CN116314960A - 固体氧化物燃料电池系统热管理部件测试装置与试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明指固体氧化物燃料电池系统热管理部件的测试装置与试验方法。测试装置包括供气模块、电堆模块、燃烧模块、热管模块、监测模块和控制模块，供气模块、电堆模块与燃烧模块依次连接，供气模块用于调控燃料与空气的流量；电堆模块用于模拟实际电堆阴阳极出口气体组成与温度；燃烧模块用于对电堆模块出口气体进行燃烧；热管模块配置为通过燃烧模块出口烟气与进口燃料和空气进行热交换而调节电堆模块的温度分布和热量回收；监测模块用于检测热管模块进出端口及内部的温度与压力；控制模块依据监测模块反馈信号判定热管理部件的换热性能、压损性能及升温性能。具有测试工况及环境与真实系统逼近；脱离电堆风险小；能量高效利用、节能环保的特点。

Description

固体氧化物燃料电池系统热管理部件测试装置与试验方法

技术领域

本发明属于固体氧化物燃料电池发电系统技术领域，尤指一种固体氧化物燃料电池系统热管理部件的测试装置与试验方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)发电系统的热管理部件承担了整个SOFC发电模块的热平衡，需保证电堆输入物料的温度、组分在一定范围，以确保其稳定、可靠、高效发电。

SOFC热管理部件主要有重整器、燃烧器、换热器(燃气换热器、水蒸汽发生器、水蒸汽过热器、空气预热器、余热回收器)、启动水蒸汽电发生器等。重整器对燃料进行预处理，利用系统余热提高燃料热值，控制电堆入口燃料组成和内部自重整率，进而满足电堆热平衡需求，全工况重整率是否满足要求对系统效率和电堆鲁棒性具有重要影响。燃烧器通过燃烧方式释放电堆出口阳极气中残余化学能，并通过换热器实现能量传递和高效利用，燃烧过程强非线性，全工况运行参数范围又非常宽，其可靠、高效对系统鲁棒性、寿命以及排放有重要影响。换热器应兼顾紧凑性、压损以及材料和结构在高温运行下的可靠性，是决定热管理系统效能及寿命的关键。

通常来说，SOFC电池堆会在系统联调前进行完备的性能测试，测试方法类似参照标准NB/T 10821-2021《固体氧化物燃料电池电池堆测试方法》。鉴于SOFC发电系统热管理部件对系统的重要作用，且又因其定制化程度高、技术难度大，有必要在联调电堆前进行性能验证，确保电堆和系统调试的运行安全。

一种固体氧化物燃料电池系统热部件测试装置和方法(CN

113540525)，介绍了燃烧器和换热器的测试装置和方法，其中燃烧器入口气体采用电加热升温；一种固体氧化物燃料电池系统的重整器测试装置与方法(CN 113607841)，开展不同入口条件时的重整性能；一种固体氧化物燃料电池电堆、BOP部件及系统热区的-电学联合测试装置(CN 112968196)提供了一种能灵活扩展的SOFC电堆及BOP系统热-电联合测试平台，测试系统采用真堆，空气预热模块优选电加热等方式。上述专利均针对SOFC热管理部件进行全部或部分测试，对测试系统能耗和全工况性能测试方法的关注较少。

大功率SOFC系统，其热管理部件研制要求也相应提高，有必要进行开发一种热管理部件的性能测试系统和方法，进行全工况、高保真、低成本测试。

发明内容

在一方面，本发明提供一种固体氧化物燃料电池系统热管理部件的测试装置，具有测试工况及环境与真实系统逼近；脱离电堆、风险小；能量高效利用、节能环保的特点。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种固体氧化物燃料电池系统热管理部件的测试装置，包括：供气模块、电堆模块、燃烧模块、热管模块、监测模块和控制模块，

所述供气模块、电堆模块与燃烧模块依次连接，所述供气模块用于调控燃料与空气的流量；所述电堆模块用于模拟实际电堆阴阳极出口气体的组成与温度；所述燃烧模块用于对电堆模块的出口气体进行燃烧；

所述热管模块被配置为通过燃烧模块的出口烟气与进口的燃料和空气进行热交换而调节电堆模块的温度分布和热量回收；所述监测模块用于实时检测热管模块进出端口及内部的温度与压力；所述控制模块依据监测模块反馈的温度与压力信号判定热管理部件的换热性能、压损性能及升温性能。

