CN111446469A - 液冷燃料电池热电联产系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液冷燃料电池热电联产系统及其控制方法，属于液冷燃料电池热电联产技术领域。液冷燃料电池热电联产系统通过储热装置、流量分配装置、第一动力装置、换热装置、电堆及第二动力装置形成三条液路，分别为换热液路、第一液路和第二液路；其中，控制模块通过流量分配装置调节具有不同水温的第一液路和第二液路中的储热水以控制换热液路中冷却液的入堆温度。本发明相对于通过控制第一循环泵的转速调控入堆温度具有更高的精准度和稳定性，并且液冷燃料电池热电联产系统也具有更高的可靠性。

Description

液冷燃料电池热电联产系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及液冷燃料电池热电联产技术领域，尤其涉及一种液冷燃料电池热电联产系统及其控制方法。

背景技术

液冷燃料电池热电联产系统包括燃料电池子系统、储热子系统，燃料电池子系统发电的同时产生热量，储热子系统与燃料电池进行热交换，从而对燃料电池子系统的热量回收利用。

其中，燃料电池子系统通过电堆发电并生热，冷却液对电堆进行降温，并将热量带出电堆；储热子系统包括具有储热水的水箱，储热水在储热子系统中循环并与冷却液换热；储热水从储热子系统的冷端的出发，换热后进入储热装置的热端。

将燃料电池子系统的工作温度维持在额定值有利于稳定输出功率，保持较高的发电效率和耐久性，这就要求冷却液循环入电堆时的入堆温度尽可能保持恒定。

现有的液冷燃料电池热电联产系统中，通过控制储热子系统的储热水流量来调节冷却液的散热量以实现所述入堆温度恒定，这种流量控制利用闭环控制策略来控制储热子系统中的储热水循环水泵转速或者改变串联于储热子系统的管路中的电动阀门开度来完成。但是该技术存至少存在以下问题：

(1)储热水经换热器加热后的温度受流速影响较大，尤其在换热器换热面积设计余量较小时，受制于传热速率，相同热负荷下高初温高流速的储热水相比低初温低流速的储热水在换热后所达到的终温要明显低数度，即储热子系统中经由换热器换热前后的温度浮动较大，不利于精确控制储热装置热端的输出水温，进而降低热水取用(如洗浴、采暖)的使用效果；

(2)在上述(1)的基础上，为使所述入堆温度稳定，储热水流量控制需要十分精细，对储热水循环水泵的转速和电动阀门开度的控制精度和控制范围要求很高，不利于保证系统的可靠性；

(3)在换热水初温频繁变化的情况下(如具有自动补水设计的储热子系统在用户频繁消耗热水时)，储热水循环水泵需频繁改变转速，管道压力随之频繁变化，从而导致系统的可靠性降低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服上述缺陷，而提供一种对储热水和入堆温度的调控精度高、系统稳定性好且可靠性高的液冷燃料电池热电联产系统及其控制方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

一种液冷燃料电池热电联产系统，其特点在于，包括控制模块、储热装置、流量分配装置、第一动力装置、换热装置、电堆及第二动力装置；所述储热装置容置有储热水，并包括冷端和热端；所述流量分配装置包括第一流量分配口、第二流量分配口及第三流量分配口，所述换热器包括第一导通口和第二导通口；

所述流量分配装置的第三流量分配口、所述第一动力装置、所述换热装置的第一导通口、所述换热装置的第二导通口及所述流量分配装置的第一流量分配口顺次连通形成供储热水循环的第一液路；

所述储热装置的冷端、所述流量分配装置的第二流量分配口、所述流量分配装置的第三流量分配口、所述第一动力装置、所述换热装置的第一导通口、所述换热装置的第二导通口及所述储热装置的热端顺次连通形成第二液路；

所述电堆的出堆口、所述第二动力装置、所述换热装置及所述电堆的入堆口顺次连通形成供电堆中的冷却液循环的换热液路；

所述控制模块用于通过所述流量分配装置调节具有不同水温的所述第一液路和所述第二液路中的储热水的混合比例控制所述换热液路中冷却液进入所述入堆口时的入堆温度。

优选地，所述流量分配装置包括三通调节阀，所述控制模块具体用于通过调节所述三通调节阀的开度控制所述第一液路和所述第二液路中储热水的混合比例；所述三通调节阀的开度为0％时，所述第一液路完全打开，且所述第二液路关闭；所述三通调节阀的开度为100％时，所述第一液路关闭，且所述第二液路完全打开。

优选地，所述液冷燃料电池热电联产系统还包括第一旁路控制阀，所述第一旁路控制阀的进水口连通所述第二导通口，所述第一旁路控制阀的出水口分别连通所述第一流量分配口和所述储热装置的热端；

