CN115036529B - 一种固态氧化物燃料电池热能利用与管理系统及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固态氧化物燃料电池热能利用与管理系统及工作方法，实现热能的充分利用和对电堆运行温度的实时控制。包括固体氧化物燃料电池电堆，固体氧化物燃料电池电堆的燃料进口通过燃料进气管连接燃料存储室，燃料进气管上设有第一电磁阀，固体氧化物燃料电池电堆的阴极进气口通过空气进气管连接压缩空气存储室，空气进气管上设有第七电磁阀，空气进气管上设有加热旁路；燃料进气管、空气进气管之间连接有空气流向控制管，固体氧化物燃料电池电堆的尾气排放口通过排气管连接第四电磁阀、尾气泵、第三电磁阀、外部供暖设备；第三电磁阀、外部供暖设备之间连接有换热连接管，换热连接管上设有第二电磁阀以及相连的第一蓄热式换热器、第二蓄热式换热器，用于对燃料进气管、空气进气管加热。
Description
技术领域
本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，特别是涉及一种固态氧化物燃料电池热能利用与管理系统及工作方法。
背景技术
目前没有对SOFC电堆温度检测以及将温度控制在适宜范围和尾气热量回收的系统。固体氧化物燃料电池电堆产生电的同时，一部分的能量是被尾气以热量的形式带走浪费掉。如果常温燃料气体进入高温电池电堆随之被加热最后进行反应，这势必会吸收许多热能不利于电堆工作温度的维持。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种固态氧化物燃料电池热能利用与管理系统及工作方法，将电堆工作温度维持在有利促进反应进行的范围，并协助外部热源为电堆启动供能，实现热能的充分利用和对电堆运行温度的实时控制。
本发明的目的是这样实现的：
一种固态氧化物燃料电池热能利用与管理系统，包括固体氧化物燃料电池电堆，所述固体氧化物燃料电池电堆的阳极进气口通过燃料进气管连接燃料存储室，所述燃料进气管上设有第一电磁阀，所述固体氧化物燃料电池电堆的阴极进气口通过空气进气管连接压缩空气存储室，所述空气进气管上设有第七电磁阀，所述空气进气管上设有加热旁路，所述加热旁路与第七电磁阀相连，所述加热旁路上设有电加热装置、第六电磁阀；
所述燃料进气管、空气进气管的下游端之间连接有空气流向控制管，所述空气流向控制管上设有第五电磁阀，所述固体氧化物燃料电池电堆的尾气排放口通过排气管依次连接第四电磁阀、尾气泵、第三电磁阀、外部供暖设备；
所述第三电磁阀、尾气泵之间连接有换热连接管，所述换热连接管上设有第二电磁阀以及相连的第一蓄热式换热器、第二蓄热式换热器，所述第一蓄热式换热器用于对燃料进气管加热，所述第二蓄热式换热器用于对空气进气管加热。
一种固态氧化物燃料电池热能利用与管理系统的工作方法，
初始预热时，打开第六电磁阀、第四电磁阀、第三电磁阀、第一电磁阀，电加热装置工作，所述压缩空气室输出压缩空气，压缩空气通过电加热装置被加热到目标温度范围后，进入到电池电堆的阴极，阳极通入由燃料存储室输出的燃料气体氢气，为阳极提供还原氛围并还原阳极材料，后尾气再通过第四电磁阀、第三电磁阀排出，当固体氧化物燃料电池电堆被加热到目标温度范围后，关闭第六电磁阀、第四电磁阀、第三电磁阀、第一电磁阀、电加热装置，至此初始预热过程完成；
正常工作时，打开第一电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀与第七电磁阀，燃料与压缩空气分别通过第一电磁阀与第七电磁阀进入固体氧化物燃料电池电堆，反应产生的尾气通过第四电磁阀、第三电磁阀排出到外部供暖设备；
当固体氧化物燃料电池电堆温度超过工作温度且持续上升时，开启尾气泵，并调节尾气泵功率此时电加热装置关闭，利用常温燃料、压缩空气带走固体氧化物燃料电池电堆热量，起到降温的效果；
