一种紧凑式SOFC系统用耦合换热重整一体化装置及方法

本发明涉及燃料电池，特别涉及一种紧凑式sofc系统用耦合换热重整一体化装置及方法。

背景技术：

1、固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，简称sofc)在高温下可以通过化学反应将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能，固体氧化物燃料电池的工作温度一般可达600-1000℃。高工作温度使得其具有燃料适用范围广、尾气排放温度高等特点，固体氧化物燃料电池的尾气中含有大量可以被进一步回收利用的余热。由于sofc发电的排气有很高的温度，可以提供天然气重整所需热量，也可以用来生产蒸汽。

2、为保证固体氧化物燃料电池正常工作，避免因温差过大和温度不均匀产生的热应力导致电池开裂，燃料和氧化剂在进入电池前一般需要被预热至550℃及以上；天然气重整为吸热反应，为保证反应正常进行及较高的转化率，反应物一般需要被预热至400-500℃，且反应过程需要外部热源不断提供热量。基于此，有必要研究用于固体氧化物燃料电池的重整、换热装置。但是现有重整、换热装置还存在结构不够紧凑、预热温度不够高等问题。

3、因此，为进一步提高固体氧化物燃料电池系统紧凑型，确保系统安全、长寿命、高效率工作，急需设计设计一款紧凑式sofc系统用耦合换热重整一体化装置。

技术实现思路

1、本申请的目的在于提供一种紧凑式sofc系统用耦合换热重整一体化装置及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

3、本发明的一种紧凑式sofc系统用耦合换热重整一体化装置，包括：

4、燃烧内壳体，所述燃烧内壳体的下端设有燃烧器，所述燃烧器用于接入阳极尾气和补燃空气，所述燃烧内壳体的上端侧壁设有燃烧烟气出口；

5、壳体，所述壳体套设于所述燃烧内壳体的外侧；

6、重整组件，所述重整组件包括由上至下依次连通的混合室和重整部，所述混合室连通有天然气入口管和水蒸汽入口管，所述重整部设于所述燃烧内壳体内，所述混合室内天然气和水蒸气的混合气进入所述重整部内；

7、水蒸发及过热组件，所述水蒸发及过热组件设于所述壳体和燃烧内壳体之间，经所述水蒸发及过热组件预热后的水蒸气进入所述水蒸汽入口管。

8、进一步地，所述重整部包括由上至下依次连通的多个重整管道、收集腔和螺旋换热管道，多个所述重整管道的上端均与所述混合室连通，所述重整管道内设有重整催化剂，所述重整催化剂含量遵循从上到下依次增多的原则。

9、进一步地，所述重整管道为由上至下渐扩的结构。

10、进一步地，所述混合室呈倒漏斗状，所述收集腔呈漏斗状。

11、进一步地，所述螺旋换热管道的下端连通有重整气出口管，所述重整气出口管的下端伸出所述燃烧内壳体。

12、进一步地，所述水蒸汽入口管上设有泄压阀。

13、进一步地，所述水蒸发及过热组件包括由下至上依次连通的供水管道、多个换热直管、汽水分离器和水蒸气过热螺旋管道，所述水蒸气过热螺旋管道的上端与所述水蒸汽入口管连通。

14、进一步地，所述供水管道呈圆环状，所述供水管道与去离子水入口管连通，所述去离子水入口管上设有水泵。

15、进一步地，所述水蒸气过热螺旋管道采用上密下疏结构，所述壳体的下端设有烟气出口管。

16、本发明的一种基于前述的紧凑式sofc系统用耦合换热重整一体化装置的换热重整方法，包括以下步骤：

17、阳极尾气和补燃空气分别经阳极尾气入口管和补燃空气入口管进入燃烧器内预混燃烧；

18、阳极尾气被完全氧化产生高温烟气，高温烟气在燃烧内壳体内部形成的燃烧加热腔内从下往上流动，重整组件中从上而下流动的天然气和水蒸气混合气与高温烟气换热催化重整产生重整氢气通入到电堆之中，高温烟气产生的热量先供应重整再热所需，再供应重整初反应所需；

19、壳体与燃烧内壳体之间形成烟气换热腔，重整催化换热之后的烟气经燃烧烟气出口进入烟气换热腔，烟气在烟气换热腔内从上往下流动，水蒸发及过热组件中自下而上流动的水与烟气换热使水蒸发及过热，水蒸发及过热组件形成的水蒸气经水蒸汽入口管进入混合室。

