CN105334464A - 一种固体氧化物燃料电池堆测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固体氧化物燃料电池堆测试装置，包括气体供给子系统、仪器仪表控制子系统、辅助加热子系统、电堆子系统、负载子系统、以及与气体供给子系统、仪器仪表控制子系统、辅助加热子系统、负载子系统连接的供电子系统，所述仪器仪表控制子系统与电堆子系统连接；本发明测试量全面，测试数据精确，安全可靠，人机交互好。

Description

一种固体氧化物燃料电池堆测试装置

技术领域

本发明涉及一种固体氧化物燃料电池测试装置，属于燃料电池应用技术领域，尤其涉及一种5kW级固体氧化物燃料电池堆测试装置。

背景技术

固体氧化物燃料电池是一种在中高温下直接将储存在燃料与氧化剂中的化学能直接转换为电能的发电装置，具有燃料适应性广、能量转换效率高、全固态、模块化组装及零污染等优点，可以直接使用氢气、一氧化碳、天然气、液化气、煤气及生物质气等多种碳氢燃料。在大型集中供电、中型分电和小型家用热电联供等民用领域作为固定电站，以及作为船舶动力电源、交通车辆动力电源等移动电源，都有广阔的应用前景。

在固体氧化物燃料电池堆运行过程中，阳极氢气(或甲烷和水)流量和阴极空气流量、阳极气体入口温度、阴极气体入口温度、电堆工作温度对燃料电池的性能有很大影响。为了缩短燃料电池研发周期，提高质量，需要测试负载条件下各参数对电堆性能的影响，以优化燃料电池的运行参数。目前，国外相关公司提供的固体氧化物燃料电池测试设备具有价格昂贵，产品固化，售后服务困难等问题，不能满足现有测试需求。因此，自主开发固体氧化物燃料电池堆测试装置对固体氧化物燃料电池技术的研究具有积极作用。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提出了一种固体氧化物燃料电池堆测试装置，适用于燃料气为甲烷或氢气，不同工况下的电池堆性能测试。可进行控制参数、故障判定参数及系统参数的在线更改。此外，装置中包含的温度巡检部分可为用户进行参数设置提供依据。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种固体氧化物燃料电池堆测试装置，包括气体供给子系统、仪器仪表控制子系统、辅助加热子系统、电堆子系统、负载子系统、以及与气体供给子系统、仪器仪表控制子系统、辅助加热子系统、负载子系统连接的供电子系统，所述仪器仪表控制子系统与电堆子系统连接；

电堆子系统用于产生电能，包括至少一个电池组；气体供给子系统用于为燃料电池组提供气源；仪器仪表控制子系统用于监控电池组的性能参数；辅助加热子系统用于对电堆子系统的电池组、入口水及入口空气进行辅助加热；供电子系统为气体供给子系统、仪器仪表控制子系统及辅助加热子系统提供电能；负载子系统用于消耗电池组产生的电能。

所述气体供给子系统包括甲烷储罐、水储罐、氢气储罐及氮气储罐，均通过管路、阀门与仪器仪表控制子系统连接。

所述仪器仪表控制子系统包括上位机以及与其连接的甲烷质量流量计、氮气质量流量计、氢气质量流量计、模拟量采集模块、模拟量控制模块和多个温控仪；还包括与模拟量采集模块连接的总电压传感器、电流传感器、可燃气体浓度传感器、湿度传感器、单组电压传感器、风机出口压力传感器、风机入口压力传感器、水泵出口压力传感器；还包括与模拟量控制模块连接的水泵和风机；还通过温度巡检模块连接有多个温度传感器。

所述甲烷质量流量计、氮气质量流量计、氢气质量流量计的一端均经调节阀、减压阀分别与甲烷储罐、氮气储罐、氢气储罐连接，另一端与电堆子系统的燃料分配腔连接；所述水泵入口与水储罐连接，水泵出口经球阀、水泵出口压力传感器与电堆子系统的燃料分配腔连接；所述风机入口经风机入口压力传感器及空气过滤器与大气连接，风机的出口经风机出口压力传感器与电堆子系统的空气分配腔连接；所述可燃气体浓度传感器置于电堆子系统上部，湿度传感器置于装有现场仪表的电气柜内部；所述总电压传感器与电堆子系统的电堆输出的正负极相连，所述电流传感器置于用于连接电堆子系统的电堆与负载子系统负载的导线外圈，所述单组电压传感器与电堆子系统单组电池组的正负极相连。

