CN101222061A - 对流转换式燃料电池系统中的氮分数的控制 - Google Patents

Abstract

一种用于预测和调节流转换式系统中的氮浓度的装置和方法。在所述系统的一个方面中，被流体联接至多个燃料电池堆的泄放阀被用于减少阳极流径中存在的氮。一个或多个传感器可被用于测量所述燃料电池堆的其中之一或两者内的电压。通过对所述阳极流径内的燃料电池电压的变化进行评估并将这种变化与氮分数的积聚等同起来，所述系统可在适当的时间操控所述泄放阀，从而改进了系统的运行性能。在使所述检测到的电压变化与所述氮分数的积聚进行等同的一种形式中，控制器中的逻辑装置可利用预测性算法以便对比所述检测到的电压，从而使得所述控制器发出何时打开和关闭所述泄放阀的指令。在一种变型中，所述控制器可将所述检测到的电压与存储的数据进行比较来代替依靠公式或相关算法的方式。

Description

对流转换式燃料电池系统中的氮分数的控制

技术领域

本发明主要涉及确定和调节在处于运行中的燃料电池中积聚的氮的浓度，特别是，本发明涉及对流转换式燃料电池系统的阳极回路中的氮的泄放进行的控制，且更特别是，本发明涉及简化用于流转换式(flow shifting)阳极流径的泄放算法以便使稳定的平均燃料电池堆电压最大化，同时使氮泄放过程中的氢损失最小化。

背景技术

在典型的燃料电池系统中，氢或富氢气体通过流径被供应至燃料电池的阳极侧，而氧(例如以大气氧的形式存在的氧)通过独立的流径被供应至燃料电池的阴极侧。在被称作质子交换膜(PEM)燃料电池的一种形式的燃料电池中，以膜的形式存在的电解质被夹在阳极与阴极之间以便产生通常被称作膜电极组件(MEA)的层状结构。每个膜电极组件形成了单个燃料电池，且多个这种单个燃料电池可组合形成燃料电池堆，从而增加电池的功率输出。多个电池堆可被联接在一起以便进一步增加功率输出。

特别适宜的一种燃料电池构型被称作流转换式燃料电池系统。在这种系统中，两个(或多个)燃料电池堆具有其相应的氢(或其它燃料)的流径，所述流径被串联地彼此流体联接以便使得允许燃料流至每个燃料电池堆并从所述每个燃料电池堆流出的孔口可根据被转换的燃料的流向而既被用作燃料入口也被用作燃料出口。该系统得名于位于两个燃料电池堆之间的以串联管道的形式存在的阳极流径，原因在于燃料在燃料电池堆之间以半封闭筒形模式往复流动。通过这种方式，当其中一个燃料电池堆的阳极流径将燃料接收进入阳极流径内时，另一燃料电池堆可被封闭(即，端部被闭塞)以便防止已经通过燃料电池堆的燃料泄露出来。在特定时间之后，阀或相关流操控装置的组合导致流向产生切换，且两个燃料电池堆所起的作用被反转，以使得反应剂从第二燃料电池堆流出并首先流入目前处于端部闭塞状态的燃料电池堆内。通过这种方式，燃料在两条阳极流径之间往复穿梭流动，而新鲜的燃料可被添加到并未处于端部闭塞状态的燃料电池堆中。流转换式燃料电池系统要优于其它燃料电池系统方案如基于阳极流径再循环的系统，原因在于尽管二者都可用于改进阳极流径和电解质的水合，但基于再循环的系统是通过再循环泵和其它重载部件实现的，所述再循环泵和其它重载部件除了增加了系统的成本、重量和复杂性以外还可能产生磨损，由此使得需要更多地关注系统的维护。此外，利用这种泵需要功率(如电功率)源，所述功率源是由燃料电池的运行而提供的，而使得降低了总的系统效率。

对于横穿膜使氢与空气进行反应的大多数膜电极组件燃料电池系统而言，流转换式燃料电池系统的运行导致阴极流径中存在的氧被耗尽，留下了未反应的氮。这种氮扩散穿过单独的燃料电池的膜并进入阳极流径内的过程有助于氢燃料的稀释。在相对封闭的阳极流径内发生的这种氮积聚可能导致燃料电池堆电压的降低，这进一步降低了功率输出和燃料电池堆效率。为了改善氮稀释的效应，泄放阀被置于每个燃料电池堆的阳极流径内以便排出或吹扫出其中的富氮气体。一种实现方式是进行恒常的泄放，这使得泄放阀有必要总是在打开与关闭状态之间轮替。然而不利的是，这是非常低效的且还会将要不然有用的氢燃料排出。在另一种方案中，阀以选定的间隔周期性地打开以便允许将氮和其它反应副产物排到大气中而不会由于在该连续方案中进行恒常的打开和关闭而带来低效率。然而，该方案的不利之处在于如果在泄放阀被打开之前经过了太长时间，则可能由于出现不可允许的低浓度的氢而导致出现不稳定的运行状态。

有可能采用基于预先性(即预测性)触发器的方案，所述方案会将该进行泄放的时间通知给系统。这种触发器会在出现不利的性能或运行性能如在运行过程中的电压降低之前启动泄放顺序，预先性触发器的一个实例可能是对有多少氮积聚在燃料电池堆之间进行预测的氮横穿模型(nitrogen crossover model)。例如，如果模型预测表明在燃料电池堆之间存在81％的氢，且开始泄放的阈值为80％，则可以触发泄放直至模型预测值从81％降至80％。这一过程将在任何的燃料电池堆电压随着转换时期而开始出现振荡之前预先发生。该方案的不利之处在于存在固有的预测不确定量，特别是当燃料电池堆发生老化且出现了允许产生更严重的横穿的微孔时情况更是如此。

预先性触发器的又一实例实施了通过固定孔的恒常泄放，其中可估计氮横穿速率；泄放孔的尺寸适于使泄放速率等于横穿速率。该方案的优点在于较为简单(原因在于不需要阀)，但同样受到上面提到的相同问题的困扰，即当氮横穿速率随着时间而改变(例如由于燃料电池堆中出现针孔)时，该孔可能太小以至于无法足够迅速地排出积聚的氮而跟上横穿速率。

在另一种将该进行泄放的时间通知系统的预先性方案中，一个或多个直接氢测量传感器(如热导率传感器)可被置于燃料电池堆之间。然而，不利的是，阳极流径构成了苛刻的湿环境，且找到一种在这种环境下还能可靠、迅速且准确地运行的直接氢测量传感器是困难且昂贵的。即使采用这种系统，仍希望能具有后备性能。

因此，所希望的是，流转换式燃料电池系统能提供运行性能的改进，这种改进是通过使用使系统复杂性和对效率的影响最小化的泄放阀而可能实现的。进一步希望的是，系统从阳极流径中除去氮的同时使对未使用氮的吹扫最小化。更进一步希望的是，系统和运行方法并不依赖于预测模型，而是采用燃料电池堆性能的实际反馈。又一步希望的是，这种方案使得相对而言不易产生由于老化(aging)或相似因素而造成的燃料电池堆性能变化。

发明内容

披露了一种流转换式燃料电池系统和运行所述系统的方法。根据本发明的第一方面，描述了一种运行燃料电池系统的方法。所述系统包括第一燃料电池堆和第二燃料电池堆，其中每个燃料电池堆由多个单独的燃料电池构成。所述单独的燃料电池中的每个单独的燃料电池进一步由阳极、阴极和设置在所述阳极与阴极之间的膜构成。阳极流径和阴极流径将位于所述第一燃料电池堆和所述第二燃料电池堆中的每个燃料电池堆内的所述单独的燃料电池的相应的电极分别联接至燃料源和氧源。所述阳极流径使所述第一燃料电池堆与所述第二燃料电池堆流体相连以便允许存在于所述阳极流径内的燃料在所述第一燃料电池堆与所述第二燃料电池堆之间往复循环。一个或多个泄放阀被流体联接至阳极流径，而一个或多个传感器被连接以便测量作为整体的所述燃料电池堆中的电压或位于所述燃料电池堆内的单独的电池中的电压。所述方法包括将燃料引入所述阳极流径内以使得所述燃料沿第一方向流动通过所述燃料电池堆、将氧引入所述阴极流径内、检测与所述系统的运行相关联的至少一个电压差、使通过所述阳极流径的燃料流反向流动以使得所述燃料沿第二方向流动通过燃料电池堆、将所述检测到的电压差与所述阳极流径中的燃料浓度进行关联、并且操控所述一个或多个泄放阀以便允许存在于所述阳极流径中的流体的至少一部分被排出。在本文中，所述第一燃料流向和所述第二燃料流向对应于当燃料循环通过介于所述两个燃料电池堆之间的所述阳极流径时所述燃料进行的基本上往复的运动。一般而言，所述第一方向与所述第二方向是彼此相对的。本领域的技术人员还应该理解的是，所述阳极路径内氢浓度的降低等效于氮浓度的积聚，原因在于氢从所述流径中消耗的过程和氮扩散进入所述流径内的过程是大体上同时发生的。

在燃料电池的运行过程中，氮的水平在所述阳极路径中逐渐积聚。新鲜的氢在运行的每半个运行周期期间被引入所述燃料电池堆中的一个燃料电池堆或另一燃料电池堆内。通过这种方式，接收到了新鲜燃料的注射的燃料电池堆将显示出平均电池电压的升高，而位于远端的燃料电池堆的平均电压则会降低。当下半个周期开始从而使得流向的转换被反转时，先前处于远端的燃料电池堆现在将接收新鲜的氢，而先前接收燃料的燃料电池堆将处于远端。在该第二半个周期期间，接收燃料的燃料电池堆的平均电池电压升高，而现在处于远端的燃料电池堆的平均电池电压则降低。在本文中，一个完整的阳极流径运行周期对应于氢或氢/氮组合往复(即沿所述第一方向和所述第二方向中的每个方向)流动一次。这种周期性运行被重复。这些测得的电压振荡的大小可与流动通过所述阳极流径的流体中的氢浓度进行关联。这种关联可能形成控制所述系统的基础，所述关联式的实例可能包括改变所述一个或多个泄放阀的工作周期，所述一个或多个泄放阀可以是简单的开/闭阀或者比例阀(即，允许获得从完全关闭至完全打开的打开范围的阀)。所述系统可进一步包括可与所述一个或多个传感器和所述一个或多个泄放阀协同作用的控制器。通过这种方式，所述控制器在所述检测到的一个或多个电压与所述阳极流径中的所述燃料浓度之间实施所述关联，从而确定是否已经实现了所述阈值的获得。所述控制器还可被构造以便监控其它系统参数(如系统负载)，所述其它系统参数可被用于确定何时达到了特定电压差阈值。通过这种方式，可使得所述电压差阈值取决于其它系统参数以便进一步调整所述一个或多个泄放阀的打开和关闭顺序。

