CN113299953B - 燃料电池发电系统快速启动方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents

燃料电池发电系统快速启动方法、装置、设备及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，公开了一种燃料电池发电系统快速启动方法、装置、设备及存储介质，所述方法包括：在检测到燃料电池电堆启动需求时，控制重整系统处于关闭状态，并控制燃烧系统处于运行状态；控制燃烧系统产生的热气体对燃料电池电堆进行预热处理；监测燃料电池电堆的出口温度；在出口温度处于预设温度范围内时，控制重整系统切换至运行状态，以完成燃料电池发电系统的启动，进入正常发电模式。从而在不增加额外系统和设备的前提下，通过本发明的方案，直接将燃烧器产生的热气体通入燃料电池电堆，以可控的方式快速预热电堆，并且通过温度反馈的方式来准确地进行模式切换，实现了发电系统的快速启动，并且兼顾系统效能。

Description

燃料电池发电系统快速启动方法、装置、设备及存储介质
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池发电系统快速启动方法、装置、设备及存储介质。
背景技术
甲醇固体氧化物燃料电池作为重要的甲醇燃料发电应用途径，该方向集结甲醇燃料的易存储、易获取特定以及固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)的燃料适应性广、高发电效率、无污染排放等优点，可广泛应用于分布式发电、大型固定电站、便携式发电、移动电源、车载电源等领域。
现有甲醇固体氧化物燃料电池发电系统，为了加速系统快速启动，目前主要采取以下方式：
1)纯电加热：通过储能电池向电加热器供电，预热主电堆；
2)复合加热：纯电加热与辅助电堆(简称辅堆)加热相结合，预热主电堆(简称主堆)。纯电加热辅堆，待辅堆正常工作后，辅堆为电加热器提供电能，然后再预热主堆。该系统需要多次能量转换，牺牲综合效能，启动时长虽有所改善但受辅堆性能限制。
然而，随着SOFC电堆发电功率的增加，上述两种方式所需配备的储能电池容量、电加热系统体积和制造成本也随之增加，这些因素限制了甲醇固体氧化物燃料电池的推广和应用。
上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
本发明的主要目的在于提出一种低成本燃料电池发电系统快速启动方法、装置、设备及存储介质，旨在解决如何在不增加系统的复杂度、不使用大功率储能电池、保证整机设备重量和体积的前提下，实现发电系统的快速启动，同时兼顾能效的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种燃料电池发电系统快速启动方法，所述燃料电池发电系统包括：重整系统、燃烧系统以及燃料电池电堆；
所述燃料电池发电系统快速启动方法包括以下步骤：
在检测到所述燃料电池电堆启动需求时，控制所述重整系统处于关闭状态，并控制所述燃烧系统处于运行状态；
控制所述燃烧系统产生的热气体对所述燃料电池电堆进行预热处理；
监测所述燃料电池电堆的出口温度；
在所述出口温度处于预设温度范围内时，控制所述重整系统切换至运行状态，以完成所述燃料电池发电系统的启动，进入正常发电模式。
可选地，所述在所述出口温度处于预设温度范围内时，控制所述重整系统切换至运行状态，以完成所述燃料电池发电系统的启动，进入正常发电模式，包括：
在所述出口温度处于预设温度范围内时，统计所述出口温度处于预设温度范围内的持续时间；
将所述持续时间与预设时间段阈值进行比较；
在所述持续时间大于所述预设时间段阈值时，控制所述重整系统切换至运行状态，以完成所述燃料电池发电系统的启动，进入正常发电模式。
可选地，所述燃料电池发电系统还包括空气系统，所述空气系统包括空气滤清器和增压器；
所述燃烧系统包括：燃烧器和燃料罐；
所述控制所述燃烧系统产生的热气体对所述燃料电池电堆进行预热处理，包括：
控制所述空气滤清器对进入的空气进行过滤处理，并将过滤后的空气传输至所述增压器；
控制所述增压器对过滤后的空气进行增压处理；
将增压后的空气传输至所述燃烧器，并将所述燃料罐中的醇类燃料传输至所述燃烧器；
控制所述燃烧器根据输入的空气和醇类燃料进行燃烧处理，得到热气体；
控制所述燃烧器产生的热气体对所述燃料电池电堆进行预热处理。
可选地，所述燃料电池发电系统还包括：第一换热器、第二换热器、第三换热器；
所述在所述出口温度处于预设温度范围内时，控制所述重整系统切换至运行状态，以完成所述燃料电池发电系统的启动之后，进入正常发电模式，还包括：
控制所述燃烧系统产生的热气体传输至第一换热器和第二换热器，以将所述热气体作为所述第一换热器和第二换热器的热源；
将增压后的空气传输至所述第一换热器；
控制所述第一换热器对增压后的空气进行预热处理，并将预热后的空气传输至所述燃料电池电堆的气体入口；
控制所述重整系统生成混合燃料气体，将所述混合燃料气体传输至所述第二换热器和第三换热器进行两次预热，并将预热后的混合燃料气体传输至所述燃料电池电堆的燃料入口；
控制所述燃料电池电堆根据预热后的空气和混合燃料气体进行电堆电化学反应，以进行燃料电池发电；
将反应后的气体通过所述燃料电池电堆的气体出口传输至所述第一换热器，以使反应后的气体作为所述第一换热器的热源进行换热处理；
