CN114142071B - 一种多堆固体氧化物燃料电池的热电联供运行方法及系统 - Google Patents

一种多堆固体氧化物燃料电池的热电联供运行方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于固体氧化物燃料电池的热电联供领域，并具体公开了一种多堆固体氧化物燃料电池的热电联供运行方法；该热电联供运行方法通过将k堆固体氧化物燃料电池运行的功率‑效率曲线叠加(k＝1…n)，取k堆与k+1堆运行的功率‑效率曲线的交点以上部分，得到系统功率‑效率曲线，在该曲线上的每一个点均为系统在该输出功率下的最高效率，然后依据该功率‑效率曲线运行系统；对比该运行方法与传统逐级启动方法的功率‑效率曲线，证明该方法能够提高多堆固体氧化物燃料电池的热电联供系统的电效率。本发明还公开了一种多堆固体氧化物燃料电池的热电联供运行系统，该系统采用多个固体氧化物燃料电池电堆，相比于传统单堆系统，系统稳定性得到提升。

Description

一种多堆固体氧化物燃料电池的热电联供运行方法及系统
技术领域
本发明属于固体氧化物燃料电池的热电联供领域，更具体地，涉及一种多堆固体氧化物燃料电池的热电联供运行方法及系统。
背景技术
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、清洁地转化成电能的全固态化学发电装置。由于固体氧化物燃料电池发电的排气温度高，其非常适用于热电联供；固体氧化物燃料电池的热电联供不但具有较高的发电效率，同时也具有低污染的环境效益。
固体氧化物燃料电池单堆运行时，随着功率的增大，其产热随之增加，容易出现局部热应力过大，损坏电池；且单堆电池出现故障会导致系统崩溃，稳定性较低。采用多堆运行能够降低每个单堆负荷，因此能够解决局部热应力的问题，提升系统稳定性。采用多堆运行时，为使系统达到所需电功率，现有技术中通常采用如图10中的逐级启动的运行方式，以使系统电功率逐步增加，直至达到所需电功率。然而，在实际应用中发现，该种运行方式存在电效率低的缺点。另外，现有技术中的多堆固体氧化物燃料电池通常采用串联的方式，仍然存在单堆电池故障即导致系统失效的问题，系统稳定性低。
基于此，本领域亟需一种多堆固体氧化物燃料电池的热电联供运行方法及系统，以解决多堆逐级启动运行方式电效率低的问题，同时解决单堆运行和多堆串联运行稳定性低的问题，提供一种效率高且稳定的多堆固体氧化物燃料电池的热电联供运行方法及系统。
发明内容
针对现有技术的上述缺点和/或改进需求，本发明提供了一种多堆固体氧化物燃料电池的热电联供运行方法及系统，以解决多堆固体氧化物燃料电池的现有运行方式电效率低的问题，同时解决单堆运行局部热应力过大、单堆运行和多堆串联运行稳定性低的问题，提供一种多堆固体氧化物燃料电池的热电联供运行方法及系统，以提高系统的电效率及稳定性。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多堆固体氧化物燃料电池的热电联供运行方法，其包括以下步骤：
S1，计算k堆固体氧化物燃料电池运行的电堆输出电功率和辅助系统电功率损失；
S2，依据电堆输出电功率和辅助系统电功率损失计算k堆运行效率并得到k堆固体氧化物燃料电池运行的功率-效率曲线；
S3，依据k堆运行功率-效率曲线获取系统功率-效率曲线；
S4，依据系统功率-效率曲线确定系统所需单堆固体氧化物燃料电池的数量；
S5，依据步骤S4中所确定的系统所需单堆固体氧化物燃料电池数量计算每个单堆固体氧化物燃料电池的电功率分配；
S6，依据步骤S4中的数量以及步骤S5中的电功率运行系统；
在上述步骤中，k＝1,2,…n；n为该热电联供运行系统中单堆固体氧化物燃料电池的最大数量。
作为进一步优选的，通过k堆固体氧化物燃料电池运行的各功率-效率曲线的叠加以获取系统功率-效率曲线；其方法为：依次取k堆与k+1堆固体氧化物燃料电池的功率-效率曲线的交点以上部分，以得到系统功率-效率曲线，其中k≤(n-1)；该方法所获取的系统功率-效率曲线在每个点处均为系统在该电功率下的效率最大值，确保了系统功率-效率曲线的准确性。
作为进一步优选的，辅助系统功率损失近似计算为系统中压缩机消耗功率，使计算简化；对于燃料电池辅助系统，压缩机占据了90％以上的寄生电功率，因此能够通过压缩机的电功率消耗近似计算辅助系统中功率损失。
作为进一步优选的，在步骤S6中，通过调节多堆固体氧化物燃料电池阴极和阳极反应物的流量，以使每个单堆固体氧化物燃料电池达到步骤S5中的电功率。
按照本发明的另一方面，本发明提出了一种多堆固体氧化物燃料电池的热电联供运行系统，其包括多堆固体氧化物燃料电池、阳极反应物供应子系统、阴极反应物供应子系统、供电子系统、尾气处理子系统以及余热利用子系统；其中，
多堆固体氧化物燃料电池为多个单堆固体氧化物燃料电池并联；阳极反应物供应子系统与多堆固体氧化物燃料电池的阳极相连；阴极反应物供应子系统与多堆固体氧化物燃料电池的阴极相连；供电子系统与多堆固体氧化物燃料电池的电极相连；尾气处理子系统与多堆固体氧化物燃料电池的反应物出口相连；余热利用子系统与尾气处理子系统相连。
作为进一步优选的，供电子系统包括一根直流母线，每个单堆固体氧化物燃料电池分别与直流母线连接，以实现供电子系统与多堆固体氧化物燃料电池的连接，连接方式简单。
作为进一步优选的，每个单堆固体氧化物燃料电池与直流母线之间连接一个直流变压器，便于调节。
作为进一步优选的，每个单堆固体氧化物燃料电池的阳极通过管路相连，再通过母管与阳极反应物供应子系统相连，以实现阳极反应物供应子系统与多堆固体氧化物燃料电池的连接。
作为进一步优选的，每个单堆固体氧化物燃料电池的阴极通过管路相连，再通过母管与阴极反应物供应子系统相连，以实现阴极反应物供应子系统与多堆固体氧化物燃料电池的连接。
作为进一步优选的，每个单堆固体氧化物燃料电池的反应物出口通过管路相连，再通过母管与尾气处理子系统相连，以实现尾气处理子系统与多堆固体氧化物燃料电池的连接。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.通过优化多堆固体氧化物燃料电池的启动和运行方法，实现了系统效率的提高；通过使多堆固体氧化物燃料电池并联运行，避免了单堆运行局部热应力过大的问题，同时避免了单堆和多堆串联运行稳定性差的问题，提高了系统的安全性和稳定性。
2.作为上述方案的一个改进，通过对数量依次递加的电堆各效率-功率曲线进行叠加，获取系统效率-功率曲线，使系统效率-功率曲线在每个点处均为效率最大值，确保了系统效率-功率曲线的准确性及系统效率的优化。
3.作为上述方案的进一步改进，辅助系统功率损失近似计算为系统中压缩机消耗功率，使计算简化。
4.作为上述方案的又一个改进，通过直流母线实现多堆固体氧化物燃料电池供电侧的并联，并设置了直流变压器，连接方式简单且便于调节。
附图说明
图1是本发明实施例的多堆固体氧化物燃料电池热电联供的系统图；
图2是本发明实施例的多堆固体氧化物燃料电池与直流母线的连接示意图；
图3是本发明实施例的运行方法的流程图；
图4是本发明实施例一个电堆运行的功率-效率曲线；
图5是本发明实施例两个电堆运行的功率-效率曲线；
图6是本发明实施例三个电堆运行的功率-效率曲线；
图7是本发明实施例五个电堆运行的功率-效率曲线；
图8是本发明实施例七个电堆运行的功率-效率曲线；
图9是本发明实施例的运行方法的系统功率-效率曲线；
图10是多堆固体氧化物燃料电池逐级启动的流程图；
图11是多堆固体氧化物燃料电池逐级启动的系统功率-效率曲线。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：多堆固体氧化物燃料电池1，阳极反应物供应子系统2，阴极反应物供应子系统3，供电子系统4，尾气处理子系统5，余热利用子系统6，单堆固体氧化物燃料电池11，直流母线41，直流变压器42。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1中所示，本发明实施例提供的多堆固体氧化物燃料电池的热电联供运行系统包括多堆固体氧化物燃料电池1、阳极反应物供应子系统2、阴极反应物供应子系统3、供电子系统4、尾气处理子系统5以及余热利用子系统6；其中，多堆固体氧化物燃料电池1为多个单堆固体氧化物燃料电池11并联；阳极反应物供应子系统2与多堆固体氧化物燃料电池1的阳极相连；阴极反应物供应子系统3与多堆固体氧化物燃料电池1的阴极相连；供电子系统4与多堆固体氧化物燃料电池1的电极相连；尾气处理子系统5与多堆固体氧化物燃料电池1的反应物出口相连；余热利用子系统6与尾气处理子系统5相连。
