CN117080504B - 一种燃料电池系统以及控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种燃料电池系统以及控制方法，涉及燃料电池技术领域，该系统包括重整器、燃料电池堆、燃烧器、干路换热器、旁路换热器以及供气装置，燃料电池堆与重整器相接；燃烧器的阳极进口腔、阴极进口腔分别与电堆阳极、电堆阴极相接；干路换热器与燃烧器相接，旁路换热器连接于电堆阴极与阴极进口腔之间；供气装置用于向干路换热器、旁路换热器、阴极进口腔提供压缩空气。该控制方法包括监测燃料电池堆温度以及燃烧器工作参数；基于燃料电池堆温度、燃烧器的工作参数，调整系统管路的开闭。本申请通过气路设计，实时调节输入系统的各路空气流量，维持燃烧器及电堆的安全稳定运行，并实现系统的多种使用目的。

Description

一种燃料电池系统以及控制方法

技术领域

本申请涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池系统以及控制方法。

背景技术

燃料电池系统的设计及控制通常是一个复杂的工程。良好的系统气路设计及控制设计可以为系统的简化带来有益效果。

目前的燃料电池系统（主要为高温燃料电池系统）通常会因为高温运行的严苛要求导致气路设计复杂，控制逻辑繁杂，且难以兼顾到一些特殊的运行情况。譬如：在燃料电池系统因特殊工况遇到迅速被冷却的情况下，亦即在增加阴极气体流量和相应增加排气流量的情况下，燃烧器无法正常工作。还有一些其它的极端工况，对输入燃烧器的气体流量有不同需求，这样的使用要求使得高温燃料电池系统的稳定性受到影响，通用性受到限制。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种燃料电池系统以及控制方法，旨在解决现有技术中不同工况下系统各路空气流量需求不同导致影响燃烧器的安全稳定运行的问题。

本申请采用的技术方案如下：

第一方面：

一种燃料电池系统，包括：

重整器；

燃料电池堆，所述燃料电池堆配置有电堆阴极和电堆阳极，所述电堆阳极与所述重整器相接；

燃烧器，所述燃烧器配置有阳极进口腔和阴极进口腔，所述阳极进口腔与所述电堆阳极相接，所述阴极进口腔与所述电堆阴极相接；

干路换热器，所述干路换热器与所述燃烧器相接，

旁路换热器，所述旁路换热器连接于所述电堆阴极与所述阴极进口腔之间的连接管路上；以及，

供气装置，所述供气装置用于向所述干路换热器、所述旁路换热器以及所述阴极进口腔提供压缩空气。

可选的，所述电堆阴极的进口端设置有用于制造水蒸气的供应装置，所述电堆阴极的出口端设置有用于去除水蒸气的提取装置，所述提取装置单向导通连接所述供应装置。

可选的，所述电堆阴极的进口端与所述电堆阳极的进口端一侧设置有温度均衡装置，所述温度均衡装置用于使进入所述电堆阴极的气体温度与进入所述电堆阳极的气体温度均衡。

可选的，所述燃烧器还配置有混合腔，所述阳极进口腔和所述阴极进口腔通入所述混合腔，所述混合腔包括位于所述阳极进口腔和阴极进口腔一侧的初反应区、远离所述阳极进口腔和阴极进口腔一侧的完全反应区以及位于完全反应区后方的燃烧废气容纳区，所述初反应区和所述完全反应区为多孔结构，且所述初反应区的孔径小于所述完全反应区的孔径。

