CN105261771B - 一种固体氧化物燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固体氧化物燃料电池系统，包括预热电堆入口空气温度的空气换热器单元、预热电堆入口燃料温度的燃料换热器单元、电堆单元、电堆温度检测单元、电堆尾气回收燃烧室单元以及尾气出口流量控制阀门。本发明的空气换热器单元和燃料换热器单元分别具有独立的预热烟气管道、尾气流量控制阀，系统通过温度检测单元检测电堆温度并传送给控制器，控制器根据反馈的温度数据进行相应的运算，并输出相应的控制信号控制空气换热器单元和燃料换热器单元的尾气出口控制阀门开度调节这两个单元所通入的高温预热烟气的流量分配，进而可以调节电堆入口处的空气温度和燃料温度，最后使得电堆处于良好的工作温度状况，保障系统安全并提高系统效率。

Description

一种固体氧化物燃料电池系统
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种固体氧化物燃料电池系统，它是一种能够有效控制电堆入口气体温度的固体氧化物燃料电池系统，更精确地说，它是一种在不影响系统其它控制量的基础上，能增加系统的输入控制量、提高系统可控度与安全性能的固体氧化物燃料电池系统。
背景技术
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)是一种工作在600～800℃的绿色、高效能量转换装置，通过电化学反应能够直接将碳氢化合物中的化学能转化为电能，没有燃烧与机械传动，因而具有安静、清洁、高效等优点，被誉为21世纪最具前景的绿色发电技术之一。平板式SOFC因具有高能比、易组装等优点而成为SOFC技术应用的主流。
SOFC较高的工作温度为其带来了燃料广泛适应性、高品位尾气热能等优点，可使用天然气、煤气、沼气、生物质等燃料，并且可与涡轮机(GT)等部件形成混合发电系统或热电联供系统，系统效率可达80％以上。然而，高温也带来了极具挑战的控制问题。为了保证SOFC的安全、长寿命工作，需要将电堆的最大工作温度、电池片的温度梯度、电堆入口气体温差三个温度指标严格控制在设定的安全范围之内，在系统的热、电相互耦合严重的情况下，温度的控制成了十分棘手的问题。
有大量的学者进行了电堆温度控制的相关研究，其中就有学者通过建模仿真研究指出，在控制电堆入口气体流量的同时，如果能控制电堆入口气体的温度，则可以更有效地控制电堆的三个温度指标，为系统的安全、长寿命运行提供了可供参考的方法与理论支撑。目前已有的控制方法中，已有通过加设一个冷空气的旁路来控制电堆入口的空气温度的方法，并且已有较好的应用，例如在发明专利US6608463B1中，系统考虑了使用空气旁路来调节电堆入口空气温度。然而这个方法具有2个不足之处：1.它只能单独调节电堆入口空气的温度，而不能调节电堆入口氢气的温度，所以它对于电堆，特别是交叉流的温度梯度控制手段不足；2.该方法调节电堆入口空气温度一般会改变进入电堆的空气流量，这样使得电堆入口空气的流量和温度相互耦合在一起，加剧了系统的耦合程度，并为电堆的温度梯度的控制带来了困难。这样使得系统仍然面临控制量严重耦合，系统被控量数目多于控制量的困境。因此，为了进一步提高系统的可控性，增加系统电堆的温度安全性能，需要在低成本的条件下提供一种耦合度小，而不增加系统复杂度的系统结构。
发明内容
针对现有技术的缺陷和技术需求，本发明的目的在于在于提供一种能够提高系统可控性，增加系统电堆的温度安全性能，并且对系统耦合度小的固体氧化物燃料电池系统。
为了实现上述技术目的，本发明技术方案为：
一种固体氧化物燃料电池系统，包括预热电堆入口空气温度的空气换热器单元、预热电堆入口燃料温度的燃料换热器单元、固体氧化物燃料电池电堆单元、电堆温度检测单元、系统控制器、电堆尾气回收燃烧室单元、空气换热器尾气出口冷凝器、燃料换热器尾气出口冷凝器、空气换热器尾气出口流量控制阀门以及燃料换热器尾气出口流量控制阀门；其中；
固体氧化物燃料电池电堆单元，其空气输入端、燃料输入端分别接空气换热器单元与燃料换热器单元的空气输出端与燃料输出端，电堆尾气回收燃烧室单元的空气输入和燃料输入端分别接固体氧化物燃料电池电堆单元的空气尾气输出端和燃料输出端；电堆尾气回收燃烧室单元的高温烟气输出端接三通管，烟气一分为二，其中一路烟气接空气换热器单元的高温烟气输入端，另一路烟气接燃料换热器单元的高温烟气输入端；空气换热器单元的高温烟气输出端接空气换热器尾气出口冷凝器后再接空气换热器尾气出口流量控制阀门，燃料换热器单元的高温烟气输出端接燃料换热器尾气出口冷凝器后再接燃料换热器尾气出口流量控制阀门；
