利用快速负荷恢复程序恢复高温燃料电池的高功率输出操作的方法和系统的制作方法

专利名称：利用快速负荷恢复程序恢复高温燃料电池的高功率输出操作的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池，并且尤其涉及燃料电池系统中功率负荷恢 复的方法。
背景技术：
燃料电池是通过电化学反应而将存储在碳氢化合物燃料中的化 学能直接转换成电能的装置。通常，燃料电池包含由电解质分隔的阳 极和阴极，电解质用来电传导带电离子。为了产生有用的功率电平， 许多独立的燃料电池被串联地堆叠并且在各个电池之间有导电分隔 板。
燃料电池通过使反应物燃料气体穿过阳极，同时使氧化气体穿过 阴极而工作。燃料电池系统的电输出部分地依赖于被加湿的燃料气体
极的速率。为了将燃料电池系统的功率输出从低负荷增大或斜升
(ramp )到对应于高目标功率输出的高负荷，被加湿的燃料气体和氧 化剂气体被提供到燃料电池系统的速率要相应地增大。
高温燃料电池系统(例如，熔融碳酸盐燃料电池("MCFC")和 固体氧化物燃料电池("SOFC"))能够工作在约250kW或更高的高 功率输出下。然而，当燃料电池系统的功率输出或负荷改变时，响应 于改变的电化学反应速率而致使系统的热分布也改变，将热应力和机 械应力施加于燃料电池堆。为了在燃料电池堆内保持相对恒定的热分 布并且为了将该堆上的热-机械应力减到最小，典型地必须以緩慢且 可控的速率来增大系统的功率输出以及因此增大负荷。例如，工作在 低负荷下的MCFC系统的功率输出典型地以0.5kW/min (分钟)的速
6率增大直到系统达到高目标功率输出。结果，燃料电池系统需要大量 的时间以便在不导致损害燃料电池堆的情况下达到高负荷工作状态。 在某些情况下，工作在高负荷状态下的燃料电池系统可能从高负
荷突然下降到低负荷。可能由于短期电网中断(grid disruption)而 致使这样的负荷并因此使功率输出突然下降，在该短期电网中断中连 接到电网的燃料电池系统与该电网分离，因此消除了由该电网产生的 负荷源并且将系统负荷减少到孤立负荷(island load)。在其它情况 下，功率输出的突然下降由控制器来命令以便允许过程改变(process change)(例如燃料转换(fuel switching ))或者处理系统元件的失 效。这种突然命令的功率输出的下降可能导致低负荷状态或零负荷状 态。
一旦回复系统的斜升到高负荷的能力，则传统方法将以緩慢的渐 进的速率将燃料电池的功率输出从低负荷增大或斜升到高负荷，在高 目标功率输出处停止。高目标功率输出通常等于先前的高负荷。传统 的方法需要大量时间，且因此导致相当可观的系统电力输出和效率的 降低。因此，期望在中断之后在不导致损害燃料电池堆的情况下快速 恢复负荷以允许燃料电池系统快速回到高负荷工作状态。
因此，本发明的目的为提供一种在负荷从高瞬间下降到低之后在 燃料电池系统中快速恢复高负荷状态的方法。
本发明的另一目的为提供一种将燃料电池堆上的热应力和机械 应力降到最小并且不导致该电池堆的损害的快速负荷恢复的方法。

发明内容
上述和其它的目的在具有燃料电池和用于控制燃料电池系统的 功率输出的功率负荷控制器的燃料电池系统中实现。该功率负荷控制 器适合于在负荷从高负荷下降到低负荷并且其后恢复斜升到高目标 功率输出的能力时执行负荷恢复程序。高目标功率输出基本上等于或 接近于从高负荷降到低负荷之前的该高负荷。具体地，该控制器适合 于在一个或多个预定条件全部都满足时通过控制燃料电池系统的功率输出以第一预定速率从对应于低负荷的功率输出增大到对应于高 负荷的高目标功率输出来执行快速负荷恢复程序，并且该控制器适合 于在至少一个预定条件不满足时通过控制功率输出以低于该第一预 定速率的第二预定速率增大到对应于高目标功率输出的功率输出来
执行标准负荷恢复程序。该高负荷至少比低负荷大IO kW并且从高负 荷到低负荷的负荷下降是在10秒或更少的时间段(time period)内的 瞬时负荷下降。
