CN218274667U - 一种用于电堆测试系统的温度管控装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于电堆测试系统的温度管控装置，属于电堆测试技术领域。所述温度管控装置包括装置本体、用于分别外接第一物料和第二物料的第一输送管路和第二输送管路；所述装置本体设有隔绝的加热腔室和换热腔室，所述加热腔室用于置放待测试的电堆；所述换热腔室内设有第一换热器和第二换热器；所述第一输送管路连通所述第一换热器和电堆的燃料侧，所述第二输送管路连通所述第二换热器和电堆的空气侧。本实用新型的温度管控装置设有相互隔绝的加热腔室和换热腔室，输送管路在换热区进行进口物流和出口物流的热交换，进口物流利用出口物流的热能可节省加热区的热能消耗，出口物流在换热区换热后可节省装置外对出口物流冷却的冷能消耗。

Description

一种用于电堆测试系统的温度管控装置

技术领域

本实用新型涉及高温固体氧化物电池的电堆测试技术领域，具体涉及一种用于电堆测试系统的温度管控装置。

背景技术

高温固体氧化物电解池(SOEC)和燃料电池(SOFC)的工作温度为650～1000℃，不仅具有能量转化效率高、无污染、无噪音等显著优点，而且可以实现可逆运行。在燃料电池模式下运行时，通过电化学反应输出电能，是未来最具发展前途的发电技术之一。在电解模式下运行时，高温水蒸气电解生成氢气和氧气，可实现大规模、可持续、清洁高效的制氢，是满足未来氢能经济需求的最理想的大规模制氢技术之一。

电堆性能测试是高温电解/高温燃料电池发电工艺开发中的重要基础性工作。测试装置应用于高温固体氧化物电堆性能测试，对推动高温固体氧化物技术的成熟和商业化应用具有重要意义。温度管控系统是高温固体氧化物测试装置的重要设备，目前，多数测试装置均采用电炉直接对电堆系统进行升温。CN110531273A介绍了一种高温燃料电池测试系统，采用电炉对系统进行升温，负荷较大，且尾气排放温度较高。

本申请旨在提供一种用于电堆测试系统的温度管控装置，其能耗低、操作灵活、适用性强。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决背景技术中提出的问题，设计了一种用于电堆测试系统的温度管控装置，该装置通过设置加热区与换热区实现热量的高利用率，节省了电量消耗，操作灵活且实用性强。

实现上述目的本实用新型提供一种用于电堆测试系统的温度管控装置，所述温度管控装置包括装置本体、用于分别外接第一物料和第二物料的第一输送管路和第二输送管路；所述装置本体设有相互隔绝的加热腔室和换热腔室，所述加热腔室用于置放待测试的电堆；

所述换热腔室内设有第一换热器和第二换热器；所述第一输送管路连通所述第一换热器和电堆的燃料侧，所述第二输送管路连通所述第二换热器和电堆的空气侧。

在本实用新型一些实施方式中，所述装置本体的内腔内设有隔热支撑层，用于分隔所述装置本体的内腔以形成所述加热腔室和换热腔室；和/或，所述装置本体外侧设有保温层。

在本实用新型一些实施方式中，所述隔热支撑层的材料为硅酸铝纤维、陶瓷纤维或纳米绝热材料；和/或，所述保温层的材料为硅酸铝纤维、陶瓷纤维或纳米绝热材料。

在本实用新型一些实施方式中，所述第一输送管路的输入流路连通所述第一换热器的冷通路后，穿设过所述隔热支撑层与所述电堆的第一进口连通；所述第一输送管路的输出流路连通所述电堆的第一出口后，穿设过所述隔热支撑层与所述第一换热器的热通路连通；

所述第二输送管路的输入流路连通所述第二换热器的冷通路后，穿设过所述隔热支撑层与所述电堆的第二进口连通；所述第二输送管路的输出流路连通所述电堆的第二出口后，穿设过所述隔热支撑层与所述第二换热器的热通路连通。

在本实用新型一些实施方式中，所述温度管控装置还包括第一加热盘管和第二加热盘管；所述第一输送管路的输入流路连通所述第一换热器的冷通路后，再连通所述第一加热盘管后与所述电堆的第一进口连通；

