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CN107851821B - 水蒸气发生装置及含其的燃料电池系统 - Google Patents

水蒸气发生装置及含其的燃料电池系统 Download PDF

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CN107851821B CN201680022481.3A CN201680022481A CN107851821B CN 107851821 B CN107851821 B CN 107851821B CN 201680022481 A CN201680022481 A CN 201680022481A CN 107851821 B CN107851821 B CN 107851821B
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Abstract

公开一种用于改性碳化氢燃料的水蒸气发生装置。水蒸气发生装置包括腔体、将腔体内部的空间划分为水蒸气排出空间及加热空间的空间划分部件、具有外部水供应装移动且位于水蒸气排出空间的端部且经过加热空间的管及向加热空间供应热能的加热装置。所述水蒸气发生装置能够向燃料改性装置稳定、均匀地供应水蒸气。

Description

水蒸气发生装置及含其的燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种向改性碳化氢燃料的燃料改性装置稳定地供应水蒸气的水蒸气发生装置及含其的燃料电池系统。
背景技术
燃料电池利用氢和氧的反应发电。这种燃料电池在直接使用氢的情况下效率最高，但是为此将氢储存罐直接安装在安装燃料电池的位置的情况下将引起诸多安全性方面的问题。因此，目前对碳化氢燃料进行改性生成氢并将此作为燃料电池的燃料使用。
主要使用的上述改性碳化氢燃料的方法为使水蒸气与碳化氢燃料反应生成氢的水蒸气改性方法。这种水蒸气改性方法通过水蒸气与碳化氢燃料的反应主要生成氢、一氧化碳、二氧化碳等，这些作为燃料气体供应到燃料电池。
而根据这种水蒸气改性方法，水蒸气的量少于碳化氢燃料量或反应温度下降的情况下，其反应生成能够急剧损坏燃料电池的电极的碳(C)的问题。因此，为防止这种生成碳(C)的问题，需要向碳化氢燃料与水蒸气发生反应的燃料改性装置稳定、均匀地供应水蒸气。
发明内容
技术问题
本发明的一个目的是提供一种能够向燃料改性装置稳定、均匀地供应水蒸气的水蒸气发生装置。
本发明的另一目的是提供一种包括所述水蒸气发生装置的燃料电池系统。
技术方案
本发明实施例的水蒸气发生装置包括：具有内部空间的腔体；配置于所述腔体的内部，将所述内部空间划分为水蒸气排出空间及加热空间的空间划分部件；具有连接于外部水供应装置的第一端部及位于所述水蒸气排出空间的第二端部且经过所述加热空间的管；及向所述加热空间供应热能的加热装置。这种情况下，所述腔体可具有将所述水蒸气排出空间连接到燃料改性装置的水蒸气排出口。
所述加热装置可包括向所述加热空间供应高温气体的高温气体供应装置，这种情况下，所述腔体具有所述加热空间、用于来自所述高温气体供应装置的所述高温气体注入的气体注入口及从所述加热空间排出所述高温气体的气体排出口。不同于此，所述加热装置可包括设置于形成所述加热空间的所述腔体的侧壁的电热加热器。
根据一个实施例，所述水蒸气发生装置还可以包括热保有介质，其配置于所述水蒸气排出空间的内部，包括比热(specific heat)大于所述腔体及所述空间划分部件的比热的物质。根据一个例子，所述热保有介质可包括多个珠或者具有发泡体或网结构。
