，保持进入电堆阴极和阳极气体的温度均一性，此外在温度均衡模块还设计调温介质的流道，同时设置了冷热两种调温介质，能对温度过低和温度过高进行多手段调节。
(5)温度均衡器能够起到启动加热器的作用，在SOFC系统启动时可以将热调温介质进入温度均衡器加热电堆阴极和阳极的入口气体。
(6)温度均衡模块还具有另外一项重要功能，在SOFC启动时，由于电堆尚未工作，电堆阳极出口气和电堆阴极出口气温度很低，此时温度均衡器能够起到启动加热器的作用。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
在附图中：
图1是适用于SOFC的高效换热橇装装置的结构示意图；
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明的实施例提供了一种适用于SOFC的高效换热橇装装置，包括电堆阳极换热模块、电堆阴极换热模块和温度均衡模块，所述电堆阳极换热模块用于调节氢气的温度；所述电堆阴极换热模块用于调节空气的温度；所述电堆阳极换热模块和电堆阴极换热模块均与所述温度均衡模块连接，用于将进入反应堆的氢气的温度和空气的温度调节为一致。本高效换热橇装装置高度集成，主要有电堆阳极换热模块、阴极换热模块和温度均衡模块组成，采用多通道串并联的换热结构，同时在温度均衡模块设计了调温介质通道，能够通过多种手段实现电堆入口的温度精准调控。
实施例1
如图1所示，一种适用于SOFC的高效换热橇装装置，包括电堆阳极换热模块、电堆阴极换热模块和温度均衡模块1-3，所述电堆阳极换热模块用于调节富氢气体1的温度；所述电堆阴极换热模块用于调节空气8的温度；所述电堆阳极换热模块和电堆阴极换热模块均与所述温度均衡模块1-3连接，用于将进入反应堆的富氢气体1的温度和空气8的温度调节为一致。
富氢气体1和空气8分别通过所述电堆阳极换热模块、电堆阴极换热模块进行换热和温度调整后再进入至所述温度均衡模块1-3，所述温度均衡模块1-3将富氢气体1和空气8温度进行均衡以后，再进入至电堆内进行反应。本发明通过所述适用于SOFC的高效换热橇装装置，能够在电池高温运行过程中使电堆阴极和阳极入口气体温差精准控制的换热需求特性。
所述的适用于SOFC的高效换热橇装装置，还包括调温模块，所述调温模块包括冷介质调温模块和热介质调温模块，所述热介质调温模块和冷介质调温模块均与所述温度均衡模块1-3连接，用于调节进入电堆阳极或阴极的富氢气体1温度和空气8的温度。
所述电堆阳极换热模块包括富氢气体入口a、阳极换热模块1-1、阳极出口气进气口h、阳极出口气出气口i、第一调节阀V-1；
所述第一调节阀V-1将所述富氢气体1分为第一富氢气体2和第二富氢气体3，所述第一富氢气体2从所述富氢气体入口a进入至所述阳极换热模块1-1内；
阳极出口气6从所述阳极出口气进气口h进入阳极换热模块1-1内与所述第一富氢气体2进行热交换，换热后的阳极出口气7从所述阳极出口气出气口i排出；
所述第二富氢气体3与所述热交换后的第一富氢气体2混合后形成混合后的富氢气体4进入至所述温度均衡模块1-3。
所述第二富氢气体3与所述温度均衡模块1-3之间通过管道连通，所述管道上设有第二调节阀V-2和第一温度传感器T-2，所述第一温度传感器T-2用于检测混合后的富氢气体4的温度，并根据检测的温度信息控制所述第二调节阀V-2，所述第二调节阀V-2通过调控所述第一富氢气体2和第二富氢气体3之间的比例以控制混合后进入至所述温度均衡模块1-3内的富氢气体的温度。
所述电堆阴极换热模块包括空气入口b、阴极换热模块1-2、阴极出口气进气口j、阴极出口气出气口k和第三调节阀V-3；
所述第三调节阀V-3将所述空气8分为第一空气体9和第二空气体10，所述第一空气体9从所述阴极出口气进气口13进入至所述阴极换热模块1-2内；
阴极出口气13从所述阴极出口气进气口j进入阴极换热模块1-2内与所述第一空气体9进行热交换，换热后的阴极出口气14从所述阴极出口气出气口k排出；
所述第二空气体10与热交换后的第一空气体9混合后进入至所述温度均衡模块1-3。
所述第二空气体10与所述温度均衡模块1-3之间通过管道连通，所述管道上设有第四调节阀V-4和第二温度传感器11，所述第二温度传感器11用于检测混合后的空气的温度，并根据检测的温度信息控制所述第四调节阀V-4，所述第四调节阀V-4通过调控所述第一空气体9和第二空气体10之间的比例以控制混合后进入至所述温度均衡模块1-3内的空气的温度。
所述热介质调温模块包括调温热介质入口c，所述调温热介质入口c通过管道与所述温度均衡模块1-3连接，所述管道上设有第五调节阀，用于调节热介质15的流量。
所述冷介质调温模块包括调温冷介质入口d，所述调温冷介质入口d通过管道与所述温度均衡模块1-3连接，所述管道上还设有第六调节阀，所述第六调节阀用于调节所述冷介质的流量。
所述的适用于SOFC的高效换热橇装装置还包括富氢气体出口e、调温介质出口f和空气出口g，所述富氢气体出口e、调温介质出口f和空气出口g均与所述温度均衡模块1-3的出气端之间通过管道连通。
