一种燃料电池系统及其控制方法与流程

本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种燃料电池系统及其控制方法。

背景技术：

1、当前燃料电池的发电效率约在60％左右，这主要是因为电堆燃料的利用率限制了燃料电池的发电效率。

2、为避免电堆性能衰减过快，一般会在系统运行时给电堆燃料利用率设定安全边界。所以在保证电堆燃料利用率的前提下尽可能的提高系统燃料利用率是提高发电效率和减少燃料电池成本的关键。

3、目前，一般只通过采用电堆的梯级利用，来提升电堆燃料的利用率，也就是将一级电堆发送电化学反应后的排出气体传输至二级电堆，使得二级电堆可以利用一级电堆未反应完的燃料及水蒸气继续进行反应。但是，只通过采用电堆的梯级利用提高燃料利用率是有限的，导致燃料电池系统的成本较高。

技术实现思路

1、本发明提供了一种燃料电池系统及其控制方法，以在提高电堆反应效率的同时，降低燃料电池系统的成本。

2、根据本发明的一方面，提供了一种燃料电池系统，燃料电池系统包括：串联连接的第一电堆和第二电堆、燃烧器、空气预热器、蒸发器、冷凝器、水泵、及控制器；

3、所述燃烧器的第一入口与所述第二电堆连接，所述燃烧器的第二入口用于输入外部燃料，所述燃烧器用于将所述第二电堆的尾气与所述外部燃料燃烧，产生燃烧尾气；

4、所述空气预热器的第一入口与所述燃烧器的出口连接，所述空气预热器的第二入口用于输入外部空气，所述空气预热器的第一出口与所述第一电堆连接，所述空气预热器用于通过所述燃烧尾气对所述外部空气进行加热，并将加热空气传输至所述第一电堆；

5、所述蒸发器的第一入口与所述空气预热器的第二出口连接；所述冷凝器的第一入口与所述蒸发器的第一出口连接，所述冷凝器的第二入口用于输入冷却液，所述冷凝器用于将所述冷凝器中的水蒸气冷凝为液态水；

6、所述水泵与所述冷凝器的出口连接，所述水泵与所述蒸发器的第二入口连接，所述水泵的控制端与所述控制器连接，所述控制器用于在所述第一电堆的第一出口温度达到预设温度时，控制所述水泵将所述液态水传输至所述蒸发器；

7、所述蒸发器的第二出口与所述第一电堆连接，所述蒸发器用于将所述液态水蒸发为吹扫蒸气，以对所述第一电堆和所述第二电堆中的空气进行吹扫。

8、可选地，所述燃料电池系统还包括重整器、燃料输入管路和开关阀；

9、所述重整器的第一入口与所述空气预热器的第一出口连接，所述重整器的出口与所述第一电堆连接，所述重整器用于将所述加热空气传输至所述第一电堆；

10、所述燃料输入管路与所述蒸发器的第二入口连接，所述开关阀设置于所述燃料输入管路上；

11、所述控制器与所述开关阀的控制端连接，所述控制器用于在所述吹扫蒸气的流量达到预设流量值时，控制所述开关阀导通，以使外部燃料输入至所述蒸发器；

12、所述蒸发器的第二出口与所述重整器的第二入口连接，所述重整器用于对所述蒸发器输出的蒸汽和外部燃料进行重整反应。

13、可选地，所述燃料电池系统还包括第一三通阀；

14、所述第一三通阀的第一端与所述水泵连接，所述第一三通阀的第二端与所述燃料输入管路连接，所述第一三通阀的第三端与所述蒸发器的第二入口连接。

15、可选地，所述燃料电池系统还包括旁通支路、调节阀、冷却液管路和冷却液泵；

16、所述旁通支路连接于所述蒸发器与所述冷凝器连接的管路上，所述调节阀设置于所述旁通支路上；

17、所述冷却液管路与所述冷凝器的第二入口连接，所述冷却液泵设置于所述冷却液管路上；

18、所述控制器分别与所述调节阀的控制端和所述冷却液泵的控制端连接，所述控制器用于在所述冷凝器的第二出口温度大于预设温度阈值时，调节所述调节阀的开度和/或所述冷却液泵的流量；

