固体氧化物燃料电池系统以及水蒸气发生器的制作方法

本实用新型涉及燃料电池领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池系统以及水蒸气发生器。

背景技术：

燃料电池是一种高效率的能量转化装置，它能够直接将可燃气体的化学能转化为电能，由于其不需要中间的机械能到电能的转化过程，因此具有更高的能量转化效率。固体氧化物燃料电池(sofc)是一种高温燃料电池，高温运行增加了它的燃料来源，sofc可以使用甲烷、汽油、柴油等碳燃料进行发电。在sofc系统中，碳燃料先与水蒸气在300至800℃发生水蒸气重整反应，水蒸气重整反应产生的氢气及一氧化碳被通入sofc电堆进行电化学反应。

在水蒸气重整反应过程中，控制碳燃料与水蒸气的比例、提高水蒸气的分散性及提高水蒸气与碳燃料的混合均匀性对提升系统效率、增加sofc电堆耐久性有着至关重要的作用。

现有的sofc用燃料蒸汽混合装置是基于锅炉原理的换热器式设计，蒸汽发生器内部设计有板式或管壳式换热器，液态水通过进水装置进入到换热器内部或是表面，被换热器内部高温热源或是通过电、燃料等加热方式加热至沸腾成为水蒸汽，沸腾后的水蒸气与碳燃料混合后通过燃气出口进入碳燃料重整装置进行重整反应。但是由于沸腾换热不可控，液态水沸腾过程中蒸汽产量与蒸汽压力存在周期性波动，蒸汽产量和压力的周期性波动对后续的燃料蒸汽混合的均匀性、水蒸气重整反应的连续性、及电堆内电化学反应的连续性产生了不利影响。

技术实现要素：

本实用新型提供一种水蒸气发生器，用于固体氧化物燃料电池系统，水蒸气发生器包括罐体，能够向所述罐体内通入水流的进水管，位于所述罐体内部的换热器，水流自所述进水管流入所述罐体与所述换热器换热后形成水蒸气，所述换热器顶部设有凹坑，所述进水管的水流流入所述凹坑，所述水流在所述凹坑内蓄积并溢出，与所述换热器换热。

可选地，所述凹坑自所述换热器顶部的周向边缘向中部凹陷。

可选地，所述凹坑呈弧形。

可选地，所述进水管的末端设有分布式滴头，以使水流均匀流入所述凹坑；所述分布式滴头包括并联的多个滴头，并且多个所述滴头呈中心对称、等间距分布。

可选地，所述换热器为板式换热器，所述板式换热器表面设有鳍片。

可选地，所述进水管设有调节阀和/或压力传感器，所述调节阀能够调节从所述进水管通入所述罐体内的水流的流量，所述压力传感器能够检测所述进水管的压力。

可选地，所述罐体设有供水蒸气流出的蒸汽出口；

所述蒸汽出口处设有压力传感器和/或温度传感器，所述压力传感器能够检测从所述蒸汽出口排出的水蒸气的压力，所述温度传感器能够检测从所述蒸汽出口排出的水蒸气的温度。

可选地，所述水蒸气发生器设有连通所述换热器的进口，所述进口用于通入高温气体，所述进口处设有调节进入的高温气体的流量的调节阀。

本方案还提供一种固体氧化物燃料电池系统，包括燃烧器，所述燃烧器燃烧产生高温热空气，还包括如上任一项所述的固体氧化物燃料电池系统用水蒸气发生器；所述水蒸气发生器设有连通所述换热器的进口和出口，所述高温热空气从所述进口通入所述换热器，从所述出口排出。

