CN220585263U - 一种采用四合一换热器的sofc*** - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种采用四合一换热器的SOFC***，包括燃气供应单元、水蒸汽供应单元、空气供应单元、燃烧尾气单元、发电单元、重整器、四合一换热器、换热腔室、水蒸汽加热管、空气加热管、燃气加热管和重整气加热管；实用新型使燃烧尾气单元所产生的高温尾气在换热腔室流通，在流通过程中将热量传递给水蒸汽加热管、空气加热管、燃气加热管和重整气加热管中的气体，从而实现SOFC***中各种气体的温度要求；故本实用新型消除了由于采用四个独立的换热器导致***中高温管道的接管数量过多，***所占空间体积较大，给***管道设备布置和***集成、保温带来了较大难度的问题。

Description

一种采用四合一换热器的SOFC***

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种采用四合一换热器的SOFC***。

背景技术

高温固体氧化物燃料电池(Solid 0xidation Fuel Cell，简称SOFC)采用清洁能源作为原料介质，例如天然气、甲醇、混合气，通过脱硫前处理、重整、升温、电化学反应将燃料的化学能转换为电能，其排放尾气为二氧化碳和水蒸汽，由于运行温度较高，可实现热电联供，热效率较高。

SOFC***运行时，需要分别给电堆的阳极管路供给重整气(燃气与水蒸汽充分混合后进入重整反应器发生反应，产生一氧化碳、氢气、水蒸汽、甲烷混合气(混合气也称为重整气))，阴极管路供给空气；由于重整反应属于吸热反应，重整气需要经过再次预热升温达到600-750℃，然后进入到电堆阳极，与来自阴极的氧负离子发生电化学反应，实现电子转移，形成电流，电化学反应会消耗氢气、一氧化碳和氧气，生成二氧化碳和水蒸汽。常温空气经过过滤后，经由风机输送到加热器进行预热，然后进入电堆阴极参与电化学反应。燃料电池电堆中的电化学反应速率达不到100％，因此未反应的重整气、空气、电化学反应产物进入到燃烧器内，通过燃烧的方式将重整气中的可燃组分(氢气、一氧化碳、甲烷)处理掉，降低可燃组分直接外排到大气环境带来的安全风险，燃烧过程释放热量，将可燃组分的化学能转换成热能，将燃烧后的废气(二氧化碳和水蒸汽、未反应的空气)加热到850-1000℃，通过回收燃烧尾气中的热量，加热燃气、重整气、水蒸汽、空气，实现余热回收，降低燃烧尾气的外排温度，释放热量后的燃烧尾气大概在100-200℃，且主要组分为二氧化碳和水蒸汽，可以直接外排到大气环境，不会产生污染。上述过程涉及多种介质、多次热量转换和转移，需要高温换热器来实现燃烧尾气与空气、水蒸汽、燃气、重整气之间的换热，在现有的SOFC***中，一般是采用四个独立的换热器来实现这项功能，但这样做会增加***中高温管道的接管数量，***所占空间体积较大，给***管道设备布置和***集成、保温带来了较大的难度。

实用新型内容

本实用新型的目的是一种采用四合一换热器的SOFC***，以解决背景技术提出的问题。为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：包括燃气供应单元、水蒸汽供应单元、空气供应单元、燃烧尾气单元、发电单元、重整器和四合一换热器，所述燃烧尾气单元分别连通所述发电单元和所述四合一换热器的换热腔室，所述水蒸汽供应单元通过所述四合一换热器的水蒸汽加热管与所述发电单元连通，所述空气供应单元通过所述四合一换热器的空气加热管与所述发电单元连通，所述燃气供应单元通过所述四合一换热器的燃气加热管与所述发电单元连通，所述燃气加热管的出气口和所述水蒸汽加热管的出气口均连通混合器，所述混合器的出气口连通所述重整器的进气口，所述重整器的出气口通过所述四合一换热器的重整气加热管与所述发电单元连通，所述水蒸汽加热管、所述空气加热管、所述燃气加热管和所述重整气加热管均位于所述换热腔室的内部。

