一种水蒸气发生器及其应用

1.本技术属于燃料电池技术领域，特别是涉及一种水蒸气发生器及其应用。


背景技术：

2.固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，简称sofc)是一种不经过燃烧过程直接以电化学反应方式将燃料的化学能直接转化为电能的高效发电装置。相对于传统发电技术，sofc 发电系统燃料适应性强，除氢气外，可以直接使用煤气、天然气、烃类等碳氢化合物为燃料气，无需使用贵金属催化剂，从而大大减少了sofc的使用成本。同时，单位面积或体积的功率和电流密度较高，能量转换效率高。，无nox排放、可实现co2集中排放等优点。sofc 系统作为一种高效、环保的新型发电设备，在住宅、医院、学校、办公楼宇、小区、数据中心、通讯基站等民工商业用户分布式电源领域具有广泛应用前景。
3.常规的以天然气为燃料的sofc系统在工作过程中，限于目前固体氧化物燃料电池技术，一般采用外重整技术。天然气与水会在重整反应器内发生可逆反应生成co和h2等气体，然后进入电堆的阳极侧发生电化学反应。为了尽量地减少c2、c3等成分，一般要通入过量的水蒸气进行重整反应，确保进入电堆的燃料气只有c1和h2。因此，水蒸气的量直接影响着燃料气的成分，进而影响着sofc的工作性能。目前的水蒸气发生器有电加热式和换热式，对于大流量的水蒸气需求，电加热式无疑会消耗大量的电能；换热式蒸汽发生器对能量进行了相当好的综合利用，水蒸气排出一般有两种方式，即水蒸气自由扩散和使用气体引出。然而，依靠水蒸气自由扩散排出速度不可控，使用燃料气引流效率较低。


技术实现要素：

4.1.要解决的技术问题
5.基于目前现存的水蒸气发生器，不管是电加热式还是换热式，在水蒸气制取后，通常依靠水蒸气的自由扩散或者由燃料气携带进入重整反应器，自由扩散无法满足水蒸气的快速供应和调控需求，由燃料气携带则无法满足水蒸气的大流量需求，同时，还需要除水装置避免液态水流出。同时，目前常规的固体氧化物燃料电池系统用水蒸气发生器多是电加热式，对于以天然气为燃料的sofc工作时的大流量水蒸气需求，无疑会消耗大量的电能。sofc工作的温度一般在600～1000℃，其尾气具有较高的热能，这部分能量可以进行充分的利用的问题，本技术提供了一种水蒸气发生器及其应用。
6.2.技术方案
7.为了达到上述的目的，本技术提供了一种水蒸气发生器，包括本体，所述本体包括依次连接的蒸气产生腔、密封圈和气体加热腔，所述蒸气产生腔内设置有浮动活塞，所述蒸气产生腔上设置有注水口和第一排气口，所述气体加热腔上设置有进气口、第二排气口和排污口。
8.本技术提供的另一种实施方式为：所述蒸气产生腔与所述气体加热腔通过法兰连接。
9.本技术提供的另一种实施方式为：所述蒸气产生腔内设置有防水涂层，所述气体加热腔内径小于所述浮动活塞外径。
10.本技术提供的另一种实施方式为：所述浮动活塞与所述蒸气产生腔间隙配合，所述浮动活塞外侧设置有第一密封槽和第二密封槽，所述第一密封槽上设置有第一密封环，所述第二密封槽上设置有第二密封环。
11.本技术提供的另一种实施方式为：所述密封圈采用四氟橡胶制成，所述第一密封环采用耐高温、疏水且摩擦系数小的材料制成，所述第二密封环采用耐高温、疏水且摩擦系数小的材料制成。
12.本技术还提供一种水蒸气发生器的应用，将所述水蒸气发生器应用于固体氧化物燃料电池系统。
13.本技术提供的另一种实施方式为：所述固体氧化物燃料电池系统包括依次连接的空气源、空气流量调节阀、燃料电池、燃烧器、所述水蒸气发生器、重整反应器、天然气流量调节阀、天然气源和天然气旁通阀，所述天然气旁通阀与所述燃烧器连接，所述空气源、空气旁通阀与所述燃烧器依次连接，所述重整反应器与所述燃烧电池连接，所述水蒸气发生器、供水水泵与水箱依次连接。
14.本技术提供的另一种实施方式为：所述水蒸气发生器包括第一排气阀、第二排气阀和排污阀，所述第一排气阀与所述重整反应器连接，所述进气口与燃烧器连接。
