CN113540525B - 一种固体氧化物燃料电池系统热部件测试装置和方法 - Google Patents

一种固体氧化物燃料电池系统热部件测试装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种固体氧化物燃料电池系统热部件测试装置和方法。包括：燃烧器，包括阴极废气进口、甲烷进口和阳极废气进口；阴极废气管线，包括加热器，与燃烧器的阴极废气进口连接；氮气支管线，与阴极废气管线的加热器的入口端连接；甲烷管线，与燃烧器的燃料入口端相连；阳极废气管线，包括加热器，与燃烧器的阳极废气进口连接。模拟电堆运行过程中，燃烧器的启动和稳定运行两种工况，阴极废气管线和阳极支管线分别与燃烧器连接，分别用于模拟阳极废气和阴极废气进入到燃烧器。可以较好的用于研究燃烧器的特性和可靠性的研究。

Description

一种固体氧化物燃料电池系统热部件测试装置和方法
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系统热部件测试装置和方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
固体氧化物燃料电池是第三代高温燃料电池，具有高效率，零污染，零噪音等特点，它的燃料可选择范围较广，汽油、柴油、天然气、水煤气等都可作为其燃料。以天然气为例，在工作过程中燃料通过电堆前的重整器重整为H2，CO等气体，该气体通入电堆阳极，空气通入电堆阴极，两者在电堆内反应，产生电能。
在实际固体氧化物燃料电池系统中其运行过程涉及启动和稳定运行两个过程。在启动过程中，先将CH4气体通入燃烧器中燃烧，并用燃烧器的尾气预热空气，将空气通入电堆阴极，预热电堆。在稳定运行过程，阳极和阴极的气体反应后，由于气体流量，电池能量利用率等因素的影响，阳极废气(AOG)中的H2，CO气体不能完全反应，同时又有较高的温度(含有较高能量)；阴极废气(COG)由于O2被反应掉一部分，其主要成分是高温的贫氧空气。需要对两种气体尤其是阳极废气进行处理。通常的处理方法是将两者按一定比例通入燃烧器中燃烧，将H2，CO等气体处理掉的同时为整个系统提供能量。
固体氧化物燃料电池(SOFC)需要工作在600℃～1000℃，因此需要额外的能源供给其启动过程和稳定运行过程。在固体氧化物燃料电池工作过程中，温度较高，为了减小电堆的热应力的同时保证启动和正常运行过程中的能量供给，通常要求电堆的进口空气和燃气有一定的温度，因此在外围热管理系统中燃烧器提供能量的来源，热交换器将该能量转移到电堆进口气体中，使固体氧化物燃料电池电堆能够正常运行。所以对于固体氧化物燃料电池外围热管理系统的研究来说，燃烧器特性研究、燃烧器可靠性研究、热交换器转化率研究、热交换器可靠性研究等都是必不可少的研究内容。
现阶段对于整个热管理系统实现方法研究较多，对于热管理系统中某关键部件的研究较少。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种固体氧化物燃料电池系统热部件测试装置和方法。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
第一方面，一种固体氧化物燃料电池系统热部件测试装置，包括：
燃烧器，包括阴极废气进口、甲烷进口和阳极废气进口；
阴极废气管线，包括加热器，与燃烧器的阴极废气进口连接；
氮气支管线，与阴极废气管线的加热器的入口端连接；
甲烷管线，与燃烧器的甲烷进口连接；
阳极废气管线，包括加热器，与燃烧器的阳极废气进口连接。
模拟电堆运行过程中，燃烧器的启动工矿，不包含氮气支管线的阴极废气管线和甲烷管线分别与燃烧器连接，分别作为模拟启动工况中的燃料和空气。
模拟电堆运行过程中，燃烧器的稳定运行工况，包括氮气支管线在内的阴极废气管线和阳极废气管线分别与燃烧器连接，分别用于模拟阳极废气和阴极废气进入到燃烧器。