所述辅助加热子系统包括电堆加热装置、汽化器加热装置及空气加热装置；所述电堆加热装置置于电堆子系统的下部、电池组外圈；所述汽化器加热装置串联于水泵出口压力传感器与电堆子系统的燃料分配腔之间；所述空气加热装置串联于风机出口压力传感器与电堆子系统的空气分配腔之间。

所述温度传感器包括汽化器出口温度传感器、燃烧室温度传感器、尾气出口温度传感器、空气加热出口温度传感器、电堆上部温度传感器、电堆中部温度传感器和电堆下部温度传感器；所述汽化器出口温度传感器设置于汽化器加热装置出口；燃烧室温度传感器置于电堆子系统中的燃烧室内；所述尾气出口温度传感器位于电堆子系统的出口；所述空气加热出口温度传感器位于空气加热装置出口；所述电堆上部温度传感器、电堆中部温度传感器和电堆下部温度传感器分别置于电堆子系统中电池组的上部、中部及下部位置。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明测试量全面，测试数据精确，安全可靠，人机交互好。

2.本发明组成结构简单，易于安装。

3.本发明为模块化式系统，易于扩展，提供较高的灵活性和多样性。

附图说明

图1为本发明的系统框图。

图中，1-1为电堆子系统，1-2为气体供给子系统，1-3为辅助加热子系统，1-4为供电子系统，1-5为负载子系统，1-6为仪器仪表控制子系统。

图2为本发明的测试装置结构图。

图中，1为甲烷储罐，2为减压阀，3为调节阀，4为甲烷质量流量计，5为氮气储罐，6为减压阀，7为调节阀，8为氮气质量流量计，9为氢气储罐，10为减压阀，11为调节阀，12为氢气质量流量计，13为水储罐，14为水泵，15为球阀，16为水泵出口压力传感器，17为汽化器加热装置，18为汽化器出口温度传感器，19为燃烧室温度传感器，20为可燃气体传感器，21为湿度传感器，22为尾气出口温度传感器，23为空气过滤器，24为风机入口压力传感器，25为风机，26为风机出口压力传感器，27为空气加热装置，28为空气加热出口温度传感器，29为电堆上部温度传感器，30为电堆中部温度传感器，31为电堆下部温度传感器，32为电堆加热装置，33为燃烧室，34为重整室，35为电堆，36为总电压传感器，37为总电流传感器，38为单组电压传感器，39为电子负载，

图3为本发明的测试装置监控部分设备连接框图。

图4为本发明的测试装置温度巡检部分设备连接框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1、2所示，测试装置由电堆子系统、气体供给子系统、辅助加热子系统、供电子系统、负载子系统及仪器仪表控制子系统组成。所述电堆子系统用于产生电能，包含至少一个电池组，为现有技术，通常包括固体氧化物燃料电池堆35、重整室34及燃烧室33；本实施例的电堆子系统采用的是《一种由阳极支撑管型固体氧化物燃料电池构建的电站》(专利申请号201110197802.2，申请公布号CN102881923A)中的外壳及其内部所示结构(见该专利图2)；固体氧化物燃料电池堆35出口与燃烧室33入口相连，重整室34与燃烧室33相邻，重整室34出口与固体氧化物燃料电池堆35入口相连。电堆子系统入口有位于其上部的燃料分配腔(与电堆电池管阳极入口连接)，及位于其下部的空气分配腔(与电堆电池管阴极入口连接)，电堆子系统的出口，即燃烧室出口，其经管路与大气相连。通入电池管气体供给子系统1-2供给的燃料甲烷和水经预热后通入重整室重整，经重整室重整后的气体进入电堆电池管的阳极入口，阴极的空气经预热后通入电堆电池管的阴极，发生电化学反应，电堆电池管的阳极出口和阴极出口尾气通入燃烧室燃烧，尾气经管路排空。通入电池管阳极的燃料还可以是氢气，经预热后进入电堆电池管的阳极入口，阴极的空气经预热后通入电堆电池管阴极，发生电化学反应，电堆电池管的阳极出口和阴极出口尾气通入燃烧室燃烧，尾气经管路排空。

所述气体供给子系统包括甲烷储罐1、水储罐13、氢气储罐9及氮气储罐5，供给电池堆反应所需的气体。甲烷储罐通过管路经阀门2，3和甲烷质量流量计4入口相连，氮气储罐通过管路经阀门6，7和氮气质量流量计8入口相连，氢气储罐通过管路经阀门10，11和氢气质量流量计12入口相连，质量流量计出口经管路与电堆电池管的阳极入口相连。氮气可对管路进行吹扫。水储罐通过管路和水泵14入口相连，水泵出口通过管路经阀门15与汽化器入口相连，汽化器出口经管路经燃料分配腔与电堆电池管阳极入口相连。环境中空气经过滤装置23进入风机25入口，所述风机出口经管路与加热器入口相连，加热器出口经管路与电堆的阴极入口相连。在上位机中气体供给量设定值通过通信总线，下载到各质量流量计及模拟量控制模块的寄存器中，转换为阀门开度或电机转速的变化，改变气体供给量。

