CN110911708A - 一种固体氧化物燃料电池电堆的加热启动方法与加热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种固体氧化物燃料电池电堆的加热启动方法与加热装置。该方法是将燃料气与空气进行预热后通入电堆内部实现加热电堆的目的，解决了使用电热炉加热电堆使电堆内外受热不均衡的问题，并且预热后的燃料气与空气直接通入电堆内部的三相界反应区域，因此加热效率高、受热均衡，使电堆具有良好、稳定可调控的电输出性能。

Description

一种固体氧化物燃料电池电堆的加热启动方法与加热装置
技术领域
本发明属于固体氧化物燃料电池技术领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池电堆的加热启动方法与加热装置。
背景技术
固体氧化物燃料电池作为一种清洁、高效的新型能源发电装置，其开发利用对于当今的环境问题和能源问题的解决有重大意义。
由于固体氧化物燃料电池中电堆工作温度较高，电堆从室温到工作所需温度需要一个预热启动过程，当前相关技术主要通过将电堆置于电热炉加热，该加热方式主要是通过炉膛辐射热量将热量辐射到电池外表面，然后通过热传导将热量传递至电池内部，经过一系列辐射传导过程后电堆内部的如图1所示的三相界面反应区域才可能达到所需要的温度，所述三相界面是指固体氧化物燃料电池的阳极、电解质，以及燃料气交界面，或者阴极、电解质以及空气交界面，因此存在加热效率低，电堆中电池受热不均衡的问题；其次，反应发生过程中未经预热或未充分预热的气体又可能使反应区域温度降低，从而使电池反应效率降低；另外，由于电堆放电时自身内部会产热，导致电堆实际工作温度高于电炉设定环境温度，进而易使电堆因内外温度差而破裂。
发明内容
针对上述技术现状，本发明提供了一种固体氧化物燃料电池电堆的加热启动方法，加热效率高，受热均衡。
本发明采用的技术方案如下：一种固体氧化物燃料电池电堆的加热启动方法，其特征是：将燃料气与空气进行预热后通入电堆内部，以加热电堆。
作为优选，通过监控电堆的温度而调整燃料气与空气的预热温度，以实现达到电堆加热启动的温度。考虑到电堆内部的气体反应本身会产生热量，作为进一步优选，调控燃料气与空气的预热温度由低到高升温操作，以避免电堆温度过高而损坏电堆的现象。
作为优选，预热后的燃料气与空气通入电堆的过程中采用隔热材料进行保温以避免热量散失。所述隔热材料不限，包括石棉等。
作为一种实现方式，采用燃料加热所需的燃料气与空气进行预热。所述燃料不限，作为一种实现方式，采用天然气，一部分天然气通过重整装置转化为电池所需的反应气体氢气，另一部分天然气直接作为燃料加热所述氢气与空气。
本发明还提供了一种用于固体氧化物燃料电池电堆的加热装置，包括重整器、燃烧器与空气泵；所述燃烧器包括至少两条管道。
以天然气作为输入气体，一部分天然气通过重整装置转化为氢气，一部分天然气作为燃烧器的燃料，用于加热燃烧器中的管道；所述氢气输入燃烧器的一条管道进行预热，空气泵输出的空气输入燃烧器的另一条管道进行预热，预热后的氢气与空气输送至固体氧化物燃料电池电堆内部。
作为优选，所述燃烧器中的管道呈盘绕状。
作为优选，预热后的氢气与空气输送至固体氧化物燃料电池电堆内部的过程进行保温以避免热量散失。所述隔热材料不限，包括石棉等。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
(1)本发明将燃料气与空气进行预热后通入电堆内部实现加热电堆的目的，一方面解决了使用电热炉加热电堆使电堆内外受热不均衡的问题，另一方面预热后的燃料气与空气直接通入电堆内部，直接提高了电堆内部的三相界反应区域的温度，因此有效提高了加热效率与受热均衡，加速了电堆中电池单元三相界面的气体扩散。
(2)本发明有利于电堆摆脱空间束缚，从而不限制电堆的规模。
(3)采用本发明的燃料气与空气预热加热电堆，电堆具有良好的电输出性能，并且该电输出具有稳定可调控性。
附图说明
图1是本发明中三相界面示意图。
图2是本发明实施例1中固体氧化物燃料电池电堆的加热装置的结构示意图。
图3是本发明实施例1中气体预热加热电堆方式下固体氧化物燃料电池电堆的IV曲线，以及电流与电功率的关系曲线。
图4是本发明实施例1中气体预热加热电堆方式下固体氧化物燃料电池电堆的负载测试过程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
重整器1、燃烧器2、空气泵3、管道4与5、固体氧化物燃料电池电堆6。
实施例1：
一种用于固体氧化物燃料电池电堆的加热装置，如图2所示，包括重整器1、燃烧器2与空气泵3。燃烧器1包括至少两条呈盘绕状的管道4与5。
以天然气作为输入气体，一部分天然气通过重整器1转化为氢气，一部分天然气作为燃烧器2的燃料，用于加热燃烧器2中的管道4与5。重整器1转化产生的氢气以4升/分钟的流速输入燃烧器2的管道4进行预热至700℃，空气泵3输出的空气以12升/分钟输入燃烧器的另一条管道5进行预热至700℃，预热后的氢气与空气输送至固体氧化物燃料电池电堆6的内部。通过监控固体氧化物燃料电池电堆6的温度而调整燃料气与空气的预热温度，当燃料气与空气的预热温度升至900℃时固体氧化物燃料电池电堆6的温度达到工作温度700℃。
该固体氧化物燃料电池电堆的IV曲线，以及电流与电功率的关系曲线如图3所示，显示在该气体预热加热电堆方式下电堆具有良好的电输出性能。
