一种SOFC高效换热系统的制作方法

一种sofc高效换热系统
技术领域
1.本发明涉及固体氧化物燃料电池(sofc)，尤其涉及一种sofc高效换热系统。


背景技术：

2.固体氧化物燃料电池(sofc)具有高能量转化效率、零污染、零噪声等优点，被认为是发电效率最高的技术。电堆是sofc实现化学能转化为电能的核心部件，为了是电堆能够安全、高效的运行，对电堆进出口工作温度环境的控制至关重要。电堆温度过低时，电池片功率密度小、发电效率低下；电堆温度过高、温差过大以及温度场分布不均时都会导致密封材料快速老化，电池片和连接体发生形变，甚至断裂，从而电堆性能急剧下降。为此必须为其设计出合理的sofc热管理系统对其工作温度进行合理、有效的控制。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明的目的是提供一种sofc高效换热系统，能够对降低进入电堆阳极和阴极的气体温差，保持进入电堆阴极和阳极气体的温度均一性，延长电堆的使用寿命。
4.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
5.一种sofc高效换热系统，包括：
6.重整制氢系统，所述重整制氢系统用于反应产生富氢气体；
7.空气源，用于提供空气；
8.换热系统，所述换热系统包括富氢气体入口、空气入口、富氢气体出口和空气出口，所述重整制氢系统的输出端与所述换热系统的富氢气体入口连接，所述空气源与所述空气入口连接，所述换热系统用于均衡所述富氢气体和空气的温度；
9.电堆，所述富氢气体出口与和空气出口均匀所述电堆连接，所述富氢气体与所述空气在所述电堆发生反应产生电能。
10.进一步的，所述重整制氢气体系统包括：
11.脱硫器，所述脱硫器用于去除燃料中的硫；
12.重整器，所述重整器用于除硫后的燃料与水发生反应生产所述富氢气体；
13.燃烧器，用于为所述重整器内的反应提供热源。
14.进一步的，还包括水泵和燃料风机，所述水泵用于为所述重整器内的反应提供水分，所述燃料风机用于提供燃料，所述燃料与所述水分在所述重整器内反应产生富氢气体。
15.进一步的，所述换热系统包括电堆阳极换热模块、电堆阴极换热模块和温度均衡模块；
16.所述电堆阳极换热模块包括所述富氢气体入口、阳极换热模块、阳极出口气进气口和阳极出口气出气口；
17.富氢气体从所述富氢气体入口进入至所述阳极换热模块内；
18.阳极出口气从所述阳极出口气进气口进入阳极换热模块内与所述富氢气体进行
热交换，所述阳极出口气从所述阳极出口气出气口排出，进行热交换后的富氢气体从富氢气体均衡器入口进入至所述温度均衡模块，并从所述富氢气体出口排出；
19.所述电堆阴极换热模块包括所述空气入口、阴极换热模块、阴极出口气进气口、阴极出口气出气口；
20.所述空气从所述空气入口进入至所述阴极换热模块内；
21.阴极出口气从所述阴极出口气进气口进入阴极换热模块内与所述空气进行热交换，所述阴极出口气从所述阴极出口气出气口排出；
22.进行热交换后的空气从空气均衡器入口进入至所述温度均衡模块，并从所述空气出口排出；
23.所述温度均衡模块包括所述富氢气体均衡器入口、所述空气均衡器入口、所述富氢气体出口和所述空气出口。
24.进一步的，所述换热系统还包括调温模块，所述调温模块包括调温介质入口和调温介质出口，所述调温介质包括调温热介质和调温冷介质，所述调温热介质或调温冷介质从所述调温介质入口进入至所述温度均衡模块调节所述富氢气体和空气的温度，并从所述调温介质出口流出。
25.进一步的，所述电堆的阳极与所述阳极出口气进气口连通，所述阳极内未完全反应的气体从所述阳极出口气进气口进入至所述阳极换热模块内与所述富氢气体进行热交换形成冷阳极出口气；
26.所述电堆的阴极与所述阴极出口气进气口连通，所述阴极内未完全反应的气体从所述阴极出口气进入至所述阴极反应模块内与所述空气进行热交换形成冷阴极出口气。
27.进一步的，所述阳极出口气出气口和阴极出口气出气口均与所述燃烧器连通，所述冷阳极出口气和冷阴极出口气进入至所述燃烧器内进行燃烧反应，产生热量用于为所述重整器内提供热源。
28.进一步的，所述燃料为天然气。
29.进一步的，所述空气源为空气风机。
30.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
31.(1)本发电工艺集成“多合一”换热系统，该系统采用多通道多级串并联换热理念，高度集成独立设计，大大提高发电工艺换热效率，相比传统多个、分散的换热器更加便捷。
32.(2)本换热系统包含阴极换热模块和阳极换热模块，与重整制氢系统和电堆有非常便利的兼容性，设置了丰富冷热流接口，能够与上下游工段进行友好匹配。
33.(3)本换热系统还设置了温度均衡模块，其主要作用进一步降低进入电堆阳极和阴极的气体温差，保持进入电堆阴极和阳极气体的温度均一性，此外在温度均衡模块还设计调温介质的流道，一方面用于调控进入电堆阴极和阳极气体的温度，另一方面用于系统启动时快速升温。
附图说明
34.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
35.在附图中：
36.图1是sofc高效换热系统的结构示意图；
37.图2是换热系统的结构示意图。
具体实施方式
38.下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
39.本发明的实施例提供了一种sofc高效换热系统，包括重整制氢系统、空气源、换热系统和电堆。所述重整制氢系统用于反应产生富氢气体。所述空气源用于提供空气。所述换热系统包括富氢气体入口、空气入口、富氢气体出口和空气出口，所述重整制氢系统的输出端与所述换热系统的富氢气体入口连接，所述空气源与所述空气入口连接，所述换热系统用于均衡所述富氢气体和空气的温度。所述富氢气体出口与和空气出口均匀所述电堆连接，所述富氢气体与所述空气在所述电堆发生反应产生电能。所述sofc高效换热系统能够对降低进入电堆阳极和阴极的气体温差，保持进入电堆阴极和阳极气体的温度均一性，延长电堆的使用寿命。
40.实施例1
41.如图1和图2所示，所述sofc高效换热系统包括重整制氢系统3、空气源6、换热系统4和电堆5。所述重整制氢系统3用于反应产生富氢气体。所述空气源6用于提供空气。所述换热系统4包括富氢气体入口4a、空气入口4d、富氢气体出口4c和空气出口4f，所述重整制氢系统3的输出端与所述换热系统4的富氢气体入口4a连接，所述空气源与所述空气入口4d连接，所述换热系统4用于均衡所述富氢气体和空气的温度。所述富氢气体出口4c与和空气出口4f均匀所述电堆5连接，所述富氢气体与所述空气在所述电堆5发生反应产生电能。
42.所述重整制氢气体系统包括脱硫器3-1、重整器3-2和燃烧器3-3，所述脱硫器3-1用于去除燃料中的硫；所述重整器3-2用于除硫后的燃料与水发生反应生产所述富氢气体；所述燃烧器3-3用于为所述重整器3-2内的反应提供热源。
43.所述sofc高效换热系统还包括水泵1和燃料风机2，所述水泵1用于为所述重整器3-2内的反应提供水分，所述燃料风机2用于提供燃料，所述燃料与所述水分在所述重整器3-2内反应产生富氢气体。
44.所述燃料优选为天然气。
45.所述空气源优选为空气风机6。
46.所述换热系统4包括电堆阳极换热模块、电堆阴极换热模块和温度均衡模块4-3；
47.所述电堆阳极换热模块包括所述富氢气体入口4a、阳极换热模块4-1、阳极出口气进气口4g和阳极出口气出气口4h；
48.富氢气体从所述富氢气体入口4a进入至所述阳极换热模块4-1内；
49.阳极出口气从所述阳极出口气进气口4g进入阳极换热模块4-1内与所述富氢气体进行热交换，所述阳极出口气从所述阳极出口气出气口4h排出，进行热交换后的富氢气体从富氢气体均衡器入口4b进入至所述温度均衡模块4-3，并从所述富氢气体出口4e排出；
50.所述电堆阴极换热模块包括所述空气入口4d、阴极换热模块4-2、阴极出口气进气口4i、阴极出口气出气口4j；
51.所述空气从所述空气入口4d进入至所述阴极换热模块内；
52.阴极出口气从所述阴极出口气进气口4i进入阴极换热模块4-2内与所述空气进行热交换，所述阴极出口气从所述阴极出口气出气口4j排出；
53.进行热交换后的空气从空气均衡器入口4e进入至所述温度均衡模块4-3，并从所述空气出口4f排出；
54.所述温度均衡模块4-3包括所述富氢气体均衡器入口4b、所述空气均衡器入口4e、所述富氢气体出口4c和所述空气出口4f。
55.所述换热系统还包括调温模块，所述调温模块包括调温介质入口4k和调温介质出口4l，所述调温介质包括热调温介质和冷调温介质，所述热调温介质或冷调温介质从所述调温介质入口4k进入至所述温度均衡模块4-3调节所述富氢气体和空气的温度，并从所述调温介质出口4l流出。
