專利名稱：利用快速負荷恢復(fù)程序恢復(fù)高溫燃料電池的高功率輸出操作的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，并且尤其涉及燃料電池系統(tǒng)中功率負荷恢 復(fù)的方法。
背景技術(shù)：
燃料電池是通過電化學(xué)反應(yīng)而將存儲在碳氫化合物燃料中的化 學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置。通常，燃料電池包含由電解質(zhì)分隔的陽 極和陰極，電解質(zhì)用來電傳導(dǎo)帶電離子。為了產(chǎn)生有用的功率電平， 許多獨立的燃料電池被串聯(lián)地堆疊并且在各個電池之間有導(dǎo)電分隔 板。
燃料電池通過使反應(yīng)物燃料氣體穿過陽極，同時使氧化氣體穿過 陰極而工作。燃料電池系統(tǒng)的電輸出部分地依賴于被加濕的燃料氣體
極的速率。為了將燃料電池系統(tǒng)的功率輸出從低負荷增大或斜升
(ramp )到對應(yīng)于高目標功率輸出的高負荷，被加濕的燃料氣體和氧 化劑氣體被提供到燃料電池系統(tǒng)的速率要相應(yīng)地增大。
高溫燃料電池系統(tǒng)(例如，熔融碳酸鹽燃料電池("MCFC")和 固體氧化物燃料電池("SOFC"))能夠工作在約250kW或更高的高 功率輸出下。然而，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)的功率輸出或負荷改變時，響應(yīng) 于改變的電化學(xué)反應(yīng)速率而致使系統(tǒng)的熱分布也改變，將熱應(yīng)力和機 械應(yīng)力施加于燃料電池堆。為了在燃料電池堆內(nèi)保持相對恒定的熱分 布并且為了將該堆上的熱-機械應(yīng)力減到最小，典型地必須以緩慢且 可控的速率來增大系統(tǒng)的功率輸出以及因此增大負荷。例如，工作在 低負荷下的MCFC系統(tǒng)的功率輸出典型地以0.5kW/min (分鐘)的速
6率增大直到系統(tǒng)達到高目標功率輸出。結(jié)果，燃料電池系統(tǒng)需要大量 的時間以便在不導(dǎo)致?lián)p害燃料電池堆的情況下達到高負荷工作狀態(tài)。 在某些情況下，工作在高負荷狀態(tài)下的燃料電池系統(tǒng)可能從高負
荷突然下降到低負荷?？赡苡捎诙唐陔娋W(wǎng)中斷(grid disruption)而 致使這樣的負荷并因此使功率輸出突然下降，在該短期電網(wǎng)中斷中連 接到電網(wǎng)的燃料電池系統(tǒng)與該電網(wǎng)分離，因此消除了由該電網(wǎng)產(chǎn)生的 負荷源并且將系統(tǒng)負荷減少到孤立負荷(island load)。在其它情況 下，功率輸出的突然下降由控制器來命令以便允許過程改變(process change)(例如燃料轉(zhuǎn)換(fuel switching ))或者處理系統(tǒng)元件的失 效。這種突然命令的功率輸出的下降可能導(dǎo)致低負荷狀態(tài)或零負荷狀 態(tài)。
一旦回復(fù)系統(tǒng)的斜升到高負荷的能力，則傳統(tǒng)方法將以緩慢的漸 進的速率將燃料電池的功率輸出從低負荷增大或斜升到高負荷，在高 目標功率輸出處停止。高目標功率輸出通常等于先前的高負荷。傳統(tǒng) 的方法需要大量時間，且因此導(dǎo)致相當(dāng)可觀的系統(tǒng)電力輸出和效率的 降低。因此，期望在中斷之后在不導(dǎo)致?lián)p害燃料電池堆的情況下快速 恢復(fù)負荷以允許燃料電池系統(tǒng)快速回到高負荷工作狀態(tài)。
因此，本發(fā)明的目的為提供一種在負荷從高瞬間下降到低之后在 燃料電池系統(tǒng)中快速恢復(fù)高負荷狀態(tài)的方法。
本發(fā)明的另一目的為提供一種將燃料電池堆上的熱應(yīng)力和機械 應(yīng)力降到最小并且不導(dǎo)致該電池堆的損害的快速負荷恢復(fù)的方法。

發(fā)明內(nèi)容
上述和其它的目的在具有燃料電池和用于控制燃料電池系統(tǒng)的 功率輸出的功率負荷控制器的燃料電池系統(tǒng)中實現(xiàn)。該功率負荷控制 器適合于在負荷從高負荷下降到低負荷并且其后恢復(fù)斜升到高目標 功率輸出的能力時執(zhí)行負荷恢復(fù)程序。高目標功率輸出基本上等于或 接近于從高負荷降到低負荷之前的該高負荷。具體地，該控制器適合 于在一個或多個預(yù)定條件全部都滿足時通過控制燃料電池系統(tǒng)的功率輸出以第一預(yù)定速率從對應(yīng)于低負荷的功率輸出增大到對應(yīng)于高 負荷的高目標功率輸出來執(zhí)行快速負荷恢復(fù)程序，并且該控制器適合 于在至少一個預(yù)定條件不滿足時通過控制功率輸出以低于該第一預(yù) 定速率的第二預(yù)定速率增大到對應(yīng)于高目標功率輸出的功率輸出來
執(zhí)行標準負荷恢復(fù)程序。該高負荷至少比低負荷大IO kW并且從高負 荷到低負荷的負荷下降是在10秒或更少的時間段(time period)內(nèi)的 瞬時負荷下降。
在一些示例性實施例中，燃料電池系統(tǒng)接收輸入燃料、輸入水和 輸入氧化劑并且進一步包括用于將輸入燃料與水結(jié)合以產(chǎn)生被加濕 的燃料的加濕組件?？刂破魍ㄟ^控制至少輸入燃料和輸入水的流速來 控制燃料電池系統(tǒng)的功率輸出，其中控制該輸入燃料和水的流速使得 在執(zhí)行快速負荷恢復(fù)程序期間碳與水汽的比為恒定的。在一些實施例 中，控制器也控制到系統(tǒng)的輸入氧化劑的流速。
在一些示例性實施例中，對于執(zhí)行快速負荷恢復(fù)程序的預(yù)定條件 包括第 一條件和第二條件，該第 一條件為在從高負荷到低負荷的負荷 下降與斜升到高目標功率輸出的能力的恢復(fù)之間經(jīng)過的時間段等于
或小于第一預(yù)定時間段，該第二條件為自前一次快速負荷恢復(fù)程序完 成以來經(jīng)過的時間段等于或大于第二預(yù)定時間段。第一預(yù)定時間段的 實例為15分鐘，第二預(yù)定時間段為90分鐘。第一和第二預(yù)定速率的實 例分別為50 kW/min和0.5 kW/min。在一些情況下，預(yù)定條件還包括 第三條件，其為在燃料電池系統(tǒng)中沒有電力警報被啟動。
在燃料電池系統(tǒng)的 一 些示例性實施例中，燃料電池系統(tǒng)連接到電 網(wǎng)，并且該系統(tǒng)的負荷由控制器來設(shè)置。在其它實施例中，燃料電池 系統(tǒng)獨立于電網(wǎng)并且負荷由連接到燃料電池系統(tǒng)的一個或多個耗電 裝置來確定。
還描述了操作燃料電池系統(tǒng)的方法，該燃料電池被提供有輸入燃 料、輸入水和輸入氧化劑并且包括加濕組件和具有陽極和陰極的燃料 電池。


在閱讀以下結(jié)合附圖的詳細描述后本發(fā)明的上述和其它特征和
方面將變得更為明顯，其中
圖l示出采用負荷控制組件的燃料電池系統(tǒng)，該負荷控制組件用 于控制該系統(tǒng)的功率輸出并且用于執(zhí)行快速負荷恢復(fù)；
圖2示出圖1的負荷控制組件的控制器的操作的流程圖3示出圖l的負荷控制組件的控制器在選擇適當(dāng)?shù)呢摵苫謴?fù)程 序中的操作的流程圖；以及
圖4示出在電網(wǎng)上工作的圖1的燃料電池系統(tǒng)在該系統(tǒng)與電網(wǎng)暫 時斷開連接之后的操作的流程圖。
具體實施例方式
圖1示出了燃料電池系統(tǒng)100。燃料電池系統(tǒng)100包括功率負荷 控制器501,其用于確定負荷和負荷隨時間的變化，并且在系統(tǒng)工作 期間根據(jù)功率輸出設(shè)置點501A、所確定的系統(tǒng)100的負荷和負荷的 變化而控制燃料電池系統(tǒng)100的功率輸出IOOA。功率輸出設(shè)置點為 由控制器基于所確定的負荷以及負荷的變化而調(diào)整的移動的設(shè)置點， 并且在發(fā)電裝置(power plant)為電網(wǎng)連接時其對應(yīng)于在給定時刻的 來自燃料電池系統(tǒng)100的所期望的功率輸出，以及在發(fā)電裝置為孤立 模式或與電網(wǎng)斷開連接時其對應(yīng)于實際的功率輸出。特別是，控制器 501通過基于功率輸出設(shè)置點501A控制至少來自燃料供應(yīng)裝置102 的輸入燃料和來自水供應(yīng)裝置132的輸入水到系統(tǒng)100的流速來控制 系統(tǒng)100的功率輸出IOOA。如能夠明白的，輸入燃料和輸入水被供 應(yīng)給系統(tǒng)100的速率確定了由燃料電池系統(tǒng)輸出的允許的電功率量以 及供給系統(tǒng)100的燃料電池109的燃料的水汽與碳的比值，并且期望 燃料和水的流速使由系統(tǒng)輸出的電功率滿足功率輸出設(shè)置點。在一些 實施例中，控制器501還控制來自空氣供應(yīng)裝置124的輸入空氣到系 統(tǒng)100的流速以及通過改變?nèi)剂?、水和空氣的流速來控制系統(tǒng)100中 的工作溫度。如圖1所示，燃料電池系統(tǒng)100還包括加濕組件105，其接收輸 入燃料和輸入水并將該輸入燃料和輸入水結(jié)合從而充分地加濕在燃 料電池109中使用的燃料。在所示出的示例性實施例中，加濕組件105 包括混合器和熱交換器，該混合器接收輸入燃料和水并將該輸入燃料 和水結(jié)合以產(chǎn)生被加濕的燃料，該熱交換器將被加濕的燃料預(yù)熱到預(yù) 定溫度。如圖所示，加濕組件105通過連接線103a和閥112從燃料 供應(yīng)裝置102接收輸入燃料，并且經(jīng)過連接線133和閥134從水供應(yīng) 裝置132接收輸入水。在加濕組件105的混合器中，燃料和水被混合 以產(chǎn)生被加濕的燃料，并且被加熱到預(yù)定溫度。
圖1中的燃料電池系統(tǒng)IOO進一步包括燃料處理組件104，其接 收、清潔并進一步處理被預(yù)熱的加濕的燃料。處理組件104可以包括 脫氧劑單元和/或預(yù)重整器單元。燃料在處理組件104中進行處理之 后，通過連接線107被傳送到燃料電池109的燃料電池陽極108，在 其中它與穿過燃料電池109的燃料電池陰極IIO的氧化劑氣體反應(yīng)以 產(chǎn)生電功率輸出。輸入到陰極110的氧化劑氣體在氧化器126中產(chǎn)生， 該氧化器126接收并混合來自空氣供應(yīng)裝置124的輸入空氣和來自燃 料電池陽極108的包含未耗盡的燃料的陽極廢氣，并且燃燒輸入空氣 和未耗盡的燃料以產(chǎn)生適合用于陰極110的被加熱的氧化劑氣體。
如上所述以及圖1所示，來自燃料供應(yīng)裝置102的輸入燃料流速 和來自水供應(yīng)裝置132的輸入水流速由負荷控制組件101的功率負荷 控制器501基于功率輸出設(shè)置點和功率輸出設(shè)置點的任何變化(例如， 在斜升到新的高目標功率輸出時)來控制。功率負荷控制器501的操 作示意性示出在圖2所示的流程圖中。
如圖2所示，在第一步驟S1中功率負荷控制器501確定系統(tǒng)100 上的電負荷和/或相對于先前所確定負荷的負荷的任何變化。如能夠理 解的，如果燃料電池系統(tǒng)100連接到電網(wǎng)，則負荷能夠被驅(qū)動到任何 預(yù)定的設(shè)置點或者如所期望的波動，因為提供穩(wěn)定且恒定電壓的電網(wǎng) 能夠吸收來自燃料電池系統(tǒng)的全部負荷。當(dāng)燃料電池系統(tǒng)100不連接 到電網(wǎng)時，負荷由"孤立負荷，，確定，該孤立負荷為連接到燃料電池系統(tǒng)100并從燃料電池系統(tǒng)100接收電功率的負荷。基于在第一步驟si 中的確定，控制器501在第二步驟S2中確定功率輸出設(shè)置點并且通
出足夠的電』率以滿足功;輸出設(shè)置點如果燃料電池系:統(tǒng)不連接到
電網(wǎng)，則功率輸出設(shè)置點被設(shè)置為等于孤立負荷使得滿足孤立負荷需 求。
如圖2所示，控制器501接著進入第三步驟S3，在第三步驟S3 中控制器基于在第一步驟Sl中的確定而確定是否已經(jīng)發(fā)生功率輸出 從高負荷到低負荷的瞬時下降。在該示例性實施例中，高負荷是相對 于低負荷而言的，其中高負荷至少比低負荷多10kW。因此，功率輸 出的瞬時下降是發(fā)生在IO秒或更少時間段內(nèi)的至少10 kW的下降。 如上所述，可能由于系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開連接而發(fā)生功率輸出從高負荷到 低負荷的瞬時下降，使得負荷變?yōu)?孤立負荷"。另外，在系統(tǒng)保持電 網(wǎng)連接時，負荷的瞬時下降可能是由于功率輸出設(shè)置點的改變從而立 即降低負荷以便于必須在低或無負荷情況下執(zhí)行的系統(tǒng)改變(例如， 交換燃料，或者是由于系統(tǒng)元件的失效)。如果控制器501在步驟S3 中確定功率輸出基本恒定并且沒有發(fā)生功率輸出從高負荷到低負荷 的瞬時下降，那么控制器501回到第一步驟S1以及然后到步驟S2以 繼續(xù)監(jiān)視負荷和負荷的變化并且通過根據(jù)在第二步驟S2中確定的功 率輸出設(shè)置點而控制輸入燃料和輸入水流速來控制系統(tǒng)的功率輸出。
如果，在第三步驟S3中功率負荷控制器確定功率輸出已經(jīng)從高 負荷瞬時下降到低負荷，那么控制器501進入第四步驟S4，在第四步 驟S4中控制器確定負荷下降的原因以及是否已經(jīng)恢復(fù)系統(tǒng)斜升到高 目標功率輸出的能力。高目標功率輸出是在高負荷狀態(tài)下所期望的功 率輸出，其基本等于或接近在功率輸出的瞬時下降之前的高負荷狀 態(tài)。例如，當(dāng)由于與電網(wǎng)斷開連接而引起的功率輸出的瞬時下降時， 一旦將系統(tǒng)重新連接到電網(wǎng)就恢復(fù)斜升到高目標功率輸出的能力。在 另一個實例中，當(dāng)由控制器來命令功率輸出從高負荷瞬時下降到低負 荷(例如為便于無負荷燃料交換)時， 一旦完成無負荷燃料交換就恢復(fù)斜升功率輸出的能力。
如果控制器在步驟S4中確定斜升到高目標功率輸出的能力沒有 被恢復(fù)，則控制器的操作進入步驟S5以通過基于步驟S4中確定的負 荷而控制輸入燃料和輸入水流速來控制系統(tǒng)的功率輸出。在步驟S5 之后，，控制器的操作返回步驟S4以再次確定負荷以及斜升到高目標 功率輸出的能力是否已經(jīng)恢復(fù)。如果在步驟S4再次確定斜升到高目 標功率輸出的能力沒有恢復(fù)，則控制器繼續(xù)監(jiān)視斜升到高目標功率輸 出的能力并基于所確定的負荷控制系統(tǒng)的功率輸出(步驟S4和S5 )， 直到在步驟S4中確定斜升到高目標功率輸出的能力已經(jīng)恢復(fù)。
如果控制器501在第四步驟S4中確定斜升到高目標功率輸出的 能力已經(jīng)恢復(fù)，則控制器的操作進入步驟S6，在該步驟中控制器501 選擇合適的功率負荷恢復(fù)程序，該程序接著用于增加或斜升燃料電池 系統(tǒng)100的功率輸出設(shè)置點并且因此增加或斜升功率輸出直到功率輸 出足夠高以滿足高目標功率輸出。特別是，在步驟S6中控制器501 確定要被用于恢復(fù)系統(tǒng)的高功率輸出操作的是標準負荷恢復(fù)程序還 是快速負荷恢復(fù)程序。在步驟S6中選擇了合適的負荷恢復(fù)程序之后， 控制器的操作進入步驟S7以根據(jù)S6中所選的負荷恢復(fù)程序來控制系 統(tǒng)功率輸出的斜升直到恢復(fù)了系統(tǒng)的高目標功率輸出操作。如上面所 提到的，系統(tǒng)的功率輸出通過控制到燃料電池系統(tǒng)的輸入燃料和愉> 水的流速來控制。當(dāng)完成該合適的負荷恢復(fù)程序(即，系統(tǒng)的功率輸 出足以滿足高目標功率輸出)時，控制器501的操作回到第一步驟Sl。