将反应后剩余的混合燃料气体通过所述燃料电池电堆的燃料出口传输至所述第三换热器，以使反应后剩余的混合燃料气体作为所述第三换热器的热源进行换热处理；
将经过第三换热器换热后的混合燃料气体传输至所述燃烧器进行燃烧。
可选地，所述控制所述燃烧系统产生的热气体对所述燃料电池电堆进行预热处理，包括：
将所述燃烧系统产生的热气体传输至所述燃料电池电堆，通过所述热气体对所述燃料电池电堆进行预热处理；
或，
通过所述燃烧系统产生的热气体对空气进行预热处理，得到热空气，将所述热空气传输至所述燃料电池电堆，通过所述热空气对所述燃料电池电堆进行预热处理。
可选地，所述燃烧系统通过第一管路与燃料电池电堆的气体入口连通，所述燃烧系统还通过第二管路与第二换热器连通，第一换热器还通过第三管路与所述燃料电池电堆的气体入口连通；
所述将所述燃烧系统产生的热气体传输至所述燃料电池电堆，通过所述热气体对所述燃料电池电堆进行预热处理，包括：
打开所述第一管路，并关闭所述第二管路和所述第三管路，以使所述燃烧系统产生的热气体通过所述第一管路传输至所述燃料电池电堆，通过所述热气体对所述燃料电池电堆进行预热处理；
相应地，所述在所述出口温度处于预设温度范围内时，控制所述重整系统切换至运行状态，以完成所述燃料电池发电系统的启动，进入正常发电模式，包括：
在所述出口温度处于预设温度范围内时，关闭所述第一管路，并打开所述第二管路和所述第三管路，并控制所述重整系统切换至运行状态，以完成所述燃料电池发电系统的启动，进入正常发电模式。
可选地，所述通过所述燃烧系统产生的热气体对空气进行预热处理，得到热空气，将所述热空气传输至所述燃料电池电堆，通过所述热空气对所述燃料电池电堆进行预热处理，包括：
将热气体从燃烧系统传输至第二换热器，并将所述热气体从所述第二换热器传输至第一换热器，将所述热气体作为所述第一换热器和第二换热器的热源；
控制由空气系统过滤和增压后的空气传输至所述第一换热器进行换热处理，并传输至第二换热器进一步吸热，得到热空气；
将所述热空气传输至所述燃料电池电堆，通过所述热空气对所述燃料电池电堆进行预热处理。
此外，为实现上述目的，本发明还提出一种燃料电池发电系统快速启动装置，所述燃料电池发电系统快速启动装置包括：
启动检测模块，用于在检测到燃料电池电堆启动时，控制重整系统处于关闭状态，并控制燃烧系统处于运行状态；
电堆预热模块，用于控制所述燃烧系统产生的热气体对所述燃料电池电堆进行预热处理；
温度监测模块，用于监测所述燃料电池电堆的出口温度；
正常运行模块，用于在所述出口温度处于预设温度范围内时，控制所述重整系统切换至运行状态，以完成所述燃料电池发电系统的启动，进入正常发电模式。
此外，为实现上述目的，本发明还提出一种燃料电池发电系统快速启动设备，所述燃料电池发电系统包括：重整系统、燃烧系统以及燃料电池电堆；所述燃料电池发电系统快速启动设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的燃料电池发电系统快速启动程序，所述燃料电池发电系统快速启动程序被处理器执行时实现如上所述的燃料电池发电系统快速启动方法。
此外，为实现上述目的，本发明还提出一种存储介质，所述存储介质上存储有燃料电池发电系统快速启动程序，所述燃料电池发电系统快速启动程序被处理器执行时实现如上所述的燃料电池发电系统快速启动方法。
本发明提出的燃料电池发电系统快速启动方法，通过在检测到所述燃料电池电堆启动需求时，控制所述重整系统处于关闭状态，并控制所述燃烧系统处于运行状态；控制所述燃烧系统产生的热气体对所述燃料电池电堆进行预热处理；监测所述燃料电池电堆的出口温度；在所述出口温度处于预设温度范围内时，控制所述重整系统切换至运行状态，以完成所述燃料电池发电系统的启动，进入正常发电模式。从而在不增加额外系统和设备的前提下，通过本实施例的方案，直接将燃烧器产生的热气体通入燃料电池电堆，以可控的燃烧方式快速预热电堆，并且通过温度检测的方式来准确地进行模式切换，实现了发电系统的快速启动，并且兼顾系统效能。
附图说明
图1是本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的燃料电池发电系统快速启动设备结构示意图；
图2为本发明燃料电池发电系统快速启动方法第一实施例的流程示意图；
图3为本发明燃料电池发电系统快速启动方法第二实施例的流程示意图；
图4为本发明燃料电池发电系统快速启动方法第三实施例的流程示意图；
图5为本发明燃料电池发电系统快速启动方法一实施例的燃料电池发电系统结构示意图；
图6为本发明燃料电池发电系统快速启动方法一实施例的管路控制逻辑示意图；
图7为本发明燃料电池发电系统快速启动方法一实施例的另一种燃料电池发电系统结构示意图；
图8为本发明燃料电池发电系统快速启动装置第一实施例的功能模块示意图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
1 空气滤清器 2 增压器
3 第一换热器 4 燃料电池电堆
5 水罐 6 燃料罐
7 储液罐 8 高压泵
9 重整器 10 燃烧器
11 第二换热器 12 第三换热器
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1，图1为本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的燃料电池发电系统快速启动设备结构示意图。
