本发明涉及一种气体控制装置。
背景技术：
同时具有SOFC(固体氧化物燃料电池)和SOEC(固体氧化物电解池)的装置属于可逆的能量转化装置，具有清洁高效等特点，其工作温度一般在600-1000℃。在固体氧化物燃料电池模式下，该装置将燃料气体(如H2)的化学能转化为电能，同时生成水；在固体氧化物电解池模式下，该装置利用外界输入的电能将气态水分解来制备H2和O2，将电能以燃料气的形式进行存储。在SOFC和SOEC的两种运行模式下，装置内进行的是两个逆反应，反应气体和载气也存在很大差异。
SOEC不仅可以将水蒸气和CO2分别电解成H2和CO，还可以同时将水蒸气和CO2共电解生成合成气(H2和CO)，与单纯的CO2相比，H2O/CO2共电解具有明显优势：(1)H2的存在抑制了Ni/YSZ电极上的积碳现象；(2)一部分的CO是通过反水煤气转换反应发生，节省了电能，提高了系统的效率。目前，SOEC高温电解广泛采用的是和SOFC相同的固态装置，该能量转换装置在SOFC和SOEC两种工作模式下的性能对于该领域的研究具有重要意义，因此通常研究人员会先研究该装置在SOFC模式下的开路电压、电化学阻抗谱、极化曲线等，待SOFC稳定运行后再转换工作模式和反应气体，进而研究该装置在SOEC工作模式下的相关性能。不同工作模式下，所需要的反应气体组成和流量差别较大。而且由于SOEC中的水是以水蒸气的形式进行反应，这就需要一套完善的气体控制装置来对水蒸气进行汽化和保温，为该装置提供相应的反应气体，同时可以在不同工作模式下灵活转换。
表1 SOFC和SOEC不同工作模式下反应气体组成
目前，固体氧化物燃料电池或固体氧化物电解池领域尚未有合适的气体控制装置能够同时满足SOFC，SOEC电解制氢、SOEC电解CO2、SOEC共电解制备合成气对反应气体的要求。类似的产品大多存在功能单一、水蒸气产生量不稳定、无法测量高温空气湿度、气体流量控制精度较低、混合气浓度不均匀等多个缺点。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术产品功能单一的缺陷，提供一种气体控制装置。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
一种气体控制装置，其特点在于，其包括一空气支路、一氧气支路、一氮气支路、一氢气支路、一二氧化碳支路、一备用支路、一还原气路以及一氧化气路，其中，所述空气支路、氧气支路、氮气支路、氢气支路、二氧化碳支路以及备用支路的出口，分别与所述还原气路以及氧化气路的进口连通。本方案充分考虑了固体氧化物燃料电池和固体氧化物电解池在工作时对原料气体的各种需求，可以针对不同反应模式的电池和电解池灵活准确地为提供所需要的反应气体。另外，本方案中的备用气支路可以用于常规气体的 控制，如H2S，CO，CH4等气体的控制，当然，除去备用气支路，气体控制装置仍然可以正常工作。本发明的并不是简单地将SOFC和SOEC气体控制装置结合，而且充分考虑了SOFC和SOEC测试四种模式对气体控制所有可能的要求，在此基础上将所需气体的控制装置进行了优化组合设计。
较佳地，所述空气支路包括一空气气瓶和一切断阀；所述氧气支路包括一氧气气瓶和一切断阀；所述氮气支路包括一氮气气瓶和一切断阀；所述氢气支路包括一氢气气瓶和一切断阀；所述二氧化碳支路包括一二氧化碳气瓶和一切断阀；所述备用气支路包括一备用气气瓶和一切断阀。通过切断阀的操作，可以方便控制各支路气体的通断。
较佳地，所述空气支路、氧气支路、氮气支路、氢气支路、二氧化碳支路以及备用支路均包括一气压表和一质量流量计。可以通过质量流量计控制相应气体的流量来调节混合气体的成分比例。
较佳地，所述氧化气路包括一第一气体混合室。第一气体混合室可以充分混合氧化混合气。在原有单一提供氧化混合气的设备中，反应效率始终不佳，本方案通过简单地结构，使得混合气充分混合，从而提升了反应效率。