所述第二输送管路的输入流路连通所述第二换热器的冷通路后，再连通所述第二加热盘管后与所述电堆的第二进口连通。

在本实用新型一些实施方式中，所述第一加热盘管和第二加热盘管均设于所述加热腔室内；和/或，所述第一加热盘管和第二加热盘管独立选自螺旋盘管或蛇形盘管。

在本实用新型一些实施方式中，所述第一加热盘管和第二加热盘管的工作温度为700～850℃。

在本实用新型一些实施方式中，所述加热腔室内设有电加热单元，且所述电加热单元的加热部远离所述换热腔设置。

在本实用新型一些实施方式中，所述电加热单元的加热部为电加热电阻丝；和/或，所述电加热单元的工作温度为650～900℃。

在本实用新型一些实施方式中，所述第一换热器和第二换热器独立选自板式换热器或微通道换热器；

和/或，所述加热腔室(11)内设有用于置放电堆(100)的电堆置放台(15)；

和/或，所述第一物料选自氢气、水蒸气、氮气、甲烷或二氧化碳中的至少一种；

和/或，所述第二物料为空气或氧气。

本实用新型公开一种用于电堆测试系统的温度管控装置，具备如下有益效果：

1)设有相互隔绝的加热区和换热区，输送管路在换热区进行进口和出口物流的热交换，进口物流利用高温区的热能可节省加热区的热能消耗，出口物流在换热区换热后可节省装置外对出口物流冷却的冷能消耗。

2)采用热盘管对待进入电堆燃料侧和空气侧的气体进行补热，并保持两侧的气体温度的一致性，以保证电堆燃料侧和空气侧的入口温度均匀，可避免因电堆两侧温差过大造成的温差应力导致而损坏电堆。

附图说明

图1是本实用新型所述水蒸气发生混合装置的结构示意图。

图2是图1所述水蒸气发生混合装置的部分示意图，具体为电堆与外部加热盘管的连接示意图。

图中标号：

100、电堆；

11、加热腔室；

12、换热腔室；

13、隔热支撑层；

14、保温层；

15、电堆置放台；

151、燃料侧第一输送管路安装位；

152、空气侧第二输送管路安装位；

2、第一换热器；

3、第二换热器；

41、第一输送管路的输入流路；

42、第一输送管路的输出流路；

51、第二输送管路的输入流路；

52、第二输送管路的输出流路；

61、第一加热盘管；

62、第二加热盘管。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“头/为端”、“内”、“外”、“一端”、“另一端”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，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。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置/套设有”、“套接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型提供的温度管控装置用于为高温固体氧化物电解/燃料电池测试系统提供热量来源以及换热系统，实现对高温固体氧化物电堆性能的测试和稳定性考察。具体的本温度管控装置可应用于高温固体氧化物电解水制氢(SOEC)系统，又可应用于高温固体氧化物燃料电池(SOFC)系统

如图1和图2所示，温度管控装置包括装置本体、用于分别外接第一物料和第二物料的第一输送管路和第二输送管路。装置本体设有相互隔绝的加热腔室11和换热腔室12，加热腔室11用于置放待测试的电堆100。其中换热腔室12内设有第一换热器 2和第二换热器3，第一输送管路连通第一换热器2和电堆100的燃料侧，第二输送管路连通第二换热器3和电堆100的空气侧。第一物料选自氢气、水蒸气、氮气、甲烷或二氧化碳中的至少一种；第二物料为空气或氧气。

其中，相互隔绝具体是指使加热腔室11和换热腔室12各自形成独立区域，尽量减少区域间的辐射热量传递，以便使换热腔室12保持在合理的温度下，避免损伤设于换热腔室12中的管路和换热器。具体的，装置本体的内腔内设有隔热支撑层13，用于分隔装置本体的内腔以形成加热腔室11和换热腔室12。另外，换热器选用高温换热器，换热器的设置的目的在于：电堆100出口物流与进口物流的换热，可有效利用加热腔和电堆反应的高温热量，节省加热腔所需的热能消耗，同时减少冷却输出物流的冷能消耗。值得说明的是，加热腔室11的温度来源可由外部器件进行加热，或者在加热腔室11内设置加热单元。

在一优选实施例中，在加热腔室11内设置加热单元时，在装置本体外侧设有保温层14，即加热腔室11和换热腔室12外侧均设有保温层14。保温层14覆盖整个加热腔室11，因此设于加热腔室11内的管道或设备不需要单独设置保温层；同样，保温层14覆盖整个换热腔室12，设于换热腔室内的换热器及相应管道无需再单独设置保温层。具体的，装置本体可采用高温电炉进行改造，高温电炉可采用对开式或顶升式，优选为对开式，方便操作。

在一具体实施例中，隔热支撑层13的材料为硅酸铝纤维、陶瓷纤维或纳米绝热材料，保温层14的材料为硅酸铝纤维、陶瓷纤维或纳米绝热材料。当然，隔热支撑层 13还可以选用其他具有隔热性能的材料制成，隔热材料的厚度根据装置本体内腔大小和隔热性能需求进行具体设置，另外隔热支撑层13具备一定的承载强度，以满足承载待测试的电堆及相关构件。