所述辅助加热子系统，分为电堆加热装置32、汽化器加热装置17及空气加热装置27。所述电堆加热装置提供电堆反应所需温度，为多个加热装置共同加热，每个加热装置温度可通过控温装置单独控制。所述汽化器加热装置可通过温控仪控制提供指定温度的水蒸汽。所述空气加热装置可通过温控仪控制提供指定温度的预热后空气。

所述供电子系统，可提供UPS(不间断电源)供电及市电供电；所述UPS供电，用于气体供给子系统及仪器仪表子系统等重要负荷供电，至少包括氮气和空气的不间断供应。所述市电用于辅助加热子系统等一般负荷供电。

所述负载子系统为电子负载39，将其输入端与电池堆输出端电气连接。所述电子负载与上位机信号连接。在上位机上可设定电子负载为恒压、恒流及恒功率模式，模拟实际终端用电情况。

所述仪器仪表控制子系统，分为电堆监控部分和温度巡检部分。

如图3所示为测试装置监控部分设备连接框图，包括上位机、甲烷质量流量计4、氮气质量流量计8、氢气质量流量计12、模拟量采集模块、模拟量控制模块、总电压传感器36、电流传感器37、可燃气体浓度传感器20、湿度传感器21、单组电压传感器38、风机出口压力传感器26、风机入口压力传感器24、水泵出口压力传感器16及多个温控仪组成。

所述上位机通信接口1与甲烷质量流量计、氮气质量流量计及氢气质量流量计信号连接，所述上位机通信接口2与模拟量采集模块及模拟量控制模块信号连接，所述总电压传感器、电流传感器、可燃气体浓度传感器、湿度传感器、单组电压传感器、风机出口压力传感器、风机入口压力传感器及水泵出口压力传感器分别与模拟量采集模块各通道电气连接，所述模拟量控制模块通道1及通道2分别与水泵及风机控制部分电气连接，所述上位机通信接口3与多个温控仪信号连接，所述温控仪与对应加热装置电气连接，包括汽化器加热装置17、空气加热装置27和多个电堆加热装置。

所述甲烷质量流量计用于检测和控制甲烷的流量，所述氮气质量流量计用于检测和控制氮气的流量，所述氢气质量流量计用于检测和控制氢气的流量。所述模拟量采集模块为8通道0～5VDC模拟量采集模块，与模拟量采集模块连接的传感器输出为4～20mA电流信号，通过采样电阻将电流信号转换为电压信号引至采集模块输入端。所述模拟量控制模块为多通道0～10VDC模拟量输出模块，风机及水泵控制部分识别控制模块提供的直流电压值，通过相关电路将其转换为对应的转速，进而改变风机及水泵的流量。所述总电压传感器用于测量电池堆输出总电压，所述电流传感器用于测量电池堆输出总电流，所述可燃气体浓度传感器，置于电池堆子系统上部，用于检测氢气的浓度，所述湿度传感器，置于装有现场仪表(甲烷质量流量计，氮气质量流量计，氢气质量流量计，水泵，水泵出口压力传感器，风机入口压力传感器，风机，风机出口压力传感器，总电压传感器，总电流传感器，单组电压传感器，模拟量采集模块，模拟量控制模块，温控仪1～N及温度巡检模块)的电气柜内部，用于检测柜内湿度，所述单组电压传感器用于检测燃料电池堆的单组电压值，所述风机出口压力传感器，置于风机出口管路，用于检测风机出口处压力值，所述风机入口压力传感器，置于风机入口处管路，用于检测风机入口处压力值，所述水泵出口压力传感器，置于水泵出口管路，用于检测水泵出口处压力值。所述质量流量计、模拟量采集模块及模拟量控制模块为同一通信接口，所述温控仪采用另一种通信接口，所述通信接口符合485总线或其他现场总线。

上位机采用多线程技术，质量流量计为一个线程，模拟量采集模块及模拟量控制模块为另一个线程，增加通信的可靠性。上位机按照各仪表的通信协议，通过通信总线发送采集或参数设定指令到仪表寄存器，仪表响应后，将测量值通过通信总线回传到上位机缓冲区，或将其转化为仪表的控制输出，进而转化为阀门的开度调节或转速调节。

