專利名稱：高溫燃料電池混合動(dòng)力協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種燃料電池技術(shù)領(lǐng)域的系統(tǒng)，特別是一種高溫燃料電池混合動(dòng)力協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
高溫燃料電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高、潔凈環(huán)保、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，其高品位廢熱使得它可以和其它動(dòng)力裝置組成各種混合循環(huán)系統(tǒng)，從而更好地利用能源，大幅度地提高裝置整體效率。同時(shí)由于燃料電池的規(guī)模大小組成容易，混合動(dòng)力系統(tǒng)的容量靈活、自由度大，是21世紀(jì)理想的分布式能源。
混合動(dòng)力系統(tǒng)解決了兩個(gè)重要問題一個(gè)是小型燃料電池發(fā)電設(shè)備費(fèi)用高的問題；另一個(gè)是微小型燃?xì)廨啓C(jī)的低效率和相對(duì)高的排放量的問題。目前國內(nèi)外研究的高溫燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)主要有兩類一類是由熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)與氣輪機(jī)(GT)構(gòu)成；另一類是由固體氧化物燃料電池(SOFC)與燃?xì)廨啓C(jī)構(gòu)成。近幾年來，許多高溫燃料電池相繼發(fā)電成功，以及燃?xì)廨啓C(jī)的實(shí)驗(yàn)積累，都為建立高溫燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)創(chuàng)造了條件，使得這種混合動(dòng)力系統(tǒng)的研究也得到了迅速發(fā)展。然而，將高溫燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)兩個(gè)非線性很強(qiáng)的部件組合在一起使用的混合動(dòng)力系統(tǒng)在帶來更高效率的同時(shí)也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。這就迫切需要一種能夠?qū)旌蟿?dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行分析及控制研究的方法。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，目前對(duì)混合動(dòng)力控制系統(tǒng)的研究還比較少，Rory A.Roberts等在期刊《Journal of Engineering for Gas Turbines andPower》(《燃?xì)廨啓C(jī)與動(dòng)力工程學(xué)報(bào)》)的2006年128卷上發(fā)表了“Dynamicsimulation of carbonate fuel cell-gas turbine hybrid systems”(“碳酸鹽燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真”) 一文，該文研究了MCFC/GThybrid system(熔融碳酸鹽燃料電池/燃?xì)廨啓C(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng))，該系統(tǒng)由MCFC、燃?xì)廨啓C(jī)、換熱器、催化燃燒室和發(fā)電機(jī)等組成。文中通過兩種建模方法對(duì)MCFC/GT的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了分析比較，所得混合動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)電效率均為56％左右。為了使混合動(dòng)力系統(tǒng)在不同工況下都能維持其正常工作溫度，文中還對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了研究，所使用的是傳統(tǒng)的PID控制器。但該控制器僅能對(duì)小范圍的燃料電池負(fù)荷擾動(dòng)有一定控制作用，其系統(tǒng)魯棒性和對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)性較差。而燃料電池工作過程是從化學(xué)能(燃料)轉(zhuǎn)換電能的電化學(xué)反應(yīng)過程，伴隨著內(nèi)部復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過程，燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)構(gòu)成的混合動(dòng)力系統(tǒng)的工作過程更為復(fù)雜。