技术领域
[0001] 本
发明涉及
固体氧化物燃料电池领域，特别是一种高温固体氧化物燃料电池系统及其快速启动的方法。
背景技术
[0002] 目前，固体氧化物燃料电池的电堆
工作温度在600-900℃左右，燃料电池在非工作状态下需要较长的时间来加热达到工作温度，一般通过电加热或者燃烧已储存的燃料进行加热，需消耗大量燃料，对于固体氧化物燃料电池的经济效益影响很大。
[0003] 高温固体氧化物燃料电池的一个主要问题就在于启动速度过慢，需要较长的启动时间，这对于一些应用较为灵活的领域(例如固体氧化物燃料电池
卡车等移动设备)非常不方便。同时，每次使固体氧化物燃料电池再次工作都需要消耗
电能或燃烧燃料，多次累积对于燃料的利用率也有很大的影响，造成经济损失和零部件的
加速老化而损坏。固体氧化物燃料电池反应温度高达600-900℃，而
环境温度仅几十摄氏度，启动过程中温度提升幅度巨大，过大温度梯度易造成设备损坏与老化；固体氧化物燃料电池通常包含多个电堆，每个电堆又由上百片
电池组组成，电堆整体
质量大，电堆材质也是
热容较大的陶瓷和金属等，导致电堆的热容很大，升温速度很慢。
[0004] 市场需要一种提高高温固体氧化物燃料电池的效率，加快启动高温固体氧化物燃料电池的时间的高温固体氧化物燃料电池系统，本发明解决这样的问题。
发明内容
[0005] 为解决
现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高温固体氧化物燃料电池系统及其快速启动的方法，本发明通过对系统的结构进行改造控制并利用燃料电池反应放出的热量，实现提高高温固体氧化物燃料电池的效率，减少启动高温固体氧化物燃料电池所需的时间。
[0006] 为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
[0007] 一种高温固体氧化物燃料电池系统，包括：固体氧化物燃料电池电堆，包裹固体氧化物燃料电池电堆的内层
真空保温绝热腔体，包裹内层真空保温绝热腔体外的外层真空保温绝热腔体，形成于内层真空保温绝热腔体与内层真空保温绝热腔体之间的储热区域，安装于内层真空保温绝热腔体上并用于连通内层真空保温绝热腔体和储热区域的第一控制
阀，安装在外层真空保温绝热腔体上并用于连通储热区域和外部环境的第二
控制阀，设置于储热区域内的燃料加热器，设置于储热区域并进行前期预热及高温废气处理的
燃烧室，连接于燃烧室并将废气
热能反馈热补偿于燃料加热器、空气加热器的
热交换器，控制燃料进入燃烧室的第三控制阀。
[0008] 前述的一种高温固体氧化物燃料电池系统，内层真空保温绝热腔体包括：内层不锈
钢板，外层
不锈钢板，形成于内层不锈钢板和外层不锈钢板之间的真空层,设置于内层不锈钢板和外层不锈钢板之间的陶瓷球。
[0009] 前述的一种高温固体氧化物燃料电池系统，外层真空保温绝热腔体包括：内层不锈钢板，外层不锈钢板，形成于内层不锈钢板和外层不锈钢板之间的真空层，设置于内层不锈钢板和外层不锈钢板之间的陶瓷球。
[0010] 前述的一种高温固体氧化物燃料电池系统，内层不锈钢板和外层不锈钢板为厚度为0.4mm的SUS321不锈钢板。
[0011] 前述的一种高温固体氧化物燃料电池系统，还包括：密封于内层真空保温绝热腔体内并用于监控电堆温度的第一温度
传感器。
[0012] 前述的一种高温固体氧化物燃料电池系统，还包括：设置于储热区域内的空气加热器，监测储温区域温度的第二温度传感器。
[0013] 前述的一种高温固体氧化物燃料电池系统，还包括：连接于燃料加热器并位于外层真空保温绝热腔体外的燃料
压缩机。
[0014] 前述的一种高温固体氧化物燃料电池系统，还包括：连接于空气加热器并设置于外层真空保温绝热腔体外的空气压缩机。
[0015] 前述的一种高温固体氧化物燃料电池系统，还包括：电控制各个器件的电池控制管理模
块。
[0016] 一种高温固体氧化物燃料电池系统的快速启动的方法，包括如下内容：
[0017] 先打开第三控制阀，将燃料通入到燃烧室燃烧，产生热能对固体氧化物燃料电池电堆、燃料加热器、空气加热器进行加热，升温至反应温度后关闭第三控制阀，且第一控制阀、第二控制阀处于关闭状态；
[0018] 燃料与空气分别经第一压缩机、第二压缩机加压，通过燃料加热器、空气加热器快速提升至反应温度后，于固体氧化物燃料电池电堆处进行反应，电堆反应产生的大量热能存储于内层真空绝热保温腔体的内部环境中，打开第一控制阀，将反应产生的大量热能依靠温度梯度差扩散至储热区域储存，外层真空保温绝热腔体上的第二控制阀处于关闭状态，反应所产生的高温废气经燃烧室反应后，通
