CN114335630B - 一种燃料电池热电联供控制方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及多能源***技术领域，尤其涉及一种燃料电池热电联供控制方法及***。燃料电池热电联供控制方法，燃料电池包括电需求控制模式和热需求控制模式，包括如下步骤：获得并比较电需求功率P_E‑D和热需求功率P_H‑D以确定电需求和热需求的优先级；基于优先级执行电需求控制模式或热需求控制模式，热需求控制模式为控制燃料电池余热加热储热水箱内的水。本发明提供的燃料电池通过比较电需求功率和热需求功率的大小来确定电需求和热需求的优先级，然后再根据确定的优先级优先执行电需求控制模式或热需求控制模式，如此可在满足用户最大需求，以保证用户至少需求能够得到良好的满足，提高用户体验。

Description

一种燃料电池热电联供控制方法及***

技术领域

本发明涉及多能源***技术领域，尤其涉及一种燃料电池热电联供控制方法及***。

背景技术

氢能是一种清洁无污染能源，燃料电池是一种氢能利用装置，燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。燃料电池电效率约为50％左右，效率较低，其余能量大部分转换为热量。由于燃料电池需要在稳定温度下运行，因此还需额外的能量驱动散热器、风机等设备，将电堆所产生热量带走并散失，因此包含燃料电池辅助设备的燃料电池***效率将会更低。

尽管现有技术中通过将燃料电池的热量回收至储热水箱，并通过其他能源加热方式对储热水箱进行加热，但是现有的燃料电池热电联供***并不能同时满足用户的电需求和热需求，造成用户体验差。

因此，亟需一种燃料电池热电联供控制方法，以解决上述技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种燃料电池热电联供控制方法，能够根据用户实际使用需要确定供电热的优先级，并根据优先级确定执行相应的控制模式，以满足用户的实际需求。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

提供一种燃料电池热电联供控制方法，燃料电池包括电需求控制模式和热需求控制模式，包括如下步骤：

获得并比较电需求功率P_E-D和热需求功率P_H-D以确定电需求和热需求的优先级；

基于优先级执行电需求控制模式或热需求控制模式，所述热需求控制模式为控制燃料电池余热加热储热水箱内的水。

作为上述燃料电池热电联供控制方法的一种优选技术方案，所述燃料电池的电热效率比为λ，P_E-S＝λP_H-S，P_E-S为电输出功率，P_H-S为热输出功率；

所述比较电需求功率P_E-D和热需求功率P_H-D以确定电需求和热需求的优先级包括：

当P_E-D≥λP_H-D时，则执行电需求控制模式；

当P_E-D＜λP_H-D时，则执行热需求控制模式。

作为上述燃料电池热电联供控制方法的一种优选技术方案，执行热需求模式时，若P_E-D＞P_E-S，则电需求功率P_E-D由配电网供电***补充，若P_E-D＜P_E-S，则多余电量流向配电网供电***。

作为上述燃料电池热电联供控制方法的一种优选技术方案，执行热需求模式时，若收到预设时间后使用含有预设热量热水的使用需求，则在预设时间之前设定至少两个时刻，每个时刻对应一个目标热量，在达到每个时刻前，对储热水箱进行加热，使储热水箱内的热水所含热量达到对应的目标热量。

作为上述燃料电池热电联供控制方法的一种优选技术方案，在其中任一加热时刻加热开始前，若储热水箱内的当前总热量已经达到该时刻对应的储热量，则放弃该加热时刻的加热任务。

作为上述燃料电池热电联供控制方法的一种优选技术方案，所述储热水箱内的总热量达到需求用热量时，若所述储热水箱的实际温度大于储热水箱的设定温度和修正温度之和，则为所述储热水箱补水，若所述储热水箱的实际温度小于等于所述储热水箱的设定温度和修正温度之差，则对所述储热水箱加热。

作为上述燃料电池热电联供控制方法的一种优选技术方案，所述储热水箱配设有太阳能储热器，在执行所述电需求控制模式或所述热需求控制模式过程中，所述太阳能储热器为所述储热水箱提供热量。

作为上述燃料电池热电联供控制方法的一种优选技术方案，当太阳能储热器工作时，所述储热水箱内的水位大于等于所述储热水箱的预设最大液位，且温度大于等于预设最大温度时，则所述储热水箱放热水补冷水。

作为上述燃料电池热电联供控制方法的一种优选技术方案，所述储热水箱配设有第一循环泵，所述第一循环泵的进口和出口分别连接所述储热水箱和所述太阳能储热器，所述太阳能储热器内的水温小于所述储热水箱内的水温时，所述第一循环泵停止工作。