根据一个实施例，所述水蒸气排出空间可包括连接于所述水蒸气排出口的第一空间及位于所述第一空间的下部用于配置所述热保有介质的第二空间，这种情况下，可以使得所述第二空间的上部侧连接于所述第一空间且侧部或底部被所述加热空间包围。
根据一个实施例，所述空间划分部件可包括具有形成于中间部分的开口部，结合于所述腔体的侧壁，位于所述第一空间和所述加热空间之间的第一划分部及从所述开口部向下部延伸形成所述第二空间，位于所述第二空间与所述加热空间之间的第二划分部。这种情况下，所述第一划分部的上部面可以具有向所述第二空间的方向倾斜的形状使得因重力而落在所述第一划分部的上部面的液态水向所述第二空间移动。
根据一个实施例，所述水蒸气发生装置还可以包括配置于所述第二空间的内部感测存在于所述第二空间的液态水的水感测器。例如，所述水感测器可包括配置于所述第二空间的内部的温度测定仪或液体感测器。
根据一个实施例，所述管中位于所述加热空间的内部的部分可配置成包围所述第二空间的线圈形态。
本发明实施例的燃料电池系统包括：将水供应装置供应的液态水变成水蒸气的水蒸气发生装置；使所述水蒸气发生装置供应的水蒸气及碳化氢燃料反应生成含氢的燃料气体的燃料改性装置；及利用所述燃料改性装置供应的所述燃料气体及外部空气供应装置供应的空气发电的燃料电池堆。并且，所述水蒸气发生装置包括：具有内部空间的腔体；配置于所述腔体的内部，将所述内部空间划分为水蒸气排出空间及加热空间的空间划分部件；具有连接于所述水供应装置的第一端部及位于所述水蒸气排出空间的第二端部且经过所述加热空间的管；及向所述加热空间供应热能的加热装置，所述腔体具有将所述水蒸气排出空间连接到所述燃料改性装置的水蒸气排出口。
技术效果
根据以上说明的水蒸气发生装置及含其的燃料电池系统，能够显著提高燃料电池系统的稳定性。
具体来讲，并非将水蒸气发生装置的管直接连接到燃料改性装置，而是通过腔体的水蒸气排出空间连接，因此不仅能够向燃料改性装置均匀地供应水蒸气，还能够在高温气体的温度减小或加热装置故障等发生异常情况而导致管处的液态水无法变成水蒸气的情况下防止液态水供应到燃料改性装置。
并且，通过在所述腔体的水蒸气排出空间配置热保有介质，在发生上述异常情况时也能够利用所述热保有介质所储存的热能将供应到所述水蒸气排出空间的液态水转换成水蒸气。
并且，通过在所述腔体的水蒸气排出空间设置水感测器，能够在早期确认上述异常情况的发生。
附图说明
图1为用于说明本发明实施例的水蒸气发生装置的剖面图；
图2为用于说明本发明实施例的燃料电池系统的示意图。
具体实施方式
以下，参见附图详细地说明本发明的实施例。本发明可做多种变更，可以具有多种形态，以下在附图例示特定实施例并在正文进行详细说明。但这目的并不是将本发明限定在所公开的形态，实际上应该理解为包括本发明思想及技术范围内的所有变更、等同物及替代物。在说明各附图时对类似的构成要素标注类似的附图标记。为确保本发明的明确性，附图中各结构的尺寸比实际有所放大。
第一、第二等用语可用于说明多种构成要素，但所述构成要素不得限定于所述用语。所述用语只是用于区分一个构成要素与其他构成要素。例如，在不脱离本发明技术方案的前提下，可以把第一构成要素命名为第二构成要素，类似地，可以把第二构成要素命名为第一构成要素。
本申请中所使用的用语只是用于说明特定实施例，并非限定本发明。单数的表现形式在文中无其他明确定义的情况下包括复数的表现形式。应该将本申请中的“包括”或“具有”等用语理解为存在说明书上记载的特征、步骤、动作、构成要素、部件或其组合，而不应理解为预先排除一个或多个其他特征或步骤、动作、构成要素、部件或其组合
若无其他定义，此处使用的包括技术用语或科学用语在内的所有用语均表示与本领域普通技术人员的通常理解相同的意思。通常使用的词典中定义过的用语应解释为与相关技术的文章中的意思相一致的意思，本申请中没有明确定义的情况下不得解释为理想性或过度形式性的意思。