过热交换器对系统内部进行热补偿；
[0019] 待固体氧化物燃料电池停止工作后，关闭第一控制阀，将热能储存于储热区域，温度保持在600-900摄氏度，当数小时至数十小时内需要电池再次工作时，通过电池控制管理模块打开第一控制阀，储热区域热量依靠温度梯度差扩散至内层真空保温绝热腔体的内部环境，对固体氧化物燃料电池电堆进行加热；储热区域储存的热能对输入的燃料及空气在燃料加热器、空气加热器内迅速加热；
[0020] 若固体氧化物燃料电池一次使用后长时间段内不再启动或停止使用，通过电池控制管理模块打开第一控制阀、第二控制阀，将整个装置和外部环境连通，通过和外部环境的温度梯度差将内部存储的热能耗散。
[0021] 本发明的有益之处在于：
[0022] 本发明能够有效的保留大部分反应热能，且提供给位于储热区域的空气、燃料、电堆及设备器件使之在数小时至数十小时仍然保持或接近能够立即工作并输出额定功率的温度，减少燃料使用，提高燃料的利用率，避免关键高温组件经历热循环加速老化，缩短加热时间实现瞬时启动。反应所产生的高温废气经燃烧室反应后，通过热交换器对系统内部进行热补偿；
[0023] 本发明的系统设计能够减少固体氧化物燃料电池热再次启动时所消耗的燃料和预热时间，提高固体氧化物燃料电池的启动速度，将原来数小时的
冷启动时间缩短，通过本
专利的
热启动过程缩短至0至数分钟。且通过内外双层真空绝热保温腔体设计，不需要外部供电维持温度，最大程度的减少
能量损耗；
[0024] 结构内部管道使用真空多层绝
热管道结构，避免在管道处产生热损耗，管道
接口处密封良好；
[0025] 本发明通过打开第一控制阀、第二控制阀，将整个装置和外部环境连通，通过和外部环境的温度梯度差将内部存储的热能耗散，防止高温固体氧化物燃料电池电堆及各内部器件因长期处于工作温度导致的老化现象，提高使用寿命，从而提高燃料电池的经济效益。
附图说明
[0026] 图1是本发明的一种
实施例的结构示意图；
[0027] 图2是本发明外层真空保温绝热腔体和内层真空保温绝热腔体的一种实施例的结构示意图。
[0028] 图中附图标记的含义：
[0029] 1内层真空保温绝热腔体，2外层真空保温绝热腔体，3第一控制阀，4第二控制阀，5燃料加热器，6第三控制阀，7第一温度传感器，8空气加热器，9第二温度传感器。
具体实施方式
[0030] 以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
[0031] 如图1所示，一种高温固体氧化物燃料电池系统，包括：包裹固体氧化物燃料电池电堆的内层真空保温绝热腔体1，包裹内层真空保温绝热腔体1外的外层真空保温绝热腔体2，形成于内层真空保温绝热腔体1与内层真空保温绝热腔体1之间的储热区域，安装于内层真空保温绝热腔体1上并用于连通内层真空保温绝热腔体1和储热区域的第一控制阀3，安装在外层真空保温绝热腔体2上并用于连通储热区域和外部环境的第二控制阀4，设置于储热区域内的燃料加热器5，设置于储热区域并进行前期预热及高温废气处理的燃烧室，连接于燃烧室并将废气热能反馈热补偿于燃料加热器5、空气加热器8的热交换器，控制燃料进入燃烧室的第三控制阀6；还包括：密封于内层真空保温绝热腔体1内并用于监控电堆温度的第一温度传感器7，设置于储热区域内的空气加热器8，监测储温区域温度的第二温度传感器9，连接于燃料加热器5并位于外层真空保温绝热腔体2外的燃料压缩机，连接于空气加热器8并设置于外层真空保温绝热腔体2外的空气压缩机，电控制各个器件的电池控制管理模块。
[0032] 系统的结构部分包括：本固体氧化物燃料电池系统中采用内外双层真空保温绝热腔体封闭的结构包裹固体氧化物燃料电池电堆，监控电堆温度的第一温度传感器7密封于内层真空保温绝热腔体1内部环境，内层真空绝热保温腔体上装有第一控制阀3，连通内层真空保温绝热腔体1内部和储热区域；外层真空绝热保温腔体上装有第二控制阀4，连通储热区域和外部环境。储热区域内有加热燃料的燃料加热器5、加热空气的空气加热器8，监测储温区域温度的第二温度传感器9。进行前期预热及高温废气处理的燃烧室，将废气热能反馈热补偿于燃料加热器5、空气加热器8的热交换器。外部装置有压缩燃料的燃料压缩机，压缩空气的空气压缩机，控制燃料进入燃烧室的三控制阀以及对各器件电控制的电池控制管理模块。
[0033] 如图2所示，内层真空保温绝热腔体1包括：内层不锈钢板，外层不锈钢板，形成于内层不锈钢板和外层不锈钢板之间的真空层，设置于内层不锈钢板和外层不锈钢板之间的陶瓷球。
[0034] 如图2所示，外层真空保温绝热腔体2包括：内层不锈钢板，外层不锈钢板，形成于内层不锈钢板和外层不锈钢板之间的真空层，设置于内层不锈钢板和外层不锈钢板之间的陶瓷球。
