一种固体氧化物燃料电池系统模型的制作方法

1.本发明属于固体氧化物燃料电池技术领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池系统模型。


背景技术：

2.现有的固体氧化物燃料电池系统模型广泛用于各燃料电池企业单位，研究所或其他需要对固体氧化物燃料电池进行动态和静态性能分析、系统优化分析、风险评估等机构。
3.现有的固体氧化物燃料电池系统模型通常是由以化学电堆为核心，辅助以燃烧室、燃料换热器、空气换热器、鼓风机、传感器、流量监测计、气体传输管道以及电控单元组成。其中，气体传输管道通常由空气管道和燃料管道两个进气管道组成，空气和燃料(如：氢气)进入系统后分别通过各自独立的换热器进行升温，随后直接进入电堆参与电化学反应；同时，采用调节空气流量和燃料流量来调节电堆放电工作温度。然而，这种固体氧化物燃料电池系统模型一般存在以下缺陷：
4.1、由于空气和燃料(如：氢气)分别通过各自独立的进气管道和换热器直接与电堆相连，故燃气室排出的废气仅经过一次换热后就排出，热能回收效率较低；
5.2、由于燃料的初始温度及流量、空气的初始温度及流量和燃气室排出的废气的温度及流量等变量均对电堆放电工作温度造成影响，故仅采用调节空气流量和燃料流量作为控制变量来精确控制各个参数在最有效的工作区间内是非常难以实现的；
6.3、现有模型对参数的控制不够精确，尤其是这些参数会进一步影响到电堆的输出电压和输出电流等技术参数，由此会影响后续对系统进行动静态分析和最佳操作点寻优得出的结果。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种结构简单、稳定高效、安全可靠、热能利用率高、节能环保的固体氧化物燃料电池系统模型。
8.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
9.一种固体氧化物燃料电池系统模型，其包括电堆、燃烧室、燃料管道、空气管道、鼓风机、燃料换热器和空气换热器；所述燃料管道的进口端与燃料源连接，所述燃料管道的出口端与所述燃料换热器的第一换热流道的进口端连接，所述燃料换热器的第一换热流道的出口端与所述电堆的阳极侧的进口端连接；所述空气管道的进口端与所述鼓风机连接，所述空气管道的出口端与所述空气换热器的第一换热流道的进口端连接，所述空气换热器的第一换热流道的出口端与所述电堆的阴极侧的进口端连接；所述电堆的阳极侧的出口端与所述燃烧室的进口端连接，所述电堆的阴极侧的出口端与所述燃烧室的进口端连接；所述燃烧室的出口端与所述燃料换热器的第二换热流道的进口端连接，所述燃料换热器的第二换热流道的出口端与所述空气换热器的第二换热流道的进口端连接；所述空气换热器的第二换热流道的出口端连接排气管道。
10.作为本发明的优选方案，所述固体氧化物燃料电池系统模型还包括旁通管道，所述旁通管道的进口端与所述鼓风机连接，所述旁通管道的出口端与所述电堆的阴极侧的进口端连接；所述旁通管道上设有第一流量控制阀。
11.作为本发明的优选方案，所述燃烧室的出口端设有比例分流阀，所述比例分流阀的第一出口端与所述燃料换热器的第二换热流道的进口端，所述比例分流阀的第二出口端与所述排气管道连接。
12.作为本发明的优选方案，所述燃料换热器的第一换热流道的出口端与所述电堆的阳极侧的进口端之间的连接管道上设有第一辅助热源。
13.作为本发明的优选方案，所述空气换热器的第一换热流道的出口端与所述电堆的阴极侧的进口端之间的连接管道上设有第二辅助热源。
14.作为本发明的优选方案，所述燃料管道上连接有第二流量控制阀；所述空气管道上连接有第三流量控制阀。
15.作为本发明的优选方案，所述电堆的阳极侧的进口端处设有用于监测燃料进入所述电堆温度的第一温度检测器；所述电堆的阴极侧的进口端处设有用于监测空气进入所述电堆温度的第二温度检测器。
16.作为本发明的优选方案，所述排气管道的出口端连接有尾气处理系统。
17.作为本发明的优选方案，所述排气管道的出口端与所述尾气处理系统之间连接有水箱。
18.作为本发明的优选方案，所述电堆连接有功率变换器。
19.实施本发明提供的一种固体氧化物燃料电池系统模型，与现有技术相比，其有益效果在于：
20.(1)本发明将两个独立的换热器(即燃料换热器和空气换热器)二合为一，构成一个二级换热器，使得燃料和空气有次序地与燃烧室排出的废气进行先后换热，使得进入电堆的燃料温度始终大于空气温度，提高废气热能的利用率，节约能源；