在一个优选实施例中，检测到的电压信号与所述阳极流径中的燃料浓度之间的关联性借助于公式或相关算法被表示于所述控制器中，所述公式或相关算法可响应于输入所述控制器内的检测到的电压信号参数而计算出适当的氢浓度。在另一优选实施例中，检测到的电压信号与所述阳极流径中的燃料浓度之间的关联性借助于查询表或储存相关数据的储存装置中的值而被表示于所述控制器中。在一种形式中，所述电压检测可包括大体上同时地检测对应于所述第一燃料电池堆和所述第二燃料电池堆中的每个燃料电池堆的电压(这包括检测相应的电压以便可确定所述第一燃料电池堆和所述第二燃料电池堆中的每个燃料电池堆内的平均电压)。在另一种形式中，所述电压检测可包括检测其中一个所述燃料电池堆内的多个电压，从而使得可确定该燃料电池堆内的平均值或者可确定该燃料电池堆内的高电压或低电压。在又一种形式中，所述电压检测可包括在不同时间检测燃料电池堆内的单独的电池的电压，从而使得可确定该电池内的高电压和低电压。在本文中，术语“大体上(substantially)”指的是，尽管元件或特征的布置在理论上预期会呈现出准确的相应性或行为，但在实际的实施过程中可能会比准确值略小。因此，该术语指的是在不会导致所关注的主题的基本功能有所变化的情况下数量值、测量值或者其它相关表示方式与规定参考值相比可能具有的差异程度。所述传感器检测和传输所述检测到的信号的方式可能根据所述控制器的需要而有所变化。例如，可采用多种采样模式如“采样与保持”以便检测在流转换过程中出现的电压振荡。由于可通过所述控制器调节所述泄放阀的打开和关闭，因此所述控制器可利用采样与保持的结果来选取出电压振荡中的最高点和最低点。本领域的技术人员应该意识到，可对所述控制器进行编程(如果需要的话)以便选取出振荡电压的其它运行点。还应该意识到，电压的采样和流的切换可同步进行，这提供了强大且相对可预测的反馈。在另一种形式中，可使电压的采样随机化。使测量值通过滤波器(如低通滤波器)可能是将这些值传送给所述控制器的一种适宜的方式。

操控所述一个或多个泄放阀的过程的部分过程可包括在经过了特定的时间量之后关闭所述阀。例如，所述时间可对应于工作周期，如一个完整的阳极流径运行周期的持续时间(所述持续时间的长短可能是几秒)，或所述时间可对应于与测得的电压差(例如介于两个燃料电池堆之间的电压差、或介于单个燃料电池堆内的高值与低值之间的电压差、介于每个燃料电池堆内的平均值之间的电压差、或介于单个燃料电池内的高值与低值之间的电压差)的大小成比例的所经过的时间。通过实例的方式，所述电压差阈值可以是燃料电池堆电压的绝对值(以伏特表示或者其一部分)或百分数，且可能受到其它因素如系统负载的影响。这种方案可相似地用于利用单个泄放阀的情况下，其中所述阀可被流体(fluidly)设置在所述第一燃料电池堆与所述第二燃料电池堆之间。所述一个或多个泄放阀可被设置为三通阀(在所述情况下，所述三通阀还可被运行以便允许将燃料引入阳极流径内)，或被设置为两通阀，在所述情况下，所述系统还可包括独立的燃料注射阀。此外，一个或多个泄放阀可被置于所述两个燃料电池堆之间。阀可以是简单的开/闭阀或者可以是比例阀。

根据本发明的另一方面，披露了一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括第一燃料电池堆、第二燃料电池堆、被构造以便将氧化剂传输至所述第一燃料电池堆和所述第二燃料电池堆的阴极流径、被构造以便被连接在所述第一燃料电池堆与所述第二燃料电池堆之间从而使得存在于所述阳极流径内的燃料在所述第一燃料电池堆与所述第二燃料电池堆之间往复循环的阳极流径、被流体联接至所述阳极流径的一个或多个泄放阀、被构造以便测量电压差的一个或多个传感器、以及控制器，所述控制器可与所述燃料电池堆和所述一个或多个传感器协同作用以便在接收到对应于超过预定值的检测到的电压差的一个或多个信号时，所述控制器对所述一个或多个泄放阀发出指令以便允许吹扫出停留在所述阳极流径内的流体的至少一部分。

可选的方式是，所述预定值包括代表所述阳极流径内的流体的氢浓度的值。更特别地，所述代表氢浓度的值以可由所述控制器存取的方式，例如通过储存在只读存储器或类似装置中的内置公式或算法、查询表而被储存。在特别的可选方式中，还披露了由在此所述的燃料电池系统提供动力的车辆。在这种车辆中，所述燃料电池系统用作原动力源。

