CN103236555B - 一种固体氧化物燃料电池系统及热电协同控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种固体氧化物燃料电池系统及控制方法，属于燃料电池领域。本发明电池系统结构为：空气供给单元的输出端通过阀门连接电堆单元的输入端，空气供给单元的输出端通过阀门连接尾气回收单元的输入端；燃料供给单元的输出端通过质量流量计连接电堆单元的输入端，燃料供给单元的输出端通过质量流量计连接尾气回收单元的输入端；电堆单元的输出端连接尾气回收单元的输入端；尾气回收单元的输出端连接燃料供给单元的输入端；控制单元分别连接各阀门、质量流量计以及各单元。本发明依据负载功率需求协调控制各阀门和流量计的工作状态，通过调节气体流量来调节各单元的工作温度，完成系统的热、电系统控制，提高系统效率，保证电堆使用寿命。

Description

一种固体氧化物燃料电池系统及热电协同控制方法

技术领域

本发明属于燃料电池领域，具体而言，它是一种固体氧化物燃料电池热电协同控制系统及方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)通过电化学反应能够直接将化学能转化为电能，由于发电过程不受卡诺循环的热力学限制、没有机械振动、主要以氢气为燃料，所以其具有高发电效率、安静无噪音、环境友好低排放的优点，是21世纪最具前景的绿色发电系统。最近十几年，国际上许多发达国家，如美国、德国、日本投入了大量的资金及人力致力于SOFC系统的开发，推动了SOFC技术的发展，目标在于实现商业化，然而SOFC系统造价成本过高及系统操作使用寿命不如传统发电系统，这一点始终是其商业化必须克服的重要问题。

SOFC一般工作在600～900℃的高温环境，并且自身具有薄而脆，耐受热应力有限的物理特性，其对工作条件提出了严格的要求。当SOFC离开恒温测试台，如果工作环境发生剧烈变化或者工作条件偏离最佳，都会使得其工作效率降低、使用寿命衰减。为此，需要设计一个完整的系统为SOFC提供稳定、最优的工作环境，提高系统发电效率及使用寿命。SOFC要实现安全、可靠、高效地运行，就需要考虑众多的约束问题，有针对性地设计SOFC系统，确保系统工作存在的约束条件均能获得有效控制，使得SOFC系统能够长寿命地稳定运行，同时获得独立发电系统输出功率能跟踪外部负载的最大工作效率。而影响系统工作性能及寿命的约束条件主要有：电池片的最大温度梯度、电池片的最大工作温度、燃烧室温度、重整器温度以及电堆入口气体温差。其中电池片的最大温度梯度、最大工作温度和重整器温度是影响电池片性能及寿命的主要原因，而燃烧室温度过高能够导致BOP系统材料老化，缩减系统寿命。

独立SOFC系统应该包括SOFC电堆单元、空气供给单元、燃料供给单元、尾气回收单元、电管理单元和控制单元实现系统从启动到稳定最优运行的功能。美国专利US6608463B1、US7001682B2就公开了一种比较完整的SOFC系统，该系统具有电堆单元、空气供给单元、燃料供给单元、尾气回收单元，但该系统却存在如下缺陷：1)独立的启动燃烧室和尾气燃烧室，启动燃烧室为系统进行预热，这样的设计使得系统部件增加，体积增大，并且增加了成本与控制复杂度。2)该系统通过调节进入尾气燃烧室的电堆阴极入口气体流量来调节温度，这样使得系统必须提供能够耐800℃以上高温的调节阀来控制流量，因此系统需要昂贵的高温调节阀，增加了成本。而且由于电堆阴极尾气的温度较高、可调流量有限，对尾气燃烧室温度的控制效果欠佳。3)尾气燃烧室出来的烟气预热空气和重整器之后温度可能只有300～400℃，然后再通入电堆进行预热会导致两个问题，a.电堆工作温度一般在600～900℃，这样系统排出的尾气温度将可能非常高，b.预热电堆的尾气温度太低，会导致电堆工作温度下降。中国专利CN1685552A、CN1151575C、CN100342578C及美国专利US7056611B2均未考虑完整的SOFC系统，无法保证电堆高效、长寿命地运行。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的第一目的在于提供一种固体氧化物燃料电池系统热电协同控制方法，能够对系统的热、电进行协同控制，为电堆提供稳定、最优的工作氛围，提高系统效率，保证电堆使用寿命。

本发明的第二技术目的在于提供一种固体氧化物燃料电池系统，能够对系统的热、电进行协同控制，为电堆提供稳定、最优的工作氛围，提高系统效率，保证电堆使用寿命。

为实现本发明的第一目的，本发明提供了一种固体氧化物燃料电池系统控制方法，涉及固体氧化物燃料电池系统包括电堆单元、空气供给单元、燃料供给单元和尾气回收单元，空气供给单元的第一输出端管道连接电堆单元的阴极气体输入端，空气供给单元的第二输出端管道连接尾气回收单元的空气输入端；燃料供给单元的氢气输出端管道连接电堆单元的阳极气体输入端，燃料供给单元的燃料输出端管道连接尾气回收单元的燃料输入端；电堆单元的尾气输出端连接尾气回收单元的输入端；尾气回收单元的输出端管道连接燃料供给单元的输入端，该控制方法具体为：

由于外部负载需求功率增大，则要求电池系统的输出功率增大，在此情形下，热电协同控制过程如下：增加燃料供给单元的燃料供应量以增大电堆单元的输出功率：增加进入电堆单元的空气流量以及降低进入电堆单元的空气温度，以维持电堆单元的预定温度要求；燃料供给单元的燃料供应量增加后，燃料供给单元的工作温度降低，通过增加尾气回收单元的输入燃料流量升高尾气回收单元的工作温度，进而维持燃料供给单元的预定温度要求；若尾气回收单元的工作温度高于其预定温度要求，则增加尾气回收单元的输入空气流量以维持尾气回收单元的预定温度要求；

由于外部负载需求功率减小，则要求电池系统的输出功率减小，在此情形下，热电协同控制过程如下：减少燃料供给单元的燃料供应量以减小电堆单元的输出功率：减少进入电堆单元的空气流量以及升高进入电堆单元的空气温度，以维持电堆单元的预定温度要求；燃料供给单元的燃料供应量减少后，燃料供给单元的工作温度升高，通过减少尾气回收单元的输入燃料流量降低尾气回收单元的工作温度，进而维持燃料供给单元的预定温度要求。

本发明控制方法的技术效果体现在：本发明空气供给单元为电堆及尾气回收单元提供氧化剂，燃料供给单元为电堆及尾气回收单元提供充足燃料，尾气回收单元回收尾气中含有的燃料和水汽并形成水循环；本发明控制方法依据负载功率需求协调控制各单元的工作状态，以实现通过调节电堆入口气体流量、尾气燃烧室入口气体流量来调节电堆单元和尾气回收单元的工作温度，完成系统的热、电系统控制，为电堆提供稳定、最优的工作氛围，有利于提高系统效率、保证电堆使用寿命。

为了实现本发明第二技术目的，本发明技术方案为：

一种固体氧化物燃料电池系统，包括电堆单元、空气供给单元、燃料供给单元、尾气回收单元、电管理单元、控制单元、第一阀门、第二阀门、第一质量流量计和第二质量流量计；

空气供给单元的第一输出端通过第一阀门管道连接电堆单元的阴极气体输入端，空气供给单元的第二输出端通过第二阀门管道连接尾气回收单元的空气输入端；燃料供给单元的氢气输出端通过第二质量流量计管道连接电堆单元的阳极气体输入端，燃料供给单元的燃料输出端通过第一质量流量计管道连接尾气回收单元的燃料输入端；电堆单元的尾气输出端连接尾气回收单元的输入端，电堆单元的电能输出端连接电管理单元的电能输入端；尾气回收单元的输出端管道连接燃料供给单元的输入端；控制单元的流量采集端采集第一阀门、第二阀门、第一质量流量计和第二质量流量计的流量信息，控制单元的温度采集端采集电堆单元、空气供给单元、燃料供给单元和尾气回收单元的温度信息，控制单元的功率采集端采集电堆单元的输出功率；控制单元的流量控制信号输出端电连接第一阀门、第二阀门、第一质量流量计和第二质量流量计的控制端，控制单元的电管理信号输出端电连接电管理单元的电管理信号输入端；电管理单元的电能输出端电连接外部负载、第一阀门、第二阀门、第一质量流量计和第二质量流量计的供电端。

本发明电池系统的技术效果体现在：

本发明空气供给单元为电堆及尾气回收单元提供氧化剂，燃料供给单元为电堆及尾气回收单元提供充足燃料，尾气回收单元回收尾气中含有的燃料和水汽并形成水循环，电管理单元为负载、阀门和流量计供能；控制单元依据负载功率需求协调控制各阀门和流量计的工作状态，以实现通过调节电堆入口气体流量、尾气燃烧室入口气体流量来调节电堆单元和尾气回收单元的工作温度，完成系统的热、电系统控制，为电堆提供稳定、最优的工作氛围，有利于提高系统效率、保证电堆使用寿命。

作为进一步优选的技术方案如下：

所述燃料供给单元包括燃料气瓶、减压阀、除硫装置、储水罐、过滤器、注入器、蒸发器和水蒸气重整器；燃料瓶中的天然气经过减压阀后分为两路，一路天然气通过第一质量流量计进入尾气回收单元，另一路天然气经过除硫装置和第二质量流量计后进入蒸发器；储水罐的水经过过滤器后被注入器注入蒸发器，同时尾气回收单元回收的水进入蒸发器，蒸发器输出的水蒸气进入水蒸气重整器生成氢气，氢气进入电堆单元。

所述尾气回收单元包括尾气燃烧室、点火器、两换热器和、冷凝器；点火器用于点燃尾气燃烧室，电堆单元的阳极和阴极尾气进入尾气燃烧室，尾气燃烧室产生的高温尾气依次为第一热交换器、水蒸气重整器、第二热交换器和蒸发器提供热量，蒸发器输出的水蒸气进入冷凝器，两换热器以及尾气燃烧室内的冷空气由空气供给单元提供。

所述空气供给单元包括过滤器、调速离心风机、两三通管、三通管和第三阀门，调速离心风机的转速控制端电连接控制单元的流量控制信号输出端；空气经过过滤器由调速离心风机控制流量通过三通管分成两路空气，第一路空气由第三阀门控制流量经过两换热器预热后进入电堆单元，第二路空气再通过第二三通管分为第三、四路空气，第三路空气由第一阀门控制流量进入电堆单元，第四路空气由第二阀门控制流量进入尾气燃烧室。

所述电管理单元包括功率变换器和储能装置，功率变换器的第一电能输入端连接电堆单元的电能输出端，功率变换器的第二电能输入端电连接储能装置的输出端，功率变换器的电管理信号输入端电连接控制单元的电管理信号输出端，功率变换器的电能输出端电连接外部负载、第一阀门、第二阀门、第一质量流量计、第二质量流量计和调速离心风机的供电端。

该进一步的优选方案的技术效果体现在：

电管理单元将电堆发出的直流电以大于95％的效率转换为直流和交流电供负载及SOFC系统寄生设备如风机、质量流量计、阀门使用，储能装置为系统启动过程提供电能，并在外部负载变化时，协助电堆进行外部功率跟踪。功率变换器能够管理电堆与储能装置的能量流并控制储能装置的充放电状态。

风机采用调速离心风机，控制风机转速可以准确调节空气流量。由于空气流量能够极大地影响系统的工作温度，所以气体流量需要进行准确地控制，然而，如果使用质量流量计控制空气流量的话，那么入口空气需要有高于大气压1.5～2bar的气压它才能正常工作，这就要求系统务必使用空气压缩机来提供空气，从而造成更大的寄生功率损失，并且系统体积更庞大，会产生噪音。因此采用可调速离心风机，满足系统空气需求的同时提供高于大气压0.3～0.4bar的驱动气压，这样可以显著地减小系统的成本与体积。同样的，第一，二阀门采用压力需求较小的比例控制阀门。

尾气燃烧室为催化燃烧室，采用接触催化燃烧的方式回收电堆的尾气，并连接外部供给的空气与燃料。由于来自电堆的尾气只含有稀薄的燃料，无法正常燃烧，所以不适宜以常规燃烧的方式进行回收，优选采用催化剂接触氧化的方式回收。并且在系统启动时，水蒸气重整器温度较低，不能进行高效率重整，而大量甲烷进入电堆会导致电堆积炭，性能退化，所以在启动时不能为电堆输送燃料，阳极尾气中没有可燃气体，这样尾气燃烧室就可以利用外部供给的空气和燃料催化燃烧，预热系统，当系统的温度达到一定时，再为电堆通入燃料，系统正常运行。此外，外部供给的空气和燃料还可以用来控制尾气燃烧室的工作温度。当尾气燃烧室温度过高时，通入外部新鲜的冷空气可以降温，当尾气燃烧室温度过低时，通入外部的燃料可以提高温度。

尾气最后利用冷凝器回收水汽后形成废气以低于100℃的温度排出系统。系统采用的是水蒸气重整的方式，具有很高的氢气转化率，但必须提供充足的水蒸气，为此系统采用冷凝器回收尾气中含有的大量水汽，形成水循环。储水罐只在启动过程中使用少量水，系统开始运行后用冷凝器为系统提供水。

