專利名稱：蒸汽發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種產(chǎn)生蒸汽的方法以及一種適用于該方法的蒸汽發(fā) 生裝置。本發(fā)明也提供該方法和蒸汽發(fā)生裝置在燃料電池系統(tǒng)中的應(yīng) 用以及按照該方法或通過使用該蒸汽發(fā)生裝置來產(chǎn)生燃料電池系統(tǒng)中 的蒸汽。
將參照燃料電池系統(tǒng)描述和說明本發(fā)明，這些是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí) 施方式。然而，認(rèn)為本發(fā)明的基本原理可更普遍地應(yīng)用，因此本發(fā)明 可用于除燃料電池系統(tǒng)之外的其它系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在純理論形式的反應(yīng)中，燃料電池從氫和氧生成電，生成蒸汽形
式的水作為副產(chǎn)品。然而，烴燃料如天然氣或高分子(c2+)烴通常用
作氫的來源并且空氣用作氧的來源。
在輸送給燃料電池之前，如今通常會(huì)使用燃料重整器將烴燃料處
理成更小或更大的程度。因此，在質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池中， 想要通過與水(蒸汽)的反應(yīng)對(duì)烴燃料進(jìn)行大致完全的重整從而產(chǎn)生 富氫蒸汽以輸送給燃料電池。相反地，在固體氧化物燃料電池(SOFC ) 系統(tǒng)中，有可能在燃料電池自身(在燃料電池的陽極側(cè))中使用催化 劑以實(shí)現(xiàn)烴(通常是甲烷)的重整。這種方式的所謂內(nèi)部重整在平衡 燃料電池中發(fā)生的放熱發(fā)電反應(yīng)與吸熱重整反應(yīng)方面的運(yùn)行效率具有 優(yōu)勢(shì)。然而，在這種情況下，應(yīng)當(dāng)控制燃料電池的燃料成分和電池中 的內(nèi)部重整程度從而避免燃料電池的過度冷卻。在實(shí)踐中，將燃料電 池設(shè)計(jì)成實(shí)施內(nèi)部重整時(shí)，輸送給它的燃料在燃料重整器中進(jìn)行預(yù)處 理從而將燃料的烴含量操縱成根據(jù)電池的運(yùn)行特性所需的。此處，重 整器通常稱作蒸汽預(yù)重整器。
烴重整發(fā)生在有蒸汽的情況下，進(jìn)入重整器的氣流中蒸汽與碳的比例是重整反應(yīng)中最關(guān)鍵的變量之一。而且，進(jìn)入燃料電池的燃料流 中的蒸汽的存在可以阻止碳沉積在用于實(shí)現(xiàn)內(nèi)部重整的催化劑上。因 此蒸汽與碳的比例的精確控制是重要的考慮因素。
在合適的速率/壓力下輸送要處理的蒸汽和燃料對(duì)燃料重整器的 有效、高效運(yùn)行來說也很重要。非均勻的烴流速將導(dǎo)致改變?nèi)剂系挠?途而且這可能對(duì)系統(tǒng)的燃料電池組有害。如果使用蒸汽噴管(噴射器) 輸送烴燃料，那么進(jìn)入噴管的蒸汽流速的變化將立即改變?nèi)剂蠑z入率/ 流速。如果例如用壓氣機(jī)輸送天然氣，那么蒸汽流速的變化將改變系 統(tǒng)的背壓并且這將改變進(jìn)入系統(tǒng)的燃料流速。
在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，蒸汽總是在壓力作用下從蒸汽發(fā)生器輸送到重整
器。所需的蒸汽流速按照普通工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)非常低(通常是每2kW燃料電 池系統(tǒng)至多約為lkg/hr)，而且因?yàn)檫@個(gè)，該蒸汽發(fā)生器通常包括許 多供有水且受熱的小徑管道。這種產(chǎn)生蒸汽的方法通常稱作流動(dòng)沸騰。
在通常使用時(shí)，用這種方式產(chǎn)生的蒸汽可能引起用于產(chǎn)生蒸汽的 管道中的壓力和流量波動(dòng)(或脈沖)，并且經(jīng)常有逆流。已經(jīng)通報(bào)了蒸 汽發(fā)生中與小管道(200jun-3mm)和微管道(<200fim )有關(guān)的這些 影響。在小管道的情況下，產(chǎn)生蒸汽所帶來的振蕩特征以及逆流的出 現(xiàn)都被認(rèn)為是由氣泡的各種晶核形成機(jī)理引起的，這是主要因素。更 具體地，認(rèn)為小管道中的流動(dòng)沸騰通常有三種流動(dòng)模式獨(dú)立氣泡流、 受約束氣泡流和環(huán)狀-活奉流(參見Experimental Thermal and Fluid Science 26(2002)第389-407頁的S.G. Kandlikar的與小管道和微管道 中的流動(dòng)沸騰相關(guān)的基礎(chǔ)刊物)。盡管認(rèn)為表面張力效應(yīng)是非常重要的 (參見所引用的S.G. Kandlikar的文章)，但微管道中的流動(dòng)沸騰的運(yùn) 行機(jī)理了解得更少。
不考慮發(fā)生壓力波動(dòng)和逆流的原因，當(dāng)按照描述的方法產(chǎn)生蒸汽 時(shí)，這些影響可能在燃料電池系統(tǒng)中帶來問題。除了上述的用于輸送 燃料的蒸汽噴管中的燃料的不穩(wěn)定輸送之外，與蒸汽生產(chǎn)有關(guān)的壓力 脈沖可能貫穿整個(gè)燃料電池系統(tǒng)并且由此有害地影響部件。例如，在 燃料電池系統(tǒng)中，可能受到與蒸汽發(fā)生相關(guān)的壓力脈沖直到下游，直到用于燃燒(陽極)來自燃料電池的廢氣的燃燒器，并且此處，脈沖 可能引起燃燒器運(yùn)行連貫性的問題。
與本背景相對(duì)地，需要提供一種以穩(wěn)定的方式且以比現(xiàn)有蒸汽發(fā) 生器更均勻的流速產(chǎn)生蒸汽的方法。這種方法不應(yīng)當(dāng)有上述缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明提供一種通過加熱包括多個(gè)蒸汽發(fā)生管的蒸汽發(fā)生 器中的水產(chǎn)生蒸汽的方法，其中，經(jīng)由各自的供水管以恒速向每個(gè)蒸 汽發(fā)生管供水，并且其中，每個(gè)供水管中設(shè)有足夠的壓降從而防止在 多個(gè)蒸汽發(fā)生管中發(fā)生逆流。
根據(jù)本發(fā)明，通過供入管道的水的流動(dòng)沸騰，在蒸汽發(fā)生器的多 個(gè)管道中產(chǎn)生蒸汽。這通常會(huì)引起壓力和流量波動(dòng)，包括與供水方向 相反的逆流。通常，這將妨礙水向蒸汽發(fā)生器的供給，由此引起蒸汽 輸出的波動(dòng)。 一個(gè)蒸汽發(fā)生管中的逆流也影響鄰近管道中的蒸汽發(fā)生 (假設(shè)通道相互之間不是物理隔離)。根據(jù)本發(fā)明，通過以特殊方式向 蒸汽發(fā)生器供水，使逆流最小化，或者優(yōu)選為完全消除。
特別地，才艮據(jù)本發(fā)明，經(jīng)由各自的供水管向每個(gè)蒸汽發(fā)生管供水 并且這些供水管設(shè)計(jì)成在它們的長(zhǎng)度方向上(從進(jìn)口到出口)呈現(xiàn)特 定壓降。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果該壓降有足夠大(相對(duì)于蒸汽發(fā)生器中的壓 降)，就能最小化并可能防止蒸汽發(fā)生管中的逆流。在本文中，供水管 的壓降是管的進(jìn)口與出口之間的差值。同樣地，蒸汽發(fā)生器中的壓降 是發(fā)生器的進(jìn)口與出口之間的差值。為了更精確，認(rèn)為每個(gè)供水管中 的壓降(APsupp,y)與蒸汽發(fā)生器中的壓降(APge,at。r )在特定比值 也就是APsup—: APgenerat。r時(shí)可以獲得降低逆流的益處。認(rèn)為當(dāng)比值 太低時(shí)，每個(gè)供水管中的壓降不足以防止蒸汽發(fā)生管中的逆流。作為 通用指南，認(rèn)為該比值A(chǔ)Psupp,y:厶Pge附at。r應(yīng)當(dāng)是在1:2到1:5之間，
優(yōu)選為約1:3，以最小化或消除逆流。
蒸汽發(fā)生管和每個(gè)供水管中的壓降取決于這些部件的設(shè)計(jì)/結(jié)構(gòu)。 通常，根據(jù)所用的蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)(和壓降特性)確定每個(gè)供水管 中所需的壓降。這樣，蒸汽發(fā)生器的選擇有助于而不是反作用于推動(dòng)供水管的設(shè)計(jì)(以獲得所需的壓降)。這些部件中的壓降以及壓降隨流 速的變化可通過使用適當(dāng)定位的壓力傳感器由實(shí)驗(yàn)確定，并且本領(lǐng)域 技術(shù)人員很熟悉怎樣做。迷可以根據(jù)本發(fā)明所用到的特定部件的已知 特性計(jì)算壓降。例如，可以根據(jù)毛細(xì)管的尺寸計(jì)算毛細(xì)管的壓降。當(dāng) 然需要校正以獲得最佳性能。
原則上，可以通過使用適當(dāng)定位的節(jié)流閥或其它合適的節(jié)流裝置 獲得每個(gè)供水管中的壓降。所使用的節(jié)流閥是本領(lǐng)域公知的。然而應(yīng) 當(dāng)注意到，節(jié)流閥的壓降與流速成平方關(guān)系并且在低流速時(shí)難以獲得 所需的壓降。
然而，優(yōu)選地，每個(gè)供水管中的壓降與流速成線性關(guān)系。在這種 情況下，將促進(jìn)蒸汽發(fā)生器的變小，因?yàn)樵诘土魉贂r(shí)供水管中的相關(guān) 壓降將高于使用如節(jié)流閥等裝置所看到的壓降，該壓降與流速成平方 關(guān)系。還優(yōu)選地，蒸汽發(fā)生器中的壓降與流速成線性關(guān)系。在這種情 況下，比值A(chǔ)Psupp,y:厶Pgenerat。r將保持基本恒定，不用考慮流速的變化， 這樣，只要在第一位置適當(dāng)采用該比值，就可能在蒸汽發(fā)生的整個(gè)運(yùn) 行參數(shù)范圍內(nèi)消除逆流。
本發(fā)明可以在任何內(nèi)徑的蒸汽發(fā)生管中實(shí)施，在這些管道中產(chǎn)生 蒸汽時(shí)將引起壓力和流量波動(dòng)。這樣，蒸汽發(fā)生管通常是內(nèi)徑小于
5mm的管道。這些管道可以是內(nèi)徑為200nm-3mm的小管道和/或內(nèi)徑 小于200jim的微管道。這些管道采取的正確形式可以隨著蒸汽發(fā)生器 的不同設(shè)計(jì)發(fā)生變化，下文將描述。
對(duì)內(nèi)徑約直到5mm的蒸汽發(fā)生管而言，可以通過經(jīng)由具有比蒸 汽發(fā)生管小(得多)的內(nèi)徑的供水管將水輸入每個(gè)蒸汽發(fā)生管(的進(jìn) 口 )來獲得每個(gè)供水管中的壓降。優(yōu)選地，使用毛細(xì)管向每個(gè)蒸汽發(fā) 生管供水。應(yīng)當(dāng)注意，這樣4吏用毛細(xì)管特別有利，因?yàn)樗哂信c流速 成線性的壓降(低雷諾數(shù))。毛細(xì)管有利于提供在低流速時(shí)比其它流量 控制裝置更足夠的壓降，該裝置在壓降與流速之間呈現(xiàn)平方關(guān)系。
所用到的毛細(xì)管的尺寸(長(zhǎng)度和內(nèi)徑)將取決于每個(gè)供水管所需 的壓降，并且這又取決于與蒸汽發(fā)生器運(yùn)行相關(guān)的壓降。本領(lǐng)域技術(shù)人員將知道毛細(xì)管的尺寸怎樣影響與通過這些毛細(xì)管的液流相關(guān)的壓 降。
根據(jù)本發(fā)明，以恒速(但可調(diào)整)向每個(gè)供水管供水也很重要， 從而最小化蒸汽發(fā)生中的波動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明，可以使用流量控制閥實(shí) 現(xiàn)這個(gè)。通常，單一閥控制水向每個(gè)供水管的混合流。該閥通常設(shè)在 主供水管中，每個(gè)供水管都是從該主供水管分支出來的。優(yōu)選地，每 個(gè)供水管之間不存在供水壓差。流量控制閥確保水的均勾供給，并且， 它不受到由蒸汽發(fā)生器的蒸汽發(fā)生管中的逆流引起的背壓的影響，這 很重要。供水管中提供的壓降有助于確保供水保持恒定。
優(yōu)選地，在蒸汽發(fā)生器運(yùn)行期間，蒸汽發(fā)生器的供水管處于基本 恒定的溫度，因?yàn)闇囟炔▌?dòng)可能影響供水管中的壓降。為了這個(gè)目的， 優(yōu)選地，供水管與下游蒸汽發(fā)生器絕熱?？梢栽诿總€(gè)供水管的出口與 每個(gè)蒸汽發(fā)生管的進(jìn)口之間設(shè)置適當(dāng)?shù)慕^熱接頭和/或使用適當(dāng)定位 的絕熱層來實(shí)現(xiàn)這個(gè)。
本發(fā)明所使用的蒸汽發(fā)生器包括多個(gè)蒸汽發(fā)生管。這些管道的數(shù) 目可以根據(jù)蒸汽發(fā)生器的整體設(shè)計(jì)并且根據(jù)抵消產(chǎn)生蒸汽時(shí)的壓力波
動(dòng)所需的影響進(jìn)行變化。原則上，蒸汽發(fā)生器可包括2個(gè)蒸汽發(fā)生管， 但也可以使用多于2個(gè)的管道，因?yàn)?，更多?shù)目的管道將引起產(chǎn)生的 蒸汽中的壓力波動(dòng)的更有效抵消。這樣，蒸汽發(fā)生器通常包括至少3 個(gè)，優(yōu)選為至少5個(gè)，更優(yōu)選為至少IO個(gè)蒸汽發(fā)生管。其它因素如所 需流速、可承受的最大壓降以及成本等也可能影響實(shí)踐本發(fā)明所用到 的蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)。蒸汽發(fā)生管通常是小管道和/或微管道，如所述。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，該多個(gè)蒸汽發(fā)生管采取不連續(xù)管的形 式(限定微管道和/或小管道)。通常，這些管道是同軸布置。有了這 種布置，就可能使用單一熱源向所有管道供熱以產(chǎn)生蒸汽。而且，該 布置受益于制造和/或安裝方面。
在該實(shí)施例中，蒸汽發(fā)生管的長(zhǎng)度直徑比通常在250:1到750:1 之間，例如，約500:1。從成本(和裝配)方面來看，最小化該比值 是有益的。從技術(shù)上來說，使用的理想比值可能取決于蒸汽發(fā)生器的規(guī)格，如系統(tǒng)能承受的最大壓降、進(jìn)入蒸汽發(fā)生器的熱通量、最大承 受壓力和流量波動(dòng)。
在另一個(gè)實(shí)施例中，蒸汽發(fā)生管可以由接合在一起形成層板的板 或薄片的表面限定出。在這種情況下，這些板或薄片中的至少一者在 其(主)表面上進(jìn)行蝕刻、雕刻或機(jī)加工，從而那些表面與其它板/ 薄片的互補(bǔ)(主)表面的接合形成貫穿層板內(nèi)部長(zhǎng)度(或?qū)挾?的蒸 汽發(fā)生管，這些管道的進(jìn)口和出口設(shè)在層板的一邊或兩邊，優(yōu)選為對(duì) 立邊。對(duì)用于燃料電池系統(tǒng)而言，層板應(yīng)當(dāng)是緊湊的。例如，層板可
由10-15cmx5-10cmxl-2mm的(耐熱不銹鋼)板/薄片制成。通常， 這些管道具有小和微管道的上述特定尺寸。這種層板裝置的制造在本 領(lǐng)域是公知的。
蒸汽發(fā)生管在層板中可以采用各種外形。在最簡(jiǎn)單的形式中，層 板可包括多個(gè)貫穿層板內(nèi)部的平行(筆直)的蒸汽發(fā)生管。然而，其 它設(shè)計(jì)也是可能的，并且蒸汽發(fā)生管的外形有助于最小化生產(chǎn)過程中 蒸汽發(fā)生器中的壓力波動(dòng)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，蒸汽發(fā)生器可包括多個(gè)成組布置的這 種層板。使用高溫氣流實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸汽發(fā)生器的加熱。在這種組中，通常 通過有肋片的板或薄片將組中的相鄰層板結(jié)構(gòu)分離，這些板或薄片適 于允許熱氣流過組以進(jìn)行傳熱。燃料電池的排氣流或燃料電池的已燃 廢氣(運(yùn)行時(shí))中的廢熱可以在這方面使用。
不考慮所用的蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)，在這些多個(gè)蒸汽發(fā)生管中，單 個(gè)管道可以相同或不同。不是所有管道都相同時(shí)，有益于減小壓力脈 沖。同樣，使用蒸汽發(fā)生器時(shí)，不同的管道受到不同的加熱作用也是 有益的。
認(rèn)為使用多個(gè)蒸汽發(fā)生管可以平衡與單個(gè)管道相關(guān)的壓力脈沖輸 出，從而抑制了整體壓力波動(dòng)。在不希望被理論束綽的情況下，認(rèn)為 當(dāng)使用多個(gè)蒸汽發(fā)生管時(shí)， 一個(gè)管道的出口處的蒸汽壓力的最小值或 最大值不可能與另一個(gè)管道的出口處的蒸汽壓力的最小值或最大值一 致。因此，認(rèn)為與一個(gè)蒸汽發(fā)生管相關(guān)的壓力波動(dòng)可以減少或抵消與另 一個(gè)蒸汽發(fā)生管相關(guān)的蒸汽波動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，蒸汽發(fā)生器將蒸汽(從每個(gè)蒸汽發(fā)生 管)輸入蒸汽接收器，其包括從那伸出的蒸汽出口并且適于分散或平 衡輸入容器的蒸汽的壓力波動(dòng)從而在蒸汽出口處提供均勻的蒸汽壓 力。根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施例，通過使用構(gòu)造成分散從單個(gè)蒸汽接收管 輸入容器的蒸汽的壓力脈沖的蒸汽接收器，可以最小化且優(yōu)選為消除 與壓力波動(dòng)相關(guān)的潛在有害影響，從而在容器的蒸汽出口處可以看到 減小的壓力脈沖優(yōu)選為沒有壓力脈沖。
認(rèn)為本發(fā)明所使用的蒸汽接收器的形式對(duì)減小蒸汽發(fā)生器的蒸汽 輸出中的壓力波動(dòng)有重大影響。更具體地，容器的大小和/或形狀是/ 都是這樣的，由此調(diào)節(jié)了從蒸汽發(fā)生管輸入容器的蒸汽中的任何壓力 波動(dòng)，從而蒸汽出口處的蒸汽壓力是均勻和穩(wěn)定的。蒸汽出口的位置 在這方面也很重要。因此，容器的蒸汽出口通常遠(yuǎn)離蒸汽管將蒸汽輸
入蒸汽接收器的位置。在本文中，術(shù)語"遠(yuǎn)離"意味著蒸汽出口在與輸 入容器的蒸汽相關(guān)的壓力波動(dòng)不大的位置從蒸汽接收器伸出。
蒸汽接收腔優(yōu)選為具有比蒸汽發(fā)生管的總?cè)莘e大數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)(例
如，至少25倍，優(yōu)選為至少IOO倍)的內(nèi)容積。這有助于吸收和平衡 蒸汽從蒸汽接收管輸入容器的振蕩特性。當(dāng)使用大量蒸汽發(fā)生管時(shí)， 可以減小蒸汽接收腔的有效容積，反之亦然。這是因?yàn)?，使用大量?汽發(fā)生管會(huì)引起抑制壓力脈沖的增加，從而為了獲得進(jìn)一步抑制的蒸 汽接收器的有效容積不需要那么大。蒸汽接收器所需的有效容積可以 由實(shí)驗(yàn)確定和優(yōu)化。容器的容積比慣用沸騰爐系統(tǒng)中期望出現(xiàn)的普通 頂部或端部空間大得多。
優(yōu)選地，蒸汽發(fā)生管和蒸汽接收器的內(nèi)表面是光滑和干凈的。而 且，蒸汽接收器的內(nèi)表面是圓形的而沒有尖角或銳角。在蒸汽接收器 中使用特殊設(shè)計(jì)的內(nèi)表面以吸收壓力波動(dòng)。這又能使蒸汽接收器的容 積減小。
蒸汽接收管(的出口 )通常通過管道接收板連接蒸汽接收器，該 板優(yōu)選為形成容器壁的一部分。至少在內(nèi)部蒸汽接觸表面上的任何和所有縫隙都是壓力密閉且光滑的。
在使用時(shí)，向蒸汽發(fā)生管供熱，從而在通過管道泵水時(shí)其由此蒸 發(fā)形成蒸汽?？梢酝ㄟ^多種方式向管道供熱。例如，在管道是同軸的 情況下，它們可以貫穿受熱的材料塊?？蛇x地，這些管道可以繞在受 熱部件例如熱管或電加熱器上，或者它們可以直接暴露向加熱器或者 繞在加熱器殼體上。受熱空氣還可用于加熱蒸汽發(fā)生器，并且蒸汽發(fā) 生器可適于確保與空氣流的密切接觸從而促進(jìn)傳熱。優(yōu)選地，布置熱 源和管道以最小化熱損失。在壓力作用下向管道供水。應(yīng)當(dāng)使用純凈 水以最小化沉積和腐蝕問題。
在用于固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的蒸汽發(fā)生器中，通常在約l至
約5bar例如約3bar的壓力以及約600'C的溫度下將蒸汽輸入蒸汽接 收器。通常所需的蒸汽供給率約直到lkg/hr，例如約直到500g/hr， 并且蒸汽發(fā)生器可以由此設(shè)計(jì)和運(yùn)行。應(yīng)當(dāng)由此了解，這意味著蒸汽 發(fā)生器運(yùn)行所用到的水的容積較小?？梢酝ㄟ^改變一個(gè)或多個(gè)管道的 供水率，優(yōu)選為同時(shí)改變所有管道的供水率來操縱蒸汽產(chǎn)生率。蒸汽 發(fā)生器的運(yùn)行特性將根據(jù)使用的領(lǐng)域發(fā)生變化。因此，對(duì)其它應(yīng)用而 言，壓力和溫度條件會(huì)與上述那些有不同。
蒸汽發(fā)生器的部件必須由適當(dāng)材料制成以承受在運(yùn)行過程中可能 遇到的高溫和高壓。本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)用于實(shí)施本發(fā)明的材料的類型 很熟悉。
本發(fā)明還提供一種適于實(shí)施本發(fā)明所述方法的蒸汽發(fā)生裝置，該 裝置包括
包括多個(gè)蒸汽發(fā)生管的蒸汽發(fā)生器，
與各個(gè)蒸汽發(fā)生管連通以向蒸汽發(fā)生管供水的供水管，
其中，每個(gè)供水管都包括在供水管中提供壓降的裝置從而防止在 蒸汽發(fā)生器的運(yùn)行期間在多個(gè)蒸汽發(fā)生管中發(fā)生逆流。
從上文關(guān)于本發(fā)明的方法的描述可以明顯看出蒸汽發(fā)生裝置的實(shí) 施例。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，通過毛細(xì)管獲得每個(gè)供水管中的壓降。 可以使用上游流量控制閥將水輸入每個(gè)供水管從而提供恒定的(但可調(diào)整的)水流速。
蒸汽發(fā)生裝置還包括蒸汽接收器，其適于從蒸汽發(fā)生器的蒸汽發(fā) 生管接收蒸汽并且這有助于分散蒸汽壓力脈沖中的波動(dòng)。這方面的實(shí) 施例上文也做了描述。
本發(fā)明還提供一種燃料電池系統(tǒng)，其中，根據(jù)本文所述方法產(chǎn)生 蒸汽。本發(fā)明又提供一種燃料電池系統(tǒng)，其包括本文所述的蒸汽發(fā)生 裝置。通常，燃料電池系統(tǒng)會(huì)利用蒸汽對(duì)烴燃料進(jìn)行燃料處理從而產(chǎn) 生輸給燃料電池陽極的燃料流。在一個(gè)實(shí)施例中，將蒸汽供給噴管， 該噴管用于根據(jù)通過噴管的蒸汽流速輸送烴燃料。優(yōu)選地，燃料電池
為固體氧化物燃料電池(SOFC )。
在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例中，提供的一種蒸汽發(fā)生器包括 蒸汽接收器；
與蒸汽接收器連通且適于將蒸汽輸入蒸汽接收器的多個(gè)蒸汽發(fā)生
管；和
從蒸汽接收器伸出的蒸汽出口 ，
其中，通過多個(gè)蒸汽發(fā)生管，蒸汽發(fā)生器適于平衡輸入容器的蒸 汽的壓力中的波動(dòng)，從而在蒸汽出口處提供均勻蒸汽壓力。 從在前描述可以明顯看出本發(fā)明的這個(gè)方面的實(shí)施例。


