CN103299467B - 用于控制燃料电池系统中的燃料供给的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的焦点是燃料电池系统，该燃料电池系统包括：燃料供给装置（116），用于将燃料供给到燃料电池系统并且提供与燃料相关的信息，装置(118)，用于生成与在燃料电池中的燃料利用以及在燃料电池系统处理中的氧碳比（O/C比）相关的信息，和，主动装置（120），用于控制燃料电池的负载。该燃料电池系统还包括：第一闭环控制器（122），用于通过以下的方式来控制燃料供给装置（116），即：考虑作为处理反馈信息的燃料利用信息，并且当O/C比偏离允许的范围时通过限制第一控制器（122）的输出来实施控制O/C比的约束功能，和，第二控制器（124），用于通过按照以下的方式实施控制燃料利用的约束功能而控制主动燃料电池负载装置（120），即：当所述燃料利用偏离允许的范围时限制第二控制器（124）的输出。

Description

用于控制燃料电池系统中的燃料供给的方法和装置
技术领域
世界上的大多数能量是通过石油、煤、天然气或核能的方式产生。所有这些产生方法都具有它们特定的问题，例如，在可用性和对环境的友好性方面。在环境方面，尤其是石油和煤在被燃烧时造成了污染。与核能相关的问题至少是使用过的燃料的储存。
特别地由于环境问题，已经提出了对环境更加友好的并且例如比上述能源具有更佳的效率的新能源。燃料电池设备是充满前景的未来能量转换设备，通过该设备，燃料例如生物气体在对环境友好的处理中通过化学反应被直接地转换为电。
背景技术
如在图1中所示的燃料电池包括阳极侧100、阴极侧102和在它们之间的电解质材料104。在燃料电池中，氧气106被馈送到阴极侧102，并且通过从阴极接收电子而被还原为负氧离子。负氧离子通过电解质材料104到达阳极侧100，在阳极侧100，负氧离子与燃料108反应，产生水并且还典型地产生二氧化碳（CO2）。在阳极侧100和阴极侧102之间的是包括燃料电池的负载110的外部电路111。
在图2中示出了作为高温燃料电池设备的示例的SOFC设备。SOFC设备是直接根据将燃料氧化而产生电的电化学转换设备。SOFC设备可以将例如天然气、生物气体、甲醇或包括碳化氢混合物的其他化合物用作燃料。在图2中的SOFC设备包括以堆形式103（即，处于SOFC堆中）的多于一个（典型地，多个）的燃料电池，并且典型地在一个SOFC设备中具有一对的这样的堆103。每一个燃料电池包括如在图1中所示的阳极100和阴极102。使用过的燃料的一部分在反馈布置109中再循环。在图2中的SOFC设备还包括燃料热量交换器105和重整器107。热量交换器用于控制在燃料电池处理中的热量条件，并且多于一个的热量交换器可以位于SOFC设备的不同位置。在热量回收单元中，在循环气体中的额外的热能在一个或更多个热量交换器105中被回收以用于SOFC设备中或者外部。重整器107是将诸如天然气这样的燃料转换为适合用于燃料电池的组分（例如，包括氢和甲烷、二氧化碳、一氧化碳、以及惯性气体的组分）的设备。尽管如此，无论如何，在每一个SOFC设备中，不是一定要具有重整器的。
通过使用测量装置115（诸如燃料流量计、电流计和温度计），根据通过阳极再循环的气体，执行对于SOFC设备的操作而言必要的测量。在阳极100使用的气体的仅一部分在反馈布置109中通过阳极再循环，并且气体的其他部分从阳极100排出114。
SOFC设备的优点包括高效率、长期稳定性、低放射和低成本。主要的缺点是将导致长的启动时间以及机械和化学的兼容性问题的高操作温度。
