CN113871660A - 一种燃料电池气体循环系统和控制方法 - Google Patents

一种燃料电池气体循环系统和控制方法 Download PDF

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Abstract

本申请属于燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种燃料电池气体循环系统和控制方法。本公开的燃料电池气体循环系统，采用多引射器并联，一部分引射器引射燃料电池阳极排气的不凝性气体，另一部分引射器引射燃料电池阳极排气的冷凝水；在引射器的引射流管路上设置三通阀，可以切换引射流体。根据电池运行工况要求，灵活调节进入重整器的气体的组份，将引射器的引射比和进入重整器的水碳比解耦。

Description

一种燃料电池气体循环系统和控制方法
技术领域
本申请属于燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种燃料电池气体循环系统和控制方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池(以下简称SOFC)是一种高温燃料电池，其利用燃料与水蒸汽的混合气在重整器中发生重整反应以制取氢气，混合气中水含量不足将导致重整器和SOFC内部积碳，从而严重影响SOFC性能和使用寿命。SOFC阳极排气具有温度高、含水量高(摩尔含量50％左右)、含有部分未反应燃料等特点，因此常常采用阳极气体循环来实现热量、水分和燃料的回收，从而达到防止积碳的目的。由于引射器没有运动部件，维护简单、使用寿命长，所以在SOFC的阳极气体循环回路中，经常采用引射器来完成气体的循环、增压、混合过程。
如图1为目前采用引射器的SOFC阳极气体循环系统。引射器使用燃料瓶中的高压燃料作为工作流，将SOFC的阳极排气作为引射流，通过回收SOFC阳极排气来回收其中的水蒸气，从而防止积碳。在此系统中，水蒸气回收量取决于引射器的引射比和引射流中的水蒸气含量，但由于SOFC阳极排气中水蒸气含量是由电池本身决定的，因此为回收所需的水蒸气量以达到要求的水碳比，需要引射器具有极高的引射比，目前的引射器设计技术难以达到要求；此外，现有技术直接引射SOFC阳极排气，难以实现对引射流组份调节以实现引射比和水碳比解耦，这些缺点极大的限制了引射器的实际运用和工况适应性。因此，现有技术存在引射器性能难以满足所需水碳比要求和气体组份难以调节的缺点。
发明内容
本申请旨在解决已有技术中的技术问题，基于本发明人对以下事实和问题的认识和理解，在如图1所示的已有系统中，水蒸气回收量取决于引射器的引射比和引射流中的水蒸气含量，但由于SOFC阳极排气中水蒸气含量是由电池本身决定的，因此为回收所需的水蒸气量以达到要求的水碳比，需要引射器具有极高的引射比，目前的引射器设计技术难以达到要求；此外，现有技术直接引射SOFC阳极排气，难以实现对引射流组份调节以实现引射比和水碳比解耦，这些缺点极大的限制了引射器的实际运用和工况适应性。因此，现有技术存在引射器性能难以满足所需水碳比要求和气体组份难以调节的缺点。而且采用引射器的阳极气体循环系统中，现有引射器的引射比在满足系统增压比的前提下往往小于5，导致引射器出口的混合物中的水碳比无法满足固体氧化物燃料电池的要求。此外，现有的方案无法将引射比和水碳比解耦。
有鉴于此，本公开的第一方面，提出燃料电池气体循环系统，包括：
N个引射器，所述N个引射器相互并联，N＝N1+N2，其中，N1个引射器用于引射燃料电池阳极排气中的不凝性气体，N2个引射器用于引射燃料电池阳极排气的冷凝水；
N个三通阀，所述N个三通阀分别置于引射器的引射流管路上。
本公开通过将SOFC高温排气和排气冷凝水同时引射，以提升引射流含水量，从而实现在引射器性能不变条件下满足固体氧化物燃料电池所需的高水碳比要求，同时还可以实现引射流的组份调节，将引射比和水碳比解耦，以提高引射器在固体氧化物燃料电池阳极气体循环系统中的应用性，使其适应于更高要求和更多工况。
可选地，所述燃料电池气体循环系统还包括：
燃料储罐，用于存储燃料电池的燃料，分别通过N个第一调节阀与所述相应引射器的工作流入口连接；
重整器，用于含氢燃料的重整制氢，所述重整器的进口与相应引射器的出口连接，所述的重整器的出口与燃料电池的阳极入口连接；
冷却器，所述冷却器的进口与燃料电池的阳极出口连接，所述冷却器的出口与气液分离器的入口连接；
气液分离器，所述气液分离器的气体出口分别依次通过所述三通阀和第二调节阀与相应所述引射器的引射流入口连接，气液分离器的液体出口分别通过所述三通阀和第二调节阀与相应所述引射器的引射流入口连接；气液分离器的气体出口同时通过一个第三调节阀与后续部件或外界连接。
