一种集成化热工部件、发电系统及固体氧化物燃料电池的制作方法

1.本发明属于固体氧化物燃料电池的技术领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池中发电系统所使用的热工部件，以及具备有热工部件的发电系统和具备该发电系统的固体氧化物燃料电池。


背景技术：

2.固体氧化物燃料电池(sofc)是一种将碳氢化合物中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置，其工作过程中不存在化学能-热能-机械能的转换过程，不受卡诺循环的限制，因而发电效率较高。sofc的工作温度在500～800℃之间，独立于电网，其实际工作时需将电堆与外围系统(balance of plant，bop)集成为独立发电系统。bop主要包括储能单元(为启动阶段供电)、控制单元(对系统各部件进行控制并做出反馈)、气体供给单元(鼓风机、流量计、截止阀、连接管道等)、热工部件(燃烧室、空气换热器、燃料换热器、重整器)等，其中热工部件的工作状态如图1所示。
3.sofc系统启动时，常温的空气和燃料通过换热器预热后分别通入电堆的阴极和阳极为电堆换热，使电堆慢慢升温至工作温度，在此过程中电堆并不消耗空气和燃料，未使用的空气、燃料混合气进入燃烧室燃烧，形成的高温烟气分别通入空气和燃料换热器，用于预热常温空气和燃料。当电堆达到工作温度后即开始放电，这个过程电化学反应将消耗部分空气和燃料，未反应完成的气体将进入燃烧室燃烧。
4.目前，sofc系统用热工原件通常由三个独立器件组成：燃烧室、空气换热器、燃料换热器(或燃料重整换热器)，各部件分别进行保温，并通过管道进行连接。上述设计使得系统工作时存在如下问题：
5.1)较长的管道导致高温气体流动时热量损失增加，影响系统热效率；
6.2)过多的管道、弯头连接导致气体流动时压力损失增加，导致鼓风机的负荷增加，系统自身的耗电也随之增加；
7.3)分散设计增加了热工部件与外界的换热面积，导致系统热效率降低；
8.4)分散的热工原件增加了bop的体积，导致系统体积功率密度降低。
9.sofc系统实际工作时，为保证足够的热量传输，空气应充分过量，这就导致同样预热至工作温度，空气所需的热量远大于燃料。而现有换热器在设计时并未系统考虑两种气体预热时对热量需求的差异，从而忽略了热量的合理分配和换热器结构尺寸的优化。
10.除上述不足之外，对于以碳氢化合物为燃料的外重整sofc系统，现有热工部件在设计时大多未将水蒸气发生器和燃料重整纳入综合考量，导致系统结构过于庞杂。


技术实现要素：

11.本发明针对现有技术的不足，提供一种集成化sofc发电系统用热工部件，该热工部件对燃烧室、空气换热器、燃料换热器和蒸汽发生器进行集成化设计，大大提高换热效率；同时利用燃烧室的高温，对空气与燃料气进行第二级换热；第一换热结构与第二换热室
之间取消了管道连接，减少热量在管道中的损失，提高热能利用效率，同时也减小了气体的压力损失，降低了鼓风机的负荷；针对空气与燃料气所需热量的不同，通过设计板式换热器的内部结构，可同时换热空气和燃料气，并以换热空气为主；该热工部件结构更加紧凑，热损失和气体压力损失更小，热工元件体积减小，换热效率极大提升。
12.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
13.一种集成化热工部件，包括用于产生高温气流的第二换热组件、与所述第二换热组件连接的第一换热组件，所述第一换热组件的侧部设置有燃料气进气口、空气进气口，且所述第一换热组件的靠近所述第二换热组件的一侧设置有高温烟气进气口，远离所述第二换热组件的一侧设置有尾气排口；
14.所述第一换热组件内分别设置有供空气、燃料气及高温烟气流通的第一流通部、第二流通部和第三流通部，且所述第一流通部、第二流通部设置于所述第三流通部的两侧，以使得所述第三流通部内的高温烟气对所述第一流通部、第二流通部内的空气、燃料气进行预热；