一些技术方案中，所述电堆模块包括电堆阳极模拟装置与电堆阴极模拟装置，

所述电堆阳极模拟装置具有物料模拟部分和温度模拟部分，所述物料模拟部分模拟电堆阳极内化学反应，产生与实际电堆阳极出口成分相同的气体；所述温度模拟部分通过调节进行热交换的冷却水流量控制电堆出口气体温度，达到与实际电堆阳极出口气体温度相同；

所述电堆阴极模拟装置模拟电堆内升温，通过电加热方式为发电工况提供一定的热量补充，达到与实际电堆阴极出口气体温度相同。

一些技术方案中，所述供气模块包括燃料气混合装置和阴极气混合装置；

所述热管模块包括阳极气预热器、阴极气预热器及尾气冷却器；

所述燃烧模块包括燃烧器；

所述燃料气混合装置、阳极气预热器、电堆阳极模拟装置和燃烧器依序通过管路连接；所述阴极气混合装置、阴极气预热器、电堆阴极模拟装置及燃烧器依序通过管路连接；所述燃烧器的出口烟气经阳极气预热器、阴极气预热器和尾气冷却器回收余热。

一些技术方案中，所述热管模块还包括重整器、水蒸气过热器和水蒸发器；

所述重整器串接至所述燃料气混合装置与阳极气预热器之间，所述重整器与燃料气混合装置之间的连接管路上设有燃料气-水蒸气混合装置，所述燃料气-水蒸气混合装置的水蒸气进口端沿气体发生方向依次设有去离子水箱、水蒸发器及水蒸气过热器；所述燃烧器的出口烟气经阳极气预热器、水蒸气过热器、阴极气预热器、水蒸发器和尾气冷却器回收余热。

一些技术方案中，所述阳极气预热器、水蒸气过热器、阴极气预热器、水蒸发器和尾气冷却器均为换热器，各所述换热器的冷侧进出口均装设有温度和压力传感器，用以测试换热器的换热和压损性能；和/或，

所述重整器的进出口和内部均装设有温度和压力传感器，用以监测重整器的状态、压损性能；和/或，

所述燃烧器的进出口端均布置有温度传感器，用于测试燃烧器升温性能；所述燃烧器的阳极气进口-燃烧器出口和阴极气进口-燃烧器出口间均布置有微压差传感器，用于测试燃烧器压损性能。

一些技术方案中，所述重整器的出口管路上布置重整气采样路，重整气采样路上布置手动球阀，打开时采样重整器出口气体，装袋后送检或自行检测成分，用于测试重整器的重整率性能；和/或，

所述尾气冷却器的出口管路上布置尾气采样路，尾气采样路上布置球阀，打开时采样燃烧器出口烟气，装袋后送检或自行检测成分，用于测试燃烧器的燃烧充分性和排放性能。

一些技术方案中，所述供气模块还包括分别与燃料气混合装置和阴极气混合装置连通的多条配气支路，任一所述配气支路均包含气体流动方向上顺次布设的气瓶、减压阀、压力传感器、气体质量流量控制器3及电磁阀。

一些技术方案中，所述供气模块还包括与电堆阳极模拟装置的进气口连接的氧气供应管路，所述氧气供应管路上沿气体流动方向顺次布设的氧气瓶、氧气减压阀、氧气压力传感器、氧气气体质量流量控制器及氧气电磁阀；

所述的与阴极气混合装置连通的配气支路包括氮气供应管路和空气供应管路，所述氮气供应管路具有连通至燃料气混合装置的氮气支管路，用于吹扫系统，所述空气供应管路上设有风机和空气流量计；以及

参与测试的热管理部件为重整器、阳极气预热器、燃烧器、水蒸气过热器、阴极气预热器、水蒸发器及尾气冷却器中的一种或多种，当热管理部件测试包含重整器时，燃料气混合装置中仅通入CH₄。

另一方面，本发明提供一种固体氧化物燃料电池系统热管理部件的测试装置的试验方法，具有测试工况和环境与真实系统逼近，热管理部件可进行联合测试，测试风险小，测试工况完整，节能环保的优点，可较好保证固体氧化物燃料电池系统热管理部件性能在联调电堆前得到全方面验证。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种固体氧化物燃料电池系统热管理部件的测试装置的试验方法，包括对所述测试装置进行冷态点火工况测试、低应力升温工况测试、通水工况测试、重整工况测试、稳定运行工况测试、老化运行工况测及紧急情况熄火再点火测试。

