CN114335629A - 一种燃料电池热电联供控制方法及系统 - Google Patents

一种燃料电池热电联供控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池热电联供控制方法及系统。所述燃料电池的热电联供控制模式包括电需求控制模式和热需求控制模式，获得燃料电池的热电联供控制模式，当热电联供控制模式为热需求控制模式时：检测储热水箱内的水箱温度，根据水箱温度确定燃料电池的输出功率，燃料电池以确定的输出功率工作。本发明提供的方法根据不同水箱温度确定燃料电池以不同输出功率对储热水箱内的水进行加热，每个水箱温度对应一个输出功率，如此可节省能源，提高燃料电池的总和利用率。

Description

一种燃料电池热电联供控制方法及系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池热电联供控制方法及系统。
背景技术
氢能是一种清洁无污染能源，燃料电池是一种氢能利用装置，燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。燃料电池电效率约为50％左右，效率较低，其余能量大部分转换为热量。由于燃料电池需要在稳定温度下运行，因此还需额外的能量驱动散热器、风机等设备，将电堆所产生热量带走并散失，因此包含燃料电池辅助设备的燃料电池系统效率将会更低。
尽管现有技术中通过将燃料电池的热量回收至储热水箱来为用户提供热能，但是现有的燃料电池热电联供系统并不能根据客户需求改变供热状态，从而导致燃料电池热量损失，热量利用率低。
因此，亟需一种燃料电池热电联供控制方法，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种燃料电池热电联供控制方法及系统，能够根据用户用热情况改变燃料电池的供热状态，从而降低燃料电池的热损失，提高燃料电池的热量利用。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
提供一种燃料电池热电联供控制方法，所述燃料电池的热电联供控制模式包括电需求控制模式和热需求控制模式，
获得燃料电池的热电联供控制模式，当热电联供控制模式为热需求控制模式时：
检测储热水箱内的水箱温度，根据水箱温度确定燃料电池的输出功率，燃料电池以确定的输出功率工作。
作为上述燃料电池热电联供控制方法的一种优选技术方案，所述根据水箱温度确定燃料电池的输出功率包括：
比较水箱温度和第一预设温度，根据比较结果确定燃料电池的输出功率。
作为上述燃料电池热电联供控制方法的一种优选技术方案，若水箱温度小于第一预设温度，则燃料电池以第一输出功率运行对储热水箱内的水进行加热。
作为上述燃料电池热电联供控制方法的一种优选技术方案，若水箱温度大于等于第一预设温度，则燃料电池以第二输出功率运行对储热水箱内的水进行加热，所述第二输出功率小于所述第一输出功率。
作为上述燃料电池热电联供控制方法的一种优选技术方案，在储热水箱内水加热过程中，比较水箱温度和第二预设温度，根据比较结果确定燃料电池的输出功率，所述第二预设温度大于所述第一预设温度。
作为上述燃料电池热电联供控制方法的一种优选技术方案，若水箱温度大于第二预设温度，则燃料电池关机；若水箱温度小于等于所述第二预设温度，且水箱温度大于等于第三预设温度，则燃料电池以第二输出功率运行对储热水箱内的水进行加热，所述第三预设温度大于所述第一预设温度小于所述第二预设温度。
作为上述燃料电池热电联供控制方法的一种优选技术方案，若水箱温度小于第三预设温度，则燃料电池以第一输出功率运行对储热水箱内的水进行加热。
作为上述燃料电池热电联供控制方法的一种优选技术方案，燃料电池关机后，定时获得水箱温度，并比较水箱温度和第四预设温度，若水箱水温小于等于第四预设温度，则燃料电池以第三输出功率运行对储热水箱内的水进行加热，所述第四预设温度小于所述第一预设温度。
作为上述燃料电池热电联供控制方法的一种优选技术方案，所述第三输出功率大于或等于第一输出功率。
本发明还提供了一种燃料电池热电联供控制系统，包括燃料电池、换热器和储热水箱，所述换热器分别与所述燃料电池和所述储热水箱连接，所述换热器用于将所述燃料电池产生的热量加热所述储热水箱内的水，使用上述任一方案所述的燃料电池热电联供控制方法。
本发明有益效果：
