一种热-电-产氢三元整合的热回收装置以及SOFC系统的制作方法

一种热-电-产氢三元整合的热回收装置以及sofc系统
技术领域
1.本发明涉及能源技术领域，尤其涉及一种热-电-产氢三元整合的热回收装置以及含有该装置的sofc系统。


背景技术：

2.2021年12月,财政部办公厅近日印发通知，就《关于印发《绿色数据中心政府采购需求标准(试行)》的通知(征求意见稿)》向社会公开征求意见，其中拟规定，优先采购使用氢能源、液冷、分布式供电、模块化机房等高效系统设计方案，实现节能、节水、节地、节材和环境保护的数据中心。2021年初，我国科学技术部正式发布《关于对“十四五”国家重点研发计划“氢能技术”等18个重点专项2021年度项目申报指南征求意见的通知》。主要围绕氢能绿色制取与规模转存体系等技术方向，燃料电池水电解制氢电堆关键材料制备技术等19个指南任务之外，在“新能源汽车”重点专项也有两条是关于氢燃料电池汽车的，分别是鼓励固体氧化物燃料电池和70mpa储氢罐技术开发。针对不同燃料场景需求的车用燃料电池发电系统，研究sofc(solid oxide fuel cells)固体氧化物燃料电池关键部件、电堆、系统设计及集成技术。开发一致性长寿命电堆组装技术，形成批量制造能力等。主要是看中sofc的高转换效率(45％以上)、热效率的利用(热电联产)，以及工业制程上，可燃尾气回收转换电力的发展潜力。一般sofc系统运转所需温度约在600-800摄氏度，其释放的尾气温度也比较高，如何有效利用该尾气来稳定燃料电池系统的运作效能，就成为目前需要解决的问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种热回收装置以及含有所述热回收装置的sofc系统。
4.一种热-电-产氢三元整合的热回收装置，包括：一中空结构体，在该中空结构体内分布有若干片状半导体热电片，每相邻两个所述半导体热电片与所述中空结构体的侧壁构成一个封闭的夹层间隙；每相邻两个所述夹层间隙构成一个换热单元；该两个夹层间隙用于分别导入接受能量的流体和给予能量的流体；
5.所述接受能量的流体和给予能量的流体流通方向相互垂直。
6.进一步地，如上所述的热-电-产氢三元整合的热回收装置，在该中空结构体的上下两面分别设置有供接受能量的流体穿过的接受壳体；在该中空结构体的前后两侧分别设置有供给予能量的流体穿过的给予壳体；
7.所述接受壳体与给予壳体分别与一个换热单元的两个的夹层间隙分别对应连通；
8.在接受壳体上设置有供接受能量的流体进入与流出的接口；
9.在给予壳体上设置有供给予能量的流体进入与流出的接口。
10.进一步地，如上所述的热-电-产氢三元整合的热回收装置，所述接受壳体包括：上接受壳体和下接受壳体；所述上接受壳体和下接受壳体均由若干接受壳体单元构成；
11.每个接受壳体单元上设置有有两个通孔，分别做为接受流体的入口与出口，该两
个通孔分别与间隔设置的夹层间隙连通；
12.在最右侧的接受壳体单元上还设置有接受流体入口接口；在最左侧接受壳体单元上还设置有接受流体出口接口；
13.所述给予壳体包括：前给予壳体和后给予壳体；所述前给予壳体和后给予壳体均由若干给予壳体单元构成；
14.每个给予壳体单元上设置有两个通孔，分别做为给予流体的入口与出口；该两个通孔分别与间隔设置的夹层间隙连通；在最左侧的给予壳体单元上还设置有给予流体入口接口；在最右侧的给予壳体单元上还设置有给予流体出口接口，用于流通给予能量的流体；
15.所述给予流体和接受流体分别在夹层间隙之间交错流通。
16.进一步地，如上所述的热-电-产氢三元整合的热回收装置，设，下接受壳体的接受壳体单元的数量为n，则上接受壳体的接受壳体单元数量为n+1；
17.上接受壳体的左端和右端分别突出设置，用于与另一中空结构体上设置的上接受壳体首尾相接。
18.进一步地，如上所述的热-电-产氢三元整合的热回收装置，所述上接受壳体的左端和右端分别突出设置的部分其长度为一个接受壳体单元的1/2。
19.进一步地，如上所述的热-电-产氢三元整合的热回收装置，所述给予壳体和接受壳体采用热传导性材料制成；其厚度为1.5mm。
20.进一步地，如上所述的热-电-产氢三元整合的热回收装置，所述中空结构体的长宽尺寸皆为200mm；所述半导体热电片厚度为3mm；夹层间隙的间距2mm。
21.进一步地，如上所述的热-电-产氢三元整合的热回收装置，所述中空结构体以及其上下面设置的接受壳体与前后面设置的给予壳体共同构成一个换热模块；
22.所述换热模块采用同轴串接和或并排相连的方式构成换热系统。
23.一种sofc系统，包括如上所述的热回收装置；所述sofc系统的尾气为给予能量的流体；
24.sofc系统的输入气体为接受能量的流体；所述输入气体包括空气和燃料气体；所述燃料气体包括电解产生的氢气；
25.藉由输入气体与尾气余热的温度差,可驱动半导体热电片输出电力,将sofc产生的水气进一步电解产生氢气作为sofc系统的输入气体的一部分，从而实现热-电-产氢三元整合。
26.有益效果：
27.本发明提供的热-电-产氢三元整合的热回收装置，通过反复间格交错的夹层间隙用于分别导入接受能量的流体和给予能量的流体(接受/给予/接受/给予
……
)，并且使接受能量的流体和给予能量的流体在流通方向上使其相互垂直，从而大大提高了换热效率。
28.此外，通过接受壳体与给予壳体使得整个换热装置的换热效率进一步提高；更重要的是通过使接受壳体的左端和右端分别突出设置，使得本发明换热装置可以相互连接，从而扩大了换热面积，提高了换热效率。
29.本发明提供的sofc系统，由于构成夹层间隙的半导体热电片由于输入一面接触接收能量的流体，一面接收给予能量的流体，从而使得半导体热电片产生温度差，该温度差可驱动半导体热电片输出电力,从而将sofc产生的水气进一步电解产生氢气作为sofc系统的
输入气体(燃料气体)的一部分；从而实现热-电-产氢三元整合。
30.本发明提供的sofc系统,通过将换热系统安装在sofc系统的空气管线和氧气管线上，以sofc系统的尾气为给予能量的流体、以sofc系统输入的空气和燃料均为接受能量的流体，实现了有效将尾气余热回收，用于预热进入燃料电池堆的气体,从而降低2者间的温度落差，近而稳定了燃料电池系统的运作效能。同时,藉由输入气体与尾气余热的温度差,可驱动半导体热电片输出电力,将sofc产生的水气进一步电解产生氢气燃料，以实现热-电-产氢三元整合的热回收装置。此外，重组器(reformer)也需要一定温度才能发挥催化转化效果，因此直接利用尾气热源，除了可以提高系统总体的热电联供效率,降低sofc尾气的排放温度的同时，还提高了sofc系统使用上的安全性,扩大了sofc商品的应用领域。
附图说明
31.图1为本发明所述一中空结构体示意图；
32.图2为本发明两个相连的换热单元结构示意图；
33.图3为本发明换热模块结构示意图；
34.图4为本发明两个换热模块连接结构示意图；
35.图5为本发明换热模块并排相连结构示意图；
36.图6为本发明换热模块同轴串接结构示意图；
37.图7为本发明换热模块并排相连+同轴串接的结构示意图；
38.图8为将本发明热-电-产氢三元整合热回收装置与sofc系统结构原理图；
39.图9为sofc系统的原理示意图；
40.图10为半导体热电片的基础架构示意图；
41.图11为100cm2单片sofc电池堆的电池功率曲线图；
42.附图标记：
