一种甲醇重整燃料电池发电系统变动负载工况下的控制系统

摘要

本发明公开一种甲醇重整燃料电池发电系统变动负载工况下的控制系统，所述甲醇重整燃料电池系统变动用户需求功率控制系统包括燃料供给模块、甲醇重整模块、燃料电池模块、储能模块、控制模块，本发明根据甲醇重整燃料电池系统特点进行分阶段控制，对用户需求功率、储能模块剩余容量进行区域化处理，将甲醇重整燃料电池系统输出功率根据用户需求功率区域、储能模块剩余容量区域进行差别、迟滞调整。本发明能够使甲醇重整燃料电池系统快速恢复并长期保持较佳状态，弥补甲醇重整燃料电池系统响应慢的缺点，规避变动用户需求功率对甲醇重整燃料电池系统的冲击，满足用户全域变动用户需求功率和间断用电需求，又能保证整个发电系统高效、平稳运行。

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种甲醇重整燃料电池发电系统变动负载工况下的控制系统。

背景技术

甲醇重整燃料电池是一种以甲醇重整反应生成的富氢气体作为燃料的燃料电池系统，由甲醇重整模块与质子交换膜燃料电池电堆组成，该架构利用了氢质子膜燃料电池电堆的高功率密度、高能效特点；同时，采用甲醇作为燃料电池输入能源，氢气即产即用，避免了氢气储存过程中的高压危险、运输过程中的效率低下及使用成本高等问题。甲醇水蒸气重整反应是一个吸热反应，所以需要外部提供热源，以维持重整吸热以及原料预热所需的能量，为了提高系统效率，通常使用燃料电池未利用的氢气通过回烧利用方式给甲醇重整系统供热,燃烧尾气和燃料电池高温废气通常以给原料预热的方式进行回收热量，所以其是一个多热质传输的系统，但传热传质是一个相对缓慢的过程，系统输出功率调节也是缓慢的，所以燃料电池输出频繁变化会影响甲醇重整燃料电池系统运行的稳定性。

甲醇重整模块通常工作温度在250℃，高温质子膜燃料电池堆的工作温度也在140-180℃左右，系统冷启动通常需要30min以上，通常要搭配一定容量的储能模块在系统启动期间给用户需求功率供电，同时提供系统启动同电。在很多移动用电场合，例如房车、移动设备检测车、军用指挥车辆，受用户使用习惯、环境和空调的影响其用户需求功率通常是变化的，用电也是间断的；为了减小体积重量，甲醇燃料电池系统内部配备的储能模块容量有限，需要储能模块一直保持较佳的剩余容量，以备下次启动用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种甲醇重整燃料电池发电系统变动负载工况下的控制系统。本发明能够使甲醇重整燃料电池系统快速恢复并长期保持较佳状态，弥补甲醇重整燃料电池系统响应慢的缺点，规避变动用户需求功率对甲醇重整燃料电池系统的冲击，满足用户全域变动用户需求功率和间断用电需求，又能保证整个发电系统高效、平稳运行；特别在作为孤岛型发电系统使用，或者无基础电力的移动式用电场合，需要让系统始终维持较佳状态。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：一种甲醇重整燃料电池发电系统变动负载工况下的控制系统，包括燃料供给模块、甲醇重整模块、燃料电池模块及储能模块及控制模块；

所述控制模块与燃料供给模块、燃料电池模块、储能模块通信连接；

所述控制模块以储能模块输出功率P

1)对需求功率值进行功率区域化处理，形成需求功率区域变量Ui；

2)根据储能模块剩余容量数值进行剩余容量区域化处理，形成剩余容量区域变量Cj；

3)当功率区域变量Ui和/或剩余容量区域变量Cj变化时，根据相应的需求功率区域值与和/或剩余容量区域值与f(Ui，Cj)规则数据库进行比对得出对应燃料电池输出功率；

