CN117154141B - 固体氧化物燃料电池的快速启动控制方法、装置及设备 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种固体氧化物燃料电池的快速启动控制方法、系统、装置及设备，该方法包括获取燃料气和空气的投入比例，根据投入比例向尾燃器投入燃料气和空气进行燃烧，得到第一燃烧尾气；获取空气和预热燃料气，将空气、预热燃料气和第一燃烧尾气投入SOFC电堆进行逐段加热至工作温度，并获得加热过程中输出的第二燃烧尾气；将第二燃烧尾气投入尾燃器进行燃烧，以使第二燃烧尾气实现热利用。该方法通过逐段加热升温方式实现对SOFC电堆的加热控制，保证SOFC电堆升温均衡，其可以对燃料气和空气进行预热，以完成固体氧化物燃料电池低电能快速启动，降低启动耗能，提高SOFC电堆的启动时间。
Description
技术领域
本申请涉及电池控制技术领域，尤其涉及一种固体氧化物燃料电池的快速启动控制方法、系统、装置及设备。
背景技术
固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC）是一种将碳氢化合物的化学能转化成电能的发电装置。SOFC电堆主要由多孔阳极、电解质和多孔阴极组成，SOFC电堆以含大量氢的气体为燃料，以氧为氧化剂，通过与氢和一氧化碳、碳化氢的电化学反应来进行发电。
SOFC的工作温度高（600~1000℃），考虑到固体氧化物燃料电池的材料热膨胀匹配等原因，SOFC的电加热升温速率一般较慢，升温时间长，耗能高。
发明内容
本申请实施例提供了一种固体氧化物燃料电池的快速启动控制方法、系统、装置及设备，用于解决现有固体氧化物燃料电池的启动时间长和耗能高的技术问题。
为了实现上述目的，本申请实施例提供如下技术方案：
一方面，一种固体氧化物燃料电池的快速启动控制方法，包括以下步骤：
获取燃料气和空气的投入比例，根据所述投入比例向尾燃器投入燃料气和空气进行燃烧，得到第一燃烧尾气；
获取空气和预热燃料气，将所述空气、所述预热燃料气和所述第一燃烧尾气投入SOFC电堆进行逐段加热至工作温度，并获得加热过程中输出的第二燃烧尾气；
将所述第二燃烧尾气投入所述尾燃器进行燃烧，以使所述第二燃烧尾气实现热利用。
优选地，获取燃料气和空气的投入比例包括：
获取燃料气的第一参数数据和空气的第二参数数据，所述第一参数数据包括燃料气的实际流量、体积、空气系数和极小值，所述第二参数数据包括空气的实际流量、体积和导热系数；
根据所述第一参数数据计算，得到燃料气的热值变化数据；
根据所述第一参数数据、所述第二参数数据和所述热值变化数据计算，得到燃料气和空气的投入比例。
优选地，该固体氧化物燃料电池的快速启动控制方法包括：根据所述第一参数数据采用热值变化公式计算，得到燃料气的热值变化数据；根据所述第一参数数据、所述第二参数数据和所述热值变化数据采用投入比例公式计算，得到燃料气和空气的投入比例；所述热值变化公式为：
；
；
所述投入比例公式为：
；
式中，为燃料气的最小热值，b为燃料气的最大热值，Q 1为燃料气的实际流量，V 1为燃料气的体积，ε为极小值，C 1为燃料气完全燃烧所需的空气系数，Q 0为空气的实际流量，V 0为空气的体积，C 0为空气导热系数，μ为投入比例；所述热值变化数据包括最小热值和最大热值。
优选地，将所述空气、所述预热燃料气和所述第一燃烧尾气投入SOFC电堆进行逐段加热至工作温度的内容包括：
获取所述SOFC电堆的总加热时间，根据比例数据将所述总加热时间划分为多段加热时段并获取与每段所述加热时段对应的温度阈值；
按首段逐段升级至末段的规律对所述SOFC电堆在所述加热时段内进行加热，并实时获取加热后所述SOFC电堆的加热温度；
若所述加热温度没有达到对应所述加热时段的温度阈值，以对应所述加热时段的加热速率对所述SOFC电堆加热至对应的温度阈值；
若所述加热温度达到对应所述加热时段的温度阈值，则进行下一段所述加热时段对所述SOFC电堆进行加热，直至所述SOFC电堆的加热温度为工作温度；
其中，末段所述加热时段的温度阈值为所述SOFC电堆的工作温度。
优选地，该固体氧化物燃料电池的快速启动控制方法包括：获取所述加热时段的加热速率，获取所述加热时段的加热速率的内容包括：
获取所述SOFC电堆的运行数据以及所述SOFC电堆在所述加热时段内的实时温度，所述运行数据包括加热丝总数量、加热丝质量、空气热容量、燃料气热容量和面密度；
根据所述加热时段、所述温度阈值、所述运行数据和所述实时温度采用加热速率计算公式计算，得到所述加热时段的加热速率；
所述加热速率计算公式为：
；
式中，v i 为第i段加热时段的加热速率，ΔT i 为第i段加热时段的温度变化量，为第一燃烧尾气进入SOFC电堆的面密度，c 0为空气热容量，c 1为燃料气热容量，m n 为第n个加热丝的加热丝质量，N为加热丝总数量，t i 为第i段的加热时段，i、n均不为0的自然数。
优选地，该固体氧化物燃料电池的快速启动控制方法包括：当所述SOFC电堆的温度加热至工作温度时，停止向尾燃器投入燃料气和空气。
另一方面，本申请还提供一种固体氧化物燃料电池的快速启动控制系统，包括SOFC电堆、尾燃器和热交换器，所述尾燃器的热空气输出通道与所述热交换器的输入通道连接，所述热交换器的燃料气输出通道与所述SOFC电堆的阳极输入通道连接，所述热交换器的空气输出通道与所述SOFC电堆的阴极输入通道连接，所述SOFC电堆的阳极输出通道和阴极输出通道与所述尾燃器的两条输入通道分别对应连接，所述尾燃器的燃烧尾气输出通道与所述SOFC电堆的热空气通道连接，所述SOFC电堆的快速启动按上述所述的固体氧化物燃料电池的快速启动控制方法执行。
再一方面，本申请还提供一种固体氧化物燃料电池的快速启动控制装置，包括尾气获取模块、加热执行模块和燃烧模块；
所述尾气获取模块，用于获取燃料气和空气的投入比例，根据所述投入比例向尾燃器投入燃料气和空气进行燃烧，得到第一燃烧尾气；
所述加热执行模块，用于获取空气和预热燃料气，将所述空气、所述预热燃料气和所述第一燃烧尾气投入SOFC电堆进行逐段加热至工作温度，并获得加热过程中输出的第二燃烧尾气；
所述燃烧模块，用于将所述第二燃烧尾气投入所述尾燃器进行燃烧，以使所述第二燃烧尾气实现热利用。
优选地，所述尾气获取模块包括参数获取子模块、第一计算子模块和第二计算子模块；
所述参数获取子模块，用于获取燃料气的第一参数数据和空气的第二参数数据，所述第一参数数据包括燃料气的实际流量、体积、空气系数和极小值，所述第二参数数据包括空气的实际流量、体积和导热系数；
所述第一计算子模块，用于根据所述第一参数数据采用热值变化公式计算，得到燃料气的热值变化数据；
所述第二计算子模块，用于根据所述第一参数数据、所述第二参数数据和所述热值变化数据采用投入比例公式计算，得到燃料气和空气的投入比例；
所述热值变化公式为：
；
；
所述投入比例公式为：
；
式中，为燃料气的最小热值，b为燃料气的最大热值，Q 1为燃料气的实际流量，V 1为燃料气的体积，ε为极小值，C 1为燃料气完全燃烧所需的空气系数，Q 0为空气的实际流量，V 0为空气的体积，C 0为空气导热系数，μ为投入比例；所述热值变化数据包括最小热值和最大热值。
再一方面，本申请还提供一种终端设备，包括处理器以及存储器；
所述存储器，用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；
所述处理器，用于根据所述程序代码中的指令执行上述所述的固体氧化物燃料电池的快速启动控制方法。