可选的，其特征在于，所述阳极进口腔和所述阴极进口腔呈S型交错设置。

可选的，所述混合腔靠近于所述阳极进口腔和所述阴极进口腔一侧设置有多孔隔板。

可选的，其特征在于，所述混合腔的中部内侧设置有由耐高温材料制成的承载体。

可选的，所述燃料电池堆、燃烧器、重整器及相互之间的连接管路收纳于一隔热箱。

可选的，所述干路换热器包括一个或多个顺次连接的换热器。

第二方面：

一种基于上述燃料电池系统的控制方法，包括：

监测燃料电池堆温度以及燃烧器工作参数；

基于所述燃料电池堆温度以及燃烧器的工作参数，调整燃料电池系统中管路的开闭。

与现有技术相比，本申请的有益效果是：

本申请实施例提出的一种燃料电池系统以及控制方法，通过在电堆阴极与阴极进口腔之间的连接管路上外接旁路换热器，通过旁路换热器来排放多余的阴极气体，通过适当地控制进入旁路换热器的阴极气体流量，实现调节进入燃烧室的阴极气体流量，使得能够为燃烧器设定一个合理的阴阳极气体的输入比例，通过这种方式，可以更加安全高效地运行燃烧器。同时，通过供气装置向燃烧器通入常温气体来实现燃烧器的合理温控，进而保证燃烧器始终处于安全温度内运行，从而有效解决了不同工况下因系统各路空气流量需求不同而导致影响燃烧器的安全稳定运行的问题。

附图说明

图1为本申请实施例提供的燃料电池系统的结构框图；

图2为燃烧器的结构框图。

附图标记：

1-电堆阳极，2-电堆阴极，3-阳极进口腔，4-阴极进口腔，5-混合腔，6-燃烧区，6-a-初反应区，6-b-完全反应区，7-燃烧废气容纳区，8-一级换热器，9-二级换热器，10-旁路换热器，11-重整器，12-供气装置，13-控制器，14-燃料电池堆，1401-隔热箱，15-燃烧器，16-供应装置，17-提取装置，18-温度均衡装置，21-电堆温度传感器，22-第一温度传感器，23-点火装置，29-承载体，30-监测传感器。

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的一部分实施例，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作出创造性劳动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。

需要说明，本申请实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

另外，若本申请实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

参照附图1，本申请实施例提供了一种燃料电池系统，包括重整器11、燃料电池堆14、燃烧器15、干路换热器、旁路换热器10以及供气装置12，燃料电池堆14配置有电堆阴极2和电堆阳极1，电堆阳极1与重整器11相接，燃烧器15配置有阳极进口腔3和阴极进口腔4，阳极进口腔3与电堆阳极1相接，阴极进口腔4与电堆阴极2相接，干路换热器与燃烧器15相接，旁路换热器10连接于电堆阴极2与阴极进口腔4之间的连接管路上，供气装置12用于向干路换热器、旁路换热器10以及阴极进口腔4提供压缩空气。

具体来说：

参见图1所示，当系统输入为非氢气燃料时，重整器11用于给燃料电池堆14提供重整后燃料气。重整后的气体通过管路31输送至燃料电池堆14，燃料电池堆14包含电堆阳极1和电堆阴极2；电堆阳极1、电堆阴极2的尾气分别通过管路32和33输送至燃烧器15的阳极进口腔3和阴极进口腔4，用于燃烧燃料电池堆14未反应完的尾气产生热量维持系统的高温工作环境，也可以输出至系统外作他用；燃烧废气通过管路38输送至干路换热器，完成燃烧器燃烧后的换热；当然根据使用场景需要，干路换热器可以设置一级换热器8、二级换热器9等，二级换热器9通过管路39将一级换热器8换热后的废气输送过来，进一步利用系统内的热能，提升能量利用率；系统所需的外部空气由供气装置12提供，供气装置12可以是满足系统所需风压及风量的风机或者空压机；供气装置12提供的气体分为多个路径输送至系统不同部位，譬如，如图1所展示，路径40负责将常温空气通过一级换热器8加热后输送至电堆阴极2；路径41负责将常温空气输送至二级换热器9，与高温废气换热后提供给系统或者外部；路径43负责将常温空气输送至旁路换热器10，换热后将热量提供给系统或者外部。路径41与路径43的热能可选择一起供系统外的供热系统使用，也可通过朗肯循环再次进行发电。其中旁路换热器10输入的高温气体从燃烧器15的阴极进口腔4的输入口抽取，由路径34输送进入旁路换热器10，换热后再由路径36或者37输送进入一级换热器8的废气进口端，或者二级换热器9的废气进口端。这样设置的目的是：在电堆阴极2的废气出口端与阴极进口腔4的入口端设置路径34，利用路径34来排放由电堆阴极排出的多余阴极气体，通过适当地控制路径34的阴极气体流量，可以调节进入燃烧室的阴极气体流量。很明显，这样的布置效果是可以始终为燃烧器设定一个合理的阴阳极气体的输入比例。通过这种方式，可以更加安全高效地运行燃烧器。而此处路径36或路径37的选择取决于系统是否存在二级换热器9，同时也要根据系统各处所允许的运行温度进行设置。