迟滞预定时间后，再对燃料电池DCDC的输出进行调整，同时调节燃料供给模块中甲醇水的进液量、空气流量。

采用以上方法后，本发明的一种甲醇重整燃料电池发电系统变动负载工况下的控制系统，与现有技术相比，具有以下优点：通过对需求功率进行区域化处理，能够有效规避用电设备小范围功率波动对甲醇重整燃料电池系统的影响，同时又能在一定程度上响应用户需求功率变化，及时调整甲醇重整燃料电池系统的输出功率；对储能模块剩余容量进行区域化处理，能够有效减少甲醇重整燃料电池调整频率，减少系统内部温度和流量的波动性，让发电系统能够高效、平稳运行，同时又能让储能模块维持在较佳状态；采用燃料电池输出迟滞性调整方法能够有效过滤部分用电设备短时通断对甲醇重整燃料电池系统的干扰。

作为本发明的一种改进，将用户需求功率区域化处理为至少5个，将剩余容量区域化处理为至少5个。通过上述改进，分别设置多组用户需求功率区域以及剩余容量区域，并通过与f(Ui，Cj)模糊规则数据库进行比对得出对应燃料电池输出功率，多组区域的划分，能够提升系统的适用性以及功能性。

作为本发明的一种改进，将所述功率区域变量Ui分为n个子集Ui，i＝1……n，将所述剩余容量区域变量Cj分为n个模子集Cj，j＝1……n，任一对组合(Ui，Cj)推理得到控制模块的信号的模糊子集Pmfc，m＝1……n，从而形成模糊推理规则((Ui，Cj)--Pmfc)。

作为本发明的一种改进，所述需求功率区域变量为Ui，U＝{U1,U2,……,Un-1,Un}其中U1为[0～0.3Pmax]，U1为非灵敏区,U2～Un；且U1的分段区域范围最大；

所述剩余容量区域变量Cj，C＝{C1,C2,……,Cn-1,Cn}，其中C1为[0～0.7Pmax],C1为风险区,C2～Cn-1为正常区，Cn为[0.9-1Pmax]；Cn为警戒区；

其中，系统的最大输出功率为Pmax。将需求功率区域变量以及剩余容量区域变量分别设置为多组，

作为本发明的一种改进，当Ui不变，Cj变化时，所述迟滞时间为0；当Ui变化，Cj不变时，所述迟滞时间为1.5-3分钟。采用区分迟滞调整方案，可以使系统及时响应用户需求功率变化，及时调整甲醇重整燃料电池系统的输出功率，同时能够有效过滤部分用电设备短时通断对甲醇重整燃料电池系统的干扰，又能保持储能电池的较佳荷电状态。

作为本发明的一种改进，功率调整速率为0.005Pmax/s-0.01Pmax/s，步进级调整功率方法能够使燃料电池输出功率平稳上升，平稳下降，保证系统的稳定性。不会因为甲醇重整产生的氢气急剧消耗导致燃料电池极化损伤，回烧氢气量不足导致甲醇重整温度不够；同时也不会因为甲醇重整产生的氢气急剧过剩，导致回烧的氢气急剧增加而引起甲醇重整温度过高，进而增加尾气中CO的含量，毒化燃料电池的电极。

作为本发明的一种改进，所述甲醇重整模块与燃料电池模块连接，为燃料电池提供氢气，同时燃料电池未利用的氢气进入甲醇重整模块进行燃烧，能够有效提高燃料电池系统的系统效率，同时避免有害或者可燃气体的排放。

作为本发明的一种改进，所述控制模块采集储能模块剩余容量、电流、电压、功率等数据，采集燃料供给模块中甲醇水的进液量、空气流量并进行调节，采集燃料电池模块的参数并控制DCDC的调节。

作为本发明的一种改进，甲醇重整燃料电池降低输出功率步骤为a：接收到降低输出功率指令后，首先调节燃料泵，降低甲醇水的输入量,甲醇水先降到目标值Q的80～90％，然后再升到目标值Q进而降低燃料电池系统的输出功率。通过上述改进，能短时中和降载过程中燃料电池内部残余氢气过多的状况，防止未利用氢气过多进入甲醇重整模块燃烧，导致急剧升温的状况，保征系统降载过程平稳过渡。

作为本发明的一种改进，甲醇重整燃料电池升高输出功率步骤为b：接受到升高输出功率指令后，首先调节燃料泵，增加甲醇水的进液量，甲醇水先升到目标值Q的110～120％，然后再降到目标值Q。通过上述改进，能迅速弥补加载过程中燃料电池内部氢气不足的状况，减小因燃料不足导致电极极化损伤，同时防止回烧氢气不足导致甲醇重整模块温度过低，保征系统加过程平稳过渡。

本发明相较于现有技术取得的有益效果为：

通过对需求功率进行区域化处理，能够有效规避用电设备小范围功率波动对甲醇重整燃料电池系统的影响，同时又能在一定程度上响应用户需求功率变化，及时调整甲醇重整燃料电池系统的输出功率；对储能模块剩余容量进行区域化处理，能够有效减少甲醇重整燃料电池调整频率，减少系统内部温度和流量的波动性，让发电系统能够高效、平稳运行，同时又能让储能模块维持在较佳状态；采用燃料电池输出迟滞性调整方法能够有效过滤部分用电设备短时通断对甲醇重整燃料电池系统的干扰；

整个过程中，燃料电池调节次数较少，系统平稳时间长，满足客户用电功率的同时，又能使电池处于良好的荷电状态，另外以合理的速度升降载，可以使系统平稳的达到需求功率；

通过在甲醇重整燃料电池正常运行阶段下，对储能模块慢充、慢放能够有效的减少甲醇重整燃料电池输出调整频率，减少系统内部温度和流量的波动性，让发电系统能够高效、平稳运行。特别在作为孤岛型发电系统使用，或者无基础电力的移动式用电场合，需要让系统维持较佳状态，防止下次启动时无法提供启动用电和用户需求功率供电，导致设备瘫痪。

附图说明

图1为本发明的甲醇重整燃料电池的系统结构示意图。

图2为本发明的甲醇重整燃料电池系统的运行阶段示意图。

图3为本发明的对燃料供给模块、燃料电池模块的控制实施示意图。

图4为本发明的甲醇重整模块运行时的温度示意图。

图5为现有技术中甲醇重整模块运行时的温度示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明做进一步详细描述。

请参阅图1所示，一种甲醇重整燃料电池发电系统变动负载工况下的控制系统，包括燃料供给模块、甲醇重整模块、燃料电池模块、储能模块及控制模块；

所述控制模块与燃料供给模块、燃料电池模块、储能模块通信连接；

所述控制模块以储能模块输出功率P

1)对需求功率值进行功率区域化处理，形成需求功率区域变量Ui；

2)根据储能模块剩余容量数值进行剩余容量区域化处理，形成剩余容量区域变量Cj；

3)当功率区域变量Ui和/或剩余容量区域变量Cj变化时，根据相应的需求功率区域值与和/或剩余容量区域值与f(Ui，Cj)规则数据库进行比对得出对应燃料电池输出功率；

迟滞预定时间后，再对燃料电池DCDC的输出进行调整，同时调节燃料供给模块中甲醇水的进液量、空气流量。

所述储能模块为蓄电池。所述甲醇重整模块与燃料电池模块连接，为燃料电池模块提供氢气，同时燃料电池模块未利用的氢气进入甲醇重整模块进行燃烧，所述燃料供给模块、燃料电池模块、储能模块与控制模块通信连接。