该固体氧化物燃料电池的快速启动控制方法、系统、装置及设备，该方法包括获取燃料气和空气的投入比例，根据投入比例向尾燃器投入燃料气和空气进行燃烧，得到第一燃烧尾气；获取空气和预热燃料气，将空气、预热燃料气和第一燃烧尾气投入SOFC电堆进行逐段加热至工作温度，并获得加热过程中输出的第二燃烧尾气；将第二燃烧尾气投入尾燃器进行燃烧，以使第二燃烧尾气实现热利用。从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：该固体氧化物燃料电池的快速启动控制方法通过逐段加热升温方式实现对SOFC电堆的加热控制，可以避免在热气体与SOFC电堆之间引起较大温差而损坏SOFC电堆，保证SOFC电堆升温均衡，其可以对燃料气和空气进行预热，以完成固体氧化物燃料电池低电能快速启动，降低启动耗能，提高SOFC电堆的启动时间，解决了现有固体氧化物燃料电池的启动时间长和耗能高的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例所述的固体氧化物燃料电池的快速启动控制方法的步骤流程图；
图2为本申请实施例所述的固体氧化物燃料电池的快速启动控制系统的框架示意图；
图3为本申请实施例的固体氧化物燃料电池的快速启动控制装置的框架图。
具体实施方式
为使得本申请的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请实施例的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本申请实施例提供了一种固体氧化物燃料电池的快速启动控制方法、系统、装置及设备，用于解决了现有固体氧化物燃料电池的启动时间长和耗能高的技术问题。
实施例一：
图1为本申请实施例所述的固体氧化物燃料电池的快速启动控制方法的步骤流程图，图2为本申请实施例所述的固体氧化物燃料电池的快速启动控制系统的框架示意图。
本申请实施例提供了一种固体氧化物燃料电池的快速启动控制方法，以应用于如图2所示的固体氧化物燃料电池的快速启动控制系统作为案例进行说明，在本实施例中，固体氧化物燃料电池的快速启动控制系统包括SOFC电堆1、尾燃器2和热交换器3，尾燃器2的热空气输出通道21与热交换器3的输入通道31连接，热交换器3的燃料气输出通道32与SOFC电堆1的阳极输入通道11连接，热交换器3的空气输出通道33与SOFC电堆1的阴极输入通道12连接，SOFC电堆1的阳极输出通道13和阴极输出通道14与尾燃器2的两条输入通道22和23分别对应连接，尾燃器2的燃烧尾气输出通道24与SOFC电堆1的热空气通道15连接，SOFC电堆1的快速启动按固体氧化物燃料电池的快速启动控制方法执行。
需要说明的是，燃料气为阳极氢气进料，空气为阴极空气进料，通过质量流量计控制燃料气和空气的比例。尾燃器2中设有电加热丝，在SOFC电堆1的启动阶段，只需小电能输入，加热电加热丝，使得阳极氢气或其他原燃料气和阴极空气混合后进行燃烧。在本实施例中，该固体氧化物燃料电池的快速启动控制系统的工作原理是：尾燃器2用于对投入比例的燃料气和空气进行燃烧；热交换器3用于将预热的燃料气和空气传输至SOFC电堆1并可通过控制换热燃料气和空气的流量大小作为SOFC电堆1超温调节的手段。SOFC电堆1是发电装置，使用第一燃烧尾气中的热量和电加热一起加热启动，另外在启动时没有电力输出，SOFC电堆1的阳极需要通入还原性气体，即启动用燃料气，防止阳极发生氧化，如氢气燃料气，并将SOFC电堆1阳极输出通道13输出的启动用燃烧气通入尾燃器2中燃烧，SOFC电堆1阳极输出通道13输出经燃烧后的启动用燃烧气作为第二尾燃尾气，实现启动用燃料气的再次利用。尾燃器2产生的尾气可以通过热空气输出通道21传送至热交换器3中预热燃料气和空气。热交换器3的空气输出通道33输出的空气通过阴极输入通道12输入SOFC电堆1。
如图1所示，该固体氧化物燃料电池的快速启动控制方法包括以下步骤：
S1.获取燃料气和空气的投入比例，根据投入比例向尾燃器投入燃料气和空气进行燃烧，得到第一燃烧尾气。
需要说明的是，在步骤S1中是获得一定量的第一燃烧尾气，为SOFC电堆提供加热气体。在本实施例中，该固体氧化物燃料电池的快速启动控制方法通过对燃料气和空气进行投入比例控制，并输入尾燃器中进行燃烧，保证后续经热交换器进入SOFC电堆的预热燃料气无害，减少热量损失。