较佳地，从所述还原气路的进口到出口，依次设置有一第二气体混合室、一气化通路和一气体加热室，其中，所述气化通路包括并联在一起的一汽化支路和一常规支路，所述气化支路包括一切断阀和一汽化装置，所述常规支路包括一切断阀。本方案的汽化装置缠有加热带，可以采用加湿器等，能将水蒸气的出口温度提高到250℃，可以有效防止水蒸气的冷凝，同时也保证了气体中水蒸气含量的稳定。一般的装置只是通过控制水温来控制湿度，而且是常温加湿，一般默认装置内水蒸气达到饱和，实际远远达不到饱和，本发明中水温可以加热到100℃，水蒸气含量可以达到80％以上。
较佳地，所述汽化支路和常规支路均分别与一第七阀门和一第八阀门连通，其中，所述第七阀门与所述第二气体混合室连通，所述第八阀门与所述气体加热室连通。
较佳地，所述还原气路还包括一质量流量计。
较佳地，所述气体控制装置还包括一第一阀门、一第二阀门、一第三阀门、一第四阀门、一第五阀门和一第六阀门，其中，
所述第一阀门与所述空气支路、氧气支路以及第二阀门连通；
所述第二阀门与所述第一阀门、第三阀门以及第一气体混合室连通；
所述第三阀门与所述氮气支路、第二阀门以及第六阀门连通；
所述第四阀门与所述氢气支路、二氧化碳支路以及第五阀门连通；
所述第五阀门与所述第四阀门、第六阀门以及备用气支路连通；
所述第六阀门与所述第三阀门、第五阀门以及第二气体混合室连通。
较佳地，所述第二阀门和所述第三阀门之间设置有一切断阀，所述第三阀门和所述第六阀门之间设置有一切断阀。无论是还原反应还是氧化反应，都是需要氮气，本方案通过一系列阀门和切断阀的设计，巧妙的使得在一条氮气支路的情况下，也能满足各种反应的需要。
较佳地，所述第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门和一第六阀门均为三通阀。
较佳地，所述切断阀均为球阀。
较佳地，所述还原气路的出口设置有一湿度计。通过湿度计可以对气体湿度进行准确测试，保证了测试气体中水蒸气含量的准确性。
本发明中，上述优选条件在符合本领域常识的基础上可任意组合，即得本发明的各较佳实施例。
本发明的积极进步效果在于：通过本发明的使用，充分考满足了SOFC和SOEC各测试模式对气体控制所有可能的要求，并进行了优化组合设计，进一步简化了结构，提高了集成度和易用性。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面举出较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本发明。
如图1所示，本实施例包括质量流量计11、质量流量计12、质量流量计13、质量流量计14、质量流量计15、质量流量计16、空气气瓶21、氧气气瓶22、氮气气瓶23、氢气气瓶24、二氧化碳气瓶25、备用气气瓶26、气体加热室31、第一气体混合室41、第二气体混合室42、气压表51、气压表52、气压表53、气压表54、气压表55、气压表56、气压表57、第一阀门61、第二阀门62、第三阀门63、第四阀门64、第五阀门65、第六阀门66、第七阀门67、第八阀门68、切断阀71、切断阀72、切断阀73、切断阀74、切断阀75、切断阀76、切断阀77、切断阀78、切断阀79、加湿器81和湿度计91。
本实施例气体控制装置，包括一空气支路、一氧气支路、一氮气支路、一氢气支路、一二氧化碳支路、一备用支路、一还原气路以及一氧化气路，
如图所示，所述空气支路包括一空气气瓶21和一切断阀71；所述氧气支路包括一氧气气瓶22和一切断阀72；所述氮气支路包括一氮气气瓶23和一切断阀73；所述氢气支路包括一氢气气瓶24和一切断阀74；所述二氧化碳支路包括一二氧化碳气瓶25和一切断阀75；所述备用气支路包括一备用气气瓶26和一切断阀76。通过切断阀的操作，可以方便控制各支路气体的通断。
