本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)，具體涉及一種固體氧化物燃料電池電堆模組測試系統(tǒng)及其運(yùn)行方法。

背景技術(shù)：

1、固體氧化物燃料電池(solid?oxide?fuel?cell，簡稱“sofc”)作為一種高效的能量轉(zhuǎn)化裝置，其自身發(fā)電效率理論上最高可以達(dá)到50％以上，與熱汽輪機(jī)聯(lián)用效率可達(dá)75％以上。sofc是所有發(fā)電設(shè)備中效率最高的一種發(fā)電技術(shù)，且污染物排放水平低，是一種清潔低碳、安全高效的發(fā)電方式。因此被認(rèn)為是未來最有廣闊發(fā)展和應(yīng)用前景的一項(xiàng)新能源發(fā)電技術(shù)，眾多研究者都投身其中。

2、固體氧化物燃料電池具有多種不同的結(jié)構(gòu)，其發(fā)電規(guī)模覆蓋幾十瓦至百兆瓦，應(yīng)用場景十分廣泛。對(duì)于單個(gè)sofc電池來說，通常一片電池可以產(chǎn)生0.5-1v的電壓，為了產(chǎn)生更高的電壓、更高的發(fā)電功率，需要將若干單電池堆疊起來形成sofc電堆、再將多個(gè)sofc電堆集成、封裝起來形成一個(gè)sofc電堆模組。電堆模組在設(shè)計(jì)完成后、安裝到sofc系統(tǒng)前，需要通入合適組分、流量、溫度的燃料開展升降溫測試、發(fā)電測試等，以驗(yàn)證電堆模組內(nèi)燃料分配的均勻性、溫度場的一致性、多次升降溫過程中管道連接的氣密性、高溫條件下的導(dǎo)電性和絕緣性、熱待機(jī)性能和不同功率需求下的放電情況等。

3、sofc電堆模組測試系統(tǒng)是全面了解sofc電堆模組工作特性的專用設(shè)備，主要包括燃料供應(yīng)部分、空氣供應(yīng)部分、尾氣處理部分、電控部分等；sofc電堆模組有特定的升溫速率和降溫速率，發(fā)電、熱待機(jī)等過程中也需要一定溫度、流量的空氣和燃料，對(duì)sofc電堆模組測試系統(tǒng)的用電功率、電加熱器的性能提出了較高的要求；其次，水蒸氣與燃料的充分混合也是保證sofc電堆模組正常發(fā)電、長壽命工作的重要因素；特別的，當(dāng)sofc電堆模組在高溫條件下，如果系統(tǒng)因?yàn)楣收?、斷電等原因發(fā)生緊急停機(jī)，由于sofc電堆模組溫度下降緩慢，系統(tǒng)重新啟動(dòng)后空氣、燃料的溫升需要一定的時(shí)間，當(dāng)進(jìn)入sofc電堆模組內(nèi)部的空氣和燃料的溫度顯著低于sofc電堆模組的溫度時(shí)，會(huì)對(duì)sofc電堆模組造成冷沖擊、嚴(yán)重影響其工作性能。因此，設(shè)計(jì)一款功能完善、耗電量低、安全性高、可操作性強(qiáng)的sofc模組測試系統(tǒng)對(duì)于開展sofc電堆模組特性研究具有重要的作用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)于常規(guī)sofc電堆模組測試系統(tǒng)耗電量高、對(duì)sofc電堆模組保護(hù)不夠完善的情況，本發(fā)明提出了一種新型固體氧化物燃料電池電堆模組測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)置了主燃燒器和陽極尾氣燃燒器，配合空氣預(yù)熱器和燃料預(yù)熱器，回收了sofc電堆出口的高溫陰極尾氣和陽極尾氣，有效降低了系統(tǒng)電耗、降低了系統(tǒng)緊急停機(jī)后重新啟動(dòng)對(duì)高溫sofc電堆模組造成的冷沖擊，陽極尾氣背壓閥和混合式蒸汽發(fā)生器的使用，提升了sofc電堆模組的安全性、降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性；系統(tǒng)耗電量小、穩(wěn)定可靠、可操作性強(qiáng)。本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

2、本發(fā)明的第一目的在于提供一種固體氧化物燃料電池電堆模組測試系統(tǒng)，包括控制整個(gè)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)和分別與sofc電堆模組依次連通的空氣預(yù)熱器、提供空氣的主風(fēng)機(jī)以及燃料預(yù)熱器、提供混合燃料的混合式蒸汽發(fā)生器、提供去離子水的去離子水泵；空氣預(yù)熱器還連通主燃燒器，主燃燒器分別連通天然氣、提供空氣的陽極側(cè)風(fēng)機(jī)和提供陰極尾氣的sofc電堆模組；燃料預(yù)熱器還連接有陽極尾氣燃燒器，陽極尾氣燃燒器分別連通陽極側(cè)風(fēng)機(jī)和提供陰極尾氣的sofc電堆模組；空氣預(yù)熱器和燃料預(yù)熱器都分別連接有排煙管道。

3、所述主燃燒器以管道天然氣或者瓶裝壓縮天然氣為燃料、sofc電堆模組出口的高溫陰極尾氣為助燃劑，主燃燒器產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M(jìn)入到空氣預(yù)熱器中將空氣預(yù)熱器冷側(cè)的室溫空氣加熱至目標(biāo)溫度，被加熱的空氣進(jìn)入到sofc電堆模組的陰極入口用于加熱、冷卻sofc電堆模組或者為sofc電堆模組提供發(fā)電用的氧化劑。

4、所述空氣預(yù)熱器冷側(cè)空氣出口管道布置有溫度傳感器，用于監(jiān)測空氣被加熱后的溫度；所述主燃燒器的燃料入口管道上布置有質(zhì)量流量控制器，用于調(diào)節(jié)主燃燒器入口處的天然氣流量，從而調(diào)節(jié)空氣預(yù)熱器出口空氣溫度。

5、所述陽極側(cè)風(fēng)機(jī)和主燃燒器之間的空氣管道上設(shè)置有第一截止閥，該第一截止閥通常處于關(guān)閉狀態(tài)，所述陽極側(cè)風(fēng)機(jī)和陽極尾氣燃燒器之間的空氣管道上設(shè)置有第二截止閥，該第二截止閥通常處于開啟狀態(tài)；sofc電堆模組在高溫狀態(tài)下系統(tǒng)急停后的重新啟動(dòng)需要打開陽極側(cè)風(fēng)機(jī)和主燃燒器之間空氣管道上的第一截止閥、關(guān)閉陽極側(cè)風(fēng)機(jī)和陽極尾氣燃燒器之間空氣管道上的第二截止閥，然后打開陽極側(cè)風(fēng)機(jī)、給主燃燒器通入天然氣，當(dāng)主燃燒器達(dá)到目標(biāo)溫度后再打開主風(fēng)機(jī)、經(jīng)空氣預(yù)熱器的換熱給sofc電堆模組供入合適溫度的高溫空氣。

6、所述混合式蒸汽發(fā)生器有載氣入口、去離子水入口、混合氣出口、泡沫金屬電加熱單元，室溫干燥的混合燃料通過載氣入口進(jìn)入到混合式蒸氣發(fā)生器內(nèi)，當(dāng)干燥的混合燃料中需要增加一定量的水蒸氣時(shí)，去離子水進(jìn)入混合式蒸氣發(fā)生器在泡沫金屬加熱單元中迅速汽化產(chǎn)生蒸汽并與混合燃料在泡沫金屬中充分混合、進(jìn)一步加熱至目標(biāo)溫度，避免常溫混合燃料與水蒸氣混合過程的不均勻、產(chǎn)生部分冷凝，最終從混合氣出口排出，混合氣出口管道上布置有伴熱帶，防止水蒸氣的冷凝；當(dāng)干燥的混合燃料不需要增加水蒸氣、僅需加熱時(shí)，關(guān)閉去離子水泵，混合燃料直接進(jìn)入泡沫金屬加熱單元中被加熱至目標(biāo)溫度然后從混合氣出口排出。

