CN109565065B - 用于支持电网的燃料电池负载循环 - Google Patents

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Abstract

燃料电池系统包括燃料电池单元，其配置成产生用于供应到变化的电负载的电力量；以及燃料电池控制器，其配置成接收变化的电负载在预定时段内处于局部最大值的第一指示，并且作为响应，以具有第一值的操作参数操作燃料电池单元，使得燃料电池单元产生有限最大电力量，该有限最大电力量是燃料电池单元的最大额定功率输出的预定百分比。燃料电池控制器还配置成接收变化的电负载减小的指示，并且作为响应，以具有第二值的操作参数操作燃料电池单元，使得燃料电池单元产生低于有限最大电力量的电力量。

Description

用于支持电网的燃料电池负载循环
相关专利申请的交叉引用
本申请要求于2016年6月6日提交的美国临时专利申请No.62/345,947的权益和优先权，其全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本文描述的实施方式总体涉及用于使燃料电池系统的输出波动以应对大容量电力系统的负载变化的系统和方法，并且特别地涉及用于使燃料电池系统的输出波动而不会导致燃料电池加速老化的系统和方法。
背景技术
燃料电池是通过电化学反应将化学能(例如存储在烃燃料中的能量)转换成电能的装置。通常，燃料电池包括由电解质隔开的阳极电极和阴极电极，所述电解质用于传导带电离子。高温燃料电池，例如熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池，通过使反应物燃料气体穿过阳极电极，同时使氧化剂气体(例如二氧化碳和氧气)穿过阴极电极而工作。为了产生所需的功率水平，可以串联堆叠多个单独的燃料电池。在操作中，燃料电池系统可以向诸如电网的负载提供电力。如果意外地从燃料电池系统中移除这种负载(例如电网下降)，则这种移除可能导致负载循环，并且多个这种负载循环可能导致燃料电池系统由于热机械应力的变化而加速老化。
发明内容
在一个实施方式中，燃料电池系统包括燃料电池单元，其配置成产生用于供应到变化的电负载的电力，该电力的量根据燃料电池单元的操作参数而变化。燃料电池系统还包括与燃料电池单元通信联接的燃料电池控制器。燃料电池控制器配置成接收变化的电负载在预定时段内处于局部最大值的第一指示。响应于接收到第一指示，燃料电池控制器配置成以具有第一值的操作参数操作燃料电池单元，使得燃料电池单元产生有限最大电力量，其是燃料电池单元的最大额定功率输出的预定百分比。燃料电池控制器还配置成接收变化的电负载已从局部最大值减小的第二指示。响应于接收到变化的电负载已从局部最大值减小的第二指示，燃料电池控制器还配置成以具有第二值的操作参数操作燃料电池单元，使得燃料电池单元产生低于有限最大电力量的电力量。
在燃料电池系统的一个方面，最大额定功率输出的预定百分比在大约50％和大约65％之间。
在燃料电池系统的一个方面，最大额定功率输出的预定百分比为大约65％。
在燃料电池系统的一个方面，燃料电池系统还包括负载传感器，其配置成基于电负载的电力需求水平产生信号，并且第一指示和第二指示包括由负载传感器产生的信号。
在燃料电池系统的一个方面，电负载是电网。
在燃料电池系统的一个方面，燃料电池系统包括多个燃料电池单元，其配置成产生用于供应到变化的电负载的电力量，电力量根据多个燃料电池单元的操作参数而变化。多个燃料电池单元中的每个燃料电池单元的电输出被组合以向变化的电负载供应电力。多个燃料电池单元中的每一个能够以最大额定功率输出产生功率输出。
在燃料电池系统的一个方面，燃料电池控制器配置成响应于接收到第一指示，以具有第一组值的操作参数操作多个燃料电池单元，使得多个燃料电池单元的子集产生有限最大电力量，有限最大电力量是燃料电池单元的最大额定功率输出的预定百分比。
在燃料电池系统的一个方面，燃料电池控制器配置成响应于接收到变化的电负载已从局部最大值减小的指示，选择燃料电池单元的子集的燃料电池单元，并在预定时段内调节所选燃料电池单元的操作参数的值，使得所选燃料电池单元的功率输出在第一预定时段内下降到最小值。
在燃料电池系统的一个方面，最小值是最大额定功率输出的至多40％。
在燃料电池系统的一个方面，第一预定时段在大约1小时和3小时之间。
在燃料电池系统的一个方面，控制器还配置成接收变化的电负载处于局部最大值的第三指示，并且在预定时段内调节燃料电池单元的操作参数的值，使得所选燃料电池单元的功率输出在第二预定时段内返回到有限最大电力量。
在燃料电池系统的一个方面，燃料电池单元包括熔融碳酸盐燃料电池，其包括配置成接收源自燃料供应部的反应物燃料的阳极和配置成接收氧化剂气体的阴极，并且其中操作参数定义了来自燃料供应部的燃料流速或来自氧化器的氧化剂气体流速中的至少一个。
在另一个实施方式中，燃料电池系统包括第一多个燃料电池单元，其配置成向变化的电负载提供电力，电力的量根据第一多个燃料电池单元的操作参数而变化。燃料电池系统还包括第二多个燃料电池单元，其配置成向变化的电负载提供电力，电力的量根据第二多个燃料电池单元的操作参数而变化，其中第一多个燃料电池单元和第二多个燃料电池单元中的每个燃料电池单元具有最大额定功率输出。燃料电池系统还包括与第一多个燃料电池单元和第二多个燃料电池单元通信联接的燃料电池控制器。燃料电池控制器配置成以具有作为默认值的第一值的操作参数操作第一多个燃料电池单元中的每个燃料电池单元，使得第一多个燃料电池单元中的每个燃料电池单元在默认操作条件下产生最大额定功率输出。燃料电池控制器还配置成接收变化的电负载在预定时段内处于局部最大值的第一指示。响应于变化的电负载处于局部最大值的第一指示，燃料电池控制器配置成以具有值的操作参数操作第二多个燃料电池单元中的每个燃料电池单元，使得第二多个燃料电池单元产生有限最大电力量，其是最大额定功率输出的预定百分比。燃料电池控制器还配置成接收变化的电负载已从局部最大值减小的第二指示。响应于接收到变化的电负载已从局部最大值减小的第二指示，燃料电池控制器配置成调节第二多个燃料电池单元中的燃料电池单元的操作参数，使得燃料电池单元产生低于有限最大电力量的电力量。
在燃料电池系统的一个方面，最大额定功率输出的预定百分比在大约50％和大约65％之间。
在燃料电池系统的一个方面，燃料电池控制器还配置成响应于接收到变化的电负载处于局部最大值的第一指示，以具有等效值的操作参数操作第二多个燃料电池单元中的每个燃料电池单元，使得第二多个燃料电池单元中的每个燃料电池单元以相同的有限最大值产生功率输出。
在燃料电池系统的一个方面，燃料电池控制器配置成响应于接收到变化的电负载处于局部最大值的第一指示，以具有第二值的操作参数操作第二多个燃料电池单元的第一子集，使得第一子集中的每个燃料电池单元以第一有限最大值产生功率输出，并且以具有第三值的操作参数操作第二多个燃料电池单元的第二子集，使得第二子集中的每个燃料电池单元以第二有限最大值产生功率输出。
在燃料电池系统的一个方面，燃料电池控制器还配置成响应于接收到变化的电负载已从局部最大值减小的第二指示，以具有第四值的操作参数操作第一子集，使得第一子集中的每个燃料电池单元产生第一最小电力量，同时以具有第二值的操作参数保持第二子集的操作。