15.本技术提供的另一种实施方式为：所述空气流量调节阀、第一预热器、所述燃料电池、第一止回阀与所述燃烧器依次连接，所述重整反应器、第二预热器、所述燃料电池、第二止回阀与所述燃烧器依次连接。
16.本技术提供的另一种实施方式为：所述注水口与所述供水水泵连接，所述重整反应器、除硫器与所述天然气流量调节阀依次连接。
17.3.有益效果
18.与现有技术相比，本技术提供的一种水蒸气发生器及其应用的有益效果在于：
19.本技术提供的水蒸气发生器，为一种固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,sofc) 系统用水蒸气发生器，能量利用率高、蒸气产量大和蒸气排出快。
20.本技术提供的水蒸气发生器，结构简单，操作便捷，安全可靠，可实现水蒸气的控制组件精简，降低系统的成本。
21.本技术提供的水蒸气发生器的应用，通过在水蒸气发生器内部安装浮动活塞，利用了燃料电池化学反应产生的尾气的热能和压力能，对浮动活塞进行加热和压力作用，通过浮动活塞将热量传递至发生器内的液态水并对其进行加热，同时在尾气压力的作用下，活塞向上运动，给予产生的水蒸气一定的动能，流出发生器内部。通过调节水蒸气发生器外接的尾气排气阀开度，控制浮动活塞下方的压力，进而控制活塞的运行速度，使得水蒸气可以速度可控地进入重整反应器。
22.本技术提供的水蒸气发生器的应用，充分利用了固体氧化物燃料电池反应产生的尾气的热能和压力能，实现了能量的回收利用，提高了整个系统的能量利用率。
附图说明
23.图1是本技术的水蒸气发生器结构的示意图；
24.图2是本技术的蒸气产生腔结构示意图；
25.图3是本技术的气体加热腔结构示意图；
26.图4是本技术的浮动活塞组件结构示意图；
27.图5是本技术的水蒸气发生器的应用原理第二示意图。
具体实施方式
28.在下文中，将参考附图对本技术的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本技术，并能够实施本技术。在不违背本技术原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。
29.参见图1～5，本技术提供一种水蒸气发生器，包括本体，所述本体包括依次连接的蒸气产生腔1、密封圈4和气体加热腔2，所述蒸气产生腔1内设置有浮动活塞3，所述蒸气产生腔1上设置有注水口101和第一排气口102，所述气体加热腔2上设置有进气口201、第二排气口202和排污口203。
30.进一步地，所述蒸气产生腔1与所述气体加热腔2通过法兰连接。
31.进一步地，所述蒸气产生腔1内设置有防水涂层，所述气体加热腔2内径小于所述浮动活塞3外径。
32.具体的，所述的蒸气产生腔1内部喷涂防水涂层，安装浮动活塞3；第一排气口102上方中部，连接方式为法兰连接，与第一排气阀16相连接；第一排气口102两侧设置吊耳103；注水口101位于侧面中部，连接方式为法兰连接，通过管道与供水水泵12相连。
33.所述气体加热腔2内径小于浮动活塞3外径，进气口201和第二排气口202于外侧壁中间对称布置，均为法兰连接，进气口201与燃料电池的尾气系统中燃烧器21相连接，第二排气口202连接有第二排气阀17；排污口203位于气体加热腔2的正下方，外接排污阀18，排污阀18为常闭状态，定期开启清理；排污孔203周边焊接有三个腿式支座204，其上开设通孔，使用地脚螺栓固定或者安装承重轮做成可移动式的水蒸气发生器。
34.进一步地，所述浮动活塞3与所述蒸气产生腔1间隙配合，所述浮动活塞3外侧设置有第一密封槽和第二密封槽，所述第一密封槽上设置有第一密封301环，所述第二密封槽上设置有第二密封环302。
35.具体的，所述浮动活塞3优选密度小、导热系数大的金属材料；其与蒸气产生腔1间隙配合，并在水蒸气发生器工作时往复运动；浮动活塞外周开设两道密封槽，安装有第一密封环301和第二密封环302。
