一种氨燃料的燃料电池发电系统及控制方法与流程

本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种氨燃料的燃料电池发电系统及控制方法。

背景技术：

1、氨燃料电池是氨能源化的一种重要技术，根据供氢方式不同可将其分为直接氨燃料电池与间接氨燃料电池，前者指的是氨不经过外部装置的重整，直接作为燃料电池的燃料参与电化学反应的一种发电装置，后者指的是通过外部重整器将氨分解成氮气与氢气燃料，将获得的氢气送入燃料电池中参与电化学反应的发电装置。

2、间接氨燃料电池发电装置通常包括氨裂解制氢装置、气体分离装置、气体纯化装置、燃料电池系统等组成。其中氨裂解制氢、气体纯化装置、燃料电池系统中均涉及对温度控制，氨裂解制氢所需温度高达800度，混合气体变温吸附原理是通过对温度进行控制实现气体的纯化，高效的燃料电池系统更离不开散热系统。合适的温度是氨裂解制氢、气体纯化及燃料电池系统高效、可靠、运行的重要保障。因此，亟需开发一种高效的氨燃料的燃料电池发电系统及其控制方法，可实现系统各部件安全、高效、可靠地运行。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提供了一种氨燃料的燃料电池发电系统，其通过分布式温度控制器对系统各部件的温度进行高精度控制，同时充分利用系统各部件的热量，提升整个系统的热利用率。其中对燃料电池系统中的散热系统进行优化设计，降低系统硬件成本的同时提高系统的集成度。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种氨燃料的燃料电池发电系统，包括用于储存液态氨气的氨气罐、将氨气罐内的液态氨转成气态氨的氨气化装置，将氨气化装置气化后的氨气分解得到氮气和氢气的氨裂解制氢装置，还包括气体分离装置，用于分离经过氨裂解制氢装置分解出来的氢气、氮气以及未完全分解的氨气；燃料电池、散热系统和分布式温度控制器，所述分布式温度控制器分别控制氨裂解制氢装置内的温度、气体分离装置内的温度和散热系统中水温。

3、上述技术方案中，还包括与分布式温度控制器信号连接的温度传感器，所述分布式温度控制器根据预先计算获得系统各部件的温度参考值，与温度传感器测得系统各部件的温度作比较，将其计算结果送入分布式温度控制器，则分布式温度控制器输出分别作用于氨裂解制氢中的炉温，混合气体变温吸附装置中温度，及其燃料电池散热系统水温。

4、上述技术方案中，采用群体智能优化算法对分布式温度控制器参数进行实时更新。

5、上述技术方案中，所述分布式温度控制器为改进型自抗扰控制器，其中，改进型自抗扰控制器的被控系统被描述成如下形式

6、

7、其中，a1y表示已知模型信息。umadrc和y分别表示madrc控制器输出信号和被控系统输出(t)，g(·)表示未知函数，其包含时间变量和被控系统的多阶导数及系统内外部的总扰动，d表示系统外部扰动，负载ist为系统外部扰动，b是一个临界增益，其准确值是不确定的，则式(1)可改写成

8、

9、其中，b0表示临界增益b的近似值，f＝g+(b-b0)umadrc表示系统“总扰动”，其由未知的内部扰动和外部扰动组成，令x1＝y和x2＝f分别表示系统测量输出和扩展状态，则式(2)可改写成如下状态空间形式

10、

11、为了得到更精确的扩展观测器估计参数，可以均匀地调整θ1和θ2的值，使观测器的特征值位于-ω0，即带宽值，则扩展观测器可用如下式描述

12、

13、其中，z1和z2表示扩展观测器的输出状态变量，θ1和θ2表示x1和x2的实时估计参数，

14、madrc控制器输出信号umadrc等于状态误差反馈控制输出信号u0加上已知模型信息-a1y，减去状态观测器实时输出信号z2，再乘以1/b0

15、

16、将式(5)代入式(3)可以写成

17、

18、从式(6)可很明显的看出，通过积分控制器可获得状态误差反馈控制输出信号，其可用如下式表示

19、u0＝km(r-z1)(7)

20、其中，r表示参考值，km表示系统增益参数。

21、上述技术方案中，所述改进型自抗扰控制器利用发展式头脑风暴优化其控制参数。

22、上述技术方案中，还包括热收集装置，所述热收集装置收集氨裂解制氢装置产生的热，并用于燃料电池在低温环境下的冷启动热源。

23、上述技术方案中，所述热收集器还采集燃料电池启动后的温度，所述热收集器采集质子交换膜燃料电池产生多余热量并将热量用于液氨气化或所述热收集器采集固态燃料电池产生多余热量并将热量用于氨裂解制氢。

24、上述技术方案中，还包括与燃料电池相连接的变换器，所述变换器为dc/dc变换器或dc/ac变换器，用于连接直流或交流负载。

25、上述技术方案中，还包括节温器和散热器，该节温器一端连接发动机，另一端连接散热模块；该散热模块一端连接节温器，另一端连接电子水泵，该节温器与分布式温度控制器通信连接，分布式温度控制器根据冷却液的温度的高低和周围环境的温度高低控制该节温器是否开启，并调节进入散热系统的水量。