S2.获取空气和预热燃料气，将空气、预热燃料气和第一燃烧尾气投入SOFC电堆进行逐段加热至工作温度，并获得加热过程中输出的第二燃烧尾气。
需要说明的是，在步骤S2中是将燃烧产生的第一燃烧尾气通过热空气通道输入SOFC电堆中加热SOFC电堆，预热燃料气通过阳极输入通道输入SOFC电堆，空气通过阴极输入通道输入SOFC电堆。在SOFC电堆冷态启动阶段，热气体和SOFC电堆之间存在的较大温差可能会在SOFC电堆中引起陡峭的温度梯度变化，以至于损坏电池。因此该固体氧化物燃料电池的快速启动控制方法在初始阶段让SOFC电堆升温均衡，采用逐段加热的方式加热实现对SOFC电堆的加热速率进行实时的梯度控制，可以避免在热气体与SOFC电堆之间引起较大温差而损坏SOFC电堆，保证SOFC电堆升温均衡，其可以对燃料气和空气进行预热，以完成固体氧化物燃料电池低电能快速启动。其中，空气和预设燃料气可以由热交换器向SOFC电堆提供。
S3.将第二燃烧尾气投入尾燃器进行燃烧，以使第二燃烧尾气实现热利用。
需要说明的是，在步骤S3中，当SOFC电堆在启动阶段或工作温度下正常工作时，经SOFC电堆反应后的第二燃烧尾气通过阳极输出通道13进入尾燃器2燃烧，并通过热换热器3进行SOFC电堆超温调控和原料气预热，实现尾气的再利用，降低能耗。该固体氧化物燃料电池的快速启动控制方法可以将SOFC电堆启动时燃烧的尾气作为第二燃烧尾气在尾燃器2中燃烧。
本申请提供的一种固体氧化物燃料电池的快速启动控制方法，该方法包括获取燃料气和空气的投入比例，根据投入比例向尾燃器投入燃料气和空气进行燃烧，得到第一燃烧尾气；获取空气和预热燃料气，将空气、预热燃料气和第一燃烧尾气投入SOFC电堆进行逐段加热至工作温度，并获得加热过程中输出的第二燃烧尾气；将第二燃烧尾气投入尾燃器进行燃烧，以使第二燃烧尾气实现热利用。该固体氧化物燃料电池的快速启动控制方法通过逐段加热升温方式实现对SOFC电堆的加热控制，可以避免在热气体与SOFC电堆之间引起较大温差而损坏SOFC电堆，保证SOFC电堆升温均衡，其可以对燃料气和空气进行预热，以完成固体氧化物燃料电池低电能快速启动，降低启动耗能，提高SOFC电堆的启动时间，解决了现有固体氧化物燃料电池的启动时间长和耗能高的技术问题。
在本申请的一个实施例中，获取燃料气和空气的投入比例包括：
获取燃料气的第一参数数据和空气的第二参数数据，第一参数数据包括燃料气的实际流量、体积、空气系数和极小值，第二参数数据包括空气的实际流量、体积和导热系数；
根据第一参数数据计算，得到燃料气的热值变化数据；
根据第一参数数据、第二参数数据和热值变化数据计算，得到燃料气和空气的投入比例；
其中，根据第一参数数据采用热值变化公式计算，得到燃料气的热值变化数据；根据第一参数数据、第二参数数据和热值变化数据采用投入比例公式计算，得到燃料气和空气的投入比例；热值变化公式为：
；
；
投入比例公式为：
；
式中，为燃料气的最小热值，b为燃料气的最大热值，Q 1为燃料气的实际流量，V 1为燃料气的体积，ε为极小值，C 1为燃料气完全燃烧所需的空气系数，Q 0为空气的实际流量，V 0为空气的体积，C 0为空气导热系数，μ为投入比例；热值变化数据包括最小热值和最大热值。
需要说明的是，获取燃料气和空气的投入比例过程中，采用一个极小值对燃料气的热值进行微调，在燃料气的实际流量偏大时，在热值变化数据范围内进行热值修正，确保提供的燃料气和空气在尾燃器燃烧输出的第一燃烧尾气无害。
在本申请的一个实施例中，将空气、预热燃料气和第一燃烧尾气投入SOFC电堆进行逐段加热至工作温度的内容包括：
获取SOFC电堆的总加热时间，根据比例数据将总加热时间划分为多段加热时段并获取与每段加热时段对应的温度阈值；
按首段逐段升级至末段的规律对SOFC电堆在加热时段内进行加热，并实时获取加热后SOFC电堆的加热温度；
若加热温度没有达到对应加热时段的温度阈值，以对应加热时段的加热速率对SOFC电堆加热至对应的温度阈值；