56.当换热后的富氢气体和空气温度经过温度均衡模块4-3后低于电堆5所需温度时，在温度均衡模块4-3中通入热调温介质，进一步加热换热后的富氢气体和空气的温度达到电堆5所需的温度。
57.当来自阳极换热模块4-1的富氢气体、来自阴极换热模块4-2的空气，两者进入温度均衡模块4-3进行充分温度平衡，高于电堆阴极5-3和阳极5-1的入口温度需求，此时，需要在温度均衡模块4-3通入冷调温介质，对富氢气体和空气降温，进而满足电堆阴极5-3和阳极5-1的入口温度需求。
58.当来自阳极换热模块4-1的富氢气体、来自阴极换热模块4-2的空气，两者进入温度均衡模块4-3进行充分温度平衡，已经满足电堆阴极5-3和阳极5-1的入口温度需求。此时，不需要通入调温介质。
59.所述电堆5的阳极5-1与所述阳极出口气进气口4g连通，所述阳极5-1内未完全反应的气体从所述阳极出口气进气口4g进入至所述阳极换热模块内与所述富氢气体进行热交换形成冷阳极出口气；
60.所述电堆5的阴极5-3与所述阴极出口气进气口4i连通，所述阴极5-3内未完全反应的气体从所述阴极出口气进气口4i进入至所述阴极反应模块内与所述空气进行热交换形成冷阴极出口气。
61.所述阳极出口气出气口4h和阴极出口气出气口4j均与所述燃烧器3-3连通，所述冷阳极出口气和冷阴极出口气进入至所述燃烧器3-3内进行燃烧反应，产生热量用于为所述重整器3-2内提供热源。
62.上述sofc高效换热系统的工作原理为：
63.来自界外的水经过水泵1进行加压后进入重整制氢系统3中的重整器3-2，来自界外的天然气进过风机2进行增压后进入重整制氢系统3中的脱硫器3-1进行脱硫，硫含量将至0.05ppm以下进入3-2重整器中；
64.脱硫后的天然气与水在催化剂作用下发生化学反应生成氢气、一氧化碳和二氧化碳。天然气重整制氢所需要的热源主要来自燃烧器3-3中电堆阳极出口气的燃烧。
65.完成重整后的富氢气体通过富氢气体入口4a进入多合一换热系统4中的阳极换热
模块4-1与电堆阳极出口气体进行换热，加热后的富氢气体通过富氢气体均衡器入口4b进入温度均衡模块4-3与加热后空气以及调整介质进行温度均衡，然后从富氢气体出口4c出来后，进入电堆模块5中阳极5-1，进行化学能转变电能。
66.空气经过空气风机6增压，然后从空气入口4d进入换热模块4中阴极换热器4-2，与来自阴极出口高温空气进行换热，然后从空气均衡器入口4e进入温度均衡器4-3，与热的富氢气体、调温介质进行温度均衡，均稳后的空气从空气出口4f离开换热模块，随后进入电堆阴极5-3。
67.在电堆阳极5-1发生反应后的阳极出口气从阳极出口气进气口4g端口进入阳极换热模块4-1，作为热源与富氢气体进行换热，随后从阳极出口气出气口4h离开换热模块，进入重整制氢系统3中的燃烧器3-3，将气体中未反应完全的co、h2、ch4等可燃成分在燃烧器3-3中与阴极出口空气混合充分燃烧，为重整制器3-2提供所需的热量。
68.空气中的氧气得到电子发生电化学反应解离为o
2-离子，通过电解质5-2进入电堆阳极5-1，与h2和co反应，生成h2o和co2，同时放出电子完成发电过程，对外输出电能。在电堆阴极5-3未发生反应的空气，从阴极5-3带出热量，通过阴极出口气进气口4i进入换热系统4中的阴极换热模块4-2，加热经过空气风机6增压后的空气，然后从阴极出口气出气口4j离开换热系统，进入燃烧器3-3，与未反应完全的电堆阳极出口气充分燃烧，为重整制氢系统3提供热量。
69.本发电工艺集成“多合一”换热系统，该系统采用多通道多级串并联换热理念，高度集成独立设计，大大提高发电工艺换热效率，相比传统多个、分散的换热器更加便捷。本换热系统包含阴极换热模块和阳极换热模块，与重整制氢系统和电堆有非常便利的兼容性，设置了丰富冷热流接口，能够与上下游工段进行友好匹配。本换热系统还设置了温度均衡模块，其主要作用进一步降低进入电堆阳极和阴极的气体温差，保持进入电堆阴极和阳极气体的温度均一性，此外在温度均衡模块还设计调温介质的流道，一方面用于调控进入电堆阴极和阳极气体的温度，另一方面用于系统启动时快速升温。
70.最后应说明的是：以上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精神和范围。