43.1-中空结构体；11-半导体热电片；12-夹层间隙；121-接受夹层间隙；122-给予夹层间隙；13-接受通孔；14-给予通孔；2-换热单元；3-接受壳体；31-上接受壳体；32-下接受壳体；33-接受流体出口接口；34-接受流体入口接口；301-接受壳体单元。
具体实施方式
44.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.如图1、图2所示，本发明提供一种热-电-产氢三元整合的热回收装置，包括：一中空结构体1，在该中空结构体1内分布有若干片状半导体热电片11，每相邻两个所述半导体热电片与所述中空结构体的侧壁构成一个封闭的夹层间隙12；每相邻两个所述夹层间隙12构成一个换热单元2；该两个夹层间隙用于分别导入接受能量的流体和给予能量的流体；
46.其中，在夹层间隙12的前后两面上分别设置有一个的接受通孔13，该接受通孔13为圆形；在相邻的夹层间隙12上下两面分别设置有一个给予通孔14；该给予通孔14为长方形；所述接受通孔13和给予通孔14在流通方向上呈垂直分布；接受能量的流体通过所述接
受通孔13流通；给予能量的流体通过所述给予通孔14流通。
47.本发明实施例提供的热-电-产氢三元整合的热回收装置，通过相邻两个所述半导体热电片与中空结构体的侧壁构成一个封闭的夹层间隙，并且两个相邻的夹层间隙用于分别导入接受能量的流体和给予能量的流体，而且接受能量的流体和给予能量的流体流通方向相互垂直的方式，大大提高了换热装置的换热效率。
48.进一步地，如图3所示，在该中空结构体1的上下两面分别设置有供接受能量的流体穿过的接受壳体3；在该中空结构体的前后两侧分别设置有供给予能量的流体穿过的给予壳体(给予壳体在该图中无显示，其结构与安装方式与所述接受壳体3相同)；
49.具体地，结合图2以及图3所示，所述换热单元2的夹层间隙12包括接受夹层间隙121和给予夹层间隙122；其中，其中，接受壳体3与所述接受夹层间隙121上的接受通孔13对应连通；给予壳体与所述给予夹层间隙122的给予通孔14对应连通；给予夹层间隙122和接受夹层间隙121间隔交错设置；相邻的两个给予夹层间隙122和接受夹层间隙121构成一个所述换热单元；
50.在接受壳体上设置有供接受能量的流体进入与流出的接口；
51.在给予壳体上设置有供给予能量的流体进入与流出的接口(图中未示出)；
52.所述中空结构体1以及其上下面设置的接受壳体3与前后面设置的给予壳体共同构成一个换热模块。
53.所述接受壳体与给予壳体采用sus304不锈钢材料制备而成。但不限于不锈钢材，还可以为其它金属或合金材料,或石墨等热传导性佳的材料。
54.所述半导体热电片11厚度为3mm，夹层间隙12的间距为2mm,中空结构体1的长宽尺寸皆为200mm(每个中空结构体中共40个夹层间隙12,39片半导体热电片)。
55.本发明实施例提供的热-电-产氢三元整合的热回收装置，通过在中空结构体1的上下面和前后面设置用于流通接受能量的流体和给予能量的流体进的壳体，使得换热效率得到了进一步的提高。
56.进一步地，如图3所示，所述接受壳体包括：上接受壳体31和下接受壳体32；所述上接受壳体31和下接受壳体32均由若干接受壳体单元301构成；
57.每个接受壳体单元301上设置有两个通孔，其中一个为接受流体入口，另一个为接受流体出口；该两个通孔分别与间隔设置的夹层间隙12连通；
58.具体的，上接受壳体31上设置有两个所述通孔，下接受壳体32上设置有两个所述通孔，上接受壳体31以及下接受壳体32以及间隔设置的两个夹层间隙12之间构成了一个流通单元，若干个流通单元合并在一起就构成了一个换热模块；