[0035] 内外层真空绝热腔体均采用耐高温不锈钢做为腔体两侧外表面，内部由直径为几毫米的陶瓷球作为
支撑。制作方式是将两不锈钢板表面对好，其中一块板上预留抽真空孔隙，中间夹着陶瓷球。将其
焊接好边缘后放入真空钎焊室，封闭真空室并将两板内部抽真空，真空度值可达到10-3Pa,在这种真空度下，气体
传热可以忽略。当达到真空度后，在真空室内钎焊封住抽真空孔隙。
[0036] 内层不锈钢板和外层不锈钢板材质的选择：
[0037] 本系统作为高温环境，且腔体内部需要抽至真空。因此需要耐高温性良好，且具有较好的
冲压、弯曲等热加工性能的不锈钢材料。根据各类不锈钢的性能以及经济因素，若工作温度是600—800℃高温固体氧化物燃料电池，作为一种实施例，可采用SUS304(1Cr18Ni9)、SUS304L(00Cr19Ni10)不锈钢作为腔体板材；若工作温度在800—900℃，作为一种实施例，采用SUS321(1Cr18Ni9Ti)不锈钢作为腔体板材；若工作温度大于900℃的高温固体氧化物燃料电池，作为一种实施例，可采用SUS309S(0Cr23Ni13Mo2)作为腔体板材，具有很好的抗
腐蚀性和强度。
[0038] 板材以SUS321(1Cr18Ni9Ti)不锈钢为例，泊松比为0.32，
弹性模量为1.9×1011。根据实验数据分析，在
大气压下的真空绝热腔体中，陶瓷球之间会发生部位
变形。当SUS321不锈钢板材厚度为0.4mm时，最大位移为2.39×10-5m，厚度为0.2mm时，变形达到7.64×10-4m。因此，作为一种优选，选用厚度为0.4mm的SUS321不锈钢作为腔体板材更合适。
[0039] 要说明的是：以上举例只是部分举例，
申请人无法穷举，只要是能够适用于本结构，本系统方法的材料都在本发明的保护范围之内。
[0040] 一种高温固体氧化物燃料电池系统的快速启动的方法，包括如下内容：
[0041] 先打开第三控制阀6，将燃料通入到燃烧室燃烧，产生热能对固体氧化物燃料电池电堆、燃料加热器5、空气加热器8进行加热，升温至反应温度后关闭第三控制阀6，且第一控制阀3、第二控制阀4处于关闭状态；
[0042] 燃料与空气分别经第一压缩机、第二压缩机加压，通过燃料加热器5、空气加热器8快速提升至反应温度后，于固体氧化物燃料电池电堆处进行反应。电堆反应产生的大量热能存储于内层真空绝热保温腔体的内部环境中，打开第一控制阀3，将反应产生的大量热能依靠温度梯度差扩散至储热区域储存，外层真空保温绝热腔体2上的第二控制阀4处于关闭状态。此时将有效的保留大部分反应热能，且提供给位于储热区域的空气、燃料、电堆及设备器件使之在数小时至数十小时仍然保持或接近能够立即工作并输出额定功率的温度，减少燃料使用，提高燃料的利用率，避免关键高温组件经历热循环加速老化，缩短加热时间实现瞬时启动。反应所产生的高温废气经燃烧室反应后，通过热交换器对系统内部进行热补偿。
[0043] 待固体氧化物燃料电池停止工作后，关闭第一控制阀3，将热能储存于储热区域，温度保持在600-900摄氏度，当数小时至数十小时内需要电池再次工作时，通过电池控制管理模块打开第一控制阀3，储热区域热量依靠温度梯度差扩散至内层真空保温绝热腔体1的内部环境，对固体氧化物燃料电池电堆进行加热；储热区域储存的热能对输入的燃料及空气在燃料加热器5、空气加热器8内迅速加热。这样的设计能够减少固体氧化物燃料电池热再次启动时所消耗的燃料和预热时间，提高固体氧化物燃料电池的启动速度，将原来数小时的冷启动时间缩短，通过本专利的热启动过程缩短至0至数分钟。且通过内外双层真空绝热保温腔体设计，不需要外部供电维持温度，最大程度的减少能量损耗。结构内部管道使用真空多层绝热管道结构，避免在管道处产生热损耗，管道接口处密封良好。
[0044] 若固体氧化物燃料电池一次使用后长时间段内不再启动或停止使用，通过电池控制管理模块打开第一控制阀3、第二控制阀4，将整个装置和外部环境连通，通过和外部环境的温度梯度差将内部存储的热能耗散。这样的设计防止高温固体氧化物燃料电池电堆及各内部器件因长期处于工作温度导致的老化现象，提高使用寿命，从而提高燃料电池的经济效益。
[0045] 本发明提供一种高温固体氧化物燃料电池系统及其快速启动的方法，本发明通过对系统的结构进行改造控制并利用燃料电池反应放出的热量，实现提高高温固体氧化物燃料电池的效率，加快启动高温固体氧化物燃料电池的时间。
[0046] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