本发明还提供了一种燃料电池热电联供***，能够将燃料电池的余热利用，并根据用户需要提供热能或者电能。

提供一种燃料电池热电联供***，包括燃料电池、换热器、储热水箱和太阳能储热器，所述换热器分别与所述燃料电池和所述储热水箱连接，所述换热器用于将燃料电池的余热加热所述储热水箱的水，所述太阳能储热器为所述储热水箱的水加热，使用如上任一方案所述的燃料电池热电联供控制方法。

本发明有益效果：

本发明提供的燃料电池通过比较电需求功率和热需求功率的大小来确定电需求和热需求的优先级，然后再根据确定的优先级优先执行电需求控制模式或热需求控制模式，以保证用户需求能够得到良好的满足，提高用户体验。

附图说明

图1是本发明实施例提供的燃料电池热电联供控制方法的主要步骤流程图；

图2是本发明实施例提供的燃料电池热电联供控制方法的详细步骤流程图；

图3是本发明实施例提供的在执行热需求控制模式时对储热水箱加热的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

针对现有技术中燃料电池电堆多余的热量带走并散失，导致燃料电池能量利用率低的问题，本发明的实施例中提供了一种燃料电池热电联供控制***及方法，用以解决上述技术问题。

燃料电池热电联供控制***包括燃料电池、换热器、储热水箱和太阳能储热器，换热器分别与燃料电池和储热水箱连接，换热器用于将燃料电池的余热加热储热水箱的水，太阳能储热器为储热水箱的水加热，即燃料电池和储热水箱通过换热器实现换热的目的，进而将燃料电池多余的热量被储热水箱内的水吸收，而储热水箱内的水再供给给用户使用，如取暖或洗澡。太阳能储热器为储热水箱的水加热，即储热水箱的热量来源为不仅仅包括燃料电池产生的热量，还来自太阳能储热器，如此可以节能的同时，辅助燃料电池加热储热水箱内的水。

储热水箱内设置有液位传感器与第一温度传感器，如此可保证储热水箱为恒温水箱，且能够根据用户实际需要控制水位和水温。储热水箱连接有补水管和供水管，补水管连接水源，且补水管设置有第二温度传感器以确定冷水的温度，供水管连接用户用水设备。储热水箱采用恒温补水控制方式，储热水箱内温度保持恒定，作为燃料电池的冷却液，可以保证燃料电池运行温度稳定，提高燃料电池寿命。

在本实施例中，燃料电池包括电需求控制模式和热需求控制模式，热需求控制模式即根据用户的实际使用需要燃料电池主要提供热量，而电需求控制模式即根据用户的实际使用需要燃料电池主要提供电能。燃料电池热电联供控制***使用燃料电池热电联供控制方法进行控制。如图1所示，该燃料电池热电联供控制方法包括如下步骤：

S11、获得并比较电需求功率P_E-D和热需求功率P_H-D以确定电需求和热需求的优先级；

即根据电需求功率P_E-D和热需求功率P_H-D确定用户是用电需求量大还是用热需求量大，进而根据电需求和热需求来区别处优先级。

S12、基于优先级执行电需求控制模式或热需求控制模式。

根据用户的实际需求来执行，优先满足用户需求量大的一方。

在本发明的实施例中，燃料电池的电热效率比为λ，即P_E-S＝λP_H-S，P_E-S为电输出功率，P_H-S为热输出功率。

上述比较电需求功率P_E-D和热需求功率P_H-D以确定电需求和热需求的优先级包括：当P_E-D＜λP_H-D时，则执行热需求控制模式；即燃料电池主要为用户提供热量，***进入热需求控制模式，在热需求控制模式下，若P_E-D＞P_E-S，则此时用户电需求中缺少的电量由配电网供电***补充，若P_E-D＜P_E-S，则产生的多余电量回馈配电网供电***。

其中，燃料电池电效率为γ，γ根据燃料电池实际工作情况获得，电输出功率P_E-S；

热效率为(1-γ)，热输出功率P_H-S，

P_E-S＝γ/(1-γ)P_H-S，

设λ＝γ/(1-γ)，

则P_E-S＝λP_H-S，

当P_E-D＝λP_H-D时，热电需求恰好等于热电供给，热电都无冗余。

燃料电池发电给用户使用，当燃料电池优先满足热需求时，用户用电仅靠燃料电池的话会电供应不足，此时可通过配电网供电***进行补充，其中配电网供电***可为蓄能电池模组或国家供电网***，当用户用电量小，此时燃料电池发电量超过用户用电量时，则可以直接将多余的电量反馈给配电网供电***，如此可保证在用电量不足的情况下配电网供电***释放电能，在电量充足的情况，为配电网供电***补电。