通过上述各个部件/子系统的相互配合，可实现多堆固体氧化物燃料电池的热电联供，同时使多个单堆固体氧化物燃料电池11并联，具有安全性好，系统稳定性高的优势。
下面将对各个部件/子系统逐一进行更为具体的说明。
如图2中所示，在本实施例中，供电子系统4包括一根直流母线41，每个单堆固体氧化物燃料电池11分别与直流母线41连接，以实现供电子系统4与多堆固体氧化物燃料电池1的连接；如图2中所示，每个单堆固体氧化物燃料电池11与直流母线41之间连接一个直流变压器42，便于调节。
如图1中所示，在本实施例中，阳极反应物供应子系统2包括依次相连的蒸发器、第一压缩机、第一换热器以及重整器；每个单堆固体氧化物燃料电池11的阳极通过管路相连，再通过母管与阳极反应物供应子系统2中的重整器相连，以实现阳极反应物供应子系统2与多堆固体氧化物燃料电池1的连接。
如图1中所示，在本实施例中，阴极反应物供应子系统3包括第二压缩机和第二换热器；每个单堆固体氧化物燃料电池11的阴极通过管路相连，再通过母管与阴极反应物供应子系统3的第二换热器相连，以实现阴极反应物供应子系统3与多堆固体氧化物燃料电池1的连接。
如图1中所示，在本实施例中，尾气处理子系统5包括燃烧室，每个单堆固体氧化物燃料电池11的反应物出口通过管路相连，再通过母管与燃烧室相连，以实现尾气处理子系统5与多堆固体氧化物燃料电池1的连接。
以上例子用于对本发明进行示例性说明，不构成对本发明保护范围的限制。
下面将对本发明的多堆固体氧化物燃料电池的热电联供运行方法予以说明。
如图3中所示，本发明的多堆固体氧化物燃料电池的热电联供运行方法包括以下步骤：
S1，计算k堆固体氧化物燃料电池运行的电堆输出电功率和辅助系统电功率损失；
S2，依据电堆输出电功率和辅助系统电功率损失计算k堆运行效率并得到k堆固体氧化物燃料电池运行的功率-效率曲线；
S3，依据k堆运行功率-效率曲线获取系统功率-效率曲线；
S4，依据系统功率-效率曲线确定系统所需单堆固体氧化物燃料电池11的数量；
S5，依据步骤S4中所确定的系统所需单堆固体氧化物燃料电池数量计算每个单堆固体氧化物燃料电池11的电功率分配；
S6，依据步骤S4中的数量以及步骤S5中的电功率运行系统；
在上述步骤中，k＝1,2,…n；n为该热电联供运行系统中单堆固体氧化物燃料电池11的最大数量。
下面对各个步骤进行详细说明。
在步骤S1中，通过固体氧化物燃料电池电堆平衡电压、活化过电位、浓度过电位以及欧姆过电位计算固体氧化物燃料电池的电堆输出电压，以实现固体氧化物燃料电池的电堆输出电功率计算；
在步骤S1中，辅助系统功率损失近似计算为系统中压缩机消耗功率，使计算简化；在本实施例中，阳极反应物供应子系统2和阴极反应物子系统中均包含压缩机，对于固体氧化物燃料电池辅助系统，压缩机占据了90％以上的寄生电功率，因此能够通过压缩机的电功率消耗近似计算辅助系统中功率损失。
在步骤S2中，通过在步骤S1中计算的k堆固体氧化物燃料电池运行的电堆输出电功率和辅助系统电功率损失，以分别得到k堆固体氧化物燃料电池的电效率，其计算公式为：
其中，ηE为电效率，Pout,k为k堆固体氧化物燃料电池运行的电堆输出电功率，Paux为辅助系统电功率损失；
可以理解，Pout,k-Paux即为k堆固体氧化物燃料电池运行的系统输出电功率；以Pout,k-Paux为横轴，以ηE为纵轴，得到k堆固体氧化物燃料电池运行的功率-效率曲线；如图4-图8中所示，图中分别为本实施例中k＝1,2,3,5,7时固体氧化物燃料电池运行的功率-效率曲线，其中本实施例的热电联供运行系统中的单堆固体氧化物燃料电池11的最大电堆数量n＝7。
