燃料电池系统及启动控制方法与流程

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池系统及启动控制方法。

背景技术：

固体氧化物燃料电池(solidoxidefuelcell，简称“sofc”)和熔融碳酸盐燃料电池(moltencarbonatefuelcell，简称“mcfc”)等高温燃料电池的工作温度可高达600至1000℃左右。高温有利于提高电化学反应速率，从而提高高温燃料电池的电转化效率。作为目前公认发电效率最高的燃料电池，sofc的理论电效率可达到60％以上，其热电联供系统的理论热电效率可高达85％以上。此外，高温燃料电池还具有噪音小、绿色环保、可不间断供电等优势，因此其未来可被应用在商业社区、数据中心、固定电站等场景。

燃料电池单堆可以通过多种堆叠方式形成电堆塔结构，燃料电池系统的热区内分布有至少一个电堆塔，在高温燃料电池进入正常运行阶段前，需要对热区进行预热，使得电堆塔及燃料电池单堆的温度逐渐升高，从而保证燃料电池催化剂可以表现最佳催化活性，提高燃料电池发电效率。电堆塔的升温过程就是燃料电池系统的启动过程。稳定可靠的启动过程是燃料电池系统正常运行的必要条件。对于大型高温燃料电池系统，由于系统热惰性大，启动过程较为缓慢，持续时间可达40-50h左右。

现有的大型高温燃料电池系统所采用的燃料电池启动系统可包括启动燃烧器和阴极换热器，启动燃烧器通过燃烧燃气和空气的混合气体产生高温烟气，阴极换热器采用高温烟气对通过阴极入口进入热区的空气进行加热并将换热后的高温烟气作为尾气排出。加热后的空气流经热区对电堆塔进行预热并从热区的阴极出口流出进入燃烧器再次助燃。

然而，当启动燃烧器出现故障时，现有的燃料电池启动系统将无法启动高温燃料电池系统，为了启动高温燃料电池系统就不得不拆卸维修启动燃烧器，费时耗力，不利于高温燃料电池系统的顺利启动。

技术实现要素：

针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种燃料电池系统及启动控制方法，在启动燃烧器发生故障时，燃料电池系统能够自动切换电加热器及时启动高温燃料电池系统，避免检修启动燃烧器所造成的延误。

第一方面，本发明提供了一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括启动燃烧器、阴极换热器、阴极入口管道和第一空气管道，该燃料电池系统还包括电加热器，其与所述阴极换热器并联在所述第一空气管道和所述阴极入口管道之间。利用该燃料电池系统，在启动燃烧器发生故障时，燃料电池系统能够采用电加热器及时启动高温燃料电池系统，避免检修启动燃烧器所造成的延误。

在第一方面的一个实施方式中，所述第一空气管道上安装有第一空气阀门；所述阴极换热器通过阴极换热器进气管道与所述第一空气管道连通；所述电加热器通过电加热器进气管道与所述第一空气管道连通。通过该实施方式，有利于在启动燃烧器故障时，实现阴极换热器的换热加热与电加热器的电加热间的快速切换。

在第一方面的一个实施方式中，燃料电池系统还包括：燃烧器燃气进气管道，其与所述启动燃烧器连接以用于为所述启动燃烧器提供燃气；燃烧器空气进气管道，其与所述启动燃烧器连接以用于为所述启动燃烧器提供空气；烟气管道，其连接所述启动燃烧器和所述阴极换热器以用于将加热后的烟气输送给所述阴极换热器；尾气管道，其与所述阴极换热器连通以用于排气。通过该实施方式，在启动燃烧器正常工作时，有利于保证燃料电池系统的顺利启动。

在第一方面的一个实施方式中，燃料电池系统还包括第二空气管道，其连接在所述燃烧器空气进气管道与所述烟气管道之间以用于为所述烟气降温。通过该实施方式，能够使进入阴极换热器的烟气温度保持在预设阈值以下，有利于保护设备，也有利于热区的平稳升温。

