專利名稱：用于熱燃料電池的熱交換器的制作方法
技術領域：
本發明涉及能夠對高溫氣體中所含的熱量進行回收的熱交換器領域。本發明尤其涉及一種在熱燃料電池的出口處使用的熱交換器。
背景技術：
燃料電池在執行電化學氧化還原反應的同時產生電力。為此，電池的電極需要分別被供給燃料(通常是氫氣)以及氧化劑 (也就是氧氣，其從被引入到電池芯部的空氣的蒸汽中提取)。熱燃料電池，例如固體氧化物燃料電池(SOFC)型的燃料電池，在非常高的溫度(約900°C)下運行。這使得它們尤其可以在所謂的“熱電聯產(cogeneration)”系統(即同時產生熱能和電能的系統)中有利地使用。這種熱電聯產系統可以同樣良好地在工業應用和家用電器中使用(例如在私人房屋中產生熱和電)。在這種系統中，燃料電池需要與諸如鍋爐或熱交換器等設備結合，所述設備能夠從電池排出的氣體中回收熱量。遺憾的是，來自熱燃料電池的氣體處于非常高的溫度，因此不可能在熱燃料電池的下游使用設計為用于處理低溫熱流的標準鍋爐系統。通常，大多數鍋爐由低性能材料，如不銹鋼制成，從而使熱量能夠在熱流與冷卻流體之間以低成本交換。然而，在由這種材料制成的鍋爐回路中控制極高溫氣體的注入和流動是非常困難的。對于該問題的一個解決方案在于使用善于承受高溫流的高性能材料。然而，使用這種材料將會大大增加熱電聯產系統的成本，這尤其對于家用電器而言是不希望的。

發明內容
本發明的一個目的在于減少那些缺陷并且提供一種熱交換器設計，該熱交換器設計尤其用于例如熱電聯產系統中的熱燃料電池的出口處，以便回收來自電池的高溫氣體中所含的全部熱量(包括顯熱和熱值兩者)，并且這種做法無需在熱交換器中使用高性能材料。該目的借助一種熱交換器而實現，該熱交換器在向所述熱交換器供應氧化劑氣體和燃料氣體的熱燃料電池的出口處運行，其包括用于氧化劑氣體的第一流動回路；用于燃料氣體的第二流動回路； 預先混合室，被供給氧化劑氣體和來自至少第二回路的燃料氣體；燃燒室，被供給來自預先混合室的氣態混合物和來自第一回路的氧化劑氣體；以及用于廢氣的流動回路，接收來自燃燒室中的廢氣；其中，用于氧化劑氣體的第一流動回路、用于燃料氣體的第二流動回路、燃燒室和用于廢氣的流動回路都浸入在共同的冷卻流體中。
在本發明的熱交換器中的用于氧化劑氣體的第一流動回路和用于燃料氣體的第二流動回路分別被供給熱燃料電池所用的氧化還原反應的廢氣。這些氣體非常熱，并且溫度可能高于650°C，例如大約為900°C。根據本發明，這些氣體在熱交換器的燃燒室中經歷“ 二次燃燒”。因此，通過將(用于氧化劑氣體、燃料氣體、和廢氣的)多種氣體流動回路和燃燒室浸入在同一冷卻流體中，本發明的熱交換器能夠回收來自熱燃料電池的氣體中所含的全部熱能，即顯熱和熱值兩者。本發明還可以首先降低來自熱燃料電池的氣體(氧化劑和燃料)的溫度，并且其次能夠降低燃燒室的溫度。 結果，與高溫氣體直接接觸(例如其表面面積與高溫氣體直接接觸)的部件的數量受到限制。這使得能夠有益地將低成本材料(具體為低性能材料或不銹鋼)用于熱交換器的部件，例如用于將氣體注入到燃燒室中的部件。此外,燃燒室通過浸入在冷卻流體中被冷卻而使其溫度降低使氣體的燃燒能夠在低溫下發生。這具有減少燃燒期間發出的氮氧化物(NOx)的量的效果。此外，設置預先混合室是用于優化燃料/氧化劑混合物的均勻性，因為在位于其下游的燃燒室中需要穩定的燃燒。被供給到預先混合室的氧化劑氣體可取自第一回路。可替代地，氧化劑氣體可取自用于氧化劑氣體的外部流動回路。此外，在本發明的特定的實施例中，熱交換器進一步包括用于被供給到預先混合室的燃料氣體的第三流動回路，所述第三流動回路浸入在冷卻流體中。第三回路可以使本發明的熱交換器中的燃料氣體流來自除熱燃料電池之外的一個源。因此，第三回路可通過重整裝置(如可以向熱燃料電池供給氫的重整裝置)供給。