CN215118958U - 一种新型管式sofc自热系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种新型管式SOFC自热系统，包括电化学发电系统、供气系统和控制系统；所述电化学发电系统包括电化学发电腔，在电化学发电腔的底部和顶部分别设置有重整气分配腔和尾气汇集腔，在电化学发电腔的内部设置有若干根管式SOFC电极；在电化学发电腔的中心设置有燃料重整反应器；在电化学发电腔的外部设置有空气分配腔，在空气分配腔的外部设置有燃料催化燃烧反应器；所述供气系统包括燃料储腔、去离子水储腔、压缩空气储腔和氢气储腔。本实用新型主要解决了需高温运行的管式SOFC的启动及供热问题，该系统具有常温自热启动以及自热保温功能，无需提供点火装置，无需额外提供电热炉进行供热，尤其适用于无法连接电网的区域。

Description

一种新型管式SOFC自热系统

技术领域

本实用新型涉及固体氧化物燃料电池领域，具体地说是涉及一种新型管式SOFC自热系统。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)可以通过电化学反应将燃料的化学能直接转换为电能，产物为水和二氧化碳，具有发电效率高，安全环保的优点，而且燃料选择广泛，余热利用率高，已成为可以改变现代能源发电方式的新一代能源技术。到目前为止，SOFC经历了高温(1000℃左右)到中低温(600-800℃)，结构设计主要有管式和平板式两种。目前，制备小型SOFC可作为便携和移动电源，用于不方便连接电网的特殊场合，如偏远山区、边境、汽车、轮船等区域。固体氧化物燃料电池工作温度较高(800℃左右)，尤其是当将其制成分布式电源时，需要另外配置加热装置以进行热启动，然而在无法连接电网的区域，采用电加热方式几乎不可能，因此需要开发能够自主供热的SOFC系统。

实用新型内容

基于上述技术问题，本实用新型提出一种新型管式SOFC自热系统。

本实用新型所采用的技术解决方案是：

一种新型管式SOFC自热系统，包括电化学发电系统，所述电化学发电系统包括电化学发电腔，在电化学发电腔的底部设置有重整气分配腔，在电化学发电腔的顶部设置有尾气汇集腔，在电化学发电腔的内部设置有若干根管式SOFC电极，所述管式SOFC电极的底端和顶端分别与重整气分配腔和尾气汇集腔相连通；

在电化学发电腔的中心设置有燃料重整反应器，在燃料重整反应器的内部填充有燃料重整催化剂，燃料重整反应器的底部重整燃料出口与重整气分配腔相连通；

在电化学发电腔的外部设置有空气分配腔，空气分配腔的下部与电化学发电腔相连通，空气分配腔的上部设置有第一空气进口；

在空气分配腔的外部设置有燃料催化燃烧反应器，燃料催化燃烧反应器包括内腔和外腔，内腔的顶部和外腔相连通，在内腔和外腔之间设置有燃料气分散腔，在燃料气分散腔的内壁上间隔设置有与内腔相连通的若干个进气孔，在燃料气分散腔的底部设置有燃料气进口；在内腔中填充有催化燃烧催化剂，在内腔的底部设置有第二空气进口；

在尾气汇集腔的顶部设置有第一尾气出口，在燃料催化燃烧反应器的外腔底部设置有第二尾气出口。

优选的，该自热系统还包括供气系统，所述供气系统包括燃料储腔、去离子水储腔、压缩空气储腔和氢气储腔；所述燃料储腔通过第一燃料气输送管路与燃料气进口相连通，在第一燃料气输送管路上设置有第一控制阀，所述燃料储腔通过第二燃料气输送管路与燃料重整反应器的顶部气体进口相连通，在第二燃料气输送管路上设置有第二控制阀；所述去离子水储腔通过水蒸气输送管路与燃料重整反应器的顶部气体进口相连通，在水蒸气输送管路上设置有第三控制阀；所述压缩空气储腔通过第一空气输送管路与第一空气进口连通，在第一空气输送管路上设置有第四控制阀，所述压缩空气储腔通过第二空气输送管路与第二空气进口连通，在第二空气输送管路上设置有第五控制阀；所述氢气储腔通过氢气输送管路与燃料气进口相连通，在氢气输送管路上设置有第六控制阀。

优选的，在电化学发电腔的内部还设置有热电偶，所述热电偶、第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀、第五控制阀和第六控制阀均与控制系统相连接。