所以，需要對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以使系統(tǒng)能在各種復(fù)雜的外界擾動(dòng)下良好運(yùn)行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種高溫燃料電池混合動(dòng)力協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。使得混合動(dòng)力系統(tǒng)不僅能在設(shè)計(jì)點(diǎn)工況下高效、穩(wěn)定地運(yùn)行，也能在大范圍變工況下工作，并保持較高的發(fā)電效率。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括協(xié)調(diào)控制器、主燃料調(diào)節(jié)器、主燃料執(zhí)行器、輔燃料調(diào)節(jié)器、輔燃料執(zhí)行器、燃料源、主燃料調(diào)節(jié)閥、輔燃料調(diào)節(jié)閥、高溫燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)。部件連接關(guān)系為協(xié)調(diào)控制器的輸出端分別接在主燃料調(diào)節(jié)器和輔燃料調(diào)節(jié)器的輸入端，主燃料調(diào)節(jié)器的輸出端接在主燃料執(zhí)行器的輸入端，輔燃料調(diào)節(jié)器的輸出端接在輔燃料執(zhí)行器的輸入端，主燃料執(zhí)行器的輸出端接在主燃料調(diào)節(jié)閥的入口端，輔燃料執(zhí)行器的輸出端接在輔燃料調(diào)節(jié)閥的入口端，燃料源的出口端通過管路分別接在主燃料調(diào)節(jié)閥的入口端和輔燃料調(diào)節(jié)閥的入口端；高溫燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的入口端通過管路分別連接主燃料調(diào)節(jié)閥的出口端和輔燃料調(diào)節(jié)閥的出口端。
所述高溫燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)，包括燃料預(yù)熱器、高溫燃料電池電堆、催化燃燒室、高溫?fù)Q熱器、空氣預(yù)熱器、透平、壓氣機(jī)、高速發(fā)電機(jī)、三通閥門。連接關(guān)系為燃料預(yù)熱器的冷側(cè)出口通過管路與高溫燃料電池電堆的陽極進(jìn)口相連，燃料預(yù)熱器的熱側(cè)進(jìn)口與三通閥門相連；催化燃燒室的進(jìn)口分別與高溫燃料電池電堆的陽極出口和透平的出口連接，催化燃燒室的出口與高溫?fù)Q熱器的熱側(cè)進(jìn)口相連；高溫?fù)Q熱器的熱側(cè)出口和高溫燃料電池電堆的陰極進(jìn)口相連，高溫?fù)Q熱器的冷側(cè)進(jìn)口和空氣預(yù)熱器的冷側(cè)出口相連，高溫?fù)Q熱器的冷側(cè)出口和透平的進(jìn)口相連；空氣預(yù)熱器的冷側(cè)進(jìn)口和壓氣機(jī)的出口相連，空氣預(yù)熱器的熱側(cè)進(jìn)門和三通閥門相連；壓氣機(jī)、透平、高速發(fā)電機(jī)通過連接軸連接，并利用轉(zhuǎn)動(dòng)軸承安裝在同一根連接軸上。
本發(fā)明工作時(shí)，協(xié)調(diào)控制器根據(jù)外界負(fù)荷的變化，通過主燃料調(diào)節(jié)器和輔燃料調(diào)節(jié)器分別作用于主燃料執(zhí)行器和輔燃料執(zhí)行器，調(diào)節(jié)主燃料調(diào)節(jié)閥和輔燃料調(diào)節(jié)閥，給混合動(dòng)力系統(tǒng)供應(yīng)燃料。燃料源的燃料被分為兩路供給混合動(dòng)力系統(tǒng)，主燃料流通入燃料電池；輔燃料流進(jìn)入催化燃燒室。主燃料流經(jīng)過燃料預(yù)熱器后進(jìn)入高溫燃料電池，進(jìn)行內(nèi)部重整后，進(jìn)入陽極，和陰極氧化劑在燃料電池內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的電子經(jīng)外電路輸出，同時(shí)釋放出熱量，產(chǎn)生高品位排氣。燃料電池陽極排氣進(jìn)入催化燃燒室，在催化燃燒室內(nèi)將排氣中的剩余燃料及輔燃料充分氧化，使氣體溫度升高后，經(jīng)過高溫?fù)Q熱器換熱，進(jìn)入燃料電池陰極。燃料電池陰極接連一個(gè)三通閥門，對(duì)燃料電池陰極排氣進(jìn)行分流一部分陰極排氣通過燃料預(yù)熱器預(yù)熱進(jìn)入燃料電池陽極的燃料氣體；另一部分氣體進(jìn)入空氣預(yù)熱器加熱壓氣機(jī)出口的空氣。
空氣由壓氣機(jī)進(jìn)口進(jìn)入，被壓縮的空氣通過壓氣機(jī)出口進(jìn)入空氣預(yù)熱器預(yù)熱，然后進(jìn)入高溫?fù)Q熱器，和進(jìn)入燃料電池陰極的氣體進(jìn)行熱交換。經(jīng)過高溫?fù)Q熱器加熱的高溫、高壓氣體進(jìn)入透平膨脹做功，透平的排氣進(jìn)入催化燃燒室進(jìn)行循環(huán)利用。最終，高溫燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)共同輸出功率，滿足外界負(fù)荷的需要。在本發(fā)明中，額定工況下高溫燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電供能比例為8∶2。
