CN113782787B - 一种熔融碳酸盐燃料电池进气系统的控制方法 - Google Patents

一种熔融碳酸盐燃料电池进气系统的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种熔融碳酸盐燃料电池进气系统的控制方法，旨在解决现有技术中熔融碳酸盐燃料电池隔膜有机成分氧化不彻底的技术问题。采用如下方案：所述熔融碳酸盐燃料电池进气系统的控制方法包括：阳极管路，适于为电池阳极输送燃料气体；阴极管路，包括氧化气体通道，所述氧化气体通道适于为电池阴极输送氧化气体；连接支路，其第一端连通于所述阳极管路，第二端连通于所述氧化气体通道，且所述连接支路上设有第一截止阀。

Description

一种熔融碳酸盐燃料电池进气系统的控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种熔融碳酸盐燃料电池进气系统的控制方法。
背景技术
熔融碳酸盐燃料电池一般包括阴极端板、电解质、阴极、阳极、阳极端板及隔膜。其中，熔融碳酸盐燃料电池的隔膜是通过把陶瓷材料与粘结剂等添加剂制备成浆料流延成型，多张膜热压在一起而成。电池正常工作需要把隔膜里面的有机成分全部分解掉而形成多孔的陶瓷结构，孔里面会浸入熔融的碳酸盐电解质，电解质具有传导离子的特性，这样阴阳两级分别融入氧化气体和还原气体就会发电。
现有熔融碳酸盐燃料电池一般在阳极通入燃料，在阴极通入氧化剂，其电能由燃料和氧化剂在电池内部通过电化学反应产生。在正式发电之前，需先行向阴极内输入氧化剂，用以将隔膜上的有机成分氧化分解，从而形成正常工作所需的多孔结构。但这种方式对隔膜有机成分的氧化分解不够彻底，从而会影响电池性能。
另外，现有熔融碳酸盐电池通入阳极和阴极的气体必须采用独立的气体供应管路，而且阳极和阴极在电池的升温启动和运行过程中会通入不同的气体，就需在电池的进气系统设置不同的设备和控制方法，以满足电池不同阶段的用气需求，那具体如何对气体进行分配和控制能够保证电池的安全运行，是现有技术中亟待解决的技术问题。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中熔融碳酸盐燃料电池隔膜有机成分氧化不彻底的缺陷，从而提供一种熔融碳酸盐燃料电池进气系统。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种熔融碳酸盐燃料电池进气系统，包括：
阳极管路，适于为电池阳极输送燃料气体；
阴极管路，包括氧化气体通道，所述氧化气体通道适于为电池阴极输送氧化气体；
连接支路，其第一端连通于所述阳极管路，第二端连通于所述氧化气体通道，且所述连接支路上设有第一截止阀。
可选的，所述阳极管路包括：
燃料通道，适于输送燃料气体；
稀释通道，适于向所述燃料通道中输送气体以稀释燃料气体的浓度；
所述连接支路的第一端连通于所述燃料通道。
可选的，所述燃料通道上设有第二截止阀，所述连接支路的第一端邻设于所述第二截止阀沿气流方向的前侧。
可选的，还包括：
吹扫管路，包括第一吹扫通道和第二吹扫通道，所述第一吹扫通道与所述阴极管路连通，所述第二吹扫通道与所述燃料通道连通且连通于所述第二截止阀沿气流方向的前侧。
可选的，所述第二吹扫通道连通于所述连接支路第一端沿气流方向的后侧。
可选的，所述阴极管路和阳极管路上皆设有适于隔绝电池的绝缘管。
可选的，还包括：
两个换热器，分别连接于电池阴极和电池阳极。
可选的，所述连接支路和所有通道中皆设有单向阀，位于通道中的单向阀适于引导气体流向电池，位于所述连接支路中的单向阀适于引导气体流向所述阳极管路。
本发明要解决的另一个技术问题在于克服现有技术中熔融碳酸盐燃料电池进气控制方法不能较好的保证电池运行的安全性的缺陷，从而提供一种控制方法。
本发明提供的控制方法，依次包括如下步骤：
S1、电池升温启动：打开所述氧化气体通道，打开所述第一截止阀并关闭所述第二截止阀，控制氧化气体分两路进入电池，一条通过所述氧化气体通道进入电池阳极，另一条依次通过所述连接支路、阳极管路进入电池阴极；
S2、氧化气体吹扫：打开所述第二吹扫通道，关闭关闭所述氧化气体通道和所述第一截止阀，对所述燃料通道内的残余氧化气体进行吹扫；
S3、发电：关闭所述第二吹扫通道，并开启所述阴极管路和阳极管路，进行发电；
S4、停机：停止所述阴极管路和所述阳极管路的气体供应，开启所述第一吹扫通道和第二吹扫通道，分别对所述阴极管路和所述阳极管路进行吹扫、降温。
