CN116698469B

CN116698469B - 一种sofc阴极空气预热器性能测试系统及测试方法

Info

Publication number: CN116698469B
Application number: CN202310974432.1A
Authority: CN
Inventors: 宋嘉梁; 陈永东; 于改革; 王林; 张中清; 彭小敏; 崔云龙
Original assignee: Hefei General Machinery Research Institute Co Ltd
Current assignee: Hefei General Machinery Research Institute Co Ltd
Priority date: 2023-08-04
Filing date: 2023-08-04
Publication date: 2023-10-20
Anticipated expiration: 2043-08-04
Also published as: CN116698469A

Abstract

本发明属于SOFC核心零部件性能检测技术领域，具体涉及一种SOFC阴极空气预热器性能测试系统及测试方法。包括性能测试模块、电堆热区模块和测控模块，测控模块包括空气管路，空气管路排出的冷空气经性能测试模块加热后进入电堆热区模块，电堆热区模块排出的热空气进入性能测试模块用于加热冷空气；性能测试模块的冷、热流体进出口均设置温度计，冷流体进口设置质量流量计，冷、热流体进出口之间还分别设置第一压差变送器、第二压差变送器。本发明首次提出了SOFC阴极空气预热器热力特性的测试方法，填补了目前SOFC发电系统高温换热器性能测试装置及测试方法缺失的空白，有利于促进SOFC技术的发展与应用。

Description

一种SOFC阴极空气预热器性能测试系统及测试方法

技术领域

本发明属于SOFC核心零部件性能检测技术领域，具体涉及一种SOFC阴极空气预热器性能测试系统及测试方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池（SOFC）因具有运行温度高、效率高、燃料适应性广等先进性，非常适合热电联供，应用前景十分广阔，对助力我国“双碳”目标意义重大。热平衡系统是SOFC的一项关键核心技术，包括进出气的热交换、排气余热利用等，是保证电堆高效、稳定运行的关键。目前我国SOFC产业刚起步，研究主要集中在电堆上，对热平衡系统（BOP）的研究相对较少。

高温区热交换器是SOFC热平衡系统中的关键核心装备，其中阴极空气预热器的运行工况最苛刻（温度高、强氧化、大温差），研发难度最大。SOFC工作温度位于700~800℃之间，稳定运行后，一般要求电堆阴极空气入口温度不低于600℃。通常系统会将电堆阴极排气（温度可达750℃以上）或后燃室燃烧尾气（温度可达850℃以上）在阴极空气预热器中将常温空气预热到合适的温度范围，再进电堆参与反应。目前对于高温区热交换器，我国SOFC厂家大多依赖进口，自主研制的产品还存在着换热效率低、流动阻力大、可靠性差等瓶颈，显著制约了我国SOFC邻域的商业化进程。因此，加快突破SOFC热平衡系统技术瓶颈，研发自主化的SOFC用高效、低阻、高可靠性高温换热器，对于我国的SOFC产业发展意义重大。

然而目前行业关注的重点大多集中于SOFC单电池与电堆的性能测试和优化，关于SOFC发电系统用高温换热器性能测试装置及测试方法仍属空白。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明目的之一在于提供一种SOFC阴极空气预热器性能测试系统。

本发明采用了以下技术方案：

一种SOFC阴极空气预热器性能测试系统，包括包含待测空气预热器的性能测试模块、包含SOFC电堆的电堆热区模块和测控模块；所述测控模块包括空气管路和甲烷管路，所述性能测试模块的冷流体进口连接空气管路出口，冷流体出口连接电堆热区的阴极进口，电堆热区的阴极出口还与性能测试模块的热流体进口连接，则空气管路排出的冷空气经性能测试模块加热后形成加热冷流体进入所述电堆热区参与SOFC电堆反应，电堆热区排出的热空气进入所述性能测试模块用于加热所述空气管路排出的冷空气；