在一具体实施例中，提供一种输送管路的具体排布方式，如图1所示，第一输送管路的输入流路41连通第一换热器2的冷通路后，穿设过隔热支撑层13与电堆100 的第一进口连通；第一输送管路的输出流路42连通电堆100的第一出口后，穿设过隔热支撑层13与第一换热器2的热通路连通。第二输送管路的输入流路51连通第二换热器3的冷通路后，穿设过隔热支撑层13与电堆100的第二进口连通；第二输送管路的输出流路52连通电堆100的第二出口后，穿设过隔热支撑层13与第二换热器3的热通路连通。值得说明的是，在隔热支撑层13上开设多个导通通道以供各个输送管路穿过，为了保持隔热支撑层13的隔热性能，导通通道的内径略大于输送管路，或者在导通通道内设置中空保温件以供输送管路通过，尽量避免加热腔室11与换热腔室12 的热交换。

在一优选实施例中，温度管控装置还包括第一加热盘管61和第二加热盘管62。其中，第一输送管路的输入流路41连通第一换热器2的冷通路后，再连通第一加热盘管61后与电堆100的第一进口连通。第二输送管路的输入流路51连通第二换热器3 的冷通路后，再连通第二加热盘管62后与电堆100的第二进口连通。加热盘管的设置目的在于对待输入电堆100的气体进行补热，例如：温度为150～200℃的水蒸气与氢气混合气通过第一输送管路的输入流路41进入第一换热器2的冷通路，与燃料侧电堆出口的第一输送管路的输出流路42中的高温物流进行换热，换热后的物料温度为 500～650℃，一般不满足进入电堆100所需温度需求，因此在进入电堆100之前先进入第一加热盘管61进一步将反应原料加热至700～800℃后，再进入电堆100的燃料侧 (本例中也称为氢气侧)；另外，电堆100出口的第一输送管路的输出流路42中的高温物流用于加热第一输送管路的输入流路41内低温物流，同时出口物流冷却至 200～300℃离开换热腔室12。再例如：来自于空压机的空气通过第二输送管路的输入流路51进入第二换热器3，与空气侧电堆出口的第二输送管路的输出流路52中的物流进行换热，空气升温至500～650℃，该温度一般不满足进入电堆所需温度需求，因此在进入电堆100之前先进入第二加热盘管62，进一步将空气加热至700～800℃进入电堆的空气侧，另外，电堆出口的第二输送管路的输出流路52中的高温物流用于加热第二输送管路的输入流路51内低温物流，同时出口物流冷却至200～300℃离开换热腔室12。

在一优选实施例中，第一加热盘管61和第二加热盘62管均设于加热腔室11内，设置位置一般靠近电堆12的物料进口或出口处。

在一具体实施例中，第一加热盘管61和第二加热盘管62独立选自螺旋盘管或蛇形盘管，盘管的型号根据需求进行设计即可，以满足对待进入电堆100的气体成功补热为准，优选采用螺旋盘管。

更具体的，为满足上述温度需求，第一加热盘管61和第二加热盘管62的工作温度为700～850℃，第一加热盘管61和第二加热盘管62除了补热作用外，还可以保证电堆燃料侧和空气侧的入口温度均匀，避免因电堆两侧温差过大造成的温差应力导致而损坏电堆。

在一优选实施例中，加热腔室11内设有电加热单元，且电加热单元的加热部远离换热腔12设置。具体的，电加热单元的加热部为电加热电阻丝，均匀设置在加热腔室以保持腔内温度场分布均匀，且为满足物料温度需求，电加热单元的工作温度优选为 650～900℃。

在一优选实施例中，第一换热器2和第二换热器3独立选自板式换热器或微通道换热器，根据换热需求进行规格选择，优选使用板式换热器。

在一优选实施例中，加热腔室11内设有用于置放电堆100的电堆置放台15，在电堆置放台15上的两侧开设燃料侧第一输送管路安装位151和空气侧第二输送管路安装位152分别用于安装输送管路。具体的，各输送管路在换热腔12的进出口，温度低采用法兰或卡套的方式进行连接，穿设过换热腔12后的输送管路可采用焊接的方式。