19、所述燃料电池系统还包括第二三通阀；

20、所述第二三通阀的第一端与所述蒸发器的第一出口连接，所述第二三通阀的第二端与所述冷凝器的第一入口连接，所述第二三通阀的第三端与所述旁通支路连接。

21、可选地，所述燃料电池系统还包括气水分离器；

22、所述气水分离器连接于所述冷凝器的出口与所述水泵之间。

23、根据本发明的另一方面，提供了一种燃料电池系统控制方法，所述燃料电池系统包括：串联连接的第一电堆和第二电堆、燃烧器、重整器、空气预热器、蒸发器、冷凝器、水泵、及控制器；所述燃烧器的第一入口与所述第二电堆连接，所述燃烧器的第二入口用于输入外部燃料；所述空气预热器的第一入口与所述燃烧器的出口连接，所述空气预热器的第二入口用于输入外部空气，所述空气预热器的第一出口与所述第一电堆连接；所述蒸发器的第一入口与所述空气预热器的第二出口连接；所述冷凝器的第一入口与所述蒸发器的第一出口连接，所述冷凝器的第二入口用于输入冷却液；所述水泵与所述冷凝器的出口连接，所述水泵与所述蒸发器的第二入口连接，所述水泵的控制端与所述控制器连接；所述蒸发器的第二出口与所述第一电堆连接；所述方法由所述控制器执行；所述方法包括：

24、获取所述第一电堆的第一出口温度；

25、在所述第一电堆的第一出口温度达到预设温度时，控制所述水泵将所述冷凝器产生的液态水传输至所述蒸发器，以使所述蒸发器将所述液态水蒸发为吹扫蒸气，以对所述第一电堆和所述第二电堆中的空气进行吹扫。

26、可选地，所述燃料电池系统还包括重整器、燃料输入管路和开关阀；所述重整器的第一入口与所述空气预热器的第一出口连接，所述重整器的出口与所述第一电堆连接；所述燃料输入管路与所述蒸发器的第二入口连接，所述开关阀设置于所述燃料输入管路上；所述控制器与所述开关阀的控制端连接；所述蒸发器的第二出口与所述重整器的第二入口连接；

27、在控制所述水泵将所述液态水传输至所述蒸发器之后，还包括：

28、在所述吹扫蒸气的流量达到预设流量值时，控制所述开关阀导通，以使外部燃料输入至所述蒸发器，以使所述重整器对所述蒸发器输出的蒸汽和外部燃料进行重整反应。

29、可选地，所述燃料电池系统还包括旁通支路、调节阀、冷却液管路和冷却液泵；所述旁通支路连接于所述蒸发器与所述冷凝器连接的管路上，所述调节阀设置于所述旁通支路上；所述冷却液管路与所述冷凝器的第二入口连接，所述冷却液泵设置于所述冷却液管路上；所述控制器分别与所述调节阀的控制端和所述冷却液泵的控制端连接；所述方法还包括：

30、在所述冷凝器的第二出口温度大于预设温度阈值时，调节所述调节阀的开度和/或所述冷却液泵的流量。

31、可选地，在所述冷凝器的第二出口温度大于预设温度阈值时，调节所述调节阀的开度和/或所述冷却液泵的流量，包括：

32、在所述冷凝器的第二出口温度大于所述预设温度阈值时，控制所述调节阀开启；

33、根据所述第二出口温度和所述预设温度阈值，按照比例积分微分控制策略，调节所述调节阀的开度；

34、在所述调节阀的开度达到最大开度时，若所述冷凝器的第二出口温度大于所述预设温度阈值，则调节所述冷却液泵的流量。

35、可选地，根据所述第二出口温度和所述预设温度阈值，按照比例积分微分控制策略，调节所述调节阀的开度，包括：

36、计算所述冷凝器的第二出口温度与所述预设温度阈值的温度差值；

37、根据所述温度差值确定所述冷凝器中冷却液的目标减少热量；

38、根据所述目标减少热量确定所述空气预热器输出的燃烧尾气和加热空气的目标减少质量，即为所述旁通支路的目标减少流量；

39、根据所述旁通支路的实际流量与所述目标减少流量，按照比例积分微分控制策略，调节所述调节阀的开度。

40、本发明实施例的技术方案，通过将第一电堆和第二电堆串联连接，使得第一电堆电化学反应后产生的尾气进入第二电堆，第二电堆利用第一电堆中未燃烧的燃料和水蒸气进行电化学反应，有利于提高电堆燃料的利用率，从而提升燃料电池的反应效率，有利于降低燃料电池的成本。并且，通过设置冷凝器对水蒸气进行冷凝，生成液态水，蒸发器将液态水蒸发为吹扫蒸气，吹扫蒸气对第一电堆和第二电堆中的空气进行吹扫，从而后续向第一电堆和第二电堆通入外部燃料后，第一电堆和第二电堆可以更好的利用外部燃料进行电化学反应，不会受到残留空气的干扰，有利于提升第一电堆和第二电堆的反应效率，从而提升燃料电池的反应效率，有利于降低燃料电池的成本。并且，通过设置冷凝器对水蒸气进行冷凝，生成液态水，使得燃料电池系统无需外部供水，实现水的自利用，在实现系统以较高效率运行的同时实现系统的无水运行，有利于进一步降低燃料电池的成本。

41、应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。