阴极废气管线与氮气支管线连接，模拟阴极废气贫氧的情况。
阴极废气管线和阳极废气管线分别设置加热器，分别可以用于模拟固体氧化物燃料电池出来的阴极废气和阳极废气的高温状态。
可以较好的用于研究燃烧器的特性和可靠性的研究。
第二方面，一种固体氧化物燃料电池系统热部件测试方法，具体步骤为：
启动过程：向燃烧器通入空气和甲烷，燃烧器燃烧，得到的尾气通入换热器中与空气进行换热。
稳定运行过程，阴极废气和阳极废气分别被加热后通入到燃烧器中进行燃烧，得到的尾气通入到换热器中与空气进行换热，换热后的尾气进行检测。
本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：
固体氧化物燃料电池需要额外的能源供给其启动过程和稳定运行过程。在外围热管理系统中燃烧器提供能量的来源，热交换器将该能量转移到电堆进口气体中，使固体氧化物燃料电池电堆能够正常运行。本发明中提供了固体氧化物燃料电池系统热部件测试装置和方法，用于对热管理系统的燃烧器特性和可靠性、热交换器转化率进行研究，得到不同工况下对燃烧器的工作的影响，保持固体氧化物燃料电池能源供给的稳定性；
利用氮气与空气混合模拟阴极废气的贫氧状态，可有效的模拟燃烧器稳定运行的过程中，阴极废气进入燃烧后的情况。
利用电加热的方式对阳极废气和阴极废气进行加热，可以有效的模拟废气的高温状态。
通过燃烧器和热交换器的连接，可以同时探究燃烧器、热交换器、燃烧尾气等多个固体氧化物燃料电池热管理系统特性。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为固体氧化物燃料电池系统热部件测试装置图；
其中包含以下部件：1、2为风机，3、甲烷，4、阳极废气，5、氮气，6、7为电加热器，8、9、10、11、12为质量流量控制器，13、14为变频器，15、16、18、19、20、21、22为热电偶，23、火花塞，24、尾气分析仪，25、电源，26为燃烧器，27、热交换器。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
第一方面，一种固体氧化物燃料电池系统热部件测试装置，包括：
燃烧器，包括阴极废气进口、甲烷进口和阳极废气进口；
阴极废气管线，包括加热器，与燃烧器的阴极废气进口连接；
氮气支管线，与阴极废气管线的加热器的入口端连接；
甲烷管线，与燃烧器的燃料入口端相连；
阳极废气管线，包括加热器，与燃烧器的阳极废气进口连接。
阴极废气管线上的加热器将阴极废气进行加热，阳极废气管线上的加热器对阳极废气进行加热，加热后的废气进入燃烧器中模拟燃烧过程，加热器的控制、阴极废气管线、阳极废气管线、氮气支管线的控制都与燃烧器的稳定性有关系，本发明提出了一种能够较好的模拟固体氧化物燃料电池中的燃烧器的燃烧过程，得到特性和可靠性结果，反过来应用于固体氧化物燃料电池中，使其运行过程更加稳定。
燃烧器的燃烧过程产生热量，将这个热量转移到固体氧化物燃料电池中，减小电堆的热应力，同时保证启动和正常运行过程中的能量供给。所以燃烧器的特性与固体氧化物电池具有较为重要的关系。
现有技术中，虽然能够实现燃烧器供给热量到固体氧化物电池，但是没有对于燃烧器或热交换器本申请的特性研究，对于燃烧器的特性研究有助于固体氧化物电池的热管理更加有效和稳定。
相对于燃烧器，阴极废气管线即可用于启动阶段单独通入空气，又可用于稳定运行阶段通入阴极废气。
进一步，燃烧器中设置火花塞，用于点燃的过程。
在本发明的一些实施方式中，阳极废气管线上设置质量流量控制器和热电偶，热电偶设置在加热器的出气口一侧，质量流量控制器设置在加热器的进气口一侧。阳极废气管线上的质量流量控制器可以通过控制开度来控制向燃烧器中通入的阳极废气，精确控制通入燃烧器的流量。通过热电偶显示是否达到了加热后的温度。