采用两级热热容量相匹配的交换器预热空气，低温热交换器将空气从室温预热到300～400℃，高温热交换器再将空气预热到700℃以上。两级热交换器可以提高尾气的热利用效率，并且能够为水蒸气重整器带来足够的热量，因为如果使用一个换热器，交换器换热功率就要求非常大，放在水蒸气重整器之前预热，会导致水蒸气重整器的热量不够，而放在水蒸气重整器之后预热，会导致进入电堆的空气温度不足。采用两个容量匹配的换热器，可以很好地分配烟气的热量，同时满足电堆入口空气的温度及水蒸气重整器的工作温度。

功率变换器能够将电堆单元输出的低电压大电流直流电以高于95％的效率转换为系统可用的直流、交流电并供负载使用，并兼顾电堆与储能装置之间的能量协调管理功能，逐渐将电堆输出功率跟踪到外部负载需求功率，并为储能装置进行充电。

本发明还提供了上述电池系统的控制方法，具体为：控制单元按照如下方式完成热电协同控制：

由于外部负载需求功率增大，则要求电池系统的输出功率增大，在此情形下，热电协同控制过程如下：通过增大第二流量计的开度增加燃料供给单元的燃料供应量以增大电堆单元的输出功率：通过增大外部风机的转速增加进入电堆单元的空气流量以及减小第一阀门的开度降低进入电堆单元的空气温度，以维持电堆单元的预定温度要求；燃料供给单元的燃料供应量增大后，燃料供给单元的工作温度降低，通过增大第一质量流量计的开度增加尾气回收单元的输入燃料流量，从而升高尾气回收单元的工作温度，进而维持燃料供给单元的预定温度要求；若尾气回收单元的工作温度高于其预定温度要求，通过第二阀门增加尾气回收单元的输入空气流量以维持尾气回收单元的预定温度要求；

由于外部负载需求功率减小，则要求电池系统的输出功率减小，在此情形下，热电协同控制过程如下：通过减小第二流量计的开度减少燃料供给单元的燃料供应量以减小电堆单元的输出功率：通过减小外部风机的转速减少进入电堆单元的空气流量以及增大第一阀门的开度提高进入电堆单元的空气温度，以维持电堆单元的预定温度要求；燃料供给单元的燃料供应量减少后，燃料供给单元的工作温度升高，通过减小第一质量流量计的开度减少尾气回收单元的输入燃料流量，从而降低尾气回收单元的工作温度，进而维持燃料供给单元的预定温度要求。

附图说明

图1是本发明电池系统结构框图；

图2是本发明一个优选实现方式的具体结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，系统包括：电堆单元26、空气供给单元51、燃料供给单元49、尾气回收单元50、电管理单元52、控制单元53、第一阀门9、第二阀门10、第一质量流量计22和第二质量流量计41。空气供给单元51的第一输出端通过第一阀门9管道连接电堆单元26的阴极气体输入端，空气供给单元51的第二输出端通过第二阀门10管道连接尾气回收单元50的空气输入端；燃料供给单元49的氢气输出端通过第二质量流量计41管道连接电堆单元26的阳极气体输入端，燃料供给单元49的燃料输出端通过第一质量流量计22管道连接尾气回收单元50的燃料输入端；电堆单元26的尾气输出端连接尾气回收单元50的输入端，电堆单元26的电能输出端连接电管理单元53的电能输入端；尾气回收单元50的输出端管道连接燃料供给单元49的输入端；控制单元52的流量采集端采集第一阀门9、第二阀门10、第一质量流量计22和第二质量流量计41的流量信息，控制单元52的温度采集端采集电堆单元26、空气供给单元51、燃料供给单元49和尾气回收单元50的温度信息，控制单元52的功率采集端采集电堆单元26的输出功率；控制单元52的流量控制信号输出端电连接第一阀门9、第二阀门10、第一质量流量计22和第二质量流量计41的控制端，控制单元52的电管理信号输出端电连接电管理单元53的电管理信号输入端；电管理单元53的电能输出端电连接外部负载、第一阀门9、第二阀门10、第一质量流量计22和第二质量流量计41的供电端。

结合图2，各单元的具体结构及连接如下：

电堆单元包括两个以上的SOFC电堆24、25，电堆用串联方式连接，电堆由多片平板式SOFC电池片63串联组成；

空气供给单元包括：过滤器2、调速离心风机3、三通管4、三通管8和第三阀门17，调速离心风机3的转速控制端电连接控制单元52的流量控制信号输出端；空气1经过过滤器2被调速离心风机3加压后输入到系统，然后经过分为两路，一路55经过第三阀门17进入两换热器16和5进行预热，另一路6为旁路通过三通管8再分为两路56、57，分别用第一、二阀门10、9控制，其中一路56进入尾气燃烧室20，另一路57与预热后的空气混合62进入电堆单元26。

