本發(fā)明涉及新能源，尤其涉及一種多級(jí)燃料電池系統(tǒng)及控制方法。

背景技術(shù)：

1、系統(tǒng)燃料利用率的提升會(huì)帶來燃料電池發(fā)電效率的提高?？紤]到可靠性及性能衰減，電堆運(yùn)行時(shí)都會(huì)設(shè)定一個(gè)較為安全的電堆燃料利用率，一般在60％～80％之間，這就限制了系統(tǒng)整體的燃料利用率。所以在保證電堆燃料利用率的前提下盡可能的提高系統(tǒng)燃料利用率是提高發(fā)電效率的關(guān)鍵。

2、現(xiàn)有提高系統(tǒng)燃料利用率的有效方法包括兩種，一種是燃料的梯級(jí)利用：將電堆陽極側(cè)串聯(lián)，上級(jí)電堆陽極尾氣進(jìn)入下級(jí)電堆進(jìn)行再利用可以實(shí)現(xiàn)燃料的梯級(jí)利用。另一種是燃料的循環(huán)再利用，將電堆排出氣中未反應(yīng)的燃料通過引射器再循環(huán)回電堆，來實(shí)現(xiàn)燃料的再次利用。

3、中國專利文獻(xiàn)cn114649548a公開了一種多級(jí)燃料電池系統(tǒng)及其能量轉(zhuǎn)換方法，多級(jí)燃料電池系統(tǒng)包括頂部燃料電池、底部燃料電池、煙氣預(yù)熱器、中間再熱器、燃料預(yù)轉(zhuǎn)換器、燃料預(yù)熱器、中間冷卻器、冷卻器和co2捕集裝置；煙氣預(yù)熱器、頂部燃料電池陰極、中間再熱器、底部燃料電池陰極通過管道依次連接；所述煙氣預(yù)熱器分別通過管道與燃料預(yù)轉(zhuǎn)換器、底部燃料電池陰極連接；燃料預(yù)轉(zhuǎn)換器、頂部燃料電池陽極入口、頂部燃料電池陽極出口分別與所述燃料預(yù)熱器連接；燃料預(yù)熱器、中間冷卻器、中間再熱器、底部燃料電池陽極、冷卻器、co2捕集裝置通過管道依次連接。

4、但是上述多級(jí)燃料電池系統(tǒng)存在如下缺點(diǎn)：一級(jí)電堆、二級(jí)電堆的陽極尾氣分別需要冷卻和除水，這樣需要多個(gè)水泵將冷凝水進(jìn)行循環(huán)利用，如此不僅會(huì)增加系統(tǒng)寄生功耗也會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜程度。

5、因此，亟需一種多級(jí)燃料電池系統(tǒng)，以解決上述技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提出一種多級(jí)燃料電池系統(tǒng)，能夠避免增加系統(tǒng)寄生功耗，且無需額外供水。

2、為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、多級(jí)燃料電池系統(tǒng)，包括：

4、燃料源，至少包括一級(jí)燃料源和二級(jí)燃料源；

5、電堆，至少包括一級(jí)電堆和二級(jí)電堆，所述一級(jí)燃料源為所述一級(jí)電堆提供燃料，所述二級(jí)燃料源為所述二級(jí)電堆提供燃料；

6、電堆水蒸氣重整器，至少包括一級(jí)電堆水蒸氣重整器和二級(jí)電堆水蒸氣重整器，所述一級(jí)電堆水蒸氣重整器與所述一級(jí)燃料源連通用于向所述一級(jí)電堆提供燃料，所述二級(jí)電堆水蒸氣重整器分別與所述二級(jí)燃料源和所述二級(jí)電堆的陽極連通；

7、燃?xì)忸A(yù)熱器，所述燃?xì)忸A(yù)熱器的尾氣通道進(jìn)口與所述一級(jí)電堆的陽極出口連通，所述燃?xì)忸A(yù)熱器的燃料通道進(jìn)口與所述一級(jí)燃料源的出口連通，所述燃?xì)忸A(yù)熱器的尾氣通道出口與所述二級(jí)電堆水蒸氣重整器的燃料進(jìn)口連通，所述燃?xì)忸A(yù)熱器被配置為利用陽極尾氣為燃料預(yù)熱；

8、引射器，所述引射器的工作流入口與所述燃?xì)忸A(yù)熱器的燃料通道出口連通，所述引射器的引射流入口與所述燃?xì)忸A(yù)熱器的尾氣通道出口連通；所述引射器的出口與所述一級(jí)電堆水蒸氣重整器的燃料進(jìn)口連接。

9、作為上述多級(jí)燃料電池系統(tǒng)的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述燃?xì)忸A(yù)熱器與所述二級(jí)燃料源之間設(shè)置有燃?xì)饣旌掀?，所述燃?xì)忸A(yù)熱器的尾氣通道出口還與所述燃?xì)饣旌掀鞯奈矚膺M(jìn)口連通用于部分尾氣流入燃?xì)饣旌掀鳎鋈細(xì)饣旌掀鞯娜剂铣隹谶B接所述二級(jí)電堆水蒸氣重整器的燃料入口。

10、作為上述多級(jí)燃料電池系統(tǒng)的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述多級(jí)燃料電池系統(tǒng)還包括空氣預(yù)熱器，所述空氣預(yù)熱器為進(jìn)入一級(jí)電堆的陰極空氣加熱，所述一級(jí)電堆的陰極出口和所述二級(jí)電堆的陰極入口相連。

11、作為上述多級(jí)燃料電池系統(tǒng)的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述空氣預(yù)熱器的空氣通道出口與所述一級(jí)電堆水蒸氣重整器的空氣進(jìn)口連通，所述一級(jí)電堆水蒸氣重整器的空氣出口與所述一級(jí)電堆的陰極入口連通。

12、作為上述多級(jí)燃料電池系統(tǒng)的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述多級(jí)燃料電池系統(tǒng)還包括燃燒器，所述燃燒器分別與所述二級(jí)電堆的陽極出口以及所述二級(jí)電堆的陰極出口連通，所述燃燒器的出氣口與所述二級(jí)電堆水蒸氣重整器連通以為所述二級(jí)電堆水蒸氣重整器提供熱源。

13、作為上述多級(jí)燃料電池系統(tǒng)的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述二級(jí)電堆水蒸氣重整器的尾氣出口與所述空氣預(yù)熱器的尾氣進(jìn)口連通，所述空氣預(yù)熱器的尾氣出口連通大氣。

14、作為上述多級(jí)燃料電池系統(tǒng)的一種優(yōu)選技術(shù)方案，還包括空氣混合器，所述空氣混合器被配置為將所述一級(jí)電堆產(chǎn)生的陰極尾氣與空氣混合并輸入至所述二級(jí)電堆的陰極入口。

15、本發(fā)明還提供了一種多級(jí)燃料電池控制方法，應(yīng)用于上述任一方案所述的多級(jí)燃料電池系統(tǒng)，包括如下步驟：

16、獲得一級(jí)電堆的陽極尾氣流量、一級(jí)電堆尾氣的各物質(zhì)的摩爾組分m％和由一級(jí)燃料源進(jìn)入所述一級(jí)電堆的燃料流量，所述一級(jí)電堆尾氣的各物質(zhì)包括co、co2、h2o和h2；

17、根據(jù)陽極尾氣流量、摩爾組分m％和燃料流量計(jì)算獲得實(shí)際氧碳比；

18、比較實(shí)際氧碳比與預(yù)設(shè)最大氧碳比以及預(yù)設(shè)最小氧碳比的大小，并根據(jù)比較結(jié)果調(diào)節(jié)各級(jí)電堆的燃料流量。

19、作為上述多級(jí)燃料電池控制方法的一種優(yōu)選技術(shù)方案，根據(jù)比較結(jié)果調(diào)節(jié)各級(jí)電堆的燃料流量包括：

20、若實(shí)際氧碳比大于等于預(yù)設(shè)最小氧碳比且小于等于預(yù)設(shè)最大氧碳比，則一級(jí)電堆燃料流量和二級(jí)電堆燃料流量不變。

21、作為上述多級(jí)燃料電池控制方法的一種優(yōu)選技術(shù)方案，根據(jù)比較結(jié)果調(diào)節(jié)各級(jí)電堆的燃料流量包括：

22、若實(shí)際氧碳比小于預(yù)設(shè)最小氧碳比，則減少二級(jí)電堆燃料流量，增加一級(jí)電堆燃料流量；

23、若實(shí)際氧碳比大于預(yù)設(shè)最大氧碳比，則增加二級(jí)電堆燃料流量，減少一級(jí)電堆燃料流量。

24、本發(fā)明有益效果：

25、由于燃?xì)忸A(yù)熱器內(nèi)通入一級(jí)電堆的陽極尾氣和一級(jí)燃料源的燃料后，在燃?xì)忸A(yù)熱器內(nèi)陽極尾氣與燃料換熱以將燃料加熱，而后被加熱的燃料和降溫后的部分陽極尾氣分別進(jìn)入至引射器內(nèi)，在引射器的作用下進(jìn)入到一級(jí)電堆水蒸氣重整器內(nèi)發(fā)生反應(yīng)后進(jìn)入到一級(jí)電堆的陽極參與反應(yīng)。利用引射器對(duì)陽極尾氣進(jìn)行再循環(huán)，可避免使用循環(huán)泵等動(dòng)力結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的寄生功耗，保證陽極尾氣中剩余燃料再次利用的同時(shí)不會(huì)出現(xiàn)其他寄生功耗。燃?xì)忸A(yù)熱器流出的部分陽極尾氣與二級(jí)燃料源的燃料進(jìn)入至二級(jí)電堆水蒸氣重整器內(nèi)，燃料在二級(jí)電堆水蒸氣重整器內(nèi)發(fā)生反應(yīng)后進(jìn)入到二級(jí)電堆的陽極參與反應(yīng)。這樣陽極尾氣中的水蒸氣能夠直接參與各級(jí)電堆水蒸氣重整器的重整反應(yīng)，無需再額外供水。另外，燃?xì)忸A(yù)熱器可實(shí)現(xiàn)將一級(jí)電堆的陽極和二級(jí)電堆的陽極串聯(lián)的目的，如此可實(shí)現(xiàn)燃料的階梯利用。

26、燃?xì)忸A(yù)熱器利用一級(jí)燃料源為一級(jí)電堆的陽極尾氣進(jìn)行冷卻，這樣可使進(jìn)入引射器的陽極尾氣滿足引射器的引射要求，引射器將冷卻至中溫的一級(jí)電堆的陽極尾氣進(jìn)行引射，循環(huán)回一級(jí)電堆水蒸氣重整器內(nèi)，既能夠?yàn)樗羝卣磻?yīng)提供所需的水蒸氣又能實(shí)現(xiàn)燃料的再次利用。

27、本發(fā)明提供的方法，通過根據(jù)獲得氧碳比以調(diào)節(jié)一級(jí)電堆燃料流量和二級(jí)電堆燃料流量，這樣可避免碳氧比過低引起的積碳的情況發(fā)生，同時(shí)還可以避免碳氧比過高造成的燃料利用率低。