CN116294712A - 一种换热器及固体氧化物燃料电池甲醇重整系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种固体氧化物燃料电池甲醇重整系统，包括换热器、重整器、热油循环组件和热油冷却组件，通过换热器提供的导热油来给重整供热进行甲醇重整制氢，其中换热器包括进气导流件、出气导流件、进油导流件、出油导流件、导流器、热油泄压件和出气管，导流器包括多块平行排列的流道板，相邻流道板之间形成间隔设置的冷源流道和热源流道。本发明中的固体氧化物燃料电池甲醇重整系统，采用换热器加热后的导热油供热进行重整制氢，降低了对尾气气压的要求低，大幅度提升电池系统寿命，导热油温度更容易精准控制，延长了重整器中催化剂的使用寿命，所提供的换热器气体流道设计成低流阻的形式，进一步降低了对尾气进口端压力的需求。

Description

一种换热器及固体氧化物燃料电池甲醇重整系统
技术领域
本发明涉及重整制氢技术领域，具体涉及一种换热器及固体氧化物燃料电池甲醇重整系统。
背景技术
现在固体氧化物燃料电池(SOFC)中传统的制氢重整器一般采用成熟的工业制氢催化剂，多为类似绿豆/黄豆大小颗粒状物质，填充催化剂的最小圆管内径为催化剂直径的8倍，催化制氢反应是强吸热反应，为了给装有催化剂的列管提供足够的热量，在较小有限的重整器体积下，催化列管之间需要填充类似于陶瓷珠的蓄热体物质，以便于充分吸收通过的尾气余热，然后传递给催化列管，然而这种直接使用尾气加热的重整器，尾气通过重整器内部热交换腔的气阻比较大，压损大，要想正常运行，需要提高进气端尾气压力，直接造成SOFC电池堆承受的气体压力比较大，超过了目前SOFC电池堆承压的极限，SOFC电池堆在气体压力较大的情况下寿命会急剧缩短或直接损坏。
此外，SOFC电池堆中的甲醇重整制氢普遍采用的是一种250℃左右的低温催化剂，其寿命长、价格低，在重整制氢时如果采用尾气直接加热重整管，则温度不易控制，容易使该低温催化剂失效；如果采用耐高温的甲醇水制氢催化剂，则存在价格贵，寿命短，容易产生积碳的缺点，不适合系统长期运行。
发明内容
本发明的目的是提供一种固体氧化物燃料电池甲醇重整系统，采用换热器加热后的导热油供热，一方面与直接使用尾气加热重整器相比对尾气气压的要求低，在SOFC电池堆承受的背压有限的情况下，可以大幅度提升SOFC系统的寿命，另一方面，导热油的温度更容易精准控制，使重整器中的催化剂不易损坏，延长了催化剂的使用寿命；本发明所提供的换热器气体流道设计成低流阻的形式，进一步降低了对尾气进口端压力的需求。
为达到上述目的，本发明提供一种换热器，包括进气导流件、出气导流件、进油导流件、出油导流件、导流器、热油泄压件和出气管，所述导流器包括多块平行排列的流道板，相邻所述流道板之间形成间隔设置的冷源流道和热源流道，所述冷源流道包括冷源进口和冷源出口，所述热源流道包括热源进口和热源出口，所述进油导流件覆盖全部所述冷源进口，所述进油导流件分别与所述冷源进口和热油泄压件连通，所述出油导流件覆盖全部所述冷源出口，所述出油导流件与全部所述冷源出口连通，所述进气导流件位于所述导流器的下方且与全部所述热源进口连通，所述出气导流件位于所述导流器的上方且与全部所述热源出口连通，所述热油泄压件位于所述出气导流件的上方且与所述进油导流件连通，所述出气管穿过所述热油泄压件与所述出气导流件连通。
本发明的换热器内流道设计成交替间隔排列低流阻的形式，可以降低对进气端气体压力的需求，换热器将导热油和电池堆提供的燃烧尾气进行热交换，导热油热容高，加热稳定且均匀，提高了换热效率。
进一步地，所述导流器的每一块流道板都包括板体和导流片，所述导流片在板体的两侧分别围成冷源流道和热源流道。
进一步地，所述冷源流道由四条覆盖板体一侧四边边缘的导流片所围成，所述四条导流片中两两首尾相连，所述板体长度方向的两侧边缘只有部分被覆盖，且与设置在所述板体宽度方向边缘的所述导流片之间具有间隙，一端的所述间隙作为冷源进口，另一端的所述间隙作为冷源出口。
进一步地，所述热源流道由两条覆盖所述板体另一侧长度方向两侧边缘的导流片所围成，所述板体上未覆盖导流片的两边分别作为热源进口和热源出口。
本发明所设计的冷源流道和热源流道平行间隔排列，用导流片所围成的流道热交换接触面积大，换热效率更高。
