一种热质循环式燃料电池发电系统及其控制方法

本发明涉及一种燃料电池发电系统及其控制方法，特别提供了一种热质循环式燃料电池发电系统及其控制方法，属于燃料电池。

背景技术：

1、随着能源结构发生深刻的改变——传统高碳、多碳的化石燃料已逐步减少，新型的低碳甚至无碳燃料已悄然登场。在该背景下，燃料电池作为一种新兴的发电技术在近年来得到了长足的发展。然而其使用的二次能源——氢气，存在这储、运、用等问题，限制了燃料电池的进一步发展。

2、甲醇蒸汽重整制氢技术因其成本低廉、来源广泛、条件温和、制氢量高等优势，是理想的移动氢源，并已在工业上得到广泛应用。因此甲醇蒸汽重整制氢技术与高温质子交换膜燃料电池集成发电系统是未来重要的方向之一。

3、而甲醇蒸汽重整制氢反应时和高温质子交换膜燃料电池在启动时都需要较高的热量，现有技术中采取加热棒为其提供热量，但是一般加热棒峰值功率可能达到系统输出功率的4-5倍，这将导致大量的能量损耗且无法快速启动；若采用甲醇催化燃烧加热法，仅有甲醇催化燃烧进行加热，加热速度慢，且对于燃料电池的阳极废气没有再利用，会导致质的消耗，且缺少对催化燃烧废气的多级利用，系统热利用效率不足，导致启动时间的延长。

4、当系统处于待机模式时，其待机状态决定其对外输出能力的大小，对于甲醇蒸汽重整燃料电池发电系统而言，其待机自持工况约为额定工况的60～80％，因此系统净效率低于20％，系统对外输出能力较低。

5、并且现有的燃料发电系统，物质与热量的利用率低，导致系统的净效率低，此外因为物质的利用率较低，则同等输出下需要更多的物质，辅件的电功耗较高，因此为了平衡系统内的功耗，导致燃料电池需要输出更多功率以维持系统内部的电功耗，就需要更多的氢气或者空气，因此辅件的电功耗依然会提高，并且由于燃料电池维持系统内部运行的功率提高了，则对外输出功率的能力便减弱了，但又得益于氢气的高热值，因此系统的电功耗并不会无限增长，而是燃料电池消耗的氢气与辅件电功耗之间存在一个平衡点，这个平衡点就是系统的功率自持点，但较高的自持点则需要更长的时间使系统的热量与物质量满足使用需求，因此启动时间慢而且功耗又高。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种热质循环式燃料电池发电系统及其控制方法，本发明通过使用热质循环的方式，提高了燃料电池发电系统的净效率以及低能耗待机模式和快速启动的目的。

2、技术方案：一种热质循环式燃料电池发电系统，包括甲醇供给组件、空气供给组件、纯水供给组件、催化燃烧器、甲醇蒸汽重整器、调节组件、燃料分配器a、燃料分配器b、换热器a、换热器b、换热器c、换热器d、混合阀a、混合阀b和燃料电池；

3、所述甲醇供给组件和空气供给组件分别通过燃料分配器a和燃料分配器b，将甲醇和空气分别输送至换热器a和换热器b进行预热，然后输送至催化燃烧器中进行催化燃烧反应，产生的高温气体依次进入换热器a、换热器b和换热器c，将剩余气体排出系统；

4、所述甲醇供给组件通过燃料分配器a输送甲醇，将甲醇与纯水供给组件输送的纯水输送至混合阀b进行混合，然后经过换热器c后，进入甲醇蒸汽重整器进行甲醇蒸汽重整反应，产生的氢气经过换热器d进入调节组件，调节组件与燃料电池阳极入口连接，燃料电池阳极出口与混合阀a连接；

5、所述空气供给组件通过燃料分配器b将空气运输至燃料电池阴极入口，经过反应后从燃料电池阴极出口输送回空气供给组件。

6、本发明结合燃料分配器a和燃料分配器b以及调节组件，共同实现催化燃烧器、甲醇蒸汽重整器以及燃料电池之间的热量和物质的循环利用，设计热能多级利用的换热器a、换热器b、换热器c、换热器d，使系统具有更高的净效率、低功耗的运行模式，并且可以达到快速启动的目的，还可以将尾气重复利用，提高尾气利用率。

7、优选项，为了提高系统净效率，所述调节组件包括依次连接的气泵、止回阀、贮气罐、电控针阀，所述气泵与换热器d连接，所述电控针阀与燃料电池阳极入口连接。调节组件将甲醇重整器产生的高温重整气体经换热器d冷却后再依次经过气泵、止回阀，到达冷凝贮气罐，在此进行冷凝，除去甲醇与h2o等不利于燃料电池运行的产物，冷凝后的干气经由电磁针阀与燃料电池阳极相连，发电后产生的过量燃料进入混合阀a，一同进入催化燃烧器中为系统提供热量，通过气泵与电控针阀协同制造压力差，以达到氢气贮存效果，气泵的流量应小于氢气产生速率，避免过低的背压导致重整器单程转化率较低，并配有止回阀防止气体回流；通过调节组件将热质循环中因工况调节导致的热损失转化为物质量存储于贮气罐中，提高了热质循环的作用和系统净效率。

8、优选项，为了提供甲醇并对甲醇量进行控制，所述甲醇供给组件包括依次连接的甲醇箱、甲醇泵和甲醇流量计。

9、优选项，为了提供空气，所述空气供给组件包括依次连接的空气供给箱、空气压缩机。

10、优选项，为了提供纯水并对纯水量进行控制，所述纯水供给组件包括依次连接的纯水箱、纯水泵、纯水流量计。

11、一种热质循环式燃料电池发电系统的控制方法，包括以下步骤：

12、s1：系统运行工况分为待机模式和快速启动模式，根据是否接入外接负载或外接负载功率是否恒定判断系统是否处于待机模式，若无外接负载或者外接负载功率恒定，则判定系统处于待机模式，进入s2；若系统处于停机状态，则进入快速启动模式，s3；

13、s2：通过控制系统热质循环使得待机模式的系统功耗达到最低；

14、s21：判断甲醇蒸汽重整器温度t重整和燃料电池温度t电池是否在正常工作温度范围内；若都在正常工作温度范围内则进入s22，若不在则进入s23；

15、s22：根据贮气罐中的压力判断贮气罐中的氢气是否充满，若充满则判定为系统质过量，若未充满则判定系统为质亏损，经过修正调整后进入s23；；

16、s23：判断甲醇蒸汽重整器温度值t重整或者燃料电池温度值t电池是否小于正常工作温度范围，若是则判定系统热量亏损，进行修正调整后回到s21，否则进入s24；

17、s24：判断甲醇蒸汽重整器温度值t重整或者燃料电池温度值t电池是否大于正常工作温度范围，若是，则判定系统热量过盈，进行修正调整后回到s21，否则回到s22；

18、s3：控制系统快速启动：

19、s31：根据贮气罐中的压力值是否达到能够启动的压力值来选择对应的快速加热方法，若未达到启动的压力值，则选择启用第一快速加热方法，若达到启动的压力值，则选择启用第二快速加热方法，进入s32；

20、s32：判断甲醇蒸汽重整器温度t重整和燃料电池温度t电池是否在正常工作温度范围内，若是，则进入s33，若不是则进入s34；

21、s33：燃料分配器a和b依据s31中所选择的对应的快速启动方法分配甲醇占比量和纯水占比量，并保证纯水泵和电控针阀常开，燃料电池输出功率大于等于系统内部电功耗，即为系统启动成功；

22、s34：判断燃料电池温度t电池是否先于甲醇蒸汽重整器温度t重整达到正常工作温度范围，若是则通过燃料电池b增加供给燃料电池阴极的空气量，对燃料电池进行控温后返回s32，若不是则进入s35；

23、s35：判断甲醇蒸汽重整器温度t重整是否先于燃料电池温度t电池达到正常工作温度范围，若是则通过燃料分配器a增加用于甲醇蒸汽重整的甲醇量占比，并且开启纯水泵和电控针阀，通过甲醇蒸汽重整吸收多余热量，并在贮气罐内储存多余氢气，同时向燃料电池阳极通入少量氢气以加速燃料电池启动时间，然后返回s32；若不是则返回s31。

24、本发明通过以保证甲醇蒸汽重整器和催化燃烧器保持在正常工作温度范围以及对外输出功率为前提，通过调整各辅件的功耗，不断寻找最低功耗，而为了保证有足够大的最低功耗寻优范围，通过贮气罐内氢气调整能够尽可能减小寻优过程中的物质损失，即不论系统当前是处于热量过盈还是亏损或者物质过量还是物质亏损，都可以通过催化燃烧反应与重整反应的耦合进行热量和物质的调节，调节的结果就是重整产物氢气的量的变化，而待机模式下燃料电池在当前负载功率的条件下需求的氢气量是一定的，因此贮气罐还起到收集释放的作用，能够缓冲并利用系统在热与质的循环调节过程中造成的热与质亏损。而在快速启动模式中，由于贮气罐内部存有的氢气能够在启动过程中用于催化燃烧放热，在燃料电池未达到工作温度的时候，氢气经过燃料电池阳极不会发生反应或者发生的反应很微弱，因此贮气罐内的氢气几乎没有损耗地流经燃料电池后送入催化燃烧器当中，同时甲醇也会参与到催化燃烧中，因为氢气的高热值与快速反应动力学，使得反应速率加快，热量传递速率也更快，因此系统的启动时间会大大缩短。

25、优选项，为了保证系统的质循环，所述s22中所述的系统质循环的修正调整具体步骤为，保证甲醇重整器温度值t重整和燃料电池温度t电池在正常工作温度范围内，在满足燃料电池在阴阳极燃料需求的前提下，对系统出现质过量或者质亏损进行修正调整；

26、当贮气罐中的氢气充满时，为系统质过量，通过甲醇泵降低系统的甲醇供给量，控制燃料分配器a减少用于甲醇蒸汽重整的甲醇量占比，为保证甲醇水的比例通过纯水泵降低纯水供给量，由此，甲醇泵功耗pmeoh减少，纯水泵功耗ph2o减少，空气泵功耗pair由于燃料电池需求功率减少而减少；而当贮气罐中的氢气未充满时，为系统质亏损，通过甲醇泵增加系统的甲醇供给量，控制燃料分配器a增加用于甲醇蒸汽重整的甲醇量占比，为保证甲醇水的比例通过纯水泵增加纯水供给量，当贮气罐中氢气量处于动态平衡时，即贮气罐内氢气压力不变时，达到系统处于待机时的最低功耗，并且燃料电池的输出功率w依然实时满足系统内部的总输出功率。

27、优选项，为了保证系统的热循环，所述s23和s24中所述的系统热循环的修正调整具体步骤为，保证甲醇重整器温度值t重整和燃料电池温度t电池在正常工作温度范围内，对系统出现热量亏损或者热量过盈进行修正调整；

28、当甲醇蒸汽重整器温度值t重整或者燃料电池温度值t电池小于正常工作温度范围时，为系统热量亏损，通过甲醇泵增加系统的甲醇供给量，控制燃料分配器a增加用于催化燃烧的甲醇量占比，同时通过电控针阀释放贮气罐内氢气，提高用于催化燃烧的燃料电池阳极尾气量，快速补充热量；

29、当甲醇蒸汽重整器温度值t重整或者燃料电池温度值t电池大于正常工作温度范围时，为系统热量过盈，控制燃料分配器a减少用于催化燃烧的甲醇量占比，增加用于甲醇蒸汽重整的甲醇量占比，同时通过电控针阀将多余氢气储存在贮气罐内，并且降低燃料电池氢气供给量和空气供给量。

30、优选项，为了对贮气罐内不同氢气量采取不同的加热方法，所述s31中所述的第一快速加热方法为，以甲醇催化燃烧放热为主进行加热，燃料分配器a不向甲醇重整器供给甲醇，甲醇全部用于催化燃烧，同时纯水泵不工作，燃料分配器b不向燃料电池供给空气，空气全部用于催化燃烧，即控制燃料分配器a和燃料分配器b将用于催化燃烧的甲醇占比量和空气占比量调整为1，催化燃烧器产生的热量依次经过换热器a汽化甲醇、经过换热器b加热空气、经过换热器c汽化甲醇水后排出系统，在该过程中，结合热对流与热传导协同使其他部件升温；

31、所述的第二快速加热方法为，以甲醇催化燃烧放热和燃料电池尾气催化燃烧放热为主进行加热，通过电控针阀将贮气罐内氢气泄压至燃料电池阳极入口，经燃料电池阳极出口后排出的尾气全部用于催化燃烧放热，即控制燃料分配器a将用于催化燃烧的甲醇占比量调整为1，此时纯水泵不工作，并且打开电控针阀。

32、优选项，为了进行系统低功耗计算，所述热质循环的修正调整的计算方法为：

33、计算系统内部的电力消耗量，燃料电池电堆的输出功率应满足：

34、w＝(pmeoh+ph2o+pair+ppcb)/τ；

35、其中，pmeoh为甲醇泵功、ph2o为纯水泵功、pair为空气泵功、ppcb为系统功耗、τ为dc-dc转换效率；

36、为了给定初始的燃料电池输出功率，依据电堆需求功率衡算各进料需求：

37、氢气每小时消耗量vh2：

38、

39、其中，p为电堆输出功率，t为时间，u0为单电池设计电压，e为电子数，ρh2为氢气密度，λh2为氢气的过量系数；

40、甲醇每小时消耗量vmeoh：

41、

42、其中，p为电堆输出功率，t为时间，u0为单电池设计电压，e为电子数，mh2为氢气摩尔质量，λh2为氢气过量系数，λstio为1单位摩尔甲醇水产生x单位摩尔氢气的化学计量比，η为甲醇转化率，mmeoh为甲醇摩尔质量，ρmeoh为甲醇密度，μ为用于蒸汽重整的甲醇的比例；

43、纯水每小时消耗量vh2o：

44、

45、其中，p为电堆输出功率，t为时间，u0为单电池设计电压，e为电子数，mh2为氢气摩尔质量，λh2为氢气过量系数，λstio为1单位摩尔甲醇水产生x单位摩尔氢气的化学计量比，η为甲醇转化率，μ为用于蒸汽重整的甲醇的比例，γ为水醇比；

46、空气每小时消耗量vair：

47、

48、其中，p为电堆输出功率，t为时间，u0为单电池设计电压，e为电子数，ρo2为氧气密度，mo2为氧气质量分数，λo2为燃料电池氧气过量化学计量比，vmeoh为甲醇每小时消耗量，μ为用于蒸汽重整的甲醇的比例，ρmeoh为甲醇密度，mmeoh为甲醇摩尔质量，vh2为氢气每小时消耗量，λh2为氢气的过量系数，ρh2为氢气密度，mh2为氢气摩尔质量；

49、依据进料需求计算修正调整的电力消耗量，通过确定进料需求与电工耗的关系，以便系统在热质循环调节过程中实时计算当前系统内部能耗：

50、甲醇泵功pmeoh：

51、

52、其中，vmeoh为甲醇每小时消耗量，kp为燃料泵流速与电压关系系数，imeoh为甲醇泵电流；

53、纯水泵功ph2o：

54、

55、其中，vh2o为纯水每小时消耗量，kp为燃料泵流速与电压关系系数，ih2o为纯水泵电流；

56、空气泵功pair：

57、

58、其中，vair为空气每小时消耗量，ka为空气泵流速与电压关系系数，iair为空气泵电流；

59、控制系统功耗ppcb：

60、ppcb＝ipcb*upcb

61、其中，ipcb为控制器电流，upcb为控制器电压。

62、有益效果：本发明通过实现发电系统内部热量与质量的循环利用，构建了甲醇催化放热——甲醇蒸汽重整脱氢——氢气反应供电——氢气催化放热的系统内循环，将催化燃烧器产生的热量和燃料电池氢气反应后的热量共同作为启动的热源，提高了系统启动的速度，并且通过对系统热质循环过程的不断修正，使系统不断寻优，找到系统低功耗自持点，提高了系统的净效率，同时对于催化燃烧器排出的尾气的热量进行多级利用，并且将燃料电池阳极出口的过量氢气重复利用于催化燃烧，实现甲醇氢气双燃料燃烧，提高了传热量。