【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及燃料电池系统，具体涉及一种固体氧化物燃料电池电堆模组测试系统及其运行方法。
技术介绍
1、固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，简称“sofc”)作为一种高效的能量转化装置，其自身发电效率理论上最高可以达到50％以上，与热汽轮机联用效率可达75％以上。sofc是所有发电设备中效率最高的一种发电技术，且污染物排放水平低，是一种清洁低碳、安全高效的发电方式。因此被认为是未来最有广阔发展和应用前景的一项新能源发电技术，众多研究者都投身其中。
2、固体氧化物燃料电池具有多种不同的结构，其发电规模覆盖几十瓦至百兆瓦，应用场景十分广泛。对于单个sofc电池来说，通常一片电池可以产生0.5-1v的电压，为了产生更高的电压、更高的发电功率，需要将若干单电池堆叠起来形成sofc电堆、再将多个sofc电堆集成、封装起来形成一个sofc电堆模组。电堆模组在设计完成后、安装到sofc系统前，需要通入合适组分、流量、温度的燃料开展升降温测试、发电测试等，以验证电堆模组内燃料分配的均匀性、温度场的一致性、多次升降温过程中管道连接的气密性、高温条件下的导电性和绝缘性、热待机性能和不同功率需求下的放电情况等。
3、sofc电堆模组测试系统是全面了解sofc电堆模组工作特性的专用设备，主要包括燃料供应部分、空气供应部分、尾气处理部分、电控部分等；sofc电堆模组有特定的升温速率和降温速率，发电、热待机等过程中也需要一定温度、流量的空气和燃料，对sofc电堆模组测试系统的用电功率、电加热器的性能提出了
技术实现思路
1、针对于常规sofc电堆模组测试系统耗电量高、对sofc电堆模组保护不够完善的情况，本专利技术提出了一种新型固体氧化物燃料电池电堆模组测试系统，该系统设置了主燃烧器和阳极尾气燃烧器，配合空气预热器和燃料预热器，回收了sofc电堆出口的高温阴极尾气和阳极尾气，有效降低了系统电耗、降低了系统紧急停机后重新启动对高温sofc电堆模组造成的冷冲击，阳极尾气背压阀和混合式蒸汽发生器的使用，提升了sofc电堆模组的安全性、降低了系统的复杂性；系统耗电量小、稳定可靠、可操作性强。本专利技术提供如下技术方案：
2、本专利技术的第一目的在于提供一种固体氧化物燃料电池电堆模组测试系统，包括控制整个系统的控制系统和分别与sofc电堆模组依次连通的空气预热器、提供空气的主风机以及燃料预热器、提供混合燃料的混合式蒸汽发生器、提供去离子水的去离子水泵；空气预热器还连通主燃烧器，主燃烧器分别连通天然气、提供空气的阳极侧风机和提供阴极尾气的sofc电堆模组；燃料预热器还连接有阳极尾气燃烧器，阳极尾气燃烧器分别连通阳极侧风机和提供阴极尾气的sofc电堆模组；空气预热器和燃料预热器都分别连接有排烟管道。
3、所述主燃烧器以管道天然气或者瓶装压缩天然气为燃料、sofc电堆模组出口的高温阴极尾气为助燃剂，主燃烧器产生的高温烟气进入到空气预热器中将空气预热器冷侧的室温空气加热至目标温度，被加热的空气进入到sofc电堆模组的阴极入口用于加热、冷却sofc电堆模组或者为sofc电堆模组提供发电用的氧化剂。
4、所述空气预热器冷侧空气出口管道布置有温度传感器，用于监测空气被加热后的温度；所述主燃烧器的燃料入口管道上布置有质量流量控制器，用于调节主燃烧器入口处的天然气流量，从而调节空气预热器出口空气温度。
5、所述阳极侧风机和主燃烧器之间的空气管道上设置有第一截止阀，该第一截止阀通常处于关闭状态，所述阳极侧风机和阳极尾气燃烧器之间的空气管道上设置有第二截止阀，该第二截止阀通常处于开启状态；sofc电堆模组在高温状态下系统急停后的重新启动需要打开阳极侧风机和主燃烧器之间空气管道上的第一截止阀、关闭阳极侧风机和阳极尾气燃烧器之间空气管道上的第二截止阀，然后打开阳极侧风机、给主燃烧器通入天然气，当主燃烧器达到目标温度后再打开主风机、经空气预热器的换热给sofc电堆模组供入合适温度的高温空气。