21.(2)本发明通过旁通管道和第一流量控制阀的设置，能够使经空气换热器升温后的空气与来自旁通管道冷空气混合降温，使进入电堆的空气温度满足预设电化学反应的温度，以适应进入电堆的空气温度过大的工况；
22.(3)本发明通过比例分流阀的设置，能够精确控制参与热交换废气的流量，多余废气经比例分流阀的另一端口排出，在保证进入电堆的燃料温度满足预设电化学反应温度的同时，既能充分利用废气热量，又能有效避免进入电堆的燃料温度过大的工况；
23.(4)本发明通过第一辅助热源的设置，能够使经燃料换热器升温后的燃料进行二次辅热，使进入电堆的燃料温度满足预设电化学反应的温度，以适应进入电堆的燃料温度过小的工况；
24.(5)本发明通过第二辅助热源的设置，能够使经空气换热器升温后的空气进行二次辅热，使进入电堆的空气温度满足预设电化学反应的温度，以适应进入电堆的空气温度过小的工况。
25.可见，本发明的固体氧化物燃料电池系统模型能够使得进入电堆的燃料温度始终大于空气温度，有利于控制电堆入口气体的温度差；同时，通过旁通管道、流量控制阀、比例分流阀和辅助热源的配合工作，能够更好地对输入气体进行预热控温，达到精确控制气体
温度在最有效的工作区间内，从而提高整个燃料电池系统的输出效率，具有结构简单、稳定高效、安全可靠、热能利用率高、节能环保的优点。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
27.图1是本发明实施例的固体氧化物燃料电池系统模型的结构示意图；
28.图中标记：
29.电堆1、燃烧室2、燃料管道3；空气管道4；鼓风机5；燃料换热器6；空气换热器7；排气管道8；旁通管道9；第一流量控制阀10；比例分流阀11；第一辅助热源12；第二辅助热源13；第二流量控制阀14；第三流量控制阀15；第一温度检测器16；第二温度检测器17；尾气处理系统18；水箱19；功率变换器20。
具体实施方式
30.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
31.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
32.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
33.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
34.请一并参阅图1，现对本发明实施例提供的固体氧化物燃料电池系统模型进行说明。
35.如图1所示，本发明实施例的固体氧化物燃料电池系统模型，其包括电堆1、燃烧室2、燃料管道3、空气管道4、鼓风机5、燃料换热器6和空气换热器7；所述燃料管道3的进口端与燃料源连接，所述燃料管道3的出口端与所述燃料换热器6的第一换热流道的进口端连接，所述燃料换热器6的第一换热流道的出口端与所述电堆1的阳极侧的进口端连接；所述空气管道4的进口端与所述鼓风机5连接，所述空气管道4的出口端与所述空气换热器7的第一换热流道的进口端连接，所述空气换热器7的第一换热流道的出口端与所述电堆1的阴极侧的进口端连接；所述电堆1的阳极侧的出口端与所述燃烧室2的进口端连接，所述电堆1的阴极侧的出口端与所述燃烧室2的进口端连接；所述燃烧室2的出口端与所述燃料换热器6的第二换热流道的进口端连接，所述燃料换热器6的第二换热流道的出口端与所述空气换
热器7的第二换热流道的进口端连接；所述空气换热器7的第二换热流道的出口端连接排气管道8。
36.系统运行时，燃料源向系统送入燃料(燃料一般为燃料，也可为其他可燃气体)，燃料通过燃料管道3进入到燃料换热器6，与燃烧室2排出来的废气进行热交换，燃料升温后进入到电堆1的阳极侧参与电化学反应；鼓风机5向系统送入空气，空气通过空气管道4进入到空气换热器7，与燃料换热器6排出来的废气进行热交换，空气升温后进入到电堆1的阴极侧参与电化学反应。可见，本发明将两个独立的换热器(即燃料换热器6和空气换热器7)二合为一，构成一个二级换热器，使得燃料和空气有次序地与燃烧室2排出的废气进行先后换热，使得进入电堆1的燃料温度始终大于空气温度(但温差值不超过200k)，提高废气热能的利用率，节约能源。
37.进一步地，为保证进入电堆1的燃料温度和空气温度均满足预设电化学反应的温度，所述固体氧化物燃料电池系统模型还包括旁通管道9，所述旁通管道9的进口端与所述鼓风机5连接，所述旁通管道9的出口端与所述电堆1的阴极侧的进口端连接；所述旁通管道9上设有第一流量控制阀10。所述燃烧室2的出口端设有比例分流阀11，所述比例分流阀11的第一出口端与所述燃料换热器6的第二换热流道的进口端，所述比例分流阀11的第二出口端与所述排气管道8连接。所述燃料换热器6的第一换热流道的出口端与所述电堆1的阳极侧的进口端之间的连接管道上设有第一辅助热源12。所述空气换热器7的第一换热流道的出口端与所述电堆1的阴极侧的进口端之间的连接管道上设有第二辅助热源13。由此，针对不同工况，具体操作如下：
38.(1)当燃烧室2排出的废气足量或温度达标能够使进入电堆1的燃料温度满足预设电化学反应的温度时，关闭第一辅助热源12，通过比例分流阀11精确控制参与热交换废气的流量，多余废气经比例分流阀11的另一端口排出；
39.(2)当燃烧室2排出的废气不足量或温度不达标使进入电堆1的燃料温度小于预设电化学反应的温度时，比例分流阀11将不再风流，全部废气参与热交换，并打开第一辅助热源12对经燃料换热器6换热之后温度不够的燃料进行二次辅热，使进入电堆1的燃料温度满足预设电化学反应的温度；
40.(3)当燃烧室2排出的废气足量或温度达标能够使进入电堆1的燃料温度满足预设电化学反应的温度，但进入电堆1的空气温度过大时，关闭第二辅助热源13，调节第一流量控制阀10，使经空气换热器7升温后的空气与来自旁通管道9冷空气混合降温，使进入电堆1的空气温度满足预设电化学反应的温度；
41.(4)当燃烧室2排出的废气足量或温度达标能够使进入电堆1的燃料温度满足预设电化学反应的温度，但进入电堆1的空气温度过小时，关闭第一流量控制阀10，打开第二辅助热源13对经空气换热器7升温后的空气进行二次辅热，使进入电堆1的空气温度满足预设电化学反应的温度；
42.(5)当燃烧室2排出的废气不足量或温度不达标使进入电堆1的燃料温度和空气温度均小于预设电化学反应的温度时，比例分流阀11将不再风流，全部废气参与热交换，并打开第一辅助热源12对经燃料换热器6换热之后温度不够的燃料进行二次辅热，使进入电堆1的燃料温度满足预设电化学反应的温度；打开第二辅助热源13对经空气换热器7换热之后温度不够的空气进行二次辅热，使进入电堆1的空气温度均满足预设电化学反应的温度；
43.(6)当燃烧室2排出的废气不足量或温度不达标使进入电堆1的燃料温度小于预设电化学反应的温度，但进入电堆1的空气温度过大时，比例分流阀11将不再风流，全部废气参与热交换，并打开第一辅助热源12对经燃料换热器6换热之后温度不够的燃料进行二次辅热，使进入电堆1的燃料温度满足预设电化学反应的温度；关闭第二辅助热源13，调节第一流量控制阀10，使经空气换热器7升温后的空气与来自旁通管道9冷空气混合降温，使进入电堆1的空气温度满足预设电化学反应的温度。
44.示例性的，为精确控制燃料流量和空气流量，所述燃料管道3上连接有第二流量控制阀14；所述空气管道4上连接有第三流量控制阀15。
45.示例性的，所述电堆1的阳极侧的进口端处设有用于监测燃料进入所述电堆1温度的第一温度检测器16；所述电堆1的阴极侧的进口端处设有用于监测空气进入所述电堆1温度的第二温度检测器17。
46.示例性的，所述排气管道8的出口端连接有尾气处理系统18，以达到减排的目的。
47.示例性的，所述排气管道8的出口端与所述尾气处理系统18之间连接有水箱19。由此，空气换热器7排出的废气与经比例分流阀11分流出的废气合二为一连接到水箱19，可以为水箱19的水加热，实现热能的高效利用。
48.示例性的，所述电堆1连接有功率变换器20。由此，电堆1中经电化学反应产生的电压和电流通过功率变换器20重载后向外部负载稳定供电。
49.综上所述，本发明实施例的固体氧化物燃料电池系统模型能够使得进入电堆1的燃料温度始终大于空气温度，有利于控制电堆1入口气体的温度差；同时，通过旁通管道9、流量控制阀、比例分流阀11和辅助热源的配合工作，能够更好地对输入气体进行预热控温，达到精确控制气体温度在最有效的工作区间内，从而提高整个燃料电池系统的输出效率，具有结构简单、稳定高效、安全可靠、热能利用率高、节能环保的优点。
50.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。