一种固体氧化物燃料电池尾燃驱动重整装置及其实现方法与流程

本发明涉及固体氧化物燃料电池重整技术，具体涉及一种固体氧化物燃料电池尾燃驱动重整装置及其实现方法。

背景技术：

固体氧化物燃料电池(solidoxidefuelcell,sofc)是一种在高温下直接将燃料的化学能转化为电能的发电装置，相比于低温燃料电池，其燃料适用范围广，除氢气外，还可使用碳氢化合物作为燃料。多个sofc单电池堆叠而成sofc电堆；sofc系统包括sofc电堆及重整器和尾燃器等辅助部件。

使用碳氢化合物作为sofc燃料时，通常需要将燃料进行重整，得到氢气和一氧化碳的合成气，再进入sofc发生电化学反应。根据重整反应发生的场所，sofc的重整可分为内重整和外重整。内重整发生在电池内部，重整反应需要吸收大量的热从而造成较大的温度梯度，温度梯度导致的热应力很容易造成电池结构的破坏以及性能的下降。外重整是在电池外部构建一个重整器，碳氢燃料的重整通常为蒸汽重整，反应方程式如下：

上述反应是强吸热反应，需要外界提供大量热量。另一方面，sofc电堆的尾气中未被利用的燃料通常需要经过尾燃器的燃烧，再排入外界环境，尾气燃烧放出大量热量。如果将燃烧反应放出的热量传热给重整的吸热反应，改进重整器与燃烧器的换热方式，加强燃烧器与重整器的换热效果，可望提高能量利用率，能大大提高sofc系统的性能。在目前的sofc系统中，通常使尾燃器中排放的高温气体流过重整器的壁面，与重整器内的气体换热，从而为重整器提供热量，达到能量梯级利用的目的，然而这种换热方式的换热系数较低，为达到预期的换热效果，必须有较大的换热面积，造成系统的体积庞大，集成度低，且易与系统中其他部件产生结构干涉。

因此改进重整器与尾燃器的结构与换热方式，提高系统的整体能量利用效率，成为亟待解决的重要问题。

技术实现要素：

本发明提出了一种固体氧化物燃料电池尾燃驱动重整装置及其实现方法，改进现有sofc系统中重整器与尾燃器的换热方式，解决能量利用率低的问题；利用表面催化换热器良好的换热效果实现sofc重整气与尾燃气之间的热量交换，改进表面催化换热器的结构与组合方式，降低能量损耗，提高换热效率，进而提高sofc系统的性能。

本发明的一个目的在于提出一种固体氧化物燃料电池尾燃驱动重整装置。

本发明的固体氧化物燃料电池尾燃驱动重整装置，为外重整装置，设置在sofc电堆外部，包括：重整器、尾燃器、表面催化换热器、温度传感器和点火枪；其中，

重整器包括重整器壳体、重整气进气端盖、燃料进气口、氧化剂进气口、重整气出气端盖和重整气出气口；重整器壳体为内部中空的壳体，中心轴沿水平方向；重整器壳体的一端为进气端设置重整气进气端盖，另一端为出气端设置重整气出气端盖；在重整气进气端盖上分别设置有燃料进气口和氧化剂进气口；在重整气出气端盖上设置有重整气出气口；

尾燃器包括尾燃器壳体、尾气进气端盖、尾气进气口、空气进气口、尾气出气端盖和尾气出气口；尾燃器壳体为内部中空的壳体，中心轴沿水平方向，并且位于重整器之下；尾燃器壳体的一端为进气端设置尾气进气端盖，另一端为出气端设置尾气出气端盖；在尾气进气端盖上设置有尾气进气口和空气进气口；在尾气出气端盖上设置有尾气出气口；

表面催化换热器包括重整器换热片、尾燃器换热片、重整器蒸汽连接管、重整器冷凝液连接管、尾燃器蒸汽连接管、尾燃器冷凝液连接管、蒸汽管道、冷凝液管道、气体流通管和流体介质；