6、所述混合式蒸汽发生器有载气入口、去离子水入口、混合气出口、泡沫金属电加热单元，室温干燥的混合燃料通过载气入口进入到混合式蒸气发生器内，当干燥的混合燃料中需要增加一定量的水蒸气时，去离子水进入混合式蒸气发生器在泡沫金属加热单元中迅速汽化产生蒸汽并与混合燃料在泡沫金属中充分混合、进一步加热至目标温度，避免常温混合燃料与水蒸气混合过程的不均匀、产生部分冷凝，最终从混合气出口排出，混合气出口管道上布置有伴热带，防止水蒸气的冷凝；当干燥的混合燃料不需要增加水蒸气、仅需加热时，关闭去离子水泵，混合燃料直接进入泡沫金属加热单元中被加热至目标温度然后从混合气出口排出。
7、所述阳极尾气燃烧器以sofc电堆模组出口的高温阳极尾气为燃料、阳极侧风机提供的空气为助燃剂，阳极尾气燃烧器产生的高温烟气进入到燃料预热器中将混合式蒸汽发生器出口的混合燃料加热至目标温度，被加热的混合燃料进入到sofc电堆模组的阳极入口用于sofc电堆模组的发电，燃料预热器出口的烟气和空气预热器出口的烟气混合后一同排出系统。
8、所述燃料预热器燃料侧出口管道布置有温度传感器，用于监测混合燃料被加热后的温度；所述控制系统通过调节阳极侧风机的转速调节进入阳极尾气燃烧器的空气流量、调节燃烧后的烟气温度，从而调节燃料预热器出口混合燃料的温度。
9、所述sofc电堆模组阴极尾气出口管道和阳极尾气出口管道上靠近sofc电堆模组出口的位置设置压力传感器，此外，阳极尾气出口管道上压力传感器的下游设置有阳极尾气背压阀，所述控制系统根据阴极尾气和阳极尾气的压力，自动调节阳极尾气背压阀的开度使得阳极尾气压力始终适当高于阴极尾气压力，从而可以有效降低sofc电堆模组内漏产生的安全风险。
10、本专利技术的第二目的在于提供上述固体氧化物燃料电池电堆模组测试系统的运行方法，包括如下步骤：①sofc电堆模组升温前，打开主风机，室温空气依次进入到空气换热器、sofc电堆模组、主燃烧器，打开阳极侧风机，室温空气依次进入到阳极尾气燃烧器、燃料预热器、排烟管道；②sofc电堆模组升温阶段一，通过质量流量控制器为主燃烧器通入一定量的天然气并点火，燃烧产生的高温烟气进入空气预热器对空气进行加热，控制系统根据空气预热器出口管道上布置的温度传感器，调整天然气的流量，从而控制sofc电堆模组的温升速率；主燃烧器点火成功后，向混合式蒸汽发生本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种固体氧化物燃料电池电堆模组测试系统，包括控制整个系统的控制系统和分别与SOFC电堆模组依次连通的空气预热器、提供空气的主风机以及燃料预热器、提供混合燃料的混合式蒸汽发生器、提供去离子水的去离子水泵；空气预热器还连通主燃烧器，主燃烧器分别连通天然气、提供空气的阳极侧风机和提供阴极尾气的SOFC电堆模组；燃料预热器还连接有阳极尾气燃烧器，阳极尾气燃烧器分别连通阳极侧风机和提供阴极尾气的SOFC电堆模组；空气预热器和燃料预热器都分别连接有排烟管道。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池电堆模组测试系统，其特征在于，所述主燃烧器以管道天然气或者瓶装压缩天然气为燃料、SOFC电堆模组出口的高温阴极尾气为助燃剂，主燃烧器产生的高温烟气进入到空气预热器中将空气预热器冷侧的室温空气加热至目标温度，被加热的空气进入到SOFC电堆模组的阴极入口用于加热、冷却SOFC电堆模组或者为SOFC电堆模组提供发电用的氧化剂。
3.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池电堆模组测试系统，其特征在于，所述空气预热器冷侧空气出口管道布置有温度传感器，用于监测空气被加热后的温度；
4.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池电堆模组测试系统，其特征在于，所述阳极侧风机和主燃烧器之间的空气管道上设置有第一截止阀，该第一截止阀通常处于关闭状态，所述阳极侧风机和阳极尾气燃烧器之间的空气管道上设置有第二截止阀，该第二截止阀通常处于开启状态；SOFC电堆模组在高温状态下系统急停后的重新启动需要打开阳极侧风机和主燃烧器之间空气管道上的第一截止阀、关闭阳极侧风机和阳极尾气燃烧器之间空气管道上的第二截止阀，然后打开阳极侧风机、给主燃烧器通入天然气，当主燃烧器达到目标温度后再打开主风机、经空气预热器的换热给SOFC电堆模组供入合适温度的高温空气。
5.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池电堆模组测试系统，其特征在于，所述混合式蒸汽发生器有载气入口、去离子水入口、混合气出口、泡沫金属电加热单元，室温干燥的混合燃料通过载气入口进入到混合式蒸气发生器内，当干燥的混合燃料中需要增加一定量的水蒸气时，去离子水进入混合式蒸气发生器在泡沫金属加热单元中迅速汽化产生蒸汽并与混合燃料在泡沫金属中充分混合、进一步加热至目标温度，避免常温混合燃料与水蒸气混合过程的不均匀、产生部分冷凝，最终从混合气出口排出，混合气出口管道上布置有伴热带，防止水蒸气的冷凝；当干燥的混合燃料不需要增加水蒸气、仅需加热时，关闭去离子水泵，混合燃料直接进入泡沫金属加热单元中被加热至目标温度然后从混合气出口排出。
6.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池电堆模组测试系统，其特征在于，所述阳极尾气燃烧器以SOFC电堆模组出口的高温阳极尾气为燃料、阳极侧风机提供的空气为助燃剂，阳极尾气燃烧器产生的高温烟气进入到燃料预热器中将混合式蒸汽发生器出口的混合燃料加热至目标温度，被加热的混合燃料进入到SOFC电堆模组的阳极入口用于SOFC电堆模组的发电，燃料预热器出口的烟气和空气预热器出口的烟气混合后一同排出系统。
7.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池电堆模组测试系统，其特征在于，所述燃料预热器燃料侧出口管道布置有温度传感器，用于监测混合燃料被加热后的温度；所述控制系统通过调节阳极侧风机的转速调节进入阳极尾气燃烧器的空气流量、调节燃烧后的烟气温度，从而调节燃料预热器出口混合燃料的温度。
8.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池电堆模组测试系统，其特征在于，所述SOFC电堆模组阴极尾气出口管道和阳极尾气出口管道上靠近SOFC电堆模组出口的位置设置压力传感器，此外，阳极尾气出口管道上压力传感器的下游设置有阳极尾气背压阀，所述控制系统根据阴极尾气和阳极尾气的压力，自动调节阳极尾气背压阀的开度使得阳极尾气压力始终适当高于阴极尾气压力，从而可以有效降低SOFC电堆模组内漏产生的安全风险。
9.根据权利要求1-8任一项所述的固体氧化物燃料电池电堆模组测试系统的运行方法，包括如下步骤：①SOFC电堆模组升温前，打开主风机，室温空气依次进入到空气换热器、SOFC电堆模组、主燃烧器，打开阳极侧风机，室温空气依次进入到阳极尾气燃烧器、燃料预热器、排烟管道；②SOFC电堆模组升温阶段一，通过质量流量控制器为主燃烧器通入一定量的天然气并点火，燃烧产生的高温烟气进入空气预热器对空气进行加热，控制系统根据空气预热器出口管道上布置的温度传感器，调整天然气的流量，从而控制SOFC电堆模组的温升速率；主燃烧器点火成功后，向混合式蒸汽发生器...
