固体氧化物燃料电池系统及其启动方法与流程

本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，更具体地说，涉及一种固体氧化物燃料电池系统及其启动方法。

背景技术：

固体氧化物燃料电池，是一种在中高温条件下将燃料中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的全固态化学发电装置。如图1所示，固体氧化物燃料电池系统主要包括：空气加热器、燃料重整器、电堆和尾气燃烧器，其中，电堆通常包括几个乃至十几个电堆单元，每个电堆单元需要分别提供燃料电池反应需要的空气和燃料。

由于固体氧化物燃料电池属于中高温燃料电池，电堆运行温度高达600℃-1000℃，则空气和燃料进入电堆前均需要加热。空气在空气加热器中被加热升温，进入每个电堆单元的阴极；燃料则在燃料重整器中被加热重整，天然气在高温下被重整成h2和co等，而后进入每个电堆单元阳极。

固体氧化物燃料电池系统在冷启动时，电堆需要加热至600℃-1000℃，系统才能正常工作，此时通常在尾气燃烧器中喷入燃料，燃料催化燃烧放热，释放出的热量对空气和燃料进行加热，即空气加热、燃料加热重整所需要的能量来自尾气燃烧器产生的高温排气，升温后的空气和燃料则继续对电堆进行加热，从而逐步提高电堆的温度，直到电堆温度升至正常高温反应温度。

由于空气加热、燃料加热重整所需要的能量来自尾气燃烧器产生的高温排气，导致空气和燃料的温度提升较慢，电堆的预热较慢，使得整个固体氧化物燃料电池系统的启动时间较长，可长达数小时。而固体氧化物燃料电池系统长达数小时的启动时间是其应用推广的一个关键难点，严重制约了固体氧化物燃料电池系统在车用领域的应用。

另外，固体氧化物燃料电池系统需要燃料喷射、点火及控制装置，使得整个系统较复杂，而且，燃料燃烧不可避免地会产生一些有害气体排放，较难满足清洁环保的需求。

另外，固体氧化物燃料电池包括多个电堆单元，每个电堆单元又由上百片电池单元组成，电堆整体质量较大，电堆材质也是热容较大的材质，例如陶瓷和金属等，导致电堆的热容较大，升温速度较慢。

综上所述，如何启动固体氧化物燃料电池系统，以缩短启动时间，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种固体氧化物燃料电池系统的启动方法，以缩短启动时间。本发明的另一目的是提供一种固体氧化物燃料电池系统。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种固体氧化物燃料电池系统的启动方法，包括步骤：

加热空气；

加热燃料；

使加热后的空气和燃料进入电堆，完成预热；

其中，所述步骤：加热燃料，具体包括步骤：采用第一加热器对燃料进行加热，所述第一加热器与燃料重整器串联；

和/或，所述步骤：加热空气，具体包括步骤：采用第二加热器对空气进行加热，所述第二加热器与空气加热器串联。

优选地，所述步骤：采用第一加热器对燃料进行加热，具体为：采用第一加热器对经过所述燃料重整器的燃料进行加热；

所述步骤：采用第二加热器对空气进行加热，具体为：采用第二加热器对经过所述空气加热器的空气进行加热。

优选地，所述第一加热器和所述第二加热器均为电加热器。

优选地，若采用所述第一加热器对燃料进行加热，当所述电堆的每个电堆单元的排气温度均达到预设值时，停止所述第一加热器加热；

若采用所述第二加热器对空气进行加热，当所述电堆的每个电堆单元的排气温度均达到预设值时，停止所述第二加热器加热。

优选地，所述步骤：使加热后的空气和燃料进入电堆，完成预热，具体为：

使加热后的空气和燃料依次进入所述电堆的各个电堆单元，依次完成各个所述电堆单元的预热；其中，所述电堆包括至少两个电堆单元。

优选地，所述步骤：使加热后的空气和燃料依次进入所述电堆的各个电堆单元，具体为：

当前一个所述电堆单元的排气温度达到预设值时，使加热后的空气和燃料进入后一个所述电堆单元。

优选地，所述固体氧化物燃料电池系统的启动方法还包括步骤：

使所述电堆排出的尾气进入尾气燃烧器；

采用所述尾气燃烧器的排气向所述空气加热器和所述燃料重整器供热。

本发明提供的固体氧化物燃料电池系统的启动方法，采用与燃料重整器串联的第一加热器对燃料进行加热和/或采用与空气加热器串联的第二加热器对空气进行加热，较现有技术利用尾气燃烧器中燃料燃烧的热量加热空气和燃料相比，通过第一加热器能够直接对燃料进行加热和/或通过第二加热器能够直接对空气进行加热，能够提高燃料和/或空气的升温速度，从而能够提高电堆的预热速度，进而缩短了固体氧化物燃料电池系统的启动时间。

基于上述提供的固体氧化物燃料电池系统的启动方法，本发明还提供了一种固体氧化物燃料电池系统，该固体氧化物燃料电池系统包括：空气加热器、燃料重整器、电堆、以及与所述燃料重整器串联且用于加热燃料的第一加热器。

优选地，所述固体氧化物燃料电池系统还包括：与所述空气加热器串联，且用于加热空气的第二加热器。

优选地，所述燃料重整器、所述第一加热器和所述电堆依次连通，所述空气加热器、所述第二加热器和所述电堆依次连通。

优选地，所述第一加热器和所述第二加热器均为电加热器。

优选地，所述固体氧化物燃料电池系统还包括第一控制器，当冷启动时，所述第一控制器用于控制所述第一加热器和/或所述第二加热器加热以完成预热。

优选地，若冷启动时所述第一控制器用于控制所述第一加热器加热，当所述电堆的每个电堆单元的排气温度均达到预设值时，所述第一控制器还用于控制所述第一加热器停止加热；

若冷启动时所述第一控制器用于控制所述第二加热器加热，当所述电堆的每个电堆单元的排气温度均达到预设值时，所述第一控制器还用于控制所述第二加热器停止加热。

优选地，所述电堆包括至少两个电堆单元；

所述固体氧化物燃料电池系统还包括：

用于向所述电堆单元导入空气和燃料的支路管组，所述支路管组与所述电堆单元一一对应；

第二控制器，用于控制各个所述支路管组依次导通以依次完成各个所述电堆单元的预热。

优选地，所述第二控制器具体为：当与前一个导通的所述支路管组对应的所述电堆单元的排气温度达到预设值时，所述第二控制器用于控制后一个所述支路管组导通。

优选地，所述支路管组包括：向所述电堆单元的阴极导入空气的空气支路，以及向所述电堆单元的阳极导入燃料的燃料支路；

所述空气支路串接有空气控制阀，所述燃料支路串接有燃料控制阀；

其中，所述第二控制器通过所述空气控制阀控制所述空气支路导通，所述第二控制器通过所述燃料控制阀控制所述燃料支路导通。

优选地，所述固体氧化物燃料电池系统还包括供热管道，所述供热管道用于将所述固体氧化物燃料电池系统的尾气燃烧器的排气导入所述空气加热器和所述燃料重整器。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例和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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有的提供的固体氧化物燃料电池系统的启动框图；

图2为本发明实施例提供的固体氧化物燃料电池系统的启动框图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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2所示，本发明实施例提供的固体氧化物燃料电池系统的启动方法，包括步骤：

加热空气；

加热燃料；

使加热后的空气和燃料进入电堆，完成预热。

其中，上述步骤加热燃料，具体包括步骤：采用第一加热器对燃料进行加热，第一加热器与燃料重整器串联；

和/或，上述步骤加热空气，具体包括步骤：采用第二加热器对空气进行加热，第二加热器与空气加热器串联。

上述步骤加热空气和上述步骤加热燃料，可先后进行，也可同时进行，本发明实施例对此不做限定。可以理解的是，完成预热，即完成电堆的预热，表明启动完成。

需要说明的是，在高温下，天然气等燃料和水蒸气燃料在燃料重整器内发生反应，生成燃料电池反应需要的h2和co等。空气加热器用于对空气进行加热。电堆是固体氧化物燃料电池系统的核心部件，电堆的电堆单元的阳极为燃料发生氧化的场所，电堆单元的阴极为氧化剂还原的场所。第一加热器与燃料重整器串联，是指沿燃料输送管道第一加热器与燃料重整器串联；第二加热器与空气加热器串联，是指沿空气输送管道第二加热器与空气加热器串联。

本发明实施例提供的固体氧化物燃料电池系统的启动方法，采用与燃料重整器串联的第一加热器对燃料进行加热和/或采用与空气加热器串联的第二加热器对空气进行加热，较现有技术利用尾气燃烧器中燃料燃烧的热量加热空气和燃料相比，通过第一加热器能够直接对燃料进行加热和/或通过第二加热器能够直接对空气进行加热，能够提高燃料和/或空气的升温速度，从而能够提高电堆的预热速度，进而缩短了固体氧化物燃料电池系统的启动时间。