所述控制模块采集储能模块剩余容量、电流、电压、功率等数据，采集燃料供给模块中甲醇水的进液量、空气流量并进行调节，采集燃料电池模块的参数并控制DCDC的调节。

请参阅图1、图2和图3所示，所述甲醇重整燃料电池系统运行分为启动、系统快速恢复阶段、正常运行、关机阶段。

启动阶段，用户用电需求和甲醇重整燃料电池系统启动用电由储能模块提供。

系统快速恢复阶段，用户用电需求由甲醇重整燃料电池系统提供，同时甲醇重整燃料电池系统对储能模块进行快速充电。

正常运行阶段，用户用电需求由甲醇重整燃料电池系统与储能模块共同提供。

关机阶段，用户需求功率为0，甲醇重整燃料电池系统关机用电由储能模块提供。

所述系统快速恢复阶段与正常运行阶段控制算法不同。系统快速恢复阶段，甲醇重整燃料电池系统对储能模块进行大电流充电，使储能模块能够快速恢复较佳状态；正常运行阶段，甲醇重整燃料电池系统与储能模块对用户需求功率进行耦合供电，储能模块慢充、慢放能够有效的减少甲醇重整燃料电池输出调整频率，减少系统内部温度和流量的波动性，让发电系统能够高效、平稳运行。特别在作为孤岛型发电系统使用，或者无基础电力的移动式用电场合，需要让系统维持较佳状态，防止下次启动时无法提供启动用电和用户需求功率供电，导致设备瘫痪。

请参阅图1、图2和图3所示，所述控制模块以储能模块输出功率、燃料电池输出功率之和作为需求功率，并对需求功率进行功率区域化处理。所述控制模块根据储能模块剩余容量数值进行剩余容量区域化处理。当功率区域Ui或剩余容量区域Cj变化时，根据用户需求功率区域、剩余容量区域进行数据库比对得出对应燃料电池输出电流数值，迟滞一定时间后，对燃料电池的DCDC输出进行调整，同时调节燃料供给模块中甲醇水的进液量、空气流量。通过对需求功率进行区域化处理，能够有效规避用电设备小范围功率波动对甲醇重整燃料电池系统的影响，同时又能在一定程度上响应用户需求功率变化，及时调整甲醇重整燃料电池系统的输出功率；对储能模块剩余容量进行区域化处理，能够有效减少甲醇重整燃料电池调整频率，减少系统内部温度和流量的波动性，让发电系统能够高效、平稳运行，同时又能让储能模块维持在较佳状态；采用燃料电池输出迟滞性调整方法能够有效过滤部分用电设备短时通断对甲醇重整燃料电池系统的干扰。

结合实施例说明：图5为现有技术中甲醇重整模块正常运行时的温度曲线示意图，由此可见，现有技术中的甲醇重整模块运行时温度波动幅度较大，引起甲醇重整模块的产气量会发生相应变化，产氢不足时会损伤燃料电池电极，另一方面回烧氢气过多时，热点的产生容易导致甲醇重整尾气中CO含量过大，进而毒化燃料电池电极，降低了系统运行的稳定性，影响系统使用寿命。同时系统调节频率过高，使得系统稳定性降低，也会使得系统的燃料利用率降低，降低系统效率。

将所述功率区域变量Ui分为n个子集Ui，i＝1……n，将所述剩余容量区域变量Cj分为n个模子集Cj，j＝1……n，任一对组合(Ui，Cj)推理得到控制模块的信号的模糊子集Pmfcx，x＝1……n，从而形成模糊推理规则((Ui，Cj)--Pmfcx)。

请参阅图1、图2、图3和图4所示，Pr为用户需求功率，Pmfc为甲醇重整燃料电池系统输出功率，PB为蓄电池输入输出功率，且Pr＝PB+Pmfc，SOC为储能模块剩余电量，系统的最大输出功率为Pmax。用户需求功率区域函数为Ui，U＝{U1,U2,U3,U4,U5}其中U1为[0～0.3Pmax],U2为[0.3～0.5Pmax],U3为[0.5～0.7Pmax]，U4为[0.7～0.9Pmax]，U5为[0.9～1Pmax]，其中U1为非灵敏区，其范围略大于其他区域范围，此功率段甲醇重整燃料电池系统的发电效率较低，燃料电池系统输出功率设置大于0.3Pmax，此区域段的系统几乎不响应。U2～U5为高效区，此功率段甲醇重整燃料电池系统的发电效率较高。储能模块剩余容量区域函数为Cj，C＝{C1,C2,C3,C4,C5}，其中C1为[0～0.7Pmax],C2为[0.7～0.8Pmax],C3为[0.8～0.85Pmax]，C4为[0.85～0.9Pmax]，C5为[0.9～1Pmax]，通常移动式应用场合要求体积小、重量轻，不会配备较多的储能电池，其中C1区域范围较大，此区域剩余电量不足会影响下次启动以及缩短待机时间，C2～C4正常区。其中C5为高风险区域，此区域电池荷电量比较足，无法接受短时大电流，如果用户关闭突然负载，燃料电池电能无处释放，会导致系统损坏。

