燃料电池系统及其操作方法技术方案

本发明专利技术公开了燃料电池系统，其包括阳极循环回路、流量计、电流测量装置、循环比测量装置以及处理器。阳极循环回路包括用于产生电力的燃料电池堆。流量计用于测量提供至阳极循环回路中的燃料的燃料流量。电流测量装置用于测量从燃料电池堆拉出的电流。循环比测量装置用于测量阳极循环回路中的循环比。处理器用于基于测量出的燃料流量、测量出的电流以及测量出的循环比来估算燃料电池堆的燃料利用率。还公开了用于控制该燃料电池系统的方法及另一种燃料电池系统。

【技术实现步骤摘要】
燃料电池系统及其操作方法
本专利技术大体涉及燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池系统及用于操作该燃料电池系统的方法。
技术介绍
燃料电池是一种电化学装置，其能够通过燃料，例如氢，与氧化剂，例如空气中含有的氧气，的电化学反应将来自燃料中的化学能转换为电能。由于燃料电池的环境优越性和高效率，燃料电池系统作为能源供应系统正被广泛开发。为了提高系统效率和燃料利用率，并且减少外部水源利用，燃料电池系统通常包括阳极循环回路。由于单个燃料电池仅仅只能产生1伏的电压，因此，多个燃料电池通常堆叠在一起(通常被称为燃料电池堆)以获得期望的电压。燃料利用率(FuelUtilization，UF)是燃料电池系统中的关键变量。燃料利用率表示在燃料电池的阳极处消耗的等效氢与可获得的净等效氢的比。混合气体的等效氢是指每一个组分的摩尔流量乘以其可以生成的氢的数量的总和。燃料利用率会影响燃料电池系统的效率。高的燃料利用率可以增强燃料电池系统的燃料效率，因此，高的燃料利用率可意味着燃料电池系统的高燃料利用率。然而，燃料利用率的增加也可能会增加燃料饥饿的风险，因为在燃料电池的阳极处没有足够的例如氢的燃料存在，这可能会由于阳极氧化而给燃料电池造成不可逆转的损害。因此，燃料利用率的严格控制对于预防燃料饥饿和提高系统效率起着至关重要的作用。然而，由于很难实时测量循环流量、甲烷(CH4)、一氧化碳(CO)、氢气(H2)、二氧化碳(CO2)和水蒸汽(H2O)，因此很难测量燃料电池堆的燃料利用率。尽管燃料电池系统的燃料利用率(其是由从燃料电池堆拉出的电流和提供至阳极循环回路的燃料流量来单独定义的)已经被用于燃料电池操作和控制，然而，由于燃料电池系统的燃料利用率和燃料电池堆的燃料利用率之间没有明确的关系，因此，对于燃料电池系统的燃料利用率的操作边界通常通过反复试验来确定。因此，需要一种系统来通过使用容易测量的变量来实时获得燃料电池堆的燃料利用率。还需要一种系统来实时预测并更新对于燃料电池系统的燃料利用率的操作边界。此外，还需要对燃料电池系统进行操作和控制来同时防止燃料饥饿和碳沉积。
技术实现思路
本专利技术的一个方面在于提供一种燃料电池系统。所述燃料电池系统包括阳极循环回路、流量计、电流测量装置、循环比测量装置以及处理器。所述阳极循环回路包括用于产生电力的燃料电池堆。所述流量计用于测量提供至所述阳极循环回路中的燃料的燃料流量。所述电流测量装置用于测量从所述燃料电池堆拉出的电流。所述循环比测量装置用于测量所述阳极循环回路中的循环比。所述处理器用于基于所述测量出的燃料流量、所述测量出的电流以及所述测量出的循环比来估算所述燃料电池堆的燃料利用率。本专利技术的另一个方面在于提供一种用于操作燃料电池系统的方法。所述燃料电池系统包括具有用于产生电力的燃料电池堆的阳极循环回路，所述方法包括将燃料供应至所述阳极循环回路中；将氧气供应至所述燃料电池堆的阴极；测量提供至所述阳极循环回路中的所述燃料的燃料流量；测量从所述燃料电池堆拉出的电流；测量所述阳极循环回路中的循环比；以及基于所述测量出的燃料流量、所述测量出的电流以及所述测量出的循环比来估算所述燃料电池堆的燃料利用率。本专利技术的又一个方面在于提供一种燃料电池系统。所述燃料电池系统包括阳极循环回路、循环比测量装置及处理器。所述阳极循环回路包括用于产生电力的燃料电池堆，其中，燃料被提供至所述阳极循环回路中。所述循环比测量装置用于测量所述阳极循环回路中的循环比。所述处理器包括燃料利用率模型，所述燃料利用率模型定义在所述燃料电池堆的燃料利用率、所述系统的燃料利用率以及所述阳极循环回路中的循环比之间的映射关系。