同时，本发明实施例提供的固体氧化物燃料电池系统的启动方法，采用第一加热器对燃料进行加热和/或采用第二加热器对空气进行加热，则无需再利用燃料在尾气燃烧器中燃烧的热量加热空气和燃料，即无需再采用燃料喷射、点火及控制装置，简化了整个固体氧化物燃料电池系统的结构。

同时，本发明实施例提供的固体氧化物燃料电池系统的启动方法，采用与燃料重整器串联的第一加热器对燃料进行加热和/或采用与空气加热器串联的第二加热器对空气进行加热，则能够实现燃料的双级加热以及空气的双级加热，进一步提高了电堆的预热速度，进一步缩短了启动时间。

为了提高加热速度，上述步骤：采用第一加热器对燃料进行加热，具体为：采用第一加热器对经过燃料重整器的燃料进行加热。可以理解的是，此时，沿燃料流向，第一加热器位于燃料重整器的下游。

相应地，上述步骤：采用第二加热器对空气进行加热，具体为：采用第二加热器对经过空气加热器的空气进行加热。可以理解的是，此时，沿空气流向，第二加热器位于空气加热器的下游。

当然，也可选择沿燃料流向，第一加热器位于燃料重整器的上游；沿空气流向，第二加热器位于空气加热器的上游，并不局限于上述实施例。

对于第一加热器和第二加热器的具体类型和结构，根据实际需要进行设计。为了简化结构，上述第一加热器和第二加热器均为电加热器。而且，电加热器的加热效率较高，进一步提高了加热效率，缩短了启动时间。另外，电加热器不会排放有害气体，能够满足清洁环保的需求。

当然，也可选择上述第一加热器和第二加热器为液体加热器，例如冷媒加热器等，并不局限于上述实施例。

优选地，若采用第一加热器对燃料进行加热，当电堆的每个电堆单元的排气温度均达到预设值时，停止第一加热器加热。这样，减少了第一加热器的加热时间，节省了能源和成本。

相应地，若采用第二加热器对空气进行加热，当电堆的每个电堆单元的排气温度均达到预设值时，停止第二加热器加热。这样，减少了第二加热器的加热时间，节省了能源和成本。

为了进一步优化上述技术方案，上述步骤：使加热后的空气和燃料进入电堆，完成预热，具体为：

使加热后的空气和燃料依次进入电堆的各个电堆单元，依次完成各个电堆单元的预热；其中，电堆包括至少两个电堆单元。

可以理解的是，依次进入各个电堆单元，是指按照顺序进入各个电堆单元；依次完成各个电堆单元的预热，即按照顺序完成各个电堆单元的预热。

上述启动方法，由于燃料和空气依次进入各个电堆单元，则依次对各个电堆单元进行加热，较现有技术燃料和空气同时进入各个电堆单元相比，显著降低了电堆的热容，提高了每个电堆单元的预热速度；而且依次对各个电堆单元进行加热，则各个电堆单元依次完成预热，先完成预热的电堆单元可以在供电的同时为其他电堆提供大量热能，进一步提高了每个电堆单元的预热速度，有效缩短了固体氧化物燃料电池系统的启动时间。

为了便于保证各个电堆单元依次完成预热，上述步骤：使加热后的空气和燃料依次进入电堆的各个电堆单元，具体为：

当前一个电堆单元的排气温度达到预设值时，使加热后的空气和燃料进入后一个电堆单元。

对于预设值，根据电堆单元的反应温度进行设定，本发明实施例对此不做限定。

以电堆单元为三个为例，三个电堆单元分别为第一电堆单元、第二电堆单元和第三电堆单元。使加热后的空气和燃料依次进入第一电堆单元、第二电堆单元和第三电堆单元，具体地：使加热后的空气和燃料进入第一电堆单元，当第一电堆单元的排气温度达到预设值时，则表明第一电堆单元完成预热，使加热后的空气和燃料进入第二电堆单元；当第二电堆单元的排气温度达到预设值时，则表明第二电堆单元完成预热，使加热后的空气和燃料进入第三电堆单元。

可以理解的是，加热后的空气和燃料进入第二电堆单元时，加热后的空气和燃料也进入第一电堆单元；加热后的空气和燃料进入第三电堆单元时，加热后的空气和燃料也进入第一电堆单元和第二电堆单元。