可选的，步骤S2中，吹扫时间为15~30min；步骤S4中，吹扫之间为45~60min。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的熔融碳酸盐燃料电池进气系统，设有将氧化气体通道与阳极通道连通的连接支路，在电池升温启动和烧结过程中，可将氧化气体同时输入电池隔膜的两侧，相对于现有只在隔膜阳极一侧输入氧化气体的方案而言，本方案在隔膜两侧皆形成氧化环境，能够保证通入足够的氧化气体，更好的分解有机物，让膜里面的有机成分去除的更彻底，电池性能会更好；
2.本发明提供的熔融碳酸盐燃料电池进气系统，设有连通燃料通道的第二吹扫通道，在电池启动升温阶段通过燃料通道向电池阳极输送氧化气体后，可开启第二吹扫通道对燃料通道内残留的氧化气体进行吹扫，避免燃料气体与氧化气体直接接触，从而保证了系统安全稳定；
3.本发明提供的熔融碳酸盐燃料电池进气系统，在连接支路和所有通道中皆设有单向阀，单向阀保证气体只能沿特定的方向流动，能够防止气体倒流混合发生事故；
4.本发明提供的熔融碳酸盐燃料电池进气系统，在阴极管路和阳极管路上皆设有适于隔绝电池的绝缘管，绝缘管将电池与进气管路隔离，消除与电池连接的进气管道漏电带电风险，提高了燃料电池及系统运行的安全性；
5. 本发明提供的熔融碳酸盐燃料电池进气系统，在电池阴极尾气出口和阳极尾气出口皆连接有隔热结构和换热器，隔热结构能避免电池尾气出口的高温将换热器损坏，换热器能够对电池尾气进行冷却，回收利用电池尾气的热量；
6.本发明提供的熔融碳酸盐燃料电池进气控制方法，在电池升温启动阶段向电池阳极通入氧化气体之后，通过第二吹扫通道对燃料通道内的残余氧化气体进行吹扫，能够避免燃料气体与氧化气体接触，保证电池及系统运行的安全；并且，在停机时，分别通过第一吹扫通道和第二吹扫通道对阴极管道和阳极管道进行吹扫，能够进一步避免之后再次工作时燃料气体与氧化气体的混合，保证电池及系统运行安全。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明熔融碳酸盐燃料电池进气系统示意图。
附图标记说明：
1、阴极管路；11、氧化气体通道；2、阳极管路；21、燃料通道；22、稀释通道；3、吹扫管路；31、第一吹扫通道；32、第二吹扫通道；4、连接支路；50、压力调节阀；51、压力传感器；52、截止阀；521、第一截止阀；522、第二截止阀；53、质量流量计；54、单向阀；55、转子流量计；56、绝缘管；57、温度传感器；58、隔热结构；59、换热器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做出创造性劳动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。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例一
参照图1，本实施例提供的熔融碳酸盐燃料电池进气系统，包括阴极管路1、阳极管路2、连接支路4及吹扫管路3；
阴极管路1包括压缩空气通道和CO2通道，压缩空气通道和CO2通道皆依次设有压力调节阀50、压力传感器51、截止阀52、质量流量计53、单向阀54，两条通道尾端汇合后依次设有截止阀52、转子流量计55、绝缘管56、压力传感器51及温度传感器57，最后与电池阴极连接；
阳极管路2包括CO2通道和H2通道，CO2通道和H2通道皆依次设有压力调节阀50、压力传感器51、截止阀52（位于H2通道上的截止阀52即：第二截止阀522）、质量流量计53、单向阀54，两条通道尾端汇合后依次设有截止阀52、转子流量计55、绝缘管56、压力传感器51及温度传感器57，最后与电池阳极连接；
连接支路4的第一端连通于H2通道的截止阀52和质量流量计53之间，第二端连通于压缩空气通道的压力传感器51与截止阀52之间，所述连接支路4上从压缩空气通道向H2通道依次设有截止阀52（即：第一截止阀521）、单向阀54和转子流量计55；
吹扫管路3为N2通道，包括第一吹扫通道31和第二吹扫通道32，第一吹扫通道31连接于压缩空气通道和CO2通道尾端汇合处，所述第二吹扫通道32连通于燃料通道21且位于第二截止阀522与连接支路4第一端之间。第一吹扫通道31和第二吹扫通道32的首端汇合且共用压力调节阀50和压力传感器51，第一吹扫通道31还依次设有截止阀52、转子流量计55和单向阀54，第二吹扫通道32还依次设置截止阀52和单向阀54。
