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固體氧化物燃料電池測試應(yīng)用中水蒸汽的控制裝置及方法

文檔序號:5841558閱讀:115來源:國知局
專利名稱:固體氧化物燃料電池測試應(yīng)用中水蒸汽的控制裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種固體氧化物燃料電池測試應(yīng)用中水蒸汽的控制裝置及方法。
背景技術(shù)
氫能是理想的清潔能源,燃料電池是將氫能高效地轉(zhuǎn)化成電能的最佳方式。但目 前氫的主要來源還是碳氫化合物(例如天然氣重整),這種得到氫的過程不可避免地要產(chǎn) 生C02 ;同時,考慮到成本、技術(shù)和社會接受程度等因素,氫能時代還遠遠沒有到來。這也成 為限制氫燃料電池的推廣和使用的重要原因之一。并不是所有的燃料電池都一定要采用氫 氣作燃料。固體氧化物燃料電池(SOFC)在高溫下(600-800°C )工作,可采用廉價的碳氫化 合物(如天然氣等)作燃料。雖然其反應(yīng)產(chǎn)物中有二氧化碳,但在高效、廉價地得到電能方 面,與傳統(tǒng)的發(fā)電方式相比,SOFC有巨大的潛在競爭力。特別是在靈活的小規(guī)模發(fā)電系統(tǒng) 中,例如分布式發(fā)電系統(tǒng),其效率要高于燃氣輪機。此外,燃料電池噪音污染小等特點也使 其能在更廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用。 在固體氧化物燃料電池的產(chǎn)品性能測試、研究和應(yīng)用過程中,需要向其陽極充入 含有一定量水蒸汽的燃料氣。水蒸汽在其中能夠起到降低電池內(nèi)阻,防止積碳和參與燃料 內(nèi)重整等作用。因此,燃料氣中水蒸汽的準確控制對固體氧化燃料電池的測試、研究和應(yīng)用 過程非常關(guān)鍵。 現(xiàn)有過程中水蒸汽控制方法多采用鼓泡器與濕度傳感器相結(jié)合的方法。該水蒸汽 控制方法存在問題如下首先鼓泡器的水蒸汽供給量有限,無法滿足流燃料氣流量較大和 高氣體條件下對水蒸汽的需求,其次系統(tǒng)水蒸汽含量是通過濕度值間接計算得出,而氣體 濕度值是一個很難準確測量的物理量,存在較大的誤差,特別是在高濕度條件下,更不易于 準確測量。 而公開號為101255561 (申請?zhí)枮?00710178921. 7)的中國專利公布了一種高溫 水蒸汽電解制氫過程水蒸汽準確控制裝置及方法,這種裝置包括有預(yù)加熱器,通過管道相 互連通的計量泵、蒸發(fā)器、第一單向閥、質(zhì)量流量計、外表面設(shè)置有外加熱套的混合氣體緩 沖器;其中,計量泵的出水口與蒸發(fā)器的進口相連通,蒸發(fā)器的出口通過第一單向閥與混合 氣體緩沖器的進氣口相連通,混合氣體緩沖器的另一個進氣口與設(shè)置有質(zhì)量流量計的氫氣 管道相連通;混合氣體緩沖器的出氣口通過預(yù)加熱器與爐體內(nèi)的單體電解池或電解池堆相 連。上述專利中水蒸汽的方法通過理想氣體狀態(tài)方程來計算,計算過程誤差大,準確度不 高,這種計算方法只能用在常壓下,而不能用在高壓下,并且裝置結(jié)構(gòu)較冗余,加熱器和加 熱帶用的過多。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的第一個技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)提供一種結(jié)構(gòu)緊湊的固 體氧化物燃料電池測試應(yīng)用中水蒸汽的控制裝置。 本發(fā)明所要解決的第二個技術(shù)問題是提供一種計算精度高、能用在高壓情況下、