【技术特征摘要】
1.一种固体氧化物燃料电池电堆模组测试系统，包括控制整个系统的控制系统和分别与sofc电堆模组依次连通的空气预热器、提供空气的主风机以及燃料预热器、提供混合燃料的混合式蒸汽发生器、提供去离子水的去离子水泵；空气预热器还连通主燃烧器，主燃烧器分别连通天然气、提供空气的阳极侧风机和提供阴极尾气的sofc电堆模组；燃料预热器还连接有阳极尾气燃烧器，阳极尾气燃烧器分别连通阳极侧风机和提供阴极尾气的sofc电堆模组；空气预热器和燃料预热器都分别连接有排烟管道。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池电堆模组测试系统，其特征在于，所述主燃烧器以管道天然气或者瓶装压缩天然气为燃料、sofc电堆模组出口的高温阴极尾气为助燃剂，主燃烧器产生的高温烟气进入到空气预热器中将空气预热器冷侧的室温空气加热至目标温度，被加热的空气进入到sofc电堆模组的阴极入口用于加热、冷却sofc电堆模组或者为sofc电堆模组提供发电用的氧化剂。
3.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池电堆模组测试系统，其特征在于，所述空气预热器冷侧空气出口管道布置有温度传感器，用于监测空气被加热后的温度；所述主燃烧器的燃料入口管道上布置有质量流量控制器，用于调节主燃烧器入口处的天然气流量，从而调节空气预热器出口空气温度。
4.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池电堆模组测试系统，其特征在于，所述阳极侧风机和主燃烧器之间的空气管道上设置有第一截止阀，该第一截止阀通常处于关闭状态，所述阳极侧风机和阳极尾气燃烧器之间的空气管道上设置有第二截止阀，该第二截止阀通常处于开启状态；sofc电堆模组在高温状态下系统急停后的重新启动需要打开阳极侧风机和主燃烧器之间空气管道上的第一截止阀、关闭阳极侧风机和阳极尾气燃烧器之间空气管道上的第二截止阀，然后打开阳极侧风机、给主燃烧器通入天然气，当主燃烧器达到目标温度后再打开主风机、经空气预热器的换热给sofc电堆模组供入合适温度的高温空气。
5.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池电堆模组测试系统，其特征在于，所述混合式蒸汽发生器有载气入口、去离子水入口、混合气出口、泡沫金属电加热单元，室温干燥的混合燃料通过载气入口进入到混合式蒸气发生器内，当干燥的混合燃料中需要增加一定量的水蒸气时，去离子水进入混合式蒸气发生器在泡沫金属加热单元中迅速汽化产生蒸汽并与混合燃料在泡沫金属中充分混合、进一步加热至目标温度，避免常温混合燃料与水蒸气混合过程的不均匀、产生部分冷凝，最终从混合气出口排出，混合气出口管道上布置有伴热带，防止水蒸气的冷凝；当干燥的混合燃料不需要增加水蒸气、仅需加热时，关闭去离子水泵，混合燃料直接进入泡沫金属加热单元中被加热至目标温度然后从混合气出口排出。
6.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池电堆模组测试系统，其特征在于，所述阳极尾气燃烧器以sofc电堆模组出口的高温阳极尾气为燃料、阳极侧风机提供的空气为助燃剂，阳极尾气燃烧器产生的高温烟气进入到燃料预热器中将混合式蒸汽发生器出口的混合燃料加热至目标温度，被加热的混合燃料进入到sofc电堆模组的阳极入口用于sofc电堆模组的发电，燃料预热器出口的烟气和空气预热器出口的烟气混合后一同排出系统。
7.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池电堆模组测试系统，其特征在于，所述燃料预热器燃料侧出口管道布置有温度传感器，用于监测混合燃料被加热后的温度；所述控制系统通过调节阳极侧风机的转速调节进入阳极尾气燃烧器的空气流量、调节燃烧后的烟气温度，从而调节燃料预热器出口混合燃料的温度。
8.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池电堆模组测试系统，其特征在于，所述sofc电堆模组阴...
【专利技术属性】
技术研发人员：熊少强，林梓荣，陈锦芳，白帆飞，
申请(专利权)人：广东佛燃科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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