所述电堆温度检测单元用于采集固体氧化物燃料电池电堆单元的温度分布状况，然后传送给系统控制器，系统控制器再将控制信号传输给空气换热器尾气出口流量控制阀门以及燃料换热器尾气出口流量控制阀门进行阀门开度控制，通过阀门的开度控制分别调节进入空气换热器单元和燃料换热器单元的高温烟气的流量，改变空气换热器单元出口的空气温度与燃料换热器单元出口的燃料温度，进而调节固体氧化物燃料电池电堆单元入口的空气温度与燃料温度使得电堆内部的温度得到有效控制。。
上述方案的技术效果体现在：
本发明具有独立的空气换热器单元和燃料换热器单元高温烟气输入、输出端口，可以分别通过尾气流量控制阀阀门控制高温烟气流量，进而调节空气换热器单元和燃料换热器单元的空气出口温度和燃料出口温度，再作用到电堆上，控制电堆的温度分布。具体过程是通过温度检测单元检测电堆的温度状况，然后系统控制器电气连接在空气换热器尾气出口流量控制阀门以及燃料换热器尾气出口流量控制阀门的信号端，当需要调节空气换热器单元的空气出口端的温度升高时，可将空气换热器尾气出口流量控制阀门的开度增加或者将燃料换热器尾气出口流量控制阀的阀门开度减小；当需要调节控制换热器单元的空气出口端温度降低时，则可将空气换热器尾气出口流量控制阀门的开度减小或者将燃料换热器尾气出口流量控制阀门的开度增大。对于燃料换热器单元的燃料出口端的温度控制与空气出口端的方法同理。
作为进一步优选的技术方案如下：
所述的空气换热器单元和燃料换热器单元分别含有独立的高温烟气输入端和独立的高温烟气输出端；独立的高温烟气通道可以使得电堆入口的空气和燃料的温度能够相互独立，相互之间不耦合影响。
该进一步的优选方案的技术效果体现在：
所述的空气换热器单元和燃料换热器单元的高温烟气输出端上分别接有空气换热器尾气出口冷凝器、燃料换热器尾气出口冷凝器和空气换热器尾气出口流量控制阀门、燃料换热器尾气出口流量控制阀门；通过控制空气换热器尾气出口流量控制阀门以及燃料换热器尾气出口流量控制阀门的开度可以调节高温烟气的流量，进而调节预热后进入电堆的空气换热器单元出口端和燃料换热器单元出口端的温度。
所述的空气换热器尾气出口冷凝器和燃料换热器尾气出口冷凝器能够将高温尾气出口温度降低至60℃以内；空气换热器尾气出口流量控制阀门、燃料换热器尾气出口流量控制阀门为开度分级控制阀，采用固定的开度档位调节。
所述的控制器电气连接在空气换热器尾气出口流量控制阀门、燃料换热器尾气出口流量控制阀门的信号端，当需要调节空气换热器单元的空气出口端的温度升高时，可将空气换热器尾气出口流量控制阀门的开度增加或者燃料换热器尾气出口流量控制阀门的开度减小；当需要调节控制换热器单元的空气出口端温度降低时，则可将空气换热器尾气出口流量控制阀门的开度减小或者燃料换热器尾气出口流量控制阀门的开度增大。对于燃料换热器单元的燃料出口端的温度控制与控制空气换热器单元的空气出口端温度的方法同理。
附图说明
图1是本发明固体氧化物燃料电池系统结构框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示为发明电池系统结构框图，本发明的固体氧化物燃料电池系统具有独立的空气换热器单元15和燃料换热器单元16，从尾气燃烧室出来的高温烟气通过三通阀6分为两路，分别进入空气换热器单元和燃料换热器单元，空气换热器单元和燃料换热器单元分别具有独立的烟气出口。温度检测单元通过测量电堆的温度状况，并传送给系统控制器，然后再控制尾气流量控制阀的开度调节电堆入口空气和燃料的温度，进而调节电堆的工作温度。
鼓风机18可以为系统提供需求的空气流量，然后进入空气换热器单元15，被高温烟气预热到一定温度后从空气换热器单元15的空气出口端口1进入电堆单元20；燃料从燃料罐19供给，经过流量计17控制流量后进入燃料换热器单元16，被高温烟气预热到一定温度后从燃料换热器单元16的燃料出口端口2进入电堆；燃料和空气在电堆单元20内通过电化学反应发电后，形成电堆空气尾气3和电堆燃料尾气4进入电堆尾气回收燃烧室单元；燃烧室产生的高温烟气5由三通阀6分成两条支路9和10，支路9由空气换热器单元的烟气入口端进入，支路10由燃料换热器单元的烟气入口端进入，分别用来预热进入换热器单元的空气和燃料，最后烟气由空气换热器单元的烟气出口11和燃料换热器单元的烟气出口12离开换热器，并分别经过空气换热器尾气出口冷凝器13，燃料换热器尾气出口冷凝器14降低温度以及空气换热器尾气出口流量控制阀门7、燃料换热器尾气出口流量控制阀门8后排出系统。
由于在本发明固体氧化物燃料电池系统中，所述的空气换热器单元和燃料换热器单元分别含有独立的高温烟气输入端9、10和独立的高温烟气输出端11、12；独立的高温烟气通道可以使得电堆入口的空气1和燃料2的温度能够相互独立，相互之间不耦合影响。