根据本发明的另一方面，披露了一种流转换式燃料电池系统。所述系统包括第一燃料电池堆和第二燃料电池堆，每个所述燃料电池堆具有至少一个传感器和多个单独的燃料电池。如前所述，单独的燃料电池中的每个单独的燃料电池可由阳极、阴极和设置在所述阳极与所述阴极之间的膜构成。阴极流径被用于将含氧流体(如空气)传送至所述第一燃料电池堆和所述第二燃料电池堆，而阳极流径被连接在所述第一燃料电池堆与所述第二燃料电池堆之间且被用于将所述两个燃料电池堆流体联接在一起。在该构造中，存在于所述阳极流径内的含氢流体以流转换的模式在所述第一燃料电池堆与所述第二燃料电池堆之间往复循环。所述系统进一步包括被流体联接至所述阳极流径的一个或多个流操控装置，而控制器被包括在内，所述控制器与所述燃料电池堆存在信号通信，以使得在所述控制器接收到对应于检测到的电压差的信号时，所述控制器对所述一个或多个流操控装置发出指令以便允许吹扫出停留在所述阳极流径内的流体的至少一部分。所述检测到的电压差是介于所述燃料电池堆或者介于所述燃料电池堆中的至少一个燃料电池堆内的多个单独的电池中的至少两个电池之间的超出了预定值的电压差。

可选的方式是，所述一个或多个流操控装置可以是一个或多个泄放阀。在另一种特别的可选方式中，所述检测到的差别由检测到的电压差构成。更特别地，所述检测到的电压差可由介于所述第一燃料电池堆与所述第二燃料电池堆之间的平均电压差、介于每个燃料电池堆内的单独的燃料电池之间的电压差、或者表示含氢流体内氢浓度降低的一些其它电压差构成。所述一个或多个流操控装置可以是一个或多个三通阀。通过这种方式，可通过所述阀控制从所述阳极流径进行的泄放以及向所述阳极流径内进行的燃料注射。同样，所述一个或多个流操控装置可由两通阀构成。

附图说明

在结合下列附图进行阅读的情况下能够以最佳方式理解对本发明进行的下列详细描述，其中相似的结构由相似的附图标记表示且其中：

图1示出了被构造而应用于车辆中的包括燃料电池堆的燃料电池系统的框图；

图2示出了用于构成图1所示的燃料电池堆的代表性的单个燃料电池；

图3示出了包括两个燃料电池堆的流转换式燃料电池系统的示意图；

图4示出了检测到的电压值与流转换式燃料电池系统的阳极流径中氢浓度的降低之间的关系，其中泄放阀并未工作；

图5示出了流转换式燃料电池系统的阳极流径中氢浓度的降低，其中泄放阀被打开；和

图6示出了采用本发明的流转换式燃料电池系统的车辆。

具体实施方式

首先参见图1和图6，其中的框图突出地显示出了根据本发明的汽车燃料电池系统1的主要部件(图1)，以及应用于汽车内的燃料电池系统的代表性布置(图6)。特别地参见图1，系统1包括由燃料源100A和氧源100B构成的反应剂输送系统100、燃料处理系统200、包含多个燃料电池300的燃料电池堆3000、一个或多个可选的能量贮存装置400、动力传动系统500和被象征性地视作轮子的一个或多个动力装置600。燃料源100A或氧源100B的其中之一或者两者可由罐或相关容器提供，且可选地可由压缩机或相关的泵加压。尽管图中示出的目前的系统1是应用于汽车中的(例如用于车辆中的)，但本领域的技术人员应该意识到，所使用的燃料电池堆3000及其附属设备同样可应用于固定的应用情况中。

燃料处理系统200可被包括在内以便将原燃料如甲醇转换成用于燃料电池300中的氢或富氢燃料；其它方式是，在燃料源100A已经供应了大体上纯的氢的构型中，可能不需要燃料处理系统200。能量贮存装置400可以一个或多个电池组、电容器、电能转换器或甚至是用于将来自燃料电池300的电流转换成机械功率例如可用于运行动力传动系统500和一个或多个动力装置600的旋转轴功率的马达的形式存在。如上所述，能量贮存装置400是可选设置的；因此，所述能量贮存装置对于系统1的运行而言并不是必须的且可被除去而用某些构型替换。

接下来参见图2，燃料电池300包括阳极310、阴极330和设置在阳极310与阴极330之间的电解质320。在优选构型中，燃料电池300是质子交换膜燃料电池，且尽管本发明特别地可应用于质子交换膜燃料电池，但对于本发明而言，使用其它燃料电池构型也在本披露内容的范围内。阳极310包括基本上多孔的电极基板312(也被称作扩散层)和被连接至阳极流径316的催化剂层314。阴极330包括基本上多孔的电极基板332(也被称作扩散层)和被连接至阴极流径336的催化剂层334。基板312、332、催化剂层314、334和电解质320一起限定出膜电极组件350。阳极流径316和阴极流径336(所述阳极流径和所述阴极流径可例如被成形为双极板(未示出)中的沟槽)与其相应的阳极和阴极接触以便允许输送适当的反应剂。燃料(通常以气态氢的形式存在)与位于阳极310的催化剂层314上的催化剂(如铂或相关的贵金属)接触。所进行的氢燃料的电化学氧化被认为是在催化剂的促进作用下进行的离解吸附反应。在阳极310处产生的带正电的氢离子(质子)随后通过电解质320以便与在阴极330处产生的带负电的氧离子进行反应。由于燃料的离子化而释放出的离子流形成了通过可包括能量贮存装置或其它负载400的外部电路的电流，从而使得可转动马达或相关的电流响应装置。

接下来参见图3至图5，所述图包括示出了两个燃料电池堆3000A和3000B之间的关系的示意图，所述两个燃料电池堆一起构成了流转换式燃料电池系统1中的燃料电池堆3000，以及示出了氢浓度与象征系统中的燃料电池堆电压之间的关系的曲线图。尽管燃料电池堆3000A和3000B可象征性地被分别称作第一燃料电池堆和第二燃料电池堆，但流转换系统1的本质使得本领域的技术人员将易于理解，这种标记只是相对的，且会随着每半个周期的流向转换而产生变化。在该构型中，将燃料电池堆3000A与3000B之间的电压差与预定阈值电压(所述预定阈值电压例如作为数据被储存在控制器2000中)进行对比以便决定何时运行泄放阀3500A、3500B的其中之一或者两者。通过这种方式，电压差用作反应性(而不是预先性)泄放触发器。可通过从燃料电池堆3000A和3000B中的任一燃料电池堆内的最大电池电压中减去最小电池电压以便计算出适当电池内的电压差范围而获得第二反应性泄放触发器。该电压差范围随着氮浓度的升高而增加。本发明人观察到，在模型流转换系统上实施的试验过程中，在氢分数与两个燃料电池堆的电压之间的电压差之间存在一定关系。特别地，当电压差相当高时，所述电压差与阳极流径中的氢浓度所产生的相当大的降低相关联。特别地参见图3，泄放阀3500A、3500B被构造成三通阀。通过这种方式，它们可借助于既实现泄放功能又实现燃料注射功能而降低部件的重复性。例如，在第一位置处，阀3500A、3500B将会允许新鲜氢流从燃料供应装置100A流向位于阀下面的阳极流径3100的双相部段。在第二位置处(在所述位置处并不进行泄放)，阀可对所述流进行闭塞从而使得被连接至阀的所有三个部段彼此流体地脱开连接。在第三位置处，阀将允许流从阳极流径3100的双向部段流向泄放部段(被视做水平导管)。如上所述，两个阀3500A、3500B的打开和关闭通常顺序地发生而不是在两个阀中同时发生。

在另一种可选实施例(未示出)中，可独立地实现氢注射功能和泄放功能，从而使得代替采用一对三通阀的方式的是，可使用四个两通阀。在这种构型中，注射阀将会排除泄放进入上游部分内的可能性，所述注射阀的上游具有高压力。通常优选的方式是，避免打开位于接近处于运行中的燃料供应阀的位置处的泄放阀，原因在于该泄放阀的打开会吹扫出大体上纯的氢而不是预期的混合物。因此，尽管被置于燃料电池堆之间的泄放阀可持续地处于打开状态，但被置于接近燃料供应阀的位置处的泄放阀则需要以交替方式运行，这既与泄放阀彼此相关也与位于接近所述泄放阀的位置处的燃料供应阀相关。利用三通阀以便既进行燃料供应又进行泄放将确保有意地实现所希望的操作。在这种情况下，该系统将需要独立的导管和成套的阀以便促进沿适当方向的压力差。例如，两通燃料注射器阀可被连接至燃料供应装置，而独立的两通阀可被置于泄放部段上。在运行中，第一位置将包括使一组两通阀被设置以便使泄放部段被关闭且燃料供应部段被打开。在第二位置处，泄放部段和燃料供应部段将都被关闭，而在第三位置处，泄放部段将被打开，而燃料供应部段将被关闭。在这种构型中，用于将燃料注入燃料电池堆内的阀可被构造成位于阳极入口单元内的阀组，而两个组群的阀可交替地被联接至燃料供应装置(例如通过分配歧管或类似装置)。当通过阳极流径的燃料流经过其半个周期中的每个半个周期时，该流可通过所述阀组内的组群中的一个组群或另一组群。阳极入口单元可包括用于每个燃料电池堆的多个燃料注射器；这种对于每个燃料电池堆利用多个阀的方式增加了改变所需氢流速范围的柔性。例如，如果三个注射器被用于每个燃料电池堆，则一个注射器可被调整为达燃料电池堆的最大功率输出的约三分之一。还可容许出现中等的功率电平；例如，如果需要半功率设置，则一个注射器将被完全打开而第二注射器将是半开的。可编程的逻辑控制器或其它处理单元可被用于提供必要的阀打开和关闭逻辑。所有这种控制功能都可被整合在控制器2000内作为可实施软件或固件程序的步骤的模块。这种模块的实例可包括储存模块(例如查询表或储存相关数据的储存装置)、连接模块、处理器或逻辑模块、以及其它模块。本领域的技术人员应该意识到，用于打开和关闭泄放阀3500A、3500B的多种控制模式可被包括在控制器2000内，这包括模糊逻辑、比例积分微分(PID)或类似模式。

