□ 陳德強(qiáng)

上海中弗新能源科技股份有限公司 上海 201306

1 設(shè)計(jì)背景

固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種通過電化學(xué)反應(yīng)將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的全固態(tài)發(fā)電器件,當(dāng)選擇以氫氣為最終的燃料時(shí),發(fā)電后只產(chǎn)生水、汽,對(duì)環(huán)境最為友善,但是氫氣的制備、運(yùn)輸、存儲(chǔ)等都比較困難,所以SOFC退而求其次,使用其它碳?xì)淙剂?比如天然氣、液化氣、煤氣、生物質(zhì)氣、甲醇和乙醇等。但是在這些碳?xì)淙剂线M(jìn)入SOFC電堆之前,必須要經(jīng)過適當(dāng)?shù)闹卣?將其重整為小分子的氫氣和一氧化碳,然后進(jìn)入電化學(xué)反應(yīng)核心電堆,產(chǎn)生電能,因此需要一個(gè)重整場所重整器。在重整之前,需對(duì)碳?xì)淙剂线M(jìn)行預(yù)熱,重整時(shí)的溫度約為幾百攝氏度,熱量的來源由SOFC發(fā)電排出的尾氣提供,因此需要一個(gè)熱交換的場所熱交換器。SOFC發(fā)電排出的尾氣含有SOFC發(fā)電時(shí)未參加電化學(xué)反應(yīng)的剩余燃料氣,如氫氣、一氧化碳等,不能將它們直接排至大氣中,需要燃燒盡,因此需要一個(gè)燃燒場所燃燒器。

通常情況下,重整器、熱交換器、燃燒器為單獨(dú)加工制造,再串接于SOFC發(fā)電系統(tǒng)的管路中,從而實(shí)現(xiàn)三種不同的功能,但這也導(dǎo)致系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、管路布置煩瑣的弊端,如果將三者整合在一起,甚至將更多的裝置整合在一個(gè)容器內(nèi),不僅可以簡化系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)、節(jié)省空間,還可為未來系統(tǒng)的集成化、小型化奠定基礎(chǔ)。

2 SOFC三器件

2.1 重整器

與傳統(tǒng)的火力發(fā)電技術(shù)不同,SOFC是通過電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置,以氫氣為最終燃料,但是氫氣的制備、運(yùn)輸、存儲(chǔ)等都比較困難,所以應(yīng)用碳?xì)浠衔镒鳛槿剂弦咽荢OFC發(fā)展的必然趨勢(shì)。以碳?xì)浠衔餅槿剂蠒r(shí),需要對(duì)其重整。重整一般可以分為內(nèi)重整和外重整。外重整需借助外部的重整器對(duì)碳?xì)浠衔镞M(jìn)行重整,得到氫氣、一氧化碳和二氧化碳等氣體,然后進(jìn)入電堆,增加了SOFC發(fā)電系統(tǒng)的復(fù)雜性,并且降低了SOFC發(fā)電系統(tǒng)的整體效率。內(nèi)重整則是將增濕后的碳?xì)浠衔餁怏w直接通入電堆中,完成對(duì)碳?xì)浠衔锶剂蠚怏w的重整過程。內(nèi)重整雖然提高了SOFC發(fā)電系統(tǒng)的整體效率,但是容易造成電極各處溫度分布不均且有積碳反應(yīng)發(fā)生,從而導(dǎo)致電池功率密度大幅度下降,甚至有失效風(fēng)險(xiǎn)。所以目前常用的重整方式仍然是借助外部重整器的外重整技術(shù)。

