本發(fā)明涉及燃料電池，尤其涉及一種燃料電池系統(tǒng)、燃料電池發(fā)電機(jī)組及其調(diào)控方法。

背景技術(shù)：

1、燃料電池是一種高效率的能量轉(zhuǎn)化裝置，它能夠直接將儲存在可燃?xì)怏w內(nèi)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，由于其不需要中間的機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)化，因此具有更高的能量轉(zhuǎn)化效率。

2、現(xiàn)有技術(shù)中燃料電池系統(tǒng)通常由重整器、電堆、燃燒器、換熱器、逆變器等部件組成。重整器是將進(jìn)入燃料電池系統(tǒng)的天然氣、醇類等燃料轉(zhuǎn)化為主要成分是h2、co、和co2的混合氣，從而使得燃料電池系統(tǒng)的陽極材料能夠在燃料中長期穩(wěn)定運(yùn)行，且更有利于電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。重整器中的重整技術(shù)一般可分為蒸汽重整(sr)和部分氧化重整(cpox)等。在使用水蒸氣重整的燃料電池系統(tǒng)中，需要包含一個重整水供應(yīng)系統(tǒng)和水蒸氣發(fā)生器來提供燃料重整所需的水蒸氣，使得燃料電池系統(tǒng)的復(fù)雜性隨之上升。在使用氧化重整時，通常燃料與空氣進(jìn)行部分氧化反應(yīng)完成重整，部分氧化重整過程釋放出大量熱量，消耗了燃料中的能量，導(dǎo)致重整耗能過高。同時在與空氣進(jìn)行部分氧化反應(yīng)時，空氣中的氮?dú)鈺烊肴剂现邢♂屓剂?，?dǎo)致進(jìn)入燃料電池電堆內(nèi)燃料電極內(nèi)的燃料分壓低，降低電池的電極電勢，降低發(fā)電效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供燃料電池系統(tǒng)、燃料電池發(fā)電機(jī)組及其調(diào)控方法，以簡化燃料電池系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)既能降低電化學(xué)重整器的耗能，又能提高燃料電池系統(tǒng)的燃料利用率和發(fā)電效率的目的。

2、為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、燃料電池系統(tǒng)，其包括：

4、電化學(xué)重整器，包括重整空氣電極、重整燃料電極和設(shè)于所述重整空氣電極和所述重整燃料電極之間的重整電解質(zhì)，所述重整燃料電極設(shè)有電化學(xué)重整催化劑，所述電化學(xué)重整器能發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，且能對通入所述電化學(xué)重整器內(nèi)的燃料進(jìn)行重整；

5、一級燃料電池模組，包括至少一個一級電堆，所述一級電堆包括第一空氣電極、第一燃料電極和設(shè)于所述第一空氣電極和所述第一燃料電極之間的第一電解質(zhì)；

6、二級燃料電池模組，包括至少一個二級電堆，所述二級電堆包括第二空氣電極、第二燃料電極和設(shè)于所述第二空氣電極和所述第二燃料電極之間的第二電解質(zhì)；

7、燃料供應(yīng)單元和空氣供應(yīng)單元，所述燃料供應(yīng)單元為所述電化學(xué)重整器或所述電化學(xué)重整器、所述一級燃料電池模組和所述二級燃料電池模組提供燃料，所述空氣供應(yīng)單元為所述電化學(xué)重整器、所述一級燃料電池模組和所述二級燃料電池模組提供空氣。

8、作為燃料電池系統(tǒng)的一個可選方案，所述電化學(xué)重整催化劑為電子導(dǎo)體、氧離子導(dǎo)體和燃料重整催化劑的混合物，其中，所述電子導(dǎo)體的體積與所述電化學(xué)重整催化劑的體積的比值＞20％，所述氧離子導(dǎo)體的體積與所述電化學(xué)重整催化劑的體積的比值＞20％。

9、作為燃料電池系統(tǒng)的一個可選方案，所述第二燃料電極的材料為氧化物。

10、作為燃料電池系統(tǒng)的一個可選方案，所述氧化物為a組分或a組分和b組分的混合物；

11、其中，所述a組分包括稀土元素和過渡金屬元素?fù)诫s的氧化鈰，堿金屬元素、過渡金屬元素和稀土元素?fù)诫s的鈣鈦礦鈦酸鹽，堿金屬元素、過渡金屬元素和稀土元素?fù)诫s的鈣鈦礦鉻酸鹽，堿金屬元素、過渡金屬元素和稀土元素?fù)诫s的鈣鈦礦鐵酸鹽，堿金屬元素、過渡金屬元素和稀土元素?fù)诫s的鈣鈦礦錳酸鹽，堿金屬元素、過渡金屬元素和稀土元素?fù)诫s的鈣鈦礦鎳酸鹽，堿金屬元素、過渡金屬元素和稀土元素?fù)诫s的鈣鈦礦釩酸鹽中的一種或多種；

12、所述b組分包括摻雜的二氧化鋯、摻雜的氧化鈰和摻雜的鎵酸鑭中的一種或多種。

13、作為燃料電池系統(tǒng)的一個可選方案，所述一級燃料電池模組中包括一個或多個一級電堆組，每個所述一級電堆組包括至少一個所述一級電堆，多個所述一級電堆組串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)；

14、所述二級燃料電池模組中包括一個或多個二級電堆組，每個所述二級電堆組包括至少一個所述二級電堆，多個所述二級電堆組串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)。

15、作為燃料電池系統(tǒng)的一個可選方案，所述燃料電池系統(tǒng)包括一個燃燒器，所述燃燒器設(shè)置于所述二級燃料電池模組內(nèi)，所述重整空氣電極、所述第一空氣電極、所述第二空氣電極、所述第二燃料電極、所述燃料供應(yīng)單元和所述空氣供應(yīng)單元均與所述燃燒器連通。

16、作為燃料電池系統(tǒng)的一個可選方案，所述燃燒器燃燒產(chǎn)生的高溫尾氣通過換熱單元為所述燃料供應(yīng)單元提供的至少部分燃料和所述空氣供應(yīng)單元提供的至少部分空氣提供熱量。

17、作為燃料電池系統(tǒng)的一個可選方案，所述換熱單元包括第一換熱器和第二換熱器，所述第一換熱器能將所述高溫尾氣的熱量傳遞給所述空氣供應(yīng)單元提供的至少部分空氣；

18、所述第二換熱器能將所述高溫尾氣的熱量傳遞給所述燃料供應(yīng)單元提供的至少部分燃料。

19、作為燃料電池系統(tǒng)的一個可選方案，所述燃燒器燃燒后的高溫尾氣與余熱回收單元連通。

20、作為燃料電池系統(tǒng)的一個可選方案，所述燃料供應(yīng)單元提供高溫燃料和低溫燃料，所述高溫燃料與所述重整燃料電極的進(jìn)料口連通，所述低溫燃料流量可控地分配至所述重整燃料電極的進(jìn)料口、所述第一燃料電極的進(jìn)料口和所述第二燃料電極的進(jìn)料口；

21、所述空氣供應(yīng)單元提供高溫空氣和低溫空氣，所述高溫空氣和所述低溫空氣均流量可控地分配至所述重整空氣電極的進(jìn)氣口、所述第一空氣電極的進(jìn)氣口和所述第二空氣電極的進(jìn)氣口。

22、作為燃料電池系統(tǒng)的一個可選方案，所述空氣供應(yīng)單元還包括混合器組，所述混合器組被配置為對進(jìn)入所述重整空氣電極的進(jìn)氣口、所述第一空氣電極的進(jìn)氣口和/或所述第二空氣電極的所述進(jìn)氣口的高溫空氣和低溫空氣進(jìn)行混合。

23、作為燃料電池系統(tǒng)的一個可選方案，所述燃料電池系統(tǒng)包括第一燃燒器和第二燃燒器，所述第一燃燒器設(shè)置于所述一級燃料電池模組內(nèi)，所述一級電堆反應(yīng)后的高溫尾氣至少部分進(jìn)入所述第一燃燒器內(nèi)燃燒，所述第二燃燒器設(shè)置于所述二級燃料電池模組內(nèi)，所述二級電堆反應(yīng)后的高溫尾氣至少部分進(jìn)入所述第二燃燒器內(nèi)燃燒。

24、作為燃料電池系統(tǒng)的一個可選方案，所述一級燃料電池模組反應(yīng)后的高溫尾氣全部進(jìn)入所述第二燃燒器燃燒，所述二級燃料電池模組反應(yīng)后的高溫尾氣，一部分進(jìn)入所述第二燃燒器燃燒，另一部分進(jìn)入所述第一燃燒器燃燒。

