CN108777313A - 一种固体氧化物燃料电池热休眠及热启动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固体氧化物燃料电池热休眠及热启动方法，其中热休眠方法包括如下步骤：通过热传感器检测固体氧化物燃料电池的温度并生成温度信号；处理器接收温度信号，根据固体氧化物燃料电池的温度控制热执行器的功率。其中热启动方法，为从热休眠状态进行固体氧化物燃料电池的启动，逐步降低热执行器的功率，直至固体氧化物燃料电池工作放热可以维持工作温度。基于本发明，固体氧化物燃料电池在待机时采取热休眠的工作模式，关闭气体供给系统，利用电池管理系统提供小功率电能，维持设备600度以上高温；在需要燃料电池输出功率时采取热启动模式，避免冷启动造成的启动时间长和寿命衰减等问题。

Description

一种固体氧化物燃料电池热休眠及热启动方法
技术领域
本发明涉及新能源技术，具体涉及一种固体氧化物燃料电池热休眠及热启动方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池技术有诸多优点，例如：高达60％以上的发电效率，无运动部件无噪音，清洁能源低污染等等。但固体氧化燃料电池与常温燃料电池或内燃机相比，存在启动时间长达数小时和启动次数受限等缺点，尤其是应用于车船等交通工具时，启动慢的问题将更加突出。
固体氧化物然燃料电池正常工作温度在600℃以上，冷启动时需要从常温升高到正常工作温度，由于材料限制和燃料系统较大的热惯性系数，冷启动升温速率小于5℃/min，导致固体氧化物燃料电冷启动需要数小时。同时，固体氧化物燃料电池热循环次数有限，冷启动将大大减少固体氧化物燃料电池寿命，不利于系统运行。
发明内容
为克服现有技术中的不足，第一方面本发明目的是提供一种固体氧化物燃料电池保温结构。
本发明解决上述技术问题的技术手段如下：
一种固体氧化物燃料电池保温结构，包括处理器、电池管理系统、中空封闭结构的隔热保护盒、高温设备以及设置在所述隔热保护盒内的固体氧化物燃料电池；
所述固体氧化物燃料电池的功率输出端通过穿过所述隔热保护盒的电导线与所述电池管理系统电连接；
所述固体氧化物燃料电池与所述高温设备连接；
所述隔热保护盒内设置有分别与所述处理器电连接的热执行器、热传感器；
所述热执行器用于为所述隔热保护盒内环境供热，所述热传感器用于检测所述隔热保护盒内温度。
进一步地，所述高温设备设置在所述隔热保护盒内；
所述高温设备的燃料输入端通过穿过所述隔热保护盒下端面的燃料进气管与外部燃料源相连接；
所述高温设备的空气输入端通过穿过所述隔热保护盒下端面的空气进气管与外部空气连通；
所述高温设备的废气输出端通过穿过所述隔热保护盒下端面的尾气排放管与外部空气连通。
同理还可采用所述高温设备设置在所述隔热保护盒外的方案；这样方案下：
所述固体氧化物燃料电池的燃料输入端通过穿过所述隔热保护盒下端面的燃料进气管以及所述高温设备与外部燃料源相连接；
所述固体氧化物燃料电池的空气输入端通过穿过所述隔热保护盒下端面的空气进气管以及所述高温设备与外部空气连通；
所述固体氧化物燃料电池的废气输出端通过穿过所述隔热保护盒下端面的尾气排放管以及所述高温设备与外部空气连通。
进一步地，所述隔热保护盒为多层复合结构，由外至内依次为不锈钢外壳、真空层、热箱外壳以及保温材料层。通过多层结构，提高所述隔热保护盒的隔热性能。
进一步地，所述热执行器为电热设备；
所述电池管理系统的功率输出端与负载以及辅助负载电连接。
第二方面，本发明提出了一种固体氧化物燃料电池热休眠方法，包括如下步骤：
当所述固体氧化物燃料电池待机休眠时，通过所述热执行器工作供热维持所述固体氧化物燃料电池的温度在其工作温度的范围内。
进一步地，所述热执行器为电热设备；将所述热执行器与所述电池管理系统电连接，通过所述热执行器工作供热维持所述固体氧化物燃料电池的温度在最低工作温度以上。
进一步地，所述通过所述高温设备的电热设备供热维持所述固体氧化物燃料电池的温度在最低工作温度以上具体包括：
通过所述热传感器检测所述固体氧化物燃料电池的温度并生成温度信号；所述处理器接收所述温度信号，根据所述固体氧化物燃料电池的温度控制所述热执行器的功率。
进一步地，所述根据所述温度信号控制所述热执行器的功率具体包括：
设置最低安全温度，所述最低安全温度大于最低工作温度；
当所述固体氧化物燃料电池的温度低于所述最低安全温度时，提高所述热执行器的功率直至所述固体氧化物燃料电池的温度不低于所述最低安全温度。
第三方面，本发明提出了一种固体氧化物燃料电池热启动方法，包括如下步骤：
开启所述固体氧化物燃料电池空气及燃料供给，启动所述固体氧化物燃料电池；所述固体氧化物燃料电池发电并发热；
通过所述热传感器检测所述固体氧化物燃料电池的温度并生成温度信号；所述处理器接收所述温度信号，并根据所述温度信号控制所述热执行器的功率保持所述固体氧化物燃料电池的温度在其工作温度的范围内。
即在所述固体氧化物燃料电池开始工作放热时，在监控下逐步地平稳降低所述热执行器的功率，使得所述固体氧化物燃料电池实行平稳的热启动。
基于本发明，固体氧化物燃料电池在待机时采取热休眠的工作模式，关闭气体供给系统，利用电池管理系统提供小功率电能，维持设备600度以上高温；在需要燃料电池输出功率时采取热启动模式，避免冷启动造成的启动时间长和寿命衰减等问题。
附图说明
图1是一实施例中本发明的整体结构示意图；
图2为另一实施例中本发明的整体结构示意图；
附图说明：1不锈钢外壳；2真空层；3热箱外壳；4保温材料层；5燃料进气管；6空气进气管；7尾气排放管；8固体氧化物燃料电池；9高温设备；10热执行器；11热传感器；12固体氧化物燃料电池功率总线；13热传感器连接线；14执行器连接线；15负载；16辅助负载；17电池管理系统。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种固体氧化物燃料电池保温结构，包括处理器、电池管理系统17、中空封闭结构的隔热保护盒、高温设备9以及设置在隔热保护盒内的固体氧化物燃料电池8；
固体氧化物燃料电池8的功率输出端通过穿过隔热保护盒的电导线与电池管理系统17电连接；
固体氧化物燃料电池8与高温设备9连接；
隔热保护盒内设置有分别与处理器电连接的热执行器10、热传感器11；
热执行器10用于为隔热保护盒内环境供热，热传感器11用于检测隔热保护盒内温度。
如图1所述，基于高温设备9设置在隔热保护盒内的情况下:
高温设备9的燃料输入端通过穿过隔热保护盒下端面的燃料进气管5与外部燃料源相连接；
高温设备9的空气输入端通过穿过隔热保护盒下端面的空气进气管6与外部空气连通；
高温设备9的废气输出端通过穿过隔热保护盒下端面的尾气排放管7与外部空气连通。
如图2所示，相应地，还可采用高温设备9设置在隔热保护盒外的方案；
固体氧化物燃料电池8的燃料输入端通过穿过隔热保护盒下端面的燃料进气管5以及高温设备9与外部燃料源相连接；
固体氧化物燃料电池8的空气输入端通过穿过隔热保护盒下端面的空气进气管6以及高温设备9与外部空气连通；
固体氧化物燃料电池8的废气输出端通过穿过隔热保护盒下端面的尾气排放管7以及高温设备9与外部空气连通。
无论采用高温设备9设置在隔热保护盒外还是内的方案，其宗旨均为通过穿过隔热保护盒的管道将隔热保护盒内外的设备连接，提高隔热性能。将隔热保护盒的下端面设为设置管道的位置，这样泄漏的热量产生的热空气会上升，将一部分热量回流至隔热保护盒，进一步减少热量的散失。
高温设备9与固体氧化物燃料电池8通过多条管道连通，其中高温设备9将燃料预处理，将空气升温并利用尾气的热量等均为现有技术，此处不作赘述。
优选地，隔热保护盒为多层复合结构，由外至内依次为不锈钢外壳1、真空层2、热箱外壳3以及保温材料层4。
优选地，热执行器10为电热设备；
优选地，电池管理系统17的功率输出端与负载15以及辅助负载16电连接。
实际工作中，处理器、热执行器10、以及热传感器11均可采用现有的设备，如热执行器10、热传感器11可为高温设备9以及固体氧化物燃料电池8上原有的电热设备如电阻丝以及温度传感器；处理器可直接采用电池管理系统17中的内置的处理器。
如图1、图2所示，固体氧化物燃料电池8的功率输出端通过固体氧化物燃料电池功率总线12与电池管理系统17电连接，而电池管理系统17的处理器则通过热传感器连接13线与热传感器11电连接，并通过执行器连接线14与热执行器10电连接。
基于固体氧化物燃料电池保温结构，本发明还提出了一种固体氧化物燃料电池热休眠方法，其特征在于，包括如下步骤：
当固体氧化物燃料电池8待机休眠时，通过热执行器10工作供热维持固体氧化物燃料电池8的温度在其工作温度的范围内。
优选地，热执行器10为电热设备；将热执行器10与电池管理系统17电连接，通过热执行器10工作供热维持固体氧化物燃料电池8的温度在最低工作温度以上。
优选地，通过高温设备9的电热设备供热维持固体氧化物燃料电池8的温度在最低工作温度以上具体包括：
通过热传感器11检测固体氧化物燃料电池8的温度并生成温度信号；处理器接收温度信号，根据固体氧化物燃料电池8的温度控制热执行器10的功率。
优选地，根据温度信号控制热执行器10的功率具体包括：
设置最低安全温度，最低安全温度大于最低工作温度；如可采用设置最低安全温度为最低工作温度+5°的方案。
当固体氧化物燃料电池8的温度低于最低安全温度时，提高热执行器10的功率直至固体氧化物燃料电池8的温度不低于最低安全温度。
基于上述热休眠方法，本发明还提出了一种固体氧化物燃料电池热启动方法，包括如下步骤：
开启固体氧化物燃料电池8的空气及燃料供给，启动固体氧化物燃料电池8；固体氧化物燃料电池8开始发电并发热；
通过热传感器11检测固体氧化物燃料电池8的温度并生成温度信号；处理器接收温度信号，并根据温度信号控制热执行器10的功率保持固体氧化物燃料电池8的温度在其工作温度的范围内。
本发明的宗旨在于将固体氧化物燃料电池中运行在电池热休眠-热启动工作模式，用于克服固体氧化物燃料电池启动慢、冷启动寿命衰减(启动次数受限)、启动慢等缺点。该工作模式需要配合电池管理系统和绝热热箱，采用一道隔热屏障将固体氧化物燃料电池发电系统中高温设备密封在一个几乎绝热的热箱内，在待机时采取热休眠的工作模式，关闭气体供给系统，利用电池管理系统提供小功率电能，维持设备600度以上高温；在需要燃料电池输出功率时采取热启动模式，避免冷启动造成的启动时间长和寿命衰减等问题。
但是休眠是要白白消耗功率，需要估算休眠时整车效率。假设固体氧化物燃料电池工业化后可以批量生产出15KW的发电模块(可以是多个5KW模块的并联输出积木组合)。尺寸在1米*0.5米*0.5米以内，可以装入轿车发动机舱，替代汽油发动机。重量与汽油发动机基本相当，约50-100KG。燃料可以是市售天然气，也可以是市售92号汽油，为了简化问题，先假定燃料是汽油。由于固体氧化物燃料电池的发电效率远高于汽油机的燃烧发电效率，假定固体氧化物燃料电池的单位油耗是汽油机的1/3。
由固体氧化物燃料电池为锂电池充电，锂电池驱动整车用电负荷；输出功率只需要全功率和0功率两档。与参照车型一样使用16KWH锂电池。当电池电量小于等于30％时，固体氧化物燃料电池自动启动满功率充电；当电池电量大于等于80％，固体氧化物燃料电池自动休眠。其中0功率时为了保温休眠需要的电加热负荷为0.2％，即30W。
设定电价为1元/度，油价为7元/升。参照不同的使用场景，可以测算出平均每公里的能源费用(电价和油价之和)。详见表一：
表一)油电混动车能源成本分析表
下面引入休眠损失率的概念，即休眠损失率＝休眠能耗/总能耗。理论上，休眠损失率越小越好。表二是不同场景下的休眠损失率分析。可以看到：当固体氧化物燃料电池每天满负荷工作1小时以上时，休眠损失率小于5％。这个折损成本在商用车上影响轻微，用户很容易接受。
表二)休眠损失率分析表
考虑到休眠损失率和燃油效率3倍提升后，可以测算出最终的平均每公里能源费。见表三：
表三)电电混动车能源成本分析表
比较表三和表一，可以得出清晰的结论：电电混动车与油电混动车相比在每天行驶超过1小时的情况下可以大幅降低能源成本。如果燃料改为天然气，那么能源成本还可以再下降一半以上，比纯电更便宜。
以上分析表明通过休眠策略，将固体氧化物燃料电池技术引入汽车发动机市场在经济上是可行的，可以为终端用户带来巨大的燃料成本优势。
本发明公开一种固体氧化物燃料电池热休眠-热启动工作模式，用于克服固体氧化物燃料电池启动慢、关机寿命衰减(启动次数受限)的缺点。该工作模式需要配合电池管理系统和绝热热箱，采用一道隔热屏障将固体氧化物燃料电池发电系统中高温设备密封在一个几乎绝热的热箱内，在待机时采取热休眠的工作模式，关闭气体供给系统，利用电池管理系统提供小功率电能，维持设备600度以上高温；在需要燃料电池输出功率时采取热启动模式，避免冷启动造成的启动时间长和寿命衰减等问题。
以上所揭露的仅为本发明的几种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种固体氧化物燃料电池保温结构，其特征在于：包括处理器、电池管理系统(17)、中空封闭结构的隔热保护盒、高温设备(9)以及设置在所述隔热保护盒内的固体氧化物燃料电池(8)；
所述固体氧化物燃料电池(8)的功率输出端通过穿过所述隔热保护盒的电导线与所述电池管理系统(17)电连接；
所述固体氧化物燃料电池(8)与所述高温设备(9)连接；
所述隔热保护盒内设置有分别与所述处理器电连接的热执行器(10)、热传感器(11)；
所述热执行器(10)用于为所述隔热保护盒内环境供热，所述热传感器(11)用于检测所述隔热保护盒内温度。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池保温结构，其特征在于：
所述高温设备(9)设置在所述隔热保护盒内；
所述高温设备(9)的燃料输入端通过穿过所述隔热保护盒下端面的燃料进气管(5)与外部燃料源相连接；
所述高温设备(9)的空气输入端通过穿过所述隔热保护盒下端面的空气进气管(6)与外部空气连通；
所述高温设备(9)的废气输出端通过穿过所述隔热保护盒下端面的尾气排放管(7)与外部空气连通。
3.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池保温结构，其特征在于：
所述高温设备(9)设置在所述隔热保护盒外；
所述固体氧化物燃料电池(8)的燃料输入端通过穿过所述隔热保护盒下端面的燃料进气管(5)以及所述高温设备(9)与外部燃料源相连接；
所述固体氧化物燃料电池(8)的空气输入端通过穿过所述隔热保护盒下端面的空气进气管(6)以及所述高温设备(9)与外部空气连通；
所述固体氧化物燃料电池(8)的废气输出端通过穿过所述隔热保护盒下端面的尾气排放管(7)以及所述高温设备(9)与外部空气连通。
4.根据权利要求1-3任一所述的固体氧化物燃料电池保温结构，其特征在于：所述隔热保护盒为多层复合结构，由外至内依次为不锈钢外壳(1)、真空层(2)、热箱外壳(3)以及保温材料层(4)。
5.根据权利要求4所述的的固体氧化物燃料电池保温结构，其特征在于：
所述热执行器(10)为电热设备；
所述电池管理系统(17)的功率输出端与负载(15)以及辅助负载(16)电连接。
6.一种应用权利要求1-5任一所述的固体氧化物燃料电池保温结构的固体氧化物燃料电池热休眠方法，其特征在于，包括如下步骤：
当所述固体氧化物燃料电池(8)待机休眠时，通过所述热执行器(10)工作供热维持所述固体氧化物燃料电池(8)的温度在其工作温度的范围内。
7.根据权利要求6所述的固体氧化物燃料电池热休眠方法，其特征在于，包括如下步骤：
所述热执行器(10)为电热设备；将所述热执行器(10)与所述电池管理系统(17)电连接，通过所述热执行器(10)工作供热维持所述固体氧化物燃料电池(8)的温度在最低工作温度以上。
8.根据权利要求7所述的固体氧化物燃料电池热休眠方法，其特征在于，
所述通过所述高温设备(9)的电热设备供热维持所述固体氧化物燃料电池(8)的温度在最低工作温度以上具体包括：
通过所述热传感器(11)检测所述固体氧化物燃料电池(8)的温度并生成温度信号；所述处理器接收所述温度信号，根据所述固体氧化物燃料电池(8)的温度控制所述热执行器(10)的功率。
9.根据权利要求8所述的固体氧化物燃料电池热休眠方法，其特征在于，
所述根据所述温度信号控制所述热执行器(10)的功率具体包括：
设置最低安全温度，所述最低安全温度大于最低工作温度；
当所述固体氧化物燃料电池(8)的温度低于所述最低安全温度时，提高所述热执行器(10)的功率直至所述固体氧化物燃料电池(8)的温度不低于所述最低安全温度。
10.一种如权利要求6-9任一所述的固体氧化物燃料电池热启动方法，其特征在于，包括如下步骤：
开启所述固体氧化物燃料电池(8)的空气及燃料供给，启动所述固体氧化物燃料电池(8)；所述固体氧化物燃料电池(8)开始发电并发热；
通过所述热传感器(11)检测所述固体氧化物燃料电池(8)的温度并生成温度信号；所述处理器接收所述温度信号，并根据所述温度信号控制所述热执行器(10)的功率保持所述固体氧化物燃料电池(8)的温度在其工作温度的范围内。
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