所述甲烷管路的出口连接所述电堆热区模块的阳极进口，甲烷管路输出混合气体进入所述电堆热区模块参与SOFC电堆反应，反应后气体自所述电堆热区模块的阳极出口排出；

所述性能测试模块的冷流体进口、冷流体出口、热流体进口和热流体出口处均设置温度计，所述冷流体进口处设置质量流量计，所述冷流体进口与冷流体出口之间还设置第一压差变送器，热流体进口与热流体出口之间还设置第二压差变送器；所述测控模块内还具有电子负载，所述电子负载连接所述SOFC电堆以采集电流和电压。

优选的，所述测试系统还包括汽化混合模块和重整器，所述汽化混合模块包括一个用于产生过热水蒸气的去离子水汽化装置，所述甲烷管路在进入所述电堆热区模块前，先连接所述去离子水汽化装置；甲烷与过热水蒸气混合后共同进入重整器，形成用于SOFC电堆反应的H₂及CO混合气体。

优选的，所述电堆热区模块和重整器还分别设置电加热装置。

优选的，所述测控模块还包括设置在空气管路和甲烷管路上的电磁阀及流量控制器。

优选的，所述汽化混合模块还包括冷凝水器，所述电堆热区模块阳极出口排出的高温混合气经冷凝水器降温后排出。

本发明还提供上述测试系统的测试方法，包括以下步骤：

S1.启动系统，调节电堆热区的温度至与SOFC电化学反应相应的温度范围后，启动SOFC电堆反应；

S2. 通过测控模块内设置的电子负载获取SOFC电堆的电流和电压，待电压稳定后，记录质量流量计测得的冷流体质量流量M _c，温度计测得的冷流体进口温度T _c,in、冷流体出口温度T _c,out、热流体进口温度T _h,in和热流体出口温度T _h,out，第一压差变送器测得的冷侧流体的阻力降、第二压差变送器测得的热侧流体的阻力降/>和电流I，并计算获取性能测试模块中热流体质量流量M _h；

S3. 结束测试，根据S2获取的数据计算性能测试模块的换热量Q、热平衡误差ΔQ、对数平均误差ΔT _m、总传热系数K，具体为：

首先依据测得的温度数据查表计算得到冷流体进、出口焓值h _c,in、h _c,out与热流体进出、口焓值h _h,in、h _h,out；则性能测试模块中待测空气预热器冷侧流体的换热量Q_c=M_c(h _c,out-h _c,in)待测空气预热器热侧流体的换热量Q_h=M_h(h _h,in-h _h,out)；

则：

式中A为待测空气预热器的换热面积。

优选的，所述步骤S2中，性能测试模块中热流体质量流量M _h的计算方法为：

获取燃料即甲烷管路中甲烷的质量流量，记为M _f（单位SLM），定义SOFC电堆中已知电池片数为N，甲烷可转移电子数为e为8，则：

燃料利用率：

空气中氧气消耗量a为：

热流体质量流量为：

。

优选的，所述甲烷管路连接所述去离子水汽化装置时，启动系统后还需要调节重整器温度至甲烷与水蒸气重整反应所需的相应温度范围。

优选的，结束测试时，先切断测控模块的空气管路使SOFC电堆停止反应，维持甲烷管路直至SOFC电堆温度降至200℃以下，再切断甲烷管路，关闭系统，等待SOFC电堆自然冷却至常温。

本发明的有益效果在于：

1. 本发明提供的SOFC阴极空气预热器性能测试系统基于真实SOFC发电系统搭建，较好的还原了系统工艺过程，保证了测试结果的科学性和可靠性。同时，本测试系统还在现有的集成式发电系统基础上进行了调整，将现有工艺过程解耦，由现有的一体式热区变成了多个热模块：包含待测空气预热器的性能测试模块、包含SOFC电堆的电堆热区模块和/或重整器，且电堆热区模块和重整器自带独立电加热功能，实现了阴极空气预热器测试工况的灵活调控。