进一步地，所述热油泄压件上设有进油管和排气管。进油管用于给整个重整系统中添加导热油，而添加导热油的过程中非常容易混入空气，排气管用于排出热油泄压件中的空气。
进一步地，所述热油泄压件上设有液位计。液位计用于监控热油泄压件中导热油的液面位置。
进一步地，所述出气导流件、所述出油导流件和所述热油泄压件上都设有热电偶。热电偶用于监控各个导流件和热油泄压件内的温度。
本发明还提供了一种固体氧化物燃料电池甲醇重整系统，包括
换热器，用于给导热油加热；
重整器，用于将甲醇进行重整制氢；
热油循环组件，所述热油循环组件包括热油循环泵、循环泵进油管和循环泵出油管，所述循环泵进油管与所述重整器连通，所述循环泵出油管与换热器的所述热油泄压件连通；
热油冷却组件，所述热油冷却组件包括导油管、冷却管、进水管和出水管，所述导油管分别与换热器的所述出油导流件和所述重整器连通，所述冷却管套在所述导油管外部，用于对所述导油管进行冷却，所述进水管和所述出水管与所述冷却管连通。
本发明提供的固体氧化物燃料电池甲醇重整系统采用换热器加热后的导热油供热，通过热油冷却组件可以精准控制进入重整器的导热油温度，使重整器中的催化剂不易损坏，延长了催化剂的使用寿命。
进一步地，所述重整器与所述导油管连通的位置设有热电偶。该热电偶用于实时监控进入重整器的导热油的温度，避免造成导热油温度过高而使重整器中的催化剂失效。
进一步地，所述循环泵进油管上设排油管。排油管用于排出整个重整系统中的导热油。
相较于其他现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的换热器内流道设计成交替间隔排列低流阻的形式，可以降低对进气端气体压力的需求，换热器将导热油和电池堆提供的燃烧尾气进行热交换，导热油热容高，加热稳定且均匀，提高了换热效率。
(2)本发明所设计的冷源流道和热源流道平行间隔排列，用导流片所围成的流道热交换接触面积大，换热效率更高。
(3)本发明提供的固体氧化物燃料电池甲醇重整系统采用换热器加热后的导热油供热，与直接使用尾气加热重整器相比对尾气气压的要求更低，在SOFC电池堆承受的背压有限的情况下，可以大幅度提升SOFC系统的寿命；通过热油冷却组件可以精准控制进入重整器的导热油温度，使重整器中的催化剂不易损坏，延长了催化剂的使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例中的换热器及固体氧化物燃料电池甲醇重整系统的立体结构示意图；
图2为本发明实施例中的换热器的立体结构示意图；
图3为本发明实施例中的冷源流道结构示意图；
图4为本发明实施例中的热源流道结构示意图；
图5为本发明实施例中的流道板叠放过程示意图。
附图标记说明：
1-进气导流件，2-出气导流件，3-进油导流件，4-出油导流件，5-导流器，501-板体，502-导流片，503-冷源进口，504-冷源出口，505-热源进口，506-热源出口，510-冷源流道，511-热源流道，6-第二泄压件，601-进油管，602-排气管，603-液位计，7-出气管，8-热电偶，9-重整器，10-热油循环组件，101-热油循环泵，102-循环泵进油管，103-循环泵出油管，104-排油管，11-热油冷却组件，111-导油管，112-冷却管，113-进水管，114-出水管。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例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例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例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标记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“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前”、“后”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，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。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
