燃料电池系统及其操作方法与流程

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及用于操作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，其能够通过燃料，例如氢，与氧化剂，例如空气中含有的氧气，的电化学反应将来自燃料中的化学能转换为电能。由于燃料电池的环境优越性和高效率，燃料电池系统作为能源供应系统正被广泛开发。为了提高系统效率和燃料利用率，并且减少外部水源利用，燃料电池系统通常包括阳极循环回路。由于单个燃料电池仅仅只能产生1伏的电压，因此，多个燃料电池通常堆叠在一起(通常被称为燃料电池堆)以获得期望的电压。

燃料利用率(fuelutilization，uf)是燃料电池系统中的关键变量。燃料利用率表示在燃料电池的阳极处消耗的等效氢与可获得的净等效氢的比。混合气体的等效氢是指每一个组分的摩尔流量乘以其可以生成的氢的数量的总和。

燃料利用率会影响燃料电池系统的效率。高的燃料利用率可以增强燃料电池系统的燃料效率，因此，高的燃料利用率可意味着燃料电池系统的高燃料利用率。然而，燃料利用率的增加也可能会增加燃料饥饿的风险，因为在燃料电池的阳极处没有足够的例如氢的燃料存在，这可能会由于阳极氧化而给燃料电池造成不可逆转的损害。

因此，燃料利用率的严格控制对于预防燃料饥饿和提高系统效率起着至关重要的作用。然而，由于很难实时测量循环流量、甲烷(ch4)、一氧化碳(co)、氢气(h2)、二氧化碳(co2)和水蒸汽(h2o)，因此很难测量燃料电池堆的燃料利用率。尽管燃料电池系统的燃料利用率(其是由从燃料电池堆拉出的电流和提供至阳极循环回路的燃料流量来单独定义的)已经被用于燃料电池操作和控制，然而，由于燃料电池系统的燃料利用率和燃料电池堆的燃料利用率之间没有明确的关系，因此，对于燃料电池系统的燃料利用率的操作边界通常通过反复试验来确定。

因此，需要一种系统来通过使用容易测量的变量来实时获得燃料电池堆的燃料利用率。还需要一种系统来实时预测并更新对于燃料电池系统的燃料利用率的操作边界。此外，还需要对燃料电池系统进行操作和控制来同时防止燃料饥饿和碳沉积。

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。所述燃料电池系统包括阳极循环回路、流量计、电流测量装置、循环比测量装置以及处理器。所述阳极循环回路包括用于产生电力的燃料电池堆。所述流量计用于测量提供至所述阳极循环回路中的燃料的燃料流量。所述电流测量装置用于测量从所述燃料电池堆拉出的电流。所述循环比测量装置用于测量所述阳极循环回路中的循环比。所述处理器用于基于所述测量出的燃料流量、所述测量出的电流以及所述测量出的循环比来估算所述燃料电池堆的燃料利用率。

本发明的另一个方面在于提供一种用于操作燃料电池系统的方法。所述燃料电池系统包括具有用于产生电力的燃料电池堆的阳极循环回路，所述方法包括将燃料供应至所述阳极循环回路中；将氧气供应至所述燃料电池堆的阴极；测量提供至所述阳极循环回路中的所述燃料的燃料流量；测量从所述燃料电池堆拉出的电流；测量所述阳极循环回路中的循环比；以及基于所述测量出的燃料流量、所述测量出的电流以及所述测量出的循环比来估算所述燃料电池堆的燃料利用率。

本发明的又一个方面在于提供一种燃料电池系统。所述燃料电池系统包括阳极循环回路、循环比测量装置及处理器。所述阳极循环回路包括用于产生电力的燃料电池堆，其中，燃料被提供至所述阳极循环回路中。所述循环比测量装置用于测量所述阳极循环回路中的循环比。所述处理器包括燃料利用率模型，所述燃料利用率模型定义在所述燃料电池堆的燃料利用率、所述系统的燃料利用率以及所述阳极循环回路中的循环比之间的映射关系。所述处理器用于根据所述测量出的循环比和给定的燃料电池堆的燃料利用率上限从所述燃料利用率模型中来预测所述系统的燃料利用率上限。

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是带有阳极循环回路的示意性燃料电池系统的示意性框图；

图2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3是根据本发明的一个具体实施方式的用于操作燃料电池系统的示意性方法的流程图；

图4是根据本发明的另一个具体实施方式的处理器的示意图；

图5是根据本发明的另一个具体实施方式的燃料电池系统的示意性框图；及

图6是根据本发明的另一个具体实施方式的用于操作燃料电池系统的示意性方法的流程图。

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。

带有阳极循环回路的燃料电池系统

图1示出示意性燃料电池系统100的示意性框图。如图1所示，示意性燃料电池系统100包括阳极循环回路11。阳极循环回路11包括用于产生电力的燃料电池堆12。燃料电池堆12可以包括堆叠在一起的多个燃料电池。燃料电池堆12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。

燃料电池堆12包括阳极121、阴极122及电解质123。燃料电池堆12的阳极121具有阳极入口1211和阳极出口1212。

阳极121可以支持产生电力的电化学反应。合成气可以与通过电解质123的扩散从阴极122接收到的氧离子在阳极121处被氧化。反应能够在阳极121处产生热、水蒸汽和以自由电子形式的电力，该电力能够用于将功率提供至能源消耗装置18。氧离子可以通过阴极氧化剂的氧还原来产生，电子可能从能源消耗装置18返回至阴极122。

能源消耗装置18适于从燃料电池系统100拉出电流，或者将电负载应用到燃料电池系统100。能源消耗装置18可以包括，但不限于，工具、灯光或照明组件、电器(如家庭或其他电器)、家庭或其他住宅、办公室或其他商业机构、计算机、信号或通信设备等。

阴极122可以被连接到阴极氧化剂源，例如空气中的氧气。阴极氧化剂被定义为供应至阴极122供燃料电池系统100在产生电力时应用的氧化剂。阴极122可以渗透到从阴极氧化剂接收到的氧离子。

电解质123能够与阳极121和阴极122相连通。电解质123可以用于将来自阴极122的氧离子传递到阳极121，并且可以具有很小的导电性或不具有导电性，因此，能够防止自由电子从阴极122到达阳极121。

燃料电池系统100包括用于提供燃料的燃料供应装置14和用于将燃料输送到阳极循环回路11中的燃料输送装置15。燃料可以呈气体或液体形式。这种燃料的例子可以包括，但不限于，甲烷、乙烷、丙烷、生物质气、天然气、合成气、柴油、煤油、汽油等。燃料输送装置15可以包括用于调节提供至阳极循环回路11中的燃料流量的燃料流量调节器150。

为了减少或移除在燃料中的例如硫(其是有害的，并且容易将在后端的燃料重整所使用的催化剂粘结)等不期望成分的浓度，燃料电池系统100还可以包括燃料净化装置16。燃料净化装置16用于减少或移除在燃料中的不期望成分的浓度。然而，对于纯净的燃料，例如甲烷、乙烷、丙烷等，燃料净化装置16可以被省略。

因此，提供至阳极循环回路11中的燃料可以包括由燃料供应装置14提供的燃料，或者经由燃料净化装置16净化后的燃料。

在一个具体实施方式中，如图1所示，阳极循环回路11还可以包括燃料重整器13。燃料重整器13具有重整器入口131和重整器出口132。燃料电池堆12的阳极出口1212可以连接到燃料重整器13的重整器入口131，并且，燃料重整器13的重整器出口132返回至燃料电池堆12的阳极入口1211，从而形成阳极循环回路11。

燃料重整器13可以用于接收燃料及来自燃料电池堆12的阳极出口1212的尾气，并且从燃料和尾气中在重整器出口132处产生重整气s。重整气s包括富氢(h2)气体，并且也可以包括一氧化碳(co)、二氧化碳(co2)、水蒸汽(h2o)以及未反应的燃料，例如甲烷(ch4)。在重整器出口132处的重整气s可以在分离位置q处被分成再循环的重整气s1和外排的重整气s2。再循环的重整气s1被循环返回到阳极入口1211。

当燃料电池系统100运行时，将燃料供应至阳极循环回路11中，特别是在本具体实施方式中的燃料重整器13的重整器入口131，并且，氧气，例如空气中含有的氧气被供应至燃料电池堆12的阴极122。在燃料重整器13中，燃料可以通过化学反应被重整以产生氢气。例如，对于烃燃料，烃燃料通过如下的蒸汽重整反应(1)被转化为一氧化碳(co)和氢气(h2)，并且，一氧化碳和水蒸汽(h2o)通过如下的水汽变换反应(2)被转化为二氧化碳(co2)和氢气。

co+h2o→co2+h2(2)

尽管可以使用任何烃燃料，但是为了简单起见，以下将使用甲烷(ch4)作为燃料的说明性的例子。当使用甲烷(ch4)作为燃料时，以上的蒸汽重整反应(1)可以被修改为如下：

ch4+h2o→co+3h2(3)

再循环的重整气s1返回到燃料电池堆12的阳极入口1211。在燃料电池堆12的阳极121中，再循环的重整气s1和来自阴极122的氧离子混合，并且通过如下的反应(4)被转化为水蒸汽，从而产生电力和热。

2h2+o2→2h2o(4)

在另一个具体实施方式中，燃料电池堆12可以具有内部重整功能而不需要单独的燃料重整器13。在这种情况下，燃料电池堆12的阳极出口1212能够被直接返回到阳极入口1211，从而形成阳极循环回路11。因此，在燃料电池堆12的阳极121中，也将会发生以上的蒸汽重整反应(1)或(3)以及水汽变换反应(2)。

继续参照图1，燃料电池系统100还可以包括底循环17。底循环17包括内燃机。重整气s中的外排的重整气s2被转移到底循环17。外排的重整气s2驱动内燃机以产生额外的电力，进而提高发电效率，多余的部分作为尾气从内燃机排出。

如以下更加详细讨论的，期望能够估算燃料电池系统100中的燃料电池堆12的燃料利用率(fuelutilization，uf)，并且，基于估算出的燃料电池堆12的燃料利用率对燃料电池系统100进行控制。

具体实施方式1

估算燃料电池堆的燃料利用率

图2示出根据本发明的一个具体实施方式的燃料电池系统200的示意性框图。参照图2，与图1相比，根据本发明的具体实施方式的燃料电池系统200还可以包括流量计21、电流测量装置22、循环比(recycleratio，rr)测量装置23以及处理器3。流量计21可以测量提供至阳极循环回路11中的燃料流量ffuel。电流测量装置22可以测量从燃料电池堆12拉出的电流i。rr测量装置23可以测量阳极循环回路11中的循环比rr。关于rr测量装置23的细节可以参考美国专利公开第us20160104906a1号，其内容通过参考的方式被引用于此。阳极循环回路11中的循环比rr被定义为再循环的重整气s1与重整气s的流量比。处理器3可以基于测量出的燃料流量ffuel、测量出的电流i及测量出的循环比rr实时估算燃料电池堆12的燃料利用率uffc_est。

在一个具体实施方式中，处理器3可以基于测量出的燃料流量ffuel、测量出的电流i及燃料电池堆12的燃料电池的数量根据如下公式来计算系统200的燃料利用率ufsys。

f＝96485c/mol(6)

其中，ufsys代表系统200的燃料利用率，i代表从燃料电池堆12拉出的电流，n代表燃料电池堆12的燃料电池的数量，ffuel代表提供至阳极循环回路11中的燃料流量，以及f代表法拉第常数。

处理器3可以包括燃料利用率(fuelutilization，uf)模型31。uf模型31可以定义在燃料电池堆12的燃料利用率uffc、系统200的燃料利用率ufsys以及阳极循环回路11中的循环比rr之间的映射关系。

处理器3可以根据计算出的系统200的燃料利用率ufsys和测量出的循环比rr从uf模型31中确定燃料电池堆12的燃料利用率uffc_est。

作为一个示例，uf模型241可以包括如下的公式：

因此，只要测量出提供至阳极循环回路11中的燃料流量ffuel、从燃料电池堆12拉出的电流i以及阳极循环回路11中的循环比rr，根据以上的公式(5)-(7)能够很容易地估算燃料电池堆12的燃料利用率uffc_est。

以上公式(7)的有效性可以通过与高保真计算机机理模型的以下对比测试得到验证(见表1)。测试数据是在燃料电池系统200中在燃料电池堆12处于800℃的温度下通过改变阳极循环回路11中的循环比rr、从燃料电池堆12中拉出的电流i以及提供至阳极循环回路11的重整器入口131中的甲烷流量而产生的。

表1

其中，tstack代表燃料电池堆12的温度，uffc_est代表从公式(7)估算得到的燃料电池堆12的燃料利用率，uffc_sim代表从高保真计算机机理模型中模拟得到的燃料电池堆12的燃料利用率，以及re代表估算出的燃料利用率uffc_est与模拟出的燃料利用率uffc_sim之间的相对误差。从以上的表1可以看出，平均绝对相对误差为1.2％，而最大绝对相对误差为2％，其低于燃料电池工业中的工程标准误差(例如5％)。因此，该对比结果表明公式(7)的预测结果能够很好地与从高保真计算机机理模型得到的结果相符合。

根据大量的模拟测试数据，以上的公式(7)可以被近似地表述为如下的回归方程：

uffc≈1.41+2.19×ufsys-2.95rr(8)

基于估算出的燃料电池堆的燃料利用率防止燃料饥饿

继续参照图2，为了较好地利用估算出的燃料电池堆12的燃料利用率uffc_est以防止燃料电池系统200中的燃料饥饿，燃料电池系统200还可以包括控制器4。控制器4可以基于估算出的燃料电池堆12的燃料利用率uffc_est来对燃料电池系统200进行控制。可以将燃料电池堆12的燃料利用率上限和燃料电池堆12的燃料利用率下限预先存储在控制器4中。

对燃料电池系统200进行控制可以包括调整燃料电池系统200的参数。

例如，在一个具体实施方式中，当估算出的燃料电池堆12的燃料利用率uffc_est接近燃料电池堆12的燃料利用率上限时，控制器4可以给燃料电池系统200的燃料流量调节器150发送调整命令。燃料流量调节器150可以响应于该调整命令来增加提供至阳极循环回路11中的燃料流量ffuel，从而来防止燃料饥饿。当估算出的燃料电池堆12的燃料利用率uffc_est接近燃料电池堆12的燃料利用率下限时，控制器4可以对燃料流量调节器150进行控制来减小提供至阳极循环回路11中的燃料流量ffuel。

在另一个具体实施方式中，本发明的具体实施方式的燃料电池系统200还可以包括功率调节装置52。功率调节装置52可以用于将燃料电池堆12连接到能源消耗装置18(如图1所示)。功率调节装置52例如可以包括dc-dc转换器、dc-ac逆变器、或dc-dc转换器和dc-ac逆变器的结合。当估算出的燃料电池堆12的燃料利用率uffc_est接近燃料电池堆12的燃料利用率上限时，控制器4将会给功率调节装置52发送调整命令。功率调节装置52可以响应于该调整命令来减小从燃料电池堆12拉出的电流i，从而来防止燃料饥饿。当估算出的燃料电池堆12的燃料利用率uffc_est接近燃料电池堆12的燃料利用率下限时，控制器4可以对功率调节装置52进行控制来增加从燃料电池堆12拉出的电流i。

在又一个具体实施方式中，本发明的具体实施方式的燃料电池系统200还可以包括循环比(recycleratio，rr)调节装置53。当估算出的燃料电池堆12的燃料利用率uffc_est接近燃料电池堆12的燃料利用率上限时，控制器4将会给rr调节装置53发送调整命令。rr调节装置53可以响应于该调整命令来增加阳极循环回路11中的循环比rr，从而来防止燃料饥饿。当估算出的燃料电池堆12的燃料利用率uffc_est接近燃料电池堆12的燃料利用率下限时，控制器4可以对rr调节装置53进行控制来减小阳极循环回路11中的循环比rr。rr调节装置53例如可以是在s2的排气管线中的阳极鼓风机或流量控制阀。循环比rr可以通过调整阳极鼓风机速度或者流量控制阀开度来被调节。

