CN113506891A - 一种模块化固体氧化物燃料电池*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种模块化固体氧化物燃料电池***。本发明包括供气模块、余热回收模块、电堆模块、尾气燃烧模块、热管模块、能量储存模块、温度检测及控制模块，负载模块，供气模块、余热回收模块、电堆模块依次连接，电堆模块的输出端与尾气燃烧模块相连，热管模块分别连接储热模块和电堆模块，储能模块与电堆模块相连，热管模块输出端与余热回收模块相连，余热回收模块通过换热器与供气模块的供气换热。负载模块负责跟踪外部的负载变化，并将负载信号传递给控制模块。本发明利用储能***储存多余的热量，降低电堆内部的温度不均匀性，提高SOFC的寿命。利用负载模块中的负荷跟踪和电堆子模块和锂离子电池进行负荷快速响应，提高电堆的稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池***技术领域，尤其涉及一种模块化固体氧化物燃料电池***。
背景技术
固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCell)是采用氧化物离子导体作为电解质，在其两侧制备电极，在阳极侧供给燃料气体，在另阴极侧供给氧化剂(空气、氧气等)，在较高的温度下进行发电的燃料电池。在该SOFC中，氧离子经过具有离子导电性的固体电解质与燃料反应生成水蒸气或二氧化碳，同时产生电能和热能。
SOFC与锂电池相比具有能量密度高、续航时间长的优势，在现场充电、远程电源和辅助电源等移动便携电源领域独具应用前景。与其他类型燃料电池相比，固体氧化物燃料电池燃料适应性强，可使用烃类燃料甚至氨气作为燃料；此外，其电极电解质材料为陶瓷材料，在高温下对于催化剂依赖性低可显著降低燃料电池的成本，因此，近年来针对便携式SOFC***的研究逐渐深入。
相比于固定式发电***，移动式SOFC***负荷变化更为频繁，需要经常启停、变负载，因此，各项操作条件需要频繁动态变化，这会显著影响SOFC***的性能与寿命。具体地，移动式SOFC***，包括但不限于车载、船用或便携应用，存在以下问题：固体氧化物燃料电池需要在600℃至800℃的高温才能发电，自热达到运行温度，而对于1000W以下的可移动便携***而言更是需要可以快速的使电池堆温度达到600℃以上，满足电池运行的要求，目前针对该过程都是采用在***尾气点火燃烧来加热电池堆，但是该方法是电池电堆温度梯度大，容易导致电解质膜破坏和燃料电池寿命衰减，而且升温到600℃所需时间要60min，启动时间过长。同时，相比于固定式发电***，便携式SOFC***负荷变化更为频繁，需要经常启停、变负载，因此，各项操作条件需要频繁动态变化，这会显著影响SOFC***的性能与寿命。
由此可见，目前SOFC的抗冲击能力差，以及在温度梯度较大时会发生性能衰减和长时间运行的寿命衰减的问题有待解决。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种模块化固体氧化物燃料电池***。本发明采用的技术手段如下：
一种模块化固体氧化物燃料电池***，包括供气模块、余热回收模块、电堆模块、尾气燃烧模块、热管模块、能量储存模块、负载模块、温度检测及控制模块，所述供气模块、余热回收模块、电堆模块依次连接，所述电堆模块的输出端与尾气燃烧模块相连，所述热管模块一端连接储热模块，另一端与所述电堆模块相连，所述储能模块与电堆模块相连，所述热管模块的输出端与余热回收模块相连，所述余热回收模块通过换热器与供气模块的供气换热，所述负载模块用于负载跟踪和负载响应调节；
所述供气模块用于调控燃料和空气的流量，所述电堆模块包括并联的电池堆主模块和电池堆子模块，所述尾气燃烧模块用于对电堆模块的尾气中剩余的燃料，通过热管模块调节电堆的温度分布和热量回收，所述余热回收模块用于提高供气模块的供气温度，所述储能***用于存储能量。
进一步地，所述气体供应模块包括燃料罐、空气泵和阀门，通过控制***的反馈信号调节燃料流量阀开度和空气泵的功率，进而调控燃料和空气的流量。
进一步地，所述电池堆子模块由固体氧化物燃料电池电堆组成，包括管式结构、套接管式、扁管式结构，所述电池堆子模块用于电池堆的快速热启动和冷启动，用于承担主模块启动时的温度梯度波动和性能衰减和变负荷工况。
进一步地，还包括温度检测模块，所述温度检测模块分别与电池堆主模块和子模块相连，将电堆温度信号转化为电信号传递给控制***。
进一步地，所述储能***包括热能储存和电化学储能，热能储能通过相变储热材料或者储热合金完成；电化学储能利用锂离子电池进行储能。
进一步地，当外部负载的电负荷在平均负荷之上，通过储能模块的锂离子电池进行快速响应，对负荷进行快速跟踪；控制***基于外部负荷跟踪和本***内部的功率进行比较后，根据不同工况进行调节。主要数据有：1.电堆的温度；2.电堆主子功率；3.电堆主子模块的进气量；4.外部负载的功率大小；控制***调节燃料电池子模块的进气流量，使电池堆子模块的输出功率等于外部负载和平均负载之差，在这过程中的电池堆子模块电量全部或部分用于锂离子电池的充电；等到电池堆子模块的功率达到预定值时，锂离子电池完全断开供电，电池堆主模块和电池堆子模块一起向外部电路供电；
当外部负载低于平均负荷较大时，将电池堆子模块的发电量与外部电路断开，将电池堆子模块的输出电量给锂离子电池充电，然后降低电池堆子模块的进气量来调节电池堆子模块的功率输出，锂离子电池作为调峰的电能储备。
进一步地，当电堆的下次启动时间与本次时间相隔低于预设时间时，电堆采用热启动模式来快速启动，
对于热启动模式，在电堆模块停止工作，准备关闭***时，电池堆主模块的进气***通过减少阀门开度，降低流量，使得电池堆主模块的燃料的电化学消耗反应逐步降低，而子模块流量保持稳定，等到电池堆主模块流量停止后，通过温度监测模块将电堆的温度信号传递给控制模块，在这过程中，电堆输出的电能全部用于锂离子电池充电，放出的余热通过储热***进行储存，控制***根据反馈的温度信号来调节子模块的进气流量来使得电堆保持较高的温度；
在热启动时，储热模块储存的热量通过热管模块与供气模块输出的空气与燃料进行交换，锂离子电池通过与其相连的电热丝将电能转化为热能，加热电池堆主模块，此时储能模块不进行储热，通过热管模块将电池堆子模块的余热传递给电池堆主模块，电池堆主模块预热完成后，供气模块开始送气，启动完成，***开始供电。
进一步地，当电堆的下次启动时间与本次时间相隔高于预设时间时，电堆采用冷启动模式来快速启动，
对于冷启动模式，在电堆模块停止工作，准备关闭***时，电池堆主模块和电池堆子模块通过调节阀门开度，逐渐降低电化学反应速率，此时电堆模块与外部负载断开，电堆模块的发电量全部用于锂离子电池充电，电堆模块的余热被储能模块回收，最后电池堆主、子模块的进气量都为零，电堆不需要进气，下次启动时，储能模块的热量与进口空气进行换热加热子模块温度，储能***的锂离子电池通过发热元件加热电池堆子模块，温度监测***将温度信号传递给控制模块，控制模块待电池堆子模块达到启动温度时，打开进气阀，电池堆子模块开始进行电化学反应，此时锂离子电池开始加热电池堆主模块，尾气燃烧模块的热量用于进口气体的预热，储热***不开启，通过热管将电池堆子模块的热量传递给电池堆主模块，温度监测***将电池堆主模块温度信号传递给控制模块，待电池堆主模块温度达到启动温度时，打开电池堆主模块气体阀，电池堆主模块开始电化学反应，启动完成。