在第一方面的一个实施方式中，燃料电池系统还包括阴极出口管道，所述阴极出口管道连通阴极出口和所述启动燃烧器。通过该实施方式，有利于利用进入阴极出口管道的空气的余热，从而有利于节省能源消耗。

在第一方面的一个实施方式中，燃料电池系统还包括，阳极换热器、阳极换热器燃气进气管道和阳极换热器保护气进气管道；所述阳极换热器燃气进气管道上安装有第二燃气阀门；所述阳极换热器保护气进气管道上安装有保护气阀门。通过该实施方式，有利于确保燃料电池系统在启动过程中各个燃料电池不被氧化。

第二方面，本发明还提供了一种上述燃料电池系统的启动控制方法，所述启动控制方法包括：对所述启动燃烧器进行点火检测；若所述启动燃烧器点火检测失败，则所述电加热器启动以将来自于所述第一空气管道的空气进行加热，以通入所述阴极入口管道。

在第二方面的一个实施方式中，在点火检测前，开启所述第一空气管道上的第一空气阀门和阴极换热器进气管道上的第二空气阀门。

在第二方面的一个实施方式中，所述启动燃烧器点火检测失败后，减小阴极换热器进气管道上的第二空气阀门的开度，开启电加热器进气管道上的第三空气阀门，所述电加热器工作。

在第二方面的一个实施方式中，开启燃烧器燃气进气管道上的第一燃气阀门和燃烧器空气进气管道上的第四空气阀门，从而为所述启动燃烧器供气，所述启动燃烧器进行点火检测，所述点火检测成功后，所述启动燃烧器工作并通过烟气管道向阴极换热器提供加热烟气，从而加热来自第二空气阀门的空气，加热完成后，所述加热烟气通过尾气通道排出。

在第二方面的一个实施方式中，当所述烟气的温度高于预设阈值时，开启第二空气管道上的第五空气阀门。

在第二方面的一个实施方式中，从阴极入口管道流入热区的空气流经所述热区后，通过阴极出口管道流出，进入启动燃烧器。

在第二方面的一个实施方式中，关闭阳极换热器燃气进气管道上的第二燃气阀门，开启阳极换热器保护气进气管道上的保护气阀门。

在第二方面的一个实施方式中，启动过程结束后，所述燃料电池系统进入过渡态，在所述过渡态时，所述第二燃气阀门逐渐开启，所述保护气阀门逐渐关闭；第四空气阀门逐渐关闭，第一燃气阀门逐渐关闭，第一空气阀门的开度逐渐增大；在所述过渡态结束后，所述第四空气阀门关闭，所述第一燃气阀门关闭，所述保护气阀门关闭。通过该实施方式，有利于燃料电池系统平稳地从启动状态过渡至正常运转状态。

在第二方面的一个实施方式中，所述启动燃烧器点火检测失败为三次点火失败；或者，所述启动燃烧器点火检测失败为所述启动燃烧器温度大于安全使用温度。

本申请提供的燃料电池系统及启动控制方法，相较于现有技术，具有如下的有益效果：

1、在启动燃烧器发生故障时，燃料电池系统能够采用电加热器及时启动高温燃料电池系统，避免检修启动燃烧器所造成的延误。

2、第二空气管道的设置，能够使进入阴极换热器的烟气温度保持在预设阈值以下，有利于保护设备，也有利于热区的平稳升温。

3、阴极出口管道连通热区的阴极出口和启动燃烧器，有利于利用进入阴极出口管道的空气的余热，从而有利于节省能源消耗。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述，其中：

