CN111946454A - 内燃机与燃料电池联合发电装置及控制方法 - Google Patents

内燃机与燃料电池联合发电装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种内燃机与燃料电池联合发电装置及控制方法，包括内燃机发电总成、燃料电池发电总成、电压协调装置、内燃机尾气动能回收组件、燃料电池尾气动能回收组件和增压进气组件；所述两种动能回收组件与增压进气组件之间设有耦合器，各动能回收组件分别将各自尾气的动能回收后经过耦合器驱动增压进气组件工作。控制方法包括启动内燃机发电总成、启动燃料电池发电总成、内燃机发电总成与燃料电池发电总成联合发电、电压协调装置匹配电压进行供电四个步骤。有益效果：本发明生产制造成本，避免了压缩机的使用带来的能量损耗；提高了能源利用率并降低了排放；控制各区域阀门的实时开度，具有精度高、响应快、稳定性强的优点。

Description

内燃机与燃料电池联合发电装置及控制方法
技术领域
本发明涉及一种混合发电装置及控制方法，特别涉及一种内燃机与燃料电池联合发电装置及控制方法，属于混合电源技术领域。
背景技术
混合电源产业竞争激烈，以内燃机为主要发电装置，蓄电池为辅助式后备电源的混合发电装置是目前使用最为广泛、应用最为成熟的发电系统，并有发电功率大、工作稳定、可随时补充能源等优势。但蓄电池所使用的钴、锂等金属价格高昂且不可控，随着电动车产量增加，钴、锂的价格就会升高，因此不具备量产降低成本的条件，其次随着 相关环保法规的日益严格，蓄电池回收再利用体系进展缓慢，因此存在巨大的环境污染问题。而内燃机作为工业领域的核心动力源，具有高可靠、高能量密度等优势，仍然具有发展的空间和潜力，内燃机在未来相当长的时间内依然占有支配地位。
内燃机与燃料电池混合发电装置是继内燃机与蓄电池混合发电装置之后又一新型发电系统。其相较于传统混合发电装置不仅具有变载承受能力强、可变功率范围大等优势，又兼具了传统发电装置输出功率大、能源补充快等特点，同时又是一种具有环境友好性的高性能发电装置。但是目前现有的混合发电装置还存在的能量利用效率低、不同模块部件难以实现协同控制等问题。
作为内燃机与燃料电池混合发电装置中的关键部件，空气压缩机承担着对进入电堆的空气进行增压，提高燃料电池的功率密度和效率的重要工作。压缩机一般由燃料电池电堆直接供电，这将大大降低系统的效率（10%~20%左右）。目前燃料电池使用压缩机来满足燃料电池的空气量与压强要求。压缩机不仅能耗较高，同时因在流量控制、压强控制存在较强耦合关系，增加了控制难度，降低了响应速度与控制精度。尤其当燃料电池功率频繁变化时，空压机变载能力有限，会导致电堆氧气过量或缺氧，引起电极催化剂退化，影响燃料电池寿命。因此为了提升内燃机与燃料电池混合发电装置整体效率，针对燃料电池的高效进气技术研究亟待开展。
现阶段很多专利从添加进气增压系统方面着手提高进气效率。中国专利CN110911711A公开了一种燃料电池空气管理系统及其相关控制信号的获取方法、中国专利CN210516880U公开了一种燃料电池空气增压装置及汽车为了提升燃料电池输出功率，采用电动进气增压器提升进入电堆的空气质量，以增加燃料电堆中参与化学反应的燃料和氧气量，实现增加燃料电池输出功率的目的。以上专利有助于增加燃料电池电堆的进气量，提升输出功率，但增设进气增压器需要消耗电堆产生的电能，直接影响对外输出的功率。虽然燃料电池的效率大于内燃机，但是燃料电池本身存在一个巨大的缺陷，燃料电池工作依赖空压机，而空压机能量消耗巨大，导致燃料电池整体发电效率被拉低。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的混合发电装置能量利用效率低、不同模块部件难以实现协同控制的问题，提供一种内燃机与燃料电池联合发电装置及控制方法。
技术方案：一种内燃机与燃料电池联合发电装置，包括内燃机发电总成、燃料电池发电总成和电压协调装置，所述内燃机发电总成和燃料电池发电总成分别产生直流并传输至电压协调装置，所述内燃机发电总成的内燃机排气口设有内燃机尾气动能回收组件，所述燃料电池发电总成的排气口设有燃料电池尾气动能回收组件，所述燃料电池发电总成的进气端设有增压进气组件，所述燃料电池发电总成包括控制器、燃料电池本体和燃料罐，所述燃料罐与燃料电池本体的阳极进气口连通，所述增压进气组件与燃料电池本体的阴极进气口连通，所述控制器控制增压进气组件进入燃料电池本体的阴极的进气量和进气压力；所述内燃机尾气动能回收组件和燃料电池尾气动能回收组件与增压进气组件之间设有耦合器，所述内燃机尾气动能回收组件将内燃机尾气的动能回收后经过耦合器驱动增压进气组件工作，同时燃料电池尾气动能回收组件将燃料电池尾气的动能回收后经过耦合器驱动增压进气组件工作。
本发明从能量回收的角度将内燃机和燃料电池尾气能量进行回收，并将回收的能量用于增压进气组件的驱动，进而替代现有技术中燃料电池的空气压缩机，降低了发电装置的生产制造成本，也避免了压缩机的使用带来的能量损耗；有效地提高能源利用效率并降低了排放和生产成本，大大提高系统能量利用率。
优选项，为了实现内燃机尾气动能的回收，所述内燃机尾气动能回收组件包括内燃机排气管和内燃机尾气涡轮，所述内燃机尾气涡轮的叶片位于内燃机排气管内，所述内燃机尾气涡轮的输出轴与耦合器连接。
优选项，为了实现燃料电池尾气动能的回收，燃料电池尾气动能回收组件包括燃料电池排气管和燃料电池尾气涡轮，所述燃料电池尾气涡轮的叶片位于燃料电池排气管内，所述燃料电池尾气涡轮的输出轴与耦合器连接。
优选项，为了提高燃料电池的转换效率替代现有技术中的空气压缩机，所述增压进气组件包括增压叶轮、进气管和增压管，所述增压叶轮的驱动轴与耦合器连接，所述增压叶轮通过进气管吸入空气经过增压叶轮增压作用后的压缩空气进入增压管。
优选项，为了实现对内燃机尾气回收的精准控制以及对增压进气组件驱动的精确控制，所述内燃机排气管内部设有内燃机排气管支管、第一电动阀门和第一气体流量测量仪，所述内燃机排气管支管与内燃机尾气涡轮所在管道并联并且直接与大气连通，所述第一电动阀门位于内燃机排气管支管入口处，所述第一气体流量测量仪位于内燃机排气管入口处，所述第一电动阀门和第一气体流量测量仪分别与控制器连接。
优选项，为了实现对增压进气组件驱动的精确控制，所述燃料电池排气管内设有第二气体流量测量仪，所述第二气体流量测量仪位于燃料电池排气管的出气口并且与控制器连接。
优选项，为了实现对燃料电池的阴极进气量和进气压力的精确控制，所述增压管内设有增压排气支管、增压支管、第二电动阀门、第三气体流量测量仪和第四气体流量测量仪，所述增压管出口处分成增压排气支管和增压支管，增压排气支管与大气连通，增压支管与燃料电池本体的阴极进气口连通，所述第二电动阀门位于增压排气支管的入口处，第三气体流量测量仪位于增压管内，所述第四气体流量测量仪位于增压支管内，所述第二电动阀门、第三气体流量测量仪和第四气体流量测量仪分别与控制器连接。
一种内燃机与燃料电池联合发电装置的控制方法，包括以下步骤：
步骤一、启动内燃机发电总成：第一气体流量测量仪检测内燃机流量，当超过设定值W5时进入步骤二；
步骤二、启动燃料电池发电总成：所述内燃机尾气动能回收组件将内燃机尾气的动能回收后经过耦合器驱动增压进气组件工作；空气经过增压进气组件的增压进入燃料电池本体的阴极；所述燃料电池发电总成完成启动；