若加热温度达到对应加热时段的温度阈值，则进行下一段加热时段对SOFC电堆进行加热，直至SOFC电堆的加热温度为工作温度；
其中，末段所述加热时段的温度阈值为所述SOFC电堆的工作温度。
需要说明的是，该固体氧化物燃料电池的快速启动控制方法以根据3:2:1的比例数据将总加热时间划分为三段加热时段作为案例进行说明。三段加热时段分别记为第一加热时段t 1、第二加热时段t 2和第三加热时段t 3，与第一加热时段t 1、第二加热时段t 2和第三加热时段t 3对应的温度阈值分别为第一温度阈值T 1、第二温度阈值T 2和第三温度阈值T 3。在第一加热时段t 1内，根据实时获取的加热温度是否达到第一温度阈值T 1，若加热温度达到第一温度阈值T 1，则进入第二加热时段t 2对SOFC电堆进行加热；若加热温度没有达到第一温度阈值T 1，则采用第一加热时段t 1的加热速率对SOFC电堆加热至第一温度阈值T 1。在第二加热时段t 2内，根据实时获取的加热温度是否达到第二温度阈值T 2，若加热温度达到第二温度阈值T 2，则进入第三加热时段t 3对SOFC电堆进行加热；若加热温度没有达到第二温度阈值T 2，则采用第二加热时段t 2的加热速率对SOFC电堆加热至第二温度阈值T 2。在第三加热时段t 3内，根据实时获取的加热温度是否达到第三温度阈值T 3或工作温度，若加热温度达到工作温度，则结束对SOFC电堆的加热；若加热温度没有达到工作温度，则采用第三加热时段t 3的加热速率对SOFC电堆加热至工作温度。
在本申请的一个实施例中，该固体氧化物燃料电池的快速启动控制方法包括：获取加热时段的加热速率，获取加热时段的加热速率的内容包括：
获取SOFC电堆的运行数据以及SOFC电堆在加热时段内的实时温度，运行数据包括加热丝总数量、加热丝质量、空气热容量、燃料气热容量和面密度；
根据加热时段、温度阈值、运行数据和实时温度采用加热速率计算公式计算，得到加热时段的加热速率；
加热速率计算公式为：
；
式中，v i 为第i段加热时段的加热速率，ΔT i 为第i段加热时段的温度变化量，为第一燃烧尾气进入SOFC电堆的面密度，c 0为空气热容量，c 1为燃料气热容量，m n 为第n个加热丝的加热丝质量，N为加热丝总数量，t i 为第i段的加热时段，i、n均不为0的自然数。
需要说明的是，该固体氧化物燃料电池的快速启动控制方法计算第一加热时段t 1的加热速率的计算公式为：
；
计算第二加热时段t 2的加热速率的计算公式为：
；
计算第三加热时段t 3的加热速率的计算公式为：
；
式中，T 1为第一加热时段的温度阈值，T 2为第二加热时段的温度阈值，T 3为第三加热时段的温度阈值，为第一加热时段t 1内SOFC电堆的实时温度，/>为第二加热时段t 2内SOFC电堆的实时温度，/>为第三加热时段t 3内SOFC电堆的实时温度。在本实施例中，第一加热时段的温度变化量/>，第二加热时段的温度变化量/>，第三加热时段的温度变化量/>。
在本申请的一个实施例中，该固体氧化物燃料电池的快速启动控制方法包括：当SOFC电堆的温度加热至工作温度时，停止向尾燃器投入燃料气和空气。
需要说明的是，当SOFC电堆的温度加热至工作温度时，停止向尾燃器投入燃料气和空气是避免SOFC电堆的预热燃料气燃烧不充分产生有害气体，以及导致资源浪费。
实施例二：
图3为本申请实施例所述的固体氧化物燃料电池的快速启动控制装置的框架图。
如图3所示，本申请实施例提供了一种固体氧化物燃料电池的快速启动控制装置，包括尾气获取模块10、加热执行模块20和燃烧模块30；
尾气获取模块10，用于获取燃料气和空气的投入比例，根据投入比例向尾燃器投入燃料气和空气进行燃烧，得到第一燃烧尾气；
加热执行模块20，用于获取空气和预热燃料气，将空气、预热燃料气和第一燃烧尾气投入SOFC电堆进行逐段加热至工作温度，并获得加热过程中输出的第二燃烧尾气；
燃烧模块30，用于将第二燃烧尾气投入尾燃器进行燃烧，以使第二燃烧尾气实现热利用。