所述控制模块还用于控制所述第一旁路控制阀的阀门的开闭。

优选地，所述液冷燃料电池热电联产系统还包括第二旁路控制阀，所述第二旁路控制阀分别连接所述第二导通口和所述储热装置的冷端；所述储热装置的热端、所述流量分配装置的第一流量分配口、所述流量分配装置的第三流量分配口、所述第一动力装置、所述换热装置的第一导通口、所述换热装置的第二导通口、所述第二旁路控制阀及所述储热装置的冷端顺次连通形成第三液路；

所述控制模块还用于控制所述第二旁路控制阀的阀门的开闭。

优选地，所述换热装置包括换热器，冷却液和储热水在所述换热器中换热；和/或，

所述第一动力装置包括第一循环泵，用以提供第一液路和第二液路中储热水流动的动力；和/或，

所述储热装置包括储水罐，所述储水罐上形成所述冷端和所述热端；和/或，

所述第二动力装置包括第二循环泵，用以提供换热液路中冷却液流动的动力。

一种液冷燃料电池热电联产系统的控制方法，其特点在于，所述控制方法用于控制如上所述的冷却液燃料电池热电联产系统；

所述控制方法包括如下步骤：

S100、控制所述第一液路和所述换热液路运转、控制所述第二液路断开；

S200、控制换热液路、第一液路和第二液路同时运转，并通过PID调节所述第一液路和所述第二液路中储热水混合的比例控制所述入堆温度在目标温度范围内。

优选地，所述流量分配装置包括三通调节阀，所述控制模块具体用于通过调节所述三通调节阀的开度控制所述第一液路和所述第二液路中储热水的混合比例；所述三通调节阀的开度为0％时，所述第一液路完全打开，且所述第二液路关闭；所述三通调节阀的开度为100％时，所述第一液路关闭，且所述第二液路完全打开；

所述S200具体包括如下步骤：

S210、通过PID调节所述三通调节阀的开度控制所述入堆温度在所述目标温度范围内。

优选地，步骤S200在步骤S210之后还包括如下步骤：

S220、判断入堆温度是否超过第一温度阈值，若是，则执行步骤S240，否则执行S230，其中，所述第一温度阈值大于所述目标温度范围的上限；

S230、判断所述储热装置的热端的水温和所述储热装置的中部的水温的温差是否超过第一温差，若是，则控制电堆以第一功率运行后返回步骤S210，否则直接返回步骤S210；

S240、判断所述电堆是否以第一功率运行，若是，则控制电堆以第二功率运行后返回步骤S210，否则将冷却液向外部散热或控制电堆关机；其中，所述第二功率小于第一功率。

优选地，所述液冷燃料电池热电联产系统还包括第一旁路控制阀，所述第一旁路控制阀的进水口连通所述第二导通口，所述第一旁路控制阀的出水口分别连通所述第一流量分配口和所述储热装置的热端；所述控制模块还用于控制所述第一旁路控制阀的阀门的开闭；

步骤S100中通过控制所述第一旁路控制阀打开、控制第一动力装置运转及控制三通调节阀开度为0％实现所述第一液路运转。

优选地，所述液冷燃料电池热电联产系统还包括第二旁路控制阀，所述第二旁路控制阀分别连接所述第二导通口和所述储热装置的冷端；所述储热装置的热端、所述流量分配装置的第一流量分配口、所述流量分配装置的第三流量分配口、所述第一动力装置、所述换热装置的第一导通口、所述换热装置的第二导通口及所述储热装置的冷端顺次连通形成第三液路；所述控制模块还用于控制所述第二旁路控制阀的阀门的开闭；

所述控制方法在步骤S100之前还包括如下步骤：

S090、根据开机指令控制所述换热液路和所述第三液路运转，且控制所述第一液路和第二液路断开；

步骤S100中，根据储热装置热端的水温高于冷机温度的差值是否大于第二温差的判断结果不同，而通过不同的操作步骤将液冷燃料电池热电联产系统从步骤S090的状态切换至第一液路和换热液路运转，且第二液路断开的状态。

优选地，步骤S100具体包括如下步骤：

S110、控制第一旁路控制阀打开；

S120、控制第二旁路控制阀关闭；

S130、判断入堆温度是否达到目标温度范围，若是，则执行步骤S200，否则重复步骤S130。

优选地，步骤S100还包括如下步骤：

S106、判断储热装置热端的水温高于冷机温度的差值是否大于第二温差，若是则执行步骤S108，否则执行步骤S107；

S107、判断储热装置热端的水温高于出堆温度的差值是否小于第二温差，若是，则顺次执行步骤S110、步骤S120、步骤S121及步骤S130，否则返回步骤S106；其中，步骤S121为：判断出堆温度是否大于冷机温度，若是，则控制电堆以第一功率运行后执行步骤S130，否则重复步骤S121；

