CN102947995B - 燃料电池系统中的控制结构和方法 - Google Patents

Abstract

本发明集中于一种利用燃料电池发电的燃料电池系统中的控制结构，燃料电池系统中的各燃料电池包括：阳极侧（100）、阴极侧（102）、以及阳极侧和阴极侧之间的电解质（104），燃料电池系统包括：用于使燃料通过燃料电池的阳极侧再循环的装置（109），以及控制处理器（210）中的至少一个系统控制器（200），用于控制燃料电池系统的操作。控制结构包括：用于执行燃料组分和燃料流速中的至少一个的基本上异步的化学反应速率计算处理、以在基本上迭代的处理中获得至少关于通过阳极（100）的燃料再循环的再循环率的信息的装置（202）；用于在与系统控制器（200）处理基本上同步的处理中、通过利用由所述异步处理提供的最新可用再循环率信息来生成燃料利用（FU）信息和碳形成信息的装置（204）。控制结构还包括用于通过利用所述FU信息和碳形成信息来执行主动循环系统控制和系统监视处理的装置（206），所述装置（202）用于与同步处理基本上同时地处理异步处理，使得在最大允许执行间隔之下处理所述主动循环系统控制和系统监视处理。

Description

燃料电池系统中的控制结构和方法

技术领域

燃料电池是提供有反应物以产生电能的电化学装置。

背景技术

燃料电池是可以用于高效地并以环境友好的方式产生电能的电化学装置。燃料电池技术被认为是未来最有前景的发电形式之一。

图1示出包括阳极侧100、阴极侧102以及它们之间的电解质104的燃料电池。供应至燃料电池装置的反应物经历由于放热反应而产生电能和水的处理。在固体氧化物燃料电池（SOFC）中，供应至阴极侧的氧106从阴极接收电子，即，被还原为负氧离子，负氧离子经过电解质行进到阳极，在阳极与所使用的燃料108结合，产生水和二氧化碳。在阳极100和阴极102之间有单独的通路，即，外部电路111，通过外部电路111，电子e-（即，电流）经过负载110行进到阴极。

图2中呈现了SOFC（固体氧化物燃料电池）装置，其可以利用例如天然气、沼气、甲醇或其它含有烃的化合物作为其燃料。图2所示的燃料电池装置结构包括多个板状燃料电池，各燃料电池包括如图1所示的阳极100和阴极102，在图2中，燃料电池被组装为堆形式103（SOFC堆）。燃料通过燃料电池的阳极侧在反馈结构中再循环。

图2中所示的燃料电池装置结构包括燃料热交换器105和重整器107。热交换器用于控制燃料电池处理的热平衡，并且可以在燃料电池装置中的不同位置处存在若干个热交换器。再循环气体中的多余的热能在热交换器中被回收，用于燃料电池装置中的其他地方或集中供热网络中。因而，回收热的热交换器可以位于与图2所示不同的位置。重整器是这样的装置：其将例如天然气的燃料转换为适合于燃料电池的形式，即，例如转换为包含一半的氢气且其他为甲烷、二氧化碳和惰性气体的气体混合物。但是，重整器并非在所有的燃料电池实现中都是必需的，也可以将未经处理的燃料直接供应至燃料电池103。

在反馈结构中，在燃料电池103的阳极100上燃烧的燃料的仅一部分通过阳极进行再循环，因此，图2图表地示出了来自阳极100的燃料剩余物的排出114。通过使用测量装置112（例如，燃料流量计、电流计以及温度计），从通过阳极再循环的气体执行对于SOFC装置的操作所必要的测量。根据现有技术的控制处理器116与和测量装置112的相互协作密切相关。

天然气（例如甲烷）以及含更高碳化合物的气体通常被用作SOFC中的燃料，然而，气体在供应至燃料电池之前必须进行预处理以防止碳形成（即，焦化）。在焦化中，烃热分解并且产生附着到燃料电池装置的表面并吸附在例如镍粒子的催化剂上的碳。在焦化中产生的碳覆盖燃料电池装置的一些活性表面，因而明显地劣化了燃料电池处理的反应性。碳甚至可能会完全阻塞燃料通道。