2. 电堆阴极出口排气主体为氮气和氧气，但相较于空气，氮气占比变多，氧气占比变小，且由于氧离子的迁移到阳极，因此质量流量略小于阴极进口空气，现有的测量中通常认为进出口的气体成分和流量一致，但本发明测试系统在测试中特别通过电子负载采集到的电流，计算燃料利用率，再计算氧气消耗量，可得到准确阴极排气（阴极空气预热器热侧）质量流量，也避免了需要增设质量流量计带来的不便及成本增加。

3. 本测试系统可扩展性较强，通过在电堆热区模块增设后燃室模块，未来可实现以高温烟气为热源的阴极空气预热器性能测试；通过在测控模块中增设甲醇和柴油供应管路，未来可实现甲醇及柴油SOFC发电系统用高温换热器的测试。

4. 本发明首次提出了SOFC阴极空气预热器热力特性的测试方法，填补了目前SOFC发电系统高温换热器性能测试装置及测试方法缺失的空白，有利于促进SOFC技术的发展与应用。本测试系统的提出也为SOFC用其他类型高温换热器（例如燃料预热器）的研发奠定了基础。

附图说明

图1为本发明提供的SOFC阴极空气预热器性能测试系统结构示意图；

图2为性能测试模块设置各测试仪器的示意图。

图中标注符号的含义如下：

10-性能测试模块 10a-冷流体进口 10b-冷流体出口 10c-热流体进口 10d-热流体出口

20-电堆热区模块 20a-阴极进口 20b-阴极出口 20c-阳极进口 20d-阳极出口

30-测控模块

40-温度计 41-质量流量计 42-第一压差变送器 43-第二压差变送器

60-汽化混合模块 61-去离子水汽化装置 62-冷凝水器

70-重整器

81-电磁阀 82-流量控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做出更为具体的说明：

如图1-2所示，一种SOFC阴极空气预热器性能测试系统，包括包含待测空气预热器的性能测试模块10、包含SOFC电堆的电堆热区模块20、测控模块30、汽化混合模块60和重整器70。

所述测控模块30包括空气管路31和甲烷管路32，空气管路31和甲烷管路32上分别设置有电磁阀81及流量控制器82用于调节流量。

所述性能测试模块10的冷流体进口10a连接空气管路31的出口，冷流体出口10b连接电堆热区模块20的阴极进口20a，电堆热区模块20的阴极出口20b还与性能测试模块10的热流体进口10c连接。则空气管路31排出的冷空气经性能测试模块10加热后形成加热冷流体进入所述电堆热区模块20参与SOFC电堆反应，电堆热区模块20排出的热空气即热流体进入所述性能测试模块10用于加热所述空气管路31排出的冷空气。

所述甲烷管路32的出口连接所述电堆热区模块20的阳极进口20c，甲烷管路32输出混合气体进入所述电堆热区模块20参与SOFC电堆反应，反应后气体自所述电堆热区模块20的阳极出口20d排出。

所述汽化混合模块60包括一个用于产生过热水蒸气的去离子水汽化装置61，所述甲烷管路32在进入所述电堆热区模块20前，先连接所述去离子水汽化装置61。甲烷与过热水蒸气混合后共同进入重整器70，形成用于SOFC电堆反应的H₂及CO混合气体。

进一步的，汽化混合模块60还包括冷凝水器62，所述电堆热区模块20阳极出口20d排出的高温混合气经冷凝水器62降温后排出。

本发明中，为了更好地调节阴极空气预热器测试工况，电堆热区模块20和重整器70分别设置电加热装置。

上述性能测试模块10的冷流体进口10a、冷流体出口10b、热流体进口10c和热流体出口10d处均设置温度计40，所述冷流体进口10a处设置质量流量计41，所述冷流体进口10a与冷流体出口10b之间还设置第一压差变送器42，热流体进口10c与热流体出口10d之间还设置第二压差变送器43；所述测控模块30内还具有电子负载，所述电子负载连接所述SOFC电堆以采集电流和电压。