当固体氧化物燃料电池电堆温度低于工作温度且持续降低时，关闭第三电磁阀与打开第二电磁阀，让尾气进入到第一蓄热式换热器、第二蓄热式换热器，加热燃料与空气不再输出给外部供暖设备，直至固体氧化物燃料电池电堆温度升至目标温度范围。
优选地，通过PC、PLC对各设备进行控制，使自热、加热与降温成为三个独立不会同时进行的过程，系统的温度形成动态平衡。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
1.本发明是在电堆安置多个温度传感器以及加热装置便于提供初始反应所需要的环境温度要求以及较为准确的监控温度，利用温度信息输入经由PC处理后对PLC做出指令；
2.利用一部分高温尾气将进料气体以及空气加热，减少其吸收电池电堆热能有利于电堆温度的稳定，最大化电堆输出功率，另一部分尾气则可用于外部供暖。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的蓄热式换热器的结构示意图。
附图标记
附图中，1-燃料存储室；2-第一电磁阀；3-第一蓄热式换热器；4-固体氧化物燃料电池电堆；5-第二电磁阀；6-第三电磁阀；7-外部供暖设备；8-尾气泵；9-第四电磁阀；10-第五电磁阀；11-第二蓄热式换热器；12-电加热装置；13-第六电磁阀；14-第七电磁阀；15-压缩空气存储室。
具体实施方式
参见图1，一种固体氧化物燃料电池热能利用与管理系统包括固体氧化物燃料电池电堆4，所述固体氧化物燃料电池电堆4的阳极进气口通过燃料进气管连接燃料存储室1，所述燃料进气管上设有第一电磁阀2，所述固体氧化物燃料电池电堆4的阴极进气口通过空气进气管连接压缩空气存储室15，所述空气进气管上设有第七电磁阀14，所述空气进气管上设有加热旁路，所述加热旁路与第七电磁阀14并连，所述加热旁路上设有电加热装置12、第六电磁阀13；
所述燃料进气管、空气进气管的下游端之间连接有空气流向控制管，所述空气流向控制管上设有第五电磁阀10，所述固体氧化物燃料电池电堆4的尾气排放口通过排气管依次连接第四电磁阀9、尾气泵8、第三电磁阀6、外部供暖设备7；
所述第三电磁阀6、尾气泵8之间连接有换热连接管，所述换热连接管上设有第二电磁阀5以及相连的第一蓄热式换热器3、第二蓄热式换热器11，所述第一蓄热式换热器3用于对燃料进气管加热，所述第二蓄热式换热器11用于对空气进气管加热。
本发明所需要解决的技术问题是高温固体氧化物燃料电池启动供热问题以及正常工况下电池电堆温度的自维持和高温尾气的利用，处理对象是高热量的尾气，利用一部分尾气维持电池电堆高温环境，有利于促进反应的进行；一部分尾气则通过膨胀机做功生电或直接用于其他方面的供热；通过PC控制PLC的方式，动态智能的实现SOFC系统的热平衡；
以PC/PLC为自动化控制核心，实现固体氧化物燃料电池(SOFC)电化学反应中热能回收及热平衡管理的系统，利用该系统将电堆运行温度维持在有利促进反应进行的范围，并协助外部热源为电堆启动供能，实现热能的充分利用和对电堆运行温度的实时控制。直接对PC程序编写控制，PC由接收到的信号处理加工后对PLC进行热循环系统进行控制以及对高质量耗散的热能回收利用；
一种固体氧化物燃料电池热能利用与管理系统的工作方法，
初始预热时，打开第六电磁阀13以及第四电磁阀9、第三电磁阀7、第一电磁阀2与电加热装置12，所述燃料存储室输出的氢气为阳极提供还原氛围与起到还原阳极的作用，初始启动时，压缩空气通过电加热装置12被加热到高温状态(700-800℃)，进入到电堆的阴极，气体可以均匀的加热电堆，减小温度梯度的产生，当电堆内部被加热一段时间后且箱体外部被加热到700-800℃时，也说明电堆也被加热到目标温度；后关闭电加热装置以及第六电磁阀13，至此加热过程完成；