且所述空气支路、氧气支路、氮气支路、氢气支路、二氧化碳支路以及备用支路均包括一气压表和一质量流量计。可以通过质量流量计控制相应气体的流量来调节混合气体的成分比例。
氧化气路包括一第一气体混合室41。第一气体混合室41可以充分混合氧化混合气。在原有单一提供氧化混合气的设备中，反应效率始终不佳，本方案通过简单地结构，使得混合气充分混合，从而提升了反应效率。
还原气路设置有一第二气体混合室42、一气化通路和一气体加热室31，其中，所述气化通路包括并联在一起的一汽化支路和一常规支路，所述气化支路包括一切断阀78和一加湿器81，所述常规支路包括一切断阀79。本方 案能将水蒸气的出口温度提高到250℃，可以有效防止水蒸气的冷凝，同时也保证了气体中水蒸气含量的稳定。一般的装置只是通过控制水温来控制湿度，而且是常温加湿，一般默认装置内水蒸气达到饱和，实际远远达不到饱和，本实施例中水温可以加热到100℃，水蒸气含量可以达到80％以上。
所述汽化支路和常规支路均分别与一第七阀门67和一第八阀门68连通，其中，第七阀门67与第二气体混合室42连通，第八阀门68与气体加热室31连通。另外，还原气路还包括一质量流量计57。
本实施例的气体控制装置还包括一第一阀门61、一第二阀门62、一第三阀门63、一第四阀门64、一第五阀门65和一第六阀门66，其中，
第一阀门61与空气支路、氧气支路以及第二阀门62连通；
第二阀门62与第一阀门、第三阀门63以及第一气体混合室41连通；
第三阀门63与氮气支路、第二阀门62以及第六阀门66连通；
第四阀门64与氢气支路、二氧化碳支路以及第五阀门65连通；
第五阀门65与第四阀门、第六阀门66以及备用气支路连通；
第六阀门66与第三阀门、第五阀门65以及第二气体混合室42连通。
第二阀门62和第三阀门63之间设置有一切断阀76，第三阀门63和第六阀门66之间设置有一切断阀77。无论是还原反应还是氧化反应，都是需要氮气，本方案通过一系列阀门和切断阀的设计，巧妙的使得在一条氮气支路的情况下，也能满足各种反应的需要。
本实施例的各阀门均为三通阀，而切断阀均为球阀。
如图所示，所述还原气路的出口设置有一湿度计91。通过湿度计91可以对气体湿度进行准确测试，保证了测试气体中水蒸气含量的准确性。
本实施例的装置可以向实验设备的氢电极和氧电极提供气体，在测试前，如需对含H2侧气路进行N2吹扫，关闭切断阀71、切断阀72、切断阀74、切断阀75、切断阀76、切断阀78、切断阀710，打开切断阀73和切断阀77，N2即可通过第三阀门63、第六阀门66、第七阀门67，第八阀门68和气压表57对气路进行吹扫。在测试结束后，也可使用相同的方法通入N2 对气路内含有的H2进行吹扫。
实验1
在SOFC模式下，氢电极侧气体为加湿氢气，氧电极侧气体为氧气。
具体操作为：控制氢电极侧气体时，打开切断阀74、切断阀711和切断阀78，通过气压表54检测气体压力，通过质量流量计14控制气体流量，关闭切断阀75、切断阀710、切断阀79，氢气通过切断阀78到达加湿器81，通过控制加湿器81的温度来控制氢气中水蒸气含量，加湿后的氢气通过气体加热室31进行进一步加热，防止水蒸气冷凝，气体通过气压表57和湿度计91到达出去口，气压表57和湿度计91对出口氢气的压力和湿度进行检测。
控制氧电极侧气体时，关闭切断阀72和切断阀73和切断阀76，氧气通过气压表54检测气体压力，通过第二阀门62和第一气体混合室41到达出口。
实验2
本实验与实验1的不同之处在于：氧电极侧气体为干燥H2，氢电极侧气体为空气。
具体操作为：控制氢电极侧气体时，打开切断阀74、切断阀79和切断阀711，通过气压表54检测气体压力，通过质量流量计14控制气体流量，关闭阀切断阀75、切断阀77、切断阀78和切断阀710，H2通过切断阀79、68、气体加热室71、气压表57和湿度计91达到气体出口。