在一些示例性实施例中，燃料电池系统接收输入燃料、输入水和 输入氧化剂并且进一步包括用于将输入燃料与水结合以产生被加湿 的燃料的加湿组件。控制器通过控制至少输入燃料和输入水的流速来 控制燃料电池系统的功率输出，其中控制该输入燃料和水的流速使得 在执行快速负荷恢复程序期间碳与水汽的比为恒定的。在一些实施例 中，控制器也控制到系统的输入氧化剂的流速。
在一些示例性实施例中，对于执行快速负荷恢复程序的预定条件 包括第 一条件和第二条件，该第 一条件为在从高负荷到低负荷的负荷 下降与斜升到高目标功率输出的能力的恢复之间经过的时间段等于
或小于第一预定时间段，该第二条件为自前一次快速负荷恢复程序完 成以来经过的时间段等于或大于第二预定时间段。第一预定时间段的 实例为15分钟，第二预定时间段为90分钟。第一和第二预定速率的实 例分别为50 kW/min和0.5 kW/min。在一些情况下，预定条件还包括 第三条件，其为在燃料电池系统中没有电力警报被启动。
在燃料电池系统的 一 些示例性实施例中，燃料电池系统连接到电 网，并且该系统的负荷由控制器来设置。在其它实施例中，燃料电池 系统独立于电网并且负荷由连接到燃料电池系统的一个或多个耗电 装置来确定。
还描述了操作燃料电池系统的方法，该燃料电池被提供有输入燃 料、输入水和输入氧化剂并且包括加湿组件和具有阳极和阴极的燃料 电池。


在阅读以下结合附图的详细描述后本发明的上述和其它特征和
方面将变得更为明显，其中
图l示出采用负荷控制组件的燃料电池系统，该负荷控制组件用 于控制该系统的功率输出并且用于执行快速负荷恢复；
图2示出图1的负荷控制组件的控制器的操作的流程图3示出图l的负荷控制组件的控制器在选择适当的负荷恢复程 序中的操作的流程图；以及
图4示出在电网上工作的图1的燃料电池系统在该系统与电网暂 时断开连接之后的操作的流程图。
具体实施例方式
图1示出了燃料电池系统100。燃料电池系统100包括功率负荷 控制器501,其用于确定负荷和负荷随时间的变化，并且在系统工作 期间根据功率输出设置点501A、所确定的系统100的负荷和负荷的 变化而控制燃料电池系统100的功率输出IOOA。功率输出设置点为 由控制器基于所确定的负荷以及负荷的变化而调整的移动的设置点， 并且在发电装置(power plant)为电网连接时其对应于在给定时刻的 来自燃料电池系统100的所期望的功率输出，以及在发电装置为孤立 模式或与电网断开连接时其对应于实际的功率输出。特别是，控制器 501通过基于功率输出设置点501A控制至少来自燃料供应装置102 的输入燃料和来自水供应装置132的输入水到系统100的流速来控制 系统100的功率输出IOOA。如能够明白的，输入燃料和输入水被供 应给系统100的速率确定了由燃料电池系统输出的允许的电功率量以 及供给系统100的燃料电池109的燃料的水汽与碳的比值，并且期望 燃料和水的流速使由系统输出的电功率满足功率输出设置点。在一些 实施例中，控制器501还控制来自空气供应装置124的输入空气到系 统100的流速以及通过改变燃料、水和空气的流速来控制系统100中 的工作温度。如图1所示，燃料电池系统100还包括加湿组件105，其接收输 入燃料和输入水并将该输入燃料和输入水结合从而充分地加湿在燃 料电池109中使用的燃料。在所示出的示例性实施例中，加湿组件105 包括混合器和热交换器，该混合器接收输入燃料和水并将该输入燃料 和水结合以产生被加湿的燃料，该热交换器将被加湿的燃料预热到预 定温度。如图所示，加湿组件105通过连接线103a和阀112从燃料 供应装置102接收输入燃料，并且经过连接线133和阀134从水供应 装置132接收输入水。在加湿组件105的混合器中，燃料和水被混合 以产生被加湿的燃料，并且被加热到预定温度。