2.2 熱交換器

固體氧化物燃料電池工作時(shí)內(nèi)部溫度一般超700 ℃以上,反應(yīng)排出的尾氣溫度也很高,所以通常情況下,要將尾氣的熱能吸收利用,形成熱電聯(lián)供,使得SOFC的能效可以達(dá)到80%以上。尾氣余熱的利用方式之一就是為SOFC發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)氣進(jìn)行預(yù)熱。SOFC發(fā)電系統(tǒng)是在電堆陰極通入空氣、在電堆陽極通入燃料氣的高溫條件下進(jìn)行工作的,由外部進(jìn)入SOFC電堆的空氣和燃料氣在進(jìn)入之前需要預(yù)熱,由此避免直接進(jìn)入,導(dǎo)致SOFC電堆溫度驟降,進(jìn)而影響電堆的正常工作。通過熱交換器,可以使SOFC發(fā)電系統(tǒng)工作排出的尾氣與進(jìn)入電堆的燃料氣進(jìn)行熱交換。

2.3 燃燒器

SOFC發(fā)電系統(tǒng)的燃料氣進(jìn)入電堆發(fā)電,會(huì)有20%～50%的燃料不在電池中參與反應(yīng)。未被利用的燃料氣,如氫氣、一氧化碳、二氧化碳等,會(huì)和反應(yīng)生成的水、汽一起排出,但不能直接排入空氣,通常情況下是通過燃燒器在三元催化劑的作用下直接燒盡,然后再排入空氣。

三器件在SOFC發(fā)電系統(tǒng)管路中的連接位置如圖1所示。

圖1 三器件在SOFC發(fā)電系統(tǒng)管路中連接位置

3 SOFC結(jié)構(gòu)

集成三器件的SOFC結(jié)構(gòu)如圖2所示。集成三器件的外重整反應(yīng)器主要由三部分組成:內(nèi)外罐體、管路和催化劑。內(nèi)外罐體呈圓柱殼狀,內(nèi)外罐同軸,其中內(nèi)罐體長度大于外罐體,兩端分別長1～2 cm,形成凸臺(tái)。內(nèi)芯腔填充有燃料氣重整用催化劑,兩端分別用分隔塊進(jìn)行固定,分隔塊的位置略低于罐體端部1～2 cm,端部再分別用實(shí)體圓環(huán)板密封。該圓環(huán)板中心開孔,分別與外部的燃料氣進(jìn)氣管、燃料氣出氣管連接。外罐體套在內(nèi)罐體外,在內(nèi)罐體與外罐體之間的環(huán)形內(nèi)腔中裝填有用于尾氣處理的三元催化劑。

同樣,在兩端部低于外罐體端部1～2 cm處分別設(shè)置有環(huán)形擋塊進(jìn)行固定,端部也分別用實(shí)體圓環(huán)板密封。該圓環(huán)板上開孔,分別與外部的循環(huán)水進(jìn)出管、氧氣進(jìn)氣管、尾氣進(jìn)氣管。

圖2 集成三器件的SOFC結(jié)構(gòu)

盤管及尾氣出氣管進(jìn)行連接設(shè)置于環(huán)形內(nèi)腔內(nèi),且與罐體的兩端連通,與外部的循環(huán)水進(jìn)出管連接,供循環(huán)水流通。盤管呈螺旋狀,可增大接觸面積,提高調(diào)節(jié)罐體內(nèi)溫度的效率。

分隔塊可對(duì)三元催化劑進(jìn)行定位,兩塊分隔塊分別焊接于內(nèi)罐體兩端的內(nèi)側(cè)壁上,間隔焊接,無密封要求,其在內(nèi)罐體兩端分別與端部的實(shí)體圓環(huán)板形成一圓柱體腔,用于緩和和均勻分布?xì)怏w的進(jìn)出。實(shí)體圓環(huán)板焊接在內(nèi)罐體端部,要求密封且無泄漏,使用前需進(jìn)行密封檢測。同樣,兩塊環(huán)形擋塊分別焊接在外罐體兩端的內(nèi)側(cè)壁及內(nèi)罐體的外側(cè)壁上,可對(duì)燃料氣重整用催化劑進(jìn)行定位,間隔焊接,無需密封,分別與兩端的實(shí)體圓環(huán)板形成一圓環(huán)狀體腔,用于緩和和均勻分布?xì)怏w的進(jìn)出。實(shí)體圓環(huán)板焊接在外罐體的端部,要求密封無泄漏,同樣在使用前要進(jìn)行密封檢測。

