燃料电池系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开一种燃料电池系统，其包括燃料电池堆，气体输送系统以及控制系统，其中，燃料电池堆耦合至负载用于提供功率，气体输送系统耦合至燃料电池堆用于给燃料电池堆提供燃料和氧。控制系统包括前馈控制器和校正控制器，其中，前馈控制器用于基于来自负载的命令来生成期望的控制指示信号，校正控制器用于基于来自燃料电池系统的至少一个测量信号来生成控制校正信号，以避免违背燃料电池堆的操作约束。控制系统基于期望的控制指示信号和控制校正信号来生成控制信号，并基于该生成的控制信号来控制气体输送系统，从而确保燃料电池堆运行在安全运行限度内。本发明专利技术还公开一种用于控制该燃料电池系统的方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术大体涉及燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池系统以及控制该燃料电池系统的方法。
技术介绍
燃料电池是一种电化学装置，其利用燃料例如氢和氧化剂例如周围空气中所包含的氧之间的电化学反应以产生电力。燃料电池具有低污染、高效率及高功率密度等优点。因此，在燃料电池领域，对燃料电池的开发利用投入了较多的发展和研究。燃料电池的种类繁多，其中的质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMembraneFuelCell，PEMFC)由于具有操作温度低、激活速度快、以及单位重量和体积的功率密度高等优点，是目前最具有发展前景的燃料电池之一。然而，众所周知，燃料电池在工作较长一段时间后，燃料电池的性能会随着时间的推移而逐渐恶化。燃料电池的退化包括：故障的电接触、电解质板出现裂缝、涂层故障、材料故障、窜气、内阻增加、膜区域溢流或膜区域干裂等。影响燃料电池寿命的因素可以包括：几何设计、材料设计、工艺流程设计和操作控制设计。如何通过操作控制来降低燃料电池的退化并延长燃料电池的寿命是目前面临的一大挑战。
技术实现思路
本专利技术的一个方面在于提供一种燃料电池系统，其包括燃料电池堆、气体输送系统以及控制系统，其中，所述燃料电池堆耦合至负载用于提供功率，所述气体输送系统耦合至所述燃料电池堆用于给所述燃料电池堆提供燃料和氧。所述控制系统包括前馈控制器和校正控制器，其中，所述前馈控制器用于基于来自所述负载的命令来生成期望的控制指示信号，所述校正控制器用于基于来自所述燃料电池系统的至少一个测量信号来生成控制校正信号，以避免违背所述燃料电池堆的操作约束。所述控制系统基于所述期望的控制指示信号和所述控制校正信号来生成控制信号，并基于所述生成的控制信号来控制所述气体输送系统，从而确保所述燃料电池堆运行在安全运行限度内。本专利技术的另一个方面在于提供一种用于控制燃料电池系统的方法，其包括：基于来自燃料电池系统中的负载的命令来生成期望的控制指示信号，其中，所述燃料电池系统包括耦合至所述负载用于提供功率的燃料电池堆、以及耦合至所述燃料电池堆用于给所述燃料电池堆提供燃料和氧的气体输送系统；基于来自所述燃料电池系统的至少一个测量信号来生成控制校正信号，以避免违背所述燃料电池堆的操作约束；基于所述期望的控制指示信号和所述控制校正信号来生成控制信号；以及基于所述生成的控制信号来控制所述气体输送系统，从而确保所述燃料电池堆运行在安全运行限度内。本专利技术的燃料电池系统及其控制方法能够以一种统一的方式来有效地解决燃料电池堆的各种不同操作约束，并且能够将影响燃料电池堆的寿命的一些关键变量控制在安全的界限内，因此本专利技术的燃料电池系统及其控制方法能够有效地确保燃料电池堆在满足燃料电池系统的正常运行的条件下运行在其安全运行限度内。本专利技术的燃料电池系统及其控制方法可以延长燃料电池堆的寿命，简化燃料电池系统的设计并且降低燃料电池系统的成本。附图说明当参照附图阅读以下详细描述时，本专利技术的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解，在附图中，相同的元件标号在全部附图中用于表示相同的部件，其中：图1是根据本专利技术的一个具体实施方式的燃料电池系统的示意性框图；图2是图1的控制系统的示意性框图；图3是图2的前馈控制器的示意性框图；图4是根据本专利技术的一个具体实施方式的用于控制燃料电池系统的方法的流程图；及图5是示出根据图4的方法在生成设定的电流信号的具体步骤的流程图。具体实施方式为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本专利技术所要求保护的主题，下面结合附图详细描述本专利技术的具体实施方式。在以下对这些具体实施方式的详细描述中，本说明书对一些公知的功能或构造不做详细描述以避免不必要的细节而影响到本专利技术的披露。除非另作定义，本权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本专利技术所属
内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。而且，短语“基于”意指“至少部分地基于”。图1是根据本专利技术的一个具体实施方式的燃料电池系统的示意性框图，现参照图1，根据本专利技术的一个具体实施方式的燃料电池系统100包括燃料电池堆1、气体输送系统3以及控制系统4，其中，燃料电池堆1耦合至负载2用于提供功率，气体输送系统3耦合至燃料电池堆1用于给燃料电池堆1提供燃料和氧，控制系统4用于控制气体输送系统3。控制系统4包括前馈控制器41和校正控制器42。前馈控制器41用于基于来自负载2的命令CL来生成期望的控制指示信号S1。校正控制器42用于基于来自燃料电池系统100的至少一个测量信号SM来生成控制校正信号S2。控制校正信号S2用于避免违背燃料电池堆1的操作约束。控制系统4用于基于期望的控制指示信号SL和控制校正信号S2来生成控制信号S3，并基于该生成的控制信号S3来控制气体输送系统3，从而确保本专利技术的燃料电池堆1运行在安全运行限度内。本专利技术的燃料电池系统100能够以一种统一的方式有效地解决燃料电池堆1的各种不同操作约束，同时将影响燃料电池堆1的寿命的一些关键变量控制在安全的界限内，从而本专利技术的燃料电池系统100能够在满足其正常运行的条件下，有效地确保燃料电池堆1运行在其安全运行限度内。本专利技术的燃料电池系统100可以延长燃料电池堆1的寿命，并且具有设计简单和成本低的特点。燃料电池堆1包括一系列堆积在一起的燃料电池。燃料通常是氢和空气通常是氧在燃料电池堆1中发生反应。燃料电池堆1将氢和氧转变为水，从而产生电和热量。本专利技术的燃料电池堆1可以适用于例如固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCell，SOFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MoltenCarbonateFuelCell，MCFC)等高温燃料电池，也可以适用于例如质子交换膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DirectMethanolFuelCell，DMFC)等低温燃料电池。例如，在本专利技术的燃料电池系统为一种固体氧化物燃料电池型系统的情况下，则燃料电池堆包括一系列固体氧化物燃料电池，其中每一个固体氧化物燃料电池具有阳极、阴极、阳极和阴极之间的固体电解质以及连接体。固体电解质最常见的为一种被称为氧化钇稳定的氧化锆(Yttria-StabilizedZirconia，YSZ)的陶瓷材料，其在足够高的温度(通常在500℃以上)下传导负氧离子。燃料电池堆1的操作约束是由用户指定的与燃料电池堆1的寿命有关的操作约束。燃料电池堆1的操作约束可以包括下列约束中的至少一种：燃料电池堆1的单个燃料电池的电压、燃料电池堆1的电阻、燃料电池堆1的阳极气压与阴极气压之间的压差、燃料电池堆1中的最大温差、过氧比(过氧比是供应至燃料电池堆1的阴极的氧气与实际消耗的氧本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池系统，其包括：燃料电池堆，其耦合至负载用于提供功率；气体输送系统，其耦合至所述燃料电池堆用于给所述燃料电池堆提供燃料和氧；以及控制系统，其包括：前馈控制器，其用于基于来自所述负载的命令来生成期望的控制指示信号；及校正控制器，其用于基于来自所述燃料电池系统的至少一个测量信号来生成控制校正信号，以避免违背所述燃料电池堆的操作约束，其中，所述控制系统基于所述期望的控制指示信号和所述控制校正信号来生成控制信号，并基于所述生成的控制信号来控制所述气体输送系统，从而确保所述燃料电池堆运行在安全运行限度内。

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池系统，其包括：燃料电池堆，其耦合至负载用于提供功率；气体输送系统，其耦合至所述燃料电池堆用于给所述燃料电池堆提供燃料和氧；以及控制系统，其包括：前馈控制器，其用于基于来自所述负载的命令来生成期望的控制指示信号；及校正控制器，其用于基于来自所述燃料电池系统的至少一个测量信号来生成控制校正信号，以避免违背所述燃料电池堆的操作约束，其中，所述控制系统基于所述期望的控制指示信号和所述控制校正信号来生成控制信号，并基于所述生成的控制信号来控制所述气体输送系统，从而确保所述燃料电池堆运行在安全运行限度内。2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述控制系统还包括：加法器，其用于将所述期望的控制指示信号和所述控制校正信号相加以生成所述控制信号。3.如权利要求2所述的燃料电池系统，其中，所述期望的控制指示信号包括期望的燃料流量指示信号和期望的空气流量指示信号，所述控制校正信号包括燃料流量校正信号和空气流量校正信号，以及所述控制信号包括燃料流量信号和空气流量信号，所述加法器包括：第一加法器，其用于将所述期望的燃料流量指示信号和所述燃料流量校正信号相加以生成所述燃料流量信号；及第二加法器，其用于将所述期望的空气流量指示信号和所述空气流量校
\t正信号相加以生成所述空气流量信号。4.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述来自负载的命令包括功率命令，所述前馈控制器包括：设定器，其用于基于所述功率命令来生成设定的电流信号；及转换器，其用于通过乘以化学计量比将所述设定的电流信号转换为所述期望的控制指示信号。5.如权利要求4所述的燃料电池系统，其中，由所述设定器生成的所述设定的电流信号是基于所述功率命令和来自所述燃料电池堆的电流测量值进行确定的。6.如权利要求5所述的燃料电池系统，其中，所述设定器包括：电流计算模块，其用于计算基准电流信号以满足所述功率命令；补偿模块，其用于基于所述电流测量值来生成补偿电流信号；及第三加法器，其用于将所述基准电流信号和所述补偿电流信号相加以生成所述设定的电流信号。7.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述校正控制器利用模型预测控制来解决所述燃料电池堆的所述操作约束。8.如权利要求7所述的燃料电池系统，其中，所述校正控制器基于所述至少一个测量信号来预测所述期望的控制指示信号是否会违背所述燃料电池堆的所述操作约束，并且当预测到所述期望的控制指示信号将会违背所述燃料电池堆的所述操作约束时，则生成所述控制校正信号，并将所述生成的控制校正信号增加到所述期望的控制指示信号中。9.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述燃料电池堆的所述操作约束是由用户指定的与所述燃料电池堆的寿命有关的操作约束。10.如权利要求9所述的燃料电池系统，其中，所述燃料电池堆的所述操作约束包括下列约束中的至少一种：所述燃料电池堆的单个燃料电池的电压、所述燃料电池堆的电阻、所述燃料电池堆的阳极气压与阴极气压之间的压差、所述燃料电池堆中的最大温差、过氧比，所述过氧比是供应至所述燃料电池堆的阴极的氧气与实际消耗的氧气之间...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈耀，王宏刚，拉尔夫·泰克曼，周颖能，黄宝明，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国;US