一种固态氧化物燃料电池系统及其水蒸气发生装置的制作方法

本实用新型燃料电池技术领域，具体涉及一种固态氧化物燃料电池系统及其水蒸气发生装置。

背景技术：

现有的固态氧化物燃料电池系统用燃料蒸汽混合装置是基于锅炉原理的换热器式设计，蒸汽发生装置内部设计有板式或管壳式换热器，液态水通过进水装置进入到换热器内部或是表面，被换热器内部高温热源或是通过电、燃料加热的方式被加热至沸腾成为水蒸气，沸腾后的水蒸气与碳燃料混合后通过燃气出口进入重整装置进行重整反应。

基于锅炉原理的沸腾换热器虽然结构简单，但是由于沸腾换热的不可控原理，导致在液态水沸腾过程中蒸汽产量与蒸汽压力存在周期性波动。水蒸气产量和压力的周期性波动对后续的燃料蒸汽混合均匀性，水蒸气重整反应连续性，及电堆内电化学反应连续性产生了极大的影响。因此，提升液态水蒸发的连续性及均匀性对提升系统稳定性及可靠性有着重要的作用。

因此，如何提供一种蒸汽发生装置，能够提升液态水蒸发的连续性及均匀性，以保证固态氧化物燃料电池系统的稳定性及可靠性，是本领域技术人员需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种固态氧化物燃料电池系统及其水蒸气发生装置，能够提升液态水蒸发的连续性及均匀性，以保证固态氧化物燃料电池系统的稳定性及可靠性。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种固态氧化物燃料电池系统的水蒸气发生装置，其包括进水管、壳体和设于所述壳体内的换热装置；所述换热装置的外壁与所述壳体的内壁之间形成换热腔，所述进水管与所述换热腔连通，用于向所述换热腔内通入液体水，所述液体水在所述换热腔内能够与所述换热装置发生换热并形成水蒸气；所述壳体还设有用于将所述换热腔内的水蒸气排出至重整装置的水蒸气排出口；所述进水管朝向所述壳体的一侧顶壁设有汽水分离格栅。

进水管朝向换热腔的一侧顶壁设有汽水分离格栅，且该汽水分离格栅位于壳体外，由于该水蒸气发生装置所处的工作环境温度较高(约100℃～200℃)，因此，进水管内的水在从进水口通入换热腔内之前可能与外部环境发生热交换，从而使得进水管内的液体水产生一部分水蒸气，而这部分在进水管内产生的水蒸气在经过汽水分离格栅时将从汽水分离格栅分离出进水管外，使得由进水管内的液体水在进入换热腔内之前保持液体状态，避免由于气体进入换热腔内使得换热腔内的气流不稳定导致水蒸气排出口处的压力波动，从而使得该水蒸气发生装置能够持续稳定地为重整装置提供水蒸气。

而在重整反应过程中，控制碳燃料与水蒸气的比例，提高水蒸气的分散性及提高水蒸气与碳燃料的混合均匀性对提升系统效率，增加电堆耐久性有着至关重要的作用。因此，通过本实施例所提供的蒸汽发生装置持续稳定地为重整装置提供水蒸气，可保证重整装置内的重整反应以及电堆内的电化学反应的稳定性及可靠性。

可选地，还包括水箱和循环蒸汽管，所述水箱用于为所述进水管供水，所述循环蒸汽管连接于所述水箱和所述汽水分离格栅之间。

可选地，还包括第一温度传感器和通断阀，所述第一温度传感器设于所述进水管朝向所述壳体的一侧；所述通断阀设于所述循环蒸汽管，所述通断阀在所述第一温度传感器所检测的温度达到预设温度值时开启，并在所述第一温度传感器所检测的温度低于所述预设温度值时关闭。