一些技术方案中，所述冷态点火工况测试用于确定燃烧器冷态下成功点火的最大燃料流量和最小燃料流量；

所述低应力升温工况测试用于确定燃烧器冷态成功点火后实现低应力升温的燃料最小流量，并记录热管理部件启动升温过程的温升曲线，用于判定热管理部件温升的时滞特性；

所述通水工况测试用于确定在进入通水蒸气即将进行预重整阶段，系统能够承受的最大初始通水流量和最大通水流量；

所述重整工况测试用于确定重整器在通水到稳定运行工况阶段的性能，同时测试燃烧器在重整阶段因组分发生变化导致的燃烧稳定状况；

所述稳定运行工况测试用于全方面测试稳定运行工况时热管理部件的性能；

所述老化运行工况测试用于全方面测试老化运行工况时热管理部件的性能，老化运行工况定义为发电系统电池堆处于老化末期状态的工况，老化末期状态时电池堆性能已下降到可忍受极限；

所述紧急情况熄火再点火测试用于测试熄火再点火性能，以应对突发情况造成的燃烧器熄火后考量的再点火能力。

本发明采用以上技术方案至少具有如下的有益效果：

1.测试工况和环境与真实系统逼近，所有热管理部件的进出口参数包括组成和温度与真实系统一致；

2.待测试的热管理部件可进行联合测试，固体氧化物燃料电池系统内各热管理部件具有时滞差异大、耦合响应复杂的特点，相比单个热管理部件的性能测试，联合测试的实效性要高得多；

3.测试风险可控，在保证测试工况和环境与真实系统逼近的同时，脱开电堆，用电堆阳极模拟装置和电堆阴极模拟装置代替，避免热管理部件性能偏差导致的电堆损坏；

4.测试工况覆盖完整，可较全面的获得全工况的测试数据；此外，还关注了通水工况时的水蒸气冲击、紧急情况熄火再点火时热管理部件的性能，这些性能关系真实系统性能，测试数据为系统控制策略制定提供依据；

5.节能环保，由于测试工况和环境与真实系统逼近，充分回收燃烧器出口烟气余热。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图及其标记作简单的介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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它的附图。

图1为本发明实施例所述的一种固体氧化物燃料电池系统热管理部件的测试装置的结构示意图。

图中标注符号的含义如下：

1.气瓶减压阀，3.气体质量流量控制器，4.电磁阀，5.燃料气混合装置，6.燃料气-水蒸气混合装置，8.重整器，9.重整气采样口，11.阳极气预热器，12.微压差传感器，13.燃烧器，14.电堆阳极模拟装置，15.电堆阴极模拟装置，16.冷却水入口，17.冷却水出口，18.过热水蒸气出口，19.水蒸气过热器，20.尾气采样口，21.阴极气预热器，22.水蒸发器，23.尾气冷却器，24.尾气出口，25.启动水电蒸发器，26.阴极气混合装置，27.电动三通阀，28.水计量泵，29.空气流量计，30.变频风机，31.去离子水箱。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

需要说明的是，本文中的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多级、多层”的含义是至少两级/层，例如两级/层、三级/层等；以及术语“及/或”为包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

请参阅图1，示出了一种固体氧化物燃料电池系统热管理部件的测试装置，包括：供气模块、电堆模块、燃烧模块、热管模块、监测模块和控制模块。供气模块、电堆模块与燃烧模块依次连接，供气模块用于调控燃料与空气的流量；电堆模块用于模拟实际电堆阴阳极出口气体的组成与温度；燃烧模块用于对电堆模块的出口气体进行燃烧；热管模块被配置为通过燃烧模块的出口烟气与进口的燃料和空气进行热交换而调节电堆模块的温度分布和热量回收；监测模块用于实时检测热管模块进出端口及内部的温度与压力；控制模块依据监测模块反馈的温度与压力信号判定热管理部件的换热性能、压损性能及升温性能。

供气模块包括燃料气混合装置5、阴极气混合装置26及分别与之相连的多条配气支路，任一配气支路均包含气体流动方向上顺次布设的气瓶、气瓶减压阀1、压力传感器、气体质量流量控制器3及电磁阀4。

