CN112968196A - 一种用于固体氧化物燃料电池电堆、bop部件及系统热区的热学-电学联合测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于固体氧化物燃料电池电堆、BOP部件及系统热区的热学‑电学联合测试装置，包括气体流量控制模块、气体预热模块、电堆测试模块、尾气处理模块、测控模块和BOP部件测试模块；当热学‑电学联合测试装置进行电堆电学‑热学联合测试时，气体流量控制模块连接气体预热模块,气体预热模块连接电堆测试模块。本发明的有益效果是：提供了一种能灵活扩展的SOFC电堆及BOP系统热学‑电学联合测试平台，从电堆至发电系统研发过程中，分模块的设计使其能灵活的调节测试对象与内容，满足从电堆测试、BOP部件测试、系统热区及整体发电系统的一系列不同的测试需求。

Description

一种用于固体氧化物燃料电池电堆、BOP部件及系统热区的热 学-电学联合测试装置
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种用于固体氧化物燃料电池电堆、BOP部件及系统热区的热学-电学联合测试装置。
背景技术
燃料电池是一种电化学发电装置。相较于传统的热机发电，燃料电池能将化学能直接转换为电能，而不受卡诺循环的限制，因此能实现较高的发电效率。此外，由于发电过程中主体部分没有机械运动，可以有效避免噪声、振动等问题，能有效提升发电设备的可靠性。可以看出，燃料电池是一种高效的、绿色的发电技术。
燃料电池依据其电解质的种类可划分为：固体氧化物燃料电池(SOFC)、质子交换膜燃料电池(PEMC)、熔融盐燃料电池(MCFC)、磷酸盐燃料电池(PAFC)等。其中固体氧化物燃料电池(SOFC)工作温度高(600～850℃)，使其能适应不同的燃料，包括天然气、煤气、氢气等，同时也能具有较高的发电效率。
然而燃料电池具有较高的工作温度，为实现较高的能量利用率，设计发电系统必然需要考虑热量的回收与利用。一般而言使用甲烷的SOFC发电系统内部主要由电堆以及重整器、汽化器、燃烧器、换热器等BOP部件构成。各部件的温度、压力、流量、气体组分等参数相互耦合，同时包含电堆电化学响应、重整等化学平衡的响应、气体及部件温度响应的不同层次的响应延迟，可以发现使用甲烷的SOFC发电系统是一个高耦合、大延迟的系统，该系统流程的设计及控制具有较大的难度。
以往燃料电池测试的方法及标准一般更关注于电堆的电学性能测试，而以往燃料电池关于其热学性能的测试则较为匮乏。进一步地，在SOFC电堆搭建至发电系统过程中，涉及测试内容繁多，且不同部件相互组后会产生复杂的影响，这些都需要单独的测试以优化性能参数，此时单一的测试平台难以满足所有的测试需求。为得到有效的、可借鉴的电堆-系统测试结果，需要一种测试范围广，能灵活调整测试内容的测试平台。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种用于固体氧化物燃料电池电堆、BOP部件及系统热区的热学-电学联合测试装置。
这种用于SOFC及BOP部件的热学-电学联合测试装置，能进行电堆、BOP部件以及系统热区的一系列测试，包括：气体流量控制模块、气体预热模块、电堆测试模块、尾气处理模块、测控模块和BOP部件测试模块；当热学-电学联合测试装置进行电堆电学-热学联合测试时，气体流量控制模块连接气体预热模块，气体预热模块连接电堆测试模块，电堆测试模块连接尾气处理模块；测控模块电连接电堆测试模块；当热学-电学联合测试装置进行BOP部件热学性能测试时，气体流量控制模块连接气体预热模块，气体预热模块连接BOP部件测试模块，BOP部件测试模块连接尾气处理模块；测控模块电连接BOP部件测试模块；当热学-电学联合测试装置进行系统热区/不完整热区联合测试时，气体流量控制模块连接气体预热模块，电堆测试模块和BOP部件测试模块并联(根据系统热区设计连接)后一端接入气体预热模块，另一端接入尾气处理模块；测控模块电连接BOP部件测试模块和电堆测试模块。
作为优选，气体流量控制模块和气体预热模块之间还插入有重整模块，用于重整甲烷或其他碳氢燃料，生产后续测试用的重整氢气；重整模块还用于分析电堆在使用重整氢气时，相较于纯氢气性能的变化；重整模块包含气体净化装置(为气体净化器)、高温水蒸气供给装置(为电加热蒸汽发生器)、高温重整装置(为电加热重整器)和配套的降温装置。
作为优选，气体流量控制模块包括多组气路，每组气路对应连接不同种类气体，每组气路上均设有电磁阀和质量流量计；气体流量控制模块上还设有供水管路，该供水管路上设有储水装置(去离子水箱或去离子水机)，储水装置后的管路上还设有水泵(微型恒流水泵)；气体流量控制模块出口处布置有压力变送器，用于采集后续气路的背压数据。
作为优选，气体预热模块包括电加热空气预热器(如空气加热器或管式电炉)和测温装置(为温度传感器)；测温装置根据设定值或后续电学测控模块的反馈控制气体供给的温度。
作为优选，电堆测试模块包括控温电炉和待测电堆；控温电炉上设有电堆夹具和电堆电流电压引出导线；待测电堆的进出气管路上和控温电炉内部设有多个温度传感器，用于分析电堆工作时的热学特性；电堆测试模块通过保温隔热管路与其余模块连接；控温电炉用于辅助调节电堆所处环境温度，同时记录加热功率，电堆夹具用于在高温下向非自紧堆提(电堆的一种，使用时需要加压)的垂直方向提供压紧力。
作为优选，BOP部件测试模块的主体为耐高温隔热保温台(耐高温的隔热板)，用于承载不同的测试部件；待测部件位于BOP部件测试模块内，根据待测部件的外形尺寸放置有隔热保温罩，隔热保温罩内部填充耐高温保温棉，降低其与外界空气的热量交换，耐高温隔热保温台被隔热保温罩罩住；BOP部件测试模块上设有保温隔热管路，BOP部件测试模块通过保温隔热管路与其余模块连接；BOP部件测试模块的进出气管路上和待测部件外部布置有多个温度传感器，用于分析BOP部件测试模块工作时的热学特性。
作为优选，尾气处理模块包括煤气在线分析仪(气相色谱或在线分析仪器)和冷凝器模块(冷凝降温装置)，尾气处理模块入口设有温度变送器(温度传感器)用于监测气体温度，避免其超过装置使用温度的限制；冷凝器模块将高温尾气降低至室温，以避免出现安全问题；尾气经过冷凝后，可选择通入气体组分分析装置；分析装置可选气相色谱或在线分析仪器，用于监测尾气中化学组分的变化。
作为优选，测控模块包括电堆测试装置和数据采集与控制装置；电堆测试装置包含逆变器、配套部件和电子负载，用于调节电堆的输出功率；数据采集与控制装置上设有数据采集器和测控计算机，可采集分析实验信号，并实时控制所有实验装置的参数设定；测控计算机可以采集测试系统内的数据，并能控制系统设备所有设定参数；其设定参数既可保持特定的预设值，也可根据试验情况手动修改测试参数；进一步的，也可以根据采集到的实验数据，配合设定的模型软件，模拟计算出对应的控制参数，并实时调控系统设备的设定参数，实现部件及系统热区半实物仿真测试。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种能灵活扩展的SOFC电堆及BOP系统热学-电学联合测试平台，从电堆至发电系统研发过程中，分模块的设计使其能灵活的调节测试对象与内容，满足从电堆测试、BOP部件测试、系统热区及整体发电系统的一系列不同的测试需求。
附图说明
图1为热学-电学联合测试装置的模块连接示意图；
图2为热学-电学联合测试装置在电堆-逆变器调控测试中的设备连接简图；
图3为热学-电学联合测试装置在热交换型汽化器性能测试中的设备连接简图；
图4为热学-电学联合测试装置在燃烧重整器-电堆热学电学联合测试的设备连接简图。
附图标记说明：气体流量控制模块1、气体预热模块2、重整模块3、电堆测试模块4、尾气处理模块5、测控模块6、BOP部件测试模块7、电磁阀11、质量流量计12、压力变送器13、储水装置14、水泵15、电加热空气预热器21、测温装置22、高温水蒸气供给装置31、气体净化装置32、高温重整装置33、控温电炉41、待测电堆42、温度变送器51、冷凝器模块52、煤气在线分析仪53、耐高温隔热保温台71、隔热保温罩72、待测部件73、耐高温保温棉74。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
实施例1：
一种用于SOFC及BOP部件的热学-电学联合测试装置，如图1所示，能进行电堆、BOP部件以及系统热区的一系列测试，包括：气体流量控制模块1、气体预热模块2、电堆测试模块4、尾气处理模块5、测控模块6和BOP部件测试模块7；
当热学-电学联合测试装置进行电堆电学-热学联合测试时，气体流量控制模块1连接气体预热模块2，气体预热模块2连接电堆测试模块4，电堆测试模块4连接尾气处理模块5；测控模块6电连接电堆测试模块4；
当热学-电学联合测试装置进行BOP部件热学性能测试时，气体流量控制模块1连接气体预热模块2，气体预热模块2连接BOP部件测试模块7，BOP部件测试模块7连接尾气处理模块5；测控模块6电连接BOP部件测试模块7；
当热学-电学联合测试装置进行系统热区/不完整热区联合测试时，气体流量控制模块1连接气体预热模块2，电堆测试模块4和BOP部件测试模块7并联(根据系统热区设计连接)后一端接入气体预热模块2，另一端接入尾气处理模块5；测控模块6电连接BOP部件测试模块7和电堆测试模块4。
气体流量控制模块1和气体预热模块2之间还插入有重整模块3，用于重整甲烷或其他碳氢燃料，生产后续测试用的重整氢气；重整模块还用于分析电堆在使用重整氢气时，相较于纯氢气性能的变化；重整模块3包含气体净化装置32(为气体净化器)、高温水蒸气供给装置31(为电加热蒸汽发生器)、高温重整装置33(为电加热重整器)和配套的降温装置。利用电加热或燃气加热方式，模拟天然气或其他碳氢燃料在高温条件下的重整过程，并输出重整后的重整氢气。
气体流量控制模块1包括多组气路，每组气路对应连接不同种类气体，每组气路上均设有电磁阀11和质量流量计12；气体流量控制模块1上还设有供水管路，该供水管路上设有储水装置14(去离子水箱或去离子水机)，储水装置14后的管路上还设有水泵15(微型恒流水泵)，控制去离子水的供给流量；气体流量控制模块1出口处布置有压力变送器13，用于采集后续气路的背压数据。使用电磁阀或其他阀门选择供给气体的种类，随后使用流量计、高精度流体泵控制气体、液体的流量；并在管路出口处设有压力传感器，用于监测后续气路的背压。
气体预热模块2包括电加热空气预热器21(如空气加热器或管式电炉)和测温装置22(为温度传感器)；测温装置根据设定值或后续电学测控模块的反馈控制气体供给的温度。利用电加热或燃气加热器预热气体或产生水蒸气，并设有温度传感器，用于反馈调节预热气体的温度。
电堆测试模块4包括控温电炉41和待测电堆42；控温电炉41上设有电堆夹具和电堆电流电压引出导线；待测电堆42的进出气管路上和控温电炉41内部设有多个温度传感器，用于分析电堆工作时的热学特性；电堆测试模块4通过保温隔热管路与其余模块连接；控温电炉用于辅助调节电堆所处环境温度，同时记录加热功率，电堆夹具用于在高温下向非自紧堆提(电堆的一种，使用时需要加压)的垂直方向提供压紧力。
