[发明专利]一种面向海洋浮标的固体氧化物燃料电池能量管理系统

说明书

技术领域

本发明属于固体氧化物燃料电池海洋应用技术领域，更准确地说，它是一种通过辅助储能装备，根据负载特性合理控制能量流动，确保固体氧化物燃料电池（SOFC）工作在稳定状态，延长电堆使用寿命，提高系统效率，可以为海洋浮标系统长期稳定供电的固体氧化物燃料电池能量管理系统。

背景技术

高能比、大容量、长寿命、低成本而且安全可靠的供电技术是海洋装备迫切需要发展的关键技术。以海洋浮标为例，其长期工作在远海，采集探测海洋数据，通过远程通讯发送到陆地接收站，面对纷繁复杂的海洋多要素环境，保障其自身系统稳定运行的同时，还要面临电源供给受限的挑战。传统的蓄电池、锂电池比能量较低，在无能量补充的条件下难以完成长时间工作的任务；光伏发电、风力发电受气候环境影响较大，难以提供稳定的电能。固体氧化物燃料电池（SOFC）是通过电化学反应将化学能直接转换为电能的装置，由于发电过程无需机械做功、不受卡诺循环的限制、主要以氢气等高能量密度气体为燃料，所以其具有安静无噪音、发电效率高、能量密度大、环境友好低排放等优点，是21世纪最具前景的绿色发电系统，满足远洋供电系统的要求。最近十几年，国际上许多发达国家，如美国、德国、日本投入了大量的资金及人力致力于SOFC系统的开发，推动了SOFC技术的发展；我国的SOFC技术近年来发展很快，KW级SOFC技术已经日趋成熟。

近年来国际上对固体氧化物燃料电池海洋领域的应用有较多的研究论证，如挪威国防研究所（FFI）、美国海军试验研究所（NRL）等研究机构对目前可行的电源技术对比研究后得出，在远洋供电系统中，燃料电池是最具有实力和潜力的技术发展和应用方向。目前，以燃料电池作为动力系统的潜艇已经在德国研制成功，在无外部补给的条件下可以连续续航两周。而在国内SOFC海洋领域应用的实质性自主研发尚处于基本空白的状态，面向海洋领域的SOFC能量管理系统的研究更是无人问津。

海洋浮标系统的功率需求具有周期性阶跃波动的特点，在一个周期分为待机、采样计算、数据发送三个阶段，不同阶段功率波动大，待机功耗很小，采样计算次之，发送需要很大的瞬时功率，这就需求供电设备能够快速平稳的进行功率跟踪。独立的SOFC供电系统动态响应时间为秒级，而负载功率为毫秒级阶跃变化，当负载突增时，阳极燃料消耗加剧，由于SOFC系统的迟滞性，消耗的燃料无法及时得到补充，容易造成阳极燃料瞬时亏空，导致电极氧化，降低电堆的性能和寿命，同时输出电压降低，输出的电能难以满足瞬时突增的负载功率需求；当负载突减时，又会造成燃料瞬时过剩，导致能量浪费。另外，SOFC供电系统远洋作业，环境恶劣，无人值守，维护成本高，因此要求供电系统具有自启动功能、故障应急处理功能、远程监控功能等。

为了解决上述问题，需要提供一种新型的面向浮标的固体氧化物燃料电池能量管理系统。

发明内容

本发明提供了一种面向海洋浮标的固体氧化物燃料电池能量管理系统，此系统具有稳定SOFC电能输出、自启动和应急故障管理功能，提高了燃料的利用率、电堆的寿命和系统的稳定性，延长了海洋浮标系统免维护的运行时间。

一种面向海洋浮标的固体氧化物燃料电池能量管理系统，包括固体氧化物燃料电池系统、DC/DC功率变换模块和能量储存管理模块；能量储存管理模块包括蓄电池和超级电容；

固体氧化物燃料电池系统，其输入端串口连接海洋浮标系统的工作状态反馈端，电能输出端连接DC/DC功率变换模块的第一输入端，控制输出端连接DC/DC功率变换模块、超级电容和蓄电池的控制输入端，用于发电并将产生的电能传送给DC/DC功率变换模块，还根据海洋浮标系统的工作状态产生相应的控制指令并传送给DC/DC功率变换模块、超级电容和蓄电池；

DC/DC功率变换模块，其控制输入端连接固体氧化物燃料电池系统的控制输出端，第一电能输入端连接固体氧化物燃料电池系统的输出端，第二电能输入端连接蓄电池，14V输出端连接海洋浮标系统，24V输出端连接固体氧化物燃料电池系统的输入端，用于接收固体氧化物燃料电池系统的控制指令，对固体氧化物燃料电池系统产生的电能进行功率变换输出24V和14V直流电，14V直流电从14V输出端输出给海洋浮标系统为其供电，24V直流电从24V输出端输出给固体氧化物燃料电池系统为其供电；或者，用于将蓄电池输出的电能变换为24V直流电为固体氧化物燃料电池系统供电；