燃料電池系統中的控制結構和方法技術方案

本發明專利技術集中于一種利用燃料電池發電的燃料電池系統中的控制結構，燃料電池系統中的各燃料電池包括：陽極側（100）、陰極側（102）、以及陽極側和陰極側之間的電解質（104），燃料電池系統包括：用于使燃料通過燃料電池的陽極側再循環的裝置（109），以及控制處理器（210）中的至少一個系統控制器（200），用于控制燃料電池系統的操作。控制結構包括：用于執行燃料組分和燃料流速中的至少一個的基本上異步的化學反應速率計算處理、以在基本上迭代的處理中獲得至少關于通過陽極（100）的燃料再循環的再循環率的信息的裝置（202）；用于在與系統控制器（200）處理基本上同步的處理中、通過利用由所述異步處理提供的最新可用再循環率信息來生成燃料利用（FU）信息和碳形成信息的裝置（204）。控制結構還包括用于通過利用所述FU信息和碳形成信息來執行主動循環系統控制和系統監視處理的裝置（206），所述裝置（202）用于與同步處理基本上同時地處理異步處理，使得在最大允許執行間隔之下處理所述主動循環系統控制和系統監視處理。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
燃料電池是提供有反應物以產生電能的電化學裝置。
技術介紹
燃料電池是可以用于高效地并以環境友好的方式產生電能的電化學裝置。燃料電池技術被認為是未來最有前景的發電形式之一。圖I示出包括陽極側100、陰極側102以及它們之間的電解質104的燃料電池。供應至燃料電池裝置的反應物經歷由于放熱反應而產生電能和水的處理。在固體氧化物燃料電池(SOFC)中，供應至陰極側的氧106從陰極接收電子，S卩，被還原為負氧離子，負氧離子經過電解質行進到陽極，在陽極與所使用的燃料108結合，產生水和二氧化碳。在陽極100 和陰極102之間有單獨的通路，即，外部電路111，通過外部電路111，電子e-(即，電流)經過負載110行進到陰極。圖2中呈現了 SOFC (固體氧化物燃料電池)裝置，其可以利用例如天然氣、沼氣、 甲醇或其它含有烴的化合物作為其燃料。圖2所示的燃料電池裝置結構包括多個板狀燃料電池，各燃料電池包括如圖I所示的陽極100和陰極102，在圖2中，燃料電池被組裝為堆形式103 (S0FC堆)。燃料通過燃料電池的陽極側在反饋結構中再循環。圖2中所示的燃料電池裝置結構包括燃料熱交換器105和重整器107。熱交換器用于控制燃料電池處理的熱平衡，并且可以在燃料電池裝置中的不同位置處存在若干個熱交換器。再循環氣體中的多余的熱能在熱交換器中被回收，用于燃料電池裝置中的其他地方或集中供熱網絡中。因而，回收熱的熱交換器可以位于與圖2所示不同的位置。重整器是這樣的裝置其將例如天然氣的燃料轉換為適合于燃料電池的形式，即，例如轉換為包含一半的氫氣且其他為甲烷、二氧化碳和惰性氣體的氣體混合物。但是，重整器并非在所有的燃料電池實現中都是必需的，也可以將未經處理的燃料直接供應至燃料電池103。在反饋結構中，在燃料電池103的陽極100上燃燒的燃料的僅一部分通過陽極進行再循環，因此，圖2圖表地示出了來自陽極100的燃料剩余物的排出114。通過使用測量裝置112 (例如，燃料流量計、電流計以及溫度計)，從通過陽極再循環的氣體執行對于SOFC 裝置的操作所必要的測量。根據現有技術的控制處理器116與和測量裝置112的相互協作密切相關。天然氣(例如甲烷)以及含更高碳化合物的氣體通常被用作SOFC中的燃料，然而， 氣體在供應至燃料電池之前必須進行預處理以防止碳形成(即，焦化)。在焦化中，烴熱分解并且產生附著到燃料電池裝置的表面并吸附在例如鎳粒子的催化劑上的碳。在焦化中產生的碳覆蓋燃料電池裝置的一些活性表面，因而明顯地劣化了燃料電池處理的反應性。碳甚至可能會完全阻塞燃料通道。為了確保燃料電池的長使用壽命，防止焦化是非常重要的。防止焦化也節省催化劑，即，用在燃料電池中用于加速反應的物質(鎳、鉬等)。氣體預處理需要供應至燃料電池裝置的水。在氧離子和燃料(即，陽極上的氣體)的結合中所產生的水也可以用在氣體的預處理中。為了使現有技術的氣體的預處理成功，必須足夠精確地知道在反饋結構中通過陽極再循環的氣體的組分。特別是必須控制氧/碳(ο/c)比，并且在某種程度上也必須控制氫/碳(Η/C)比，以避免最危險的碳形成的反應環境。在非死端操作的燃料電池系統中，燃料利用(FU)是影響系統性能和壽命的關鍵的可控參數。此外，在涉及烴燃料的重整的系統中，必須將特定燃料流的系統條件保持充分， 以使系統內的碳形成的風險最小化。使碳形成最小化的常用手段是控制氧碳比(0C比)、氫碳比(HC比)以及系統溫度，它們一起限定了系統中形成碳的概率。維持足夠的OC比和HC 比的常用手段包括陽極廢氣再循環、通過部分氧化進行燃料重整、以及輔助給水。由于難以利用在線測量來確定燃料利用(FU)信息和碳形成信息，所以通常用計算的方式來確定它們。在燃料組分僅取決于系統的入口流的系統中，FU信息和碳形成信息的計算相當簡單。然而，在涉及陽極再循環的系統中，FU信息和碳形成信息變得取決于質量流和再循環回路中的組分，因為離開燃料電池陽極的廢棄燃料的部分返回至陽極入口流。如果系統涉及陽極向外泄漏或從陽極到陰極側的交叉泄漏(對于許多類型的高溫燃料電池是常見的)，則在不知道再循環流和一些組分特征的情況下無法確定陽極出口組分(即，再循環的組分)。針對任何給定的再循環率(S卩，陽極出口氣體再循環回入口流的分數)，可以通過直接替換來分析地計算陽極循環回路內的原子流。實際氣體成分的摩爾分數可以基于針對給定的條件而求解的原子分數。假設陽極出口組分在存在陽極催化劑的情況下在高溫下達到相應的熱平衡組分，因而能針對所述給定的再循環率求解陽極出口組分。熱平衡組分的求解需要確定滿足四階多項式的流重整反應速率，該四階多項式的系數是溫度和所述原子分數的函數。如果燃料組分沒有達到平衡，則可以根據動力學模型確定燃料組分。確定了陽極出口組分之后，可以利用針對陽極循環裝置(例如，泵或噴射器)的特征曲線、或者基于循環流的流測量，來計算陽極再循環回路中的實際流。這進而獲得了針對特定的陽極出口組分的再循環率。如果該再循環率(以合理的裕量)等于用于確定所述組分的原始再循環率，則找到了再循環回路流的有效解，因此找到了 FU信息和碳形成信息的有效解。否則，需要修改再循環的初始值，重復進行計算，直至找到有效解。所描述的用于確定燃料流組分的方法涉及利用多個嵌套的迭代步驟進行迭代。總之，找到再循環率的有效解因此找到FU信息和碳形成信息的有效解可能取決于系統狀況和初始值而需要相當大量的浮點數學運算。在例如工業控制硬件的計算能力有限的系統中，所描述的迭代過程需要幾秒鐘來完成。因此，無法在不影響控制循環的總執行時間的情況下在燃料電池控制系統的循環任務回路中包括這樣的計算。由于所描述的用于精確地確定燃料組分的方法的計算強度，所以現有技術解決方案使用了簡化手段來降低計算需求，然而，這犧牲了精確度和/或多功能性。在申請人自己的專利申請文件PCT/FI2009/050503中，提出了一種方法，該方法使用來自具有針對燃料電池電流、溫度和流的預定組合的預先計算的解的查找表的插值，以避免在確定再循環率、 FU率和OC率時對于實時計算的需求。盡管顯著減小了計算強度，但是該方法的適用性限于具有非常有限數量的參數的預定參數范圍，其中參數數量可以變化以保持查找表的大小合理。特別是在沼氣應用中，入口燃料的可變組分向系統內的流狀況引入了附加的自由度，PCT/FI2009/050503中所描述的現有技術解決方案具有明顯的缺點。
