CN217485492U - 一种固态氧化物燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种固态氧化物燃料电池系统，包括通过管道依次连接的储气罐、喷射器、重整室和电池模组；储气罐和喷射器之间的管道上连接第一换热器，储气罐产生的一次流通过管道经第一换热器升温后进入喷射器的一次流接口，电池模组的阳极通过管道连接第一换热器的热流体入口，第一换热器的热流体出口通过管道连接冷凝器的入口，冷凝器的出口通过管道连接喷射器的二次流接口。利用阳极产生废气的部分热量提高一次流进入喷射器之前的温度，并降低二次流进入喷射器之前的温度，能够在不改变背压的情况下提升喷射器性能，使喷射器能够在高背压的状况下获得高性能，满足固态氧化物燃料电池系统积碳比的要求。

Description

一种固态氧化物燃料电池系统

技术领域

本实用新型涉及固态氧化物燃料电池技术领域，具体为一种固态氧化物燃料电池系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本实用新型相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

在固态氧化物燃料电池系统中，电堆阳极排出废气中仍含有大量的未燃烧气体和未利用的废热，目前为了回收这部分气体和废热采用抽吸泵或喷射器等各种方法。

例如带有喷射器满足阳极气体循环的固态氧化物燃料电池系统中，储气罐形成喷射器的一次流，吸入固态氧化物燃料电池阳极产生的部分废气，混合后进入重整室发生重整置换反应，再进入固态氧化物燃料电池产生电能。

为保证重整室以及燃料电池堆工作正常，防止发生碳堆积。一般的固态氧化物燃料电池均使重整室中的反应可以保证碳含量处于安全值以内，这使得重整室内的反应压力较低，而由于重整室与喷射器出口直连且电池堆有压损等客观原因，较低的重整室压力对于喷射器则意味着较高的升压比(即二次流压力至背压的升压)。而喷射器根据背压的不同处于不同的工作模式，高背压工况与高性能工况对于喷射器来说是互相矛盾的，因此，目前利用喷射器回收固态氧化物燃料电池阳极气体的方式，系统所要求的背压与性能对于喷射器来说难以达到。

实用新型内容

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本实用新型提供一种固态氧化物燃料电池系统，利用阳极产生废气的部分热量提高一次流进入喷射器之前的温度，并降低二次流进入喷射器之前的温度，能够在不改变背压的情况下提升喷射器性能，使喷射器能够在高背压的状况下获得高性能，满足固态氧化物燃料电池系统积碳比的要求。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型的第一个方面提供一种固态氧化物燃料电池系统，包括：通过管道依次连接的储气罐、喷射器、重整室和电池模组；

储气罐和喷射器之间的管道上连接第一换热器，储气罐产生的一次流通过管道经第一换热器升温后进入喷射器的一次流接口，电池模组的阳极通过管道连接第一换热器的热流体入口，第一换热器的热流体出口通过管道连接冷凝器的入口，冷凝器的出口通过管道连接喷射器的二次流接口。

本实用新型的第二个方面提供一种固态氧化物燃料电池系统，包括：通过管道依次连接的储气罐、喷射器、重整室和电池模组；

储气罐和喷射器之间的管道上连接第一换热器，储气罐产生的一次流通过管道经第一换热器升温后进入喷射器的一次流接口，电池模组的阳极通过管道连接第一换热器的热流体入口，第一换热器的热流体出口通过管道连接第二换热器的热流体入口，第二换热器的热流体出口连接冷凝器的入口，冷凝器的出口通过管道连接喷射器的二次流接口；第二换热器连接在喷射器与重整室之间的管道上，喷射器出口的混合流体通过管道经第二换热器升温后进入重整室。

电池模组为固态氧化物燃料电池。

储气罐出口连接减压阀，减压阀出口通过管道与第一换热器连接。

储气罐的出口管路连接第一温度传感器，重整室出口管道连接第十温度传感器。

喷射器的一次流接口管道连接第二温度传感器。

固态氧化物燃料电池的阳极出口管道连接第三温度传感器。

第一换热器的热流体入口管道连接第四温度传感器，第一换热器的热流体出口管道连接第五温度传感器。

第二换热器的热流体出口管道连接第六温度传感器，第二换热器出口与重整室之间的管道上连接第九温度传感器。

喷射器出口管道连接第七温度传感器，冷凝器出口管道连接第八温度传感器。

与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1、系统在流体进入喷射器前加装了换热器和冷凝器，能够提高一次流进入喷射器前的温度并降低二次流进入喷射器前的温度，能够在不改变背压的情况下提升喷射器性能，使喷射器能够在高背压的状况下获得高性能，满足固态氧化物燃料电池系统积碳比的要求。

