[发明专利]固体氧化物燃料电池测试应用中水蒸汽的控制装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种固体氧化物燃料电池测试应用中水蒸汽的控制装置及方法。 

背景技术

氢能是理想的清洁能源，燃料电池是将氢能高效地转化成电能的最佳方式。但目前氢的主要来源还是碳氢化合物(例如天然气重整)，这种得到氢的过程不可避免地要产生CO2；同时，考虑到成本、技术和社会接受程度等因素，氢能时代还远远没有到来。这也成为限制氢燃料电池的推广和使用的重要原因之一。并不是所有的燃料电池都一定要采用氢气作燃料。固体氧化物燃料电池(SOFC)在高温下(600-800℃)工作，可采用廉价的碳氢化合物(如天然气等)作燃料。虽然其反应产物中有二氧化碳，但在高效、廉价地得到电能方面，与传统的发电方式相比，SOFC有巨大的潜在竞争力。特别是在灵活的小规模发电系统中，例如分布式发电系统，其效率要高于燃气轮机。此外，燃料电池噪音污染小等特点也使其能在更广泛的领域得到应用。 

在固体氧化物燃料电池的产品性能测试、研究和应用过程中，需要向其阳极充入含有一定量水蒸汽的燃料气。水蒸汽在其中能够起到降低电池内阻，防止积碳和参与燃料内重整等作用。因此，燃料气中水蒸汽的准确控制对固体氧化燃料电池的测试、研究和应用过程非常关键。 

现有过程中水蒸汽控制方法多采用鼓泡器与湿度传感器相结合的方法。该水蒸汽控制方法存在问题如下：首先鼓泡器的水蒸汽供给量有限，无法满足流燃料气流量较大和高气体条件下对水蒸汽的需求，其次系统水蒸汽含量是通过湿度值间接计算得出，而气体湿度值是一个很难准确测量的物理量，存在较大的误差，特别是在高湿度条件下，更不易于准确测量。 

而公开号为101255561(申请号为200710178921.7)的中国专利公布了一种高温水蒸汽电解制氢过程水蒸汽准确控制装置及方法，这种装置包括有预加热器，通过管道相互连通的计量泵、蒸发器、第一单向阀、质量流量计、外表面设置有外加热套的混合气体缓冲器；其中，计量泵的出水口与蒸发器的进口相连通，蒸发器的出口通过第一单向阀与混合气体缓冲器的进气口相连通，混合气体缓冲器的另一个进气口与设置有质量流量计的氢气管道相连通；混合气体缓冲器的出气口通过预加热器与炉体内的单体电解池或电解池堆相连。上述专利中水蒸汽的方法通过理想气体状态方程来计算，计算过程误差大，准确度不高，这种计算方法只能用在常压下，而不能用在高压下，并且装置结构较 冗余，加热器和加热带用的过多。 

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术提供一种结构紧凑的固体氧化物燃料电池测试应用中水蒸汽的控制装置。 

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种计算精度高、能用在高压情况下、同时考虑了温度和压力对水蒸汽含量的影响的固体氧化物燃料电池测试应用中水蒸汽的控制方法。 

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该固体氧化物燃料电池测试应用中水蒸汽的控制装置，其特征在于：包括有一装液态水的水箱；一用来调节液态水流量的计量泵；一防止液态水倒流的第一单向阀；一用于将液态水变成水蒸汽的蒸发器；一用于控制燃料气流量的气体流量控制器；一防止燃料气倒流的第二单向阀；一用于混合水蒸汽和燃料气的混合器；一为所述蒸发器和所述混合器提供热量的具有加热腔体的加热器；一防止混合气体中的水蒸汽冷凝析出的加热带；其中所述水箱的出口通过管道与所述计量泵的进口相连，所述计量泵的出口与所述第一单向阀的进口相连，所述第一单向阀的出口与所述蒸发器的进口相连，所述蒸发器的出口与所述混合器的第一入口相连，所述气体流量控制器的进口与燃料气进气管相连，所述气体流量控制器的出口与所述第二单向阀的进口相连，所述第二单向阀的出口与所述混合器的第二入口相连，所述混合器的出口管道上设有所述加热带，所述混合器和所述蒸发器放置在所述加热器的加热腔体中；所述水箱的出口与所述计量泵入口之间的管道上装有第一温度传感器和第一压力传感器，所述混合器中装有第二温度传感器和第二压力传感器，所述燃料气进气管上装有第三温度传感器。 

所述加热器的工作温度范围为150-300℃。 

所述加热带的工作温度范围为150-300℃。