为了确保燃料电池的长使用寿命，防止焦化是非常重要的。防止焦化也节省催化剂，即，用在燃料电池中用于加速反应的物质（镍、铂等）。气体预处理需要供应至燃料电池装置的水。在氧离子和燃料（即，阳极上的气体）的结合中所产生的水也可以用在气体的预处理中。

为了使现有技术的气体的预处理成功，必须足够精确地知道在反馈结构中通过阳极再循环的气体的组分。特别是必须控制氧/碳（O/C）比，并且在某种程度上也必须控制氢/碳（H/C）比，以避免最危险的碳形成的反应环境。

在非死端操作的燃料电池系统中，燃料利用（FU）是影响系统性能和寿命的关键的可控参数。此外，在涉及烃燃料的重整的系统中，必须将特定燃料流的系统条件保持充分，以使系统内的碳形成的风险最小化。使碳形成最小化的常用手段是控制氧碳比（OC比）、氢碳比（HC比）以及系统温度，它们一起限定了系统中形成碳的概率。维持足够的OC比和HC比的常用手段包括阳极废气再循环、通过部分氧化进行燃料重整、以及辅助给水。

由于难以利用在线测量来确定燃料利用（FU）信息和碳形成信息，所以通常用计算的方式来确定它们。在燃料组分仅取决于系统的入口流的系统中，FU信息和碳形成信息的计算相当简单。然而，在涉及阳极再循环的系统中，FU信息和碳形成信息变得取决于质量流和再循环回路中的组分，因为离开燃料电池阳极的废弃燃料的部分返回至阳极入口流。如果系统涉及阳极向外泄漏或从阳极到阴极侧的交叉泄漏（对于许多类型的高温燃料电池是常见的），则在不知道再循环流和一些组分特征的情况下无法确定阳极出口组分（即，再循环的组分）。

针对任何给定的再循环率（即，阳极出口气体再循环回入口流的分数），可以通过直接替换来分析地计算阳极循环回路内的原子流。实际气体成分的摩尔分数可以基于针对给定的条件而求解的原子分数。假设阳极出口组分在存在阳极催化剂的情况下在高温下达到相应的热平衡组分，因而能针对所述给定的再循环率求解阳极出口组分。热平衡组分的求解需要确定满足四阶多项式的流重整反应速率，该四阶多项式的系数是温度和所述原子分数的函数。如果燃料组分没有达到平衡，则可以根据动力学模型确定燃料组分。确定了阳极出口组分之后，可以利用针对阳极循环装置（例如，泵或喷射器）的特征曲线、或者基于循环流的流测量，来计算阳极再循环回路中的实际流。这进而获得了针对特定的阳极出口组分的再循环率。如果该再循环率（以合理的裕量）等于用于确定所述组分的原始再循环率，则找到了再循环回路流的有效解，因此找到了FU信息和碳形成信息的有效解。否则，需要修改再循环的初始值，重复进行计算，直至找到有效解。

所描述的用于确定燃料流组分的方法涉及利用多个嵌套的迭代步骤进行迭代。总之，找到再循环率的有效解因此找到FU信息和碳形成信息的有效解可能取决于系统状况和初始值而需要相当大量的浮点数学运算。在例如工业控制硬件的计算能力有限的系统中，所描述的迭代过程需要几秒钟来完成。因此，无法在不影响控制循环的总执行时间的情况下在燃料电池控制系统的循环任务回路中包括这样的计算。

由于所描述的用于精确地确定燃料组分的方法的计算强度，所以现有技术解决方案使用了简化手段来降低计算需求，然而，这牺牲了精确度和/或多功能性。在申请人自己的专利申请文件PCT/FI2009/050503中，提出了一种方法，该方法使用来自具有针对燃料电池电流、温度和流的预定组合的预先计算的解的查找表的插值，以避免在确定再循环率、FU率和OC率时对于实时计算的需求。尽管显著减小了计算强度，但是该方法的适用性限于具有非常有限数量的参数的预定参数范围，其中参数数量可以变化以保持查找表的大小合理。特别是在沼气应用中，入口燃料的可变组分向系统内的流状况引入了附加的自由度，PCT/FI2009/050503中所描述的现有技术解决方案具有明显的缺点。