25、作為燃料電池系統(tǒng)的一個可選方案，所述一級燃料電池模組反應(yīng)后的高溫尾氣一部分進(jìn)入所述第一燃燒器燃燒，另一部分進(jìn)入所述第二燃燒器燃燒；所述二級燃料電池模組反應(yīng)后的高溫尾氣全部進(jìn)入所述第二燃燒器燃燒。

26、燃料電池發(fā)電機(jī)組，其包括如以上任一方案所述的燃料電池系統(tǒng)。

27、燃料電池發(fā)電機(jī)組的調(diào)控方法，其應(yīng)用于如上所述的燃料電池發(fā)電機(jī)組，所述燃料電池發(fā)電機(jī)組的調(diào)控方法包括以下步驟：

28、所述燃料電池系統(tǒng)啟動時，所述空氣供應(yīng)單元提供高溫空氣，所述高溫空氣分別進(jìn)入所述重整空氣電極、所述第一空氣電極和所述第二空氣電極，根據(jù)所述重整空氣電極排出的重整空氣尾氣的溫度控制所述電化學(xué)重整器進(jìn)行重整反應(yīng)并產(chǎn)生電能；所述第一空氣電極排出的第一空氣尾氣的溫度高于所述一級電堆的啟動溫度時，啟動所述一級電堆，控制所述一級電堆的燃料利用率在60％～90％之間；所述第二空氣電極排出的第二空氣尾氣的溫度高于二級電堆的啟動溫度時，啟動所述二級電堆，控制所述二級電堆的燃料利用率在60％～99％之間；和/或，

29、所述燃料電池系統(tǒng)停止運(yùn)行時，先將所述一級電堆和所述二級電堆的電流降低至零，當(dāng)所述第一空氣電極排出的第一空氣尾氣的溫度低于第一設(shè)定溫度時，所述燃料供應(yīng)單元停止供應(yīng)燃料，再將所述電化學(xué)重整器的電流降低至零，所述第一設(shè)定溫度小于所述一級電堆的啟動溫度。

30、作為所述燃料電池發(fā)電機(jī)組的調(diào)控方法的一個可選方案，所述燃料電池系統(tǒng)啟動時，根據(jù)所述重整空氣電極排出的重整空氣尾氣的溫度控制所述電化學(xué)重整器進(jìn)行重整反應(yīng)并產(chǎn)生電能的步驟包括：

31、在所述重整空氣尾氣的溫度高于第二設(shè)定溫度時，所述燃料供應(yīng)單元向所述電化學(xué)重整器通入燃料，所述第二設(shè)定溫度小于所述第一設(shè)定溫度；

32、通過逐漸增加所述電化學(xué)重整器的電流，控制所述電化學(xué)重整器中的氧離子數(shù)量小于燃料與氧離子完全反應(yīng)生成的水和二氧化碳的計(jì)量比的0.5倍；

33、維持所述電化學(xué)重整器的電流和進(jìn)入所述電化學(xué)重整器中燃料的流量的比例；

34、當(dāng)所述第一空氣尾氣的溫度高于所述第一設(shè)定溫度時，控制進(jìn)入所述電化學(xué)重整器中的燃料中的氧元素和碳元素的比值和進(jìn)入所述一級電堆中的燃料中的氧元素和碳元素的比值均在0.2～3.5之間。

35、作為所述燃料電池發(fā)電機(jī)組的調(diào)控方法的一個可選方案，在所述重整空氣尾氣的溫度高于第二設(shè)定溫度時，所述燃料供應(yīng)單元向所述電化學(xué)重整器通入燃料的步驟包括：

36、在所述重整空氣尾氣的溫度高于所述第二設(shè)定溫度時，控制所述燃料供應(yīng)單元供應(yīng)的高溫燃料和低溫燃料混合均勻后溫度調(diào)控至＞200℃后通入所述電化學(xué)重整器中。

37、作為所述燃料電池發(fā)電機(jī)組的調(diào)控方法的一個可選方案，啟動所述一級電堆后，控制所述一級電堆的燃料利用率在60％～90％之間的方法包括：

38、在同時滿足進(jìn)入所述一級電堆的燃料溫度＜設(shè)定入料溫度，進(jìn)入所述電化學(xué)重整器中的燃料中的氧元素和碳元素的比值和進(jìn)入所述一級電堆中的燃料中的氧元素和碳元素的比值均在0.2～3.5之間的條件下，逐漸增加進(jìn)入所述一級電堆的燃料流量和所述一級電堆的電流。

39、作為所述燃料電池發(fā)電機(jī)組的調(diào)控方法的一個可選方案，啟動所述二級電堆后，控制所述二級電堆的燃料利用率在60％～99％之間的方法包括：

40、在同時滿足進(jìn)入所述二級電堆的燃料溫度＜設(shè)定入料溫度，進(jìn)入所述電化學(xué)重整器中的燃料中的氧元素和碳元素的比值和進(jìn)入所述一級電堆中的燃料中的氧元素和碳元素的比值均在0.2～3.5之間的條件下，逐漸增加進(jìn)入所述二級電堆的燃料流量和所述二級電堆的電流。

41、作為所述燃料電池發(fā)電機(jī)組的調(diào)控方法的一個可選方案，所述燃料電池系統(tǒng)停止運(yùn)行時，在將所述一級電堆和所述二級電堆的電流降低至零后，當(dāng)所述第一空氣尾氣的溫度低于第一設(shè)定溫度時，所述燃料供應(yīng)單元停止供應(yīng)燃料，將所述電化學(xué)重整器的電流降低至零的步驟包括：

42、在將所述一級電堆和所述二級電堆的電流降低至零后，通過調(diào)節(jié)所述電化學(xué)重整器的電流和進(jìn)入所述電化學(xué)重整器的燃料的流量，控制進(jìn)入所述電化學(xué)重整器中的燃料中的氧元素和碳元素的比值在1～5之間；

43、當(dāng)所述第一空氣尾氣的溫度低于所述第一設(shè)定溫度時，所述燃料供應(yīng)單元停止供應(yīng)燃料，將所述電化學(xué)重整器的電流降低至零。

44、作為所述燃料電池發(fā)電機(jī)組的調(diào)控方法的一個可選方案，所述燃料電池系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，通過控制進(jìn)入所述電化學(xué)重整器的燃料流量、進(jìn)入所述一級電堆的燃料的流量、進(jìn)入所述二級電堆的燃料的流量、所述一級電堆的電流、所述二級電堆的電流和所述二級電堆的燃料利用率增加或降低所述燃料電池系統(tǒng)的功率，確保所述一級電堆的燃料利用率在60％～90％之間，所述二級電堆的燃料利用率在60％～99％之間，且所述一級電堆的第一燃料電極的出料口的燃料的體積分?jǐn)?shù)＞20％，所述二級電堆的第二燃料電極的出料口的燃料的體積分?jǐn)?shù)＞1％，所述一級電堆和所述二級電堆的總?cè)剂侠寐剩?0％。

45、作為所述燃料電池發(fā)電機(jī)組的調(diào)控方法的一個可選方案，增加所述燃料電池系統(tǒng)的功率時，控制進(jìn)入所述電化學(xué)重整器的燃料流量、進(jìn)入所述一級電堆的燃料的流量、進(jìn)入所述二級電堆的燃料的流量、所述一級電堆的電流、所述二級電堆的電流和所述二級電堆的燃料利用率具體包括：

46、增加進(jìn)入所述電化學(xué)重整器的燃料流量、所述燃料供應(yīng)單元為所述一級電堆和所述二級電堆提供的燃料的流量，維持所述一級電堆的電流不變，增加所述二級電堆的電流；或，

47、維持進(jìn)入所述一級電堆的燃料的流量、所述燃料供應(yīng)單元為所述一級電堆和所述二級電堆提供的燃料的流量不變，維持所述一級電堆的電流，增加所述二級電堆的燃料利用率；或，

48、增加進(jìn)入所述電化學(xué)重整器的燃料流量、所述燃料供應(yīng)單元為所述一級電堆和所述二級電堆提供的燃料的流量，增加所述一級電堆和所述二級電堆的電流。

49、作為所述燃料電池發(fā)電機(jī)組的調(diào)控方法的一個可選方案，降低所述燃料電池系統(tǒng)的功率時，控制進(jìn)入所述電化學(xué)重整器的燃料流量、進(jìn)入所述一級電堆的燃料的流量、進(jìn)入所述二級電堆的燃料的流量、所述一級電堆的電流、所述二級電堆的電流和所述二級電堆的燃料利用率具體包括：

50、降低進(jìn)入所述電化學(xué)重整器的燃料流量、所述燃料供應(yīng)單元為所述一級電堆和所述二級電堆提供的燃料的流量，維持所述一級電堆的電流不變，降低所述二級電堆的電流；或，

