专利名称:高温燃料电池混合动力协调控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种燃料电池技术领域：
的系统，特别是一种高温燃料电池混合动力协调控制系统。
背景技术：
高温燃料电池具有能量转换效率高、洁净环保、噪声低等优点，其高品位废热使得它可以和其它动力装置组成各种混合循环系统，从而更好地利用能源，大幅度地提高装置整体效率。同时由于燃料电池的规模大小组成容易，混合动力系统的容量灵活、自由度大，是21世纪理想的分布式能源。
混合动力系统解决了两个重要问题一个是小型燃料电池发电设备费用高的问题；另一个是微小型燃气轮机的低效率和相对高的排放量的问题。目前国内外研究的高温燃料电池-燃气轮机混合动力系统主要有两类一类是由熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)与气轮机(GT)构成；另一类是由固体氧化物燃料电池(SOFC)与燃气轮机构成。近几年来，许多高温燃料电池相继发电成功，以及燃气轮机的实验积累，都为建立高温燃料电池-燃气轮机混合动力系统创造了条件，使得这种混合动力系统的研究也得到了迅速发展。然而，将高温燃料电池和燃气轮机两个非线性很强的部件组合在一起使用的混合动力系统在带来更高效率的同时也增加了系统的复杂程度。这就迫切需要一种能够对混合动力系统进行运行分析及控制研究的方法。
经对现有技术文献的检索发现，目前对混合动力控制系统的研究还比较少，Rory A.Roberts等在期刊《Journal of Engineering for Gas Turbines andPower》(《燃气轮机与动力工程学报》)的2006年128卷上发表了“Dynamicsimulation of carbonate fuel cell-gas turbine hybrid systems”(“碳酸盐燃料电池-燃气轮机混合动力系统的动态仿真”) 一文，该文研究了MCFC/GThybrid system(熔融碳酸盐燃料电池/燃气轮机混合动力系统)，该系统由MCFC、燃气轮机、换热器、催化燃烧室和发电机等组成。文中通过两种建模方法对MCFC/GT的动态性能进行了分析比较，所得混合动力系统的发电效率均为56％左右。为了使混合动力系统在不同工况下都能维持其正常工作温度，文中还对混合动力系统的控制策略进行了研究，所使用的是传统的PID控制器。但该控制器仅能对小范围的燃料电池负荷扰动有一定控制作用，其系统鲁棒性和对负荷变化的适应性较差。而燃料电池工作过程是从化学能(燃料)转换电能的电化学反应过程，伴随着内部复杂的传热传质过程，燃料电池和燃气轮机构成的混合动力系统的工作过程更为复杂。所以，需要对混合动力系统进行协调控制，以使系统能在各种复杂的外界扰动下良好运行。
发明内容本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种高温燃料电池混合动力协调控制系统。使得混合动力系统不仅能在设计点工况下高效、稳定地运行，也能在大范围变工况下工作，并保持较高的发电效率。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括协调控制器、主燃料调节器、主燃料执行器、辅燃料调节器、辅燃料执行器、燃料源、主燃料调节阀、辅燃料调节阀、高温燃料电池混合动力系统。部件连接关系为协调控制器的输出端分别接在主燃料调节器和辅燃料调节器的输入端，主燃料调节器的输出端接在主燃料执行器的输入端，辅燃料调节器的输出端接在辅燃料执行器的输入端，主燃料执行器的输出端接在主燃料调节阀的入口端，辅燃料执行器的输出端接在辅燃料调节阀的入口端，燃料源的出口端通过管路分别接在主燃料调节阀的入口端和辅燃料调节阀的入口端；高温燃料电池混合动力系统的入口端通过管路分别连接主燃料调节阀的出口端和辅燃料调节阀的出口端。
所述高温燃料电池混合动力系统，包括燃料预热器、高温燃料电池电堆、催化燃烧室、高温换热器、空气预热器、透平、压气机、高速发电机、三通阀门。连接关系为燃料预热器的冷侧出口通过管路与高温燃料电池电堆的阳极进口相连，燃料预热器的热侧进口与三通阀门相连；催化燃烧室的进口分别与高温燃料电池电堆的阳极出口和透平的出口连接，催化燃烧室的出口与高温换热器的热侧进口相连；高温换热器的热侧出口和高温燃料电池电堆的阴极进口相连，高温换热器的冷侧进口和空气预热器的冷侧出口相连，高温换热器的冷侧出口和透平的进口相连；空气预热器的冷侧进口和压气机的出口相连，空气预热器的热侧进门和三通阀门相连；压气机、透平、高速发电机通过连接轴连接，并利用转动轴承安装在同一根连接轴上。
本发明工作时，协调控制器根据外界负荷的变化，通过主燃料调节器和辅燃料调节器分别作用于主燃料执行器和辅燃料执行器，调节主燃料调节阀和辅燃料调节阀，给混合动力系统供应燃料。燃料源的燃料被分为两路供给混合动力系统，主燃料流通入燃料电池；辅燃料流进入催化燃烧室。主燃料流经过燃料预热器后进入高温燃料电池，进行内部重整后，进入阳极，和阴极氧化剂在燃料电池内发生电化学反应，产生的电子经外电路输出，同时释放出热量，产生高品位排气。燃料电池阳极排气进入催化燃烧室，在催化燃烧室内将排气中的剩余燃料及辅燃料充分氧化，使气体温度升高后，经过高温换热器换热，进入燃料电池阴极。燃料电池阴极接连一个三通阀门，对燃料电池阴极排气进行分流一部分阴极排气通过燃料预热器预热进入燃料电池阳极的燃料气体；另一部分气体进入空气预热器加热压气机出口的空气。
空气由压气机进口进入，被压缩的空气通过压气机出口进入空气预热器预热，然后进入高温换热器，和进入燃料电池阴极的气体进行热交换。经过高温换热器加热的高温、高压气体进入透平膨胀做功，透平的排气进入催化燃烧室进行循环利用。最终，高温燃料电池和燃气轮机共同输出功率，满足外界负荷的需要。在本发明中，额定工况下高温燃料电池和燃气轮机发电供能比例为8∶2。
本发明将燃料电池和传统发电装置-燃气轮机联合起来发电，不仅能提高系统的发电效率、降低发电费用，而且还能促进燃料电池技术的发展。其协调控制系统可根据不同的使用特点，采用不同的控制策略，调节供给混合动力系统的燃料，使混合动力系统的输出功率满足外界负荷的需要，并保证系统安全、稳定地运行。
本发明非常适用于医院、商场、小区等场所，混合动力系统的燃料利用率可达85％以上，可获得超过60％的发电效率，同时，还减少了二氧化碳气体的排放，污染物NOx排放量低于1ppm，环境保护性能优良。此外，在本发明中，燃料电池在环境压力下运行，其压力和燃气轮机循环压比无关，因而系统可以在很大的燃机循环压比范围内有效运行。这种特性使其在发电规模上有很大的灵活性。
图1本发明的结构示意图。
图2本发明的高温燃料电池混合动力系统结构示意图。
具体实施方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本发明包括协调控制器1、主燃料调节器2、主燃料执行器3、辅燃料调节器4、辅燃料执行器5、燃料源6、主燃料调节阀7、辅燃料调节阀8、高温燃料电池混合动力系统9。连接关系为协调控制器1的输出端分别接在主燃料调节器2和辅燃料调节器3输入端；主燃料调节器2的输出端接在主燃料执行器3的输入端；辅燃料调节器4的输出端接在辅燃料执行器5的输入端；主燃料执行器3的输出端接在主燃料调节阀7的入口端；辅燃料执行器5的输出端接在辅燃料调节阀8的入口端；燃料源6的出口端通过管路分别接在主燃料调节阀7的入口端和辅燃料调节阀8的入口端；高温燃料电池混合动力系统9的入口端通过管路分别连接主燃料调节阀7的出口端和辅燃料调节阀8的出口端。
如图2所示，所述高温燃料电池混合动力系统9包括燃料预热器10、高温燃料电池电堆11、催化燃烧室12、高温换热器13、空气预热器15、透平15、压气机16、高速发电机17、三通阀门18。连接关系为燃料预热器10的冷侧出口通过管路与高温燃料电池电堆11的阳极进口相连，燃料预热器10的热侧进口与三通阀门18相连；催化燃烧室12的进口分别与高温燃料电池电堆11的阳极出口和透平15的出口连接，催化燃烧室12的出口与高温换热器13的热侧进口相连；高温换热器13的热侧出口和高温燃料电池电堆11的阴极进口相连，高温换热器13的冷侧进口和空气预热器15的冷侧出口相连，高温换热器13的冷侧出口和透平15的进口相连；空气预热器14的冷侧进口和压气机16的出口相连，空气预热器14的热侧进口和三通阀门18相连；压气机16、透平15、高速发电机17通过连接轴连接，并利用转动轴承安装在同一根连接轴上。
权利要求
1.一种高温燃料电池混合动力协调控制系统，包括协调控制器、主燃料调节器、主燃料执行器、辅燃料调节器、辅燃料执行器、燃料源、主燃料调节阀、辅燃料调节阀、高温燃料电池混合动力系统，其特征在于，协调控制器的输出端分别接在主燃料调节器和辅燃料调节器的输入端，主燃料调节器的输出端接在主燃料执行器的输入端，辅燃料调节器的输出端接在辅燃料执行器的输入端，主燃料执行器的输出端接在主燃料调节阀的入口端，辅燃料执行器的输出端接在辅燃料调节阀的入口端，燃料源的出口端通过管路分别接在主燃料调节阀的入口端和辅燃料调节阀的入口端，高温燃料电池混合动力系统的入口端通过管路分别连接主燃料调节阀的出口端和辅燃料调节阀的出口端。
2.根据权利要求
1所述的高温燃料电池混合动力协调控制系统，其特征是，所述高温燃料电池混合动力系统，包括燃料预热器、高温燃料电池电堆、催化燃烧室、高温换热器、空气预热器、透平、压气机、高速发电机、三通阀门，连接关系为燃料预热器的冷侧出口通过管路与高温燃料电池电堆的阳极进口相连，燃料预热器的热侧进口与三通阀门相连；催化燃烧室的进口分别与高温燃料电池电堆的阳极出口和透平的出口连接，催化燃烧室的出口与高温换热器的热侧进口相连；高温换热器的热侧出口和高温燃料电池电堆的阴极进口相连，高温换热器的冷侧进口和空气预热器的冷侧出口相连，高温换热器的冷侧出口和透平的进口相连；空气预热器的冷侧进口和压气机的出口相连，空气预热器的热侧进口和三通阀门相连；压气机、透平、高速发电机通过连接轴连接，并利用转动轴承安装在同一根连接轴上。
3.根据权利要求
1所述的高温燃料电池混合动力协调控制系统，其特征是，所述高温燃料电池电堆包括熔融碳酸盐燃料电池。
4.根据权利要求
1或者3所述的高温燃料电池混合动力协调控制系统，其特征是，额定工况下，所述高温燃料电池和高速发电机发电供能比例为8∶2。
专利摘要
一种高温燃料电池混合动力协调控制系统，属于燃料电池技术领域：
。本发明中，协调控制器的输出端分别接在主燃料调节器和辅燃料调节器的输入端，主燃料调节器的输出端接在主燃料执行器的输入端，辅燃料调节器的输出端接在辅燃料执行器的输入端，主燃料执行器的输出端接在主燃料调节阀的入口端，辅燃料执行器的输出端接在辅燃料调节阀的入口端，燃料源的出口端通过管路分别接在主燃料调节阀的入口端和辅燃料调节阀的入口端，高温燃料电池混合动力系统的入口端通过管路分别连接主燃料调节阀的出口端和辅燃料调节阀的出口端。本发明混合动力系统不仅能在设计点工况下高效、稳定地运行，也能在大范围变工况下工作，并保持较高的发电效率。
文档编号H01M8/00GK1996652SQ200610148214
公开日2007年7月11日 申请日期2006年12月28日
发明者翁一武, 陈启梅, 卢春江, 顾伟 申请人:上海交通大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan