集成式燃料电池系统及燃料电池系统用控制方法与流程

本发明涉及燃料电池系统，尤其涉及集成式燃料电池系统及燃料电池系统用控制方法。

背景技术：

1、随着″双碳″目标的提出，清洁能源越来越受到人们的青睐。其中，燃料电池是一种在高温下直接将储存在燃料中的化学能转化为电能的发电装置。燃料电池系统包括电堆、原料供给系统和热部件系统等，具体地，电堆工作时需要高温环境，主要涉及到高温空气及高温重整气，从而原料气的稳定供给与电堆的尾气的热量高效回收及利用，是燃料电池系统向更高效率发展的重要保障。

2、其中，现有技术中针对热部件系统的研发主要分为三类，一类是通过燃烧器的燃烧尾气与水、空气、燃料和重整器等进行换热；一类是通过燃烧器的燃烧尾气预热空气，而后通过预热空气与系统中的其他热部件换热；另一类是将燃烧器的燃烧尾气预热空气后，依据热量梯级依次加热其余热部件。这些这部件系统虽然都能实现需求温度的调控，但是在工作过程中，存在不同气体交叉泄漏的风险，尤其是输送至电堆的空气和燃料气体出现的交叉泄漏，会给电堆的工作性能和使用寿命造成很大影响。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供集成式燃料电池系统及燃料电池系统用控制方法，以解决现有技术中的热部件系统虽然都能实现需求温度的调控，但是在工作过程中，存在不同气体交叉泄漏的风险，尤其是输送至电堆的空气和燃料气体出现的交叉泄漏，会给电堆的工作性能和使用寿命造成很大影响的问题。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、集成式燃料电池系统，包括相互独立分布的电堆、集成式热装置和循环自热重整装置；

4、所述集成式热装置包括壳体、设置于所述壳体内的中心燃烧组件、蒸汽发生器和空气预热器，所述中心燃烧组件包括沿第一方向间隔分布的火焰燃烧器和催化燃烧器，所述壳体被配置为能够形成一端与所述火焰燃烧器的输出端和所述催化燃烧器的输出端均连通，另一端与外界连通的换热通道，所述蒸汽发生器和所述空气预热器间隔分布于所述换热通道内，所述蒸汽发生器的水入口和水蒸气出口均分布于所述壳体外，所述空气预热器的空气预热入口和空气预热出口也均分布于所述壳体外，所述空气预热出口能与所述电堆的阴极输入端连通；

5、所述循环自热重整装置的原料通道能与所述水蒸气出口和燃料输送管连通，且能与所述电堆的阳极输入端连通；所述循环自热重整装置的循环换热通道与所述电堆的阳极输出端连通，所述循环换热通道被配置为能够在加热所述原料通道内的气体后，随流入所述原料通道的气体一同流入所述电堆的阳极输入端。

6、作为优选，所述壳体包括中心壳体，围设于所述中心壳体的外周的第一子壳体，以及围设于所述第一子壳体的外周的第二子壳体，所述火焰燃烧器和所述催化燃烧器均位于所述中心壳体的燃烧腔内，所述中心壳体与所述第一子壳体形成第一换热腔，所述第一子壳体与所述第二子壳体形成第二换热腔；所述第一换热腔与所述燃烧腔和所述第二换热腔连通，且所述第二换热腔与外界连通，以形成所述换热通道。

7、作为优选，所述空气预热器分布于所述第一换热腔内，所述蒸汽发生器分布于所述第二换热腔内。

8、作为优选，所述蒸汽发生器为盘绕于所述中心壳体的外周的螺旋管道；所述空气预热器为盘绕于所述第一子壳体的外周的螺旋管道。

9、作为优选，沿所述第一方向，所述火焰燃烧器分布于所述中心壳体的第一端，所述催化燃烧器分布于所述中心壳体的第二端，且所述火焰燃烧器的高温出口朝向所述催化燃烧器；

10、沿所述第一方向，所述第一换热腔的第一端与所述第二换热腔连通，所述第一换热腔的第二端与所述燃烧腔连通。

11、作为优选，所述中心燃烧组件还包括设置于所述火焰燃烧器和所述催化燃烧器之间的火焰隔板，所述火焰隔板被配置为能阻隔由所述高温出口喷向所述催化燃烧器的火焰，且沿所述第一方向能连通分布所述火焰隔板两侧的燃烧腔。

12、作为优选，所述中心壳体内设有分配结构，所述分配结构沿所述第一方向相对所述催化燃烧器远离所述火焰燃烧器；

13、所述分配结构包括与所述燃烧腔连通的第一分配流道和第二分配流道，所述第一分配流道和所述第二分配流道均能与所述电堆的阴极输出端连通，所述第一分配流道被配置为能向所述催化燃烧器的外周输送气体；所述电堆的阳极输出端也能与所述第二分配流道连通，所述第二分配流道被配置为能向所述催化燃烧器的中心区域输送气体。

14、作为优选，所述中心燃烧组件还包括孔板，沿所述第一方向，所述孔板位于所述催化燃烧器与所述分配结构之间，所述第一分配流道通过所述孔板的冷却孔向所述催化燃烧器的外周输送气体，所述第二分配流道通过所述孔板的燃料孔向所述催化燃烧器的中心区域输送气体。

15、作为优选，所述循环自热重整装置包括重整壳体，以及设置于所述重整壳体内的循环管道，所述重整壳体的重整腔为所述原料通道，所述循环管道的流道为所述循环换热通道；

16、沿第二方向，所述循环管道的第一端与所述电堆的阳极输出端连通，所述循环管道的第二端能与所述重整腔的第二端连通，且所述水蒸气出口和所述燃料输送管也能与所述重整腔的第二端连通，所述重整腔的第一端能与所述电堆的阳极输入端连通。