结合图1所示，本发明实施例提供一种换热器，包括进气导流件1、出气导流件2、进油导流件3、出油导流件4、导流器5、热油泄压件6和出气管7，导流器5包括多块平行排列的流道板，每块流道板都包括板体501和导流片502，导流片502在板体501的两侧分别围成冷源流道510和热源流道511。相邻所述流道板之间的冷源流道510和热源流道511间隔设置，如图3所示，冷源流道510由四条覆盖板体501一侧四边边缘的导流片502所围成，四条导流片502中两两首尾相连，板体501宽度方向的两侧边缘全部被覆盖，板体501长度方向的两侧边缘只有部分被覆盖，且与设置在板体501宽度方向边缘的导流片504之间具有间隙，其中一端的间隙作为冷源进口503，另一端的间隙作为冷源出口504。如图4所示，热源流道511由两条覆盖板体501另一侧长度方向两侧边缘的导流片502所围成，导流片502将板体501长度方向的两侧边缘全部覆盖，板体501上未覆盖导流片502的宽度方向的两边分别作为热源进口505和热源出口506，用上述导流片502在板体501上所围成的冷源流道510和热源流道511热交换接触面积大，换热效率更高。
结合图5所示，按照相邻两块流道板相同流道一侧相接触叠放后形成平行排列的流道板，其中相邻两块流道板的冷源流道510为镜像设置，使叠放时相邻两块流道板的导流片502完全重叠，形成的导流器5中的冷源流道510和热源流道511平行间隔排列。
结合图2所示，进油导流件3覆盖全部冷源进口503，进油导流件3分别与冷源进口503和热油泄压件6连通，出油导流件4覆盖全部冷源出口504，出油导流件4与全部冷源出口504连通，进气导流件1位于导流器5的下方且与全部热源进口505连通，出气导流件2位于导流器5的上方且与全部热源出口506连通，热源气体经过进气导流件1后从热源进口505进入热源流道511，热油泄压件6位于出气导流件2的上方且与进油导流件3连通，热油泄压件6中的导热油经过进油导流件3后从冷源进口503进入冷源流道510，出气管7穿过热油泄压件6与出气导流件2连通，使出气导流件2内的热源气体通过出气管7排出换热器。
结合图1和图2所示，热油泄压件6上设有进油管601和排气管602。进油管601用于给整个重整系统中添加导热油，而添加导热油的过程中非常容易混入空气，排气管602用于排出热油泄压件6中混入的空气。
进一步，作为一种较佳的实施方式，热油泄压件6上设有油位控制管603。
进一步，作为一种较佳的实施方式，出气导流件2、出油导流件4和热油泄压件6上都设有热电偶8。
本发明实施例还提供了一种固体氧化物燃料电池甲醇重整系统，包括上述换热器、重整器9、热油循环组件10和热油冷却组件11，结合图1所示，热油循环组件10用于使导热油在整个重整系统内循环，其包括热油循环泵101、循环泵进油管102和循环泵出油管103，循环泵进油管102与重整器9连通，循环泵出油管103与上述换热器的热油泄压件6连通，热油冷却组件11包括导油管111、冷却管112、进水管113和出水管114，导油管111分别与上述换热器的出油导流件4和重整器9连通，冷却管112套在导油管111外部，用于对导油管111进行冷却，进水管113和出水管114与冷却管112连通。
进一步，作为一种较佳的实施方式，重整器9与导油管111连通的位置设有热电偶。
进一步，作为一种较佳的实施方式，循环泵进油管102上设排油管104。
本实施例中固体氧化物燃料电池甲醇重整系统的导热油循环过程如下：热油循环泵101运行后，导热油通过循环泵出油管103被压入热油泄压件6内，热油泄压件6对进入的导热油进行泄压，泄压后的导热油经过进油导流件3后从冷源进口503进入冷源流道510，在冷源流道510中与间隔排列的热源流道511内的电堆系统燃烧尾气进行热交换，被加热的导热油从冷源出口504流出经过出油导流件4后进入导油管111，通过出油导流件4上的热电偶8监控导热油的温度，如温度过可通过高冷却组件11中的冷却管112对导油管111进行降温，导油管111中的导热油温度达到要求后进入重整器9用于甲醇重整制氢，使用后温度降低了的导热油从循环泵进油管102流出回到热油循环泵101实现整个循环过程。经测试，本发明的固体氧化物燃料电池甲醇重整系统对固体氧化物燃料电池堆系统所提供的燃烧尾气的利用率达到90％以上。