2、系统在流体进入喷射器和重整室前分别加装换热器和相匹配的冷凝器，能够进一步提高一次流进入喷射器前的温度并降低二次流进入喷射器前的温度，能够在不改变背压的情况下提升喷射器性能，使喷射器能够在高背压的状况下获得高性能，满足固态氧化物燃料电池系统积碳比的要求。

3、提高了重整室入口处的温度，以减少重整室内温度波动，使得重整室内的反应更加充分，以提升输出的气体中氢气的含量。

4、通过换热器和相配合的温度传感器，能够以控制一次流或二次流温度的方式间接地调节电池系统的输出功率。

附图说明

构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1是本实用新型现有技术中的固态氧化物燃料电池系统结构示意图；

图2是本实用新型一个或多个实施例提供的固态氧化物燃料电池系统中喷射器背压与引射比对应关系原理示意图；

图3是本实用新型实施例一提供的固态氧化物燃料电池系统结构示意图；

图4分别是本实用新型一个或多个实施例提供的固态氧化物燃料电池系统中喷射器结构示意图；

图5是本实用新型实施例二提供的固态氧化物燃料电池系统结构示意图；

图中：1、储气罐，2、喷射器，3、重整室，4、固态氧化物燃料电池，51、第一换热器，52、第二换热器，6、冷凝器。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本实用新型提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

积碳比(steam to carbon ratio,即STCR)，是在固态氧化物燃料电池阳极气体循环系统中用来衡量供给燃料电池的阳极气体中的化学成分，并且必须保持在1.80以上。如若其过低则会在重整室和电池内部造成碳堆积，影响电池性能和寿命。其计算如下：

其中，

和n_CO分别指进入重整室时的气体中水蒸气、甲烷和一氧化碳的摩尔流量。

重整置换反应，指固态氧化物燃料电池阳极废气中包含的水和热量与进入电池的燃料(一般为甲烷)反应得到富氢气体，具体为：

重整反应：

置换反应：

正如背景技术中所描述的，现有技术中利用喷射器回收固态氧化物燃料电池阳极废气的系统结构如图1所示，由燃料储气罐(固态氧化物一般为甲烷)、喷射器、重整室以及燃料电池堆组成。其中燃料储气罐、喷射器、电池堆以及若干通气管道组成了阳极废气循环系统，循环重复利用电池堆阳极排出废气中未燃烧的氢气以及含有的废热。高压储气罐形成的一次流流经喷射器的喷嘴时，气流的静压能和热能转化成动能在喷嘴出口处形成低压对引射流体产生抽吸作用，并由于射流边界层的紊动扩散作用，与周围被卷吸的引射流体混合进行能量交换。因此，当阳极废气排出电池堆时，部分气体经由管道循环而被引射入喷射器内，进而形成一股压力居中的混合流体。工作流体和引射流体进到混合室后进行速度均衡通常还伴随着压力升高。随后，流体进入扩压室，速度不断减缓，动能不断转化为静压能。之后混合气体流出喷射器进入重整室发生重整置换反应。重整置换反应后，大部分甲烷被转换为氢气，转换完成的富氢气体最终流入电池堆中发生电化学反应，产生电能。

为保证重整室以及燃料电池堆工作正常，防止发生碳堆积。一般的固态氧化物燃料电池均使重整室中的反应可以保证碳含量处于安全值以内，这使得重整室内的反应压力一般较低，并要求喷射器性能满足积碳比(STCR)不小于1.80的要求。然而，由于重整室与喷射器出口直连，较低的重整室压力对于喷射器则意味着较高的升压比 (即二次流压力至背压的升压)。

背压对于喷射器的性能有着重要的影响：当喷射器的背压不同时，喷射器处于三种不同的工作模式，分别为临界模式、亚临界模式、回流模式。如图2所示，当背压较小时，喷射器的引射比随着背压的增大始终保持恒值，且此时引射比为最大值。当背压增大至临界点时，继续增大背压，引射比迅速减小，直到减小为0。这个过程为亚临界模式。背压继续增大，会发生回流现象，即喷射器失去引射作用，一次流回流至二次流入口一侧，此时喷射器工作在回流模式。其中，临界背压为临界模式与亚临界模式互相转换的临界值，为喷射器的临界工作点。可以看到，高背压工况与高性能工况对于喷射器来说是互相矛盾的，而固态氧化物燃料电池系统所要求的背压与性能对于通常情况下的喷射器来说难以达到。