如图1所示，该燃料电池发电系统快速启动设备可以包括：处理器1001，例如中央处理器(Central Processing Unit，CPU)，通信总线1002、用户接口1003，网络接口1004，存储器1005。其中，通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信。用户接口1003可以包括显示屏(Display)、输入单元比如按键，可选用户接口1003还可以包括标准的有线接口、无线接口。网络接口1004可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如WI-FI接口)。存储器1005可以是高速随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)存储器，也可以是稳定的存储器(non-volatile memory)，例如磁盘存储器。存储器1005可选的还可以是独立于前述处理器1001的存储装置。
本领域技术人员可以理解，图1中示出的设备结构并不构成对燃料电池发电系统快速启动设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
如图1所示，作为一种存储介质的存储器1005中可以包括操作系统、网络通信模块、用户接口模块以及燃料电池发电系统快速启动程序。
在图1所示的燃料电池发电系统快速启动设备中，网络接口1004主要用于连接外网，与其他网络设备进行数据通信；用户接口1003主要用于连接用户设备，与所述用户设备进行数据通信；本发明设备通过处理器1001调用存储器1005中存储的燃料电池发电系统快速启动程序，并执行本发明实施例提供的燃料电池发电系统快速启动方法。
基于上述硬件结构，提出本发明燃料电池发电系统快速启动方法实施例。
参照图2，图2为本发明燃料电池发电系统快速启动方法第一实施例的流程示意图。所述燃料电池发电系统包括：重整系统、燃烧系统以及燃料电池电堆；所述燃料电池发电系统快速启动方法包括以下步骤：
步骤S10，在检测到所述燃料电池电堆启动需求时，控制所述重整系统处于关闭状态，并控制所述燃烧系统处于运行状态。
需要说明的是，本实施例的执行主体可为燃料电池发电系统快速启动设备，所述燃料电池发电系统快速启动设备可为对燃料电池发电系统进行控制的控制器，其可设置在燃料电池发电系统的内部，也可设置在燃料电池发电系统的外部，本实施例对此不作限制。并且，除了燃料电池发电系统快速启动设备外，还可为其他可实现相同或相似功能的设备，本实施例对此不作限制，在本实施例中，以燃料电池发电系统快速启动设备为例进行说明。
需要说明的是，本实施例中的燃料电池发电系统具体可为甲醇固体氧化物燃料电池，在本实施例中主要以甲醇固体氧化物燃料电池进行说明，除此之外，还可为其他类型的燃料电池，本实施例对此不作限制。
应当理解的是，在检测到燃料电池电堆启动时，可先不运行重整系统，即使重整系统处于关闭状态。在电堆启动时，先运行燃烧系统对电堆进行预热。
步骤S20，控制所述燃烧系统产生的热气体对所述燃料电池电堆进行预热处理。
应当理解的是，燃烧系统在运行的过程中可产生热气体，可通过热气体来对电堆进行预热。其中，可直接热气体传输至燃料电池电堆，通过热气体对所述燃料电池电堆进行预热处理；也可通过热气体对空气进行预热处理，得到热空气，将热空气传输至燃料电池电堆，通过热空气对燃料电池电堆进行预热处理。除了上述两种预热方式外，还可通过其他方式来使用热气体对电堆进行预热，如热气体加热油，油加热电堆本身等，本实施例对此不作限制。
步骤S30，监测所述燃料电池电堆的出口温度。
应当理解的是，在开始对燃料电池电堆进行预热之后，可实时监测燃料电池电堆的出口温度，通过出口温度来判断是否预热完成，保证电堆正常运行。其中，可通过在燃料电池电堆的出口设置温度传感器，通过温度传感器来获取燃料电池电堆的出口温度，还可通过其他方式来获取燃料电池电堆的出口温度，本实施例对此不作限制。
可以理解的是，由于本实施例中的燃料电池电堆有两个出口，分别为气体出口和燃料出口，理论上这两个出口的温度应当相同，因此，可监测其中任一出口的温度，将该温度作为燃料电池电堆的出口温度，因此，温度传感器可设置在燃料电池电堆的气体出口处，也可设置在燃料电池电堆的燃料出口处，本实施例对此不作限制。
步骤S40，在所述出口温度处于预设温度范围内时，控制所述重整系统切换至运行状态，以完成所述燃料电池发电系统的启动，进入正常发电模式。
需要说明的是，所述预设温度范围可为根据实际使用情况预先设置的温度范围，例如，可将预设温度范围设置为600～700℃，也可将预设温度范围设置为650～700℃，还可设置为其他数值，本实施例对此不作限制。
应当理解的是，在监测到出口温度处于预设温度范围内时，说明燃料电池电堆的预热已经完成，此时已经不再需要对燃料电池电堆进行预热处理，此时可控制重整系统切换至运行状态，以完成所述燃料电池发电系统的启动，进入正常发电模式。
进一步地，由于燃料电池电堆的出口温度可能存在一定的延迟，或者可能存在检测不准确的情况，为了提高检测的准确性，避免对燃料电池发电系统的正常运行造成影响，所述S40，包括：
在所述出口温度处于预设温度范围内时，统计所述出口温度处于预设温度范围内的持续时间；将所述持续时间与预设时间段阈值进行比较；在所述持续时间大于所述预设时间段阈值时，控制所述重整系统切换至运行状态，以完成所述燃料电池发电系统的启动，进入正常发电模式。
