CN114361509A - 一种复合电源供应系统、控制单元及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合电源供应系统、控制单元及控制方法，其中，供应系统包括：高温甲醇燃料电池，与储能电池并联输出供电；换热系统，与燃料电池相连，用于将燃料电池产生的热量进行换热；控制单元，与换热系统相连，用于根据热电供应需求将燃料电池的电能和/或热能进行联合供应。通过本发明的供应系统、控制单元及热电联供控制方法，可以提供一种环保、经济、绿色的热电联合供应方式。

Description

一种复合电源供应系统、控制单元及控制方法

技术领域

本发明涉及复合电源应用领域，尤其涉及一种复合电源供应系统、控制单元及控制方法。

背景技术

随着新能源的开放，复合新能源，比如燃料电池，储能电池，由于其能效转换率高、零排放、选择多样化、运行平稳、低噪声等优势具有非常大的应用场景。

发明内容

本发明的目的在于提出一种复合电源供应系统、控制单元及控制方法。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

根据本申请的一个方面，提供了一种复合电源供应系统，包括：

高温甲醇燃料电池，与储能电池并联输出供电；

换热系统，与所述高温甲醇燃料电池相连，用于将所述燃料电池产生的热量进行换热；

控制单元，与所述换热系统相连，用于根据热电供应需求将所述燃料电池的电能和/或热能进行联合供应。

可选的，所述换热系统包括：第一循环装置、换热装置，第二循环装置；

其中，所述第一循环装置，与所述燃料电池串联，用于通过第一换热冷却介质对所述燃料电池进行散热循环；

所述换热装置，与所述第一循环装置和所述第二循环装置相连，用于对所述第一循环装置的第一换热冷却介质和所述第二循环装置的第二冷却介质进行换热；

所述第二循环装置，与所述换热单元相连，用于将所述燃料电池产生的热量通过所述第一循环装置和所述第二循环装置进行换热；比如通过所述第二冷却介质对所述第一循环装置的所述第一换热冷却介质进行冷却循环以达到换热目的。

可选的，所述换热装置可以包括板式换热器、管壳式换热器、风冷换热器等；第一循环装置可以包括换热冷却介质调节器、冷却液泵等；第二循环装置可以包括冷却液箱，水箱等，还可以包括第二循环装置对应的水泵等控制器。

可选的，所述系统还包括：温度检测单元及对流散热单元；

所述控制单元进一步与所述温度检测单元及对流散热单元相连，进行散热控制：当检测到所述第二循环装置的温度大于预设值时，启动所述对流散热单元对所述第二循环装置强制对流散热；和/或当检测到所述燃料电池系统的出入口温度差大于预设值时，控制所述第一循环装置的第一换热冷却介质流量进行出入口温度调节；和/或当检测到所述第一换热冷却介质的入口温度大于设定值时，通过所述第二循环装置对应的控制装置对所述第二冷却介质的流量/转速进行入口温度调节。

可选的，所述换热器可包括四个端口，其中两个端口与所述温度检测单元和所述第一循环装置相连，构成所述散热循环；其余两个端口与所述对流散热单元及所述第二循环装置相连，构成所述冷却循环；和/或

所述第一换热冷却介质和/或第二冷却介质包括导热油、水、乙二醇、水溶液。

可选的，所述对流散热单元一体化设置在与所述燃料电池串联的散热器上；或者所述对流散热单元单独设置，对复合能源供应系统强制对流散热。

可选的，所述控制单元包括：

接收子单元，用于接收热电需求供应的信号；

控制子单元，用于根据接收的信号判断热电供应需求，控制高温甲醇燃料电池的电能和/或热能进行联合供应,具体包括：判断子单元，用于根据热电需求类型进行对外供电、供热或热电联供，以及根据热电需求判断系统能否满足供应需求；执行子单元，用于在热电联供时，根据需求热能与最大输出热能的判断情况，执行热能输出或将高温甲醇燃料电池的电能转换为热能输出；