在本申请实施例中，尾气获取模块10包括参数获取子模块、第一计算子模块和第二计算子模块；
参数获取子模块，用于获取燃料气的第一参数数据和空气的第二参数数据，第一参数数据包括燃料气的实际流量、体积、空气系数和极小值，第二参数数据包括空气的实际流量、体积和导热系数；
第一计算子模块，用于根据第一参数数据采用热值变化公式计算，得到燃料气的热值变化数据；
第二计算子模块，用于根据第一参数数据、第二参数数据和热值变化数据采用投入比例公式计算，得到燃料气和空气的投入比例；
热值变化公式为：
；
；
投入比例公式为：
；
式中，为燃料气的最小热值，b为燃料气的最大热值，Q 1为燃料气的实际流量，V 1为燃料气的体积，ε为极小值，C 1为燃料气完全燃烧所需的空气系数，Q 0为空气的实际流量，V 0为空气的体积，C 0为空气导热系数，μ为投入比例；热值变化数据包括最小热值和最大热值。
需要说明的是，实施例二装置中模块对应于实施例一方法中的步骤，该固体氧化物燃料电池的快速启动控制方法的内容已在实施例一中详细阐述了，在此实施例二中不再对装置中模块的内容进行详细阐述。
实施例三：
本申请实施例提供了一种终端设备，包括处理器以及存储器；
存储器，用于存储程序代码，并将程序代码传输给处理器；
处理器，用于根据程序代码中的指令执行上述的固体氧化物燃料电池的快速启动控制方法。
示例性的，计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，一个或者多个模块/单元被存储在存储器中，并由处理器执行，以完成本申请。一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述计算机程序在终端设备中的执行过程。
终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，并不构成对终端设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器可以是中央处理单元（Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器 (Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列 (Field-Programmable Gate Array，FPGA) 或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可以是终端设备的内部存储单元，例如终端设备的硬盘或内存。存储器也可以是终端设备的外部存储设备，例如终端设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡（SmartMedia Card，SMC），安全数字（Secure Digital，SD）卡，闪存卡（Flash Card）等。进一步地，存储器还可以既包括终端设备的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器用于存储计算机程序以及终端设备所需的其他程序和数据。存储器还可以用于暂时的存储已经输出或者将要输出的数据。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其他的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其他的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-OnlyMemory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种固体氧化物燃料电池的快速启动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取燃料气和空气的投入比例，根据所述投入比例向尾燃器投入燃料气和空气进行燃烧，得到第一燃烧尾气；
获取空气和预热燃料气，将所述空气、所述预热燃料气和所述第一燃烧尾气投入SOFC电堆进行逐段加热至工作温度，并获得加热过程中输出的第二燃烧尾气；
将所述第二燃烧尾气投入所述尾燃器进行燃烧，以使所述第二燃烧尾气实现热利用；
获取燃料气和空气的投入比例包括：
获取燃料气的第一参数数据和空气的第二参数数据，所述第一参数数据包括燃料气的实际流量、体积、空气系数和极小值，所述第二参数数据包括空气的实际流量、体积和导热系数；
根据所述第一参数数据计算，得到燃料气的热值变化数据；
根据所述第一参数数据、所述第二参数数据和所述热值变化数据计算，得到燃料气和空气的投入比例；
其中，根据所述第一参数数据采用热值变化公式计算，得到燃料气的热值变化数据；根据所述第一参数数据、所述第二参数数据和所述热值变化数据采用投入比例公式计算，得到燃料气和空气的投入比例；所述热值变化公式为：
；
；
所述投入比例公式为：
；
式中，为燃料气的最小热值，b为燃料气的最大热值，Q 1为燃料气的实际流量，V 1为燃料气的体积，ε为极小值，C 1为燃料气完全燃烧所需的空气系数，Q 0为空气的实际流量，V 0为空气的体积，C 0为空气导热系数，μ为投入比例；所述热值变化数据包括最小热值和最大热值；所述SOFC电堆的工作温度为末段加热时段的温度阈值。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池的快速启动控制方法，其特征在于，将所述空气、所述预热燃料气和所述第一燃烧尾气投入SOFC电堆进行逐段加热至工作温度的内容包括：
获取所述SOFC电堆的总加热时间，根据比例数据将所述总加热时间划分为多段加热时段并获取与每段所述加热时段对应的温度阈值；
按首段逐段升级至末段的规律对所述SOFC电堆在所述加热时段内进行加热，并实时获取加热后所述SOFC电堆的加热温度；
若所述加热温度没有达到对应所述加热时段的温度阈值，以对应所述加热时段的加热速率对所述SOFC电堆加热至对应的温度阈值；
若所述加热温度达到对应所述加热时段的温度阈值，则进行下一段所述加热时段对所述SOFC电堆进行加热，直至所述SOFC电堆的加热温度为工作温度；
其中，末段所述加热时段的温度阈值为所述SOFC电堆的工作温度。
3.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池的快速启动控制方法，其特征在于，包括：获取所述加热时段的加热速率，获取所述加热时段的加热速率的内容包括：
获取所述SOFC电堆的运行数据以及所述SOFC电堆在所述加热时段内的实时温度，所述运行数据包括加热丝总数量、加热丝质量、空气热容量、燃料气热容量和第一燃烧尾气进入SOFC电堆的面密度；
根据所述加热时段、所述温度阈值、所述运行数据和所述实时温度采用加热速率计算公式计算，得到所述加热时段的加热速率；
所述加热速率计算公式为：
；
式中，v i 为第i段加热时段的加热速率，ΔT i 为第i段加热时段的温度变化量，为第一燃烧尾气进入SOFC电堆的面密度，c 0为空气热容量，c 1为燃料气热容量，m n 为第n个加热丝的加热丝质量，N为加热丝总数量，t i 为第i段的加热时段，i、n均不为0的自然数。
4.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池的快速启动控制方法，其特征在于，包括：当所述SOFC电堆的温度加热至工作温度时，停止向尾燃器投入燃料气和空气。
5.一种固体氧化物燃料电池的快速启动控制系统，其特征在于，包括SOFC电堆、尾燃器和热交换器，所述尾燃器的热空气输出通道与所述热交换器的输入通道连接，所述热交换器的燃料气输出通道与所述SOFC电堆的阳极输入通道连接，所述热交换器的空气输出通道与所述SOFC电堆的阴极输入通道连接，所述SOFC电堆的阳极输出通道和阴极输出通道与所述尾燃器的两条输入通道分别对应连接，所述尾燃器的燃烧尾气输出通道与所述SOFC电堆的热空气通道连接，所述SOFC电堆的快速启动按如权利要求1-4任意一项所述的固体氧化物燃料电池的快速启动控制方法执行。