因此，在高背压的情况下，喷射器的性能难以满足STCR的要求，这对于整个电池系统来说危害巨大。

以下实施例给出一种固态氧化物燃料电池系统，利用阳极产生废气的部分热量提高一次流进入喷射器之前的温度，并降低二次流进入喷射器之前的温度，能够在不改变背压的情况下提升喷射器性能，使喷射器能够在高背压的状况下获得高性能，满足固态氧化物燃料电池系统积碳比的要求。

实施例一：

如图3所示，一种固态氧化物燃料电池系统，包括：通过管道依次连接的储气罐1、喷射器2、重整室3和固态氧化物燃料电池4；

储气罐1和喷射器2之间的管道上连接第一换热器51，储气罐1产生的一次流通过管道经第一换热器51升温后进入喷射器2的一次流接口，固态氧化物燃料电池4的阳极通过管道连接第一换热器51的热流体入口，第一换热器51的热流体出口通过管道连接冷凝器6的入口，冷凝器6的出口通过管道连接喷射器2的二次流接口。

喷射器2与重整室3之间的管道上连接第二换热器52，喷射器2出口的混合流体通过管道经第二换热器52升温后进入重整室3，第二换热器52的热流体入口通过管道连接第一换热器51的热流体出口，第二换热器52的热流体出口通过管道连接冷凝器6的入口。

储气罐的出口管路连接第一温度传感器，获取第一温度T_p-tank。

喷射器的一次流接口管道连接第二温度传感器，获取第二温度 T_p。

固态氧化物燃料电池的阳极出口管道连接第三温度传感器，获取第三温度T_Stack。

第一换热器的热流体入口管道连接第四温度传感器，获取第四温度T_s-Stack。

第一换热器的热流体出口管道连接第五温度传感器，获取第五温度T_s-HE1。

第二换热器的热流体出口管道连接第六温度传感器，获取第六温度T_s-HE2。

喷射器出口管道连接第七温度传感器，获取第七温度T_o-Ejector。

冷凝器出口管道连接第八温度传感器，获取第八温度T_s。

第二换热器出口与重整室之间的管道上连接第九温度传感器，获取第九温度T_o-HE2。

重整室出口管道连接第十温度传感器，获取第十温度T_R。

如图3所示，加装双换热器和单冷凝器之后，系统中的气体循环仍为一条回路：阳极废气从电堆阳极流出；经管道进入第一换热器与一次流进行初步换热，此时一次流温度由T_p-tank上升至T_p且一次流以此温度进入喷射器内，二次流温度由T_s-Stack下降至T_s-HE1；之后，为充分利用二次流所含废热，二次流与出口再进行一次热交换，其温度由T_s-HE1下降至T_s-HE2，出口流体温度由T_o-Ejector上升至T_o-HE2，然后进入重整室参加反应；为进一步降低二次流温度并利用废热，从第二换热器流出的二次流会再经过冷凝器冷凝，冷凝所得的废热可利用于制冷等用途，而二次流温度下降至T_s并被吸入喷射器内与一次流混合产生出口流体。形成完整的加装双换热器和单冷凝器的阳极废气循环过程。循环过程中，二次流所含的热量经由第一换热器、第二换热器以及冷凝器被充分地利用，而占据二次流主要成分的水则由于喷射器性能的提升而提高反应速率，同时使得重整室及电堆的STCR得以满足要求。需要指明的是，根据理论可知，作为燃料电池主要能量来源的喷射器一次流的流量是随温度变化而改变的，所以在实际运行时，能够通过对两个换热器进行适当地调整可以间接地调节电堆的输出功率。

在电池系统正常运行时，电池堆产生的含有水蒸汽、未燃烧气体等阳极废气被排出，此时部分废气被废气循环系统中的喷射器以高速一次流产生的低压区域重复吸收利用。由于喷射器相比抽吸泵，不直接消耗机械功或电能而提高流体压力、温度等参数且结构简单、成本低廉、无运动部件，而被应用于阳极废气循环系统中。喷射器的结构示意如图4所示，其中NXP指喷嘴出口位置(nozzle exit position)。