当估算出的燃料电池堆12的燃料利用率uffc_est接近燃料电池堆12的燃料利用率上限或者下限时，控制器4也可以控制燃料流量调节器150、功率调节装置52以及rr调节装置53中的一个或多个，从而来防止燃料饥饿。

当然，对燃料电池系统200进行控制还可以包括仅对燃料电池系统200进行监控。例如，当估算出的燃料电池堆12的燃料利用率uffc_est接近燃料电池堆12的燃料利用率上限或者下限时，控制器4可以仅在操作者界面(例如，人机交互界面)上产生报警信号，或者，通过电子邮件或文本消息给系统操作者发送通知，从而，通知系统操作者采取行动来防止燃料饥饿。

本发明的具体实施方式的控制器4可以是多核控制器4。处理器3可以被集成到控制器4中。

本发明的具体实施方式的燃料电池系统200可以使用提供至阳极循环回路11中的燃料流量ffuel、从燃料电池堆12拉出的电流i以及阳极循环回路11中的循环比rr容易且实时地估算出燃料电池堆12的燃料利用率uffc_est。而且，本发明的具体实施方式的燃料电池系统200可以根据估算出的燃料电池堆12的燃料利用率uffc_est被很好地控制，因此，能够有效防止燃料电池系统200的燃料饥饿。本发明的具体实施方式的实时估算出的燃料电池堆12的燃料利用率uffc_est能够提高操作的可观测性，并且在运行过程中能够提高装置健康度而无需使用附加昂贵的气体分析仪或者分离工艺，从而使得本发明的具体实施方式的燃料电池系统200能够具有高可靠性、高灵活性和低运行成本。

用于操作燃料电池系统的方法

图3示出根据本发明的一种具体实施方式的用于操作燃料电池系统200的方法的流程图。

如图3所示，在步骤b31中，将燃料，例如像甲烷之类的烃燃料供应至燃料电池系统200的阳极循环回路11中。在本发明的具体实施方式中，提供至阳极循环回路11中的燃料可以包括由燃料供应装置14提供的燃料，或者经由燃料净化装置16净化后的燃料。在一个具体实施方式中，阳极循环回路11还可以包括燃料重整器13。燃料可以被提供至燃料重整器13的重整器入口131。

在步骤b32中，氧气，例如空气中含有的氧气，被供应至阳极循环回路11的燃料电池堆12的阴极122。燃料重整器13接收燃料及来自燃料电池堆12的阳极出口1212的尾气，并且产生重整气s。重整气s中的再循环的重整气s1然后可以被返回到燃料电池堆12的阳极入口1211。在燃料电池堆12的阳极121中，再循环的重整气s1与来自阴极122的氧离子混合，并且被转化成水蒸汽，从而产生电力。

在步骤b33中，可以例如通过使用流量计21来测量提供至阳极循环回路11中的燃料的燃料流量ffuel(例如，甲烷流量)。

在步骤b34中，可以例如通过使用电流测量装置22来测量从燃料电池堆12拉出的电流i。

在步骤b35中，可以例如通过rr测量装置23来测量阳极循环回路11中的循环比rr。

在步骤b36中，可以基于在步骤b33中测量出的燃料流量ffuel、在步骤b34中测量出的电流i以及在步骤b35中测量出的循环比rr可以估算燃料电池堆12的燃料利用率uffc_est。

以下将继续结合图3详细描述在步骤b36中是如何估算燃料电池堆12的燃料利用率uffc_est。

在步骤b361中，可以基于测量出的燃料流量ffuel、测量出的电流i及燃料电池堆12的燃料电池的数量n根据以上的公式(5)来计算系统200的燃料利用率ufsys。

在步骤b362中，可以预先建立燃料利用率(fuelutilization，uf)模型31。uf模型31可以定义在燃料电池堆12的燃料利用率uffc、系统200的燃料利用率ufsys以及阳极循环回路11中的循环比rr之间的映射关系。

在步骤b363中，可以根据计算出的系统200的燃料利用率ufsys和测量出的循环比rr从uf模型31中确定燃料电池堆12的燃料利用率uffc_est。

步骤b37可以判定估算出的燃料电池堆12的燃料利用率uffc_est是否接近燃料电池堆12的燃料利用率上限或下限。当估算出的燃料电池堆12的燃料利用率uffc_est接近燃料电池堆12的燃料利用率上限或下限时，则过程可以前进到步骤b38。否则的话，则过程可以返回到步骤b31。

在步骤b38中，可以基于估算出的燃料电池堆12的燃料利用率uffc_est来对燃料电池系统200进行控制。在一个具体实施方式中，对燃料电池系统200进行控制可以包括仅对燃料电池系统200进行监控。例如，当估算出的燃料电池堆12的燃料利用率uffc_est接近燃料电池堆12的燃料利用率上限或下限时，可以在操作者界面上产生报警信号，或者通过电子邮件或文本消息将通知发送给系统操作者，从而通知系统操作者采取行动来对燃料电池堆12的燃料利用率进行控制。在另一个具体实施方式中，对燃料电池系统200进行控制可以包括调整燃料电池系统200的参数。例如，当估算出的燃料电池堆12的燃料利用率uffc_est接近燃料电池堆12的燃料利用率上限或下限时，可以调整提供至阳极循环回路11中的燃料流量ffuel、从燃料电池堆12拉出的电流i以及阳极循环回路11中的循环比rr中的一个或者多个。

本发明的具体实施方式的用于操作燃料电池系统200的方法可以提高操作的可观测性，并且在运行过程中能够提高装置性能，从而使得本发明的具体实施方式的燃料电池系统200能够具有高可靠性、高灵活性和低运行成本。

具体实施方式2

预测燃料电池系统的燃料利用率上限

本发明还可以提供另一种具体实施方式的燃料电池系统300。燃料电池系统300可以具有如图2所示的燃料电池系统200的大部分结构特征。例如，类似地，燃料电池系统300可以包括具有用于产生电力的燃料电池堆12的阳极循环回路11以及用于测量阳极循环回路11中的循环比rr的循环比(recycleratio，rr)测量装置23。

但是，与燃料电池系统200所不同的是，燃料电池系统300可以包括另一种具体实施方式的处理器3。图4示出另一种具体实施方式的处理器3的示意图。如图4所示，处理器3可以包括燃料利用率(fuelutilization，uf)模型31。uf模型31可以定义在燃料电池堆12的燃料利用率uffc、系统300的燃料利用率ufsys以及阳极循环回路11中的循环比rr之间的映射关系。例如，uf模型31可以包括以上的公式(7)。处理器3可以根据测量出的循环比rr和给定的燃料电池堆12的燃料利用率上限从uf模型31中来预测系统300的燃料利用率上限，如以下公式所示：

其中，ufsys_max代表系统300的燃料利用率上限，uffc_max代表给定的燃料电池堆12的燃料利用率上限、以及rr代表测量出的阳极循环回路11中的循环比。

因此，只要给定燃料电池堆12的燃料利用率上限uffc_max，并且，测量出阳极循环回路11中的循环比rr，就能够根据以上的公式(9)容易地预测系统300的燃料利用率上限ufsys_max。

预测燃料电池系统的燃料利用率下限

继续参照图4，处理器3还可以包括水碳比(steamtocarbonratio，scr)模型32。scr模型32可以定义系统300的燃料利用率ufsys和阳极循环回路11中的水碳比scr之间的映射关系。关于阳极循环回路11中的水碳比scr的定义可以参考中国专利申请第201510962881.x号，其内容通过参考的方式被引用于此。

作为一个示例，scr模型32可以包括如下的公式：

因此，只要给定阳极循环回路11中的水碳比下限，处理器3就能够根据给定的阳极循环回路11中的水碳比下限从scr模型32中容易地预测系统300的燃料利用率下限，如以下公式所示：

其中，ufsys_min代表系统300的燃料利用率下限，以及scrmin代表给定的阳极循环回路11中的水碳比下限。

在一个示例性的具体实施方式中，在给定的阳极循环回路11中的水碳比下限scrmin等于2，给定的燃料电池堆12的燃料利用率上限uffc_max等于80％，以及燃料电池的电压等于0.6伏的情况下，并且，基于测量出的阳极循环回路11中的不同的循环比rr，可以根据公式(10)和(9)分别获得系统300的燃料利用率下限ufsys_min和系统300的燃料利用率上限ufsys_max(见表2)。

表2

基于预测出的系统的燃料利用率上限防止燃料饥饿

类似地，燃料电池系统300还可以包括用于测量提供至阳极循环回路11中的燃料的燃料流量ffuel的流量计21、用于测量从燃料电池堆12拉出的电流i的电流测量装置22以及控制器4。

处理器3可以基于测量出的燃料流量ffuel、测量出的电流i及燃料电池堆12的燃料电池的数量n根据以上的公式(5)来计算系统300的燃料利用率ufsys。

基于预测出的系统300的燃料利用率上限ufsys_max和计算出的系统300的燃料利用率ufsys，控制器4可以对系统300进行控制以防止燃料饥饿。

基于预测出的系统的燃料利用率上限和预测出的系统的燃料利用率下限防止燃料饥饿和碳沉积

基于预测出的系统300的燃料利用率上限ufsys_max、预测出的系统300的燃料利用率下限ufsys_min以及计算出的系统300的燃料利用率ufsys，控制器4也可以对系统300进行控制以防止燃料饥饿和碳沉积。

继续参照图4，处理器3还可以包括燃料利用率(fuelutilization，uf)约束模块33。uf约束模块33可以基于预测出的系统300的燃料利用率上限ufsys_max、预测出的系统300的燃料利用率下限ufsys_min以及计算出的系统300的燃料利用率ufsys来确定燃料流量增量ffuel_trim、电流增量itrim及循环比增量rrtrim中的一个或多个增量。

控制器4可以基于确定出的一个或多个增量ffuel_trim、itrim、rrtrim来对系统300进行控制。例如，控制器4可以通过使用确定出的一个或多个增量ffuel_trim、itrim、rrtrim来校正燃料流量设定值ffuel_sp、电流设定值isp及循环比设定值rrsp中的一个或多个对应的设定值，并且，基于校正后的一个或多个设定值来对系统300进行控制。

参照图5，燃料电池系统300可以包括燃料流量调节器150、功率调节装置52及循环比(rr)调节装置53。控制器4包括燃料利用率(fuelutilization，uf)控制器41、功率控制器42及循环比(recycleratio，rr)控制器43。

在一个具体实施方式中，系统300的燃料利用率设定值ufsys_sp和计算出的系统300的燃料利用率ufsys可以被输入到减法器61，并且，然后可以被输入到uf控制器41中，从而获得燃料流量设定值ffuel_sp。燃料流量设定值ffuel_sp和确定出的燃料流量增量ffuel_trim可以被输入到加法器62。加法器62可以将确定出的燃料流量增量ffuel_trim增加到燃料流量设定值ffuel_sp中，从而获得校正后的燃料流量设定值，其可以被送入到燃料流量调节器150中。燃料流量调节器150可以基于校正后的燃料流量设定值对提供至阳极循环回路11中的燃料流量ffuel进行调节。

在另一个具体实施方式中，功率需求和从燃料电池堆12测量出的输出功率po可以被输入到减法器63，并且，然后可以被输入到功率控制器42中，从而获得电流设定值isp。功率需求例如可以来自于电网或电负载。电流设定值isp和确定出的电流增量itrim可以被输入到加法器64中。加法器64可以将确定出的电流增量itrim增加到电流设定值isp中，从而获得校正后的电流设定值，其可以被送入到功率调节装置52中。功率调节装置52可以基于校正后的电流设定值对从燃料电池堆12拉出的电流i进行调节。

在又一个具体实施方式中，循环比设定值rrsp、确定出的循环比增量rrtrim以及测量出的循环比rr可以被输入到加减法器65中。加减法器65可以将确定出的循环比增量rrtrim增加到循环比设定值rrsp中，从而获得校正后的循环比设定值，并且，从校正后的循环比设定值中减掉测量出的循环比rr，其可以被送入到rr控制器43中。rr控制器43可以对rr调节装置53进行调节以调整阳极循环回路11中的循环比rr。

一旦系统300的操作变量，即系统300的燃料利用率ufsys接近或者超出预先定义的约束边界，则本发明的具体实施方式的燃料电池系统300能够执行增量调节，因此，能够确保本发明的具体实施方式的燃料电池系统300在约束边界内进行操作，并且，本发明的具体实施方式的燃料电池系统300在运行过程中能够提高装置健康度。

用于操作燃料电池系统的方法

图6示出根据本发明的另一个具体实施方式的用于操作燃料电池系统300的示意性方法的流程图。

如图6所示，在步骤b61中，可以基于测量出的提供至阳极循环回路11中的燃料流量ffuel、测量出的从燃料电池堆12拉出的电流i以及燃料电池堆12的燃料电池的数量n根据以上的公式(5)计算系统300的燃料利用率ufsys。

在步骤b62中，可以基于给定的阳极循环回路11中的水碳比下限scrmin从水碳比(scr)模型32中根据以上的公式(11)预测系统300的燃料利用率下限ufsys_min。

在步骤b63中，可以基于测量出的阳极循环回路11中的循环比rr以及给定的燃料电池堆12的燃料利用率上限uffc_max从uf模型31中根据以上的公式(9)来预测系统300的燃料利用率上限ufsys_max。

步骤b64可以判定预测出的系统300的燃料利用率上限ufsys_max与计算出的系统300的燃料利用率ufsys之间的差值是否小于第一阈值，如以下的公式(12)所示。在公式(12)中，a代表第一阈值。

ufsys_max-ufsys＜a(12)

步骤b65可以判定计算出的系统300的燃料利用率ufsys与预测出的系统300的燃料利用率下限ufsys_min之间的差值是否小于第二阈值，如以下的公式(13)所示。在公式(13)中，b代表第二阈值。

ufsys-ufsys_min＜b(13)

第一和第二阈值a、b可以根据系统300的燃料利用率ufsys的不确定性总和来确定。

在步骤b66中，可以根据判定的结果来确定燃料流量增量ffuel_trim、电流增量itrim及循环比增量rrtrim中的一个或多个增量，例如燃料流量增量ffuel_trim。

在步骤b661中，当预测出的系统300的燃料利用率上限ufsys_max与计算出的系统300的燃料利用率ufsys之间的差值小于第一阈值a时，则确定出的燃料流量增量ffuel_trim可以被表述为如下：

在步骤b662中，当计算出的系统300的燃料利用率ufsys与预测出的系统300的燃料利用率下限ufsys_min之间的差值小于第二阈值b时，则确定出的燃料流量增量ffuel_trim可以被表述为如下：

在步骤b663中，当预测出的系统300的燃料利用率上限ufsys_max与计算出的系统300的燃料利用率ufsys之间的差值不小于第一阈值a，并且，计算出的系统300的燃料利用率ufsys与预测出的系统300的燃料利用率下限ufsys_min之间的差值小于第二阈值b时，则确定出的燃料流量增量ffuel_trim可以被表述为如下：

ffuel_trim＝0(16)

在步骤b67中，可以基于确定出的燃料流量增量ffuel_trim来校正燃料流量设定值ffuel_sp。作为一个示例，确定出的燃料流量增量ffuel_trim可以被增加到燃料流量设定值ffuel_sp中，从而获得校正的燃料流量设定值。

在步骤b68中，基于校正后的燃料流量设定值来对提供至阳极循环回路11中的燃料流量ffuel进行控制。

尽管在以上的方法中使用燃料流量增量ffuel_trim作为一个或多个增量的说明性示例，然而，以上的方法可以类似地适用于电流增量itrim及循环比增量rrtrim。

本发明的具体实施方式的方法能够有效地同时防止燃料饥饿和碳沉积，通过有限的可调节变量，例如提供至阳极循环回路11中的燃料流量ffuel、从燃料电池堆12拉出的电流i以及阳极循环回路11中的循环比rr，同时解决了两个关键约束。

尽管根据本发明的具体实施方式的用于操作燃料电池系统200、300的方法的动作被示出为功能块，但是，在图3和图6所示的各个功能块的顺序和各个功能块之间的动作的分离并不意图是限制性的。例如，可以以不同的顺序来执行各个功能块，并且，与一个功能块相关联的动作可以与一个或者多个其它功能块相结合或者可以被细分成多个功能块。

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。