进一步，所述燃气供应单元包括与燃气管网连通的脱硫器，所述脱硫器的出气口与所述燃气加热管的进气口连通。

进一步，所述水蒸汽供应单元包括依次连通的去离子水罐、水泵和蒸汽发生器，所述蒸汽发生器的出气口与所述水蒸汽加热管的进气口连通。

进一步，所述空气供应单元包括空气过滤装置和与所述空气过滤装置连通的风机，所述风机的出气口连通所述空气加热管的进气口。

进一步，所述燃烧尾气单元包括燃烧器，所述燃烧器的进气口连通所述发电单元，所述燃烧器的出气口连通所述换热腔室的进气口。

进一步，所述发电单元包括电堆保温炉、安装于所述电堆保温炉内部的电堆和与所述电堆连接的电子负载，所述电堆的阳极管路分别连通所述燃烧尾气单元的进气口和所述重整气加热管的出气口，所述电堆的阴极管路分别连通所述空气加热管的出气口和所述燃烧尾气单元的进气口。

进一步，所述四合一换热器包括连通所述换热腔室顶部的第一配气腔和连通所述换热腔室底部的第二配气腔，所述第一配气腔包括与所述燃烧尾气单元的出气口连通的尾气进口腔室和连通所述空气加热管出气口的空气出口腔室，所述尾气进口腔室通过第一翅片隔板与所述空气出口腔室连接，所述尾气进口腔室连通所述换热腔室的进气口，所述第二配气腔包括与外界环境连通的尾气出口腔室和连通所述空气加热管进气口的空气进口腔室，所述尾气出口腔室通过第二翅片隔板与所述空气进口腔室连接，所述尾气出口腔室连通所述换热腔室的出气口。

进一步，所述换热腔室内部设有多根竖直阵列分布的所述空气加热管。

进一步，所述第二配气腔内还设有多块可将每排所述空气加热管隔开的空气导流板。

进一步，所述空气进口腔室和所述空气出口腔室均安装有空气均流孔板。

进一步，所述换热腔室上设有形成折线形气道的多块折流板，所述折线形气道的进气口连通所述尾气进口腔室，所述折线形气道的出气口连通所述尾气出口腔室，所述空气加热管贯穿所述折流板，所述水蒸汽加热管、所述燃气加热管和所述重整气加热管分别位于不同高度的所述折线形气道上，所述重整气加热管位于所述水蒸汽加热管和所述燃气加热管的上方。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

本实用新型将设有四合一换热器，四合一换热器中设有换热腔室，燃烧尾气单元所产生的高温尾气将在换热腔室流通，在流通过程中将热量传递给水蒸汽加热管中的水蒸汽、空气加热管中的空气、燃气加热管中的燃气和重整气加热管中的重整气，从而实现SOFC***中各种气体的温度要求；故本实用新型通过采用一个四合一换热器来实现SOFC***中各种气体的温度要求，消除了由于采用四个独立的换热器导致***中高温管道的接管数量过多，***所占空间体积较大，给***管道设备布置和***集成、保温带来了较大难度的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的运行流程图；

图2为本实用新型的四合一换热器的结构示意图。

其中：1、去离子水罐；2、水泵；3、混合器；4、重整器；5、蒸汽发生器；6、四合一换热器；61、尾气进口腔室；62、第一翅片隔板；63、空气均流孔板；64、空气出口腔室；65、重整气加热管；66、燃气加热管；67、水蒸汽加热管；68、空气加热管；69、第二翅片隔板；610、尾气出口腔室；611、空气导流板；612、空气进口腔室；613、折流板；7、燃烧器；8、电堆；9、电子负载；10、电堆保温炉；11、风机；12、脱硫器。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

实施例：请参考图1-2，一种采用四合一换热器的SOFC***，包括燃气供应单元、水蒸汽供应单元、空气供应单元、燃烧尾气单元、发电单元、重整器4和四合一换热器6，燃烧尾气单元分别连通发电单元和四合一换热器6的换热腔室，水蒸汽供应单元通过四合一换热器6的水蒸汽加热管67与发电单元连通，空气供应单元通过四合一换热器6的空气加热管68与发电单元连通，燃气供应单元通过四合一换热器6的燃气加热管66与发电单元连通，燃气加热管66的出气口和水蒸汽加热管67的出气口均连通混合器3，混合器3可采用现有技术中的混合器3，将加热后的燃气和水蒸汽进行混合利于后续的重整反应，混合器3的出气口连通重整器4的进气口，重整器4的出气口通过四合一换热器6的重整气加热管65与发电单元连通，水蒸汽加热管67、空气加热管68、燃气加热管66和重整气加热管65均位于换热腔室的内部；其中换热腔室的出气口连通外界环境，发电单元所产生的尾气将进入燃烧尾气单元进行充分燃烧，燃烧所产生的高温燃烧尾气将通入换热腔室，并与水蒸汽加热管67中的水蒸汽、空气加热管68中的空气、燃气加热管66的燃气和重整气加热管65中的重整气进行换热，从而实现SOFC***中各种气体的温度要求；故本实用新型通过采用一个四合一换热器6来实现SOFC***中各种气体的温度要求，消除了由于采用四个独立的换热器导致***中高温管道的接管数量过多，***所占空间体积较大，给***管道设备布置和***集成、保温带来了较大难度的问题。

其中，燃气供应单元包括与燃气管网连通的脱硫器12，脱硫器12的出气口与燃气加热管66的进气口连通，水蒸汽供应单元包括依次连通的去离子水罐1、水泵2和蒸汽发生器5，蒸汽发生器5的出气口与水蒸汽加热管67的进气口连通，空气供应单元包括空气过滤装置和与空气过滤装置连通的风机11，空气过滤装置可采用现有技术中的空滤，如油水分离器与干燥器的配合等，风机11的出气口连通空气加热管68的进气口，燃烧尾气单元包括燃烧器7，燃烧器7的进气口连通发电单元，燃烧器7的出气口连通换热腔室的进气口，发电单元包括电堆保温炉10、安装于电堆保温炉10内部的电堆8和与电堆8连接的电子负载9，电堆8的阳极管路分别连通燃烧尾气单元的进气口和重整气加热管65的出气口，电堆8的阴极管路分别连通空气加热管68的出气口和燃烧尾气单元的进气口，当水蒸汽和燃气在通过换热腔室换热完成后，水蒸汽和燃气将流入混合器3混合，混合后将进入重整器4进行重整反应从而生成重整气；而重整气出来后将通过重整气加热管65进一步加热；当重整气和空气在经过换热升温后将流入到电堆8进行发电；电堆8发电后所残留的重整气和空气将进入燃烧尾气单元进行燃烧；燃烧后所产生的高温燃烧尾气将流入换热腔室并与水蒸汽加热管67、空气加热管68、燃气加热管66和重整气加热管65进行换热；此外，本实用新型还包括安装于SOFC***管网中的流量计、阀门、温度传感器、压力传感器等相关仪器仪表，来保证SOFC***管网中各气体的安全运输及用量的控制；此外，四合一换热器6属于低压换热器，高温侧和低温侧运行压力均低于0.1MPa，而低温燃气和重整气属于易燃易爆气体，故运行压力较低时，降低了由于易燃易爆气体的泄露而产生***的风险。

四合一换热器6包括连通换热腔室顶部的第一配气腔和连通换热腔室底部的第二配气腔，第一配气腔包括与燃烧尾气单元的出气口连通的尾气进口腔室61和连通空气加热管68出气口的空气出口腔室64，尾气进口腔室61通过第一翅片隔板62与空气出口腔室64连接，尾气进口腔室61连通换热腔室的进气口，第二配气腔包括与外界环境连通的尾气出口腔室610和连通空气加热管68进气口的空气进口腔室612，尾气出口腔室610通过第二翅片隔板69与空气进口腔室612连接，尾气出口腔室610连通换热腔室的出气口，其中，四合一换热器6采用逆流换热的方式对空气、燃气、水蒸汽和重整气进行换热，且由于所需空气含量较大的原因，因此在换热腔室的顶部和底部分别设有第一配气腔和第二配气腔且在第一配气腔和第二配气腔中设置第一翅片隔板62和第二翅片隔板69，第二翅片隔板69通过换热后的燃烧尾气来初次提升空气的温度，初次提升温度后的空气将在换热腔室内部进行二次换热，而第一翅片隔板62则将二次换热后的空气与刚进入换热器的燃烧尾气(温度最高)进行最终的换热；从而实现空气最终温度的提升；换热腔室内部设有几十根竖直阵列分布的空气加热管68，第二配气腔内还设有多块可将每排空气加热管68隔开的空气导流板611，将流入四合一换热器6的空气均匀的分配到几十根空气加热管68内，使流经每根空气加热管68的气体质量流量均匀一致，使传热管内空气均匀加热，防止或减少部分传热管过热或干烧现象；空气进口腔室612和空气出口腔室64均安装有空气均流孔板63，使空气均匀的流入四合一换热器6的同时使将要流出四合一换热器6的空气能充分混合，进而使空气的温度更为均匀；换热腔室上设有形成折线形气道的多块折流板613，折线形气道的进气口连通尾气进口腔室61，从而使高温燃烧尾气在这个换热腔室内右上到下呈类似“Z”型来回左右流动，增加高温燃烧尾气与空气加热管68、燃气加热管66、重整气加热管65、水蒸汽加热管67之间的接触，增加接触时间，增加湍流程度，从而达到良好的传热目的，而折流板613类似于空气换热管管壁上的翅片，在一定程度上可以起到强化高温燃烧尾气侧的传热作用；而折线形气道的出气口连通尾气出口腔室610，空气加热管68贯穿折流板613，水蒸汽加热管67、燃气加热管66和重整气加热管65分别位于不同高度的折线形气道上，重整气加热管65位于水蒸汽加热管67和燃气加热管66的上方，使得重整气的温度能达到进入阳极管路的温度，进一步的，按照换热器温度区间划分，换热腔室的工作温度分布大致为从上到下温度逐渐下降，重整气加热管65所在区域温度高于燃气加热管66所在区域温度，燃气加热管66所在的区域温度略高于水蒸气加热管所在区域温度；此外，燃气加热管66、水蒸汽加热管67和重整气加热管65的入口位于换热腔室的正面，出口位于换热腔室的背面，且重整气加热管65为单排传热管，燃气加热管66为单排传热管，水蒸气加热管为上下两排加热管；且水蒸汽加热管67、燃气加热管66和重整气加热管65采用S型的管路分别铺设于不同的折流板613上且水蒸汽加热管67、燃气加热管66和重整气加热管65内部的气体流向均与高温燃烧尾气的流向相反，从而提高了四合一换热器6的换热质量；而四合一换热器6内部及外壳各连接部件之间均通过焊接方式连接，其中空气加热管68、燃气加热管66、重整气加热管65、水蒸汽加热管67均采用不锈钢无缝钢管制作而成，其中燃气加热管66、重整气加热管65位于换热器壳体内部的部分不存在环形焊缝，有效降低易燃易爆气体泄露的风险，提高***运行安全性。

由四合一换热器6构成的SOFC***运行温度高达700-900℃，且***所需原料为天然气，属于易燃易爆介质，故运行过程中会有氢气和一氧化碳的混合气产生，且氢气属于小分子气体，穿透性较强，不易密封，一氧化碳无色无味，属于有毒有害且易燃易爆的甲类气体，因此测试前需要对整个测试***做严格的气密测试，气密测试合格才能投入运行，同时测试装置中可能存在泄露的位置附近安装甲烷、氢气、一氧化碳泄露报警探测器，试验装置区域安装强制抽吸或事故排风风机11，确保装置运行过程安全；而检测装置可为：在脱硫器12之前的管道上接上氮气供给机构，并与流量计、阀门、温度传感器、压力传感器和气体检测装置配合来实现对SOFC***气密性的检查。

工作原理

当***开启时，水蒸汽和燃气在通过换热腔室换热完成后，水蒸汽和燃气将流入混合器3混合，混合后将进入重整器4进行重整反应从而生成重整气；而重整气出来后将通过重整气加热管65进一步加热，其中，在空气通过换热腔室换热完成后将与换热后的重整气一起流入到电堆8进行发电；电堆8发电后所残留的重整气和空气将进入燃烧尾气单元进行燃烧；燃烧后所产生的高温燃烧尾气将流入换热腔室并与水蒸汽加热管67、空气加热管68、燃气加热管66和重整气加热管65进行换热；故本实用新型在实现对燃烧尾气余热回收的同时，消除了由于采用四个独立的换热器导致***中高温管道的接管数量过多，***所占空间体积较大，给***管道设备布置和***集成、保温带来了较大难度的问题。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”以及类似的表述只是为了说明的目的。

Claims (6)

1.一种采用四合一换热器的SOFC***，其特征在于：包括燃气供应单元、水蒸汽供应单元、空气供应单元、燃烧尾气单元、发电单元、重整器(4)和四合一换热器(6)，所述燃烧尾气单元分别连通所述发电单元和所述四合一换热器(6)的换热腔室，所述水蒸汽供应单元通过所述四合一换热器(6)的水蒸汽加热管(67)与所述发电单元连通，所述空气供应单元通过所述四合一换热器(6)的空气加热管(68)与所述发电单元连通，所述燃气供应单元通过所述四合一换热器(6)的燃气加热管(66)与所述发电单元连通，所述燃气加热管(66)的出气口和所述水蒸汽加热管(67)的出气口均连通混合器(3)，所述混合器(3)的出气口连通所述重整器(4)的进气口，所述重整器(4)的出气口通过所述四合一换热器(6)的重整气加热管(65)与所述发电单元连通，所述水蒸汽加热管(67)、所述空气加热管(68)、所述燃气加热管(66)和所述重整气加热管(65)均位于所述换热腔室的内部。

2.根据权利要求1所述的采用四合一换热器的SOFC***，其特征在于：所述四合一换热器(6)还包括连通所述换热腔室顶部的第一配气腔和连通所述换热腔室底部的第二配气腔，所述第一配气腔包括与所述燃烧尾气单元的出气口连通的尾气进口腔室(61)和连通所述空气加热管(68)出气口的空气出口腔室(64)，所述尾气进口腔室(61)通过第一翅片隔板(62)与所述空气出口腔室(64)连接，所述尾气进口腔室(61)连通所述换热腔室的进气口，所述第二配气腔包括与外界环境连通的尾气出口腔室(610)和连通所述空气加热管(68)进气口的空气进口腔室(612)，所述尾气出口腔室(610)通过第二翅片隔板(69)与所述空气进口腔室(612)连接，所述尾气出口腔室(610)连通所述换热腔室的出气口。

3.根据权利要求2所述的采用四合一换热器的SOFC***，其特征在于：所述换热腔室内部设有多根竖直阵列分布的所述空气加热管(68)。

4.根据权利要求3所述的采用四合一换热器的SOFC***，其特征在于：所述第二配气腔内还设有多块可将每排所述空气加热管(68)隔开的空气导流板(611)。

5.根据权利要求2-4任一项所述的采用四合一换热器的SOFC***，其特征在于：所述空气进口腔室(612)和所述空气出口腔室(64)均安装有空气均流孔板(63)。

6.根据权利要求2所述的采用四合一换热器的SOFC***，其特征在于：所述换热腔室上设有形成折线形气道的多块折流板(613)，所述折线形气道的进气口连通所述尾气进口腔室(61)，所述折线形气道的出气口连通所述尾气出口腔室(610)，所述空气加热管(68)贯穿所述折流板(613)，所述水蒸汽加热管(67)、所述燃气加热管(66)和所述重整气加热管(65)分别位于不同高度的所述折线形气道上，所述重整气加热管(65)位于所述水蒸汽加热管(67)和所述燃气加热管(66)的上方。