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燃料電池系統(tǒng)及其控制方法與流程

文檔序號(hào):12371037閱讀:來(lái)源:國(guó)知局

技術(shù)特征:

1.一種燃料電池系統(tǒng),其包括:

燃料電池堆,其耦合至負(fù)載用于提供功率;

氣體輸送系統(tǒng),其耦合至所述燃料電池堆用于給所述燃料電池堆提供燃料和氧;以及

控制系統(tǒng),其包括:

前饋控制器,其用于基于來(lái)自所述負(fù)載的命令來(lái)生成期望的控制指示信號(hào);及

校正控制器,其用于基于來(lái)自所述燃料電池系統(tǒng)的至少一個(gè)測(cè)量信號(hào)來(lái)生成控制校正信號(hào),以避免違背所述燃料電池堆的操作約束,

其中,所述控制系統(tǒng)基于所述期望的控制指示信號(hào)和所述控制校正信號(hào)來(lái)生成控制信號(hào),并基于所述生成的控制信號(hào)來(lái)控制所述氣體輸送系統(tǒng),從而確保所述燃料電池堆運(yùn)行在安全運(yùn)行限度內(nèi)。

2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng),其中,所述控制系統(tǒng)還包括:

加法器,其用于將所述期望的控制指示信號(hào)和所述控制校正信號(hào)相加以生成所述控制信號(hào)。

3.如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng),其中,所述期望的控制指示信號(hào)包括期望的燃料流量指示信號(hào)和期望的空氣流量指示信號(hào),所述控制校正信號(hào)包括燃料流量校正信號(hào)和空氣流量校正信號(hào),以及所述控制信號(hào)包括燃料流量信號(hào)和空氣流量信號(hào),所述加法器包括:

第一加法器,其用于將所述期望的燃料流量指示信號(hào)和所述燃料流量校正信號(hào)相加以生成所述燃料流量信號(hào);及

第二加法器,其用于將所述期望的空氣流量指示信號(hào)和所述空氣流量校 正信號(hào)相加以生成所述空氣流量信號(hào)。

4.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng),其中,所述來(lái)自負(fù)載的命令包括功率命令,所述前饋控制器包括:

設(shè)定器,其用于基于所述功率命令來(lái)生成設(shè)定的電流信號(hào);及

轉(zhuǎn)換器,其用于通過(guò)乘以化學(xué)計(jì)量比將所述設(shè)定的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為所述期望的控制指示信號(hào)。

5.如權(quán)利要求4所述的燃料電池系統(tǒng),其中,由所述設(shè)定器生成的所述設(shè)定的電流信號(hào)是基于所述功率命令和來(lái)自所述燃料電池堆的電流測(cè)量值進(jìn)行確定的。

6.如權(quán)利要求5所述的燃料電池系統(tǒng),其中,所述設(shè)定器包括:

電流計(jì)算模塊,其用于計(jì)算基準(zhǔn)電流信號(hào)以滿足所述功率命令;

補(bǔ)償模塊,其用于基于所述電流測(cè)量值來(lái)生成補(bǔ)償電流信號(hào);及

第三加法器,其用于將所述基準(zhǔn)電流信號(hào)和所述補(bǔ)償電流信號(hào)相加以生成所述設(shè)定的電流信號(hào)。

7.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng),其中,所述校正控制器利用模型預(yù)測(cè)控制來(lái)解決所述燃料電池堆的所述操作約束。

8.如權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng),其中,所述校正控制器基于所述至少一個(gè)測(cè)量信號(hào)來(lái)預(yù)測(cè)所述期望的控制指示信號(hào)是否會(huì)違背所述燃料電池堆的所述操作約束,并且當(dāng)預(yù)測(cè)到所述期望的控制指示信號(hào)將會(huì)違背所述燃料電池堆的所述操作約束時(shí),則生成所述控制校正信號(hào),并將所述生成的控制校正信號(hào)增加到所述期望的控制指示信號(hào)中。

9.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng),其中,所述燃料電池堆的所述操作約束是由用戶指定的與所述燃料電池堆的壽命有關(guān)的操作約束。

10.如權(quán)利要求9所述的燃料電池系統(tǒng),其中,所述燃料電池堆的所述操作約束包括下列約束中的至少一種:所述燃料電池堆的單個(gè)燃料電池的電壓、所述燃料電池堆的電阻、所述燃料電池堆的陽(yáng)極氣壓與陰極氣壓之間的壓差、所述燃料電池堆中的最大溫差、過(guò)氧比,所述過(guò)氧比是供應(yīng)至所述燃料電池堆的陰極的氧氣與實(shí)際消耗的氧氣之間的比例、過(guò)燃比,所述過(guò)燃比是供應(yīng)至所述燃料電池堆的陽(yáng)極的燃料與實(shí)際消耗的燃料之間的比例、所述燃料電池系統(tǒng)所在的周圍環(huán)境壓力與所述燃料電池堆的陽(yáng)極入口氣壓之間的壓差、所述周圍環(huán)境壓力與所述燃料電池堆的陰極入口氣壓之間的壓差、所述陽(yáng)極和所述陰極之間的氣體互竄、所述陽(yáng)極與所述燃料電池系統(tǒng)所在的周圍環(huán)境之間的氣體互竄、以及所述陰極與所述周圍環(huán)境之間的氣體互竄。

