一种蒸发器及固体氧化物燃料电池发电系统的制作方法

本发明涉及固体氧化物燃料电池，尤指一种蒸发器及固体氧化物燃料电池发电系统。

背景技术：

1、固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，sofc)发电系统的换热器通常包括重整气加热器、水蒸气过热器、空气预热器、蒸发器和余热回收器；其中，蒸发器的功能是将进发电系统的液态水蒸发成气态后，输入于水蒸气过热器进一步加热后进重整器。

2、固体氧化物燃料电池发电系统的蒸发器是较为重要的热管理设备之一，蒸发器要求产气稳定，水蒸汽波动小。水蒸气波动超过一定程度时，会导致进重整器的燃料和水比例过高，影响重整产物，严重时导致重整器和电堆内积碳以及燃烧器熄火等问题，对系统运行可靠性造成较大威胁。

3、现有的蒸发器一般采用换热器蒸发，且蒸发器一般布置在固体氧化物燃料电池回热的下游部分，在启动阶段，系统回热供给于蒸发器的热量普遍较少，产气量小，导致启动阶段热量不足以蒸发，需要额外增加预热器或增加一套启动系统进行辅助电加热，导致成本升高。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种蒸发器及固体氧化物燃料电池发电系统，不仅产气稳定，工况适应性好，而且成本低廉。

2、本发明提供的技术方案如下：

3、一方面，提供一种蒸发器，应用于固体氧化物燃料电池发电系统，包括：

4、第一蒸发段，包括第一壳体，所述第一壳体环绕于固体氧化物燃料电池发电系统的燃烧器，所述第一壳体的内侧壁与所述燃烧器的外侧壁贴合，所述第一壳体的侧壁中空形成环绕燃烧器的蒸发腔，所述蒸发腔的顶部设有入水口，所述蒸发器的底部设有若干个蒸汽出口；

5、第二蒸发段，包括第二壳体和换热器，所述第二壳体内设有容纳腔，所述换热器设置于所述容纳腔内，所述第二壳体上设有与所述容纳腔连通的若干个蒸汽入口；

6、若干个水汽输送管，所述水汽输送管的一端与一个所述蒸汽出口连接，另一端与对应的一个所述蒸汽入口连接。

7、本技术方案中，蒸发器采用两段式，第一段是环燃烧器的第一蒸发段，第二段是换热器的第二蒸发段；在启动阶段，第一蒸发段利用燃烧器高壁温传热预热水，起主要蒸发作用，第二蒸发段起辅助蒸发作用；在发电工况，第二蒸发段的温度已升高至一定温度，输送到第二蒸发段的热量可满足大量水蒸发需求，第二蒸发段起主要蒸发作用，第一蒸发段起辅助蒸发作用，工况适应性好；与传统的需要预热器方案，或增加一套启动系统方案相比，本发明的蒸发器成本较低，所用材料可全部为不锈钢，且加工部件均为成熟工艺，成本低廉。

8、在一些实施方式中，还包括进水组件，所述进水组件包括进水管、第一稳压腔、水分配管和雾化喷嘴，所述进水管与所述第一稳压腔连通，所述水分配管的一端与所述第一稳压腔连通，所述水分配管的另一端与所述第一蒸发段的入水口连接，所述雾化喷嘴设置于所述水分配管与所述第一蒸发段连接的一端且位于所述蒸发腔内。

9、在一些实施方式中，所述入水口、所述水分配管的数量和所述雾化喷嘴数量分别为多个；

10、多个所述入水口和多个所述水分配管分别沿所述第一壳体的圆周方向均匀间隔设置；

11、多个所述入水口与多个所述水分配管一一对应设置；

12、多个所述水分配管与多个所述雾化喷嘴一一对应设置。

13、本技术方案中，蒸发器考虑了均匀性设计，在第一蒸发段采用入口稳压+均匀分配+喷嘴扩散的措施，提高水在第一蒸发段的环形区域的分散均匀性，将水雾化成液滴，增大传热面积的同时也有效去除蒸发液面的波动影响。