上述固体氧化物燃料电池系统的启动方法中，也可选择其他方式来保证各个电堆单元依次完成预热，例如，根据燃料和空气导入电堆单元的时间来保证等，并不局限于上述实施例。

优选地，上述固体氧化物燃料电池系统的启动方法，还包括步骤：

使电堆排出的尾气进入尾气燃烧器；

采用尾气燃烧器的排气向空气加热器和燃料重整器供热。

电堆中未完全反应的h2、co等燃料在尾气燃烧器中催化燃烧，反应后生成co2和h2o等，并放出热量。

可以理解的是，此时，上述步骤加热燃料还包括步骤：利用燃料重整器加热燃料；上述步骤加热空气还包括步骤：利用空气加热器加热空气。

上述固体氧化物燃料电池系统的启动方法，充分利用了尾气燃烧器的排气能量，相应地，减小了第一加热器和第二加热器的工作量，节省了能源。

基于上述实施例提供的固体氧化物燃料电池系统的启动方法，本发明实施例还提供了一种固体氧化物燃料电池系统，如图2所示，该固体氧化物燃料电池系统包括：空气加热器、燃料重整器、电堆和第一加热器，其中，第一加热器用于加热燃料，且上述燃料重整器和第一加热器串联。

在高温下，天然气等燃料和水蒸气燃料在燃料重整器内发生反应，生成燃料电池反应需要的h2和co等。电堆是固体氧化物燃料电池系统的核心部件，电堆的电堆单元的阳极为燃料发生氧化的场所，电堆单元的阴极为氧化剂还原的场所。第一加热器与燃料重整器串联，是指沿燃料输送管道第一加热器与燃料重整器串联。

本发明实施例提供的固体氧化物燃料电池系统，当启动时，采用与燃料重整器串联的第一加热器对燃料进行加热，实现了直接加热，较现有技术利用尾气燃烧器中燃料燃烧的热量加热燃料相比，能够提高燃料的升温速度，从而能够提高电堆的预热速度，进而缩短了固体氧化物燃料电池系统的启动时间。

同时，本发明实施例提供的固体氧化物燃料电池系统中，第一加热器与燃料重整器串联，则能够实现对燃料的双级加热，进一步提高了加热速度，提高了电堆的预热速度，从而进一步缩短了启动时间。

进一步地，上述固体氧化物燃料电池系统还包括第二加热器，该第二加热器用于加热空气，且第二加热器与空气加热器串联。可以理解的是，第二加热器与空气加热器串联，是指沿空气输送管道第二加热器与空气加热器串联。

上述固体氧化物燃料电池系统，当启动时，采用与空气加热器串联的第二加热器对空气进行加热，实现了直接加热，较现有技术利用尾气燃烧器中燃料燃烧的热量加热空气相比，能够提高空气的升温速度，从而能够提高电堆的预热速度，进而缩短了固体氧化物燃料电池系统的启动时间。

同时，本发明实施例提供的固体氧化物燃料电池系统中，第二加热器与空气加热器串联，则能够实现对空气的双级加热，进一步提高了加热速度，提高了电堆的预热速度，从而进一步缩短了启动时间。

上述固体氧化物燃料电池系统，采用第一加热器对燃料进行加热，以及采用第二加热器对空气进行加热，则无需再利用燃料在尾气燃烧器中燃烧的热量加热空气和燃料，即无需再采用燃料喷射、点火及控制装置，简化了整个固体氧化物燃料电池系统的结构。

为了提高加热速度，优先选择燃料重整器、第一加热器和电堆依次连通。可以理解的是，沿燃料流向，第一加热器位于燃料重整器的下游。第一加热器对经过燃料重整器的燃料进行加热。

相应地，空气加热器、第二加热器和电堆依次连通。可以理解的是，沿空气流向，第二加热器位于空气加热器的下游。第二加热器对经过空气加热器的空气进行加热。

当然，也可选择沿燃料流向，第一加热器位于燃料重整器的上游；沿空气流向，第二加热器位于空气加热器的上游，并不局限于上述实施例。

对于第一加热器和第二加热器的具体类型和结构，根据实际需要进行设计。为了简化结构，优先选择第一加热器和第二加热器均为电加热器。

而且，电加热器的加热效率较高，进一步提高了加热效率，缩短了启动时间。另外，电加热器不会排放有害气体，能够满足清洁环保的需求。

当然，也可选择上述第一加热器和第二加热器为液体加热器，例如冷媒加热器等，并不局限于上述实施例。

优选地，上述固体氧化物燃料电池系统还包括第一控制器，当冷启动时，第一控制器用于控制第一加热器和/或第二加热器加热以完成预热。这样，方便了控制和启动。

进一步地，若冷启动时第一控制器用于控制第一加热器加热，当电堆的每个电堆单元的排气温度均达到预设值时，第一控制器还用于控制第一加热器停止加热。这样，减少了第一加热器的加热时间，节省了能源和成本。