如上面所提到的，標準或傳統(tǒng)的負荷恢復(fù)程序需要緩慢地逐漸地 增大燃料電池系統(tǒng)的功率輸出直到功率輸出足以滿足系統(tǒng)的高目標 功率輸出從而避免由于熱應(yīng)力和機械應(yīng)力而對系統(tǒng)的損害。當(dāng)使用標 準負荷恢復(fù)程序時，控制器501控制輸入燃料和輸入水的流速使得系 統(tǒng)的功率輸出按照以標準預(yù)定速率斜升的功率輸出設(shè)置點而增大。標 準預(yù)定速率足夠地慢從而避免對燃料電池系統(tǒng)的損害。例如，在標準 負荷恢復(fù)程序期間在斜升燃料電池系統(tǒng)的功率輸出設(shè)置點時能夠使 用約0.5 kW/min的速率。然而，在某些情況下，可以使用快速負荷恢復(fù)程序來將系統(tǒng)的功 率輸出以顯著更高的速率從低功率輸出增大到足以滿足高目標功率 輸出的高功率輸出。當(dāng)滿足所需的條件并使用快速負荷恢復(fù)時，控制
器501控制到系統(tǒng)的輸入燃料和輸入水的流速使得功率輸出以快速負 荷恢復(fù)("RLR")預(yù)定速率增大直到功率輸出足以滿足高目標功率輸 出，該快速負荷恢復(fù)預(yù)定速率高于標準預(yù)定速率。例如，在快速負荷 恢復(fù)程序期間，可以通過以約50 kW/min的RLR速率增大功率輸出 設(shè)置點來增大燃料電池系統(tǒng)的功率輸出。快速負荷恢復(fù)程序的使用允 許系統(tǒng)在與標準負荷恢復(fù)程序相比明顯更短的時間段內(nèi)達到高負荷 操作以滿足高目標功率輸出。
作為以高速(例如，RLR預(yù)定速率)增大系統(tǒng)功率輸出的結(jié)果， 系統(tǒng)中的燃料與水的比值可能被致使與到陽極108的燃料通路中的燃 料的停留時間相關(guān)地快速減小。這又致使用水汽稀釋的燃料太緩慢地 前進到燃料電池陽極108中，因此負面地影響了系統(tǒng)的電輸出和總性 能。因此，如下面將更充分討論的，在執(zhí)行快速負荷恢復(fù)程序期間供 應(yīng)到系統(tǒng)的輸入燃料和水的流速需要被控制使得在系統(tǒng)的功率輸出 被增大的同時燃料的碳與水汽的比值保持恒定以便確保燃料以所需 的速率被傳送到燃料電池陽極。
參考圖3來詳細地進一步討論要使用的快速負荷恢復(fù)程序所需 的條件，圖3示出了在恢復(fù)高功率要求之后控制器501在選擇要使用 的負荷恢復(fù)程序中的邏輯操作的圖。如上面關(guān)于圖2所討論的，如果 功率輸出從高負荷瞬時下降到低負荷并且其后恢復(fù)系統(tǒng)斜升到高目 標功率輸出的能力，則執(zhí)行負荷恢復(fù)程序。因此，圖3所示的控制器 501的操作以燃料電池系統(tǒng)100被啟動并且工作在高功率輸出下的 300作為開始。
在系統(tǒng)100的高功率輸出操作期間的控制器501的操作的第一步 驟S101中，控制器501確定負荷和負荷的改變。如上面所提到的， 在系統(tǒng)連接到電網(wǎng)時系統(tǒng)負荷能夠根據(jù)需要設(shè)置或調(diào)整，或者在系統(tǒng) 沒連到電網(wǎng)時系統(tǒng)負荷由"孤立負荷"確定。在下一步驟S102中，控制器501基于步驟S101中所確定的負荷和負荷改變來確定功率輸出 設(shè)置點，并且通過基于功率輸出設(shè)置點而控制輸入燃料和輸入水流速 來控制系統(tǒng)的功率輸出。其后控制器501的操作進入第三步驟S103， 在步驟S103中控制器確定功率輸出是否從高負荷瞬時下降到低負荷。 如果在步驟S103中確定功率輸出沒有瞬時下降，那么控制器的操作 回到第一步驟SlOl。
然而，如果在步驟S103中確定功率輸出從高負荷瞬時下降到了 低負荷，那么控制器的操作進入步驟S104，在步驟S104中控制器確 定負荷下降的原因以及是否已經(jīng)恢復(fù)斜升到高目標功率輸出的能力。 如上面所提到的，高目標功率輸出基本等于或接近功率輸出從高負荷 到低負荷的瞬時下降之前的功率輸出。如果在步驟S104中控制器501 確定還沒有恢復(fù)斜升到高目標功率輸出的能力，則控制器的操作進入 步驟S105，在步驟S105中基于在步驟S104中確定的負荷而確定功率 輸出設(shè)置點并且通過基于功率輸出設(shè)置點而控制到系統(tǒng)的輸入燃料 和水流速來控制系統(tǒng)的功率輸出，并且其后回到步驟S104。如上面所 討論的，控制器501繼續(xù)監(jiān)視負荷并通過基于所檢測的負荷控制輸入 燃料和水流速來控制功率輸出設(shè)置點和系統(tǒng)的功率輸出，直到步驟 S104中確定了已經(jīng)恢復(fù)斜升到高目標功率輸出的能力。
如果在步驟S104中控制器501確定已經(jīng)恢復(fù)斜升到高目標功率 輸出的能力，那么控制器501的操作進入步驟S106a，在S106a中控 制器501確定自確定功率輸出從高負荷瞬時下降到低負荷以來是否已 經(jīng)經(jīng)過了等于第一預(yù)定時間段的預(yù)定時間段。第一預(yù)定時間段可以根 據(jù)各種因素(包括燃料電池系統(tǒng)的大小和類型)而變化。例如，對于 250 kW直接重整熔融碳酸鹽燃料電池系統(tǒng)，第一預(yù)定時間段為約15 分鐘。如果在步驟S106a中確定自功率輸出的瞬時下降以來已經(jīng)經(jīng)過 了第一預(yù)定時間段，那么控制器的操作進入步驟S107以禁止快速負 荷恢復(fù)程序并選擇標準負荷恢復(fù)程序。如上面所提到的，通過緩慢地 且逐漸地增大功率輸出設(shè)置點來執(zhí)行標準負荷恢復(fù)程序，并且因此根 據(jù)功率輸出設(shè)置點通過控制輸入燃料和輸入水的流速來緩慢地且逐漸地增大系統(tǒng)100的功率輸出，直到功率輸出等于所恢復(fù)的高目標功
率輸出。
如果在步驟S106a中控制器501確定自功率輸出的瞬時下降以來 還沒有經(jīng)過第一預(yù)定時間段，那么控制器的操作進入步驟S106b，在 步驟S106b中控制器501確定自上次使用快速負荷恢復(fù)程序以來是否 已經(jīng)經(jīng)過了足夠的時間。特別是，在S106b中控制器501確定自前一 次快速負荷恢復(fù)程序完成以來是否已經(jīng)經(jīng)過了等于第二時間段的預(yù) 定時間段。象第一預(yù)定時間段一樣，第二預(yù)定時間段也根據(jù)所使用的 燃料電池系統(tǒng)的類型和大小而變化。例如，當(dāng)使用250 kW直接重整 熔融碳酸鹽燃料電池系統(tǒng)時，第二預(yù)定時間段等于90分鐘。
如果在步驟S106b中控制器501確定自前一次快速負荷恢復(fù)程 序完成以來還沒有經(jīng)過第二預(yù)定時間段，那么控制器的操作進入步驟 S107以禁止快速負荷恢復(fù)程序并選擇標準負荷恢復(fù)程序。如果在 S106b中控制器501確定已經(jīng)經(jīng)過第二預(yù)定時間段，那么控制器501 進入步驟S106c，在步驟S106c中控制器501感測是否已經(jīng)啟動了任 何被預(yù)先選擇的電力警報。在某些情況下，被預(yù)先選擇的電力警報包 括燃料電池系統(tǒng)100中所有的電力警報，而在其它情況下，被預(yù)先選 擇的電力警報只包括會在快速負荷恢復(fù)程序期間對系統(tǒng)性能有負面 影響的那些電力警報。如果控制器501感測到已經(jīng)啟動了一個或多個 被預(yù)先選擇的電力警報，那么控制器的操作進入步驟S107以選擇標 準負荷恢復(fù)程序。然而，如果控制器501確認沒有任何被預(yù)先選擇的 電力警報被啟動，那么控制器的操作進入步驟S108以選擇快速負荷 恢復(fù)程序用于恢復(fù)燃料電池系統(tǒng)的高功率輸出操作。
如上面所討論的，當(dāng)選擇快魂負荷恢復(fù)程序時，根據(jù)功率輸出設(shè) 置點以比使用標準負荷恢復(fù)程序時明顯更高的速率來增大燃料電池 系統(tǒng)的功率輸出。在某些實施例中，以約50kW/min的速率來增大功 率輸出設(shè)置點以及因此增大系統(tǒng)的功率輸出，該速率比在標準負荷恢 復(fù)程序中所使用的速率快100倍。在執(zhí)行快速負荷恢復(fù)期間，控制輸 入燃料和輸入水的流速從而根據(jù)以RLR預(yù)定速率斜升的功率輸出設(shè)
15置點來增大系統(tǒng)的功率輸出。另外，控制器控制燃料和水流速使得在
保;皮加濕的:料以所需的e速率^傳送多i"燃料電池陽極。例如，當(dāng)使用
250 kW直接重整燃料電池系統(tǒng)時，控制器501控制輸入燃料和水的 流速使得碳與水汽的比值保持在約2.0。
如上面所討論的，執(zhí)行負荷恢復(fù)程序直到燃料電池系統(tǒng)的功率輸 出足以滿足如步驟S104中所確定的高目標功率輸出。當(dāng)功率輸出變 得足以滿足高目標功率輸出時，完成負荷恢復(fù)程序，燃料電池系統(tǒng)被 啟動并工作在高功率輸出下300，然后，控制器501的操作回到第一 步驟SlOl。
在連接到電網(wǎng)的燃料電池系統(tǒng)中快速負荷恢復(fù)程序是特別有用 的，這允許燃料電池系統(tǒng)的功率輸出值被預(yù)先設(shè)置。如上面所提到的， 當(dāng)發(fā)生暫時電網(wǎng)中斷時，可以使燃料電池系統(tǒng)100與電網(wǎng)暫時斷開連 接而導(dǎo)致功率輸出瞬時下降到孤立負荷，并且在短時間段之后重新連 接到電網(wǎng)而導(dǎo)致恢復(fù)斜升到高目標功率輸出的能力。在這樣的狀態(tài) 中，快速負荷恢復(fù)程序典型地適合于在系統(tǒng)重新連接到電網(wǎng)和恢復(fù)功 率輸出斜升到高目標功率輸出的能力之后允許快速恢復(fù)系統(tǒng)的功率 輸出。圖4示出了當(dāng)連接到電網(wǎng)的燃料電池系統(tǒng)暫時與電網(wǎng)斷開連接 短時間段時，在控制器501的控制下燃料電池系統(tǒng)的操作。