在电堆阳极模块中，首先来SOFC工艺上游环节的富氢气体1，从富氢气体入口a进入换热橇装装置，经过第一调节阀调节V-1后，分为第一富氢气体2和第二富氢气体3，其中第二富氢气体2直接进入阳极换热模块1-1与来自电堆阳极出口气进口h进入的电堆阳极出口气6进行充分热量交换，换热后的第一富氢气体2和第二富氢气体3混合为温度较高的富氢气体4，进入温度均衡模块1-3。在电堆阳极模块中，通过第二调节阀V-2，可以调控富氢气体1分配为第一富氢气体2和第二富氢气体3的流量比例，从而实现精准调控富氢气体的温度。
在阴极模块中，从空气入口b进入的空气经过第三调节阀，分为第一空气体9和第二空气体10，其中第二空气体10直接进入阴极换热模块1-2，被来自电堆阴极的热出口气13加热后，与物流10混合后进入温度均衡模块1-3。在电堆阴极模块中，通过第三调节阀，可以调控空气体分配为第一空气体9和第二空气体10的流量比例，从而实现精准调控换热后空气11的温度。
来自阳极换热模块的换热后的富氢气体4、来自阴极换热模块的换热后的空气11和来自界外的调温介质15或16，全部进入温度均衡模块1-3进行充分温度平衡，减少换热橇装装置出口温差，实现进入电堆阴极和阳极的气体温度均衡，保障电堆的平稳、高效运行。
在换热橇装装置设置了冷热两个调温介质的入口d和c，当换热后的富氢气体4和空气11温度经过温度均衡器1-3后低于电堆所需温度时，在温度均衡器1-3中通入热调温介质15，进一步加热换热后的富氢气体4和空气11的温度达到电堆所需的温度。
当来自阳极换热模块的富氢气体4、来自阴极换热模块的空气11，两者进入温度均衡模块1-3进行充分温度平衡，高于电堆阴极和阳极的入口温度需求。此时，需要在温度均衡模块通入热调温介质16，对富氢气体4和空气11降温，进而满足电堆阴极和阳极的入口温度需求。
来自阳极换热模块的富氢气体4、来自阴极换热模块的空气11，两者进入温度均衡模块1-3进行充分温度平衡，已经满足电堆阴极和阳极的入口温度需求。此时，不需要在换热橇装装置通入调温介质。
此外，温度均衡模块还具有另外一项重要功能，在SOFC启动时，由于电堆尚未工作，电堆阳极出口气和电堆阴极出口气温度很低，此时温度均衡器能够起到启动加热器的作用。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种适用于SOFC的高效换热橇装装置，其特征在于，包括：
电堆阳极换热模块，用于调节氢气的温度；
电堆阴极换热模块，用于调节空气的温度；
温度均衡模块，所述电堆阳极换热模块和电堆阴极换热模块均与所述温度均衡模块连接，用于将进入反应堆的氢气的温度和空气的温度调节为一致；
所述电堆阳极换热模块包括富氢气体入口、阳极换热模块、阳极出口气进气口、阳极出口气出气口、第一调节阀；
所述第一调节阀将所述富氢气体分为第一富氢气体和第二富氢气体，所述第一富氢气体从所述富氢气体入口进入至所述阳极换热模块内；
阳极出口气从所述阳极出口气进气口进入阳极换热模块内与所述第一富氢气体进行热交换，所述阳极出口气从所述阳极出口气出气口排出；
所述第二富氢气体与所述热交换后的第一富氢气体混合后进入至所述温度均衡模块；
所述电堆阴极换热模块包括空气入口、阴极换热模块、阴极出口气进气口、阴极出口气出气口、第三调节阀；
所述第三调节阀将所述空气分为第一空气体和第二空气体，所述第一空气体从所述阴极出口气进气口进入至所述阴极换热模块内；
阴极出口气从所述阴极出口气进气口进入阴极换热模块内与所述第一空气体进行热交换，所述阴极出口气从所述阴极出口气出气口排出；
所述第二空气体与热交换后的第一空气体混合后进入至所述温度均衡模块；
所述第二富氢气体与所述温度均衡模块之间通过管道连通，所述管道上设有第二调节阀和第一温度传感器，所述第一温度传感器用于检测混合后的富氢气体的温度，并根据检测的温度信息控制所述第二调节阀，所述第二调节阀通过调控所述第一富氢气体和第二富氢气体之间的比例以控制混合后进入至所述温度均衡模块内的富氢气体的温度；
所述第二空气体与所述温度均衡模块之间通过管道连通，所述管道上设有第四调节阀和第二温度传感器，所述第二温度传感器用于检测混合后的空气的温度，并根据检测的温度信息控制所述第四调节阀，所述第四调节阀通过调控所述第一空气体和第二空气体之间的比例以控制混合后进入至所述温度均衡模块内的空气的温度。
2.根据权利要求1所述的适用于SOFC的高效换热橇装装置，其特征在于，还包括：
调温模块，所述调温模块包括冷介质调温模块和热介质调温模块，所述热介质调温模块和冷介质调温模块均与所述温度均衡模块连接，用于调节进入电堆阳极或阴极的氢气温度和空气的温度。
3.根据权利要求2所述的适用于SOFC的高效换热橇装装置，其特征在于，所述热介质调温模块包括调温热介质入口，所述调温热介质入口通过管道与所述温度均衡模块连接，所述管道上设有第五调节阀，用于调节调温热介质的流量。
4.根据权利要求2所述的适用于SOFC的高效换热橇装装置，其特征在于，所述冷介质调温模块包括调温冷介质入口，所述调温冷介质入口通过管道与所述温度均衡模块连接，所述管道上还设有第六调节阀，所述第六调节阀用于调节所述调温冷介质的流量。
5.根据权利要求4所述的适用于SOFC的高效换热橇装装置，其特征在于，还包括富氢气体出口、调温介质出口和空气出口，所述富氢气体出口、调温介质出口和空气出口均与所述温度均衡模块的出气端之间通过管道连通。
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