本技术涉及燃料电池领域，尤其涉及一种多级联结构的电堆和燃料电池系统。
背景技术：
1、燃料电池是一种可以把在燃料和氧化剂中储存的化学能直接转化成电能的电化学装置。燃料电池通常作为单电池并以相互层叠的方式构成电堆；一个或多个电堆与诸如燃气管理模块、水处理模块、电源管理模块以及主控模块等构成燃料电池系统。
2、为了提高燃料电池系统和电堆的发电功率、发电效率以及燃料利用率，通常会将多个电堆或多个单电池进行串并联设计，然而在当前燃料电池系统及电堆的设计中，常常出现电堆及单电池数量配比失调风险，导致燃料电池系统和电堆整体的燃料利用率降低。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种燃料利用率高的多级联结构的电堆和燃料电池系统。
2、为实现上述目的，本技术实施例的一方面提出了一种多级联结构的电堆，包括多级串联的电池阵列、第一燃料流路以及第二燃料流路，各级所述电池阵列均包括多个并联的单电池，各级所述电池阵列通过所述第一燃料流路连通，同一级所述电池阵列中的所述单电池通过所述第二燃料流路连通，其中，各级所述电池阵列中的单电池数量与各级所述电池阵列对应的阵列燃料利用率满足第一单电池数量约束条件，且前后级所述电池阵列中的单电池数量与前后级所述电池阵列中各所述单电池对应的电池燃料利用率满足第二单电池数量约束条件，以使单位时间内各所述单电池的消耗燃料的等氢量相等且各所述单电池的输出电流相等。
3、在一些实施例中，各级所述电池阵列中的单电池数量与各级所述电池阵列对应的阵列燃料利用率满足所述第一单电池数量约束条件，所述第一单电池数量约束条件为：
4、
5、其中，nx表示第cx级所述电池阵列中的单电池数量，n1表示第c1级所述电池阵列中的单电池数量，ηi表示第ci级所述电池阵列对应的所述阵列燃料利用率，ηx表示第cx级所述电池阵列对应的所述阵列燃料利用率，η1表示第c1级所述电池阵列对应的所述阵列燃料利用率，i和x均为正整数且i∈[1，x-1]。
6、在一些实施例中，前后级所述电池阵列中的单电池数量与前后级所述电池阵列中各所述单电池对应的电池燃料利用率满足第二单电池数量约束条件，所述第二单电池数量约束条件为：
7、
8、其中，nx表示第cx级所述电池阵列中的单电池数量，nx-1表示第cx-1级所述电池阵列中的单电池数量，γi表示第cx-1级所述电池阵列中第i个所述单电池对应的所述电池燃料利用率，βi表示第cx级所述电池阵列中第i个所述单电池对应的所述电池燃料利用率，i和x均为正整数且i∈[1，nx-1]。
9、在一些实施例中，所述电堆对应的电堆燃料利用率与各级所述电池阵列对应的阵列燃料利用率满足电堆燃料利用率约束条件，所述电堆燃料利用率约束条件为：
10、
11、其中，η堆表示所述电堆燃料利用率，ni表示第ci级所述电池阵列中的单电池数量，ηi表示第ci级所述电池阵列对应的所述阵列燃料利用率，i和x均为正整数且i∈[1，x]。
12、在一些实施例中，所述电堆燃料利用率满足60％≤η堆≤99％或70％≤η堆≤95％，各级所述电池阵列对应的所述阵列燃料利用率满足30％≤ηx≤75％或50％≤ηx≤75％，其中，ηx表示第cx级所述电池阵列对应的所述阵列燃料利用率，x为正整数。
13、在一些实施例中，各级所述电池阵列中的单电池数量满足第三单电池数量约束条件，所述第三单电池数量约束条件为：
14、当所述电堆包含串联的第一级电池阵列和第二级电池阵列，所述第一级电池阵列中的单电池数量和所述第二级电池阵列中的单电池数量满足n1:n2为2:1、3:1、42:13、39:12或4:1中的一个，其中，n1表示所述第一级电池阵列中的单电池数量，n2表示所述第二级电池阵列中的单电池数量；
15、当所述电堆包含串联的第一级电池阵列、第二电池阵列以及第三级电池阵列，所述第一级电池阵列中的单电池数量、所述第二级电池阵列中的单电池数量以及所述第三级电池阵列中的单电池数量满足n1:n2:n3为9:3:1、39:12:4或42:13:4中的一个，其中，n1表示所述第一级电池阵列中的单电池数量，n2表示所述第二级电池阵列中的单电池数量，n3表示所述第三级电池阵列中的单电池数量。
16、为实现上述目的，本技术实施例的另一方面提出了一种多级联结构的燃料电池系统，包括多级串联的电堆组、第三燃料流路以及第四燃料流路，各级所述电堆组均包括多个并联的如前所述的电堆，各级所述电堆组通过所述第三燃料流路连通，同一级所述电堆组中的所述电堆通过所述第四燃料流路连通，其中，各级所述电堆组中的电堆数量与各级所述电堆组对应的电堆组燃料利用率满足第一电堆数量约束条件，且前后级所述电堆组中的电堆数量与前后级所述电堆组中各所述电堆对应的电堆燃料利用率满足第二电堆数量约束条件，以使单位时间内各所述电堆的消耗燃料的等氢量相等且各所述电堆的输出电流相等。
17、在一些实施例中，各级所述电堆组中的电堆数量与各级所述电堆组对应的电堆组燃料利用率满足所述第一电堆数量约束条件，所述第一电堆数量约束条件为：
18、
19、其中，my表示第dy级所述电堆组中的电堆数量，m1表示第d1级所述电堆组中的电堆数量，μj表示第dj级所述电堆组对应的所述电堆组燃料利用率，μy表示第dy级所述电堆组对应的所述电堆组燃料利用率，μ1表示第d1级所述电堆组对应的所述电堆组燃料利用率，j和y均为正整数且j∈[1，y-1]。
20、在一些实施例中，前后级所述电堆组中的电堆数量与前后级所述电堆组中各所述电堆对应的电堆燃料利用率满足所述第二电堆数量约束条件，所述第二电堆数量约束条件为：
21、
22、其中，my表示第dy级所述电堆组中的电堆数量，my-1表示第dy-1级所述电堆组中的电堆数量，δj表示第dy-1级所述电堆组中第j个所述电堆对应的所述电堆燃料利用率，ξj表示第dy级所述电堆组中第j个所述电堆对应的所述电堆燃料利用率，j和y均为正整数且j∈[1，my-1]。
23、在一些实施例中，所述燃料电池系统对应的系统燃料利用率与各级所述电堆组对应的电堆组燃料利用率满足系统燃料利用率约束条件，所述系统燃料利用率约束条件为；
24、
25、其中，μ总表示所述系统燃料利用率，my表示第dy级所述电堆组中的电堆数量，μj表示第dj级所述电堆组对应的所述电堆组燃料利用率，j和y为正整数且j∈[1，y]。
26、在一些实施例中，所述系统燃料利用率满足60％≤μ总≤99％或70％≤μ总≤95％，各级所述电堆组对应的所述电堆组燃料利用率满足30％≤μy≤75％或50％≤μy≤75％，其中，μy表示第dy级所述电堆组对应的所述电堆组燃料利用率，y为正整数。
27、在一些实施例中，各级所述电堆组中的电堆数量满足第三电堆数量约束条件，所述第三电堆数量约束条件为：
28、当所述燃料电池系统包含串联的第一级电堆组和第二级电堆组，所述第一级电堆组中的电堆数量和所述第二级电堆组中的电堆数量满足m1:m2为2:1、3:1、42:13、39:12或4:1中的一个，其中，m1表示所述第一级电堆组中的电堆数量，m2表示所述第二级电堆组中的电堆数量；
29、当所述燃料电池系统包含串联的第一级电堆组、第二电堆组以及第三级电堆组，所述第一级电堆组中的电堆数量、所述第二级电堆组中的电堆数量以及所述第三级电堆组中的电堆数量满足m1:m2:m3为9:3:1、39:12:4或42:13:4中的一个，其中，m1表示所述电堆组中的电堆数量，m2表示所述第二级电堆组中的电堆数量，m3表示所述第三级电堆组中的电堆数量。
30、本发明的有益效果是：本发明提供的一种多级联结构的电堆，通过将多个单电池的第二燃料流路并联起来形成电池阵列，将多级电池阵列的第一燃料流路串联起来形成电堆，使得上一级排出的燃料排气流入至下一级进行反应，能够实现燃料的循环利用，提高燃料利用率和发电效率；另外，通过单电池的数量约束条件限定单电池的数量以使单位时间内电堆中每个单电池的消耗燃料的等氢量相等且输出电流相等，能够降低出现单电池过利用的风险，在有效提高燃料利用率和发电效率的同时提高电堆运行的稳定可靠性。