发送子单元，用于发送对应的控制信号。

可选的，所述第二循环装置包括冷却液箱，水箱，所述系统还包括：

气体冷凝装置，与所述高温甲醇燃料电池及所述冷却液箱/水箱相连，将所述燃料电池的尾气进行换热，换热后的降温水通过管路进入所述冷却液箱/水箱。

可选的，本发明系统还包括：

换热泵，与所述燃料电池相连，用于对所述高温甲醇燃料电池的热量进行制冷，提供需求侧制冷；和/或

过滤器，与所述燃料电池及第二循环装置相连，用于将第二循环装置的部分冷却液过滤后提供所述燃料电池的反应原料。

根据本申请的另一个方面，提供了一种热电联供控制单元，应用于上述供应系统，包括：

接收子单元，用于接收热电需求供应的信号；

控制子单元，用于根据接收的信号判断热电供应需求，控制高温甲醇燃料电池的电能和/或热能进行联合供应；

发送子单元，用于发送对应的控制信号。

可选的，所述控制子单元包括：

判断子单元，用于根据热电需求类型进行对外供电、供热或热电联供，以及根据热电需求判断系统能否满足供应需求；

执行子单元，用于在热电联供时，根据需求热能与最大输出热能的判断情况，执行热能输出或将高温甲醇燃料电池的电能转换为热能输出。

可选的，执行子单元包括：

供电模式执行子单元，用于在供电模式下，当需求电负载小于最大功率时，根据需求电负荷启动燃料电池对储能电池输出电能；和/或

供热模式执行子单元，用于在供热模式下，根据需求供热量采用燃料电池催化燃烧和/或燃料电池电堆输出放电电加热；和/或

热电联供模式执行子单元，用于在热电联供模式下，当需求电负载小于最大功率时，根据需求电负荷启动燃料电池对储能电池输出电能；当需求热能小于最大输出热能时，根据需求热能提供热量；当需求热能大于最大热能且输出电能还有余量时，提高燃料电池电能输出电加热。

可选的，所述接收子单元进一步接收所述燃料电池和第二循环装置的温度检测信号，所述控制子单元进一步进行散热控制：所述判断子单元进一步判断所述燃料电池和所述第二循环装置的温度；

所述执行子单元还包括：

第一控制子单元，用于检测到第二循环装置的温度大于预设值时，发送对所述第二循环装置强制对流散热的控制信号，对所述燃料电池辅助散热；和/或

第二控制子单元，用于检测到所述燃料电池系统的出入口温度差大于预设值时，控制所述第一循环装置的第一换热冷却介质流量进行所述燃料电池的出入口温度调节；和/或

第三控制子单元，用于检测到所述燃料电池/第一换热冷却介质的入口温度大于设定值时，通过所述第二循环装置对应的控制装置对所述第二冷却介质的流量/转速进行所述燃料电池/第一换热冷却介质的温度调节。

根据本申请的另一个方面，提供了一种热电联供控制方法，应用于上述系统或控制单元，包括：

根据热电需求类型进行对外供电、供热或热电联供；

在热电联供时，根据需求热能与最大输出热能的关系，执行热能输出或提高高温甲醇燃料电池的电能输出，将高温甲醇燃料电池的电能转换为热能输出。

可选的，在供电模式下，当需求电负载小于最大功率时，根据需求电负荷启动燃料电池对储能电池输出电能；和/或

在供热模式下，根据需求供热量采用燃料电池催化燃烧和/或燃料电池电堆输出放电电加热；和/或

在热电联供模式下，当需求电负载小于最大功率时，根据需求电负荷启动燃料电池对储能电池输出电能；当需求热能小于最大输出热能时，根据需求热能提供热量；当需求热能大于最大热能且输出电能还有余量时，提高燃料电池电能输出电加热。

可选的，所述控制方法还可以包括散热控制的步骤，具体的：

检测所述高温甲醇燃料电池及所述第二循环装置的温度；

当检测到第二循环装置的温度大于预设值时，发送对所述第二循环装置散热的控制信号，和/或

当检测到所述燃料电池的出入口温度差大于预设值时，发送调节所述燃料电池的第一换热冷却介质的控制信号，通过控制所述第一换热冷却介质流量进行所述燃料电池的出入口温度调节；和/或

当检测到当所述燃料电池的入口温度大于设定值时，发送所述燃料电池入口温度调节的控制信号，如：通过所述第二循环装置对应的控制装置对所述第二冷却介质的流量/转速进行所述第一换热冷却介质的温度调节，从而控制燃料电池的入口温度。

本方案提出的复合电源供应系统、控制单元及控制方法，可以应用在离网区域，没有市电作为电能供给的情况和应用场景下，由于现有的汽柴油发电机的噪音大和污染重，因此以燃料电池为主的复合电源可应用于离网的电站和备用电源。同时作为离网环境，热能也是一个需要解决的问题，例如热水、地暖都需要消耗能量，本发明中的复合电源比如燃料电池，其本身也需要进行散热，因此本发明的复合能源供应系统、控制单元和控制方法，在供电的同时可以将部分热量在离网部分充分利用，提高燃料综合效率，进而实现一种环保、经济、绿色的热电联合供应方式。

本发明还对供应系统进行换热控制，分成换热循环和冷却循环，并对此进行换热，换热循环可以对系统进行循环散热，冷却循环可以对换热循环内的换热冷却介质进行冷却并保持一定的温度范围，保证燃料电池系统的稳定可靠性，及延长电池使用寿命，由于本发明中的第一换热冷却介质温度不会随着第二冷却介质温度而降低的过低，可以保持电堆每节电池的温度一致性，从而延长电堆的寿命，使其达到更优的工作性能。本发明还可以进行温度检测，监测燃料电池系统的出入口温度，及判断出入口温度差，在出入口温度差或者入口温度过高时进行强制对流辅助散热，满足燃料电池系统温度过高时，及时进行强制对流辅助散热，提高延长电堆的寿命，使其达到更优的工作性能。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明一方面提出的复合能源供应系统实施例一结构示意图；