來自重整裝置的氣體同樣良好地可以是處于高溫(S卩，溫度高于650°C)的氣體。該燃料氣體本身在被供給到燃燒室之前通過冷卻流體冷卻。在本發明的另一個特定的實施例中，熱交換器還包括用于被供給到預先混合室的燃料氣體的外部流動回路。如果需要的話，這種外部回路可以增加能夠用于鍋爐的能量，尤其是如果來自其上游的燃料電池的氣體不足以滿足熱交換器的熱量需求的時候。優選地，該熱交換器還包括第一外罩，所述第一外罩將用于廢氣的流動回路和燃燒室包括在內；和第二外罩，所述第二外罩將用于氧化劑氣體和燃料氣體的流動回路包括在內，所述第一和第二外罩適于彼此連通，使得所述冷卻流體在這兩個外罩中流動。在這種情況下，用于氧化劑氣體和燃料氣體的多個流動回路尤其可以纏繞成螺旋狀，并且其圍繞第一外罩的各自的長度基本相同。通過優化氣體經過冷卻流體的距離(回路的長度)與所生成的熱交換器的整體尺寸之間的比率，用于流動回路的設置為螺旋狀的管道的使用提高了熱交換的效率。多種氧化劑和燃料氣體經過冷卻流體回路的路徑實際上是相同的。這使得每種氣體與冷卻流體的熱交換面積相同(從而使氣體/流體在熱交換器內的交換更為均勻)。在本發明的所有實施例通用的有利方案中，預先混合室通過注入柵極與燃燒室分隔開。在這種情況下，直接取自第一回路的氧化劑氣體有利地以圍繞注入柵極的環形方式被供給到燃燒室。以這種方式進行的供給用于提供冷卻燃燒室的壁的薄層。
根據本發明的所有實施例通用的另一有利方案，直接取自第一回路并且供給燃燒室的氧化劑氣體經過圍繞燃燒室形成的稀釋空氣室。本發明還提供在熱燃料電池的出口處運行的鍋爐，該鍋爐包括如以上所限定的熱交換器。本發明還包括用于同時產生熱能和電能的系統，該系統包括熱燃料電池以及如以上所限定的熱交換器，所述熱交換器通過熱燃料電池被供給氧化劑氣體和燃料氣體。因此，本發明的熱交換器 執行由熱交換器和熱燃料電池構成的整個熱電聯產系統的“熱的熱電聯產”功能，同時燃料電池執行“電的熱電聯產”功能。在特定的實施例中，本發明的熱電聯產系統還包括重整裝置，該熱交換器包括用于燃料氣體的第二和第三流動回路，第二和第三流動回路分別通過熱燃料電池和重整裝置進行供給。


本發明的其它特征和優勢將在以下參考示出了不含限制性特征的實施例的附圖的描述中呈現，其中圖I是本發明的第一實施例中的具有熱交換器的熱電聯產系統的簡圖；圖2是圖I的熱電聯產系統的縱向剖視圖；圖3是與圖2所示相似的視圖，為更清楚起見，其示出的熱電聯產系統去除了回路；圖4和圖5是本發明的第二實施例和第三實施例中的熱交換器的操作圖。
具體實施例方式圖I示出了根據本發明的熱電聯產系統500。 該熱電聯產系統500包括本發明的第一實施例中的熱交換器100 ;以及熱交換器100下游的熱燃料電池200和重整裝置300。在已知的方式中，熱燃料電池的運行溫度非常高，高于650°C。作為示例，這種電池是固體氧化物型燃料電池，通常稱作運行溫度大約為900°C的S0FC。那種類型的燃料電池的結構和操作是已知的，在此不進行更為詳細地描述。為了運行(即，為了使電化學氧化還原反應能夠與發電同時進行)，電池的電極需要被分別供給燃料氣體(通常是氫氣)和氧化劑氣體(即，例如供給電池的空氣流中所含的氧氣)。在當前描述的示例中，重整裝置300首先用于向電池供給燃料氣體(在該示例中即氫氣)，并且還經由入口 103向熱交換器100供給氫氣。在該示例中，來自重整裝置并且供給熱交換器的氫氣具有高于650°C的溫度。如以上所描述的，熱燃料電池200的運行溫度非常高。因此，該電池以非常高的溫度(通常高于650°C )下排出氧化劑氣體(主要是以空氣形式存在的氧氣)和燃料氣體(主要是氫氣)，這些氣體經由相應的入口 101和102供給到熱交換器100。如圖2和圖3中所示的，在此處描述的實施例中，熱交換器100具有兩個外罩