15.所述第二换热组件的侧部设置有高温空气排气口、高温燃料气排气口，预热后的空气、燃料气分别从所述高温空气排气口、高温燃料气排气口排出。
16.优选的，所述第一流通部、第二流通部和第三流通部内均设置有s型流道。
17.优选的，所述第一流通部、第二流通部及所述第三流通部分别设置有若干个第一流通组件、第二流通组件及第三流通组件；
18.且，每个所述第一流通组件设置有分别与所述燃料气进气口、第二换热组件连通的气口，每个所述第二流通组件设置有分别与所述空气进气口、第二换热组件连通的气口，每个所述第三流通组件设置有分别与所述高温烟气进气口、尾气出口连通的气口。
19.优选的，若干个所述第一流通组件与第三流通组件交叉间隔堆叠设置。
20.优选的，若干个所述第二流通组件与第三流通组件交叉间隔堆叠设置。
21.优选的，对应的所述第一流通组件、第二流通组件设置于所述第三流通组件的两侧，以使得一个所述第一流通组件、第二流通组件及第三流通组件构成一组层叠结构的换热部。
22.优选的，所述第一流通组件还包括分隔板、围绕分隔板侧部以构成内部空腔的空气层密封条以及设置于空腔内的若干个空气层紊流器，且若干个所述空气层紊流器交替设置以构成空气层流道。
23.优选的，所述第二流通组件还包括分隔板、围绕分隔板侧部以构成内部空腔的燃料气层密封条以及设置于空腔内的若干个空气层紊流器，且若干个所述燃料气层紊流器交替设置以构成燃料气层流道。
24.优选的，所述第三流通组件还包括分隔板、围绕分隔板侧部以构成内部空腔的烟气层密封条以及设置于空腔内的若干个烟气层紊流器，且若干个所述烟气层紊流器交替设置以构成烟气层流道。
25.优选的，还包括设置于所述第二换热组件内部的燃烧室，且所述第二换热组件一侧设置有连通至所述燃烧室的进气口。
26.优选的，所述第二换热组件内设置有设有分隔组件，以使得空气与燃料气各自独立与所述燃烧室的外壁接触实现二次换热，且使得经过所述第一流通部、第二流通部且与
所述第三流通部换热的空气、燃料气分别从所述高温空气排气口、高温燃料气排气口排出而不会混合。
27.优选的，所述分隔组件包括从所述第二换热组件的内壁向内腔中心延伸至所述燃烧室外壁的支撑隔板，，所述支撑隔板，还用于对所述燃烧室支撑固定，使其处于所述第二换热组件的中心处。
28.优选的，所述第二换热组件侧壁设置有延伸至所述燃烧室内的点火装置。
29.优选的，所述第一换热组件的尾气排口外部设置有尾气罩，所述尾气罩内设置有尾气换热管且在所述尾气罩上设置有分别连接所述尾气换热管两端的进水口、蒸汽出口。
30.优选的，所述燃料气进气口外部设置有燃料气进气罩，所述空气进气口外部设置有空气进气罩，所述燃料气进气罩和/或所述空气进气罩内设置有换热管，且对应的在所述燃料气进气罩、所述空气进气罩上设置有连接换热管的蒸汽进口和蒸汽出口。
31.优选的，所述蒸汽出口与所述燃料气进气罩和/或所述空气进气罩上的蒸汽进口连接，以使得尾气产生的热能进行换热后生成热蒸汽对所述燃料气进气口的空气和/或空气进气口的燃料气进行初级预热。
32.为实现上述目的，本发明还提供了一种发电系统，包括电堆和上述的集成化热工部件，所述电堆设置有高温空气进气口、高温燃料气进气口、阴极尾气排气口及阳极尾气排放口，所述高温空气进气口与所述高温空气排气口连通，所述高温燃料气进气口与所述高温燃料气排气口连通，且所述阴极尾气排气口、阳极尾气排放口均与所述进气口连通。
33.为实现上述目的，本发明还提供了一种固体氧化物燃料电池，包括储能单元、气体供给单元，其特征在于，还包括上述的集成化热工部件或者上述的发电系统。
34.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