上述方案中，压力调节阀50、压力传感器51、截止阀52、单向阀54、绝缘管56、隔热结构58、换热器59及温度传感器57对阳极管路2和阴极管路1的所有气体均适用；但所述质量流量计53和转子流量计55对阳极管路2和阴极管路1的所有气体不通用，每种气体均有相对应的质量流量计53和转子流量计55。压力调节阀50能够调节和稳定管路气体的压力；压力传感器51能够测量并显示经压力调节后的气体压力；截止阀52能够及时关断气体，预防事故发生；单向阀54具有气体单向流通功能，能够阻止管路气体与其他种类的气体混合时倒流；绝缘管56能够把导电的气体输送管路与电池端的金属管路绝缘隔离，防止电池漏电；所述隔热结构58能够将高温的电池尾气出口与换热器59的金属管道绝缘隔离；换热器59能够对电池的尾气进行冷却，回收利用电池堆尾气的热量；温度传感器57能够测量并显示气路的实时温度；质量流量计53具有控制功能，可以通过控制软件调节流量的大小；转子流量计55通过手动调节流量大小。
工作时：H2通道为电池阳极提供燃料；阳极CO2通道用以稀释H2，避免反应过于剧烈；压缩空气通道为电池阴极提供O2，作为电池阴极反应物之一；阴极CO2通道为电池阴极提供CO2，作为电池阳极反应物之一；N2通道用以对阴极管路1和阳极管路2进行吹扫。电池阳极反应式为2H2+ 2CO3 2-→2CO2+ 2H2O + 4e-；电池阴极反应式为O2+ 2CO2+ 4e-→2C03 2-。
优选的，本实施例采用CO2对H2进行稀释。其他实施例中，也可采用N2或其他不与H2发生反应的气体代替。
优选的，本实施例采用H2作为燃料使用。其他实施例中，也可采用CO、甲烷等常见燃料气体代替。
优选的，本实施例采用压缩空气作为氧化气体。其他实施例中，也可直接采用O2代替。
优选的，本实施例采用N2作为吹扫气体。其他实施例中，也可采用惰性气体或不与阴极管路1和阳极管路2中气体发生反应的其他化学性质较为稳定的气体代替。
优选的，本实施例将连接支路4连接于H2通道，因为吹扫管路3需将吹扫通道连通在H2通道上，所以此方案旨在配合吹扫管路3，以在电池启动升温后利于清理通道中的O2。其他实施例中，也可将连接支路4连接在CO2通道或阳极管路2的干路中。
优选的，第二吹扫通道32连通于连接支路4第一端沿气流方向的后侧，此方案在电池启动升温后利于彻底清理通道中的O2。其他实施例中，第二吹扫通道32也可连通于连接支路4第一端沿气流方向的前侧。
本实施例中，在所述阴极管路1和阳极管路2上皆设有适于隔绝电池的绝缘管56，绝缘管56能够将进气管道与电池隔离，消除与电池连接的进气管道漏电带电风险，提高了燃料电池及系统运行的安全性。
本实施例中，在电池的尾气出口还设有隔热结构58，隔热结构58还连接有换热器59，隔热结构58避免电池高温损坏换热器59，换热器59用以回收电池尾气中的热量。
本实施例中，在每个管道中皆设有单向阀54，单向阀54具有气体单向流通功能，能够阻止管路气体与其他种类的气体混合时倒流。
本实施例中，阳极管路2是由CO2通道和H2通道汇合后形成的，便于单独控制两种气体的量和压力。其他实施例中，也可省略CO2通道，在H2通道中直打开入被稀释后的H2（即H2与CO2的混合气体），其他连接关系不变。
实施例二
本实施例提供一种熔融碳酸盐燃料电池进气控制方法，是基于前述熔融碳酸盐燃料电池进气系统实现的。下面基于实施例一所述的结构详细阐述本控制方法，具体包括如下步骤：
S1、电池升温启动：打开压缩空气通道和第一截止阀521，并关闭第二截止阀522，控制氧化气体分两路进入电池，一条通过所述压缩空气通道进入电池阴极，另一条依次通过所述连接支路4、阳极管路2进入电池阳极，调节压缩空气通道上的质量流量计53气体流量至电池运行所需压缩空气量的1.2-1.5倍，调节H2通道上的质量流量计53气体流量至实际运行所需的2-2.5倍，开启阳极管道汇合部分的截止阀52和阴极管道汇合部分的截止阀52，压缩空气持续通入阳极管路2和阴极管路1至电池升温到480℃；
S2、氧化气体吹扫：关闭压缩空气通道和第一截止阀521，调整N2压力至2atm，打开第二吹扫通道32的截止阀52，对H2通道内的残余氧化气体进行吹扫，吹扫时间15-30min，吹扫完毕后关闭第二吹扫通道32的截止阀52；