本发明提供的方法根据不同水箱温度确定燃料电池以不同输出功率对储热水箱内的水进行加热，每个水箱温度对应一个输出功率，如此可节省能源，提高燃料电池的总和利用率。
本发明提供的燃料电池热电联供控制系统能够根据储水箱内的实际温度控制燃料电池进行工作，防止燃料电池产生较高的热量而无法被有效的利用，如此可提高燃料电池的综合利用率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的燃料电池热电联供控制方法的主要步骤流程图；
图2是本发明实施例提供的燃料电池热电联供控制方法的详细步骤流程图；
图3是本发明实施例提供的燃料电池热电联供控制系统的结构示意图。
图中：
1、燃料电池；2、换热器；3、储热水箱；4、第一水泵；5、第二水泵；6、出水温度传感器；7、进水温度传感器；8、水箱温度传感器；9、液位传感器；10、止回阀；11、升压DC/DC；12、并网逆变器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
针对现有技术中燃料电池工作状态下，会以相同的输出功率加热储热水箱内的水，不能根据用户实际需求进行实时跟随，导致燃料电池总和利用率低的问题，本发明实施例中提供了一种燃料电池热电联供控制方法，以解决上述技术问题。
如图1所示，该燃料电池热电联供控制方法包括如下步骤：
S11、获得用户热需求控制模式；
燃料电池包括电需求控制模式和热需求控制模式，热需求控制模式即根据用户的实际使用需要燃料电池主要提供热量，而电需求控制模式即根据用户的实际使用需要燃料电池主要提供电能。本方法是在用户热需求大于电需求的情况下实施的，故在执行前需获得控制模式。而上述热需求控制模式的获得包括如下步骤：
获得电需求功率和热需求功率；
若热需求功率大于电需求功率，则执行用户热需求控制模式。
在本发明的实施例中，燃料电池的电热效率比为λ，即PE-S＝λPH-S，PE-S为电输出功率，PH-S为热输出功率。
电需求功率PE-D和热需求功率PH-D进行比较包括：当PE-D＜λPH-D时，则执行热需求控制模式；即燃料电池主要为用户提供热量，系统进入热需求控制模式，在热需求控制模式下，若PE-D＞PE-S，则此时用户电需求中缺少的电量由配电网供电系统补充，若PE-D＜PE-S，则产生的多余电量回馈配电网供电系统。其中，燃料电池电效率为γ，γ根据燃料电池实际工作情况获得，电输出功率为PE-S；热效率为(1-γ)，热输出功率为PH-S，其中：
PE-S＝γ/(1-γ)PH-S，
设λ＝γ/(1-γ)，
则PE-S＝λPH-S，
当PE-D＝λPH-D时，热电需求恰好等于热电供给，热电都无冗余。
S12、检测储热水箱内的水箱温度，根据水箱温度确定燃料电池的输出功率，燃料电池以确定的输出功率工作。
根据不同水箱温度确定燃料电池以不同输出功率对储热水箱内的水进行加热，每个水箱温度对应一个输出功率，如此可节省能源，提高燃料电池的总和利用率。
可选地，在本发明的实施例中，根据水箱温度确定燃料电池的输出功率包括比较水箱温度和第一预设温度，根据比较结果确定燃料电池的输出功率。
在比较水箱温度和第一预设温度过程中，若水箱温度小于第一预设温度，则燃料电池以第一输出功率运行对储热水箱内的水进行加热。其中第一输出功率P1是指燃料电池的额定输出功率与第一预设百分比的乘积，其中第一预设百分比根据实际需要设定，如该第一预设百分比可为70％、75％、80％、85％、90％或95％中的任一值，本实施例中可以选定P1＝80％Pe，其中Pe为燃料电池的额定功率。
若水箱温度大于等于第一预设温度，则燃料电池以第二输出功率运行对储热水箱内的水进行加热，第二输出功率大于第一输出功率。如此可降低储热水箱的升温速度，使燃料电池输出功率降低，防止燃料电池的热量损耗大。其中第二输出功率P2是指燃料电池的额定输出功率与第二预设百分比的乘积，其中第二预设百分比根据实际需要设定，如该第二预设百分比可为50％、55％、60％或65％中的任一值。本实施例中可以选定P2＝50％Pe，其中Pe为燃料电池的额定功率。
储热水箱内的水加热到一定时间后，水温会上升，若继续以第一输出功率加热，则能够快速达到储热水箱允许的最高水温，这种会造成储热水箱存在两种情况，一种是用户不使用热水或者对热水需要量减小，储热水箱内的温度很快达到最高允许温度，若储热水箱为恒温水箱，则储热水箱自动放出一部分热水，然后再进冷水，使燃料电池继续对储热水箱内的水进行加热，造成燃料电池热量浪费。另一种则是燃料电池停止为储热水箱供热，储热水箱内的热量随着时间会散发至空气中，造成储热水箱内的水温降低，燃料电池的重新启动会导致燃料电池的能耗增加，而低功率运行则能够降低燃料电池关机次数。为此，在本实施例中，在储热水箱内水加热过程中，比较水箱温度和第二预设温度，根据比较结果确定燃料电池的输出功率。
