CN117476981A - 一种燃料电池预防积碳系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种燃料电池预防积碳系统及方法，该系统包括：电池单元，电池单元包括阳极、阴极和电解质；重整器，重整器出口通过重整气管道与阳极入口连接；温度测量装置，温度测量装置与阳极和/或阴极连接，用于测量阳极和/或阴极的温度；供水装置，供水装置通过水泵与重整气管道连接，用于向重整气管道内添加水；控制器，控制器与温度测量装置通信连接，用于获取温度测量装置的温度信号；控制器与水泵通信连接，用于控制水泵的运行功率。本申请通过水泵在控制器的控制下向重整气体添加水，调整重整气体在与电极接触之前的温度，以降低积碳形成临界温度，将积碳形成临界温度保持在低于电极温度的水平，能够有效减少或防止在阳极上的积碳形成。
Description
技术领域
本申请涉及燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池预防积碳系统及方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池（Solid Oxid Fuel Cell：以下简称SOFC）是一种用途广泛的高效燃料电池。燃料电池的电堆由阴极、阳极以及阴阳极中间的电解质构成。燃料电池通过氢气与氧气的电化学反应生成水并产生电流。由于目前氢气的存储、运输还存在着诸多技术难题，燃料电池往往使用其他的燃料来代替氢气。车用SOFC系统常用的燃料如：柴油、汽油、生物燃料、甲烷等。通过重整反应可以将上述燃料转变为氢气供电堆使用。重整反应常常发生在重整器中，在特定的温度以及催化剂作用的条件下，燃料发生裂解、部分氧化还原（CPOX）等化学反应从而生成氢气。然而重整反应会产生碳颗粒，特别是在系统的启动加热阶段。产生的碳颗粒会随着气体的流动经过重整器催化剂、电堆电解质的表面并附着在上面，进而形成较大的碳颗粒，这就是所谓的积碳。积碳会导致催化剂、电解质表面的失活，从而导致燃料电池系统运行效率的降低。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种燃料电池预防积碳系统及方法，旨在解决如何减少燃料电池积碳的技术问题。
为实现上述目的，本申请提供一种燃料电池预防积碳系统，包括：电池单元，电池单元包括阳极、阴极和电解质；重整器，重整器出口通过重整气管道与阳极入口连接；温度测量装置，温度测量装置与阳极和/或阴极连接，用于测量阳极和/或阴极的温度；供水装置，供水装置通过水泵与重整气管道连接，用于向重整气管道内添加水；控制器，控制器与温度测量装置通信连接，用于获取温度测量装置的温度信号；控制器与水泵通信连接，用于控制水泵的运行功率。
可选的，阳极的尾气出口通过第一循环泵与重整器的气体入口连接；控制器与第一循环泵通信连接，用于控制第一循环泵的运行功率。
可选的，还包括：燃料供应装置，燃料供应装置通过燃料泵与重整器的燃料入口连接；控制器与燃料泵通信连接，用于控制燃料泵的运行功率。
可选的，还包括：气体供应装置，气体供应装置通过第二循环泵与重整器的气体入口连接，气体供应装置通过第三循环泵与阴极的气体入口连接；控制器与第二循环泵通信连接，用于控制第二循环泵的运行功率；控制器与第三循环泵通信连接，用于控制第三循环泵的运行功率。
可选的，还包括：尾气燃烧装置，尾气燃烧装置分别与阳极的尾气出口和阴极的尾气出口连接；换热器，换热器为双相，其中一相与尾气燃烧装置的燃烧尾气出口连通，另一相通过第三循环泵与阴极的气体入口连通。