在一具体实施方式中，配气支路包含与燃料气混合装置5连接的CO₂供应管路、CO供应管路、H₂供应管路、CH₄供应管路和N₂供应管路；与阴极气混合装置26连接的N₂供应管路与空气供应管路；及与电堆模块阳极连接的O₂供应管路。其中，N₂气瓶与气瓶减压阀1、压力传感器通过管路和接头连接，压力传感器后接三通接头，一端通过管路和接头连质量流量控制器、电磁阀4，进入阴极气混合装置26，另一端通过管路和接头连电磁阀4，进入燃料气混合装置5，用于吹扫系统；空气供应管路上依次设置变频风机30与空气流量计29；进入阴极气混合装置26内的空气和氮气量可分别控制，模拟发电工况时电堆阴极出口的阴极气流量和成分。

需要说明的是，本申请所涉的CO₂、CO、H₂、CH₄燃料气配气种类可适当改变，根据系统使用燃料而定，由于脱开电堆，固体氧化物燃料电池系统的热管理部件测试系统对燃料的适应性较强。

电堆模块包括电堆阳极模拟装置14与电堆阴极模拟装置15，电堆阳极模拟装置14具有物料模拟部分和温度模拟部分，物料模拟部分模拟电堆阳极内化学反应，产生与实际电堆阳极出口成分相同的气体；温度模拟部分进口连冷却水入口管路，冷却水入口管路设置冷却水入口16，出口连冷却水出口管路，冷却水出口管路设置冷却水出口17，通过调节冷却水流量控制电堆出口气体温度，达到与实际电堆阳极出口气体温度相同；电堆阴极模拟装置15模拟电堆内升温，通过电加热方式为发电工况提供一定的热量补充，达到与实际电堆阴极出口气体温度相同。

燃烧模块包括燃烧器13，燃烧器13在其两个进口和一个出口布置温度传感器，测试燃烧器13升温性能；在燃烧器阳极气进口-燃烧器出口和燃烧器阴极气进口-燃烧器出口布置微压差传感器12，测试燃烧器13压损性能；优选的，在燃烧器出口应布置多个温度传感器，温度传感器可采用等环面法布置3-6个；优选的，在燃烧器火焰肩部和火焰筒侧壁布置温度传感器，用于监测燃烧器13火焰状态和结构表面温度状态。所述的待测试的固体氧化物燃料电池系统热管理部件中的燃烧器13，包含点火装置，不限于火花点火、电热塞等形式。

热管模块包括阳极气预热器11、阴极气预热器21及尾气冷却器23，燃料气混合装置5、阳极气预热器11、电堆阳极模拟装置14和燃烧器13依序通过管路连接；阴极气混合装置26、阴极气预热器21、电堆阴极模拟装置15及燃烧器13依序通过管路连接；燃烧器13的出口烟气经阳极气预热器11、阴极气预热器21和尾气冷却器23回收余热。

在一具体实施方式中，热管模块还包括重整器8、水蒸气过热器19和水蒸发器22，重整器8串接至燃料气混合装置5与阳极气预热器11之间，重整器8与燃料气混合装置5之间的连接管路上设有燃料气-水蒸气混合装置6，燃料气-水蒸气混合装置6的水蒸气进口端连接水蒸气供应管路，水蒸气供应管路依次设置去离子水箱31、水计量泵28、压力传感器、电动三通阀27、水蒸发器22及水蒸气过热器19，在电动三通阀27与水蒸气过热器19进口端并联设置启动水电蒸发器25。

去离子水经电动三通阀27后不论进启动水电蒸发器25还是水蒸发器22后，出口均与水蒸气过热器19冷侧进口相连，水蒸气过热器19冷侧出口也即过热水蒸气出口18与燃料气-水蒸气混合装置6相连。

阳极气预热器11为气气换热器，冷侧进口连重整器8出口管路，冷侧出口连电堆阳极模拟装置14进口管路，热侧进口连燃烧器出口管路，热侧出口连水蒸气过热器19热侧进口管路；阴极气预热器21为气气换热器，冷测进口连阴极气混合装置26出口管路，冷测出口连电堆阴极模拟装置15进口管路，热侧进口连水蒸气过热器19热侧出口管路，热侧出口连水蒸发器22热侧进口管路；水蒸发器22热侧出口连尾气冷却器23热侧进口管路，尾气冷却器23出口管路设置尾气出口24。燃烧器13的出口烟气流经阳极气预热器11、水蒸气过热器19、阴极气预热器21、水蒸发器22与尾气冷却器23，流经各换热器可以采用串联方式，也可以采用并联或部分并联方式，次序也可以根据系统流程设计进行修正。

在一优选实施方式中，阳极气预热器11、水蒸气过热器19、阴极气预热器21、水蒸发器22和尾气冷却器23均为换热器。换热器结构可以是分体式，也可以是一体式。

监测模块包括在各换热器的冷测进出口布置的用以测试换热器的换热和压损性能的温度和压力传感器；在重整器8的进出口和内部装设的用以监测重整器8的状态与压损性能的温度和压力传感器；在燃烧器13的进出口端布置的用于测试燃烧器13升温性能的温度传感器；在燃烧器的阳极气进口-燃烧器出口和阴极气进口-燃烧器出口间布置的用于测试燃烧器压损性能的微压差传感器12；在重整器8的出口管路上布置的重整气采样路，重整气采样路上布置手动球阀，打开时通过重整器采样口9采集重整器8出口气体，装袋后送检或自行检测成分，用于测试重整器8的重整率性能；在尾气冷却器23的出口管路上布置的尾气采样路，尾气采样路上布置手动球阀，打开时通过尾气采样口20采集燃烧器出口烟气，装袋后送检或自行检测成分，用于测试燃烧器13的燃烧充分性和排放性能。

本案中的重整器8、阳极气预热器11、燃烧器13、水蒸气过热器19、阴极气预热器21、水蒸发器22与尾气冷却器23可部分或全部作为待测试的固体氧化物燃料电池系统热管理部件。燃料气混合装置5内的气体流量和成分可根据工况要求进行调节，当热管理部件测试有重整器8时，只通CH₄；热管理部件测试无重整器8时，则根据不同工况进行配气。

本申请的测试装置采用电堆阳极模拟装置14，辅以阳极气预热器11的调温作用，产生与实际电堆组成和温度一致的阳极尾气，采用电堆阴极模拟装置15并利用电加热辅助方式提供适宜温度的阴极尾气，而后利用燃烧气对电堆模块出口气体进行燃烧并利用余热；以此获得的固体氧化物燃料电池系统热管理部件的测试装置具有测试工况及环境与真实系统逼近，脱离电堆、风险小，能量高效利用、节能环保的特点。

根据本发明的另一方面，提出一种固体氧化物燃料电池系统热管理部件的试验方法，并具体包括以下工况的试验内容：

一、冷态点火工况测试

试验用于确定燃烧器13冷态下成功点火的最大燃料流量和最小燃料流量。

按照一定的初始点火燃料流量通CH₄，点火测试，若成功则减小CH₄流量，减小量应不大于初始点火燃料流量的5％，直至点火失败。吹扫系统，记录该流量为冷态点火燃料最小流量。

若按初始点火燃料流量点火失败，则吹扫系统，并增加CH₄流量，增加量应不大于初始点火燃料流量的5％，直至点火成功，记录该流量为冷态点火燃料最小流量。若在燃料流量达到最大设计点火燃料流量，仍不能点火成功，即认为燃烧器13点火设计存在缺陷。

确定冷态点火燃料最小流量后，逐渐增加CH₄流量，增加量应不大于初始点火燃料流量的5％，直至点火失败，记录该流量为冷态点火燃料最大流量；若燃料流量增加到冷态点火燃料最小流量的3倍仍点火成功，则停止试验，记录3倍冷态点火燃料最小流量为冷态点火燃料最大流量。

分别进行冷态点火燃料最小流量和最大流量进行重复点火，3次成功，即可确定冷态点火燃料流量范围。

所述的点火成功和点火失败，判定方法：通过监测燃烧器出口中心布置的热电偶，以点火时间窗口内通过热电偶采集计算的10s温升率TTR中有7s为正，且并能够持续燃烧5min为点火成功；否则即为点火失败。上述涉及到时间间隔的数值可根据系统实际情况进行适当调整。