BOP部件测试模块7的主体为耐高温隔热保温台71(耐高温的隔热板)，用于承载不同的测试部件；待测部件73位于BOP部件测试模块7内，根据待测部件73的外形尺寸放置有隔热保温罩72，隔热保温罩72内部填充耐高温保温棉74，降低其与外界空气的热量交换，耐高温隔热保温台71被隔热保温罩72罩住；BOP部件测试模块7上设有保温隔热管路，BOP部件测试模块7通过保温隔热管路与其余模块连接；BOP部件测试模块7的进出气管路上和待测部件73外部布置有多个温度传感器，用于BOP部件及SOFCs热区半成品的测试；用于分析BOP部件测试模块工作时的热学特性。
尾气处理模块5包括煤气在线分析仪53(气相色谱或在线分析仪器)和冷凝器模块52(冷凝降温装置)，尾气处理模块5入口设有温度变送器51(温度传感器)用于监测气体温度，避免其超过装置使用温度的限制；冷凝器模块将高温尾气降低至室温，以避免出现安全问题；尾气经过冷凝后，可选择通入气体组分分析装置；分析装置可选气相色谱或在线分析仪器，用于监测尾气中化学组分的变化。
测控模块6包括电堆测试装置和数据采集与控制装置；电堆测试装置包含逆变器、配套部件和电子负载，用于调节电堆的输出功率；数据采集与控制装置上设有数据采集器和测控计算机，可采集分析实验信号，并实时控制所有实验装置的参数设定；测控计算机可以采集测试系统内的数据，并能控制系统设备所有设定参数；其设定参数既可保持特定的预设值，也可根据试验情况手动修改测试参数；进一步的，也可以根据采集到的实验数据，配合设定的模型软件，模拟计算出对应的控制参数，并实时调控系统设备的设定参数，实现部件及系统热区半实物仿真测试。
实施例2：
电堆-逆变器调控测试：对于电堆性能测试，可选择使用气体流量控制模块1、气体预热模块2、电堆测试模块4、尾气处理模块5及测控模块6。气体流量控制模块1输出稳定的燃气、空气以及去离子水，经过气体预热模块2加热后，通入电堆测试模块4，在电堆测试模块4中试验不同温度、流量、压力的气体供应以及不同负载条件下的电堆响应情况。测控模块6中可以使用电子负载调节电堆输出，模拟燃料电池独立式发电场景。进一步的，使用逆变器及配套设备控制电堆可进行逆变并网测试。此外，插入重整模块3可分析电堆在使用重整氢气时，相较于纯氢气性能的变化。
本实施例提供一种电堆-逆变器调控测试方式，具体模块的构建与连接如图2所示；本实施例所述设备使用H2、CH4、N2、Air作为气源，在气体流量控制模块1中，利用电磁阀11选择使用的燃料气体，通过质量流量计12控制供给气体的流量，同时使用压力变送器13测试气路的背压。此外，储水装置14净化水源，并使用水泵15控制供给的去离子水浓度。
随后燃气与去离子水分别通入重整模块3中，甲烷通过气体净化装置32除硫纯化，去离子水通过高温水蒸气供给装置31蒸发成水蒸气，并与纯化甲烷均匀混合后一同通入高温重整装置33，反应生成重整粗氢。
粗氢与空气分别通入气体预热模块2中电加热空气预热器21，并利用测温装置22测量控制气体温度，随后通入待测电堆42中。电堆放置在控温电炉41中，使用特定夹具固定，同时热电偶测试进出气及环境温度，确保工作温度适宜，并记录电炉的发热功率。
随后电堆尾气将通入尾气处理模块，温度变送器51用于确保尾气温度不超过使用限制，冷凝器模块52用于高温尾气的降温，同时煤气在线分析仪53分析尾气中的化学组成与比例，并将数据传送至数据采集仪/电脑。降温后的尾气通入实验室的尾气排放口安全排放。
在电堆工作时，可以将电堆直接连接电子负载进行放电测试，或者连接至DC/DC转换器与逆变器，模拟系统并网发电场景。所有温度、流量、压力数据将通过数据采集仪传送至电脑，可与尾气组分、电炉功率、电堆放电性能等数据一同分析。测控模块的电脑可以设定各实验部件的工作参数，进一步的，可以根据Trnsys、MATLAB等流程模拟软件，依靠采集的数据，即时仿真估算出实际运行的温度、压力参数，并对流量计、预热器反馈调节，模拟电堆在并网运行时，稳定运行或功率调整下的反应情况。