燃料供给单元包括：燃料气瓶23，减压阀13，除硫装置42，储水罐12，过滤器46，注入器39，蒸发器14和水蒸气重整器15；燃料瓶23中的天然气经过减压阀13后分为两路，一路用质量流量计22控制进入尾气燃烧室20，另一路经过除硫装置42和质量流量计41后，与来自储水罐12，经过过滤器46被注入器39注入的水，尾气回收单元50回收的水与混合后进入蒸发器14，然后再进入水蒸气重整器15生成氢气，最后再进入电堆单元26。

尾气回收单元包括：尾气燃烧室20，点火器43，两级换热器16、5，冷凝器47；点火器43用于点燃尾气燃烧室20，电堆的阴极尾气36、阳极尾气37通入尾气燃烧室20，产生的高温烟气19通入热交换器16、5预热空气55，并为水蒸气重整器15提供热量，然后再通入蒸发器14，最后进入冷凝器47回收水48。尾气燃烧室兼顾系统启动与尾气回收功能，启动过程使用旁路供应空气56与燃料59，尾气回收时使用电堆阴极尾气36与阳极尾气37。尾气燃烧室20为催化反应燃烧室，能够高效燃烧高产热或者低产热气体，氮氧化合物及一氧化碳排出量小于10ppm，耐温1100℃。冷凝器4优选为带过滤装置的冷凝器。换热器分为两级，分别为高温换热器16和低温换热器5，能够将室温的空气1预热到700℃以上

电管理单元包括：功率变换器32，储能装置34；功率变换器32的第一电能输入端连接电堆单元26的电能输出端，功率变换器32的第二电能输入端电连接储能装置34的输出端，功率变换器32的电管理信号输入端电连接控制单元52的电管理信号输出端，功率变换器32的电能输出端电连接外部负载、第一阀门9、第二阀门10、第一质量流量计22、第二质量流量计41和调速离心风机3的供电端。功率变换器32将电堆单元26发出的直流电44、45以大于95％的效率转换为直流与交流电31供负载及SOFC系统寄生设备如风机3、质量流量计22、41、旁路阀9、10使用，储能装置34为系统启动过程提供电能，并在外部负载变化时，协助电堆单元26进行外部功率跟踪。功率变换器32能够管理电堆单元26与储能装置34的能量流并控制储能装置34的充放电状态。储能装置34为可充电的大容量蓄电池或者超级电容，能完成系统的启动过程。

控制单元包括：传感器27，信号处理器35，控制器29，控制输出单元30；传感器27通过信号处理器35电连接控制器29，控制器29的流量控制信号输出端电连接第一阀门9、第二阀门10、第一质量流量计22和第二质量流量计41的控制端，控制单元52的电管理信号输出端电连接电管理单元53的输入端。传感器27采集各单元的温度、阀门和流量计的流量信号以及电堆单元26的输出功率，信号处理器35对采集信号进行滤波、放大等预处理，控制器依据这些信号根据负载功率变化进行系统的热、电进行协同控制。

控制单元按照如下方式完成热电协同控制：

由于外部负载需求功率增大，则要求电池系统的输出功率增大，在此情形下，热电协同控制过程如下：通过增大第二流量计41的开度增加燃料供给单元49的燃料供应量以增大电堆单元26的输出功率；由于电堆单元的内部电化学反应速率加剧，放热增大，引起电池片最大温度梯度以及最大工作温度增大，通过增大外部风机的转速增加进入电堆单元26的空气流量以及减小第一阀门9的开度降低进入电堆单元26的空气温度，以维持电堆单元26的预定温度要求；燃料供给单元49的燃料供应量增大后，在水蒸气重整器内的吸热重整反应速率加剧，使得燃料供给单元49的工作温度降低，引起重整效率和系统性能的下降，此时通过增大第一质量流量计22的开度增加尾气回收单元50的输入燃料流量，从而升高尾气回收单元50的工作温度，进而维持燃料供给单元49的预定温度要求；不可避免的，尾气燃烧室还会受到电堆尾气流量增加的影响，若尾气回收单元50的工作温度高于其预定温度要求，通过减小第一质量流量计22的开度减少尾气回收单元50的输入燃料流量或者第二阀门10增加尾气回收单元50的输入空气流量，以维持尾气回收单元50的预定温度要求。功率增加的热、电协同控制过程需要数秒甚至十几秒才能够完成，为了及时响应外部负载的工作需求，储能装置可切换为放电状态，临时提供外部负载增大部分的功率，帮助系统过渡到新的工作状态。