第一外罩E1，其是圓柱形的并且特別包含基本呈圓柱形的燃燒室140和用于輸送燃燒室中放出的廢氣的回路114 ;以及第二外罩E2，其安置在熱交換器100的上部中并且由內圓筒形壁160和外圓筒形壁161限定。在該第二外罩E2的內部，特別具有用于氧化劑氣體(空氣)的第一流動回路111，用于燃料氣體(氫氣)的第二流動回路112和用于燃料氣體(氫氣)的第三流動回路113。兩個外罩El和E2彼此連通，使得同一冷卻流體(例如水)在這些外罩El和E2的每一個中流動。冷卻流體可以借助在第二外罩的內壁160的下部和上部中形成的開口 115而在兩個外罩之間流動。
因此，燃燒室140、用于氧化劑氣體和燃料氣體的第一、第二和第三流動回路(111、112和113)以及來自燃燒室的廢氣的流動回路114都被設置在共同的冷卻流體回路中。使這些不同的回路和燃燒室都浸入在共同的冷卻流體中可以使用該流體回收所有的顯熱和所有的熱值，這些顯熱和熱值是由來自熱燃料電池以及可能來自重整裝置的氣體的燃燒產生的。熱交換器100經由供給入口 106被供給冷卻流體，該供給入口 106位于第二外罩E2的外壁161的下部中。該冷卻流體經由第二外罩E2的外壁161的上部中的出口 105從熱交換器100排出。通常，冷卻流體隨后用于加熱的目的。位于第二外罩E2中的流動回路的供給情況如下第一流動回路111經由供給入口 101被供給來自熱燃料電池200的氧化劑氣體(空氣)；第二流動回路112經由供給入口 102被供給來自熱燃料電池200的燃料氣體(氫氣);第三流動回路113經由供給入口 103被供給直接來自重整器300的燃料氣體(氫氣)。三個流動回路111、112和113由設置為螺旋形盤管的管道形成并且圍繞第一外罩El交替地設置在第二外罩E2的內側。在公知的方式中，管道的匝數取決于熱交換器100的性能。在當前描述的示例中，不同管道111、112和113中的匝數是相同的，使得每種氣體與冷卻流體具有相同的熱交換面積(即，通過熱交換器100的路徑相同)。這可以使得三個管道中流動的氣體與冷卻流體之間的熱交換更加一致，以便冷卻那些氣體。在第二外罩E2的出口處，第一流動回路111通過管道121延續到控制閥131。在控制閥的下游，第一流動回路通過兩個管道(即，通向在燃燒室140的上游形成的預先混合室142的一個管道125，和通向圍繞燃燒室140而形成的稀釋空氣室144的另一個管道126)延續。在第二外罩E2的出口處，第二和第三流動回路112和113通過各自的管道122和123延續，管道122和123在接合處124連接到一起而通向預先混合室142。結果，預先混合室142被供給來自第一流動回路111的氧化劑氣體以及來自第二和第三流動回路112和113的燃料氣體。由于這些氣體通過沿著流動回路111到113的流動而被冷卻，所以氫氣和空氣在被注入到燃燒室140之前能夠混合到一起而沒有自燃的風險。此外，由于該混合物的溫度遠遠低于供給到熱交換器100并且來自燃料電池200的氣體的溫度，所以該混合物能夠被注入到使用通常在市場上能買到的鍋爐中使用的這種低性能材料的燃燒室140中，例如這種低性能材料由不銹鋼制成。燃燒室140首先被供給來自預先混合室142的(穿過下面將詳細描述的注入柵極145的)氧化劑/燃料氣體混合物，并且其次被供給取自第一流動回路111并且經過稀釋空氣室144 (經由管道126)的氧化劑氣體。預先混合室142經由注入柵極145通向燃燒室140。這種注入柵極具有大量的截面很小的孔(例如圓形孔)。孔的數量、尺寸和深度被選擇成所獲得的氣流速度使火焰能夠依附于注入柵極，從而避免火焰朝向預先混合室上升，并且所獲得的火焰較短，因而限制燃燒室所需的長度。 預先混合室142還可以具有將其內部空間分成兩個部分的混合器柵極146。