CN106935887A - 一种熔融碳酸盐燃料电池堆的启动方法 - Google Patents

一种熔融碳酸盐燃料电池堆的启动方法 Download PDF

Info

Publication number
CN106935887A
CN106935887A CN201710134945.6A CN201710134945A CN106935887A CN 106935887 A CN106935887 A CN 106935887A CN 201710134945 A CN201710134945 A CN 201710134945A CN 106935887 A CN106935887 A CN 106935887A
Authority
CN
China
Prior art keywords
battery pile
passed
fuel cell
air
ensured
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201710134945.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106935887B (zh
Inventor
张瑞云
许世森
程健
王洪建
任永强
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huaneng Clean Energy Research Institute
Original Assignee
Huaneng Clean Energy Research Institute
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huaneng Clean Energy Research Institute filed Critical Huaneng Clean Energy Research Institute
Priority to CN201710134945.6A priority Critical patent/CN106935887B/zh
Publication of CN106935887A publication Critical patent/CN106935887A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106935887B publication Critical patent/CN106935887B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04268—Heating of fuel cells during the start-up of the fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

一种熔融碳酸盐燃料电池堆的启动方法，具体步骤为：(1)根据电池堆的功率大小，计算出所需的空气流量；(2)电池堆升温，升温速率不得大于5℃/min；(3)从室温至200℃，从电池堆阴极侧通入设定的空气量，保证电池堆密封面有20％～30％的漏气量；(4)从200℃～450℃，电池堆阴极侧增加二氧化碳，气量为空气流量的一半，当温度达到450℃时，保证密封面处没有气体泄漏；(5)从450℃～550℃，关闭阴极进气，电池堆进入化盐阶段；(6)从550℃～650℃，阳极通入氢气进行还原电极；(7)温度达到650℃以后，阴极通入空气和二氧化碳即可进行放电性能测试；通过本发明，有效地降低了大功率熔融碳酸盐燃料电池堆焙烧过程中电池堆内部积碳的风险，有效提高了电池堆稳定输出功率的成功率。