实施例3：
热交换型汽化器性能测试：
本实施例提供测试平台在测试BOP部件(如汽化器)时模块连接思路及测试方法。该测试使用的模块及连接方式如图3所示。可将实施例2所述电堆测试中，电堆测试模块4切换为BOP部件测试模块7；分析BOP部件测试模块7对气体流量、温度的响应情况。例如在热交换器测试中，通过气体流量控制模块1与气体预热模块2，来控制进气的流量与温度，测试出气温度以及整体背压，分析热交换器的功率参数以及响应情况。而对于汽化器测试，则在气体流量控制模块1中，额外提供控制流量的去离子水，即可测试蒸汽的产生速率以及稳定性问题。针对重整器、换热器+重整器组合、换热器+汽化器+重整器组合，通过控制不同气体的流量与温度，模拟其在系统工作下的工况，即可实现其仿真测试。
与实施例2类似，本实施例针对不同的部件及组合，在气体流量控制模块1中，利用质量流量计12控制供给空气的流量，水泵15(微型恒流水泵)控制去离子水流速，压力变送器13测试气体的背压。随后使用电加热空气预热器21与测温装置22(温度传感器)控制空气温度，并随后一同通入放置在BOP部件测试模块7中的待测部件73(本测试为汽化器样品)中。汽化器放置在耐高温隔热保温台71上，并设置隔热保温罩72，同时内部填充耐高温保温棉74，以降低待测样品与外界空气的热交换。
BOP测试模块中设有温度传感器测量进出待测装置气体/液体温度。通过调节空气温度、流量及水流量，分析待测汽化器的综合热性能。随后尾气通过尾气处理模块5降温冷凝，并安全排放至实验室专用排气接口。测控模块6控制装置内气体流量、温度、去离子水流量等参数的设定。
针对不同结构的待测汽化器。通过调整通入的高温气体流量、温度，以及去离子水流量，测试此时蒸汽的产量，出气温度，以及出气气压的稳定性。分析不同蒸汽供应需求下，对应高温蒸汽的需求，以及不发生波动下的临界热交换功率。计算并测试不同蒸汽供给之前的状态切换过程，为后续发电系统的开发提供有效的参考数据。
实施例4：
燃烧重整器-电堆热学电学联合测试：联合电堆测试模块4与BOP部件测试模块7，可以进行系统热区部分或整体测试，以分析合理的运行参数。对于发电系统，因温度、流量、压力、气体组分、电堆输出等参数相互耦合，导致整体设计难度较高。而将热区按设计需求不同程度的拆解，可灵活调节测试对象的复杂程度及耦合程度，逐步设计测试发电系统。解决了单纯电堆测试难以考察参数耦合，而整体测试设计复杂的问题。本实施例提供测试平台在燃烧重整器-电堆联合测试中的使用，其具体的连接方式如图4所示。相较于单独的电堆测试，该测试环境更接近于系统热区，更能反馈电堆在系统中实际运行状况。
该测试同样利用气体流量控制模块1控制气体流速，对于需要控制温度的电堆燃料、去离子水、电堆空气，分别通入气体预热模块2中进行预热。
待测部件73(本测试是燃烧重整器样品)放置在耐高温隔热保温台71上，并附有隔热保温罩，内部填充耐高温保温棉74以降低向外部空气扩散的热量。预热后的电堆燃料与去离子水混合后通过保温管道进入待测重整器重整腔内，同时在燃烧腔内通入控制流量的燃烧燃料以维持反应温度。利用控制气体流量来控制反应温度及重整产量。燃烧尾气通入尾气处理模块降温排放、而重整气通入电堆测试模块进行下步测试。
重整气在经过保温管道后进入电堆阳极，同时电加热预热后的空气进入电堆阴极。在外在负载控制下电堆进行放电测试，测量进出气体及电堆所处空间的温度，并联合电炉功率记录同步分析电堆发电-发热情况。