如圖4所示，在第一步驟S201中，燃料電池系統(tǒng)連接到電網(wǎng)， 這允許系統(tǒng)的功率輸出符合功率輸出設(shè)置點，并且在足以滿足高目標 功率輸出的高電平下輸出功率。當(dāng)燃料電池系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開連接時燃 料電池系統(tǒng)的高功率操作被中斷并且在步驟S202中確定低負荷。如 上面所提到的，可能由于電網(wǎng)中斷或者例如燃料電池系統(tǒng)元件的失效 或系統(tǒng)內(nèi)的過程改變的一個或多個其它因素而使系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開連 接。如上面關(guān)于圖2和3所討論的，當(dāng)系統(tǒng)的控制器確定功率輸出從 高負荷瞬時下降到低負荷時，控制器根據(jù)在低負荷處的功率輸出設(shè)置 點來控制輸入燃料流速和輸入水流速直到系統(tǒng)重新連接到電網(wǎng)。
當(dāng)在步驟S203中燃料電池系統(tǒng)重新連接到電網(wǎng)時，已經(jīng)恢復(fù)了斜升到高目標功率輸出的能力。然而，如圖4所示，系統(tǒng)以先前獨立 于電網(wǎng)的功率輸出以低負荷重新連接到電網(wǎng)，并因此系統(tǒng)的功率輸出 必須被增大或斜升直到它足以滿足高目標功率輸出。如果燃料電池系 統(tǒng)與電網(wǎng)斷開連接一短時間段，則用于快速斜升系統(tǒng)的功率輸出的快 速負荷恢復(fù)程序可能是合適的。因此，當(dāng)在步驟S203中燃料電池系 統(tǒng)重新連接到電網(wǎng)并且準備斜升功率輸出時，操作進入步驟S204，在 S204中控制器確定對于快速負荷恢復(fù)程序的條件是否滿足。這些條件 包括自系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開連接以來經(jīng)過的時間的最大長度、自完成前 一次快速負荷恢復(fù)程序以來經(jīng)過的時間的最小長度和沒有啟動任何 被預(yù)先選擇的電力警報。
如上面關(guān)于圖3所討論的，在步驟S204中控制器確定自系統(tǒng)與 電網(wǎng)斷開連接的時刻以來是否已經(jīng)經(jīng)過了等于第一時間段的預(yù)定時 間段。在這里所描述的示例性實施例中，第一預(yù)定時間段為15分鐘。 如果已經(jīng)經(jīng)過第一預(yù)定時間段，則沒有滿足對于快速負荷恢復(fù)程序的 條件并且控制器在S205中選擇標準負荷恢復(fù)程序，從而系統(tǒng)的功率 輸出根據(jù)功率輸出設(shè)置點而緩慢地且逐漸地增大直到它滿足高目標 功率輸出。
如果還沒有經(jīng)過第一預(yù)定時間段，那么控制器確定自前一次快速
負荷恢復(fù)程序完成以來是否已經(jīng)經(jīng)過了第二預(yù)定時間段。在這.究聽銀 述的示例性實施例中，第二預(yù)定時間段為90分鐘。如果控制器確定 還沒有經(jīng)過第二預(yù)定時間段，那么沒有滿足對于快速負荷恢復(fù)程序的 條件并且在步驟S205中禁止快速負荷恢復(fù)并選擇標準負荷恢復(fù)程序。 如果控制器確定已經(jīng)過去了第二預(yù)定時間段，則控制器確定是否啟動 了任何會阻止快速負荷恢復(fù)的被預(yù)先選擇的電力警報。如果已經(jīng)啟動 了任何這樣的電力警報，那么在S205中禁止快速負荷恢復(fù)并選擇標 準負荷恢復(fù)程序。如果控制器確定沒有電力警報被啟動，那么已經(jīng)滿 足了對于快速負荷恢復(fù)程序的條件，并且系統(tǒng)的操作進入步驟S206， 在S206中快速負荷恢復(fù)程序被選擇并且執(zhí)行。
如上面所討論的，通過以比標準負荷恢復(fù)程序期間明顯更高的速率增大功率輸出設(shè)置點和燃料電池系統(tǒng)的功率輸出來執(zhí)行快速負荷 恢復(fù)程序。在本示例性實施例中，在快速負荷恢復(fù)程序期間功率輸出
設(shè)置點增大的RLR速率為50 kW/min，而在標準負荷恢復(fù)程序期間 功率輸出設(shè)置點增大的標準速率為0.5 kW/min。根據(jù)功率輸出設(shè)置點 通過控制輸入燃料和輸入水流速來增大系統(tǒng)的功率輸出，并且在快速
恒定。 B 、 ' ；' 'r
在這里所述的快速負荷恢復(fù)程序允許燃料電池系統(tǒng)在暫時從高 負荷下降到低負荷并隨后恢復(fù)斜升到在高負荷狀態(tài)中的高目標功率 輸出的能力之后在比使用標準負荷恢復(fù)程序時明顯更短的時間段內(nèi) 恢復(fù)到高功率輸出操作?？焖倩謴?fù)高功率輸出操作的能力又快速地增 大燃料電池系統(tǒng)的效率和功率產(chǎn)生。另外，因為在距離負荷突然下降 時刻較短的時間段內(nèi)執(zhí)行快速負荷恢復(fù)程序，不會使燃料電池系統(tǒng)明 顯地冷卻，并且系統(tǒng)功率輸出增大的高速率不導(dǎo)致對系統(tǒng)元件的損 害。
應(yīng)當(dāng)注意，控制器501可以是由GE制造的傳統(tǒng)PLC (可編程 序邏輯控制器——本質(zhì)上高可靠的穩(wěn)健的(robust)計算機)。進而 所使用的控制程序可以是同樣作為GE產(chǎn)品的稱為"Versapro"的軟件 產(chǎn)品，其能夠在GEPLC中實施工業(yè)自動化。在其它實施例中，控制 器可以是由Foxboro制造的傳統(tǒng)DCS(分布控制系統(tǒng))，并且控制程 序可以是在DCS中執(zhí)行用于工業(yè)自動化的軟件，其也由Foxboro制 造。在又一實施例中，控制器可以是傳統(tǒng)的基于PLC的"Iconics"系 統(tǒng)。