尽管如图所示，一对泄放阀3500A和3500B被置于阳极流径3100的上部部分中，但是本发明的系统1还可采用被置于介于两个燃料电池堆3000A与3000B之间的阳极流径3100的下部部分中的单个泄放阀。在这种构型中，吹扫或泄放运行可恒常地发生，尽管如此，使阀短暂地间歇打开也可能是有利的。该变型提供了比采用两个泄放阀3500A、3500B的上述方案更为优越的简单性。

阳极流径3100限定出在第一组孔口(被象征性地示作位于燃料电池堆3000A、3000B中的每个燃料电池堆的下左部处)之间且在第二组孔口(被象征性地视作位于燃料电池堆3000A、3000B中的每个燃料电池堆的上右部处)之间进行延伸的连续环路。用于描述空间位置的这些各个术语，如“上部”、“下部”和相似术语并未以受限方式被构造，而仅是为清晰起见用于描述在此所述的本发明的实例和实施例。例如，应该意识到，就取向而言，燃料电池堆和其它部件可围绕一个或多个轴进行旋转，从而使得对于上部和下部部件部分的定义仅仅是观察角度的问题，而并不旨在有损于整体构型。

在运行中，氢借助于泵1000而从燃料源100A被泵送入上部部分阳极流径3100内。在另一可选实施例(未示出)中，泵1000可被加压燃料源如加压氢罐代替。在任一种形式的燃料供应装置中，且根据阀3500A、3500B中的哪一个阀被打开，氢流至燃料电池堆3000A、3000B中的一个燃料电池堆或另一燃料电池堆的阳极。如上所述，在阳极流径流转换系统中，阳极流的方向是往复振荡的，从而使得所述阳极流以半封闭的模式在燃料电池堆之间经过。燃料所进行的这种往复移动的证据可见于以双向箭头标记的阳极流径3100的部分中。通过使阀中的一个阀处于打开状态而使另一阀处于关闭状态，而产生了导致通过阳极流径3100的流成为串联连续流的效应，这意味着尽管燃料通过阳极流径3100而流动通过燃料电池堆中的第一燃料电池堆，但另一燃料电池堆中的关闭的阀对于所述流仍会起到闭塞端部的作用。例如，通过任意的惯常方式，如果氢首先被引入被构造为燃料电池堆3000A的临时入口的孔口3010A内，则阀3500A被打开以便允许将燃料引入燃料电池堆3000A内。两个燃料电池堆通过阳极流径3100的下部部分而实现的连接确保了一旦燃料已经通过燃料电池堆3000A，则其随后将进入并通过燃料电池堆3000B，其后燃料将通过被构造为临时出口的孔口3010B，其中阀3500B阻止了进一步的流动。在一种优选方案中，进入第一燃料电池堆3000A的燃料的化学计量比为二，这意味着存在足够的氢来为两个这种燃料电池堆提供充足的燃料。在燃料流循环的该第一部分中，第一燃料电池堆3000A接收大体上纯的氢，而第二燃料电池堆3000B接收已经被从阴极流径横穿的但稀释的氢。这导致在第一燃料电池堆3000A中产生的电压高于由第二燃料电池堆3000B产生的电压。在特定时期(例如几秒)之后，向燃料电池堆3000A内进行的氢供应被关闭，该氢供应现在被切换至燃料电池堆3000B。这导致产生了回流(即流转换)，从而使得现在第二燃料电池堆3000B获得纯氢，导致其电压上升，而第一燃料电池堆3000A的电压则由于氮含量的增加而下降。尽管如前所述可以在任何时间对燃料电池堆电压进行采样，但由于两个电池堆之间的电压差在产生这种流向变化之前不久时是最大的，因此这形成了对燃料电池堆电压进行采样的适宜时间。例如，可以更高的频率或甚至几乎连续地采集电压样本。在调整采样时间以便与特定的振荡周期一致的情况下，可利用前面提到的“采样与保持”方案来检测所希望的电压测量值并将所述所希望的电压测量值传送给控制器。在采样与保持方案中，对燃料电池堆电压(所述燃料电池堆电压根据转换过程而随时间振荡，而电压大小则对应于阳极子系统中的氮浓度)之差的绝对值应用慢滤器。通过当实际值的符号改变且再次达到最大大小时对电压大小的储存的最大测量值进行更新，而简化了控制器的工作，原因在于其在如果电压大小改变的情况下接收新输入值。在这种运行情况下，控制器不需要遵循电压的振荡。该测量值还可恒常地与阈值进行比较并被允许在任何时间触发泄放。如上所述，可以多种不同方式实施该测量。例如，该测量可基于第一燃料电池堆3000A与第二燃料电池堆3000B的电压差的绝对值，或者可基于燃料电池堆电压的平均电压差，或者基于燃料电池堆内的单独的电池内的电压差，或者基于单个燃料电池堆内的最大电压与最小电压之间的电压差而进行。作为当超过阈值时触发泄放运行的另一种可选方式，可利用其它方案。例如，在以较高频率发生泄放(例如进行连续或近似连续的泄放)的情况下，两个燃料电池堆3000A、3000B中的电压差可用于改变在泄放阀3500A、3500B的其中之一或两者上的压力差、改变泄放阀3500A、3500B的其中之一或两者的打开、或者改变泄放阀3500A、3500B的工作周期。

基于燃料电池堆的电压差，控制器2000确定了有多少阳极流径气体(所述阳极流径气体现在是氢和氮的混合物)需要通过泄放阀3500A、3500B被泄放出来以便保持阳极流径3100中的适当的氢浓度。在一个实施例中，可同时测量两个燃料电池堆的电压，其中如上所述，这种同时进行的测量可以是间断的或大体上连续的。优选比流转换频率更频繁地进行该测量。此外，如上所述，其它构型可能允许进行其它的测量模式，如测量单个燃料电池堆内的电压或甚至是测量燃料电池堆内的单个单独的电池内的电压。氢/氮分数的预定阈值可被储存在位于控制器2000中的以公式编程的逻辑装置、查询表或相关的存储器装置中，且可被用于确定运行泄放阀的条件。如果来自阳极流径3100的泄放气体在排气混合过程中被混入阴极流径3400的废气流中，则这些值还可用于计算所需的空气流。例如，处于易燃性方面的考虑，所希望的是保持该废气流中的氢浓度低于给定界限且关于氢/氮比的信息可用于确保这种氢浓度水平。通过运行目前的方案使得提高了燃料电池系统1的效率，原因在于，通过获知阳极气体浓度而不是假设阳极氢浓度消耗的最坏情况(即消耗了100％)，将会减少从阴极流径3400所需要的空气流。与依靠泄放阀3500A、3500B的定时打开而并未考虑燃料电池堆电压输出的试剂降低的方式相比，本方案更为有效。在这种非优化的定时情况下，泄放阀可能在需要进行泄放之前就被打开，且随之吹扫出要不然有用的氢。控制器2000(可对所述控制器进行编程以便包括下面将要进行更详细地讨论的本算法)确定出何时应该再次关闭泄放阀3500A、3500B。该确定可考虑到从简单到复杂的多种因素，所述多种因素可全都被输入控制器2000内。例如，简单的方案可能向阀发出指令以便使其仅在两个燃料电池堆3000A与3000B之间获得电压差阈值的情况下才会打开，在所述情况下泄放将持续下去直至测量反馈值回复到低于该阈值以下的值。这种方式可能固有地产生简短的滞后时期从而确保时间的余量并产生适当的静带。本领域的技术人员应该意识到，可利用其它参数实现阀的打开和关闭。

特别地参见图4和图5，图中示出了运行泄放阀给具有一对燃料电池堆的象征性系统带来的效应，每个所述燃料电池堆具有两百个单独的燃料电池。在这两个图所示出的实例中，在燃料电池堆中的每个燃料电池堆中同时进行电压采样，尽管如此，(正如较早所述)还可采用其它采样模式和其它燃料电池堆构型且也具有同等的可应用性。图4所示的三条曲线示出了在象征性的采样间隔下的电压趋势以及阳极流径中相应的氢分数，其中在周期开始时进行泄放(以保持氢浓度大体上恒定)，且在周期的中间阶段(其中氢浓度是下降的)不进行泄放，且在接近周期结束时(其中氢浓度再次增加)再次进行泄放。在图4所示的第一条曲线中，示出了由其中一个燃料电池堆产生的总电压。此处，可以看到，当燃料电池堆处于流转换周期的上半阶段时电压较高，且当燃料电池堆处于流转换周期的下半阶段时电压较低。振荡周期与一个流转换周期的持续时间相同。在第二条曲线中，新鲜的氢被供应，从而导致检测到的两个燃料电池堆之间的电压差几乎瞬间增加，其后电压差呈现出振荡模式。第二条曲线还示出了在燃料电池堆的顺序被切换之前不久时上游燃料电池堆的高电压电平与下游燃料电池堆的低电压电平之间的差别。以采样与保持的方式处理该差别从而将值提供给相关的控制算法直至进行接下来的评测，所述评测是在就要进行随后的操控氢供应阀之前进行的。在第三条曲线中，阳极流径中的氢浓度可被视作是遵循了第二条曲线的电压差趋势。如果氮的量非常低，例如在试验的开始阶段，则将与被供应给上游燃料电池堆的氢浓度相似的几乎纯氢的氢浓度供应给下游燃料电池堆。因此，燃料电池堆电压基本上是相同的。经过一段时间后，被供应给下游燃料电池堆的燃料的氢浓度降低下来并导致下游燃料电池堆中的电压更低，这进一步导致相对于被供应了纯氢的燃料电池堆产生了更大的电压差。图5示出了在启动泄放过程之后的电压差以及随之的氢浓度。在初始调节阶段之后，其中在该初始调节阶段中，电压的响应时间需要约4秒且氢浓度升高的时间需要约7秒，电压差被最小化(通常在本曲线图中保持在约0.1伏特或接近约0.1伏特)并保持稳定。这远低于用于运行该象征性系统的电压差阈值设定值；如果测量到大于阈值的电压差，则泄放算法可被构造以便持续额外的时间。在本实例中，该过程持续13秒，但基于电压差的稳定性，该持续时间可被缩短。观察到的第二个重要的方面在于，当发生泄放时，两个燃料电池堆之间的氢浓度通常增加。这与图4所示的情况是相反的，在图4中未发生泄放且氢浓度是降低的。