11.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng),其中,所述至少一個(gè)測(cè)量信號(hào)包括下列信號(hào)中的至少一個(gè):所述燃料電池堆的陽(yáng)極入口氣壓、陽(yáng)極出口氣壓、陰極入口氣壓、陰極出口氣壓、陽(yáng)極入口流量、陽(yáng)極出口流量、陰極入口流量及陰極出口流量、所述燃料電池堆的一個(gè)或多個(gè)溫度測(cè)量值、所述燃料電池堆的單個(gè)燃料電池的電壓、所述燃料電池堆的電流、以及所述燃料電池系統(tǒng)所在的周圍環(huán)境溫度、周圍環(huán)境壓力和周圍環(huán)境濕度。

12.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng),其中,所述燃料電池系統(tǒng)為固體氧化物燃料電池型系統(tǒng),所述燃料電池堆包括一系列固體氧化物燃料電池,其中每一個(gè)所述固體氧化物燃料電池具有陽(yáng)極、陰極、所述陽(yáng)極和所述陰極之間的固體電解質(zhì)以及連接體。

13.一種用于控制燃料電池系統(tǒng)的方法,其包括:

基于來(lái)自燃料電池系統(tǒng)中的負(fù)載的命令來(lái)生成期望的控制指示信號(hào),其中,所述燃料電池系統(tǒng)包括耦合至所述負(fù)載用于提供功率的燃料電池堆、以及耦合至所述燃料電池堆用于給所述燃料電池堆提供燃料和氧的氣體輸送系統(tǒng);

基于來(lái)自所述燃料電池系統(tǒng)的至少一個(gè)測(cè)量信號(hào)來(lái)生成控制校正信號(hào),以避免違背所述燃料電池堆的操作約束;

基于所述期望的控制指示信號(hào)和所述控制校正信號(hào)來(lái)生成控制信號(hào);以及

基于所述生成的控制信號(hào)來(lái)控制所述氣體輸送系統(tǒng),從而確保所述燃料電池堆運(yùn)行在安全運(yùn)行限度內(nèi)。

14.如權(quán)利要求13所述的方法,其中,產(chǎn)生所述控制信號(hào)包括:將所述期望的控制指示信號(hào)和所述控制校正信號(hào)相加以生成所述控制信號(hào)。

15.如權(quán)利要求13所述的方法,其中,來(lái)自所述負(fù)載的所述命令包括功率命令,產(chǎn)生所述期望的控制指示信號(hào)包括:

基于所述功率命令來(lái)生成設(shè)定的電流信號(hào);及

通過(guò)乘以化學(xué)計(jì)量比將所述設(shè)定的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為所述期望的控制指示信號(hào)。

16.如權(quán)利要求15所述的方法,其中,產(chǎn)生所述設(shè)定的電流信號(hào)包括:基于所述功率命令和來(lái)自所述燃料電池堆的電流測(cè)量值來(lái)生成所述設(shè)定的電流信號(hào)。

17.如權(quán)利要求16所述的方法,其中,產(chǎn)生所述設(shè)定的電流信號(hào)包括:

計(jì)算基準(zhǔn)電流信號(hào)以滿足所述功率命令;

基于所述電流測(cè)量值來(lái)生成補(bǔ)償電流信號(hào);及

將所述基準(zhǔn)電流信號(hào)和所述補(bǔ)償電流信號(hào)相加以生成所述設(shè)定的電流信號(hào)。

18.如權(quán)利要求13所述的方法,其中,產(chǎn)生所述控制校正信號(hào)包括:

預(yù)先指定所述燃料電池堆的所述操作約束;

預(yù)先建立用于描述所述燃料電池堆的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的預(yù)測(cè)模型;

基于所述至少一個(gè)測(cè)量信號(hào)從所述預(yù)測(cè)模型來(lái)預(yù)測(cè)所述期望的控制指示信號(hào)是否會(huì)違背所述燃料電池堆的所述操作約束;及

當(dāng)預(yù)測(cè)到所述期望的控制指示信號(hào)將會(huì)違背所述燃料電池堆的所述操作約束時(shí),則生成所述控制校正信號(hào),并將所述生成的控制校正信號(hào)增加到所述期望的控制指示信號(hào)中。

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