本發(fā)明將燃料電池和傳統(tǒng)發(fā)電裝置-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合起來發(fā)電，不僅能提高系統(tǒng)的發(fā)電效率、降低發(fā)電費(fèi)用，而且還能促進(jìn)燃料電池技術(shù)的發(fā)展。其協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可根據(jù)不同的使用特點(diǎn)，采用不同的控制策略，調(diào)節(jié)供給混合動(dòng)力系統(tǒng)的燃料，使混合動(dòng)力系統(tǒng)的輸出功率滿足外界負(fù)荷的需要，并保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。
本發(fā)明非常適用于醫(yī)院、商場、小區(qū)等場所，混合動(dòng)力系統(tǒng)的燃料利用率可達(dá)85％以上，可獲得超過60％的發(fā)電效率，同時(shí)，還減少了二氧化碳?xì)怏w的排放，污染物NOx排放量低于1ppm，環(huán)境保護(hù)性能優(yōu)良。此外，在本發(fā)明中，燃料電池在環(huán)境壓力下運(yùn)行，其壓力和燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)壓比無關(guān)，因而系統(tǒng)可以在很大的燃機(jī)循環(huán)壓比范圍內(nèi)有效運(yùn)行。這種特性使其在發(fā)電規(guī)模上有很大的靈活性。


圖1本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2本發(fā)明的高溫燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
如圖1所示，本發(fā)明包括協(xié)調(diào)控制器1、主燃料調(diào)節(jié)器2、主燃料執(zhí)行器3、輔燃料調(diào)節(jié)器4、輔燃料執(zhí)行器5、燃料源6、主燃料調(diào)節(jié)閥7、輔燃料調(diào)節(jié)閥8、高溫燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)9。連接關(guān)系為協(xié)調(diào)控制器1的輸出端分別接在主燃料調(diào)節(jié)器2和輔燃料調(diào)節(jié)器3輸入端；主燃料調(diào)節(jié)器2的輸出端接在主燃料執(zhí)行器3的輸入端；輔燃料調(diào)節(jié)器4的輸出端接在輔燃料執(zhí)行器5的輸入端；主燃料執(zhí)行器3的輸出端接在主燃料調(diào)節(jié)閥7的入口端；輔燃料執(zhí)行器5的輸出端接在輔燃料調(diào)節(jié)閥8的入口端；燃料源6的出口端通過管路分別接在主燃料調(diào)節(jié)閥7的入口端和輔燃料調(diào)節(jié)閥8的入口端；高溫燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)9的入口端通過管路分別連接主燃料調(diào)節(jié)閥7的出口端和輔燃料調(diào)節(jié)閥8的出口端。
如圖2所示，所述高溫燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)9包括燃料預(yù)熱器10、高溫燃料電池電堆11、催化燃燒室12、高溫?fù)Q熱器13、空氣預(yù)熱器15、透平15、壓氣機(jī)16、高速發(fā)電機(jī)17、三通閥門18。連接關(guān)系為燃料預(yù)熱器10的冷側(cè)出口通過管路與高溫燃料電池電堆11的陽極進(jìn)口相連，燃料預(yù)熱器10的熱側(cè)進(jìn)口與三通閥門18相連；催化燃燒室12的進(jìn)口分別與高溫燃料電池電堆11的陽極出口和透平15的出口連接，催化燃燒室12的出口與高溫?fù)Q熱器13的熱側(cè)進(jìn)口相連；高溫?fù)Q熱器13的熱側(cè)出口和高溫燃料電池電堆11的陰極進(jìn)口相連，高溫?fù)Q熱器13的冷側(cè)進(jìn)口和空氣預(yù)熱器15的冷側(cè)出口相連，高溫?fù)Q熱器13的冷側(cè)出口和透平15的進(jìn)口相連；空氣預(yù)熱器14的冷側(cè)進(jìn)口和壓氣機(jī)16的出口相連，空氣預(yù)熱器14的熱側(cè)進(jìn)口和三通閥門18相連；壓氣機(jī)16、透平15、高速發(fā)電機(jī)17通過連接軸連接，并利用轉(zhuǎn)動(dòng)軸承安裝在同一根連接軸上。
權(quán)利要求