這種混合器柵極用于提高氧化劑氣體與燃燒氣體之間的混合程度。此外，燃燒室140被供給來自以環形方式圍繞注入柵極145的稀釋空氣室144的氧化劑氣體。為此，限定燃燒室的環形壁包括與注入柵極145對齊的、向預先混合室142開口并且通向燃燒室的多個孔口 147 (圖3)。最后，燃燒室140包括補充燃燒點火器148，其位于注入柵極145的中心并且用于點燃氧化劑/燃料混合物。管道122和123裝配有各自的設備132和133，所述設備132和133用于控制和調節燃料氣體進入預先混合室142 (并因而進入燃燒室140)的輸送。設備132和133、還有裝配到管121的控制閥131例如都可以是由控制設備(圖中未示出)控制的電磁閥。設備132和133還可以用于選擇預先混合室142的氫氣供給源。因此，例如在重整裝置300中的某些瞬時狀態期間，尤其是當開始的時候，通過重整裝置輸送的氫氣的量無法使燃料電池200正常地工作。在這種情況下，控制該設備132使得此時燃燒室140被供給來自重整裝置的氫氣(來自第三流動回路113的氣體)。當瞬時狀態已經結束時，控制該設備132以打開供來自電池200的氫氣在其中流動的回路122，并且同樣地控制該設備133以關閉供來自重整裝置300的氫氣在其中流動的回路123。如以上所述，燃燒室140本身浸入在外罩El內部的冷卻流體中，因而能夠使其溫度降低。這有利地用于減少在氣體混合物燃燒期間排出的氮氧化物(NOx)的量。來自燃燒室142的廢氣在由多個螺旋狀設置的管道形成的流動回路114中被收集。這些管道也浸入在外罩El的冷卻流體中，使得燃燒廢氣中所含的熱量也被流體回收，該流體能夠用于加熱的目的。冷卻的廢氣隨后由回路114的管道的出口處的歧管104回收。因此，借助本發明，可以回收來自熱燃料電池(以及可能來自重整裝置)的氣體的全部熱量(顯熱和熱值)，同時使得低性能材料能夠被用于熱交換器。通過將用于來自燃料電池和來自重整裝置的氣體的流動回路以及燃燒室和來自燃燒室的廢氣的流動回路浸入在共同的冷卻流體而使上述目的成為可能。結果，不僅氣體的顯熱由流體回收，而且氣體的熱值也轉化為熱量并且傳遞到同一流體。圖4是示出了在本發明的第二實施例中的熱交換器100’的功能圖。熱交換器100’與以上參考圖I到圖3描述的熱交換器的不同之處在于，供給預先混合室142的氧化劑氣體來自外部氧化劑氣體流動回路150，所述外部氧化劑氣體流動回路150中的流動速度是可調節的(例如借助電磁閥151)。此外，第一流動回路111 (經由管道126)唯一地連接到稀釋空氣室144，并且安裝在回路111中的設備131是電磁閥。設置用于使氧化劑氣體流經過的外部回路150的優勢在于為調節氧化劑氣體的流速提供了更大的靈活性。圖5是示出了在本發明的第 三實施例中的熱交換器100”的功能圖。熱交換器100”與以上參考圖I到圖3描述的熱交換器的不同之處在于，還包括用于輸送被供給到預先混合室142的燃料氣體流的外部回路170。外部回路170例如借助電磁閥171進行控制。更精確地，用于輸送燃料氣體流的外部回路170被連接到第二、第三流動回路112,113的管道122與123之間的接合處124。設置外部燃料氣體流回路170的優勢在于可以在需要的時候增加能夠用于鍋爐的能量，尤其是如果來自上游燃料電池的氣體不足以滿足熱交換器上的熱量需求的時候。
權利要求
1.一種熱交換器(100，100’，100”)，在向所述熱交換器供應氧化劑氣體和燃料氣體的熱燃料電池的出口處運行，所述熱交換器包括 用于氧化劑氣體的第一流動回路(111); 用于燃料氣體的第二流動回路(112)； 預先混合室(142)，被供給氧化劑氣體和來自至少所述第二回路(112)的燃料氣體； 燃燒室(140 )，被供給來自所述預先混合室的氣態混合物和來自所述第一回路(111)的氧化劑氣體；以及 用于廢氣的流動回路(114)，接收來自所述燃燒室(140)的廢氣； 其中，用于氧化劑氣體的所述第一流動回路、用于燃料氣體的所述第二流動回路、所述燃燒室和所述用于廢氣的流動回路都浸入在共同的冷卻流體中。
