CN114976109A

CN114976109A - 一种高温可逆固体氧化物燃料电池热管理装置及系统

Info

Publication number: CN114976109A
Application number: CN202210709650.8A
Authority: CN
Inventors: 欧绍辉; 杨波; 潘军; 郑海光; 杨怡萍; 黄旭锐; 于丰源; 徐钦
Original assignee: Guangzhou Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co Ltd
Priority date: 2022-06-22
Filing date: 2022-06-22
Publication date: 2022-08-30

Abstract

本发明公开了一种热管理装置，包括：至少一个换热部件和至少一个加热部件组合，至少一个加热元件设置在所述加热部件上；本发明公开了一种高温可逆固体氧化物燃料电池系统，包括依次连接的反应气回路模块、空气回路模块、电池模块；所述反应气回路模块包含热管理装置；所述空气回路模块包含热管理装置；本发明通过设置热管理装置，移除了额外的组件和管路，降低系统的复杂性；减小整个系统的尺寸，从而减少材料使用、成本和热损失，使系统更加节能和成本效益。

Description

一种高温可逆固体氧化物燃料电池热管理装置及系统

技术领域

本发明涉及可逆高温水电解系统的研究领域，特别涉及一种高温可逆固体氧化物燃料电池热管理装置及系统。

背景技术

使用太阳能或风能等可再生能源发电系统是研究的热点。在使用可再生能源的发电系统的情况下，电输出会随着自然环境变化发生波动。例如，如果可再生能源发电设施产生的电力超过电力需求，则可以使用可逆水电解系统将多余的电力转为生产和存储氢气，然后在需要时将氢气转换回电力。

基于高温水电解和燃料电池技术的可逆(或双向)电解水系统需要700℃或更高的运行环境，系统的精确热管理对于实现高效率和长寿命至关重要，并且系统尺寸和成本也同样重要。

可逆高温系统的核心是高温电堆。该电堆由一些单体电池组成，在发电期间以燃料电池模式运行，在消纳和存储电力期间以电解模式运行。为了在高温下操作电堆，反应气和空气都需要达到合适的温度，以防止电堆过冷或过热。以可逆固体氧化物电池(rSOC)的示例。这种设计类似于现有技术CN107431219A中公开的设计。rSOC系统由反应气回路和空气回路组成，两者都为气体进电堆之前做准备。热量由换热器回收。这些换热器设计用于燃料电池模式下运行，此时电池堆在放热条件下运行。根据设计，来自电堆的热废气具有足够高的温度来驱动两个换热器和来保持系统中的热平衡。然而，在电解模式下，电解堆处于吸热状态下运行。为了保持热平衡，添加了2个加热器以在需要时为进入电堆的气体提供热量，以确保电堆在合适的温度区间内工作。该系统还包括空气输入、空气压缩机、余热利用、排气、冷凝器、氢接收器、再循环泵、氢燃料输入、进水口和蒸发器。

实际上，通过加热器将气体加热到所需温度所是rSOC设计的一个难题。这些加热器是电动的，为了将气体加热到所需的温度(通常超过700摄氏度)，它们又大又笨重。由于系统也会随着变大，加热器的大尺寸给系统集成带来了问题。系统的大尺寸是一个缺点，因为大的表面积会导致影响系统效率和大量热损失。此外，使加热器绝缘所需的绝缘材料增加，导致成本显著增加，并且绝缘材料的热惯性使得系统无法快速加热。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种高温可逆固体氧化物燃料电池热管理装置及系统，解决了rSOC系统所需的大而笨重的加热器的问题。本发明是一种紧凑型装置，可同时提供热量回收和加热。

本发明的第一目的在于提供一种热管理装置；

本发明的第二目的在于提供一种高温可逆固体氧化物燃料电池系统。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种热管理装置，包括：

至少一个换热部件和至少一个加热部件组合，至少一个加热元件设置在所述加热部件上。

进一步地，加热部件至少包括第一加热部件、第二加热部件；换热部件设置在第一加热部件和第二加热部件之间。

进一步地，通过绑带或焊接方式将换热部件固定设置在第一加热部件和第二加热部件之间。

进一步地，加热元件至少包括第一加热元件、第二加热元件；第一加热元件固定设置在第一加热部件上，第二加热元件固定设置在第二加热部件上。通过调节加热元件的开启数量或者加热功率，满足不同的加热需求。

