一种包含引射器的固体氧化物燃料电池阳极气体循环系统

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种包含引射器的固体氧化物燃料电池阳极气体循环系统。

背景技术：

固体氧化物燃料电池(以下简称sofc)为高温燃料电池，电池的排气温度高达600℃以上，在燃料电池的排气中，有大量的潜在可利用的热能。同时，燃料电池的氧离子穿过电解质层，在阳极与氢离子合成水，因此在阳极废气中，含有丰富的水蒸汽。在sofc系统中，加入阳极气体循环回路可以充分利用废气的热量与水蒸汽。由于引射器没有运动部件，维护简单，所以在sofc的阳极气体循环回路中，经常采用引射器来完成气体的循环、增压、混合过程。

引射器阳极气体循环系统的关键设备。一般来说，引射系数是衡量引射器性能的主要指标。引射系数(ω)为二次流的质量流量比上一次流的质量流量计算公式如下：

其中ms和mp是二次流和一次流的质量流量，分别与一次流和二次流的温度和压力相关。

根据公开的研究结果，提高一次流的温度可以有效提升引射系数。然而简单的提升一次流的温度会造成可调引射器无法正常工作，这是因为可调引射器由步进电机带动阀芯针移动的方式来调节流量，由于步进电机内部绝缘性能的要求，需要将电机温度控制在一定温度下(约130度)，如果直接将高温一次流流经阀芯针，将会导致阀芯针的温度过高，造成电机的损坏。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种包含引射器的固体氧化物燃料电池阳极气体循环系统，通过一次流与二次流的换热，将一次流的温度提升，以提高固体氧化物燃料电池的阳极气体循环系统性能。

本发明提出的包含引射器的固体氧化物燃料电池阳极气体循环系统，包括燃料贮罐、步进电机、冷却段、阀芯针、喷嘴、二次流引入室、中间段、出口段、固体氧化物燃料电池、空气源和换热器；所述的步进电机、冷却段、喷嘴和二次流引入室同轴安装，所述的冷却段上设有燃料气体入口和燃料气体出口，所述的燃料贮罐通过设有调节阀的管道与燃料气体入口相连；所述的冷却段与喷嘴之间设有连接密封元件，所述的阀芯针安装在冷却段和喷嘴的中央，阀芯针穿过连接密封元件中心设有密封圈的圆孔，喷嘴插入二次流引入室中，喷嘴的靠近连接密封元件的一端设有一次流燃料气体入口；二次流引入室的前部设有二次流尾气入口，二次流引入室末端的引射器出口与固体氧化物燃料电池的燃料气体进口相连；所述的换热器的两个进口分别与冷却段上的燃料气体出口和固体氧化物燃料电池的尾气出口相连，换热器的两个出口分别与喷嘴前端的一次流燃料气体入口和二次流尾气入口相连；所述的空气源与固体氧化物燃料电池相连。

本发明提出的包含引射器的固体氧化物燃料电池阳极气体循环系统，其优点是：

本发明的包含引射器的固体氧化物燃料电池阳极气体循环系统，在固体氧化物燃料电池的阳极气体循环系统中采用换热器，通过一次流即燃料气体与二次流即电池尾气之间的换热，将燃料气体的温度提升。利用燃料罐内存储的常温燃料作为阀芯针的冷却介质，将阀芯针进行冷却，确保步进电机不超过失效温度。对阀芯针进行冷却后，可以确保可调型引射器在固体氧化物燃料电池的阳极循环系统中的有效应用。由于提升了引射器的一次流的温度，可以显著增加引射器的引射比，提高阳极循环系统的性能。而且本发明系统在提高一次流温度对引射器性能进行提升的同时，确保了可调引射器的安全运行。

附图说明

图1是本发明提出的包含引射器的固体氧化物燃料电池阳极气体循环系统的结构示意图。

图2是图1所示的系统中连接密封元件的结构示意图。

图1中，1是燃料贮罐，2是调节阀，3是步进电机，4是阀芯针，5是连接密封元件，6是喷嘴，7是二次流引入室，8是中间段，9是出口段，10是引射器出口，11是燃料气体出口，12是空气源，13是换热器，14是燃料气体入口，15是固体氧化物燃料电池，16是电堆排气，17是调节阀，18是二次流尾气入口，19是一次流燃料气体入口，20是冷却段，21是密封圈。

具体实施方式

本发明提出的包含引射器的固体氧化物燃料电池阳极气体循环系统，其结构如图1所示，包括燃料贮罐1、步进电机3、冷却段20、阀芯针4、喷嘴6、二次流引入室7、中间段8、出口段9、固体氧化物燃料电池15、空气源12和换热器13；所述的步进电机3、冷却段20、喷嘴6和二次流引入室7同轴安装，所述的冷却段20上设有燃料气体入口14和燃料气体出口11，所述的燃料贮罐1通过设有调节阀17的管道与燃料气体入口14相连；所述的冷却段20与喷嘴6之间设有连接密封元件5，所述的阀芯针4安装在冷却段20和喷嘴6的中央，阀芯针4穿过连接密封元件5中心设有密封圈21的圆孔，连接密封元件5的结构如图2所示。喷嘴6插入二次流引入室7中，喷嘴6的靠近连接密封元件5的一端设有一次流燃料气体入口19；二次流引入室7的前部设有二次流尾气入口18，二次流引入室7末端的引射器出口10与固体氧化物燃料电池15的燃料气体进口相连；所述的换热器13的两个进口分别与冷却段20上的燃料气体出口11和固体氧化物燃料电池15的尾气出口16相连，换热器13的两个出口分别与喷嘴6前端的一次流燃料气体入口19和二次流尾气入口18相连；所述的空气源12与固体氧化物燃料电池15相连。

下面结合附图详细介绍本发明的工作原理和工作过程：

本发明提出的包含引射器的固体氧化物燃料电池阳极气体循环系统，其工作原理是：利用换热器13中的冷热流体的热交换提升燃料气体的温度，即从燃料罐出来经冷却段的冷却气体燃料和由固体氧化物燃料电池15排出的高温尾气，利用高温尾气将燃料的温度提升。燃料气体经换热器13加热升温后，进入二次流引入室7的一次流燃料气体入口19。燃料电池排气经换热器13降温后，进入二次流引入室7的二次流尾气入口18。而燃料贮罐1出来的常温燃料作为阀芯针4的冷却介质，将阀芯针4进行冷却。

本发明提出的包含引射器的固体氧化物燃料电池阳极气体循环系统，其工作过程是：所述燃料贮罐1内的燃料经调节阀门2通过燃料气体入口14，进入冷却段20对阀芯针4进行冷却，连接密封元件5的中间开有圆孔，圆孔周围设有密封圈21，阀芯针4从圆孔内穿过，密封圈21起到密封作用，防止冷却段内的燃料气体与喷嘴内的燃料气体相互泄露。连接密封元件使冷却段和喷嘴相互连接固定，喷射器工作过程中，连接密封元件不同，阀芯针4左右移动，密封圈21在阀芯针4移动时起到密封作用。燃料气体出口11流出，并进入换热器13。在换热器13中燃料气体被加热后进入二次流引入室7的一次流燃料气体入口19，在喷嘴6的出口处形成超声速流动，抽吸二次流尾气，从二次流尾气入口18流入二次流吸入室7，一次流燃料气体与二次流尾气在二次流吸入室7的中间段8内进行混合，混合的燃料气体由二次流吸入室7的出口段9流出引射器出口10，从引射器出口10的燃料流体进入固体氧化物燃料电池15。同时空气由空气源12流入固体氧化物燃料电池15，燃料与空气中的氧气发生化学反应后排出电池，电堆排气16的一端排放到环境中，另一端与阀门17相连，经换热器13冷却后进入二次流吸入室7的二次流尾气入口18。

步进电机3控制阀芯针4，实现阀芯针4的左右平动，通过阀芯针4插入喷管喉部的深度来调节一次流在喷管喉部的流动面积，进而调节一次流工质的流量。