正常工作时，打开第一电磁阀2与第七电磁阀14，燃料与压缩空气分别通过第一电磁阀2与第七电磁阀14进入电堆，由第五电磁阀10的限制空气与燃料无法混合且燃料与空气分别进入阳极与阴极；PC将每分钟的电堆温度记录并分析，当有温度连续上升的趋势以及温度到底800℃后，打开第一电磁阀2与第七电磁阀14，关闭第二电磁阀5，增大尾气泵8功率以及打开第三电磁阀6让尾气全部用于外部供暖设备7，利用常温燃料气体带走系统内部热量的方式起到达降温的效果；
当温度低于工作温度时关闭第三电磁阀6与打开第二电磁阀5让尾气进入到两蓄热式换热器加热燃料气体与空气，缩小入口与出口的温度差，减缓内部环境因加热两种气体而导致温度降低的情况直至电堆内部环境稳定在适宜范围内，加热与降温不会同时执行，系统的温度是动态的平衡。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (3)
1.一种固态氧化物燃料电池热能利用与管理系统的工作方法，其特征在于：
一种固态氧化物燃料电池热能利用与管理系统，包括固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于：所述固体氧化物燃料电池电堆的阳极进气口通过燃料进气管连接燃料存储室，所述燃料进气管上设有第一电磁阀，所述固体氧化物燃料电池电堆的阴极进气口通过空气进气管连接压缩空气存储室，所述空气进气管上设有第七电磁阀，所述空气进气管上设有加热旁路，所述加热旁路与第七电磁阀并连，所述加热旁路上设有电加热装置、第六电磁阀；
所述燃料进气管、空气进气管的下游端之间连接有空气流向控制管，所述空气流向控制管上设有第五电磁阀，所述固体氧化物燃料电池电堆的尾气排放口通过排气管依次连接第四电磁阀、尾气泵、第三电磁阀、外部供暖设备；
所述尾气泵、第三电磁阀之间连接有换热连接管，所述换热连接管上设有第二电磁阀以及第一蓄热式换热器、第二蓄热式换热器，所述第一蓄热式换热器用于对燃料进气管加热，所述第二蓄热式换热器用于对空气进气管加热；
初始预热时，打开第六电磁阀、第四电磁阀、第三电磁阀、第一电磁阀，电加热装置工作，所述压缩空气存储室输出压缩空气，压缩空气通过电加热装置被加热到目标温度范围后，进入到固体氧化物燃料电池电堆的阴极，固体氧化物燃料电池电堆的阳极通入由燃料存储室输出的燃料气体氢气，氢气为阳极提供还原氛围并还原阳极材料，反应产生的尾气再通过第四电磁阀、第三电磁阀排出，当固体氧化物燃料电池电堆被加热到目标温度范围后，关闭第六电磁阀、第四电磁阀、第三电磁阀、第一电磁阀、电加热装置，至此初始预热过程完成；
正常工作时，打开第一电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀与第七电磁阀，燃料与压缩空气分别通过第一电磁阀与第七电磁阀进入固体氧化物燃料电池电堆，反应产生的尾气通过第四电磁阀、第三电磁阀排出到外部供暖设备；
当固体氧化物燃料电池电堆温度超过工作温度且持续上升时，开启尾气泵，并调节尾气泵功率，利用常温燃料、压缩空气带走固体氧化物燃料电池电堆热量，起到降温的效果；
当固体氧化物燃料电池电堆温度低于工作温度且持续降低时，关闭第三电磁阀与打开第二电磁阀，让尾气进入到第一蓄热式换热器、第二蓄热式换热器，加热燃料与空气不再输出给外部供暖设备，直至固体氧化物燃料电池电堆温度升至目标温度范围。
2.根据权利要求1所述的一种固态氧化物燃料电池热能利用与管理系统的工作方法，其特征在于：所述第一蓄热式换热器、第二蓄热式换热器用于尾气热量回收，所述第一蓄热式换热器、第二蓄热式换热器能够减少额外电加热的消耗，充分利用热能，起到节能的作用。
3.根据权利要求1所述的一种固态氧化物燃料电池热能利用与管理系统的工作方法，其特征在于：通过PC、PLC对各设备进行控制，使初始预热、加热与降温成为三个独立不会同时执行的过程。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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