SOFC发电系统中扩散焊板翅式热交换器应用介绍

SOFC发电系统中扩散焊板翅式热交换器应用介绍

概要

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,简称SOFC)属于第三代燃料电池,是一种在中高温下直接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。被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池(PEMFC)一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。

SOFC 简介

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,简称 SOFC) 属于第三代燃料电池,是一种在中高温下直接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。被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。


二、 SOFC 系统原理及热交换器作用

一般的SOFC发电系统包括燃料处理单元、燃料电池发电单元以及能量回收单元。图 1 是一个以天然气为燃料、常压运行的发电系统为例。空气经过压缩器压缩,克服系统阻力后进入空气热交换器预热,然后通入电池的阴极。天然气经过压缩机压缩后,克服系统阻力进入混合器(重整器),与蒸汽发生器(热交换器)中产生的过热蒸汽混合,混合后的燃料气体进入燃气热交换器提升温度后通入燃料电池阳极。阴阳极气体在电池内发生电化学反应,电池发出电能的同时,电化学反应产生的热量将未反应完全的阴阳极气体加热。阳极未反应完全的气体和阴极剩余氧化剂通入燃烧器进行燃烧,燃烧产生的高温气体除了用来预热燃料和空气之外,也提供蒸汽发生器所需的热量。经过蒸汽发生器后的燃烧产物,其热能仍有利用价值,可以通过余热回收装置提供热水或用来供暖而进一步加以利用。


Image

1   天然气为燃料、常压运行的发电系统

由此热交换器在 SOFC 发电系统里比重很大,热交换器效率、体积、寿命决定 SOFC 大小及寿命。


三、热交换器技术要求

SOFC中热交换器主要技术难点为温度端差大(可达400℃以上),同时热交换器频繁循环启动,因此该热交换器需要有良好耐热冲击性能,同时具有耐高温(850℃以上)性能。具体技术指标见下表。

1 SOFC 中热交换器常规技术指标


项目

变量

单位

空气热交换器

燃气热交换器

水蒸气发生器

冷侧

介质

/

空气

燃气

冷侧 

进口温度

20~400

2 0~400

2 0

 冷侧

进口压力

kPa A

101~120

101~120

1 50

热侧

介质

/

尾气

尾气

尾气

热侧 

进口温度

700~850

5 50~650

200~300

 热侧

进口压力

kPa A

101~120

1 01~120

1 01~120



四、扩散焊板翅式热交换器特点

扩散焊板翅式热交换器采用真空扩散焊工艺,该工艺不需添加任何焊料、材料与材料间的固态结合、扩散焊焊接接头等同于母材物理性能等特点。有效解决了高温、热冲击、寿命等问题。

扩散焊板翅式热交换器采用翅片结构有效提高换热效率,解决了热交换器体积过大等问题。

扩散焊板翅式热交换器可制作多股流热交换器,将SOFC发电系统中的多台热交换器集成到一台热交换器,在SOFC发电系统有效运行的同时减少零部件数量。

扩散焊板翅式热交换器可选择不锈钢系列、高温合金系列等材料。



五、扩散焊板翅式热交换器结构

扩散焊板翅式热交换器结构见下图:

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2 扩散焊板翅式热交换器结构示图


Image 

3 多股流扩散焊板翅式热交换器结构示图


扩散焊板翅式热交换器实物见下图:

 

4   燃气扩散焊板翅式热交换器


 Image  

5   空气扩散焊板翅式热交换器


Image  

6   多股流(空气、燃气、水蒸气)扩散焊板翅式热交换器