Description

一种熔融碳酸盐燃料电池堆的启动方法
技术领域
本发明涉及熔融碳酸盐燃料电池技术领域，具体涉及一种熔融碳酸盐燃料电池堆的启动方法。
背景技术
燃料电池是一种不经过燃烧而以电化学反应方式将燃料的化学能直接变为电能的发电装置，其最大特点是反应过程不涉及燃烧，因此能量转化效率不受“卡诺循环”的限制，效率高达50％～60％。燃料电池工作时，氢气或其他燃料输入到阳极，并在电极和电解质的界面上发生氢气或其他燃料氧化与氧气还原的电化学反应，产生电流，输出电能。与火力发电方式相比，燃料电池的发电过程不经过燃料的直接燃烧CO、CO2、SO2、NOx及未燃尽的有害物质排放量极低，是公认的继火电、水电和核电之后的第四种发电方式。因此，燃料电池是集能源、化工、材料与自动化控制等新技术为一体的、具有高效与洁净特色的新电源。
到目前为止，燃料电池已经出现了很多种技术和结构类型，但是根据电解质的不同，一般分为碱性燃料电池(Alkaline Fuel Cell，AFC)、磷酸燃料电池(Phosphoric AcidFuel Cell,PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC)、固态氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)和质子交换膜燃料电池(Proton ElectrolyteMembrane Fuel Cell，PEMFC)五大类。对于熔融碳酸盐燃料电池，由于其优点有：(1)工作温度高，电极反应活化能小，不论氢的氧化还是氧的还原，都不需要高效催化剂，节省了贵金属的使用，一定程度上降低成本；(2)可以使用CO含量高的燃料气，如煤制气；(3)电池排放的余热温度高达673K之多，可用于底循环或回收使用，使总的效率高达80％；(4)可以不用水冷却，而用空气冷却，尤其适用于缺水的边远地区，因此，熔融碳酸盐燃料电池在分布式电站和移动电源等方面的应用前景非常美好。
由于熔融碳酸盐燃料电池在650℃下运行工作，电解质隔膜是在电池堆升温过程中进行焙烧，因此电池堆的升温启动显得尤为重要，焙烧效果的好坏直接影响电池堆的性能输出。在千瓦级至百千瓦级的电池堆试验中，为提高发电效率，降低发电成本，一般采用压缩空气进行焙烧，这样在节数大于50的电池堆内部，由于气流分布不均等诸多因素的影响，电解质隔膜很有可能焙烧不佳而导致电池堆积碳，从而影响电池堆的性能输出。
发明内容
为了克服上述问题，本发明提供一种熔融碳酸盐燃料电池堆的启动方法，有效地降低了大功率熔融碳酸盐燃料电池堆焙烧过程中电池堆内部积碳的风险，大大提高了电池堆稳定输出功率的成功率，对开发大功率熔融碳酸盐燃料电池发电具有重要的指导意义。
为了达到上述目的，本发明的具体方案为：
一种熔融碳酸盐燃料电池堆的启动方法，包括以下具体步骤：
(1)根据电池堆的功率大小，计算出所需的空气流量；
(2)电池堆升温方式可以选择电加热，也可以选择天然气燃烧加热的方式，为了有效焙烧隔膜，升温速率一般不得大于5℃/min；
(3)从室温至200℃，从电池堆阴极侧通入步骤(1)所计算的空气量，调整电池堆组装压力，使得电池堆尾气出气量为进气量的70％～80％，保证电池堆密封面有20％～30％的漏气量，便于电池堆密封面处的焙烧；
(4)从200℃～450℃，电池堆阴极侧增加二氧化碳、水蒸气或氮气，气量为空气流量的一半，用于增强焙烧效果，同时逐步控制组装压力，当温度达到450℃时，保证密封面处没有气体泄漏；
(5)从450℃～550℃，关闭阴极进气，电池堆进入化盐阶段，保证熔融态碳酸盐能够均匀浸入电解质隔膜；
(6)从550℃～650℃，阳极通入氢气进行还原电极，在通入氢气前须用氮气对其进行吹扫，保证氢气的安全通入；
(7)温度达到650℃以后，阴极通入空气和二氧化碳即可进行放电性能测试，如果电池堆开路电压能够很快达到设计值，说明电池堆内部焙烧效果较好；如果电池堆开路电压上升缓慢但最终也达到了设计值，说明电池堆内部有局部焙烧效果不是最佳；如果电池堆开路电压经过很长时间仍不能达到设计值，说明电池堆内部有短路，电解质隔膜焙烧不完全或者有积碳，仍需要对其进行进一步焙烧。
本发明的有益效果在于：本发明的一种熔融碳酸盐燃料电池堆的启动方法，总结了大功率MCFC在升温过程中的焙烧机理，既对MCFC的研究工作具有重要的指导意义，又可以节约MCFC研究中的成本投入，对加快我国在MCFC方面的研究进展具有重要的促进作用。
具体实施方式
本发明是一种熔融碳酸盐燃料电池堆的启动方法，在MCFC的研究领域具有重要的指导意义，下面将以实例来说明本发明的具体指导作用。
1.首先组装一个2kW的熔融碳酸盐燃料电池堆，电池堆由50节、单电池有效面积为500cm2串联而成；
2.根据电池堆的规模大小，选择合适的电加热升温炉，升温速率根据隔膜的热重曲线来确定；
3.根据电池堆功率，经过计算，电池堆焙烧所需的空气流量为90L/min；
4.从室温至200℃，调节电池堆组装压力，使得电池堆尾气出气流量为72L，有18L/min的空气通过密封面泄漏掉，以保证密封面处的焙烧；
5.从200℃至450℃，电池堆阴极侧再通入45L/min的二氧化碳，用于消除电解质隔膜焙烧过程中的积碳。同时随着焙烧温度的上升，缓慢增加组装压力，逐渐减少密封面处的漏气量，当温度达到450℃时，阴极尾气出气量基本与进气量相当；
6.从450℃至550℃，关闭阴极侧的进气，保证电池堆内部电解质的顺利浸入电解质隔膜；
7.从550℃至650℃，电池堆阳极侧通入氢气进行还原；
8.当温度达到650℃后，阳极通入30L/min的氢气，阴极通入90L/min的空气和36L/min的二氧化碳；
9.通过一段时间反应，电池堆开路电压达到55V(平均每节单电池开路电压为1.1V)即可对其进行放电测试。

