一种管式固体氧化物燃料电池反应热区制造技术

本发明专利技术提供了一种管式固体氧化物燃料电池反应热区，包括多夹层的反应装置和包围在所述多夹层的反应装置外部的保温层；多夹层的反应装置包括燃料前处理腔室、燃料电池电堆模块、电堆乏气后处理腔室、结构化的夹层流道以及物料输入/输出端口。本发明专利技术采用一体化的多夹层设计，实现紧凑空间多热源与多股流体的热量平衡和物质转化和迁移；反应热区内部的管式电堆为多个组装的管束模块组合集成，能够快速组装拆卸，方便检修；采用多个旋转对称供风口为阴极供给空气，能够在管式单元间形成多向切圆环流，实现中央与四周的热量和物质交换，强化阴极侧传热传质，避免温度分布不均和局部缺气等问题，有效提升管式电堆的性能输出和长期稳定性。稳定性。稳定性。

A tubular solid oxide fuel cell reaction hot zone

【技术实现步骤摘要】
一种管式固体氧化物燃料电池反应热区


[0001]本专利技术属于管式固体氧化物燃料电池发电系统设计
，涉及一种管式固体氧化物燃料电池反应热区，尤其涉及一种管式固体氧化物燃料电池发电系统的反应热区。

技术介绍

[0002]固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC）是一种在中高温下将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置，是一种新型的能源供给技术，其能通过高温电化学反应实现燃料化学能直接转化为电能，具有发电效率高、运行噪音低、低碳绿色、燃料适应性广的优点，能够满足各种不同功率规模的供电需求。固体氧化物燃料电池大致分为两种：一种是圆柱型，其中电极和固态电解质均绕着圆柱面覆盖，另一种是平面型，其中固态电解质和电极都做成平面形状。其中，管式固体氧化物燃料电池（以下简称管式电池）凭借管式结构的高强度特性，其可以适应快速启停、负载变动频繁的应用需求，在便携式发电装置、汽车辅助动力系统、家庭热电联产装置等分布式发电场景具有广泛的应用。
[0003]管式电池应用在便携式发电领域时，紧凑化的发电装置中往往设计有用于电化学反应和燃料的催化重整反应的场所，这一高温反应区域是整个装置的核心部件，往往被设计成一体化的整体结构，通常被称为反应热区。反应热区中包括产生电能的管式电池单元串联或并联组合形成的管式电堆、为管式电堆提供反应物质的燃料重整前处理反应器以及进行热量管控的部件或结构。为实现大功率的输出，管式电堆中一般包含大量的管式电池单元，而数量上的增加会造成管式电堆制备、组装、运行方面的困难：电池的串/并联连接、集流线的绝缘以及后期故障修复和维护等，直接组合大量管式电池单元制备整个电堆在操作上较为困难。而且管式电堆在运行发电的过程还会伴随产生大量的热量，需要专门的散热设计使运行温度不至于过高，从而避免超出材料及部件的安全使用温度范围。此外，陶瓷类型的管式固体氧化物燃料电池的功能层材料对于温度梯度较为敏感，需要管式电堆运行时具有均匀的温度分布。
[0004]但是现有的管式电堆的设计大多采用沿管式电池轴向或横向方向的空气气流在管式电池的阴极侧进行吹扫，来实现管式电堆的散热，并提供阴极侧所需的氧化剂。此时，由于空气的流速较慢，对流换热的散热效果有限，并且单一方向的流动也使得管式电池中存在的气流盲区，导致阴极部分区域出现氧化剂供应不足，出现局部“缺气”和“中间热四周冷”等现象。而且散热困难和局部“缺气”的问题会随着管式电堆中管式电池单元的数量的增加而愈发恶化。所以，上述大量管式电池单元集成电堆过程存在的制备组装困难、散热困难、局部“缺气”等现象，可能造成管式电池单元短路、断路、密封失效、冷热不均开裂、高温烧结等问题，严重影响管式电堆的性能输出和长期稳定性。
[0005]因此，如何能够设计一种更为适宜的管式固体氧化物燃料电池的反应热区，解决现有的管式固体氧化物燃料电池发电系统存在的上述问题，已成为本领域诸多一线研究人员亟待解决的问题之一。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种管式固体氧化物燃料电池反应热区，该反应热区是一种包含模块化安装电堆和多向切圆环流空气供给的管式固体氧化物燃料电池发电系统的反应热区设计，具有结构紧凑、组装快速简单、温度和组分分布均匀的优点。
[0007]本专利技术提供了一种管式固体氧化物燃料电池发电系统的反应热区，所述反应热区包括多夹层的反应装置和包围在所述多夹层的反应装置外部的保温层；所述多夹层的反应装置包括燃料前处理腔室、燃料电池电堆模块、电堆乏气后处理腔室、结构化的夹层流道以及物料输入/输出端口。
[0008]优选的，所述燃料前处理腔室设置于在多夹层的反应装置的中央位置；所述燃料前处理腔室中填充有燃料前处理催化剂；所述燃料电池电堆模块包括一个或多个电堆子模块；所述电堆子模块包括多个管式固体氧化物燃料电池，通过串联和/或并联组成；所述管式固体氧化物燃料电池包括阳极、电解质和阴极。
