一种固体氧化物燃料电池负载功率切换方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于燃料电池技术领域，更具体地，涉及一种固体氧化物燃料电池负载功 率切换方法。
【背景技术】
[0002] 能源和环境是当今世界面临的两大问题，固体氧化物燃料电池 （Solid Oxide Fuel Cell，S0FC)作为一种高效、清洁的发电技术，有着良好的应用前景。固体氧化物燃 料电池是一种直接将储存于燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的发电装置，没有产生 热能这一中间过程，其能量转换效率不受卡诺循环限制，理论效率可达80-90%，实际可达 45-70%。与传统火力等发电方式相比，具有发电效率高，噪音小，环境友好低排放等特点。
[0003] 如图1所示，独立的S0FC系统包括电堆、换热器、旁路阀、鼓风机、燃烧室、控制柜。 中国专利CN103236555A详细介绍了一套完整的固体氧化物燃料电池构成系统及其热电协 同控制的方法，提高了系统的效率，保证了电堆的使用寿命。中国专利CN103969593A分析 了一种确定S0FC系统参数的方法，通过对系统进行静态分析，找到工作在不同功率下的系 统最优操作点，在使系统效率最大化的同时能够使系统温度维持在安全范围以内，保障了 系统稳定、高效的运行。然而这些专利都没从功率改变时如何保证快速，安全高效的负载跟 踪，和功率变化时如何去避免燃料亏空。
【发明内容】
[0004] 针对S0FC系统在负载动态变换时的安全和高效性问题，本发明提供了一种固体 氧化物燃料电池负载功率切换方法，从负载功率上升的角度分析系统的安全性和高效稳定 的性能，同时避免发生燃料亏空。
[0005] 在通过静态分析，已得系统最优操作点的基础上。深入分析系统外部负载功率切 换时的开环动态响应特性，特别是系统潜在的关键性问题，例如动态响应过程中的传输延 迟，系统效率，快速功率跟踪情况以及燃料亏空问题，进而有针对性地进行控制策略与控制 器设计，实现S0FC系统安全，高效，稳定地进行快速负载跟踪。
[0006] 固体氧化物燃料电池系统的切换过程中存在两个问题：
[0007] 第一个问题：燃料亏空问题。燃料亏空，即电堆出口燃料组分等于0。研究发现 当输出功率发生阶跃上升时，如果气体供应不及时提高会使得系统因为燃料亏空而发生停 机、损坏，解决燃料亏空是本发明进行研究的一个重点。
[0008] 第二个问题：功率快速跟踪问题。提尚系统功率响应度速率，使得系统功率快速有 效地跟踪外部负载。
[0009] 功率响应曲线的响应过程可以分为两个阶段：第一个阶段是由电化学特性引起的 快速响应，即电化学响应阶段，其响应时间在秒级或者百秒级；第二个阶段是由温度缓慢变 化引起的温度响应阶段，其响应时间为千秒级甚至万秒级。
[0010] 如果直接进行切换，其负载跟踪非常缓慢，而且存在燃料亏空问题，为了解决 这两个问题，结合系统功率响应特性，其基本思路是采用抛物线开环双步电流预控功率 切换方法，即：在功率由初始功率t切换到目标tr ：)时，找到一个中间功率 C >tM吏得由初始功率坻切换到中间功率/^的电化学响应可以满足目 标功率需求，再由中间功率6^切换到目标功率，在这两个功率切换过程中保持输出电 流调节信号为斜率逐渐增大的抛弧线信号，使得功率缓慢增大。
[0011] 为了研究S0FC发电系统的开环动态特性，对负载功率阶跃上升的开环动态特性 响应进行分析。比如，在50000s从半负载2. 5Kw到满负载5Kw变化，观测其单电池片各个 节点（5个节点）的出口氢气流量，发现除第一个节点出口处氢气组分不为0以外，其他节 点均产生燃料亏空。由于当外部负载需求增加、将瞬时加大对于燃料的消耗，而气体的传输 往往存在一定的延时，从而造成了部分时段的燃料亏空，影响系统的工作安全与稳定。当氢 气供应存在延时情况下，由低负载向高负载切换时、不能采用单步阶跃策略，需要针对性设 计合理的切换方法、以避免燃料亏空。
[0012] 为了解决负载增大过程中燃料亏空和功率跟踪过慢等问题，提出了一种解决燃料 亏空和负载功率快速跟踪问题的方法，即抛物线开环双步电流预控功率切换方法。其具体 技术方案如下：
[0013] 由实验得到功率响应的过程可以分为两个阶段：第一个阶段是由电化学特性引起 的快速响应，即电化学响应阶段，其响应时间在秒级或者百秒级；第二个阶段是由温度缓慢 变化引起的温度响应阶段，其响应时间为千秒级甚至万秒级。
[0014] 假设S0FC系统功率在时间t。由功率it切换至
，则 S0FC系统响应过程中功率输出可以表示为：
[0015] 其中力^￡代表系统化学响应阶段的功率增幅，代表温度响应阶段的功率增 幅。
[0016] 在抛物线开环双步电流预控功率切换方法下，考虑从.it切换至^'，其所对应的 最优点分别为（/? , BP°，AR°，FU°)和（/f , BPdes，ARdes，FUdes)，如果直接进行切换，其负载跟 踪非常缓慢，为了解决这一问题，同时存在燃料亏空问题，结合系统功率响应特性，其基本 思路就是保留响应时间迅速的电化学响应阶段，剔除响应时间相对缓慢的温度响应阶段。 为此，本发明设计了开环双步电流预控功率切换策略：引进一个比所需功率点大的中间功 率变量
所对应的最优点为（f，BPimdAR imd，FUimd)，且中间功 率变量满足以下条件：
[0018] 其中
δ P接近于〇,为非常小的值。
[0019] 即有切换过程中的电化学响应近似的等于最终功率的增加量&+
[0020] 本发明把功率切换分成两个主要阶段进行切换：第一个阶段叫做切换阶段，第二 个阶段叫做保持阶段，所有点均在最优点之间进行切换。
[0021] 切换阶段的本质是保留S0FC系统功率响应过程中的电化学反应响应过程，使得 系统迅速跟踪至外部需求负载，在切换阶段需要注意的一个问题是寻找最优切换时间，使 其不产生燃料亏空，假设系统在特定功率切换下的最优切换时间为则选择切换时 间A. 在切换阶段均不会出现燃料亏空。在切换阶段需要重点寻找两个参数，一是 使得系统不产生燃料亏空的切换时间，另外一个是使得系统进行切换的中间功率值 得指出的是，切换阶段完成以后，系统会快速达到负载功率跟踪需求，即其负载功率跟踪的 时间段与切换时间相近，假设在t。时刻开始切换，负载在t g时间跟踪至外部负载需求，则有
St为接近于0的时间段。
[0023] 保持阶段的主要目的是在保持功率在外部负载所需功率附近的前提下，缓慢切换 至稳态最优工作点（/f，BPdes，ARdes，FUdes)，在保持阶段，选择不同的抛物线切换路径，系统 在tg时刻进行切换，在此阶段过程中，负载跟踪保持在目标功率值附近，其跟踪状态用 功率响应过程中的最大跟踪误差来衡量：
[0025] 其中，Pk(a，b)表示功率切换路径，对于本发明所述的5kW S0FC系统，规定Max.
[0026] 中间功率和切换时间由实验数据得到，如图2所示，根据初始功率和目标 功率可以查图2得到中间功率和切换时间。
[0027] 总而言之，与现有技术相比，本发明设计的抛物线双步电流预控组合的切换方法 实现了 S0FC系统安全，高效，稳定地进行，并且大大的提速切换过程、克服S0FC系统大惯性 的时滞特点，真正意义上实现快速的负载切换，同时避免燃料亏空。
【附图说明】
[0028] 图1为本发明实施例中5KW S0FC系统框图；
[0029] 图2为系统控制的预控参数集（a)切换时间和（b)中间切换功率，白线代表 <€丄的界限，代表燃料亏空只考虑功率上升工况下的切换。
【具体实施方式】