[发明专利]一种集成热交换及催化反应的SOFC系统用辅助元件

说明书

【技术领域】

本发明涉及热交换设备技术领域，具体地说，是一种集成热交换及催化反应的SOFC系统用辅助元件。

【背景技术】

燃料电池通过电化学反应将燃料的化学能转化成电能，是一种高效绿色的发电装置。其中的固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)属于第三代燃料电池，具有高效、安全、价格低廉、适用范围广等优点。利用SOFC热电系统发电供热，可实现能量的梯级利用，更加高效的利用能源。特别是未来在家庭领域的应用或者作为汽车的辅助电源，不仅具备高效的能源转化效率，同时可大大减少CO₂的排放量。

一般的SOFC系统主要由SOFC电堆、重整器、换热器和控制系统组成。为了保证SOFC电堆的寿命和高效性，进入SOFC电堆的非纯氢燃料需要经过燃料预处理阶段，将大部分燃料重整转化为H₂和CO。进入SOFC电堆的燃料和空气还需要经过预热处理阶段，将燃料和空气的温度提升到一定值，确保在SOFC电堆中能够顺利的发生电化学反应。从SOFC电堆出来的尾气的温度一般能够达到700～900℃，这部分高品质的热量能够给重整反应、燃料预热、空气预热和蒸汽发生器提供热量。此外尾气中还有未反应完全的H₂和CO，可以通过燃烧反应将剩余的燃料燃烧完全，提高尾气的温度和整个系统的燃料利用率。

中国专利公开号为CN103107348A的专利展示了一种耦合型的重整反应器，其主要依赖重整反应和燃烧室的燃烧反应，将燃烧反应释放的热量提供给吸热的重整反应，大大提高了反应器的工作效率。

催化燃烧是可燃物在催化剂的作用下，在一定的温度条件下进行的无火焰燃烧反应。催化燃烧没有火焰，燃烧完全，能够完全释放电堆尾气中剩余燃料的化学能，同时催化燃烧的起燃温度和反应温度都较普通燃烧低。因此催化燃烧不但能够提高系统效率，保证系统的安全可靠，还能够有效控制SOFC系统的整体温度，降低SOFC系统中的峰值温度，使其适用于未来SOFC的低温化操作。由于催化燃烧和重整反应一样可使用填充或者涂覆式催化剂，使得两者耦合的反应器结构形式更为广泛，并且高效安全。

为了进一步提高SOFC系统的整体效率，需要将SOFC系统中的换热元件以及反应元件整合在一起。因此，高度集成化的SOFC系统用辅助元件能够大大减少系统的热损失，提高系统综合效率，同时使系统结构更为紧凑。

【发明内容】

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种集成热交换及催化反应的SOFC系统用辅助元件。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种集成热交换及催化反应的SOFC系统用辅助元件，其包含换热段和反应段，换热段和反应段的材料均为316不锈钢，反应段的催化燃烧室出口和换热段的启动燃烧室入口通过焊接进行连接；其特征在于，换热段包含启动燃烧室，电火花启动器，空气管路，燃料管路和水汽管路，换热段的启动燃烧室设有废气出口，电火花启动器安装在启动燃烧室的壁面上，空气管路，燃料管路和水汽管路分别贯穿启动燃烧室，空气管路分别连接空气入口和空气预热室，燃料管路分别连接燃料入口和重整室，水汽管路分别连接水汽入口和重整室。

所述的反应段包含重整室，催化燃烧室，空气预热室和隔火装置；反应段采用三层套管式反应器，内层为可填充重整催化剂的重整室，中间层为可填充催化燃烧催化剂的催化燃烧室，外层为空气预热室，内中外三层通过焊接一体成型；

所述的反应段的重整室的一端连接燃料管路和水汽管路，重整室的另一端设有合成气出口，催化燃烧室的一端设有电堆阴阳极尾气入口，催化燃烧室的另一端设有一个环状隔火装置，同时在催化燃烧室和启动燃烧室之间设有燃烧尾气出口，空气预热室的一端连接空气管路，空气预热室的另一端设有空气出口。

所述的换热段包括启动燃烧室、电火花启动器、空气管路、燃料管路和水汽管路，可用于启动SOFC系统，预热空气，预热燃料以及将水气化为水蒸气。

所述的电火花启动器安装在启动燃烧室壁面上，可利用电池产生电火花，点燃启动燃烧室内的燃料，同时释放大量的热量，用于预热空气管路中的空气，预热燃料管路中的燃料，并将水汽管路中的水气化为水蒸气。