6.一种固体氧化物燃料电池的快速启动控制装置，其特征在于，包括尾气获取模块、加热执行模块和燃烧模块；
所述尾气获取模块，用于获取燃料气和空气的投入比例，根据所述投入比例向尾燃器投入燃料气和空气进行燃烧，得到第一燃烧尾气；
所述加热执行模块，用于获取空气和预热燃料气，将所述空气、所述预热燃料气和所述第一燃烧尾气投入SOFC电堆进行逐段加热至工作温度，并获得加热过程中输出的第二燃烧尾气；
所述燃烧模块，用于将所述第二燃烧尾气投入所述尾燃器进行燃烧，以使所述第二燃烧尾气实现热利用；
所述尾气获取模块包括参数获取子模块、第一计算子模块和第二计算子模块；
所述参数获取子模块，用于获取燃料气的第一参数数据和空气的第二参数数据，所述第一参数数据包括燃料气的实际流量、体积、空气系数和极小值，所述第二参数数据包括空气的实际流量、体积和导热系数；
所述第一计算子模块，用于根据所述第一参数数据采用热值变化公式计算，得到燃料气的热值变化数据；
所述第二计算子模块，用于根据所述第一参数数据、所述第二参数数据和所述热值变化数据采用投入比例公式计算，得到燃料气和空气的投入比例；
所述热值变化公式为：
；
；
所述投入比例公式为：
；
式中，为燃料气的最小热值，b为燃料气的最大热值，Q 1为燃料气的实际流量，V 1为燃料气的体积，ε为极小值，C 1为燃料气完全燃烧所需的空气系数，Q 0为空气的实际流量，V 0为空气的体积，C 0为空气导热系数，μ为投入比例；所述热值变化数据包括最小热值和最大热值；所述SOFC电堆的工作温度为末段加热时段的温度阈值。
7.一种终端设备，其特征在于，包括处理器以及存储器；
所述存储器，用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；
所述处理器，用于根据所述程序代码中的指令执行如权利要求1-4任意一项所述的固体氧化物燃料电池的快速启动控制方法。
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106410241A (zh) * | 2015-07-29 | 2017-02-15 | 现代自动车株式会社 | 用于控制燃料电池启动的方法和系统 |
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Family Cites Families (1)
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-
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106410241A (zh) * | 2015-07-29 | 2017-02-15 | 现代自动车株式会社 | 用于控制燃料电池启动的方法和系统 |
| CN116364970A (zh) * | 2023-05-18 | 2023-06-30 | 成都岷山绿氢能源有限公司 | 一种燃料电池系统及快速启动方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| SOFC热电联供系统应用模拟;钟杰;张莉;徐宏;罗青;李培俊;;动力工程学报;第35卷(第10期);第846-852页 * |
| Start-up and operation characteristics of a flame fuel cell unit;Wang Yuqing 等;Applied Energy;第415-421页 * |
Also Published As
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