最后应说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (10)

1.一种换热器，其特征在于，包括进气导流件(1)、出气导流件(2)、进油导流件(3)、出油导流件(4)、导流器(5)、热油泄压件(6)和出气管(7)，所述导流器(5)包括多块平行排列的流道板，相邻所述流道板之间形成间隔设置的冷源流道(510)和热源流道(511)，所述冷源流道(510)包括冷源进口(503)和冷源出口(504)，所述热源流道(511)包括热源进口(505)和热源出口(506)，所述进油导流件(3)覆盖全部所述冷源进口(503)，所述进油导流件(3)分别与所述冷源进口(503)和热油泄压件(6)连通，所述出油导流件(4)覆盖全部所述冷源出口(504)，所述出油导流件(4)与全部所述冷源出口(504)连通，所述进气导流件(1)位于所述导流器(5)的下方且与全部所述热源进口(505)连通，所述出气导流件(2)位于所述导流器(5)的上方且与全部所述热源出口(506)连通，所述热油泄压件(6)位于所述出气导流件(2)的上方且与所述进油导流件(3)连通，所述出气管(7)穿过所述热油泄压件(6)与所述出气导流件(2)连通。
2.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述导流器(5)的每一块流道板都包括板体(501)和导流片(502)，所述导流片(502)在板体(501)的两侧分别围成冷源流道(510)和热源流道(511)。
3.如权利要求2所述的换热器，其特征在于，所述冷源流道(510)由四条覆盖板体(501)一侧四边边缘的导流片(502)所围成，所述四条导流片(502)中两两首尾相连，所述板体(501)长度方向的两侧边缘只有部分被覆盖，且与设置在所述板体(501)宽度方向边缘的所述导流片(504)之间具有间隙，一端的所述间隙作为冷源进口(503)，另一端的所述间隙作为冷源出口(504)。
4.如权利要求2所述的换热器，其特征在于，所述热源流道(511)由两条覆盖所述板体(501)另一侧长度方向两侧边缘的导流片(502)所围成，所述板体(501)上未覆盖导流片(502)的两边分别作为热源进口(505)和热源出口(506)。
5.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述热油泄压件(6)上设有进油管(601)和排气管(602)。
6.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述热油泄压件(6)上设有油位控制管(603)。
7.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述出气导流件(2)、所述出油导流件(4)和所述热油泄压件(6)上都设有热电偶(8)。
8.一种固体氧化物燃料电池甲醇重整系统，其特征在于，包括
换热器，用于给导热油加热；
重整器(9)，用于将甲醇进行重整制氢；
热油循环组件(10)，所述热油循环组件(10)包括热油循环泵(101)、循环泵进油管(102)和循环泵出油管(103)，所述循环泵进油管(102)与所述重整器(9)连通，所述循环泵出油管(103)与换热器的所述热油泄压件(6)连通；
热油冷却组件(11)，所述热油冷却组件(11)包括导油管(111)、冷却管(112)、进水管(113)和出水管(114)，所述导油管(111)分别与换热器的所述出油导流件(4)和所述重整器(9)连通，所述冷却管(112)套在所述导油管(111)外部，用于对所述导油管(111)进行冷却，所述进水管(113)和所述出水管(114)与所述冷却管(112)连通。
9.如权利要求8所述的固体氧化物燃料电池甲醇重整系统，其特征在于，所述重整器(9)与所述导油管(111)连通的位置设有热电偶。
10.如权利要求8所述的固体氧化物燃料电池甲醇重整系统，其特征在于，所述循环泵进油管(102)上设排油管(104)。
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