[发明专利]一种模块化固体氧化物燃料电池系统

权利要求书

1.一种模块化固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，包括供气模块、余热回收模块、电堆模块、尾气燃烧模块、热管模块、能量储存模块、负载模块、温度检测及控制模块，所述供气模块、余热回收模块、电堆模块依次连接，所述电堆模块的输出端与尾气燃烧模块相连，所述热管模块一端连接储热模块，另一端与所述电堆模块相连，所述储能模块与电堆模块相连，所述热管模块的输出端与余热回收模块相连，所述余热回收模块通过换热器与供气模块的供气换热，所述负载模块用于负载跟踪和负载响应调节；

所述供气模块用于调控燃料和空气的流量，所述电堆模块包括并联的电池堆主模块和电池堆子模块，所述尾气燃烧模块用于对电堆模块的尾气中剩余的燃料，通过热管模块调节电堆的温度分布和热量回收，所述余热回收模块用于提高供气模块的供气温度，所述储能系统用于存储能量。

2.根据权利要求1所述的模块化固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，所述气体供应模块包括燃料罐、空气泵和阀门，通过控制系统的反馈信号调节燃料流量阀开度和空气泵的功率，进而调控燃料和空气的流量。

3.根据权利要求1所述的模块化固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，所述电池堆子模块由固体氧化物燃料电池电堆组成，包括管式结构、套接管式、扁管式结构，所述电池堆子模块用于电池堆的快速热启动和冷启动，用于承担主模块启动时的温度梯度波动和性能衰减和变负荷工况。

4.根据权利要求1所述的模块化固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，还包括温度检测模块，所述温度检测模块分别与电池堆主模块和子模块相连，将电堆温度信号转化为电信号传递给控制系统。

5.根据权利要求1所述的模块化固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，所述储能系统包括热能储存和电化学储能，热能储能通过相变储热材料或者储热合金完成；电化学储能利用锂离子电池进行储能。

6.根据权利要求1～5任一项所述的模块化固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，当外部负载的电负荷在平均负荷之上，通过储能模块的锂离子电池进行快速响应，对负荷进行快速跟踪；控制系统调节燃料电池子模块的进气流量，使电池堆子模块的输出功率等于外部负载和平均负载之差，在这过程中的电池堆子模块电量全部或部分用于锂离子电池的充电；等到电池堆子模块的功率达到预定值时，锂离子电池完全断开供电，电池堆主模块和电池堆子模块一起向外部电路供电；

当外部负载低于平均负荷较大时，将电池堆子模块的发电量与外部电路断开，将电池堆子模块的输出电量给锂离子电池充电，然后降低电池堆子模块的进气量来调节电池堆子模块的功率输出，锂离子电池作为调峰的电能储备。

7.根据权利要求1～5任一项所述的模块化固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，当电堆的下次启动时间与本次时间相隔低于预设时间时，电堆采用热启动模式来快速启动，

对于热启动模式，在电堆模块停止工作，准备关闭系统时，电池堆主模块的进气系统通过减少阀门开度，降低流量，使得电池堆主模块的燃料的电化学消耗反应逐步降低，而子模块流量保持稳定，等到电池堆主模块流量停止后，通过温度监测模块将电堆的温度信号传递给控制模块，在这过程中，电堆输出的电能全部用于锂离子电池充电，放出的余热通过储热系统进行储存，控制系统根据反馈的温度信号来调节子模块的进气流量来使得电堆保持较高的温度；

在热启动时，储热模块储存的热量通过热管模块与供气模块输出的空气与燃料进行交换，锂离子电池通过与其相连的电热丝将电能转化为热能，加热电池堆主模块，此时储能模块不进行储热，通过热管模块将电池堆子模块的余热传递给电池堆主模块，电池堆主模块预热完成后，供气模块开始送气，启动完成，系统开始供电。

8.根据权利要求1～5任一项所述的模块化固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，当电堆的下次启动时间与本次时间相隔高于预设时间时，电堆采用冷启动模式来快速启动，

对于冷启动模式，在电堆模块停止工作，准备关闭系统时，电池堆主模块和电池堆子模块通过调节阀门开度，逐渐降低电化学反应速率，此时电堆模块与外部负载断开，电堆模块的发电量全部用于锂离子电池充电，电堆模块的余热被储能模块回收，最后电池堆主、子模块的进气量都为零，电堆不需要进气，下次启动时，储能模块的热量与进口空气进行换热加热子模块温度，储能系统的锂离子电池通过发热元件加热电池堆子模块，温度监测系统将温度信号传递给控制模块，控制模块待电池堆子模块达到启动温度时，打开进气阀，电池堆子模块开始进行电化学反应，此时锂离子电池开始加热电池堆主模块，尾气燃烧模块的热量用于进口气体的预热，储热系统不开启，通过热管将电池堆子模块的热量传递给电池堆主模块，温度监测系统将电池堆主模块温度信号传递给控制模块，待电池堆主模块温度达到启动温度时，打开电池堆主模块气体阀，电池堆主模块开始电化学反应，启动完成。