控制氧电极侧气体时，打开切断阀72，关闭切断阀71、切断阀73和切断阀76，空气通过第一阀门61、第二阀门62和第一气体混合室41到达气体出口。
实验3
本实验与实验1、2的不同之处在于：氢电极侧气体为H2/N2混合气体，氧电极侧气体为空气。
具体操作为：控制氢电极侧气体时，打开切断阀73、切断阀73、切断 阀77和切断阀78，关闭切断阀75、切断阀76和切断阀710，N2通过第三阀门63，第六阀门66到达第二气体混合室42，H2通过切断阀74、第四阀门64、第五阀门65和第六56阀门66到达第二气体混合室42，H2和N2通过第二气体混合室42进行充分混合后通过切断阀79、第八阀门68和气压表57到达气体出口，混合气体中N2和H2比例通过质量流量计13和质量流量计14精确控制。
控制氧电极侧气体时，打开切断阀72，关闭切断阀71和切断阀76，空气通过第一阀门61、第二阀门62和第一气体混合室41到达气体出口。
实验4
本实验与实验1、2、3的不同之处在于：氢电极侧气体为H2，氧电极侧为O2/N2混合气体。
具体操作为：控制氢电极侧气体时，打开切断阀74和切断阀711，关闭切断阀75、切断阀710、切断阀77和切断阀78，H2通过切断阀711、切断阀79、第八阀门68、切断阀71、气压表57和湿度计91达到气体出口。
控制氧电极侧气体时，打开切断阀71、切断阀73和切断阀76,关闭切断阀72和切断阀77,氧气和N2经过第二阀门62在第一气体混合室41充分混合后到达气体出口，氧气和氮气的比例通过质量流量计12和质量流量计13精确控制。
实验5
本实验与实验1的不同之处在于：工作模式为SOEC电解制氢，氢电极侧气体为氢气/水蒸气混合气体，氧电极侧气体为空气。
具体操作为：控制氢电极侧气体时，打开切断阀74、切断阀711和切断阀78，通过气压表54检测气体压力，通过质量流量计14控制气体流量，关闭切断阀75、切断阀710、切断阀79，氢气通过切断阀78到达气体加湿室81，通过控制气体加湿室81的温度来控制氢气中水蒸气含量，加湿后的氢气通过切断阀71进行进一步加热到250℃，防止水蒸气冷凝，气体通过气压表57和湿度计91到达出去口，气压表57和湿度计91对出口氢气的压 力和湿度进行检测，其中加湿器81至气体出口之间的气炉外缠保温带，可以有效防止混合气体中水蒸气的冷凝。
控制氧电极侧气体时，关闭切断阀71和切断阀73和切断阀76，打开切断阀72，空气通过气压表51检测气体压力，通过第二阀门62和第一气体混合室41到达出口，气体流量通过质量流量计11精确控制。
实验6
本实验与实验1、5的不同之处在于：氢电极侧气体为氢气/氮气/水蒸气混合气体，氧电极侧为空气。
具体操作为：控制氢电极侧气体时，关闭切断阀75、切断阀76、切断阀79和切断阀710,打开切断阀73、切断阀74、切断阀77、切断阀78和切断阀711,氮气经过第三阀门63和第六阀门66到达第二气体混合室42,氢气经过第四阀门64、第五阀门65和第六阀门66到达第二气体混合室42，氮气和氢气在第二气体混合室42充分混合后经第七阀门67到达加湿器81，在加湿器81加湿后经第八阀门68到达切断阀71，温度进一步提高到250℃后经57到达气体出口，其中氢气和氮气比例可以通过质量流量计14和质量流量计13精确控制，水蒸气比例可以通过控制加湿器81中温度进行调节，混合气体中水蒸气含量可以通过湿度计91进行测试。
控制氧电极气体时，关闭切断阀71和切断阀76，打开切断阀72,气通过气压表51检测气体压力，通过第二阀门62和第一气体混合室41到达出口，气体流量经过质量流量计11精确控制。
实验7
本实验与实验1、5、6的不同之处在于：氢电极侧气体为氢气/水蒸气混合气体，氧电极侧气体为氮气。