优选的，该自热系统还包括预热换热系统，所述预热换热系统包括壳层和内置于壳层中的若干个管层，所述第一燃料气输送管路、第二燃料气输送管路、去离子水输送管路和第一空气输送管路分别与其中一个管层相串联；所述第一尾气出口通过尾气循环管路与燃料气进口相连通，第一尾气出口还通过第一尾气排放管路与预热换热系统的壳层底部进口相连通，所述第二尾气出口通过第二尾气排放管路与预热换热系统的壳层底部进口相连通，预热换热系统的壳层顶部出口连接尾气处理装置。

优选的，在燃料催化燃烧反应器的外侧设置有保温层。

优选的，所述进气孔呈锥形，锥形进气孔的扩口端朝向燃料气分散腔。

优选的，所述催化燃烧催化剂在内腔中按不同活性分级填充。

本实用新型的有益技术效果是：

本实用新型设计了一款能够自热启动而且自热工作的管式SOFC电池系统，主要解决了需高温(600-800℃左右)运行的管式SOFC的启动及供热问题。本实用新型先采用氢气和空气催化燃烧升温，达到起燃温度后再通入燃料，该方式具有常温自热启动以及自热保温功能，无需提供点火装置，无需额外提供电热炉进行供热，尤其适用于无法连接电网的区域，应用范围广。

本实用新型将燃料气催化燃烧与燃料电池尾气催化燃烧一体化，并通过空气分配腔和燃料催化燃烧反应器的外腔等迂回设计，使燃烧尾气完全经过外腔，提高催化燃烧器的保温效果；本实用新型可对燃料电池底部及四周进行加热，重整气和空气都可充分加热到工作温度。

另外，本实用新型燃料催化燃烧反应器采用集中供氧，分散供燃料气的方式使催化燃烧器的温度分布更加均衡。

本实用新型燃料催化燃烧催化剂采用活性分级布置，再结合催化燃烧燃料气分散给入，使电池内温度分布更为均衡。

本实用新型系统还具有应用灵活的特点，可根据用户要求选择合适的燃料气，如天然气、甲醇、乙醇、己烷等燃料。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步说明：

图1为本实用新型新型管式SOFC自热系统的整体结构原理示意图；

图2为本实用新型中电化学发电系统部分的结构原理示意图。

具体实施方式

结合附图，一种新型管式SOFC自热系统，包括电化学发电系统1、供气系统2和控制系统3。所述电化学发电系统包括电化学发电腔4，在电化学发电腔的底部设置有重整气分配腔5，在电化学发电腔的顶部设置有尾气汇集腔6，在电化学发电腔的内部排列有若干根管式SOFC电极7，管式SOFC电极上附有集电装置，所述管式SOFC电极的底端和顶端分别与重整气分配腔5和尾气汇集腔6相连通。在电化学发电腔的中心设置有燃料重整反应器8，在燃料重整反应器8的内部填充有燃料重整催化剂9，燃料重整反应器的底部重整燃料出口与重整气分配腔相连通。在电化学发电腔的外部设置有空气分配腔10，空气分配腔的下部与电化学发电腔相连通，空气分配腔的上部设置有第一空气进口11。在空气分配腔的外部设置有燃料催化燃烧反应器12，燃料催化燃烧反应器包括内腔1201和外腔1202，内腔的顶部和外腔相连通，在内腔和外腔之间设置有燃料气分散腔1203，在燃料气分散腔的内壁上间隔设置有与内腔相连通的若干个锥形进气孔13。在燃料气分散腔的底部设置有燃料气进口14。在内腔中填充有催化燃烧催化剂15，在内腔的底部设置有第二空气进口16。外腔为空的，不填充催化剂。空气从底部中心给入，燃料气从分散的进气孔给入，这样可避免催化燃烧反应产生的热量过度集中，提高了催化燃烧腔温度分布均衡性，使电池供热更均匀，防止电池因受热不均而产生破裂，催化燃烧后的尾气经过迂回气道，增加了保温效果。在尾气汇集腔的顶部设置有第一尾气出口17，在燃料催化燃烧反应器的外腔底部设置有第二尾气出口18。