4同時考慮了溫度和壓力對水蒸汽含量的影響的固體氧化物燃料電池測試應(yīng)用中水蒸汽的 控制方法。 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為該固體氧化物燃料電池測試應(yīng)用 中水蒸汽的控制裝置,其特征在于包括有一裝液態(tài)水的水箱;一用來調(diào)節(jié)液態(tài)水流量的 計量泵;一防止液態(tài)水倒流的第一單向閥;一用于將液態(tài)水變成水蒸汽的蒸發(fā)器;一用于 控制燃料氣流量的氣體流量控制器;一防止燃料氣倒流的第二單向閥;一用于混合水蒸汽 和燃料氣的混合器;一為所述蒸發(fā)器和所述混和器提供熱量的具有加熱腔體的加熱器;一 防止混合氣體中的水蒸汽冷凝析出的加熱帶;其中所述水箱的出口通過管道與所述計量泵 的進口相連,所述計量泵的出口與所述第一單向閥的進口相連,所述第一單向閥的出口與 所述蒸發(fā)器的進口相連,所述蒸發(fā)器的出口與所述混合器的第一入口相連,所述氣體流量 控制器的進口與燃料氣進氣管相連,所述氣體流量控制器的出口與所述第二單向閥的進口 相連,所述第二單向閥的出口與所述混和器的第二入口相連,所述混合器的出口管道上設(shè) 有所述加熱帶,所述混合器和所述蒸發(fā)器放置在所述加熱器的加熱腔體中;所述水箱的出 口與所述計量泵入口之間的管道上裝有第一溫度傳感器和第一壓力傳感器,所述混和器中 裝有第二溫度傳感器和第二壓力傳感器,所述燃料氣進氣管上裝有第三溫度傳感器。
所述加熱器的工作溫度范圍為150-300°C。
所述加熱帶的工作溫度范圍為150-300°C。 本發(fā)明解決上述第二個技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為該固體氧化物燃料電池測 試應(yīng)用中水蒸汽的控制方法,其特征在于包括有一裝液態(tài)水的水箱;一用來調(diào)節(jié)液態(tài)水 流量的計量泵;一防止液態(tài)水倒流的第一單向閥;一用于將液態(tài)水變成水蒸汽的蒸發(fā)器; 一用于控制燃料氣的流量的氣體流量控制器;一防止燃料氣倒流的第二單向閥;一用于混 合水蒸汽和燃料氣的混合器;一為所述蒸發(fā)器和所述混和器提供熱量的具有加熱腔體的加 熱器;一防止混合氣體中的水蒸汽冷凝析出的加熱帶;其中所述水箱的出口通過管道與所 述計量泵的進口相連,所述計量泵的出口與所述第一單向閥的進口相連,所述第一單向閥 的出口與所述蒸發(fā)器的進口相連,所述蒸發(fā)器的出口與所述混合器的第一入口相連,所述 氣體流量控制器的進口與燃料氣進氣管相連,所述氣體流量控制器的出口與所述第二單向 閥的進口相連,所述第二單向閥的出口與所述混和器的第二入口相連,所述混合器的出口 管道上設(shè)有所述加熱帶,所述混合器和所述蒸發(fā)器放置在所述加熱器的加熱腔體中;所述 水箱的出口與所述計量泵入口之間的管道上裝有第一溫度傳感器和第一壓力傳感器,所述 混和器中裝有第二溫度傳感器和第二壓力傳感器,所述燃料氣進氣管上裝有第三溫度傳感 器;該方法按如下步驟實現(xiàn) (1)、讀取所述第一溫度傳感器測量的溫度為tl,讀取所述第一壓力傳感器測量的 壓力為Pl,讀取所述第二溫度傳感器測量的溫度為t2,讀取所述第二壓力傳感器測量的壓 力為P2,讀取所述第二壓力傳感器測量的壓力為p3,讀取所述氣體流量控制器測量的燃料 氣的體積流量為Qf,設(shè)燃料氣在體積流量為Qf的情況下需要的水蒸汽含量為Yw ;
(2)、根據(jù)水和水蒸汽性質(zhì)國際聯(lián)合會(IAPWS)發(fā)表的水和水蒸汽標準計算模型, 即IAPWS-IF97公式,計算出在溫度tl和壓力pl下水的密度是P 1,在溫度t2和壓力p2下 水的密度是P 2 ; (3)、計算液態(tài)水的體積流量Qw :<formula>formula see original document page 6</formula>
(4)、將計3
t泵的流j
t調(diào)節(jié)為上述步驟(3)中計算的結(jié)果,
上述步驟(3)中液態(tài)水的體積流量Qw通過以下方式推導(dǎo)而來 設(shè)所述氣體流量控制器領(lǐng)
:的燃料氣體積流
'右,
t為Qf,設(shè)混合器中燃料氣體積、》
'右"
為Qf',設(shè)通過計量泵測得的液態(tài)水的體積流量為Qw,設(shè)在溫度tl和壓力pl下水的密度是 P l,在溫度t2和壓力p2下水的密度是P 2,設(shè)在溫度t2和壓力p2下水蒸汽流量為Qw〃 ,