需要说明的是，所述预设时间段阈值可为根据实际使用情况预先设置的数值，例如，可将预设时间段阈值设置为2S或者3S，还可设置为其他数值，本实施例对此不作限制。
应当理解的是，为了达到更好的控制效果，可统计出口温度处于预设温度范围内的持续时间，进而将持续时间与预设时间段阈值进行比较，在持续时间大于预设时间段阈值时，说明燃料电池电堆的预热已经完成，并对重整系统的状态进行切换，以进入正常发电模式。
需要说明的是，所述重整系统包括：水罐、储液罐、高压泵以及重整器，所述水罐和所述燃料罐分别与所述储液罐的入口连通，所述储液罐的出口与所述高压泵的入口连通，所述高压泵的出口与所述重整器的入口连通。重整器可生成混合燃料气体，具体步骤为：分别将所述水罐中的水和所述燃料罐中的醇类燃料传输至所述储液罐，以使所述水和所述醇类燃料在所述储液罐中形成混合溶液；将所述混合溶液传输至所述高压泵，并通过所述高压泵对所述混合溶液进行汽化处理，得到混合气体；将所述混合气体传输至所述重整器，通过所述重整器对所述混合气体进行重整处理，得到混合燃料气体。
应当理解的是，由于水罐和燃料罐分别与储液罐的入口连通，因此，可分别将水罐中的水和燃料罐中的甲醇通过管路传输至储液罐，在水和甲醇可在储液罐中形成混合溶液。可进一步将混合溶液通过管路传输至高压泵，控制高压泵对混合溶液进行汽化处理，得到混合气体，再将混合气体传输至重整器，控制重整器对混合气体进行重置处理，得到氢气和一氧化碳的300～400℃的混合燃料气体，经过多级吸热后，可将混合燃料气体传输至燃料电池电堆进行电堆电化学反应，以进行发电。
可以理解的是，燃料电池发电系统所发电量可经过DCDC存储到动力电池系统或直接被利用，还可通过其他方式对电量进行存储，本实施例对此不作限制。
可以理解的是，通过本实施例中的方案，可在不增加热外系统(如纯加热系统)的前提下，通过系统设计，通过将甲醇燃烧后的热气体对燃料电池电堆进行预热，以可控燃烧方式快速预热电堆。并且，通过快速闭环启动甲醇固体氧化物燃烧电池的控制方法，可以在保证电堆性能和安全的前提下，通过精确控制燃烧，快速达到电堆反应的工作温度，然后切换成电堆正常发电模式。
本实施例的方案存在如下优点：
1)快速启动，无额外附加系统。本实施例的方案合理设计甲醇固体氧化物燃料电池的燃烧系统，采用燃烧预热方式快速启动，而非传统的纯电加热方式(电加热器和储能电池)启动，或复合加热方式(电加热器、储能电池和辅助电堆)启动。
2)系统成本低。相较于传统的电加热和复合加热方式，省去电加热器、辅助电堆等系统部件。
3)综合热电联合效率更高。
a.启动系统以甲醇燃烧放热，预热电堆，能量转换经历燃料化学→热能；
b.传统电加热方式：需要从燃料化学能→电能→热能
c.复合加热方式：
Step1:储能电池为电加热器提供电能，电加热辅堆：燃料化学能→电能→热能；
Step2:辅堆正常发电：燃料化学能→电能；
Step3:辅堆为电加热器提供电能，电加热主堆：电能→热能；
4)系统结构简单，无额外新增系统。
5)适应性广，适合小型化推广。适应不同功率需求的甲醇固体氧化物燃料电池系统，适合大面积推广。
在本实施例中，在检测到所述燃料电池电堆启动需求时，控制所述重整系统处于关闭状态，并控制所述燃烧系统处于运行状态；控制所述燃烧系统产生的热气体对所述燃料电池电堆进行预热处理；监测所述燃料电池电堆的出口温度；在所述出口温度处于预设温度范围内时，控制所述重整系统切换至运行状态，以完成所述燃料电池发电系统的启动，进入正常发电模式。从而在不增加额外系统和设备的前提下，通过本实施例的方案，直接将燃烧器产生的热气体通入燃料电池电堆，以可控的燃烧方式快速预热电堆，并且通过温度检测的方式来准确地进行模式切换，实现了发电系统的快速启动，并且能够兼顾能效。
在一实施例中，如图5所示，基于第一实施例提出本发明燃料电池发电系统快速启动方法第二实施例，所述燃料电池发电系统还包括空气系统，所述空气系统包括空气滤清器和增压器；所述燃烧系统包括：燃烧器和燃料罐；
所述步骤S20，包括：
步骤S201，控制所述空气滤清器对进入的空气进行过滤处理，并将过滤后的空气传输至所述增压器。
需要说明的是，所述空气滤清器的出口与所述增压器的入口连通，所述增压器的出口与所述燃烧器的入口连通，所述燃料罐的出口与所述燃烧器的入口连通。
应当理解的是，由于空气中可能存在灰尘杂质，对燃料电池发电系统造成影响，因此，可控制空气滤清器对进入的空气进行过滤处理，除去灰尘杂质，然后将过滤后的空气传输至增压器。
步骤S202，控制所述增压器对过滤后的空气进行增压处理。
可以理解的是，可通过增压器对过滤后的空气进行增压处理，得到增压后的高压空气，增压器可将增压后的空气分别传输至燃烧器和燃料电池电堆。
步骤S203，将增压后的空气传输至所述燃烧器，并将所述燃料罐中的醇类燃料传输至所述燃烧器。
需要说明的是，本实施例中的醇类材料优选为甲醇，但是，除了甲醇外，还可为其他可起到相同或相似功能的醇类材料，本实施例对此不作限制，在本实施例中，以醇类材料为甲醇为例进行说明。燃料罐中存储的甲醇可为气态或者液态的形态，还可为其他形态，本实施例对此不作限制。
应当理解的是，可将增压后的空气传输至燃烧器的入口，同时还可将燃烧罐中的甲醇传输至燃烧器入口，通过该方式可使燃烧器中同时存在空气和甲醇。
步骤S204，控制所述燃烧器根据输入的空气和醇类燃料进行燃烧处理，得到热气体。