所述供气系统包括燃料储腔19、去离子水储腔20、压缩空气储腔21和氢气储腔22。所述燃料储腔通过第一燃料气输送管路与燃料气进口相连通，在第一燃料气输送管路上设置有第一控制阀23，所述燃料储腔通过第二燃料气输送管路与燃料重整反应器的顶部气体进口相连通，在第二燃料气输送管路上设置有第二控制阀24。所述去离子水储腔通过水蒸气输送管路与燃料重整反应器的顶部气体进口相连通，在水蒸气输送管路上设置有第三控制阀25。所述压缩空气储腔通过第一空气输送管路与第一空气进口连通，在第一空气输送管路上设置有第四控制阀26，所述压缩空气储腔通过第二空气输送管路与第二空气进口连通，在第二空气输送管路上设置有第五控制阀27。所述氢气储腔通过氢气输送管路与燃料气进口相连通，在氢气输送管路上设置有第六控制阀28。在电化学发电腔的内部还设置有热电偶29，所述热电偶29、第一控制阀23、第二控制阀24、第三控制阀25、第四控制阀26、第五控制阀27和第六控制阀28均与控制系统3相连接。

作为对本实用新型的进一步设计，该管式SOFC自热系统还包括预热换热系统32，所述预热换热系统包括壳层和内置于壳层中的若干个管层，所述第一燃料气输送管路、第二燃料气输送管路、去离子水输送管路和第一空气输送管路分别与其中一个管层相串联。所述第一尾气出口17共设置2个，其中一个尾气出口与尾气汇集腔相连通，该尾气出口通过尾气循环管路与燃料气进口相连通，在尾气出口处设置有第七控制阀30，必要时如系统调温时可通过第七控制阀30分流，第七控制阀30也与控制系统相连接；另一个尾气出口直接与电化学发电腔相连通，该尾气出口通过第一尾气排放管路与预热换热系统的壳层底部进口相连通。所述第二尾气出口18通过第二尾气排放管路与预热换热系统的壳层底部进口相连通，预热换热系统的壳层顶部出口连接尾气处理装置。本实用新型通过增设预热换热系统可充分利用反应热量为燃料、空气等进行预热，将热量充分利用。

进一步的，在燃料催化燃烧反应器的外侧设置有保温层31，以进一步防止热量流失。

更进一步的，所述催化燃烧催化剂在内腔中按不同活性分级填充。本实用新型燃料催化燃烧催化剂采用活性分级填充布置，再结合催化燃烧燃料气分散给入，使电池内温度分布更为均衡。关于催化燃烧催化剂的活性分级布置，具体可在底部小部分区域采用铂基催化剂，上部采用非铂催化剂，即确保了电池内温度分布更加均衡，又降低成本。

上述新型管式SOFC自热系统的工作方法，包括以下步骤：

(1)自热启动

首先开启第五控制阀27和第六控制阀28，空气由第二空气输送管路输送至第二空气进口，集中给入燃料催化燃烧反应器内腔1201，氢气通过氢气输送管路输送至燃料气进口14，并进入燃料气分散腔，通过锥形进气孔13分散进气。氢气和空气按一定流量比通入催化燃烧反应器内腔，氢气在催化燃烧催化剂的作用下会发生催化燃烧使燃烧器逐渐升温。

氢气催化燃烧的尾气经外腔1202迂回和第二尾气排放管道进入预热换热系统32，尾气与燃料、去离子水和空气发生热量交换，使燃料在此预热气化，去离子水预热气化为水蒸气，空气预热升温。

当燃烧器温度达到所用燃料在此催化燃烧催化剂上的起燃温度之后，开启第二控制阀24，通过第二燃料气输送管路和燃料气进口向催化燃烧反应器内通入燃料，关闭第六控制阀28，并通过控制系统3调整第二控制阀24和第五控制阀27流量，使燃料在催化剂上充分催化燃烧，并使燃烧器升温。当电化学发电腔内的热电偶29检测温度达到600-800℃后，继续通过第二控制阀24和第五控制阀27调整空气和燃料流量，使系统进入保温，催化燃烧之后的尾气都通向预热换热系统为空气和燃料气进行预热。

(2)SOFC工作

当热电偶温度达到600-800℃之后，开启第四控制阀26，通过第一空气输送管路将预热后的空气输送至第一空气进口，并进入空气分配腔10，预热后的空气经空气分配腔导流且进一步加热后，经空气分配腔的下部进入电化学发电腔4。同时开启第一控制阀23和第三控制阀25，分别通过第一燃料气输送管路和水蒸气输送管路将预热后的燃料气和水蒸气输送至燃料重整反应器8的顶部气体进口，燃料气经过燃料重整反应器加热并重整之后进入底部重整气分配腔5，随后进入管式SOFC电极的内部。

