[发明专利]一种固体氧化物燃料电池装置的热管理方法

说明书

技术领域

一种固体氧化物燃料电池装置的热管理方法，属于燃料电池控制技术领域，尤其涉及负载变化情况下的燃料电池热管理控制技术领域。

背景技术

固体氧化物燃料电池是一种在中高温下直接将储存在燃料与氧化剂中的化学能直接转换为电能的发电装置，具有燃料适应性广、能量转换效率高、全固态、模块化组装及零污染等优点，可以直接使用氢气、一氧化碳、天然气、液化气、煤气及生物质气等多种碳氢燃料。在大型集中供电、中型分电和小型家用热电联供等民用领域作为固定电站，以及作为船舶动力电源、交通车辆动力电源等移动电源，都有广阔的应用前景。

固体氧化物燃料电池独立发电系统中，由用户根据需要进行负载调节，电堆输出电能需要跟踪外部负载变化，在此过程中，要维持系统高效、稳定、安全的运行，电堆工作温度起着至关重要的作用。

燃料电池系统是一个复杂的化学、物理过程，具有非线性、时变、大时滞、多输出多输出及参量耦合等特征，无法建立准确的机理模型及现场进行测量以获取经验模型，因而采用常规控制方法起不到好的控制效果。

由于系统工艺不同，运行参数不同，固定的控制参数无法满足控制目标。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提出了一种固体氧化物燃料电池装置的热管理方法，适用于燃料电池独立发电装置负载改变时的温度控制。该方法根据采集的电堆温度及燃烧室温度并结合输出电流值，计算出首次气体供给值，作用于装置，并根据控制结果按照控制逻辑，迭代的进行控制量修正，直至符合控制目标为止。此外，该方法的控制参数是可设置的。

本发明的技术方案：

一种固体氧化物燃料电池装置的热管理方法，装置由电堆子系统、气体供给子系统、负载子系统及仪器仪表控制子系统组成。

所述电堆子系统包括固体氧化物燃料电池电堆、重整室、燃烧室及换热器。阳极的燃料甲烷和水经换热器预热后通入重整室重整，重整室重整后的气体进入电堆的阳极入口，阴极的空气经换热器预热后通入电堆的阴极入口，电堆的阳极出口和阴极出口尾气通入燃烧室燃烧后经换热器进行热量回收，回收热量用于阳极的燃料甲烷和水、及阴极的空气预热。换热器为一级换热器、或二级以上串联的换热器。经换热器后的换热器出口尾气可通入下一级换热器进行热量回收，经最末一级换热器后的换热器出口尾气直接排空。

所述气体供给子系统包括甲烷储罐、水储罐、氢气储罐、氮气储罐，供给反应所需的气体，甲烷储罐、氢气储罐、氮气储罐分别通过管路经阀门和质量流量计与电堆的阳极入口相连，水储罐通过管路经阀门和水泵与电堆的阳极入口相连，电堆的阴极入口通过管路经风机与大气相连。

所述负载子系统包括用电负载，用电负载通过导线与电堆的正负相连，用于消耗电堆产生的电能，负载功率大小可由用户进行调节。

所述仪器仪表控制子系统，由上位机及相关仪器仪表组成，所述仪器仪表包含数据采集模块、气体供给控制模块及传感器。上位机与所述数据采集模块及气体供给控制模块通过通信总线进行连接，所述通信总线可以是485总线或其他现场总线。传感器与所述数据采集模块信号连接。气体供给控制模块与气体供给子系统上的水泵及风机信号连接，质量流量计与上位机信号连接。所述数据采集模块为ADAM4118模块，所述气体供给控制模块为ADAM4024模块。所述传感器安装于电堆子系统、气体供给子系统及负载子系统，包括温度传感器、压力传感器、流量传感器、电流传感器、电压传感器、液位传感器、可燃气体传感器中的一种或二种以上。所述温度传感器分别置于电堆、燃烧室中，测量电堆温度及燃烧室温度，至少包含电堆温度传感器及燃烧室温度传感器。所述压力传感器置于质量流量计、水泵及风机的管路出口，测量出口压力。所述流量传感器置于水泵及风机出口管路，测量输出介质流量。所述电流传感器置于负载子系统中与电堆相连的单根导线上，测量电堆输出总电流。所述电压传感器，置于负载子系统与电堆相连的两跟导线上，测量电堆输出总电压。所述液位传感器置于水罐内，测量用于重整反应的水罐液位。所述可燃气体传感器，至少包括仪器仪表子系统和电堆尾气出口两处检测点，用于检测气体泄露。

在上位机编写控制软件以实现装置的热管理方法，根据数据采集模块实时采集的电堆及负载数据，生成控制动作，计算所需气体及水供给量，作用于电堆子系统，实现装置的温度控制。

所述装置数据通过传感器将测量信号变换成电信号，经由数据采集模块将电信号转换为通信总线数据传递到软件入口，所述计算出的气体供给量通过通信总线，下载到气体供给控制模块及质量流量计的寄存器中，转换为阀门开度或电机转速变化，调节气体供给量。