可以理解的是，由于空气和甲醇可进行燃烧，因此可控制燃烧器根据输入的空气和醇类燃料进行燃烧处理，通过燃烧产生热气体。
步骤S205，控制所述燃烧器产生的热气体对所述燃料电池电堆进行预热处理。
可以理解的是，在燃烧器中产生热气体后，可将燃烧器产生的热气体导出，通过该热气体来对燃料电池电堆进行预热处理。
在本实施例中，通过控制所述空气滤清器对进入的空气进行过滤处理，并将过滤后的空气传输至所述增压器；控制所述增压器对过滤后的空气进行增压处理；将增压后的空气传输至所述燃烧器的入口，并将所述燃料罐中的醇类燃料传输至所述燃烧器的入口；控制所述燃烧器根据输入的空气和醇类燃料进行燃烧处理，得到热气体。从而通过本实施例的方案，可对空气和甲醇分别进行控制，使它们能够汇聚在燃烧器内进行燃烧得到热气体，并且，空气和甲醇的量可以进行控制，得到可控燃烧得到热气体的目的，既能达到较好的预热效果，又不需要增加额外的设备。
进一步地，为了提高系统能效，可通过多处的能量吸收，提高燃料的利用率，对系统中多级能量进行交换，充分吸收尾气和电堆反应的热量，用于入口空气和燃料的加热，达到充分利用能源，避免能量浪费，所述燃料电池发电系统还包括：第一换热器、第二换热器、第三换热器；所述步骤S40之后，还包括：
控制所述燃烧系统产生的热气体传输至第一换热器和第二换热器，以将所述热气体作为所述第一换热器和第二换热器的热源；将增压后的空气传输至所述第一换热器；控制所述第一换热器对增压后的空气进行预热处理，并将预热后的空气传输至所述燃料电池电堆的气体入口；控制所述重整系统生成混合燃料气体，将所述混合燃料气体传输至所述第二换热器和第三换热器进行两次预热，并将预热后的混合燃料气体传输至所述燃料电池电堆的燃料入口；控制所述燃料电池电堆根据预热后的空气和混合燃料气体进行电堆电化学反应，以进行燃料电池发电；将反应后的气体通过所述燃料电池电堆的气体出口传输至所述第一换热器，以使反应后的气体作为所述第一换热器的热源进行换热处理；将反应后剩余的混合燃料气体通过所述燃料电池电堆的燃料出口传输至所述第三换热器，以使反应后剩余的混合燃料气体作为所述第三换热器的热源进行换热处理；将经过第三换热器换热后的混合燃料气体传输至所述燃烧器进行燃烧。
需要说明的是，第一换热器、第二换热器和第三换热器都为可起到换热作用的设备，它们可为相同类型或者型号的换热器，也可为不同类型或者不同型号的换热器，本实施例对此不作限制。其中，上述三个换热器可分给设置在三个不同的位置，形成三个独立的换热器；也可将其中的两个或三个换热器设置在同一位置，形成一个换热器组；并且，在某些使用场景下，还可将其中的两个或三个换热器集成为一个换热器，通过该集成的换热器来实现多个换热器的功能，本实施例对此不作限制。
应当理解的是，燃烧器的出口与燃料电池电堆的气体入口连通，燃烧器的出口第二换热器连通，第一换热器与燃料电池电堆的气体入口连通。重整系统中的重整器的出口与第二换热器连通，第二换热器与第三换热器连通，第三换热器与燃料电池电堆的燃料入口连通。其中，燃料电池电堆可包括两个入口和两个出口，分别为：气体入口、燃料入口、气体出口以及燃料出口，还可包括其他更多的出入口，本实施例对此不作限制。
应当理解的是，可控制燃烧系统产生的热气体传输至第一换热器和第二换热器，以将热气体作为所述第一换热器和第二换热器的热源，为第一换热器和第二换热器提供热量。可将增压后的空气传输至第一换热器，控制第一换热器对增压后的空气进行预热处理，并将预热后的空气传输至燃料电池电堆的气体入口。还可控制重整系统生成混合燃料气体，将混合燃料气体传输至第二换热器，并通过第二换热器对所述混合燃料气体进行第一次预热处理，将第一次预热后的混合燃料气体传输至第三换热器，并通过第三换热器对混合燃料气体进行第二次预热处理，从而达到将混合燃料气体传输至所述第二换热器和第三换热器进行两次预热的目的，在两次预热完成后，将预热后的混合燃料气体传输至所述燃料电池电堆的燃料入口。
应当理解的是，甲醇和水的混合比例溶液，通过高压泵汽化后，经重整器重整，可产生氢气和一氧化碳的300～400℃的混合气体，在本实施例中，将该混合气体称之为混合燃料气体。
可以理解的是，可将混合燃料气体传输至第二换热器进行第一次预热处理，然后将第一次预热后的混合燃料气体传输至第三换热器进行第二次预热处理，通过两次预热的方式，可以达到更好的预热效果。将经过第二次预热后的混合燃料气体传输至燃料电池电堆的燃料入口，以使预热后的混合燃料气体进入电堆参与电化学反应。
应当理解的是，在将预热后的空气和混合燃料气体输入燃料电池电堆后，可控制燃料电池电堆根据预热后的空气和混合燃料气体进行电堆电化学反应，以进行燃料电池发电。并且，由于反应后的气体带有较高的温度，还可将反应后的气体通过燃料电池电堆的气体出口传输至第一换热器，以使反应后的气体作为第一换热器的热源进行换热处理，在这种情况下，第一换热器有燃烧器产生器的热气体和反应后的气体，这两种气体作为热源，能够达到对空气进行更好的预热效果。并且，还可将经过第一换热器换热后的气体排入大气。
可以理解的是，由于电堆电化学反应可能并不完全，可能会剩余部分混合燃料气体，带有较高的温度，而且混合燃料气体是可以燃烧的。为了避免能源浪费，可将反应后剩余的混合燃料气体通过燃料电池电堆的燃料出口传输至第三换热器，以使反应后剩余的混合燃料气体作为第三换热器的热源进行换热处理，在这种情况下，第三换热器有反应后剩余的混合燃料气体作为热源，能够对进入燃料电池电堆之前的混合燃料气体进行较好的预热。并且，由于混合燃料气体可以燃烧，还可将经过第三换热器换热后的混合燃料气体传输至燃烧器的入口，将其输入燃烧器进行燃烧，进一步利用了废气。
在本实施例中，充分利用燃烧放热和电堆电化学反应放热两种热源，作为第一换热器、第二换热器以及第三换热器的热源，分别为甲醇重整制氢、入堆的空气和重整的混合气提供必要的热量，不仅能够达到较好的预热效果，而且不要额外增加预热装置，而且还避免了能源的浪费。并且，通过电堆废气再回收、废气再燃烧和多级能源再利用，既降低排放保证不对环境造成污染，又充分的利用了燃料，可实现纯发电效率＞60％，热电联合效率≥88％。
需要说明的是，在本实施例的燃料电池发电系统中，该系统在初始阶段以甲醇燃烧为主热源，待电堆正常运行后，系统将以堆体放热为主，燃烧为辅助，具体控制策略可依据实际情况而定，本实施例对此不作限制。
在本实施例中，通过上述方案设计，不仅可解决甲醇固体氧化物燃料电池的快速启动问题，还可解决甲醇固体氧化物燃料电池的系统能量管理问题，并且还提高了固体氧化物燃料电池的发电效率和热电联合效率，从而可在无成本增加的前提下，实现燃料电池发电系统的快速启动以及能量集成，避免成本的增加和能源的浪费。
在一实施例中，如图6所示，基于第一实施例提出本发明燃料电池发电系统快速启动方法第三实施例，所述步骤S20，包括：
步骤S01：将所述燃烧系统产生的热气体传输至所述燃料电池电堆，通过所述热气体对所述燃料电池电堆进行预热处理。
应当理解的是，可通过燃烧系统产生热气体，在产生热气体后，可直接将热气体传输至燃料电池电堆进行预热处理。
或，步骤S02：通过所述燃烧系统产生的热气体对空气进行预热处理，得到热空气，将所述热空气传输至所述燃料电池电堆，通过所述热空气对所述燃料电池电堆进行预热处理。
可以理解的是，除了上述直接将热气体传输至燃料电池电堆，对电堆进行预热处理的方式外，还可通过燃烧系统产生的热气体对空气进行预热处理，得到热空气，将热空气传输至燃料电池电堆，对电堆进行预热处理。
需要说明的中，可根据实际需求和使用情况从上述两种预热方式中任选一种作为燃料电池发电系统的预热方式，本实施例对此不作限制。
在一实施例中，为了到达直接将热气体传输至燃料电池电堆，对电堆进行预热处理的目的，可设计与之对应的系统结构以及控制逻辑，所述燃烧系统通过第一管路与燃料电池电堆的气体入口连通，所述燃烧系统还通过第二管路与第二换热器连通，第一换热器还通过第三管路与所述燃料电池电堆的气体入口连通；所述步骤S01，包括：
打开所述第一管路，并关闭所述第二管路和所述第三管路，以使所述燃烧系统产生的热气体通过所述第一管路传输至所述燃料电池电堆，通过所述热气体对所述燃料电池电堆进行预热处理。
相应地，所述步骤S40，包括：
在所述出口温度处于预设温度范围内时，关闭所述第一管路，并打开所述第二管路和所述第三管路，并控制所述重整系统切换至运行状态，以完成所述燃料电池发电系统的启动，进入正常发电模式。
需要说明的是，第一管路、第二管路以及第三管路可为相同材质的管路，也可为不同材质的管路，本实施例对此不作限制。在燃料电池电堆启动的过程中，可通过对第一管路、第二管路以及第三管路的状态进行控制的方式来进行不同的操作。在检测到燃料电池电堆开始启动时，此时需要先对燃料电池电堆进行预热，预热完成后燃料电池电堆才能正常运行。在这种情况下，可将燃料电池发电系统切换至预热模式，可打开第一管路，并关闭第二管路和第三管路，便可以使燃烧器产生的热气体通过第一管路传输至燃料电池电堆，通过热气体对燃料电池电堆进行预热处理。
在具体实现中，可如图5所示，图5为燃料电池发电系统结构示意图。燃料电池发电系统可包括：空气滤清器1、增压器2、第一换热器3、燃料电池电堆4、水罐5、燃料罐6、储液罐7、高压泵8、重整器9、燃烧器10、第二换热器11以及第三换热器12。图5中还示出了四条管路，分别为第一管路A、第二管路B、第三管路C以及第四管路D，除此之外，图中的其他指向线条代表的也是管路，只是未对其进行标号。
应当理解的是，基于图5，所述燃烧器的出口与燃料电池电堆的气体入口通过第一管路连通可进一步限定为：燃烧器的出口与燃料电池电堆的气体入口可通过第一管路和第四管路连通。所述第一换热器还通过第三管路与所述燃料电池电堆的气体入口连通可进一步地限定为：第一换热器还通过第三管路和第四管路与燃料电池电堆的气体入口连通。其中，第四管路可处于常通状态，在第一管路打开，并且第二管路、第三管路关闭的情况下，第一管路中的气体可传输至第四管路，并通过第四管路传输至燃料电池电堆的气体入口；在第一管路关闭，并且第二管路、第三管路打开的情况下，第三管路中的气体可传输至第四管路，并通过第四管路传输至燃料电池电堆的气体入口。因此，在本实施例的控制逻辑中，只需要对第一管路、第二管路以及第三管路的状态进行控制即可。
在具体实现中，可如图6所示，图6为管路控制逻辑示意图，为了节约成本，并且达到较好的控制效果，可在第一管路A、第三管路C以及第四管路D之间设置第一三通阀M，可在燃烧器出口管路、第一管路A以及第二管路B之间设置第二三通阀N，通过第一三通阀和第二三通阀的状态，便可到达对第一管路A、第二管路B以及第三管路C的状态进行控制的效果。除了上述设置三通阀来对管路的状态进行控制的方式外，还可通过其他方式对管路的状态进行控制，例如，可在管路中设置截止阀，通过截止阀来对管路的状态进行控制，本实施例对此不作限制。