設(shè)在混合器內(nèi)水蒸汽體積流量為Q/
根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV
+373.12)
,混合器中氣體的水蒸汽體積百分含〗 =nRT,可得混合器中燃料氣流量為
:為Yw, g/ =
《3 + 273.15)
(1)
根據(jù)不同溫度下水的密度變化,可得在溫度t2和壓力p2下水蒸汽流量為
(2)
/72 由于氣體流量控制器的顯示流量為標準狀況下流量,標準狀況下的溫度是ot:和
壓力為101. 325(KPa),因此需要通過理想氣體狀態(tài)方程將水蒸汽在溫度t2和壓力p2下的
流量轉(zhuǎn)變?yōu)闃藴薁顩r下的流
右,
:,即在標準狀態(tài)下混合器內(nèi)水蒸汽體積流量為 2/ =
; 2i、273.15*101.32

(。+ 273.15)
則混合器中氣體的水蒸汽體積百分含量為Yw為 YW = Q/線'+Qf')
(3)
(4)
由于tl, t2, t3, pl, p2均為已知條件,根據(jù)系統(tǒng)中燃料氣的流量Qf及系統(tǒng)所需的
水蒸汽體積百分含量Y.,由公式(4)計算出所需液態(tài)水流量Q,<formula>formula see original document page 6</formula>
所述加熱器的工作溫度范圍為150-300°C。
所述加熱帶的工作溫度范圍為150-300°C。 與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的優(yōu)點在于本發(fā)明提供的固定氧化物燃料電池測試應(yīng) 用過程水蒸汽控制裝置采用計量泵精確控制液態(tài)水的供給,替代了原有系統(tǒng)的鼓泡器與濕 度測量裝置,不僅簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),而且使水蒸汽的控制和測量更為簡便、準確;其次該裝 置無需濕度測量裝置,從而避免了濕度測量過程所引入的較大誤差;另外,本發(fā)明提供的方 法同時考慮了溫度、壓力對水蒸汽體積的影響,所以試用范圍更加廣泛,可以應(yīng)用于高壓場 合下水蒸汽含量控制,本發(fā)明提供的方法可使系統(tǒng)保持良好的穩(wěn)定性,使固體氧化物燃料 電池工作更為穩(wěn)定,延長其使用壽命。


圖1為本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)示意圖,
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。 圖1所示的一種固體氧化物燃料電池測試應(yīng)用中水蒸汽的控制裝置,包括有通過 管道相連的水箱1、第一溫度傳感器2、第二壓力傳感器3、計量泵4、第一單向閥5、蒸發(fā)器 6、混合器7、加熱器8、加熱帶9和氣體流量控制器10,第二溫度傳感器11,第二壓力傳感器 12,第三溫度傳感器13,第二單向閥14。 水箱l中裝有液態(tài)蒸餾水,計量泵4用來調(diào)節(jié)液態(tài)水流量,水箱1的出口通過管道 與計量泵的進口相連,第一溫度傳感器2和第一壓力傳感器3設(shè)置在水箱的出口與計量泵 入口之間的管道上,用來測量進入計量泵4中液態(tài)水的溫度和壓力;計量泵的出口與第一 單向閥5的進口相連,第一單向閥5用來防止液態(tài)水倒流,第一單向閥5的出口與蒸發(fā)器6 的進口 ,蒸發(fā)器6用于將液態(tài)水變成水蒸汽,蒸發(fā)器6的出口與混合器7的第一入口 ,氣體 流量控制器10的進口與燃料氣進氣管相連,氣體流量控制器IO用于控制燃料氣的流量的 氣體流量,氣體流量控制器10出口與第二單向閥14的進口,第二單向閥14可防止燃料氣 倒流,第二單向閥14的出口與混和器7的第二入口相連,混和器7用于將水蒸汽和燃料氣 進行充分混合,混合器7的出口通過管道與電池堆,或者單電池的陽極入口相連,或者與預(yù) 重整器的入口相連,混合器7的出口管道上纏有加熱帶9,加熱帶9可以防止混合氣體中的 水蒸汽冷凝析出的加熱帶9 ;混合器7和蒸發(fā)器6放置在加熱器8的加熱腔體中;第二溫度 傳感器11和第二壓力傳感器12安裝在混和器7中,第三溫度傳感器13安裝在燃料氣進氣 管。 