36.进一步地，所述密封圈4采用四氟橡胶制成，所述第一密封环301采用耐高温、疏水且摩擦系数小的材料制成，所述第二密封环302采用耐高温、疏水且摩擦系数小的材料制成。
37.这里的材料优选聚四氟乙烯。四氟橡胶具有疏水功能。
38.本技术还提供一种水蒸气发生器的应用，将所述水蒸气发生器应用于固体氧化物燃料电池系统。
39.进一步地，所述固体氧化物燃料电池系统包括依次连接的空气源5、空气流量调节阀9、燃料电池19、燃烧器21、所述水蒸气发生器、重整反应器15、天然气流量调节阀11、天然
气源6和天然气旁通阀10，所述天然气旁通阀10与所述燃烧器21连接，所述空气源5、空气旁通阀8与所述燃烧器21依次连接，所述重整反应器15与所述燃烧电池19连接，所述水蒸气发生器、供水水泵12与去离子水箱7依次连接。
40.所述固体氧化物燃料电池系统使用包括：步骤一：所述水蒸气发生器初始制备水蒸气阶段，检查系统阀门状态，确保空气流量调节阀9和天然气流量调节阀11为关闭状态，空气旁通阀8、天然气旁通阀10、第一排气阀16和第二排气阀17为开启状态；启动供水水泵12，将去离子水从水箱7注入并充满蒸气产生腔1，关闭供水水泵12，关闭第一排气阀16，将天然气和空气通过旁通支路通入燃烧器21内产生高温气体，将高温气体通入气体加热腔2，对浮动活塞3进行加热，受热的浮动活塞3不断地将热量传递并加热去离子水，进而产生一定量的水蒸气，完成水蒸气的初始制备。
41.步骤二：所述水蒸气发生器蒸气利用阶段，打开蒸气产生腔1上方排气口102相接的第一排气阀16，此时浮动活塞3两侧的压力不均匀，浮动活塞3在下方气体压力的作用下，开始向上运动，进而赋予水蒸气一定的动能，通过调控第二排气阀17开度改变气体加热腔内2 的压力，改变浮动活塞3的运动速度，进而水蒸气的运动速度发生变化，使之能够可控地汇入重整反应器15内与天然气进行重整反应，完成水蒸气的利用。
42.步骤三：所述水蒸气发生器正常制备阶段，缓慢打开第二排气阀17直至记录的初始开度，完成气体加热腔2的泄压，关闭第一排气阀16，打开供水水泵12，向蒸气产生腔1内填充去离子水，依靠水的重力加速浮动活塞3的复位速度，电堆产生的高温尾气对浮动活塞3进行加热，进而加热去离子水产生水蒸气。
43.在电堆开始工作后，即可关闭天然气旁通阀10与空气旁通阀8，打开天然气流量调节阀 11和空气流量调节阀9，利用电堆工作产生的高温尾气，重复步骤三和步骤二，完成水蒸气的制备和使用。
44.综合考虑sofc系统对水蒸气的应用需求，提出了一种内置浮动活塞3的换热式水蒸气发生器，该水蒸气发生器结构简单，操作便捷，通过浮动活塞3的运动推动水蒸气进入重整反应器15内，通过控制浮动活塞3底部的压力大小，改变浮动活塞3的运动速度，实现水蒸气速度可控调节。
45.进一步地，所述水蒸气发生器包括第一排气阀16、第二排气阀17和排污阀18，所述第一排气阀16与所述重整反应器15连接；所述进气口201与燃烧器21连接。
46.排污阀18后直接为大气环境，它定期开启，后接污水收集装置。
47.进一步地，所述空气流量调节阀9、第一预热器14a、所述燃料电池19、第一止回阀20a 与所述燃烧器21依次连接，所述重整反应器15、第二预热器14b、所述燃料电池19、第二止回阀20b与所述燃烧器21依次连接。
48.因为sofc电池工作温度较高，所以需要对进行电池反应的气体进行一个预先加热，使反应气体接近电池工作温度(600-1000℃)，以免电池效率降低，如果进入电池的气体温度远小于电池工作温度，那么电池可能会应为热应力分布不均而损坏。举个实例，假如电堆工作温度为750℃，那么进入电堆的气体温度要在700℃，然而不论是空气还是重整后的气体，温度都达不到这么高，所以需要安装预热器。
49.止回阀的作用是防止在进行步骤一水蒸气初始制备时气体进入电池内部。
50.进一步地，所述注水口101与所述供水水泵12连接，所述重整反应器15、除硫器13
与所述天然气流量调节阀11依次连接。
