一種固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，它是一種能夠有效控制電堆入口氣體溫度的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，更精確地說(shuō)，它是一種在不影響系統(tǒng)其它控制量的基礎(chǔ)上，能增加系統(tǒng)的輸入控制量、提高系統(tǒng)可控度與安全性能的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，S0FC)是一種工作在600?800°C的綠色、高效能量轉(zhuǎn)換裝置，通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)能夠直接將碳?xì)浠衔镏械幕瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，沒(méi)有燃燒與機(jī)械傳動(dòng)，因而具有安靜、清潔、高效等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為21世紀(jì)最具前景的綠色發(fā)電技術(shù)之一。平板式SOFC因具有高能比、易組裝等優(yōu)點(diǎn)而成為SOFC技術(shù)應(yīng)用的主流。
[0003]SOFC較高的工作溫度為其帶來(lái)了燃料廣泛適應(yīng)性、高品位尾氣熱能等優(yōu)點(diǎn)，可使用天然氣、煤氣、沼氣、生物質(zhì)等燃料，并且可與渦輪機(jī)(GT)等部件形成混合發(fā)電系統(tǒng)或熱電聯(lián)供系統(tǒng)，系統(tǒng)效率可達(dá)80%以上。然而，高溫也帶來(lái)了極具挑戰(zhàn)的控制問(wèn)題。為了保證SOFC的安全、長(zhǎng)壽命工作，需要將電堆的最大工作溫度、電池片的溫度梯度、電堆入口氣體溫差三個(gè)溫度指標(biāo)嚴(yán)格控制在設(shè)定的安全范圍之內(nèi)，在系統(tǒng)的熱、電相互耦合嚴(yán)重的情況下，溫度的控制成了十分棘手的問(wèn)題。
[0004]有大量的學(xué)者進(jìn)行了電堆溫度控制的相關(guān)研究，其中就有學(xué)者通過(guò)建模仿真研究指出，在控制電堆入口氣體流量的同時(shí)，如果能控制電堆入口氣體的溫度，則可以更有效地控制電堆的三個(gè)溫度指標(biāo)，為系統(tǒng)的安全、長(zhǎng)壽命運(yùn)行提供了可供參考的方法與理論支撐。目前已有的控制方法中，已有通過(guò)加設(shè)一個(gè)冷空氣的旁路來(lái)控制電堆入口的空氣溫度的方法，并且已有較好的應(yīng)用，例如在發(fā)明專(zhuān)利US6608463B1中，系統(tǒng)考慮了使用空氣旁路來(lái)調(diào)節(jié)電堆入口空氣溫度。然而這個(gè)方法具有2個(gè)不足之處:1.它只能單獨(dú)調(diào)節(jié)電堆入口空氣的溫度，而不能調(diào)節(jié)電堆入口氫氣的溫度，所以它對(duì)于電堆，特別是交叉流的溫度梯度控制手段不足；2.該方法調(diào)節(jié)電堆入口空氣溫度一般會(huì)改變進(jìn)入電堆的空氣流量，這樣使得電堆入口空氣的流量和溫度相互耦合在一起，加劇了系統(tǒng)的耦合程度，并為電堆的溫度梯度的控制帶來(lái)了困難。這樣使得系統(tǒng)仍然面臨控制量嚴(yán)重耦合，系統(tǒng)被控量數(shù)目多于控制量的困境。因此，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可控性，增加系統(tǒng)電堆的溫度安全性能，需要在低成本的條件下提供一種耦合度小，而不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和技術(shù)需求，本發(fā)明的目的在于在于提供一種能夠提高系統(tǒng)可控性，增加系統(tǒng)電堆的溫度安全性能，并且對(duì)系統(tǒng)耦合度小的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明技術(shù)方案為:
[0007]一種固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，包括預(yù)熱電堆入口空氣溫度的空氣換熱器單元、預(yù)熱電堆入口燃料溫度的燃料換熱器單元、固體氧化物燃料電池電堆單元、電堆溫度檢測(cè)單元、系統(tǒng)控制器、電堆尾氣回收燃燒室單元、空氣換熱器尾氣出冷凝器、燃料換熱器尾氣出口冷凝器、空氣換熱器尾氣出口流量控制閥門(mén)以及燃料換熱器尾氣出口流量控制閥門(mén)；其中；
[0008]固體氧化物燃料電池電堆單元，其空氣輸入端、燃料輸入端分別接空氣換熱器單元與燃料換熱器單元的空氣輸出端與燃料輸出端，電堆尾氣回收燃燒室單元的空氣輸入和燃料輸入端分別接固體氧化物燃料電池電堆單元的空氣尾氣輸出端和燃料輸出端；電堆尾氣回收燃燒室單元的高溫?zé)煔廨敵龆私尤ü?，煙氣一分為二，其中一路煙氣接空氣換熱器單元的高溫?zé)煔廨斎攵?，另一路煙氣接燃料換熱器單元的高溫?zé)煔廨斎攵?；空氣換熱器單元的高溫?zé)煔廨敵龆私涌諝鈸Q熱器尾氣出冷凝器后再接空氣換熱器尾氣出口流量控制閥門(mén)，燃料換熱器單元的高溫?zé)煔廨敵龆私尤剂蠐Q熱器尾氣出口冷凝器后再接燃料換熱器尾氣出口流量控制閥門(mén)；