14、在一些实施方式中，所述蒸发腔内沿高度方向设有环绕所述蒸发腔内壁螺旋设置的翅片。

15、本技术方案中，在蒸发腔内设置翅片，可增大水液滴与蒸发腔的接触面积，以增大传热面积，进而提高水蒸发效率。

16、在一些实施方式中，所述翅片为斜翅片且与水平面夹角为1～5°。

17、在一些实施方式中，所述容纳腔内设有第二稳压腔，所述蒸汽入口与所述第二稳压腔连通设置，所述第二稳压腔的出口为所述换热器的入口。

18、在一些实施方式中，还包括均流板，所述均流板设置于所述第二稳压腔内且对应所述蒸汽入口设置，所述均流板为喇叭形且靠近所述第一蒸发段的一端底面积大于所述均流板远离所述第一蒸发段的一端底面积。

19、本技术方案中，在第二蒸发段的入口设置稳压腔，并设置均流板，以此提高水汽在第二蒸发段中的换热器内的分配均匀性，增大换热面积，加速蒸发，减弱空间蒸发率差异导致的产气波动问题，产气稳定，极大提高重整系统乃至整个系统的可靠性。

20、在一些实施方式中，所述容纳腔内还设有水蒸汽汇合腔，所述换热器的出口与所述水蒸汽汇合腔连通。

21、在一些实施方式中，若干个所述蒸汽出口沿所述第一壳体的周向均匀间隔设置；

22、若干个所述蒸汽入口沿所述第二壳体的周向均匀间隔设置，且所述蒸汽入口与所述蒸汽出口正对设置。

23、另一方面，还提供一种固体氧化物燃料电池发电系统，包括上述任一实施方式所述的蒸发器。

24、本发明的技术效果在于：本发明的蒸发器采用两段式，其中，第一段是环燃烧器的第一蒸发段，利用燃烧器高壁温传热预热水，第一蒸发段的最大特点是燃烧器启动燃烧后短时间内即可产生高温热量用于蒸发，产气稳定，可解决现有的蒸发器布置在固体氧化物燃料电池回热的下游部分，启动阶段热量不足以蒸发的问题，相比于传统的需要预热器方案或增加一套启动系统方案，本发明的蒸发器利用燃烧器产生的热量进行蒸发，成本低廉；第二段是第二蒸发段，经由第一蒸发段来的水汽进入第二蒸发段，第二蒸发段在启动阶段起辅助蒸发，在发电工况起主要蒸发作用，发电阶段，第二蒸发段的热区内温度已升高至一定温度，输送到第二蒸发段的热量可满足大量水蒸发需求，使得蒸发器的工况适应性好。

技术特征：

1.一种蒸发器，应用于固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种蒸发器，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的一种蒸发器，其特征在于，

4.根据权利要求1所述的一种蒸发器，器特征在于，所述蒸发腔内沿高度方向设有环绕所述蒸发腔内壁螺旋设置的翅片。

5.根据权利要求4所述的一种蒸发器，器特征在于，所述翅片为斜翅片且与水平面夹角为1～5°。

6.根据权利要求1所述的一种蒸发器，其特征在于，

7.根据权利要求6所述的一种蒸发器，其特征在于，

8.根据权利要求6所述的一种蒸发器，其特征在于，

9.根据权利要求1所述的一种蒸发器，其特征在于，

10.一种固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的蒸发器。

技术总结本发明属于固体氧化物燃料电池领域，公开了一种蒸发器及固体氧化物燃料电池发电系统，其中，蒸发器包括第一蒸发段、第二蒸发段和若干个水汽输送管，第一蒸发段包括第一壳体，第一壳体环绕于燃烧器，第一壳体的内侧壁与燃烧器的外侧壁贴合，第一壳体的侧壁中空形成环绕燃烧器的蒸发腔，蒸发腔的顶部设有入水口，蒸发器的底部设有若干个蒸汽出口；第二蒸发段包括第二壳体和换热器，第二壳体内设有容纳腔，换热器设置于容纳腔内，第二壳体上设有与容纳腔连通的若干个蒸汽入口；水汽输送管的一端与一个蒸汽出口连接，另一端与一个蒸汽入口连接。本发明不仅产气稳定，工况适应性好，而且成本低廉。技术研发人员：孙春华,王林涛,李海亮,杜忠选,周耀东,王书恒,邓笔财,杨振威,石汪权,刘俊毅受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七一一研究所技术研发日：技术公布日：2024/1/15