本发明具有以下优点：
1、利用储能***中的热量储存装置-相变储热***或储热合金来储存多余的热量，降低电堆内部的温度不均匀性，提高SOFC的寿命。
2、本发明无论是冷启动还是热启动，均可以快速启动，负载跟踪。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明***图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例公开了一种模块化固体氧化物燃料电池***，包括供气模块、余热回收模块、电堆模块、尾气燃烧模块、热管模块、能量储存模块、负载模块、温度检测及控制模块，所述供气模块、余热回收模块、电堆模块依次连接，所述电堆模块的输出端与尾气燃烧模块相连，所述热管模块一端连接储热模块，另一端与所述电堆模块相连，所述储能模块与电堆模块相连，所述热管模块的输出端与余热回收模块相连，所述余热回收模块通过换热器与供气模块的供气换热，所述负载模块用于负载跟踪和负载响应调节；
所述供气模块用于调控燃料管中燃料和空气的流量。电堆模块是整个***最重要的能量转化装置，是电化学反应发生的场所，所述电堆模块包括气路、电路均并联的电池堆主模块和电池堆子模块。由于为了避免燃料侧阳极被氧化，燃料利用率一般控制在80-90％，为了利用尾气中剩余的燃料，通过所述尾气燃烧模块中的燃烧器对电堆模块的尾气中剩余的燃料，通过热管模块调节电堆的温度分布和热量回收。燃烧器能够燃烧来自电堆模块的废气，燃烧器燃烧所放出的热量通过换热器与进口空气和燃料进行热交换。为了提高电堆模块的电化学反应速率，通过所述余热回收模块将空气和燃料进气与尾气燃烧模块的气体通过换热器进行换热，提高进气温度，回收余热，提高整个***的能量利用率，所述储能***用于存储能量。
所述控制模块用于整个***的功率分配和负载跟踪，对于***负荷变化做出快速响应和策略调整。
具体地，所述气体供应模块包括燃料罐、空气泵和阀门，所述燃料先通过减压阀进行减压，减压后与来自燃烧器的尾气进行一级换热，然后再跟相变储热***耦合的热管进行二次预热，空气过滤网清洁后，通过空气泵进入***，与来自燃烧器的尾气进行一次换热，然后再跟相变储热***耦合的热管进行二次预热。通过控制***的反馈信号调节燃料流量阀开度和空气泵的功率，进而调控燃料和空气的流量。
所述电池堆主模块用于承受稳定的负荷，工作流量平稳。所述电池堆子模块由抗氧化性较强结构的固体氧化物燃料电池电堆组成，包括管式结构、套接管式、扁管式结构，所述电池堆子模块用于电池堆的快速热启动和冷启动，用于承担主模块启动时的温度梯度波动和性能衰减和变负荷工况，提高***的寿命。空气后换热，与燃料电池堆主模块和子模块的气路是并联的，流量分配通过控制模块的信号通过流量调节阀进行调节。电池堆主模块和电池堆子模块的电路也是并联的，电池堆主、子模块的发电量分别供给，既可以给锂电池充电，也可以直接供给外部负载，电量的供给方向由控制模块控制。
SOFC运行时，电堆内部的温度分布不均匀及负载变化过程中产生的温度梯度会导致SOFC陶瓷部件产生热应力，造成陶瓷材料的断裂或屈曲进而导致失效，同时，过高的操作温度还会造成密封失效等问题，因此，维持SOFC电堆温度恒定是控制***至关重要的环节。为此，***还包括温度检测模块，所述温度检测模块可选用热电偶，其分别与电池堆主模块和电池堆子模块相连，将电堆温度信号转化为电信号传递给控制***。
所述储能***包括热能储存和电化学储能，热能储能通过相变储热材料或者储热合金完成；电化学储能利用锂离子电池进行储能。