[0009]所述電堆溫度檢測(cè)單元用于采集固體氧化物燃料電池電堆單元的溫度分布狀況，然后傳送給系統(tǒng)控制器，系統(tǒng)控制器再將控制信號(hào)傳輸給空氣換熱器尾氣出口流量控制閥門(mén)以及燃料換熱器尾氣出口流量控制閥門(mén)進(jìn)行閥門(mén)開(kāi)度控制，通過(guò)閥門(mén)的開(kāi)度控制分別調(diào)節(jié)進(jìn)入空氣換熱器單元和燃料換熱器單元的高溫?zé)煔獾牧髁浚淖兛諝鈸Q熱器單元出口的空氣溫度與燃料換熱器單元出口的燃料溫度，進(jìn)而調(diào)節(jié)固體氧化物燃料電池電堆單元入口的空氣溫度與燃料溫度使得電堆內(nèi)部的溫度得到有效控制。。
[0010]上述方案的技術(shù)效果體現(xiàn)在:
[0011]本發(fā)明具有獨(dú)立的空氣換熱器單元和燃料換熱器單元高溫?zé)煔廨斎?、輸出端口，可以分別通過(guò)尾氣流量控制閥閥門(mén)控制高溫?zé)煔饬髁?，進(jìn)而調(diào)節(jié)空氣換熱器單元和燃料換熱器單元的空氣出口溫度和燃料出口溫度，再作用到電堆上，控制電堆的溫度分布。具體過(guò)程是通過(guò)溫度檢測(cè)單元檢測(cè)電堆的溫度狀況，然后系統(tǒng)控制器電氣連接在空氣換熱器尾氣出口流量控制閥門(mén)以及燃料換熱器尾氣出口流量控制閥門(mén)的信號(hào)端，當(dāng)需要調(diào)節(jié)空氣換熱器單元的空氣出口端的溫度升高時(shí)，可將空氣換熱器尾氣出口流量控制閥門(mén)的開(kāi)度增加或者將燃料換熱器尾氣出口流量控制閥的閥門(mén)開(kāi)度減??；當(dāng)需要調(diào)節(jié)控制換熱器單元的空氣出口端溫度降低時(shí)，則可將空氣換熱器尾氣出口流量控制閥門(mén)的開(kāi)度減小或者將燃料換熱器尾氣出口流量控制閥門(mén)的開(kāi)度增大。對(duì)于燃料換熱器單元的燃料出口端的溫度控制與空氣出口端的方法同理。
[0012]作為進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案如下:
[0013]所述的空氣換熱器單元和燃料換熱器單元分別含有獨(dú)立的高溫?zé)煔廨斎攵撕酮?dú)立的高溫?zé)煔廨敵龆?；?dú)立的高溫?zé)煔馔ǖ揽梢允沟秒姸讶肟诘目諝夂腿剂系臏囟饶軌蛳嗷オ?dú)立，相互之間不耦合影響。
[0014]該進(jìn)一步的優(yōu)選方案的技術(shù)效果體現(xiàn)在:
[0015]所述的空氣換熱器單元和燃料換熱器單元的高溫?zé)煔廨敵龆松戏謩e接有空氣換熱器尾氣出冷凝器、燃料換熱器尾氣出口冷凝器和空氣換熱器尾氣出口流量控制閥門(mén)、燃料換熱器尾氣出口流量控制閥門(mén)；通過(guò)控制空氣換熱器尾氣出口流量控制閥門(mén)以及燃料換熱器尾氣出口流量控制閥門(mén)的開(kāi)度可以調(diào)節(jié)高溫?zé)煔獾牧髁浚M(jìn)而調(diào)節(jié)預(yù)熱后進(jìn)入電堆的空氣換熱器單元出口端和燃料換熱器單元出口端的溫度。
[0016]所述的空氣換熱器尾氣出冷凝器和燃料換熱器尾氣出口冷凝器能夠?qū)⒏邷匚矚獬隹跍囟冉档椭?0°C以內(nèi)；空氣換熱器尾氣出口流量控制閥門(mén)、燃料換熱器尾氣出口流量控制閥門(mén)為開(kāi)度分級(jí)控制閥，采用固定的開(kāi)度檔位調(diào)節(jié)。
[0017]所述的控制器電氣連接在空氣換熱器尾氣出口流量控制閥門(mén)、燃料換熱器尾氣出口流量控制閥門(mén)的信號(hào)端，當(dāng)需要調(diào)節(jié)空氣換熱器單元的空氣出口端的溫度升高時(shí)，可將空氣換熱器尾氣出口流量控制閥門(mén)的開(kāi)度增加或者燃料換熱器尾氣出口流量控制閥門(mén)的開(kāi)度減??；當(dāng)需要調(diào)節(jié)控制換熱器單元的空氣出口端溫度降低時(shí)，則可將空氣換熱器尾氣出口流量控制閥門(mén)的開(kāi)度減小或者燃料換熱器尾氣出口流量控制閥門(mén)的開(kāi)度增大。對(duì)于燃料換熱器單元的燃料出口端的溫度控制與控制空氣換熱器單元的空氣出口端溫度的方法同理。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是本發(fā)明固體氧化物燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0020]如圖1所示為發(fā)明電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，本發(fā)明的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)具有獨(dú)立的空氣換熱器單元15和燃料換熱器單元16，從尾氣燃燒室出來(lái)的高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)三通閥