上位机将测量值以表格或曲线形式显示，并存储于数据库中，且可以进行测试参数、故障参数及系统参数的在线修改。所述测试参数为电池堆运行的流量、温度参数。所述故障参数为模拟量采集模块测量值的上下限设置。所述系统参数包括通信参数、显示参数及采样时间设置。所述电堆辅助加热的多个温控仪可同时进行设置，将上位机设定好的多条温度段参数，逐条下载到各个温控仪中，简化系统操作。

如图4所示为测试装置温度巡检部分设备连接框图，包括上位机、温度巡检模块及多个温度传感器，温度巡检模块与上位机的通信接口信号连接，温度巡检模块的多个通道与多个温度传感器对应电气连接，所述温度传感器至少包括电堆上部温度传感器29、电堆中部温度传感器30、电堆下部温度传感器31、燃烧室温度传感器19、尾气出口温度传感器22、汽化器出口温度传感器18及空气加热出口温度传感器28，分别将温度传感器置于对应检测位置。所述温度传感器输出为mV级信号。所述通信接口符合485总线或其他现场总线。在上位机进行温度巡检，通过通信总线，读取温度巡检模块的温度测量值，将其以表格形式显示，并保存在数据库中，用户可设定各温度传感器的上下限范围，所述测量值不在范围内进行报警。

所述固体氧化物燃料电池堆测试装置在电池堆的启动、正常运行及关闭等操作流程中均可进行检测控制。其中，温度巡检系统，实时的将测试装置关键点温度测量值采集并显示，方便操作人员进行参考。电堆监控系统，根据温度巡检系统的数据，及监控系统采集的传感器数值，改变电池堆的运行温度、甲烷、氢气、氮气、水及空气的供给值，测试不同工况下燃料电池堆的性能参数。

上述固体氧化物燃料电池堆测试装置可按如下步骤操作。

步骤一：装置启动

闭合市电输出开关，启动UPS并闭合其输出开关，使装置中的所有设备上电。电堆监控部分及温度巡检部分上位机开机。调节所述装置中甲烷质量流量计、氮气质量流量计及氢气质量流量计的入口压力值。打开所述装置中甲烷管路、氮气管路、氢气管路及水管路上的阀门。

步骤二：电堆升温

通过上位机进行电堆监控，设置电堆加热部分的升温参数，将升温参数通过通信总线下载到温控仪的寄存器中，温控仪根据升温参数输出控制信号到可控硅上，可控硅串接在电炉加热装置回路中，通过可控硅的调节，控制加热装置，使其温度符合升温参数设置。

通过上位机进行巡检，查看电堆上部温度、电堆中部温度、电堆下部温度、燃烧室温度及尾气出口温度等关键点温度，并判断其是否符合要求，否则进行升温参数修改。

步骤三：电堆还原

电堆加热装置升温到指定温度后，电堆加热装置恒温，开始电堆还原步骤。

通过上位机，设定氮气质量流量计、氢气质量流量计及空气的流量，设定值通过通信总线分别下载到质量流量计及模拟量控制模块对应寄存器中，质量流量计根据寄存器中气体设定值，调节其阀门开度，进而控制输出气体流量，模拟量控制模块根据寄存器中的设定值，输出对应控制电压到风机的控制部分，风机控制部分根据控制电压调节输出空气流量。

电堆还原步骤中，通过监测关键点温度值及其变化趋势，判断还原是否完成，调节气体供给量使电堆温度在指定区间，具体为电堆温度升高时可以增加空气流量或降低氢气流量。

步骤四：电堆测试

电堆还原步骤结束后，进入电堆测试步骤，闭合电子负载开关，通过对电子负载进行设置，模拟多种电堆放电状态，进行电堆性能的测试。

电堆测试步骤中，通过监测关键点温度值，判断是否满足电堆运行温度条件，同时通过电堆监控部分上位机软件监测气体供给量是否满足电堆放电需求，并通过软件进行甲烷、氮气、氢气、水及空气流量的调节。

步骤五：装置关闭

电堆测试结束后，关闭所述装置。

通过上位机设定温度控制参数，通过通信总线将参数下载到温控仪寄存器中执行，使电堆按指定速率降温。电堆温度到达指定温度后，停止氮气供给，并关闭管路阀门。通过通信总线发送关闭指令到所述装置中的所有设备，断开UPS输出开关，断开市电。

所述电堆监控部分及温度巡检部分采集到的数据分别存储于对应上位机中，用于数据的分析处理。

Claims (6)

