[發明專利]一種固體氧化物燃料電池控制裝置及控制方法

有效

• 申請號: 201210563155.7
• 申請日: 2012-12-21
• 公開（公告）號: CN103887542A
• 公開（公告）日: 2014-06-25
• 發明（設計）人: 王萌;程謨杰;涂寶峰;區定容;崔大安
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04;H01M8/12
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

技術領域

一種固體氧化物燃料電池控制裝置及控制方法，屬于燃料電池控制技術領域，尤其涉及可獨立發電的固體氧化物燃料電池控制技術領域。

背景技術

固體氧化物燃料電池是一種在中高溫下直接將儲存在燃料與氧化劑中的化學能直接轉換為電能的發電裝置，具有燃料適應性廣、能量轉換效率高、全固態、模塊化組裝及零污染等優點，可以直接使用氫氣、一氧化碳、天然氣、液化氣、煤氣及生物質氣等多種碳氫燃料。在大型集中供電、中型分電和小型家用熱電聯供等民用領域作為固定電站，以及作為船舶動力電源、交通車輛動力電源等移動電源，都有廣闊的應用前景。

燃料電池在應用中除需電堆外，另需配備重整室、燃燒室、換熱器及氣體供給單元等輔助設備，構成燃料電池系統。

燃料電池系統是一個復雜的化學、物理過程，通過人工操作顯然無法滿足效率、安全穩定性等方面的要求。且制造工藝及運行條件不同，會影響系統的性能，因此，固定的參數設置無法滿足控制需求。

發明內容

為了解決以上問題，本發明提出了一種固體氧化物燃料電池控制裝置及控制方法，適用于燃料電池裝置獨立發電的控制，可對燃料電池裝置各個操作流程進行控制，并可進行控制參數、故障判定參數及系統參數的在線修改。此外，可對裝置特定位置溫度進行監測，以幫助用戶進行參數設置。

本發明的技術方案：

一種固體氧化物燃料電池控制裝置及控制方法，裝置由電堆子系統、氣體供給子系統、負載子系統及儀器儀表控制子系統組成。

所述電堆子系統包括固體氧化物燃料電池電堆、重整室、燃燒室及換熱器。陽極的燃料甲烷和水經換熱器預熱后通入重整室重整，重整室重整后的氣體進入電堆的陽極入口，陰極的空氣經換熱器預熱后通入電堆的陰極入口，電堆的陽極出口和陰極出口尾氣通入燃燒室燃燒后經換熱器進行熱量回收，回收熱量用于陽極的燃料甲烷和水、及陰極的空氣預熱。換熱器為一級換熱器、或二級以上串聯的換熱器。經換熱器后的換熱器出口尾氣可通入下一級換熱器進行熱量回收，經最末一級換熱器后的換熱器出口尾氣直接排空。

所述氣體供給子系統包括甲烷儲罐、水儲罐、氫氣儲罐、氮氣儲罐，供給反應所需的氣體，甲烷儲罐、氫氣儲罐、氮氣儲罐分別通過管路經閥門和質量流量計與電堆的陽極入口相連，水儲罐通過管路經閥門和水泵與電堆的陽極入口相連，電堆的陰極入口通過管路經風機與大氣相連。

所述負載子系統包括用電負載，用電負載通過導線與電堆的正負相連，用于消耗電堆產生的電能，負載功率大小可由用戶進行調節。

所述儀器儀表控制子系統，由上位機及相關儀器儀表組成，所述儀器儀表包含數據采集模塊、氣體供給控制模塊及傳感器。上位機與所述數據采集模塊及氣體供給控制模塊通過通信總線進行連接，所述通信總線可以是485總線或其他現場總線。傳感器與所述數據采集模塊信號連接。氣體供給控制模塊與氣體供給子系統上的水泵及風機信號連接，質量流量計與上位機信號連接。所述數據采集模塊為ADAM4118模塊，所述氣體供給控制模塊為ADAM4024模塊。所述傳感器安裝于電堆子系統、氣體供給子系統及負載子系統，包括溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、液位傳感器、可燃氣體傳感器中的一種或二種以上。所述溫度傳感器分別置于電堆、燃燒室中，測量電堆溫度及燃燒室溫度。所述壓力傳感器置于質量流量計、水泵及風機的管路出口，測量出口壓力。所述流量傳感器置于水泵及風機出口管路，測量輸出介質流量。所述電流傳感器置于負載子系統中與電堆相連的單根導線上，測量電堆輸出總電流。所述電壓傳感器，置于負載子系統與電堆相連的兩跟導線上，測量電堆輸出總電壓。所述液位傳感器置于水罐內，測量用于重整反應的水罐液位。所述可燃氣體傳感器，至少包括儀器儀表子系統和電堆尾氣出口兩處檢測點，用于檢測氣體泄露。

在上位機編寫控制軟件，控制算法根據數據采集模塊實時采集的裝置數據，生成控制動作，計算所需氣體及水供給量，作用于電堆子系統，實現裝置控制。

所述裝置數據通過傳感器將測量信號變換成電信號，經由數據采集模塊將電信號轉換成通信總線數據傳遞到軟件入口，所述軟件出口的氣體供給量通過通信總線，下載到氣體供給控制模塊及質量流量計的寄存器中，轉換為閥門開度或電機轉速的變化，改變氣體供給量。