本裝置控制過程為首先根據(jù)系統(tǒng)中具體運行情況確定燃料氣的流量,通過 氣體流量控制器10調(diào)節(jié)燃料氣的流量Qf,通過第一溫度傳感器2、第二壓力傳感器3、 第二溫度傳感器ll,第二壓力傳感器12,第三溫度傳感器13測得各位置處的溫度和壓 力參數(shù)tl、 t2、 t3、 pl、 p2,通過溫度傳感器和壓力傳感器根據(jù)水和水蒸汽性質(zhì)國際聯(lián) 合會(IAPWS)最新發(fā)表的水和水蒸汽標準計算模型,即IAPWS-IF97公式,計算出在溫 度tl和壓力pl下水的密度是P 1,在溫度t2和壓力p2下水的密度是P 2,設(shè)燃料氣 在體積流量為Qf的情況下需要的水蒸汽含量為Yw,因此計算出計算液態(tài)水的體積流量 0.371 gf *};*&2+ 373.12)2攀/ 2 ,a ,曰 _屮曰亍
= (1-&盧二++27315),將計量泵的流量調(diào)至Q"即可。 舉一實例以幫助理解整個方法的控制過程,設(shè)氣體流量控制器10的入口溫 度t3 = 25t:,燃料氣氫氣的通過流量為Qf = 100ml/min,計量泵4的入口壓力為pl = 101. 325KPa,溫度為tl = 25°C ,混合器7中的溫度為t2 = 15(TC,壓力為P2 = 101. 325KPa, 欲控制系統(tǒng)水蒸汽含量為Yw = 90%,根據(jù)水和水蒸汽性質(zhì)IAPWS-IF97公式,計算出在溫 度tl(。C )和壓力Pl(KPa)下水的密度是P 1 = 997. 05 (kg/cm3),在溫度t2 (。C )和壓力 p2 (KPa)下水的密度是P 2 = 0. 52 (kg/cm3),因此需調(diào)節(jié)的液態(tài)水流量Qw
0.371《《一2 + 373.12)2 */ 2 樸,曰屮曰亍 = ~~^~w 、 ,-=1.032ml/min ,調(diào)節(jié)計量泵4流量至
(l-}^)* — / " —273.15)
1. 032ml/min,即可準確控制混合器7中水蒸汽體積含量為90%。
權(quán)利要求
一種固體氧化物燃料電池測試應(yīng)用中水蒸汽的控制裝置,其特征在于包括有一裝液態(tài)水的水箱;一用來調(diào)節(jié)液態(tài)水流量的計量泵;一防止液態(tài)水倒流的第一單向閥;一用于將液態(tài)水變成水蒸汽的蒸發(fā)器;一用于控制燃料氣流量的氣體流量控制器;一防止燃料氣倒流的第二單向閥;一用于混合水蒸汽和燃料氣的混合器;一為所述蒸發(fā)器和所述混和器提供熱量的具有加熱腔體的加熱器;一防止混合氣體中的水蒸汽冷凝析出的加熱帶;其中所述水箱的出口通過管道與所述計量泵的進口相連,所述計量泵的出口與所述第一單向閥的進口相連,所述第一單向閥的出口與所述蒸發(fā)器的進口相連,所述蒸發(fā)器的出口與所述混合器的第一入口相連,所述氣體流量控制器的進口與燃料氣進氣管相連,所述氣體流量控制器的出口與所述第二單向閥的進口相連,所述第二單向閥的出口與所述混和器的第二入口相連,所述混合器的出口管道上設(shè)有所述加熱帶,所述混合器和所述蒸發(fā)器放置在所述加熱器的加熱腔體中;所述水箱的出口與所述計量泵入口之間的管道上裝有第一溫度傳感器和第一壓力傳感器,所述混和器中裝有第二溫度傳感器和第二壓力傳感器,所述燃料氣進氣管上裝有第三溫度傳感器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體氧化物燃料電池測試應(yīng)用中水蒸汽的控制裝置,其特征 在于所述加熱器的工作溫度范圍為150-300°C。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的固體氧化物燃料電池測試應(yīng)用中水蒸汽的控制裝置,其 特征在于所述加熱帶的工作溫度范圍為150-300°C。