S108、判断出堆温度是否大于冷机温度，若是，则控制电堆以第一功率运行后执行步骤S109，否则返回步骤S106；

S109、判断储热装置热端的水温高于出堆温度的差值是否小于第二温差，若是，则顺次执行步骤S110、步骤S120及步骤S130，否则重复步骤S109。

优选地，步骤S090具体包括如下步骤：

S091、控制第二动力装置运转，控制电堆以所述第二功率运行；

S092、控制所述第二旁路控制阀打开阀门；

S093、控制所述第一旁路控制阀关闭阀门；

S094、控制所述第一动力装置打开；

S095、控制所述三通调节阀开度为0％。

优选地，所述换热装置包括换热器，冷却液和储热水在所述换热器中换热；和/或，

所述第一动力装置包括第一循环泵，用以提供第一液路、第二液路及第三液路中储热水流动的动力；和/或，

所述储热装置包括储水罐，用以存储储热水，所述储水罐上形成所述冷端和所述热端；和/或，

所述第二动力装置包括第二循环泵，用以提供换热液路中冷却液流动的动力；

所述控制方法中，步骤S09具体包括：控制电堆运转、控制第二旁路控制阀打开阀门、控制第一旁路控制阀关闭阀门、控制所述第一循环泵运转、控制所述换热器运转、控制所述第二循环泵运转及控制三通调节阀开度为0％。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：

本发明中的液冷燃料电池热电联产系统针对储热水设置第一液路和第二液路，其控制方法通过控制第一液路和第二液路中储热水的混合比例来调控储热水进入换装置时温度，从而精准、稳定地控制入堆温度和储热水温度，同时液冷燃料电池热电联产系统的运行也更稳定。

附图说明

图1为本发明一实施例的液冷燃料电池热电联产系统的液路图；

图2为本发明一实施例的液冷燃料电池热电联产系统的控制方法的流程图。

附图标记说明：

储热装置10

热端11

冷端12

流量分配装置20

第一流量分配口21

第二流量分配口22

第三流量分配口23

第一动力装置30

换热装置40

第一导通口41

第二导通口42

电堆50

出堆口51

入堆口52

第二动力装置60

用水系统70

供水系统端80

稳压阀81

止回阀82

第一温度传感器100

第二温度传感器110

第三温度传感器120

第四温度传感器130

第五温度传感器140

膨胀罐150

第一旁路控制阀160

第二旁路控制阀170

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在下述的实施例范围之中。

请参阅图1，本发明实施例提供一种液冷燃料电池热电联产系统，包括控制模块(图中未示意)、储热装置10、流量分配装置20、第一动力装置30、换热装置40、电堆50及第二动力装置60；储热装置10容置有储热水，并包括冷端12和热端11；流量分配装置20包括第一流量分配口21、第二流量分配口22及第三流量分配口23，换热装置40包括第一导通口41和第二导通口42。

其中，储热装置10内的储热水从热端11到冷端12形成由高温到低温的温度梯度；优选储热装置10的热端11、冷端12及热端11与冷端12之间的一个位置间隔设置有温度传感器，用于检测对应位置储热水的温度；图1所示的示例中，热端11为储热装置10的顶端，冷端12为储热装置10的下端，储热装置10的顶端设有第一温度传感器100，中间位置设有第二温度传感器110，下端设有第三温度传感器120。

用户端的用水系统70连接储热装置10的热端11以取用热水；市政供水系统端80经稳压阀81和止回阀82连通储热装置10的冷端12，用以实时补水。

流量分配装置20的第一流量分配口21和第二流量分配口22用于进水，第三流量分配口23用于出水，控制模块控制第一流量分配口21与第三流量分配口23连通和断开，及第二流量分配口22与第三流量分配口23连通和断开；图1中以含箭头虚线Ⅰ表示了第一流量分配口21和第三流量分配口23连通的时储热水的流向，以含箭头虚线Ⅱ表示了第二流量分配口22和第三流量分配口23连通时储热水的流向，但实际上Ⅰ和Ⅱ含箭头虚线是不存在的。

第一动力装置30用于提供储热水循环的动力，第一动力装置30的启停经控制模块进行控制。

换热装置40供储热水和冷却液进行换热，诚然，当冷却液和储热水中只有一个流经时，换热装置40仅作为液体流通的通道。

电堆50用于接收氢气和空气进行发电并产生热能，电堆50中具有冷却液，用于吸收该热能并带出；电堆50具有入堆口52和出堆口51，分别供冷却液流入和流出；电堆50在不同的温度下具有不同的工作效率，通过控制冷却液进入入堆口52时的入堆温度来控制电堆50内部的工作温度；优选在靠近入堆口52的管路上设置第四温度传感器130以检测入堆温度，在靠近出堆口51的管路上设置第五温度传感器140，以检测冷却液流出出堆口时的出堆温度。

第二动力装置60用于提供冷却液循环的动力，第二动力装置60的启停经由控制模块进行控制。

控制模块例如采用ECU(电子控制单元)。

液冷燃料电池热电联产系统通过储热装置10、流量分配装置20、第一动力装置30、换热装置40、电堆50及第二动力装置60形成至少三条液路，包括：

流量分配装置20的第三流量分配口23、第一动力装置30、换热装置40的第一导通口41、换热装置40的第二导通口42及流量分配装置20的第一流量分配口21顺次连通形成供储热水循环的第一液路；

储热装置10的冷端12、流量分配装置20的第二流量分配口22、流量分配装置20的第三流量分配口23、第一动力装置30、换热装置40的第一导通口41、换热装置40的第二导通口42及储热装置10的热端11顺次连通形成第二液路；其中，图1中以含箭头虚线A表示了第二液路中储热装置10的热端11和冷端12的储热水流向，实际应用中该线不存在；

电堆50的出堆口51、第二动力装置60、换热装置40及电堆50的入堆口52顺次连通形成供电堆50中的冷却液循环的换热液路。

控制模块通过流量分配装置20控制第一液路和第二液路中的至少一个运转。当第一液路和储热液路运转、第二液路不运转时，第三流量分配口23与第一流量分配口21接通、并与第二流量分配口22断开，固定量的储热水在第一液路中往复循环，并与换热液路中的冷却液进行换热，第一液路中的储热水均迅速升温。

当第二液路和储热液路运转、第一液路不运转时，第三流量分配口23与第二流量分配口22接通、并与第一流量分配口21断开，储热水从储热装置10的冷端12流向热端11，并在换热装置40处与换热液路中的冷却液换热，第二液路中的储热水升温。

当第一液路、第二液路及换热液路同时运转时，第一液路和第二液路具有不同温度的储热水，第一流量分配口21和第二流量分配口22均与第三流量分配口23接通，流量分配装置20控制从第一流量分配口21流向第三流量分配口23的储热水的流量，及从第二流量分配口22流向第三流量分配口23的储热水的流量，即流量分配装置20控制第一液路和第二液路中储热水混合的比例；储热水的混合比例不同，则流入换热装置40的储热水的温度不同，冷却液与不同温度的储热水换热后获得不同的入堆温度；而根据进入换热装置40时的储热水的温度来调控入堆温度相对于通过控制第一循环泵的转速调控入堆温度具有更高的精准度和稳定性，并且液冷燃料电池热电联产系统也具有更高的可靠性。

经由上述可知，本发明实施例的液冷燃料电池热电联产系统针对储热水设置第一液路和第二液路，针对冷却液设置换热液路，并通过控制第一液路和第二液路中储热水的混合比例来调控储热水进入换装置时温度，从而精准、稳定地控制冷却液的入堆温度，同时液冷燃料电池热电联产系统的运行也更稳定。

本发明的示例中，流量分配装置20包括三通调节阀，控制模块具体用于通过调节三通调节阀的开度控制第一液路和第二液路中储热水的混合比例；三通调节阀的开度为0％时，第一液路完全打开且第二液路关闭；三通调节阀的开度为100％时，第一液路关闭，且第二液路完全打开。诚然，在其他示例中，作为可替换的手段，流量分配装置20也可通过其他形式的阀或阀组来调节第一液路和第二液路中储热水的混合比例以及控制第一液路和第二液路的通断。

其中，第一流量分配口21、第二流量分配口22及第三流量分配口23位于三通调节阀上，通过控制三通调节阀的阀门的开度来控制第一液路和第二液路的通断及混流比例。

请继续参阅图1，本发明的示例中，液冷燃料电池热电联产系统还包括第一旁路控制阀160，第一旁路控制阀160的进水口连通第二导通口42，第一旁路控制阀160的出水口分别连通第一流量分配口21和储热装置10的热端11；控制模块还用于控制第一旁路控制阀160的阀门的开闭。

其中，第一液路和第二液路共用从第三流量分配口23至第一旁路控制阀160的出水口的液路，第一旁路控制阀160控制着第一液路和第二液路的通断。

请继续参阅图1，液冷燃料电池热电联产系统还包括第二旁路控制阀170，第二旁路控制阀170分别连接第二导通口42和储热装置10的冷端12；储热装置10的热端11、流量分配装置20的第一流量分配口21、流量分配装置20的第三流量分配口23、第一动力装置30、换热装置40的第一导通口41、换热装置40的第二导通口42、第二旁路控制阀170及储热装置10的冷端12顺次连通形成第三液路；控制模块还用于控制第二旁路控制阀170的阀门的开闭。

其中，第三液路中，三通调节阀的开度为0％，换言之，第三流量分配口23与第一流量分配口21完全打开，并与第二流量分配口22完全断开。第二导通口42引出的管路形成两个分支，分别连接第一旁路控制阀160和第二旁路控制阀170。储热装置10的冷端12引出的管路形成两个分支，分别连接第二旁路控制阀170和第二流量分配口22。储热装置10的热端11引出的管路形成两个分支，分别连接第一流量分配口21和第一旁路控制阀160。

另，第一旁路控制阀160和第二旁路控制阀170对应着不同的液路，通常情况下，两者保持一开一闭，仅当切换两者的状态的过程中有短暂时间存在两者同时打开的状态，以防循环路径闭死，损伤水泵。

第三液路中储热水从储热装置10的热端11流向冷端12，图1中以含箭头虚线B表示了第三液路中储热装置10的热端11和冷端12的储热水流向，实际应用中该线不存在。

电堆50以较低的温度启动后的初始阶段，利用第三液路和换热液路进行热交换对冷却液加热，有利于冷却液快速升温，使得电堆50以较短的时间到达较佳的运行状态以便为储热水快速加热，提高了液冷燃料电池热电联产系统的系统效率。

本发明的示例中，换热装置40包括换热器，冷却液和储热水在换热器中换热，上述的第一导通口41和第二导通口42位于换热器上，诚然，换热器还具有其他的导通口供换热液路中的冷却液流通；和/或，

第一动力装置30包括第一循环泵，用以提供第一液路、第二液路及第三液路中储热水流动的动力；和/或，

储热装置10包括储水罐，储水罐上形成上述的冷端12和热端11；和/或，

第二动力装置60包括第二循环泵，用以提供换热液路中冷却液流动的动力；和/或，

设于流量分配装置20和储热装置10冷端12之间的管路上的膨胀罐150。

请参阅图2，本发明实施例还提供了一种液冷燃料电池热电联产系统的控制方法，用于对上述的液冷燃料电池热电联产系统进行控制。

该控制方法包括如下步骤：

S090、根据开机指令控制换热液路和第三液路运转，且控制第一液路和第二液路断开。其中，开机指令经由用户发出，例如，用户打开热水器的动作触发开机指令。

步骤S090具体经由如下步骤实现：

S091、启动换热液路：控制第二循环泵运转，控制电堆50以第二功率运行。其中，第二循环泵使得冷却液在换热液路中循环起来；第二功率为低于电堆50额定功率的某一功率，优选第二功率为电堆50的怠速功率；使电堆50以第一功率运行有利于保护电堆50内部的零部件，也有利于电堆50达到较佳的运行状态。

S092、控制第二旁路控制阀170打开阀门；

S093、控制第一旁路控制阀160关闭阀门；其中，先打开第二旁路控制阀170，再关闭第一旁路控制阀160，避免了液路中零部件憋死。

S094、控制第一循环泵打开；

S095、控制三通调节阀开度为0％，至此第三液路运转，第一液路和第二液路断开；

以上对步骤S090包含的具体步骤进行了详细阐述，该处对步骤S090进一步说明。步骤S090体现了液冷燃料电池热电联产系统的开机策略，即开机时以第二功率启动换热液路和并启动第三液路，储热装置10中的水先从热端11流向冷端12；该开机策略一方面保护系统处于非常安全的状态，另一方面便于加速冷却液升温至较佳温度后为储热水进行加热，从而提高燃料电池热电联产系统的系统效率。

该控制方法在步骤S090之后还包括如下步骤：

S100、控制第一液路和换热液路运转、第二液路断开；其中，第一液路和换热液路进行换热，由于第一液路中的储热水的体积是恒定的，因而储热水在该步骤中能够迅速升温。

步骤S100中，根据储热装置10的热端11的水温高于冷机温度的差值是否大于第二温差的判断结果不同，而通过不同的操作步骤将液冷燃料电池热电联产系统从步骤S090的运行状态切换至第一液路和换热液路运转，且第二液路、第三液路断开的状态，从而进一步精确控制液冷燃料电池热电联产系统，实现对冷却液精准温控，提高热电联产的系统效率。

其中，冷机温度为对电堆50设定的一个安全的运行温度，在当冷却液的入堆温度在冷机温度之下则控制电堆50以怠速功率运行，当入堆温度达到冷机温度时可以控制电堆50在高于怠速功率的状态下运行，从而保护电堆50。冷机温度的可选范围是10℃-15℃，本示例中优选冷机温度为15℃。

步骤S100具体包括如下步骤：

S106、判断储热装置10的热端11的水温高于冷机温度的差值是否大于第二温差，若是则执行步骤S108，否则执行步骤S107；其中，当判断为否时，第三液路为冷却液加速升温的效果已很低，需将第三液路切换至第一液路，减少系统的热容，利于电堆50内部热量快速升温。

步骤S090之后，首先以储热装置10的热端11的温度与冷机温度作对比，根据对比的结果不同则进行不同的操作流程，实现了对液冷燃料电池热电联产系统的精细化控制；一个示例中优选第二温差在2℃-5℃，且包括两端点值；另一个示例中，进一步优选第二温差为3℃。

S107、判断储热装置10的热端11的水温高于冷却液的出堆温度的差值是否小于第二温差，若是，则顺次执行步骤S110、步骤S120及步骤S121，否则返回步骤S106；其中，步骤S121为：判断出堆温度是否大于冷机温度，若是，则控制电堆50以第一功率运行后执行步骤S130，否则重复步骤S121。

其中，第一功率大于第二功率，第一功率根据用电需求而变化，第一功率可以为电堆50的额定功率。出堆温度经由上述的第五温度传感器140测得。

其中，步骤S107以储热装置10的热端11的水温与出堆温度作对比，直到两者的温差小于第二温差后执行步骤S110和步骤S120，从而将液冷燃料电池热电联产系统从步骤S090的状态切换至第一液路和换热液路进行换热、第二液路和第三液路均断开的状态；进而提高了热电联产的系统效率；

S108、判断出堆温度是否大于冷机温度，若是，则控制电堆50以第一功率运行后执行步骤S109，否则返回步骤S106；

S109、判断储热装置10的热端11的水温高于出堆温度的差值是否小于第二温差，若是，则顺次执行步骤S110、步骤S120及步骤S130，否则重复步骤S109；

S110、控制第一旁路控制阀160打开；

S120、控制第二旁路控制阀170关闭；优选先打开第一旁路控制阀160，再关闭第二旁路控制阀170，以使得液路的切换比较顺畅。

S130、判断入堆温度是否达到目标温度范围，若是则执行步骤S200，否则重复步骤S130；其中，目标温度范围是对电堆50预先设定的较佳的工作温度的范围，一个示例中优选目标温度范围是在电堆50的额定工作温度的基础上浮动±1～2℃，另一个示例中，进一步优选目标温度范围是在电堆50的额定工作温度的基础上浮动±1℃。

上述对步骤S100的具体操作流程进行了详细阐述，该处对其进一步说明。步骤S100液冷燃料电池热电联产系统的升温策略：以储热装置10的热端11的水温和出堆温度作对比，直至储热装置10的热端11水温高于出堆温度且两者的差值小于第二温差时，液冷燃料电池热电联产系统切换液路，即由第三液路运转、且第一液路和第二液路断开切换至第一液路运转，且第二液路和第三液路断开，从而对冷却液快速升温，提高了液冷燃料电池热电联产系统的稳定性和系统效率。

在升温策略中还介入了对电堆50运行功率的控制，并根据储热装置10的热端11的水温与冷机温度的比较结果，确定是调高电堆功率后切换液路，还是切换液路后调高电堆功率；从而进一步对液冷燃料电池热电联产系统的精确控制，提高了系统稳定性和系统效率。

该控制方法还包括如下步骤：

S200、控制换热液路、第一液路和第二液路同时运转，并通过PID调节第一液路和第二液路中储热水混合的比例控制入堆温度在目标温度范围内。

其中，经步骤S100后，第一液路中的储热水的温度较高，而第二液路中的储热水从储热装置10的冷端12引出，其到达流量分配装置20时水温接近市政供水系统的水温，水温较低；两种温度的储热水混合后到达换热装置40中；调控第一液路和第二液路中储热水的混合比例，即调整进入换热装置40的储热水的温度，基于此PID调控冷却液的入堆温度，从而实现了对入堆温度的精准控制，同时基于该控制方式的燃料电池热电联产系统具有更高的稳定性和系统效率。

步骤S200具体包括如下步骤：

S210、通过PID调节三通调节阀的开度控制入堆温度在目标温度范围内。

其中，第一液路中流入第一导通口41的储热水的占比与三通调节阀的开度成反比，第二液路中流入第一导通口41的储热水的占比与三通调节阀的开度成正比。当入堆温度超过目标温度范围的上限或者接近目标温度范围的上限时，优选调高三通调节阀的开度，反之，当入堆温度超过目标温度范围的下限或者接近目标温度范围的下限时，优选调低三通调节阀的开度。

S220、判断入堆温度是否超过第一温度阈值，若是，则执行步骤S240，否则执行S230。

其中，优选第一温度阈值高于目标温度范围的上，第一温度阈值的可选范围为相对于电堆50的额定工作温度的高出3℃-5℃，本示例中优选第一温度阈值为相对于电堆50的额定温度高3℃。

S230、判断储热装置10的热端11的水温和储热装置10的中部的水温的温差是否超过第一温差，若是，则控制电堆50以第一功率运行后返回步骤S210，否则直接返回步骤S210。

其中，储热装置10的热端11的水温经由第一温度传感器100测得并传送给控制模块，储热装置10的中部的温度经由第二温度传感器110测得并传送给控制模块；第一温差的设定与储热装置10的构造及储水量等信息相关联，第一温差的可选范围为2℃-5℃，本示例中优选第一温差为2℃。当热端11与储热装置10中部水温差值超过第一温差时，可认为储热装置10的储热容量充足，此时可允许控制电堆以第一功率运行，提高系统的热电联产效率。

S240、判断电堆50是否以第一功率运行，若是，则控制电堆50以第二功率运行后返回步骤S210，否则将冷却液向外部散热或控制电堆50关机；其中，当系统具备散热器时，将冷却液通过散热器向外部散热，以避免电堆过热，当系统不具有为冷却液散热的散热器时，控制电堆50执行关机操作。

上述详细阐述了步骤S200，该处对其进一步说明。步骤S200体现了本控制方法的温控储热策略：通过PID调控第一液路和第二液路中的储热水混合入换热装置40的比例来控制入堆温度在目标范围内，提高了冷却液的温控精度，提高了热电联产的系统效率、系统稳定性。储热策略中介入了对电堆50运行功率的控制，并根据入堆温度与第一温度阈值的比较结果、及储热装置10的热端11的水温与中部的水温的温差同第一温差的比较结果来控制电堆功率，从而进一步提高了冷却液的温控精度，提高了热电联产的系统效率、系统稳定性。

经由上述可知，本发明实施例的控制方法设置了开机策略、升温策略及温控储热策略，不同的策略中储热水和冷却液通过不同的液路进行热交换，对液冷燃料电池热电联产系统进行精细化控制，提高了系统效率和系统的稳定性。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围内。

Claims (14)

1.一种液冷燃料电池热电联产系统，其特征在于，包括控制模块、储热装置、流量分配装置、第一动力装置、换热装置、电堆及第二动力装置；所述储热装置容置有储热水，并包括冷端和热端；所述流量分配装置包括第一流量分配口、第二流量分配口及第三流量分配口，所述换热器包括第一导通口和第二导通口；

所述流量分配装置的第三流量分配口、所述第一动力装置、所述换热装置的第一导通口、所述换热装置的第二导通口及所述流量分配装置的第一流量分配口顺次连通形成供储热水循环的第一液路；

所述储热装置的冷端、所述流量分配装置的第二流量分配口、所述流量分配装置的第三流量分配口、所述第一动力装置、所述换热装置的第一导通口、所述换热装置的第二导通口及所述储热装置的热端顺次连通形成第二液路；

所述电堆的出堆口、所述第二动力装置、所述换热装置及所述电堆的入堆口顺次连通形成供电堆中的冷却液循环的换热液路；

所述控制模块用于通过所述流量分配装置调节具有不同水温的所述第一液路和所述第二液路中的储热水的混合比例控制所述换热液路中冷却液进入所述入堆口时的入堆温度。

2.如权利要求1所述的液冷燃料电池热电联产系统，其特征在于，所述流量分配装置包括三通调节阀，所述控制模块具体用于通过调节所述三通调节阀的开度控制所述第一液路和所述第二液路中储热水的混合比例；所述三通调节阀的开度为0％时，所述第一液路完全打开，且所述第二液路关闭；所述三通调节阀的开度为100％时，所述第一液路关闭，且所述第二液路完全打开。

3.如权利要求2所述的液冷燃料电池热电联产系统，其特征在于，所述液冷燃料电池热电联产系统还包括第一旁路控制阀，所述第一旁路控制阀的进水口连通所述第二导通口，所述第一旁路控制阀的出水口分别连通所述第一流量分配口和所述储热装置的热端；

所述控制模块还用于控制所述第一旁路控制阀的阀门的开闭。

4.如权利要求3所述的液冷燃料电池热电联产系统，其特征在于，所述液冷燃料电池热电联产系统还包括第二旁路控制阀，所述第二旁路控制阀分别连接所述第二导通口和所述储热装置的冷端；所述储热装置的热端、所述流量分配装置的第一流量分配口、所述流量分配装置的第三流量分配口、所述第一动力装置、所述换热装置的第一导通口、所述换热装置的第二导通口、所述第二旁路控制阀及所述储热装置的冷端顺次连通形成第三液路；

所述控制模块还用于控制所述第二旁路控制阀的阀门的开闭。

5.如权利要求1-4任一项所述的液冷燃料电池热电联产系统，其特征在于，所述换热装置包括换热器，冷却液和储热水在所述换热器中换热；和/或，

所述第一动力装置包括第一循环泵，用以提供第一液路和第二液路中储热水流动的动力；和/或，

所述储热装置包括储水罐，所述储水罐上形成所述冷端和所述热端；和/或，

所述第二动力装置包括第二循环泵，用以提供换热液路中冷却液流动的动力。

6.一种液冷燃料电池热电联产系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法用于控制如权利要求1所述的冷却液燃料电池热电联产系统；

所述控制方法包括如下步骤：

S100、控制所述第一液路和所述换热液路运转、控制所述第二液路断开；

S200、控制换热液路、第一液路和第二液路同时运转，并通过PID调节所述第一液路和所述第二液路中储热水混合的比例控制所述入堆温度在目标温度范围内。

7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述流量分配装置包括三通调节阀，所述控制模块具体用于通过调节所述三通调节阀的开度控制所述第一液路和所述第二液路中储热水的混合比例；所述三通调节阀的开度为0％时，所述第一液路完全打开，且所述第二液路关闭；所述三通调节阀的开度为100％时，所述第一液路关闭，且所述第二液路完全打开；

所述S200具体包括如下步骤：

S210、通过PID调节所述三通调节阀的开度控制所述入堆温度在所述目标温度范围内。

8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，步骤S200在步骤S210之后还包括如下步骤：

S220、判断入堆温度是否超过第一温度阈值，若是，则执行步骤S240，否则执行S230，其中，所述第一温度阈值大于所述目标温度范围的上限；

S230、判断所述储热装置的热端的水温和所述储热装置的中部的水温的温差是否超过第一温差，若是，则控制电堆以第一功率运行后返回步骤S210，否则直接返回步骤S210；

S240、判断所述电堆是否以第一功率运行，若是，则控制电堆以第二功率运行后返回步骤S210，否则将冷却液向外部散热或控制电堆关机；其中，所述第二功率小于第一功率。

9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述液冷燃料电池热电联产系统还包括第一旁路控制阀，所述第一旁路控制阀的进水口连通所述第二导通口，所述第一旁路控制阀的出水口分别连通所述第一流量分配口和所述储热装置的热端；所述控制模块还用于控制所述第一旁路控制阀的阀门的开闭；

步骤S100中通过控制所述第一旁路控制阀打开、控制第一动力装置运转及控制三通调节阀开度为0％实现所述第一液路运转。

10.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述液冷燃料电池热电联产系统还包括第二旁路控制阀，所述第二旁路控制阀分别连接所述第二导通口和所述储热装置的冷端；所述储热装置的热端、所述流量分配装置的第一流量分配口、所述流量分配装置的第三流量分配口、所述第一动力装置、所述换热装置的第一导通口、所述换热装置的第二导通口及所述储热装置的冷端顺次连通形成第三液路；所述控制模块还用于控制所述第二旁路控制阀的阀门的开闭；

所述控制方法在步骤S100之前还包括如下步骤：

S090、根据开机指令控制所述换热液路和所述第三液路运转，且控制所述第一液路和第二液路断开；

步骤S100中，根据储热装置热端的水温高于冷机温度的差值是否大于第二温差的判断结果不同，而通过不同的操作步骤将液冷燃料电池热电联产系统从步骤S090的状态切换至第一液路和换热液路运转，且第二液路断开的状态。

11.如权利要求10所述的控制方法，其特征在于，步骤S100具体包括如下步骤：

S110、控制第一旁路控制阀打开；

S120、控制第二旁路控制阀关闭；

S130、判断入堆温度是否达到目标温度范围，若是，则执行步骤S200，否则重复步骤S130。

12.如权利要求11所述的控制方法，其特征在于，步骤S100还包括如下步骤：

S106、判断储热装置热端的水温高于冷机温度的差值是否大于第二温差，若是则执行步骤S108，否则执行步骤S107；

S107、判断储热装置热端的水温高于出堆温度的差值是否小于第二温差，若是，则顺次执行步骤S110、步骤S120、步骤S121及步骤S130，否则返回步骤S106；其中，步骤S121为：判断出堆温度是否大于冷机温度，若是，则控制电堆以第一功率运行后执行步骤S130，否则重复步骤S121；

S108、判断出堆温度是否大于冷机温度，若是，则控制电堆以第一功率运行后执行步骤S109，否则返回步骤S106；

S109、判断储热装置热端的水温高于出堆温度的差值是否小于第二温差，若是，则顺次执行步骤S110、步骤S120及步骤S130，否则重复步骤S109。

13.如权利要求10所述的控制方法，其特征在于，

步骤S090具体包括如下步骤：

S091、控制第二动力装置运转，控制电堆以所述第二功率运行；

S092、控制所述第二旁路控制阀打开阀门；

S093、控制所述第一旁路控制阀关闭阀门；

S094、控制所述第一动力装置打开；

S095、控制所述三通调节阀开度为0％。

14.如权利要求10-13任一项所述的控制方法，其特征在于，所述换热装置包括换热器，冷却液和储热水在所述换热器中换热；和/或，

所述第一动力装置包括第一循环泵，用以提供第一液路、第二液路及第三液路中储热水流动的动力；和/或，

所述储热装置包括储水罐，用以存储储热水，所述储水罐上形成所述冷端和所述热端；和/或，

所述第二动力装置包括第二循环泵，用以提供换热液路中冷却液流动的动力；

所述控制方法中，步骤S09具体包括：控制电堆运转、控制第二旁路控制阀打开阀门、控制第一旁路控制阀关闭阀门、控制所述第一循环泵运转、控制所述换热器运转、控制所述第二循环泵运转及控制三通调节阀开度为0％。

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