具体操作为：控制氢电极侧气体时，打开切断阀74、切断阀711和切断阀78，通过气压表54检测气体压力，通过质量流量计14控制气体流量，关闭切断阀75、切断阀710、切断阀79，氢气通过切断阀78到达加湿器81，通过控制加湿器81的温度来控制氢气中水蒸气含量，加湿后的氢气通过切 断阀71进行进一步加热到250℃，防止水蒸气冷凝，气体通过气压表57和湿度计91到达出去口，气压表57和湿度计91对出口氢气的压力和湿度进行检测，其中加湿器81至气体出口之间的气炉外缠保温带，可以有效防止混合气体中水蒸气的冷凝。
控制氧电极侧气体时，关闭切断阀71、切断阀72和切断阀77，打开切断阀73,氮气通过第三阀门63、第二阀门62和第一气体混合室41到达出口，气体流量通过质量流量计13精确控制。
实验8
本实验与实验1、5的不同之处在于：工作模式为SOEC电解CO2模式，氢电极一侧通常使用的是H2/CO2混合气体，氧电极侧通常使用的是空气。
具体操作为：控制氢电极侧气体时，关闭切断阀77，切断阀78和切断阀710，打开切断阀74、切断阀75和切断阀711，H2通过第四阀门64，第五阀门65和第六阀门66到达第二气体混合室42，CO2通过第四阀门64，第五阀门65和第六阀门66到达第二气体混合室42,H2和CO2在第二气体混合室42充分混合后经第七阀门67和第八阀门68到达出口，H2和CO2比例通过质量流量计14和质量流量计15进行精确控制。
控制氧电极侧气体时，关闭切断阀71，切断阀73和切断阀76，打开切断阀72，空气通过第一阀门61和第二阀门62到达出口，空气流量通过质量流量计11进行精确控制。
实验9
本实验与实验1、5、8的不同之处在于：工作模式为SOEC共电解制备合成气模式，氢电极侧气体通常为氢气/水蒸气/CO2混合气体，氧电极侧气体通常为空气。
具体操作为：控制氢电极侧气体时，关闭切断阀77，切断阀79和切断阀710，打开切断阀74，切断阀75，切断阀78和切断阀711，氢气通过第四阀门64，第五阀门65和第六阀门66到达第二气体混合室42，CO2通过第四阀门64，第五阀门65和第六阀门66到达第二气体混合室42,氢气CO2 在第二气体混合室42充分混合后经过第七阀门67到达加湿器81,在加湿器81加湿后经第八阀门68到达切断阀71,混合气体在切断阀71加热到～250℃后经气压表57和湿度计91到达氢电极侧气体出口，混合气体中氢气和CO2比例通过质量流量计14和质量流量计15进行精确控制，水蒸气含量通过控制加湿器81温度进行调节，加湿器81至气体出口间气路外缠保温带，防止水蒸气冷凝。混合气体中水蒸气含量通过湿度计91进行测试。
控制氧电极侧气体时，关闭切断阀71，切断阀73和切断阀76，打开切断阀72，空气通过第一阀门61和第二阀门62到达出口，空气流量通过质量流量计11进行精确控制。
本实施例的气体控制装置相对于原有设备具有以下优点：
(1)现有产品第一个缺点是设计单一，只能满足一种或者两种测试模式对气体的要求，一般还原气体侧只能提供氢气或者N2,氧化气体侧只能提供氧气或空气，不能同时电池模式、电解模式和共电解模式对于气体的要求，本发明综合考虑四种模式的要求，在此基础上进行优化组合，可以满足四种模式的测试要求；(2)一般的装置只是通过控制控制水温来控制湿度，而且大多数是常温加湿，一般默认装置内水蒸气达到饱和，没有响应的高温湿度计进行测试，本发明中水温可以加热到100℃，水蒸气含量可以达到80％以上，在气体出口处加入了湿度计，可以对气体湿度进行准确测试，保证了测试气体中水蒸气含量的准确性；(3)现有装置中大多是将不同气体在气路中直接混合，因此存在气体混合不均匀现象，本装置中采用进口流量计，并且在气路中加入了专门的气体混合室来对气体进行进一步混合，保证了混合气体的均匀性。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。