在步骤S3中，通过k(k＝1,2,…n)堆固体氧化物燃料电池运行的各功率-效率曲线的叠加以获取系统的功率-效率曲线，其方法为：在叠加后的曲线上，依次取k堆与k+1堆固体氧化物燃料电池运行的功率-效率曲线的交点以上部分，得到系统功率-效率曲线，其中k≤(n-1)；该方法所获取的系统功率-效率曲线在每个点处均为该多堆固体氧化物燃料电池1系统效率最大值，确保了系统功率-效率曲线的准确性；在本实施例中，将k＝1,2…7的固体氧化物燃料电池的各功率-效率曲线叠加，即得到图9中所示的系统功率-效率曲线。
在步骤S4中,依据系统功率-效率曲线，在横轴取系统所需的电功率值，其在纵轴上的对应值即为该电功率下的系统最大电效率，其在系统功率-效率曲线上所对应点的k值，即为系统中所需单堆固体氧化物燃料电池11的数量。
在步骤S5中，系统所需的电功率值除以系统中所需单堆固体氧化物燃料电池11的数量，即可得到单堆固体氧化物燃料电池11的电功率分配。
在步骤S6中，通过调节多堆固体氧化物燃料电池1阴极和阳极反应物的流量，以使每个单堆固体氧化物燃料电池达到步骤S5中的电功率。
在传统方法中，多堆固体氧化物燃料电池1采用逐级启动策略，如图10中所示，其包括以下步骤：
S1’，启动第k个电堆，k＝1；
S2’，判断系统实际输出功率是否大于或等于系统额定输出功率，若是则执行步骤S5’，若否则执行步骤S3’；
S3’，启动第k+1个电堆，k＝1，2…，(n-1)；
S4’，判断系统实际输出功率是否大于或等于系统额定输出功率，若是则执行步骤S5’，若否则执行步骤S3’；
S5’，运行已启动的电堆。
在本实施例中，依据图10中所示的逐级启动策略，所得到的系统功率-效率曲线如图11中所示。
对比图9及图11中的功率-效率曲线，可以看出，在同样的电功率(横轴坐标)下，图9中的效率值(纵轴坐标)高于图11中的效率值(纵轴坐标)。
综上，按照本发明的多堆固体氧化物燃料电池的热电联供运行方法能够实现对系统电效率的提高，且按照本发明的多堆固体氧化物燃料电池的热电联供运行系统具有稳定性高的优点，因而该方法和系统尤其适用于多堆固体氧化物燃料电池在热电联供场合的应用。
本领域的技术人员容易理解，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 (2)

1.一种多堆固体氧化物燃料电池的热电联供运行系统的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，计算k堆固体氧化物燃料电池运行的电堆输出电功率和辅助系统电功率损失；
S2，依据所述电堆输出电功率和所述辅助系统电功率损失计算k堆运行效率并得到k堆运行功率-效率曲线；
S3，通过所述k堆运行功率-效率曲线的叠加以获取系统功率-效率曲线，其方法为：依次取k堆与k+1堆运行的功率-效率曲线的交点以上部分，以得到所述系统功率-效率曲线，其中k≤（n-1）；
S4，依据所述系统功率-效率曲线确定系统所需单堆固体氧化物燃料电池数量；
S5，依据步骤S4中所述数量计算每个所述单堆固体氧化物燃料电池的电功率分配；
S6，依据步骤S4中所述数量以及步骤S5中所述电功率分配，通过调节所述多堆固体氧化物燃料电池阴极和阳极反应物的流量，以使每个单堆固体氧化物燃料电池达到步骤S5中所述电功率；
在上述步骤中，k=2,3,…n，n为该热电联供运行系统中所述单堆固体氧化物燃料电池的最大数量，
所述热电联供运行系统包括多堆固体氧化物燃料电池、阳极反应物供应子系统、阴极反应物供应子系统、供电子系统、尾气处理子系统以及余热利用子系统，其中，多堆固体氧化物燃料电池为多个单堆固体氧化物燃料电池并联，阳极反应物供应子系统与多堆固体氧化物燃料电池的阳极相连，阴极反应物供应子系统与多堆固体氧化物燃料电池的阴极相连，供电子系统与多堆固体氧化物燃料电池的电极相连，尾气处理子系统与多堆固体氧化物燃料电池的反应物出口相连，余热利用子系统与尾气处理子系统相连。
2.如权利要求1所述的运行方法，其特征在于，所述辅助系统电功率损失近似计算为系统中压缩机所消耗电功率。
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