Claims (1)

1.一种熔融碳酸盐燃料电池堆的启动方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
(1)根据电池堆的功率大小，计算出所需的空气流量；
(2)电池堆升温方式选择电加热或选择天然气燃烧加热的方式，为了有效焙烧隔膜，升温速率不得大于5℃/min；
(3)从室温至200℃，从电池堆阴极侧通入步骤(1)所计算的空气量，调整电池堆组装压力，使得电池堆尾气出气量为进气量的70％～80％，保证电池堆密封面有20％～30％的漏气量，便于电池堆密封面处的焙烧；
(4)从200℃～450℃，电池堆阴极侧增加二氧化碳，气量为空气流量的一半，用于消除电池堆内部的积碳危险，同时逐步控制组装压力，当温度达到450℃时，保证密封面处没有气体泄漏；
(5)从450℃～550℃，关闭阴极进气，电池堆进入化盐阶段，保证熔融态碳酸盐能够均匀浸入电解质隔膜；
(6)从550℃～650℃，阳极通入氢气进行还原电极，在通入氢气前须用氮气对其进行吹扫，保证氢气的安全通入；
(7)温度达到650℃以后，阳极继续通入氢气，阴极通入空气和二氧化碳即能够进行放电性能测试，如果电池堆开路电压能够很快达到设计值，说明电池堆内部焙烧效果较好；如果电池堆开路电压上升缓慢但最终也达到了设计值，说明电池堆内部有局部焙烧效果不是最佳；如果电池堆开路电压经过很长时间仍不能达到设计值，说明电池堆内部有短路，电解质隔膜焙烧不完全或者有积碳，仍需要对其进行进一步焙烧。
CN201710134945.6A 2017-03-08 2017-03-08 一种熔融碳酸盐燃料电池堆的启动方法 Active CN106935887B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710134945.6A CN106935887B (zh) 2017-03-08 2017-03-08 一种熔融碳酸盐燃料电池堆的启动方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710134945.6A CN106935887B (zh) 2017-03-08 2017-03-08 一种熔融碳酸盐燃料电池堆的启动方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106935887A true CN106935887A (zh) 2017-07-07
CN106935887B CN106935887B (zh) 2019-06-14