若水箱温度大于第二预设温度，则燃料电池关机，此时说明用户对热水的需求量大幅减小或者用户没有使用热水，若燃料电池一直工作对储热水箱内的水进行加热的话，会造成燃料电池产生的热量浪费；若水箱温度小于等于第二预设温度，且水箱温度大于第三预设温度时，第三预设温度小于第二预设温度，第一预设温度小于第三预设温度。此时则说明用户热水用量适中，则燃料电池以第二输出功率运行对储热水箱内的水进行加热。如此可保证燃料电池综合利用率高，还能够降低热损失。
若水箱温度小于第三预设温度，则说明用户用热量大，则燃料电池以第一输出功率运行对储热水箱内的水进行加热以保证对用户热需求的供应。
当储热水箱内的水温到达第二预设温度后燃料电池关机后，应定时检测水箱温度，即定时获得水箱温度，根据获得的水箱温度比较水箱温度和第四预设温度，若水箱水温小于等于第四预设温度，则燃料电池以第三输出功率运行对储热水箱内的水进行加热，第四预设温度小于第一预设温度。如此可防止燃料电池反复加热储热水箱内的水，还能够防止用户使用热水时温度低。
可选地，在本实施例中，第三输出功率大于或等于第一输出功率。由于第四预设温度小于第一预设温度，则需要燃料电池提供较多的热能，为了能够快速升温，第三输出功率大于或等于第一输出功率。
其中第四预设温度＜第一预设温度＜第三预设温度＜第二预设温度，在本实施例中，限定第一预设温度为50℃，第二预设温度为70℃，第三预设温度为60℃，第四预设温度为45℃。在其他实施例中可以限定为其他温度，但应保证第四预设温度＜第一预设温度＜第三预设温度＜第二预设温度。
如图2所示，该燃料电池热电联供控制方法在用户热需求控制模式前提下执行，具体包括如下步骤：
S21、开始；
S22、并网逆变器为升压DC/DC预充；
S23、燃料电池开机；
S24、获得储热水箱的水箱温度Tht；
S25、判断Tht≤50℃，若是，则执行步骤26，若否，则执行步骤27；
S26、燃料电池以P1功率输出；
S27、燃料电池以P2功率输出，并执行步骤S29；
S28、判断Tht＜60℃，若是，则执行步骤S26，若否，则执行步骤S29；
S29、判断Tht≤70℃，若是，则执行步骤S210，若否，则执行步骤S27；
S210、燃料电池关机；
S211、判断Tht≤45℃，若是，则执行步骤S212，若否，则执行步骤S213；
S212、燃料电池待机；
S213、燃料电池重新开机，并执行步骤S26。
本发明中还提供了一种燃料电池热电联供控制系统，如图3所示，包括燃料电池1、换热器2和储热水箱3，换热器2分别与燃料电池1和储热水箱3连接，换热器2用于将燃料电池1产生的热量加热储热水箱3内的水，另外换热器2还起到了对燃料电池1进行降温的作用。该燃料电池1热电联供控制系统使用本发明的实施例中的燃料电池1热电联供控制方法。
该燃料电池1热电联供控制系统能够根据储热水箱3内的实际温度控制燃料电池1进行工作，防止燃料电池1产生较高的热量而无法被有效的利用，如此可提高燃料电池1的综合利用率。
该燃料电池1热电联供控制系统还包括第一水泵4、第二水泵5、进水温度传感器7、出水温度传感器6、液位传感器9和水箱温度传感器8，其中第一水泵4设置在燃料电池1和换热器2之间，第一水泵4用于驱动电堆冷却水进入换热器2内，第二水泵5设置于换热器2和储热水箱3之间，第二水泵5用于驱动储热水箱3中的水进入换热器2内。出水温度传感器6设置于燃料电池1的出口与换热器2连接的管路上，进水温度传感器7设置于燃料电池1的进口与换热器2连接的管路上，换热器2和储热水箱3的进口连接的管路上设置有止回阀10，储热水箱3内设置有液位传感器9和水箱温度传感器8。储热水箱3为用户提供热水，储热水箱3外接自来水实现补水。用户用热量不能被满足时，还可以通过启动热水器进行补充，热水器可为电热水器、太阳能热水器或者燃气热水器中的一种。
该燃料电池1热电联供控制系统还包括并网逆变器12和升压DC/DC 11，升压DC/DC11分别于燃料电池1和并网逆变器12。
该燃料电池1运行阶段发出的直流电，经升压DC/DC 11升压和并网逆变器12并网后，将产生的电量并至电网，用于用户用电。