7、所述陽極尾氣燃燒器以sofc電堆模組出口的高溫陽極尾氣為燃料、陽極側(cè)風(fēng)機(jī)提供的空氣為助燃劑，陽極尾氣燃燒器產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M(jìn)入到燃料預(yù)熱器中將混合式蒸汽發(fā)生器出口的混合燃料加熱至目標(biāo)溫度，被加熱的混合燃料進(jìn)入到sofc電堆模組的陽極入口用于sofc電堆模組的發(fā)電，燃料預(yù)熱器出口的煙氣和空氣預(yù)熱器出口的煙氣混合后一同排出系統(tǒng)。

8、所述燃料預(yù)熱器燃料側(cè)出口管道布置有溫度傳感器，用于監(jiān)測混合燃料被加熱后的溫度；所述控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)陽極側(cè)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)進(jìn)入陽極尾氣燃燒器的空氣流量、調(diào)節(jié)燃燒后的煙氣溫度，從而調(diào)節(jié)燃料預(yù)熱器出口混合燃料的溫度。

9、所述sofc電堆模組陰極尾氣出口管道和陽極尾氣出口管道上靠近sofc電堆模組出口的位置設(shè)置壓力傳感器，此外，陽極尾氣出口管道上壓力傳感器的下游設(shè)置有陽極尾氣背壓閥，所述控制系統(tǒng)根據(jù)陰極尾氣和陽極尾氣的壓力，自動(dòng)調(diào)節(jié)陽極尾氣背壓閥的開度使得陽極尾氣壓力始終適當(dāng)高于陰極尾氣壓力，從而可以有效降低sofc電堆模組內(nèi)漏產(chǎn)生的安全風(fēng)險(xiǎn)。