51.天然气中含有硫元素，会使固体氧化物燃料电池中毒，因此需要采用除硫器13除去。
52.实施例
53.如图1所示，蒸气产生腔1内部喷涂防水涂层，上方设有第一排气口102，连接方式优选为法兰连接，与第一排气阀16相连接；第一排气口102两侧对称设置吊耳103，方便安装和后期维修；吊耳103一侧开设孔口，安装精密压力表104，用以检测腔体内压力；蒸气产生腔1中部设有注水口101，连接方式优选为法兰连接，通过管道与供水水泵12相连；注水口101对称位置开孔，安装液位计105；蒸气产生腔1下方为法兰口，与气体加热腔2相连，连接处安装疏水的四氟橡胶垫片进行密封。浮动活塞3置于蒸气产生腔1内部，并在水蒸气发生器工作时往复运动；浮动活塞3外周开设两道密封槽，安装有第一密封环301和第二密封环302。气体加热腔2内径小于浮动活塞3外径，用来定位浮动活塞3的初始位置；气体加热腔2中部开设进气口201和第二排气口202，优选为法兰连接，进气口201与燃料电池 19的尾气系统中燃烧器21相连接，第二排气口202连接有第二排气阀17，用来控制尾气的流量和腔内压力；气体加热腔2下方开设排污孔203，接有排污阀18，排污阀18为常闭状态，定期开启清理；排污孔203周边焊接有三个腿式支座204，其上开设通孔，使用地脚螺栓固定或者安装承重轮做成可移动式的水蒸气发生器。
54.如图4所示，浮动活塞3优选密度小、导热系数大的金属材料；其置于蒸气产生腔1内部，并在水蒸气发生器工作时往复运动；浮动活塞3与蒸气产生腔1间隙配合，其外周开设两道密封槽，安装有第一密封环301和第二密封环302；密封环优选如聚四氟乙烯等耐高温、疏水且摩擦系数小的材料。
55.所述固体氧化物燃料电池系统使用包括：步骤一：检查系统阀门状态，确保空气流量调节阀9和天然气流量调节阀11为关闭状态，空气旁通阀8、天然气旁通阀10、第一排气阀 16和第二排气阀17为开启状态；启动供水水泵12，将去离子水从水箱7注入并充满蒸气产生腔1，关闭供水水泵12，关闭第一排气阀16，将天然气和空气通过旁通支路通入燃烧器21 内产生高温气体，将高温气体通入气体加热腔2，对浮动活塞3进行加热，受热的浮动活塞3 不断地加热去离子水，进而产生一定量的水蒸气，完成水蒸气的初始制备。
56.步骤二：打开蒸气产生腔1上方排气口102相接的第一排气阀16，此时浮动活塞3两侧的压力不均匀，浮动活塞3在下方气体压力的作用下，开始向上运动，进而赋予了腔内水蒸气一定的动能，通过调控第二排气阀17开度改变气体加热腔内2的压力，进而改变浮动活塞 3的运动速度，使的水蒸气能够可控地汇入重整反应器15内与天然气进行重整反应，完成水蒸气的利用。
57.步骤三：缓慢打开第二排气阀17直至记录的初始开度，完成气体加热腔2的泄压，关闭第一排气阀16，打开供水水泵12，向蒸气产生腔1内填充去离子水，依靠水的重力加速浮动活塞3的复位速度，电堆产生的高温尾气对浮动活塞3进行加热，进而加热去离子水产生水蒸气。
58.在电堆达到工作温度后，即可关闭天然气旁通阀10与空气旁通阀8，打开天然气流量调节阀11和空气流量调节阀9，利用电堆工作产生的高温尾气，重复步骤三和步骤二，完成水蒸气的制备和使用。
59.将sofc反应产生的高温尾气进行回收利用，充分利用尾气的热能和压力能，对浮动活塞及其上方的液态去离子水进行加热，同时在尾气压力的作用下，活塞向上运动，赋予产生的水蒸气一定的动能，使之流出发生器内部。通过调节水蒸气发生器外接的尾气排气阀开度，控制浮动活塞下方的压力，进而控制活塞的运行速度，使得水蒸气可以速度可控地进入重整反应器。
60.尽管在上文中参考特定的实施例对本技术进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本技术公开的原理和范围内，可以针对本技术公开的配置和细节做出许多修改。本技术的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。