CN103887542B - 一种固体氧化物燃料电池控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种固体氧化物燃料电池控制装置及控制方法，属于燃料电池控制技术领域。其特征在于，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。在上位机编写控制软件，定义装置状态并规定操作步骤，实现装置独立发电各操作流程控制。可进行控制参数、故障判定参数及系统参数在线修改。控制参数包括自动控制中启动关闭流程的可编程参数表格设定，正常运行流程的温度控制目标、调节量设定，手动控制中气体供给量设定；故障判定参数采用可编程表格设定；系统参数含仪表通信参数设定。并可对装置特定位置进行数据监测存储备份并显示装置运行状态及故障信息。与现有技术相比，本发明具有装置结构简单，安全可靠，通用性强等特点。

Description

一种固体氧化物燃料电池控制装置及控制方法

技术领域

一种固体氧化物燃料电池控制装置及控制方法，属于燃料电池控制技术领域，尤其涉及可独立发电的固体氧化物燃料电池控制技术领域。

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。

燃料电池在应用中除需电堆外，另需配备重整室、燃烧室、换热器及气体供给单元等辅助设备，构成燃料电池系统。

燃料电池系统是一个复杂的化学、物理过程，通过人工操作显然无法满足效率、安全稳定性等方面的要求。且制造工艺及运行条件不同，会影响系统的性能，因此，固定的参数设置无法满足控制需求。

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控制装置及控制方法，适用于燃料电池装置独立发电的控制，可对燃料电池装置各个操作流程进行控制，并可进行控制参数、故障判定参数及系统参数的在线修改。此外，可对装置特定位置温度进行监测，以帮助用户进行参数设置。

本发明的技术方案：

一种固体氧化物燃料电池控制装置及控制方法，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。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，控制算法根据数据采集模块实时采集的装置数据，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成通信总线数据传递到软件入口，所述软件出口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的变化，改变气体供给量。

所述的控制软件中，实现装置独立发电过程中各个操作流程的控制。所述装置状态，根据装置工艺对操作进行分类，至少包括初始化状态、等待状态、启动状态、待机状态、运行状态、正常关闭状态及紧急关闭状态，不同状态执行指定操作步骤，不同装置状态之间可进行状态转移。所述状态转移，可根据用户动作如执行启动电堆动作，或根据装置测量值如温度大于指定值，进行判断。所述每一装置状态，均含有故障诊断及恢复操作。

所述控制软件可进行控制参数、故障判定参数及系统参数的在线修改。

(1)所述控制参数包括启动、关闭等操作流程的可编程表格参数设定，正常操作流程中温度控制值设定、首次控制量及正常控制量的设定，手动控制中气体供给量设定等；

(2)所述故障判定参数可设定不同操作流程的限值大小，采用可编程表格设定；

(3)所述系统参数设定，包括仪表通信参数设定、系统显示设定及采样时间设定等。

除控制功能外，对装置特定位置进行数据监测存储备份并显示装置运行及故障信息。所述装置特定位置数据监测，即所述传感器测量点。所述装置运行及故障信息，包括显示装置当前的状态及其存在的故障。

所述控制软件的操作步骤如下：

软件运行后默认进入初始化状态入口，通过发送指令，对控制装置进行初始化。包括软件参数恢复默认值，硬件设置恢复默认值，并检测数据采集模块、气体供给模块及质量流量计的连接状态，检测传感器测量的数值，判断其是否异常，将判断结果发送到等待状态入口。

等待状态中，进行控制参数、故障判定参数及系统参数的设定，若初始化状态出口判断标志异常，执行相关修正操作。异常恢复后，若检测用户发送启动动作，进入启动状态入口，否则维持当前状态。

启动状态中，执行设定的启动流程步骤，使电堆由初始温度升高到运行温度。之后判断负载的状态，若连接负载则进入运行状态入口，否则进入待机状态入口。

待机状态中，通过采集电堆温度，并将其与设定值比较，调节气体供给，维持电堆正常操作温度。检测负载接通及用户关闭动作，分别进入运行状态入口及正常关闭状态入口。

运行状态中，根据电堆输出电流及当前电堆温度，调节气体供给，保证电堆正常运行温度。可检测负载断开动作，进入待机状态入口。

正常关闭状态中，执行设定的关闭流程步骤，使电堆由运行温度降低到室温。

所述启动状态、待机状态、运行状态及正常关闭状态，均含有故障诊断及恢复程序，判断出现的故障，并进行恢复。若恢复失败，进入紧急关闭状态入口。紧急状态中，执行紧急关闭步骤，所述紧急关闭步骤可由用户设定。

与现有技术相比，本发明的优点在于装置结构简单，安全可靠，通用性强。

附图说明

图1控制装置结构图；

图2控制装置设备连接框图；

图3控制装置状态转移图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明具体实施例。

实施例1：定义装置状态并规定其操作步骤，实现各个操作流程的控制

所述装置状态，根据装置工艺对操作流程进行分类，至少包括初始化状态、等待状态、启动状态、待机状态、运行状态、正常关闭状态及紧急关闭状态，不同状态执行指定操作步骤，不同装置状态之间可进行状态转移。所述状态转移，可根据用户动作如执行启动电堆动作，或根据装置测量值如温度大于指定值，执行相关转移操作步骤。

所述初始化状态，检测装置仪器的测量值及其连接状态是否异常；所述等待状态，等待用户操作指令，并进行参数的设置；所述启动状态，执行可编程参数表格设定流程或手动设定，使电堆温度由室温按指定升温速率升高到正常运行温度，启动方式可以采用电加热、燃料燃烧或重整方式组合等；所述待机状态，电堆未进行放电，需按指定控制算法调节气体供给，维持电堆当前的运行温度；所述运行状态，电堆进行放电，需按指定控制算法调节气体供给，使装置稳定可靠运行；所述正常关闭状态，执行可编程参数表格设定流程或手动设定，使电堆由工作温度按指定速率降到室温；所述紧急关闭状态，装置发生故障且不能自动恢复时执行，紧急关闭状态故障恢复后需由操作员手动确认，方可继续进行后续操作流程，以增加装置的安全性。所述待机状态及运行状态的控制算法，根据负载变化情况进行电堆温度及燃烧室温度控制，通过电堆温度、燃烧室温度及电堆输出总电流，给出气体控制量，作用于燃料电池装置。并根据当前温度测量值不断的进行控制量寻优，直到符合要求为止，是一种迭代的自适应控制算法，且寻优时的调节量为定值，避免了根据热力学公式计算可能出现的偏差。

下面结合装置正常操作步骤，说明装置状态如何转移。

软件运行后默认进入初始化状态入口，通过指令发送，对控制装置进行初始化，使其满足初始操作条件。包括软件参数恢复默认值，硬件设置恢复默认值，并检测数据采集模块、气体供给模块及质量流量计的连接状态，检测传感器测量的数值，判断其是否异常，初始化状态输出判断结果到等待状态入口。所述传感器异常指测量的温度、压力、流量等数值不符合启动要求，或是传感器测量值有误，如初始化状态电流测量值不为零。

等待状态中，等待用户进行相关操作。用户可根据初始化状态输出的判断结果，手动进行故障的排查及处理，并判断故障是否清除；用户可进行控制参数、故障判定参数及系统参数的设定，其中，控制参数包括自动控制中顺序控制如启动、关闭顺序控制流程的可编程参数表格设定，使电堆温度在不同时刻按照设定的升温或降温程序运行，同时包含不同时刻甲烷、氢气、氮气、水及空气的气体供给量设定。连续控制如正常运行流程进行温度控制目标，调节量大小设定，本例中，默认电堆正常工作温度为800度，燃烧室温度小于900度。电堆温度设定790~810度的工作区间，防止气体供给量调节过于频繁导致温度振荡。故障判定参数采用可编程表格设定，可设置不同装置状态下需要检测的变量及其范围。系统参数可设定仪表通信参数，如仪器地址及波特率。故障恢复后，检测用户是否发送启动动作，发送则进入启动状态入口，否则维持当前装置状态。

启动状态中，执行设定的启动流程步骤，包括不同时刻温度及气体供给量的设定，使电堆由初始温度升高到运行温度。之后判断负载的状态，若连接负载则进入运行状态入口，否则进入待机状态入口。

待机状态中，采集电堆温度传感器，燃烧室温度传感器信号，传递到控制软件入口，并将其与设定值比较，计算出控制量，通过质量流量计、水泵及风机进行动作，调节气体供给，维持电堆及燃烧室的正常操作温度。检测负载接通及用户关闭动作，分别进入运行状态入口及正常关闭状态入口。所述附件通断可通过检测电堆输出电流判断。

运行状态中，根据电堆输出电流及当前电堆温度，调节气体供给，保证电堆正常运行温度。可检测负载断开动作，进入待机状态入口。

正常关闭状态中，执行设定的关闭流程步骤，使电堆由运行温度降低到室温，关闭气体供给，其过程可看做是启动流程的逆过程。

所述启动状态、待机状态、运行状态及正常关闭状态，均含有故障诊断及恢复程序，判断出现的故障，并进行恢复。若恢复失败，进入紧急关闭状态入口。所述故障至少包括电堆温度及燃烧室温度。

紧急状态中，执行紧急关闭步骤，以保证装置的安全。所述紧急关闭步骤可由用户设定。

此外，在控制软件运行过程中，可进行控制参数、故障判定参数及系统参数的在线修改，自动控制和手动控制的切换。装置执行紧急关闭操作步骤后，排查故障原因，再次启动系统需操作人员手动确认，降低之前故障对后续操作的不利影响。

控制装置状态转移图如图3所示。

实施例2：顺序控制流程的可编程表格设定

燃料电池装置的顺序控制流程如启动、关闭，装置工艺不同，会造成不同时刻的控制量不同，所述控制量包括温度及不同气体供给量，分别对应于不同仪器设备，调节复杂。采用可编程参数表格进行设置，统一进行设置，设置内容包括时间段、温度段、不同气体供给量，所述气体供给种类包括甲烷、氢气、氮气、水及空气，不使用该气体时对应表格项置为0。可进行参数的组合设置，并可对参数表进行新建、保存及加载等操作。

实施例3：故障判断参数的可编程表格设定燃料电池装置在操作中，不同状态下故障种类及其故障定义不同，且不同用户关心的故障不同，采用可编程表格进行故障判断参数设定。包括用户可以自行添加故障项，所述故障项为所述传感器的测量项参数，可自行定义其上下限，并可在表格中同时进行一个或多个状态的故障判断参数设定。

Claims (8)

1.一种固体氧化物燃料电池控制装置，其特征在于：

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输出端子相连，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，传感器与所述数据采集模块信号连接；

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上，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。

2.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于：

所述传感器包括温度传感器、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。

3.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于：

数据采集模块为模拟量输入模块，气体供给控制模块为模拟量输出模块。

4.一种权利要求1所述控制装置的控制方法，其特征在于：

在上位机编写控制软件，控制算法根据数据采集模块实时采集的装置数据，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，所述软件出口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。

5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于：控制软件可以实现各个操作流程的控制；根据装置工艺对操作进行分类，定义不同装置状态，不同状态执行指定操作步骤，状态间可进行状态转移；

所述装置状态至少包括初始化状态、等待状态、启动状态、待机状态、运行状态、正常关闭状态及紧急关闭状态；

所述状态转移，可根据当前用户的动作并结合装置测量值进行判断。

6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于：

控制软件可进行控制参数、故障判定参数及系统参数的在线修改；

(1)所述控制参数包括自动控制中，启动、正常关闭及紧急关闭等顺序控制的流程设定，正常运行的连续控制的参数设置；手动控制中，控制量的设定；所述自动控制中，启动、正常关闭及紧急关闭的流程设定采用可编程参数表格设定；

所述可编程表格可实现操作量及其大小的组合设定，所设参数可保存以重复调用；

所述正常运行的连续控制设置包括温度控制值设定、调节量设定；

(2)所述故障判定参数设定，不同装置状态下，可自行添加故障项，并对其上下限进行设定，且使用可编程表格，以上参数可同时设定；

(3)所述装置参数设定，包括仪表通信参数设定、系统显示设定及采样周期设定。

7.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于：除控制功能所需测量参数外，控制软件还可对装置特定位置进行数据监测存储备份并显示装置运行及故障信息。

8.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于：

软件运行后默认进入初始化状态入口，通过发送指令，对控制装置进行初始化，包括软件参数恢复默认值，硬件设置恢复默认值，并检测数据采集模块、气体供给模块及质量流量计的连接状态，检测传感器测量的数值，判断其是否异常，将判断结果发送到等待状态入口；

等待状态中，进行控制参数、故障判定参数及系统参数的设定，若初始化状态出口判断标志异常，执行相关修正操作，异常恢复后，若检测用户发送启动动作，进入启动状态入口，否则维持当前状态；

启动状态中，执行设定的启动流程步骤，使电堆由初始温度升高到运行温度，之后判断负载的状态，若连接负载则进入运行状态入口，否则进入待机状态入口；

待机状态中，通过采集电堆温度，并将其与设定值比较，调节气体供给，维持电堆正常操作温度，检测负载接通及用户关闭动作，分别进入运行状态入口及正常关闭状态入口；

运行状态中，根据电堆输出电流及当前电堆温度，调节气体供给，保证电堆正常运行温度，可检测负载断开动作，进入待机状态入口；

正常关闭状态中，执行设定的关闭流程步骤，使电堆由运行温度降低到室温；

所述启动状态、待机状态、运行状态及正常关闭状态，均含有故障诊断及恢复程序，判断出现的故障，并进行恢复，若恢复失败，进入紧急关闭状态入口；

紧急状态中，执行紧急关闭步骤，所述紧急关闭步骤可由用户设定。