<水蒸气发生装置(Steam Generator)>
图1为用于说明本发明实施例的水蒸气发生装置的剖面图。
参见图1，本发明实施例的水蒸气发生装置100可向利用化学角度上含有氢的甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)、天然气(natural gas)、煤气(coal gas)等碳化氢燃料生成燃料电池的反应所需的氢的燃料改性装置(图2的1200)供应水蒸气。根据一个实施例，供应甲烷(CH4)作为所述碳化氢燃料的情况下，所述燃料改性装置可通过所述甲烷与从所述水蒸气发生装置(100及图2的1100)供应的水蒸气的如下述反应式1所示的反应生成所述氢。
[反应式1]
3CH4+4H2O→10H2+2CO+CO2
在上述反应的同时，基于所述燃料改性装置内部的反应温度及水蒸气和碳成分的比例，可能发生如下述反应式2所示的生成碳(C)的副反应，如上生成的碳供应到燃料电池堆(图2的1300)的情况下损坏燃料电池的燃料极，能够造成燃料电池的性能急剧下降。因此，为了抑制这种生成碳的副反应，需要向所述燃料改性装置稳定地供应水蒸气。
[反应式2]
2CO→C+CO2
本发明实施例的所述水蒸气发生装置100可包括腔体110、空间划分部件120、管130及加热装置(未示出)。
所述腔体110可具有内部空间10、20，所述空间划分部件120配置于所述腔体110的内部，可以将所述腔体110的内部空间10、20划分为两个空间，即水蒸气排出空间10与加热空间20。并且，所述腔体110中形成所述水蒸气排出空间10的部分可形成有排出水蒸气的水蒸气排出口111，这种水蒸气排出口111可连接于所述燃料改性装置(图2的1200)。
所述腔体110与所述空间划分部件120可以由在高温下稳定的材质形成。例如，所述腔体110及所述空间划分部件120可分别由在高温下稳定的金属、合金、陶瓷、金属复合体、金属与陶瓷的复合体等材质形成。另外，所述腔体110与所述空间划分部件120彼此可以由相同材质形成，也可以由不同的材质形成。
所述管130具有在所述腔体110的外部连接于水供应装置(未示出)的第一端部及位于所述水蒸气排出空间10的内部的第二端部，可配置成经过所述加热空间20并延伸到所述水蒸气排出空间10。如上设置所述管130的情况下，从所述外部的水供应装置向所述管130供应的水在所述加热空间20移动的过程中变成水蒸气，变成的水蒸气可排出到所述水蒸气排出空间10内。并且，从所述管130排出到所述水蒸气排出空间10内的水蒸气可通过所述水蒸气排出口111供应到所述燃料改性装置(图2的1200)。
所述加热装置(未示出)可向所述加热空间20供应热能使得在所述管130的水变成水蒸气。
根据一个实施例，所述加热装置可包括向所述加热空间供应高温气体的高温气体供应装置，所述高温气体供应装置可以是燃烧器(参见图2的1400)。这种情况下，所述腔体110中形成所述加热空间20的部分可形成有用于来自所述高温气体供应装置的高温气体注入的气体供应口112a及从所述加热空间20排出高温气体的气体排出口112b。在能够提高所述加热空间20的温度的前提下，所述高温气体不受特殊限制。根据一个例子，可以将从燃料电池堆(图2的1300)排出的气体用作所述高温气体。即，所述加热装置可用燃烧器(图2的1400)等燃烧从所述燃料电池堆排出的气体后用送风器等将燃烧的高温气体供应到所述加热空间20。
根据另一实施例，所述加热装置还可以包括设置于形成所述加热空间20的所述腔体110的侧壁的电热加热器等。
如上，所述管130并非直接连接于所述燃料改性装置(图2的1200)而是通过所述腔体110的水蒸气排出空间10连接于所述燃料改性装置(图2的1200)的情况下，不仅能够向所述燃料改性装置(图2的1200)均匀地供应水蒸气，在高温气体的温度减小或加热装置故障等发生异常的情况下也能够防止未变成水蒸气的液态水供应到所述燃料改性装置(图2的1200)。
