集成重整器、熱交換器、燃燒器的SOFC反應器

□ 陳德強

上海中弗新能源科技股份有限公司 上海 201306

1 設計背景

固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種通過電化學反應將燃料中的化學能直接轉化為電能的全固態發電器件,當選擇以氫氣為最終的燃料時,發電后只產生水、汽,對環境最為友善,但是氫氣的制備、運輸、存儲等都比較困難,所以SOFC退而求其次,使用其它碳氫燃料,比如天然氣、液化氣、煤氣、生物質氣、甲醇和乙醇等。但是在這些碳氫燃料進入SOFC電堆之前,必須要經過適當的重整,將其重整為小分子的氫氣和一氧化碳,然后進入電化學反應核心電堆,產生電能,因此需要一個重整場所重整器。在重整之前,需對碳氫燃料進行預熱,重整時的溫度約為幾百攝氏度,熱量的來源由SOFC發電排出的尾氣提供,因此需要一個熱交換的場所熱交換器。SOFC發電排出的尾氣含有SOFC發電時未參加電化學反應的剩余燃料氣,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、燃燒器為單獨加工制造,再串接于SOFC發電系統的管路中,從而實現三種不同的功能,但這也導致系統整體結構復雜、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容器內,不僅可以簡化系統整體結構、節省空間,還可為未來系統的集成化、小型化奠定基礎。

2 SOFC三器件

2.1 重整器

與傳統的火力發電技術不同,SOFC是通過電化學反應方式將燃料中的化學能直接轉化為電能的發電裝置,以氫氣為最終燃料,但是氫氣的制備、運輸、存儲等都比較困難,所以應用碳氫化合物作為燃料已是SOFC發展的必然趨勢。以碳氫化合物為燃料時,需要對其重整。重整一般可以分為內重整和外重整。外重整需借助外部的重整器對碳氫化合物進行重整,得到氫氣、一氧化碳和二氧化碳等氣體,然后進入電堆,增加了SOFC發電系統的復雜性,并且降低了SOFC發電系統的整體效率。內重整則是將增濕后的碳氫化合物氣體直接通入電堆中,完成對碳氫化合物燃料氣體的重整過程。內重整雖然提高了SOFC發電系統的整體效率,但是容易造成電極各處溫度分布不均且有積碳反應發生,從而導致電池功率密度大幅度下降,甚至有失效風險。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。

2.2 熱交換器

固體氧化物燃料電池工作時內部溫度一般超700 ℃以上,反應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,形成熱電聯供,使得SOFC的能效可以達到80%以上。尾氣余熱的利用方式之一就是為SOFC發電系統進氣進行預熱。SOFC發電系統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行工作的,由外部進入SOFC電堆的空氣和燃料氣在進入之前需要預熱,由此避免直接進入,導致SOFC電堆溫度驟降,進而影響電堆的正常工作。通過熱交換器,可以使SOFC發電系統工作排出的尾氣與進入電堆的燃料氣進行熱交換。

2.3 燃燒器

SOFC發電系統的燃料氣進入電堆發電,會有20%～50%的燃料不在電池中參與反應。未被利用的燃料氣,如氫氣、一氧化碳、二氧化碳等,會和反應生成的水、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發電系統管路中的連接位置如圖1所示。

圖1 三器件在SOFC發電系統管路中連接位置

3 SOFC結構

集成三器件的SOFC結構如圖2所示。集成三器件的外重整反應器主要由三部分組成:內外罐體、管路和催化劑。內外罐體呈圓柱殼狀,內外罐同軸,其中內罐體長度大于外罐體,兩端分別長1～2 cm,形成凸臺。內芯腔填充有燃料氣重整用催化劑,兩端分別用分隔塊進行固定,分隔塊的位置略低于罐體端部1～2 cm,端部再分別用實體圓環板密封。該圓環板中心開孔,分別與外部的燃料氣進氣管、燃料氣出氣管連接。外罐體套在內罐體外,在內罐體與外罐體之間的環形內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處分別設置有環形擋塊進行固定,端部也分別用實體圓環板密封。該圓環板上開孔,分別與外部的循環水進出管、氧氣進氣管、尾氣進氣管。

圖2 集成三器件的SOFC結構

盤管及尾氣出氣管進行連接設置于環形內腔內,且與罐體的兩端連通,與外部的循環水進出管連接,供循環水流通。盤管呈螺旋狀,可增大接觸面積,提高調節罐體內溫度的效率。

分隔塊可對三元催化劑進行定位,兩塊分隔塊分別焊接于內罐體兩端的內側壁上,間隔焊接,無密封要求,其在內罐體兩端分別與端部的實體圓環板形成一圓柱體腔,用于緩和和均勻分布氣體的進出。實體圓環板焊接在內罐體端部,要求密封且無泄漏,使用前需進行密封檢測。同樣,兩塊環形擋塊分別焊接在外罐體兩端的內側壁及內罐體的外側壁上,可對燃料氣重整用催化劑進行定位,間隔焊接,無需密封,分別與兩端的實體圓環板形成一圓環狀體腔,用于緩和和均勻分布氣體的進出。實體圓環板焊接在外罐體的端部,要求密封無泄漏,同樣在使用前要進行密封檢測。

4 SOFC工作原理

集成三器件的外重整反應器在使用時安裝于SOFC發電系統管路的前端,從SOFC電堆出來的高溫尾氣通過尾氣進氣管進入環形內腔。如上所述,由于高溫尾氣內含未參與電化學反應的氫氣和一氧化碳等氣體,所以同時由氧氣進氣管引入空氣,內含氧氣,至環形內腔助燃,實現燃燒器功能。高溫尾氣與空氣首先在罐體前端的圓環狀空間內進行混合,后進入環形內腔內,在三元催化劑的作用下反應燃燒,釋放的熱量對該反應器內罐進行加熱。燃燒后的尾氣經過凈化,最后由尾氣出氣管排出。

在對重整反應器內部溫度升至指定溫度后,碳氫化合物燃料氣通過燃料氣進氣管進入內芯腔。由于內芯腔的高溫環境,燃料氣被加熱,實現換熱器功能,溫度升至重整溫度,在重整催化劑的作用下,得以催化重整,實現重整器功能,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出,進入SOFC發電系統電堆實現發電。

循環水進出管與環形內腔相連通,盤管與罐體兩端的循環水進出管相連通,接入水源,使水循環于環形內腔中。盤管中流通有循環水,可對罐體內溫度進行綜合調節,螺旋狀設計的盤管可增大接觸面積,能增加調節的精度,便于調控,能夠有效避免溫度失控。

尾氣進氣管、氧氣進氣管分別設置于罐體輸入端的凸臺兩側,尾氣出氣管設置于罐體輸出端的凸臺一側,且與尾氣進氣管在軸向上相錯位180°設置。

5 結束語

高溫尾氣通過尾氣進氣管進入環形內腔中,與通過熱傳導將熱能傳遞至內芯腔中的燃料氣在罐體內部完成熱交換,循環后充分利用,減少了能量損失。通過氧氣進氣管補充空氣進入環形內腔中,可為尾氣燃燒補充氧氣,以便于尾氣中所含的氫氣和一氧化碳能在后續處理中充分燃盡,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,可對需要重整的燃料氣進行預熱。通過罐體、內芯腔及環形內腔的設置,集催化重整器、熱交換器、三元催化燃燒器于一體,形成一個綜合功能體,節省了空間,簡化了系統管路布置,從而大大地提高了系統集成度及換熱效率。

本技術已申請實用新型專利。