1.一種高溫燃料電池混合動(dòng)力協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，包括協(xié)調(diào)控制器、主燃料調(diào)節(jié)器、主燃料執(zhí)行器、輔燃料調(diào)節(jié)器、輔燃料執(zhí)行器、燃料源、主燃料調(diào)節(jié)閥、輔燃料調(diào)節(jié)閥、高溫燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于，協(xié)調(diào)控制器的輸出端分別接在主燃料調(diào)節(jié)器和輔燃料調(diào)節(jié)器的輸入端，主燃料調(diào)節(jié)器的輸出端接在主燃料執(zhí)行器的輸入端，輔燃料調(diào)節(jié)器的輸出端接在輔燃料執(zhí)行器的輸入端，主燃料執(zhí)行器的輸出端接在主燃料調(diào)節(jié)閥的入口端，輔燃料執(zhí)行器的輸出端接在輔燃料調(diào)節(jié)閥的入口端，燃料源的出口端通過管路分別接在主燃料調(diào)節(jié)閥的入口端和輔燃料調(diào)節(jié)閥的入口端，高溫燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的入口端通過管路分別連接主燃料調(diào)節(jié)閥的出口端和輔燃料調(diào)節(jié)閥的出口端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫燃料電池混合動(dòng)力協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，其特征是，所述高溫燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)，包括燃料預(yù)熱器、高溫燃料電池電堆、催化燃燒室、高溫?fù)Q熱器、空氣預(yù)熱器、透平、壓氣機(jī)、高速發(fā)電機(jī)、三通閥門，連接關(guān)系為燃料預(yù)熱器的冷側(cè)出口通過管路與高溫燃料電池電堆的陽極進(jìn)口相連，燃料預(yù)熱器的熱側(cè)進(jìn)口與三通閥門相連；催化燃燒室的進(jìn)口分別與高溫燃料電池電堆的陽極出口和透平的出口連接，催化燃燒室的出口與高溫?fù)Q熱器的熱側(cè)進(jìn)口相連；高溫?fù)Q熱器的熱側(cè)出口和高溫燃料電池電堆的陰極進(jìn)口相連，高溫?fù)Q熱器的冷側(cè)進(jìn)口和空氣預(yù)熱器的冷側(cè)出口相連，高溫?fù)Q熱器的冷側(cè)出口和透平的進(jìn)口相連；空氣預(yù)熱器的冷側(cè)進(jìn)口和壓氣機(jī)的出口相連，空氣預(yù)熱器的熱側(cè)進(jìn)口和三通閥門相連；壓氣機(jī)、透平、高速發(fā)電機(jī)通過連接軸連接，并利用轉(zhuǎn)動(dòng)軸承安裝在同一根連接軸上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫燃料電池混合動(dòng)力協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，其特征是，所述高溫燃料電池電堆包括熔融碳酸鹽燃料電池。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或者3所述的高溫燃料電池混合動(dòng)力協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，其特征是，額定工況下，所述高溫燃料電池和高速發(fā)電機(jī)發(fā)電供能比例為8∶2。
全文摘要
一種高溫燃料電池混合動(dòng)力協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明中，協(xié)調(diào)控制器的輸出端分別接在主燃料調(diào)節(jié)器和輔燃料調(diào)節(jié)器的輸入端，主燃料調(diào)節(jié)器的輸出端接在主燃料執(zhí)行器的輸入端，輔燃料調(diào)節(jié)器的輸出端接在輔燃料執(zhí)行器的輸入端，主燃料執(zhí)行器的輸出端接在主燃料調(diào)節(jié)閥的入口端，輔燃料執(zhí)行器的輸出端接在輔燃料調(diào)節(jié)閥的入口端，燃料源的出口端通過管路分別接在主燃料調(diào)節(jié)閥的入口端和輔燃料調(diào)節(jié)閥的入口端，高溫燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的入口端通過管路分別連接主燃料調(diào)節(jié)閥的出口端和輔燃料調(diào)節(jié)閥的出口端。本發(fā)明混合動(dòng)力系統(tǒng)不僅能在設(shè)計(jì)點(diǎn)工況下高效、穩(wěn)定地運(yùn)行，也能在大范圍變工況下工作，并保持較高的發(fā)電效率。
文檔編號(hào)H01M8/00GK1996652SQ20061014821
公開日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2006年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月28日
發(fā)明者翁一武, 陳啟梅, 盧春江, 顧偉 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)