路径44负责将常温空气通入燃烧器15中，用于在特殊情况下为燃烧器降温。上述路径34是为了保证通入燃烧器15的阴、阳极气体的合理比例，此处的路径44是通过通入常温空气来实现燃烧器的合理温控，进而保证其始终处于安全温度内运行。通过路径44和34的流量实时控制可以同时满足燃烧器的合理空气过量系数及温度控制。上述各路径均布置了可调节流量的的阀门，譬如路径40、41、43、44、34分别由阀26、27、25、24、28控制各自流量。此处路径34的气体温度较高，特意将控制此路径气体流量的阀28其设置在旁路换热器10之后，所处位置温度更低，可以使用价格更低廉的阀。

此外，对于低温燃料电池（譬如质子交换膜燃料电池（PEM燃料电池）），由于路径40中需要相对较高含量的水蒸气（水蒸气有助于电解质上的反应进行）。因此，如图1所示，燃料电池系统可以选择设置一个供应装置16，供应装置设置于电堆阴极2的进口端用于制造水蒸气，其可以将水蒸气按照需求量引入电堆阴极2供气的路径40。另一方面，对于燃烧器15中的燃烧过程，高含水量的混合气体是不应该存在的。因此，可选地提供一种提取装置17，提取装置17设置于电堆阴极2的出口端用于去除路径33中的水蒸气。并且提取装置17向供应装置16一侧单向导通，使提取装置17收集的水蒸气回到供应装置16进行循环利用。因此，本系统不仅可以适用于高温燃料电池系统（譬如SOFC），同样适用于低温燃料电池系统（譬如PEMFC）。

在一种实施例中，因输入至燃料电池堆14的阴阳极气体温度存在差别，甚至普遍存在较大温差，这会对电池片结构（主要是板式结构）造成不利影响，主要原因是电池片两侧大温差导致的热应力失效，以及反应效率的下降。此处可选择在燃料电池堆14的阴阳极进口一侧的路径31和路径40之间设置一个温度均衡装置18，其通过让阴阳极气体进入燃料电池堆14前充分相互换热，达到近似或完全热均衡后通入燃料电池堆14进行反应，来尽可能消除上述不利影响。温度均衡装置18一般通过合理的结构设计实现，手段是通过让阴阳极气体在相互隔离的两个腔体内充分通过隔板进行热交换，达到近乎均温的状态，同时不至于产生明显的压损。温度均衡装置18一般设置在燃料电池堆14的气体进口附近。

同时，为了优化电池系统中的热管理，还可以为其设置一个隔热箱1401。其可以囊括系统内温度较高的组件及管路，譬如燃料电池堆14、燃烧器15、重整器11及其之间的管路。隔热箱1401用以将上述组件进行隔离，以便不影响其余组件的合理温度状态，同时隔热箱1401将内部热量通向外界进行合理利用，避免隔热箱1401内部过热。

在一种实施例中，参见图1和图2所述，燃烧器15为多孔燃烧器，包括阳极进口腔3、阴极进口腔4以及混合腔5，混合腔5包括有燃烧区6和燃烧废气容纳区7，燃烧区6又分为位于阳极进口腔3和阴极进口腔4一侧的初反应区6-a、远离阳极进口腔3和阴极进口腔4一侧的完全反应区6-b，燃烧废气容纳区7位于完全反应区6-b后方。

具体来说，如图2所示，阳极进口腔3和阴极进口腔4用于容纳电堆反应剩余的阳极和阴极气体，特殊的，阳极进口腔3和阴极进口腔4两个腔体设计成相互交错的S型结构，以便阴阳极尾气温度尽可能均衡，对燃烧器15的结构会产生有益影响。混合腔5用以让阴阳极气体充分混合，混合腔5与阴极进口腔4、阳极进口腔3之间存在多孔隔板（图中未予指引），多孔隔板结构可以让气体更易形成湍流，在更短的混合腔空间内充分混合；混合腔5右侧为燃烧区6，分为初反应区6-a和完全反应区6-b。初反应区6-a和完全反应区6-b为多孔结构，优化燃烧反应的同时还可以防止火焰向燃烧器前部（即向混合腔5一侧）蔓延。初反应区6-a和完全反应区6-b通过其孔径大小区分。位于进气侧的初反应区6-a具有比位于出气侧的完全反应区6-b更小的孔径。初反应区6-a的孔径大小可设计得足够小，以便在燃烧器15工作时其内部不会发生火焰蔓延。相反，完全反应区6-b的孔径设计得足够大，以便在燃烧器工作时，其内部可以充分发生火焰蔓延。如上所述，完全反应区6-b用以实现燃烧反应，初反应区6-a起到火焰屏障的作用，这样的多孔结构设计使得燃烧器15中不会产生开放火焰，可促成更充分地燃烧，有害物质的相对较少。同时，燃烧器15能够以相对较低的温度工作，这对于制造材料的选择更加宽容。同时，初反应区6-a因距离阴极和阳极进口端很近，其可被用于预热阴阳极气体混合物，预热后的混合气体会更容易燃烧；燃烧废气容纳区7用以容纳燃烧后的高温废气，最终由右侧出口排出。燃烧器的中部区域内壁面设计有承载体29同轴承载，承载体29的作用主要是抑制振动冲击，保证燃烧的稳定，同时，承载体29的制造材料不可以透气，此处可优选耐高温的金属类织物。

此外，能够根据系统的运行状态，控制相关阀门以及管路的开闭，本实施例中，在燃烧器15上的特定位置布置传感器，譬如在燃烧废气出口附近可以布置第一温度传感器22，燃烧废气容纳区7上侧布置点火装置23，完全反应区6-b内的也可根据需要布置监测传感器30，如：温度传感器、氧传感器以及火焰传感器用于监测燃烧状态，各传感器的布置位置仅用作示意，并不代表最佳布置位置。当燃烧器15启动时，点火装置23点燃流过多孔结构的混合气体，从而在燃烧废气容纳区7内产生开放火焰，并在完全反应区6-b内传播达到稳定。这个开放火焰会在多孔结构部位（初反应区6-a和完全反应区6-b）内产生足够高的燃烧速率后熄灭。

上述这种多孔燃烧器能够在相对广泛的功率范围内可靠运行。对于燃料电池尾气燃烧来说，这是特别有利的，因为排放气体的流量取决于燃料电池的运行状态，而燃料电池通常是根据所需的电流来运行。因此，可能会产生相当大的排放气体量的波动。采用上述多孔燃烧器作为改进的燃烧器，可以在这种大波动范围内实现稳定的燃烧反应。

最后，本申请实施例还提供了一种燃料电池系统的控制方法，包括：

监测燃料电池堆温度以及燃烧器工作参数；

基于燃料电池堆温度以及燃烧器的工作参数，调整燃料电池系统中管路的开闭。

具体来说：

整个燃料电池系统通过控制器13进行流量调节及运行控制。控制器13采集系统内关键部位的测量数据，譬如可选择燃料电池堆14的温度，此处以燃料电池堆14温度较高的部位作为传感器布置点，通常可选择电堆阴极2的气体出口位置；也可选择燃烧器15作为温度监测组件，通常可选择高温废气出口位置进行温度传感器的布局；也可以在燃烧器15特定位置布置氧传感器用以监测燃烧室特定位置的氧含量，同样可以选择在燃烧器15特定位置布置火焰传感器用以监测燃烧状态。控制器13采集上述传感器数据后，通过实时控制各个阀来实现系统的安全稳定运行，同样，控制器13也需要控制燃烧器15的点火装置23。如图1所示，电堆温度传感器21的温度通过信号传输路径51输入控制器13，燃烧器的第一温度传感器22以及监测传感器30的数据通过传输路径52输入控制器13。控制器13根据系统需要控制各个气路阀门的开度及通断，目的是保证燃料电池堆14的稳定电能输出，及燃料电池堆14和燃烧器15运行温度安全可控。同时，控制器还通过路径53实时控制燃烧器内点火装置23的通断。

例如：电堆温度传感器21实时监测燃料电池堆14的工作温度，阀26根据实时监测温度由控制器13通过路径56控制进入电堆阴极2的空气流量。在保证系统发电功率的前提下，此处空气流量有一个最低限制，因此阀26可以通过增加进入燃料电池堆的阴极气体流量来冷却燃料电池堆。在电堆阴极流量增加的同时，如前所述，控制器13通过路径通过路径57控制阀28适当地增加通过路径34的排气流量，可以保持进入燃烧器的阴极气体流量与进入燃烧器的阳极气体比例相对不变。

当然，如果由路径33通入的阴极气体不足以冷却燃烧器15，控制器13还可以根据采集的燃烧器温度通过路径54调节阀24来控制路径44的流量，加大由路径44进入燃烧器15的常温气体流量对燃烧器15进一步降温。在控制路径44时，控制器优先考虑路径36和路径37的阀门28的当前状态。例如，可以规定只有当阀门28完全关闭且燃烧器15的冷却需求仍未满足时，才开启路径44，这便实现了燃烧器15的安全稳定运行。此外，控制器13还通过路径55和58来控制阀25和阀27的空气流量，调整交换后的空气温度。

综上所述，本申请实施例提供的一种燃料电池系统及其控制方法，具有如下有益效果：

第一：通过气路设计，实时调节输入系统的各路空气流量，维持燃烧器及燃料电池堆的安全稳定运行，并实现系统的多种使用目的；

第二：能够保证燃料电池堆及燃烧器温度的相对均匀分布，有效提高了燃料电池系统内关键组件的工作可靠性及寿命；

第三：能够实现燃料电池堆及燃烧器的动态温控，保证燃烧器不会过分燃烧导致超温，也不会因空气过量系数太大导致脱火。

第四：实现了一种多孔燃烧器，在提供给系统合适的高温运行环境的同时，可保证燃烧器内部充分、安全的燃烧，且独到的设计可保证燃烧器整体温度较低，且能适应宽域燃烧。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：

重整器；

燃料电池堆，所述燃料电池堆配置有电堆阴极和电堆阳极，所述电堆阳极与所述重整器相接；

燃烧器，所述燃烧器配置有阳极进口腔和阴极进口腔，所述阳极进口腔与所述电堆阳极相接，所述阴极进口腔与所述电堆阴极相接，所述燃烧器还配置有混合腔，所述阳极进口腔和所述阴极进口腔通入所述混合腔，所述混合腔包括位于所述阳极进口腔和阴极进口腔一侧的初反应区、远离所述阳极进口腔和阴极进口腔一侧的完全反应区以及位于完全反应区后方的燃烧废气容纳区，所述初反应区和所述完全反应区为多孔结构，且所述初反应区的孔径小于所述完全反应区的孔径；

干路换热器，所述干路换热器与所述燃烧器相接，

旁路换热器，所述旁路换热器连接于所述电堆阴极与所述阴极进口腔之间的连接管路上；以及，

供气装置，所述供气装置用于向所述干路换热器、所述旁路换热器以及所述阴极进口腔提供压缩空气。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述电堆阴极的进口端设置有用于制造水蒸气的供应装置，所述电堆阴极的出口端设置有用于去除水蒸气的提取装置，所述提取装置单向导通连接所述供应装置。

3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述电堆阴极的进口端与所述电堆阳极的进口端一侧设置有温度均衡装置，所述温度均衡装置用于使进入所述电堆阴极的气体温度与进入所述电堆阳极的气体温度均衡。

4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阳极进口腔和所述阴极进口腔呈S型交错设置。

5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述混合腔靠近于所述阳极进口腔和所述阴极进口腔一侧设置有多孔隔板。

6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述混合腔的中部内侧设置有由耐高温材料制成的承载体。

7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池堆、燃烧器、重整器及相互之间的连接管路收纳于一隔热箱。

8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，所述干路换热器包括一个或多个顺次连接的换热器。

9.一种基于权利要求1-8中任一所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，包括：

监测燃料电池堆温度以及燃烧器工作参数；

基于所述燃料电池堆温度以及燃烧器工作参数，调整燃料电池系统中管路的开闭，控制进入燃料电池堆以及燃烧器的空气流量，以保证燃料电池堆的稳定电能输出，及燃料电池堆和燃烧器运行温度安全可控。