在本发明的一些实施方式中，阴极废气管线上设置质量流量控制器和热电偶，氮气支管线上设置质量流量控制器，热电偶设置在加热器的出气口一侧，质量流量控制器设置在加热器的进气口一侧。阴极废气通过质量流量控制器控制进入燃烧器的流量，氮气支管线上的质量流量控制器控制向空气中加入的氮气，以模拟阴极废气的贫氧程度，该贫氧程度与电堆内部的气体反应量和气体流量有关。
在本发明的一些实施方式中，阴极废气管线上风机和变频器，风机与变频器的入口端连接，变频器的出口端与质量流量控制器连接。根据质量流量控制器的示数，用变频器控制风机开度的大小，同时控制氮气管线实现调节阴极废气的总流量的控制。
在本发明的一些实施方式中，甲烷管线上设置质量流量控制器。甲烷管线，用于启动过程中向燃烧器中通入甲烷，模拟启动过程的情况。
在本发明的一些实施方式中，还包括热交换器，燃烧器的出气口与热交换器连接。进一步燃烧器与热交换器连接的管线上，燃烧器的出口端、热交换器的进口端分别设置热电偶。热交换器涉及到燃烧器得到的尾气与进入到固体氧化物燃料电池的空气的预热的过程。这个预热换热的过程，换热的转化率，与进入固体氧化物燃料电池的空气的温度和含有的热量具有一定的关系。空气的流量和尾气的成分等进行分析和测试。
热交换器分为冷端进口和冷端出口，分别为空气进口和空气出口。热交换器还包括热端进口和热端出口，分别为尾气进口和尾气出口。
在本发明的一些实施方式中，还包括空气管线，空气管线与热交换器的冷端进口连接。空气管线通入空气到热交换器中。
在本发明的一些实施方式中，空气管线包括依次连接的风机、变频器、质量流量控制器、热电偶，热电偶与热交换器连接。空气管线中的设置变频器控制风机的开度。质量流量控制器的开度能够控制通入的气体的流量。
在本发明的一些实施方式中，还包括排气管线，排气管线与热交换器的冷端出口连接。空气被加热后通过排气管线排出。
在本发明的一些实施方式中，排气管线上设置冷却装置。排出的空气经过冷却装置进行冷却后排出，冷却装置可以为水冷装置等。
在本发明的一些实施方式中，还包括尾气管线，热交换器的热端出口与尾气管线连接，尾气管线与尾气分析装置连接；进一步，尾气管线与排气管线连接。尾气管线用于热交换器的换热后的尾气排出。然后可以进一步与尾气分析仪连接，检测尾气的成分，对燃烧器的尾气进行分析。尾气部分排入到排气管线上，然后进一步排出。
在本发明的一些实施方式中，还包括控制器，控制器分别与质量流量控制器、热电偶、变频器、加热器连接。流量、温度等输入到控制器中，方便进行数据的记录和处理，得到燃烧器、热交换器相关的特性的数据。
第二方面，一种固体氧化物燃料电池系统热部件测试方法，具体步骤为：
启动过程：向燃烧器通入空气和甲烷，燃烧器燃烧；得到的尾气通入到换热器中与空气进行换热。
稳定运行过程，阴极废气和阳极废气分别被加热后通入到燃烧器中进行燃烧，得到的尾气通入到换热器中与空气进行换热，换热后的尾气进行检测。
在本发明的一些实施方式中，在启动过程中，通过质量流量控制器控制甲烷和空气的流量和比例。
在本发明的一些实施方式中，稳定运行过程中，阴极废气包括空气和氮气。
在本发明的一些实施方式中，稳定运行过程中，阳极废气为包括但不仅限于CH4、H2、CO、CO2的混合气。
稳定运行过程中，阳极废气成分并非一成不变的，根据电堆的燃料利用率不通和通入电堆气体的流速不同，阳极废气的成分、比例都有一定差异。
在本发明的一些实施方式中，稳定运行过程中，通过质量流量控制器控制气体的流量。
实施例1
启动过程
在启动过程通过变频器14和质量流量控制器11配合控制燃烧器1入口的空气流量。同时调节甲烷管路上的质量流量控制器9，让甲烷3和空气以一定比例通入燃烧器1，打开燃烧器26的火花塞23，燃烧器26燃烧，燃烧器26的燃烧温度可通过燃烧器后的热电偶18来监测。燃烧器26尾气通入热交换器27的热端入口(这段管路应尽可能短同时需要以保温棉包裹以保证热量不被散失)，热交换器27冷端通入一定流量的冷空气。两者在热交换器9中换热。
稳定运行过程