上述系统在流体进入喷射器和重整室前加装了换热器或冷凝器，加装换热器或冷凝器的目的在于提高一次流进入喷射器前的温度并降低二次流进入喷射器前的温度，使得喷射器性能得以提升；同时提高重整室入口处温度，以减少重整室内温度波动，使得重整室内的反应更加充分，以提升输出的气体中氢气的含量。

固态氧化物燃料电池系统中，由于重整的要求，对于喷射器在高背压的情况下有较高的性能需求以防止碳堆积。传统的喷射器阳极废气循环系中，喷射器一次流和二次流温差过大，需要较高的升压比，使得性能不佳；同时喷射器出口流体直入重整室内，易引起重整室内温度波动，额外消耗能量，不利于重整室内的反应。本实施例给出的加装换热器或冷凝器的方法可有效缓解这些问题，并且通过换热器和相配合的温度传感器，可以以控制一次流或二次流温度的方式间接地调节电池系统的输出功率。

分析方法如下：

根据喷射器“临界圆”理论模型，喷射器的一次流质量流量m_p为：

其中，P_p为一次流压力，A_t为喷嘴喉部面积，T_p为一次流温度，κ为比热比，R_g为气体常数，Ψ_p是与等熵流动效率有关的参数。

喷射器的二次流质量流量m_s为：

其中，P_sm为二次流在图4中m-m截面处的压力，V_pm为一次流在 m-m处截面的速度，T_sm为二次流在m-m处的温度，R_m为m-m处喷射器截面半径，R_pm为一次流在m-m处所占区域的半径，n为与R_pm和R_m相关的参数。

喷射器性能主要以引射比ω来表示，即：

而引射比与STCR之间有关系为：

其中M_o为摩尔质量，n为摩尔流量，i为流体的组分。

据此，可以判断一次流与二次流质量与各自的温度高度相关，即喷射器的性能与其入口温度高度相关，并且STCR随引射比的增大而增大。故在此基础上，本实施例提出在阳极气体循环回路中加装换热器以充分利用阳极废气中的废热，并提升喷射器的性能能够满足STCR的要求，并且喷射器的一次流是燃料电池堆的主要能量来源，而二次流中的水等成分则是重整室中反应的主要来源，因此通过换热器改变喷射器性能也能够间接的调整电池堆的功率的输出。

对于换热器，不考虑其热量损失等因素，参与换热的两股流体的换热量相等，换热器出口原高温流体温度大于或等于原低温流体等条件。即在换热器出口处：

T_H≥T_L

Q_H＝Q_L

H指原高温流体，L指原低温流体。Q指换热量，即：

Q＝m·q

其中，m为质量流量，q为单位质量的换热量。

据以上换热器条件可以判断，在一定范围内可以通过换热器使阳极流出的高温废气加热较低的一次流温度，以此可以提升喷射器性能，进而满足重整室及电池堆STCR的要求。

对于固态氧化物燃料电池堆来说，其电流密度i为：

其中，

为电堆消耗的氢气的摩尔流量，F为法拉第常数，A是电堆的总面积。

电堆电压U为：

U＝U_oc-U_loss

其中，U_oc为电堆理想电压，U_loss为由于活化、极性以及浓度等阻抗所损耗的电压。

电堆功率为：

P＝U·I

根据以上分析方法，综合各公式可以由电堆的功率计算得到需求的一次流质量流量以及温度，并可据此调节换热器以改变T_p(喷射器的一次流接口管道处的温度，能够通过改变进入/流出第一换热器的阳极废气流量，或改变进入喷射器的一次流的流量来实现)、T_s(冷凝器出口管道的温度，能够通过改变进入/流出冷凝器的冷流体流量，或改变进入喷射器的二次流的流量来实现)等来实现。

实施例二：

如图5所示，一种固态氧化物燃料电池系统，包括：通过管道依次连接的储气罐、喷射器、重整室和固态氧化物燃料电池；

储气罐和喷射器之间的管道上连接第一换热器，储气罐产生的一次流通过管道经第一换热器升温后进入喷射器的一次流接口，固态氧化物燃料电池的阳极通过管道连接第一换热器的热流体入口，第一换热器的热流体出口通过管道连接冷凝器的入口，冷凝器的出口通过管道连接喷射器的二次流接口。

