燃料电池控制系统的制作方法

本发明涉及燃料电池的控制系统，更具体地，涉及一种通过层级地控制并列连接的多个燃料电池，从而实现稳定地管理系统的燃料电池的控制系统及其控制方法。

背景技术：

通常，燃料电池作为将燃料本身具有的能量转换成电能的装置，通常是一种以作为阳极(anode)和阴极(cathode)的一双电极及其之间的电解质的形式布置，而且通过离子化的燃料气体的电化学反应同时获得电和热的系统。

高分子电解质燃料电池由于具有电流密度高、运行温度低、腐蚀及电解质耗损低的优点，初期的开发是用于军用或火箭的动力源，但是目前利用其输出密度高、装置简单可便于模块化的特点将其应用于汽车的动力源的研究正活跃地展开。

最近，燃料电池作为应对电力不足的分散电源的必要性正受到关注。这种燃料电池相比于现有的内燃机效率高，作为大气污染源的氮氧化合物和亚硫酸化物的排放量低，且能够大量降低二氧化碳的排放量，从而具有较高的环保效果的优点。

因此，电力部门开设了需求侧(demandresponse：dr)市场，并促进分散电源企业的电力市场参与度，并试行新再生能源义务配额制度(renewableportfoliostandard：rps)，从而在建筑物等上设置燃料电池的示例正逐渐增加。

最近，随着需求侧市场及新再生能源义务配额制度的增加，燃料电池的设置示例也随之增加，从而产生了对高容量的燃料电池的需求。如上所述，随着对高容量燃料电池需求的产生，需要一种通过连接多个燃料电池来满足使用者所需电量的系统。

然而，如果通过连接多个燃料电池来满足使用者所需电量，则当控制器发生异常时，会导致多个燃料电池工作停止，很难做到有效的电力管理，因此需要一种能够对此进行集成管理的系统。

技术实现要素：

技术问题

本发明欲解决的问题是，提供一种燃料电池控制系统，当分布式燃料电池控制器中发生异常时，也能够使单个燃料电池工作。

本发明欲解决的问题是，提供一种燃料电池控制系统，其将采用分布的控制器进行分组，按照各控制器分配各自承担的功能，从而减轻控制器的负担并提高运行的可靠性。

技术方案

根据本发明一实施例的一种燃料电池控制系统，其是包括由至少一单个燃料电池并列连接而成的至少两个燃料电池组的燃料电池系统的控制系统，所述燃料电池控制系统可包括：单位级控制器，其用于控制所述单个燃料电池的输出；组级控制器，其基于所述燃料电池组内单个燃料电池的性能下降率，确定所述燃料电池组内单个燃料电池的输出分配；以及系统级控制器，其根据网格的电力需求，确定燃料电池系统的总输出，并对应所述总输出确定各所述燃料电池组的输出分配。

所述单位级控制器根据燃料、空气、水中的至少一个控制变量，控制单个燃料电池的输出，并能够维持所述单个燃料电池的温度、压力、流量中的至少一个监视变量。

所述组级控制器从所述单位级控制器收集所述控制变量和所述监视变量，将收集的所述控制变量和所述监视变量加工成性能下降率、输出变化率和温度变化率中的至少一个数据，并可根据加工的所述数据确定所述单个燃料电池的输出分配。

如果所述单位级控制器中发生错误，则所述组级控制器可停止相应单位级控制器控制的单个燃料电池的输出。

如果所述组级控制器中发生错误，则所述单位级控制器将所述单个燃料电池的输出设定为最终设定值，并可维持所述燃料电池组的输出。

或者，如果所述系统级控制器中发生错误，则所述组级控制器将所述燃料电池组的输出设定为最终设定值，并可维持所述燃料电池组的输出。

根据本发明另一实施例的燃料电池控制方法，其是包括由至少一单个燃料电池并列连接而成的至少两个燃料电池组的燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池控制方法可包括：根据网格的电力需求，确定燃料电池系统的总输出，并对应所述总输出确定各所述燃料电池组的输出分配的步骤；基于所述燃料电池组内单个燃料电池的性能下降率，确定所述燃料电池组内单个燃料电池的输出分配的步骤；以及控制所述单个燃料电池的输出的步骤。

在确定所述单个燃料电池的输出分配的步骤中，将针对所述单个燃料电池的控制变量和监视变量加工成性能下降率、输出变化率和温度变化率中的至少一个数据，并可根据加工的所述数据确定所述单个燃料电池的输出分配。

有益效果

根据本发明的实施例，提供一种分布式燃料电池控制器中发生异常时也能够使单个燃料电池工作的燃料电池控制系统。

根据本发明的实施例，提供一种对采用分布的控制器进行分组，按照各控制器分配应承担的功能,从而减轻控制器的负担，并提高运行可靠性的燃料电池控制系统。

由此，通过在多重并列连接的燃料电池中采用分布式控制系统，从而在控制器不能运行的情况下仍能够维持整个发电系统的稳定运行。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的燃料电池控制系统的控制方框图。

图2是用于说明根据本发明一实施例的燃料电池控制方法的控制流程图。

图3是用于说明根据本发明另一实施例的燃料电池控制方法的控制流程图。

图4是用于说明根据本发明又一实施例的燃料电池控制方法的控制流程图。

图5是用于说明根据本发明又一实施例的燃料电池控制方法的控制流程图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施例进行详细说明以使本发明所属技术领域具有通常知识的技术人员容易理解。但是需要理解的是，以下说明并非旨在将本发明限定为特定的实施形态，而是用于旨在包含在本发明的技术思想及技术范围内的所有变形、等同物及替代物。

当一构件被描述为与另一构件“连接”或者“接触”时，应理解为一构件能够与另一构件连接或者接触，也可以理解为它们之间存在其他的构件。

相反，当一构件被描述为与另一构件“直接连接”或者“直接接触”时，则应理解为它们之间不存在其他的构件。

本说明书中使用的术语仅用于描述特定的实施例的目的，而不是意图限制本发明。如在此所使用的，除非上下文另有清楚的指示，否则单数形式也意图包括复数形式。还将理解，当在本申请中使用术语“包含/包括”和/或“具有”时，所述术语表示说明书中记载的特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合的存在，但不排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合的存在或添加。

除非另有定义，否则这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与示例所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。还将理解，除非这里确切地定义，否则术语(诸如在常用词典中定义的那些术语)应被解释为具有与所述术语在相关领域的上下文中的含义一致的含义，而不会被理想化或过于正式地解释。

本说明书中记载的术语“模块”是指处理特定的功能或者动作的一个单位，其可指硬件、软件或者硬件和软件的结合。

本说明书和权利要求书中使用的术语或者用语不局限于以通常或者字典上赋予的含义进行解释，发明人为了以最佳的方式说明其自身的发明，能够对术语的概念进行适当的定义为原则，应以符合本发明的技术思想的含义和概念地进行解释。此外，对于使用的技术用语和科学用语如无不同的定义，则应具有本发明所属技术领域具有通常知识的人在一般情况下所理解的含义，对于以下说明和附图中可能会不必要地导致本发明的主旨发生混淆的公知功能及结构，其说明将被省略。以下说明的附图是作为能够向本领域从业人员充分地传递本发明思想的示例而提供的。因此，本发明不受以下公开的附图限制，也可以其它形式进行具体化。此外，需要注意的是，在说明书通篇中，相同的附图标记表示相同的构件。附图中相同的构件在所有附图中尽量采用相同的附图标记表示。

图1是根据本发明一实施例的燃料电池控制系统的控制方框图。

如图所示，根据本实施例的采用分布控制的多重并列连接燃料电池控制系统可包括将燃料电池100(solidoxidefuelcell，sofc)多重连接并分组而成燃料电池系统a及用于控制燃料电池系统a的燃料电池控制系统b。为了便于说明，虽然将燃料电池及用于控制燃料电池的控制部分为两个系统并进行命名，但是通常包括燃料电池及用于控制燃料电池的控制部在内可称作燃料电池控制系统。

燃料电池系统a包括由分为m个组的燃料电池组(1～m组)，一个组并列连接有n个燃料电池10(#1～#n)。即，根据本发明的燃料电池10可由n*m个呈多重分布，各燃料电池10的电力输出可单个地或者分组地或者系统地进行控制。

燃料电池系统a设置在建筑物或者特定设施物上，且由燃料电池10构成以生成电力并向使用者提供，这种燃料电池系统a接收基于使用者请求的电力使用量，并向使用者提供与接收的电力使用量相匹配的电力。

这种燃料电池10可包括各燃料电池棒，重整器，变电器等，可包括工业设施如包括阀门或者切断器。燃料电池棒利用同时产生与氢气的氧化反应及与氧气的还原反应的电化学反应，生成电能，即直流电源。重整器起到对向燃料电池棒提供的燃料进行重整的作用。而且，变电器起到将由燃料电池棒生成的直流电源变换成交流电源的作用。为此，变电器可包括将由燃料电池棒输出的直流电源变换成电力系统中可使用的交流电源的dc-ac换流器(未图示)。