本方案提供的固体氧化物燃料电池系统及其水蒸气发生器，其换热器的顶部设有凹坑，水流从进水管的末端流下落入凹坑内，并在凹坑中蓄积，凹坑积满水后，凹坑内的水将从凹坑的外缘溢出，此时溢出的水会沿着换热器的周面均匀流下。如此设置，若进水管内的水流提前沸腾，凹坑的设置可以缓冲沸腾的水流对换热器的冲击，减小蒸汽发生器内部的压力波动。而且，水流均匀地沿换热器外周面流动，则与换热器的表面可均匀接触，达到水与换热器换热均匀的目的，也能够减小蒸汽产量与蒸汽压力的波动。可见，此设置有利于后续的燃料蒸汽混合的均匀性、水蒸气重整反应的连续性、及电堆内电化学反应的连续性。

附图说明

图1是本实用新型所提供固体氧化物燃料电池系统用水蒸气发生器一种具体实施例的结构示意图；

图2是图1中水蒸气发生器的分布式滴头和换热器顶部凹坑配合的结构示意图。

图1-2中附图标记说明如下：

1罐体、2进水管、3调节阀、4分布式滴头、5换热器、51凹坑、6进口、7鳍片、8温度传感器、9压力传感器、10蒸汽出口、11出口。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

请参考图1和图2，图1是本实用新型所提供固体氧化物燃料电池系统用水蒸气发生器一种具体实施例的结构示意图；图2是图1中水蒸气发生器的分布式滴头和换热器顶部凹坑配合的结构示意图。

在该实施例中，本实用新型所提供的固体氧化物燃料电池系统用水蒸气发生器，包括罐体1，能够向罐体1内通入水流的进水管2，位于罐体1内部的换热器5，罐体1设置蒸汽出口10；来自进水管2的水流进入罐体1后，与罐体1内的换热器5接触换热，吸收换热器5的热量，蒸发成水蒸气，然后水蒸气从蒸汽出口10排出，进入后续的装置中进行后续反应。以图1为视角，进水管2位于罐体1的正上方，进水管2的末端正对于换热器5的顶部，蒸汽出口10可设于罐体1的正下方。

此外，本实施例中换热器5的顶部设有凹坑51，水流从进水管2的末端流下落入凹坑51内，并在凹坑51中蓄积，凹坑51积满水后，凹坑51内的水将从凹坑51的外缘溢出，此时溢出的水流会沿着换热器5的外周面均匀流下。如此设置，若进水管2内的水流提前沸腾，凹坑51的设置可以缓冲沸腾的水流对换热器5的冲击，减小蒸汽发生器内部的压力波动。而且，水流均匀地沿换热器5外周面流动，则与换热器5的表面可均匀接触，达到水与换热器5换热均匀的目的，也能够减小蒸汽产量与蒸汽压力的波动。可见，此设置有利于后续的燃料蒸汽混合的均匀性、水蒸气重整反应的连续性、及电堆内电化学反应的连续性。

为了进一步保证从凹坑51溢出的水流能够更为均匀地沿换热器4外周流下，凹坑51可以自换热器5顶部的周向边缘向中部凹陷。

具体地，凹坑51可以是弧形凹坑，如图1所示，凹坑51的横截面呈弧形，整个凹坑51的坑面为弧面，则在换热器5顶部的中部位置，为凹陷最深的位置。弧形凹坑使得水流流动更为平缓，溢出更为均匀。如图2所示，换热器5的轴心线与罐体1的轴心线可以重合，这样，水流向两边溢出的均匀性更容易得到保证。凹坑51为弧形凹坑，弧形可达到180度，则相当于设置半圆柱体的凹坑51，凹坑51的直径可选择8～12mm，例如10mm。

当然，凹坑51也可以为其他形状的凹陷，只要能够保证凹坑51内可以积水，并且凹坑51内储存的水可以从凹坑51的外缘溢出并均匀地沿换热器5的周面流下即可，例如，凹坑51可以为梯形凹坑或圆台形凹坑等。

在进一步的技术方案中，上述进水管2的末端设有分布式滴头4，分布式滴头4包括多个并联的滴头，各滴头呈中心对称、等间距地分布于进水管2的末端，同时，此分布式滴头4位于凹坑51的正上方，分布式滴头4将进水管2中的水流均匀地分散流入凹坑51，保证水流先均匀地流向凹坑51，再从凹坑51内均匀地溢出，进而确保水流与换热器5的换热均匀。