可选地，所述进水管的侧壁还设有隔热层。

可选地，所述隔热层为设于所述进水管的外壁的隔热腔，所述隔热腔内充满空气、氩气或二氧化碳。

可选地，所述进水管还设有调节阀，所述水蒸气排出口还设有压力传感器和第二温度传感器。

可选地，还包括设于所述换热腔内的水滴装置，所述水滴装置与所述进水管连通，且所述水滴装置包括多个滴头。

可选地，各所述滴头的高度相同，并均匀间隔设置。

可选地，所述进水管与所述水滴装置连通的一端设有锥形结构，所述锥形结构的小径端与所述水滴装置连接。

另外，本实用新型还提供了一种固态氧化物燃料电池系统，其包括重整装置和上所述的水蒸气发生装置。

具有如上所述的水蒸气发生装置的固态氧化物燃料电池系统，其技术效果与上述水蒸气发生装置的技术效果类似，为节约篇幅，在此不再赘述。

附图说明

图1是本实用新型实施例所提供的固态氧化物燃料电池系统的水蒸气发生装置的结构示意图。

附图1中，附图标记说明如下：

1-进水管，11-汽水分离格栅，12-隔热层，13-调节阀，14-第一温度传感器，15-锥形结构；

2-壳体，21-水蒸气排出口，22-压力传感器，23-第二温度传感器；

3-换热装置，31-凹坑，32-鳍片，33-流体入口，34-流体出口；

4-换热腔；

5-水箱，51-入水口，52-排水口；

6-循环蒸汽管，61-通断阀，62-第三温度传感器；

7-水滴装置，71-滴头。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

请参考图1，图1是本实用新型实施例所提供的固态氧化物燃料电池系统的水蒸气发生装置的结构示意图。

本实用新型实施例提供了一种固态氧化物燃料电池系统及其水蒸气发生装置，其中，固态氧化物燃料电池系统包括上述水蒸气发生装置和重整装置，水蒸气发生装置用于向重整装置内提供水蒸气，水蒸气在重整装置内与碳燃料在300℃～800℃发生水蒸气重整反应，水蒸气重整反应产生的氢气及一氧化碳被通入固态氧化物燃料电池系统的电堆进行电化学反应。

具体的，如图1所示，水蒸气发生装置包括进水管1、壳体2和设于壳体2内的换热装置3，换热装置3的外壁与壳体2的内壁之间形成换热腔4，进水管1与换热腔4连通，液体水能够由进水管1进入换热腔4，并在与换热装置3发生换热作用后形成水蒸气；壳体2还设有用于将换热腔4内的水蒸气排出至重整装置的水蒸气排出口21。

也就是说，壳体2的内壁和位于壳体2内的换热装置3的外壁之间围合形成换热腔4，该壳体2设有与换热腔4连通的进水口和水蒸气排出口21，其中，进水管1与进水口连通，将外部的液体水通过进水口通入换热腔4内，并在换热腔4内与换热装置3发生换热以形成水蒸气，最终从水蒸气排出口21排出至重整装置。

进水管1朝向换热腔4的一侧顶壁设有汽水分离格栅11，且该汽水分离格栅11位于壳体2外，由于该水蒸气发生装置所处的工作环境温度较高(约100℃～200℃)，因此，进水管1内的液体水在从进水口通入换热腔4内之前可能与外部环境发生热交换，从而使得进水管1内的液体水产生一部分水蒸气，而这部分在进水管1内产生的水蒸气在经过汽水分离格栅11时将从汽水分离格栅11分离出进水管1外，使得由进水管1内的水在进入换热腔4内之前保持液体状态，避免由于气体进入换热腔4内使得换热腔4内的气流不稳定导致水蒸气排出口21处的压力波动，从而使得该水蒸气发生装置能够持续稳定地为重整装置提供水蒸气。

而在重整反应过程中，控制碳燃料与水蒸气的比例，提高水蒸气的分散性及提高水蒸气与碳燃料的混合均匀性对提升系统效率，增加电堆耐久性有着至关重要的作用。因此，通过本实施例所提供的蒸汽发生装置持续稳定地为重整装置提供水蒸气，可保证重整装置内的重整反应以及电堆内的电化学反应的稳定性及可靠性。

