CN108155404A - 一种便携式固体氧化物燃料电池发电装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种便携式固体氧化物燃料电池发电装置及其控制方法。装置包括：电池堆子系统、气体供给子系统、电力变换子系统、负载子系统、监控子系统及控制子系统。采用嵌入式开发板、微型流量调节阀、微型风机、微型气泵及微型传感器等器件进行控制子系统的构建及开发。在开发板对应软件开发环境中进行控制方法开发，采用基于有限状态机控制器设计思路，分为待机状态、启动状态、运行状态及停止状态，分状态进行方法设计。具体包括启动状态的启动流程控制；运行状态的电堆温度、气体供给及能量管理控制及关机状态的关机流程控制。此外各状态含有故障诊断及处理方法。与现有技术相比，本发明具有控制策略简单有效，装置结构简单、体积小巧及安全可靠等特点。

Description

一种便携式固体氧化物燃料电池发电装置及其控制方法
技术领域
本发明属于燃料电池控制技术领域，尤其涉及可独立发电的固体氧化物燃料电池控制技术领域,具体的说是一种便携式固体氧化物燃料电池发电装置及其控制方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池是一种在中高温下直接将储存在燃料与氧化剂中的化学能直接转换为电能的发电装置，具有燃料适应性广、能量转换效率高、全固态、模块化组装及零污染等优点，可以直接使用氢气、一氧化碳、天然气、液化气、煤气及生物质气等多种碳氢燃料。
燃料电池通常以系统形式存在，由电池堆子系统、气体供给子系统、电力变换子系统、负载子系统、监控子系统及控制子系统组成。
便携式电源设备是其应用领域之一，具有广阔的发展空间及前景。
发明内容
针对上述不足，本发明提出了一种便携式固体氧化物燃料电池发电装置及其控制方法，适用于便携式固体氧化物燃料电池发电装置的自动控制。采用嵌入式控制器，微型传感器及微型流量调节阀等器件构建燃料电池控制系统。将装置状态分为待机状态、启动状态、运行状态及停止状态分别进行控制策略开发，以实现系统的自动控制。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种便携式固体氧化物燃料电池发电装置及其控制方法。
一种便携式固体氧化物燃料电池发电装置，包括：
气体供给子系统，通过管路连接电池堆子系统，用于提供反应所需的燃料、重整空气及发电空气；
电池堆子系统，为电化学反应装置，用于通过燃料燃烧将化学能转换为电能并输出给电力变换子系统；
电力变换子系统，包括能量转换装置及能量存储装置，能量存储装置两端与能量转换装置输出端并联；能量转换装置用于对输入的电能进行转换，能量存储装置用于存储电能；
负载子系统，与所述能量转换装置输出端子并联；包括内部负载电路及外部负载电路，所述内部负载电路为控制子系统内部耗电器件提供电能，所述外部负载电路为用户提供电能；
控制子系统，包括控制器、若干个传感器、若干个流量调节装置及人机交互模块；所述控制器根据传感器采集到的信号值，生成流量控制信号作用于流量调节装置，实现本发电装置的自动控制；所述人机交互模块用于本发电装置的动作触发及信息显示；
监控子系统，位于上位机中，连接控制子系统；用于本发电装置的远程监控。
所述电池堆子系统包括：
换热器，连接重整室；用于对输入的燃料和重整空气进行预热并输出给重整室；还用于对输入的发电空气进行预热并输出给固体氧化物燃料电池电堆的阴极入口；
重整室，用于对预热后的燃料和重整空气进行重整得到重整后气体输出给固体氧化物燃料电池电堆；所述重整后气体中富含氢气；
固体氧化物燃料电池电堆，包括阳极入口、阴极入口、阳极出口、阴极出口、输出端；阳极入口接收重整后气体，阴极入口接收预热后的发电空气，阳极出口、阴极出口输出的尾气均通入燃烧室进行燃烧；所述输出端将电能输出给电力变换子系统；
燃烧室，用于提供燃烧所需环境，同时燃烧室的热量输出给换热器用于预热作用。
所述能量转换装置可以是DCDC变换器，用于将所述电堆系统输出的变化的直流电压转化为恒定的直流电压；
所述能量存储装置为锂电池组或二次电池。
所述控制器为嵌入式控制器，置于本发电装置内部低温区，具有模拟量输入、模拟量输出、数字量输入、数字量输出及通信等功能。
所述传感器包括：
燃料流量传感器，置于燃料流量调节装置出口管路，用于测量燃料流量；
重整空气流量传感器，置于重整空气流量调节装置出口管路，用于测量重整空气流量；
发电空气流量传感器，置于发电空气流量调节装置出口管路，用于测量发电空气流量；
电堆温度传感器，置于固体氧化物燃料电池电堆上，用于测量电堆温度；
重整室温度传感器，置于重整室内部，用于测量重整室温度；
电堆电流传感器，串联于固体氧化物燃料电池电堆电能输出端，用于测量电堆电流；
电堆电压传感器，并联于固体氧化物燃料电池电堆电能输出端，用于测量电堆电压；
可燃气体浓度传感器，置于发电装置内部低温区，用于测量可燃气体浓度；
能量存储装置电压传感器，置于能量存储装置两端，用于测量能量存储装置电压；
装置输出电流传感器，串联于负载子系统回路中，用于测量负载子系统回路电流；
所述上述传感器均与所述控制器模拟量输入模块信号连接。
所述流量调节装置包括：
燃料流量调节装置，置于燃料供给出口管路，用于调节燃料流量；
重整空气流量调节装置，置于重整空气供给出口管路，用于调节重整空气流量；
发电空气流量调节装置，置于发电空气供给出口管路，用于调节发电空气流量；
所述上述流量调节装置均与所述控制器模拟量输出模块信号连接；
所述燃料流量调节装置为微型比例调节阀；所述重整空气流量调节装置为转速可调气泵；所述发电空气流量调节装置为转速可调风机。
所述人机交互模块置于发电装置前面板，包括：
显示屏，连接所述控制器；
按钮，与所述控制器数字量输入模块信号连接；
指示灯，与所述控制器数字量输出模块信号连接。
一种便携式固体氧化物燃料电池发电装置控制方法，包括以下步骤：
步骤1：给本发电装置上电，进入待机状态；此时，控制子系统中的控制器、各个传感器、各个流量调节装置及人机交互模块均通电处于待机状态；
步骤2：通过人机交互模块上的按钮启动自动控制程序进入启动状态；此时，控制器通过传感器实时监测电堆温度、重整室温度及气体供给量，通过控制流量调节装置逐渐增加气体供给量，使固体氧化物燃料电池电堆温度从室温逐渐升高到工作温度；
步骤3：当固体氧化物燃料电池电堆温度从室温逐渐升高到工作温度后，进入运行状态；此时，控制器通过传感器实时监测电堆温度、电堆输出电流、电堆输出电压、气体供给量、能量存储装置输出电压、负载电压，同时通过调节流量调节装置、能量转换装置进行电堆温度控制、气体供给控制、能量管理控制，实现将燃料化学能转换为电能输出给用户；
步骤4：当不需要电能输出时，通过人机交互模块上的按钮启动关机程序进入停止状态；此时，控制器控制流量调节装置逐渐关闭气体供给量，使电堆温度从工作温度逐渐降低到室温；
步骤5：当上述步骤1至步骤4中任何时刻出现故障时，可以通过人机交互模块上的按钮启动紧急停止程序、或者当出现故障时自动控制程序自动启动紧急停止程序，本发电装置进入紧急停止状态；此时，控制器控制流量调节装置逐渐关闭气体供给量，使电堆温度从工作温度逐渐降低到室温。
所述电堆温度控制，通过调节气体供给量使电堆温度运行在其正常工作温度区间，控制周期为10s级；
所述气体供给控制，通过调节气体供给量使气体供给提供能量能够满足电堆输出电能需求，控制周期为s级；
所述能量管理控制，通过调节能量转换装置控制电堆输出电能、能量存储装置及负载子系统三者之间的能量分配，控制周期为ms级。
所述气体供给量为：燃料流量、重整空气流量、发电空气流量。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.与现有技术相比，本发明的优点在于装置结构简单、可靠，控制策略简单有效；
2.根据本发明的固体氧化物燃料电池发电装置，可保持热量自足且稳定运行；
3.根据本发明的固体氧化物燃料电池发电装置，可提高装置效率；
4.根据本发明的固体氧化物燃料电池发电装置，可防止装置的过度升温。
附图说明
图1为本发明提供的一种发电装置结构框图。
图2为本发明提供的一种控制系统设备连接框图。
图3为本发明提供的一种控制系统状态转移图。
图4为本发明提供的一种启动流程图。
图5为本发明提供的一种停止流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明提出了一种便携式固体氧化物燃料电池发电装置及其控制方法，以下结合附图和实施例对本发明作详细描述，但是本发明不仅限于以下实施例。
实施例1：固体氧化物燃料电池发电装置组成。
如图1所示，为本发明提供的一种发电装置结构框图。所述发电装置由电池堆系统、气体供给系统、电力变换系统、负载系统、监控系统及控制系统组成。
所述气体供给系统，包括气体储罐、燃料流量调节阀、气泵及风机，提供反应所需的燃料、重整空气及发电空气。所述燃料流量调节阀入口经管路与气体储罐出口相连，所述气泵及风机入口经管路与大气相连；所述燃料为丙烷、丁烷或其它烃类等。
所述电堆系统，为电化学反应装置，将燃料中存储的化学能转换为电能。所述电堆系统中气体输入管路经管路与所述气体供给系统输出管路相连；
所述电力变换系统，包括DCDC变换器及锂电池组。所述DCDC变换器输入端子与所述电堆系统电能输出端子并联，用于将所述电堆系统输出变化的直流电压转化为恒定的直流电压；所述锂电池组接电端子与所述DCDC变换器输出端子并联，用于发电装置启动及停止流程的电力供给，所述能量存储装置可采用锂电池组或其他二次电池；
所述负载系统，包括外部负载及内部负载，与所述DCDC变换器输出端子并联。所述外部负载为用户耗电设备，所述内部负载为发电装置自身耗电设备；
所述控制系统，根据传感器采集的信号数值，生成控制信号作用于流量调节装置，用于发电装置的自动控制。所述控制系统与所述气体供给系统中气体调节装置控制部分、电堆系统中传感器、电力变换系统中传感器、负载系统传感器及监控系统通讯接口信号连接；
所述监控系统，在上位机通过软件开发实现，用于对所述发电装置的实时监控。通过通信电缆与所述控制系统通信接口相连，所述监控系统与所述控制系统按指定通信协议进行通讯，所述通信协议是符合RS485或其它串行通信协议。
实施例2：固体氧化物燃料电池发电装置控制系统组成。
如图2所示，为本发明提供的一种控制系统设备连接框图。所述固体氧化物燃料电池发电装置控制系统由主控制器、传感器、执行器及人机交互模块组成。
所述主控制器，可以基于单片机或其它嵌入式控制器，具有模拟量输入模块、模拟量输出模块、数字量输入模块、数字量输出模块及通信接口。
所述传感器，包括燃料流量传感器、空气流量传感器、电堆温度传感器、重整温度传感器、尾气温度传感器、电堆电流传感器、电堆电压传感器及可燃气体传感器。所述燃料及空气流量传感器可以是质量流量传感器；所述电堆温度、重整温度及尾气温度传感器可以是热电偶；所述电堆电流传感器可以是霍尔电流传感器；所述电堆电压传感器可以是分压电压传感器；所述可燃气体传感器可以是气敏传感器。
所述执行器，包括流量调节装置、能量变换装置、电堆输出开关及负载接通开关。所述燃料调节装置可以是比例调节阀；所述空气流量调节装置可以是转速可调的气泵或风机；所述能量转换装置可以是输出电压可调的DCDC变换器；所述电堆输出开关及负载接通开关可以是继电器模块。
所述人机交互模块，包括显示装置、操作装置及报警装置。所述显示装置可以是显示屏及指示灯模块；所述操作装置可以是按键模块；所述报警装置可以是蜂鸣器及指示灯模块。
所述传感器与所述控制器模拟量输入模块信号连接；所述流量调节装置与所述控制器模拟量输出模块信号连接；所述开关模块与所述控制器数字量输出模块信号连接；所述按键模块与所述数字量输入模块信号连接；所述指示灯模块与所述控制器数字量输出模块信号连接。
实施例3：固体氧化物燃料电池发电装置控制系统状态切换。
如图3所示，为本发明提供的一种控制系统状态转移图。所述控制策略采用基于有限状态机控制器设计思路，根据发电装置运行特点，将装置状态分为待机状态、启动状态、运行状态、停止状态及紧急停止状态，不同状态执行不同控制策略。
所述启动状态，执行启动状态控制策略，根据启动流程，通过控制气体供给，使电堆温度从室温逐渐升高到其工作温度；所述固体氧化物燃料电池电堆工作温度为800℃，室温为20℃。
所述运行状态，执行运行状态控制策略，包括电堆温度控制、气体供给控制及能量管理控制，三者控制周期不同，其中电堆温度控制，通过调节气体供给量，使电堆温度运行在其正常工作温度区间，控制周期为10s级，所述固体氧化物燃料电池电堆正常工作温度区间为790℃-810℃；气体供给控制，通过调节气体供给量，使气体供给提供能量能满足电堆输出电能需求，控制周期为s级；能量管理控制，通过调节能量变换装置，控制电堆输出电能、能量存储装置及负载三者能量分配，控制周期为ms级；
所述停止状态，执行停止状态控制策略，根据停止流程，通过控制气体供给，使电堆温度从其工作温度逐渐降低到室温；
所述紧急停止状态，执行紧急停止状态控制策略，切换装置供给，进行紧急装置保护；
所述状态间可根据指定条件或动作进行切换，形成所述发电装置的控制策略。
所述指定条件包括启动流程结束、停止流程结束、紧急停止流程结束及发生故障I；所述指定动作包括启动动作及停止动作。所述指定条件通过传感器采集到的变量值进行判断，所述指定动作通过人机交互模块的按钮触发。
下面结合装置正常操作步骤，说明装置状态如何转移。
1.所述发电装置初始为关机状态；
2.所述关机状态下，操作员按下上电开关，发电装置上电，默认装置上电后处于待机状态；
3.所述待机状态下，判断启动按钮是否按下，按下则发电装置跳转到启动状态继续运行，否则仍在待机状态下运行；
4.所述启动状态下，先判断启动流程是否结束，结束则发电装置跳转到运行状态继续运行，否则仍在启动状态下运行；
5.所述启动状态下，后判断是否发生故障I，发生则发电装置跳转到紧急停止状态继续运行，否则仍在启动状态下运行；
6.所述运行状态下，先判断停止按钮是否按下，按下则发电装置跳转到停止状态继续运行，否则仍在运行状态下运行；
7.所述运行状态下，后判断是否发生故障I，发生则发电装置跳转到紧急停止状态继续运行，否则仍在运行状态下运行；
8.所述停止状态下，先判断停止流程是否结束，结束则发电装置跳转到待机状态继续运行，否则仍在停止状态下运行；
9.所述停止状态下，后判断是否发生故障I，发生则发电装置跳转到紧急停止状态继续运行，否则仍在停止状态下运行；
10.所述紧急停止状态下，判断紧急停止流程是否结束，结束则发电装置跳转到待机状态继续运行，否则仍在紧急停止状态下运行；
实施例4：固体氧化物燃料电池发电装置启动状态控制策略。
如图4所示，为本发明提供的一种启动流程图。所述启动状态控制策略相关步骤如下：
1.按下开机按钮，使发电装置由待机状态跳转到启动状态继续运行；
2.打开重整空气供给管路阀门，控制重整气泵动作，供给一定量的重整用空气；
3.控制发电风机动作，供给一定量的发电用空气；
4.控制流量调节阀，供给一定量的燃料；
5.控制点火器，进行点火操作；
6.判断点火操作是否成功，否则重新进行点火操作；
7.重整室温度上升到指定温度，进行部分氧化重整反应，所述指定温度为250℃左右；
8.调节燃料、重整空气及发电空气供给量，控制电堆升温速度；
9.发电室达到指定温度，燃料电池输出电压满足指定值，闭合燃料电池输出开关，由燃料电池对内部负载进行供电，同时对锂电池组进行充电，所述指定温度为800℃；
10.降低燃料、重整空气及发电用空气流量，使其满足内部负载的供电需求，并留有余量；
实施例5：固体氧化物燃料电池发电装置停止状态控制策略。如图5所示，为本发明提供的一种停止流程图。
所述停止状态控制策略相关步骤如下：
1.按下关机按钮，使发电装置由运行状态跳转到停止状态继续运行；
2.断开负载开关，增加发电用空气供给量，降低燃料、重整空气的供给量，以满足内部负载用电需求；
3.当电堆输出电压低于指定值，断开燃料电池输出开关，改由锂电池组进行供电；
4.当电堆温度降到指定值后，停止燃料及重整空气供给，所述指定温度为300℃左右；
5.当电堆温度降到指定值后，停止发电用空气供给，所述指定温度为100℃左右；
6.当电堆温度降到指定值后，停止流程结束，进入待机状态，所述指定温度为20℃左右。

Claims (10)

1.一种便携式固体氧化物燃料电池发电装置，其特征在于，包括：
气体供给子系统，通过管路连接电池堆子系统，用于提供反应所需的燃料、重整空气及发电空气；
电池堆子系统，为电化学反应装置，用于通过燃料燃烧将化学能转换为电能并输出给电力变换子系统；
电力变换子系统，包括能量转换装置及能量存储装置，能量存储装置两端与能量转换装置输出端并联；能量转换装置用于对输入的电能进行转换，能量存储装置用于存储电能；
负载子系统，与所述能量转换装置输出端子并联；包括内部负载电路及外部负载电路，所述内部负载电路为控制子系统内部耗电器件提供电能，所述外部负载电路为用户提供电能；
控制子系统，包括控制器、若干个传感器、若干个流量调节装置及人机交互模块；所述控制器根据传感器采集到的信号值，生成流量控制信号作用于流量调节装置，实现本发电装置的自动控制；所述人机交互模块用于本发电装置的动作触发及信息显示；
监控子系统，位于上位机中，连接控制子系统；用于本发电装置的远程监控。
2.根据权利要求1所述的一种便携式固体氧化物燃料电池发电装置，其特征在于，所述电池堆子系统包括：
换热器，连接重整室；用于对输入的燃料和重整空气进行预热并输出给重整室；还用于对输入的发电空气进行预热并输出给固体氧化物燃料电池电堆的阴极入口；
重整室，用于对预热后的燃料和重整空气进行重整得到重整后气体输出给固体氧化物燃料电池电堆；
固体氧化物燃料电池电堆，包括阳极入口、阴极入口、阳极出口、阴极出口、输出端；阳极入口接收重整后气体，阴极入口接收预热后的发电空气，阳极出口、阴极出口输出的尾气均通入燃烧室进行燃烧；所述输出端将电能输出给电力变换子系统；
燃烧室，用于提供燃烧所需环境，同时燃烧室的热量输出给换热器用于预热作用。
3.根据权利要求1所述的一种便携式固体氧化物燃料电池发电装置，其特征在于，
所述能量转换装置可以是DCDC变换器，用于将所述电堆系统输出的变化的直流电压转化为恒定的直流电压；
所述能量存储装置为锂电池组或二次电池。
4.根据权利要求1所述的一种便携式固体氧化物燃料电池发电装置，其特征在于，所述控制器为嵌入式控制器，置于本发电装置内部低温区，具有模拟量输入、模拟量输出、数字量输入、数字量输出及通信等功能。
5.根据权利要求1所述的一种便携式固体氧化物燃料电池发电装置，其特征在于，所述传感器包括：
燃料流量传感器，置于燃料流量调节装置出口管路，用于测量燃料流量；
重整空气流量传感器，置于重整空气流量调节装置出口管路，用于测量重整空气流量；
发电空气流量传感器，置于发电空气流量调节装置出口管路，用于测量发电空气流量；
电堆温度传感器，置于固体氧化物燃料电池电堆上，用于测量电堆温度；
重整室温度传感器，置于重整室内部，用于测量重整室温度；
电堆电流传感器，串联于固体氧化物燃料电池电堆电能输出端，用于测量电堆电流；
电堆电压传感器，并联于固体氧化物燃料电池电堆电能输出端，用于测量电堆电压；
可燃气体浓度传感器，置于发电装置内部低温区，用于测量可燃气体浓度；
能量存储装置电压传感器，置于能量存储装置两端，用于测量能量存储装置电压；
装置输出电流传感器，串联于负载子系统回路中，用于测量负载子系统回路电流；
所述上述传感器均与所述控制器模拟量输入模块信号连接。
6.根据权利要求1所述的一种便携式固体氧化物燃料电池发电装置，其特征在于，所述流量调节装置包括：
燃料流量调节装置，置于燃料供给出口管路，用于调节燃料流量；
重整空气流量调节装置，置于重整空气供给出口管路，用于调节重整空气流量；
发电空气流量调节装置，置于发电空气供给出口管路，用于调节发电空气流量；
所述上述流量调节装置均与所述控制器模拟量输出模块信号连接；
所述燃料流量调节装置为微型比例调节阀；所述重整空气流量调节装置为转速可调气泵；所述发电空气流量调节装置为转速可调风机。
7.根据权利要求1所述的一种便携式固体氧化物燃料电池发电装置，其特征在于，所述人机交互模块置于发电装置前面板，包括：
显示屏，连接所述控制器；
按钮，与所述控制器数字量输入模块信号连接；
指示灯，与所述控制器数字量输出模块信号连接。
8.一种便携式固体氧化物燃料电池发电装置控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：给本发电装置上电，进入待机状态；此时，控制子系统中的控制器、各个传感器、各个流量调节装置及人机交互模块均通电处于待机状态；
步骤2：通过人机交互模块上的按钮启动自动控制程序进入启动状态；此时，控制器通过传感器实时监测电堆温度、重整室温度及气体供给量，通过控制流量调节装置逐渐增加气体供给量，使固体氧化物燃料电池电堆温度从室温逐渐升高到工作温度；
步骤3：当固体氧化物燃料电池电堆温度从室温逐渐升高到工作温度后，进入运行状态；此时，控制器通过传感器实时监测电堆温度、电堆输出电流、电堆输出电压、气体供给量、能量存储装置输出电压、负载电压，同时通过调节流量调节装置、能量转换装置进行电堆温度控制、气体供给控制、能量管理控制，实现将燃料化学能转换为电能输出给用户；
步骤4：当不需要电能输出时，通过人机交互模块上的按钮启动关机程序进入停止状态；此时，控制器控制流量调节装置逐渐关闭气体供给量，使电堆温度从工作温度逐渐降低到室温；
步骤5：当上述步骤1至步骤4中任何时刻出现故障时，可以通过人机交互模块上的按钮启动紧急停止程序、或者当出现故障时自动控制程序自动启动紧急停止程序，本发电装置进入紧急停止状态；此时，控制器控制流量调节装置逐渐关闭气体供给量，使电堆温度从工作温度逐渐降低到室温。
9.根据权利要求8所述的一种便携式固体氧化物燃料电池发电装置控制方法，其特征在于，
所述电堆温度控制，通过调节气体供给量使电堆温度运行在其正常工作温度区间，控制周期为10s级；
所述气体供给控制，通过调节气体供给量使气体供给提供能量能够满足电堆输出电能需求，控制周期为s级；
所述能量管理控制，通过调节能量转换装置控制电堆输出电能、能量存储装置及负载子系统三者之间的能量分配，控制周期为ms级。
10.根据权利要求8或9所述的一种便携式固体氧化物燃料电池发电装置控制方法，其特征在于，所述气体供给量为：燃料流量、重整空气流量、发电空气流量。
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