系统启动时，设备启动用电和用户用电都由蓄电池提供，当甲醇重整燃料电池系

统预热到工作温度后，开始输出电能。当甲醇重整燃料电池进入发电状态时，其输出功率由Cj、Ui共同决定。以5kW甲醇燃料电池系统为例。

例如，当Pr在0.15～0.2Pmax范围内波动，SOC＜0.5时，Pr∈U1。根据U1、C1，比对数据库中燃料电池输出功率得出Pfc5，Pfc5≈0.3Pmax+Pr，此时燃料电池给用户供电，并对蓄电池快速充电；随着蓄电池充电的进行，0.8＜SOC＜0.85，根据U1，C3，比对数据库中燃料电池输出功率得出Pfc2，Pfc2≈0.05Pmax+Pr，该状况下用户用电仍单独由燃料电池提供，并对蓄电池小电流充电，其中Pfc5降到Pfc2过程中，不延时，迅速执行步骤a；随着充电进一步进行，SOC＞0.9时，根据U1，C5，比对数据库中燃料电池输出功率得出为Pfc1，Pfc1≈Pr-PB，开始消耗蓄电池的用电，随着持续消耗蓄电池电量，SOC＜0.85时，此时根据模糊数据库规则C1,C4，燃料电池需要增大功率对蓄电池充电，执行步骤b,如此反复循环。在整个过程中，燃料电池调节次数较少，系统平稳时间长，满足客户用电功率的同时，又能使电池处于良好的荷电状态，另外以合理的速度升降载，可以使系统平稳的达到需求功率。

又如当Pr在0.55～0.6Pmax功率范围内波动，此时0.8＜SOC＜0.85时,此时根据规则C1,C3,比对数据库中燃料电池以输出功率Pfc11运行，运行过程中，假设用户短期使用某用电设备(时间为20S),根据规则库数据燃料电池输出为Pfc15，此时应调节Pfc，但是由于设置延时判断时间为2min，系统并不会执行步骤a。所以延时调节能有效过滤掉用户需求功率短期变化带来的干扰，另外甲醇重整燃料电池系统升降载过程中需要额外提高温度，会降低系统发电效率，所以延时调节一定程度上能保证系统的高效、稳定性。

甲醇重整燃料电池降低输出功率步骤为a：接收到降低输出功率指令后，首先调节燃料泵，降低甲醇水的输入量,甲醇水先降到目标值Q的80～90％，然后再升到目标值Q进而降低燃料电池系统的输出功率。能短时中和降载过程中燃料电池内部残余氢气过多的状况，防止未利用氢气过多进入甲醇重整模块燃烧，导致急剧升温的状况，保征系统降载过程平稳过渡。

甲醇重整燃料电池升高输出功率步骤为b：接受到升高输出功率指令后，首先调节燃料泵，增加甲醇水的进液量，甲醇水先升到目标值Q的110～120％，然后再降到目标值Q。能迅速弥补加载过程中燃料电池内部氢气不足的状况，减小因燃料不足导致电极极化损伤，同时防止回烧氢气不足导致甲醇重整模块温度过低，保征系统加过程平稳过渡。

以上仅就本发明的控制方法实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不局限于以上实施例，其具体数据允许有变化。但凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明保护范围内。