CN109192020A - 一种高温燃料电池教学仪器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高温燃料电池教学仪器，包括加热启动模块、进气模块、电池工作模块、尾气分析模块、尾气处理及余热回收模块。所述加热启动模块利用天然气燃烧所产生的高温尾气将燃料电池堆加热到指定温度；所述进气模块调节燃料电池堆阴阳极的进气量；所述电池工作模块对燃料电池堆的输出功率等信息进行实时监测；所述尾气分析模块对阴阳极尾气成分进行实时分析；所述尾气处理及余热回收模块将阴阳极尾气中的化学能通过燃烧及透平机转化为机械能和热能。本发明解决了高温燃料电池教学仪器所需燃料的运输及存储中的安全问题；可实时监测燃料电池堆的工作状态；便于学生参数化分析燃料电池的工作原理。

Description

一种高温燃料电池教学仪器
技术领域
本发明属于教学仪器技术领域，具体涉及一种高温燃料电池教学仪器。
背景技术
随着环境污染和能源危机的不断加剧，燃料电池受到越来越多的关注。与传统的能量转换方式相比，燃料电池的能量转换过程清洁而高效。燃料电池的普及，需要制备相应的教学仪器来帮助学生理解燃料电池的工作原理。作为目前主流燃料电池类型之一的固体氧化物燃料电池，其工作温度通常在600℃-1000℃。由于工作温度较高，相应教学仪器的制备存在较多的安全隐患。此外，如何更加清晰的展示燃料电池内部复杂的工作原理，如何在长期的教学过程中方便快捷的获取燃料，也是需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高温燃料电池教学仪器，该仪器采用城市中广泛存在的天然气管道中的天然气作为燃料电池的能量来源，解决了高温燃料电池教学仪器所需燃料的运输及存储中的安全问题；相关检测及分析装置的使用，可实时监测燃料电池堆的工作状态；多个模块中控制器的应用，便于学生参数化分析燃料电池的工作原理；尾气处理及余热回收模块的设置，可有效培养学生的节能环保意识。
本发明采用如下技术方案：
一种高温燃料电池教学仪器，包括加热启动模块、进气模块、电池工作模块、尾气分析模块、尾气处理及余热回收模块。所述加热启动模块可通过操作面板上的加热启动按钮启动，利用天然气燃烧所产生的高温尾气将燃料电池堆加热到指定温度，燃料电池堆在启动过程中的温度可实时显示在温度显示器上；所述进气模块可通过操作面板上的空气及天然气流量控制按钮调节燃料电池堆阴阳极的进气量；所述电池工作模块可对燃料电池堆的输出功率等信息进行实时监测并将相关信息显示在电池信息显示装置上；所述尾气分析模块可对阴阳极尾气成分进行实时分析，并将检测结果显示在气体成分显示装置；所述尾气处理及余热回收模块将阴阳极尾气中的化学能通过燃烧及透平机转化为机械能和热能，所产生机械能可供进气模块中的空气压缩机使用，所产生热能可用于进气模块中天然气及空气的预热。
更进一步地，所述加热启动模块包括加热启动按钮，启动控制器，温度显示器，第一管道阀门，第二管道阀门，第一燃烧室和加热启动装置。所述加热启动按钮安装在操作面板上，可将加热启动信号传递给启动控制器；所述第一管道阀门位于储气瓶与第一燃烧室之间；所述第二管道阀门位于天然气管道与第一燃烧室之间；所述启动控制器在收到启动信号后可调节第一管道阀门和2的开度，向第一燃烧室供应空气和天然气；所述空气和天然气在第一燃烧室中燃烧产生的高温尾气进入加热启动装置，对燃料电池堆进行加热；所述燃料电池堆的温度信息可通过电池信息监测装置采集后传递到启动控制器并显示在温度显示器上；所述温度显示器安装在操作面板上。
更进一步地，所述启动控制器可通过调节空气和天然气进气量的大小，控制燃料电池堆温度保持在指定温度。
更进一步地，所述进气模块包括空气压缩机、储气瓶、天然气管道、空气流量控制按钮、天然气流量控制按钮、流量控制器、第三管道阀门、第四管道阀门和气体预热装置。所述空气压缩机与储气瓶连接，将空气压缩后储存在储气瓶中；所述储气瓶和天然气管道分别与第三管道阀门和4连接；所述空气流量控制按钮和天然气流量控制按钮安装在操作面板上，可将空气和天然气的流量信号传递给流量控制器；所述流量控制器在收到流量信号后可调节第三管道阀门和4的开度，通过气体预热装置向燃料电池堆阴阳极分别供应指定量的空气和天然气。
更进一步地，所述电池工作模块包括燃料电池堆、电池信息监测装置和电池信息显示装置。所述燃料电池堆为固体氧化物燃料电池堆；所述电池信息监测装置可采集燃料电池堆的温度，输出功率和开路电压，并将相应信息传递到电池信息显示装置和启动控制器；所述电池信息显示装置可将燃料电池堆的温度、输出功率、开路电压信息显示在操作面板上。
更进一步地，所述尾气分析模块包括阴极尾气成分检测装置、阳极尾气成分检测装置、尾气成分检测控制器、气体成分显示器。所述阴极尾气成分检测装置与燃料电池堆阴极出口连接，可检测阴极尾气中氧气的含量，并将氧气含量信息传递到尾气成分检测控制器；所述阳极尾气成分检测装置与燃料电池堆阳极出口连接，可检测阳极尾气中甲烷的含量，并将甲烷含量信息传递到尾气成分检测控制器；所述尾气成分检测控制器可将阴阳极尾气成分信息显示在气体成分显示器上；所述气体成分显示器安装在操作面板上。
更进一步地，所述尾气处理及余热回收模块包括第二燃烧室和透平机；所述燃料电池堆产生的阳极尾气和阴极尾气可进入第二燃烧室中燃烧，产生的高温废气进入透平机；所述透平机可输出机械功供空气压缩机使用；所述透平机排出的余热废气可供气体预热装置使用，对进入燃料电池堆的空气和天然气进行预热。
更进一步地，所述温度显示器、电池信息显示装置、气体成分显示器等采用液晶显示屏显示相关信息。
本发明具有如下有益效果：
本发明利用城市中广泛存在的天然气管道中的天然气作为燃料电池的能量来源，解决了高温燃料电池教学仪器所需燃料的运输及存储中的安全问题；相关检测及分析装置的使用，可实时监测燃料电池堆的工作状态；多个模块中控制器的应用，便于学生参数化分析燃料电池的工作原理；尾气处理及余热回收模块的设置，可有效培养学生的节能环保意识。
附图说明
图1是本发明一种高温燃料电池教学仪器的结构示意图；
图2是本发明一种高温燃料电池教学仪器操作面板的平面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明的高温燃料电池教学仪器的结构如图1所示，包括加热启动模块、进气模块、电池工作模块、尾气分析模块、尾气处理及余热回收模块。所述加热启动模块可通过操作面板上的加热启动按钮启动，利用天然气燃烧所产生的高温尾气将燃料电池堆加热到指定温度，燃料电池堆在启动过程中的温度可实时显示在温度显示器上；所述进气模块可通过操作面板上的空气及天然气流量控制按钮调节燃料电池堆阴阳极的进气量；所述电池工作模块可对燃料电池堆的输出功率等信息进行实时监测并将相关信息显示在电池信息显示装置上；所述尾气分析模块可对阴阳极尾气成分进行实时分析，并将检测结果显示在气体成分显示装置；所述尾气处理及余热回收模块将阴阳极尾气中的化学能通过燃烧及透平机转化为机械能和热能，所产生机械能可供进气模块中的空气压缩机使用，所产生热能可用于进气模块中天然气及空气的预热。
所述加热启动模块包括加热启动按钮，启动控制器，温度显示器，第一管道阀门，第二管道阀门，第一燃烧室和加热启动装置。所述加热启动按钮安装在操作面板上，可将加热启动信号传递给启动控制器；所述第一管道阀门位于储气瓶与第一燃烧室之间；所述第二管道阀门位于天然气管道与第一燃烧室之间；所述启动控制器在收到启动信号后可调节第一管道阀门和第二管道阀门的开度，向第一燃烧室供应空气和天然气；所述空气和天然气在第一燃烧室中燃烧产生的高温尾气进入加热启动装置，对燃料电池堆进行加热；所述燃料电池堆的温度信息可通过电池信息监测装置采集后传递到启动控制器并显示在温度显示器上；所述温度显示器安装在操作面板上。
所述启动控制器可通过调节空气和天然气进气量的大小，控制燃料电池堆温度保持在指定温度。
所述进气模块包括空气压缩机、储气瓶、天然气管道、空气流量控制按钮、天然气流量控制按钮、流量控制器、第三管道阀门、第四管道阀门和气体预热装置。所述空气压缩机与储气瓶连接，将空气压缩后储存在储气瓶中；所述储气瓶和天然气管道分别与第三管道阀门和第四管道阀门连接；所述空气流量控制按钮和天然气流量控制按钮安装在操作面板上，可将空气和天然气的流量信号传递给流量控制器；所述流量控制器在收到流量信号后可调节第三管道阀门和第四管道阀门的开度，通过气体预热装置向燃料电池堆阴阳极分别供应指定量的空气和天然气。
所述电池工作模块包括燃料电池堆、电池信息监测装置和电池信息显示装置。所述燃料电池堆为固体氧化物燃料电池堆；所述电池信息监测装置可采集燃料电池堆的温度，输出功率和开路电压，并将相应信息传递到电池信息显示装置和启动控制器；所述电池信息显示装置可将燃料电池堆的温度、输出功率、开路电压信息显示在操作面板上。
所述尾气分析模块包括阴极尾气成分检测装置、阳极尾气成分检测装置、尾气成分检测控制器、气体成分显示器。所述阴极尾气成分检测装置与燃料电池堆阴极出口连接，可检测阴极尾气中氧气的含量，并将氧气含量信息传递到尾气成分检测控制器；所述阳极尾气成分检测装置与燃料电池堆阳极出口连接，可检测阳极尾气中甲烷的含量，并将甲烷含量信息传递到尾气成分检测控制器；所述尾气成分检测控制器可将阴阳极尾气成分信息显示在气体成分显示器上；所述气体成分显示器安装在操作面板上。
所述尾气处理及余热回收模块包括第二燃烧室和透平机；所述燃料电池堆产生的阳极尾气和阴极尾气可进入第二燃烧室中燃烧，产生的高温废气进入透平机；所述透平机可输出机械功供空气压缩机使用；所述透平机排出的余热废气可供气体预热装置使用，对进入燃料电池堆的空气和天然气进行预热。
所述温度显示器、电池信息显示装置、气体成分显示器等采用液晶显示屏显示相关信息。
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 (8)

1.一种高温燃料电池教学仪器，其特征在于，包括加热启动模块、进气模块、电池工作模块、尾气分析模块、尾气处理及余热回收模块；
所述加热启动模块利用天然气燃烧所产生的高温尾气将燃料电池堆加热到指定温度，燃料电池堆在启动过程中的温度可实时显示在温度显示器上；
所述进气模块调节燃料电池堆阴阳极的进气量；
所述电池工作模块对燃料电池堆的信息进行实时监测并显示；
所述尾气分析模块对阴阳极尾气成分进行实时分析并显示；
所述尾气处理及余热回收模块将阴阳极尾气中的化学能通过燃烧及透平机转化为机械能和热能，所产生的机械能供进气模块中的空气压缩机使用，所产生的热能用于进气模块中天然气及空气的预热。
2.如权利要求1所述一种高温燃料电池教学仪器，其特征在于，所述加热启动模块包括加热启动按钮，启动控制器，温度显示器，第一管道阀门，第二管道阀门，第一燃烧室和加热启动装置；
所述加热启动按钮安装在操作面板上，可将加热启动信号传递给启动控制器；
所述第一管道阀门位于储气瓶与第一燃烧室之间；
所述第二管道阀门位于天然气管道与第一燃烧室之间；
所述启动控制器在收到启动信号后可调节第一管道阀门和2的开度，向第一燃烧室供应空气和天然气；
所述空气和天然气在第一燃烧室中燃烧产生的高温尾气进入加热启动装置，对燃料电池堆进行加热；
所述燃料电池堆的温度信息可通过电池信息监测装置采集后传递到启动控制器并显示在温度显示器上；
所述温度显示器安装在操作面板上。
3.如权利要求2所述的一种高温燃料电池教学仪器，其特征在于，所述启动控制器通过调节空气和天然气进气量的大小，控制燃料电池堆温度保持在指定温度。
4.如权利要求1所述的一种高温燃料电池教学仪器，其特征在于，所述进气模块包括空气压缩机、储气瓶、天然气管道、空气流量控制按钮、天然气流量控制按钮、流量控制器、第三管道阀门、第四管道阀门和气体预热装置；
所述空气压缩机与储气瓶连接，将空气压缩后储存在储气瓶中；
所述储气瓶和天然气管道分别与第三管道阀门和第四管道阀门连接；
所述空气流量控制按钮和天然气流量控制按钮安装在操作面板上，将空气和天然气的流量信号传递给流量控制器；
所述流量控制器在收到流量信号后可调节第三管道阀门和第四管道阀门的开度，通过气体预热装置向燃料电池堆阴阳极分别供应指定量的空气和天然气。
5.如权利要求1所述的一种高温燃料电池教学仪器，其特征在于，所述电池工作模块包括燃料电池堆、电池信息监测装置和电池信息显示装置；
所述燃料电池堆为固体氧化物燃料电池堆；
所述电池信息监测装置可采集燃料电池堆的温度，输出功率和开路电压，并将相应信息传递到电池信息显示装置和启动控制器；
所述电池信息显示装置可将燃料电池堆的温度、输出功率、开路电压信息显示在操作面板上。
6.如权利要求1所述的一种高温燃料电池教学仪器，其特征在于，所述尾气分析模块包括阴极尾气成分检测装置、阳极尾气成分检测装置、尾气成分检测控制器、气体成分显示器；
所述阴极尾气成分检测装置与燃料电池堆阴极出口连接，检测阴极尾气中氧气的含量，并将氧气含量信息传递到尾气成分检测控制器；
所述阳极尾气成分检测装置与燃料电池堆阳极出口连接，检测阳极尾气中甲烷的含量，并将甲烷含量信息传递到尾气成分检测控制器；
所述尾气成分检测控制器可将阴阳极尾气成分信息显示在气体成分显示器上；
所述气体成分显示器安装在操作面板上。
7.如权利要求1所述的一种高温燃料电池教学仪器，其特征在于，所述尾气处理及余热回收模块包括第二燃烧室和透平机；
所述燃料电池堆产生的阳极尾气和阴极尾气可进入第二燃烧室中燃烧，产生的高温废气进入透平机；
所述透平机可输出机械功供空气压缩机使用；
所述透平机排出的余热废气可供气体预热装置使用，对进入燃料电池堆的空气和天然气进行预热。
8.如权利要求1所述的一种高温燃料电池教学仪器，其特征在于，所述温度显示器、电池信息显示装置、气体成分显示器采用液晶显示屏显示信息。
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