[发明专利]燃料电池系统及其操作方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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(Fuel Utilization，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。

发明内容

本发明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。

本发明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。