通常，外部的水供应装置(未示出)用泵装置将水供应到所述管130，因此将所述管130直接连接到所述燃料改性装置(图2的1200)的情况下，所述泵装置的脉动使得向所述燃料改性装置(图2的1200)供应的水蒸气也随着所述泵装置的脉动而无法均匀地供应。而如本发明将所述管130通过所述腔体110的水蒸气排出空间10连接到所述燃料改性装置(图2的1200)的情况下，所述水蒸气排出空间10起到缓解所述泵装置的脉动的功能，因此能够向所述燃料改性装置(图2的1200)更加均匀地供应水蒸气。
并且，将所述管130直接连接在所述燃料改性装置(图2的1200)的情况下，由于高温气体的温度减小或加热装置故障等发生异常可能造成液态水直接供应到燃料改性装置(图2的1200)，这种情况下，能够与碳化氢燃料反应的水蒸气的量减少，并且碳化氢燃料与水蒸气的反应温度下降，因此如反应式2所示，可能发生大量能够破坏燃料电池电极的碳。而如本发明将所述管130通过所述腔体110的水蒸气排出空间10连接在所述燃料改性装置(图2的1200)的情况下，所述液态水储存到所述腔体110的水蒸气排出空间10，液态水不会供应到所述燃料改性装置(图2的1200)，因此能够防止上述碳的发生。
另外，本发明实施例的水蒸气发生装置100还可以包括热保有介质140，所述热保有介质140配置于所述水蒸气排出空间10的内部，由比热(specific heat)大于所述腔体110或所述空间划分部件120的比热的物质构成。
所述热保有介质140能够吸收和储存供应到所述腔体110的加热空间20的热能，在所述高温气体的温度减小或加热装置故障等发生异常情况而导致所述管130处的液态水无法变成水蒸气的情况下，能够用所述热保有介质140储存的热能将供应到所述水蒸气排出空间10的液态水变成水蒸气。
根据一个实施例，所述热保有介质140可以由比热相对高的陶瓷、金属、耐高温性的聚合物等形成，为了加大和所述液态水的接触面积，可以构成为包括多个珠(bead)或者具有发泡体(foam)或网(mesh)结构。
所述热保有介质140如上配置于所述水蒸气排出空间10内的情况下，所述水蒸气排出空间10可包括直接连接于所述水蒸气排出口111的第一空间10a及位于所述第一空间10a的下部且用于配置所述热保有介质140的第二空间10b。为了将供应到所述加热空间20的热有效地供应到配置于所述第二空间10b的所述热保有介质140，可以使所述第二空间10b的上部侧连接于所述第一空间10a，侧部及/或底部被所述加热空间20包围。如上，在能够收容所述热保有介质140且能够从所述加热空间20有效地获得热能的前提下，所述第二空间10b的形状不受特殊限制。例如，所述第二空间10b的形状可以是侧部及底部被所述加热空间20包围的圆柱、四角立柱、圆锥、四角锥等形状或多种非定形形状。
根据一个实施例，为形成所述第一空间10a及第二空间10b，所述空间划分部件120可包括第一划分部121及第二划分部122。所述第一划分部121具有形成于中间部分的预定形状的开口部，结合于所述腔体110的侧壁，可划分所述第一空间10a与所述加热空间20。所述第二划分部122形成从所述第一划分部121的开口部向下部延伸的所述第二空间10b，可划分所述第二空间10b与所述加热空间20。根据一个实施例，为了将由于重力而落在所述第一划分部121的上部面的液态水移动到所述第二空间10b，可以使所述第一划分部121的上部面为向所述第二空间10b方向倾斜的倾斜形状。