调整重整器1转化产生的氢气预热至900℃后以3升/分钟的流速输入电池电堆6的内部，空气泵3输出的空气预热至900℃后以50升/分钟输入电池电堆6的内部。对该固体氧化物燃料电池电堆进行负载测试，测试过程如下：
(1)该固体氧化物燃料电池电堆输出2A恒流；
(2)停止恒流，接入负载55W灯泡；
(3)4A恒流；
(4)2A恒流；
(5)接入负载显示屏；
(6)移除负载55W灯泡；
(7)接入10W灯泡。
测试结果如图4所示，展示了电堆运行过程中电压与时间的关系曲线。(1)过程表示电堆在2A电流下恒流放电一段时间；(2)过程表示停止恒流接入负载55W灯泡的操作过程，此过程中电堆处于开路状态，所以电压比(1)过程高；(3)过程表示55W灯泡负载已经接入电路并在4A电流下工作；(4)过程表示将4A工作电流调设至2A工作电流放电，由燃料电池基础电性能可知，工作电流越大电压越低，故工作电流由4A转为2A时电压升高；(5)过程表示接入负载显示屏，与灯泡并联，当灯泡和显示屏同时运行时，外电路电阻减小，导致电路电流增大，电池内电压增大，所以外电路电压相比于(4)过程会降低；(6)过程将负载55W灯泡移除，外电路电阻增大，导致电路电流减小，电池内电压减小，所以外电路电压相比于(5)过程会增大；(7)过程为并联接入10W灯泡，电压下降原因同(5)过程。
从图4中可以看出，采用气体预热加热电堆，电堆具有稳定的可调控的电输出性能。
实施例2：
一种用于固体氧化物燃料电池电堆的加热装置，如图2所示，包括重整器1、燃烧器2与空气泵3。燃烧器1包括至少两条呈盘绕状的管道4与5。
以天然气作为输入气体，一部分天然气通过重整器1转化为氢气，一部分天然气作为燃烧器2的燃料，用于加热燃烧器2中的管道4与5。重整器1转化产生的氢气以8升/分钟的流速输入燃烧器2的管道4进行预热至700℃，空气泵3输出的空气以12升/分钟输入燃烧器的另一条管道5进行预热至700℃，预热后的氢气与空气输送至固体氧化物燃料电池电堆6的内部。通过监控固体氧化物燃料电池电堆6的温度而调整燃料气与空气的预热温度，当燃料气与空气的预热温度升至900℃时固体氧化物燃料电池电堆6的温度达到工作温度700℃。
该固体氧化物燃料电池电堆的IV曲线，以及电流与电功率的关系曲线类似图3所示，显示在该气体预热加热电堆方式下电堆具有良好的电输出性能。
实施例3：
一种用于固体氧化物燃料电池电堆的加热装置，如图2所示，包括重整器1、燃烧器2与空气泵3。燃烧器1包括至少两条呈盘绕状的管道4与5。
以天然气作为输入气体，一部分天然气通过重整器1转化为氢气，一部分天然气作为燃烧器2的燃料，用于加热燃烧器2中的管道4与5。重整器1转化产生的氢气以10升/分钟的流速输入燃烧器2的管道4进行预热至700℃，空气泵3输出的空气以12升/分钟输入燃烧器的另一条管道5进行预热至700℃，预热后的氢气与空气输送至固体氧化物燃料电池电堆6的内部。通过监控固体氧化物燃料电池电堆6的温度而调整燃料气与空气的预热温度，当燃料气与空气的预热温度升至900℃时固体氧化物燃料电池电堆6的温度达到工作温度700℃。
该固体氧化物燃料电池电堆的IV曲线，以及电流与电功率的关系曲线类似如图3所示，显示在该气体预热加热电堆方式下电堆具有良好的电输出性能。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种固体氧化物燃料电池电堆的加热启动方法，其特征是：将燃料气与空气进行预热后通入电堆内部，以加热电堆。
2.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池电堆的加热启动方法，其特征是：通过监控电堆的温度而调整燃料气与空气的预热温度。
3.如权利要求2所述的固体氧化物燃料电池电堆的加热启动方法，其特征是：调控燃料气与空气的预热温度由低到高升温操作。
4.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池电堆的加热启动方法，其特征是：预热后的燃料气与空气通入电堆的过程中采用隔热材料进行保温。
5.如权利要求1至4中任一权利要求所述的固体氧化物燃料电池电堆的加热启动方法，其特征是：采用燃料加热所需的燃料气与空气进行预热。
6.如权利要求5所述的固体氧化物燃料电池电堆的加热启动方法，其特征是：所述燃料为天然气。
7.如权利要求6所述的固体氧化物燃料电池电堆的加热启动方法，其特征是：一部分天然气通过重整装置转化为电池所需的反应气体氢气，另一部分天然气直接作为燃料加热所述氢气与空气。
8.一种用于固体氧化物燃料电池电堆的加热装置，其特征是：包括重整器、燃烧器与空气泵；所述燃烧器包括至少两条管道；
以天然气作为输入气体，一部分天然气通过重整装置转化为氢气，一部分天然气作为燃烧器的燃料，用于加热燃烧器中的管道；所述氢气输入燃烧器的一条管道进行预热，空气泵输出的空气输入燃烧器的另一条管道进行预热，预热后的氢气与空气输送至固体氧化物燃料电池电堆内部。
9.如权利要求1所述的用于固体氧化物燃料电池电堆的加热装置，其特征是：所述燃烧器中的管道呈盘绕状。
10.如权利要求1所述的用于固体氧化物燃料电池电堆的加热装置，其特征是：预热后的氢气与空气输送至固体氧化物燃料电池电堆内部的过程进行保温。
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