所述处理器用于根据所述测量出的循环比和给定的燃料电池堆的燃料利用率上限从所述燃料利用率模型中来预测所述系统的燃料利用率上限。附图说明当参照附图阅读以下详细描述时，本专利技术的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解，在附图中，相同的元件标号在全部附图中用于表示相同的部件，其中：图1是带有阳极循环回路的示意性燃料电池系统的示意性框图；图2是根据本专利技术的一个具体实施方式的燃料电池系统的示意性框图；图3是根据本专利技术的一个具体实施方式的用于操作燃料电池系统的示意性方法的流程图；图4是根据本专利技术的另一个具体实施方式的处理器的示意图；图5是根据本专利技术的另一个具体实施方式的燃料电池系统的示意性框图；及图6是根据本专利技术的另一个具体实施方式的用于操作燃料电池系统的示意性方法的流程图。具体实施方式为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本专利技术所要求保护的主题，下面结合附图详细描述本专利技术的具体实施方式。在以下对这些具体实施方式的详细描述中，本说明书对一些公知的功能或构造不做详细描述以避免不必要的细节而影响到本专利技术的披露。除非另作定义，本权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本专利技术所属
内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。带有阳极循环回路的燃料电池系统图1示出示意性燃料电池系统100的示意性框图。如图1所示，示意性燃料电池系统100包括阳极循环回路11。阳极循环回路11包括用于产生电力的燃料电池堆12。燃料电池堆12可以包括堆叠在一起的多个燃料电池。燃料电池堆12可以适用于例如固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCell，SOFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MoltenCarbonateFuelCell，MCFC)等高温燃料电池，也可以适用于例如质子交换膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DirectMethanolFuelCell，DMFC)等低温燃料电池。燃料电池堆12包括阳极121、阴极122及电解质123。燃料电池堆12的阳极121具有阳极入口1211和阳极出口1212。阳极121可以支持产生电力的电化学反应。合成气可以与通过电解质123的扩散从阴极122接收到的氧离子在阳极121处被氧化。反应能够在阳极121处产生热、水蒸汽和以自由电子形式的电力，该电力能够用于将功率提供至能源消耗装置18。氧离子可以通过阴极氧化剂的氧还原来产生，电子可能从能源消耗装置18返回至阴极122。能源消耗装置18适于从燃料电池系统100拉出电流，或者将电负载应用到燃料电池系统100。能源消耗装置18可以包括，但不限于，工具、灯光或照明组件、电器(如家庭或其他电器)、家庭或其他住宅、办公室或其他商业机构、计算机、信号或通信设备等。阴极122可以被连接到阴极氧化剂源，例如空气中的氧气。阴极氧化剂被定义为供应至阴极122供燃料电池系统100在产生电力时应用的氧化剂。阴极122可以渗透到从阴极氧化剂接收到的氧离子。电解质123能够与阳极121和阴极122相连通。电解质12本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池系统，其包括：阳极循环回路，其包括用于产生电力的燃料电池堆；流量计，其用于测量提供至所述阳极循环回路中的燃料的燃料流量；电流测量装置，其用于测量从所述燃料电池堆拉出的电流；循环比测量装置，其用于测量所述阳极循环回路中的循环比；及处理器，其用于基于所述测量出的燃料流量、所述测量出的电流以及所述测量出的循环比来估算所述燃料电池堆的燃料利用率。

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池系统，其包括：阳极循环回路，其包括用于产生电力的燃料电池堆；流量计，其用于测量提供至所述阳极循环回路中的燃料的燃料流量；电流测量装置，其用于测量从所述燃料电池堆拉出的电流；循环比测量装置，其用于测量所述阳极循环回路中的循环比；及处理器，其用于基于所述测量出的燃料流量、所述测量出的电流以及所述测量出的循环比来估算所述燃料电池堆的燃料利用率。2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述燃料电池堆包括阳极和阴极，所述阳极具有阳极入口和阳极出口，所述燃料电池堆用于结合供应至所述阴极的氧气产生电力，所述阳极循环回路还包括：燃料重整器，其用于接收所述燃料及来自所述燃料电池堆的所述阳极出口的尾气，并且在重整器出口处产生重整气，其中在所述重整器出口处的所述重整气被分成再循环的重整气和外排的重整气，所述再循环的重整气被返回到所述阳极入口，所述阳极循环回路中的循环比被定义为所述再循环的重整气与所述重整气的流量比。3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述处理器包括燃料利用率模型，所述燃料利用率模型定义在所述燃料电池堆的燃料利用率、所述系统的燃料利用率以及所述阳极循环回路中的循环比之间的映射关系，所述处理器用于基于所述测量出的燃料流量、所述测量出的电流及所述燃料电池堆的燃料电池的数量来计算所述系统的燃料利用率，并且，根据所述计算出的系统的燃料利用率和所述测量出的循环比从所述燃料利用率模型中确定所述燃料电池堆的燃料利用率。4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其还包括：控制器，其用于基于所述估算出的燃料电池堆的燃料利用率来对所述系统进行控制以防止燃料饥饿。5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其还包括燃料流量调节器，其中，当所述估算出的燃料电池堆的燃料利用率接近所述燃料电池堆的燃料利用率上限时，所述控制器对所述燃料流量调节器进行控制来增加提供至所述阳极循环回路中的所述燃料流量，并且，当所述估算出的燃料电池堆的燃料利用率接近所述燃料电池堆的燃料利用率下限时，所述控制器对所述燃料流量调节器进行控制来减小提供至所述阳极循环回路中的所述燃料流量。6.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其还包括功率调节装置，其中，当所述估算出的燃料电池堆的燃料利用率接近所述燃料电池堆的燃料利用率上限时，所述控制器对所述功率调节装置进行控制来减小从所述燃料电池堆拉出的电流，并且，当所述估算出的燃料电池堆的燃料利用率接近所述燃料电池堆的燃料利用率下限时，所述控制器对所述功率调节装置进行控制来增加从所述燃料电池堆拉出的电流。7.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其还包括循环比调节装置，其中，当所述估算出的燃料电池堆的燃料利用率接近所述燃料电池堆的燃料利用率上限时，所述控制器对所述循环比调节装置进行控制来增加所述阳极循环回路中的所述循环比，并且，当所述估算出的燃料电池堆的燃料利用率接近所述燃料电池堆的燃料利用率下限时，所述控制器对所述循环比调节装置进行控制来减小所述阳极循环回路中的所述循环比。8.一种用于操作燃料电池系统的方法，其中，所述燃料电池系统包括具有用于产生电力的燃料电池堆的阳极循环回路，所述方法包括：将燃料供应至所述阳极循环回路中；将氧气供应至所述燃料电池堆的阴极；测量提供至所述阳极循环回路中的所述燃料的燃料流量；测量从所述燃料电池堆拉出的电流；测量所述阳极循环回路中的循环比；以及基于所述测量出的燃料流量、所述测量出的电流以及所述测量出的循环比来估算所述燃料电池堆的燃料利用率。9.根据权利要求8所述的方法，其还包括：预先建立燃料利用率模型，其中，所述燃料利用率模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宏刚，孔祥东，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国,US