步骤三、内燃机发电总成与燃料电池发电总成联合发电：所述燃料电池发电总成完成启动后产生尾气，所述燃料电池尾气动能回收组件将燃料电池尾气的动能回收后经过耦合器与内燃机尾气动能回收组件同时驱动增压进气组件工作；
步骤四、电压协调装置匹配电压进行供电。
优选项，所述步骤三中内燃机发电总成与燃料电池发电总成联合发电时，内燃机发电总成的内燃机控制在等燃油消耗率曲线最内层的最经济区间运行；燃料电池发电总成选择最大输出功率的工况运行。
优选项，所述燃料电池发电总成控制最大输出功率工况运行的方法为：
根据燃料电池输出最大功率匹配燃料电池阴极进气的最大空气流量Wmax；根据燃料电池实时需求功率匹配计算出燃料电池实时进气流量值Wreq；
首先、第三气体流量测量仪目标值应稳定在kWmax，k为安全系数，k的取值范围大于1，控制器通过模糊控制算法实时控制第一电动阀门的开度从而控内燃机尾气涡轮的进气量，并与燃料电池尾气涡轮的进气量相配合使第三气体流量测量仪实际测量数值W3能够稳定在kWmax；模糊控制的输入量为第一气体流量测量仪、第二气体流量测量仪传送的实时数值W1和 W2，输出量为第一电动阀门的实时开度K1；模糊控制隶属度函数和规则库根据标定实测值调整和确定；
其次、通过第四气体流量测量仪反馈的实际空气流量值W4与目标进气流量值Wreq的差值作为PID控制算法的输入，控制器根据偏差量的大小算法计算出第二电动阀门的实时开度值K2。
有益效果：本发明从能量回收的角度将内燃机和燃料电池尾气能量进行回收，并将回收的能量用于增压进气组件的驱动，进而替代现有技术中燃料电池的空气压缩机，降低了发电装置的生产制造成本，也避免了压缩机的使用带来的能量损耗；有效地提高能源利用效率并降低了排放和生产成本，大大提高系统能量利用率；根据燃料电池实时需求功率匹配计算出燃料电池实时进气流量值，采用分块控制的方法控制各区域阀门的实时开度，具有精度高、响应快、稳定性强的优点。
附图说明
图1为本发明结构原理图；
图2为本发明的控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，一种内燃机与燃料电池联合发电装置，包括内燃机发电总成1、燃料电池发电总成2和电压协调装置3，所述内燃机发电总成1和燃料电池发电总成2分别产生直流并传输至电压协调装置3，所述内燃机发电总成1的内燃机排气口设有内燃机尾气动能回收组件4，所述燃料电池发电总成2的排气口设有燃料电池尾气动能回收组件5，所述燃料电池发电总成2的进气端设有增压进气组件6，所述燃料电池发电总成2包括控制器21、燃料电池本体22和燃料罐23，所述燃料罐23与燃料电池本体22的阳极进气口连通，所述增压进气组件6与燃料电池本体22的阴极进气口连通，所述控制器21控制增压进气组件6进入燃料电池本体22的阴极的进气量和进气压力；所述内燃机尾气动能回收组件4和燃料电池尾气动能回收组件5与增压进气组件6之间设有耦合器7，所述内燃机尾气动能回收组件4将内燃机尾气的动能回收后经过耦合器7驱动增压进气组件6工作，同时燃料电池尾气动能回收组件5将燃料电池尾气的动能回收后经过耦合器7驱动增压进气组件6工作。
所述内燃机发电总成1的内燃机为高效内燃机且保持工作在万有特性曲线的最经济区，并且可以稳定地进行尾气排放，内燃机工作转速区间变化较小，可以认为内燃机发电总成1输出的电功率基本为恒定电功率。所述燃料电池发电总成2可通过空气进气及燃料供给比例的动态调节实现长时间工作在高压、600-1000℃状态下的高能量转化效率区。
本发明从能量回收的角度将内燃机和燃料电池尾气能量进行回收，并将回收的能量用于增压进气组件的驱动，进而替代现有技术中燃料电池的空气压缩机，降低了发电装置的生产制造成本，也避免了压缩机的使用带来的能量损耗；有效地提高能源利用效率并降低了排放和生产成本，大大提高系统能量利用率。
所述内燃机尾气动能回收组件4包括内燃机排气管41和内燃机尾气涡轮42，所述内燃机尾气涡轮42的叶片位于内燃机排气管41内，所述内燃机尾气涡轮42的输出轴与耦合器7连接。所述燃料电池尾气动能回收组件5包括燃料电池排气管51和燃料电池尾气涡轮52，所述燃料电池尾气涡轮52的叶片位于燃料电池排气管51内，所述燃料电池尾气涡轮52的输出轴与耦合器7连接。所述增压进气组件6包括增压叶轮61、进气管62和增压管63，所述增压叶轮61的驱动轴与耦合器7连接，所述增压叶轮61通过进气管62吸入空气经过增压叶轮61增压作用后的压缩空气进入增压管63。所述增压叶轮61的进气管62能够实现不同进气流量的选择，以满足燃料电池在不同输出功率下的进气需求。
所述内燃机排气管41内部设有内燃机排气管支管43、第一电动阀门44和第一气体流量测量仪45，所述内燃机排气管支管43与内燃机尾气涡轮42所在管道并联并且直接与大气连通，所述第一电动阀门44位于内燃机排气管支管43入口处，所述第一气体流量测量仪45位于内燃机排气管41入口处，所述第一电动阀门44和第一气体流量测量仪45分别与控制器21连接。所述燃料电池排气管51内设有第二气体流量测量仪53，所述第二气体流量测量仪53位于燃料电池排气管51的出气口并且与控制器21连接。所述增压管63内设有增压排气支管64、增压支管65、第二电动阀门66、第三气体流量测量仪67和第四气体流量测量仪68，所述增压管63出口处分成增压排气支管64和增压支管65，增压排气支管64与大气连通，增压支管65与燃料电池本体22的阴极进气口连通，所述第二电动阀门66位于增压排气支管64的入口处，第三气体流量测量仪67位于增压管63内，所述第四气体流量测量仪68位于增压支管65内，所述第二电动阀门66、第三气体流量测量仪67和第四气体流量测量仪68分别与控制器21连接。
第一气体流量测量仪45、第二气体流量测量仪53、第三气体流量测量仪67和第四气体流量测量仪68的设置，实现不同区域流量的实时监控，提高了流量控制的稳定性和准确性。
如图2所示，一种内燃机与燃料电池联合发电装置的控制方法，包括以下步骤：
步骤一、启动内燃机发电总成1，第一气体流量测量仪45检测内燃机流量，当超过设定值W5时进入步骤二；
步骤二、启动燃料电池发电总成2：所述内燃机尾气动能回收组件4将内燃机尾气的动能回收后经过耦合器7驱动增压进气组件6工作；空气经过增压进气组件6的增压进入燃料电池本体22的阴极；所述燃料电池发电总成2完成启动；
步骤三、内燃机发电总成1与燃料电池发电总成2联合发电：所述燃料电池发电总成2完成启动后产生尾气，所述燃料电池尾气动能回收组件5将燃料电池尾气的动能回收后经过耦合器7与内燃机尾气动能回收组件4同时驱动增压进气组件6工作；
步骤四、电压协调装置3匹配电压进行供电。
针对增压叶轮61出口空气流量这一关键目标，采用模糊控制策略控制第一电动阀门44的实时开度，从而调节增压叶轮61出口流量以确保增压叶轮61出口空气流量满足预定要求。
具体地，所述发电装置控制策略，针对燃料电池本体22阴极进气口空气流量这一关键目标，通过PID方法动态控制第二电动阀门66开度，确保燃料电池的进气需求。
所述步骤三中内燃机发电总成1与燃料电池发电总成2联合发电时，内燃机发电总成1的内燃机控制在等燃油消耗率曲线最内层的最经济区间运行；燃料电池发电总成2选择最大输出功率的工况运行。
所述燃料电池发电总成2控制最大输出功率工况运行的方法为：