在稳定运行过程中，燃料端通入阳极废气4，以质量流量控制器8调节流量，以电加热器7将燃料升温，使热电偶16显示合适温度。空气端以风机1、变频器14和质量流量控制器11调节并通入相应比例空气，空气通过电加热器6加热，通过热电偶15显示进入燃烧器的空气温度。并且通过氮气源补充氮气，补充的氮气源(5)通过质量流量控制器12进行调节，以模拟阴极废气的贫氧状态，后将空气与N2的混合气通入电加热器中加热，最终得到合适的阴极废气。两者在燃烧器中燃烧后通入热交换器的热端入口。换热方式与启动过程类似。
热交换器的尾气进口温度通过热电偶19进行显示，热交换器27得到的尾气和空气混合后经过冷却装置17后排出。
在实施例1的运行过程中，可以进行以下探究过程：
1、通过改变启动工况燃料和空气量，对比出口温度的不同探究燃烧器过量空气系数对其工作的影响。
2、改变稳定运行工况燃料和空气量，探究过量空气系数对其工作的影响。
3、通过流经热交换器的冷端和热端的气体流量及其温度来探究热交换器的热交换效率。
4、通过热交换器热端出口处的尾气分析仪24可探究燃烧器燃烧后的排气成分。
上述4个方面的探究，可以得到影响燃烧器和热交换器的热输出、热输入和热转化率等的特性，这些特性可以间接的反射到固体氧化物电池上，这样在固体氧化物电池的运行过程中，可以更好的控制热量的管理，能够更精确的为固体氧化物电池提供准确的需要的热量。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种利用固体氧化物燃料电池系统热部件测试装置的测试方法，其特征在于：
所述固体氧化物燃料电池系统热部件测试装置包括：
燃烧器，包括阴极废气进口、甲烷进口和阳极废气进口；
阴极废气管线，包括加热器，与燃烧器的阴极废气进口连接；
氮气支管线，与阴极废气管线的加热器的入口端连接；
甲烷管线，与燃烧器的甲烷进口连接；
阳极废气管线，包括加热器，与燃烧器的阳极废气进口连接；
利用固体氧化物燃料电池系统热部件测试装置的测试方法，具体步骤为：
启动过程：向燃烧器通入空气和甲烷，燃烧器燃烧，得到的尾气通入到换热器中与空气进行换热；
稳定运行过程：阴极废气和阳极废气分别被加热后通入到燃烧器中进行燃烧，得到的尾气通入到换热器中与空气进行换热，换热后的尾气进行检测；
稳定运行过程中，阴极废气包括空气和氮气；
稳定运行过程中，阳极废气为包括CH4、H2、CO、CO2的混合气。
2.如权利要求1所述测试方法，其特征在于：阳极废气管线上设置质量流量控制器和热电偶，热电偶设置在加热器的出气口一侧，质量流量控制器设置在加热器的进气口一侧。
3.如权利要求1所述测试方法，其特征在于：阴极废气管线上设置质量流量控制器和热电偶，氮气支管线上设置质量流量控制器，热电偶设置在加热器的出气口一侧，质量流量控制器设置在加热器的进气口一侧。
4.如权利要求3所述测试方法，其特征在于：阴极废气管线上设置风机和变频器，风机与变频器的入口端连接，变频器的出口端与质量流量控制器连接。
5.如权利要求1所述测试方法，其特征在于：甲烷管线上设置质量流量控制器。
6.如权利要求1所述测试方法，其特征在于：还包括热交换器，燃烧器的出气口与热交换器连接。
7.如权利要求6所述测试方法，其特征在于：还包括空气管线，空气管线与热交换器的冷端进口连接。
8.如权利要求7所述测试方法，其特征在于：空气管线包括依次连接的风机、变频器、质量流量控制器、热电偶，热电偶与热交换器连接。
9.如权利要求6所述测试方法，其特征在于：还包括排气管线，排气管线与热交换器的冷端出口连接。
10.如权利要求9所述测试方法，其特征在于：还包括尾气管线，热交换器的热端出口与尾气管线连接，尾气管线与尾气分析装置连接。
11.如权利要求10所述测试方法，其特征在于：尾气管线与排气管线连接。
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