图1显示了根据本发明一实施方式的燃料电池系统的结构示意图；

图2显示了根据本发明一实施方式的燃料电池系统启动过程的流程图。

附图标记：

100-热区；101-阴极入口；102-阴极出口；103-阳极入口；104-阳极出口；200-启动燃烧器；300-阴极换热器；400-电加热器；500-阳极换热器；600-电堆塔；701-第一空气管道；702-阴极换热器进气管道；703-阴极换热器出气管道；704-电加热器进气管道；705-电加热器出气管道；706-阴极入口管道；707-阴极出口管道；708-燃烧器燃气进气管道；709-燃烧器空气进气管道；710-第二空气管道；711-烟气管道；712-尾气管道；713-阳极换热器燃气进气管道；714-阳极换热器保护气进气管道；801-第一空气阀门；802-第二空气阀门；803-第三空气阀门；804-第四空气阀门；805-第五空气阀门；806-第一燃气阀门；807-第二燃气阀门；808-保护气阀门。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本实施方式提供了一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括启动燃烧器200、阴极换热器300、阴极入口管道706和第一空气管道701，还包括电加热器400；电加热器400与阴极换热器300并联在第一空气管道701和阴极入口管道706之间。图1中的箭头方向表示气体的流动方向。

热区100内设置有由燃料电池堆叠形成的电堆塔600。热区100设置有阳极入口103、阳极出口104、阴极入口101以及阴极出口102。在高温燃料电池进入正常运转阶段前，需要对热区100进行预热，使得电堆塔600的温度逐渐升高至指定温度，从而保证燃料电池催化剂可以表现最佳催化活性，提高燃料电池发电效率。

在燃料电池系统启动过程中，从阴极入口101进入且从阴极出口102流出的热空气与热区100内的电堆塔600进行换热，从而达到对热区100进行预热的目的。第一空气管道701用于向热区100提供换热所用的空气，第一空气管道701内的空气为常温气体。

在启动燃烧器200正常工作的工况下，启动燃烧器200通过燃烧产生热烟气。热烟气通过阴极换热器300与来自第一空气管道701内的常温空气换热，从而加热来自第一空气管道701内的空气。加热后的空气通过阴极入口管道706、热区100的阴极入口101进入热区100，从而为电堆塔600预热。

在现有技术中，如果启动燃烧器200发生故障，现有的燃料电池系统将无法启动高温燃料电池系统，为了启动高温燃料电池系统就不得不拆卸维修启动燃烧器200，费时耗力，不利于高温燃料电池系统的顺利启动。

因此，本实施方式为燃料电池系统配备了电加热器400，电加热器400与阴极换热器300并联在第一空气管道701和阴极入口管道706之间。在启动燃烧器200发生故障的工况下，可以直接使用电加热器400为来自第一空气管道701内的空气进行加热，加热后的空气依然能够通过阴极入口管道706、热区100的阴极入口101进入热区100，从而为电堆塔600预热。

另外，由于电加热器400与阴极换热器300并联，本实施方式中的电加热器400的进气口与第一空气通道701连通，因此电加热器400的入口温度为常温，有利于保护电加热器400的进气管道。而当电加热器400与阴极换热器300串联时，电加热400的入口与阴极换热器300的出口连通，因此电加热器的进气管道长期处于高温状态，不利于提高电加热器400的进气管道的使用寿命，且电加热器400进气管道的材质需具备较高的耐热性能，不利于节约成本。

同样地，由于电加热器400与阴极换热器300并联，在启动燃烧器200正常工作时，热空气不经过电加热器，避免了电加热器长期处于高温状态，有利于提高电加热器400的使用寿命。而当电加热器400与阴极换热器300串联时，不论启动燃烧器200是否工作，热空气均需通过电加热器400，造成电加热器400长期处于高温状态。

在启动燃烧器200发生故障时，燃料电池系统能够自动切换电加热器400及时加热来自第一空气管道701内的空气，从而顺利启动高温燃料电池系统，可以避免检修发生故障的启动燃烧器200所造成的延误，有利于燃料电池系统的平稳启动。

如图2所示，本实施方式还提供了一种上述燃料电池系统的启动控制方法，启动控制方法包括：对启动燃烧器200进行点火检测，若启动燃烧器200点火检测失败，则电加热器400启动以将来自于第一空气管道701的空气进行加热，以通入阴极入口管道706。

如图2所示，启动燃烧器200第一次点火检测失败后，还会再进行第二次和第三次的点火检测，如果第三次还未成功点火，便可确认点火检测失败。

此外，当启动燃烧器200的温度或其局部温度过高超过安全使用温度时，也应确认点火检测失败。这是由于启动燃烧器200的温度或其局部温度过高多由意外状态引发，如果继续使用处于高温状态的启动燃烧器200可能会引发安全事故。

启动燃烧器200点火检测失败，即启动燃烧器200发生故障，则其不能向阴极换热器300提供用于加热空气的热烟气。因此，该启动控制方法使用电加热器400直接为来自于第一空气管道701的空气进行加热，以通入阴极入口管道706，从而顺利启动燃料电池系统，该启动控制方法可以避免检修发生故障的启动燃烧器200所造成的延误，有利于燃料电池系统的平稳启动。

如图1所示，可选地，本实施方式的第一空气管道701上安装有第一空气阀门801；阴极换热器300通过阴极换热器进气管道702与第一空气管道701连通，阴极换热器进气管道702上安装有第二空气阀门802；电加热器400通过电加热器进气管道704与第一空气管道701连通，电加热器进气管道704上安装有第三空气阀门803。

第一空气阀门801用于控制从阴极进入热区100的空气量。第二空气阀门802位于第一空气阀门801下游的阴极换热器进气管道702上，用于控制从第一空气管道701进入阴极换热器进气管道702的空气量。在燃料电池系统启动过程中，进入阴极换热器进气管道702的空气会依次流经阴极换热器300、阴极换热器出气管道703以及阴极入口管道706进入热区100。

第三空气阀门803位于第一空气阀门801下游的电加热器进气管道704上，用于控制从第一空气管道701进入电加热器进气管道704的空气量。在燃料电池系统启动过程中，进入电加热器进气管道704的空气会依次流经电加热器400、电加热器出气管道705以及阴极入口管道706进入热区100。

通过调整第一空气阀门801的开度，可以调整从阴极进入热区100的空气量。通过调整第二空气阀门802和第三空气阀门803的开度，可以改变来自第一空气管道701内的常温空气在阴极换热器进气管道702和电加热器进气管道704中的流量分配，从而实现阴极换热器300的换热加热与电加热器400的电加热间的切换。

如图2所示，可选地，在本实施方式中启动燃烧器200点火检测失败后，减小第二空气阀门802的开度，开启第三空气阀门803，电加热器400工作。

减小第二空气阀门802的开度，开启第三空气阀门803，从而使得大量来自第一空气管道701内的常温空气进入电加热器进气管道704由电加热器400进行加热，加热后的空气通过阴极入口管道706、热区100的阴极入口101进入热区100，从而为电堆塔600预热。同时，为了防止阴极换热器300的壁温过高，第二空气阀门802需保持开启状态，从而保证始终有少量空气流经阴极换热器进气管道702和阴极换热器出气管道703。

另外，第二空气阀门802保持开启状态，也有利于减少电加热器400的工作负荷，这是通过利用进入阴极出口管道707的空气的余热。具体地，经过热区100的空气从阴极出口管道707流出，经烟气管道711进入阴极换热器300。从而阴极换热器300可以利用流经热区100的空气的余热加热从第一空气管道701流入阴极换热器300的空气。相比于只使用电加热器400加热从第一空气管道701流入的空气，可以减少电加热器400的工作负荷，从而有利于减小电加热器400的体积，继而使系统更加紧凑。

本实施方式的启动控制方法有利于在启动燃烧器200故障时，即阴极换热器300无法正常工作时，通过调整第二空气阀门802和第三空气阀门803的开度，实现电加热器400加热来自第一空气管道701内的常温空气，有利于避免检修发生故障的启动燃烧器200所造成的延误，有利于燃料电池系统的平稳启动。