图1中的燃料电池系统IOO进一步包括燃料处理组件104，其接 收、清洁并进一步处理被预热的加湿的燃料。处理组件104可以包括 脱氧剂单元和/或预重整器单元。燃料在处理组件104中进行处理之 后，通过连接线107被传送到燃料电池109的燃料电池阳极108，在 其中它与穿过燃料电池109的燃料电池阴极IIO的氧化剂气体反应以 产生电功率输出。输入到阴极110的氧化剂气体在氧化器126中产生， 该氧化器126接收并混合来自空气供应装置124的输入空气和来自燃 料电池阳极108的包含未耗尽的燃料的阳极废气，并且燃烧输入空气 和未耗尽的燃料以产生适合用于阴极110的被加热的氧化剂气体。
如上所述以及图1所示，来自燃料供应装置102的输入燃料流速 和来自水供应装置132的输入水流速由负荷控制组件101的功率负荷 控制器501基于功率输出设置点和功率输出设置点的任何变化(例如， 在斜升到新的高目标功率输出时)来控制。功率负荷控制器501的操 作示意性示出在图2所示的流程图中。
如图2所示，在第一步骤S1中功率负荷控制器501确定系统100 上的电负荷和/或相对于先前所确定负荷的负荷的任何变化。如能够理 解的，如果燃料电池系统100连接到电网，则负荷能够被驱动到任何 预定的设置点或者如所期望的波动，因为提供稳定且恒定电压的电网 能够吸收来自燃料电池系统的全部负荷。当燃料电池系统100不连接 到电网时，负荷由"孤立负荷，，确定，该孤立负荷为连接到燃料电池系统100并从燃料电池系统100接收电功率的负荷。基于在第一步骤si 中的确定，控制器501在第二步骤S2中确定功率输出设置点并且通
出足够的电』率以满足功;输出设置点如果燃料电池系:统不连接到
电网，则功率输出设置点被设置为等于孤立负荷使得满足孤立负荷需 求。
如图2所示，控制器501接着进入第三步骤S3，在第三步骤S3 中控制器基于在第一步骤Sl中的确定而确定是否已经发生功率输出 从高负荷到低负荷的瞬时下降。在该示例性实施例中，高负荷是相对 于低负荷而言的，其中高负荷至少比低负荷多10kW。因此，功率输 出的瞬时下降是发生在IO秒或更少时间段内的至少10 kW的下降。 如上所述，可能由于系统与电网断开连接而发生功率输出从高负荷到 低负荷的瞬时下降，使得负荷变为"孤立负荷"。另外，在系统保持电 网连接时，负荷的瞬时下降可能是由于功率输出设置点的改变从而立 即降低负荷以便于必须在低或无负荷情况下执行的系统改变(例如， 交换燃料，或者是由于系统元件的失效)。如果控制器501在步骤S3 中确定功率输出基本恒定并且没有发生功率输出从高负荷到低负荷 的瞬时下降，那么控制器501回到第一步骤S1以及然后到步骤S2以 继续监视负荷和负荷的变化并且通过根据在第二步骤S2中确定的功 率输出设置点而控制输入燃料和输入水流速来控制系统的功率输出。
如果，在第三步骤S3中功率负荷控制器确定功率输出已经从高 负荷瞬时下降到低负荷，那么控制器501进入第四步骤S4，在第四步 骤S4中控制器确定负荷下降的原因以及是否已经恢复系统斜升到高 目标功率输出的能力。高目标功率输出是在高负荷状态下所期望的功 率输出，其基本等于或接近在功率输出的瞬时下降之前的高负荷状 态。例如，当由于与电网断开连接而引起的功率输出的瞬时下降时， 一旦将系统重新连接到电网就恢复斜升到高目标功率输出的能力。在 另一个实例中，当由控制器来命令功率输出从高负荷瞬时下降到低负 荷(例如为便于无负荷燃料交换)时， 一旦完成无负荷燃料交换就恢复斜升功率输出的能力。
如果控制器在步骤S4中确定斜升到高目标功率输出的能力没有 被恢复，则控制器的操作进入步骤S5以通过基于步骤S4中确定的负 荷而控制输入燃料和输入水流速来控制系统的功率输出。在步骤S5 之后，，控制器的操作返回步骤S4以再次确定负荷以及斜升到高目标 功率输出的能力是否已经恢复。如果在步骤S4再次确定斜升到高目 标功率输出的能力没有恢复，则控制器继续监视斜升到高目标功率输 出的能力并基于所确定的负荷控制系统的功率输出(步骤S4和S5 )， 直到在步骤S4中确定斜升到高目标功率输出的能力已经恢复。