重整器换热片的内部中空；多片相同的重整器换热片平行且与重整器壳体同轴放置在重整器壳体内，重整器换热片的侧壁外边缘与重整器壳体的内壁无缝贴合，靠近重整气进气端盖的一片重整器换热片称为重整器蒸发片，靠近重整气出气端盖的一片重整换热片称为重整器冷凝片；多片重整器换热片将重整器内部分割为三个空间，分别为重整气预混区、重整区和排气区，重整气进气端盖的内表面与重整器蒸发片之间为重整气预混区，多片重整器换热片之间为重整区，重整器冷凝片与重整气出气端盖的内表面之间为排气区；相邻的重整器换热片之间的顶端设置有连通的重整器蒸汽连接管；除重整器蒸发片以外，相邻的重整器换热片之间的底端设置有连通的重整器冷凝液连接管；在每一片重整器换热片的外表面涂敷有重整催化剂；

尾燃器换热片的内部中空；多片相同的尾燃器换热片平行且同轴放置在尾燃器壳体内，尾燃器蒸发片的外边缘与尾燃器壳体的内边缘无缝贴合，靠近尾气进气端盖的一片尾燃器换热片称为尾燃器蒸发片，靠近尾气出气端盖的一片尾燃器换热片称为尾燃器冷凝片；多片尾燃器换热片将尾燃器内部分割为三个空间，分别为尾气预混区、燃烧区、尾气排放区，尾气进气端盖的内表面与尾燃器蒸发片之间为尾气预混区，多片尾燃器换热片之间为燃烧区，尾燃器冷凝片与尾气出气端盖的内表面之间为尾气排放区；除尾燃器冷凝片外，相邻的尾燃器换热片之间的顶端设置有连通的尾燃器蒸汽连接管；相邻的尾燃器换热片之间的底端设置有连通的尾燃器冷凝液连接管；每片尾燃器换热片的表面涂敷有燃烧催化剂；

重整器蒸发片的底端与尾燃器蒸发片的顶端设置有连通的蒸汽管道；重整器冷凝片的底端与尾燃器冷凝片的顶端设置有连通的冷凝液管道；重整器换热片、尾燃器换热片、重整器蒸汽连接管、重整器冷凝液连接管、尾燃器蒸汽连接管、尾燃器冷凝液连接管、蒸汽管道和冷凝液管道整体全封闭，内部填充有流体介质，流体介质为导热介质；在每一片重整器换热片和尾燃器换热片上均设置有多个分布均匀的气体流通管，气体流通管的轴平行于重整器和尾燃器的中心轴，从而重整器和尾燃器内的气体能够通过气体流通管穿过重整器换热片和尾燃器换热片，从进气端流通至出气端；

点火枪伸入至尾燃器的燃烧区内；

在重整器的重整区内设置有温度传感器；温度传感器通过导线连接至外部的信号接收器；

固体氧化物燃料电池尾燃驱动重整装置包括启动阶段和运行阶段：

在启动阶段，温度传感器采集重整器的重整区内的温度信号，并将温度信号传输至外部的信号接收器；尾燃器工作，燃料和空气分别通过尾气进气口和空气进气口进入尾燃器的尾气预混区，预混后通过气体流通管依次经过表面涂敷有催化燃烧催化剂的多组尾燃器换热片，经点火枪点火后在尾燃器的燃烧区中燃烧，多片尾燃器换热片被加热，内部的流体介质蒸发形成蒸汽，从底端上升至顶端，并通过顶端的尾燃器蒸汽连接管传输至蒸汽管道，经蒸汽管道传输至重整器蒸发片，从重整器蒸发片的底端流通至顶端，继续经重整器蒸汽连接管传输，形成蒸汽流道；蒸汽在重整器换热片的传输过程中与重整器换热片外部进行热交换冷凝放热，加热重整器的重整区；蒸汽在除重整器蒸发片以外的重整器换热片内冷凝后形成冷凝液，从顶端下降至底端，并通过底端的重整器冷凝液连接管传输至冷凝液管道，经冷凝液管道传输至尾燃器冷凝片，从尾燃器冷凝片的顶端流通至底端，并继续经尾燃器冷凝液连接管传输，形成冷凝液流道，冷凝液在燃烧区中继续被加热形成蒸汽，如此往复，直至温度传感器监测到温度达到设定的运行温度后，启动阶段完成，进入运行阶段；

