[发明专利]一种多功能固体氧化物燃料电池电堆测试系统及其运行方法

说明书

本发明涉及一种多功能固体氧化物燃料电池电堆测试系统，包括空气供应系统、氮气系统、两段式电堆加热炉、电子负载和控制系统；还包括依次连通的阳极多气源供气子系统、混气管路和直通管路。设置有阳极多气源供气子系统，通过控制系统调控可调配出不同组分的燃料气，将其供给SOFC电堆，可精确测量原料气组分对SOFC电堆工作性能的影响；同时，采用被分隔为上部和下部两部分的两段式电堆加热炉，具备下部气体加热功能、上部电堆保温功能，空气和原料气经加热炉加热后进入SOFC电堆，电堆受高温气体逐渐加热，电堆内温度场均匀分布，最大程度上模拟了SOFC电堆的实际工作环境，有助于精确测量SOFC电堆的工作性能。

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，具体涉及一种多功能固体氧化物燃料电池电堆测试系统及其运行方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)是一种不经过燃烧过程直接以电化学反应方式将燃料(如天然气、H₂、合成气、沼气、甲醇等)的化学能直接转化为电能的高效发电装置。相对于传统发电技术，SOFC发电系统具有燃料来源广、发电效率高、无NOx排放、可实现CO₂集中排放等优点。SOFC系统作为一种高效、环保的新型发电设备，在住宅、酒店、医院、学校、办公楼宇、小区、数据中心、通讯基站等民工商业用户分布式电源领域具有广泛应用前景，是实现“碳中和”、“碳达峰”的重要技术手段。

SOFC发电系统的核心是SOFC电堆，SOFC电堆通常由致密陶瓷电解质膜和位于两侧的多孔阳极、多孔阴极组成。在电池运行过程中，氧分子吸附在多孔阴极表面，并接受外电路传来的电子，进而解离生成氧离子，氧离子在电解质两侧电化学势差的驱动下通过氧空位在电解质中定向迁移扩散到阳极，并与多孔阳极内的氢气和天然气等燃料发生电化学氧化反应，生成H₂O和CO₂，释放出的电子则通过外电路传回到阴极。

SOFC的发展过程中出现过多种电池设计，两种最常用的设计是管式和板式。也有一些复合的结构如扁管，蜂窝结构，一体化电堆结构等。管式SOFC电池由内到外分别是阴极、电解质和阳极，以及阴极上的连接体，该管式设计的SOFC的一端是封闭的。平板式SOFC的空气极、电解质、燃料极均为平板式层状结构，通过不同的制备工艺将三者烧结成一体，组成“三合一”平板型电池结构。

SOFC电堆测试系统是用来测试SOFC电堆在不同温度等工况下的工作性能的装置，一般包括燃料系统、空气系统、电堆加热炉、尾气燃烧系统、电子负载及温度和流量的控制系统。对于不同类型的SOFC电堆，电堆测试系统需采用不同的配置，例如对于外重整的SOFC电堆，采用碳氢燃料时需设置燃料重整器和加湿器，将燃料和水蒸汽在高温条件下(约750℃)转化为CO和H₂，然后再通入SOFC电堆进行发电；对于内重整的SOFC电堆，采用碳氢燃料时需设置只需设置预转换器，在400℃条件下将燃料中的C2和C3等组分转化为C1，然后再通入内重整的SOFC电堆进行发电。目前，常规的SOFC电堆测试系统一套系统无法精准测量不同原料气组分对SOFC电堆工作性能的影响，且不能最大程度上的模拟SOFC电堆的实际工作环境，来提高SOFC电堆工作性能测量的准确性。

发明内容

为解决常规SOFC电堆测试系统无法精准测量不同原料气组分对SOFC电堆工作性能的影响，且不能最大程度上的模拟SOFC电堆的实际工作环境，来提高SOFC电堆工作性能测量的准确性、功能性单一、实用性较低的的技术问题，本发明提供如下技术方案：

本发明的第一目的在于提供一种多功能固体氧化物燃料电池电堆测试系统，包括空气供应系统、氮气系统、两段式电堆加热炉、电子负载和控制系统；还包括依次连通的阳极多气源供气子系统、混气管路和直通管路，所述空气供应系统包括第一空气输入管路；所述两段式电堆加热炉包括被分隔的上部和下部，所述上部盛放有与所述电子负载连接的SOFC电堆，所述SOFC电堆的阳极气体输入管、阴极气体输入管、阳极尾气输出管和阴极尾气输出管均延伸进所述下部并伸出所述两段式电堆加热炉；