进一步的，测控模块6分析采集到的温度、流量数据，代入已建立的系统流程模型，计算出模拟系统的进气流量、温度参数，并将参数实时代入气体流量控制模块1及气体预热模块2，进行SOFC系统的半实物仿真，为后续的系统开发提供有意义的试验数据。

Claims (8)

1.一种用于固体氧化物燃料电池电堆、BOP部件及系统热区的热学-电学联合测试装置，其特征在于，包括：气体流量控制模块(1)、气体预热模块(2)、电堆测试模块(4)、尾气处理模块(5)、测控模块(6)和BOP部件测试模块(7)；
当热学-电学联合测试装置进行电堆电学-热学联合测试时，气体流量控制模块(1)连接气体预热模块(2)，气体预热模块(2)连接电堆测试模块(4)，电堆测试模块(4)连接尾气处理模块(5)；测控模块(6)电连接电堆测试模块(4)；
当热学-电学联合测试装置进行BOP部件热学性能测试时，气体流量控制模块(1)连接气体预热模块(2)，气体预热模块(2)连接BOP部件测试模块(7)，BOP部件测试模块(7)连接尾气处理模块(5)；测控模块(6)电连接BOP部件测试模块(7)；
当热学-电学联合测试装置进行系统热区/不完整热区联合测试时，气体流量控制模块(1)连接气体预热模块(2)，电堆测试模块(4)和BOP部件测试模块(7)并联后一端接入气体预热模块(2)，另一端接入尾气处理模块(5)；测控模块(6)电连接BOP部件测试模块(7)和电堆测试模块(4)。
2.根据权利要求1所述的热学-电学联合测试装置，其特征在于：气体流量控制模块(1)和气体预热模块(2)之间还插入有重整模块(3)；重整模块(3)包含气体净化装置(32)、高温水蒸气供给装置(31)、高温重整装置(33)和配套的降温装置。
3.根据权利要求1所述的热学-电学联合测试装置，其特征在于：气体流量控制模块(1)包括多组气路，每组气路上均设有电磁阀(11)和质量流量计(12)；气体流量控制模块(1)上还设有供水管路，该供水管路上设有储水装置(14)，储水装置(14)后的管路上还设有水泵(15)；气体流量控制模块(1)出口处布置有压力变送器(13)。
4.根据权利要求1所述的热学-电学联合测试装置，其特征在于：气体预热模块(2)包括电加热空气预热器(21)和测温装置(22)。
5.根据权利要求1所述的热学-电学联合测试装置，其特征在于：电堆测试模块(4)包括控温电炉(41)和待测电堆(42)；控温电炉(41)上设有电堆夹具和电堆电流电压引出导线；待测电堆(42)的进出气管路上和控温电炉(41)内部设有多个温度传感器；电堆测试模块(4)通过保温隔热管路与其余模块连接。
6.根据权利要求1所述的热学-电学联合测试装置，其特征在于：BOP部件测试模块(7)的主体为耐高温隔热保温台(71)；待测部件(73)位于BOP部件测试模块(7)内，根据待测部件(73)的外形尺寸放置有隔热保温罩(72)，隔热保温罩(72)内部填充耐高温保温棉(74)，耐高温隔热保温台(71)被隔热保温罩(72)罩住；BOP部件测试模块(7)上设有保温隔热管路，BOP部件测试模块(7)通过保温隔热管路与其余模块连接；BOP部件测试模块(7)的进出气管路上和待测部件(73)外部布置有多个温度传感器。
7.根据权利要求1所述的热学-电学联合测试装置，其特征在于：尾气处理模块(5)包括煤气在线分析仪(53)和冷凝器模块(52)，尾气处理模块(5)入口设有温度变送器(51)。
8.根据权利要求1所的热学-电学联合测试装置，其特征在于：测控模块(6)包括电堆测试装置和数据采集与控制装置；电堆测试装置包含逆变器、配套部件和电子负载；数据采集与控制装置上设有数据采集器和测控计算机。
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