一种甲醇自热重整的固体氧化物燃料电池系统的控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种甲醇自热重整的固体氧化物燃料电池系统的控制方法。该方法包括以下步骤：构建重整温度模型、重整产气量模型、缓冲罐压力模型、电堆功率模型、电堆阳极入口流量模型；第一控制器选择燃烧换热器冷端的入口流量F3作为控制变量实现对重整换热室冷端出口气体温度设定值T

【技术实现步骤摘要】
一种甲醇自热重整的固体氧化物燃料电池系统的控制方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池系统控制
，尤其涉及一种甲醇自热重整的固体氧化物燃料电池系统的控制方法。

技术介绍

[0002]氢能的廉价制取及其安全存储、运输是制约燃料电池规模化发展的重要瓶颈，直接以氢气作为燃料存在安全性差、存储效率低、对储氢装置要求严格等缺点，目前仅适用于氢燃料电池汽车等高附加值产业。在这种情况下，基于甲醇重整的燃料电池技术脱颖而出，利用甲醇的液态形式存储氢能，当需要时，通过甲醇重整反应制备氢气，再通入燃料电池中进行电化学反应将氢能转化为电能。然而，相较于直接使用氢气发电，甲醇重整SOFC系统的工艺结构相对复杂，运行过程中重整制氢缓慢的温度、物流特性与燃料电池快速电化学反应之间的平衡管控难以实现。
[0003]目前有关甲醇重整燃料电池系统控制问题的研究主要集中在重整制氢、燃料电池单方面的控制需求，如氢气供给管理，功率分配，重整温度控制等等，忽略了燃料电池与重整制氢联动时的物料、温度耦合平衡问题，尤其当面临快速变负载工况时，如何在保障重整产气、电堆供气平衡的情况下，稳定系统关键反应温度的波动还有待进一步探索。此外，研究对象大多集中在PEMFC系统，与甲醇重整SOFC系统工艺存在一定的差异，相关研究结果很难直接应用于SOFC技术路线。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了解决上述技术问题，提供了一种甲醇自热重整的固体氧化物燃料电池系统的控制方法，其在保障系统重整产气、电堆供气平衡的同时，克服了重整物料波动所带来的温度控制干扰，实现了对负载功率以及重整温度的快速、精准跟踪控制。
[0005]为了解决上述问题，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0006]本专利技术的一种甲醇自热重整的固体氧化物燃料电池系统的控制方法，所述固体氧化物燃料电池系统包括重整燃烧一体机、缓冲罐、SOFC电堆、第一控制器、第二控制器、第三控制器，重整燃烧一体机包括重整换热室、燃烧换热器、燃烧室，包括以下步骤：
[0007]S1：构建重整燃烧一体机的重整温度模型、重整产气量模型，构建缓冲罐的缓冲罐压力模型，构建SOFC电堆的电堆功率模型、电堆阳极入口流量模型；
[0008]S2：第一控制器选择燃烧换热器冷端的入口流量F3作为控制变量实现对重整换热室冷端出口气体温度设定值T
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的反馈跟踪；第二控制器选择重整换热室冷端的入口流量F1作为控制变量实现对重整换热室冷端出口流量设定值F
2，ref
的反馈跟踪；第三控制器选择SOFC电堆的输出电流I作为控制变量实现对电堆功率设定值P
s，ref
的反馈跟踪。
[0009]作为优选，所述步骤S2中第一控制器对重整换热室冷端出口气体温度设定值T
2，ref
的反馈跟踪的方法如下：
[0010]第一控制器根据重整换热室冷端出口气体温度T2与重整换热室冷端出口气体温
度设定值T
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的差值调整燃烧换热器冷端的入口流量F3。
[0011]第一控制器为增量式PID控制器，根据重整换热室冷端出口气体温度T2与设定值T
2，ref
之间的差值调整燃烧换热器冷端的入口流量F3，使得重整换热室冷端出口气体温度T2逼近设定值T
2，ref
，实现了对重整温度的快速、精准跟踪控制。
[0012]作为优选，所述步骤S2中第二控制器对重整换热室冷端出口流量设定值F
2，ref
的反馈跟踪的方法如下：
[0013]第二控制器包括第二主控制器模块、第二副控制器模块，所述第二主控制器模块根据缓冲罐压力P
t
与缓冲罐压力设定值P
t，ref
的差值对重整换热室冷端出口流量设定值F
2，ref
进行修正，第二副控制器模块根据重整换热室冷端出口流量F2与修正后的重整换热室冷端出口流量设定值F
2，ref
的差值调整重整换热室冷端的入口流量F1。
[0014]第二主控制器模块、第二副控制器模块都为增量式PID控制器。第二主控制器模块根据缓冲罐压力P
t
与设定值P
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之间的差值，采用含死区的PID控制策略，构建外环压力控制回路，从而实现对重整换热室冷端出口流量设定值F
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的实时修正，第二副控制器模块根据重整换热室冷端出口流量F2与修正后的设定值F
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之间的差值调整重整换热室冷端的入口流量F1，使得重整换热室冷端出口流量F2逼近设定值F
2，ref
，实现了对重整产气量的的快速、精准跟踪控制。
[0015]作为优选，所述步骤s3中第三控制器对电堆功率设定值P
s，ref
的反馈跟踪的方法如下：
[0016]第三控制器包括第三主控制器模块、前馈控制器模块，第三主控制器模块根据电堆功率P
s
与电堆功率设定值P
s，ref
的差值计算出SOFC电堆应该输出的输出电流I，前馈控制器模块根据SOFC电堆燃料利用率设定值U
f，ref
与输出电流I计算出电堆阳极入口流量F9的数值，并对应调整电堆阳极入口流量F9达到计算出的数值。
[0017]第三主控制器模块为增量式PID控制器。第三主控制器模块根据电堆功率P
s
与设定值P
s，ref
之间的差值计算出SOFC电堆的应该输出的输出电流I，前馈控制器模块根据SOFC电堆燃料利用率设定值U
f，ref
与输出电流I计算出SOFC电堆要实现输出电流I对应的电堆阳极入口流量F9应该达到的数值，并控制SOFC电堆的电堆阳极入口流量F9达到计算出的数值，从而实现对电堆功率的快速、精准跟踪控制。
[0018]作为优选，所述重整温度模型的公式如下：
[0019][0020]其中，C
r
为重整换热室冷端的热容，Kr为重整换热室热端的热容，T2为重整换热室冷端的出口气体温度，T7为重整换热室热端的出口气体温度，F1为重整换热室冷端的入口流量，F2为重整换热室冷端的出口流量，C
1，i
为重整换热室冷端入口的i反应物的摩尔分数，C
2，i
为重整换热室冷端出口的i反应物的摩尔分数，h
i
为i反应物的摩尔焓变，U1为重整换热室的传热系数，A1为重整换热室的换热面积。
[0021]作为优选，所述重整产气量模型的公式如下：
[0022][0023]其中，F1为重整换热室冷端的入口流量，F2为重整换热室冷端的出口流量，v
ij
为j反应中i反应物的化学计量系数，R
j
为j反应的反应速率，DE为甲醇分解反应，SR为甲醇直接重整反应，WGS表示水蒸汽变换反应。
[0024]作为优选，所述缓冲罐压力模型的公式如本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种甲醇自热重整的固体氧化物燃料电池系统的控制方法，所述固体氧化物燃料电池系统包括重整燃烧一体机、缓冲罐、SOFC电堆、第一控制器、第二控制器、第三控制器，重整燃烧一体机包括重整换热室、燃烧换热器、燃烧室，其特征在于，包括以下步骤：S1：构建重整燃烧一体机的重整温度模型、重整产气量模型，构建缓冲罐的缓冲罐压力模型，构建SOFC电堆的电堆功率模型、电堆阳极入口流量模型；S2：第一控制器选择燃烧换热器冷端的入口流量F3作为控制变量实现对重整换热室冷端出口气体温度设定值T
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的反馈跟踪；第二控制器选择重整换热室冷端的入口流量F1作为控制变量实现对重整换热室冷端出口流量设定值F
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的反馈跟踪；第三控制器选择SOFC电堆的输出电流I作为控制变量实现对电堆功率设定值P
S，ref
的反馈跟踪。2.根据权利要求1所述的一种甲醇自热重整的固体氧化物燃料电池系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S2中第一控制器对重整换热室冷端出口气体温度设定值T
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的反馈跟踪的方法如下：第一控制器根据重整换热室冷端出口气体温度T2与重整换热室冷端出口气体温度设定值T
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的差值调整燃烧换热器冷端的入口流量F3。3.根据权利要求1所述的一种甲醇自热重整的固体氧化物燃料电池系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S2中第二控制器对重整换热室冷端出口流量设定值F
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的反馈跟踪的方法如下：第二控制器包括第二主控制器模块、第二副控制器模块，所述第二主控制器模块根据缓冲罐压力P
t
与缓冲罐压力设定值P
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的差值对重整换热室冷端出口流量设定值F
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进行修正，第二副控制器模块根据重整换热室冷端出口流量F2与修正后的重整换热室冷端出口流量设定值F
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的差值调整重整换热室冷端的入口流量F1。4.根据权利要求1所述的一种甲醇自热重整的固体氧化物燃料电池系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S3中第三控制器对电堆功率设定值P
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的反馈跟踪的方法如下：第三控制器包括第三主控制器模块、前馈控制器模块，第三主控制器模块根据电堆功率P
s
与电堆功率设定值P
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的差值计算出SOFC电堆应该输出的输出电流I，前馈控制器模块根据SOFC电堆燃料利用率设定值U
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【专利技术属性】
技术研发人员：李紫勇，韦凯晴，李助亚，王延婷，黄青丹，黄慧红，赵崇智，宋浩永，刘静，
申请(专利权)人：广东电网有限责任公司广州供电局，
类型：发明
国别省市：