而当P_E-D≥λP_H-D时，则执行电需求控制模式。当执行电需求控制模式时，燃料电池产生的热量均通过换热存储于储热水箱中。储热水箱为恒温水箱，由于储热水箱的水通过太阳能储热器和燃料电池的余热进行加热，恒温水箱内的水温超出最大温度时冷水会被补入储热水箱造成水溢出，为了保证恒温水箱内的水温和水量恒定且不溢出，在本发明的实施例中，储热水箱的水位大于等于储热水箱的预设最大液位，且储热水箱内的温度大于储热水箱的预设最大温度时，则此时进行放热水补冷水操作，在满足预设最大液位的前提下，直到储热水箱内的温度不大于储热水箱允许的最大温度时，储热水箱继续进行储热工作。

如图2所示，该燃料电池热电联供控制方法包括如下步骤：

S21、获得电需求功率P_E-D和热需求功率P_H-D；

S22、判断P_E-D＜λP_H-D，若是，则执行步骤S23，若否，则执行步骤S27；

S23、执行热需求控制模式；

S24、判断P_E-D＞P_E-S，若是，则执行步骤S28，若否则执行步骤S25；

S25、判断P_E-D＜P_E-S，若是，则执行步骤S26，若否，则执步骤S29；

S26、多余电量流向配电网供电***；

S27、执行电需求控制模式；

S28、电需求功率P_E-D由配电网供电***补充；

S29、配电网供电***不工作。

用户热需求可提前预约，即用户可预设在预设时间后使用热水，若在预设时间内一次性对储热水箱内的热水进行加热至用户指定的温度和液位，由于热损耗的问题，会造成实际温度降低，储热水箱的水需要不断的加热实现保温的功能，并不利于回收燃料电池散发的余热，为此，在本实施例中采用分段式加热实现对储热水箱内的水加热。

具体地，在电池堆工作过程中，若收到预设时间后使用含有预设热量热水的使用需求，则在预设时间之前设定至少两个时刻，每个时刻对应一个目标热量，在达到每个时刻后，对储热水箱进行加热，使储热水箱内的热水所含热量达到对应的目标热量。其中预设热量热水是指预设温度的预设水量的热水。可以理解的是，在达到预设时间之前，对储热水箱内的水进行分段式加热，限定在每个时刻储热水箱内的热量应达到目标热量，如此可以在预设时间较长的情况下，通过与储热水箱连接的太阳能蓄热器加热水，避免水箱内温度(热量)没达到该时刻对应的热量时，燃料电池加速与水的热交换造成燃料电池内部运行稳定下降的情况发生，进而提高燃料电池的寿命。

当然，还可以是在达到每个时刻前，对储热水箱进行加热，使储热水箱内的热水所含热量在该时刻时达到对应的目标热量。

需要说明的是，对于时刻的划分有两种划分方式，例如，用户预约8小时候使用热水，则设定四个时刻，分别为2h，4h，6h和8h，那么储热水箱内的目标热量应在2h，4h，6h和8h前达到。又或者设定四个时刻，分别为1h，3h，5h和7h，那么储热水箱内的目标热量应在1h，3h，5h和7h后加热达到。

如上述的，由于太阳能蓄热器为储热水箱提供热能，因此，在其中某一时刻太阳能蓄能器能够提供的热能足够蓄热水箱内的水被加热到与该时刻对应的目标热量，故在本实施例中，在其中任一加热时刻加热开始前，若储热水箱内的当前总热量已经达到该时刻对应的储热量，则放弃该加热时刻的加热任务。

太阳能所有热量都会被储存，***优先充分利用太阳能，燃料电池在太阳能不足的情况下作为热源补充，降低运行成本，提高能源利用效率。

定义预设热量为Q_D，储热水箱内的总热量为Q，则储热水箱目标总热量为Q_D-Q。

其中，储热水箱需要的总热量为Q＝(T_Act-T_Cwt)×X_Act×S×ρ_WT×C_wt。水箱实际液位为X_Act，储热水箱的实际温度为T_Act，冷水温度为T_Cwt，水箱水平横截面积为S，水比热容为C_wt。

设T时间后预设热量为Q_D，此时当前热量为Q_I，则需求加热量为Q_D-Q_I，将此需求加热量分n个加热时刻，n个加热时刻对应(T₁，T₂…T_n)的时长加热，则每个加热时刻对应的目标热量为(Q_D-Q_I)T_x/T。当进入第一加热时刻时，若此时储热量Q已达到Q_I+(Q_D-Q_I)T₁/T，则无需加热；若未达到储热量要求，则以(Q_D-Q_I)/T热功率运行加热，直到储热量满足要求后停止加热。相同的，当时间进入下一判断加热时刻时，计算方法相同，时间段n和每一段时长T_x可根据需求任意确定。在本实施例中不做具体限定。