具体的，本实施例中，对汽水分离格栅11的结构不做限制，进水管1内的水蒸气在经过汽水分离格栅11时能够排出即可。

在上述实施例中，该水蒸气发生装置还包括水箱5和循环蒸汽管6，水箱5用于为进水管1供水，即进水管1连通于水箱5和换热腔4之间，用于将水箱5内的水输送至换热腔4内，循环蒸汽管6连接于水箱5和汽水分离格栅11之间，用于将进水管1内的水蒸气排出至水箱5，也就是说，本实施例中，进水管1内形成的水蒸气可由汽水分离格栅11进入循环蒸汽管6内，并重新回至水箱5内，并在水箱5内冷凝呈液体水重新进入进水管1内实现水循环，如此设置，可避免高温蒸汽排至大气对外部设备的影响，同时还可节约用水。本实施例中，该水箱5还设有入水口51和排水口52，分别用于为该水箱5供水和排水。

在上述实施例中，该水蒸气发生装置还包括第一温度传感器14和通断阀61，第一温度传感器14设于进水管1朝向壳体2的一侧，并位于壳体2外，该第一温度传感器14用于检测进水管1内的液体水在进入换热腔4内之前的温度，通断阀61设于循环蒸汽管6，用于控制循环蒸汽管6的开闭，当第一温度传感器14所检测的温度达到预设温度值时，进水管1内能够形成水蒸气，此时通断阀61开启，使得进水管1内形成的水蒸气经汽水分离格栅11、循环蒸汽管6排出至水箱5内；而当第一温度传感器14所检测的温度低于预设温度值时，进水管1内的液体水并没有产生水蒸气，此时，通断阀61关闭，可避免液体水沿汽水分离格栅11流出。该一温度传感器和通断阀61的设置可使得该汽水分离格栅11根据液体水在进入换热腔4之前的情况选择性的开启，在保证进水管1内的水蒸气能够排出的同时，可避免进水管1内的液体水沿此处排出，灵活性好。

当进水管1内的液体水的温度达到该预设温度值时，进水管1内将会产生水蒸气，而当进水管1内的液体水的温度未达到该预设温度值时，进气管1内的水将保持液体状态。具体的，本实施例中，对于预设温度值的具体数值范围不做限定，其可根据该水蒸气发生装置所处地理位置等条件进行设定，或根据多次试验总结得出均可。

另外，循环蒸汽管6还设有第三温度传感器62，用于检测循环蒸汽管6内的温度，该第三温度传感器62的设置可用于校准第一温度传感器14，避免由于第一温度传感器14发生损坏等使得进水管1内的水蒸气通入换热腔4内。

在上述实施例中，进水管1的侧壁还设有隔热层12，该隔热层12的设置能够减少进水管1内的水与外部环境发生热交换，进而减少进水管1内产生的水蒸气量，保证进水管1能够持续稳定地向换热腔4内通入液体水。

进一步的，该隔热层12为设于进水管1外壁的隔热腔，隔热腔的内部充满空气、氩气、二氧化碳等低导热系数的保温气体，或者，还可以将该隔热层12设置为固设于进水管1的外壁的隔热垫等均可，在此不做具体限制。而将隔热层12设置为内部充满保温气体的隔热腔的方案，无需对进水管1的本身做改动，并且便于该隔热层12的布置，同时可使得该隔热层12耐高温，使用寿命长。具体的，该隔热层12的厚度不做要求，如本实施例中，将其设置为0.2mm，当然，将其厚度设置为其它尺寸均可，如0.1～0.5nn。

在上述实施例中，进水管1还设有调节阀13，用于调节通过进水管1进入换热腔4内的液体水的流量，同时水蒸气排出口21还设有压力传感器22和第二温度传感器23，该压力传感器22和第二温度传感器23的设置用于监测水蒸气排出口21排出至重整装置的水蒸气的压力和温度情况，并根据该压力和温度判断换热腔4内的水蒸气的排出情况。具体的，可以通过压力传感器22和第二温度传感器23所检测的数据以及重整装置所需的水蒸气量等参数实时调节调节阀13的开度，以控制通过进水管1进入换热腔4内的液体水量，使得水蒸气排出口21排出的水蒸气能够维持稳定，保证水蒸气出口处的压力波动稳定在4mbar左右，最大不超过16mbar。