應(yīng)當(dāng)理解，時間段和用于執(zhí)行快速負荷恢復(fù)的其它條件不限于這 里所描述的條件。如上面所提到的，控制器在確定是否應(yīng)該采用快速 負荷恢復(fù)程序時所使用的第 一和第二預(yù)定時間段可以根據(jù)燃料電池 的類型和大小而變化。此外，在確定是否應(yīng)該采用快速負荷恢復(fù)程序 時可以使用沒有在這里具體提到的其它條件。
在所有情況下應(yīng)當(dāng)理解，上述布置僅僅說明了代表本發(fā)明應(yīng)用的許多可能的具體實施例。在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下根據(jù) 本發(fā)明的原理能夠容易地設(shè)計眾多的和變化的其它布置。
權(quán)利要求
1. 一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池；功率負荷控制器，用于基于功率輸出設(shè)置點控制該燃料電池系統(tǒng)的功率輸出；其中，在負荷從高負荷下降到低負荷并且其后恢復(fù)斜升到高目標功率輸出的能力時，該控制器被適配為在滿足一個或多個預(yù)定條件的全部的情況下通過控制所述燃料電池系統(tǒng)的功率輸出以第一預(yù)定速率從對應(yīng)于所述低負荷的功率輸出增大到對應(yīng)于所述高負荷的所述高目標功率輸出來執(zhí)行快速負荷恢復(fù)程序，并且在不滿足所述一個或多個預(yù)定條件中的至少一個的情況下所述控制器通過控制所述功率輸出以第二預(yù)定速率增大到對應(yīng)于所述高目標功率輸出的功率輸出來執(zhí)行標準負荷恢復(fù)程序，以及其中所述第一預(yù)定速率大于所述第二預(yù)定速率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的燃料電池系統(tǒng)，其中 所述燃料電池系統(tǒng)接收輸入燃料、輸入水和輸入氧化劑；被加濕的燃料的加濕組件；以及所述燃料電池具有用于接收被加濕的燃料的陽極以及用于接收 該輸入氧化劑的陰極。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的用于接收輸入燃料和輸入氧化劑的燃料電 池系統(tǒng)，其中所述控制器通過控制至少所述輸入燃料和輸入水的流速 來控制所述功率輸出，并且所述控制器控制所述輸入燃料和輸入水的的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的燃料電池系統(tǒng)，其中所述控制器控制所述 輸入氧化劑的流速。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l的燃料電池系統(tǒng)，其中所述一個或多個預(yù)定條件包括第一條件，所述第一條件為在從高負荷到低負荷的負荷下降 與斜升到所述高目標功率輸出的能力的恢復(fù)之間經(jīng)過的時間段等于 或小于第一預(yù)定時間段。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的燃料電池系統(tǒng)，其中所述一個或多個預(yù)定 條件還包括第二條件，所述第二條件為自前一次快速負荷恢復(fù)程序完 成以來經(jīng)過的時間段等于或大于第二預(yù)定時間段。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的燃料電池系統(tǒng)，其中所述一個或多個預(yù)定 條件還包括第三條件，所述第三條件為在所述燃料電池系統(tǒng)中沒有電 力警報被啟動。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6的燃料電池系統(tǒng)，其中所述第一預(yù)定時間段 為15分鐘，所述第二預(yù)定時間段為90分鐘。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的燃料電池系統(tǒng)，其中所述第一預(yù)定速率為 50kW/min,所述第二預(yù)定速率為0.5 kW/min。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池系統(tǒng)連 接到電網(wǎng)，并且所述負荷由所述控制器來設(shè)置。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池系統(tǒng)獨 立于電網(wǎng)并且所述負荷由連接到所述燃料電池系統(tǒng)的一個或多個耗 電裝置來確定。