在燃料电池系统的一个方面，第一最小电力量是最大额定功率输出的至多40％。
在燃料电池系统的一个方面，燃料电池控制器还配置成接收变化的电负载已从局部最大值减小的第三指示。响应于接收到第三指示，燃料电池控制器配置成以具有第五值的操作参数操作第二子集，使得第二子集中的每个燃料电池单元产生第二最小电力量，同时以具有第二值的操作参数保持第一子集的操作。
在燃料电池系统的一个方面，第一多个燃料电池单元和第二多个燃料电池单元中的每个燃料电池单元包括配置成接收源自燃料供应部的反应物燃料的阳极和配置成接收来自氧化器的氧化剂气体的阴极，其中操作参数定义了来自燃料供应部的反应物燃料流速或来自氧化器的氧化剂气体流速中的至少一个。
附图说明
图1是根据示例性实施方式的负载跟随(load-following)燃料电池单元的示意图。
图2是根据示例性实施方式的包括负载循环燃料电池单元的发电系统的示意图。
图3是根据示例性实施方式的燃料电池控制器的示意图。
图4是根据示例性实施方式的负载循环燃料电池单元的方法的流程图。
图5是根据示例性实施方式的根据电负载的需求操作发电系统的方法。
图6是描绘根据说明性实施方式的在向电网提供功率的系统中对增加灵活性的需求的图。
图7是描绘根据说明性实施方式的多单元燃料电池系统的调低能力的图。
具体实施方式
本文描述的实施方式通常涉及用于使燃料电池系统的输出波动以应对大容量电力系统的负载变化的系统和方法，并且特别地涉及用于使燃料电池系统的输出波动而不会导致燃料电池加速老化的系统和方法。
大容量电力系统(或电网)的负载在一年中昼夜地且季节性地变化。重要的是保持大容量电力系统的发电-负载平衡，使得不浪费资源并且使得所有客户能够在高峰时段接收他们所需的功率。传统的负载跟随单元(有时称为“峰化器”单元)，例如燃气涡轮发电机，被用于跟随大容量电力系统的负载并维持大容量系统的发电-负载平衡。然而，这些传统的峰化器单元排放污染物并且燃料效率差，导致更高的碳排放。
随着诸如太阳能发电机和风力发电机的间歇性可再生资源的渗透增加，需要甚至更多的负载跟随峰化器资源来维持大容量电力系统的发电-负载平衡。例如，加利福尼亚州ISO已经确定了由于这些趋势而在该州对功率灵活性的需求不断增长，如图6中所示的图表600所示。如图6所示，估计到2020年，在最小负载和峰值负载之间将出现大约14千兆瓦的每日波动，这将需要比目前可用的更大的功率灵活性。提供这种功率灵活性是一种补偿性服务，其价值日益增长。
在这方面，并且在本文描述的系统、方法和装置的一个实施方式中，熔融碳酸盐燃料电池发电装置以并网模式操作，并且发电装置的燃料电池能够在正常输出和最小输出之间使其输出循环，其中正常输出被限制为由燃料电池的热中性负载点确定的值。在一个实施方式中，基于燃料电池的热中性负载点的正常输出可以在燃料电池的最大额定输出的50-65％之间。具体地，通过限制熔融碳酸盐的最大功率输出，将燃料电池堆直接重整到热中性区域，其在总额定功率的大约50-65％之间，燃料电池装置的输出可以循环到0％或另一个最佳降低的输出并且每天返回一次，而没有加速堆的老化或影响堆寿命。该能力可以满足加利福尼亚州ISO在图6中确定的最坏情况的负载升降需求，同时避免与传统负载跟随发电相关的不良污染物产生。
燃料电池发电装置的燃料电池可以每天从正常输出(即最大额定输出的约50-65％)循环到最小输出。最小输出可以最佳地为燃料电池最大额定输出的29％。或者，循环的燃料电池的最小输出可以是(最大额定输出)的0％，5％，10％，15％，20％，25％，40％，和/或在0与正常输出之间的任何其它值。在一个实施方式中，燃料电池从其正常输出循环到零输出所花费的时间是大约3小时，然而，在替代实施方式中，可以使用更快的循环时间，例如1小时。在一个实施方式中，燃料电池发电装置可以被配置成每天在燃料电池发电装置的最大额定值的28-65％之间循环，而不会对老化产生任何影响。
在一个实施方式中，多单元燃料电池发电装置安装使用以并网模式操作的熔融碳酸盐燃料电池发电装置。装置的每个燃料电池都能够基于每天在正常输出和零输出之间循环其输出。在这种情况下，正常输出限于由燃料电池的热中性负载点确定的值，并且通常是最大额定输出的50-65％。根据整个系统的需要，多单元燃料电池发电装置安装中仅一部分燃料电池发电装置以负载循环模式操作，而其余的燃料电池发电装置以最大额定容量操作。例如，如果60％的燃料电池装置配置成以负载循环模式操作，则整个系统将能够实现在设备的40％和100％输出之间的负载循环能力。在替代实施方式中，取决于整个系统的需要，不同百分比的燃料电池可以在负载循环模式下操作。
图1示意性地示出了根据示例性实施方式的负载跟随燃料电池单元100。如图所示，负载跟随燃料电池单元100包括顶部模块102和底部模块110，顶部模块102包含一个或多个顶部燃料电池堆104，底部模块110包含一个或多个底部燃料电池堆112。顶部模块102和底部模块110串联连接，使得从顶部燃料电池堆104中的一个的阳极106产生的第一排气流被提供给底部燃料电池堆112的阳极114。另外，由于串联连接，从底部燃料电池堆112中的一个的阴极116产生的第二流被提供给顶部燃料电池堆104的阴极108。在某些实施方式中，负载跟随燃料电池单元100配置成以与美国专利No.9,478,819中描述的系统类似的方式操作，该专利全部内容通过引用并入本文。虽然顶部模块102如图1所示包括两个顶部燃料电池堆104，并且底部模块110被示出为包括单个底部燃料电池堆112，但应当理解，顶部模块102和底部模块110可包括不同数量的燃料电池堆而不脱离本公开的范围。
在各种实施方式中，顶部模块102和底部模块110的燃料电池堆104和112可以是内部重整燃料电池堆，其包括直接内部重整、间接内部重整或其组合。因此，在一个实施方式中，燃料电池堆104和112中的每一个包括内部重整单元，其改变燃料(例如来自燃料供应部118或补充燃料)并将包括氢和一氧化碳的经重整燃料输出到阳极106和114。通过本文所述的方法将氧化剂气体供应到阴极108和116。然后，提供给阳极106和114的经重整燃料与氧化剂气体发生电化学反应，以产生水和电力输出。
在负载跟随燃料电池单元100的操作期间，来自燃料供应部118的燃料(例如烃类燃料，如天然气、合成气或可再生生物气)经由连接管线被引入加湿器120中。加湿器120还经由另外的连接管线从供水装置122接收水，并且将燃料和水组合以加湿燃料以供顶部模块102使用。在各种实施方式中，燃料和水供应到加湿器120的速率通过流量控制装置控制，流量控制装置如设置在连接管线内的阀124和126所示。如本文所述，在一些实施方式中，阀124和126的操作状态由燃料电池控制器142控制，以部分地基于从电负载144接收的需求水平而改变由负载跟随燃料电池单元100产生的电力输出。
然后，加湿的燃料在分别引入顶部模块102和底部模块110之前通过热交换器128进行加热。在一些实施方式中，在引入热交换器128之前，将加湿的燃料引入预转换器(未示出)，其中燃料被部分地重整。另外，可以在将燃料引入顶部模块102之前执行各种其它燃料处理步骤(例如脱氧，脱硫)。然后将加热的燃料引入顶部燃料电池堆104的阳极106中。同时，从底部燃料电池堆112的阴极116输出的阴极排气被送入顶部燃料电池堆104的阴极108，使加热的燃料发生电化学反应以产生电力而输出到电负载144例如电网。从阴极108输出的阴极排气被提供给热交换器128，以在加湿的燃料引入阳极106之前加热加湿的燃料。