35.1)本发明的热工部件对燃烧室、空气换热器、燃料换热器和蒸汽发生器进行集成化设计，大大提高换热效率；同时，将第二换热室包覆在燃烧室外围，利用燃烧室的高温分别对空气和燃料进行二次换热，进一步提升系统能量利用率；第一换热结构与第二换热室之间取消了管道连接，减少热量在管道中的损失，提高热能利用效率，同时也减小了气体的压力损失，降低了鼓风机的负荷；
36.2)本发明针对空气与燃料气所需热量的不同，通过设计板式换热器的内部结构，可同时换热空气和燃料气，并以换热空气为主；
37.3)本发明的热工部件结构紧凑，热损失和气体压力损失更小，热工元件体积减小，换热效率极大提升。
38.综上，本发明的热工部件的设置可极大提高发电系统整体的体积功率密度，有利于电堆外围系统的整体集成。
附图说明
39.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
40.图1为固体氧化物燃料电池中发电系统的工作状态示意图；
41.图2为本发明的集成化热工部件的立体示意图；
42.图3为本发明的集成化热工部件的烟气层单元结构示意图；
43.图4为本发明的集成化热工部件的燃料气层单元结构示意图；
44.图5为本发明的集成化热工部件的空气层单元结构示意图；
45.图6为本发明的集成化热工部件的燃烧室的结构示意图；
46.图7为本发明的集成化热工部件的第二换热室的结构示意图；
47.图8为本发明的集成化热工部件的尾气换热管的结构示意图；
48.图9为本发明的集成化热工部件的尾气换热管的一种较佳实施例的整体示意图；
49.图10为本发明的集成化热工部件与电堆连接形成发电系统的一种较佳实施例的整体示意图。
具体实施方式
50.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
51.实施例1
52.参见图2至图9，本实施例公开了一种集成化热工部件，包括用于产生高温气流的第二换热组件5、与所述第二换热组件5连接的第一换热组件2，所述第一换热组件2的侧部设置有燃料气进气口31、空气进气口41，且所述第一换热组件2的靠近所述第二换热组件5的一侧设置有高温烟气进气口21，远离所述第二换热组件5的一侧设置有尾气排口61；
53.所述第一换热组件2内分别设置有供空气、燃料气及高温烟气流通的第一流通部、第二流通部和第三流通部，且所述第一流通部、第二流通部设置于所述第三流通部的两侧，以使得所述第三流通部内的高温烟气对所述第一流通部、第二流通部内的空气、燃料气进行预热；
54.所述第二换热组件5的侧部设置有高温空气排气口51、高温燃料气排气口52，预热后的空气、燃料气分别从所述高温空气排气口51、高温燃料气排气口52排出。
55.所述第一流通部、第二流通部和第三流通部内均设置有s型流道。
56.需要说明的是，上述的第一流通部、第二流通部和第三流通部可以是单个的整体式气体流通部件，也可以是分体式的。
57.基于对换热效率的考虑，上述中提出的第一流通部、第二流通部及所述第三流通部分别设置有若干个第一流通组件、第二流通组件及第三流通组件；且每个所述第一流通组件设置有分别与所述燃料气进气口31、第二换热组件5连通的气口，每个所述第二流通组件设置有分别与所述空气进气口41、第二换热组件5连通的气口，每个所述第三流通组件设置有分别与所述高温烟气进气口21、尾气出口61连通的气口。
58.上述中指出的若干个可以是2个、3个、4个等等，优选的为偶数个，以使得第一流通组件、第二流通组件及第三流通组件之间可实现整组的配对。
59.作为进一步优选的方案，上述中的若干个所述第一流通组件与第三流通组件交叉间隔堆叠设置，且若干个所述第二流通组件与第三流通组件交叉间隔堆叠设置。
60.具体的，按照烟气层-燃料气层-烟气层-空气层-烟气层-空气层的顺序依次堆叠起来且通过激光焊接密闭连接起来，最后在最上层焊接分隔板，保证其气密性。组装后的第
一换热结构具有良好的气密性，形成换热面积较大的换热微腔，形成各个气体集中且独立的进出口。
