燃料电池系统及其控制方法与流程

文档序号:12371037阅读:来源:国知局

技术特征:

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 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的比例、过燃比,所述过燃比是供应至所述燃料电池堆的阳极的燃料与实际消耗的燃料之间的比例、所述燃料电池系统所在的周围环境压力与所述燃料电池堆的阳极入口气压之间的压差、所述周围环境压力与所述燃料电池堆的阴极入口气压之间的压差、所述阳极和所述阴极之间的气体互窜、所述阳极与所述燃料电池系统所在的周围环境之间的气体互窜、以及所述阴极与所述周围环境之间的气体互窜。

11.如权利要求1所述的燃料电池系统,其中,所述至少一个测量信号包括下列信号中的至少一个:所述燃料电池堆的阳极入口气压、阳极出口气压、阴极入口气压、阴极出口气压、阳极入口流量、阳极出口流量、阴极入口流量及阴极出口流量、所述燃料电池堆的一个或多个温度测量值、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流、以及所述燃料电池系统所在的周围环境温度、周围环境压力和周围环境湿度。

12.如权利要求1所述的燃料电池系统,其中,所述燃料电池系统为固体氧化物燃料电池型系统,所述燃料电池堆包括一系列固体氧化物燃料电池,其中每一个所述固体氧化物燃料电池具有阳极、阴极、所述阳极和所述阴极之间的固体电解质以及连接体。

13.一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。

14.如权利要求13所述的方法,其中,产生所述控制信号包括: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。

15.如权利要求13所述的方法,其中,来自所述负载的所述命令包括功率命令,产生所述期望的控制指示信号包括:

基于所述功率命令来生成设定的电流信号;及

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。

16.如权利要求15所述的方法,其中,产生所述设定的电流信号包括:基于所述功率命令和来自所述燃料电池堆的电流测量值来生成所述设定的电流信号。

17.如权利要求16所述的方法,其中,产生所述设定的电流信号包括:

计算基准电流信号以满足所述功率命令;

基于所述电流测量值来生成补偿电流信号;及

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。

18.如权利要求13所述的方法,其中,产生所述控制校正信号包括:

预先指定所述燃料电池堆的所述操作约束;

预先建立用于描述所述燃料电池堆的运转状态的预测模型;

基于所述至少一个测量信号从所述预测模型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;及

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。

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