进一步地，第一加热元件通过机械固定方式设置在第一加热部件上，第二加热元件通过机械固定方式设置在第二加热部件上。

进一步地，机械固定方式包含螺栓固定、法兰固定。

进一步地，第一加热元件通过安装固定方式设置在第一加热部件上，第二加热元件通过安装固定方式设置在第二加热部件上。

本发明的第二目的通过以下技术方案实现：

一种高温可逆固体氧化物燃料电池系统，包括连接的反应气回路模块、空气回路模块、电池模块；反应气回路模块包含热管理装置；空气回路模块包含热管理装置；电池系统中包含电解系统，电解系统包括蒸汽电解、CO2电解或共电解。

进一步地，反应气回路模块包含：氢燃料输入管道、进水管道、蒸发器、再循环泵、氢接收器、冷凝器；进水管道连接蒸发器至热管理装置，氢燃料输入管道连接至热管理装置，热管理装置连接冷凝器、氢接收器、再循环泵、热管理装置；电池模块与热管理装置连接；系统运行时，循环泵的出气与蒸发器的出气汇合进入热管理装置或者氢燃料输入与循环泵的出气汇合进入热管理装置。

进一步地，空气回路模块包含：空气输入管道、空气压缩机、热管理装置、排气管道、热利用模块；空气输入管道连接空气压缩机至热管理装置；热管理装置一端连接电池模块，热管理装置另一端连接热利用模块至排气管道。

进一步地，电池模块为SOC电堆或MCFC或传导陶瓷电池。

本发明的工作过程：

气体进入电池模块之前被送到热管理装置，利用来自电池模块尾气中的热量对气体进行加热。同时，热管理装置内部的加热部件在需要时提供额外的热量。例如，在启动期间，加热部件可以提供热量将系统从环境温度加热到工作温度。在燃料电池模式期间，加热部件可用于在部分负载或其他非设计条件下保持热平衡。在电解模式下，加热部件可以为进入的气体提供热量，使其达到电堆入口所需的温度。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明简化了热管理部件结构，减低系统的复杂性，减小整个系统的尺寸，从而减少材料使用、成本和热损失，使系统更加节能和成本效益。

附图说明

图1是本发明所述热管理装置的结构图；

图2是本发明所述高温可逆固体氧化物燃料电池系统结构图。

附图中，1反应气回路模块、2空气回路模块、3电池模块、4第一换热器、5第二换热器、6第一加热器、7第二加热器、8氢燃料输入管道、9空气输入管道、10冷凝器、11再循环泵、12进水管道、13蒸发器、14氢接收器、15空气压缩机、16热利用模块、17排气管道、18第一热管理器、19第二热管理器，其中，由4第一换热器和6第一加热器组成第一热管理器，由5第二换热器和7第二加热器组成19第二热管理器。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

一种热管理装置，如图1所示，由第一换热器4和第一加热器6组成第一热管理器18，即第一换热器4为换热部件4，第一加热器6为加热部件6，包括：

换热部件4和加热部件6组合，加热元件1801设置在所述加热部件6上。

所述加热部件6包括第一加热部件61、第二加热部件62；通过绑带或焊接方式把换热部件4设置在第一加热部件61和第二加热部件62之间。

所述加热元件1801至少包括第一加热元件、第二加热元件；所述第一加热元件固定设置在第一加热部件61上，所述第二加热元件固定设置在第二加热部件上62。通过调节加热元件的开启数量或者加热功率，满足不同的加热需求。这里设有八个加热元件，其中四个加热元件通过机械固定方式设置在第一加热部件61上，另外四个加热元件通过机械固定方式设置在第二加热部件62上；所述机械固定方式包含螺栓固定、法兰固定。

所述加热元件为金属电加热棒或陶瓷加热板或其他同等效果的加热元件。

实施例2：

一种热管理装置，由第二换热器5和第二加热器7组成第二热管理器19，即第二换热器5为换热部件5，第二加热器7为加热部件7，包括：

换热部件5和加热部件7组合，加热元件设置在所述加热部件上。

所述加热部件7包括第一加热部件、第二加热部件；通过绑带或焊接方式把换热部件5设置在第一加热部件和第二加热部件之间。

所述加热元件至少包括第一加热元件、第二加热元件；所述第一加热元件固定设置在第一加热部件上，所述第二加热元件固定设置在第二加热部件上。通过调节加热元件的开启数量或者加热功率，满足不同的加热需求。这里设有八个加热元件，其中四个加热元件通过安装固定方式设置在第一加热部件上，另外四个加热元件通过安装固定方式设置在第二加热部件上。

实施例3：

一种高温可逆固体氧化物燃料电池系统，如图2所示，包括依次连接的反应气回路模块1、空气回路模块2、电池模块3；所述反应气回路模块1包含第一热管理装置18；所述空气回路模块包含第二热管理装置19。

所述反应气回路模块包含：氢燃料输入管道8、进水管道12、蒸发器13、再循环泵11、氢接收器14、冷凝器10；所述进水管道12连接蒸发器13至热管理装置18，所述氢燃料输入管道8连接至第一热管理装置18，所述第一热管理装置18连接冷凝器10、氢接收器14、再循环泵11、第一热管理装置18；所述电池模块3与第一热管理装置18连接。

所述空气回路模块2包含：空气输入管道9、空气压缩机15、第二热管理装置19、排气管道17、热利用模块16；所述空气输入管道9连接空气压缩机15至热管理装置19；所述第二热管理装置19一端连接电池模块3，所述第二热管理装置19另一端连接热利用模块16至排气管道17。

所述电池模块3为SOC电堆。

实施例4：

一种高温可逆固体氧化物燃料电池系统，包括依次连接的反应气回路模块1、空气回路模块2、电池模块3；所述反应气回路模块1包含第一热管理装置18；所述空气回路模块2包含第二热管理装置19。

所述反应气回路模块1包含：氢燃料输入管道8、进水管道12、蒸发器13、再循环泵11、氢接收器14、冷凝器10；所述进水管道12连接蒸发器13至第一热管理装置18，所述氢燃料输入管道8连接至热管理装置18，所述第一热管理装置18连接冷凝器10、氢接收器14、再循环泵11、第一热管理装置18；所述电池模块3与第一热管理装置18连接。

所述空气回路模块2包含：空气输入管道9、空气压缩机15、第二热管理装置19、排气管道17、热利用模块16；所述空气输入管道9连接空气压缩机151至第二热管理装置19；所述第二热管理装置19一端连接电池模块3，所述第二热管理装置19另一端连接热利用模块16至排气管道17。

所述电池模块3为MCFC或传导陶瓷电池。

实施例5：

一种电解系统，高温可逆固体氧化物燃料电池系统中包含有电解系统，既这里可以用电解系统替换高温可逆固体氧化物燃料电池系统，电解系统包括蒸汽电解、CO2电解或共电解这几种类型；

目前的系统图为rSOC系统，即此系统有电池模式和电解模式。

电池模式下反应气经过的部件路径：

氢燃料输入管道8-第一换热器4-第一加热器6-电池模块3-第一换热器4-冷凝器10-再循环泵11；

具体地，电池模式下，燃料通过氢燃料输入管道进入系统，电池模块通过电化学反应进行发电；

电解模式下水蒸气径路的部件路径：

进水管道12-蒸发器13-第一换热器4-第一加热器6-电池模块3-第一换热器4-冷凝器10-氢接收器14/再循环泵11；

具体地，电解模式下，电解所需物质通过进水管道、燃料管道进入系统，电池模块通过电化学反应进行电解。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种热管理装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种热管理装置，其特征在于，加热部件至少包括第一加热部件、第二加热部件；换热部件设置在第一加热部件和第二加热部件之间。

3.根据权利要求2所述的一种热管理装置，其特征在于，换热部件固定设置在第一加热部件和第二加热部件之间。

4.根据权利要求2所述的一种热管理装置，其特征在于，加热元件至少包括第一加热元件、第二加热元件；第一加热元件固定设置在第一加热部件上，第二加热元件固定设置在第二加热部件上。

5.根据权利要求4所述的一种热管理装置，其特征在于，加热元件为金属加热棒或陶瓷加热板或红外加热器。

6.根据权利要求4所述的一种热管理装置，其特征在于，第一加热元件通过机械固定方式或安装固定方式设置在第一加热部件上，第二加热元件通过机械固定方式或安装固定方式设置在第二加热部件上。

7.一种高温可逆固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，包括连接的反应气回路模块、空气回路模块、电池模块；反应气回路模块包含权利要求1-5任一权利要求的热管理装置；空气回路模块包含权利要求1-5任一权利要求的热管理装置；电池系统中包含电解系统，电解系统包括蒸汽电解、CO2电解或共电解。

8.根据权利要求7所述的一种高温可逆固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，反应气回路模块包含：氢燃料输入管道、进水管道、蒸发器、再循环泵、氢接收器、冷凝器；进水管道连接蒸发器至热管理装置，氢燃料输入管道连接至热管理装置，热管理装置连接冷凝器、氢接收器、再循环泵、热管理装置；电池模块与热管理装置连接。

9.根据权利要求7所述的一种高温可逆固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，空气回路模块包含：空气输入管道、空气压缩机、热管理装置、排气管道、热利用模块；空气输入管道连接空气压缩机至热管理装置；热管理装置一端连接电池模块，热管理装置另一端连接热利用模块至排气管道。

10.根据权利要求7所述的一种高温可逆固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，电池模块为SOC电堆或MCFC或传导陶瓷电池。