59.在最右边的接受壳体单元301上还设置有接受流体入口接口34；在最左侧的接受壳体单元301上还设置有接受流体出口接口33；如此，就可以使外界的接收能量的流体或者给予能量的流体在换热模块上流通了。
60.本发明实施例提供的热-电-产氢三元整合的热回收装置，通过将壳体分割成一个一个的接受壳体单元，从而使得整个装置在安装以及拆卸的过程更加方便快捷。
61.所述给予壳体的构造与布局与所述接受壳体的完全相同，即：包括：前给予壳体和后给予壳体；所述前给予壳体和后给予壳体均由若干给予壳体单元构成；
62.每个给予壳体单元上设置有两个通孔，其中一个为给予流体入口，另一个为给予
流体出口；该两个通孔分别与所述给予通孔14连通；同样，在最左侧的给予壳体单元上还设置有给予流体入口接口；在最右侧的给予壳体单元上还设置有给予流体出口接口。
63.进一步地，如图3所示，假设下接受壳体32的接受壳体单元301的数量为n，则上接受壳体31的接受壳体单元数量为n+1；
64.上接受壳体的左端和右端分别突出设置，用于与另一中空结构体上的上接受壳体首尾相接，首尾相接后的图如4所示。
65.具体地，所述上接受壳体的左端和右端分别突出设置的部分其长度为一个接受壳体单元301的1/2。
66.本发明实施例提供的热-电-产氢三元整合的热回收装置，通过使其首尾两端设置突出的部分，提高了整个装置的稳定性。而且通过突出部分使得一个一个的换热模块首尾相接，在安装上更加方便快捷。
67.进一步地，如图5-7所示，为了进一步提高换热效率，所述换热模块采用同轴串接和或并排相连的方式构成换热系统。
68.如图8、图9所示，本发明还提供一种sofc系统，包括如上任一所述的换热系统；所述sofc系统的尾气为给予能量的流体；sofc系统的空气和燃料输入均为接受能量的流体。
69.本发明利用半导体热电片可以温差发电的特性,将其与换热系统结合,形成一种热-电-产氢三元整合的热回收装置，如图10为半导体热电片的基础架构示意图。以导电材料串联p,n型半导体,当其两面有温度差时即可产生电流。当两面的温度差异愈大,其发电功率也愈大。
70.如图9所示，所述sofc系统包括标号为1-7的空气管线,标号为a-h的为燃料管线,其中标号为3-7的为空气尾气，标号为e-h的为燃料尾气。所述热-电-产氢三元整合热回收装置安装于图中标号1、a的路线终点airpreheating+heater与fuel preheating+heater模块内部,换热装置安装方式以立示双排并列串接,如图8。
71.sofc系统的尾气与进入系统的气体温差约400-750度,因此本发明将半导体热电片与换热装置结合,将热电片产生的电力用于电解sofc尾气中的水气,产生氢气燃料,以提升sofc系统的热回收效率及应用性,从而提升sofc系统的热电联供效率。
72.实验例：
73.以100cm2单片sofc电池堆,阳极燃料用100％氢气,流速为335sccm；阴极气体用100％空气,流速为670sccm进行试验,如图8与图11。由于本发明所用半导体热电片的温度上限为200℃,因此尾气首先进入的前5组串接的换热装置模块全部由sus304不锈钢材料制作,单纯呈现热交换的功能。后5组串接的换热装置模块与前5组以并接方式相连,尾气最末端导入电解槽中,可将尾气最后的温度用于加热电解液,提高电解效率,同时可将sofc的水气产物带入电解槽中。尾气进入后5组串接的换热装置模块前,温度已经降至200℃以下。最后将半导体热电片产生的直流电导入电解槽中进行电解反应。试验观察到单片sofc电池堆的电池功率稳定输出,如图11。
74.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。