在各种实施方式中，顶部燃料电池堆104的阳极106仅消耗所接收的一部分加热的燃料。因此，从阳极106输出的阳极排气在其中包含未消耗的燃料。该排气由设置在顶部燃料电池堆104下游和底部燃料电池堆112上游的增压鼓风机130接收。增压鼓风机140在将阳极排气引入底部燃料电池堆112之前增加阳极排气的压力。
在一些实施方式中，由增压鼓风机130供应到底部模块110的阳极排气补充有来自补充燃料供应部132的燃料。补充燃料可与阳极排气混合，而不需要任何额外的水来加湿燃料，因为来自顶部模块102的阳极排气流包括足够量的水。在一些实施方式中，从补充燃料供应部132提供的补充燃料的量由流量控制装置(如阀134所示)控制。如本文所述，在一些实施方式中，阀134的操作状态由燃料电池控制器142控制，以部分地基于从电负载144接收的需求水平来改变由负载跟随燃料电池单元100产生的电力输出。
然后将由顶部模块102产生的阳极排气和任何补充燃料的组合引入到底部燃料电池堆112的阳极114中。可以通过底部阳极114中的直接内部重整来重整输入燃料。然后将由底部阳极114产生的排气提供给氧化器136。氧化器136可包括混合器，该混合器将阳极排气与从空气供应部138接收的第一部分预热空气混合以产生氧化剂气体。氧化剂气体可以与来自空气供应部138的第二部分预热空气结合，以产生输入氧化剂气体，用于输入到底部阴极116。
在一些实施方式中，空气供应部138包括由增压鼓风机140从负载跟随燃料电池单元100的周围环境收集的新鲜空气。增压鼓风机140在空气引入氧化器136之前对空气加压。在一些实施方式中，增压鼓风机140的输出被提供给另外的热交换器(未示出)，其在空气引入氧化器136之前加热空气。在一些实施方式中，来自顶部模块102的阴极排气输出向另外的热交换器提供热量。如上所述，第一部分预热空气被供应到氧化器136，第二部分被引导到氧化器136周围并在引入到底部阴极116之前与第一部分重新结合。在一些实施方式中，引入氧化器的空气量通过燃料电池控制器142控制(例如通过控制供应管线中的流量控制阀)，以基于电负载144的需求控制由负载跟随燃料电池单元100输出的功率水平。
由于向底部燃料电池堆112供应来自顶部模块110的阳极排气的燃料和来自氧化器136的氧化气体，因此在底部模块110中发生电化学反应，产生电力用于供应给电负载。来自底部阴极116的阴极排气被输送到顶部燃料电池堆104的阴极108。在一些实施方式中，来自空气供应部138的一部分空气绕过底部模块110并作为补充氧化剂引入顶部燃料电池堆104的阴极108中。在引入阴极108之前，鼓风机(未示出)可以对补充氧化剂加压。引入燃料电池堆104中的水量可以通过燃料电池控制器142控制，以控制负载跟随燃料电池单元100的功率输出水平。
负载跟随燃料电池单元100还包括逆变器146，其被配置成将顶部模块102和底部模块110的组合DC电力输出转换为AC电力输出，以供应给电负载146。在各种实施方式中，逆变器146根据设定点(例如由燃料电池控制器142提供)操作，该设定点确定由顶部模块和底部模块102和112产生的DC功率输出的被转换并提供给电负载144的部分。在一些实施方式中，负载跟随燃料电池单元100包括DC调节器(例如与每个燃料电池堆104和112相关联的一个DC调节器，未示出)，其配置成调节每个顶部模块102和底部模块110的功率输出。
仍然参考图1，负载跟随燃料电池单元100包括燃料电池控制器142，其配置成控制负载跟随燃料电池单元100的各种部件的操作。在各种实施方式中，燃料电池控制器142配置成控制负载跟随燃料电池单元100的各种操作参数，包括但不限于来自燃料供应部118的引入到顶部模块102的燃料量(例如通过控制阀124)、来自水供应部122的供应到加湿器120的水量(例如通过控制阀126)、到底部模块110的阳极排气的输入压力(例如通过控制增压鼓风机130)、提供给底部模块的补充燃料110的量(例如通过控制阀134)、供应到底部模块110的氧化剂气体的压力(例如通过控制鼓风机140)、来自空气供应部138的供应到顶部模块102的补充空气的量、引入到顶部模块102的来自底部模块110的阴极排气的压力(例如通过控制阴极排气鼓风机，未示出)、绕过热交换器以控制输入到底部模块110的氧化剂气体的温度的空气量、以及逆变器146的设定点。
在各种实施方式中，负载跟随燃料电池单元100配置成根据电负载144的发电需求以不同的能量模式操作。在一些实施方式中，电负载144包括大规模的功率分配系统诸如电网，其配置成向许多不同的客户提供电力。因为电网的每个客户所需的电力水平可以随时间而变化(例如客户可能在晚上要求比在中午期间更多的功率)，所以电负载144所需的功率量根据时间改变。重要的是保持负载跟随燃料电池单元100的发电-负载平衡，使得不浪费资源并且使得所有客户能够在高峰时段期间接收他们所需的功率。传统的负载跟随单元(有时称为“峰化器”单元)，例如燃气涡轮发电机，被用于跟随负载并维持大容量系统的发电-负载平衡。然而，这些传统的峰化器单元排放污染物并且燃料效率差，导致更高的碳排放。
因此，有利的是调节负载跟随燃料电池单元100的操作参数以在电力需求减小时减小功率输出。在一些实施方式中，当在峰值额定容量下操作时，负载跟随燃料电池单元100能够以能够提供用于供电负载144使用的功率的方式产生3.7MW的功率输出。然而，一旦负载跟随燃料电池单元100操作以产生3.7MW的功率输出，负载跟随燃料电池单元100的寿命受到负载循环的不利影响，这可能是由于从燃料电池系统汲取功率的负载的突然减小(或完全消失)引起的。具体地，在这种负载循环情况期间，部件负载跟随燃料电池单元100经历热机械应力的变化和相关的加速燃料电池堆老化。典型的燃料电池可以基于每天从额定负载操作下降～10％循环其负载，而不会遭受这种老化。典型的燃料电池还可以每两周将其负载下降约20％而不会遭受老化。在大多数情况下，超过这些负载循环值将显著加速燃料电池的老化。
因此，根据本文公开的系统和方法，在来自电负载144的峰值功率需求的时间期间(例如当电负载144所需的电流在预定的峰值范围内时)，燃料电池控制器142配置成在热中性区域内操作负载跟随燃料电池单元100。在一些实施方式中，负载跟随燃料电池单元100以大约2400kW的减小的最大输出(即～65％容量)操作。通过这样做，负载跟随燃料电池单元100可以立即或在1-3小时的时段内循环关闭或至一些其它最佳最小功率，而没有上面讨论的负面老化效应。在需要时，装置的功率输出可在1-3小时内回升至2400kW。该负载循环可以每天完成一次，而不会影响燃料电池堆的寿命。
具体地，通过限制熔融碳酸盐的最大功率输出，将燃料电池堆(例如分别是顶部模块102和底部模块110的燃料电池堆104和112)直接重整到在总额定功率的约50-65％之间的热中性区域，燃料电池装置的输出可以循环至0％或另一个最佳减小的输出并且每天返回一次，而不会加速堆的老化或影响堆寿命。因此，负载跟随燃料电池单元100的输出可以由燃料电池控制器142响应于电负载144的减小的功率需求水平的指示来调节。这些操作将在下面关于图3-5更详细地描述。
现在参考图2，示出了根据示例性实施方式的发电系统200的示意图。发电系统200包括燃料电池发电装置202和燃料电池控制器210。燃料电池发电装置202包括多组燃料电池单元，其示出为第一组燃料电池单元204、第二组燃料电池单元206和第三组燃料电池单元208。在一个实施方式中，燃料电池单元组204、206和208中的每一组包括与本文关于图1讨论的负载跟随燃料电池单元100类似的多个燃料电池单元。在一些实施方式中，燃料电池单元组204、206和208中的各个燃料电池单元可以共享图1的某些元件。例如，每个燃料电池单元可以从集合燃料供应部接收燃料，并且燃料电池控制器142可以控制燃料到燃料电池单元组204、206和208中的每个燃料电池单元的分配。另外，在不脱离本公开的范围的情况下，各个燃料电池单元还可以共享空气供应部、水供应部、热交换器、氧化器或燃料电池堆外部的任何其它部件。在一些实施方式中，燃料电池单元组204、206和208中的每个燃料电池单元可以包括图1中所示配置的替代配置。例如，在一个实施方式中，燃料电池单元组204、206和208中的每个燃料电池单元包括简单循环燃料电池。
在一个实施方式中，燃料电池单元的各个电输出被组合以向逆变器214提供直流(DC)功率输出，该逆变器214将DC电流转换为交流(AC)输出。在一些实施方式中，燃料电池单元组204、206和208中的每一组包括单独的逆变器和/或DC电流调节器。然后，通过变压器216升高AC输出的电压，以通过电网218进行批量分配。在一些实施方式中，分配的功率是多相AC输出。负载传感器220配置成监控功率输出的特性。在一些实施方式中，负载传感器220包括多个感测单元(例如各自与功率输出的每个相关联)，并且配置成测量每个相的功率输出的多个方面(例如电压和电流)。在一些实施方式中，电网218包括电压调节器，其配置成响应于各种客户的功率需求的变化在电网218的公共联接点处维持输出电压。因此，多个负载传感器220可测量这些公共联接点处的电流并将此类数据提供给燃料电池控制器210以促进本文所述方法的执行。
在一个示例性实施方式中，燃料电池单元组204、206和208包括总共八个燃料电池单元，其类似于上面讨论的负载跟随燃料电池单元100。因此，当操作以产生最大额定功率输出时，燃料电池发电装置202可以能够产生29.6MW的功率。然而，燃料电池控制器210可以将每个燃料电池单元的最大功率输出限制为热中性区域中的燃料电池堆的功率输出(例如在最大额定功率输出的约65％处，或者约2.4MW)。因此，可以通过依次循环各个燃料电池单元来调节集合位点输出(其与大容量电力系统操作员有关)，如图7所示的图表700中所示。具体地，图7是描绘20MW燃料电池发电装置202的8个单元的调低能力的图。这种布置导致具有完全调低能力的位点同时保持高燃料效率。诸如单个燃气涡轮发电机的竞争技术具有有限的调低能力(通常为额定输出的40％)，并且在减小负载操作时经历显著的效率降低。
如图7中所示，该系统包括8个燃料电池单元，与其最大额定输出相比，每个燃料电池单元以减小的最大输出操作，使得单元的每日循环不会引起加速老化。如图所示，系统的输出可以从0MW-20MW控制，以应对大容量电力系统负载的不断变化的需求。现有系统不可能实现输出的这种灵活性，现有系统通常以最大额定值操作，如果实施这种负载循环则会导致显著劣化。在替代实施方式中，可以使用不同数量的燃料电池单元，并且可以实现不同的总功率输出。
在各种实施方式中，燃料电池发电装置202中的每个燃料电池单元的功率输出可以在第一预定时段内减小。在各种实施方式中，燃料电池发电装置202的燃料电池单元可以基于每天从有限最大输出(即最大额定输出的约50-65％)循环到最小输出。最小输出可以最佳地为燃料电池的最大额定输出的29％。或者，循环的燃料电池的最小输出可以是0％，5％，10％，15％，20％，25％，40％(的最大额定输出)，和/或在0与有限最大输出之间的任何其它值。在一个实施方式中，燃料电池单元从其有限最大输出循环到零输出所花费的时间是大约3小时，然而，在替代实施方式中，可以使用更快的循环时间，例如1小时。
在各种实施方式中，发电系统200的功率输出由燃料电池控制器210改变。燃料电池控制器210配置成向燃料电池发电装置202和发电系统200的各种其它部件(例如能量回收单元212)提供控制信号。因此，燃料电池控制器210可以产生多个控制信号，其配置成控制燃料电池单元的各种操作参数(例如提供给燃料电池单元的各燃料电池堆的燃料量、供应给各燃料电池堆的氧化剂气体量、燃料加湿、氧化剂气体中提供的二氧化碳水平、阳极之间的压差等)，以控制它们各自的功率输出。对燃料电池控制器210的更详细说明关于图3提供。
在一个示例中，响应于接收到电网218需要在峰值范围内(例如在17000兆瓦和25000兆瓦之间)的功率量的指示，燃料电池控制器210可以向燃料电池发电装置202的每个燃料电池单元提供控制信号从而以有限最大输出操作。然而，响应于接收到电网218需要减小的电力量(例如在11000兆瓦和13000兆瓦之间)的另一指示，燃料电池控制器210可以调节燃料电池单元的子集的操作参数以在预定时段(例如3小时)内将功率输出减小到设定的最小输出(例如最大额定输出的0％，5％，10％，15％，20％，25％，40％)。响应于接收到电网218需要峰值范围内的功率量的另一指示，燃料电池控制器210可以调节低循环燃料电池单元的操作参数以使其功率输出在预定时段(例如3小时)内返回到有限最大值。
在一些实施方式中，燃料电池控制器210根据单独的一组操作参数操作燃料电池单元组204、206和208中的每一组。例如，在一个实施方式中，响应于来自负载传感器220的峰值需求的指示(例如在第一预定范围内的测量电流)，燃料电池控制器210可以第一有限最大功率输出(例如最大额定功率输出的大约50％)操作第一组燃料电池单元204中的每个燃料电池单元，以第二有限最大功率输出(例如最大额定功率输出的约60％)操作第二组燃料电池单元206中的每个燃料电池单元，以及以第三有限最大功率输出(例如最大额定功率输出的约65％)操作第三组燃料电池单元208中的每个燃料电池单元。这种交错的方法可以在实现大容量电力系统的负载的有时不可预测的下降和流动(flow)中提供更大的灵活性。
例如，响应于从负载传感器220接收到功率需求减小的指示(例如由电网218汲取的电流减小，或者测量电流在低于第一预定范围的第二预定范围内)，燃料电池控制器210可以调节燃料电池单元组204、206和208中的任一个或组合的操作参数，以减小燃料电池发电装置202的总电输出。在一个示例中，如果功率需求减小的指示是需求的有限减小(例如峰值需求的小百分比如5％或10％变化)，则燃料电池控制器210可以仅减小第一组燃料电池单元204的功率输出从而以百分比最小地影响总功率输出。
