CN106935887B - 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

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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℃，阳极通入氢气还原电极，在通入氢气前须用氮气对阳极进行吹扫，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。
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