在下列非限制性的附圖中說明本發(fā)明的實(shí)施例，其中 圖1示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的蒸汽發(fā)生的簡(jiǎn)圖； 圖2示出用于實(shí)施本發(fā)明的蒸汽發(fā)生器組的分解視圖； 圖3示出本發(fā)明的另一種蒸汽發(fā)生裝置的特征的工程圖。
具體實(shí)施例方式
圖l是簡(jiǎn)圖，示出了包括蒸汽發(fā)生器(2)的蒸汽發(fā)生裝置(1)。 蒸汽發(fā)生器包括兩個(gè)層狀蒸汽發(fā)生單元(3)，該單元包括多個(gè)貫穿單 元(3)內(nèi)部的蒸汽發(fā)生管(未示出)。每個(gè)單元包括向每個(gè)蒸汽發(fā)生 管供水的進(jìn)口 (4)和蒸汽出口 (5)。該蒸汽發(fā)生器包括出口 (6)，單 個(gè)單元產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)由該出口進(jìn)行輸送。如果想要抑制蒸汽中產(chǎn)生的壓力波動(dòng)，如本文所述，該出口 (6)可將蒸汽送入蒸汽接收器(未示 出)。作為可選地，單個(gè)蒸汽發(fā)生管的出口可將蒸汽直接供入蒸汽接收 器而不經(jīng)由蒸汽發(fā)生器的單一出口。這在平衡蒸汽生產(chǎn)中的波動(dòng)影響 方面有優(yōu)勢(shì)。
如果產(chǎn)生的蒸汽(也就是蒸汽發(fā)生器的輸出)處于穩(wěn)速和勻速， 就可以不必使用蒸汽接收器。在這種情況下，蒸汽發(fā)生器的輸出可以 直接用于燃料電池系統(tǒng)的下游部件。
單元(3)可以設(shè)置成層疊的形式(參照?qǐng)D2)。
經(jīng)由各自的供水管(7)向每個(gè)蒸汽發(fā)生管供給水，每個(gè)供水管都 有毛細(xì)管(8)從而在每個(gè)供水管(7)中提供壓降。要求該壓降相對(duì) 于蒸汽發(fā)生器(2)中的壓降有足夠大，以防止在蒸汽發(fā)生器(2)運(yùn) 行時(shí)在供水管(7)中發(fā)車逆流。
供水管(7)又從水源(9)接收水并且使用設(shè)在主供水管(11) 中的流量控制閥(10)以恒速計(jì)量該水源。單個(gè)供水管(7)從該主供 水管(11)分支出來。每個(gè)供水管(7)中的流速要恒定，這很重要。
圖2是用于實(shí)施本發(fā)明的蒸汽發(fā)生器組(12)的分解視圖。該組 (12)包括耐高溫鋼板(13)，在其主表面上進(jìn)行蝕刻/雕刻/機(jī)加工以 形成多個(gè)蒸汽發(fā)生管(A)。在板的一邊(E)設(shè)有每個(gè)蒸汽發(fā)生管的 進(jìn)口 ( 14 )。在板(13 )的一邊也設(shè)有蒸汽發(fā)生管的出口 (未詳細(xì)示出)。 每個(gè)蒸汽發(fā)生管的進(jìn)口 (14)和出口可設(shè)在板(13)的同一邊或不同 邊。由適當(dāng)?shù)拟F焊材料制成的薄片(15)能使其它板(16)的主表面 接合在板(13)上。該板(16)的互補(bǔ)主表面是光滑的。這個(gè)結(jié)果將 是層板(13、 16)，其中，.蒸汽發(fā)生管貫穿層板的內(nèi)部。 一旦已經(jīng)形成 層板(13、 16)，該釬焊材料不會(huì)妨礙蒸汽發(fā)生管。
組(12 )還包括波紋板形式的導(dǎo)熱部件(17 )，該部件通過其邊緣 由側(cè)件(18)在其上、下表面接合相鄰板(19)，使用由適當(dāng)?shù)拟F焊材 料制成的薄片(20)實(shí)現(xiàn)接合。導(dǎo)熱部件(17)設(shè)計(jì)成允許空氣穿過 該組由此允許熱傳遞到包括板(13)的層板上。使用適當(dāng)?shù)拟F焊薄片 (22)將附加端板(21)接合在組(12)的上、下端。這些端板有助于組的結(jié)構(gòu)剛性。
根據(jù)它們的預(yù)定用途和將遇到的狀況，包括產(chǎn)生的蒸汽的溫度和 用于加熱組的蒸汽的溫度和成分，來選擇構(gòu)造組所用到的材料。通常，
可以用耐熱合金制成蒸汽發(fā)生器(13、 16)和導(dǎo)熱部件(17)，例如， INCONNEL標(biāo)號(hào)的合金。蒸汽發(fā)生器(13、 16 )可以由INCONNEL600 制成，導(dǎo)熱部件(17)可以由INCONNEL625制成。
圖3是本發(fā)明的另一種蒸汽發(fā)生器的工程圖。該蒸汽發(fā)生器適用 于定額為約lkw的燃料電池系統(tǒng)。圖的A視圖示出縱視圖，視圖B 和C是各端視圖。該圖示出了蒸汽發(fā)生器(23),其包括由兩個(gè)圓柱 形腔(24a、 24b)形成的蒸汽接收器(24)，這些腔的內(nèi)部由U形管 接頭(25)連通。這種設(shè)計(jì)提供了與單一的具有相同內(nèi)徑的更長(zhǎng)容器 的內(nèi)容積相同的小型容器。使用兩個(gè)相互連通的腔(24a、 24b)特別 有益于燃料電池應(yīng)用范圍，這里，部件所占用的空間有助于主要設(shè)計(jì) 特征。當(dāng)然也可以有其它"^殳計(jì)的容器，只要有想要的容器功能。圖中 示出了主要尺寸(單位為mm )。蒸汽接收器(24 )的總?cè)莘e約為855cm3， 并且這將適合1 kW發(fā)電固體氧化物燃料電池系統(tǒng)。