当外部负载的电负荷在平均负荷之上，通过储能模块的锂离子电池进行快速响应，对负荷进行快速跟踪；控制***基于外部负荷跟踪和本***内部的功率进行比较后，根据不同工况进行调节。主要数据有：1.电堆的温度；2.电堆主子功率；3.电堆主子模块的进气量；4.外部负载的功率大小；控制***调节燃料电池子模块的进气流量，使电池堆子模块的输出功率等于外部负载和平均负载之差，在这过程中的电池堆子模块电量全部或部分用于锂离子电池的充电；等到电池堆子模块的功率达到预定值时，锂离子电池完全断开供电，电池堆主模块和电池堆子模块一起向外部电路供电；
当外部负载低于平均负荷较大时，将电池堆子模块的发电量与外部电路断开，将电池堆子模块的输出电量给锂离子电池充电，然后降低电池堆子模块的进气量来调节电池堆子模块的功率输出，锂离子电池作为调峰的电能储备。
当电堆的下次启动时间与本次时间相隔低于预设时间时，电堆采用热启动模式来快速启动，
对于热启动模式，在电堆模块停止工作，准备关闭***时，电池堆主模块的进气***通过减少阀门开度，降低流量，使得电池堆主模块的燃料的电化学消耗反应逐步降低，而电池堆子模块流量保持稳定，等到电池堆主模块流量停止后，通过温度监测模块将电堆的温度信号传递给控制模块，在这过程中，电堆输出的电能全部用于锂离子电池充电，放出的余热通过储能模块进行储存，控制***根据反馈的温度信号来调节子模块的进气流量来使得电堆保持较高的温度；
在热启动时，储热模块储存的热量通过热管模块与供气模块输出的空气与燃料进行交换，锂离子电池通过与其相连的电热丝将电能转化为热能，加热电池堆主模块，此时储能模块不进行储热，通过热管模块将电池堆子模块的余热传递给电池堆主模块，电池堆主模块预热完成后，供气模块开始送气，启动完成，***开始供电。
当电堆的下次启动时间与本次时间相隔高于预设时间时，电堆采用冷启动模式来快速启动。
对于冷启动模式，在电堆模块停止工作，准备关闭***时，电池堆主模块和电池堆子模块通过调节阀门开度，逐渐降低电化学反应速率，此时电堆模块与外部负载断开，电堆模块的发电量全部用于锂离子电池充电，电堆模块的余热被储能模块回收，最后电池堆主、子模块的进气量都为零，电堆不需要进气，下次启动时，储能模块的热量与进口空气进行换热加热子模块温度，储能***的锂离子电池通过发热元件加热电池堆子模块，温度监测***将温度信号传递给控制模块，控制模块待电池堆子模块达到启动温度时，打开进气阀，电池堆子模块开始进行电化学反应，此时锂离子电池开始加热电池堆主模块，尾气燃烧模块的热量用于进口气体的预热，储热***不开启，通过热管将电池堆子模块的热量传递给电池堆主模块，温度监测***将电池堆主模块温度信号传递给控制模块，待电池堆主模块温度达到启动温度时，打开电池堆主模块气体阀，电池堆主模块开始电化学反应，启动完成。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种模块化固体氧化物燃料电池***，其特征在于，包括供气模块、余热回收模块、电堆模块、尾气燃烧模块、热管模块、能量储存模块、负载模块、温度检测及控制模块，所述供气模块、余热回收模块、电堆模块依次连接，所述电堆模块的输出端与尾气燃烧模块相连，所述热管模块一端连接储热模块，另一端与所述电堆模块相连，所述储能模块与电堆模块相连，所述热管模块的输出端与余热回收模块相连，所述余热回收模块通过换热器与供气模块的供气换热，所述负载模块用于负载跟踪和负载响应调节；
所述供气模块用于调控燃料和空气的流量，所述电堆模块包括并联的电池堆主模块和电池堆子模块，所述尾气燃烧模块用于对电堆模块的尾气中剩余的燃料，通过热管模块调节电堆的温度分布和热量回收，所述余热回收模块用于提高供气模块的供气温度，所述储能***用于存储能量。
2.根据权利要求1所述的模块化固体氧化物燃料电池***，其特征在于，所述气体供应模块包括燃料罐、空气泵和阀门，通过控制***的反馈信号调节燃料流量阀开度和空气泵的功率，进而调控燃料和空气的流量。