温升率的计算方法为：

TTR＝(T_t0+Δt-T_t0)/Δt

式中：TTR为温升率，单位℃/s；Δt为采样间隔，单位s；t0为当前时刻，单位s；T_t0为t0时刻火焰温度热电偶采集的温度值，单位℃。

所述的点火成功和点火失败的判定方法也可用于其它工况燃烧和熄火的判定。

二、低应力升温工况测试

试验用于确定燃烧器13冷态成功点火后实现低应力升温的燃料最小流量，并记录热管理部件启动升温过程的温升曲线，用于判定热管理部件温升的时滞特性。

以所述冷态点火燃料最小流量作为起始燃料流量，点火启动燃烧器13，减小燃料流量。在减小燃料流量过程中，可先快后慢，若调整到某个流量发生熄火，则吹扫系统后，重新点火并减小燃料流量至刚才熄火燃料流量前面1或2个相近未熄火燃料流量，停留燃烧5min，若未熄火，则将该流量定为点火成功后燃料最小流量。

若在停留燃烧5min中内发生熄火，吹扫系统，微增加燃料流量，直至成功，并将最终确定的流量定为点火成功后燃料最小流量。

以所述的点火成功后燃料最小流量作为低应力升温燃料流量，持续燃烧，记录所述的热管理部件进出口温升曲线。

监测电堆阳极模拟装置14和电堆阴极模拟装置15入口温度，在满足电堆对温升速率要求的前提下，可适当调增低应力升温过程燃料流量。

三、通水工况测试

试验用于确定在进入通水蒸气即将进行预重整阶段，系统能够承受的最大初始通水流量和最大通水流量。

所述的启动水电蒸发器25开机预热，燃烧器13入口的阳极气和阴极气流量达到通水条件后，设定初始通水流量，启动水计量泵28，初始通水流量可按该工况系统设计通水流量的100％确定。若成功，且能稳定燃烧5min，则将系统设计通水流量的100％确定为初始通水流量。

若初始通水流量按该工况系统设计通水流量的100％定时，出现熄火，则吹扫后重新点火，并调整燃料流量至试验要求范围，降低水流量，再进行测试，直至成功，并将该水流量定位最大初始通水流量。逐渐增大水流量，水流量单次增大量和水流量调整时间间隔自定，可以不是固定值，若过程中熄火，则吹扫后适当减小水流量单次增大量或增大水流量调整时间间隔，直至水流量达到该工况系统设计通水流量的100％。

继续增大水流量，增大量可根据情况设定，直至熄火，记录熄火对应的水流量，作为最大通水流量。

若经一系列调整，水流量无法达到该工况系统设计通水流量，则后续测试无法完成，记录该水流量，停止热管理部件的性能试验，分析原因。

通水测试时，应记录热管理部件中所有测点的压力数据，用于分析通水时热管理部件对物料变化的响应特性。

四、重整工况测试

试验主要用于确定重整器8在通水到稳定运行工况阶段的性能，同时测试燃烧器13在重整阶段因组分发生变化导致的燃烧稳定状况。

监测电堆阳极模拟装置14和电堆阴极模拟装置15入口温度，在满足电堆对温升速率要求的前提下，调整低应力升温过程燃料流量和水碳比。根据重整器8入口温度分段采集重整器出口重整器气体，并装袋送检。

重整工况测试时，应记录热管理部件中所有测点的温度和压力数据，用于分析重整反应与系统其它热管理部件的匹配特性。

五、稳定运行工况测试

试验用于全方面测试稳定运行工况时热管理部件的性能。

通过控制O₂、CO₂、CO、H₂、CH₄、N₂气体质量流量控制器、变频风机30、水计量泵28，配置进入电堆阳极模拟装置14和电堆阴极模拟装置15的物料与电堆入口设计值接近。控制电堆阳极模拟装置14冷却水流量和电堆阴极模拟装置15电加热器功率，控制进燃烧器13的阳极气和阴极气温度与电堆出口设计温度接近。

稳定运行工况测试时间应保持30分钟以上，记录热管理部件中所有测点的温度和压力数据，采集重整器出口重整气成分，采集燃烧器出口烟气成分。

通过各热管理部件进出口压损判定压损性能是否满足设计要求，通过各换热器进出口温度判定各换热器换热性能是否满足设计要求，通过重整气成分判定重整器8的预重整率是否满足设计要求。通过燃烧器出口温度及分布、壁面温度、燃烧器阳极气进口-燃烧器出口压差、燃烧器阴极气进口-燃烧器出口压差、燃烧器出口烟气成分判定燃烧器13的可靠性、压损、燃烧充分性、稳定性、排放性是否满足设计要求。