4 SOFC工作原理

集成三器件的外重整反應(yīng)器在使用時(shí)安裝于SOFC發(fā)電系統(tǒng)管路的前端,從SOFC電堆出來的高溫尾氣通過尾氣進(jìn)氣管進(jìn)入環(huán)形內(nèi)腔。如上所述,由于高溫尾氣內(nèi)含未參與電化學(xué)反應(yīng)的氫氣和一氧化碳等氣體,所以同時(shí)由氧氣進(jìn)氣管引入空氣,內(nèi)含氧氣,至環(huán)形內(nèi)腔助燃,實(shí)現(xiàn)燃燒器功能。高溫尾氣與空氣首先在罐體前端的圓環(huán)狀空間內(nèi)進(jìn)行混合,后進(jìn)入環(huán)形內(nèi)腔內(nèi),在三元催化劑的作用下反應(yīng)燃燒,釋放的熱量對(duì)該反應(yīng)器內(nèi)罐進(jìn)行加熱。燃燒后的尾氣經(jīng)過凈化,最后由尾氣出氣管排出。

在對(duì)重整反應(yīng)器內(nèi)部溫度升至指定溫度后,碳?xì)浠衔锶剂蠚馔ㄟ^燃料氣進(jìn)氣管進(jìn)入內(nèi)芯腔。由于內(nèi)芯腔的高溫環(huán)境,燃料氣被加熱,實(shí)現(xiàn)換熱器功能,溫度升至重整溫度,在重整催化劑的作用下,得以催化重整,實(shí)現(xiàn)重整器功能,分解成氫氣、一氧化碳、二氧化碳等氣體,隨后由燃料氣出氣管導(dǎo)出,進(jìn)入SOFC發(fā)電系統(tǒng)電堆實(shí)現(xiàn)發(fā)電。

循環(huán)水進(jìn)出管與環(huán)形內(nèi)腔相連通,盤管與罐體兩端的循環(huán)水進(jìn)出管相連通,接入水源,使水循環(huán)于環(huán)形內(nèi)腔中。盤管中流通有循環(huán)水,可對(duì)罐體內(nèi)溫度進(jìn)行綜合調(diào)節(jié),螺旋狀設(shè)計(jì)的盤管可增大接觸面積,能增加調(diào)節(jié)的精度,便于調(diào)控,能夠有效避免溫度失控。

尾氣進(jìn)氣管、氧氣進(jìn)氣管分別設(shè)置于罐體輸入端的凸臺(tái)兩側(cè),尾氣出氣管設(shè)置于罐體輸出端的凸臺(tái)一側(cè),且與尾氣進(jìn)氣管在軸向上相錯(cuò)位180°設(shè)置。

5 結(jié)束語

高溫尾氣通過尾氣進(jìn)氣管進(jìn)入環(huán)形內(nèi)腔中,與通過熱傳導(dǎo)將熱能傳遞至內(nèi)芯腔中的燃料氣在罐體內(nèi)部完成熱交換,循環(huán)后充分利用,減少了能量損失。通過氧氣進(jìn)氣管補(bǔ)充空氣進(jìn)入環(huán)形內(nèi)腔中,可為尾氣燃燒補(bǔ)充氧氣,以便于尾氣中所含的氫氣和一氧化碳能在后續(xù)處理中充分燃盡,提高了燃料和能量利用率。通過高溫尾氣熱量交換至燃料氣,可對(duì)需要重整的燃料氣進(jìn)行預(yù)熱。通過罐體、內(nèi)芯腔及環(huán)形內(nèi)腔的設(shè)置,集催化重整器、熱交換器、三元催化燃燒器于一體,形成一個(gè)綜合功能體,節(jié)省了空間,簡化了系統(tǒng)管路布置,從而大大地提高了系統(tǒng)集成度及換熱效率。

本技術(shù)已申請(qǐng)實(shí)用新型專利。