S3、发电：电池堆温度升高至550℃，开启阳极管路2中CO2通道和H2通道上的压力调节阀50，将压力统一调节至1.5-2atm，开启CO2通道和H2通道 上的截止阀52，将CO2和H2的流量分别调整到电池堆运行所需流量；开启阴极管路1中CO2通道和压缩空气通道上的压力调节阀50，将压力统一调节到1.5-2atm，开启CO2通道和压缩空气管路上的截止阀52，将CO2和压缩空气的流量分别调整到电池堆运行所需流量；阳极管路2和阴极管路1通入气体到650℃后，电池堆接入负载开始发电；
S4、停机：关闭阳极管路2中的CO2通道和H2通道上的截止阀52，关闭阴极管路1中CO2通道和压缩空气通道上的截止阀52，开启第一吹扫通道31和第二吹扫通道32上的截止阀52，调节N2压力到2atm，采用阳极和阴极正常运行时所需气体流量的一半对阳极和阴极进行吹扫和降温，吹扫时间45-60min。
本控制方法在电池启动升温过程中能够实现电池隔膜两侧同时通入氧化气体，在隔膜两侧皆形成氧化环境，利于隔膜中有机成分的氧化分解，提高电池性能；启动后，通过第二吹扫通道32将阳极管路2中的氧化气体吹出，避免其与燃气混合发生危险；停机时，通过吹扫通道对阴极管路1和阳极管路2进行吹扫降温。如此保证电池的安全运行。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种熔融碳酸盐燃料电池进气系统的控制方法，其特征在于，应用于熔融碳酸盐燃料电池进气系统，所述熔融碳酸盐燃料电池进气系统包括：
阳极管路(2)，适于为电池阳极输送燃料气体；所述阳极管路(2)包括：燃料通道(21)，适于输送燃料气体；稀释通道(22)，适于向所述燃料通道(21)中输送气体以稀释燃料气体的浓度；
阴极管路(1)，包括氧化气体通道(11)，所述氧化气体通道(11)适于为电池阴极输送氧化气体；
连接支路(4)，其第一端连通于所述阳极管路(2)，第二端连通于所述氧化气体通道(11)，且所述连接支路(4)上设有第一截止阀(521)；所述连接支路(4)的第一端连通于所述燃料通道(21)；所述燃料通道(21)上设有第二截止阀(522)，所述连接支路(4)的第一端邻设于所述第二截止阀(522)沿气流方向的前侧；
吹扫管路(3)，包括第一吹扫通道(31)和第二吹扫通道(32)，所述第一吹扫通道(31)与所述阴极管路(1)连通，所述第二吹扫通道(32)与所述燃料通道(21)连通且连通于所述第二截止阀(522)沿气流方向的前侧；所述第二吹扫通道(32)连通于所述连接支路(4)第一端沿气流方向的后侧；
所述熔融碳酸盐燃料电池进气系统的控制方法依次包括如下步骤：
S1、电池升温启动：打开所述氧化气体通道(11)，打开所述第一截止阀(521)并关闭所述第二截止阀(522)，控制氧化气体分两路进入电池，一条通过所述氧化气体通道(11)进入电池阴极，另一条依次通过所述连接支路(4)、阳极管路(2)进入电池阳极；
S2、氧化气体吹扫：打开所述第二吹扫通道(32)，关闭所述氧化气体通道(11)和所述第一截止阀(521)，对所述燃料通道(21)内的残余氧化气体进行吹扫；
S3、发电：关闭所述第二吹扫通道(32)，并开启所述阴极管路(1)和阳极管路(2)，进行发电；
S4、停机：停止所述阴极管路(1)和所述阳极管路(2)的气体供应，开启所述第一吹扫通道(31)和第二吹扫通道(32)，分别对所述阴极管路(1)和所述阳极管路(2)进行吹扫、降温。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：
步骤S2中，吹扫时间为15~30min；
步骤S4中，吹扫时间为45~60min。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述阴极管路(1)和阳极管路(2)上皆设有适于隔绝电池的绝缘管(56)。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述熔融碳酸盐燃料电池进气系统还包括：
两个隔热结构(58)，分别连接于电池阳极尾气出口和电池阴极尾气出口；
两个换热器(59)，分别与两个隔热结构(58)连接。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述连接支路(4)和所有通道中皆设有单向阀(54)，位于通道中的单向阀(54)适于引导气体流向电池，位于所述连接支路(4)中的单向阀(54)适于引导气体流向所述阳极管路(2)。
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