蒸汽發(fā)生器(23 )還包括多個(gè)蒸汽發(fā)生管(26 )。在所示實(shí)施例中， 有5個(gè)這樣的蒸汽發(fā)生管并且它們圍繞并平行公共軸集中在一起。這 些管道由合金600管制成并且具有約1.5至1.7mm的內(nèi)徑，0.7-0.9mm 的壁厚。在所示實(shí)施例中，管道(26)的長(zhǎng)度通常為8卯mm。盡管未 示出，在每個(gè)管道(26)的端部連接有毛細(xì)管(內(nèi)徑為170pm)向管 道輸送水。該連接可以通過任何合適的(縮減)配合或通過例如釬焊 實(shí)現(xiàn)。所用的毛細(xì)管是市場(chǎng)上可買到的。
蒸汽接收器(24)還包括蒸汽出口 (27)，該出口從遠(yuǎn)離蒸汽發(fā)生 管(26)進(jìn)入蒸汽接收器(24)的位置處的容器(24)伸出。
蒸汽接收器(24)由合金600制成并且通過焊接端蓋制造成適合 于容納蒸汽發(fā)生管(26)、接頭(25)和蒸汽出口 (27)的端部。通過 焊接將這些部件連在一起。在焊接之前，所有部件都進(jìn)行了超聲清洗 和/或用適當(dāng)?shù)那鍧崉┻M(jìn)行了清洗。所有焊接和焊接準(zhǔn)備都是按照AS1554,1-1991 GP進(jìn)行，并且由持有執(zhí)照的操作者承擔(dān)。焊接時(shí)采用吹 氬清掃。所有內(nèi)表面都是光滑的，沒有毛邊、阻力和焊熔金屬飛濺， 這很重要。
在使用時(shí)，水在壓力作用下經(jīng)由毛細(xì)管并且輸入蒸汽發(fā)生管(26 )。 這些管道圍繞向管道(26)供熱的加熱管(未示出)布置。這引起水 的過度加熱，由此水在壓力作用下(約3-4bar和700。C)流入蒸汽接 收器(24)。每個(gè)管道(26)產(chǎn)生的蒸汽很可能以脈沖形式流入蒸汽接 收器(24)。然而，在這些容器(24)中，認(rèn)為這些脈沖可以相互抵消 由此在蒸汽出口 (27)處提供均勻的蒸汽壓力。這樣，通過蒸汽出口 (27)可以用到均勻蒸汽流。這可以由系統(tǒng)內(nèi)壓力的高速數(shù)據(jù)記錄得 到確認(rèn)。
本發(fā)明的蒸汽發(fā)生器可以用于任何想要產(chǎn)生均勻和穩(wěn)定的蒸汽供 應(yīng)的系統(tǒng)中。蒸汽發(fā)生器可以用于傳統(tǒng)地由流動(dòng)沸騰產(chǎn)生蒸汽且看到 壓力波動(dòng)和/或逆流問題的設(shè)備中。認(rèn)為蒸汽發(fā)生器在燃料電池系統(tǒng)中 尤其有用，該系統(tǒng)需要的蒸汽流速較小，通常至多為lkg/hr。這通常 意味著定額為約1KW的燃料電池系統(tǒng)。從這得出，根據(jù)本發(fā)明，本 發(fā)明還提供蒸汽發(fā)生器在燃料電池系統(tǒng)中的使用以及包含這種蒸汽發(fā) 生器的燃料電池系統(tǒng)。
在燃料電池系統(tǒng)范圍內(nèi)，本發(fā)明的蒸汽發(fā)生器可以用于為各種系 統(tǒng)和元部件提供蒸汽。例如，蒸汽發(fā)生器可以用于向蒸汽預(yù)重整器提 供蒸汽，該預(yù)重整器用于處理用作燃料電池的原始燃料的高分子烴燃 料。在這種情況下，通常在不高于約550。C的溫度下進(jìn)行蒸汽重整。 優(yōu)選地，在這個(gè)范圍內(nèi)，蒸汽發(fā)生器操作成在其輸出輸入預(yù)重整器之 前不會(huì)對(duì)其進(jìn)行大量冷卻或加熱。
在另 一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明產(chǎn)生的蒸汽可以用于輸送蒸汽到 噴管(噴射器或噴射泵),該噴管用于輸送氣態(tài)(烴)燃料以產(chǎn)生燃料 /蒸汽混合物。該混合物可以輸入蒸汽重整器或輸入設(shè)在下游的燃料電 池。此處可參考申請(qǐng)人的國(guó)際專利申請(qǐng)?zhí)朠CT/2005/001107 (WO2006/010212 )，其內(nèi)容并入本文作為參考。在本說明書及隨后的權(quán)利要求書中，除非內(nèi)容要求，所有文字"包
括，，(comprise )、 變形"包括，，(comprises )和"包括，，(comprising ) 應(yīng)當(dāng)理解成意味著所述整體或步驟或整體或步驟的集合的內(nèi)含物，而 不是任何其它整體或步驟或整體或步驟的集合的排除物。
本說明書對(duì)任何在先技術(shù)的引用不是且不應(yīng)當(dāng)看成是對(duì)那些在先 技術(shù)構(gòu)成澳大利亞的>^知常識(shí)的 一部分的承認(rèn)或任何形式的建議。
權(quán)利要求