在电化学发电腔中，热空气与管式SOFC电极外侧阴极充分接触，空气和重整气在管式SOFC电极上发生电化学反应，反应后的尾气沿管式SOFC电极内壁向上流动，进入尾气汇集腔6，随后尾气循环至燃料气进口进行催化燃烧，以提高燃料的利用效率。此时，可进一步关小第二控制阀，减小外部燃料气的给入量，防止温度过高。

作为对本实用新型方法的进一步设计，该系统采用如下步骤控温：当温度过高时，减小第二控制阀24开度直至为0，若此时温度仍然过高，可通过第七控制阀30将电化学发电腔中的尾气进行分流，或增大第四控制阀26开度，使电化学发电腔内空气的流量增大，使系统降温。当系统温度过低时，增大第二控制阀24开度，使燃料气流量增大从而温度升高。

上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。

需要说明的是，在本说明书的教导下，本领域技术人员所作出的任何等同替代方式，或明显变形方式，均应在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种新型管式SOFC自热系统，其特征在于：包括电化学发电系统，所述电化学发电系统包括电化学发电腔，在电化学发电腔的底部设置有重整气分配腔，在电化学发电腔的顶部设置有尾气汇集腔，在电化学发电腔的内部设置有若干根管式SOFC电极，所述管式SOFC电极的底端和顶端分别与重整气分配腔和尾气汇集腔相连通；

在电化学发电腔的中心设置有燃料重整反应器，在燃料重整反应器的内部填充有燃料重整催化剂，燃料重整反应器的底部重整燃料出口与重整气分配腔相连通；

在电化学发电腔的外部设置有空气分配腔，空气分配腔的下部与电化学发电腔相连通，空气分配腔的上部设置有第一空气进口；

在空气分配腔的外部设置有燃料催化燃烧反应器，燃料催化燃烧反应器包括内腔和外腔，内腔的顶部和外腔相连通，在内腔和外腔之间设置有燃料气分散腔，在燃料气分散腔的内壁上间隔设置有与内腔相连通的若干个进气孔，在燃料气分散腔的底部设置有燃料气进口；在内腔中填充有催化燃烧催化剂，在内腔的底部设置有第二空气进口；

在尾气汇集腔的顶部设置有第一尾气出口，在燃料催化燃烧反应器的外腔底部设置有第二尾气出口。

2.根据权利要求1所述的一种新型管式SOFC自热系统，其特征在于：还包括供气系统，所述供气系统包括燃料储腔、去离子水储腔、压缩空气储腔和氢气储腔；所述燃料储腔通过第一燃料气输送管路与燃料气进口相连通，在第一燃料气输送管路上设置有第一控制阀，所述燃料储腔通过第二燃料气输送管路与燃料重整反应器的顶部气体进口相连通，在第二燃料气输送管路上设置有第二控制阀；所述去离子水储腔通过水蒸气输送管路与燃料重整反应器的顶部气体进口相连通，在水蒸气输送管路上设置有第三控制阀；所述压缩空气储腔通过第一空气输送管路与第一空气进口连通，在第一空气输送管路上设置有第四控制阀，所述压缩空气储腔通过第二空气输送管路与第二空气进口连通，在第二空气输送管路上设置有第五控制阀；所述氢气储腔通过氢气输送管路与燃料气进口相连通，在氢气输送管路上设置有第六控制阀。

3.根据权利要求2所述的一种新型管式SOFC自热系统，其特征在于：在电化学发电腔的内部还设置有热电偶，所述热电偶、第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀、第五控制阀和第六控制阀均与控制系统相连接。

4.根据权利要求3所述的一种新型管式SOFC自热系统，其特征在于：还包括预热换热系统，所述预热换热系统包括壳层和内置于壳层中的若干个管层，所述第一燃料气输送管路、第二燃料气输送管路、去离子水输送管路和第一空气输送管路分别与其中一个管层相串联；所述第一尾气出口通过尾气循环管路与燃料气进口相连通，第一尾气出口还通过第一尾气排放管路与预热换热系统的壳层底部进口相连通，所述第二尾气出口通过第二尾气排放管路与预热换热系统的壳层底部进口相连通，预热换热系统的壳层顶部出口连接尾气处理装置。

5.根据权利要求1所述的一种新型管式SOFC自热系统，其特征在于：在燃料催化燃烧反应器的外侧设置有保温层。

6.根据权利要求1所述的一种新型管式SOFC自热系统，其特征在于：所述进气孔呈锥形，锥形进气孔的扩口端朝向燃料气分散腔。

7.根据权利要求1所述的一种新型管式SOFC自热系统，其特征在于：所述催化燃烧催化剂在内腔中按不同活性分级填充。

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