本实施例在实施例一的基础上取消了第二换热器，仅利用一台换热器和冷凝器相互配合以提升喷射器的性能。相应的，第一换热器的热流体出口管道连接的第五温度传感器，则获取第五温度T_s-HE (与实施例一中的T_s-HE1对应)。

如图3所示，加装单换热器和单冷凝器后，系统中的气体循环同样为一条回路：阳极废气从电堆阳极流出；经管道进入换热器与一次流进行初步换热，此时一次流温度由T_p-tank上升至T_p且一流以此温度进入喷射器内，二次流温度由T_s-Stack下降至T_s-HE；之后二次流不再换热而是直接进入冷凝器中冷凝，释放剩余可用于制冷等用途的废热，其温度下降至T_s，并以此温度进入喷射器被引射；出口流出的气体将直接进入重整室中参加反应。这便是一个完整的加装单换热器和单冷凝器的阳极废气循环过程。循环过程中，相比双换热器，单换热器下二次流的废热可更多地被冷凝器带走用于其他用途，同样地喷射器性能也得到了提升。但是相比双换热器，单换热器下出口流体直接流入重整室中，这会使得重整室内产生温度波动，不利用重整置换反应。同双换热器，单换热器下也可在实际运行时调节换热器而改变电堆功率。

上述系统在流体进入喷射器加装了换热器或冷凝器，加装换热器或冷凝器的目的在于提高一次流进入喷射器前的温度并降低二次流进入喷射器前的温度，使得喷射器性能得以提升；或者提高重整室入口处温度，以减少重整室内温度波动，使得重整室内的反应更加充分，以提升其输出的气体中氢气含量。能够通过换热器对喷射器入口流体温度进行调节，可以调节电池堆的输出功率等各项参数。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种固态氧化物燃料电池系统，其特征在于：包括：通过管道依次连接的储气罐、喷射器、重整室和电池模组；

储气罐和喷射器之间的管道上连接第一换热器，储气罐产生的一次流通过管道经第一换热器升温后进入喷射器的一次流接口，电池模组的阳极通过管道连接第一换热器的热流体入口，第一换热器的热流体出口通过管道连接冷凝器的入口，冷凝器的出口通过管道连接喷射器的二次流接口。

2.一种固态氧化物燃料电池系统，其特征在于：包括：通过管道依次连接的储气罐、喷射器、重整室和电池模组；

储气罐和喷射器之间的管道上连接第一换热器，储气罐产生的一次流通过管道经第一换热器升温后进入喷射器的一次流接口，电池模组的阳极通过管道连接第一换热器的热流体入口，第一换热器的热流体出口通过管道连接第二换热器的热流体入口，第二换热器的热流体出口连接冷凝器的入口，冷凝器的出口通过管道连接喷射器的二次流接口；第二换热器连接在喷射器与重整室之间的管道上，喷射器出口的混合流体通过管道经第二换热器升温后进入重整室。

3.如权利要求1或2所述的一种固态氧化物燃料电池系统，其特征在于：所述电池模组为固态氧化物燃料电池。

4.如权利要求1或2所述的一种固态氧化物燃料电池系统，其特征在于：所述储气罐出口连接减压阀，减压阀出口通过管道与第一换热器连接。

5.如权利要求1或2所述的一种固态氧化物燃料电池系统，其特征在于：所述储气罐的出口管路连接第一温度传感器，重整室出口管道连接第十温度传感器。

6.如权利要求1或2所述的一种固态氧化物燃料电池系统，其特征在于：所述喷射器的一次流接口管道连接第二温度传感器。

7.如权利要求1或2所述的一种固态氧化物燃料电池系统，其特征在于：所述固态氧化物燃料电池的阳极出口管道连接第三温度传感器。

8.如权利要求1或2所述的一种固态氧化物燃料电池系统，其特征在于：所述第一换热器的热流体入口管道连接第四温度传感器，第一换热器的热流体出口管道连接第五温度传感器。

9.如权利要求2所述的一种固态氧化物燃料电池系统，其特征在于：所述第二换热器的热流体出口管道连接第六温度传感器，第二换热器出口与重整室之间的管道上连接第九温度传感器。

10.如权利要求1或2所述的一种固态氧化物燃料电池系统，其特征在于：所述喷射器出口管道连接第七温度传感器，冷凝器出口管道连接第八温度传感器。

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