图2是本发明一方面提出的复合能源供应系统的实施例二示意图；

图3是本发明另一方面提出的热电联供控制方法实施例一流程示意图；

图4是本发明一方面提出的复合能源供应系统实施例三结构示意图；

图5是本发明一方面提出的复合能源供应系统实施例四示意图及供应方法实施例流程示意图；

图6是本发明另一方面提出的热电联供控制方法的实施例二流程示意图；

图7是本发明另一方面提出的热电联供控制单元结构实施例一示意图；

图8是本发明另一方面提出的热电联供控制单元实施例二结构示意图；

图9是本发明另一方面提出的热电联供控制单元实施例三结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是本发明一方面提出的复合能源供应系统实施例一结构示意图；图2是本发明一方面提出的复合能源供应系统的实施例二示意图；图3是本发明另一方面提出的热电联供控制方法实施例一流程示意图；图4是本发明一方面提出的复合能源供应系统实施例三结构示意图；图5是本发明一方面提出的复合能源供应系统实施例四示意图及供应方法流程示意图；图6是本发明另一方面提出的热电联供控制方法的实施例二流程示意图。下面结合图1-图6对本发明的系统和方法进行举例说明。

图1是本发明一方面提出的复合能源供应系统实施例一结构示意图，如图1所示，本实施例供应系统包括：

高温甲醇燃料电池，与储能电池并联输出供电；本实施例中，燃料电池系统为高温甲醇，采用固体氧化物燃料电池也可，但本发明采用高温甲醇燃料电池系统与固体氧化物燃料电池相比，其工作温度相对低；所述储能电池可以包括锂电池，铅酸电池，镍氢电池等；

换热系统，与高温甲醇燃料电池相连，用于将燃料电池产生的热量进行换热，本实施例还包括：散热器/对流散热单元，与燃料电池相连，用于对供应系统产生的过多热量进行散热；

热电联供控制单元(以下简称控制单元)，与换热系统相连，用于根据接收的信号判断热电供应需求，控制高温甲醇燃料电池的电能和/或热能进行联合供应,具体的控制可以包括：根据热电需求类型进行对外供电、供热或热电联供，以及根据热电需求判断系统能否满足供应需求；并在热电联供时，根据需求热能与最大输出热能的判断情况，执行热能输出或将高温甲醇燃料电池的电能转换为热能输出；具体的内部结构可参见7-9实施例的相关说明，以及图1-6系统和控制方法的相关对应说明。

本实施例可以应用在离网区域，没有市电作为电能供给的情况和应用场景下，由于现有的汽柴油发电机的噪音大和污染重，因此以燃料电池为主的复合电源可应用于离网的电站和备用电源。同时作为离网环境，热能也是一个需要解决的问题，例如热水、地暖都需要消耗能量，本发明中的复合电源比如燃料电池，其本身也需要进行散热，因此本发明的复合能源供应系统，在供电的同时可以将部分热量在离网部分充分利用，提高燃料综合效率，进而实现一种环保、经济、绿色的热电联合供应方式。

本实施例中燃料电池的出入口还可以设置温度检测单元，检测其出入口温度；控制单元可以进一步进行散热控制从而达到换热目的：

控制单元进一步与温度检测单元连接，进一步检测到燃料电池的温度大于设定值时，启动对流散热单元进行强制散热；热电联供控制单元可以是搭建在复合电源供应系统上的微处理器，CPU，电子控制单元(Electronic Control Unit，简称ECU)，微机控制器等，也可以是上下位机或者其他分体式仪表等控制单元的其他表现形式或者实现此热电联供控制功能和流程的任意载体，比如参数监测手动控制，PID自动控制等其他实现方式。

对流散热单元，与控制单元相连，用于接收控制单元的控制信号，对复合能源供应系统进行强制对流散热。对流散热单元可以一体化设置在复合能源供应系统的散热器上，与燃料电池串联；或者如图1所示，对流散热单元可以单独设置，如图1中虚线所示的对流散热单元仅和热电联供控制单元相连，属于在系统中新增了一套风冷散热器，例如风扇，可以强制对流，对供应系统强制对流散热；或者对流散热单元与燃料电池串联，如图1中右边虚线所示的对流散热单元。

热电联供控制单元通过温度检测单元获得出入口温度，当检测到燃料电池的出入口温度差大于设定值时，通过控制第一换热冷却介质流量进而直接调节高温甲醇燃料电池系统的出入口温度差，进一步进行温度控制。本实施例通过出入口温度调节可以保持电堆每节电池的温度一致性，从而延长电堆的寿命，使其达到更优的工作性能。本发明还可以进行温度检测，监测燃料电池系统的出入口温度，及判断出入口温度差，在出入口温度差或者入口温度过高时进行强制对流散热，满足燃料电池系统温度过高时，及时进行强制对流辅助散热，提高延长电堆的寿命，使其达到更优的工作性能。

图2是本发明一方面提出的复合能源供应系统的实施例二示意图。如图2所示，换热系统包括：

第一循环装置、换热装置，第二循环装置；

其中，第一循环装置，与高温甲醇燃料电池串联，用于通过第一换热冷却介质对燃料电池进行散热循环；

换热装置，与第一循环装置和第二循环装置相连，用于将所述燃料电池产生的热量通过所述第一循环装置和所述第二循环装置进行换热；比如本实施例通过第一循环装置和第二循环装置，对第一换热冷却介质和第二冷却介质进行换热；

第二循环装置，与换热装置相连，用于通过第二冷却介质对第一循环装置的第一换热冷却介质进行冷却循环。

本实施例将换热系统分成散热循环和冷却循环，并对此进行换热，散热循环可以对燃料电池系统进行循环散热，冷却循环可以对散热循环内的第一换热冷却介质进行冷却并保持一定的温度范围，保证整个供应系统的稳定可靠性，及延长电池使用寿命。由于热电联供控制单元还可以通过温度检测单元获得燃料电池的出入口温度，当检测到燃料电池的出入口温度差大于设定值时，通过控制第一换热冷却的介质流量进而直接调节燃料电池系统的出入口温度差，进一步进行温度控制，本实施例中的第一散热冷却介质温度不会随着第二冷却介质温度而降低的过低，因此可以保持电堆每节电池的温度一致性，从而延长电堆的寿命，使其达到更优的工作性能的技术效果。

如图2所示，本实例通过换热装置包括两个循环，其中一个形成散热循环，另一个对散热循环内的散热介质，即第一散热冷却介质进行冷却循环，从而进行换热，交换热量。

其中，换热装置可以是板式换热器、管壳式换热器、风冷换热器等任意可以进行两个循环的换热装置即可。换热装置，比如板式换热器，管壳式换热器等可以包括四个端口，其中两个端口与温度检测单元和第一循环装置相连，构成散热循环；其他两个端口与对流辅热单元及第二循环装置相连，构成冷却循环；风冷换热器也可以将风作为第二冷却介质进行换热或者冷却循环，如果是风冷换热器(也可以有四个端口)的话，还是有两端连接第一循环装置，其他两端连接第二循环装置，此时第二循环装置可以是空气压缩机，或风扇等将风吹入对第一散热循环内的换热介质进行冷却，此时第二循环装置可以直接与强制对流散热单元合为一体达到风冷的散热冷却循环，如果合为一体作为第二循环装置，则可以直接省去图2中的散热器/强制对流辅助散热单元，实现散热冷却的目的。

本发明实施例中第一换热冷却介质或第二冷却介质可以是导热油、水、乙二醇、水溶液等。

本实施例中第一循环装置可以是换热冷却介质调节器，比如换热泵进行换热油交换，第二循环装置可以包括冷却液箱，比如水箱等，图2中包括三个温度检测单元，燃料电池系统入口的第一温度检测单元，出口的第二温度检测单元及与第二循环装置相连的第三温度检测单元。

图2实施例中热电联供制单元可集成ECU或主控制器中，还与第三温度检测单元相连，对其他部件进行热电联供控制，以及进行散热控制，具体的散热控制方法如图3所示，包括：

当第二循环装置/第二冷却介质的温度大于设定值时，通过对流散热单元对第二循环装置，比如图2中第二循环装置为水箱时，可以对水箱进行强制对流散热；和/或

当检测到燃料电池系统的出入口温度差大于预设值或设定值时，控制第一循环装置的流量对燃料电池的出入口温度调节；和/或

当检测到燃料电池/第一换热冷却介质入口温度大于设定值时，控制第二循环装置的控制器，从而控制第二冷却介质的流量对第一换热冷却介质的入口温度进行调节，比如第二循环装置可以是冷却液箱，水箱等，控制器可以是水泵等控制装置。

下面结合图2和图3实施例，以储能电池为锂电池，高温甲醇燃料电池系统，以第一循环装置为换热泵，第二循环装置为水箱，换热装置为板式换热器举例，水箱的温度交换热水时，供应系统中热电联供控制单元可以具体的进行如下换热控制：

水箱温度大于预设值65℃时，启动风冷散热器进行散热；当检测到燃料电池的出入口温度差大于预设值，比如10℃时，控制换热泵的流量，比如控制换热泵转速调节里面换热油，即第一换热冷却介质的流量进行出入口温度调节；当检测到第一换热冷却介质(比如换热油)/燃料电池的入口温度大于设定值时，控制水泵的流量/转速对换热油进行冷却循环调节温度，从而调节换热油的温度，进一步对燃料电池进行入口温度调节。