17、作为优选，所述集成式燃料电池系统还包括分布于所述循环自热重整装置外的循环泵，所述循环管道的第二端与所述循环泵的入口连通，所述循环泵的出口与所述重整腔的第二端连通。

18、燃料电池系统用控制方法，其用于实施于上述的集成式燃料电池系统，所述燃料电池系统用控制方法包括：

19、当所述催化燃烧器的输入端温度达到设定催化燃烧温度时，控制减小循环率，依据所述空气预热入口处的温度控制所述火焰燃烧器的输出功率；其中，所述循环率＝输送至所述循环换热通道内的阳极尾气流量/所述电堆的阳极尾气总输出流量；

20、当所述电堆的温度达到设定平稳运行温度时，控制所述火焰燃烧器停止工作，依据所述电堆的输出功率需求控制增大所述燃料输送管的燃料流量，依据所述电堆的输出功率需求调整所述循环率，且控制所述蒸汽发生器内的水流量为零。

21、作为优选，所述集成式燃料电池系统还包括分布于所述循环自热重整装置外的循环泵，所述循环换热通道的输出端与所述循环泵的入口连通，所述循环泵的出口与所述原料通道连通；控制减小循环率的具体步骤包括：

22、控制减小所述循环泵的输出功率。

23、作为优选，依据所述空气预热入口处的温度控制所述火焰燃烧器的输出功率的具体步骤包括：

24、判断所述空气预热入口处的温度是否大于等于第二设定温度；

25、若所述空气预热入口处的温度大于等于所述第二设定温度，则逐步降低所述火焰燃烧器的输出功率；

26、若所述空气预热入口处的温度小于所述第二设定温度，则保持所述火焰燃烧器以最大输出功率运行。

27、作为优选，当所述电堆的温度达到设定催化燃烧温度之前，还包括以下步骤：

28、控制向所述火焰燃烧器供给燃料和空气；点火启动所述火焰燃烧器；

29、当所述火焰燃烧器启动后，控制向所述空气预热器输送空气；

30、依据所述电堆的温度确定是否控制向所述蒸汽发生器内输送水，使得对所述电堆进行水蒸气吹扫；

31、当所述电堆的温度达到第二设定电堆温度后，控制向所述燃料输送管输送燃料；且控制将所述电堆输出的阳极尾气全部通入所述循环换热通道。

32、作为优选，当开始向所述燃料输送管输送燃料之后，逐步减小输送至所述蒸汽发生器内的水流量。

33、本发明的有益效果：

34、本发明的目的在于提供了集成式燃料电池系统及燃料电池系统用控制方法，该集成式燃料电池系统包括相互独立分布的电堆、集成式热装置和循环自热重整装置。当集成式燃料电池系统工作时，向火焰燃烧器输送燃料和空气，点火启动火焰燃烧器，在确定火焰燃烧器被启动后，火焰燃烧器产生的高温尾气，对催化燃烧器进行加热，向空气预热器输送空气，使得空气在被换热通道内的高温尾气加热后由空气预热出口流至电堆的阴极输入端，对电堆进行预热；当电堆的温度上升到一定温度后，向蒸汽发生器内输送水，蒸汽发生器内的水在被换热通道内的高温尾气的加热后生成水蒸气，水蒸气由蒸汽发生器的水蒸气出口流至循环自热重整装置的原料通道，并最终流入电堆的阳极输入端，对电堆进行水蒸气吹扫，使得电堆的温度能够进一步升高；当吹扫结束后，向燃料输送管内输送燃料，并通过持续向电堆输送空气和/或水蒸气使得催化燃烧器的温度到达设定催化燃烧温度，且将电堆输出的阳极尾气通过循环换热通道加热原料通道内的气体后全部回流至原料通道，并由原料通道输送至电堆的阳极输入端，可以理解的是，此时电堆开始进行电化学反应，且电堆的温度也在不断升高；当催化燃烧器的输入端温度到达设定催化燃烧温度时，减小循环率，并逐步减小火焰燃烧器的输出功率，其中，循环率＝输送至循环换热通道内的阳极尾气流量/电堆的阳极尾气总输出流量，使得催化燃烧器开始工作放热，对流经空气预热器的空气和蒸汽发生器内的水进行加热，能够减少能耗。当电堆的温度达到设定平稳运行温度时，控制火焰燃烧器停止工作，催化燃烧器能够持续放热满足集成式燃料电池系统的热需求；此时，依据电堆的功率需求调整控制增大燃料输送管的燃料流量，使得逐步增大电堆的输出功率，并依据电堆的功率需求调整循环率，且控制蒸汽发生器内的水流量为零，可以理解的是，通过调整循环率，使得运行于集成式燃料电池系统内的水蒸气的量能够满足循环自热重整装置进行重整反应的水碳比，从而保证电堆正常运行，也使得电堆在平稳运行阶段能够避免对水的依赖。

35、从而，该集成式燃料电池系统，通过将电堆、集成式热装置和循环自热重整装置对立分布，当电堆进入平稳运行阶段后，集成式热装置内涉及到输送至电堆的气体仅与电堆的阴极相关，循环自热重整装置内设置到输送至电堆的气体均与电堆的阳极相关，从而有效避免现有技术中由于气体交叉泄漏造成的影响电堆的工作性能和使用寿命的问题；其次，该集成式燃料电池系统从启动阶段到平稳运行阶段的能耗低，且能提升对阳极尾气的热量的利用率，加热效果好，加热效率高；其次，当进入平稳运行阶段后，能够避免对水的依赖，且催化燃烧器持续放热够满足集成式燃料电池系统的热需求。有效提升了该集成式燃料电池系统的工作性能。