[发明专利]一种固体氧化物燃料电池系统

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种固体氧化物燃料电池系统，它是一种能够有效控制电堆入口气体温度的固体氧化物燃料电池系统，更精确地说，它是一种在不影响系统其它控制量的基础上，能增加系统的输入控制量、提高系统可控度与安全性能的固体氧化物燃料电池系统。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCell，SOFC)是一种工作在600～800℃的绿色、高效能量转换装置，通过电化学反应能够直接将碳氢化合物中的化学能转化为电能，没有燃烧与机械传动，因而具有安静、清洁、高效等优点，被誉为21世纪最具前景的绿色发电技术之一。平板式SOFC因具有高能比、易组装等优点而成为SOFC技术应用的主流。

SOFC较高的工作温度为其带来了燃料广泛适应性、高品位尾气热能等优点，可使用天然气、煤气、沼气、生物质等燃料，并且可与涡轮机(GT)等部件形成混合发电系统或热电联供系统，系统效率可达80％以上。然而，高温也带来了极具挑战的控制问题。为了保证SOFC的安全、长寿命工作，需要将电堆的最大工作温度、电池片的温度梯度、电堆入口气体温差三个温度指标严格控制在设定的安全范围之内，在系统的热、电相互耦合严重的情况下，温度的控制成了十分棘手的问题。

有大量的学者进行了电堆温度控制的相关研究，其中就有学者通过建模仿真研究指出，在控制电堆入口气体流量的同时，如果能控制电堆入口气体的温度，则可以更有效地控制电堆的三个温度指标，为系统的安全、长寿命运行提供了可供参考的方法与理论支撑。目前已有的控制方法中，已有通过加设一个冷空气的旁路来控制电堆入口的空气温度的方法，并且已有较好的应用，例如在发明专利US6608463B1中，系统考虑了使用空气旁路来调节电堆入口空气温度。然而这个方法具有2个不足之处：1.它只能单独调节电堆入口空气的温度，而不能调节电堆入口氢气的温度，所以它对于电堆，特别是交叉流的温度梯度控制手段不足；2.该方法调节电堆入口空气温度一般会改变进入电堆的空气流量，这样使得电堆入口空气的流量和温度相互耦合在一起，加剧了系统的耦合程度，并为电堆的温度梯度的控制带来了困难。这样使得系统仍然面临控制量严重耦合，系统被控量数目多于控制量的困境。因此，为了进一步提高系统的可控性，增加系统电堆的温度安全性能，需要在低成本的条件下提供一种耦合度小，而不增加系统复杂度的系统结构。

发明内容

针对现有技术的缺陷和技术需求，本发明的目的在于在于提供一种能够提高系统可控性，增加系统电堆的温度安全性能，并且对系统耦合度小的固体氧化物燃料电池系统。

为了实现上述技术目的，本发明技术方案为：

一种固体氧化物燃料电池系统，包括预热电堆入口空气温度的空气换热器单元、预热电堆入口燃料温度的燃料换热器单元、固体氧化物燃料电池电堆单元、电堆温度检测单元、系统控制器、电堆尾气回收燃烧室单元、空气换热器尾气出冷凝器、燃料换热器尾气出口冷凝器、空气换热器尾气出口流量控制阀门以及燃料换热器尾气出口流量控制阀门；其中；

固体氧化物燃料电池电堆单元，其空气输入端、燃料输入端分别接空气换热器单元与燃料换热器单元的空气输出端与燃料输出端，电堆尾气回收燃烧室单元的空气输入和燃料输入端分别接固体氧化物燃料电池电堆单元的空气尾气输出端和燃料输出端；电堆尾气回收燃烧室单元的高温烟气输出端接三通管，烟气一分为二，其中一路烟气接空气换热器单元的高温烟气输入端，另一路烟气接燃料换热器单元的高温烟气输入端；空气换热器单元的高温烟气输出端接空气换热器尾气出冷凝器后再接空气换热器尾气出口流量控制阀门，燃料换热器单元的高温烟气输出端接燃料换热器尾气出口冷凝器后再接燃料换热器尾气出口流量控制阀门；

所述电堆温度检测单元用于采集固体氧化物燃料电池电堆单元的温度分布状况，然后传送给系统控制器，系统控制器再将控制信号传输给空气换热器尾气出口流量控制阀门以及燃料换热器尾气出口流量控制阀门进行阀门开度控制，通过阀门的开度控制分别调节进入空气换热器单元和燃料换热器单元的高温烟气的流量，改变空气换热器单元出口的空气温度与燃料换热器单元出口的燃料温度，进而调节固体氧化物燃料电池电堆单元入口的空气温度与燃料温度使得电堆内部的温度得到有效控制。。

上述方案的技术效果体现在：