[发明专利]碳氢燃料固体氧化物燃料电池堆自热平衡确定方法及应用

说明书

本发明公开一种碳氢燃料固体氧化物燃料电池堆自热平衡确定方法及应用，测得固体氧化物燃料电池堆在选择的碳氢燃料组分下的电流密度‑电压曲线，计算固体氧化物燃料电池堆在不同电流密度下的发电功率；获取不同电流密度下阳极尾气的组分，计算选择的碳氢燃料在不同电流密度下由入口至出口的焓变；基于不同电流密度下的发电功率和入口至出口的焓变计算不同电流密度下的放热量Q；放热量Q为0时的电流密度，作为固体氧化物燃料电池堆在选择的碳氢燃料组分下的自热平衡电流密度。通过这一方法确定的自热平衡工作点能够为固体氧化物燃料电池堆的运行参数选择提供指导，有助于系统热量管理和效率提升。

技术领域

本发明涉及固体氧化物电池技术领域，尤其涉及一种碳氢燃料固体氧化物燃料电池自热平衡确定方法及应用。

背景技术

固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell)通过电化学反应直接将燃料的化学能转化为电能，与传统的火力发电相比具有更高的能量转化效率，是继水力发电、火力发电和原子能发电之后的第四代发电技术。目前，固体氧化物燃料电池发电技术已经成功应用于家用分布式热电联供系统、中小型分布式电站以及车用动力电源等领域，展现出很好的发展前景。

与其他类型的燃料电池相比，固体氧化物燃料电池最为突出的优势之一是其广泛的燃料适应性，即可以实现氢气、烷烃、烯烃、醇类等各类燃料的清洁、高效转化。当使用烷烃、烯烃、醇类等碳氢燃料时，燃料只需经过重整即可供应给阳极，重整方式包括外部重整、直接内部重整、间接内部重整等。在整体发电系统中，吸热的重整反应和放热的电化学反应同时进行，在适宜的工作条件下，固体氧化物燃料电池(包含重整部件)能够实现自热平衡，即对外无净热量释放或吸收。在这一工作点附近运行有助于提升燃料电池系统的能效，并且对于系统的热量管理大有裨益。

目前固体氧化物燃料电池/电堆的工作参数(如电流密度)选择主要基于电池/电堆的运行稳定性，很少从热电管控的角度进行优化，导致整体系统能量转化效率偏低。

如何确定实际固体氧化物燃料电池/电堆的自热平衡点，实现在自热平衡点附近运行是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种碳氢燃料固体氧化物燃料电池堆自热平衡确定方法及应用，结合固体氧化物燃料电池堆的输出性能与热力学方法得到其自热平衡电流密度和燃料利用率，在这一工作点附近燃料电池模块能够实现内部热量平衡，即对外无净热量释放或吸收，燃料反应焓变ΔH全部转化为电能。该方法能够应用于多级燃料电池堆组成的发电系统，使每一级电堆均工作于自热平衡工作点，实现最高的发电效率。本发明能够为固体氧化物燃料电池堆的运行参数选择提供指导，有助于整体系统的热量管理和效率提升。

为达到上述目的，一方面提供了一种碳氢燃料固体氧化物燃料电池堆自热平衡确定方法，其特征在于，包括：

测得固体氧化物燃料电池堆在选择的碳氢燃料组分下的电流密度-电压曲线，计算固体氧化物燃料电池堆在不同电流密度下的发电功率；

获取不同电流密度下阳极尾气的组分，计算选择的碳氢燃料在不同电流密度下的碳氢燃料焓变；

基于不同电流密度下的发电功率和碳氢燃料焓变计算不同电流密度下的放热量Q；

放热量Q为0时的电流密度，作为固体氧化物燃料电池堆在选择的碳氢燃料组分下的自热平衡电流密度。

进一步地，计算固体氧化物燃料电池堆在不同电流密度下的发电功率包括：由电流密度-电压曲线，拟合获得电流密度与电压的关系式；由电流密度与电压的关系式，计算固体氧化物燃料电池堆在不同电流密度下的发电功率W_e：

W_e＝j×V×S_cell

其中j为电流密度，V为拟合的电压，S_cell为固体氧化物燃料电池有效面积。