在非固定操作的燃料电池系统中，必须根据燃料电池负载来调节燃料供给，从而将燃料利用（FU）率维持在期望的水平。在SOFC系统中，除了所述的燃料利用要求之外，氧碳（OC）比必须通过例如阳极再循环、部分氧化或外部供水这样的方式维持在足够高的水平，以确保不会形成固态氧。典型地，燃料供给、水平衡和可能的其它供给以及燃料电池负载的控制是基于人工设置点或预定设置组或参数相关。当在系统周围和系统内的条件稳定时，这些控制方法是正确的。然而，如果至少一个条件改变，例如，如果在SOFC系统中存在燃料组分变化，（一个或多个）控制器的响应时间被限制，或者在（一个或多个）SOFC系统设备中的容量部分地或甚至全部丢失，则这些现有技术的控制方案快速地响应的能力被限制为所述预先确定的情形。
发明内容
本发明的目的是实现如此的燃料电池系统，该燃料电池系统能够足够良好并且快速地适应在燃料电池系统中的操作条件的内部改变和/或外部改变。这可以通过如下的一种用于利用燃料电池产生电的高温燃料电池系统来实现，每一个燃料电池包括阳极侧、阴极侧和在所述阳极侧和所述阴极侧之间的电解质。所述高温燃料电池系统包括：燃料供给装置，所述燃料供给装置用于将燃料供给到所述燃料电池系统并且提供与所述燃料相关的信息，用于生成与在所述燃料电池中的燃料利用以及在燃料电池系统处理流中的氧碳比（O/C比）相关的信息的装置，主动装置，所述主动装置用于控制所述燃料电池的负载，第一闭环控制器，所述第一闭环控制器用于通过以下的方式来控制所述燃料供给装置，即：考虑作为处理反馈信息的燃料利用信息，并且当O/C比以下降到低于在允许的范围中的最小目标值的方式偏离所述允许的范围时通过限制所述第一控制器的输出来实施控制所述O/C比的约束功能，和，第二控制器，所述第二控制器用于通过按照以下的方式实施控制燃料利用的约束功能而控制所述主动燃料电池负载装置，即：当所述燃料利用以超过在允许的范围中的目标值的方式偏离所述允许的范围时限制所述第二控制器的输出。
本发明的焦点也是一种用于在高温燃料电池系统中产生电的方法。在所述方法中，通过提供与燃料相关的信息的方式将所述燃料供给到所述高温燃料电池系统，生成与在燃料电池中的燃料利用以及在燃料电池系统处理流中的氧碳比（O/C比）相关的信息，主动地控制所述燃料电池的负载，通过以下的方式来控制燃料的供给，即：考虑作为处理反馈信息的燃料利用信息，并且当O/C比以下降到低于在允许的范围中的最小目标值的方式偏离所述允许的范围时通过限制第一控制（122）输出来实施控制所述O/C比的约束功能，以及，通过按照以下的方式实施控制燃料利用的约束功能而主动地控制所述燃料电池的负载，即：当所述燃料利用以超过在允许的范围中的目标值的方式偏离所述允许的范围时限制第二控制输出。
本发明基于在燃料电池中的燃料和燃料利用以及氧碳比（O/C比）相关地生成的信息的利用，以及基于对燃料电池的负载的主动控制。燃料利用信息被用作处理反馈信息，并且当O/C比偏离允许的范围时通过限制第一控制器的输出来实施控制所述O/C比的约束功能。而且，在燃料电池的负载的控制中，通过当燃料利用偏离允许的范围时限制第二控制器的输出，实施控制所述燃料利用的约束功能。
本发明提供用于燃料电池系统操作条件的控制方法和装置，固有地能够适当地响应燃料电池系统的操作条件的内部和/或外部改变，诸如燃料组分的改变或系统部件的吞吐量的改变。与现有技术的实施不同，基于诸如氧碳比（O/C比）和燃料利用（FU）这样的有效反馈信息的根据本发明的控制方法不需要针对各种操作条件的预定的参数组或期望值。
附图说明
图1表示单个燃料电池结构。
图2表示SOFC设备的示例。
图3表示根据本发明的优选实施方式。
具体实施方式
固体氧化物燃料电池（SOFC）可以具有多种几何结构。平面几何结构（图1）是大部分类型的燃料电池所采用的典型的夹层类型几何结构，其中，电解质104被夹在电极即阳极100和阴极102之间。SOFC还可以被制造为管状几何结构，其中，使例如空气或燃料通过管的内部，并且使其它气体沿着管的外部经过。还可以布置为：使得用作燃料的气体通过管的内部，并且使空气沿着管的外部经过。管状设计在将空气与燃料密封方面是更好的。然而，无论如何，平面设计的性能优于管状设计的性能，因为平面设计具有相对较低的阻力。其它几何结构的SOFC包括修改的平面电池（MPC或MPSOFC），其中，波形结构代替平面电池的传统平坦构造。如此的设计是充满前景的，因为它们同时具有平面电池（低阻力）和管状电池的优点。
在SOFC中使用的陶瓷不会变得有效地离子化，直到它们达到非常高的温度，并且因此，堆必须在从600到1,000°C的温度下被加热。氧气（图1）到氧离子的还原发生在阴极102。这些离子然后可以被传送通过固体氧化物电解质到达阳极100，在阳极100处，它们可以电化学地氧化用作燃料的气体。在该反应中，产生了水和二氧化碳副产品以及两个电子。这些电子然后流动通过外部电路111，在该外部电路111中，这些电子可以被利用。当那些电子再次进入阴极材料102时，循环然后重复。
在较大的固体氧化物燃料电池系统中，典型的燃料是天然气（主要是甲烷）、不同的生物气体（主要是用氮气和/或二氧化碳稀释了的甲烷）和包含高级烃的其它燃料（包括乙醇）。甲烷和高级烃需要在进入燃料电池堆之前在重整器107（图2）中进行重整，或者在堆103内部（部分地）重整。重整反应需要特定量的水，并且还需要另外的水来防止由高级烃引起的可能的积碳（焦化）。该水可以通过再循环阳极排气气流来内部地提供，因为在燃料电池反应中过量地产生了水，并且/或者通过辅助的水供给（例如，直接的淡水供给或排气冷凝物的循环）来提供。通过阳极再循环布置，在阳极气体中的稀释剂和未使用过的燃料的一部分也被反馈回到处理中，而在辅助水供给布置中，仅将水添加到处理中。
在本发明中，通过基于交互式控制器122和124（图3）的操作来控制关键的燃料电池堆操作参数（例如，燃料利用（FU）、氧碳比（O/C比）和堆103的负载），实现了对它们的弹性控制。将燃料利用测量或计算用作处理反馈信息，在闭环控制器122中控制燃料供给。所述闭环控制器122的输出被氧碳比（O/C）最小条件所约束（即，限制）。闭环控制器122驱动燃料供给装置116以实现特定的燃料利用目标。而且，控制器122的特征在于它将O/C比信息、燃料利用设置点和/或燃料利用最小极限作为输入，并且如果需要的话，基于O/C比实施非线性约束功能以限制燃料供给。O/C比向下偏离参考水平越多，在燃料供给装置116中的燃料供给的降低率（pull-downrate）越高。堆的负载的控制120由在控制器124中的相似的基于燃料利用的约束所限制。控制器122和124优选地设置在数字处理器中，并且它们可以位于相同的处理器中或者分开地在不同的处理器中。
根据本发明的控制方法提供了具有对突然的条件改变做出响应的固有能力的精益控制实施。如果例如燃料组分突然改变为更加稀释的燃料，则当需求增加时，在堆的负载的控制120（图3）中的燃料利用（FU）约束将迅速地将负载减小到安全的FU水平，其中，之后，系统能够自动地以由例如水平衡控制128和/或燃料供给的上升能力确定的速率逐渐地向期望的负载水平上升。相似地，负载的突然下降可以强制由FU控制器122中的O/C比约束所触发的燃料供给的迅速降低，从而实现适合于维持充分的O/C比的燃料水平。因此，通过降低燃料供给以维持在阳极再循环系统中的充分的O/C比，该方法也固有地防止了燃烧阳极尾气的未再循环的部分的后燃器中由于燃料电池负载的完全下降或部分下降所导致的可燃物的供给的急剧上升。
在图3中表示根据本发明的优选实施方式。燃料电池系统包括燃料供给装置116和装置132，该燃料供给装置116用于将燃料供给到燃料电池系统并且提供与燃料相关的信息，该装置132用于执行在燃料电池堆103之前的燃料预处理。重整器107也在燃料电池堆103之前执行如结合图2描述的重整器功能。装置132和重整器107不是在图3中表示的优选实施方式的必要部分。装置118生成与在燃料电池103中的燃料利用以及在燃料电池系统处理中的氧碳比（O/C比）相关的信息。装置118是例如用于测量化学组分的测量设备，但是装置118也可以是用于在计算处理中生成与在燃料电池中的燃料利用相关的信息和与在燃料电池系统处理中的氧碳比（O/C比）相关的信息的处理器。用于控制燃料电池的负载的在图3中的主动装置120例如是用于测量燃料电池的负载的电学测量设备和用于根据所述测量主动地增加或减小燃料电池的负载的设备布置。
在图3中的优选实施方式进一步地包括第一闭环控制器122，该第一闭环控制器122用于通过下面的方式来控制所述燃料供给装置116，即：考虑作为处理反馈信息的燃料利用信息，并且当O/C比偏离允许的范围时通过限制第一控制器122的输出来实施控制所述O/C比的约束功能。燃料供给装置116可以被设置为可通过使用例如可控阻气阀主动地控制，该可控阻气阀可以是用于基于所述燃料利用信息和/或O/C比来调节燃料流量的质量流调节器。
第二控制器124用于通过以下面的方式实施控制燃料利用的约束功能而控制主动燃料电池负载装置120，上述方式即：当所述燃料利用偏离允许的范围时限制第二控制器124的输出。优选地，燃料电池控制系统包括用于实施积分控制参数偏移限制以防止在被约束的操作期间控制器的饱和的装置。燃料电池系统还可以包括用于实施针对控制器输出的斜坡限制功能从而有利于从被约束的操作回到普通闭环操作的平稳转变的第一闭环控制器122和/或第二控制器124。第二控制器124可以是闭环控制器，但是例如在其中电流控制功率电子部件被用作负载的实施方式中，闭环不是必要的。
在图3中的系统部分134实现由第一闭环控制器122确定的对馈入燃料的改变。在本发明的优选实施方式中，可以通过燃料供给装置116将如此的燃料供给到燃料电池系统，所述燃料在不同的时间点包括不同的化学组分，并且所述装置116提供与在不同的时间点的所述燃料相关的信息。如此燃料的示例是生物气体。
根据本发明的燃料电池系统可以包括用于再循环在阳极侧100供应的燃料或其一部分的装置126，但是本发明也可以用于不具有在阳极侧的燃料的再循环的燃料电池系统中。辅助水供给130也不是在每一个燃料电池系统中都是必要的。
与SOFC一样，本发明还可以用于MCFC（熔融碳酸盐燃料电池）和在400°C以及更高温度下操作的其它高温燃料电池。MCFC是使用由在多孔的化学惰性陶瓷基质（β″氧化铝固体电解质）中悬浮的熔融碳酸盐混合物构成的电解质的高温燃料电池。
尽管已经参考附图和说明书描述了本发明，但是本发明绝不限制于那些，因为本发明可进行在由权利要求书允许的范围内的变化。

Claims (14)

1.一种用于利用燃料电池产生电的高温燃料电池系统，每一个燃料电池包括阳极侧(100)、阴极侧(102)和在所述阳极侧和所述阴极侧之间的电解质(104)，其特征在于，该高温燃料电池系统包括：
燃料供给装置(116)，所述燃料供给装置(116)用于将燃料供给到所述燃料电池系统并且提供与所述燃料的化学组分相关的信息，
装置(118)，其用于生成与在所述燃料电池中的燃料利用以及在燃料电池系统处理流中的氧碳O/C比相关的信息，
主动装置(120)，所述主动装置(120)用于控制所述燃料电池的负载，
第一闭环控制器(122)，所述第一闭环控制器(122)用于通过以下方式来控制所述燃料供给装置(116)，即：考虑作为处理反馈信息的燃料利用信息，并且当O/C比以下降到低于在允许的范围中的最小目标值的方式偏离所述允许的范围时通过限制所述第一闭环控制器(122)的输出来实施控制所述O/C比的约束功能，以及
