燃料电池发电装置和通信方法与流程

相关申请的交叉引用本申请要求2018年8月3日提交的美国专利申请序列号16/054,474的权益和优先权，其全部内容通过引用合并在本文中。
背景技术：
：本公开一般涉及燃料电池领域，并且更具体地，涉及燃料电池发电装置和供燃料电池发电装置中使用的通信方法。燃料电池是电化学装置，其可以通过燃料（诸如氢气）与氧化剂（诸如大气中包含的氧气）的电化学反应，将来自燃料的化学能转化成电能。燃料电池系统作为能量供应系统正在被广泛开发，因为燃料电池在环境上是优越的和高度高效的。由于单个燃料电池仅可以生成大约1v的电压，因此，多个燃料电池通常堆叠在一起（通常称为燃料电池堆）以获得期望的电压。燃料电池发电装置通常包括用于发电并且向电力负载提供电力的多个燃料电池系统。在现有的燃料电池发电装置中，燃料电池数据通信一般使用有线技术，包括额外的通信模块和线缆。例如，光纤被用作网络传输介质。然而，这样的有线通信将需要许多线缆，尤其对于那些远程分布式燃料电池系统，由此导致更大的安装和维护成本。技术实现要素：在本公开实施例的一个方面，提供了一种燃料电池发电装置。燃料电池发电装置包括多个燃料电池系统、逆变器、第一电力线通信调制解调器、第二电力线通信调制解调器和装置控制器。多个燃料电池系统中的每一个包括用于发电的燃料电池堆、布置在燃料电池系统的不同位置中的多个传感器、多个致动器、dc-dc转换器和微控制器。燃料电池堆经由dc-dc转换器耦合到dc总线。微控制器与多个传感器、多个致动器和dc-dc转换器通信，并且被配置为从多个传感器获取传感器数据，并且获得用于多个致动器和dc-dc转换器的控制信号。逆变器经由dc总线与每个燃料电池系统的dc-dc转换器耦合，并且耦合到电力负载。第一电力线通信调制解调器与每个燃料电池系统的微控制器耦合。第二电力线通信调制解调器经由dc总线与第一电力线通信调制解调器耦合。装置控制器与第二电力线通信调制解调器耦合，并且与逆变器通信。在本公开实施例的另一方面，提供了一种供燃料电池发电装置中使用的通信方法。燃料电池发电装置包括分布在不同区域的多个燃料电池系统，并且每个燃料电池系统包括用于发电的燃料电池堆和布置在燃料电池系统的不同位置中的多个传感器。该方法包括由多个微控制器中的一个从多个燃料电池系统中的一个的传感器获取传感器数据，并且将一个燃料电池系统的传感器数据发送到多个从电力线通信调制解调器中的一个；由一个从电力线通信调制解调器经由dc总线将一个燃料电池系统的传感器数据传输到主电力线通信调制解调器；由主电力线通信调制解调器接收一个燃料电池系统的传感器数据，并且将一个燃料电池系统的传感器数据发送到装置控制器；以及由装置控制器控制经由dc总线耦合到每个燃料电池系统的燃料电池堆的逆变器，以调节dc总线的电压。附图说明当参考附图阅读以下详细描述时，本公开的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，其中贯穿附图，类似的字符表示类似的部分，其中：图1是根据本公开的一个实施例的示例性燃料电池发电装置的示意性框图；图2图示了燃料电池堆的示意图；图3是根据本公开的另一实施例的示例性燃料电池发电装置的示意性框图；图4图示了dc总线耦合器的示意性框图；以及图5和6是根据本公开实施例的供燃料电池发电装置中使用的通信方法的流程图。具体实施方式下文中将参照附图描述本公开的实施例。在以下描述中，没有详细描述众所周知的功能或构造，以避免在不必要的细节中模糊本公开。除非另有定义，否则本文中所使用的技术和科学术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。如本文中所使用的术语“第一”、“第二”等不指代任何次序、数量或重要性，而是用于将一个元件与另一个元件进行区分。术语“一”和“一个”也不指代数量的限制，而是指代存在至少一个参考项目。术语“或”意味着包含性的，并且意味着列出的项目中的任一项目或所有项目。本文中所使用的“包括”、“包含”或“具有”及其变化意味着涵盖其后列出的项目及其等同物以及附加项目。术语“连接”和“耦合”不限于物理或机械连接或耦合，并且可以包括直接或间接的电连接或耦合。此外，指示特定位置的术语，诸如“顶部”、“底部”、“左”和“右”，是参考特定附图的描述。本公开中所公开的实施例可以以不同于各图中所示出的方式放置。因此，本文中所使用的位置术语不应限于特定实施例中所描述的位置。实施例1-燃料电池发电装置图1图示了根据本公开的一个实施例的示例性燃料电池发电装置100的示意性框图。如图1中所示出的，示例性燃料电池发电装置100包括多个燃料电池系统1。在本公开的各图中，四个燃料电池系统1的集合被示出作为示例。多个燃料电池系统1中的每一个包括用于发电的燃料电池堆11和装置的平衡器（bop）12。燃料电池堆11可以包括堆叠在一起的多个燃料电池。燃料电池可以例如包括但不限于固体氧化物燃料电池（sofc）。除了燃料电池堆11之外，装置的平衡器12包括燃料电池系统1的所有子系统。例如，装置的平衡器12可以包括燃料供应子系统、空气供应子系统、蒸汽供应子系统以及重整器、阳极鼓风机和阳极再循环回路中的热交换器。燃料供应子系统可以包括压力调节阀、流速率调节阀、脱硫设备等。空气供应子系统可以包括压缩机、阀、热交换器等。蒸汽供应子系统可以包括水供应源、蒸汽生成设备、蒸汽流速率和压力调节阀等。如图2中所示出的，燃料电池堆11包括阳极111、阴极112和电解质113。燃料供应子系统可以向燃料电池堆11的阳极111提供燃料气体，并且空气供应子系统可以向燃料电池堆11的阴极112提供空气。阳极111可以支持生成电的电化学反应。燃料气体可以在阳极111中用经由通过电解质113的扩散从阴极112接收的氧离子氧化。反应可以在阳极111中以自由电子的形式产生热、蒸汽和电，其可以用于向电力负载（未示出）供电。可以使用从电力负载返回到阴极112中的电子经由阴极氧化剂的氧还原来产生氧离子。阴极112可以耦合到阴极氧化剂源，诸如大气中的氧气。阴极氧化剂被定义为供应给燃料电池系统1在发电中采用的阴极112的氧化剂。阴极112可以可透过从阴极氧化剂接收的氧离子。电解质113可以与阳极111和阴极112通信。电解质113可以将氧离子从阴极112传递到阳极111，并且可以具有很少或没有导电性，以便防止自由电子从阴极112流通到阳极111。继续参考图1，燃料电池发电装置100包括逆变器2和与逆变器2通信的装置控制器5。每个燃料电池系统1包括用于将第一直流（dc）转换成第二dc的dc-dc转换器13。dc-dc转换器13通常是升压转换器。燃料电池堆11经由dc-dc转换器13耦合到dc总线3。逆变器2经由dc总线3与dc-dc转换器13耦合，并且逆变器2耦合到电力负载（例如电力网）或者直接供应给包括电动机、照明等的用户。逆变器2可以将燃料电池堆11一侧的直流电（dc）转换成用户侧（或电网侧）的交流电（ac），并且逆变器2可以从装置控制器5接收控制命令，并且响应于该控制命令，调节dc总线3的电压，以便影响燃料电池系统1的总发电容量控制。每个燃料电池系统1可以进一步包括多个传感器14、多个致动器15和微控制器16。多个传感器14布置在燃料电池系统1的不同位置中。多个传感器14可以包括压力、热电偶、流速率、温度、电流、电压、气体成分、流量开关、压力开关和测压仪的一个或多个传感器。多个致动器15可以包括燃料气体流量控制器、空气气体流量控制器、用于空气和燃料鼓风机的可变频率驱动（vfd）、电磁阀和流量控制阀的一个或多个致动器。在每个燃料电池系统1中，微控制器16可以与多个传感器14、多个致动器15和dc-dc转换器13通信，并且微控制器16可以从多个传感器14获取传感器数据，并且获得用于多个致动器15和dc-dc转换器13的控制信号。燃料电池发电装置100可以进一步包括第一电力线通信（plc）调制解调器41和第二电力线通信（plc）调制解调器42。第一plc调制解调器41与每个燃料电池系统1的微控制器16耦合。第二plc调制解调器42经由dc总线3与第一plc调制解调器41耦合。装置控制器5与第二plc调制解调器42耦合。如图1中所示出的，多个燃料电池系统1可以布置在不同的外壳中。装置控制器5位于接近逆变器2。实施例2-燃料电池发电装置在一些实施例中，多个燃料电池系统1可以分布在不同的区域中。图3图示了根据本公开的另一实施例的示例性燃料电池发电装置200的示意性框图。