分布式滴头4的设计尺寸优选匹配于凹坑51，即滴头的间距和数量均可根据凹坑51的尺寸设计，以保证来自分布式滴头4的水滴能够均匀落入凹坑51内后再溢出，从而保证换热器5与水流换热的均匀性。比如针对上述尺寸的凹坑51，则可将滴头数量设置为6个，滴头间距1～3mm，可选用2mm。

本实施例中，换热器5具体可以为板式换热器，且该板式换热器的表面设有鳍片7，以增大换热接触面积，从而保障换热的充分，本实施例中鳍片7的宽度可选用5-10mm，比如6mm。水流从上述凹坑51中溢出后沿换热器5的外周面均匀流下，此过程中水与换热器5的表面及鳍片7接触，吸收换热器5的表面和鳍片7的热量，蒸发成为水蒸气，随后，蒸发产生的水蒸气从罐体1底部的蒸汽出口10排出，进入后续装置中参与后续反应。同样的，也可以采用其他种类的换热器，例如可以采用管壳式换热器。

此外，本实施例中，进水管2还设有调节阀3，此调节阀3设于罐体1的外部，用来调节从进水管2通入罐体1内的水流的流量，还可以设置检测进水管2压力的压力传感器；向换热器5通入高温气体的管路也可以设置调节阀，以调节通入的高温空气的流量；与蒸汽出口10连通的蒸汽出口管路设有压力传感器8和温度传感器9，同样设于罐体1的外部，压力传感器8和温度传感器9可以监测从蒸汽出口10排出的水蒸气的压力和温度；通高温空气的进口。当水蒸气发生器产生的水蒸气从蒸汽出口10排出时，连通蒸汽出口10的管路上的压力传感器8和温度传感器9将检测出排出的水蒸气的压力和温度，根据此压力传感器8和温度传感器9的检测值，可以调节进水管2的调节阀3，从而调节进水管2的进水流量。

水蒸气发生器所处的工作环境温度较高(约100℃～200℃)，因此，进水管2内的水在流出进水管2进入罐体1之前可能与外部环境发生热交换，从而有可能发生提前沸腾。本方案中通过控制进水管2的流量，能够使水流在进水管2内不提前沸腾，又能够使进水流量符合实际要求，由于不提前沸腾，则能够使蒸汽出口10处的压力波动尽量小，如此，对后续燃料与蒸汽混合的均匀性、水蒸气重整反应的连续性、及电堆内电化学反应的连续性产生的影响也很小，从而保证固态氧化物燃料电池系统的效率。

具体地，当温度传感器9检测的温度超过600℃时，则可将高温气体进入的调节阀关闭，避免蒸汽发生器内部因温度过高发生损坏；当蒸汽出口10处的压力传感器8检测的数值超过300mbar时，则可同时关闭进水管2的调节阀3以及高温气体入口处的调节阀，避免蒸汽发生器内部因压力过高发生损坏；根据进水管2的压力传感器与蒸汽出口10处压力传感器8的检测值，获取压降，当压降大于6mbar时，可控制进水管2的调节阀3的开度，以调节进水量，使压降满足设计要求，一般要求压力波动稳定在4mbar左右，最大不超过16mbar。上述调节阀都可以是电动调节阀，以便于控制。

另外，本实施例中，固体氧化物燃料电池系统中还设有燃烧器，燃烧器燃烧产生高温热空气；水蒸气发生器设有连通换热器5的进口6和出口11，进口6即连通上述高温气体管路的入口；燃烧器产生的高温热空气可以从进口6进入换热器5，作为换热器5的热流体，将热量传导给换热器5的壳体和鳍片7，完成换热后，从出口11排出换热器5。即固体氧化物燃料电池系统的燃烧器可提供水蒸气发生器所需要的高温气体，无需增设其他加热设备。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。