技術實現思路
本專利技術的目的是燃料電池系統的控制，其以最小的處理器能力進行可靠的操作， 并且也能夠對燃料電池系統操作狀況的快速變化進行反應。這通過利用燃料電池發電的燃料電池系統中的控制結構來實現，燃料電池系統中的各燃料電池包括陽極側、陰極側、以及所述陽極側和所述陰極側之間的電解質，所述燃料電池系統包括用于使燃料通過燃料電池的陽極側再循環的裝置，以及控制處理器中的至少一個系統控制器，所述至少一個系統控制器用于控制所述燃料電池系統的操作。所述控制結構包括用于執行燃料組分和燃料流速中的至少一個的基本上異步的化學反應速率計算處理、以在基本上迭代的處理中獲得至少關于通過陽極的燃料再循環的再循環率的信息的裝置，用于在與系統控制器處理基本上同步的處理中、通過利用最新可用再循環率信息來生成本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2010.06.16 FI 201056971.一種利用燃料電池發電的燃料電池系統中的控制結構，所述燃料電池系統中的各燃料電池包括陽極側(100)、陰極側(102)、以及所述陽極側和所述陰極側之間的電解質 (104)，所述燃料電池系統包括用于使燃料通過燃料電池的陽極側再循環的裝置(109)， 以及控制處理器(210)中的至少一個系統控制器(200)，所述至少一個系統控制器(200)用于控制所述燃料電池系統的操作，其特征在于，所述控制結構包括-用于執行燃料組分和燃料流速中的至少一個的基本上異步的化學反應速率計算處理、以在基本上迭代的處理中獲得至少關于通過陽極(100)的燃料再循環的再循環率的信息的裝置(202)，-用于在與系統控制器(200)處理基本上同步的處理中、通過利用由所述異步處理提供的最新可用再循環率信息來生成燃料利用(FU)信息和碳形成信息的裝置(204)，-用于通過利用所述FU信息和所述碳形成信息來執行主動循環系統控制和系統監視處理的裝置(206)，-所述裝置(202)用于與同步處理基本上同時地處理異步處理，使得在最大允許執行間隔之下處理所述主動循環系統控制和系統監視處理。2.根據權利要求I所述的控制結構，其特征在于，所述結構包括集成到同一控制處理器的裝置(202，204，206)。3.根據權利要求I所述的控制結構，其特征在于，所述結構包括與系統控制器(200)集成到同一控制處理器(210)的裝置(202，204, 206)。4.根據權利要求I所述的控制結構，其特征在于，所述結構包括用于與同步處理基本上同時地處理異步處理的裝置(202)，其中，基于在同步處理的各控制周期中或更少地從異步處理到同步處理得到的最新再循環率信息，針對同步處理的各控制周期利用裝置(204) 執行至少FU信息和碳形成信息的重新計算。5.根據權利要求I所述的控制結構，其特征在于，所述結構包括用于通過在迭代處理中利用適合于循環執行的迭代算法來執行異步處理、使得在同步處理的單個控制周期中執行有限數量的操作的裝置(202 )。6.根據權利要求I所述的控制結構，其特征在于，所述結構包括用于通過在...

【專利技術屬性】
技術研發人員：馬蒂·諾龐恩，金·阿斯特羅姆，
申請(專利權)人：瓦錫蘭芬蘭有限公司，
類型：
國別省市：