[發(fā)明專利]一種集成熱交換及催化反應(yīng)的SOFC系統(tǒng)用輔助元件

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410141015.X
• 申請(qǐng)日: 2014-04-09
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103904350A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-07-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張莉;鐘杰;徐宏;劉建書;宣晉;吳書聲;李培俊;羅青;朱鴻偉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華東理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M8/04
• 分類號(hào): H01M8/04
• 代理公司: 上海三和萬(wàn)國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 31230
• 代理人: 朱小晶

【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明涉及熱交換設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，是一種集成熱交換及催化反應(yīng)的SOFC系統(tǒng)用輔助元件。

【背景技術(shù)】

燃料電池通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能，是一種高效綠色的發(fā)電裝置。其中的固體氧化物燃料電池(Solid?Oxide?Fuel?Cell，SOFC)屬于第三代燃料電池，具有高效、安全、價(jià)格低廉、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。利用SOFC熱電系統(tǒng)發(fā)電供熱，可實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用，更加高效的利用能源。特別是未來(lái)在家庭領(lǐng)域的應(yīng)用或者作為汽車的輔助電源，不僅具備高效的能源轉(zhuǎn)化效率，同時(shí)可大大減少CO₂的排放量。

一般的SOFC系統(tǒng)主要由SOFC電堆、重整器、換熱器和控制系統(tǒng)組成。為了保證SOFC電堆的壽命和高效性，進(jìn)入SOFC電堆的非純氫燃料需要經(jīng)過(guò)燃料預(yù)處理階段，將大部分燃料重整轉(zhuǎn)化為H₂和CO。進(jìn)入SOFC電堆的燃料和空氣還需要經(jīng)過(guò)預(yù)熱處理階段，將燃料和空氣的溫度提升到一定值，確保在SOFC電堆中能夠順利的發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。從SOFC電堆出來(lái)的尾氣的溫度一般能夠達(dá)到700～900℃，這部分高品質(zhì)的熱量能夠給重整反應(yīng)、燃料預(yù)熱、空氣預(yù)熱和蒸汽發(fā)生器提供熱量。此外尾氣中還有未反應(yīng)完全的H₂和CO，可以通過(guò)燃燒反應(yīng)將剩余的燃料燃燒完全，提高尾氣的溫度和整個(gè)系統(tǒng)的燃料利用率。

中國(guó)專利公開(kāi)號(hào)為CN103107348A的專利展示了一種耦合型的重整反應(yīng)器，其主要依賴重整反應(yīng)和燃燒室的燃燒反應(yīng)，將燃燒反應(yīng)釋放的熱量提供給吸熱的重整反應(yīng)，大大提高了反應(yīng)器的工作效率。

催化燃燒是可燃物在催化劑的作用下，在一定的溫度條件下進(jìn)行的無(wú)火焰燃燒反應(yīng)。催化燃燒沒(méi)有火焰，燃燒完全，能夠完全釋放電堆尾氣中剩余燃料的化學(xué)能，同時(shí)催化燃燒的起燃溫度和反應(yīng)溫度都較普通燃燒低。因此催化燃燒不但能夠提高系統(tǒng)效率，保證系統(tǒng)的安全可靠，還能夠有效控制SOFC系統(tǒng)的整體溫度，降低SOFC系統(tǒng)中的峰值溫度，使其適用于未來(lái)SOFC的低溫化操作。由于催化燃燒和重整反應(yīng)一樣可使用填充或者涂覆式催化劑，使得兩者耦合的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式更為廣泛，并且高效安全。

為了進(jìn)一步提高SOFC系統(tǒng)的整體效率，需要將SOFC系統(tǒng)中的換熱元件以及反應(yīng)元件整合在一起。因此，高度集成化的SOFC系統(tǒng)用輔助元件能夠大大減少系統(tǒng)的熱損失，提高系統(tǒng)綜合效率，同時(shí)使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為緊湊。

【發(fā)明內(nèi)容】

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種集成熱交換及催化反應(yīng)的SOFC系統(tǒng)用輔助元件。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：

一種集成熱交換及催化反應(yīng)的SOFC系統(tǒng)用輔助元件，其包含換熱段和反應(yīng)段，換熱段和反應(yīng)段的材料均為316不銹鋼，反應(yīng)段的催化燃燒室出口和換熱段的啟動(dòng)燃燒室入口通過(guò)焊接進(jìn)行連接；其特征在于，換熱段包含啟動(dòng)燃燒室，電火花啟動(dòng)器，空氣管路，燃料管路和水汽管路，換熱段的啟動(dòng)燃燒室設(shè)有廢氣出口，電火花啟動(dòng)器安裝在啟動(dòng)燃燒室的壁面上，空氣管路，燃料管路和水汽管路分別貫穿啟動(dòng)燃燒室，空氣管路分別連接空氣入口和空氣預(yù)熱室，燃料管路分別連接燃料入口和重整室，水汽管路分別連接水汽入口和重整室。

所述的反應(yīng)段包含重整室，催化燃燒室，空氣預(yù)熱室和隔火裝置；反應(yīng)段采用三層套管式反應(yīng)器，內(nèi)層為可填充重整催化劑的重整室，中間層為可填充催化燃燒催化劑的催化燃燒室，外層為空氣預(yù)熱室，內(nèi)中外三層通過(guò)焊接一體成型；

所述的反應(yīng)段的重整室的一端連接燃料管路和水汽管路，重整室的另一端設(shè)有合成氣出口，催化燃燒室的一端設(shè)有電堆陰陽(yáng)極尾氣入口，催化燃燒室的另一端設(shè)有一個(gè)環(huán)狀隔火裝置，同時(shí)在催化燃燒室和啟動(dòng)燃燒室之間設(shè)有燃燒尾氣出口，空氣預(yù)熱室的一端連接空氣管路，空氣預(yù)熱室的另一端設(shè)有空氣出口。

所述的換熱段包括啟動(dòng)燃燒室、電火花啟動(dòng)器、空氣管路、燃料管路和水汽管路，可用于啟動(dòng)SOFC系統(tǒng)，預(yù)熱空氣，預(yù)熱燃料以及將水氣化為水蒸氣。

所述的電火花啟動(dòng)器安裝在啟動(dòng)燃燒室壁面上，可利用電池產(chǎn)生電火花，點(diǎn)燃啟動(dòng)燃燒室內(nèi)的燃料，同時(shí)釋放大量的熱量，用于預(yù)熱空氣管路中的空氣，預(yù)熱燃料管路中的燃料，并將水汽管路中的水氣化為水蒸氣。