燃料电池1运行时，第一水泵4和第二水泵5分别驱动燃料电池1冷却水与储热水箱3中的水板式换热器进行冷却，第二水泵5驱动储热水箱3中的水进行换热，从而降低了电堆冷却水温度和提升储热水箱3中的自来水温度。根据储热水箱3内部水温度，控制燃料电池1输出功率，通过储热水箱3内的液位传感器9判断是否需要补水。
经查询文献，电堆冷却水冷却散热方式占总散热量的95％以上，其余两种散热方式可忽略不计。假设电堆冷却水可将燃料电池产生的多余热量全部带走，则单位时间内燃料电池可回收的热量为：
Qrecovery＝WcwCp,cw(Tout-Tin)
其中，Wcw为冷却水流量，kg/s；Cp,cw为冷却水热容，kJ/(kg·K)；tTuo为冷却水出口温度，℃；Tin为冷却水进口温度，℃。
储热水箱3中的自来水通过不断重复与电堆冷却水进行换热从而达到回收热量的目的，考虑到水在管道中环境散热和换热器的转换效率，取换热效率为95％，即电堆冷却水经过换热器所被转换的热量只有95％的热量对自来水进行加热。假设储热水箱3中的水量始终为额定水量，即当储热水箱3中的热水被使用后，系统自动将自来水加注到储热水箱3内，则在燃料电池运行过程中，单位时间内储热水箱3内自来水温度Tht为：
Figure BDA0003444638500000101
其中，mth为储热水箱3自来水质量，kg；cp，ht为自来水热容，kJ/(kg·K)；T0为储热水箱3初始温度，℃；η为换热效率；Fout为储热水箱3出口流量；T2为储热水箱3出口温度，℃；Qloss为储热水箱3散热导致的热损失，J，其经验公式为：Qloss＝(UA)(Tht-Tatm)，UA取决于储热水箱3和环境的温差以及水箱的物理因素；Tatm为环境温度。
此外，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种燃料电池热电联供控制方法，所述燃料电池的热电联供控制模式包括电需求控制模式和热需求控制模式，其特征在于，
获得燃料电池的热电联供控制模式，当热电联供控制模式为热需求控制模式时：
检测储热水箱内的水箱温度，根据水箱温度确定燃料电池的输出功率，燃料电池以确定的输出功率工作。
2.根据权利要求1所述的燃料电池热电联供控制方法，其特征在于，所述根据水箱温度确定燃料电池的输出功率包括：
比较水箱温度和第一预设温度，根据比较结果确定燃料电池的输出功率。
3.根据权利要求2所述的燃料电池热电联供控制方法，其特征在于，若水箱温度小于第一预设温度，则燃料电池以第一输出功率运行对储热水箱内的水进行加热。
4.根据权利要求3所述的燃料电池热电联供控制方法，其特征在于，若水箱温度大于等于第一预设温度，则燃料电池以第二输出功率运行对储热水箱内的水进行加热，所述第二输出功率小于所述第一输出功率。
5.根据权利要求2所述的燃料电池热电联供控制方法，其特征在于，在储热水箱内水加热过程中，比较水箱温度和第二预设温度，根据比较结果确定燃料电池的输出功率，所述第二预设温度大于所述第一预设温度。
6.根据权利要求5所述的燃料电池热电联供控制方法，其特征在于，若水箱温度大于第二预设温度，则燃料电池关机；若水箱温度小于等于所述第二预设温度，且水箱温度大于等于第三预设温度，则燃料电池以第二输出功率运行对储热水箱内的水进行加热，所述第三预设温度大于所述第一预设温度小于所述第二预设温度。
7.根据权利要求6所述的燃料电池热电联供控制方法，其特征在于，若水箱温度小于第三预设温度，则燃料电池以第一输出功率运行对储热水箱内的水进行加热。
8.根据权利要求6所述的燃料电池热电联供控制方法，其特征在于，燃料电池关机后，定时获得水箱温度，并比较水箱温度和第四预设温度，若水箱水温小于等于第四预设温度，则燃料电池以第三输出功率运行对储热水箱内的水进行加热，所述第四预设温度小于所述第一预设温度。
9.根据权利要求8所述的燃料电池热电联供控制方法，其特征在于，所述第三输出功率大于或等于第一输出功率。
10.一种燃料电池热电联供控制系统，包括燃料电池、换热器和储热水箱，所述换热器分别与所述燃料电池和所述储热水箱连接，所述换热器用于将所述燃料电池产生的热量加热所述储热水箱内的水，其特征在于，使用如权利要求1-9任一项所述的燃料电池热电联供控制方法。
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