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系统，尤其涉及一种燃料电池系统及其控制方法。

背景技术：

1、燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称为电化学发电器。电化学反应的吉布斯自由能是由反应物(燃料)的种类、温度和状态(气态或液态)决定。吉布斯自由能是可以用来做外功的能量，但不包括因压力或体积变化而做的功，在燃料电池中体现为电功。能斯特电动势是在吉布斯自由能的基础上根据反应物及生成物活度计算得到的电动势。根据能斯特公式，燃料的活度会进一步影响吉布斯自由能，在电压损失(活化损失、欧姆损失、浓差损失)不变的前提下，提高电堆的能斯特电压(可逆开路电压)，保证电堆在高电位下运行，这样可以有效保证系统发电效率。

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，可以保证电堆在高电位运行，维持系统的高发电效率。

2、根据本发明的一方面，提供了一种燃料电池系统，包括：

3、一级电堆、冷却水泵、冷凝器、气水分离器、二级电堆和控制器；其中，二级电堆包括多个单电池片；

4、一级电堆的第一端与冷凝器的第一端通过管路连接；冷凝器的第二端与冷却水泵的第一端通过冷却液管路连接，冷却水泵的第二端与冷凝器的第三端通过冷却液管路连接，冷凝器的第四端与气水分离器的第一端通过管路连接，气水分离器的第二端与一级电堆的第二端通过管路连接，气水分离器的第三端与二级电堆的第一端通过管路连接；

5、控制器与一级电堆、冷却水泵、冷凝器、气水分离器和二级电堆电连接；

6、冷凝器用于接收一级电堆的阳极尾气，对阳极尾气进行降温处理后传输给气水分离器；

7、气水分离器用于对降温后的阳极尾气进行气水分离，将分离出的气态燃料传输给二级电堆，将分离出的液态水传输给一级电堆；

8、二级电堆的第一端还用于接收外界新鲜燃料；

9、控制器用于：

10、确定二级电堆的每一单电池片的最小运行电压和二级电堆运行的最小温度，并确定二级电堆的每一单电池片的第一实际电压；

11、在每一单电池片的第一实际电压小于最小运行电压时，增大冷却水泵的转速，并确定增大冷却水泵的转速后的二级电堆中每一单电池片的第二实际电压和二级电堆的第一端的温度；

12、在每一单电池片的第二实际电压大于或等于最小运行电压，二级电堆的第一端的温度大于或等于二级电堆的运行的最小温度时，确定二级电堆在高电位运行，停止增大冷却水泵的转速。

13、可选的，控制器用于在每一单电池片的第二实际电压小于最小运行电压时，继续增大冷却水泵的转速，直至每一单电池片的第二实际电压大于或等于最小运行电压。

14、可选的，控制器还用于：在每一单电池片的第二实际电压大于或等于最小运行电压，当前二级电堆的第一端的温度小于二级电堆的运行的最小温度时，增加二级电堆的第一端接收的外界新鲜燃料的流量和降低冷却水泵的转速，直至二级电堆的第一端的温度大于或等于二级电堆的运行的最小温度。

15、可选的，燃料电池系统还包括：燃料混合器、第一重整器、蒸发混合装置和第二重整器；控制器与燃料混合器、第一重整器、蒸发混合装置和第二重整器电连接；

16、气水分离器的第三端与燃料混合器的第一端通过管路连接，燃料混合器的第二端与第一重整器的第一端通过管路连接，燃料混合器的第三端用于接收外部新鲜燃料；第一重整器的第二端与二级电堆通过管路连接，气水分离器的第二端与蒸发混合装置的第一端通过管路连接；蒸发混合装置的第二端与第二重整器的第一端通过管路连接，第二重整器的第二端与一级电堆通过管路连接，蒸发混合装置的第三端用于接收外部新鲜燃料。

17、可选的，燃料电池系统还包括：

18、dcdc逆变器，dcdc逆变器与二级电堆电连接；控制器与dcdc逆变器电连接；

19、控制器用于获取dcdc逆变器输出的二级电堆的实际电压；根据二级电堆的实际电压和二级电堆单电池片的数量，确定二级电堆的每一单电池片的第一实际电压和第二实际电压。

20、可选的，控制器用于在每一单电池片的第一实际电压大于或等于最小运行电压时，确定二级电堆维持在高电位运行。

21、可选的，燃料电池系统还包括：

22、温湿度传感器和冷却液流量计；温湿度传感器设置在与气水分离器的第三端连接的管路上，冷却液流量计设置在与冷却水泵的第二端连接的冷却液管路上；控制器与温湿度传感器和冷却液流量计电连接；

23、控制器用于在每一单电池片的第一实际电压小于最小运行电压时，获取温湿度传感器测量的当前气水分离器出口的气态燃料的温度和相对湿度，并获取冷却液流量计测量的冷却液流量。

24、可选的，燃料电池系统还包括：

25、温度传感器，温度传感器设置在与二级电堆的第一端连接的管路上；控制器与温度传感器电连接；

26、控制器用于获取温度传感器测量的二级电堆的第一端的温度。

27、根据本发明的另一方面，提供了一种燃料电池系统的控制方法，包括本发明任意实施例所述的燃料电池系统；

28、燃料电池系统的控制方法，包括：

29、控制器确定二级电堆的每一单电池片的最小运行电压和二级电堆运行的最小温度，并确定二级电堆的每一单电池片的第一实际电压；

30、控制器在每一单电池片的第一实际电压小于最小运行电压时，增大冷却水泵的转速，并确定增大冷却水泵的转速后的二级电堆中每一单电池片的第二实际电压和二级电堆的第一端的温度；

31、控制器在每一单电池片的第二实际电压大于或等于最小运行电压，二级电堆的第一端的温度大于或等于二级电堆的运行的最小温度时，确定二级电堆在高电位运行，停止增大冷却水泵的转速。

32、可选的，控制器在每一单电池片的第二实际电压小于最小运行电压，继续增大冷却水泵的转速，直至每一单电池片的第二实际电压大于或等于最小运行电压。

33、本发明实施例技术方案提供的燃料电池系统包括一级电堆、冷却水泵、冷凝器、气水分离器、二级电堆和控制器；其中，二级电堆包括多个单电池片；控制器用于：确定二级电堆的每一单电池片的最小运行电压和二级电堆运行的最小温度，并确定二级电堆的每一单电池片的第一实际电压；在每一单电池片的第一实际电压小于最小运行电压时，增大冷却水泵的转速，并确定增大冷却水泵的转速后的二级电堆中每一单电池片的第二实际电压和二级电堆的第一端的温度；在每一单电池片的第二实际电压大于或等于最小运行电压，二级电堆的第一端的温度大于或等于二级电堆的运行的最小温度时，确定二级电堆在高电位运行，停止增大冷却水泵的转速。本发明实施例通过增大冷却水泵的转速，提高冷凝器对冷却液的冷却能力，从而提高气水分离器中分离出的气态燃料的活度，最终实现对二级电堆燃料中气态燃料活度的提高，以保证二级电堆维持较高的运行电位，维持系统的高发电效率。

34、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。