Family

ID=59433032

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710134945.6A Active CN106935887B (zh) 2017-03-08 2017-03-08 一种熔融碳酸盐燃料电池堆的启动方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106935887B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111564646A (zh) * 2020-05-18 2020-08-21 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 一种融碳酸盐燃料电池隔膜焙烧的在线评价方法
CN113782787A (zh) * 2021-09-13 2021-12-10 华能国际电力股份有限公司 一种熔融碳酸盐燃料电池进气系统及控制方法
CN114221001A (zh) * 2021-11-18 2022-03-22 四川大学 一种燃料电池用膜电极的制备及加速评估其耐久性的方法
WO2022193551A1 (zh) * 2021-03-19 2022-09-22 华能国际电力股份有限公司 一种熔融碳酸盐燃料电池电解质添加方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060204830A1 (en) * 2005-03-10 2006-09-14 Ovonic Fuel Cell Company, Llc Molten carbonate fuel cell
EP2474065B1 (en) * 2009-09-04 2015-03-25 LG Fuel Cell Systems Inc. Method for generating a gas which may be used for startup and shutdown of a fuel cell
CN105702992A (zh) * 2016-03-29 2016-06-22 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 一种基于熔融碳酸盐燃料电池合成氨的方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060204830A1 (en) * 2005-03-10 2006-09-14 Ovonic Fuel Cell Company, Llc Molten carbonate fuel cell
EP2474065B1 (en) * 2009-09-04 2015-03-25 LG Fuel Cell Systems Inc. Method for generating a gas which may be used for startup and shutdown of a fuel cell
CN105702992A (zh) * 2016-03-29 2016-06-22 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 一种基于熔融碳酸盐燃料电池合成氨的方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
林化新等: "千瓦级熔融碳酸盐燃料电池组启动与性能", 《电池》 *
田玉冬: "熔融碳酸盐燃料电池热启动过程的人工神经网络建模", 《动力工程》 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111564646A (zh) * 2020-05-18 2020-08-21 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 一种融碳酸盐燃料电池隔膜焙烧的在线评价方法
CN111564646B (zh) * 2020-05-18 2021-09-21 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 一种熔融碳酸盐燃料电池隔膜焙烧的在线评价方法
WO2021232664A1 (zh) * 2020-05-18 2021-11-25 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 一种融碳酸盐燃料电池隔膜焙烧的在线评价方法
WO2022193551A1 (zh) * 2021-03-19 2022-09-22 华能国际电力股份有限公司 一种熔融碳酸盐燃料电池电解质添加方法
CN113782787A (zh) * 2021-09-13 2021-12-10 华能国际电力股份有限公司 一种熔融碳酸盐燃料电池进气系统及控制方法
CN113782787B (zh) * 2021-09-13 2023-09-08 华能国际电力股份有限公司 一种熔融碳酸盐燃料电池进气系统的控制方法
CN114221001A (zh) * 2021-11-18 2022-03-22 四川大学 一种燃料电池用膜电极的制备及加速评估其耐久性的方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN106935887B (zh) 2019-06-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100651270B1 (ko) 용융탄산염 연료전지 장치
CN106935887B (zh) 一种熔融碳酸盐燃料电池堆的启动方法
CN215578650U (zh) 使用氨气为燃料的固体氧化物燃料电池与质子交换膜燃料电池混合系统
JP2004207241A (ja) 空気及び燃料の流れを再循環させる燃料電池一体型ハイブリッド発電装置
CN109860660B (zh) 一种高效固体氧化物燃料电池系统
US10381665B2 (en) Device and method for heating fuel cell stack and fuel cell system having the device
WO2010044113A1 (en) Apparatus and method for capturing carbon dioxide from combustion exhaust gas and generating electric energy by means of mcfc systems
JP2021128904A (ja) 燃料電池システム、及び燃料電池システムの運転方法
CN206685472U (zh) 一种大功率熔融碳酸盐燃料电池堆
CN111525166A (zh) 一种混合高温燃料电池发电系统和方法
CN113506902A (zh) 使用氨气为燃料的固体氧化物燃料电池与质子交换膜燃料电池混合系统
KR20170085179A (ko) 고효율 고온 연료전지 시스템
KR101735647B1 (ko) 냉각 장치를 갖는 분산발전용 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템
Nakajima et al. Development of highly-efficient SOFC system using anode off-gas regeneration technique
CN105702992B (zh) 一种基于熔融碳酸盐燃料电池合成氨的方法
CN114188563B (zh) 利用熔盐蓄热快速启动固体燃料电池的系统及方法
CN109944700A (zh) 燃气轮机与燃料电池联合发电方法
Musa et al. Operating conditions on the performances of SOFC fuelled with methane
CN112164817A (zh) 一种固体氧化物燃料电池发电系统
CN108306027A (zh) 一种富氧燃烧与固体氧化物燃料电池混合发电系统
JP3928675B2 (ja) 燃料電池とガスタービンの複合発電装置
CN205583040U (zh) 一种用于熔融碳酸盐燃料电池堆热量管理的双极板
JP2021034130A (ja) 蓄エネルギー装置
KR101440192B1 (ko) 터보차저 방식의 공기 연료 유입 연료전지 시스템
CN117374358B (zh) 一种双电池堆运行的固体氧化物燃料电池发电系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant