燃料电池系统及其控制方法与流程

本发明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。

背景技术：

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(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，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。

技术实现要素：

本发明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。

本发明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。

本发明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，因此本发明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。本发明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，本发明的这些和其它特征、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是根据本发明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是根据本发明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发明所要求保护的主题，下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。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发明的披露。

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发明所属技术领域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是根据本发明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，根据本发明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C_L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S_M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S_L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，从而确保本发明的燃料电池堆1运行在安全运行限度内。

本发明的燃料电池系统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，从而本发明的燃料电池系统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。本发明的燃料电池系统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。本发明的燃料电池堆1可以适用于例如固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)、熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell，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(Direct Methanol Fuel Cell，DMFC)等低温燃料电池。例如，在本发明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-Stabilized Zirconia，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气之间的比例)、过燃比(过燃比是供应至燃料电池堆1的阳极的燃料与实际消耗的燃料之间的比例)、燃料电池系统100所在的周围环境压力与燃料电池堆1的阳极入口气压之间的压差、周围环境压力与燃料电池堆1的阴极入口气压之间的压差、阳极和阴极之间的气体互窜、阳极与燃料电池系统100所在的周围环境之间的气体互窜、以及阴极与周围环境之间的气体互窜。然而，本发明的燃料电池堆1的操作约束并不应局限于以上约束，其也可以包括其他并未在此提及的约束。

例如，在一些具体实施方式中，燃料电池堆1的单个燃料电池的电压可以在约0.55V到1.0V的范围内。燃料电池堆1的阳极气压与阴极气压之间的压差可以在约-40Kpa(千帕)到40Kpa的范围内。燃料电池堆1的最大温差可以在约-40Kpa到40Kpa的范围内。过氧比可以在2到6的范围内。过燃比可以在1.5到6的范围内。周围环境压力和燃料电池堆1的阳极入口气压之间的压差可以在约0Kpa到40Kpa的范围内。周围环境压力和燃料电池堆1的阴极入口气压之间的压差可以在0Kpa到40Kpa的范围内。但是，应当理解的是，用户可以根据燃料电池堆1的实际运行状况，预先对燃料电池堆1的操作约束的数量和具体数值作出相应的调整。

至少一个测量信号S_M可以包括下列信号中的至少一个：燃料电池堆1的阳极入口气压、燃料电池堆1的阳极出口气压、燃料电池堆1的阴极入口气压、燃料电池堆1的阴极出口气压、燃料电池堆1的阳极入口流量、燃料电池堆1的阳极出口流量、燃料电池堆1的阴极入口流量、燃料电池堆1的阴极出口流量、燃料电池堆1的一个或多个温度测量值、燃料电池堆1的单个燃料电池的电压、燃料电池堆1的电流、以及燃料电池系统100所在的周围 环境温度、周围环境压力和周围环境湿度。然而，本发明的至少一个测量信号S_M并不应局限于上述信号，其也可以包括其他并未在此提及的信号。

继续参照图1，本发明的燃料电池系统100还包括废气排放系统5，废气排放系统5耦合至燃料电池堆1用于排放废气。反应物和未反应的气体作为废气通过废气排放系统5被排放。废气排放系统5包括阳极排放模块51和阴极排放模块52，其中，阳极排放模块51用于排放燃料废气，阴极排放模块52用于排放空气废气。

参照图1，在一个具体实施方式中，控制系统4还包括加法器43。加法器43用于将期望的控制指示信号S1和控制校正信号S2相加，以生成控制信号S3。然而，加法器43仅作为本发明的一个示例被阐示，事实上，本发明的控制系统4并不应限制为包括加法器43。在本发明的另一个具体实施方式中，控制系统4还可以包括选择器。例如，该选择器可以用于选出期望的控制指示信号S1和控制校正信号S2中的最大者。将该选出的最大者视为控制信号S3。或者，该选择器也可以用于选出期望的控制指示信号S1和控制校正信号S2中的最小者。将该选出的最小者视为控制信号S3。

气体输送系统3包括燃料流量调节器31和空气流量调节器32。燃料流量调节器31用于调节提供给燃料电池堆1的燃料流量。空气流量调节器32用于调节提供给燃料电池堆1的空气流量。

图2示出本发明的控制系统4的示意性框图。现参照图2，在一个具体实施方式中，期望的控制指示信号S1包括期望的燃料流量指示信号S11和期望的空气流量指示信号S12，相应地，控制校正信号S2包括燃料流量校正信号S21和空气流量校正信号S22。校正控制器42生成燃料流量校正信号S21，并将生成的燃料流量校正信号S21增加到期望的燃料流量指示信号S11中，从而获得燃料流量信号S31，并且，校正控制器42生成空气流量校正信号S22，并将生成的空气流量校正信号S22增加到期望的空气流量指示信号S12中，从而获得空气流量信号S32。因此，控制信号S3包括燃料流量信号S31和空 气流量信号S32。

在本具体实施方式中，参照图2，加法器43包括第一加法器431和第二加法器432。第一加法器431将期望的燃料流量指示信号S11和燃料流量校正信号S21相加，从而生成燃料流量信号S31。第二加法器432将期望的空气流量指示信号S12和空气流量校正信号S22相加，从而生成空气流量信号S32。

在一个具体实施方式中，来自负载2的命令C_L包括功率命令C_L。

图3示出本发明的前馈控制器41的示意性框图。现参照图3，前馈控制器41包括设定器411和转换器412。在一个具体实施方式中，设定器411基于功率命令C_L来生成设定的电流信号S_IS。在另一个具体实施方式中，设定器411基于功率命令C_L并且还基于来自燃料电池堆1的电流测量值S_I来生成设定的电流信号S_IS。作为一个示例，设定器411可以包括电流计算模块4111、补偿模块4112和第三加法器4113。电流计算模块4111基于功率命令C_L来计算基准电流信号S_IB，从而来满足功率命令C_L。补偿模块4112基于电流测量值S_I来生成补偿电流信号S_IC。第三加法器4113将基准电流信号S_IB和补偿电流信号S_IC相加，以生成设定的电流信号S_IS。转换器412通过乘以化学计量比将设定的电流信号S_IS转换为期望的控制指示信号S1。在一个具体实施方式中，期望的控制指示信号S1包括期望的燃料流量指示信号S11和期望的空气流量指示信号S12。

参照图1和图2，本发明的校正控制器42利用模型预测控制来解决燃料电池堆1的操作约束。校正控制器42用于基于至少一个测量信号S_M来预测期望的控制指示信号S1是否会违背燃料电池堆1的操作约束。当预测到期望的控制指示信号S1将会违背燃料电池堆1的操作约束时，本发明的校正控制器42则会生成控制校正信号S2，并将生成的控制校正信号S2增加到期望的控制指示信号S1中。在一个具体实施方式中，控制校正信号S2包括燃料流量校正信号S21和空气流量校正信号S22。生成燃料流量校正信号S21，并将 生成的燃料流量校正信号S21增加到期望的燃料流量指示信号S11中，并且，生成空气流量校正信号S22，并将生成的空气流量校正信号S22增加到期望的空气流量指示信号S12中。

本发明的燃料电池系统100可以至少具有如下所述的有益技术效果：

本发明的燃料电池系统100无需额外的硬件、工艺流程或材料改变，因此可以为延长燃料电池寿命提供一种低成本的解决方案。

本发明的燃料电池系统100还可以提供一种通用的燃料电池寿命控制的解决方案，该方案可以在一个框架中处理多个相互作用的约束，并且该方案具有很强的约束处理能力，其可以通过处理更少的操纵变量(例如，仅仅两个变量，燃料流量和空气流量)来满足更多的约束。

本发明的燃料电池系统100可以具有较广的应用领域，其从低温燃料电池到高温燃料电池均适用。

本发明的燃料电池系统100易于操作。本发明的燃料电池系统100包括两个独立的控制模块，即前馈控制器41和校正控制器42，前馈控制器41和校正控制器42能够以明确的物理意义分别进行调整并独立地进行故障排查，因此，对于没有深厚控制背景的操作员也能够使用本发明的燃料电池系统100。

图4示出根据本发明的一个具体实施方式的一种用于控制燃料电池系统100的方法的流程图。如图4并且结合参照图1至图3，根据本发明的一个具体实施方式的用于控制燃料电池系统100的方法包括如下步骤：

在步骤B1中，基于来自以上燃料电池系统100中的负载2的命令C_L来生成期望的控制指示信号S1。在本具体实施方式中，基于来自负载2的命令C_L来生成期望的燃料流量指示信号S11和期望的空气流量指示信号S12。因此，期望的控制指示信号S1包括期望的燃料流量指示信号S11和期望的空气流量指示信号S12。在一个具体实施方式中，来自负载2的命令C_L可以包括功率命令C_L。

当来自负载2的命令C_L为功率命令C_L时，则步骤B1还包括如下步骤：

在步骤B11中，生成设定的电流信号S_IS。在一个具体实施方式中，基于功率命令C_L来生成设定的电流信号S_IS。在另一个具体实施方式中，基于功率命令C_L并且还基于来自燃料电池堆1的电流测量值S_I来生成设定的电流信号S_IS。

图5是示出根据图4的方法在基于功率命令C_L和来自燃料电池堆1的电流测量值S_I来生成设定的电流信号S_IS的具体步骤的流程图。如图5所示，步骤B11还包括如下步骤：

在步骤B111中，基于功率命令C_L来计算基准电流信号S_IB以满足功率命令C_L。

在步骤B112中，基于电流测量值S_I来生成补偿电流信号S_IC。

在步骤B113中，将基准电流信号S_IB和补偿电流信号S_IC相加以生成设定的电流信号S_IS。

现在返回到图4，在步骤B12中，通过乘以化学计量比，将设定的电流信号S_IS转换为期望的控制指示信号S1。在本具体实施方式中，将设定的电流信号S_IS转换为期望的燃料流量指示信号S11和期望的空气流量指示信号S12。

在步骤B2中，由用户预先指定燃料电池堆1的操作约束。燃料电池堆1的操作约束与燃料电池堆1的寿命有关。例如，燃料电池堆1的操作约束可以包括，但不限于如下所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(即供应至燃料电池堆1的阴极的氧气与实际消耗的氧气之间的比例)、过燃比(即供应至燃料电池堆1的阳极的燃料与实际消耗的燃料之间的比例)、燃料电池系统100所在的周围环境压力与燃料电池堆1的阳极入口气压之间的压差、周围环境压力与燃料电池堆1的阴极入口气压之间的压差、阳极和阴极之间的气体互窜、阳极与燃料电池系统100所在的周围环境之间的气体互窜、以及阴极与周围环境之间 的气体互窜。

在步骤B3中，预先建立用于描述燃料电池堆1的运转状态的预测模型。

在步骤B4中，基于至少一个测量信号S_M来从预测模型中预测期望的控制指示信号S1是否会违背燃料电池堆1的操作约束。在本具体实施方式中，基于至少一个测量信号S_M来从预测模型中预测期望的燃料流量指示信号S11和期望的空气流量指示信号S12中的任意一者或两者是否将会违背燃料电池堆1的操作约束。至少一个测量信号S_M例如可以包括，但不限于下列信号中的至少一个：燃料电池堆1的阳极入口气压、燃料电池堆1的阳极出口气压、燃料电池堆1的阴极入口气压、燃料电池堆1的阴极出口气压、燃料电池堆1的阳极入口流量、燃料电池堆1的阳极出口流量、燃料电池堆1的阴极入口流量、燃料电池堆1的阴极出口流量、燃料电池堆1的一个或多个温度测量值、燃料电池堆1的单个燃料电池的电压、燃料电池堆1的电流、以及燃料电池系统100所在的周围环境温度、周围环境压力和周围环境湿度。如果预测的结果为“是”，则过程前进到步骤B5。

在步骤B5中，当预测到期望的控制指示信号S1将会违背燃料电池堆1的操作约束时，则将会生成一个控制校正信号S2，并将生成的控制校正信号S2增加到期望的控制指示信号S1中。在本具体实施方式中，控制校正信号S2包括燃料流量校正信号S21和空气流量校正信号S22。

例如，当预测到期望的控制指示信号S1中的期望的燃料流量指示信号S11将会违背燃料电池堆1的操作约束时，则将会生成一个燃料流量校正信号S21，并将生成的燃料流量校正信号S21增加到期望的燃料流量指示信号S11中。当预测到期望的控制指示信号S1中的期望的空气流量指令信号S12将会违背燃料电池堆1的操作约束时，则将会生成一个空气流量校正信号S22，并将生成的空气流量校正信号S22增加到期望的空气流量指示信号S12中。当预测到期望的控制指示信号S1中的期望的燃料流量指示信号S11和期望的空气流量指令信号S12都将会违背燃料电池堆1的操作约束时，则将会生成 燃料流量校正信号S21和空气流量校正信号S22，并将生成的燃料流量校正信号S21和空气流量校正信号S22分别增加到期望的燃料流量指示信号S11和期望的空气流量指示信号S12中。

在步骤B6中，基于期望的控制指示信号S1和控制校正信号S2来生成控制信号S3。在本具体实施方式中，控制信号S3包括燃料流量信号S31和空气流量信号S32。具体而言，基于期望的燃料流量指示信号S11和燃料流量校正信号S21来生成燃料流量信号S31，基于期望的空气流量指示信号S12和空气流量校正信号S22来生成空气流量信号S32。

在一个具体实施方式中，通过将期望的控制指示信号S1和控制校正信号S2相加来生成控制信号S3。具体地，通过将期望的燃料流量指示信号S11和燃料流量校正信号S21相加来生成控制信号S3中的燃料流量信号S31，并且，通过将期望的空气流量指示信号S12和空气流量校正信号S22相加来生成控制信号S3中的空气流量信号S32。

在步骤B7中，基于生成的控制信号S3来控制气体输送系统3，从而确保燃料电池堆1运行在安全运行限度内。生成的控制信号S3包括燃料流量信号S31和空气流量信号S32，所以燃料流量信号S31和空气流量信号S32分别用于控制气体输送系统3的燃料流量调节器31和空气流量调节器32(参见图1)。燃料流量调节器31将会根据燃料流量信号S31来调整供应至燃料电池堆1的燃料流量，并且，空气流量调节器32将会根据空气流量信号S32来调整供应至燃料电池堆1的空气流量。

本发明的用于控制燃料电池系统100的方法能够以一种统一的方式来有效地解决燃料电池堆1的各种不同操作约束，并且能够将影响燃料电池堆1的寿命的一些关键变量控制在安全的界限内，因此本发明的控制方法能够有效地确保燃料电池堆1在满足燃料电池系统100的正常运行的条件下运行在其安全运行限度内。本发明的方法可以延长燃料电池堆1的寿命，简化燃料电池系统100的设计并且降低燃料电池系统100的成本。

本发明的用于控制燃料电池系统100的方法具有与如上描述的燃料电池系统100相似的有益技术效果，在此不再赘述。

虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。