如图3中所示出的，不同于图1的燃料电池发电装置100，在图3的燃料电池发电装置200中，第二plc调制解调器是主电力线通信（mplc）调制解调器62，并且第一plc调制解调器包括多个从电力线通信（splc）调制解调器61。多个splc调制解调器61中的一个与多个燃料电池系统1中的一个的微控制器16耦合，并且经由dc总线3耦合到mplc调制解调器62。每个splc调制解调器61位于接近一个对应燃料电池系统1。在一个实施例中，多个splc调制解调器61中的每一个被布置在对应燃料电池系统1的外壳中。如图4中所示出的，mplc调制解调器62和多个splc调制解调器61中的每一个可以分别包括dc总线耦合器。每个dc总线耦合器包括接口电路、发射器和接收器。例如，每个dc总线耦合器61包括发射器611、接收器612和接口电路613。发射器611和接收器612分别经由接口电路613耦合到dc总线3，并且每个dc总线耦合器61的发射器611和接收器612与一个对应微控制器16耦合。每个dc总线耦合器61的发射器（tx）611负责在来自对应微控制器16的命令被向下发送到dc总线3之前对其进行编码和调制，并且可以包括tx调制器6111、tx滤波器6112和tx放大器6113。接收器（rx）612需要施行与发射器611完成的相反的操作，并且负责对从dc总线3接收的信息进行解调和解码。接收器612可以包括rx解调器6121、rx滤波器6122和rx放大器6123。每个dc总线耦合器62包括发射器621、接收器622和接口电路623。发射器621和接收器622分别经由接口电路623与dc总线3耦合，并且每个dc总线耦合器62的发射器621和接收器622耦合到装置控制器5。dc总线耦合器62的发射器（tx）621负责在来自装置控制器5的命令被向下发送到dc总线3之前对其进行编码和调制，并且可以包括tx调制器6211、tx滤波器6212和tx放大器6213。接收器（rx）622需要施行与发射器621完成的相反的操作，并且负责对从dc总线3接收的信息进行解调和解码。接收器622可以包括rx解调器6221、rx滤波器6222和rx放大器6223。rx解调器6221可以对经由接口电路623从dc总线3接收的信息进行解调和解码，并且经解调的信息在被装置控制器5接收之前最终被rx滤波器6222和rx放大器6223滤波和放大。在操作中，当需要经由dc总线3将传感器14的传感器数据从每个微控制器16传送到装置控制器5时，每个dc总线耦合器61的tx调制器6111可以对来自对应微控制器16的传感器数据进行编码和调制，并且经调制的传感器数据在经由接口电路613注入dc总线3之前最终由tx滤波器6112和tx放大器6113进行滤波和放大。每个dc总线耦合器62的rx解调器6221可以对经由接口电路623从dc总线3接收的传感器数据进行解调和解码，并且经解调的传感器数据在被装置控制器5接收之前最终被rx滤波器6222和rx放大器6223滤波和放大。当需要经由dc总线3将用于致动器15和dc-dc转换器13的控制信号从装置控制器5传送到单独的微控制器16时，每个dc总线耦合器62的tx调制器6211可以对来自装置控制器5的控制信号进行编码和调制，并且经调制的控制信号在经由接口电路623注入dc总线3之前最终由tx滤波器6212和tx放大器6213滤波和放大。每个dc总线耦合器61的rx解调器6121可以对经由接口电路613从dc总线3接收的控制信号进行解调和解码，并且经解调的控制信号在被对应微控制器16接收之前最终被rx滤波器6122和rx放大器6123滤波和放大。代替使用单独的通信线缆和控制模块，本公开的燃料电池发电装置100、200可以采用现有的dc总线3（电力线）作为在多个单独的燃料电池系统1和装置控制器5之间可靠地传送数据和命令的介质。在本公开的燃料电池发电装置100、200中，通信和电力传送二者在相同的电路上。由于不使用通信线，本公开的燃料电池发电装置100、200可以具有较低的调试和安装成本和较低的故障率，并且具有增加的可靠性。本公开的燃料电池发电装置100、200可以将成本降低99%。例如，对于四个燃料电池系统的集合，如下面的表1和2中所示出的，其中表1图示了其中使用有线燃料电池数据通信的现有燃料电池发电装置的成本列表，而表2图示了其中使用电力线通信的本公开的燃料电池发电装置的成本列表。在现有的燃料电池发电装置中，多个profinet扫描仪中的一个经由对应远程io从多个燃料电池系统中的一个的多个传感器接收传感器数据。每个profinet扫描仪经由大量线缆（诸如光纤）耦合到profinet控制器，并且profinet控制器与装置控制器耦合。设备型号单位价格（$）数量总价格（$）profinet控制器geic695pnc001130011300profinet扫描仪geic695pns001120044800线缆光纤60（50m）4240沟槽工件劳动力1天6607000表1-现有设备型号单位价格（$）节点总价格（$）mplcsig60/yamar515splcsig60/yamar5420线缆nanana25表2-本公开。从表1和表2可以清楚地看到，对于1mw的燃料电池发电装置，成本将从7000$下降99.6%到25$；并且对于100mw的燃料电池发电装置，成本将从70k$下降到0.25k$。因此，使用电力线通信的本公开的燃料电池发电装置可以大大降低成本。通信方法图5图示了根据本公开实施例的示例性通信方法的流程图。该通信方法供燃料电池发电装置中使用。燃料电池发电装置包括分布在不同区域中的多个燃料电池系统1。每个燃料电池系统1包括用于发电的燃料电池堆11和布置在燃料电池系统1的不同位置中的多个传感器14。该方法可以包括以下步骤。如图5中所示出的，在框b11中，来自多个燃料电池系统1中的一个的传感器14的传感器数据可以由多个微控制器16中的一个获取。在框b12中，一个燃料电池系统1的传感器数据可以由一个微控制器16发送到多个从电力线通信（splc）调制解调器61中的一个。在框b14中，一个燃料电池系统1的传感器数据可以由一个splc调制解调器61经由dc总线3传输到主电力线通信（mplc）调制解调器62。在框b16中，一个燃料电池系统1的传感器数据可以由mplc调制解调器62接收。在框b15中，一个燃料电池系统1的传感器数据可以由mplc调制解调器62发送到装置控制器5。在框b16中，经由dc总线3耦合到每个燃料电池系统1的燃料电池堆11的逆变器2可以由装置控制器5控制以调节dc总线3的电压。在一些实施例中，本公开的方法可以进一步包括以下步骤。如图6中所示出的，在框b21中，用于每个燃料电池系统1的多个致动器15和dc-dc转换器13的控制信号可以由装置控制器5获得。在框b22中，每个燃料电池系统1的控制信号可以由装置控制器5发送到mplc调制解调器62。在框b23中，用于一个燃料电池系统1的控制信号可以由mplc调制解调器62经由dc总线3传输到多个splc调制解调器61中的一个。在框b24中，用于一个燃料电池系统1的控制信号可以由一个splc调制解调器61接收。在框b25中，用于一个燃料电池系统1的控制信号可以由一个splc调制解调器61发送到多个微控制器16中的一个。因此，相应燃料电池系统1的微控制器16和dc总线3上的装置控制器5之间的数据和信号通信可以借助于相应splc调制解调器61和mplc调制解调器62来完成。本公开的方法可以采用现有的dc总线3（电力线）作为介质，以在多个单独的燃料电池系统1和燃料电池发电装置的装置控制器5之间可靠地传送数据和命令。因此，本公开的方法可以使燃料电池发电装置具有较低的调试和安装成本，并且可以将成本降低99%。另外，本公开的方法可以使燃料电池发电装置具有较低的故障率，并且增加燃料电池发电装置的可靠性。虽然根据本公开的实施例的通信方法的步骤被图示为功能框，但是图5中所示出的框的次序和各种框之间的步骤分离并不意图进行限制。例如，框可以以不同的次序施行，并且与一个框相关联的步骤可以与一个或多个其它框组合，或者可以被细分成多个框。虽然已经在典型实施例中图示和描述了本公开，但是本公开并不意图限于所示出的细节，因为在不以任何方式脱离本公开的精神的情况下，可以做出各种修改和代替。这样，本领域技术人员仅仅使用常规实验就可以想出对本文中所公开的内容进行进一步的修改和等同，并且所有这样的修改和等同被认为在如由以下权利要求限定的本公开的精神和范围内。当前第1页12