另外，本发明实施例的水蒸气发生装置100还可以包括配置在所述第二空间10b内感测存在于所述第二空间10b的液态水的水感测器150。所述高温气体的温度减小或加热装置故障等发生异常情况导致所述管130处的液态水未变成水蒸气的情况下，在所述异常情况发生初期，利用储存于所述热保有介质140的热能生成的水蒸气供应到所述燃料改性装置(图2的1200)，而随着经过预定时间，所述热保有介质140也发生冷却，因此可能发生无水蒸气供应到所述燃料改性装置(图2的1200)的问题。如上，所述燃料改性装置(图2的1200)未被供应水蒸气的情况下如上所述，可能大量生成能够损坏燃料电池的燃料极的碳。所述水感测器150感测存在于所述第二空间10b的液态水，能够在早期提示发生了上述异常情况，因此能够显著提高燃料电池系统的稳定性。
在能够感测存在于所述第二空间10b的液态水的前提下，所述水感测器150的构成不受特殊限制。例如，所述水感测器150可包括能够测定所述第二空间10b的温度的温度测定仪、能够感测存在于所述第二空间10b的液体的液体感测器等。
另外，在能够用供应到所述加热空间20的热能将液态水变为水蒸气的前提下，配置于所述加热空间20内部的管130的结构不受特殊限制。根据一个实施例，所述水蒸气排出空间10如上包括第一空间10a及第二空间10b的情况下，可以使配置于所述加热空间20内部的管130部分可以配置成包围所述第二空间10b的线圈形态以增大热交换面积。
<燃料电池系统(Fuel Cell System)>
图2为用于说明本发明实施例的燃料电池系统的示意图。
参见图2，本发明实施例的燃料电池系统1000可包括水蒸气发生装置1100、燃料改性装置1200及燃料电池堆1300。
所述水蒸气发生装置1100获得外部水供应装置(未示出)供应的液态水并将此变为水蒸气后供应到所述燃料改性装置1200。可适用参见图1说明的水蒸气发生装置100作为所述水蒸气发生装置1100，因此省略与此相关的重复说明。
所述燃料改性装置1200可使从外部燃料供应装置(未示出)供应的碳化氢燃料及从所述水蒸气发生装置1100供应的水蒸气反应生成包括氢的燃料气体。这种燃料改性装置1200可以是已知或今后开发的燃料改性装置，因此省略与此相关的重复说明。
所述燃料电池堆1300可利用从所述燃料改性装置1200供应的燃料气体中的氢及从外部空气供应装置(未示出)供应的空气中的氧发电。可任意适用固体氧化物型燃料电池堆、固体高分子型燃料电池堆、磷酸型燃料电池堆、熔融碳酸盐型燃料电池堆等作为这种燃料电池堆1300。
另外，本发明实施例的燃料电池系统1000中，所述水蒸气发生装置1100的加热装置可包括图2所示的燃烧器1400。
所述燃烧器1400可燃烧从所述燃料电池堆1300排出的气体并将其以高温气体的形式供应到所述水蒸气发生装置1100的加热空间20。并且，所述燃烧器1400可以向所述燃料改性装置1200供应所述碳化氢燃料与所述水蒸气反应所需的热能。可以任意采用公知的燃烧装置作为这种燃烧器1400。
根据以上说明的水蒸气发生装置及含其的燃料电池系统，能够显著提高燃料电池系统的稳定性。
具体来讲，并非将水蒸气发生装置的管直接连接到燃料改性装置，而是通过腔体的水蒸气排出空间连接，因此不仅能够向燃料改性装置均匀地供应水蒸气，还能够在高温气体的温度减小或加热装置故障等发生异常情况而导致管处的液态水无法变成水蒸气的情况下防止液态水供应到燃料改性装置。
并且，通过在所述腔体的水蒸气排出空间配置热保有介质，在发生上述异常情况时也能够利用所述热保有介质所储存的热能将供应到所述水蒸气排出空间的液态水转换成水蒸气。
并且，通过在所述腔体的水蒸气排出空间设置水感测器，能够在早期确认上述异常情况的发生。
以上参照本发明的优选实施例进行了说明，而本领域技术人员应理解可在不超出本发明的思想及领域的范围内对本发明进行多种修正及变更。

Claims (13)

1.一种水蒸气发生装置，其特征在于，包括：
具有内部空间的腔体；
配置于所述腔体的内部，将所述内部空间划分为水蒸气排出空间及加热空间的空间划分部件；