为实现上述目的，本申请还提供一种燃料电池预防积碳方法，使用上述燃料电池预防积碳系统，包括：通过温度测量装置监测电池单元阳极和/或阴极的温度；在电池单元阳极和/或阴极的温度降低时，控制水泵向重整气管道内持续加水的速率N升高；在电池单元阳极和/或阴极的温度升高时，控制水泵向重整气管道内持续加水的速率N降低。
可选的，当电池单元的电极温度低于预设低温时N的值为0，当电池单元的电极温度高于预设高温时N的值为0。
可选的，还包括：在电池单元阳极和/或阴极的温度降低时，控制第一循环泵向重整器内持续输送阳极尾气的速率M升高；在电池单元阳极和/或阴极的温度升高时，控制第一循环泵向重整器内持续输送阳极尾气的速率M降低。
可选的，还包括：在电池单元阳极和/或阴极的温度降低时，控制燃料泵向重整器内持续输送燃料的速率H降低；在电池单元阳极和/或阴极的温度升高时，控制燃料泵向重整器内持续输送燃料的速率H升高。
可选的，还包括：在电池单元阳极和/或阴极的温度降低时，控制第二循环泵向重整器内持续输送气体的速率I降低；在电池单元阳极和/或阴极的温度升高时，控制第二循环泵向重整器内持续输送气体的速率I升高。
本申请所能实现的有益效果为：本申请的系统由于水泵和控制器的设置，使得在使用过程中，能够通过水泵在控制器的控制下向重整气体添加水，可调整重整气体在与电极接触之前的温度，以降低积碳形成临界温度，特别是在广泛的温度范围内，将积碳形成临界温度保持在低于电极温度的水平，能够有效减少或防止在阳极上的积碳形成。这在燃料电池的启动过程中特别适用，因为在此过程中，阳极具有较低的温度，而与温度更高的重整气体接触会导致在相应的阳极上形成大量的积碳。与此同时，适量的向重整气体中添加水，形成的高温水蒸气与碳颗粒的反应可以清除阳极上已经存在的积碳。
附图说明
图1为本申请第一实施例的结构示意图；
图2为本申请第二实施例的流程示意图；
图3为本申请中控制尾气再循环比例的控制流程图。
其中：1-电池单元；2-重整器；3-尾气燃烧装置；4-供水装置；5-水泵；6-燃料供应装置；7-燃料泵；8-第一循环泵；9-温度测量装置；10-第三循环泵；11-气体供应装置；12-第二循环泵；13-换热器；14-电用户；15-控制器。
本申请目的的实现、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
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明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。
在本发明中，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发明中的具体含义。
另外，若本发明实施例中有涉及“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，也不在本发明要求的保护范围之内。
参照图1，本申请的第一实施例提供一种燃料电池预防积碳系统，包括：
电池单元1，电池单元1包括阳极、阴极和电解质。具体的，燃料电池系统通常具有至少一个电池单元1，电池单元1包括至少两个电极和电解质，这两个电极根据其功能被称为阳极和阴极，并被电解质隔开。燃料电池的重要性在于，它将氢和氧生成水的化学反应中释放的化学能转化为电能，电用户14可以以电流的形式使用或存储该电能来提供能量。
重整器2，重整器2出口通过重整气管道与阳极入口连接。具体的，燃料电池的反应物分别为阴极气体和阳极气体，它们被输送到相应的电极中，通常使用空气或含氧气体作为阴极气体，阳极气体通常是氢气或含氢气的气体，可以通过重整器2从甲烷、汽油、柴油等烃类获得，然后将其以重整气体的形式作为阳极气体供给到阳极。