根据燃料电池输出最大功率匹配燃料电池阴极进气的最大空气流量Wmax；根据燃料电池实时求功率匹配计算出燃料电池实时进气流量值Wreq；
首先、第三气体流量测量仪67目标值应稳定在kWmax，k为安全系数，k的取值范围大于1，k的值通常为1.2、1.5，根据系统的可靠性要求设定；控制器21通过模糊控制算法实时控制第一电动阀门44的开度从而控内燃机尾气涡轮42的进气量，并与燃料电池尾气涡轮52的进气量相配合使第三气体流量测量仪67实际测量数值W3能够稳定在kWmax；模糊控制的输入量为第一气体流量测量仪45、第二气体流量测量仪53传送的实时数值W1和 W2，输出量为第一电动阀门44的实时开度K1；模糊控制隶属度函数和规则库根据标定实测值调整和确定；
其次、通过第四气体流量测量仪68反馈的实际空气流量值W4与目标进气流量值Wreq的差值作为PID控制算法的输入，控制器21根据偏差量的大小算法计算出第二电动阀门66的实时开度值K2。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种内燃机与燃料电池联合发电装置，包括内燃机发电总成（1）、燃料电池发电总成（2）和电压协调装置（3），所述内燃机发电总成（1）和燃料电池发电总成（2）分别产生直流并传输至电压协调装置（3），其特征在于：所述内燃机发电总成（1）的内燃机排气口设有内燃机尾气动能回收组件（4），所述燃料电池发电总成（2）的排气口设有燃料电池尾气动能回收组件（5），所述燃料电池发电总成（2）的进气端设有增压进气组件（6），所述燃料电池发电总成（2）包括控制器（21）、燃料电池本体（22）和燃料罐（23），所述燃料罐（23）与燃料电池本体（22）的阳极进气口连通，所述增压进气组件（6）与燃料电池本体（22）的阴极进气口连通，所述控制器（21）控制增压进气组件（6）进入燃料电池本体（22）的阴极的进气量和进气压力；所述内燃机尾气动能回收组件（4）和燃料电池尾气动能回收组件（5）与增压进气组件（6）之间设有耦合器（7），所述内燃机尾气动能回收组件（4）将内燃机尾气的动能回收后经过耦合器（7）驱动增压进气组件（6）工作，同时燃料电池尾气动能回收组件（5）将燃料电池尾气的动能回收后经过耦合器（7）驱动增压进气组件（6）工作。
2.根据权利要求1所述的内燃机与燃料电池联合发电装置，其特征在于：所述内燃机尾气动能回收组件（4）包括内燃机排气管（41）和内燃机尾气涡轮（42），所述内燃机尾气涡轮（42）的叶片位于内燃机排气管（41）内，所述内燃机尾气涡轮（42）的输出轴与耦合器（7）连接。
3.根据权利要求1所述的内燃机与燃料电池联合发电装置，其特征在于：燃料电池尾气动能回收组件（5）包括燃料电池排气管（51）和燃料电池尾气涡轮（52），所述燃料电池尾气涡轮（52）的叶片位于燃料电池排气管（51）内，所述燃料电池尾气涡轮（52）的输出轴与耦合器（7）连接。
4.根据权利要求1所述的内燃机与燃料电池联合发电装置，其特征在于：所述增压进气组件（6）包括增压叶轮（61）、进气管（62）和增压管（63），所述增压叶轮（61）的驱动轴与耦合器（7）连接，所述增压叶轮（61）通过进气管（62）吸入空气经过增压叶轮（61）增压作用后的压缩空气进入增压管（63）。
5.根据权利要求2所述的内燃机与燃料电池联合发电装置，其特征在于：所述内燃机排气管（41）内部设有内燃机排气管支管（43）、第一电动阀门（44）和第一气体流量测量仪（45），所述内燃机排气管支管（43）与内燃机尾气涡轮（42）所在管道并联并且直接与大气连通，所述第一电动阀门（44）位于内燃机排气管支管（43）入口处，所述第一气体流量测量仪（45）位于内燃机排气管（41）入口处，所述第一电动阀门（44）和第一气体流量测量仪（45）分别与控制器（21）连接。