发明内容

本发明的目的是燃料电池系统的控制，其以最小的处理器能力进行可靠的操作，并且也能够对燃料电池系统操作状况的快速变化进行反应。这通过利用燃料电池发电的燃料电池系统中的控制结构来实现，燃料电池系统中的各燃料电池包括：阳极侧、阴极侧、以及所述阳极侧和所述阴极侧之间的电解质，所述燃料电池系统包括：用于使燃料通过燃料电池的阳极侧再循环的装置，以及控制处理器中的至少一个系统控制器，所述至少一个系统控制器用于控制所述燃料电池系统的操作。所述控制结构包括：用于执行燃料组分和燃料流速中的至少一个的基本上异步的化学反应速率计算处理、以在基本上迭代的处理中获得至少关于通过阳极的燃料再循环的再循环率的信息的装置，用于在与系统控制器处理基本上同步的处理中、通过利用最新可用再循环率信息来生成燃料利用（FU）信息和碳形成信息的装置，用于通过利用所述FU信息和所述碳形成信息来执行主动循环系统控制和系统监视处理的装置，所述装置用于与同步处理基本上同时处理异步处理，使得在最大允许执行间隔之下处理所述主动循环系统控制和系统监视处理。

本发明也集中于一种用于燃料电池系统以利用燃料电池发电的控制方法，在所述方法中，使燃料通过燃料电池的阳极侧再循环。在所述方法中，处理燃料组分和燃料流速中的至少一个的基本上异步的化学反应速率计算处理，以在基本上迭代的处理中获得至少关于通过阳极的燃料再循环的再循环率的信息，通过利用最新可用再循环率信息，在与系统控制处理基本上同步的处理中生成燃料利用（FU）信息和碳形成信息，通过利用所述FU信息和所述碳形成信息来执行主动循环系统控制和系统监视处理，与同步处理基本上同时处理异步处理，使得在最大允许执行间隔之下处理所述主动循环系统控制和系统监视处理。

本发明基于相比于系统控制器的操作基本上异步地执行燃料组分和燃料流速中的至少一个的化学反应速率计算处理，以在基本上迭代的处理中获得关于至少再循环率的信息，再循环率信息在相比于系统控制器处理基本上同步的处理中利用，以生成燃料利用（FU）信息和碳形成信息。主动循环系统控制和系统监视处理利用所述FU信息和碳形成信息。此外，本发明也基于与同步处理基本上同时处理异步处理，使得不超出主动循环系统控制和监视处理的最大允许执行间隔。

本发明提供非常好的运行时配置性和性能，以处理气体应用中的操作状况的变化（例如，入口燃料气体组分变化），而不需用于执行耗时的反应平衡计算的辅助计算处理器能力。本发明也允许系统控制的优异的瞬态响应。

本发明的优点在于当利用相同的计算机处理器能力与控制算法并行地实时执行实际计算时，无需针对平衡计算定义预定义操作窗口或固定参数集。

附图说明

图1示出了单个燃料电池的结构。

图2呈现了现有技术的SOFC的反馈结构的示例性实现。

图3示出了根据本发明的优选实施方式的燃料电池装置中的控制结构的示例性实现。

具体实施方式

由于燃料电池装置的再循环流取决于再循环的组分，所以阳极组分的求解成为迭代过程。在根据本发明的方法中，在利用阳极燃料再循环的燃料电池系统中，为了控制目的生成阳极燃料组分的精确的实时反馈信息，而无需用于执行耗时的反应平衡计算的辅助计算处理器能力。使用的燃料经常是气体或气态的，所以也可以使用措辞气体而不使用措辞燃料。该方法涉及计算和反馈生成方法，其中，计算被分为两个过程：计算集中迭代部分，用于迭代求解再循环率以及阳极燃料再循环中的化学反应的热力学平衡反应速率；次要较少计算集中部分，用于向系统控制器提供主反馈信息。计算集中部分被实现为与系统控制基本上异步的并行处理，而反馈生成部分与系统控制同步地执行。计算集中部分的计算也可以基于阳极燃料再循环中的燃料原子和分子的动力学模型，而不是基于根据热力学模型的热力学平衡。而且，该计算优选地在本质上是迭代的。

本发明允许使用迭代算法生成实时FU（燃料利用）反馈信息和碳形成信息，即，在给定的氢碳比、氮碳比和温度下具有充分裕量的最小允许OC比（氧碳比）。所述反馈信息在计算能力有限的系统的控制中利用，作为循环执行方案的部分，而无需辅助的计算处理器。该方法允许将反应速率计算任务分开在几个控制执行周期上，同时仍然在各控制周期上（例如，每100ms一次）提供更新的FU和OC反馈信号用于控制，允许了快速控制。这基于利用以下手段：已将迭代算法从嵌套的while循环类型表示转换为适合于循环执行的状态流类型表示（即，在单个循环上仅执行有限数量的操作）。控制软件已设置为使得在控制和内务操作之后所剩的所有计算时间都用于反应速率计算算法。实质上，尽管反应速率计算表述并执行为控制同步循环执行方案的部分，但是反应速率计算作为异步并行处理来执行。原子燃料流动，因此，基于由反应速率计算得到的最新的RR（再循环率），针对各控制循环重新计算与控制有关的FU值和UC值。

在各控制周期上重新计算FU值和OC值的基础上，尽管反应速率计算（因此，RR）的实际求解可能会花费显著更长的时间，但是这使得对操作参数（输入流、组分、燃料电池负载）的变化作出即时的反馈响应。输入参数的改变当然也确实影响实际再循环率，由此基于旧的RR所计算的FU值和OC值并不完全精确。尽管在即时响应中存在这种精确度的潜在缺失，但是输入参数的变化在正确的方向上影响FU和OC，使得在闭环控制系统中在正确的方向上进行控制响应。为了闭环控制的稳定性，控制动作和反馈响应之间的反馈延迟尽可能地短并且不变是至关重要的。这通过将反馈延迟最小化使得允许控制器对操作参数的突变采取即时动作来实现，并且这允许了相关控制回路上的总体快速响应。因此，在求解RR时可变且更长的延迟并没有在很大程度上影响瞬态响应性能，因为FU和OC中的主要响应是即时的。

快速且稳定的控制响应使得系统对于内部或外部突然引起的变化（例如，来自沼气源的气体组分或压力波动）具有高鲁棒性。在条件发生突变之后，一旦反应速率计算收敛，则与新的条件相对应的RR将被更新。随之发生的RR的延迟响应进而将影响FU和OC，由此闭环控制器将微调它们的输出，使得可控参数在瞬态情况结束时将精确地满足其设定点。

本发明的优点在于当利用相同的计算硬件与控制算法并行地实时执行实际计算时，无需针对反应速率计算定义预定义操作窗口或固定参数集。影响计算的所有参数可以实时地改变，由此闭环控制逻辑将相应地反应。本发明对于例如沼气应用这样的可变燃料组分应用特别有益，并且优化的响应特征使它理想地适合于对例如燃料电池负载的突变需要快速响应性能的应用。

用于执行基本上同步的处理的装置204以及用于执行基本上异步的处理的装置202物理上能与系统控制器200位于同一处理器210中。可以利用控制计算机210（例如是可编程逻辑（PLC，可编程逻辑控制器）或其它基于处理器的计算机）以程序的形式来执行由所述装置（202,204）以及系统控制器（200）两者执行的计算和控制处理、以及燃料电池系统处理。