2.根據權利要求I所述的熱交換器(100)，其中供給所述預先混合室(142)的氧化劑氣體取自所述第一回路(111)。
3.根據權利要求I所述的熱交換器(100’)，其中供給所述預先混合室(142)的氧化劑氣體取自用于氧化劑氣體的外部流動回路(150 )。
4.根據權利要求I到3中的任意一項所述的熱交換器(100，100’，100”)，還包括用于供給所述預先混合室(142)的燃料氣體的第三流動回路(113)，所述第三流動回路(113)浸入在所述冷卻流體中。
5.根據權利要求4所述的熱交換器(100”)，還包括用于供給所述預先混合室(142)的燃料氣體的外部流動回路(170 )。
6.根據權利要求I到5中的任意一項所述的熱交換器(100，100’，100”)，還包括第一外罩(E1)，所述第一外罩包括用于廢氣的所述流動回路(114)和所述燃燒室(140);和第二外罩(E2)，所述第二外罩包括用于氧化劑氣體和燃料氣體的流動回路(111，112，113)，所述第一和第二外罩(E1、E2)適于彼此連通，使得所述冷卻流體在這兩個外罩中流動。
7.根據權利要求I到6中的任意一項所述的熱交換器(100，100’，100”)，其中所述預先混合室(142)通過注入柵極(145)與所述燃燒室(140)分隔開。
8.根據權利要求7所述的熱交換器(100，100’，100”)，其中直接取自所述第一回路(111)的氧化劑氣體以圍繞所述注入柵極(145)的環形方式被供給到所述燃燒室(140)。
9.根據權利要求I到8中的任意一項所述的熱交換器(100，100’，100”)，其中直接取自所述第一回路(111)并且供給所述燃燒室(140)的氧化劑氣體經過圍繞所述燃燒室形成的稀釋空氣室(144)。
10.根據權利要求I到9中的任意一項所述的熱交換器(100，100’，100”)，其中所述冷卻流體是水。
11.一種在熱燃料電池的出口處運行的鍋爐，所述鍋爐包括根據權利要求I到10中的任意一項所述的熱交換器(100，100’，100”)。
12.—種用于同時產生熱能和電能的系統(500),所述系統包括 熱燃料電池(200);以及 根據權利要求I到10中的任意一項所述的熱交換器(100，100’，100”)，所述熱交換器通過所述熱燃料電池(200)被供給氧化劑氣體和燃料氣體。
13.根據權利要求12所述的系統(500)，還包括重整裝置(300)，所述熱交換器包括用于燃料氣體的第二流動回路(112)和第三流動回路(113)，所述第二流動回路和所述第三流動回路分別通過所述熱燃料電池(200 )和所述重整 裝置被供給。
全文摘要
本發明涉及一種熱交換器(100)，其在向該交換器供應氧化劑氣體和燃料氣體的熱燃料電池的出口處運行，所述熱交換器包括第一氧化劑氣體流動回路(111)；第二燃料氣體流動回路(112)；預先混合室(142)，被供應來自至少第二回路的燃料氣體，并且被供應氧化劑氣體；燃燒室(140)，被供應來自預先混合室的氣體混合物，并且被供應來自第一回路的氧化劑氣體；以及廢氣流動回路(114)，接受來自燃燒室的廢氣。第一氧化劑氣體流動回路、第二燃料氣體流動回路、燃燒室以及廢氣流動回路都浸入在同一熱傳遞流體中。
文檔編號F24H1/28GK102753903SQ201080063416
公開日2012年10月24日 申請日期2010年12月13日 優先權日2009年12月18日
發明者卡梅·勒文布呂克, 多米尼克·因德西, 班諾瓦·塔爾博特, 阿卜杜勒-卡里姆·布哈勒法 申請人:斯奈克瑪公司