本实施例的换热油经过板式换热器与换热水换热。换热之后的换热油可以经过散热器换热，由于进行温度控制和散热控制，本实施例中燃料电池系统换热介质温度不会随着换热系统，比如冷却水温而降低的过低，可以保持电堆每节电池的温度一致性，从而延长电堆的寿命，使其达到更优的工作性能。

本领域技术人员应当了解，第一换热冷却介质/第二冷却介质可以是不同的导热油/换热油，水、乙二醇、水溶液等，在控制单元中设置的温度预设值或设定值(出入口温度差设定值，燃料电池入口温度设定值、第二循环装置，冷却液水箱温度预设值或设定值)不同，但其控制策略基本一致为：

1.燃料电池系统的入口温度，第一换热冷却介质，如加入换热油进行换热，其入口温度通过调节第二循环装置控制器，比如图2说明中调节第二循环装置控制器水泵进行流量控制，燃料电池/换热油入口温度高于设定值(75℃，80℃)时调节水泵增加流量，温度低调节水泵减小流量，即图2中通过换热器交换换热油的热量；

2.燃料电池出入口(或进出口)温差通过调节第一循环装置控制第一换热冷却介质流量，例如温差大于设定值通过换热泵增大流量，温差小减小流量；

3.第二循环装置，水箱温度通过风冷散热器或风扇/叶轮等进行控制，水箱温度大于设定值启动散热器/强制对流散热单元增加叶轮开度转速，水箱温度低于设定值降低叶轮开度转速，调节散热器/强制对流散热单元控制第二循环装置的温度，换热装置内的第二冷却介质与第一循环装置内的第一换热冷却介质进行热交换的温度也随之改变，从而调节进入燃料电池系统的第一换热冷却介质的温度，可以将第一循环装置内装入导热油，第二循环装置装入水，进行热交换，而且进一步的将换热后的热量进行供应输出，比如进行后续的供热模式。

图4是本发明一方面提出的复合能源供应系统实施例三结构示意图，图5是本发明一方面提出的复合能源供应系统实施例四示意图及供应方法流程示意图，本领域技术人员应当了解，图4、图5实施例供应系统中，还包括热电联供控制单元，如图1-图2所示，由于控制单元可以逻辑搭建与物理部件上，为便于查看部件连接，图4-图5并没有示出，第一循环装置和第二循环装置也未示出，但与换热装置，即图4、图5中的换热器也是连接的，具体的其他部件连接关系如图1-图2所示，不再赘述。

图6是本发明另一方面提出的热电联供控制方法的实施例二流程示意图。下面结合图4-图6实施例对本发明供应系统和热电联供的控制方法进行举例说明。

针对高温甲醇燃料电池的热电联供方式可以有以下几种方式：1、热电联供；2、供电；3、供热；而热电联供的能量来源，电能来自于高温甲醇燃料电池的电能输出，热能可来自于系统电堆废热的利用、甲醇的催化燃烧、电能放电、系统尾气能量利用等。如图4和图5实施例所示，高温甲醇燃料电池为整个离网环境提供电能，同时收集其电堆散热所携带的热量和尾气中的热量进行综合利用。其中电能可供给照明、冰箱、电磁炉、空调等用电设备；热能可直接利用，供给热水器、地暖等用热领域；同时热也可能通过化学热泵，将该部分剩余热能制冷，辅助空调系统为室内降温。

如图5所示，供应系统第二循环装置为水箱4，换热装置为换热器3，其中如图1-3中的第一循环装置和第二循环装置未示出，但第一循环装置和第二循环装置仍是存在的，如图5所示，本实施例中供应系统还可以包括：

气体冷凝装置5，与所述高温甲醇燃料电池1及水箱相连，将燃料电池1的尾气进行换热，换热后的降温水B通过管路进入水箱。

换热泵7，与燃料电池1相连，用于对高温甲醇燃料电池1的热量进行制冷，提供需求侧制冷；和/或

过滤器，与燃料电池1及水箱4相连，用于将水箱的部分冷却水过滤后提供燃料电池1的反应原料。

其具体应用过程和简要工作流程如图5所示：

1.高温甲醇燃料电池1从蓄电池2取电，升温加热至工作温度；

2.高温甲醇燃料电池1对蓄电池2输出电能，蓄电池2为用电设备提供电能；

3.高温甲醇燃料电池1通过换热器油E与换热器3中的换热水F换热，将热量传递至水箱4水中；

4.系统尾气A经过冷凝器5换热，降温除水后尾气C排出，降温水B通过管路进入水箱4。

5.电池系统1的热量也可通过热泵7进行制冷，与空调8协同为环境提供制冷功能。

6.水箱4中的水一部分作为原料，回到高温甲醇燃料单池1参加反应，

另一部分作为热供应给热水器和地暖9。

图6是本发明另一方面提出的热电联供控制方法的实施例二流程示意图，其可以通过图4、图5所示的系统方便理解，比如通过控制单元实现热电联供，其简要控制流程包括：

系统工作，判断燃料电池是否达到额定温度。如果否，蓄电池工作，对外输出；如果是则燃料电池将电能提供到蓄电池，为用电设备工作；

判断是否需要热制冷。如果是则进入热泵工作。如果否将换热油与换热器中水换热降温；

判断是否需要提供热。如果是则为供暖设备提供热量，高温甲醇燃料电池1通过换热器油E与换热器3中的换热水F换热，将热量传递至水箱4水中进行地热等供暖。如果否则进入散热模式。对散热模式的控制，可参见图上面实施例中对于温度控制和散热控制的相关说明，不再赘述。

图4是本发明一方面提出的复合能源供应系统实施例三结构示意图，图4为供应系统简要示意图，下面结合图4、图5实施例介绍热电联供控制方法：

如图4，高温甲醇燃料电池的热电联供方式：1、热电联供模式；2、供电模式；3、供热模式；而热电联供的能量来源，电能来自于高温甲醇燃料电池的电能输出，热能可来自于系统电堆废热的利用、甲醇的催化燃烧、电能放电、系统尾气能量利用等。下面结合图4对不同工作模式举例说明：

模式1：热电联供。热电联供模式的工作过程如下：

电能输出由高温甲醇燃料电池系统正常输出，根据外界负荷需求，提高或降低燃料电池系统输出功率。

不同电能输出功率与理论最大输出热能有一一对应关系，理论的最大输出热能值一般为＝1～1.3倍电能输出。

热电联供模式下的控制策略及流程为：系统启动→电能根据负荷输出→

1、供应需求热能＝最大输出热能→热能输出

2、供应需求热能＜最大输出热能→开启风冷散热器→主控制器(控制单元)进行散热控制，根据温度检测单元，如温度传感器检测到的温度控制冷却介质(参见图2及相关说明)回流温度在一定范围→热能输出

3、供应需求热能＞最大输出热能→提高电能输出→

如果电能输出<最大功率→电加热→热能输出

电能输出＞＝最大功率→无法满足输出需求，剩余的电能功率加热所放出的热能，还不能满足热能输出的需求

下面举例说明，供应需求热能＞最大输出热能情况下如何热电联供：

最大输出热能6kW，最大输出电能5kW，

①供应需求热能7kW，电能输出3kW

供应需求热能7＞最大输出6，电能输出3＜最大输出5，开启电加热，热能输出；

②供应需求热能7kW，电能输出5kW

供应需求热能7＞最大输出6，电能输出5＝最大输出5，无法开启电加热，不能满足热能输出；

③供应需求热能7kW，电能输出4kW

供应需求热能7＞最大输出6，电能输出4＜最大输出5，开启电加热，剩余的电能功率加热所放出的热能，还不能满足热能输出的需求,供应需求热能7，最大只有6，差1kW，电能输出4，最大输出5，可以多放1kW电，但是这1kW电只能转化成0.8kW热，因此热能输出只能到6.8kW，而到不了7kW，但无法满足7kW热能输出，不能满足热能输出；

模式2：供电模式

仅需供电需求时，燃料电池系统产生的热能需要风冷散热器进行散热，散热器开度根据温度传感器控制冷却介质回流温度在一定范围→电能输出

系统启动→电能根据负荷输出→风冷散热风扇开度随温度传感器温度变化，具体散热控制过程参见图2及相关说明。

模式3：供热模式

仅需供热时，可采用甲醇催化燃烧和电堆输出放电电加热两种形式根据系统甲醇催化燃烧能力需求设定催化燃烧供热最大能力

系统启动→供应需求热能≤催化燃烧最大能力→甲醇催化燃烧放热→通过热能输出1输出

供应需求热能＞催化燃烧最大能力→燃料电池放电→开启电加热→热能输出1&2共同输出

供应需求热能＞电加热转化&尾气热量回收→无法满足输出需求

在供电模式下，当需求电负载小于最大功率时，根据需求电负荷启动燃料电池对储能电池输出电能；

在供热模式下，根据需求供热量采用燃料电池催化燃烧和/或燃料电池电堆输出放电电加热；

在热电联供模式下，当需求电负载小于最大功率时，根据需求电负荷启动燃料电池对储能电池输出电能；当需求热能小于最大输出热能时，根据需求热能提供热量；当需求热能大于最大热能且输出电能还有余量时，提高燃料电池电能输出电加热。