在具体实现中，可在燃料电池电堆的启动阶段，通过特殊的甲醇燃烧系统设计，甲醇燃烧产生热气体，热气体经第一管路A预热电堆，此时第二管路B和第三管路C同时关闭。待电堆反馈温度达到稳定的600～700℃后，PID控制逐渐切断第一管路A，打开第三管路C，并保持第二管路B畅通。并且在切断第一管路A前可合理计算重整混合气体量和监控电堆温度，保证电堆正常运行。
在另一实施例中，为了到达通过热气体对空气进行预热，得到热空气，将热空气传输至燃料电池电堆，对电堆进行预热处理的目的，可设计与之对应的系统结构以及控制逻辑，所述步骤S02，包括：
将热气体从燃烧系统传输至第二换热器，并将所述热气体从所述第二换热器传输至第一换热器，将所述热气体作为所述第一换热器和第二换热器的热源；控制由空气系统过滤和增压后的空气传输至所述第一换热器进行换热处理，并传输至第二换热器进一步吸热，得到热空气；将所述热空气传输至所述燃料电池电堆，通过所述热空气对所述燃料电池电堆进行预热处理。
在具体实现中可如图7所示，图7为另一种燃料电池发电系统结构示意图，参照图7，在燃烧器10得到热气体后，可将热气体从燃烧器10传输至第二换热器11，进而再将热气从第二换热器11传输至第一换热器3，然后流出第一换热器3后排入大气，通过上述方式，可将热气体作为第一换热器和第二换热器的热源。可控制由空气系统过滤和增压后的空气从增压器2传输至第一换热器3进行第一次预热，然后由第一换热器3传输至第二换热器11进一步进行吸热，通过两次预热，得到热空气。然后将热空气从第二换热器11传输至燃料电池电堆，从而可通过热空气对燃料电池电堆进行预热处理，以达到对电堆进行预热的目的。
在本实施例中，通过上述方案设计，可在不增加额外系统和设备的前提下直接将燃烧器产生的热气体通入燃料电池电堆，以可控的燃烧方式快速预热电堆，实现了发电系统的快速启动，并且还通过两种预热方式来达到对电堆预热的效果，可根据实际使用场景进行选择，以达到更好的对电堆进行预热的效果。
此外，本发明实施例还提出一种存储介质，所述存储介质上存储有燃料电池发电系统快速启动程序，所述燃料电池发电系统快速启动程序被处理器执行时实现如上文所述的燃料电池发电系统快速启动方法的步骤。
由于本存储介质采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
此外，参照图8，本发明实施例还提出一种燃料电池发电系统快速启动装置，所述燃料电池发电系统快速启动装置包括：
启动检测模块10，用于在检测到燃料电池电堆启动时，控制重整系统处于关闭状态，并控制燃烧系统处于运行状态。
电堆预热模块20，用于控制所述燃烧系统产生的热气体对所述燃料电池电堆进行预热处理。
温度监测模块30，用于监测所述燃料电池电堆的出口温度。
正常运行模块40，用于在所述出口温度处于预设温度范围内时，控制所述重整系统切换至运行状态，以完成所述燃料电池发电系统的启动，进入正常发电模式。
在本实施例中，在检测到所述燃料电池电堆启动需求时，控制所述重整系统处于关闭状态，并控制所述燃烧系统处于运行状态；控制所述燃烧系统产生的热气体对所述燃料电池电堆进行预热处理；监测所述燃料电池电堆的出口温度；在所述出口温度处于预设温度范围内时，控制所述重整系统切换至运行状态，以完成所述燃料电池发电系统的启动，进入正常发电模式。从而在不增加额外系统和设备的前提下，通过本实施例的方案，直接将燃烧器产生的热气体通入燃料电池电堆，以可控的燃烧方式快速预热电堆，并且通过温度检测的方式来准确地进行模式切换，实现了发电系统的快速启动，并且兼顾系统效能。
在本发明所述燃料电池发电系统快速启动装置的其他实施例或具体实现方法可参照上述各方法实施例，此处不再赘述。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该估算机软件产品存储在如上所述的一个估算机可读存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台智能设备(可以是手机，估算机，燃料电池发电系统快速启动设备，或者网络燃料电池发电系统快速启动设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种燃料电池发电系统快速启动方法，其特征在于，所述燃料电池发电系统包括：重整系统、燃烧系统以及燃料电池电堆；
所述燃料电池发电系统快速启动方法包括以下步骤：
在检测到所述燃料电池电堆启动需求时，控制所述重整系统处于关闭状态，并控制所述燃烧系统处于运行状态；
控制所述燃烧系统产生的热气体对所述燃料电池电堆进行预热处理；
监测所述燃料电池电堆的出口温度；
在所述出口温度处于预设温度范围内时，控制所述重整系统切换至运行状态，以完成所述燃料电池发电系统的启动，进入正常发电模式；
其中，所述控制所述燃烧系统产生的热气体对所述燃料电池电堆进行预热处理，包括：
将热气体从燃烧系统传输至第二换热器，并将所述热气体从所述第二换热器传输至第一换热器，将所述热气体作为所述第一换热器和第二换热器的热源；
控制由空气系统过滤和增压后的空气传输至所述第一换热器进行换热处理，并传输至第二换热器进一步吸热，得到热空气；
将所述热空气传输至所述燃料电池电堆，通过所述热空气对所述燃料电池电堆进行预热处理。
2.如权利要求1所述的燃料电池发电系统快速启动方法，其特征在于，所述在所述出口温度处于预设温度范围内时，控制所述重整系统切换至运行状态，以完成所述燃料电池发电系统的启动，进入正常发电模式，包括：
在所述出口温度处于预设温度范围内时，统计所述出口温度处于预设温度范围内的持续时间；
将所述持续时间与预设时间段阈值进行比较；
在所述持续时间大于所述预设时间段阈值时，控制所述重整系统切换至运行状态，以完成所述燃料电池发电系统的启动，进入正常发电模式。
3.如权利要求1所述的燃料电池发电系统快速启动方法，其特征在于，所述燃料电池发电系统还包括空气系统，所述空气系统包括空气滤清器和增压器；所述燃烧系统包括：燃烧器和燃料罐；
所述控制所述燃烧系统产生的热气体对所述燃料电池电堆进行预热处理，包括：
控制所述空气滤清器对进入的空气进行过滤处理，并将过滤后的空气传输至所述增压器；
控制所述增压器对过滤后的空气进行增压处理；
将增压后的空气传输至所述燃烧器，并将所述燃料罐中的醇类燃料传输至所述燃烧器；
控制所述燃烧器根据输入的空气和醇类燃料进行燃烧处理，得到热气体；
控制所述燃烧器产生的热气体对所述燃料电池电堆进行预热处理。
4.如权利要求3所述的燃料电池发电系统快速启动方法，其特征在于，所述燃料电池发电系统还包括：第一换热器、第二换热器、第三换热器；
所述在所述出口温度处于预设温度范围内时，控制所述重整系统切换至运行状态，以完成所述燃料电池发电系统的启动之后，进入正常发电模式，还包括：
控制所述燃烧系统产生的热气体传输至第一换热器和第二换热器，以将所述热气体作为所述第一换热器和第二换热器的热源；
将增压后的空气传输至所述第一换热器；
控制所述第一换热器对增压后的空气进行预热处理，并将预热后的空气传输至所述燃料电池电堆的气体入口；
控制所述重整系统生成混合燃料气体，将所述混合燃料气体传输至所述第二换热器和第三换热器进行两次预热，并将预热后的混合燃料气体传输至所述燃料电池电堆的燃料入口；
控制所述燃料电池电堆根据预热后的空气和混合燃料气体进行电堆电化学反应，以进行燃料电池发电；
将反应后的气体通过所述燃料电池电堆的气体出口传输至所述第一换热器，以使反应后的气体作为所述第一换热器的热源进行换热处理；
将反应后剩余的混合燃料气体通过所述燃料电池电堆的燃料出口传输至所述第三换热器，以使反应后剩余的混合燃料气体作为所述第三换热器的热源进行换热处理；
将经过第三换热器换热后的混合燃料气体传输至所述燃烧器进行燃烧。
5.如权利要求1～4中任一项所述的燃料电池发电系统快速启动方法，其特征在于，所述控制所述燃烧系统产生的热气体对所述燃料电池电堆进行预热处理，包括：
将所述燃烧系统产生的热气体传输至所述燃料电池电堆，通过所述热气体对所述燃料电池电堆进行预热处理。
6.如权利要求5所述的燃料电池发电系统快速启动方法，其特征在于，所述燃烧系统通过第一管路与燃料电池电堆的气体入口连通，所述燃烧系统还通过第二管路与第二换热器连通，第一换热器还通过第三管路与所述燃料电池电堆的气体入口连通；
所述将所述燃烧系统产生的热气体传输至所述燃料电池电堆，通过所述热气体对所述燃料电池电堆进行预热处理，包括：
打开所述第一管路，并关闭所述第二管路和所述第三管路，以使所述燃烧系统产生的热气体通过所述第一管路传输至所述燃料电池电堆，通过所述热气体对所述燃料电池电堆进行预热处理；
相应地，所述在所述出口温度处于预设温度范围内时，控制所述重整系统切换至运行状态，以完成所述燃料电池发电系统的启动，进入正常发电模式，包括：
在所述出口温度处于预设温度范围内时，关闭所述第一管路，并打开所述第二管路和所述第三管路，并控制所述重整系统切换至运行状态，以完成所述燃料电池发电系统的启动，进入正常发电模式。
7.一种燃料电池发电系统快速启动装置，其特征在于，所述燃料电池发电系统快速启动装置包括：
启动检测模块，用于在检测到燃料电池电堆启动时，控制重整系统处于关闭状态，并控制燃烧系统处于运行状态；
电堆预热模块，用于控制所述燃烧系统产生的热气体对所述燃料电池电堆进行预热处理；
温度监测模块，用于监测所述燃料电池电堆的出口温度；
正常运行模块，用于在所述出口温度处于预设温度范围内时，控制所述重整系统切换至运行状态，以完成所述燃料电池发电系统的启动，进入正常发电模式；
其中，所述电堆预热模块，还用于将热气体从燃烧系统传输至第二换热器，并将所述热气体从所述第二换热器传输至第一换热器，将所述热气体作为所述第一换热器和第二换热器的热源；控制由空气系统过滤和增压后的空气传输至所述第一换热器进行换热处理，并传输至第二换热器进一步吸热，得到热空气；将所述热空气传输至所述燃料电池电堆，通过所述热空气对所述燃料电池电堆进行预热处理。
8.一种燃料电池发电系统快速启动设备，其特征在于，所述燃料电池发电系统包括：重整系统、燃烧系统以及燃料电池电堆；所述燃料电池发电系统快速启动设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的燃料电池发电系统快速启动程序，所述燃料电池发电系统快速启动程序被处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的燃料电池发电系统快速启动方法。
9.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有燃料电池发电系统快速启动程序，所述燃料电池发电系统快速启动程序被处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的燃料电池发电系统快速启动方法。
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