在各种实施方式中，燃料电池控制器210(或关于图1讨论的燃料电池控制器142)配置成控制每个燃料单元的功率产生，如美国专利No.7,800,340中所述，其全部内容通过引用并入本文。例如，燃料电池控制器210可以利用查找表将负载传感器220返回的值转换为燃料电池发电装置202所需的DC输出。基于该所需的DC输出，燃料电池控制器210通过使用另外的查找表，为每个单独的燃料电池单元确定燃料利用率。用于确定燃料利用率的特定查找表可取决于许多因素，例如所需的DC输出、每个单独的燃料电池单元的当前操作模式(例如燃料电池单元是以有限最大功率输出还是以最小功率输出操作)、以及供给燃料电池发电装置202的燃料成分。基于燃料利用率，确定每个燃料电池单元的燃料需求。在一个示例中，如果燃料电池发电装置202的每个燃料电池单元以有限最大输出操作，则响应于接收到局部最小电负载的指示，燃料电池控制器210确定了需要最小DC输出并检索与燃料电池发电装置202的操作状态(其中所有燃料电池单元以有限最大输出操作)相关联的查找表。使用查找表，确定每个燃料电池单元的燃料利用率和燃料需求，并且将控制信号提供给燃料流量控制阀以产生所需的DC输出。
在一些实施方式中，燃料电池控制器210配置成依次(而不是同时)控制燃料电池单元以实现输出随时间的期望波动。例如，在一个实施方式中，燃料电池控制器210配置成在给定系统中的所有燃料电池上均匀地分配负载循环。例如，如果在给定的一天，第一组燃料电池单元204的燃料电池单元被负载循环以应对电网218的负载减小，则燃料电池控制器210可以在接下来的天选择负载循环第二组燃料电池单元206。这可以在基于逐日重复，使得负载循环燃料电池中没有一个比其它燃料电池负载循环更多。
在一些实施方式中，燃料电池发电装置202中的一些燃料电池单元以上面讨论的最大额定功率输出或接近最大额定功率输出操作，而其它燃料电池单元以有限最大功率输出操作。以最大额定功率输出操作的燃料电池单元不能显著地负载循环而不会对燃料电池单元的老化产生不利影响。鉴于此，响应于电网218的需求减小，以有限最大功率输出操作的燃料电池单元的输出减小。表1是示出根据说明性实施方式的具有基本负载结合的循环燃料电池(CCFC)单元(以峰值额定最大输出或接近峰值额定最大输出操作的燃料电池单元)和负载循环CCFC燃料电池单元(以有限最大功率输出操作的燃料电池单元)的各种组合的燃料电池发电装置202的结果的图表。
表1
Figure GDA0003730113870000151
如表1所示，当操作6个基本负载燃料电池和0个负载循环燃料电池时，燃料电池发电装置202具有10％的每日调低能力。当操作8个负载循环燃料电池和0个基本负载燃料电池时，高效燃料电池系统还具有56％的每日调低能力。
在一些实施方式中，例如在燃料电池单元组204、206和208中的每个燃料电池单元包括简单循环燃料电池(SCFC)的情况下，发电系统200还包括能量回收单元212。在各种实施方式中，能量回收单元212包括有机朗肯循环涡轮机，其配置成使用由燃料电池发电装置202产生的废热(例如来自燃料电池单元的燃料电池堆的阴极排气)产生额外的AC功率输出。在各种实施方式中，燃料电池控制器210可以选择性地将能量回收单元212与燃料电池发电装置202分离，以进一步增加发电系统200的功率可变性。或者，能量回收单元212的功率产生可以下降或上升。表2示出了根据说明性实施方式的具有基本负载燃料电池单元(即以最大额定输出操作的燃料电池单元)和负载循环燃料电池(即以有限最大输出操作的燃料电池单元)的各种组合的燃料电池发电装置202用于～20MW的发电装置项目的结果。对于表2中的情况，结果以在系统中使用和不使用ORC涡轮机来显示。表2还描绘了燃料电池发电装置202的基本负载转换潜力，其指的是当所有循环燃料电池单元达到最大额定操作模式时的情况。
表2
Figure GDA0003730113870000161
如表2所示，在不使用ORC涡轮机时，使用7个基本负载燃料电池单元和0个负载循环燃料电池单元实现了10％的最小每日调低。在使用ORC涡轮机时，同样的情况增加到17％的调低能力。表2中描述的最大每日调低(59％)来自具有0个基本负载燃料电池单元、10个负载循环燃料电池单元以及使用ORC涡轮机的系统。表2还表明了具有0个基本负载燃料电池单元、11个负载循环燃料电池单元以及不使用ORC涡轮机的系统导致最大每日调低为56％。如果在燃料电池单元操作的任何时刻，电力需求变化以便需要更牢靠的发电，则可以将一个或多个燃料电池单元从负载循环装置转换为基本负载装置(例如通过将功率产生上升到最大额定功率输出)。表2强调了添加成基本负载发电的能力。
现在参考图3，根据示例性实施方式，示出了图2的发电系统200的燃料电池控制器210的更详细视图。燃料电池控制器210包括处理电路302，该处理电路302包括处理器304和存储器306。处理器304可以是通用或专用处理器、专用集成电路(ASIC)、一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)、一组处理元件或其它合适的处理元件。处理器304可以配置成执行在存储器306中存储的或从其它计算机可读介质(例如CDROM、网络存储器、远程服务器等)接收的计算机代码或指令，以执行本文描述的一个或多个过程。存储器306可以包括配置成存储数据、计算机代码、可执行指令或其它形式的计算机可读信息的一个或多个数据存储设备(例如，存储器单元、存储器设备、计算机可读存储介质等)。存储器306可以包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬盘驱动存储器、临时存储器、非易失性存储器、闪存、光学存储器或用于存储软件对象和/或计算机指令的任何其它合适的存储器。在一些实施方式中，控制器210还包括用户界面(未示出)。用户界面可以包括能够接收操作员输入以调节发电系统200的任何部件的任何操作参数的显示器或其它元件(例如按钮、操纵杆等)。
如图3所示，存储器306包括负载监测模块308和功率输出调节模块310。应当理解，存储器306可以包括更多、更少或不同的模块而不脱离本公开的范围。负载监测模块308构造成使处理器304分析接收到的关于发电系统200正在向其提供功率输出的电负载(例如电网218)的功率需求的数据。在这方面，负载监测模块308可以配置成分析关于电负载所需功率水平的各种输入。在各种实施方式中，响应于燃料电池控制器210(例如经由下面描述的负载传感器接口314)从负载传感器220接收传感器信号(例如指示电网218上的特定点处所需的电流水平)，负载监测模块308可以使处理器304对接收到的信号执行分析。
在一个示例中，负载监测模块308可以包括各种功率调节触发器。如果从负载传感器220接收的传感器信号满足由任何功率调节触发器定义的参数，则处理器304(例如经由下面描述的功率输出调节模块310)可以调节燃料电池发电装置202中的各种燃料电池单元的操作参数，以基于电负载的需求调节发电系统200的总功率输出。一个这种调节触发器可以包括将来自负载传感器220的信号与先前测量的值进行比较(例如如果电负载的功率需求在预定时段内减小超过预定百分比)。其它调节触发器可以与燃料电池发电装置202的各种预定范围的功率需求和当前功率输出相关联。例如，如果电负载所需的电流水平在预定峰值范围内并且如果燃料电池发电装置202没有以最大水平输出操作(例如，如果至少一个燃料电池单元在上面讨论的有限最大水平以下操作)，则负载监测模块308可以触发功率输出调节模块310以向上调节燃料电池发电装置202的功率输出水平。在另一个示例中，如果电负载所需的电流水平在预定的最小范围内并且燃料电池发电装置正在产生正功率输出(例如如果至少一个燃料电池单元正在产生非零功率输出)，则负载监测模块308触发功率输出调节模块310以向下调节燃料电池发电装置202的输出功率水平。
功率输出调节模块310配置成基于电负载所需的功率水平来操作燃料电池发电装置202的燃料电池单元。在这方面，功率输出调节模块310配置成向燃料电池发电装置202的每个燃料电池单元的各种部件(例如流量控制阀、鼓风机、逆变器、电流调节器)提供控制信号以控制每个燃料电池单元的功率输出水平，如美国专利No.7,800,340中所述。如上所述，响应于接收到来自电负载的峰值水平功率需求的指示，功率输出调节模块310可以使处理器304提供控制信号(例如经由下面描述的发电系统接口316)以提供最大水平功率输出(例如以有限最大功率输出操作燃料电池发电装置202中的每个燃料电池单元，或以有限最大功率输出操作第一组燃料电池单元并以最大额定功率输出操作第二组燃料电池单元)。
然而，响应于燃料电池控制器210检测到(例如经由负载监测模块308)电负载所需的功率降低，功率输出调节模块310可以使处理器304调节燃料电池发电装置202的至少一些燃料电池单元的操作参数。例如，燃料电池控制器210可以控制空气、水和燃料进入燃料电池单元的流速(例如通过调节类似于关于图1所讨论的阀124和126的阀的定位)以减小燃料电池单元的功率输出(例如减小到低于有限最大功率输出的水平)。另外，燃料电池控制器210可以控制逆变器234的设定点以降低燃料电池发电装置202的功率输出。响应于燃料电池控制器210检测到电负载所需的提高的水平功率，功率输出调节模块310可以使燃料电池控制器210调节水和燃料进入燃料电池单元的流速(例如通过调节类似于关于图1所讨论的阀124和126的阀的定位，)以将功率输出向上恢复到提高的水平。
在各种实施方式中，燃料电池单元的操作参数的调节受到各种约束器312的限制。例如，在一个实施方式中，一个操作参数(例如燃料引入燃料电池单元的速率)的调节在预定时段内不能调节超过预定量或百分比以防止损坏各种燃料电池部件。其它约束器可能涉及待调整的燃料电池单元的身份。例如，在一些实施方式中，燃料电池单元可以在预定时段(例如每天)中不低循环(例如至低于有限最大功率输出的功率输出)超过预定次数(例如1次)。因此，功率输出调节模块310可以使处理器304在不同时间访问识别燃料电池单元的操作参数的数据日志。如果数据日志显示第一燃料电池单元在预定时段内低循环但第二燃料电池单元不是，则可以调节第二燃料电池单元的操作参数以使第二燃料电池单元低循环。
如图3所示，燃料电池控制器210还包括负载传感器接口314。负载传感器接口314配置成从负载传感器220接收信号。在一些实施方式中，负载传感器220经由有线连接联接到燃料电池控制器210。因此，负载传感器接口314可以包括插孔、焊接点或用于将燃料电池控制器210与负载传感器220物理联接的任何其它硬件。另外，负载传感器接口436可以包括通信硬件/软件、数模转换器、模数转换器、用于解释表示电负载的功率需求的信号的电路、以及其它合适的部件。
在一些实施方式中，负载传感器接口314包括无线通信收发器，其配置成经由无线通信协议(例如
Figure GDA0003730113870000191
或
Figure GDA0003730113870000192
)与负载传感器220通信。在一个示例中，负载传感器220可以与电网218的操作员相关联，并且操作员可以将使用数据(例如实际功率使用数据、使用预测等)无线地发送到燃料电池控制器210。因此，燃料电池控制器210可以基于预测的功率需求预先改变燃料电池发电装置202的功率产生水平。
燃料电池控制器210还包括发电系统接口316。发电系统接口316配置成向发电系统200的各种部件(例如燃料电池单元的部件、能量回收单元212)提供控制信号以控制功率产生水平。因此，发电系统接口316可以包括插孔、焊接点或用于将燃料电池控制器210与本文所述的各种部件物理联接的任何其它硬件。另外，发电系统接口316可以包括通信硬件/软件、数模转换器、模数转换器、用于解释代表燃料电池发电装置202的每个单独燃料电池单元的功率产生水平的信号的电路、和其它合适的部件。
现在参考图4，根据示例性实施方式，示出了用于基于电负载操作负载跟随燃料电池单元(例如本文讨论的负载跟随燃料电池单元100)的方法400的流程图。方法400可以由例如上面讨论的燃料电池控制器142执行。或者，在一些实施方式中，方法400可以由上面讨论的燃料电池控制器210执行。在这样的实施方式中，方法400可以适用于包括在燃料电池发电装置202中的多个燃料电池单元中的每一个。可以执行方法400以在对燃料电池单元的老化具有最小影响的情况下提供可变的电力量。
方法400包括将燃料电池单元的最大功率输出限制到燃料电池单元的热中性区域(框402)。例如，燃料电池控制器142可以接收电负载144处于局部最大值的指示(例如电负载144可以正汲取在每日峰值范围内的电流)。作为响应，燃料电池控制器142可以根据一组操作参数(例如定义了来自燃料供应部118的燃料流速、来自水供应部122的水、来自补充燃料供应部132的燃料、顶部模块102和底部模块110之间的压差)操作燃料电池单元100的各种部件(例如阀124、126和134，增压鼓风机130和140等)，使得燃料电池单元100提供有限最大功率输出。有限最大功率输出可以是燃料电池单元100的最大额定功率输出的预定百分比(例如50％-65％)。
方法400包括接收电负载减小的指示(框404)。例如，在电负载144包括电网的布置中，经由电网供电的各种客户可以减小功耗(例如在中午)以导致电负载144所汲取的电流减小(例如低于每日峰值范围)。如将理解的，电负载的减小量可以根据情况而变化。
方法400包括调节燃料电池单元的操作参数以在第一预定时段内从有限最大功率输出减小功率输出(框406)。例如，响应于电负载减小的指示，燃料电池控制器142可以减小来自提供给顶部模块102的燃料电池堆104的阳极106的燃料供应部118的燃料的流速，以在第一预定时段(例如1-3小时)内将负载跟随燃料电池单元100的功率输出减小至低于有限最大值的第一最小值。在各种实施方式中，第一最小值是负载跟随燃料电池单元100的最大额定功率输出的至多40％。
在一些实施方式中，可以接收电负载减小的另外指示。例如，电网的客户可以进一步将功耗减小至低于404所示的水平。响应于这样的指示，燃料电池控制器142可以调节燃料电池单元的操作参数，以在第二预定时段(例如1小时)内将功率输出从第一最小值减小至低于第一最小值的第二最小值(例如0％，5％，10％，20％)。
方法400包括接收电负载增加的指示。例如，电网的客户可以将功耗增加到高于404所示的水平(例如趋于傍晚，电负载144所汲取的电流可以增加到每日峰值范围内的值)。作为响应，燃料电池控制器142可以调节负载跟随燃料电池单元100的操作参数，以在第三预定时段(例如1-3小时)内将功率输出增加回到有限最大值(框410)。例如，供应到阳极106的燃料量可以以预定速率增加，以增加负载跟踪燃料电池单元100的功率产生。
现在参考图5，根据示例性实施方式，示出了用于基于电负载操作燃料电池发电装置(例如，上面讨论的燃料电池发电装置202)的方法500的流程图。方法510可以由上面讨论的燃料电池控制器210执行。可以执行方法500以在对燃料电池发电装置202的老化具有最小影响的情况下提供可变量的电力。
方法500包括在每个燃料电池单元的热中性区域外操作第一数量的燃料电池单元(例如第一组燃料电池单元204)以提供每单元的最大额定功率输出(框502)。例如，作为默认，燃料电池控制器210可以根据第一组操作参数操作第一组燃料电池单元204的每个燃料电池单元，以产生最大额定功率输出的功率输出(例如3.7MW)。在各种实施方式中，为了防止对第一组燃料电池单元204的老化影响，燃料电池控制器210可以将这些燃料电池单元的操作参数保持在默认水平。在一些实施方式中，燃料电池控制器可以改变第一组燃料电池单元204的操作参数，以将第一组燃料电池单元204中的每个燃料电池单元的功率输出改变多达10％的最大额定功率输出。这种有限的循环增加了燃料电池发电装置202的整体循环能力。
方法500包括接收局部最大电负载的指示。例如，电网218的客户可能需要相对高的电力量(例如在傍晚)，使得负载传感器220检测到每日峰值范围内的电流。在一些实施例中，可以从外部计算系统接收指示。例如，与电网218相关联的权威机构可以向燃料电池控制器210提供对电负载的预测。这种预测可以存储在控制器的存储器306中，并且燃料电池控制器210可以周期性地检索功率需求预测值。能够监测电网218的功率需求的任何实体可以提供这样的指示。
方法500包括响应于在504接收的指示，在每个燃料电池单元的热中性区域内操作第二数量的燃料电池单元(例如第二组燃料电池单元206)(框506)。因此，第二组燃料电池单元206中的每个燃料电池单元产生有限最大功率输出，其是每个燃料电池单元的最大额定功率输出的预定百分比(例如50％-65％)。为了产生这种有限最大功率输出，可以采用各种方法。例如，在一个实施方式中，第二组燃料电池单元206中的每个燃料电池单元可以在第二组操作参数下操作，使得每个燃料电池单元以相同的有限最大值产生功率输出。或者，第二组燃料电池单元206的子集可以在不同组的操作参数下操作，使得不同子集中的燃料电池单元以不同的有限最大值产生功率输出。在一个示例中，第二组燃料电池单元206的第一子集以第一有限最大值(例如最大额定功率输出的50％)产生功率输出，而第二组燃料电池单元206的第二子集以第二有限最大值(例如最大额定功率输出的60％)产生功率输出。
方法500包括接收电负载减小的指示(框508)。例如，电网218的客户可以减小功耗，使负载传感器220检测到低于每日峰值范围的电流水平。作为响应，燃料电池控制器210选择第二组燃料电池单元206的子集(框510)。在各种实施方式中，选择可以基于燃料电池发电装置202的低循环历史。例如，燃料电池控制器210可以保持描述用于在不同时间操作各种燃料电池单元的操作参数的日志。因此，该日志描述了哪些燃料电池单元在不同时间循环。在一些实施方式中，使用各种选择规则来选择燃料电池单元的子集。在一个示例中，不选择在预定时段(例如一天)内已经低循环到其有限最大输出以下的燃料电池单元。
在一些实施方式中，基于在508接收的指示来选择燃料电池单元。例如，可以根据负载感测器220感测的电负载水平来选择第二组燃料电池单元206的不同子集。如果电负载的减小是与局部最大值的有限偏离(例如10％)，例如，则可以选择以更高的有限最大输出操作的燃料电池单元的子集以使燃料电池发电装置的总功率输出减小较少百分比。
方法500包括调节所选择的燃料电池单元的子集的操作参数以减小燃料电池发电装置的功率输出。例如，对于所选的第二组燃料电池单元206的燃料电池单元，燃料电池控制器210可以关闭阀124和126以减小将燃料和水供应到顶部模块102的速率，并从而在预定时段(例如1-3小时)内将燃料电池单元的功率产生减小到最小值。如果接收到局部最大电负载的另一指示，则燃料电池控制器210可逐渐重新打开阀124和126，以使所选燃料电池单元的功率产生回升到有限最大值。或者，如果接收到电负载减小的另一指示，则燃料电池控制器210可以重复510和512以选择第二组燃料电池单元206中的另外的燃料电池单元并调节操作参数以将另外的燃料电池单元的功率输出减小至另一个最小值。
如各种示例性实施方式中所示的系统和方法的构造和布置仅是说明性的。尽管在本公开中仅详细描述了几个实施方式，但是许多修改是可能的(例如改变各种元件的尺寸、维度、结构、形状和比例，以及参数值，安装布置，材料使用，取向等)。举例来说，元件的位置可以颠倒或以其它方式变化，并且可以修改或改变离散元件或位置的性质或数量。因此，所有这些修改旨在包括在本公开的范围内。根据替代实施方式，可以改变或重新排序任何过程或方法步骤的顺序或序列。在不脱离本公开的范围的情况下，可以在示例性实施方式的设计、操作条件和布置方面进行其它替换、修改、改变和省略。
本公开考虑了用于实现各种操作的关于存储器或其它机器可读介质的方法、系统和程序产品。本公开的实施方式可以使用现有的计算机处理器来实现，或者通过用于适当系统的专用计算机处理器来实现(为了这个或其它目的而并入)，或者通过硬连线系统来实现。本公开范围内的实施方式包括程序产品或存储器，其包括用于携带或具有存储在其上的机器可执行指令或数据结构的机器可读介质。这种机器可读介质可以是可由通用或专用计算机或具有处理器的其它机器访问的任何可用介质。举例来说，这种机器可读介质可包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储器、磁盘存储器或其它磁存储设备、或可用于以机器可执行指令或数据结构的形式携带或存储所需程序代码和可由通用或专用计算机或具有处理器的其它机器访问的任何其它介质。上述的组合也包括在机器可读介质的范围内。作为示例，机器可执行指令包括使通用计算机、专用计算机或专用处理机器执行特定功能或功能组的指令和数据。
尽管附图可以示出方法步骤的特定顺序，但是步骤的顺序可以与所描绘的顺序不同。还可以同时或部分同时执行两个或更多个步骤。这种变化将取决于所选择的软件和硬件系统以及设计者的选择。所有这些变化都在本公开的范围内。同样地，软件实现可以利用标准编程技术来完成，该技术具有基于规则的逻辑和其它逻辑，以完成各种连接步骤、处理步骤、比较步骤和决定步骤。

Claims (20)

1.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池单元，所述燃料电池单元配置成产生用于供应到变化的电负载的电力量，所述电力量根据所述燃料电池单元的操作参数而变化，其中所述燃料电池单元包括燃料电池堆；
燃料电池控制器，所述燃料电池控制器与所述燃料电池单元通信联接，所述燃料电池控制器被配置成：
从与所述燃料电池控制器通信的负载传感器接收所述变化的电负载在预定时段内处于局部最大值的第一指示；
响应于接收到所述第一指示，以具有第一值的所述操作参数操作所述燃料电池堆，使得所述燃料电池堆产生有限最大电力量，所述有限最大电力量是所述燃料电池堆的最大额定功率输出的预定百分比；
从所述负载传感器接收所述变化的电负载已从所述局部最大值减小的第二指示；以及
响应于接收到所述变化的电负载已从所述局部最大值减小的所述第二指示，以具有第二值的所述操作参数操作所述燃料电池堆，使得所述燃料电池堆产生低于所述有限最大电力量的电力量。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述最大额定功率输出的所述预定百分比在50％和65％之间。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中，所述最大额定功率输出的所述预定百分比为65％。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述负载传感器被配置成基于所述电负载的电力需求水平产生信号，并且所述第一指示和所述第二指示包括由所述负载传感器产生的信号。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述电负载是电网。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述燃料电池系统包括多个燃料电池单元，所述多个燃料电池单元被配置成产生用于供应到所述变化的电负载的电力量，所述电力量根据所述多个燃料电池单元的操作参数而变化，并且其中所述多个燃料电池单元中的每个燃料电池单元的电输出被组合以向所述变化的电负载供应电力，其中所述多个燃料电池单元中的每一个能够以所述最大额定功率输出产生功率输出。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其中，所述燃料电池控制器被配置成响应于接收到所述第一指示，以具有第一组值的所述操作参数操作所述多个燃料电池单元，使得所述多个燃料电池单元的子集产生有限最大电力量，所述有限最大电力量是所述燃料电池单元的所述最大额定功率输出的预定百分比。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其中，所述燃料电池控制器被配置成：
响应于接收到所述变化的电负载已从所述局部最大值减小的指示，选择所述燃料电池单元的所述子集的燃料电池单元；以及
在预定时段内调节所选燃料电池单元的所述操作参数的值，使得所选燃料电池单元的所述功率输出在第一预定时段内下降到最小值。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中，所述最小值是所述最大额定功率输出的至多40％。
10.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中，所述第一预定时段在1小时和3小时之间。
11.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述控制器还被配置成：
接收所述变化的电负载处于所述局部最大值的第三指示；以及
在预定时段内调节所述燃料电池单元的所述操作参数的值，使得燃料电池堆的所述功率输出在第二预定时段内返回到所述有限最大电力量。
12.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述燃料电池堆包括熔融碳酸盐燃料电池，所述熔融碳酸盐燃料电池包括被配置成接收源自燃料供应部的反应物燃料的阳极和被配置成接收氧化剂气体的阴极，并且其中所述操作参数定义了来自所述燃料供应部的燃料流速或来自氧化器的氧化剂气体流速中的至少一个。
13.一种燃料电池系统，包括：
第一多个燃料电池单元，所述第一多个燃料电池单元配置成向变化的电负载提供电力，所述电力的量根据所述第一多个燃料电池单元的操作参数而变化，其中所述第一多个燃料电池单元中的每个包括燃料电池堆；
第二多个燃料电池单元，所述第二多个燃料电池单元配置成向所述变化的电负载提供电力，所述电力的量根据所述第二多个燃料电池单元的操作参数而变化，其中所述第二多个燃料电池单元中的每个包括燃料电池堆，以及其中所述第一多个燃料电池单元和所述第二多个燃料电池单元中的每个燃料电池堆具有最大额定功率输出；和
燃料电池控制器，所述燃料电池控制器与所述第一多个燃料电池单元和所述第二多个燃料电池单元通信联接，所述燃料电池控制器被配置成：
以具有作为默认值的第一值的所述操作参数操作所述第一多个燃料电池单元中的每个燃料电池堆，使得所述第一多个燃料电池单元中的每个燃料电池单元在默认操作条件下产生所述最大额定功率输出；以及
从与所述燃料电池控制器通信的负载传感器接收所述变化的电负载在预定时段内处于局部最大值的第一指示；
响应于所述变化的电负载处于所述局部最大值的所述第一指示，以具有值的所述操作参数操作所述第二多个燃料电池单元中的每个燃料电池堆，使得所述第二多个燃料电池单元的燃料电池堆产生有限最大电力量，所述有限最大电力量是所述最大额定功率输出的预定百分比；
从所述负载传感器接收所述变化的电负载已从所述局部最大值减小的第二指示；以及
响应于接收到所述变化的电负载已从所述局部最大值减小的所述第二指示，调节所述第二多个燃料电池单元中的燃料电池堆的所述操作参数，使得所述燃料电池堆产生低于所述有限最大电力量的电力量。
14.根据权利要求13所述的燃料电池系统，其中，所述最大额定功率输出的所述预定百分比在50％和65％之间。
15.根据权利要求13所述的燃料电池系统，其中，所述燃料电池控制器还被配置成：响应于接收到所述变化的电负载处于所述局部最大值的所述第一指示，以具有等效值的所述操作参数操作所述第二多个燃料电池单元中的每个燃料电池堆，使得所述第二多个燃料电池单元中的每个燃料电池堆以相同的有限最大值产生功率输出。
16.根据权利要求13所述的燃料电池系统，其中，所述燃料电池控制器被配置成：
响应于接收到所述变化的电负载处于所述局部最大值的所述第一指示，
以具有第二值的所述操作参数操作所述第二多个燃料电池单元的第一子集，使得所述第一子集中的每个燃料电池堆以第一有限最大值产生功率输出；以及
以具有第三值的所述操作参数操作所述第二多个燃料电池单元的第二子集，使得所述第二子集中的每个燃料电池堆以第二有限最大值产生功率输出。
17.根据权利要求16所述的燃料电池系统，其中，所述燃料电池控制器还被配置成响应于接收到所述变化的电负载已从所述局部最大值减小的所述第二指示，以具有第四值的所述操作参数操作所述第一子集，使得所述第一子集中的每个燃料电池堆产生第一最小电力量，同时以具有所述第二值的所述操作参数保持所述第二子集的操作。
18.根据权利要求17所述的燃料电池系统，其中，所述第一最小电力量是所述最大额定功率输出的至多40％。
19.根据权利要求17所述的燃料电池系统，其中，所述燃料电池控制器还被配置成：
接收所述变化的电负载已从所述局部最大值减小的第三指示；以及
响应于接收到所述第三指示，以具有第五值的所述操作参数操作所述第二子集，使得所述第二子集中的每个燃料电池堆产生第二最小电力量，同时以具有所述第二值的所述操作参数保持所述第一子集的操作。
20.根据权利要求13所述的燃料电池系统，其中，所述第一多个燃料电池单元和所述第二多个燃料电池单元中的每个燃料电池堆包括被配置成接收源自燃料供应部的反应物燃料的阳极和被配置成接收来自氧化器的氧化剂气体的阴极，其中所述操作参数限定了来自所述燃料供应部的反应物燃料流速或来自所述氧化器的氧化剂气体流速中的至少一个。
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