10、本發(fā)明的第二目的在于提供上述固體氧化物燃料電池電堆模組測試系統(tǒng)的運(yùn)行方法，包括如下步驟：①sofc電堆模組升溫前，打開主風(fēng)機(jī)，室溫空氣依次進(jìn)入到空氣換熱器、sofc電堆模組、主燃燒器，打開陽極側(cè)風(fēng)機(jī)，室溫空氣依次進(jìn)入到陽極尾氣燃燒器、燃料預(yù)熱器、排煙管道；②sofc電堆模組升溫階段一，通過質(zhì)量流量控制器為主燃燒器通入一定量的天然氣并點(diǎn)火，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M(jìn)入空氣預(yù)熱器對(duì)空氣進(jìn)行加熱，控制系統(tǒng)根據(jù)空氣預(yù)熱器出口管道上布置的溫度傳感器，調(diào)整天然氣的流量，從而控制sofc電堆模組的溫升速率；主燃燒器點(diǎn)火成功后，向混合式蒸汽發(fā)生器的載氣入口通入干燥的混合燃料，干燥的混合燃料依次通過混合式蒸汽發(fā)生器、燃料預(yù)熱器、sofc電堆模組、陽極尾氣燃燒器，混合燃料在陽極尾氣燃燒器中與空氣混合并點(diǎn)火燃燒，燃燒產(chǎn)生的煙氣進(jìn)入到燃料預(yù)熱器對(duì)混合燃料進(jìn)行加熱，控制系統(tǒng)根據(jù)燃料預(yù)熱器出口管道上布置的溫度傳感器，調(diào)整陽極側(cè)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)整陽極尾氣燃燒器中的空氣量、煙氣溫度，從而使進(jìn)入sofc電堆模組的混合燃料和空氣溫度保持一致；此外，控制系統(tǒng)調(diào)整陽極尾氣背壓閥的開度，保證sofc電堆模組陽極尾氣壓力始終適當(dāng)高于陰極尾氣壓力；③sofc電堆模組升溫階段二，當(dāng)sofc電堆模組的溫度、混合燃料經(jīng)過的管道溫度都達(dá)到120℃以上且sofc電堆模組需要通入水蒸氣時(shí)，打開去離子水泵、打開混合式蒸汽發(fā)生器泡沫金屬電加熱單元、打開混合式蒸發(fā)器出口管道上的伴熱帶，為混合燃料加入適當(dāng)?shù)乃魵?，控制系統(tǒng)根據(jù)空氣預(yù)熱器出口空氣溫度、燃料預(yù)熱器出口混合燃料的溫度，調(diào)整天然氣流量、陽極側(cè)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、混合式蒸發(fā)器泡沫金屬電加熱單元的電加熱功率，從而保證sofc電堆模組按照設(shè)定的溫升速率進(jìn)行平穩(wěn)升溫；④sofc電堆模組發(fā)電階段，控制系統(tǒng)根據(jù)sofc電堆模組進(jìn)出口的溫度、發(fā)電功率、功率變化速率的參數(shù)，調(diào)整天然氣流量、混合燃料流量、去離子水流量、陽極側(cè)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、混合式蒸發(fā)器泡沫金屬電加熱單元的電加熱功率，從而達(dá)到目標(biāo)發(fā)電狀態(tài)；⑤sofc電堆模組降溫階段，系統(tǒng)的控制策略同升溫階段類似，當(dāng)sofc電堆模組的溫度、混合燃料經(jīng)過的管道溫度降低至120℃時(shí)，或sofc電堆模組不再需要水蒸氣時(shí)，關(guān)閉去離子水泵；⑥sofc電堆模組處于高溫狀態(tài)下系統(tǒng)急停后的重新啟動(dòng)，先打開陽極側(cè)風(fēng)機(jī)和主燃燒器之間空氣管道上的第一截止閥、關(guān)閉陽極側(cè)風(fēng)機(jī)和陽極尾氣燃燒器之間空氣管道上的第二截止閥，打開陽極循環(huán)風(fēng)機(jī)、給主燃燒器通入天然氣，當(dāng)主燃燒器達(dá)到目標(biāo)溫度后重新啟動(dòng)主風(fēng)機(jī)提供小流量的空氣，小流量的空氣經(jīng)空氣預(yù)熱器加熱后迅速達(dá)到合適的溫度并進(jìn)入sofc電堆模組，然后逐漸提升主風(fēng)機(jī)空氣流量，同時(shí)提高天然氣流量、逐漸降低陽極側(cè)風(fēng)機(jī)的空氣流量，在此過程中始終保持空氣預(yù)熱器出口的高溫空氣溫度為sofc電堆模組的溫度；當(dāng)主風(fēng)機(jī)的空氣流量達(dá)到目標(biāo)值、陽極側(cè)風(fēng)機(jī)的空氣流量逐漸降低為0時(shí)，關(guān)閉陽極側(cè)風(fēng)機(jī)和主燃燒器之間空氣管道上的第一截止閥、打開陽極側(cè)風(fēng)機(jī)和陽極尾氣燃燒器之間空氣管道上的第二截止閥，然后重新打開陽極側(cè)風(fēng)機(jī)、打開混合式蒸汽發(fā)生器泡沫金屬電加熱單元、伴熱帶，向混合式蒸汽發(fā)生器通入混合燃料，陽極尾氣燃燒器點(diǎn)火，調(diào)節(jié)陽極側(cè)風(fēng)機(jī)的空氣流量、混合燃料流量，待陽極尾氣燃燒器、燃料預(yù)熱器出口燃料溫度達(dá)到目標(biāo)溫度后通入去離子水；完成sofc電堆模組處于高溫狀態(tài)下系統(tǒng)急停后的重新啟動(dòng)。

11、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：該系統(tǒng)并沒有采用常規(guī)的空氣電加熱裝置，而是設(shè)置了主燃燒器和陽極尾氣燃燒器，回收了sofc電堆出口的高溫陰極尾氣和陽極尾氣，配合空氣預(yù)熱器和燃料預(yù)熱器為sofc電堆模組提供高溫空氣和燃料，有效降低了sofc電堆模組測試系統(tǒng)的耗電量，同時(shí)也有效避免了系統(tǒng)緊急停機(jī)后重新啟動(dòng)時(shí)對(duì)sofc電堆模組的冷沖擊；陽極尾氣背壓閥的使用降低了sofc電堆模組內(nèi)漏造成的安全風(fēng)險(xiǎn)；混合式蒸汽發(fā)生器的降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度、提高了燃料混合的均勻性；系統(tǒng)耗電量小、穩(wěn)定可靠、可操作性強(qiáng)。