61.作为上述方案的备选方案是，可将对应的所述第一流通组件、第二流通组件设置于所述第三流通组件的两侧，以使得一个所述第一流通组件、第二流通组件及第三流通组件构成一组层叠结构的换热部。
62.燃烧室1包括用于导入阴阳极尾气的进气口11、检测烟气温度的热电偶12、点火装置13、检测高温烟气温度的热电偶14、与燃烧室的高温烟气出气口15相连接的出气罩16；第二换热室5设有高温空气排气口51、高温燃料气排气口52和支撑隔板53、54；
63.且第一换热组件2内部设有分隔板25、35、45，气体密封条23、33、43和若干个紊流器24、34、44，第一换热结构开设有空气进气口31、燃料气进气口41、空气通路口32、燃料气通路口42、高温烟气进气口21、尾气出气口22和对应进出气口的热电偶36、46、37、47、14、63。
64.上述中设置的紊流器24、34、44可使气体在换热微腔中的行程增加。
65.具体使用时，将组成紊流器24、34、44和密封条23、33、34通过点焊机点焊固定在分隔板25、35、45的对应位置，再将固定后的密封条23、33、34与分隔板25、35、45通过激光焊接密封连接起来，制备烟气层、空气换热层和燃料气换热层的单元结构。组成s型流道的紊流器24、34、44的厚度需要稍小于气体密封条的厚度，便于组装。
66.本发明所提供的第一换热结构内部设有的空气换热层多于燃料气换热层，具体层数可根据不同系统的具体情况调整。可根据单位时间燃料气与空气的消耗量来调整空气换热层与燃料气换热层的层数关系，以此达到最合理的热量分配。
67.此外，本发明还在第二换热组件5内设置有设有分隔组件，以使得空气与燃料气各自独立与所述燃烧室1的外壁接触实现二次换热，且使得经过所述第一流通部、第二流通部且与所述第三流通部换热的空气、燃料气分别从所述高温空气排气口51、高温燃料气排气口52排出而不会混合。
68.具体的，上述的分隔组件包括从所述第二换热组件5的内壁向内腔中心延伸至所述燃烧室1外壁的支撑隔板53、54，所述支撑隔板53、54还用于对所述燃烧室1支撑固定，使其处于所述第二换热组件5的中心处。
69.支撑隔板43、44与燃烧室外表面通过激光焊接密闭连接，用于支撑固定燃烧室5使其处于第二换热室的换热中心并且保证腔室气密性；支撑隔板43、44与第二换热室内壁通过激光焊接密闭连接，形成空气与燃料气各自独立且气密性良好的第二换热室，利用燃烧室将气体换热至更高温度。
70.本发明的上述方案中第一换热组件2与第二换热组件5和燃烧室1之间取消了管道连接，燃烧室的出气罩口侧边均与所述第一换热结构高温烟气进气口边缘通过连续激光焊接密闭连接；第二换热室上下左右侧边均与第一换热结构的通气口通过连续激光焊接密闭连接；取消管道连接，缩小了热工元件的体积，减小了热量在管道连接处的热损失和气体的压力损失，并降低鼓风机的输入载荷，同时提高了系统整体的体积功率密度，更有利于电堆外围系统的整体集成。
71.实施例2
72.作为对实施例1的进一步优化，本发明在第一换热组件2的尾气排口61外部设置有
尾气罩6，所述尾气罩6内设置有尾气换热管且在所述尾气罩6上设置有分别连接所述尾气换热管两端的进水口64、蒸汽出口65；并在所述燃料气进气口31外部设置有燃料气进气罩3，所述空气进气口41外部设置有空气进气罩4，所述燃料气进气罩3和/或所述空气进气罩4内设置有换热管，且对应的在所述燃料气进气罩3、所述空气进气罩4上设置有连接换热管的蒸汽进口和蒸汽出口。
73.通过上述设置，本发明能够将蒸汽出口65与所述燃料气进气罩3和/或所述空气进气罩4上的蒸汽进口连接，以使得尾气产生的热能进行换热后生成热蒸汽对所述燃料气进气口31的空气和/或空气进气口41的燃料气进行初级预热。
74.本实施例中，燃料气为碳氢化合物，先预混燃料气与水蒸气，再进行重整和换热。
75.如图8和图9所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，位于第一换热结构尾端尾气出气口增设蒸汽换热管，并将水蒸汽并入燃料气进气罩中预混，形成水蒸气与碳氢化合物的混合气体，由此将蒸汽发生器与混合器集成本发明所提供的热工设备中，结构更加紧凑，热利用率更高。
76.本实施例与实施例1的不同之处在于，燃料气层内部设置有碳氢燃料重整区，在流道内填充颗粒状催化剂，使得燃料在换热过程中完成重整。
77.具体地，可根据换热层的温度分布选择重整反应的温度区间，填充高度略小于换热层高的圆柱状颗粒的催化剂，不仅实现燃料的重整，还使气体分布更加均匀，实现重整与换热的集成。
78.具体地，如图8所示，水流入换热管的受热管道内，水吸收尾气余热产生水蒸气，水蒸气流入所述燃料气进气罩中与甲烷预混，并在s型流道内完全混合。
79.在实施例中，电堆为完全反应的阴阳极尾气通过尾气进气口并入燃烧室，燃烧产生高温烟气通入出气罩进入第一换热结构中烟气层，换热结束后的烟气由尾气出气口排入蒸汽发生器中，蒸汽换热管道吸收尾气剩余热量产生蒸汽进入燃料气进气罩，尾气最后由尾气排口排出；空气由空气进气口进入第一换热结构的空气层，吸收相邻尾气层热量后，由空气通路口进入第二换热室，进行二级换热后，由高温空气排气口流出，进入电堆阴极；燃料气通入燃料气进气罩与水蒸气预混，混合气由燃料气进气口进入第一换热结构的燃料气层，充分混合后在催化剂表面完成重整，随后由燃料气通路口进入第二换热室，进行二级换热后，由高温燃料气排气口流出，进入电堆阳极；热电偶12、13、14分别检测阴阳极尾气温度、燃烧室温度和高温烟气温度。
80.实施例3
81.本实施例提供了一种发电系统，如图10所示，该发电系统包括电堆7和上述的集成化热工部件。
82.具体的，电堆7设置有高温空气进气口71、高温燃料气进气口72、阴极尾气排气口73及阳极尾气排放口74，所述高温空气进气口71与所述高温空气排气口51连通，所述高温燃料气进气口72与所述高温燃料气排气口52连通，且所述阴极尾气排气口73、阳极尾气排放口74均与所述进气口11连通。
83.使用时，电堆未完全反应的阴阳极尾气通过尾气进气口并入燃烧室，点火装置引燃阴阳极尾气产生高温烟气，高温烟气通入出气罩进入第一换热结构中烟气层，换热结束后的烟气由尾气出气口排出；空气通入空气进气罩由空气进气口进入第一换热结构的空气
层，吸收相邻尾气层热量后，由空气通路口进入第二换热室，进行二级换热后，由高温空气排气口流出，进入电堆阴极；燃料气通入燃料气进气罩由燃料气进气口进入第一换热结构的燃料气层，吸收相邻尾气层热量后，由燃料气通路口进入第二换热室，进行二级换热后，由高温燃料气排气口流出，进入电堆阳极；热电偶12检测阴阳极尾气温度，尾气进入燃烧室1，点火装置13引燃尾气，形成高温烟气通过高温烟气出气口15排出，进入出气罩16，热电偶14检测高温烟气温度。
84.此外，本发明还提供了一种固体氧化物燃料电池，包括储能单元、气体供给单元，还包括上述各实施例中的发电系统。
85.通过对本发明集成化热工部件、发电系统及固体氧化物燃料电池的多个实施例的说明，可以看到本发明集成化热工部件、发电系统及固体氧化物燃料电池实施例至少具有以下一种或多种优点：
86.1)对燃烧室、空气换热器、燃料换热器和蒸汽发生器进行集成化设计，第一换热结构与第二换热室之间取消了管道连接，减少热量在管道中的损失，提高热能利用效率，同时也减小了气体的压力损失，降低了鼓风机的负荷，且大大提高换热效率；
87.2)将第二换热室包覆在燃烧室外围，利用燃烧室的高温分别对空气和燃料进行二次换热，进一步提升系统能量利用率；
88.3)本发明针对空气与燃料气所需热量的不同，通过设计板式换热器的内部结构，可同时换热空气和燃料气，并以换热空气为主；
89.4)可极大提高发电系统整体的体积功率密度，有利于电堆外围系统的整体集成。
90.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。