燃料电池系统中的控制结构和方法技术方案

本发明专利技术集中于一种利用燃料电池发电的燃料电池系统中的控制结构，燃料电池系统中的各燃料电池包括：阳极侧（100）、阴极侧（102）、以及阳极侧和阴极侧之间的电解质（104），燃料电池系统包括：用于使燃料通过燃料电池的阳极侧再循环的装置（109），以及控制处理器（210）中的至少一个系统控制器（200），用于控制燃料电池系统的操作。控制结构包括：用于执行燃料组分和燃料流速中的至少一个的基本上异步的化学反应速率计算处理、以在基本上迭代的处理中获得至少关于通过阳极（100）的燃料再循环的再循环率的信息的装置（202）；用于在与系统控制器（200）处理基本上同步的处理中、通过利用由所述异步处理提供的最新可用再循环率信息来生成燃料利用（FU）信息和碳形成信息的装置（204）。控制结构还包括用于通过利用所述FU信息和碳形成信息来执行主动循环系统控制和系统监视处理的装置（206），所述装置（202）用于与同步处理基本上同时地处理异步处理，使得在最大允许执行间隔之下处理所述主动循环系统控制和系统监视处理。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
燃料电池是提供有反应物以产生电能的电化学装置。
技术介绍
燃料电池是可以用于高效地并以环境友好的方式产生电能的电化学装置。燃料电池技术被认为是未来最有前景的发电形式之一。图I示出包括阳极侧100、阴极侧102以及它们之间的电解质104的燃料电池。供应至燃料电池装置的反应物经历由于放热反应而产生电能和水的处理。在固体氧化物燃料电池(SOFC)中，供应至阴极侧的氧106从阴极接收电子，S卩，被还原为负氧离子，负氧离子经过电解质行进到阳极，在阳极与所使用的燃料108结合，产生水和二氧化碳。在阳极100 和阴极102之间有单独的通路，即，外部电路111，通过外部电路111，电子e-(即，电流)经过负载110行进到阴极。图2中呈现了 SOFC (固体氧化物燃料电池)装置，其可以利用例如天然气、沼气、 甲醇或其它含有烃的化合物作为其燃料。图2所示的燃料电池装置结构包括多个板状燃料电池，各燃料电池包括如图I所示的阳极100和阴极102，在图2中，燃料电池被组装为堆形式103 (S0FC堆)。燃料通过燃料电池的阳极侧在反馈结构中再循环。图2中所示的燃料电池装置结构包括燃料热交换器105和重整器107。热交换器用于控制燃料电池处理的热平衡，并且可以在燃料电池装置中的不同位置处存在若干个热交换器。再循环气体中的多余的热能在热交换器中被回收，用于燃料电池装置中的其他地方或集中供热网络中。因而，回收热的热交换器可以位于与图2所示不同的位置。重整器是这样的装置其将例如天然气的燃料转换为适合于燃料电池的形式，即，例如转换为包含一半的氢气且其他为甲烷、二氧化碳和惰性气体的气体混合物。但是，重整器并非在所有的燃料电池实现中都是必需的，也可以将未经处理的燃料直接供应至燃料电池103。在反馈结构中，在燃料电池103的阳极100上燃烧的燃料的仅一部分通过阳极进行再循环，因此，图2图表地示出了来自阳极100的燃料剩余物的排出114。通过使用测量装置112 (例如，燃料流量计、电流计以及温度计)，从通过阳极再循环的气体执行对于SOFC 装置的操作所必要的测量。根据现有技术的控制处理器116与和测量装置112的相互协作密切相关。天然气(例如甲烷)以及含更高碳化合物的气体通常被用作SOFC中的燃料，然而， 气体在供应至燃料电池之前必须进行预处理以防止碳形成(即，焦化)。在焦化中，烃热分解并且产生附着到燃料电池装置的表面并吸附在例如镍粒子的催化剂上的碳。在焦化中产生的碳覆盖燃料电池装置的一些活性表面，因而明显地劣化了燃料电池处理的反应性。碳甚至可能会完全阻塞燃料通道。为了确保燃料电池的长使用寿命，防止焦化是非常重要的。防止焦化也节省催化剂，即，用在燃料电池中用于加速反应的物质(镍、钼等)。气体预处理需要供应至燃料电池装置的水。在氧离子和燃料(即，阳极上的气体)的结合中所产生的水也可以用在气体的预处理中。为了使现有技术的气体的预处理成功，必须足够精确地知道在反馈结构中通过阳极再循环的气体的组分。特别是必须控制氧/碳(ο/c)比，并且在某种程度上也必须控制氢/碳(Η/C)比，以避免最危险的碳形成的反应环境。在非死端操作的燃料电池系统中，燃料利用(FU)是影响系统性能和寿命的关键的可控参数。此外，在涉及烃燃料的重整的系统中，必须将特定燃料流的系统条件保持充分， 以使系统内的碳形成的风险最小化。使碳形成最小化的常用手段是控制氧碳比(0C比)、氢碳比(HC比)以及系统温度，它们一起限定了系统中形成碳的概率。维持足够的OC比和HC 比的常用手段包括阳极废气再循环、通过部分氧化进行燃料重整、以及辅助给水。由于难以利用在线测量来确定燃料利用(FU)信息和碳形成信息，所以通常用计算的方式来确定它们。在燃料组分仅取决于系统的入口流的系统中，FU信息和碳形成信息的计算相当简单。然而，在涉及阳极再循环的系统中，FU信息和碳形成信息变得取决于质量流和再循环回路中的组分，因为离开燃料电池阳极的废弃燃料的部分返回至阳极入口流。如果系统涉及阳极向外泄漏或从阳极到阴极侧的交叉泄漏(对于许多类型的高温燃料电池是常见的)，则在不知道再循环流和一些组分特征的情况下无法确定阳极出口组分(即，再循环的组分)。针对任何给定的再循环率(S卩，阳极出口气体再循环回入口流的分数)，可以通过直接替换来分析地计算阳极循环回路内的原子流。实际气体成分的摩尔分数可以基于针对给定的条件而求解的原子分数。假设阳极出口组分在存在阳极催化剂的情况下在高温下达到相应的热平衡组分，因而能针对所述给定的再循环率求解阳极出口组分。热平衡组分的求解需要确定满足四阶多项式的流重整反应速率，该四阶多项式的系数是温度和所述原子分数的函数。如果燃料组分没有达到平衡，则可以根据动力学模型确定燃料组分。确定了阳极出口组分之后，可以利用针对阳极循环装置(例如，泵或喷射器)的特征曲线、或者基于循环流的流测量，来计算阳极再循环回路中的实际流。这进而获得了针对特定的阳极出口组分的再循环率。如果该再循环率(以合理的裕量)等于用于确定所述组分的原始再循环率，则找到了再循环回路流的有效解，因此找到了 FU信息和碳形成信息的有效解。否则，需要修改再循环的初始值，重复进行计算，直至找到有效解。所描述的用于确定燃料流组分的方法涉及利用多个嵌套的迭代步骤进行迭代。总之，找到再循环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决于系统状况和初始值而需要相当大量的浮点数学运算。在例如工业控制硬件的计算能力有限的系统中，所描述的迭代过程需要几秒钟来完成。因此，无法在不影响控制循环的总执行时间的情况下在燃料电池控制系统的循环任务回路中包括这样的计算。由于所描述的用于精确地确定燃料组分的方法的计算强度，所以现有技术解决方案使用了简化手段来降低计算需求，然而，这牺牲了精确度和/或多功能性。在申请人自己的专利申请文件PCT/FI2009/050503中，提出了一种方法，该方法使用来自具有针对燃料电池电流、温度和流的预定组合的预先计算的解的查找表的插值，以避免在确定再循环率、 FU率和OC率时对于实时计算的需求。尽管显著减小了计算强度，但是该方法的适用性限于具有非常有限数量的参数的预定参数范围，其中参数数量可以变化以保持查找表的大小合理。特别是在沼气应用中，入口燃料的可变组分向系统内的流状况引入了附加的自由度，PCT/FI2009/050503中所描述的现有技术解决方案具有明显的缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的是燃料电池系统的控制，其以最小的处理器能力进行可靠的操作， 并且也能够对燃料电池系统操作状况的快速变化进行反应。这通过利用燃料电池发电的燃料电池系统中的控制结构来实现，燃料电池系统中的各燃料电池包括阳极侧、阴极侧、以及所述阳极侧和所述阴极侧之间的电解质，所述燃料电池系统包括用于使燃料通过燃料电池的阳极侧再循环的装置，以及控制处理器中的至少一个系统控制器，所述至少一个系统控制器用于控制所述燃料电池系统的操作。所述控制结构包括用于执行燃料组分和燃料流速中的至少一个的基本上异步的化学反应速率计算处理、以在基本上迭代的处理中获得至少关于通过阳极的燃料再循环的再循环率的信息的装置，用于在与系统控制器处理基本上同步的处理中、通过利用最新可用再循环率信息来生成本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.06.16 FI 201056971.一种利用燃料电池发电的燃料电池系统中的控制结构，所述燃料电池系统中的各燃料电池包括阳极侧(100)、阴极侧(102)、以及所述阳极侧和所述阴极侧之间的电解质 (104)，所述燃料电池系统包括用于使燃料通过燃料电池的阳极侧再循环的装置(109)， 以及控制处理器(210)中的至少一个系统控制器(200)，所述至少一个系统控制器(200)用于控制所述燃料电池系统的操作，其特征在于，所述控制结构包括-用于执行燃料组分和燃料流速中的至少一个的基本上异步的化学反应速率计算处理、以在基本上迭代的处理中获得至少关于通过阳极(100)的燃料再循环的再循环率的信息的装置(202)，-用于在与系统控制器(200)处理基本上同步的处理中、通过利用由所述异步处理提供的最新可用再循环率信息来生成燃料利用(FU)信息和碳形成信息的装置(204)，-用于通过利用所述FU信息和所述碳形成信息来执行主动循环系统控制和系统监视处理的装置(206)，-所述装置(202)用于与同步处理基本上同时地处理异步处理，使得在最大允许执行间隔之下处理所述主动循环系统控制和系统监视处理。2.根据权利要求I所述的控制结构，其特征在于，所述结构包括集成到同一控制处理器的装置(202，204，206)。3.根据权利要求I所述的控制结构，其特征在于，所述结构包括与系统控制器(200)集成到同一控制处理器(210)的装置(202，204, 206)。4.根据权利要求I所述的控制结构，其特征在于，所述结构包括用于与同步处理基本上同时地处理异步处理的装置(202)，其中，基于在同步处理的各控制周期中或更少地从异步处理到同步处理得到的最新再循环率信息，针对同步处理的各控制周期利用装置(204) 执行至少FU信息和碳形成信息的重新计算。5.根据权利要求I所述的控制结构，其特征在于，所述结构包括用于通过在迭代处理中利用适合于循环执行的迭代算法来执行异步处理、使得在同步处理的单个控制周期中执行有限数量的操作的装置(202 )。6.根据权利要求I所述的控制结构，其特征在于，所述结构包括用于通过在...

【专利技术属性】
技术研发人员：马蒂·诺庞恩，金·阿斯特罗姆，
申请(专利权)人：瓦锡兰芬兰有限公司，
类型：
国别省市：