根据本公开的第二方面，提出燃料电池气体循环控制方法，包括：
(1)构建一个如权利要求1或2的燃料电池气体循环系统；
(2)设定所述燃料电池的总工作流燃料流量；
(3)对第一调节阀进行调节，使所述N个引射器的工作流流量的总流量等于所述总工作流燃料流量；
(4)初始状态下，通过所述N个三通阀中的N1个三通阀使N1个引射器与气液分离器的气体出口连通，使N1个引射器引射不凝性气体；通过所述N个三通阀中的N2个三通阀使N2个引射器与气液分离器的液体出口连通，使得N2个引射器引射冷凝水，计算重整器入口处的水碳比S；
(5)设定重整器入口处的目标水碳比S0，对重整器入口处的水碳比S进行判断，若S<S0，则对所述N2个第二调节阀进行调节阀，以增大冷凝水回收量，或使N1个三通阀通路中的一个或多个，使相应引射器变为引射冷凝水，以增大系统冷凝水回收量；若S>S0，则对所述N1个第二调节阀进行调节阀，以减小冷凝水回收量，或更改N2个三通阀通路中的一个或多个，使相应引射器变为引射气体，以增大对燃料电池未反应气体燃料的回收量；
(6)重复步骤(5)，直到重整器入口处的水碳比S达到目标水碳比S0。
可选地，所述燃料电池气体循环控制方法，对所述第一调节阀的开度进行调节，使N个引射器中的不同引射器达到相同或不同的工作流流量，以产生相同或不同的引射能力。
根据本公开的实施例，本公开的燃料电池气体循环系统，采用多引射器并联，一部分引射器引射燃料电池阳极排气的不凝性气体，另一部分引射器引射燃料电池阳极排气的冷凝水；在引射器的引射流管路上设置三通阀，可以切换引射流体。根据电池运行工况要求，灵活调节进入重整器的气体的组份，将引射器的引射比和进入重整器的水碳比解耦。
本公开附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显然，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是已有技术中采用引射器的SOFC阳极气体循环系统示意图。
图2是本发明提出的燃料电池气体循环系统的结构示意图。
图1和图2中，1是燃料储罐，2是第一调节阀，3是引射器，4是第二调节阀，5是重整器，6是空气源，7是固体氧化物燃料电池，8是三通阀，9是冷凝器，10是气液分离器，11是气液分离器气体出口调节阀，12是燃料电池阳极出口，13是燃料电池阴极出口，14是气液分离器冷凝水出口，15是气液分离器气体出口。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
图1是根据本公开的一个实施例示出的燃料电池气体循环系统，包括：
N个引射器1，所述N个引射器2相互并联，N＝N1+N2，其中，N1个引射器用于引射燃料电池阳极排气中的不凝性气体，N2个引射器用于引射燃料电池阳极排气的冷凝水；
N个三通阀，所述N个三通阀8分别置于引射器的引射流管路上。
在一个实施例中，如图1中所示，燃料电池气体循环系统，包括：
燃料储罐1，用于存储燃料电池的燃料，分别通过4个第一调节阀2-1、2-2、2-3、2-4与所述相应引射器3-1、3-2、3-3、3-4的工作流入口连接；
重整器5，用于含氢燃料的重整制氢，所述重整器5的进口与相应引射器3的出口连接，所述的重整器5的出口与燃料电池7的阳极入口连接；
冷却器9，所述冷却器9的进口与燃料电池的阳极出口12连接，所述冷却器9的出口与气液分离器10的入口连接；
气液分离器10，所述气液分离器10的气体出口15分别依次通过所述三通阀8-1、8-2、8-3、8-4以及第二调节阀4-1、4-2、4-3、4-4与相应所述引射器3的引射流入口连接，气液分离器的液体出口14分别通过所述三通阀和第二调节阀与相应所述引射器的引射流入口连接；气液分离器10的气体出口同时通过一个第三调节阀11与后续部件或外界连接。
与本公开的上述燃料电池气体循环控制方法相对应地，本公开还提出了燃料电池气体循环控制方法，包括：
(1)构建一个如图1所示的燃料电池气体循环系统；
(2)设定所述燃料电池的总工作流燃料流量；
(3)对第一调节阀进行调节，使所述N个引射器的工作流流量的总流量等于所述总工作流燃料流量；
(4)初始状态下，通过所述N个三通阀中的N1个三通阀使N1个引射器与气液分离器10的气体出口15连通，使N1个引射器引射不凝性气体；通过所述N个三通阀中的N2个三通阀使N2个引射器与气液分离器10的液体出口14连通，使得N2个引射器引射冷凝水，计算重整器5入口处的水碳比S；
(5)设定重整器5入口处的目标水碳比S0，对重整器5入口处的水碳比S进行判断，若S<S0，则对所述N2个第二调节阀进行调节阀，以增大冷凝水回收量，或使N1个三通阀通路中的一个或多个，使相应引射器变为引射冷凝水，以增大系统冷凝水回收量；若S>S0，则对所述N1个第二调节阀进行调节阀，以减小冷凝水回收量，或更改N2个三通阀通路中的一个或多个，使相应引射器变为引射气体，以增大对燃料电池未反应气体燃料的回收量；
(6)重复步骤(5)，直到重整器5入口处的水碳比S达到目标水碳比S0。
本公开实施例采用多引射器并联，一部分引射器引射燃料电池阳极排气的不凝性气体，另一部分引射器引射燃料电池阳极排气的冷凝水；在引射器的引射流管路上设置三通阀，可以切换引射流体。用引射器来取代目前常用的高温循环泵，并且可以减配加湿系统，因此本公开实施例的燃料电池气体循环控制装置。具有较大的经济性优势。
本公开实施例中，对燃料电池气体循环控制方法，可以大幅提高进入固体氧化物燃料电池的阳极工质的组份调节能力，在引射器的引射性能不变条件下，新方法可以提高进入重整器的气体的水碳比。
本公开实施例的燃料电池气体循环控制方法中，对所述第一调节阀的开度进行调节，使4个引射器中的不同引射器达到相同或不同的工作流流量，以产生相同或不同的引射能力。
以下结合本公开的一个实施例，详细介绍本公开的工作过程和工作原理：
本公开的一个实施例中，所指引射器，又名“喷射器”，一种增压、真空、混合装置，依靠流体跨音速流动产生的激波及两股流体相间的混合过程来传递能量。工作流：引射器内部流经喷嘴部分的流体，一般具有较高的能量(压力)，是进行引射循环的能量来源。引射流：引射循环系统中被引射器引射循环的流体。引射比：即引射流的质量流量比上工作流的质量流量。水碳比：重整器入口处混合气中水蒸气的摩尔流量比上甲烷和一氧化碳的摩尔流量之和。燃料电池：一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称为电化学发电器。
本公开实施例的燃料电池气体循环控制方法中，燃料储罐1，用于根据系统需求为引射器提供高压燃料；第二调节阀2，用于根据系统需求控制进入引射器的工作流流量；引射器3，用于引射阳极排气；第二调节阀4，用于调节引射流流量；重整器5，用于进行重整反应以制取氢气；空气源6，用于为固体氧化物燃料电池提供阴极氧化剂；固体氧化物燃料电池7，用于阳极气体与阴极气体在其中发生电化学反应产生电能；三通阀8，用于改变引射流来源以改变其组份；冷凝器9，用于对阳极排气进行冷凝；气液分离器10，用于实现冷凝水和气体的分离；用于气液分离器气体出口调节阀即第三调节阀11，调节进入后续设备的气体流量；燃料电池阳极出口12，用于阳极气体从此进入引射回路；燃料电池阴极出口13，用于阴极气体从此排出；气液分离器冷凝水出口14，用于阳极排气冷凝水从此排出；气液分离器气体出口15，用于不凝性气体从此排出。
此系统可利用三通阀8-1到8-4调节引射器引射流为气体组份或纯液体组份。
以已有技术的单个引射器工作为例，燃料电池气体循环控制系统工作过程如下：燃料储罐1内的高压燃料经过调节阀2-1，然后通过引射器3-1，在引射器内部形成超音速流动，抽吸引射流，引射流来自气液分离器。两股流体在引射器中混合进入重整器5发生重整反应，反应产物进入固体氧化物燃料电池7中，和来自空气源6的阴极氧化剂发生电化学反应产生电能。阴极排气经阴极出口13排出，阳极排气经阳极出口12进入冷凝器9，其中的水蒸气冷凝为液态水，之后进入气液分离器10。阳极排气中气态物质经过气液分离器气体出口15排出，冷凝水则经过气液分离器液体出口14排出，气体和冷凝水经过三通阀8-1后，经过调节阀4-1后进入引射器的低压入口。
本公开实施例中的燃料电池气体循环控制方法为：
步骤1：根据SOFC功率确定总工作流燃料流量，然后对流量进行分配(以四个引射器为例)；
步骤2；调节调节阀2-1到2-4，实现对引射器3-1到3-4的工作流流量的分别调节，使其总流量等于步骤1所确定总工作流燃料流量，四个引射器工作流流量可以相同也可以不同；
步骤3：初始状态下，三通阀8-1和8-2接通气液分离器10的气体出口15，使得引射器3-1和3-2引射不凝性气体；三通阀8-3和8-4接通气液分离器10的液体出口14，使得引射器3-3，3-4引射冷凝水。计算此时重整器5入口处的水碳比S；
步骤4：比较水碳比S和预先设定的目标水碳比S0的大小，若S<S0，则可调大调节阀4-3，4-4以增大冷凝水回收量，或更改三通阀8-2通路使引射器3-2变为引射冷凝水，以增大系统冷凝水回收量；若S>S0，则可调小调节阀4-3，4-4以减小冷凝水回收量，或更改三通阀8-3通路使引射器3-3变为引射气体以增大未反应气体燃料回收量；
步骤5：重复步骤4以实现水碳比S达到预设值S0。
以上所述是本公开的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本公开原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本公开的保护范围。

Claims (4)

1.一种燃料电池气体循环系统，其特征在于，包括：
N个引射器，所述N个引射器相互并联，N＝N1+N2，其中，N1个引射器用于引射燃料电池阳极排气中的不凝性气体，N2个引射器用于引射燃料电池阳极排气的冷凝水；
N个三通阀，所述N个三通阀分别置于引射器的引射流管路上。
2.如权利要求1所述的燃料电池气体循环系统，其特征在于，还包括：
燃料储罐，用于存储燃料电池的燃料，分别通过N个第一调节阀与所述相应引射器的工作流入口连接；
重整器，用于含氢燃料的重整制氢，所述重整器的进口与相应引射器的出口连接，所述的重整器的出口与燃料电池的阳极入口连接；
冷却器，所述冷却器的进口与燃料电池的阳极出口连接，所述冷却器的出口与气液分离器的入口连接；
气液分离器，所述气液分离器的气体出口分别依次通过所述三通阀和第二调节阀与相应所述引射器的引射流入口连接，气液分离器的液体出口分别通过所述三通阀和第二调节阀与相应所述引射器的引射流入口连接；气液分离器的气体出口同时通过一个第三调节阀与后续部件或外界连接。
3.一种燃料电池气体循环控制方法，其特征在于，包括：
(1)构建一个如权利要求1或2的燃料电池气体循环系统；
(2)设定所述燃料电池的总工作流燃料流量；
(3)对第一调节阀进行调节，使所述N个引射器的工作流流量的总流量等于所述总工作流燃料流量；
(4)初始状态下，通过所述N个三通阀中的N1个三通阀使N1个引射器与气液分离器的气体出口连通，使N1个引射器引射不凝性气体；通过所述N个三通阀中的N2个三通阀使N2个引射器与气液分离器的液体出口连通，使得N2个引射器引射冷凝水，计算重整器入口处的水碳比S；
(5)设定重整器入口处的目标水碳比S0，对重整器入口处的水碳比S进行判断，若S<S0，则对所述N2个第二调节阀进行调节阀，以增大冷凝水回收量，或使N1个三通阀通路中的一个或多个，使相应引射器变为引射冷凝水，以增大系统冷凝水回收量；若S>S0，则对所述N1个第二调节阀进行调节阀，以减小冷凝水回收量，或更改N2个三通阀通路中的一个或多个，使相应引射器变为引射气体，以增大对燃料电池未反应气体燃料的回收量；
(6)重复步骤(5)，直到重整器入口处的水碳比S达到目标水碳比S0。
4.根据权利要求3的燃料电池气体循环控制方法，其特征在于，对所述第一调节阀的开度进行调节，使N个引射器中的不同引射器达到相同或不同的工作流流量，以产生相同或不同的引射能力。
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