1.一种固体氧化物燃料电池堆测试装置，其特征在于：包括气体供给子系统(1-2)、仪器仪表控制子系统(1-6)、辅助加热子系统(1-3)、电堆子系统(1-1)、负载子系统(1-5)、以及与气体供给子系统(1-2)、仪器仪表控制子系统(1-6)、辅助加热子系统(1-3)、负载子系统(1-5)连接的供电子系统(1-4)，所述仪器仪表控制子系统(1-6)与电堆子系统(1-1)连接；

电堆子系统(1-1)用于产生电能，包括至少一个电池组；气体供给子系统(1-2)用于为燃料电池组提供气源；仪器仪表控制子系统(1-6)用于监控电池组的性能参数；辅助加热子系统(1-3)用于对电堆子系统(1-1)的电池组、入口水及入口空气进行辅助加热；供电子系统(1-4)为气体供给子系统(1-2)、仪器仪表控制子系统(1-6)及辅助加热子系统(1-3)提供电能；负载子系统(1-5)用于消耗电池组产生的电能。

2.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池堆测试装置，其特征在于所述气体供给子系统(1-2)包括甲烷储罐(1)、水储罐(13)、氢气储罐(9)及氮气储罐(5)，均通过管路、阀门与仪器仪表控制子系统(1-6)连接。

3.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池堆测试装置，其特征在于所述仪器仪表控制子系统(1-6)包括上位机以及与其连接的甲烷质量流量计(4)、氮气质量流量计(8)、氢气质量流量计(12)、模拟量采集模块、模拟量控制模块和多个温控仪；还包括与模拟量采集模块连接的总电压传感器(36)、电流传感器(37)、可燃气体浓度传感器(20)、湿度传感器(21)、单组电压传感器(38)、风机出口压力传感器(26)、风机入口压力传感器(24)、水泵出口压力传感器(16)；还包括与模拟量控制模块连接的水泵(14)和风机(25)；还通过温度巡检模块(43)连接有多个温度传感器。

4.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池堆测试装置，其特征在于：所述甲烷质量流量计(4)、氮气质量流量计(8)、氢气质量流量计(12)的一端均经调节阀、减压阀分别与甲烷储罐(1)、氮气储罐(5)、氢气储罐(9)连接，另一端与电堆子系统(1-1)的燃料分配腔连接；所述水泵(14)入口与水储罐(13)连接，水泵(14)出口经球阀(15)、水泵出口压力传感器(16)与电堆子系统(1-1)的燃料分配腔连接；所述风机(25)入口经风机入口压力传感器(24)及空气过滤器(23)与大气连接，风机(25)的出口经风机出口压力传感器(26)与电堆子系统(1-1)的空气分配腔连接；所述可燃气体浓度传感器(20)置于电堆子系统(1-1)上部，湿度传感器(21)置于装有现场仪表的电气柜内部；所述总电压传感器(36)与电堆子系统(1-1)的电堆输出的正负极相连，所述电流传感器(37)置于用于连接电堆子系统(1-1)的电堆与负载子系统(1-5)负载的导线外圈，所述单组电压传感器(38)与电堆子系统(1-1)单组电池组的正负极相连。

5.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池堆测试装置，其特征在于所述辅助加热子系统(1-3)包括电堆加热装置(32)、汽化器加热装置(17)及空气加热装置(27)；所述电堆加热装置(32)置于电堆子系统(1-1)的下部、电池组外圈；所述汽化器加热装置(17)串联于水泵出口压力传感器(16)与电堆子系统(1-1)的燃料分配腔之间；所述空气加热装置(27)串联于风机出口压力传感器(26)与电堆子系统(1-1)的空气分配腔之间。

6.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池堆测试装置，其特征在于所述温度传感器包括汽化器出口温度传感器(18)、燃烧室温度传感器(19)、尾气出口温度传感器(22)、空气加热出口温度传感器(28)、电堆上部温度传感器(29)、电堆中部温度传感器(30)和电堆下部温度传感器(31)；所述汽化器出口温度传感器(18)设置于汽化器加热装置(17)出口；燃烧室温度传感器(19)置于电堆子系统(1-1)中的燃烧室内；所述尾气出口温度传感器(22)位于电堆子系统(1-1)的出口；所述空气加热出口温度传感器(28)位于空气加热装置(27)出口；所述电堆上部温度传感器(29)、电堆中部温度传感器(30)和电堆下部温度传感器(31)分别置于电堆子系统(1-1)中电池组的上部、中部及下部位置。