31、本发明还提供的一种多级联结构的燃料电池系统，通过将多个电堆的第四燃料流路并联起来形成电堆组，将多级电堆组的第三燃料流路串联起来形成燃料电池系统，使得上一级排出的燃料排气流入至下一级进行反应，能够实现燃料的循环利用，提高燃料利用率和发电效率；另外，通过电堆的数量约束条件限定电堆的数量以使单位时间内燃料电池系统中每个电堆的消耗燃料的等氢量相等且输出电流相等，能够降低出现电堆过利用的风险，在有效提高燃料利用率和发电效率的同时提高系统运行的稳定可靠性。
1.一种多级联结构的电堆，其特征在于，包括多级串联的电池阵列、第一燃料流路以及第二燃料流路，各级所述电池阵列均包括多个并联的单电池，各级所述电池阵列通过所述第一燃料流路连通，同一级所述电池阵列中的所述单电池通过所述第二燃料流路连通，其中，各级所述电池阵列中的单电池数量与各级所述电池阵列对应的阵列燃料利用率满足第一单电池数量约束条件，且前后级所述电池阵列中的单电池数量与前后级所述电池阵列中各所述单电池对应的电池燃料利用率满足第二单电池数量约束条件，以使单位时间内各所述单电池的消耗燃料的等氢量相等且各所述单电池的输出电流相等。
2.根据权利要求1所述的一种多级联结构的电堆，其特征在于，各级所述电池阵列中的单电池数量与各级所述电池阵列对应的阵列燃料利用率满足所述第一单电池数量约束条件，所述第一单电池数量约束条件为：
3.根据权利要求1所述的一种多级联结构的电堆，其特征在于，前后级所述电池阵列中的单电池数量与前后级所述电池阵列中各所述单电池对应的电池燃料利用率满足第二单电池数量约束条件，所述第二单电池数量约束条件为：
4.根据权利要求1所述的一种多级联结构的电堆，其特征在于，所述电堆对应的电堆燃料利用率与各级所述电池阵列对应的阵列燃料利用率满足电堆燃料利用率约束条件，所述电堆燃料利用率约束条件为：
5.根据权利要求4所述的一种多级联结构的电堆，其特征在于，所述电堆燃料利用率满足60％≤η堆≤99％或70％≤η堆≤95％，各级所述电池阵列对应的所述阵列燃料利用率满足30％≤ηx≤75％或50％≤ηx≤75％，其中，ηx表示第cx级所述电池阵列对应的所述阵列燃料利用率，x为正整数。
6.根据权利要求1所述的一种多级联结构的电堆，其特征在于，各级所述电池阵列中的单电池数量满足第三单电池数量约束条件，所述第三单电池数量约束条件为：
7.一种多级联结构的燃料电池系统，其特征在于，包括多级串联的电堆组、第三燃料流路以及第四燃料流路，各级所述电堆组均包括多个并联的电堆，各级所述电堆组通过所述第三燃料流路连通，同一级所述电堆组中的所述电堆通过所述第四燃料流路连通，其中，各级所述电堆组中的电堆数量与各级所述电堆组对应的电堆组燃料利用率满足第一电堆数量约束条件，且前后级所述电堆组中的电堆数量与前后级所述电堆组中各所述电堆对应的电堆燃料利用率满足第二电堆数量约束条件，以使单位时间内各所述电堆的消耗燃料的等氢量相等且各所述电堆的输出电流相等。
8.根据权利要求7所述的一种多级联结构的燃料电池系统，其特征在于，各级所述电堆组中的电堆数量与各级所述电堆组对应的电堆组燃料利用率满足所述第一电堆数量约束条件，所述第一电堆数量约束条件为：
9.根据权利要求7所述的一种多级联结构的燃料电池系统，其特征在于，前后级所述电堆组中的电堆数量与前后级所述电堆组中各所述电堆对应的电堆燃料利用率满足所述第二电堆数量约束条件，所述第二电堆数量约束条件为：
10.根据权利要求7所述的一种多级联结构的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统对应的系统燃料利用率与各级所述电堆组对应的电堆组燃料利用率满足系统燃料利用率约束条件，所述系统燃料利用率约束条件为；
11.根据权利要求10所述的一种多级联结构的燃料电池系统，其特征在于，所述系统燃料利用率满足60％≤μ总≤99％或70％≤μ总≤95％，各级所述电堆组对应的所述电堆组燃料利用率满足30％≤μy≤75％或50％≤μy≤75％，其中，μy表示第dy级所述电堆组对应的所述电堆组燃料利用率，y为正整数。
12.根据权利要求7所述的一种多级联结构的燃料电池系统，其特征在于，各级所述电堆组中的电堆数量满足第三电堆数量约束条件，所述第三电堆数量约束条件为：