如图3所示，该执行热需求控制模式时对储热水箱加热步骤流程图如下：

S31、开始；

S32、T₁时间是否达到；若是，则执行步骤S33，若否则执行步骤S32；

S33、判断Q≥Q_I+(Q_D-QI)T₁/T，若是，则执行S35，若否，则执行步骤S34，并返回S33；

S34、燃料电池以(Q_D-Q_I)/T功率运行；

S35、T_n时间是否达到；若是，则执行步骤S36，若否则执行步骤S35；

S36、判断Q≥Q_D，若是，则执行步骤S38；若否，则执行步骤S37，并返回S36；

S37、燃料电池以(Q_D-Q_I)/T功率运行；

S38、结束。

由于存在一定的热量损耗，储热水箱内的实际温度和储热水箱内的设定温度会存在不一致的情况，当储热水箱内的总热量达到需求用热量时，若储热水箱的实际温度大于储热水箱的设定温度和修正温度的和，则说明储热水箱的实际温度已经超过了最大允许温度，此时为储热水箱补水，若储热水箱的实际温度小于等于储热水箱的设定温度和修正温度的差值，则对储热水箱加热。在本实施例中修正温度实际是指储热水箱的实际温度相对于储热水箱的设定温度可波动的范围值，储热水箱的设定温度和储热水箱的差值和正负修正温度之间则不作任何动作。

储热水箱配设有太阳能储热器，在电需求控制模式和热需求控制模式任一个执行过程中，太阳能储热器为储热水箱提供热量。

太阳能储热器内的热量根据光照强度以及该太阳能储热器所处的环境温度决定，太阳能储热器为金属平板储热器时，当太阳能储热器内的水的温度小于储热水箱内的水的温度时，会造成储热水箱内的水温(热量)下降，为此，在本发明的实施例中，储热水箱配设有第一循环泵，太阳能储热器内的水温小于储热水箱内的水温时，第一循环泵停止工作。

此外，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种燃料电池热电联供控制方法，其特征在于，燃料电池包括电需求控制模式和热需求控制模式，包括如下步骤：

获得并比较电需求功率P_E-D和热需求功率P_H-D以确定电需求和热需求的优先级；

基于优先级执行电需求控制模式或热需求控制模式，所述热需求控制模式为控制燃料电池余热加热储热水箱内的水；

所述燃料电池的电热效率比为λ，P_E-S＝λP_H-S，P_E-S为电输出功率，P_H-S为热输出功率；

所述比较电需求功率P_E-D和热需求功率P_H-D以确定电需求和热需求的优先级包括：

当P_E-D≥λP_H-D时，则执行电需求控制模式；

当P_E-D＜λP_H-D时，则执行热需求控制模式；

执行热需求模式时，若P_E-D＞P_E-S，则电需求功率P_E-D由配电网供电***补充，若P_E-D＜P_E-S，则多余电量流向配电网供电***。

2.根据权利要求1所述的燃料电池热电联供控制方法，其特征在于，执行热需求模式时，若收到预设时间后使用含有预设热量热水的使用需求，则在预设时间之前设定至少两个时刻，每个时刻对应一个目标热量，在达到每个时刻前，对储热水箱进行加热，使储热水箱内的热水所含热量达到对应的目标热量。

3.根据权利要求2所述的燃料电池热电联供控制方法，其特征在于，在其中任一加热时刻加热开始前，若储热水箱内的当前总热量已经达到该时刻对应的储热量，则放弃该加热时刻的加热任务。

4.根据权利要求1所述的燃料电池热电联供控制方法，其特征在于，所述储热水箱内的总热量达到需求用热量时，若所述储热水箱的实际温度大于所述储热水箱的设定温度和修正温度之和，则为所述储热水箱补水，若所述储热水箱的实际温度小于等于所述储热水箱的设定温度和修正温度之差，则对所述储热水箱加热。

5.根据权利要求1所述的燃料电池热电联供控制方法，其特征在于，所述储热水箱配设有太阳能储热器，在执行所述电需求控制模式或所述热需求控制模式过程中，所述太阳能储热器为所述储热水箱提供热量。

6.根据权利要求5所述的燃料电池热电联供控制方法，其特征在于，当所述太阳能储热器工作时，所述储热水箱内的水位大于等于储热水箱的预设最大液位，且温度大于等于预设最大温度时，则所述储热水箱放热水补冷水。

7.根据权利要求5所述的燃料电池热电联供控制方法，其特征在于，所述储热水箱配设有第一循环泵，所述第一循环泵的进口和出口分别连接所述储热水箱和所述太阳能储热器，所述太阳能储热器内的水温小于所述储热水箱内的水温时，所述第一循环泵停止工作。

8.一种燃料电池热电联供***，包括燃料电池、换热器、储热水箱和太阳能储热器，所述换热器分别与所述燃料电池和所述储热水箱连接，所述换热器用于将燃料电池的余热加热所述储热水箱的水，其特征在于，使用如权利要求1-7任一项所述的燃料电池热电联供控制方法。