图7是本发明另一方面提出的热电联供控制单元结构实施例一示意图，如图7所示，本实施例包括：

接收子单元，用于接收热电需求供应的信号；

控制子单元，用于根据接收的信号判断热电供应需求，控制高温甲醇燃料电池的电能和/或热能进行联合供应；

发送子单元，用于发送对应的控制信号。

图8是本发明另一方面提出的热电联供控制单元实施例二结构示意图；本实施例中控制子单元包括：

判断子单元，用于根据热电需求类型进行对外供电、供热或热电联供，以及根据热电需求判断系统能否满足供应需求；

执行子单元，用于在热电联供时，根据需求热能与最大输出热能的判断情况，执行热能输出或将高温甲醇燃料电池的电能转换为热能输出，具体的执行子单元可以包括：

供电模式执行子单元，用于在供电模式下，当需求电负载小于最大功率时，根据需求电负荷启动燃料电池对储能电池输出电能；和/或

供热模式执行子单元，用于在供热模式下，根据需求供热量采用燃料电池催化燃烧和/或燃料电池电堆输出放电电加热；和/或

热电联供模式执行子单元，用于在热电联供模式下，当需求电负载小于最大功率时，根据需求电负荷启动燃料电池对储能电池输出电能；当需求热能小于最大输出热能时，根据需求热能提供热量；当需求热能大于最大热能且输出电能还有余量时，提高燃料电池电能输出电加热。

图9是本发明另一方面提出的热电联供控制单元实施例三结构示意图。本实施例中接收子单元进一步接收燃料电池和第二循环装置比如冷却液箱的温度检测信号，控制子单元进一步进行散热控制：

判断子单元进一步判断所述燃料电池和所述冷却液箱的温度；

所述执行子单元还包括：

第一控制子单元，用于检测到冷却液箱的温度大于预设值时，发送对冷却液箱散热的控制信号，从而对燃料电池辅助撒热和/或

第二控制子单元，用于检测到燃料电池的出入口温度差大于预设值时，发送调节燃料电池的第一换热冷却介质的控制信号，进行燃料电池的出入口温度调节；和/或

第三控制子单元，用于检测到当燃料电池的入口温度大于设定值时，比如通过温度检测单元发现第一换热冷却介质的入口温度高于设定值，则发送燃料电池入口温度调节的控制信号，比如：通过第二循环装置对应的控制装置，如第二循环装置为水箱时，通过水泵对冷却水的流量/转速进行调节，从而调节第一换热冷却介质的温度。

高温甲醇燃料电池作为一种液体燃料电池有诸多应用领域，其中作为离网的电站和备用电源是其适用的领域之一。作为离网区域，没有市电作为电能供给，而汽柴油发电机其噪音和污染又广被人们所诟病，因此高温甲醇燃料电池作为油机的替代电源被应用于该领域。同时作为离网环境，热能也是一个需要解决的问题，例如热水、地暖都需要消耗能量。而高温甲醇燃料电池作为一个工作温度120-200℃的燃料电池，其本身也需要进行散热，本发明提出的复合电源供应系统、控制单元及控制方法，在供电的同时可以将部分热量在离网部分充分利用，提高燃料综合效率，进而实现一种环保、经济、绿色的热电联合供应方式。

本发明以高温甲醇燃料电池作为供应系统，通过控制实现热电联用，现有技术通常为固体氧化物燃料电池，而本发明高温甲醇燃料电池系统与固体氧化物燃料电池相比，其工作温度相对低，同系统内还布置有蓄电池，成为一种复合能源，因此其热电联用控制方式不同于现有技术，具有环保、经济、绿色的技术效果。同时，本发明还对供应系统进行换热控制，分成换热循环和冷却循环，并对此进行换热，换热循环可以对系统进行循环散热，冷却循环可以对换热循环内的换热冷却介质进行冷却并保持一定的温度范围，保证燃料电池系统的稳定可靠性，及延长电池使用寿命，由于本发明中的第一换热冷却介质温度不会随着第二冷却介质温度而降低的过低，可以保持电堆每节电池的温度一致性，从而延长电堆的寿命，使其达到更优的工作性能。本发明还可以进行温度检测，监测燃料电池系统的出入口温度，及判断出入口温度差，在出入口温度差或者入口温度过高时进行强制对流辅助散热，满足燃料电池系统温度过高时，及时进行强制对流辅助散热，提高延长电堆的寿命，使其达到更优的工作性能。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (11)

1.一种复合电源供应系统，其特征在于，包括：

高温甲醇燃料电池，与储能电池并联输出供电；

换热系统，与所述高温甲醇燃料电池相连，用于将所述燃料电池产生的热量进行换热；

控制单元，与所述换热系统相连，用于根据热电供应需求将所述燃料电池的电能和/或热能进行联合供应。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述换热系统包括：

第一循环装置、换热装置，第二循环装置；

其中，所述第一循环装置，与所述燃料电池串联，用于通过第一换热冷却介质对所述燃料电池进行散热循环；

所述换热装置，与所述第一循环装置和所述第二循环装置相连，用于将所述燃料电池产生的热量通过所述第一循环装置和所述第二循环装置进行换热；

所述第二循环装置，与所述换热装置相连，用于通过第二冷却介质对所述第一换热冷却介质进行冷却循环。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括：温度检测单元及对流散热单元；