六、老化运行工况测试

试验用于全方面测试老化运行工况时热管理部件的性能，老化运行工况定义为发电系统电池堆处于老化末期状态的工况，老化末期状态时电池堆性能已下降到可忍受极限。

测试方法同测试五、稳定运行工况测试。

七、紧急情况熄火再点火测试

测试熄火再点火性能，以应对突发情况造成的燃烧器熄火后能否具备再点火能力。

通过主动控制手段如关燃料路电磁阀切断燃料供应来实现熄火，并控制火焰熄灭后停留时间在30s之内。通过监测燃烧器出口中心布置的热电偶，通过热电偶采集计算的15s温升率TTR中有10s为负，则判定熄火。随后，通燃料气，气量为当前工况要求值，在火焰熄灭后停留时间内点火，以点火时间窗口内通过热电偶采集计算的10s温升率TTR中有7s为正，且并能够持续燃烧5min为点火成功；否则即为点火失败。上述涉及到时间间隔的数值可根据系统实际情况进行适当调整。在重整工况后期、稳定发电工况和极端发电工况，由于阳极尾气中存在氢气，且温度较高，在燃烧器内与阴极尾气混合后有较大概率发生自燃，该情况视为熄火再点火成功。

本申请可实现冷态点火、低应力升温、通水重整、稳定运行、老化运行和紧急情况熄火再点火等工况的测试，具有测试工况和环境与真实系统逼近，热管理部件可进行联合测试，测试风险小，测试工况完整，节能环保的优点，可较好保证固体氧化物燃料电池系统热管理部件性能在联调电堆前得到全方面验证。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

本领域技术人员应当理解，虽然本发明是按照多个实施例的方式进行描述的，但是并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案。说明书中如此叙述仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体加以理解，并将各实施例中所涉及的技术方案看作是可以相互组合成不同实施例的方式来理解本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种固体氧化物燃料电池系统热管理部件的测试装置，其特征在于，包括：供气模块、电堆模块、燃烧模块、热管模块、监测模块和控制模块，

所述供气模块、电堆模块与燃烧模块依次连接，所述供气模块用于调控燃料与空气的流量；所述电堆模块用于模拟实际电堆阴阳极出口气体的组成与温度；所述燃烧模块用于对电堆模块的出口气体进行燃烧；

所述热管模块被配置为通过燃烧模块的出口烟气与进口的燃料和空气进行热交换而调节电堆模块的温度分布和热量回收；所述监测模块用于实时检测热管模块进出端口及内部的温度与压力；所述控制模块依据监测模块反馈的温度与压力信号判定热管理部件的换热性能、压损性能及升温性能。

2.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池系统热管理部件的测试装置，其特征在于，

所述电堆模块包括电堆阳极模拟装置与电堆阴极模拟装置，

所述电堆阳极模拟装置具有物料模拟部分和温度模拟部分，所述物料模拟部分模拟电堆阳极内化学反应，产生与实际电堆阳极出口成分相同的气体；所述温度模拟部分通过调节进行热交换的冷却水流量控制电堆出口气体温度，达到与实际电堆阳极出口气体温度相同；

所述电堆阴极模拟装置模拟电堆内升温，通过电加热方式为发电工况提供一定的热量补充，达到与实际电堆阴极出口气体温度相同。

3.根据权利要求2所述的一种固体氧化物燃料电池系统热管理部件的测试装置，其特征在于，

所述供气模块包括燃料气混合装置和阴极气混合装置；

所述热管模块包括阳极气预热器、阴极气预热器及尾气冷却器；

所述燃烧模块包括燃烧器；

所述燃料气混合装置、阳极气预热器、电堆阳极模拟装置和燃烧器依序通过管路连接；所述阴极气混合装置、阴极气预热器、电堆阴极模拟装置及燃烧器依序通过管路连接；所述燃烧器的出口烟气经阳极气预热器、阴极气预热器和尾气冷却器回收余热。