[0009]优选的，所述电堆子模块分散且对称地设置在燃料前处理腔室的外围；所述管式固体氧化物燃料电池发电系统的反应热区包括管内区域和管外区域；所述电堆子模块的管内区域与燃料前处理腔室之间通过燃料分配室相互连通；所述管式固体氧化物燃料电池包括两端开口或一端开口的管状的固体氧化物燃料电池。
[0010]优选的，所述电堆乏气后处理腔室设置在燃料电池电堆模块的下游；所述电堆乏气后处理腔室与燃料电池电堆模块的出口直接连接；所述结构化的夹层流道设置在所述反应热区的外层；所述结构化的夹层流道包括空气预热腔室和/或尾气换热腔室。
[0011]优选的，所述电堆乏气后处理腔室中设置有乏气后处理催化剂；所述反应热区还包括温度监测部件和/或启动部件；所述温度监测部件中的一个或多个，设置在燃料前处理腔室、燃料电池电堆模块、电堆乏气后处理腔室和结构化的夹层流道中的一处或多处；所述温度监测部件包括热电偶和/或温度传感器；所述物料的输入端口包括燃料原料气入口、前处理辅助原料气输入口和空气入口中的一种或多种。
[0012]优选的，所述物料的输出端口包括燃料电池反应热区向外排出完全反应后的尾气出口；所述反应热区为一体化多夹层的反应热区；所述空气输入口包括在反应热区的外侧布置多个旋转对称的空气输入口和/或中央区域布置多个辐射发散的空气输入口；所述反应热区具有切圆多向环流供气和中央辐射发散供气的结构。
[0013]优选的，所述物料输入端口中的燃料原料气入口与燃料原料气预热区域相连通；所述燃料原料气预热区域与电堆乏气后处理腔室实现换热连接；所述燃料原料气预热区域与所述燃料前处理腔室相连通；
所述燃料前处理腔室通过前处理产气出口与一级燃料分配室相连通；所述一级燃料分配室的出口与所述燃料电池电堆模块的燃料入口相连通；所述燃料电池电堆模块的燃料入口与二级燃料分配室相连通。
[0014]优选的，所述二级燃料分配室的出口与管式燃料电池单元相连通；所述管式燃料电池单元与二级燃料乏气汇总室相连通；所述二级燃料乏气汇总室通过电堆子模块燃料乏气出口与一级燃料乏气汇总室相连通；所述一级燃料乏气汇总室通过燃料乏气出口与电堆乏气后处理腔室相连通；所述燃料乏气出口设置在一级燃料乏气汇总室与电堆乏气后处理腔室的间壁隔板的内侧或外侧。
[0015]优选的，所述物料输入端口中的空气入口与空气预热腔室相连通；所述空气预热腔室具有夹层流道结构；所述空气预热腔室设置在燃料电池电堆模块与尾气换热腔室之间；所述空气预热腔室通过空气喷口与所述燃料电池电堆模块阴极侧的空气反应腔室相连通；所述燃料电池电堆模块的空气乏气出口与空气乏气换热腔室相连通。
[0016]优选的，所述空气乏气换热腔室设置在所述燃料前处理腔室的外侧或包围燃料前处理腔室；所述空气乏气换热腔室与所述一级燃料分配室和/或二级燃料分配室实现换热连接；所述空气乏气换热腔室通过空气乏气换热腔室出口与所述电堆乏气后处理腔室相连通；所述乏气后处理腔室的尾气出口与尾气换热腔室相连通；所述尾气本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种管式固体氧化物燃料电池发电系统的反应热区，其特征在于，所述反应热区包括多夹层的反应装置和包围在所述多夹层的反应装置外部的保温层；所述多夹层的反应装置包括燃料前处理腔室、燃料电池电堆模块、电堆乏气后处理腔室、结构化的夹层流道以及物料输入/输出端口。2.根据权利要求1所述的反应热区，其特征在于，所述燃料前处理腔室设置于在多夹层的反应装置的中央位置；所述燃料前处理腔室中填充有燃料前处理催化剂；所述燃料电池电堆模块包括一个或多个电堆子模块；所述电堆子模块包括多个管式固体氧化物燃料电池，通过串联和/或并联组成；所述管式固体氧化物燃料电池包括阳极、电解质和阴极。3.根据权利要求2所述的反应热区，其特征在于，所述电堆子模块分散且对称地设置在燃料前处理腔室的外围；所述管式固体氧化物燃料电池发电系统的反应热区包括管内区域和管外区域；所述电堆子模块的管内区域与燃料前处理腔室之间通过燃料分配室相互连通；所述管式固体氧化物燃料电池包括两端开口或一端开口的管状的固体氧化物燃料电池。4.根据权利要求1所述的反应热区，其特征在于，所述电堆乏气后处理腔室设置在燃料电池电堆模块的下游；所述电堆乏气后处理腔室与燃料电池电堆模块的出口直接连接；所述结构化的夹层流道设置在所述反应热区的外层；所述结构化的夹层流道包括空气预热腔室和/或尾气换热腔室。5.根据权利要求1所述的反应热区，其特征在于，所述电堆乏气后处理腔室中设置有乏气后处理催化剂；所述反应热区还包括温度监测部件和/或启动部件；所述温度监测部件中的一个或多个，设置在燃料前处理腔室、燃料电池电堆模块、电堆乏气后处理腔室和结构化的夹层流道中的一处或多处；所述温度监测部件包括热电偶和/或温度传感器；所述物料的输入端口包括燃料原料气入口、前处理辅助原料气输入口和空气入口中的一种或多种。6.根据权利要求1所述的反应热区，其特征在于，所述物料的输出端口包括燃料电池反应热区向外排出完全反应后的尾气出口；所述反应热区为一体化多夹层的反应热区；所述空气输入口包括在...

【专利技术属性】
技术研发人员：史翊翔，史继鑫，范峻华，蔡宁生，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：