第二控制器(124)，所述第二控制器(124)用于通过按照以下方式实施控制燃料利用的约束功能而控制所述主动装置(120)，即：当所述燃料利用以超过在允许的范围中的目标值的方式偏离所述允许的范围时限制所述第二控制器(124)的输出。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括用于再循环在阳极侧(100)的供应的燃料的装置(126)。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，与在所述燃料电池中的燃料利用相关的信息以及与在所述燃料电池系统处理流中的氧碳O/C比相关的信息是在计算处理中生成的。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料供给装置(116)被设置为可主动地控制。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括用于实施限制控制参数值的过度偏移的积分控制参数偏移限制以防止在被约束的操作期间所述第一闭环控制器(122)和所述第二控制器(124)中的至少一个的饱和的所述第一闭环控制器(122)和/或所述第二控制器(124)。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括用于实施针对所述第一闭环控制器(122)的输出和所述第二控制器(124)的输出中的至少一个的限制控制斜坡值的斜坡限制功能以有利于从被约束的操作回到普通闭环操作的平稳转变的所述第一闭环控制器(122)和/或所述第二控制器(124)。
7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料在不同的时间点包括不同的化学组分，并且所述燃料供给装置(116)提供与在不同的时间点的所述燃料的化学组分相关的信息。
8.一种用于在高温燃料电池系统中产生电的方法，其特征在于，在所述方法中：
通过提供与燃料的化学组分相关的信息的方式将所述燃料供给到所述高温燃料电池系统，
生成与在燃料电池中的燃料利用以及在燃料电池系统处理流中的氧碳O/C比相关的信息，
主动地控制所述燃料电池的负载，
通过以下方式来控制燃料的供给，即：考虑作为处理反馈信息的燃料利用信息，并且当O/C比以下降到低于在允许的范围中的最小目标值的方式偏离所述允许的范围时通过限制第一闭环控制器(122)的输出来实施控制所述O/C比的约束功能，
通过按照以下方式实施控制燃料利用的约束功能而主动地控制所述燃料电池的负载，即：当所述燃料利用以超过在允许的范围中的目标值的方式偏离所述允许的范围时限制第二控制器(124)的输出。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在阳极侧(100)再循环供应的燃料。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述方法中，在计算处理中生成与在所述燃料电池中的燃料利用以及与在所述燃料电池系统处理流中的氧碳O/C比相关的信息。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，主动地控制燃料的供给。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述方法中，实施限制控制参数值的过度偏移的积分控制参数偏移限制以防止在被约束的操作期间所述第一闭环控制器(122)的输出和所述第二控制器(124)的输出中的至少一个的饱和。
13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述方法中，实施针对所述第一闭环控制器(122)的输出和所述第二控制器(124)的输出中的至少一个的限制控制斜坡值的斜坡限制功能以有利于从被约束的操作回到普通闭环操作的平稳转变。
14.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述方法中，将燃料供给到所述燃料电池系统，所述燃料在不同的时间点包括不同的化学组分，并且提供与在不同的时间点的所述燃料的化学组分相关的信息。
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