上述测试系统的测试方法包括以下步骤：

S1.启动系统，调节电堆热区模块20的温度至与SOFC电化学反应相应的温度范围，调节重整器70温度至甲烷与水蒸气重整反应所需的相应温度范围，启动SOFC电堆反应；

S2.通过测控模块30内设置的电子负载获取SOFC电堆的电流和电压，待电压稳定后，记录质量流量计41测得的冷流体质量流量M _c，温度计40测得的冷流体进口10a温度T _c,in、冷流体出口10b温度T _c,out、热流体进口10c温度T _h,in和热流体出口10d温度T _h,out，第一压差变送器42测得的冷侧流体的阻力降ΔP _c、第二压差变送器43测得的热侧流体的阻力降ΔP _h和电子负载测得的电流I，并计算获取性能测试模块10中热流体质量流量M _h；

热流体质量流量M _h的计算方法为：获取燃料即甲烷管路中甲烷的质量流量，记为M _f（单位SLM），定义SOFC电堆中已知电池片数为N，甲烷可转移电子数为e为8，因此：

燃料利用率：

空气中氧气消耗量a为：

热流体质量流量为：

。

S3. 结束测试，根据S2获取的数据计算性能测试模块10的换热量Q、热平衡误差Δ Q、对数平均误差ΔT _m、总传热系数K，具体为：

首先依据测得的温度数据查表计算得到冷流体进、出口焓值h _c,in、h _c,out与热流体进出、口焓值h _h,in、h _h,out；则性能测试模块10中待测空气预热器冷侧流体的换热量Q_c=M_c(h _c,out-h _c,in)；待测空气预热器热侧流体的换热量Q_h=M_h(h _h,in-h _h,out)；

则：

式中A为待测空气预热器的换热面积。

结束测试时，先切断测控模块30的空气管路31使SOFC电堆停止反应，维持甲烷管路32直至SOFC电堆温度降至200℃以下，再切断甲烷管路32，关闭系统，等待SOFC电堆自然冷却至常温。

本发明中，包含空气管路31和甲烷管路32的测控模块30、汽化混合模块60、重整器70、SOFC电堆等都可以选自真实SOFC系统，除提及到的必要功能外，其余可选择性设置的计量泵、电源、报警器、调节器等，本发明不做额外限定。

以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而并非对本发明的限制；尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims

1.一种SOFC阴极空气预热器性能测试系统，其特征在于，包括包含待测空气预热器的性能测试模块（10）、包含SOFC电堆的电堆热区模块（20）和测控模块（30）；所述测控模块（30）包括空气管路（31）和甲烷管路（32），所述性能测试模块（10）的冷流体进口（10a）连接空气管路（31）的出口，冷流体出口（10b）连接电堆热区模块（20）的阴极进口（20a），电堆热区模块（20）的阴极出口（20b）还与性能测试模块（10）的热流体进口（10c）连接；则，空气管路（31）排出的冷空气经性能测试模块（10）加热后形成加热冷流体进入所述电堆热区模块（20）参与SOFC电堆反应，电堆热区模块（20）排出的热空气即热流体进入所述性能测试模块（10）用于加热所述空气管路（31）排出的冷空气；

所述甲烷管路（32）的出口连接所述电堆热区模块（20）的阳极进口（20c），甲烷管路（32）输出混合气体进入所述电堆热区模块（20）参与SOFC电堆反应，反应后气体自所述电堆热区模块（20）的阳极出口（20d）排出；

所述性能测试模块（10）的冷流体进口（10a）、冷流体出口（10b）、热流体进口（10c）和热流体出口（10d）处均设置温度计（40），所述冷流体进口（10a）处设置质量流量计（41），所述冷流体进口（10a）与冷流体出口（10b）之间还设置第一压差变送器（42），热流体进口（10c）与热流体出口（10d）之间还设置第二压差变送器（43）；所述测控模块（30）内还具有电子负载，所述电子负载连接所述SOFC电堆以采集电流和电压。

2.如权利要求1所述的一种SOFC阴极空气预热器性能测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括汽化混合模块（60）和重整器（70），所述汽化混合模块（60）包括一个用于产生过热水蒸气的去离子水汽化装置（61），所述甲烷管路（32）在进入所述电堆热区模块（20）前，先连接所述去离子水汽化装置（61）；甲烷与过热水蒸气混合后共同进入重整器（70），形成用于SOFC电堆反应的H₂及CO混合气体。

3.如权利要求2所述的一种SOFC阴极空气预热器性能测试系统，其特征在于，所述电堆热区模块（20）和重整器（70）还分别设置电加热装置。

4.如权利要求2所述的一种SOFC阴极空气预热器性能测试系统，其特征在于，所述空气管路（31）的进口端连接空气压缩机（311），甲烷管路（32）的进口端连接甲烷气瓶（321），所述测控模块（30）还包括设置在空气管路（31）和甲烷管路（32）上的电磁阀（81）及流量控制器（82）。

5.如权利要求2所述的一种SOFC阴极空气预热器性能测试系统，其特征在于，所述汽化混合模块（60）还包括冷凝水器（62），所述电堆热区模块（20）阳极出口（20d）排出的高温混合气经冷凝水器（62）降温后排出。

6.一种如权利要求1-5任一项所述的测试系统的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.启动系统，调节电堆热区模块（20）的温度至与SOFC电化学反应相应的温度范围后，启动SOFC电堆反应；

S2.通过测控模块（30）内设置的电子负载获取SOFC电堆的电流和电压，待电压稳定后，记录质量流量计（41）测得的冷流体质量流量M _c，温度计（40）测得的冷流体进口（10a）温度T _c,in、冷流体出口（10b）温度T _c,out、热流体进口（10c）温度T _h,in和热流体出口（10d）温度T _h,out，第一压差变送器（42）测得的冷侧流体的阻力降ΔP _c、第二压差变送器（43）测得的热侧流体的阻力降ΔP _h和电子负载测得的电流I，并计算获取性能测试模块（10）中热流体质量流量M _h；

S3. 结束测试，根据S2获取的数据计算性能测试模块（10）的换热量Q、热平衡误差ΔQ、对数平均误差ΔT _m、总传热系数K，具体为：

首先依据测得的温度数据查表计算得到冷流体进、出口焓值h _c,in、h _c,out与热流体进出、口焓值h _h,in、h _h,out；则性能测试模块（10）中待测空气预热器冷侧流体的换热量Q_c=M_c(h _c,out-h _c,in)待测空气预热器热侧流体的换热量Q_h=M_h(h _h,in-h _h,out)；

则：

式中A为待测空气预热器的换热面积。

7.如权利要求6所述的测试方法，所述步骤S2中，性能测试模块（10）中热流体质量流量M _h的计算方法为：

获取燃料即甲烷管路（32）中甲烷的质量流量，记为M _f， M _f单位为SLM，定义SOFC电堆中已知电池片数为N，甲烷可转移电子数为e为8，则：

燃料利用率：空气中氧气消耗量a为：

热流体质量流量/>为：。

8.如权利要求6所述的测试方法，其特征在于，所述甲烷管路（32）连接去离子水汽化装置（61）时，启动系统后还需要调节重整器（70）温度至甲烷与水蒸气重整反应所需的相应温度范围。

9.如权利要求6所述的测试方法，其特征在于，结束测试时，先切断测控模块（30）的空气管路（31）使SOFC电堆停止反应，维持甲烷管路（32）直至SOFC电堆温度降至200℃以下，再切断甲烷管路（32），关闭系统，等待SOFC电堆自然冷却至常温。