4.根据权利要求3所述的一种固体氧化物燃料电池系统热管理部件的测试装置，其特征在于，

所述热管模块还包括重整器、水蒸气过热器和水蒸发器；

所述重整器串接至所述燃料气混合装置与阳极气预热器之间，所述重整器与燃料气混合装置之间的连接管路上设有燃料气-水蒸气混合装置，所述燃料气-水蒸气混合装置的水蒸气进口端沿气体发生方向依次设有去离子水箱、水蒸发器及水蒸气过热器；所述燃烧器的出口烟气经阳极气预热器、水蒸气过热器、阴极气预热器、水蒸发器和尾气冷却器回收余热。

5.根据权利要求4所述的一种固体氧化物燃料电池系统热管理部件的测试装置，其特征在于，

所述阳极气预热器、水蒸气过热器、阴极气预热器、水蒸发器和尾气冷却器均为换热器，各所述换热器的冷侧进出口均装设有温度和压力传感器，用以测试换热器的换热和压损性能；和/或，

所述重整器的进出口和内部均装设有温度和压力传感器，用以监测重整器的状态、压损性能；和/或，

所述燃烧器的进出口端均布置有温度传感器，用于测试燃烧器升温性能；所述燃烧器的阳极气进口-燃烧器出口和阴极气进口-燃烧器出口间均布置有微压差传感器，用于测试燃烧器压损性能。

6.根据权利要求4所述的一种固体氧化物燃料电池系统热管理部件的测试装置，其特征在于，

所述重整器的出口管路上布置重整气采样路，重整气采样路上布置手动球阀，打开时采样重整器出口气体，装袋后送检或自行检测成分，用于测试重整器的重整率性能；和/或，

所述尾气冷却器的出口管路上布置尾气采样路，尾气采样路上布置球阀，打开时采样燃烧器出口烟气，装袋后送检或自行检测成分，用于测试燃烧器的燃烧充分性和排放性能。

7.根据权利要求3-6任一所述的一种固体氧化物燃料电池系统热管理部件的测试装置，其特征在于，

所述供气模块还包括分别与燃料气混合装置和阴极气混合装置连通的多条配气支路，任一所述配气支路均包含气体流动方向上顺次布设的气瓶、减压阀、压力传感器、气体质量流量控制器及电磁阀。

8.根据权利要求7所述的一种固体氧化物燃料电池系统热管理部件的测试装置，其特征在于，

所述供气模块还包括与电堆阳极模拟装置的进气口连接的氧气供应管路，所述氧气供应管路上沿气体流动方向顺次布设的氧气瓶、氧气减压阀、氧气压力传感器、氧气气体质量流量控制器及氧气电磁阀；

所述的与阴极气混合装置连通的配气支路包括氮气供应管路和空气供应管路，所述氮气供应管路具有连通至燃料气混合装置的氮气支管路，用于吹扫系统，所述空气供应管路上设有风机和空气流量计；以及

参与测试的热管理部件为重整器、阳极气预热器、燃烧器、水蒸气过热器、阴极气预热器、水蒸发器及尾气冷却器中的一种或多种，当热管理部件测试包含重整器时，燃料气混合装置中仅通入CH₄。

9.如权利要求1-8任一所述的测试装置的试验方法，其特征在于，包括对所述测试装置进行冷态点火工况测试、低应力升温工况测试、通水工况测试、重整工况测试、稳定运行工况测试、老化运行工况测及紧急情况熄火再点火测试。

10.根据权利要求9所述的试验方法，其特征在于，

所述冷态点火工况测试用于确定燃烧器冷态下成功点火的最大燃料流量和最小燃料流量；

所述低应力升温工况测试用于确定燃烧器冷态成功点火后实现低应力升温的燃料最小流量，并记录热管理部件启动升温过程的温升曲线，用于判定热管理部件温升的时滞特性；

所述通水工况测试用于确定在进入通水蒸气即将进行预重整阶段，系统能够承受的最大初始通水流量和最大通水流量；

所述重整工况测试用于确定重整器在通水到稳定运行工况阶段的性能，同时测试燃烧器在重整阶段因组分发生变化导致的燃烧稳定状况；

所述稳定运行工况测试用于全方面测试稳定运行工况时热管理部件的性能；

所述老化运行工况测试用于全方面测试老化运行工况时热管理部件的性能，老化运行工况定义为发电系统电池堆处于老化末期状态的工况，老化末期状态时电池堆性能已下降到可忍受极限；

所述紧急情况熄火再点火测试用于测试熄火再点火性能，以应对突发情况造成的燃烧器熄火后考量的再点火能力。

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