在上述实施例中，该水蒸气发生装置还包括设于换热腔4内的水滴装置7，该水滴装置7的一端与进水管1连通，另一端设有多个滴头71，也就是说，本实施例中，进水管1内的液体水是通过水滴装置7通入换热腔4内。如此设置，可避免由于极端情况下，进水管1内的水蒸气较多并没有从汽水分离格栅11排净使得进水管1内的水蒸气通入换热腔4内，此时，若有进水管1通入换热腔4内的蒸汽量较大时，通过多个滴头71通入可减小通入的水蒸气在换热腔4内引气的压力波动，进而减小水蒸气排出口21处的压力波动，保证其能够均匀地、稳定地将水蒸气排出至重整装置内。

进一步的，各滴头71的高度相同(即各滴头71在换热腔4内所处的高度位置一致)，同时各滴头71均匀间隔设置，并位于换热腔4的中部区域，此处所述的换热腔4的中部区域是指横向截面的中心向外延伸的部分区域，如此设置，可保证液体水在由多个滴头71滴入换热腔4内时能够均匀地与换热装置3发生换热，同时，还可使得进水管1内的水蒸气能够均匀稳定地通入换热腔4内，进而减小对换热腔4内的气流引气波动，保证换热腔4内的水蒸气稳定。

在上述实施例中，进水管1与水滴装置7连通的一端设有锥形结构15，锥形结构15的小径端与水滴装置7连接。该锥形结构15形成节流结构，具体的，进水管1内的液体水在流经该锥形结构15时，由于横截面减小，在相同的流量下，压力增大，同时由于水滴装置7需要将液体水喷配至各滴头71并底座至换热腔4内，也就是说，压力增大后的液体水在通过锥形结构15进入水滴装置7后，横截面突然增大，压力降低并且温度降低，如此设置可避免发生滴头71内的液体水与外部换热腔4发生热交换而在滴头71处沸腾并产生水蒸气的情况，进而保证由各滴头71滴落至换热腔4内的水是液体状态。

而本实施例中，如图1所示，换热装置3内部设有空腔，该空腔设有流体入口33和流体出口34，用于流通换热流体，具体的该换热流体可以是固体氧化物燃料电池系统的燃烧器燃烧产生的高温热空气，也可以是高温液体等均可，在此不做具体限制。该换热流体为用于与液体水发生换热，该换热装置3的顶端还设有凹坑31，该凹坑31设于壳体2的进水口的下方，通过进水管1(水滴装置7)进入换热腔4内的液体水能够刚好落入凹坑31内，并在凹坑31内部分液体水部分会形成水蒸气，而剩余的液体水装满凹坑31后能够沿凹坑31的周向向外溢出，并沿空腔的外壁向下流动，而液体水在沿空腔的外壁向下流动的过程中，将与空腔内的换热流体发生换热而形成水蒸气。

本实施例中的换热装置3为板式换热器，当然，对于该换热装置3的具体结构不做限制，如还可以将其设置为管式换热器均可。该凹坑31的设置能够缓冲液体水，并且凹坑31内的液体水向外溢出时能够保证液体水会均匀的分布在空腔的外侧壁表面，保证与换热器充分的换热。另外，本实施例中，该换热装置3为圆柱形结构，其上端面设有圆形的凹坑31，或者还可以将其设置为截面呈多边形的结构，凹坑31的形状规则或不规则均可，凹坑31的形状与换热装置3的截面的形状相适配即可，具体对于凹坑31的大小、深度等均不作要求，可根据该换热装置3的截面大小具体设置。

进一步的，空腔的外侧壁还设有鳍片32，可进一步增大换热面积，可保证液体水的蒸发效果、提升液体水的蒸发效率。或者，本实施例中，还可以将空腔的外侧壁设置翅片、或者将空腔的外侧壁的表面设置为波纹结构等均可，在此不做具体限制。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。