1.一種通過加熱包括多個(gè)蒸汽發(fā)生管的蒸汽發(fā)生器中的水產(chǎn)生蒸汽的方法，其中，經(jīng)由各自的供水管以恒定速率向每個(gè)蒸汽發(fā)生管供水，并且其中，經(jīng)過每個(gè)供水管提供足夠的壓降，從而防止在多個(gè)蒸汽發(fā)生管中發(fā)生逆流。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，經(jīng)過每個(gè)供水管的壓降與流 動(dòng)速率成線性關(guān)系。
3. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，蒸汽發(fā)生器中的壓降與流動(dòng) 速率成線性關(guān)系。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，每個(gè)供水管中的壓降(△Psupply)與經(jīng)過蒸汽發(fā)生器的壓降(厶Pgenerat。r )的比值在1:2到1:5之間。
5. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，通過經(jīng)由毛細(xì)管向每個(gè)蒸汽 發(fā)生管輸水來提供經(jīng)過每個(gè)供水管的壓降。
6，如權(quán)利要求l所述的方法，其中，使用流量控制閥以恒定速率 向每個(gè)供水管供水。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其中， 一個(gè)單一閥控制流向每個(gè)供 水管的水流。
8. 如權(quán)利要求l所蜂的方法，其中，蒸汽發(fā)生器將蒸汽輸入蒸汽 接收容器，其包括從該處伸出的蒸汽出口，并且適于分散或平衡輸入 容器的蒸汽的壓力波動(dòng)，從而在蒸汽出口處提供均勻的蒸汽壓力。
9. 一種蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，包括 包括多個(gè)蒸汽發(fā)生管的蒸汽發(fā)生器；和與各個(gè)蒸汽發(fā)生管連通以向蒸汽發(fā)生管供水的供水管， 其中，每個(gè)供水管都包括經(jīng)過每個(gè)供水管提供壓降的裝置，從而 防止在蒸汽發(fā)生器的運(yùn)行期間在多個(gè)蒸汽發(fā)生管中發(fā)生逆流。
10. 如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，使用毛細(xì)管提供經(jīng)過每個(gè) 供水管的壓降。
11. 如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，蒸汽發(fā)生器將蒸汽輸入蒸 汽接收容器，其包括從該處伸出的蒸汽出口，并且適于分散或平衡輸 入容器的蒸汽的壓力波動(dòng)，從而在蒸汽出口處提供均勻的蒸汽壓力。
12. —種蒸汽發(fā)生器，包括 蒸汽接收容器；與蒸汽接收容器連通且it于將蒸汽輸入蒸汽接收容器的多個(gè)蒸汽 發(fā)生管；和從蒸汽接收容器延伸的蒸汽出口 ，其中，蒸汽接收容器適于平衡通過多個(gè)蒸汽發(fā)生管輸入容器的蒸 汽壓力的波動(dòng)，從而在蒸汽出口處提供均勻蒸汽壓力。
13. —種用權(quán)利要求1所述的方法產(chǎn)生蒸汽的燃料電池系統(tǒng)。
14. 一種包括如權(quán)利要求9所述的蒸汽發(fā)生系統(tǒng)或如權(quán)刮要求12 所述的蒸汽發(fā)生器的燃料電池系統(tǒng)。
15. —種如權(quán)利要求9所述的蒸汽發(fā)生系統(tǒng)或如權(quán)利要求12所述 的蒸汽發(fā)生器在燃料電池系統(tǒng)中產(chǎn)生蒸汽的用途。
16. 如權(quán)利要求15所述的用途，其中，產(chǎn)生的蒸汽輸入文氏噴管 (venturi )，該噴管用于輸送氣態(tài)燃料以產(chǎn)生燃料/蒸汽混合物。
17. 如權(quán)利要求16所述的用途，其中，將該燃料/蒸汽混合物輸 給蒸汽重整裝置或輸給燃料電池。
全文摘要
一種通過加熱包括多個(gè)蒸汽發(fā)生管的蒸汽發(fā)生器中的水產(chǎn)生蒸汽的方法，其中，經(jīng)由各自的供水管以恒速向每個(gè)蒸汽發(fā)生管供水，并且其中，每個(gè)供水管中設(shè)有足夠的壓降從而防止在多個(gè)蒸汽發(fā)生管中發(fā)生逆流。
文檔編號(hào)F22B7/00GK101310146SQ200680030235
公開日2008年11月19日 申請(qǐng)日期2006年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月19日
發(fā)明者B·帕里斯, D·M·澤里, G·J·門廷克, K·艾哈邁德, M·凱, N·V·奧爾, R·J·佩恩 申請(qǐng)人:塞拉米克燃料電池有限公司