4. 一種固體氧化物燃料電池測試應(yīng)用中水蒸汽的控制方法,其特征在于包括有一裝 液態(tài)水的水箱;一用來調(diào)節(jié)液態(tài)水流量的計量泵;一防止液態(tài)水倒流的第一單向閥;一用 于將液態(tài)水變成水蒸汽的蒸發(fā)器;一用于控制燃料氣的流量的氣體流量控制器;一防止燃 料氣倒流的第二單向閥;一用于混合水蒸汽和燃料氣的混合器;一為所述蒸發(fā)器和所述混 和器提供熱量的具有加熱腔體的加熱器;一防止混合氣體中的水蒸汽冷凝析出的加熱帶; 其中所述水箱的出口通過管道與所述計量泵的進口相連,所述計量泵的出口與所述第一單 向閥的進口相連,所述第一單向閥的出口與所述蒸發(fā)器的進口相連,所述蒸發(fā)器的出口與 所述混合器的第一入口相連,所述氣體流量控制器的進口與燃料氣進氣管相連,所述氣體 流量控制器的出口與所述第二單向閥的進口相連,所述第二單向閥的出口與所述混和器的 第二入口相連,所述混合器的出口管道上設(shè)有所述加熱帶,所述混合器和所述蒸發(fā)器放置 在所述加熱器的加熱腔體中;所述水箱的出口與所述計量泵入口之間的管道上裝有第一溫 度傳感器和第一壓力傳感器,所述混和器中裝有第二溫度傳感器和第二壓力傳感器,所述 燃料氣進氣管上裝有第三溫度傳感器;該方法按如下步驟實現(xiàn)(1) 、讀取所述第一溫度傳感器測量的溫度為tl,讀取所述第一壓力傳感器測量的壓力 為Pl,讀取所述第二溫度傳感器測量的溫度為t2,讀取所述第二壓力傳感器測量的壓力為 p2,讀取所述第二壓力傳感器測量的壓力為p3,讀取所述氣體流量控制器測量的燃料氣的 體積流量為Qf,設(shè)燃料氣在體積流量為Qf的情況下需要的水蒸汽含量為Yw ;(2) 、根據(jù)水和水蒸汽性質(zhì)國際聯(lián)合會(IAPWS)發(fā)表的水和水蒸汽標準計算模型,即 IAPWS-IF97公式,計算出在溫度tl和壓力pl下水的密度是P l,在溫度t2和壓力p2下水 的密度是P 2 ;(3) 、計算液態(tài)水的體積流量Qw :—0.37"g,《 (,2 + 373.12)2 */ 2 & 一 (l-i;)攀p2vl葉3 + 273.15)(4)、將計量泵的流量調(diào)節(jié)為上述步驟(3)中計算的結(jié)果。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的固體氧化物燃料電池測試應(yīng)用中水蒸汽的控制方法,其特征 在于所述加熱器的工作溫度范圍為150-300°C。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的固體氧化物燃料電池測試應(yīng)用中水蒸汽的控制方法,其 特征在于所述加熱帶的工作溫度范圍為150-300°C。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種固體氧化物燃料電池測試應(yīng)用中水蒸汽的控制裝置及方法,該裝置包括有水箱、計量泵、第一單向閥、蒸發(fā)器、氣體流量控制器、第二單向閥、混合器、加熱器、加熱帶;其中水箱、計量泵、第一單向閥、蒸發(fā)器、混合器依次連接,氣體流量控制器、第二單向閥、混合器依次連接,混合器和蒸發(fā)器放置在加熱器的加熱腔體中;水箱的出口與計量泵入口之間的管道上裝有第一溫度傳感器和第一壓力傳感器,混和器中裝有第二溫度傳感器和第二壓力傳感器,燃料氣進氣管上裝有第三溫度傳感器。與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的優(yōu)點在于能使水蒸汽的控制和測量更為簡便、準確,無需濕度測量裝置,另外同時考慮了溫度、壓力對水蒸汽體積的影響,可適用于高壓環(huán)境。
文檔編號G01R31/36GK101750583SQ200810163868
公開日2010年6月23日 申請日期2008年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月19日
發(fā)明者王蔚國, 程宏輝 申請人:中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所
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