【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及燃料电池，具体而言，涉及一种燃料电池发电控制系统及控制方法。
技术介绍
1、固体氧化物燃料电池(sofc)作为一种新型的能源发电装置，已然成为高效与清洁的代名词。它可以通过内部的一系列化学反应将化学能直接转化为电能，这一过程跳过了卡诺循环的束缚，具有较高的能源利用率；相对于传统能源，它的反应产物只有烷烃、氧气、水等清洁气体，因此也具有低污染物排放的特点。
2、固体氧化物燃料电池由于其较高的工作温度而不必使用贵金属作为催化剂，电池成本相对较低，电极反应迅速。但是在使用过程中，当固体氧化物燃料电池的线路上连接较多负载时，会出现电流过载现象，导致固体氧化物燃料电池的线路过热，增加安全隐患的发生概率。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的问题是现有燃料电池的线路会出现电流过载现象，增加安全隐患的发生概率。
2、为解决上述问题，一方面，本专利技术提供了一种燃料电池发电控制系统，包括：
3、燃料电池、余热回收子系统、燃料供应子系统、空气供应子系统和控制单元；
4、所述燃料电池包括阳极、阴极和电解质层，所述余热回收子系统包括第一级换热器和后燃烧室；
5、所述燃料供应子系统与所述第一级换热器内的第一燃料管的进气口相连，所述第一燃料管的出气口与所述阳极的进气口连通；所述空气供应子系统与所述第一级换热器内的第一空气管的进气口连通，所述第一空气管的出气口与所述阴极的进气口连通；所述阳极的出气口和所述阴极的出气口均与所述后燃烧室的
6、所述控制单元与所述余热回收子系统、所述燃料供应子系统和所述空气供应子系统电性相连，用于监测所述燃料电池内的工作状态、所述阳极进气口的燃料流量、所述阴极进气口的空气流量和进入所述余热回收子系统的回收气体流量，还用于根据所述燃料电池的工作状态控制进入所述燃料电池阳极的燃料流量、进入所述燃料电池阴极的空气流量以及进入所述第一级换热器内的所述第一回收管的回收气体流量，以控制所述燃料电池的输出电流值。
7、可选地，所述余热回收子系统还包括第二级换热器，所述第二级换热器内的第二回收管的进气口与所述后燃烧室的出气口连通，所述第二回收管的出气口与所述第一回收管的进气口相连，所述第二级换热器内的第二燃料管的进气口与所述第一燃料管的出气口相连，所述第二燃料管的出气口与所述阳极的进气口相连，所述第二级换热器内的第二空气管的进气口与所述第一空气管的出气口相连，所述第二空气管的出气口与所述阴极的进气口相连。
8、可选地，所述余热回收子系统还包括第一水液分离器和第二水液分离器，所述第一水液分离器的进气口与所述阴极的出气口相连，所述第一水液分离器的出气口与所述后燃烧室的进气口相连，进而实现所述阴极的出气口与所述后燃烧室的进气口之间的连通，所述第二水液分离器的进气口与所述阳极的出气口相连，所述第二水液分离器的出气口与所述后燃烧室的进气口相连，进而实现所述阳极的出气口与所述后燃烧室的进气口之间的连通。燃料和空气在燃料电池内经过电化学反应之后，剩余气体通入第一水液分离器和第二水液分离器，将剩余气体中可能存在的水与未反应燃料和过量空气分离。
9、可选地，所述余热回收子系统还包括燃料回收回路，所述燃料回收回路包括燃料混合器和第二鼓风机；所述燃料混合器的第一进气口与所述第二鼓风机的出气口相连，所述第二鼓风机的进气口与所述第二水液分离器的出气口相连，所述燃料混合器的第二进气口与所述燃料供应子系统相连，所述燃料混合器的出气口与所述第一燃料管的进气口相连；所述燃料混合器与控制单元电性相连，所述控制单元控制所述燃料混合器的出气口开度。
10、可选地，所述余热回收子系统还包括空气回收回路，所述空气回收回路包括空气混合器、分流器和第一鼓风机；所述分流器的进气口与所述后燃烧室的出气口相连，所述分流器的第一出气口与所述第一鼓风机的进气口相连，所述第一鼓风机的出气口与所述空气混合器的第一进气口相连，所述空气混合器的第二进气口与所述第二空气管的出气口相连，所述空气混合器的出气口与所述阴极的进气口相连；所述分流器的第二出气口与所述第二级换热器内的所述第二回收管的进气口相连；所述空气混合器和所述分流器分别与所述控制单元电性相连。
11、可选地，所述燃料电池发电系统还包括轮机发电子系统，所述轮机发电子系统包括空气压缩机、涡轮和发电机，所述空气压缩机的进气口与所述空气供应子系统的输出端相连，所述空气压缩机的出气口与所述第一空气管的进气口相连，所述空气压缩机的出气口还与所述涡轮的进气口相连，所述涡轮的进气口还与所述第二级换热器内的所述第二回收管的出气口相连，所述涡轮的出气口与所述第一级换热器的进气口相连，所述涡轮的输出轴与所述发电机的转轴相连。
12、另外一方面，本专利技术还提供了一种燃料电池发电控制方法，包括：
13、根据单片燃料电池内的当前工作温度和所述单片燃料电池内气体的当前工作压强，得到所述单片燃料电池的输出电压；
14、根据预设的需求功率和所述输出电压，得到所述单片燃料电池的输出电流；
15、根据所述输出电流、输出电压以及热平衡模型，得到所述单片燃料电池的理论工作温度；
16、根据所述理论工作温度和监测到的所述单片燃料电池的当前工作温度，分别控制进入所述单片燃料电池内的空气流量和燃料流量或/和空气温度和燃料温度。
17、可选地，所述单片燃料电池的输出电压为：
18、ucell＝uocv-uloss＝uocv-uohm-uact-ucon，
19、
20、其中，uocv为能斯特电压，uloss为减去损失电压，和分别代表h2o，h2，o2的压强，uohm,uact,ucon分别代表欧姆损失、活化损失以及浓度损失，tpen为pen层温度，f为法拉第常数，e0为单片燃料电池的开路电压，r为理想气体常数。
21、可选地，所述热平衡模型包括空气层热平衡模型和固体层热平衡模型；
22、所述空气层热平衡模型包括：
23、
24、其中，为在第k个节点的固体结构的温度，为在第k个节点的空气温度，fca为阴极流道的摩尔流量，为o2在第k个节点的摩尔分数，分别为o2的比热容和焓值，ik是第k个节点的电流值，是阴极第k个节点气体的摩尔数，r为理想气体常数，为氮气的比热容，为氮气在第k个节点的摩尔分数，为氮气的焓值，f为法拉第常数，k＝1，2，3，4，5；
25、所述固体层热平衡模型包括：
26、中间节点的固体层热平衡模型为：
27、
28、其中，ρpen,cpen.τpen分别为pen层的密度、比热容和厚度，ρic,cic,τic分别为连接层的密度、比热容和厚度，fan为阳极流道的摩尔流量，为氮气在第k个节点的摩尔分数，为氢气在第k个节点的摩尔分数，为水蒸气在第k个节点的摩尔分数，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种燃料电池发电控制系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的燃料电池发电控制系统，其特征在于，所述余热回收子系统还包括第二级换热器(13)，所述第二级换热器(13)内的第二回收管的进气口与所述后燃烧室(18)的出气口连通，所述第二回收管的出气口与所述第一回收管的进气口相连，所述第二级换热器(13)内的第二燃料管的进气口与所述第一燃料管的出气口相连，所述第二燃料管的出气口与所述阳极的进气口相连，所述第二级换热器(13)内的第二空气管的进气口与所述第一空气管的出气口相连，所述第二空气管的出气口与所述阴极的进气口相连。
3.根据权利要求1所述的燃料电池发电控制系统，其特征在于，所述余热回收子系统还包括第一水液分离器(17)和第二水液分离器(16)，所述第一水液分离器(17)的进气口与所述阴极的出气口相连，所述第一水液分离器(17)的出气口与所述后燃烧室(18)的进气口相连，进而实现所述阴极的出气口与所述后燃烧室(18)的进气口之间的连通，所述第二水液分离器(16)的进气口与所述阳极的出气口相连，所述第二水液分离器(16)的出气口与所述后燃烧室(18
4.根据权利要求3所述的燃料电池发电控制系统，其特征在于，所述余热回收子系统还包括燃料回收回路，所述燃料回收回路包括燃料混合器(6)和第二鼓风机(21)；所述燃料混合器(6)的第一进气口与所述第二鼓风机(21)的出气口相连，所述第二鼓风机(21)的进气口与所述第二水液分离器(16)的出气口相连，所述燃料混合器(6)的第二进气口与所述燃料供应子系统相连，所述燃料混合器(6)的出气口与所述第一燃料管的进气口相连；所述燃料混合器(6)与控制单元电性相连，所述控制单元控制所述燃料混合器(6)的出气口开度。
5.根据权利要求2所述的燃料电池发电控制系统，其特征在于，所述余热回收子系统还包括空气回收回路，所述空气回收回路包括空气混合器(14)、分流器(19)和第一鼓风机(20)；所述分流器(19)的进气口与所述后燃烧室(18)的出气口相连，所述分流器(19)的第一出气口与所述第一鼓风机(20)的进气口相连，所述第一鼓风机(20)的出气口与所述空气混合器(14)的第一进气口相连，所述空气混合器(14)的第二进气口与所述第二空气管的出气口相连，所述空气混合器(14)的出气口与所述阴极的进气口相连；所述分流器(19)的第二出气口与所述第二级换热器(13)内的所述第二回收管的进气口相连；所述空气混合器(14)和所述分流器(19)分别与所述控制单元电性相连。
6.根据权利要求2所述的燃料电池发电控制系统，其特征在于，所述燃料电池发电系统还包括轮机发电子系统，所述轮机发电子系统包括空气压缩机(11)、涡轮(22)和发电机(23)，所述空气压缩机(11)的进气口与所述空气供应子系统的输出端相连，所述空气压缩机(11)的出气口与所述第一空气管的进气口相连，所述空气压缩机(11)的出气口还与所述涡轮(22)的进气口相连，所述涡轮(22)的进气口还与所述第二级换热器(13)内的所述第二回收管的出气口相连，所述涡轮(22)的出气口与所述第一级换热器(12)的进气口相连，所述涡轮(22)的输出轴与所述发电机(23)的转轴相连。
7.一种燃料电池发电控制方法，其特征在于，包括：
8.根据权利要求7所述的燃料电池发电控制方法，其特征在于，所述单片燃料电池的输出电压为：Ucell＝UOCV-Uloss＝UOCV-Uohm-Uact-Ucon，
9.根据权利要求7所述的燃料电池发电控制方法，其特征在于，所述热平衡模型包括空气层热平衡模型和固体层热平衡模型；
10.根据权利要求7所述的燃料电池发电控制方法，其特征在于，所述根据所述理论工作温度和监测到的所述单片燃料电池的当前工作温度，分别控制进入所述单片燃料电池内的空气流量和燃料流量或/和空气温度和燃料温度包括：
...【技术特征摘要】
1.一种燃料电池发电控制系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的燃料电池发电控制系统，其特征在于，所述余热回收子系统还包括第二级换热器(13)，所述第二级换热器(13)内的第二回收管的进气口与所述后燃烧室(18)的出气口连通，所述第二回收管的出气口与所述第一回收管的进气口相连，所述第二级换热器(13)内的第二燃料管的进气口与所述第一燃料管的出气口相连，所述第二燃料管的出气口与所述阳极的进气口相连，所述第二级换热器(13)内的第二空气管的进气口与所述第一空气管的出气口相连，所述第二空气管的出气口与所述阴极的进气口相连。
3.根据权利要求1所述的燃料电池发电控制系统，其特征在于，所述余热回收子系统还包括第一水液分离器(17)和第二水液分离器(16)，所述第一水液分离器(17)的进气口与所述阴极的出气口相连，所述第一水液分离器(17)的出气口与所述后燃烧室(18)的进气口相连，进而实现所述阴极的出气口与所述后燃烧室(18)的进气口之间的连通，所述第二水液分离器(16)的进气口与所述阳极的出气口相连，所述第二水液分离器(16)的出气口与所述后燃烧室(18)的进气口相连，进而实现所述阳极的出气口与所述后燃烧室(18)的进气口之间的连通。
4.根据权利要求3所述的燃料电池发电控制系统，其特征在于，所述余热回收子系统还包括燃料回收回路，所述燃料回收回路包括燃料混合器(6)和第二鼓风机(21)；所述燃料混合器(6)的第一进气口与所述第二鼓风机(21)的出气口相连，所述第二鼓风机(21)的进气口与所述第二水液分离器(16)的出气口相连，所述燃料混合器(6)的第二进气口与所述燃料供应子系统相连，所述燃料混合器(6)的出气口与所述第一燃料管的进气口相连；所述燃料混合器(6)与控制单元电性相连，所述控制单元控制所述燃料混合器(6)的出气口开度。
5.根据权利要求2所述的燃料电池发电控制系统，其特征在于，所述余热回收子系统还包括空气回收回路，所述空气...
【专利技术属性】
技术研发人员：范立云，陈澳雪，沈崇崇，李晶雪，徐魁，周大权，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：
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