6.根据权利要求3所述的内燃机与燃料电池联合发电装置，其特征在于：所述燃料电池排气管（51）内设有第二气体流量测量仪（53），所述第二气体流量测量仪（53）位于燃料电池排气管（51）的出气口并且与控制器（21）连接。
7.根据权利要求4所述的内燃机与燃料电池联合发电装置，其特征在于：所述增压管（63）内设有增压排气支管（64）、增压支管（65）、第二电动阀门（66）、第三气体流量测量仪（67）和第四气体流量测量仪（68），所述增压管（63）出口处分成增压排气支管（64）和增压支管（65），增压排气支管（64）与大气连通，增压支管（65）与燃料电池本体（22）的阴极进气口连通，所述第二电动阀门（66）位于增压排气支管（64）的入口处，第三气体流量测量仪（67）位于增压管（63）内，所述第四气体流量测量仪（68）位于增压支管（65）内，所述第二电动阀门（66）、第三气体流量测量仪（67）和第四气体流量测量仪（68）分别与控制器（21）连接。
8.根据权利要求6或7或8所述的内燃机与燃料电池联合发电装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、启动内燃机发电总成（1）：第一气体流量测量仪（45）检测内燃机流量，当超过设定值W5时进入步骤二；
步骤二、启动燃料电池发电总成（2）：所述内燃机尾气动能回收组件（4）将内燃机尾气的动能回收后经过耦合器（7）驱动增压进气组件（6）工作；空气经过增压进气组件（6）的增压进入燃料电池本体（22）的阴极；所述燃料电池发电总成（2）完成启动；
步骤三、内燃机发电总成（1）与燃料电池发电总成（2）联合发电：所述燃料电池发电总成（2）完成启动后产生尾气，所述燃料电池尾气动能回收组件（5）将燃料电池尾气的动能回收后经过耦合器（7）与内燃机尾气动能回收组件（4）同时驱动增压进气组件（6）工作；
步骤四、电压协调装置（3）匹配电压进行供电。
9.根据权利要求8所述的内燃机与燃料电池联合发电装置的控制方法，其特征在于：所述步骤三中内燃机发电总成（1）与燃料电池发电总成（2）联合发电时，内燃机发电总成（1）的内燃机控制在等燃油消耗率曲线最内层的最经济区间运行；燃料电池发电总成（2）选择最大输出功率的工况运行。
10.根据权利要求9所述的内燃机与燃料电池联合发电装置的控制方法，其特征在于，所述燃料电池发电总成（2）控制最大输出功率工况运行的方法为：
根据燃料电池输出最大功率匹配燃料电池阴极进气的最大空气流量Wmax；根据燃料电池实时需求功率匹配计算出燃料电池实时进气流量值Wreq；
首先、第三气体流量测量仪（67）目标值应稳定在kWmax，k为安全系数，k的取值范围大于1，控制器（21）通过模糊控制算法实时控制第一电动阀门（44）的开度从而控内燃机尾气涡轮（42）的进气量，并与燃料电池尾气涡轮（52）的进气量相配合使第三气体流量测量仪（67）实际测量数值W3能够稳定在kWmax；模糊控制的输入量为第一气体流量测量仪（45）、第二气体流量测量仪（53）传送的实时数值W1和 W2，输出量为第一电动阀门（44）的实时开度K1；模糊控制隶属度函数和规则库根据标定实测值调整和确定；
其次、通过第四气体流量测量仪（68）反馈的实际空气流量值W4与目标进气流量值Wreq的差值作为PID控制算法的输入，控制器（21）根据偏差量的大小算法计算出第二电动阀门（66）的实时开度值K2。
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