26、本技术方案还提供了一种上述技术方案中所述的氨燃料的燃料电池发电系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

27、s1：使氨气化装置将氨气罐内的液态氨转成气态氨，使氨裂解制氢装置将氨气化装置气化后的氨气分解得到氮气和氢气，使气体分离装置对氨裂解反应的产物气体变温吸附，从而可以分离出氢气、氮气以及未完全分解的氨气，并将氢气输送至燃料电池，将未分解的氨气输送到氨气化装置中；

28、s2：所述分布式温度控制器通过温度传感器实时监测氨裂解炉温、混合气体变温吸附装置及其燃料电池电堆温度，通过温度传感器分别实时监测氨裂解装置、气体分离装置、燃料电池的温度信息，并送入分布式温度控制器输入端，分布式温度控制器输出信号分别作用于对应的部件执行机构。

29、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

30、本技术方案通过温度传感器和分布式温度控制器对系统各部件的温度进行高精度控制，同时充分利用系统各部件的热量，提升整个系统的热利用率，针对负载多变等特点，传统温度控制器参数难以自适应外部扰动，为此，本申请发明提出一种基于群体智能优化算法的分布式温度控制器，实现对系统各部件温度的自适应高精度控制，提高系统运行效率、耐久性及其鲁棒性。

技术特征：

1.一种氨燃料的燃料电池发电系统，包括用于储存液态氨气的氨气罐、将氨气罐内的液态氨转成气态氨的氨气化装置，将氨气化装置气化后的氨气分解得到氮气和氢气的氨裂解制氢装置，其特征在于，还包括气体分离装置，用于分离经过氨裂解制氢装置分解出来的氢气、氮气以及未完全分解的氨气；燃料电池、散热系统和分布式温度控制器，所述分布式温度控制器分别控制氨裂解制氢装置内的温度、气体分离装置内的温度和散热系统中水温。

2.根据权利要求1所述的一种氨燃料的燃料电池发电系统，其特征在于，还包括与分布式温度控制器信号连接的温度传感器，所述分布式温度控制器根据预先计算获得系统各部件的温度参考值，与温度传感器测得系统各部件的温度作比较，将其计算结果送入分布式温度控制器，则分布式温度控制器输出分别作用于氨裂解制氢中的炉温，混合气体变温吸附装置中温度，及其燃料电池散热系统水温。

3.根据权利要求1所述的一种氨燃料的燃料电池发电系统，其特征在于，采用群体智能优化算法对分布式温度控制器参数进行实时更新。

4.根据权利要求1所述的一种氨燃料的燃料电池发电系统，其特征在于，所述分布式温度控制器为改进型自抗扰控制器，其中，改进型自抗扰控制器的被控系统被描述成如下形式

5.根据权利要求4所述的一种氨燃料的燃料电池发电系统，其特征在于，所述改进型自抗扰控制器利用发展式头脑风暴算法优化其控制参数。

6.根据权利要求5所述的一种氨燃料的燃料电池发电系统，其特征在于，还包括pid控制，所述pid控制器用于处理所述km表示的系统增益参数。

7.根据权利要求6所述的一种氨燃料的燃料电池发电系统，其特征在于，还包括热收集装置，所述热收集装置收集氨裂解制氢装置产生的热，并用于燃料电池在低温环境下的冷启动热源，所述热收集器还采集燃料电池启动后的温度，所述热收集器采集质子交换膜燃料电池产生多余热量并将热量用于液氨气化或所述热收集器采集固态燃料电池产生多余热量并将热量用于氨裂解制氢。

8.根据权利要求1所述的一种氨燃料的燃料电池发电系统，其特征在于，还包括与燃料电池相连接的变换器，所述变换器为dc/dc变换器或dc/ac变换器，用于连接直流或交流负载。

9.根据权利要求1所述的一种氨燃料的燃料电池发电系统，其特征在于，还包括节温器和散热器，该节温器一端连接发动机，另一端连接散热模块；该散热模块一端连接节温器，另一端连接电子水泵，该节温器与分布式温度控制器通信连接，分布式温度控制器根据冷却液的温度的高低和周围环境的温度高低控制该节温器是否开启，并调节进入散热系统的水量。

10.一种权利要求2任一项所述的氨燃料的燃料电池发电系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

技术总结本发明公开了一种氨燃料的燃料电池发电系统，其涉及燃料电池领域，其包括用于储存液态氨气的氨气罐、将氨气罐内的液态氨转成气态氨的氨气化装置，将氨气化装置气化后的氨气分解得到氮气和氢气的氨裂解制氢装置，还包括气体分离装置，用于分离经过氨裂解制氢装置分解出来的氢气、氮气以及未完全分解的氨气；燃料电池、散热系统和分布式温度控制器，所述分布式温度控制器分别控制氨裂解制氢装置内的温度、气体分离装置内的温度和散热系统中水温，本技术方案还提供了一种控制方法，本发明分布式温度控制器对系统各部件的温度进行高精度控制，同时充分利用系统各部件的热量，提升整个系统的热利用率。技术研发人员：邓志华,张兰,申益,曾少华受保护的技术使用者：中新国际联合研究院技术研发日：技术公布日：2024/11/18