12. —種操作具有燃料電池的燃料電池系統(tǒng)的方法，包括以下步簸.通過控制器基于功率輸出設(shè)置點和所述系統(tǒng)的所檢測的負荷的 改變來控制該燃料電池系統(tǒng)的功率輸出，使得在所述負荷從高負荷下 降到低負荷并且其后恢復(fù)斜升到高目標功率輸出的能力時，在滿足一率:出以第 一預(yù)定速率:對應(yīng)^所述低負荷的功^輸出增大i]對應(yīng) 于所述高負荷的所述高目標功率輸出來執(zhí)行快速負荷恢復(fù)程序，并且 在不滿足所述預(yù)定條件中的至少一個的情況下通過控制所述功率輸 出以第二預(yù)定速率增大到所述高目標功率輸出來執(zhí)行標準負荷恢復(fù)程序，其中所述第 一預(yù)定速率大于所述第二預(yù)定速率。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中 所述燃料電池系統(tǒng)被提供有輸入燃料、水和氧化劑； 所述燃料電池系統(tǒng)還包括用于將輸入燃料和輸入水結(jié)合以產(chǎn)生被加濕的燃料的組件；以及所述燃料電池具有用于接收被加濕的燃料的陽極以及用于接收 該輸入氧化劑的陰極。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13的操作燃料電池系統(tǒng)的方法，其中控制所述 燃料電池的所述功率輸出的步驟包括控制至少輸入燃料和輸入水的 流速，并且其中控制所述輸入燃料和所述輸入水的所述流速使得在執(zhí) 行所述快速負荷恢復(fù)程序期間所述燃料的碳與水汽的比值是恒定的。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的操作燃料電池系統(tǒng)的方法，還包括控制所 述輸入氧化劑的流速的步驟。
16. 根據(jù)權(quán)利要求12的操作燃料電池系統(tǒng)的方法，其中所述一個 或多個預(yù)定條件包括第 一條件，所述第 一條件為在從高負荷到低負荷的負荷下降與斜升到所述高目標功率輸出的能力的恢復(fù)之間經(jīng)過的 時間段等于或小于第一預(yù)定時間段。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16的操作燃料電池系統(tǒng)的方法，其中所述一個 或多個預(yù)定條件還包括第二條件，所述第二條件為自前一次快速負荷 恢復(fù)程序完成以來經(jīng)過的時間段等于或大于第二預(yù)定時間段。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17的操作燃料電池系統(tǒng)的方法，其中所述一個 或多個預(yù)定條件還包括第三條件，所述第三條件為在所述燃料電池系 統(tǒng)中沒有電力警報被啟動。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17的操作燃料電池系統(tǒng)的方法，其中所述第一 預(yù)定時間段為15分鐘，所述第二預(yù)定時間段為90分鐘。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19的操作燃料電池系統(tǒng)的方法，其中所述第一 預(yù)定速率為50 kW/min,所述第二預(yù)定速率為0.5 kW/min。
21. 根據(jù)權(quán)利要求12的操作燃料電池系統(tǒng)的方法，其中所述燃料 電池系統(tǒng)連接到電網(wǎng)，并且所述負荷由所述控制器來設(shè)置。
22. 根據(jù)權(quán)利要求12的操作燃料電池系統(tǒng)的方法，其中所述燃料 電池獨立于電網(wǎng)并且所述負荷由連接到所述燃料電池系統(tǒng)的一個或 多個耗電裝置來確定。
23. —種編程計算機控制器，用于執(zhí)行權(quán)利要求12的方法。
24. —種計算機可讀介質(zhì)上的程序，用于由計算機控制器執(zhí)行以 執(zhí)行權(quán)利要求12的方法的步驟。
25. 根據(jù)權(quán)利要求l的燃料電池系統(tǒng)，其中所述高負荷至少比所 述低負荷大IO kW，并且所述負荷下降是在10秒或更少的時間段內(nèi)從所述高負荷到所述低負荷的瞬時負荷下降。
26. 根據(jù)權(quán)利要求12的操作燃料電池系統(tǒng)的方法，其中所述高負 荷至少比所述低負荷大IO kW，并且所述負荷下降是在10秒或更少的 時間段內(nèi)從所述高負荷到所述低負荷的瞬時負荷下降。
全文摘要
一種用于接收輸入燃料、輸入水和輸入氧化劑的燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用于將輸入燃料與輸入水結(jié)合以產(chǎn)生被加濕的燃料的加濕組件、具有用于接收被加濕的燃料的陽極和用于接收輸入氧化劑的陰極的燃料電池以及用于基于功率輸出設(shè)置點和所檢測的負荷的改變來控制燃料電池系統(tǒng)的功率負荷的功率負荷控制器。如果負荷從高負荷下降到低負荷并且其后恢復(fù)斜升到高目標功率輸出的能力，則該控制器適合于通過控制燃料電池系統(tǒng)的功率輸出以第一預(yù)定速率從對應(yīng)于低負荷的功率輸出增大到對應(yīng)于高負荷的高目標功率輸出來執(zhí)行快速負荷恢復(fù)程序。
文檔編號H01M8/04GK101479873SQ200780024156
公開日2009年7月8日 申請日期2007年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月27日
發(fā)明者J·戴利, M·法魯克, R·文卡塔拉曼, W·利文古德 申請人:燃料電池能有限公司