專利名稱:高溫燃料電池混合動力協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種燃料電池技術領域：
的系統(tǒng)，特別是一種高溫燃料電池混合動力協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。
背景技術：
高溫燃料電池具有能量轉換效率高、潔凈環(huán)保、噪聲低等優(yōu)點，其高品位廢熱使得它可以和其它動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。同時由于燃料電池的規(guī)模大小組成容易，混合動力系統(tǒng)的容量靈活、自由度大，是21世紀理想的分布式能源。
混合動力系統(tǒng)解決了兩個重要問題一個是小型燃料電池發(fā)電設備費用高的問題；另一個是微小型燃氣輪機的低效率和相對高的排放量的問題。目前國內(nèi)外研究的高溫燃料電池-燃氣輪機混合動力系統(tǒng)主要有兩類一類是由熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)與氣輪機(GT)構成；另一類是由固體氧化物燃料電池(SOFC)與燃氣輪機構成。近幾年來，許多高溫燃料電池相繼發(fā)電成功，以及燃氣輪機的實驗積累，都為建立高溫燃料電池-燃氣輪機混合動力系統(tǒng)創(chuàng)造了條件，使得這種混合動力系統(tǒng)的研究也得到了迅速發(fā)展。然而，將高溫燃料電池和燃氣輪機兩個非線性很強的部件組合在一起使用的混合動力系統(tǒng)在帶來更高效率的同時也增加了系統(tǒng)的復雜程度。這就迫切需要一種能夠對混合動力系統(tǒng)進行運行分析及控制研究的方法。
經(jīng)對現(xiàn)有技術文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，目前對混合動力控制系統(tǒng)的研究還比較少，Rory A.Roberts等在期刊《Journal of Engineering for Gas Turbines andPower》(《燃氣輪機與動力工程學報》)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-燃氣輪機混合動力系統(tǒng)的動態(tài)仿真”) 一文，該文研究了MCFC/GThybrid system(熔融碳酸鹽燃料電池/燃氣輪機混合動力系統(tǒng))，該系統(tǒng)由MCFC、燃氣輪機、換熱器、催化燃燒室和發(fā)電機等組成。文中通過兩種建模方法對MCFC/GT的動態(tài)性能進行了分析比較，所得混合動力系統(tǒng)的發(fā)電效率均為56％左右。為了使混合動力系統(tǒng)在不同工況下都能維持其正常工作溫度，文中還對混合動力系統(tǒng)的控制策略進行了研究，所使用的是傳統(tǒng)的PID控制器。但該控制器僅能對小范圍的燃料電池負荷擾動有一定控制作用，其系統(tǒng)魯棒性和對負荷變化的適應性較差。而燃料電池工作過程是從化學能(燃料)轉換電能的電化學反應過程，伴隨著內(nèi)部復雜的傳熱傳質(zhì)過程，燃料電池和燃氣輪機構成的混合動力系統(tǒng)的工作過程更為復雜。所以，需要對混合動力系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)控制，以使系統(tǒng)能在各種復雜的外界擾動下良好運行。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術中的不足，提供一種高溫燃料電池混合動力協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。使得混合動力系統(tǒng)不僅能在設計點工況下高效、穩(wěn)定地運行，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)明是通過以下技術方案實現(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力系統(tǒng)。部件連接關系為協(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力系統(tǒng)，包括燃料預熱器、高溫燃料電池電堆、催化燃燒室、高溫換熱器、空氣預熱器、透平、壓氣機、高速發(fā)電機、三通閥門。連接關系為燃料預熱器的冷側出口通過管路與高溫燃料電池電堆的陽極進口相連，燃料預熱器的熱側進口與三通閥門相連；催化燃燒室的進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換熱器的熱側進口相連；高溫換熱器的熱側出口和高溫燃料電池電堆的陰極進口相連，高溫換熱器的冷側進口和空氣預熱器的冷側出口相連，高溫換熱器的冷側出口和透平的進口相連；空氣預熱器的冷側進口和壓氣機的出口相連，空氣預熱器的熱側進門和三通閥門相連；壓氣機、透平、高速發(fā)電機通過連接軸連接，并利用轉動軸承安裝在同一根連接軸上。
本發(fā)明工作時，協(xié)調(diào)控制器根據(jù)外界負荷的變化，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，給混合動力系統(tǒng)供應燃料。燃料源的燃料被分為兩路供給混合動力系統(tǒng)，主燃料流通入燃料電池；輔燃料流進入催化燃燒室。主燃料流經(jīng)過燃料預熱器后進入高溫燃料電池，進行內(nèi)部重整后，進入陽極，和陰極氧化劑在燃料電池內(nèi)發(fā)生電化學反應，產(chǎn)生的電子經(jīng)外電路輸出，同時釋放出熱量，產(chǎn)生高品位排氣。燃料電池陽極排氣進入催化燃燒室，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)過高溫換熱器換熱，進入燃料電池陰極。燃料電池陰極接連一個三通閥門，對燃料電池陰極排氣進行分流一部分陰極排氣通過燃料預熱器預熱進入燃料電池陽極的燃料氣體；另一部分氣體進入空氣預熱器加熱壓氣機出口的空氣。
空氣由壓氣機進口進入，被壓縮的空氣通過壓氣機出口進入空氣預熱器預熱，然后進入高溫換熱器，和進入燃料電池陰極的氣體進行熱交換。經(jīng)過高溫換熱器加熱的高溫、高壓氣體進入透平膨脹做功，透平的排氣進入催化燃燒室進行循環(huán)利用。最終，高溫燃料電池和燃氣輪機共同輸出功率，滿足外界負荷的需要。在本發(fā)明中，額定工況下高溫燃料電池和燃氣輪機發(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-燃氣輪機聯(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)電費用，而且還能促進燃料電池技術的發(fā)展。其協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可根據(jù)不同的使用特點，采用不同的控制策略，調(diào)節(jié)供給混合動力系統(tǒng)的燃料，使混合動力系統(tǒng)的輸出功率滿足外界負荷的需要，并保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定地運行。
本發(fā)明非常適用于醫(yī)院、商場、小區(qū)等場所，混合動力系統(tǒng)的燃料利用率可達85％以上，可獲得超過60％的發(fā)電效率，同時，還減少了二氧化碳氣體的排放，污染物NOx排放量低于1ppm，環(huán)境保護性能優(yōu)良。此外，在本發(fā)明中，燃料電池在環(huán)境壓力下運行，其壓力和燃氣輪機循環(huán)壓比無關，因而系統(tǒng)可以在很大的燃機循環(huán)壓比范圍內(nèi)有效運行。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)明的結構示意圖。
圖2本發(fā)明的高溫燃料電池混合動力系統(tǒng)結構示意圖。
具體實施方式下面結合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
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力系統(tǒng)9。連接關系為協(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力系統(tǒng)9包括燃料預熱器10、高溫燃料電池電堆11、催化燃燒室12、高溫換熱器13、空氣預熱器15、透平15、壓氣機16、高速發(fā)電機17、三通閥門18。連接關系為燃料預熱器10的冷側出口通過管路與高溫燃料電池電堆11的陽極進口相連，燃料預熱器10的熱側進口與三通閥門18相連；催化燃燒室12的進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的出口與高溫換熱器13的熱側進口相連；高溫換熱器13的熱側出口和高溫燃料電池電堆11的陰極進口相連，高溫換熱器13的冷側進口和空氣預熱器15的冷側出口相連，高溫換熱器13的冷側出口和透平15的進口相連；空氣預熱器14的冷側進口和壓氣機16的出口相連，空氣預熱器14的熱側進口和三通閥門18相連；壓氣機16、透平15、高速發(fā)電機17通過連接軸連接，并利用轉動軸承安裝在同一根連接軸上。
權利要求
1.一種高溫燃料電池混合動力協(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)權利要求
1所述的高溫燃料電池混合動力協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，其特征是，所述高溫燃料電池混合動力系統(tǒng)，包括燃料預熱器、高溫燃料電池電堆、催化燃燒室、高溫換熱器、空氣預熱器、透平、壓氣機、高速發(fā)電機、三通閥門，連接關系為燃料預熱器的冷側出口通過管路與高溫燃料電池電堆的陽極進口相連，燃料預熱器的熱側進口與三通閥門相連；催化燃燒室的進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換熱器的熱側進口相連；高溫換熱器的熱側出口和高溫燃料電池電堆的陰極進口相連，高溫換熱器的冷側進口和空氣預熱器的冷側出口相連，高溫換熱器的冷側出口和透平的進口相連；空氣預熱器的冷側進口和壓氣機的出口相連，空氣預熱器的熱側進口和三通閥門相連；壓氣機、透平、高速發(fā)電機通過連接軸連接，并利用轉動軸承安裝在同一根連接軸上。
3.根據(jù)權利要求
1所述的高溫燃料電池混合動力協(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)權利要求
1或者3所述的高溫燃料電池混合動力協(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)電機發(fā)電供能比例為8∶2。
專利摘要
一種高溫燃料電池混合動力協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，屬于燃料電池技術領域：
。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)明混合動力系統(tǒng)不僅能在設計點工況下高效、穩(wěn)定地運行，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H01M8/00GK1996652SQ200610148214
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月28日
發(fā)明者翁一武, 陳啟梅, 盧春江, 顧偉 申請人:上海交通大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan