集成式热装置、燃料电池系统及燃料电池系统用控制方法与流程

本发明涉及燃料电池系统，尤其涉及集成式热装置、燃料电池系统及燃料电池系统用控制方法。

背景技术：

1、清洁能源越来越受到人们的青睐。其中，燃料电池是一种在高温下直接将化学能转化为电能的发电装置。燃料电池系统包括电堆、原料供给系统和热部件系统等，具体地，电堆工作时需要高温环境，主要涉及到高温空气及高温重整气，从而原料气的稳定供给与电堆的尾气的热量高效回收及利用，是燃料电池系统向更高效率发展的重要保障。

2、其中，现有技术中针对热部件系统的研发主要分为三类，一类是通过燃烧器的燃烧尾气与水、空气、燃料和重整器等进行换热；一类是通过燃烧器的燃烧尾气预热空气，而后通过预热空气与系统中的其他热部件换热；另一类是将燃烧器的燃烧尾气预热空气后，依据热量梯级依次加热其余热部件。这些热部件系统虽然都能实现需求温度的调控，但是在工作过程中，存在不同气体交叉泄漏的风险，尤其是输送至电堆的空气和燃料气体出现的交叉泄漏，会给电堆的工作性能和使用寿命造成很大影响。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供集成式热装置、燃料电池系统及燃料电池系统用控制方法，以解决现有技术中的热部件系统虽然都能实现需求温度的调控，但是在工作过程中，存在不同气体交叉泄漏的风险，尤其是输送至电堆的空气和燃料气体出现的交叉泄漏，会给电堆的工作性能和使用寿命造成很大影响的问题。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、集成式热装置，其包括调温结构，所述调温结构包括第一壳体、环设于所述第一壳体内的第二壳体，以及设置于所述第二壳体内的中心燃烧器和水管，所述第二壳体与所述中心燃烧器之间形成能与外界连通的换热通道，所述水管分布于所述中心燃烧器外周的换热通道内，且所述水管的入口和出口均分布于所述第一壳体外；

4、所述第二壳体与所述第一壳体之间形成重整腔，所述重整腔内设有重整催化剂，所述重整腔被配置为能选择性的通入电堆的阳极尾气、燃料和由所述水管的出口排出的水蒸气中的一种或多种，且所述重整腔能与电堆的阳极输入端连通；

5、所述水管和所述重整腔沿第一方向间隔分布。

6、作为优选，所述集成式热装置还包括预热管路结构，所述预热管路结构包括重整原料输送管，以及套设于所述重整原料输送管的外周的阳极尾气输送管；

7、所述重整原料输送管的第一端与所述阳极尾气输送管的第一端连通，所述阳极尾气输送管的第二端封闭于所述重整原料输送管的外周；

8、所述重整原料输送管的第一端或所述阳极尾气输送管的第一端还能与所述水管的出口和燃料输送管连通；所述重整原料输送管的第二端能与所述重整腔连通；所述阳极尾气输送管的第二端还设有第一阳极尾气输入口。

9、作为优选，所述重整原料输送管为盘管；所述阳极尾气输送管为盘管。

10、作为优选，所述集成式热装置还包括分配结构，所述分配结构包括设置于所述第一壳体的第一分配管，所述第一分配管的一端与所述重整腔连通，另一端与所述重整原料输送管的第二端连通。

11、作为优选，所述分配结构还包括第二分配管，所述第二分配管套设于所述第一分配管的外周且与所述第一分配管之间形成分配通道，所述第二分配管设有与所述分配通道连通的第二阳极尾气输入口；

12、所述分配结构还包括设置于所述第一壳体的第三分配管，所述第三分配管贯穿所述重整腔，所述分配通道还与所述重整腔和所述第三分配管连通；

13、所述第二壳体与所述第一壳体之间还形成集气燃烧腔，所述集气燃烧腔内设有燃烧催化剂，所述集气燃烧腔分布于所述换热通道的外周，所述集气燃烧腔与所述换热通道和外界连通，且所述集气燃烧腔和所述重整腔沿所述第一方向间隔分布且互不连通，所述第三分配管还与所述集气燃烧腔连通。

14、作为优选，所述第三分配管的数量为多个，多个所述第三分配管沿所述第二分配管的周向间隔分布。

15、作为优选，所述第一分配管内设有第一分流板，所述第一分流板用于将所述第一分配管内的气体分流成多股至所述重整腔内。

16、作为优选，沿所述第一方向，所述第二壳体上靠近所述第一分配管的一端呈半球形。

17、作为优选，所述调温结构还包括环设于所述第一壳体外围的重整集气壳体，所述重整集气壳体与所述第一壳体之间形成重整集气腔，所述重整集气腔与所述重整腔和所述电堆的阳极输入端连通；

18、所述调温结构还包括环设于所述第一壳体外围的阴极尾气换热壳体，所述阴极尾气换热壳体与所述第一壳体之间形成阴极尾气集气腔，所述阴极尾气集气腔与所述电堆的阴极输出端和所述集气燃烧腔连通；所述阴极尾气换热壳体与所述重整集气壳体沿所述第一方向间隔分布。

19、作为优选，所述重整集气壳体分布于所述重整腔的外周，所述阴极尾气换热壳体分布于所述集气燃烧腔的外周。

20、作为优选，所述集成式热装置还包括混合管，所述混合管穿设于所述阴极尾气换热壳体和所述重整集气壳体，所述混合管的一端与所述水管的出口和所述燃料输送管连通，所述混合管的另一端与所述阳极尾气输送管的第一端连通。

21、作为优选，所述水管包括相连通的上升输入管和下降输出管，所述上升输入管呈螺旋状的绕设于所述中心燃烧器的外周且与所述中心燃烧器间隔分布，所述上升输入管的入口和所述下降输出管的出口均分布于所述第一壳体外沿所述第一方向远离所述重整腔的一侧。

22、燃料电池系统，包括所述电堆、空气供给组件、水供给组件、燃料供给组件和预热器，所述空气供给组件能够向所述电堆的阴极输入端和所述中心燃烧器供给空气，所述预热器用于加热由所述空气供给组件输送至所述电堆的阴极输入端的空气，所述燃料电池系统还包括上述的集成式热装置，所述水供给组件与所述水管的入口连通，所述燃料供给组件能够向所述重整腔供给燃料，且能够向所述中心燃烧器供给燃料。

23、燃料电池系统用控制方法，用于实施于上述的燃料电池系统，所述燃料电池系统用控制方法包括：

24、控制所述空气供给组件向所述中心燃烧器和所述电堆的阴极输入端供给空气；控制所述燃料供给组件向所述中心燃烧器供给燃料；点火启动所述中心燃烧器；控制所述预热器对由所述空气供给组件输送至所述电堆的阴极输入端的空气进行加热；

25、控制所述水供给组件向所述水管供给水，使得加热形成的水蒸气经过所述重整腔输送至所述电堆的阳极输入端，对所述电堆进行水蒸气吹扫；

26、停止水蒸气吹扫后，控制所述空气供给组件持续向所述电堆的阴极输入端和所述中心燃烧器供给空气，控制所述燃料供给组件持续向所述中心燃烧器供给燃料；

27、当所述电堆的温度到达第一设定温度后，控制所述燃料供给组件向所述重整腔供给燃料，控制所述水供给组件供给水使得向所述重整腔内输送水蒸气。

28、作为优选，所述第二壳体还和所述第一壳体形成集气燃烧腔，所述集气燃烧腔与所述换热通道和外界连通，且所述集气燃烧腔和所述重整腔沿所述第一方向间隔分布且互不连通，所述集气燃烧腔内设有燃烧催化剂；所述集成式热装置还包括贯穿所述重整腔的第三分配管，所述第三分配管与所述集气燃烧腔连通；

29、在控制所述燃料供给组件向所述重整腔供给燃料，控制所述水供给组件供给水使得向所述重整腔内输送水蒸气之后，还包括以下步骤：

30、当所述燃烧催化剂的温度到达设定起燃温度后，将所述电堆的阳极尾气按照设定比例分别输送至所述重整腔和所述第三分配管内；

31、当所述电堆进入平稳运行阶段后，控制所述水管内的液态水流量为零；控制所述空气供给组件停止向所述中心燃烧器供给空气；控制所述燃料供给组件停止向所述中心燃烧器供给燃料。

32、作为优选，所述燃料电池系统用控制方法还包括：

33、当控制所述燃料供给组件向所述重整腔供给燃料，且所述燃烧催化剂的温度到达所述设定起燃温度后，依据所述集气燃烧腔排出的高温尾气的温度控制所述中心燃烧器的输出功率。

34、作为优选，当所述电堆进入平稳运行阶段后，还包括以下步骤：

35、若所述燃料电池系统的散热增加；和/或，所述重整腔内的温度低于设定重整率对应的温度时，控制所述空气供给组件向所述中心燃烧器供给空气，控制所述燃料供给组件向所述中心燃烧器供给燃料；点火启动所述中心燃烧器。

36、本发明的有益效果：

37、本发明的目的在于提供了集成式热装置、燃料电池系统及燃料电池系统用控制方法，该集成式热装置包括调温结构，调温结构包括第一壳体、环设于第一壳体内的第二壳体，以及设置于第二壳体内的中心燃烧器和水管。当电堆开始工作时，控制向电堆的阴极输入端和中心燃烧器供给空气，控制向中心燃烧器供给燃料，点火启动中心燃烧器点火，使得中心燃烧器产生的高温尾气沿换热通道流通，对重整腔和水管进行加热；然后控制向水管内供给水，使得加热形成的水蒸气流经重整腔后输送至电堆的阳极输入端，对电堆进行水蒸气吹扫；水蒸气吹扫结束后，且电堆的温度到达一定温度值后，向重整腔内供给燃料，且再次向水管内供给水使得向重整腔内输送水蒸气，水蒸气和燃料在重整腔内进行重整反应后输送至电堆的阳极输入端；电堆的阳极输出端输出的阳极尾气也能够输送至重整腔内，与输送至重整腔内的燃料和水蒸气混合，能够对燃料和水蒸气进行加热，且与燃料和水蒸气发生重整反应后一起由重整腔输送至电堆的阳极输入端；其中，水管和重整腔沿第一方向间隔分布，使得中心燃烧器产生的高温尾气能够对水管5内的水和重整腔内的气体同步加热，提升了加热重整腔的效率和加热效果，也提升了将水管5内的水加热成水蒸气的效率。

38、从而，该集成式热装置，通过将第二壳体、中心燃烧器和水管均集成于第一壳体形成调温结构，使得调温结构既能够对输送至电堆的阳极输入端的原料进行加热和使得加热后的原料进行重整反应，又能够将电堆的阳极输出端输出的阳极尾气作为原料的一部分对原料进行加热和参与原料的重整反应，可以理解的是，调温结构内涉及的气体均仅与电堆的阳极相关，从而有效避免现有技术中由于气体交叉泄漏造成的影响电堆的工作性能和使用寿命的问题；其次，该集成式热装置的结构集成度高，且能有效提升对中心燃烧器产生的热量和阳极尾气的热量的利用率，加热效果好，加热效率高。