在本发明中，所述的空气换热器单元和燃料换热器单元的高温烟气输出端11、12上分别接有空气换热器尾气出口冷凝器13、空气换热器尾气出口流量控制阀门7和燃料换热器尾气出口冷凝器14、燃料换热器尾气出口流量控制阀门8；通过控制空气换热器尾气出口流量控制阀门7和燃料换热器尾气出口流量控制阀门8的开度可以调节高温烟气的流量，进而调节预热后进入电堆的空气换热器单元出口端1和燃料换热器单元出口端2的温度。
本发明的一个5kW SOFC系统实施例中，以氢气瓶为系统提供燃料，鼓风机为系统提供空气，对同向流固体氧化物燃料电池电堆的温度进行温度控制。燃料电池电堆的入口阴阳极气体温度分别为720℃、700℃，电堆的入口工作温度为720℃，出口温度为780℃，入口与出口偏差温度为60℃，电堆平均工作温度为750℃；此时入口尾气回收燃烧室工作在950℃，氢气和空气在燃料电池中的利用率分别为85％和30％，系统工作压力为高于大气压0.3bar，燃料电池单片电池尺寸为15*15cm，有效工作面积为14*14cm，2个电堆，84片电池，分别工作在0.70V电压，电堆放电总电流80A，尾气排出温度为50℃，为了平衡电堆入口氢气和空气的温度，氢气换热器和空气换热器的烟气流量控制阀门开度分别为90％和60％，电堆的温度梯度得到了有效的控制，系统消耗的氢气及空气流量分别为86.2L/min，719L/min，得到5kW的净功率输出，系统的发电效率为55％，电堆的性能衰减为0.4％/10000h。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，包括预热电堆入口空气温度的空气换热器单元(15)、预热电堆入口燃料温度的燃料换热器单元(16)、固体氧化物燃料电池电堆单元(20)、电堆温度检测单元、系统控制器、电堆尾气回收燃烧室单元(23)、空气换热器尾气出口冷凝器(13)、燃料换热器尾气出口冷凝器(14)、空气换热器尾气出口流量控制阀门(7)以及燃料换热器尾气出口流量控制阀门(8)；其中：
固体氧化物燃料电池电堆单元(20)，其空气输入端、燃料输入端分别接空气换热器单元的空气输出端(1)与燃料换热器单元的燃料输出端(2)，电堆尾气回收燃烧室单元的空气输入端和燃料输入端分别接固体氧化物燃料电池电堆单元(20)的空气尾气输出端(3)和燃料输出端(4)；电堆尾气回收燃烧室单元的高温烟气输出端(5)接三通管(6)，将烟气一分为二，其中一路烟气接空气换热器单元的高温烟气输入端(9)，另一路烟气接燃料换热器单元的高温烟气输入端(10)；空气换热器单元的高温烟气输出端(11)接空气换热器尾气出口冷凝器(13)后再接空气换热器尾气出口流量控制阀门(7)，燃料换热器单元的高温烟气输出端(12)接燃料换热器尾气出口冷凝器(14)后再接燃料换热器尾气出口流量控制阀门(8)；
所述电堆温度检测单元用于采集固体氧化物燃料电池电堆单元(20)的温度分布状况，然后传送给系统控制器，系统控制器再将控制信号传输给空气换热器尾气出口流量控制阀门(7)以及燃料换热器尾气出口流量控制阀门(8)进行阀门开度控制，通过阀门的开度控制分别调节进入空气换热器单元(11)和燃料换热器单元(16)的高温烟气的流量，改变空气换热器单元(11)出口的空气温度与燃料换热器(16)单元出口的燃料温度，进而调节固体氧化物燃料电池电堆单元(20)入口的空气温度与燃料温度使得电堆内部的温度得到有效控制。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，所述空气换热器尾气出口流量控制阀门(7)以及燃料换热器尾气出口流量控制阀门(8)为开度分级控制阀，采用固定的开度档位调节。
3.根据权利要求1或2所述的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，所述的系统控制器电气连接在空气换热器尾气出口流量控制阀门(7)和燃料换热器尾气出口流量控制阀门(8)的信号端，当需要调节空气换热器单元的空气出口端(1)的温度升高时，将空气换热器尾气出口流量控制阀门(7)的阀门开度增加或者将燃料换热器尾气出口流量控制阀门(8)的阀门开度减小。
4.根据权利要求1或2所述的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，所述的系统控制器电气连接在空气换热器尾气出口流量控制阀门(7)和燃料换热器尾气出口流量控制阀门(8)的信号端，当需要调节控制换热器单元的空气出口端(1)温度降低时，则将空气换热器尾气出口流量控制阀门(7)的开度减小或者将燃料换热器尾气出口流量控制阀门(8)的开度增大。
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