图3中呈现了根据本发明的优选实施方式的燃料电池系统中的控制结构的示例性实现。图3中的燃料电池系统是如同以上例如与图2相关地呈现的SOFC（固体氧化物燃料电池）装置。在反馈结构中，燃料电池系统包括用于使燃料通过燃料电池的阳极100侧再循环的装置109。燃料电池系统中的控制结构包括控制处理器210中的至少一个系统控制器200，用于控制燃料电池系统的操作。优选地，在同一控制处理器中放置用于执行基本上异步的化学反应速率计算处理的装置202。在所述计算处理中，利用供应至燃料电池系统的燃料量、输入电流值、泄漏值和再循环率值作为输入值。可以通过例如测量装置112来进行测量，以确定再循环气体的组分。也可以在计算处理或者利用测量和计算二者来确定再循环气体组分的处理中确定气体组分。在所述异步计算处理中，基于所述气体组分和气体流速中的至少一个获得至少关于再循环率的信息。优选地，在基本上迭代的处理中获得该信息，并且将其提供至系统控制器200。

图3中呈现的控制结构包括装置204，用于通过利用优选地经由系统控制器200从所述异步处理提供的最新可用再循环率信息，与系统控制器200处理基本上同步地生成燃料利用（FU）信息以及碳形成信息。通过利用所述装置202，与同步处理基本上同时执行异步处理，其中，基于在同步处理的各控制周期中或更少地（more seldom）从异步处理到同步处理得到的最新再循环率信息，针对同步处理的各控制周期执行至少FU信息和碳形成信息的重新计算。

图3中呈现的控制结构还包括装置206，用于通过利用由所述同步处理提供的所述FU信息和碳形成信息来执行主动循环系统控制和系统监视处理。通过利用所述装置202，基本上与同步处理同时执行异步处理，使得不会超出主动循环系统控制和系统监视处理的最大允许执行间隔。通过在迭代处理中利用适合于循环执行的迭代算法来处理所述异步处理，使得在所述同步处理的单个控制周期期间执行有限数量的迭代操作。换言之，异步处理向同步处理提供附加信息，这并不一定是在每个控制周期中，而是当所述附加信息（即，至少再循环率信息）被处理为针对同步处理的需要准备好时。这种同时的异步和同步处理实现了处理器能力的有效利用。

在所描述的本发明的优选实施方式中，控制结构包括所述装置202和204，用于通过在同步处理的一些控制周期和异步处理中获得关于化学反应的信息来同时执行同步处理和异步处理，以增强同步处理中的时间利用。此外，该结构优选地包括所述装置202，用于通过获得化学反应速率作为所述关于化学反应的信息来执行异步处理。所述化学反应速率基于热力学平衡模型，但是也可以基于动力学模型计算来利用本发明。

在优选实施方式中，所述装置202、204、206集成到同一控制处理器，优选地甚至与系统控制器200一起集成到同一控制处理器210。

可以在包括燃料循环的燃料电池装置的许多不同种类的应用中利用本发明。例如，在一些实施方式中，装置202、204、206各自可以位于单独的处理器中，并且通过有线或无线通信手段在处理器之间设置信息通信。

图3中呈现的示例性实施方式示出了箭头，如所述的，它们是示例性的并且与优选实施方式相关。可以在多种实施方式中利用本发明，例如，同步处理204直接从测量装置112接收信息。同步处理204也可以向异步处理202提供附加信息。而且，可以存在从异步处理202到同步处理204的直接信息链路，未必如图3所示一定经由系统控制器200。

虽然在以上描述中，参照附图描述了本发明，但是本发明不限于以上描述和附图，而是可以在所附权利要求指定的限制内进行修改。

Claims (12)

1.一种利用燃料电池发电的燃料电池系统中的控制结构，所述燃料电池系统中的各燃料电池包括阳极侧(100)、阴极侧(102)、以及所述阳极侧和所述阴极侧之间的电解质(104)，所述燃料电池系统包括用于使燃料通过燃料电池的阳极侧再循环的装置(109)，所述控制结构包括控制处理器(210)中的至少一个系统控制器(200)，所述至少一个系统控制器(200)用于在系统控制器(200)控制处理的控制周期中控制所述燃料电池系统的操作，

其特征在于，所述控制结构包括：

-适于与系统控制器(200)控制处理的控制周期异步地执行燃料组分和燃料流速中的至少一个的异步处理、以在迭代处理中生成至少关于通过阳极(100)的燃料再循环的再循环率的信息的第一装置(202)，其中，所述异步处理是异步化学反应速率计算处理，

-适于与系统控制器(200)控制处理的控制周期同步地在同步处理中通过利用由所述异步处理提供的最新可用再循环率信息来生成燃料利用信息和碳形成信息的第二装置(204)，

-适于通过利用所述燃料利用信息和所述碳形成信息来执行主动循环系统控制和系统监视处理的第三装置(206)，

-所述控制结构包括集成到同一控制处理器(210)的所述第一装置(202)、所述第二装置(204)和所述第三装置(206)，

-所述第一装置(202)适于与同步处理同时地处理异步处理，使得在最大允许执行间隔之下处理所述主动循环系统控制和系统监视处理。

2.根据权利要求1所述的控制结构，其特征在于，所述结构包括与系统控制器(200)集成到同一控制处理器(210)的所述第一装置(202)、所述第二装置(204)和所述第三装置(206)。

3.根据权利要求1所述的控制结构，其特征在于，所述结构包括适于与同步处理同时地处理异步处理的所述第一装置(202)，其中，基于在同步处理的各控制周期中或更少地从异步处理到同步处理得到的最新再循环率信息，针对同步处理的各控制周期利用所述第二装置(204)执行至少燃料利用信息和碳形成信息的重新计算。

4.根据权利要求1所述的控制结构，其特征在于，所述结构包括适于通过在迭代处理中利用适合于循环执行的迭代算法来执行异步处理、使得在同步处理的单个控制周期中执行有限数量的操作的所述第一装置(202)。

5.根据权利要求1所述的控制结构，其特征在于，所述结构包括适于通过在同步处理的一些控制周期和异步处理中确定关于化学反应的信息来同时执行同步处理和异步处理、以增强同步处理中的时间利用的所述第一装置(202)和所述第二装置(204)。

6.根据权利要求5所述的控制结构，其特征在于，所述结构包括适于通过确定化学反应速率作为所述关于化学反应的信息来执行异步处理的所述第一装置(202)。

7.一种用于燃料电池系统以利用燃料电池发电的控制方法，在所述方法中，使燃料通过燃料电池的阳极侧(100)再循环，并且在系统控制处理的控制周期中控制所述燃料电池系统的操作，

其特征在于，在所述方法中：

-与系统控制处理的控制周期异步地处理燃料组分和燃料流速中的至少一个的异步处理，以在迭代处理中生成至少关于通过阳极(100)的燃料再循环的再循环率的信息，其中，所述异步处理是异步化学反应速率计算处理，

-与系统控制处理的控制周期同步地在同步处理中，通过利用由所述异步处理提供的最新可用再循环率信息来生成燃料利用信息和碳形成信息，

-通过利用所述燃料利用信息和所述碳形成信息来执行主动循环系统控制和系统监视处理，

-在所述方法中，所述异步处理和所述同步处理的执行以及主动循环系统控制和系统监视处理的执行被集成为在同一控制处理器(210)中执行，

-与同步处理同时地处理异步处理，使得在最大允许执行间隔之下处理所述主动循环系统控制和系统监视处理。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述异步处理和所述同步处理的执行以及主动循环系统控制和系统监视处理的执行被集成为与系统控制器(200)在同一控制处理器(210)中执行。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，与同步处理同时地处理异步处理，其中，基于在同步处理的各控制周期中或更少地从异步处理到同步处理得到的最新再循环率信息，针对同步处理的各控制周期执行至少燃料利用信息和碳形成信息的重新计算。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过在迭代处理中利用适合于循环执行的迭代算法来执行异步处理，使得在同步处理的单个控制周期中执行有限数量的操作。

11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过在同步处理的一些控制周期和异步处理中确定关于化学反应的信息来同时执行同步处理和异步处理，以增强同步处理中的时间利用。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在异步处理中确定化学反应速率作为所述关于化学反应的信息。