如图1所示，可选地，本实施方式的燃料电池系统还包括：燃烧器燃气进气管道708，其与启动燃烧器200连接以用于为启动燃烧器200提供燃气；燃烧器空气进气管道709，其与启动燃烧器200连接以用于为启动燃烧器200提供空气；烟气管道711，其连接启动燃烧器200和阴极换热器300以用于输送加热后的烟气；尾气管道712，其与阴极换热器300连通以用于排气；燃烧器燃气进气管道708上安装有第一燃气阀门806；燃烧器空气进气管道709上安装有第四空气阀门804。在启动燃烧器200点火检测成功后，上述构造有利于保证燃料电池系统的正常启动。

第一燃气阀门806用于控制进入启动燃烧器200进行燃烧的燃气量，第四空气阀门804用于控制进入启动燃烧器200进行燃烧的空气量，通过调节第一燃气阀门806和第四空气阀门804的开度，可以调节启动燃烧器200所产生烟气的量和温度。

如图2所示，开启第一燃气阀门806和第四空气阀门804，从而为启动燃烧器200供气，启动燃烧器200进行点火检测，点火检测成功后，启动燃烧器200工作并通过烟气管道711向阴极换热器300提供加热烟气，从而加热来自第二空气阀门802的空气，加热完成后，加热用烟气通过尾气通道排出。

燃气可以是，但不限于为，甲烷、沼气或合成气。

如图1所示，可选地，本实施方式的燃料电池系统还包括第二空气管道710，其连接在燃烧器空气进气管道709与烟气管道711之间以用于为烟气降温；第二空气管道710上安装有第五空气阀门805。

如图2所示，可选地，在本实施方式中当烟气的温度高于预设阈值时，第五空气阀门805打开。

第五空气阀门805打开后，第二空气管道710导通，部分来自于燃烧器空气进气管道709的空气可不经过启动燃烧器200直接进入烟气管道711，由于该部分空气为常温空气，通过该部分空气与烟气在烟气管道711内混合，可以有效降低烟气的温度，将烟气的温度控制在预设阈值以下，从而有利于保护设备，也有利于热区100的平稳升温。

可选地，可以在烟气管道711上设置温度传感器，其可用于测量烟气温度并判断烟气的温度是否高于预设阈值。

如图1所示，可选地，本实施方式的燃料电池系统还包括阴极出口管道707，阴极出口管道707连通热区100的阴极出口102和启动燃烧器200。

因此，从阴极入口管道706流入热区100的空气在流经热区100后，能够通过阴极出口管道707流出，进入启动燃烧器200，从而使得来自于第一空气管道701通过阴极入口101进入热区100的加热后的空气可以为启动燃烧器200助燃，有利于提高热空气的利用率，从而有利于节省能源消耗。

另外，从阴极出口管道707流出进入启动燃烧器的空气不仅限于可以为启动燃烧器200助燃，其还可以具有其它作用，例如为启动燃烧器200的高温烟气降温。

如图1所示，可选地，本实施方式的燃料电池系统还包括，阳极换热器500、阳极换热器燃气进气管道713和阳极换热器保护气进气管道714；阳极换热器燃气进气管道713上安装有第二燃气阀门807；阳极换热器保护气进气管道714上安装有保护气阀门808。

在启动过程中，第二燃气阀门807保持关闭，保护气阀门808保持开启，即只有保护气流经燃料电池系统的阳极，从而确保燃料电池系统在启动过程中各个燃料电池不工作且不被氧化。

可选地，在本实施方式中启动过程结束后，燃料电池系统进入过渡态，在过渡态时，第二燃气阀门807逐渐开启，保护气阀门808逐渐关闭，第四空气阀门804逐渐关闭，第一燃气阀门806逐渐关闭，第一空气阀门801的开度逐渐增大；在过渡态结束后，第四空气阀门804关闭，第一燃气阀门806关闭，保护气阀门808关闭。

在过渡态时，第二燃气阀门807逐渐开启，保护气阀门808逐渐关闭，燃料电池逐渐开始工作。第四空气阀门804逐渐关闭，第一燃气阀门806逐渐关闭，启动燃烧器200逐渐关闭。电堆塔600开始工作并产生热量，第一空气阀门801的开度逐渐增大，来自于第一空气阀门801的空气逐渐从热区100的加热气体转化为热区100的冷却气体，继续起到调节热区100和电堆塔600温度的作用，有利于燃料电池的平稳运行。

在过渡态结束后，第四空气阀门804关闭，第一燃气阀门806关闭，保护气阀门808关闭。此时，启动燃烧器200不再工作，燃料电池开始正常运转。

保护气可以是，但不限于为，氮气或氮气和氢气的混合气体。

通过该实施方式，有利于燃料电池系统平稳地从启动状态过渡至正常运转状态。

图2为燃料电池系统启动过程的流程图。

首先，打开保护气阀门808、第一空气阀门801、第二空气阀门802，使得保护气进入燃料电池的阳极，空气进入燃料电池的阴极。

接着，打开第四空气阀门804、第一燃气阀门806，使得空气、燃气进入启动燃烧器200。接着进行启动燃烧器200的点火检测，点火检测成功后，启动燃烧器200通过燃烧燃气和空气产生热烟气。

烟气管道711内热烟气的温度低于预设阈值时，烟气顺利进入阴极换热器300对来自第一空气管道701内的空气进行加热，加热完成后，烟气从尾气管道712排出。

烟气管道711内热烟气的温度高于预设阈值时，打开第五空气阀门805，从而第二空气管道710导通，部分来自于燃烧器空气进气管道709的空气可不经过启动燃烧器200直接进入烟气管道711，由于该部分空气为常温空气，通过该部分空气与烟气在烟气管道711内混合，可以有效降低烟气的温度，将烟气的温度控制在预设阈值以下。降温后的烟气顺利进入阴极换热器300对来自第一空气管道701内的空气进行加热，加热完成后，烟气从尾气管道712排出。

来自第一空气管道701内的空气被热烟气加热后进入热区100。

如若第一次点火检测失败，再次进行点火检测，重复两到三次点火检测。确认点火检测失败后，开启第三空气阀门803从而启动电加热器400，并关小第二空气阀门802。电加热器400对对来自第一空气管道701内的空气进行加热，加热完成后，进入热区100。

进入热区100的空气带动热区100内的燃料电池升温，流经热区100后，能够通过阴极出口管道707流出，并进入启动燃烧器200。

为了验证上述燃料电池系统及启动控制方法的可行性，对该燃料电池系统及启动控制方法进行了模拟。该模拟使用aspen软件，模拟30kw的sofc燃料电池系统的启动过程。表1为30kw的sofc系统设计参数。

表1：30kwsofc系统设计参数。

其中，燃料电池及启动燃烧器所用的燃气均为组分一致的合成气；在燃料电池系统启动过程中，当检测到阴极入口101温度达到760℃时即代表启动完成，进入过渡态；在各个工况下，阴极入口101和阴极出口102的温差都不能超过100℃。

模拟中，当启动燃烧器200发生故障时，启动电加热器400工作，电加热器400为来自于第一空气管道701的空气加热，使得燃料电池系统顺利启动，表2显示了在启动过程结束时及燃料电池系统正常运转时各个管道的温度和流量。

表2：在启动过程结束时及燃料电池系统正常运转时各个管道的温度和流量。

其中，管道编号701代表第一空气管道701，管道编号702代表阴极换热器进气管道702，管道编号703代表阴极换热器出气管道703，管道编号705代表电加热器出气管道705，管道编号706代表阴极入口管道706，管道编号707代表阴极出口管道707，管道编号711代表烟气管道711，管道编号712代表尾气管道712。

由于启动燃烧器200停用，第四空气阀门804和第一燃气阀门806均关闭，阴极出口管道707内的温度与烟气管道711内的温度一致。

通过表2的数据可知上述燃料电池系统及启动控制方法是可行的。在启动燃烧器200不工作的情况下，燃料电池系统使用电加热器400也可以顺利启动且正常运转。

本申请所使用的的阀门均可以为启动调节阀，可以在自动控制下进行自动开启和自动关闭。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。