温度测量装置9，温度测量装置9与阳极和/或阴极连接，用于测量阳极和/或阴极的温度。具体的，在对阳极和/或阴极的温度进行测量时，温度测量装置9不一定设置在相应的电极上，比如，可将温度测量装置9设置在电池单元1以外，然后采用接触式温度传感器将温度信号传递给温度测量装置9。或者采用非接触式测温技术对温度信号进行采集。需要说明的是，这里对于温度测量的方式不作任何限制，任何可以实时采集到阳极和/或阴极的温度的技术都可以。
供水装置4，供水装置4通过水泵5与重整气管道连接，用于向重整气管道内添加水。控制器15，控制器15与温度测量装置9通信连接，用于获取温度测量装置9的温度信号；控制器15与水泵5通信连接，用于控制水泵5的运行功率。具体的，高温的重整气体中包含有碳颗粒，这些碳颗粒在运动中难以避免的会和流经中的物体表面接触，当物体表面的温度低于某一个温度时，碳颗粒会附着在物体表面上形成积碳。以此，定义重整气体中的碳颗粒在运动中会附着在物体表面上的温度为积碳形成极限温度，当重整气体流经物体表面时，物体表面低于该积碳形成极限温度时，重整气体中的碳颗粒会附着在该物体表面形成积碳。重整气体的温度降低时，积碳形成极限温度会同时降低（温差越大越容易形成积碳，降低重整气体的温度相当于缩小温差，但降低重整气体的温度相应会降低燃料电池的效率，所以不是温度越低越好）。在燃料电池中，重整气体被供给阳极，当阳极温度低于积碳形成极限温度时，会导致阳极表面形成积碳，这将导致阳极性能降低，甚至使阳极完全损坏。因此，根据积碳形成极限温度得到一个积碳形成临界温度，将积碳形成临界温度保持在低于阳极温度的水平，就可以减少或防止在阳极上的积碳形成，为此，控制器15根据电极温度，控制水泵5向重整气管道加水，以此调整重整气体在与阳极接触之前的温度，可使积碳形成临界温度保持在低于阳极温度。
本申请通过水泵5在控制器15的控制下向重整气体添加水，调整重整气体在与电极接触之前的温度，以降低积碳形成临界温度，特别是在广泛的温度范围内，将积碳形成临界温度保持在低于电极温度的水平，能够有效减少或防止在阳极上的积碳形成。这在燃料电池的启动过程中特别适用，因为在此过程中，阳极具有较低的温度，而与温度更高的重整气体接触会导致在相应的阳极上形成大量的积碳。与此同时，适量的向重整气体中添加水，形成的高温水蒸气与碳颗粒的反应可以清除阳极上已经存在的积碳。
作为一种可选的实施方式，参照图1，提供一种燃料电池预防积碳系统，阳极的尾气出口通过第一循环泵8与重整器2的气体入口连接；控制器15与第一循环泵8通信连接，用于控制第一循环泵8的运行功率。在本实施例中，可通过测量电极温度来确定返回重整器2的废气量，控制器15可以根据测量的电极温度控制第一循环泵8的功率，以此控制返回重整器2的废气量。阳极废气返回到重整器2进行再循环有利于提高燃料电池整体的燃料利用率，但会一定程度的降低重整器2内的温度，以此调节重整气体从重整器2内出去时的温度，达到降低重整气体积碳形成的极限温度的目的，特别是由于阳极废气中本来就存在的水来实现。需要说明的是，水泵5向重整器2管道内加水为重整气体在进入阳极过程中的温度调节，第一循环泵8为重整气体从重整器2内出去时的温度调节，这两种调节方式可以同时使用，也可以分别单独使用。
作为一种可选的实施方式，参照图1，提供一种燃料电池预防积碳系统，还包括：燃料供应装置6，燃料供应装置6通过燃料泵7与重整器2的燃料入口连接；控制器15与燃料泵7通信连接，用于控制燃料泵7的运行功率。在本实施例中，可通过测量电极温度来确定输送至重整器2的燃料的速率，控制器15可以根据测量的电极温度控制燃料泵7的运行功率，以此控制燃料进入重整器2的速率。燃料进入重整器2后被蒸发为燃料蒸汽，燃料蒸汽和气体混合后在催化剂的作用下形成重整气体，控制燃料的速率会对燃料电池的转化率产生影响，以此影响重整气体的积碳形成临界温度。需要说明的是，控制燃料进入重整器2的速率会对燃料电池系统的运行效率造成直接的影响，在使用时通常作为补充使用，但单独使用该控制方式也能基本实现控制积碳形成临界温度的目的，只是会带来其他方面的影响。优选的，这里所使用的气体通常为空气和/或氧化剂气体。
作为一种可选的实施方式，参照图1，提供一种燃料电池预防积碳系统，还包括：气体供应装置11，气体供应装置11通过第二循环泵12与重整器2的气体入口连接，气体供应装置11通过第三循环泵10与阴极的气体入口连接；控制器15与第二循环泵12通信连接，用于控制第二循环泵12的运行功率；控制器15与第三循环泵10通信连接，用于控制第三循环泵10的运行功率。在本实施例中，可通过测量电极温度来确定输送至重整器2的气体的速率，控制器15可以根据测量到的电极温度控制第二循环泵12的运行功率，以此实现气体进入重整器2的速率。可通过测量电极温度来确定输送至阴极的气体的速率，控制器15可以根据测量到的电极温度控制第三循环泵10的运行功率，以此实现控制气体进入阴极的速率。这里所使用的气体通常为空气和/或氧化剂气体，气体进入重整器2后与燃料蒸汽混合后在催化剂的作用下形成重整气体，控制气体的速率会对燃料电池的转化率产生影响，以此影响重整气体的积碳形成临界温度。需要说明的是，控制气体进入重整器2的速率会对燃料电池系统的运行效率造成直接的影响，在使用时通常作为补充使用，但单独使用该控制方式也能基本实现控制积碳形成临界温度的目的，只是会带来其他方面的影响。控制气体进入阴极的速率会对燃料电池系统的运行效率造成直接的影响，在使用时通常作为补充使用，但单独使用该控制方式也能基本实现控制积碳形成临界温度的目的，只是会带来其他方面的影响。
作为一种可选的实施方式，参照图1，提供一种燃料电池预防积碳系统，还包括：尾气燃烧装置3，尾气燃烧装置3分别与阳极的尾气出口和阴极的尾气出口连接；换热器13，换热器13为双相，其中一相与尾气燃烧装置3的燃烧尾气出口连通，另一相通过第三循环泵10与阴极的气体入口连通。在本实施例中，通过尾气燃烧装置3的燃烧尾气对进入阴极的气体进行加热，能够有效提高阴极运行效率以及电极温度，特别是在燃料电池的启动过程中具有较为优异的表现，使得电机能够接受更高的积碳形成临界温度，提高燃料电池的整体运行效率。
参照图2，本申请的第二实施例提供一种燃料电池预防积碳方法，包括：
通过温度测量装置9监测电池单元1阳极和/或阴极的温度。具体的，通过温度测量装置9实时采集电池单元1阳极和/或阴极的温度，在对阳极和/或阴极的温度进行测量时，温度测量装置9不一定设置在相应的电极上，比如，可将温度测量装置9设置在电池单元1以外，然后采用接触式温度传感器将温度信号传递给温度测量装置9。或者采用非接触式测温技术对温度信号进行采集。需要说明的是，这里对于温度测量的方式不作任何限制，任何可以实时采集到阳极和/或阴极的温度的技术都可以。优选的，采集阳极的温度为佳，因为重整气体为阳极气体，最先与阳极接触。
水泵5在控制器15的控制下向重整气管道内持续加水，加水速率为N。控制器15根据电极温度，控制水泵5向重整气管道加水，水在进入重整气管道后被蒸发为水蒸气并吸热，以此可降低重整气体在与阳极接触之前的温度，在重整气体的温度降低的同时，积碳形成临界温度也同样会降低。初始时，可在燃料电池系统理想的运行状态下设置一个N的值。具体的，在电池单元1阳极和/或阴极的温度降低时，控制水泵5向重整气管道内持续加水的速率N升高；在电池单元1阳极和/或阴极的温度升高时，控制水泵5向重整气管道内持续加水的速率N降低。判断实时获取的电池单元1阳极和/或阴极的温度变化，在电池单元1阳极和/或阴极的温度降低时升高N的值，在电池单元1阳极和/或阴极的温度升高时降低N的值。在电池单元1阳极和/或阴极的温度变化时，其能够接受的积碳形成临界温度相应也发生变化，即当电池单元1的电极温度越高时积碳形成临界温度也相应的提高。在实时获取到电极温度后，判断电极的温度变化，当电极温度升高时代表能够接受的积碳形成临界温度也相应的提高，这时就可以放缓加水的速率（即N的值），当放缓加水的速率时重整气体进入阳极的温度提高，可以提高燃料电池的效率；当电极温度降低时代表能够接受的积碳形成临界温度也相应的降低，这时就可以加速加水的速率（即N的值），当加速的速率时重整气体进入阳极的温度降低，虽然会带来一定的效率影响，但能够使积碳形成临界温度与阳极温度达到平衡，不会或减少在阳极形成积碳。在实际使用时，设置一个燃料电池的理论最优运行状态，即理论电极温度时的加水速率为N，将实时获取的电极温度与理论电极温度进行对比，低于理论温度则调高N的值，高于理论温度则调低N的值。
本申请通过水泵5在控制器15的控制下向重整气体添加水，调整重整气体在与电极接触之前的温度，以降低积碳形成临界温度，特别是在广泛的温度范围内，将积碳形成临界温度保持在低于电极温度的水平，能够有效减少或防止在阳极上的积碳形成。这在燃料电池的启动过程中特别适用，因为在此过程中，阳极具有较低的温度，而与温度更高的重整气体接触会导致在相应的阳极上形成大量的积碳。与此同时，适量的向重整气体中添加水，形成的高温水蒸气与碳颗粒的反应可以清除阳极上已经存在的积碳。
作为一种可选的实施方式，提供一种燃料电池预防积碳方法，还包括：当电池单元1的电极温度低于预设低温时N的值为0，当电池单元1的电极温度高于预设高温时N的值为0。在本实施例中，积碳形成的临界温度存在最低极限温度和最高极限温度，当电极温度低于最低极限温度时，继续降低重整气体进入阳极的温度将不再有效；而当电极温度高于最高极限温度时，可以对应在不加水的情况下，重整气体形成积碳的极限电极温度。在实际使用中，只有电极温度处于临界温度的最低极限温度-最高极限温度之间时，才需要相重整气体进入阳极前加水。
作为一种可选的实施方式，提供一种燃料电池预防积碳方法，还包括：在电池单元1阳极和/或阴极的温度降低时，控制第一循环泵8向重整器2内持续输送阳极尾气的速率M升高；在电池单元1阳极和/或阴极的温度升高时，控制第一循环泵8向重整器2内持续输送阳极尾气的速率M降低。在本实施例中，在电池单元1阳极和/或阴极的温度变化时，其能够接受的积碳形成临界温度相应也发生变化，即当电池单元1的电极温度越高时积碳形成临界温度也相应的提高。在实时获取到电极温度后，判断电极的温度变化，当电极温度升高时代表能够接受的积碳形成临界温度也相应的提高，这时可以通过控制器15控制第一循环泵8降低功率，使再循环气体的比例降低，可以提高燃料电池的效率；当电极温度降低时代表能够接受的积碳形成临界温度也相应的降低，这时可以通过控制器15控制第一循环泵8提高功率，使再循环气体的比例升高，虽然会带来一定的效率影响，但能够使积碳形成临界温度与阳极温度达到平衡，不会或减少在阳极形成积碳。在实际使用时，设置一个燃料电池的理论最优运行状态，即理论电极温度时的再循环比例为M，将实时获取的电极温度与理论电极温度进行对比，低于理论温度则调高M的值，高于理论温度则调低M的值。
作为一种可选的实施方式，提供一种燃料电池预防积碳方法，还包括：在电池单元1阳极和/或阴极的温度降低时，控制燃料泵7向重整器2内持续输送燃料的速率H降低；在电池单元1阳极和/或阴极的温度升高时，控制燃料泵7向重整器2内持续输送燃料的速率H升高。在本实施例中，在电池单元1阳极和/或阴极的温度变化时，其能够接受的积碳形成临界温度相应也发生变化，即当电池单元1的电极温度越高时积碳形成临界温度也相应的提高。在实时获取到电极温度后，判断电极的温度变化，当电极温度升高时代表能够接受的积碳形成临界温度也相应的提高，这时可以通过控制器15控制燃料泵7提高功率，以提高燃料量，以此提高进入重整器2的气体与燃料蒸汽的整体流量，从而提高重整气体的积碳形成临界温度；当电极温度降低时代表能够接受的积碳形成临界温度也相应的降低，这时可以通过控制器15控制燃料泵7降低功率，以降低燃料量，以此降低进入重整器2的气体与燃料蒸汽的整体流量，从而降低重整气体的积碳形成临界温度。这里所使用的气体为空气和/或氧化剂气体。在实际使用时，设置一个燃料电池的理论最优运行状态，即理论电极温度时的H值，将实时获取的电极温度与理论电极温度进行对比，高于理论温度则调高H的值，低于理论温度则调低H的值。
作为一种可选的实施方式，提供一种燃料电池预防积碳方法，还包括：在电池单元1阳极和/或阴极的温度降低时，控制第二循环泵12向重整器2内持续输送气体的速率I降低；在电池单元1阳极和/或阴极的温度升高时，控制第二循环泵12向重整器2内持续输送气体的速率I升高。在本实施例中，在电池单元1阳极和/或阴极的温度变化时，其能够接受的积碳形成临界温度相应也发生变化，即当电池单元1的电极温度越高时积碳形成临界温度也相应的提高。在实时获取到电极温度后，判断电极的温度变化，当电极温度升高时代表能够接受的积碳形成临界温度也相应的提高，这时可以通过控制器15控制第二循环泵12提高功率，以提高气体量，以此提高进入重整器2的气体与燃料蒸汽的整体流量，从而提高重整气体的积碳形成临界温度；当电极温度降低时代表能够接受的积碳形成临界温度也相应的降低，这时可以通过控制器15控制第二循环泵12降低功率，以降低气体量，以此降低进入重整器2的气体与燃料蒸汽的整体流量，从而降低重整气体的积碳形成临界温度。这里所使用的气体为空气和/或氧化剂气体。这里所使用的气体为空气和/或氧化剂气体。在实际使用时，设置一个燃料电池的理论最优运行状态，即理论电极温度时的I值，将实时获取的电极温度与理论电极温度进行对比，高于理论温度则调高I的值，低于理论温度则调低I的值。
在实际使用时，上述电极温度是指阳极和/或阴极的温度，即上述燃料电池预防积碳系统及方法可以依赖阳极的温度，也可以依赖阴极的温度，也可以同时考虑阳极和阴极的温度。可设置一个燃料电池的理论最优运行状态，即电极处于理论温度时的加水速率N、燃料输送速率H、阳极尾气输送速率M以及气体输送速率I的值，这里加水速率N、燃料输送速率H、阳极尾气输送速率M以及气体输送速率I可以单独控制也可以联动控制，或者任意组合。单独控制方式上述第二实施例以及可选实施例中已经说明，不在赘述，下面对联动控制进行说明。在进行联动控制时，首先，在电极温度达到理论温度后，判断温度测量装置9测量的电极温度的变化状态，当监测到电极温度降低时，控制水泵5提高加水速率N的值；当监测到电极温度升高时，控制水泵5降低加水速率N的值。当电极温度低于预设最低极限温度时以及高于预设最高极限温度时，均控制水泵5停止工作，即加水速率N的值为0。需要说明的是，除了通过电极温度作为加水速率N的值的依据以外，还可以以重整气体的流量作为依据，向重整气体中添加的水量将随着重整气体的流量的变化而变化。因此要特别考虑重整气体和水的比例，以保持重整气体的积碳形成临界温度低于阳极温度。作为对上述根据阳极温度和/或重整气体流量来调整向重整气体添加的水量的替代方法，另一种有效的方法是将每个阳极温度或阳极温度范围分配一定比例的水量与重整气体量相对应。当监测到电极温度降低时，控制水泵5提高加水速率N的值，与此同时可以分别控制燃料泵7和第二循环泵12控制提高输送给重整器2的燃料输送速率H和气体输送速率I的值，即根据电极温度调整输送给重整器2的燃料和/或气体的体量（重整气体的体量为燃料体量与气体体量相加），有助于保持重整气体的积碳形成临界温度低于阳极温度。相对于单独调整加水速率N的值，在加水速率N的值变化时，燃料电池内的水蒸气比例会发生变化，这时，可以通过调整燃料和/或气体的体量来降低这一比例变化，使之不会带来其他影响。在燃料和/或气体的体量难以增加时，可以通过调整阳极尾气输送速率M来调整重整气体的整体体量。
需要说明的是，本申请中电极温度的变化趋势可以表示为：
T(k+1) = f [T(k), W(k), R(k), F(k), A(k), S(k)]；
其中，T(k)为当前周期电极温度；T(k+1)为下一周期电极温度；W(k) 为加水量；R(k)为尾气再循环比例；F (k)为燃料输送率；A (k)为气体输送率；S(k)为其他影响因素，其他影响因素S(k) 包括但不限于：电堆内部温度，电堆电压，电堆电流，电堆阻抗等。
在实际应用时，本申请可以采用模糊PI控制算法实现基于电极温度变化控制加水量、尾气再循环比例、燃料输送率以及气体输送率。
如：以控制尾气再循环比例R(k)为例，如图3所示，图示中T1(k)为温度参数，指电极温度在尾气再循环比例R(k)影响下的分量。具体的控制原理为，通过温度测量装置9采集电极温度信息，获得当前周期电极温度，将当前周期电极温度与当前周期电极目标温度进行比较，得到误差信号e，基于误差信号e计算得到误差信号变化率ec，将误差信号e和误差信号变化率ec，输入至模糊控制器中，模糊控制器对误差信号e和误差信号变化率ec，进行模糊化处理，根据给定的模糊规则进行模糊推理，得到模糊参数，再将得到的模糊参数进行解模糊，变换为实际用于修正PI控制参数的清晰量Δkp和清晰量Δki，基于Δkp和Δki实时调整当前PI控制参数kp0和当前PI控制参数ki0，最终输出调整后的PI控制参数kp和调整后的PI控制参数ki，基于调整后的PI控制参数kp和PI控制参数ki控制第一循环泵8的功率，以此控制尾气再循环比例R(k)。其中，模糊规则根据工作人员多次试验的经验进行制定。
其中，调整后的PI控制参数kp和调整后的控制参数ki满足以下关系式：
kp= kp0+Δkp；
ki= ki0+Δki。
同理，本申请中基于电极温度变化，控制加水量W(k) 、燃料输送率F (k)和气体输送率A (k)的原理同上，此处不再过多赘述。
以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请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，均同理包括在本申请的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种燃料电池预防积碳系统，其特征在于，包括：
电池单元（1），所述电池单元（1）包括阳极、阴极和电解质；
重整器（2），所述重整器（2）出口通过重整气管道与所述阳极入口连接；
温度测量装置（9），所述温度测量装置（9）与阳极和/或阴极连接，用于测量阳极和/或阴极的温度；
供水装置（4），所述供水装置（4）通过水泵（5）与所述重整气管道连接，用于向所述重整气管道内添加水；
控制器（15），所述控制器（15）与所述温度测量装置（9）通信连接，用于获取所述温度测量装置（9）的温度信号；所述控制器（15）与所述水泵（5）通信连接，用于控制所述水泵（5）的运行功率。
2.如权利要求1所述燃料电池预防积碳系统，其特征在于，所述阳极的尾气出口通过第一循环泵（8）与所述重整器（2）的气体入口连接；
所述控制器（15）与所述第一循环泵（8）通信连接，用于控制所述第一循环泵（8）的运行功率。
3.如权利要求2所述燃料电池预防积碳系统，其特征在于，还包括：
燃料供应装置（6），所述燃料供应装置（6）通过燃料泵（7）与所述重整器（2）的燃料入口连接；
所述控制器（15）与所述燃料泵（7）通信连接，用于控制所述燃料泵（7）的运行功率。
4.如权利要求3所述燃料电池预防积碳系统，其特征在于，还包括：
气体供应装置（11），所述气体供应装置（11）通过第二循环泵（12）与所述重整器（2）的气体入口连接，所述气体供应装置（11）通过第三循环泵（10）与所述阴极的气体入口连接；
所述控制器（15）与所述第二循环泵（12）通信连接，用于控制所述第二循环泵（12）的运行功率；所述控制器（15）与所述第三循环泵（10）通信连接，用于控制所述第三循环泵（10）的运行功率。
5.如权利要求4所述燃料电池预防积碳系统，其特征在于，还包括：
尾气燃烧装置（3），所述尾气燃烧装置（3）分别与所述阳极的尾气出口和所述阴极的尾气出口连接；
换热器（13），所述换热器（13）为双相，其中一相与所述尾气燃烧装置（3）的燃烧尾气出口连通，另一相通过第三循环泵（10）与所述阴极的气体入口连通。
6.一种燃料电池预防积碳方法，使用如权利要求5所述燃料电池预防积碳系统，其特征在于，包括：
通过所述温度测量装置（9）监测所述电池单元（1）阳极和/或阴极的温度；
在所述电池单元（1）阳极和/或阴极的温度降低时，控制所述水泵（5）向所述重整气管道内持续加水的速率N升高；
在所述电池单元（1）阳极和/或阴极的温度升高时，控制所述水泵（5）向所述重整气管道内持续加水的速率N降低。
7.如权利要求6所述燃料电池预防积碳方法，其特征在于，当所述电池单元（1）的电极温度低于预设低温时N的值为0，当所述电池单元（1）的电极温度高于预设高温时N的值为0。
8.如权利要求6所述燃料电池预防积碳方法，其特征在于，还包括：
在所述电池单元（1）阳极和/或阴极的温度降低时，控制所述第一循环泵（8）向所述重整器（2）内持续输送阳极尾气的速率M升高；
在所述电池单元（1）阳极和/或阴极的温度升高时，控制所述第一循环泵（8）向所述重整器（2）内持续输送阳极尾气的速率M降低。
9.如权利要求6所述燃料电池预防积碳方法，其特征在于，还包括：
在所述电池单元（1）阳极和/或阴极的温度降低时，控制所述燃料泵（7）向所述重整器（2）内持续输送燃料的速率H降低；
在所述电池单元（1）阳极和/或阴极的温度升高时，控制所述燃料泵（7）向所述重整器（2）内持续输送燃料的速率H升高。
10.如权利要求6所述燃料电池预防积碳方法，其特征在于，还包括：
在所述电池单元（1）阳极和/或阴极的温度降低时，控制所述第二循环泵（12）向所述重整器（2）内持续输送气体的速率I降低；
在所述电池单元（1）阳极和/或阴极的温度升高时，控制所述第二循环泵（12）向所述重整器（2）内持续输送气体的速率I升高。
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| JP2016154118A (ja) * | 2015-02-20 | 2016-08-25 | 東京瓦斯株式会社 | 燃料電池システム |
| CN114122471A (zh) * | 2021-11-26 | 2022-03-01 | 江苏科技大学 | 一种甲醇固体氧化物燃料电池及含该燃料电池的发电系统 |
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Patent Citations (3)
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