具有连接于外部水供应装置的第一端部及位于所述水蒸气排出空间的第二端部且经过所述加热空间的管；
向所述加热空间供应热能的加热装置；以及
热保有介质，其配置于所述水蒸气排出空间的内部，包括比热(spec ific heat)大于所述腔体及所述空间划分部件的比热的物质，
其中，所述腔体具有将所述水蒸气排出空间连接到燃料改性装置的水蒸气排出口。
2.根据权利要求1所述的水蒸气发生装置，其特征在于：
所述加热装置包括向所述加热空间供应高温气体的高温气体供应装置，
所述腔体具有所述加热空间、用于来自所述高温气体供应装置的所述高温气体注入的气体注入口及从所述加热空间排出所述高温气体的气体排出口。
3.根据权利要求1所述的水蒸气发生装置，其特征在于：
所述加热装置包括设置于形成所述加热空间的所述腔体的侧壁的电热加热器。
4.根据权利要求1所述的水蒸气发生装置，其特征在于：
所述热保有介质包括多个珠或者具有发泡体或网结构。
5.根据权利要求1所述的水蒸气发生装置，其特征在于：
所述水蒸气排出空间包括连接于所述水蒸气排出口的第一空间及位于所述第一空间的下部用于配置所述热保有介质的第二空间，
所述第二空间的上部侧连接于所述第一空间且侧部或底部被所述加热空间包围。
6.根据权利要求5所述的水蒸气发生装置，其特征在于,所述空间划分部件包括：
具有形成于中间部分的开口部，结合于所述腔体的侧壁，位于所述第一空间和所述加热空间之间的第一划分部；及
从所述开口部向下部延伸形成所述第二空间，位于所述第二空间与所述加热空间之间的第二划分部。
7.根据权利要求6所述的水蒸气发生装置，其特征在于：
所述第一划分部的上部面具有向所述第二空间的方向倾斜的形状使得因重力而落在所述第一划分部的上部面的液态水向所述第二空间移动。
8.根据权利要求5所述的水蒸气发生装置，其特征在于，还包括：
配置于所述第二空间的内部感测存在于所述第二空间的液态水的水感测器。
9.根据权利要求8所述的水蒸气发生装置，其特征在于：
所述水感测器包括配置于所述第二空间的内部的温度测定仪或液体感测器。
10.根据权利要求5所述的水蒸气发生装置，其特征在于：
所述管中位于所述加热空间的内部的部分配置成包围所述第二空间的线圈形态。
11.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：
将水供应装置供应的液态水变成水蒸气的水蒸气发生装置；
使所述水蒸气发生装置供应的水蒸气及碳化氢燃料反应生成含氢的燃料气体的燃料改性装置；及
利用所述燃料改性装置供应的所述燃料气体及外部空气供应装置供应的空气发电的燃料电池堆，
其中，所述水蒸气发生装置包括：
具有内部空间的腔体；
配置于所述腔体的内部，将所述内部空间划分为水蒸气排出空间及加热空间的空间划分部件；
具有连接于所述水供应装置的第一端部及位于所述水蒸气排出空间的第二端部且经过所述加热空间的管；
向所述加热空间供应热能的加热装置；以及
热保有介质，其配置于所述水蒸气排出空间的内部，包括比热(specific heat)大于所述腔体及所述空间划分部件的比热的物质，
所述腔体具有将所述水蒸气排出空间连接到所述燃料改性装置的水蒸气排出口。
12.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其特征在于，所述加热装置包括：
燃烧从所述燃料电池堆排出的气体并将其供应到所述加热空间的燃烧器。
13.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其特征在于，所述水蒸气发生装置还包括：
配置于所述水蒸气排出空间的内部感测存在于所述水蒸气排出空间的液态水的水感测器。
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