3.根据权利要求1所述的模块化固体氧化物燃料电池***，其特征在于，所述电池堆子模块由固体氧化物燃料电池电堆组成，包括管式结构、套接管式、扁管式结构，所述电池堆子模块用于电池堆的快速热启动和冷启动，用于承担主模块启动时的温度梯度波动和性能衰减和变负荷工况。
4.根据权利要求1所述的模块化固体氧化物燃料电池***，其特征在于，还包括温度检测模块，所述温度检测模块分别与电池堆主模块和子模块相连，将电堆温度信号转化为电信号传递给控制***。
5.根据权利要求1所述的模块化固体氧化物燃料电池***，其特征在于，所述储能***包括热能储存和电化学储能，热能储能通过相变储热材料或者储热合金完成；电化学储能利用锂离子电池进行储能。
6.根据权利要求1～5任一项所述的模块化固体氧化物燃料电池***，其特征在于，当外部负载的电负荷在平均负荷之上，通过储能模块的锂离子电池进行快速响应，对负荷进行快速跟踪；控制***调节燃料电池子模块的进气流量，使电池堆子模块的输出功率等于外部负载和平均负载之差，在这过程中的电池堆子模块电量全部或部分用于锂离子电池的充电；等到电池堆子模块的功率达到预定值时，锂离子电池完全断开供电，电池堆主模块和电池堆子模块一起向外部电路供电；
当外部负载低于平均负荷较大时，将电池堆子模块的发电量与外部电路断开，将电池堆子模块的输出电量给锂离子电池充电，然后降低电池堆子模块的进气量来调节电池堆子模块的功率输出，锂离子电池作为调峰的电能储备。
7.根据权利要求1～5任一项所述的模块化固体氧化物燃料电池***，其特征在于，当电堆的下次启动时间与本次时间相隔低于预设时间时，电堆采用热启动模式来快速启动，
对于热启动模式，在电堆模块停止工作，准备关闭***时，电池堆主模块的进气***通过减少阀门开度，降低流量，使得电池堆主模块的燃料的电化学消耗反应逐步降低，而子模块流量保持稳定，等到电池堆主模块流量停止后，通过温度监测模块将电堆的温度信号传递给控制模块，在这过程中，电堆输出的电能全部用于锂离子电池充电，放出的余热通过储热***进行储存，控制***根据反馈的温度信号来调节子模块的进气流量来使得电堆保持较高的温度；
在热启动时，储热模块储存的热量通过热管模块与供气模块输出的空气与燃料进行交换，锂离子电池通过与其相连的电热丝将电能转化为热能，加热电池堆主模块，此时储能模块不进行储热，通过热管模块将电池堆子模块的余热传递给电池堆主模块，电池堆主模块预热完成后，供气模块开始送气，启动完成，***开始供电。
8.根据权利要求1～5任一项所述的模块化固体氧化物燃料电池***，其特征在于，当电堆的下次启动时间与本次时间相隔高于预设时间时，电堆采用冷启动模式来快速启动，
对于冷启动模式，在电堆模块停止工作，准备关闭***时，电池堆主模块和电池堆子模块通过调节阀门开度，逐渐降低电化学反应速率，此时电堆模块与外部负载断开，电堆模块的发电量全部用于锂离子电池充电，电堆模块的余热被储能模块回收，最后电池堆主、子模块的进气量都为零，电堆不需要进气，下次启动时，储能模块的热量与进口空气进行换热加热子模块温度，储能***的锂离子电池通过发热元件加热电池堆子模块，温度监测***将温度信号传递给控制模块，控制模块待电池堆子模块达到启动温度时，打开进气阀，电池堆子模块开始进行电化学反应，此时锂离子电池开始加热电池堆主模块，尾气燃烧模块的热量用于进口气体的预热，储热***不开启，通过热管将电池堆子模块的热量传递给电池堆主模块，温度监测***将电池堆主模块温度信号传递给控制模块，待电池堆主模块温度达到启动温度时，打开电池堆主模块气体阀，电池堆主模块开始电化学反应，启动完成。
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