20、综上，本发明的技术效果和优点：

21、本发明从外到内设有两层腔体结构：外部夹层做烟气换热腔，内部夹层做燃烧加热腔，燃烧器、重整组件，水蒸发及过热组件集成一个独立的部件，大幅度简化了系统的复杂性，提高了整体装置的紧凑性；

22、燃烧加热腔走高温烟气，气流从下往上走；烟气换热腔走烟气，气流从上往下走；阳极尾气经燃烧器被完全氧化产生高温烟气，高温烟气包围着重整部，燃烧产生的热量先供应重整再热所需，再供应重整初反应所需，烟气经燃烧烟气出口进入烟气换热腔，烟气包围着水蒸发及过热组件，燃烧产生的热量最后供应去离子水蒸发和过热所需，能够进一步提高重整效率和余热利用率；

23、水蒸发及过热组件和重整组件均为多个部件组合而成，其中水蒸发及过热组件包括供水管道、换热直管、汽水分离器以及水蒸气过热螺旋管道，保证去离子水达到重整反应所需温度；重整部包括重整管道、收集腔和螺旋换热管道，提高重整效率和余热利用率。

技术特征：

1.一种紧凑式sofc系统用耦合换热重整一体化装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的紧凑式sofc系统用耦合换热重整一体化装置，其特征在于，所述重整部包括由上至下依次连通的多个重整管道、收集腔和螺旋换热管道，多个所述重整管道的上端均与所述混合室连通，所述重整管道内设有重整催化剂，所述重整催化剂含量遵循从上到下依次增多的原则。

3.根据权利要求2所述的紧凑式sofc系统用耦合换热重整一体化装置，其特征在于，所述重整管道为由上至下渐扩的结构。

4.根据权利要求2所述的紧凑式sofc系统用耦合换热重整一体化装置，其特征在于，所述混合室呈倒漏斗状，所述收集腔呈漏斗状。

5.根据权利要求2-4任一项所述的紧凑式sofc系统用耦合换热重整一体化装置，其特征在于，所述螺旋换热管道的下端连通有重整气出口管，所述重整气出口管的下端伸出所述燃烧内壳体。

6.根据权利要求1所述的紧凑式sofc系统用耦合换热重整一体化装置，其特征在于，所述水蒸汽入口管上设有泄压阀。

7.根据权利要求1所述的紧凑式sofc系统用耦合换热重整一体化装置，其特征在于，所述水蒸发及过热组件包括由下至上依次连通的供水管道、多个换热直管、汽水分离器和水蒸气过热螺旋管道，所述水蒸气过热螺旋管道的上端与所述水蒸汽入口管连通。

8.根据权利要求7所述的紧凑式sofc系统用耦合换热重整一体化装置，其特征在于，所述供水管道呈圆环状，所述供水管道与去离子水入口管连通，所述去离子水入口管上设有水泵。

9.根据权利要求7或8所述的紧凑式sofc系统用耦合换热重整一体化装置，其特征在于，所述水蒸气过热螺旋管道采用上密下疏结构，所述壳体的下端设有烟气出口管。

10.一种基于权利要求1-9任一项所述的紧凑式sofc系统用耦合换热重整一体化装置的换热重整方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种紧凑式SOFC系统用耦合换热重整一体化装置，包括燃烧内壳体和壳体，燃烧内壳体的下端设有燃烧器，燃烧内壳体的上端侧壁设有燃烧烟气出口；壳体套设于燃烧内壳体的外侧；重整组件包括由上至下依次连通的混合室和重整部，混合室连通有天然气入口管和水蒸汽入口管，重整部设于燃烧内壳体内，混合室内天然气和水蒸气的混合气进入重整部内；水蒸发及过热组件设于壳体和燃烧内壳体之间，经水蒸发及过热组件预热后的水蒸气进入水蒸汽入口管。本发明外部夹层做烟气换热腔，内部夹层做燃烧加热腔，燃烧器、重整组件，水蒸发及过热组件集成一个独立的部件，提高了整体装置的紧凑性，提高重整效率和余热利用率。

技术研发人员：安青松,孙博阳,王世学,张子扬,刘奇
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15