另外，根据本实施例的燃料电池控制系统b可包括用于控制连接在单个燃料电池10的燃料电池10的输出的单位级控制器100(unitcontroller，uc)，用于控制包括n个单个燃料电池10的一个燃料电池组(1～m)的组级控制器200(groupcontroller，gc)，以及用于系统地控制单位级控制器100和组级控制器200的系统级控制器300(mastercontroller，mc)。

单位级控制器100与单个燃料电池10串联即单独且直接地连接，起到基于组级控制器200中请求的电力发电量，分别调整单个燃料电池10的发电量的作用。

为此，单位级控制器100基于燃料、空气、水中的至少一个控制变量来控制单个燃料电池10的输出，并维持单个燃料电池10的温度、压力、流量中的至少一个监视变量。

另外，一个组级控制器200中并列连接有n个单位级控制器100(uc-11～uc-1n…uc-m1～uc-mn)，根据本实施例，m个组级控制器200(gc-1～gc-m)连接在单位级控制器100与系统级控制器300之间。即，m个组级控制器200在n*m个单位级控制器100与系统级控制器300之间起到接口的作用。

组级控制器200用于控制包括燃料电池组的阀门、切断器等在内设施，基于燃料电池组内单个燃料电池10的性能下降率，可确定燃料电池组内单个燃料电池10的输出分配。为了控制单个燃料电池10的输出，组级控制器200从单位级控制器100接收并收集控制变量和监视变量。组级控制器200可将如上所述接收的控制变量和监视变量加工成性能下降率、输出变化率及温度变化率中的至少一个数据。根据加工的数据，可确定并调整单个燃料电池10的输出分配。

并列连接在组级控制器200的一个单个燃料电池10的初始发电量可表示为总需求发电量/单个燃料电池10的数量(n*m)。组级控制器200基于系统级控制器300的请求开始单个燃料电池10的发电时，将周期性地检查单个燃料电池10的状态。这种单个燃料电池10的发电量将随着时间的流逝根据外部情况或者单位级控制器100或组级控制器200是否发生错误，发生改变或者固定为最终设定值。

系统级控制器300根据电力网格(grid)的电力需求，确定燃料电池系统a的总输出，并可对应总输出地确定单个燃料电池组的输出分配。

为了确定总输出，系统级控制器300可参考燃料电池系统a以外的气体新再生能源发电的情况，可与新再生能源中输出的电量相对应地确定燃料电池发电系统的总输出。

这种系统级控制器300可控制包括燃料电池系统a的主阀门、切断器等的设施。

此外，根据本发明的燃料电池控制系统b作为使用者用于可控制燃料电池的接口，可包括显示部和操作部，而且可进一步包括用于控制各构件、燃料电池系统a和燃料电池控制系统b之间通信的通信部。

使用者通过用户界面连接至燃料电池控制系统b并监控燃料电池10的输出变化。用户界面可通过实时地显示并列连接在燃料电池控制系统b的燃料电池10的输出变化，控制燃料电池控制系统b的工作。这种用户界面可合并到系统控制系统300中。

此外，通信部可连接在用户界面与燃料电池控制系统b之间，可向用户界面传送基于燃料电池10的输出变化的燃料电池10的工作与否。

发明的实施例

图2是用于说明根据本发明一实施例的燃料电池控制方法的控制流程图。

首先，根据本发明的燃料电池控制方法的关键是通过对并列连接的单个燃料电池10进行分组，准备可分别控制将单个燃料电池10和分组的燃料电池的控制模块，并对其进行独立的、有机的和弹性的管理。

为此，系统级控制器300基于网格的电力需求确定燃料电池系统的总输出，与总输出对应地确定单个燃料电池组的输出分配2010。如上所述，燃料电池系统a的总输出可参考新再生能源的电力生产量。

在无来自使用者的电力需求或者总电力输出量未确定状态的情况下，系统级控制器300以待运行模式驱动燃料电池系统a和燃料电池控制系统b，并维持省电模式。

然后，由组级控制器200进行电力分配。

组级控制器200可收集单个燃料电池10的控制变量和监视变量2020。

本实施例涉及的单个燃料电池10的控制变量可包括燃料、空气、水中的至少一个，监视变量可包括温度、压力、流量中的至少一个，单位级控制器100可向组级控制器200提供控制变量和监视变量。

组级控制器200可将如上所述收集的控制变量和监视变量加工成性能下降率、输出变化率和温度变化率中的至少一个数据2030。

根据所述加工的数据确定单个燃料电池10的输出分配2040。

如果单个燃料电池10的输出分配被确定，则单位级控制器100基于燃料、空气、水中的至少一个，控制单个燃料电池的输出，并且在维持单个燃料电池10的温度、压力、流量中的至少一个变量的同时监视单个燃料电池10的发电2050。

燃料电池组和单个燃料电池10的输出可被均匀地分配，根据各种情况或者使用者的设置，可提高或者降低特定燃料电池组或者单个燃料电池10的输出。

此外，在组级控制器200中燃料电池组的输出，在单位级控制器100中可周期或者连续地监视单个燃料电池10的输出。

此外，在本实施例涉及的燃料电池控制系统b中，单位级控制器100的故障或者异常与否可由组级控制器200或者系统级控制器300感知并监视，组级控制器200的故障或者异常与否可由系统级控制器300监视。如果系统级控制器300中发生异常，则燃料电池系统a和燃料电池控制系统b将以预设的方式运行或者也可停止系统工作。如此，当控制器100、200及300中发生异常时基于分布式控制方式可通过各种方法得以控制，与其对应地可调整单个燃料电池10的输出。

图3是用于说明根据本发明另一实施例的燃料电池控制方法的控制流程图。参照图3对各控制器中发生异常时的控制方法说明如下。

首先，组级控制器200或者系统级控制器300能够周期性地判断单位级控制器100中是否有错误发生3010。

经判断，如果单位级控制器100中有错误发生，则组级控制器200可停止由发生错误的单位级控制器100控制的单个燃料电池100的输出3020。

对于现有的并列结构的燃料电池系统而言，如果用于控制燃料电池的控制器中有错误发生，则停止并列连接的全部燃料电池的输出。相反地，对本实施例而言，即使在特定控制器中有异常发生，也只是停止单个燃料电池10的输出而继续其他燃料电池的电力输出，从而可实现弹性的系统管理。

相反地，如果单位级控制器100中未发生错误或者单个燃料电池10的输出一经受到控制，则系统级控制器300可判断组级控制器200中是否有错误发生3030。

经判断，如果特定组级控制器200中有错误发生，则连接在有错误发生的组级控制器200的单位级控制器100将单个燃料电池10的输出设定为最终设定值并维持燃料电池的输出3040。

换而言之，即使特定组级控制器200中有错误发生而不能执行其功能，曾经由组级控制器200控制的单个燃料电池10仍能够正常工作。作为一示例，如上所述，单个燃料电池10的输出可设定为最终设定的最终设定值，也可以设定为用于错误发生时能够工作的特定输出值。

相反地，如果组级控制器200中未发生错误或者组级控制器200的基于错误的单个燃料电池10的输出一经得到控制，可判断系统级控制器300中是否有错误发生3050。

如果系统级控制器300中有错误发生，则通过用户界面发出燃料电池控制系统b的错误告警，控制系统以自错误模式运行。

经判断，如果系统级控制器300中有错误发生，则组级控制器200将所连接的燃料电池组的输出设定为最终设定值并维持燃料电池组的输出3060。

即使系统级控制器300中有错误发生，由于能够以最终设定值来维持燃料电池组的输出，因此单个燃料电池10的工作仍能够持续进行。即，即使控制燃料电池的特定控制器发生故障，也能够防止燃料电池系统a和燃料电池控制系统b全部关机，从而能够确保用于修复发生错误的控制器所需的时间。

判断特定级别的控制器中是否有错误发生的步骤3010、3030及3050如图所示，可依次执行，各自的判断步骤也可以相互独立地按照一定的周期执行。

图4是用于说明根据本发明又一实施例的燃料电池控制方法的控制流程图。参照图4对单位级控制器中发生异常时的控制方法进行说明如下。

如图所示，可判断单位级控制器100中是否有错误发生4010。

如果单位级控制器100中未发生错误则燃料电池系统a和燃料电池控制系统b正常工作4060。

相反地，如果判断单位级控制器100中有错误发生，则可进一步判断发生错误的单位级控制器100的数量是否为允许的数量以内4020。

如果单位级控制器100发生的错误在允许的数量以内，则类似于参照图3所述所述的实施例，组级控制器200可停止由发生错误的所述单位级控制器100控制的单个燃料电池10的输出4030。

此外，作为另一示例，组级控制器200也可以将由所述单位级控制器100控制的单个燃料电池10的输出作为最终设定值并维持。

然而，如果发生错误的单位级控制器100的数量超出允许数量范围，则可伴随执行由使用者修复的过程，在预设的修复时间之后还可以判断是否能感知到错误4040。

在使用者进行修复的期间，单个燃料电池10的输出将被停止或者设置为最终设定值。

然而，如果经过预定时间之后单位级控制器100中的错误仍未得到修复，则停止单个燃料电池10的输出，从而可导致燃料电池系统a输出的电量不足，即使以单个燃料电池10的最终设定值维持输出，仍可能产生电量不足。

为了对其进行改善，根据本实施例，如果经预设的修复时间之后单位级控制器100中仍能感知到错误，则组级控制器200可调整(例如可增加)由正常的单位级控制器100控制的单个燃料电池10的输出4050。即，为了补充由发生错误的单位级控制器100控制的单个燃料电池10的电量，将增加剩余单个燃料电池10的输出电量。

如果发生错误的单位级控制器100在设定为临界值的修复时间内被修复并未感知到错误，则单个燃料电池10可正常工作4060。

图5是用于说明根据本发明又一实施例的燃料电池控制方法的控制流程图。参照图5对组级控制器中有异常发生时的控制方法进行说明如下。

图5类似于参照图4所述的单位级控制器的错误发生时执行的控制过程。

首先，可判断组级控制器200中是否有错误发生5010。

该过程可与图4的单位级控制器100中是否有错误发生无关地受到监视，也可以在判断单位级控制器100的错误之后执行。

如果组级控制器200中未发生错误则燃料电池系统a和燃料电池控制系统b将正常工作5060。

相反地，如果判断组级控制器200中有错误发生，则可进一步判断发生错误的组级控制器200的数量是否在允许的数量内5020。

如果组级控制器200发生的错误在允许的数量以内，则可将连接在发生错误的组级控制器200的单位级控制器100控制的单个燃料电池10的输出作为最终设定值并维持5030。

此外，作为另一示例，可停止由连接在发生错误的组级控制器200的单位级控制器100控制的单个燃料电池10的输出。

然而，如果发生错误的组级控制器200的数量超出允许数量范围，则可伴随执行由使用者修复的过程，在预设的修复时间之后还可以判断是否能感知到错误5040。

在使用者进行修复的期间，单个燃料电池10的输出将被停止或者设置为最终设定值。

然而，如果经过预定时间后组级控制器200中的错误仍未得以修复，则停止单个燃料电池10的输出，从而可导致燃料电池系统a输出的电量不足，即使以单个燃料电池10的最终设定值维持输出，仍可能产生电量不足。

为了对其进行改善，根据本实施例，如果经过预设的修复时间之后组级控制器200中仍能感知到错误，则系统级控制器300可调整(例如可增加)由正常的组级控制器200控制的燃料电池组的输出5050。即，为了补充由发生错误的组级控制器200控制的燃料电池组的电量，将增加剩余燃料电池组的输出电量。

如果发生错误的组级控制器200在预设的修复时间内被修复并未感知到错误，则燃料电池组，即单个燃料电池10可正常工作5060。

如上所述，本发明提供一种系统运行方法，在可自由地调整输出且通过将多个小型固体氧化物燃料电池(sofc)进行组合并构成为一个系统的燃料电池发电系统中，即使一个以上控制器发生异常时也不会对全部系统产生影响，且可维持稳定的输出。

本技术领域的技术人员能够理解用于实现上述的燃料电池控制系统的各功能指令的程序还可以按类型实现，从而可记录在计算机可读记录介质中。所述计算机可读记录介质可单独或者组合地包括程序指令、数据文件、数据结构等。所述计算机可读记录介质中记录的程序指令可以是为本发明而特别设计并形成的或者为计算机软件技术人员所悉知使用的。所述计算机可读记录介质的示例包括如硬盘、软盘及磁带的磁性介质(magneticmedia)，如cd-rom、dvd的光记录介质(opticalmedia)，如软式光盘(flopticaldisk)磁光介质(magneto-opticalmedia)，以及如rom、ram、闪存、usb内存等的用于储存程序指令并执行的特别构成的硬件装置。所述计算机可读记录介质也可以是包括用于传输指定程序指令、数据结构等的信号的载波在内的光或者金属线，波导管等传输介质。作为程序指令的一例，除了利用编译器制作的机器码以外，还可以包括可利用解释器等通过计算机执行的高级语言代码。上述的硬件装置可被配置成作为一个以上的软件模块进行操作，以便执行本发明的操作，或者反之亦然。

本发明不限于上述实施例，可应用于各种领域，在不超出权利要求书中记载的本发明主旨的情况下可进行各种变形。