在运行阶段，燃料和氧化剂分别通过重整器的燃料进气口和氧化剂进气口进入重整器的重整气预混区，预混后通过气体流通管依次经过表面涂敷有重整催化剂的重整器换热片，在重整区的重整催化剂的催化作用下发生重整反应，重整后的气体从排气区通过重整气出气口排出，输送进sofc电堆中发生电化学反应，sofc电堆中的尾气通入尾燃器经表面涂敷有催化燃烧催化剂的尾燃器换热片，经催化燃烧后从尾气排放区排出，同时重整器中吸收燃烧反应放出的热量，使得流体介质蒸发，从尾燃器换热片通至重整器换热片的过程，经蒸汽流道和冷凝液流道，冷凝放热，为重整反应提供热量。

流体介质为导热介质，采用加热蒸发的液态金属，液态的钠、钾或钾钠混合物。重整器换热片、尾燃器换热片、重整器蒸汽连接管、重整器冷凝液连接管、尾燃器蒸汽连接管、尾燃器冷凝液连接管、蒸汽管道和冷凝液管道采用耐高温的导热良好材料，如不锈钢。

重整器换热片的侧面外边缘形状与重整器的内侧壁形状一致；尾燃器换热片的侧面外边缘形状与重整器的内侧壁形状一致。

燃料与氧化剂在重整器内发生重整反应，转化为氢气与一氧化碳，氢气与一氧化碳从重整器的合成气出气口通入燃料电池阳极入口发电，燃料电池阳极出口气体，包括氢气、水蒸气、一氧化碳和二氧化碳，通过尾燃器燃烧排入外界环境。

重整催化剂，通常为ni。

燃烧催化剂，通常为pt。

通过燃料进气口通入重整器的燃料采用气体或液体燃料，重整为蒸汽重整或干重整，氧化剂为水蒸气或二氧化碳；气体燃料采用甲烷、乙烷、丙烷和丁烷中的一种或多种，液体燃料采用汽油或柴油。通入尾燃器的燃料分为启动阶段的燃料和运行阶段的燃料；启动阶段通入尾燃器的燃料为与重整器的气体燃料一致，运行阶段通入尾燃器燃料即电池阳极出口气体，为氢气、水蒸气、一氧化碳、二氧化碳的混合气。

本发明的另一个目的在于提出一种固体氧化物燃料电池尾燃驱动重整装置的实现方法。

本发明的固体氧化物燃料电池尾燃驱动重整装置的实现方法，包括启动阶段和运行阶段：

一、启动阶段：

1)温度传感器采集重整器的重整区内的温度信号，并将温度信号传输至外部的信号接收器；

2)尾燃器工作，燃料和空气分别通过尾气进气口和空气进气口进入尾燃器的尾气预混区，预混后通过气体流通管依次经过表面涂敷有催化燃烧催化剂的多组尾燃器换热片，经点火枪点火后在尾燃器的燃烧区中燃烧，多片尾燃器换热片被加热；

3)尾燃器换热片内部的流体介质蒸发形成蒸汽，从底端上升至顶端，并通过顶端的尾燃器蒸汽连接管传输至蒸汽管道，经蒸汽管道传输至重整器蒸发片，从重整器蒸发片的底端流通至顶端，继续经重整器蒸汽连接管传输，形成蒸汽流道；

4)蒸汽在重整器换热片的传输过程中与重整器换热片外部进行热交换冷凝放热，加热重整器的重整区；

5)蒸汽在除重整器蒸发片以外的重整器换热片内冷凝后形成冷凝液，从顶端下降至底端，并通过底端的重整器冷凝液连接管传输至冷凝液管道，经冷凝液管道传输至尾燃器冷凝片，从尾燃器冷凝片的顶端流通至底端，并继续经尾燃器冷凝液连接管传输，形成冷凝液流道；

6)冷凝液在燃烧区中继续被加热形成蒸汽，重复步骤3)～5)，如此往复；

7)当温度传感器监测到温度达到设定的运行温度后，启动阶段完成，进入运行阶段；

二、运行阶段

1)燃料和氧化剂分别通过重整器的燃料进气口和氧化剂进气口进入重整器的重整气预混区；

2)预混后通过气体流通管依次经过表面涂敷有重整催化剂的重整器换热片，在重整区的重整催化剂的催化作用下发生重整反应；

3)重整后的气体从排气区通过重整气出气口排出，输送进sofc电堆中发生电化学反应；

4)sofc电堆中的尾气通入尾燃器经表面涂敷有催化燃烧催化剂的尾燃器换热片，经催化燃烧后从尾气排放区排出；

5)同时重整器中吸收燃烧反应放出的热量，使得流体介质蒸发，从尾燃器蒸发片流通至重整器蒸发片的过程，经蒸汽流道和冷凝液流道，冷凝放热，为重整反应提供热量。

本发明的优点：

本发明在重整器和尾燃器内设置连通的表面催化换热器，表面催化换热器包括连通的多片重整器换热片和尾燃器换热片，采用在尾燃器内燃烧燃料，通过表面催化换热器将热量传导至重整器，实现重整器的快速启动；通过表面催化换热器实现重整器内部重整区与尾燃器的燃烧区迅速的热传导，提升了能量的利用效率；和传统重整装置比，本发明有效节约了换热面积；重整器换热片和尾燃器换热片的表面分别涂敷有重整和燃烧催化剂，既促进了气体的流动，又使其充分接触催化剂，使得重整反应与燃烧反应更充分，有效提升燃料电池系统的性能。

附图说明

图1为本发明的固体氧化物燃料电池尾燃驱动重整装置的一个实施例的示意图；

图2为本发明的固体氧化物燃料电池尾燃驱动重整装置的一个实施例的表面催化换热器的示意图，其中，(a)为主视图，(b)为右视图，(c)为附视图，(d)为等轴测视图；

图3为本发明的固体氧化物燃料电池尾燃驱动重整装置的一个实施例的表面催化换热器的蒸汽流道和冷凝液流道的循环图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的固体氧化物燃料电池尾燃驱动重整装置包括：重整器1、尾燃器3、表面催化换热器3、温度传感器4和点火枪5；其中，

重整器1包括重整器壳体14、重整气进气端盖12、燃料进气口11、氧化剂进气口13、重整气出气端盖15和重整气出气口16；重整器壳体14为内部中空的圆筒形，中心轴沿水平方向；重整器壳体14的一端为进气端设置重整气进气端盖12，另一端为出气端设置重整气出气端盖15；在重整气进气端盖上分别设置有燃料进气口11和氧化剂进气口13；在重整气出气端盖15上设置有重整气出气口16；

尾燃器3包括尾燃器壳体34、尾气进气端盖32、尾气进气口31、空气进气口33、尾气出气端盖35和尾气出气口36；尾燃器壳体34为内部中空的圆筒形，中心轴沿水平方向，并且位于重整器之下；尾燃器壳体34的一端为进气端设置尾气进气端盖32，另一端为出气端设置尾气出气端盖35；在尾气进气端盖32上设置有尾气进气口31和空气进气口33；在尾气出气端盖35上设置有尾气出气口36；

如图2所示，表面催化换热器2包括重整器换热片21、尾燃器换热片22、重整器蒸汽连接管23、重整器冷凝液连接管24、尾燃器蒸汽连接管25、尾燃器冷凝液连接管26、蒸汽管道27、冷凝液管道28、气体流通管29和流体介质；

重整器换热片21的内部中空；多片相同的重整器换热片平行且与重整器壳体14同轴放置在重整器壳体14内，重整器换热片的侧壁外边缘与重整器壳体14的内壁无缝贴合，靠近重整气进气端盖12的一片重整器换热片称为重整器蒸发片，靠近重整气出气端盖15的一片重整换热片称为重整器冷凝片；多片重整器换热片将重整器内部分割为三个空间，分别为重整气预混区17、重整区18和排气区19，重整气进气端盖12的内表面与重整器蒸发片之间为重整气预混区，多片重整器换热片之间为重整区，重整器冷凝片与重整气出气端盖15的内表面之间为排气区；相邻的重整器换热片之间的顶端设置有连通的重整器蒸汽连接管23；除重整器蒸发片以外，相邻的重整器换热片之间的底端设置有连通的重整器冷凝液连接管24；在每一片重整器换热片的外表面涂敷有重整催化剂；

尾燃器换热片22的内部中空；多片相同的尾燃器换热片平行且同轴放置在尾燃器壳体34内，尾燃器蒸发片的外边缘与尾燃器壳体34的内边缘无缝贴合，靠近尾气进气端盖32的一片尾燃器换热片称为尾燃器蒸发片，靠近尾气出气端盖35的一片尾燃器换热片称为尾燃器冷凝片；多片尾燃器换热片将尾燃器内部分割为三个空间，分别为尾气预混区37、燃烧区38、尾气排放区39，尾气进气端盖32的内表面与尾燃器蒸发片之间为尾气预混区，多片尾燃器换热片之间为燃烧区，尾燃器冷凝片与尾气出气端盖35的内表面之间为尾气排放区；除尾燃器冷凝片外，相邻的尾燃器换热片之间的顶端设置有连通的尾燃器蒸汽连接管25；相邻的尾燃器换热片之间的底端设置有连通的尾燃器冷凝液连接管26；每片尾燃器换热片的表面涂敷有燃烧催化剂；