如果控制器501在第四步骤S4中确定斜升到高目标功率输出的 能力已经恢复，则控制器的操作进入步骤S6，在该步骤中控制器501 选择合适的功率负荷恢复程序，该程序接着用于增加或斜升燃料电池 系统100的功率输出设置点并且因此增加或斜升功率输出直到功率输 出足够高以满足高目标功率输出。特别是，在步骤S6中控制器501 确定要被用于恢复系统的高功率输出操作的是标准负荷恢复程序还 是快速负荷恢复程序。在步骤S6中选择了合适的负荷恢复程序之后， 控制器的操作进入步骤S7以根据S6中所选的负荷恢复程序来控制系 统功率输出的斜升直到恢复了系统的高目标功率输出操作。如上面所 提到的，系统的功率输出通过控制到燃料电池系统的输入燃料和愉> 水的流速来控制。当完成该合适的负荷恢复程序(即，系统的功率输 出足以满足高目标功率输出)时，控制器501的操作回到第一步骤Sl。
如上面所提到的，标准或传统的负荷恢复程序需要緩慢地逐渐地 增大燃料电池系统的功率输出直到功率输出足以满足系统的高目标 功率输出从而避免由于热应力和机械应力而对系统的损害。当使用标 准负荷恢复程序时，控制器501控制输入燃料和输入水的流速使得系 统的功率输出按照以标准预定速率斜升的功率输出设置点而增大。标 准预定速率足够地慢从而避免对燃料电池系统的损害。例如，在标准 负荷恢复程序期间在斜升燃料电池系统的功率输出设置点时能够使 用约0.5 kW/min的速率。然而，在某些情况下，可以使用快速负荷恢复程序来将系统的功 率输出以显著更高的速率从低功率输出增大到足以满足高目标功率 输出的高功率输出。当满足所需的条件并使用快速负荷恢复时，控制
器501控制到系统的输入燃料和输入水的流速使得功率输出以快速负 荷恢复("RLR")预定速率增大直到功率输出足以满足高目标功率输 出，该快速负荷恢复预定速率高于标准预定速率。例如，在快速负荷 恢复程序期间，可以通过以约50 kW/min的RLR速率增大功率输出 设置点来增大燃料电池系统的功率输出。快速负荷恢复程序的使用允 许系统在与标准负荷恢复程序相比明显更短的时间段内达到高负荷 操作以满足高目标功率输出。
作为以高速(例如，RLR预定速率)增大系统功率输出的结果， 系统中的燃料与水的比值可能被致使与到阳极108的燃料通路中的燃 料的停留时间相关地快速减小。这又致使用水汽稀释的燃料太緩慢地 前进到燃料电池阳极108中，因此负面地影响了系统的电输出和总性 能。因此，如下面将更充分讨论的，在执行快速负荷恢复程序期间供 应到系统的输入燃料和水的流速需要被控制使得在系统的功率输出 被增大的同时燃料的碳与水汽的比值保持恒定以便确保燃料以所需 的速率被传送到燃料电池阳极。
参考图3来详细地进一步讨论要使用的快速负荷恢复程序所需 的条件，图3示出了在恢复高功率要求之后控制器501在选择要使用 的负荷恢复程序中的逻辑操作的图。如上面关于图2所讨论的，如果 功率输出从高负荷瞬时下降到低负荷并且其后恢复系统斜升到高目 标功率输出的能力，则执行负荷恢复程序。因此，图3所示的控制器 501的操作以燃料电池系统100被启动并且工作在高功率输出下的 300作为开始。
在系统100的高功率输出操作期间的控制器501的操作的第一步 骤S101中，控制器501确定负荷和负荷的改变。如上面所提到的， 在系统连接到电网时系统负荷能够根据需要设置或调整，或者在系统 没连到电网时系统负荷由"孤立负荷"确定。在下一步骤S102中，控制器501基于步骤S101中所确定的负荷和负荷改变来确定功率输出 设置点，并且通过基于功率输出设置点而控制输入燃料和输入水流速 来控制系统的功率输出。其后控制器501的操作进入第三步骤S103， 在步骤S103中控制器确定功率输出是否从高负荷瞬时下降到低负荷。 如果在步骤S103中确定功率输出没有瞬时下降，那么控制器的操作 回到第一步骤SlOl。
然而，如果在步骤S103中确定功率输出从高负荷瞬时下降到了 低负荷，那么控制器的操作进入步骤S104，在步骤S104中控制器确 定负荷下降的原因以及是否已经恢复斜升到高目标功率输出的能力。 如上面所提到的，高目标功率输出基本等于或接近功率输出从高负荷 到低负荷的瞬时下降之前的功率输出。如果在步骤S104中控制器501 确定还没有恢复斜升到高目标功率输出的能力，则控制器的操作进入 步骤S105，在步骤S105中基于在步骤S104中确定的负荷而确定功率 输出设置点并且通过基于功率输出设置点而控制到系统的输入燃料 和水流速来控制系统的功率输出，并且其后回到步骤S104。如上面所 讨论的，控制器501继续监视负荷并通过基于所检测的负荷控制输入 燃料和水流速来控制功率输出设置点和系统的功率输出，直到步骤 S104中确定了已经恢复斜升到高目标功率输出的能力。
如果在步骤S104中控制器501确定已经恢复斜升到高目标功率 输出的能力，那么控制器501的操作进入步骤S106a，在S106a中控 制器501确定自确定功率输出从高负荷瞬时下降到低负荷以来是否已 经经过了等于第一预定时间段的预定时间段。第一预定时间段可以根 据各种因素(包括燃料电池系统的大小和类型)而变化。例如，对于 250 kW直接重整熔融碳酸盐燃料电池系统，第一预定时间段为约15 分钟。如果在步骤S106a中确定自功率输出的瞬时下降以来已经经过 了第一预定时间段，那么控制器的操作进入步骤S107以禁止快速负 荷恢复程序并选择标准负荷恢复程序。如上面所提到的，通过緩慢地 且逐渐地增大功率输出设置点来执行标准负荷恢复程序，并且因此根 据功率输出设置点通过控制输入燃料和输入水的流速来緩慢地且逐渐地增大系统100的功率输出，直到功率输出等于所恢复的高目标功
率输出。
如果在步骤S106a中控制器501确定自功率输出的瞬时下降以来 还没有经过第一预定时间段，那么控制器的操作进入步骤S106b，在 步骤S106b中控制器501确定自上次使用快速负荷恢复程序以来是否 已经经过了足够的时间。特别是，在S106b中控制器501确定自前一 次快速负荷恢复程序完成以来是否已经经过了等于第二时间段的预 定时间段。象第一预定时间段一样，第二预定时间段也根据所使用的 燃料电池系统的类型和大小而变化。例如，当使用250 kW直接重整 熔融碳酸盐燃料电池系统时，第二预定时间段等于90分钟。
如果在步骤S106b中控制器501确定自前一次快速负荷恢复程 序完成以来还没有经过第二预定时间段，那么控制器的操作进入步骤 S107以禁止快速负荷恢复程序并选择标准负荷恢复程序。如果在 S106b中控制器501确定已经经过第二预定时间段，那么控制器501 进入步骤S106c，在步骤S106c中控制器501感测是否已经启动了任 何被预先选择的电力警报。在某些情况下，被预先选择的电力警报包 括燃料电池系统100中所有的电力警报，而在其它情况下，被预先选 择的电力警报只包括会在快速负荷恢复程序期间对系统性能有负面 影响的那些电力警报。如果控制器501感测到已经启动了一个或多个 被预先选择的电力警报，那么控制器的操作进入步骤S107以选择标 准负荷恢复程序。然而，如果控制器501确认没有任何被预先选择的 电力警报被启动，那么控制器的操作进入步骤S108以选择快速负荷 恢复程序用于恢复燃料电池系统的高功率输出操作。
如上面所讨论的，当选择快魂负荷恢复程序时，根据功率输出设 置点以比使用标准负荷恢复程序时明显更高的速率来增大燃料电池 系统的功率输出。在某些实施例中，以约50kW/min的速率来增大功 率输出设置点以及因此增大系统的功率输出，该速率比在标准负荷恢 复程序中所使用的速率快100倍。在执行快速负荷恢复期间，控制输 入燃料和输入水的流速从而根据以RLR预定速率斜升的功率输出设
15置点来增大系统的功率输出。另外，控制器控制燃料和水流速使得在
保;皮加湿的:料以所需的e速率^传送多i"燃料电池阳极。例如，当使用
250 kW直接重整燃料电池系统时，控制器501控制输入燃料和水的 流速使得碳与水汽的比值保持在约2.0。
如上面所讨论的，执行负荷恢复程序直到燃料电池系统的功率输 出足以满足如步骤S104中所确定的高目标功率输出。当功率输出变 得足以满足高目标功率输出时，完成负荷恢复程序，燃料电池系统被 启动并工作在高功率输出下300，然后，控制器501的操作回到第一 步骤SlOl。
在连接到电网的燃料电池系统中快速负荷恢复程序是特别有用 的，这允许燃料电池系统的功率输出值被预先设置。如上面所提到的， 当发生暂时电网中断时，可以使燃料电池系统100与电网暂时断开连 接而导致功率输出瞬时下降到孤立负荷，并且在短时间段之后重新连 接到电网而导致恢复斜升到高目标功率输出的能力。在这样的状态 中，快速负荷恢复程序典型地适合于在系统重新连接到电网和恢复功 率输出斜升到高目标功率输出的能力之后允许快速恢复系统的功率 输出。图4示出了当连接到电网的燃料电池系统暂时与电网断开连接 短时间段时，在控制器501的控制下燃料电池系统的操作。
如图4所示，在第一步骤S201中，燃料电池系统连接到电网， 这允许系统的功率输出符合功率输出设置点，并且在足以满足高目标 功率输出的高电平下输出功率。当燃料电池系统与电网断开连接时燃 料电池系统的高功率操作被中断并且在步骤S202中确定低负荷。如 上面所提到的，可能由于电网中断或者例如燃料电池系统元件的失效 或系统内的过程改变的一个或多个其它因素而使系统与电网断开连 接。如上面关于图2和3所讨论的，当系统的控制器确定功率输出从 高负荷瞬时下降到低负荷时，控制器根据在低负荷处的功率输出设置 点来控制输入燃料流速和输入水流速直到系统重新连接到电网。
当在步骤S203中燃料电池系统重新连接到电网时，已经恢复了斜升到高目标功率输出的能力。然而，如图4所示，系统以先前独立 于电网的功率输出以低负荷重新连接到电网，并因此系统的功率输出 必须被增大或斜升直到它足以满足高目标功率输出。如果燃料电池系 统与电网断开连接一短时间段，则用于快速斜升系统的功率输出的快 速负荷恢复程序可能是合适的。因此，当在步骤S203中燃料电池系 统重新连接到电网并且准备斜升功率输出时，操作进入步骤S204，在 S204中控制器确定对于快速负荷恢复程序的条件是否满足。这些条件 包括自系统与电网断开连接以来经过的时间的最大长度、自完成前 一次快速负荷恢复程序以来经过的时间的最小长度和没有启动任何 被预先选择的电力警报。
如上面关于图3所讨论的，在步骤S204中控制器确定自系统与 电网断开连接的时刻以来是否已经经过了等于第一时间段的预定时 间段。在这里所描述的示例性实施例中，第一预定时间段为15分钟。 如果已经经过第一预定时间段，则没有满足对于快速负荷恢复程序的 条件并且控制器在S205中选择标准负荷恢复程序，从而系统的功率 输出根据功率输出设置点而緩慢地且逐渐地增大直到它满足高目标 功率输出。
如果还没有经过第一预定时间段，那么控制器确定自前一次快速
负荷恢复程序完成以来是否已经经过了第二预定时间段。在这.究听银 述的示例性实施例中，第二预定时间段为90分钟。如果控制器确定 还没有经过第二预定时间段，那么没有满足对于快速负荷恢复程序的 条件并且在步骤S205中禁止快速负荷恢复并选择标准负荷恢复程序。 如果控制器确定已经过去了第二预定时间段，则控制器确定是否启动 了任何会阻止快速负荷恢复的被预先选择的电力警报。如果已经启动 了任何这样的电力警报，那么在S205中禁止快速负荷恢复并选择标 准负荷恢复程序。如果控制器确定没有电力警报被启动，那么已经满 足了对于快速负荷恢复程序的条件，并且系统的操作进入步骤S206， 在S206中快速负荷恢复程序被选择并且执行。
如上面所讨论的，通过以比标准负荷恢复程序期间明显更高的速率增大功率输出设置点和燃料电池系统的功率输出来执行快速负荷 恢复程序。在本示例性实施例中，在快速负荷恢复程序期间功率输出
设置点增大的RLR速率为50 kW/min，而在标准负荷恢复程序期间 功率输出设置点增大的标准速率为0.5 kW/min。根据功率输出设置点 通过控制输入燃料和输入水流速来增大系统的功率输出，并且在快速
恒定。 B 、 ' ；' 'r
在这里所述的快速负荷恢复程序允许燃料电池系统在暂时从高 负荷下降到低负荷并随后恢复斜升到在高负荷状态中的高目标功率 输出的能力之后在比使用标准负荷恢复程序时明显更短的时间段内 恢复到高功率输出操作。快速恢复高功率输出操作的能力又快速地增 大燃料电池系统的效率和功率产生。另外，因为在距离负荷突然下降 时刻较短的时间段内执行快速负荷恢复程序，不会使燃料电池系统明 显地冷却，并且系统功率输出增大的高速率不导致对系统元件的损 害。
应当注意，控制器501可以是由GE制造的传统PLC (可编程 序逻辑控制器——本质上高可靠的稳健的(robust)计算机)。进而 所使用的控制程序可以是同样作为GE产品的称为"Versapro"的软件 产品，其能够在GEPLC中实施工业自动化。在其它实施例中，控制 器可以是由Foxboro制造的传统DCS(分布控制系统)，并且控制程 序可以是在DCS中执行用于工业自动化的软件，其也由Foxboro制 造。在又一实施例中，控制器可以是传统的基于PLC的"Iconics"系 统。
应当理解，时间段和用于执行快速负荷恢复的其它条件不限于这 里所描述的条件。如上面所提到的，控制器在确定是否应该采用快速 负荷恢复程序时所使用的第 一和第二预定时间段可以根据燃料电池 的类型和大小而变化。此外，在确定是否应该采用快速负荷恢复程序 时可以使用没有在这里具体提到的其它条件。
在所有情况下应当理解，上述布置仅仅说明了代表本发明应用的许多可能的具体实施例。在不脱离本发明的精神和范围的情况下根据 本发明的原理能够容易地设计众多的和变化的其它布置。
权利要求
1. 一种燃料电池系统，包括燃料电池；功率负荷控制器，用于基于功率输出设置点控制该燃料电池系统的功率输出；其中，在负荷从高负荷下降到低负荷并且其后恢复斜升到高目标功率输出的能力时，该控制器被适配为在满足一个或多个预定条件的全部的情况下通过控制所述燃料电池系统的功率输出以第一预定速率从对应于所述低负荷的功率输出增大到对应于所述高负荷的所述高目标功率输出来执行快速负荷恢复程序，并且在不满足所述一个或多个预定条件中的至少一个的情况下所述控制器通过控制所述功率输出以第二预定速率增大到对应于所述高目标功率输出的功率输出来执行标准负荷恢复程序，以及其中所述第一预定速率大于所述第二预定速率。
2. 根据权利要求l的燃料电池系统，其中 所述燃料电池系统接收输入燃料、输入水和输入氧化剂；被加湿的燃料的加湿组件；以及所述燃料电池具有用于接收被加湿的燃料的阳极以及用于接收 该输入氧化剂的阴极。
3.根据权利要求2的用于接收输入燃料和输入氧化剂的燃料电 池系统，其中所述控制器通过控制至少所述输入燃料和输入水的流速 来控制所述功率输出，并且所述控制器控制所述输入燃料和输入水的的。
4. 根据权利要求3的燃料电池系统，其中所述控制器控制所述 输入氧化剂的流速。
5. 根据权利要求l的燃料电池系统，其中所述一个或多个预定条件包括第一条件，所述第一条件为在从高负荷到低负荷的负荷下降 与斜升到所述高目标功率输出的能力的恢复之间经过的时间段等于 或小于第一预定时间段。
6. 根据权利要求5的燃料电池系统，其中所述一个或多个预定 条件还包括第二条件，所述第二条件为自前一次快速负荷恢复程序完 成以来经过的时间段等于或大于第二预定时间段。
7. 根据权利要求6的燃料电池系统，其中所述一个或多个预定 条件还包括第三条件，所述第三条件为在所述燃料电池系统中没有电 力警报被启动。
8. 根据权利要求6的燃料电池系统，其中所述第一预定时间段 为15分钟，所述第二预定时间段为90分钟。
9. 根据权利要求8的燃料电池系统，其中所述第一预定速率为 50kW/min,所述第二预定速率为0.5 kW/min。
10. 根据权利要求l的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统连 接到电网，并且所述负荷由所述控制器来设置。
11. 根据权利要求l的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统独 立于电网并且所述负荷由连接到所述燃料电池系统的一个或多个耗 电装置来确定。
12. —种操作具有燃料电池的燃料电池系统的方法，包括以下步簸.通过控制器基于功率输出设置点和所述系统的所检测的负荷的 改变来控制该燃料电池系统的功率输出，使得在所述负荷从高负荷下 降到低负荷并且其后恢复斜升到高目标功率输出的能力时，在满足一率:出以第 一预定速率:对应^所述低负荷的功^输出增大i]对应 于所述高负荷的所述高目标功率输出来执行快速负荷恢复程序，并且 在不满足所述预定条件中的至少一个的情况下通过控制所述功率输 出以第二预定速率增大到所述高目标功率输出来执行标准负荷恢复程序，其中所述第 一预定速率大于所述第二预定速率。
13. 根据权利要求12的方法，其中 所述燃料电池系统被提供有输入燃料、水和氧化剂； 所述燃料电池系统还包括用于将输入燃料和输入水结合以产生被加湿的燃料的组件；以及所述燃料电池具有用于接收被加湿的燃料的阳极以及用于接收 该输入氧化剂的阴极。
14. 根据权利要求13的操作燃料电池系统的方法，其中控制所述 燃料电池的所述功率输出的步骤包括控制至少输入燃料和输入水的 流速，并且其中控制所述输入燃料和所述输入水的所述流速使得在执 行所述快速负荷恢复程序期间所述燃料的碳与水汽的比值是恒定的。
15. 根据权利要求14的操作燃料电池系统的方法，还包括控制所 述输入氧化剂的流速的步骤。
16. 根据权利要求12的操作燃料电池系统的方法，其中所述一个 或多个预定条件包括第 一条件，所述第 一条件为在从高负荷到低负荷的负荷下降与斜升到所述高目标功率输出的能力的恢复之间经过的 时间段等于或小于第一预定时间段。
17. 根据权利要求16的操作燃料电池系统的方法，其中所述一个 或多个预定条件还包括第二条件，所述第二条件为自前一次快速负荷 恢复程序完成以来经过的时间段等于或大于第二预定时间段。
18. 根据权利要求17的操作燃料电池系统的方法，其中所述一个 或多个预定条件还包括第三条件，所述第三条件为在所述燃料电池系 统中没有电力警报被启动。
19. 根据权利要求17的操作燃料电池系统的方法，其中所述第一 预定时间段为15分钟，所述第二预定时间段为90分钟。
20. 根据权利要求19的操作燃料电池系统的方法，其中所述第一 预定速率为50 kW/min,所述第二预定速率为0.5 kW/min。
21. 根据权利要求12的操作燃料电池系统的方法，其中所述燃料 电池系统连接到电网，并且所述负荷由所述控制器来设置。
22. 根据权利要求12的操作燃料电池系统的方法，其中所述燃料 电池独立于电网并且所述负荷由连接到所述燃料电池系统的一个或 多个耗电装置来确定。
23. —种编程计算机控制器，用于执行权利要求12的方法。
24. —种计算机可读介质上的程序，用于由计算机控制器执行以 执行权利要求12的方法的步骤。
25. 根据权利要求l的燃料电池系统，其中所述高负荷至少比所 述低负荷大IO kW，并且所述负荷下降是在10秒或更少的时间段内从所述高负荷到所述低负荷的瞬时负荷下降。
26. 根据权利要求12的操作燃料电池系统的方法，其中所述高负 荷至少比所述低负荷大IO kW，并且所述负荷下降是在10秒或更少的 时间段内从所述高负荷到所述低负荷的瞬时负荷下降。
全文摘要
一种用于接收输入燃料、输入水和输入氧化剂的燃料电池系统，该系统包括用于将输入燃料与输入水结合以产生被加湿的燃料的加湿组件、具有用于接收被加湿的燃料的阳极和用于接收输入氧化剂的阴极的燃料电池以及用于基于功率输出设置点和所检测的负荷的改变来控制燃料电池系统的功率负荷的功率负荷控制器。如果负荷从高负荷下降到低负荷并且其后恢复斜升到高目标功率输出的能力，则该控制器适合于通过控制燃料电池系统的功率输出以第一预定速率从对应于低负荷的功率输出增大到对应于高负荷的高目标功率输出来执行快速负荷恢复程序。
文档编号H01M8/04GK101479873SQ200780024156
公开日2009年7月8日 申请日期2007年6月14日 优先权日2006年6月27日
发明者J·戴利, M·法鲁克, R·文卡塔拉曼, W·利文古德 申请人:燃料电池能有限公司