由于外部负载需求功率减小，则要求电池系统的输出功率减小，在此情形下，热电协同控制过程如下：通过减小第二流量计41的开度减少燃料供给单元49的燃料供应量以减小电堆单元26的输出功率；由于电堆单元的内部电化学反应速率降低，放热减小，会引起电池片最大温度梯度的增大以及工作温度的降低，通过减小外部风机的转速减少进入电堆单元26的空气流量以及增大第一阀门9的开度提高进入电堆单元26的空气温度，以维持电堆单元26的预定温度要求；燃料供给单元49的燃料供应量减少后，在水蒸气重整器内的吸热重整反应速率降低，使得燃料供给单元49的工作温度升高，进入电堆单元26的燃料温度增加，通过减小第一质量流量计22的开度减少尾气回收单元50的输入燃料流量，从而降低尾气回收单元50的工作温度，进而维持燃料供给单元49的预定温度要求。

在本发明提供的系统中，对燃料供给单元49和尾气回收单元50的温度控制就是对水蒸气重整器15和尾气燃烧室20的控制。

通过以上方法，本发明提出的SOFC系统能够有效管理系统的各温度约束，能为电堆单元26提供稳定、最优的工作环境，提高系统效率与使用寿命。外部负载需求功率发生变化是经常面临的工况，SOFC系统需要能够快速地跟踪外部负载需求，但由于燃料供给单元49响应较慢，电堆单元26输出功率的跟踪能力有限，因此进一步增设储能装置34辅助电堆进行外部负载功率跟踪，防止电堆单元26出现燃料亏空现象，保护电堆单元26性能，保证系统的工作寿命。在外部负载需求功率增大时，先由储能装置提供功率增大部分，待电堆燃料供给充足之后再由电堆供应。

系统的工艺流程：空气1经过过滤器2后通过风机3加压后分为两路，一路进入换热器5、16，另一路为旁路6，旁路再分为两路，一路进入尾气燃烧室20，一路与预热后的空气混合进入电堆单元26。燃料经过减压阀13、脱硫装置42、质量流量计41后与回收的水48进入蒸发器14，然后进入水蒸气重整器15转化成以氢气为主的混合气后进入电堆单元26参与电化学反应，发出电能经过功率变换器32供系统及外部负载使用。电堆尾气则通过尾气燃烧室20回收产生高温烟气19，先后进入高温换热器16、重整器15、低温换热器5、蒸发器14，最后通过冷凝器47回收水蒸气48，并排出废气11。

系统的启动过程：储能装置34通过功率变换器32为系统供电，旁路阀9关闭，质量流量计41关闭，空气经过调速离心风机3加压后一部分进入换热器5、16，另一部分进入尾气燃烧室20，与质量流量计22控制的燃料59催化燃烧产生热量预热系统，电堆主要用空气62预热。当电堆单元26被预热到500℃以上，水蒸气重整器15被预热到650℃以上时，逐渐打开质量流量计41通入燃料进行重整，直到系统进入稳定工作状态，电堆单元26开始发电，逐渐代替储能单元34，并为之充电。

系统的工作过程：空气过滤后通过风机3加压后分为两路，一路进入换热器5、16，另一路为旁路6，旁路再分为两路，一路进入尾气燃烧室20，一路与预热后的空气混合进入电堆。燃料经过减压阀13、脱硫装置42、质量流量计41后与回收的水48进入蒸发器14，然后进入水蒸气重整器15转化成以氢气为主的混合气后进入电堆单元26参与电化学反应，发出电能经过功率变换器32供系统及外部负载使用。电堆尾气则通过尾气燃烧室20回收产生高温烟气19，先后进入高温换热器16、重整器15、低温换热器5、蒸发器14，最后通过冷凝器47回收水蒸气48，并排出尾气11。运行过程中通过调节风机3的转速，旁路阀9、10，质量流量计22可以有效控制电堆单元26、尾气燃烧室20、水蒸气重整器15的温度，使得系统工作在最佳状态，从而达到提高系统效率，保证使用寿命的目的。

系统的紧急保护及停机过程：立即切断负载31供电，并利用储能装置34为系统供电，然后关闭燃料电磁阀64并打开氮气电磁阀65，系统通入氮气66以排出水蒸气重整器15和电堆单元26中的燃料气体，保护系统，等待系统重启或者停机。当系统运行完毕进行停机时，首先切断负载31供电，切换储能装置34为放电状态并为系统进行供电，然后降低调速离心风机3的转速，降低空气流量，减小燃料质量质量流量计41的流量并关闭燃料电磁阀64，同时打开氮气电磁阀65清扫水蒸气重整器15与电堆单元26中的燃料，3～5分钟后，关闭所有的阀门与质量流量计，切断储能装置34，系统停机完成。

本发明的一个5kW SOFC系统实施例中，以天然气为燃料，对整个系统进行热平衡计算。燃料电池电堆的入口阴阳极气体温度分别为720℃、700℃，电堆工作在750℃，燃烧室工作在950℃，水蒸气重整器工作在700℃，燃料和空气在燃料电池中的利用率分别为80％和30％，系统工作压力为高于大气压0.3bar，燃料电池单片电池尺寸为11*11cm，有效工作面积为9*9cm，4个电堆，132片电池，分别工作在0.70V电压，输出电流密度为0.7A/cm^-2，功率变换器的直流转交流效率为95％，尾气排出温度为50℃，水蒸气重整器重整效率为93％，重整气(干气)成分为氢气80％，一氧化碳12％，二氧化碳7％，甲烷1％。系统消耗的燃料及空气流量分别为67.2L/min，787L/min，得到5kW的净功率输出，系统的发电效率为53％，电堆的性能衰减为0.5％/10000h。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种固体氧化物燃料电池系统的控制方法，涉及的固体氧化物燃料电池系统包括电堆单元、空气供给单元、燃料供给单元和尾气回收单元，空气供给单元的第一输出端管道连接电堆单元的阴极气体输入端，空气供给单元的第二输出端管道连接尾气回收单元的空气输入端；燃料供给单元的氢气输出端管道连接电堆单元的阳极气体输入端，燃料供给单元的燃料输出端管道连接尾气回收单元的燃料输入端；电堆单元的尾气输出端连接尾气回收单元的输入端；尾气回收单元的输出端管道连接燃料供给单元的输入端，其特征在于，该控制方法具体为：

由于外部负载需求功率增大，则要求电池系统的输出功率增大，在此情形下，热电协同控制过程如下：增加燃料供给单元的燃料供应量以增大电堆单元的输出功率：增加进入电堆单元的空气流量以及降低进入电堆单元的空气温度，以维持电堆单元的预定温度要求；燃料供给单元的燃料供应量增加后，燃料供给单元的工作温度降低，通过增加尾气回收单元的输入燃料流量升高尾气回收单元的工作温度，进而维持燃料供给单元的预定温度要求；若尾气回收单元的工作温度高于其预定温度要求，则增加尾气回收单元的输入空气流量以维持尾气回收单元的预定温度要求；

由于外部负载需求功率减小，则要求电池系统的输出功率减小，在此情形下，热电协同控制过程如下：减少燃料供给单元的燃料供应量以减小电堆单元的输出功率：减少进入电堆单元的空气流量以及升高进入电堆单元的空气温度，以维持电堆单元的预定温度要求；燃料供给单元的燃料供应量减少后，燃料供给单元的工作温度升高，通过减少尾气回收单元的输入燃料流量降低尾气回收单元的工作温度，进而维持燃料供给单元的预定温度要求。

2.一种固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，包括电堆单元(26)、空气供给单元(51)、燃料供给单元(49)、尾气回收单元(50)、电管理单元(53)、控制单元(52)、第一阀门(9)、第二阀门(10)、第一质量流量计(22)和第二质量流量计(41)；

空气供给单元(51)的第一输出端通过第一阀门(9)管道连接电堆单元(26)的阴极气体输入端，空气供给单元(51)的第二输出端通过第二阀门(10)管道连接尾气回收单元(50)的空气输入端；燃料供给单元(49)的氢气输出端通过第二质量流量计(41)管道连接电堆单元(26)的阳极气体输入端，燃料供给单元(49)的燃料输出端通过第一质量流量计(22)管道连接尾气回收单元(50)的燃料输入端；电堆单元(26)的尾气输出端连接尾气回收单元(50)的输入端，电堆单元(26)的电能输出端连接电管理单元(53)的电能输入端；尾气回收单元(50)的输出端管道连接燃料供给单元(49)的输入端；控制单元(52)的流量采集端采集第一阀门(9)、第二阀门(10)、第一质量流量计(22)和第二质量流量计(41)的流量信息，控制单元(52)的温度采集端采集电堆单元(26)、空气供给单元(51)、燃料供给单元(49)和尾气回收单元(50)的温度信息，控制单元(52)的功率采集端采集电堆单元(26)的输出功率；控制单元(52)的流量控制信号输出端电连接第一阀门(9)、第二阀门(10)、第一质量流量计(22)和第二质量流量计(41)的控制端，控制单元(52)的电管理信号输出端电连接电管理单元(53)的电管理信号输入端；电管理单元(53)的电能输出端电连接外部负载、第一阀门(9)、第二阀门(10)、第一质量流量计(22)和第二质量流量计(41)的供电端。

3.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，所述燃料供给单元(49)包括燃料气瓶(23)、减压阀(13)、除硫装置(42)、储水罐(12)、过滤器(46)、注入器(39)、蒸发器(14)和水蒸气重整器(15)；燃料气瓶(23)中的天然气经过减压阀(13)后分为两路，一路天然气通过第一质量流量计(22)进入尾气回收单元(50)，另一路天然气经过除硫装置(42)和第二质量流量计(41)后进入蒸发器(14)；储水罐(12)的水经过过滤器(46)后被注入器(39)注入蒸发器(14)，同时尾气回收单元(50)回收的水进入蒸发器(14)，蒸发器(14)输出的水蒸气进入水蒸气重整器(15)，在催化反应堆(54)生成氢气，氢气进入电堆单元(26)。

4.根据权利要求3所述的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，所述尾气回收单元(50)包括尾气燃烧室(20)、点火器(43)、两换热器(16和5)、冷凝器(47)；点火器(43)用于点燃尾气燃烧室(20)，电堆单元(26)的阳极和阴极尾气进入尾气燃烧室(20)，尾气燃烧室(20)产生的高温尾气依次为第一热交换器(16)、水蒸气重整器(15)、第二热交换器(5)和蒸发器(14)提供热量，蒸发器(14)输出的水蒸气进入冷凝器(47)，两换热器(16和5)以及尾气燃烧室(20)内的冷空气由空气供给单元(51)提供。

5.根据权利要求4所述的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，所述空气供给单元(51)包括过滤器(2)、调速离心风机(3)、第一三通管(4)、第二三通管(8)和第三阀门(17)，调速离心风机(3)的转速控制端电连接控制单元(52)的流量控制信号输出端；空气经过过滤器(2)由调速离心风机(3)控制流量通过第一三通管(4)分成两路空气，第一路空气由第三阀门(17)控制流量经过两换热器(16和5)预热后进入电堆单元(26)，第二路空气再通过第二三通管(8)分为第三、四路空气，第三路空气由第一阀门(9)控制流量进入电堆单元(26)，第四路空气由第二阀门(10)控制流量进入尾气燃烧室(20)。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，所述电管理单元(53)包括功率变换器(32)和储能装置(34)，功率变换器(32)的第一电能输入端连接电堆单元(26)的电能输出端，功率变换器(32)的第二电能输入端电连接储能装置(34)的输出端，功率变换器(32)的电管理信号输入端电连接控制单元(52)的电管理信号输出端，功率变换器(32)的电能输出端电连接外部负载、第一阀门(9)、第二阀门(10)、第一质量流量计(22)、第二质量流量计(41)和调速离心风机(3)的供电端。

7.一种基于权利要求2至6中任意一种固体氧化物燃料电池系统的控制方法，其特征在于，控制单元按照如下方式完成热电协同控制：

由于外部负载需求功率增大，则要求电池系统的输出功率增大，在此情形下，热电协同控制过程如下：增大第二流量计(41)的开度增加燃料供给单元(49)的燃料供应量以增大电堆单元(26)的输出功率：通过增大外部风机的转速增加进入电堆单元(26)的空气流量以及减小第一阀门(9)的开度降低进入电堆单元(26)的空气温度，以维持电堆单元(26)的预定温度要求；燃料供给单元(49)的燃料供应量增大后，燃料供给单元(49)的工作温度降低，通过增大第一质量流量计(22)的开度增加尾气回收单元(50)的输入燃料流量，从而升高尾气回收单元(50)的工作温度，进而维持燃料供给单元(49)的预定温度要求；若尾气回收单元(50)的工作温度高于其预定温度要求，通过第二阀门(10)增加尾气回收单元(50)的输入空气流量以维持尾气回收单元(50)的预定温度要求；

由于外部负载需求功率减小，则要求电池系统的输出功率减小，在此情形下，热电协同控制过程如下：通过减小第二流量计(41)的开度减少燃料供给单元(49)的燃料供应量以减小电堆单元(26)的输出功率：通过减小外部风机的转速减少进入电堆单元(26)的空气流量以及增大第一阀门(9)的开度提高进入电堆单元(26)的空气温度，以维持电堆单元(26)的预定温度要求；燃料供给单元(49)的燃料供应量减少后，燃料供给单元(49)的工作温度降低，通过减小第一质量流量计(22)的开度减少尾气回收单元(50)的输入燃料流量，从而降低尾气回收单元(50)的工作温度，进而维持燃料供给单元(49)的预定温度要求。