重整器蒸发片的底端与尾燃器蒸发片的顶端设置有连通的蒸汽管道27；重整器冷凝片的底端与尾燃器冷凝片的顶端设置有连通的冷凝液管道28；重整器换热片、尾燃器换热片、重整器蒸汽连接管23、重整器冷凝液连接管24、尾燃器蒸汽连接管25、尾燃器冷凝液连接管26、蒸汽管道27和冷凝液管道28整体全封闭，内部填充有流体介质，流体介质为导热介质；在每一片重整器换热片和尾燃器换热片上均设置有多个分布均匀的气体流通管29，气体流通管29的轴平行于重整器和尾燃器的中心轴，从而重整器和尾燃器内的气体能够通过气体流通管29穿过重整器换热片和尾燃器换热片，从进气端流通至出气端；

点火枪从尾燃器的尾气进气端盖伸入至尾燃器的燃烧区内；

在重整器的重整区内设置有温度传感器；温度传感器通过导线连接至外部的信号接收器。

导热介质为液态的钠、钾或钾钠混合物。重整器换热片、尾燃器换热片、重整器蒸汽连接管23、重整器冷凝液连接管24、尾燃器蒸汽连接管25、尾燃器冷凝液连接管26、蒸汽管道27和冷凝液管道28采用如不锈钢；重整催化剂采用ni；燃烧催化剂采用pt。

本发明的固体氧化物燃料电池尾燃驱动重整装置的实现方法，包括启动阶段和运行阶段：

一、启动阶段：

1)温度传感器采集重整器的重整区内的温度信号，并将温度信号传输至外部的信号接收器；

2)尾燃器工作，燃料和空气分别通过尾气进气口31和空气进气口33进入尾燃器的尾气预混区，预混后通过气体流通管29依次经过表面涂敷有催化燃烧催化剂的多组尾燃器换热片，经点火枪点火后在尾燃器的燃烧区中燃烧，多片尾燃器换热片被加热；

3)尾燃器换热片内部的流体介质蒸发形成蒸汽，从底端上升至顶端，并通过顶端的尾燃器蒸汽连接管25传输至蒸汽管道27，经蒸汽管道27传输至重整器蒸发片，从重整器蒸发片的底端流通至顶端，继续经重整器蒸汽连接管23传输，形成蒸汽流道，如图3所示；

4)蒸汽在重整器换热片的传输过程中与重整器换热片外部进行热交换冷凝放热，加热重整器的重整区；

5)蒸汽在除重整器蒸发片以外的重整器换热片内冷凝后形成冷凝液，从顶端下降至底端，并通过底端的重整器冷凝液连接管24传输至冷凝液管道28，经冷凝液管道28传输至尾燃器冷凝片，从尾燃器冷凝片的顶端流通至底端，并继续经尾燃器冷凝液连接管26传输，形成冷凝液流道，如图3所示；

6)冷凝液在燃烧区中继续被加热形成蒸汽，重复步骤3)～5)，如此往复；

7)当温度传感器监测到温度达到设定的运行温度后，启动阶段完成，进入运行阶段；

二、运行阶段

1)氧化剂采用水蒸气，燃料和水蒸气分别通过重整器的燃料进气口11和氧化剂进气口13进入重整器的重整气预混区；

2)预混后通过气体流通管29依次经过表面涂敷有重整催化剂的重整器换热片，在重整区的重整催化剂的催化作用下发生重整反应，生成氢气和一氧化碳；

3)重整后的气体从排气区通过重整气出气口16排出，输送进sofc电堆中发生电化学反应；

4)sofc电堆中的尾气通入尾燃器经表面涂敷有催化燃烧催化剂的尾燃器换热片，经催化燃烧后从尾气排放区39排出；

5)同时重整器中吸收燃烧反应放出的热量，使得流体介质蒸发，从尾燃器蒸发片流通至重整器蒸发片的过程，经蒸汽流道和冷凝液流道，冷凝放热，为重整反应提供热量。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。