51、維持進(jìn)入所述一級電堆的燃料的流量、所述燃料供應(yīng)單元為所述一級電堆和所述二級電堆提供的燃料的流量不變，維持所述一級電堆的電流，降低所述二級電堆的燃料利用率；或，

52、降低進(jìn)入所述電化學(xué)重整器的燃料流量、所述燃料供應(yīng)單元為所述一級電堆和所述二級電堆提供的燃料的流量，降低所述一級電堆和所述二級電堆的電流。

53、本發(fā)明的有益效果：

54、本發(fā)明提供的燃料電池系統(tǒng)，包括電化學(xué)重整器、一級燃料電池模組和二級燃料電池模組，電化學(xué)重整器包括重整空氣電極、重整燃料電極和設(shè)于重整空氣電極和重整燃料電極之間的重整電解質(zhì)，相當(dāng)于一個燃料電池電堆，通入燃料和空氣后能夠產(chǎn)生電能。通過在重整燃料電極設(shè)置電化學(xué)重整催化劑，又能夠?qū)M(jìn)入電化學(xué)重整器內(nèi)的燃料進(jìn)行重整，由于電化學(xué)重整器在重整的同時發(fā)電，重整過程中的部分能量變成了電能，釋放出的熱量減小。同時重整電解質(zhì)能夠阻止空氣中的氮?dú)饣烊肴剂现邢♂屓剂?，因此?jīng)過電化學(xué)重整器重整后的燃料進(jìn)入一級燃料電池模組和二級燃料電池模組后能夠提高燃料分壓和電極電勢。通過一級燃料電池模組和二級燃料電池模組分級消耗燃料，二級燃料電池模組能夠?qū)σ患壢剂想姵啬＝M產(chǎn)生的第一燃料尾氣進(jìn)行再利用，進(jìn)一步提高了燃料利用率，進(jìn)而提高燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電效率。該燃料電池系統(tǒng)，通過設(shè)置電化學(xué)重整器和兩級燃料電池模組，電化學(xué)重整器不僅能對進(jìn)入一級燃料電池模組中的燃料進(jìn)行重整，在重整時，能夠阻止空氣中的氮?dú)饣烊肴剂舷♂屓剂?，更有利于電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行；而且還能夠發(fā)電，降低重整反應(yīng)釋放的熱量，提高了燃料電池系統(tǒng)的電極電勢，提升了燃料利用率，進(jìn)而提升了燃料電池系統(tǒng)的效率。

55、本發(fā)明提供的燃料電池發(fā)電機(jī)組，包括上述的燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池系統(tǒng)更有利于電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，提高了燃料利用率，進(jìn)而提高了燃料電池發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率。

56、本發(fā)明提供的燃料電池發(fā)電機(jī)組的調(diào)控方法，應(yīng)用于上述的燃料電池發(fā)電機(jī)組，在燃料電池系統(tǒng)啟動時，根據(jù)重整空氣尾氣的溫度、第一空氣尾氣的溫度和第二空氣尾氣的溫度分別控制電化學(xué)重整器、一級電堆和二級電堆啟動，電化學(xué)重整器進(jìn)行重整反應(yīng)并產(chǎn)生電能，經(jīng)電化學(xué)重整器重整和進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)后的燃料進(jìn)入一級電堆，一級電堆和二級電堆反應(yīng)產(chǎn)生電能，并對一級電堆的燃料利用率和二級電堆的燃料利用率進(jìn)行有效控制，提高了燃料利用率，進(jìn)而提高了燃料電池發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率。在燃料電池系統(tǒng)停止運(yùn)行時，先將一級電堆和二級電堆的電流降至零，此時只剩電化學(xué)重整器進(jìn)行反應(yīng)產(chǎn)生電能，電化學(xué)重整器能將空氣中的氧離子傳導(dǎo)至燃料中，電化學(xué)重整器產(chǎn)生的重整燃料尾氣中的碳元素和氧元素的比值不會讓第一燃料電極和第二燃料電極表面產(chǎn)生積碳，當(dāng)?shù)谝豢諝馕矚鉁囟鹊陀诘谝辉O(shè)定溫度時，再停止燃料供應(yīng)，將電化學(xué)重整器的電流降低至零，以提升燃料電池系統(tǒng)的燃料利用率，進(jìn)而提高了燃料電池發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率。