相应地，若冷启动时第一控制器用于控制第二加热器加热，当电堆的每个电堆单元的排气温度均达到预设值时，第一控制器还用于控制第二加热器停止加热。这样，减少了第二加热器的加热时间，节省了能源和成本。

为了进一步优化上述技术方案，上述电堆包括至少两个电堆单元；上述固体氧化物燃料电池系统还包括：支路管组和第二控制器。

上述支路管组向电堆单元导入空气和燃料，且该支路管组与电堆单元一一对应；第二控制器用于控制各个支路管组依次导通以依次完成各个电堆单元的预热。

可以理解的是，各个支路管组依次导通，是指各个支路管组按顺序导通；依次完成各个电堆单元的预热，即按顺序完成各个电堆单元的预热。

上述固体氧化物燃料电池系统，第二控制器用于控制各个支路管组依次导通，则使得加热后的空气和燃料依次进入电堆的各个电堆单元，则依次对各个电堆单元进行加热，较现有技术燃料和空气同时进入各个电堆单元相比，显著降低了电堆的热容，提高了每个电堆单元的预热速度；而且依次对各个电堆单元进行加热，则各个电堆单元依次完成预热，先完成预热的电堆单元可以在供电的同时为其他电堆提供大量热能，进一步提高了每个电堆单元的预热速度，有效缩短了固体氧化物燃料电池系统的启动时间。

为了便于保证各个电堆单元依次完成预热，上述第二控制器具体为：当与前一个导通的支路管组对应的电堆单元的排气温度达到预设值时，第二控制器用于控制后一个支路管组导通。

对于预设值，根据电堆单元的反应温度进行设定，本发明实施例对此不做限定。

以电堆单元为三个为例，三个电堆单元分别为第一电堆单元、第二电堆单元和第三电堆单元，与第一电堆单元对应的支路管组为第一支路管组，与第二电堆单元对应的支路管组为第二支路管组，与第三电堆单元对应的支路管组为第三支路管组。第二控制器用于控制第一支路管组、第二支路管组、第三支路管组依次导通，具体地，第二控制器控制第一支路管组导通，当第一电堆单元的排气温度达到预设值时，则表明第一电堆单元完成预热，第二控制器控制第二支路管组导通；当第二电堆单元的排气温度达到预设值时，则表明第二电堆单元完成预热，第二控制器控制第三支路管组导通。

可以理解的是，第二支路管组导通时，第一支路管组也导通；第三支路管组导通时，第一支路管组和第二支路管组也导通。

上述固体氧化物燃料电池系统，也可选择其他方式来保证各个电堆单元依次完成预热，例如，根据燃料和空气导入电堆单元的时间来保证等，并不局限于上述实施例。

为了便于控制支路管组的导通，上述支路管组包括：向电堆单元的阴极导入空气的空气支路，以及向电堆单元的阳极导入燃料的燃料支路；空气支路串接有空气控制阀，燃料支路串接有燃料控制阀。可以理解的是，空气控制阀与空气支路一一对应，空气支路与电堆单元一一对应；燃料控制阀与燃料支路一一对应，燃料支路与电堆单元一一对应。

上述第二控制器通过空气控制阀控制空气支路导通，具体地，第二控制器控制空气控制阀打开，实现控制具有该空气控制阀的空气支路导通；第二控制器通过燃料控制阀控制燃料支路导通，具体地，第二控制器控制燃料控制阀打开，实现控制具有该燃料控制阀的燃料支路导通。

优选地，上述固体氧化物燃料电池系统还包括供热管道，该供热管道用于将固体氧化物燃料电池系统的尾气燃烧器的排气导入空气加热器和燃料重整器。

可以理解的是，电堆中未完全反应的h2、co等燃料在尾气燃烧器中催化燃烧，反应后生成co2和h2o等，并放出热量。供热管道与尾气燃烧器的排气口连通，空气加热器和燃料重整器依次串接于供热管道，尾气燃烧器的排气向空气加热器和燃料重整器供热。

上述固体氧化物燃料电池系统，充分利用了尾气燃烧器的排气能量，相应地，减小了第一加热器和第二加热器的工作量，节省了能源。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。