另外，为正常实现电堆的检测还配备其他相关组件，比如在电堆100上设置加压杆。

实施例1

以10kW SOEC电解水电堆测试装置为例，氢气侧和空气侧高温换热器的进出口条件如下表所示。由表1中可以看出，氢气侧和空气侧分别回收了1.2kW和2.6kW 的热量，降低氢气侧和空气侧的热侧物流温度至247℃和258℃。SOEC工况下，合计回收热量约3.8kW，由此可以显著降低电炉的热负荷。

表1

实施例2

温度管控装置应用于高温固体氧化物燃料电池工艺的电堆性能测试与电解水工艺基本类似。不同之处在于电堆氢气侧进料物流为氢气或甲烷等，氢气侧电堆出口产品为未反应的氢气、甲烷、水蒸气及二氧化碳等。电堆空气侧出口物流为贫氧空气。

以5kW SOFC电堆测试装置为例，氢气侧和空气侧高温换热器的进出口条件如表 2所示。由表2中可以看出，氢气侧和空气侧分别回收了1.4kW和6.0kW的热量，降低氢气侧和空气侧的热侧物流温度至275℃和170℃。SOFC工况下，合计回收热量约7.4kW，由此可以显著降低电炉的热负荷。

表2

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个...... 限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素”。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种用于电堆测试系统的温度管控装置，其特征在于，所述温度管控装置包括装置本体、用于分别外接第一物料和第二物料的第一输送管路和第二输送管路；

所述装置本体设有相互隔绝的加热腔室(11)和换热腔室(12)，所述加热腔室(11)用于置放待测试的电堆(100)；

所述换热腔室(12)内设有第一换热器(2)和第二换热器(3)；所述第一输送管路连通所述第一换热器(2)和电堆(100)的燃料侧，所述第二输送管路连通所述第二换热器(3)和电堆(100)的空气侧。

2.根据权利要求1所述的温度管控装置，其特征在于，所述装置本体的内腔内设有隔热支撑层(13)，用于分隔所述装置本体的内腔以形成所述加热腔室(11)和换热腔室(12)；

和/或，所述装置本体外侧设有保温层(14)。

3.根据权利要求2所述的温度管控装置，其特征在于，所述隔热支撑层(13)的材料为硅酸铝纤维、陶瓷纤维或纳米绝热材料；

和/或，所述保温层(14)的材料为硅酸铝纤维、陶瓷纤维或纳米绝热材料。

4.根据权利要求2所述的温度管控装置，其特征在于，所述第一输送管路的输入流路(41)连通所述第一换热器(2)的冷通路后，穿设过所述隔热支撑层(13)与所述电堆的第一进口连通；所述第一输送管路的输出流路(42)连通所述电堆的第一出口后，穿设过所述隔热支撑层(13)与所述第一换热器(2)的热通路连通；

所述第二输送管路的输入流路(51)连通所述第二换热器(3)的冷通路后，穿设过所述隔热支撑层(13)与所述电堆的第二进口连通；所述第二输送管路的输出流路(52)连通所述电堆的第二出口后，穿设过所述隔热支撑层(13)与所述第二换热器(3)的热通路连通。

5.根据权利要求4所述的温度管控装置，其特征在于，所述温度管控装置还包括第一加热盘管(61)和第二加热盘管(62)；

所述第一输送管路的输入流路(41)连通所述第一换热器(2)的冷通路后，再连通所述第一加热盘管(61)后与所述电堆的第一进口连通；

所述第二输送管路的输入流路(51)连通所述第二换热器(3)的冷通路后，再连通所述第二加热盘管(62)后与所述电堆的第二进口连通。

6.根据权利要求5所述的温度管控装置，其特征在于，所述第一加热盘管(61)和第二加热盘管(62)均设于所述加热腔室(11)内；

和/或，所述第一加热盘管(61)和第二加热盘管(62)独立选自螺旋盘管或蛇形盘管。

7.根据权利要求6所述的温度管控装置，其特征在于，所述第一加热盘管(61)和第二加热盘管(62)的工作温度为700～850℃。

8.根据权利要求1所述的温度管控装置，其特征在于，所述加热腔室(11)内设有电加热单元，且所述电加热单元的加热部远离所述换热腔室(12)设置。

9.根据权利要求8所述的温度管控装置，其特征在于，所述电加热单元的加热部为电加热电阻丝；

和/或，所述电加热单元的工作温度为650～900℃。

10.根据权利要求1所述的温度管控装置，其特征在于，所述第一换热器(2)和第二换热器(3)独立选自板式换热器或微通道换热器；

和/或，所述加热腔室(11)内设有用于置放电堆(100)的电堆置放台(15)；

和/或，所述第一物料选自氢气、水蒸气、氮气、甲烷或二氧化碳中的至少一种；

和/或，所述第二物料为空气或氧气。

Images