所述控制单元进一步与所述温度检测单元及对流散热单元相连，进一步进行散热控制：当检测到所述第二循环装置的温度大于预设值时，启动所述对流散热单元对所述第二循环装置强制对流散热；和/或

当检测到所述燃料电池系统的出入口温度差大于预设值时，控制所述第一循环装置的第一换热冷却介质流量进行出入口温度调节；

和/或当检测到所述燃料电池/第一换热冷却介质的入口温度大于设定值时，进行入口温度调节。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述换热装置包括板式换热器、管壳式换热器、风冷换热器；和/或

所述换热器包括四个端口，其中两个端口与所述温度检测单元和所述第一循环装置相连，构成所述散热循环；其余两个端口与所述对流散热单元及所述第二循环装置相连，构成所述冷却循环；和/或

所述第一换热冷却介质和/或第二冷却介质包括导热油、水、乙二醇、水溶液。

5.根据权利要求1-4任一所述的系统，其特征在于，所述控制单元包括：

接收子单元，用于接收热电需求供应的信号；

控制子单元，用于根据接收的信号判断热电供应需求，控制高温甲醇燃料电池的电能和/或热能进行联合供应,具体包括：判断子单元，用于根据热电需求类型进行对外供电、供热或热电联供，以及根据热电需求判断系统能否满足供应需求；执行子单元，用于在热电联供时，根据需求热能与最大输出热能的判断情况，执行热能输出或将高温甲醇燃料电池的电能转换为热能输出；

发送子单元，用于发送对应的控制信号。

6.一种热电联供控制单元，应用于权利要求1-4任一所述系统，其特征在于，所述控制单元包括：

接收子单元，用于接收热电需求供应的信号；

控制子单元，用于根据接收的信号判断热电供应需求，控制高温甲醇燃料电池的电能和/或热能进行联合供应；

发送子单元，用于发送对应的控制信号。

7.根据权利要求6所述控制单元，其特征在于，所述控制子单元包括：

判断子单元，用于根据热电需求类型进行对外供电、供热或热电联供，以及根据热电需求判断系统能否满足供应需求；

执行子单元，用于在热电联供时，根据需求热能与最大输出热能的判断情况，执行热能输出或将高温甲醇燃料电池的电能转换为热能输出。

8.根据权利要求7所述控制单元，其特征在于，所述执行子单元包括：

供电模式执行子单元，用于在供电模式下根据需求电负荷启动燃料电池对储能电池输出电能；和/或

供热模式执行子单元，用于在供热模式下，根据需求供热量采用燃料电池催化燃烧和/或燃料电池电堆输出放电电加热；和/或

热电联供模式执行子单元，用于在热电联供模式下，当需求电负载小于最大功率时，根据需求电负荷启动燃料电池对储能电池输出电能；当需求热能小于最大输出热能时，根据需求热能提供热量；当需求热能大于最大热能且输出电能还有余量时，提高燃料电池电能输出电加热。

9.根据权利要求7或8所述控制单元，其特征在于，所述接收子单元进一步接收所述高温甲醇燃料电池和第二循环装置的温度检测信号，所述控制子单元进一步进行散热控制：

所述判断子单元进一步判断所述燃料电池和所述第二循环装置的温度；

所述执行子单元还包括：

第一控制子单元，用于检测到第二循环装置的温度大于预设值时，发送对所述第二循环装置强制对流散热的控制信号；和/或

第二控制子单元，用于检测到所述燃料电池系统的出入口温度差大于预设值时，控制所述第一循环装置的第一换热冷却介质流量进行所述燃料电池的出入口温度调节；和/或

第三控制子单元，用于检测到所述燃料电池/第一换热冷却介质的入口温度大于设定值时，通过所述第二循环装置对应的控制装置对所述第二冷却介质的流量/转速进行入口温度调节。

10.一种热电联供控制方法，其特征在于，应用于上述所述供应系统或热电联供控制单元，包括：

根据热电需求类型进行对外供电、供热或热电联供；

在热电联供时，根据需求热能与最大输出热能的关系，执行热能输出或提高高温甲醇燃料电池的电能输出，将高温甲醇燃料电池的电能转换为热能输出。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述在热电联供时，根据需求热能与最大输出热能的关系，执行热能输出或提高高温甲醇燃料电池的电能输出，将高温甲醇燃料电池的电能转换为热能输出包括：

在供电模式下根据需求电负荷启动燃料电池对储能电池输出电能；

和/或在供热模式下，根据需求供热量采用燃料电池催化燃烧和/或燃料电池电堆输出放电电加热；

和/或在热电联供模式下，当需求电负载小于最大功率时，根据需求电负荷启动燃料电池对储能电池输出电能；当需求热能小于最大输出热能时，根据需求热能提供热量；当需求热能大于最大热能且输出电能还有余量时，能提高燃料电池电能输出电加热。

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