如上所述，可从查询表或相关的收集储存数据的收集装置中获得氢浓度与电压差的关系。基于检测到的电压来确定氢浓度的另一种方案可通过可被编程入控制器的可编程逻辑控制器或相关装置或模块内的算法而实现。下列公式(所述公式是对于理想的流条件归纳出来的)提供了电池电压随着阳极催化剂处的阳极氢分压的降低而以何种方式降低的观点：

$U_0=U^0+\frac{\mathrm{RT}}{2F}(\ln \frac{p_{H_2\mathrm{cat}}}{p^0}+\frac{1}{2}\ln \frac{p_{O_2\mathrm{cat}}}{p^0})+\frac{{\mathrm{\Δ}}_{R}S}{2F}(T-T^0)$

其中，F是法拉第常数(96,485C/mol)，R是摩尔气体常数(8.314J/mol/K)，T⁰是标准温度(298.15K)，p⁰是标准压力(1.0bar)，S是摩尔反应熵(J/mol/K)，T是温度(K)，U₀是电池开路电压(V)，U⁰是在标准条件下的电池开路电压(V)且cat表示的是在催化剂处进行的测量。

如上所述，控制器2000与燃料电池系统1的各个部件连通以便控制和协调它们的运行。例如，可使控制器2000与泵1000或另一加压燃料源(如燃料罐)连通以便控制被供应至燃料电池堆3000A、3000B的阳极反应剂流和阴极反应剂流。控制器2000还可用于实现其它燃料电池功能，例如运行冷却剂供应系统(未示出)。控制器2000还接收来自传感器S的信号以便与储存的值进行比较。控制器2000进一步将控制(即打开或关闭)信号发送给阀3500A、3500B以便确定流转换以及泄放阀的运行。例如，当传感器S测量到两个燃料电池堆3000A、3000B之间的电压差低于规定阈值时(在两个燃料电池堆之间进行电压检测的构型中)，或当电压差是介于单个燃料电池堆3000A或3000B之间或者其中一个燃料电池堆内的单独的电池300之间(在同一电池燃料电池堆或同一电池内且在两个不同时间处实施电压检测的构型中)，这种值在与控制器2000中储存的逻辑进行比较时可用于操控阀中的一个或多个阀。控制器2000目前被示作单个控制器；然而，本领域的技术人员应该意识到，还可使用一组多个分布式的控制器，所述多个分布式的控制器的功用相互协调。在任何一种构型中，控制器2000可包括提供了所需功能的一个或多个特定用途集成电路(ASICs)或相关模块。这种装置可定义为可编程的逻辑控制器或其它处理单元。它们可进一步包括共用、专用或集群处理器、配套电子电路和存储器，上述器件共同实施一个或多个软件或固件程序。在这种情况下，上述公式可形成算法的基础，所述算法可被编程进入控制器2000内的特定用途集成电路、模块或其它逻辑装置内并被上述装置使用以便操控流转换时间、泄放阀打开和关闭指令或相似对象。

传感器S可被用于为控制器2000提供表示控制器2000采取的特定行动的反馈。例如，传感器提供了有关泄放阀打开对燃料电池堆3000A、3000B内的电压所产生的影响的反馈。利用常规电压传感器的其中一个优点是其固有的坚固性。代替利用直接氢测量装置如热导率传感器、质谱仪、气相色谱仪或类似装置(所述装置是昂贵且相对脆弱的，这两个特征基本上无法与车辆或其它汽车应用相容)的方式是，本发明可采用可在长时间的运行过程中承受高湿度和振动环境的传感器S。尽管如图所示的传感器S被连接至燃料电池堆3000A和3000B中的每个燃料电池堆以便测量其中的电压值并将表示检测到的参数的信号沿一条或多条信号载线传送给控制器2000，但这些传感器还可被设置在燃料电池系统1中的其它位置处以便测量和传送适当的信号。一个实例可以是被构造以便测量泄放阀3500A、3500B的打开程度的传感器。

如前所述，当控制器2000检测到低于预定范围的电压差值时，控制器2000可打开泄放阀3500A、3500B以便降低阳极流径3100中的氮分数。在图3所示的双燃料电池堆构型中，通过将第一燃料电池堆3000A中的电压读数与第二燃料电池堆3000B中的电压读数进行比较而评估氢分数，其中将大体上纯的氢供应给所述第一燃料电池堆，且在所述第二燃料电池堆中，供应氢与未知量的氮混合。在同一时间测量不同燃料电池堆中的电压或者在同一燃料电池堆内在不同时间测量电压都可用于(例如通过上面讨论的公式)评估氢分数。与本方案相关联的优点包括不会产生附加的部件成本(原因在于传感器已经被用于监控燃料电池堆电压值)、可能改进系统持久性(原因在于更少的干氢被注入系统内)、提高了效率(原因在于在泄放阀打开过程中排出了更少的有用的氢)并且改进瞬态运行(原因在于不允许氢浓度降低至使得出现不稳定性的低水平)。

尽管已经为了阐明本发明的目的而对特定的代表性实施例和细节进行了描述，但本领域的技术人员应该意识到，可在不偏离本发明的范围的情况下作出各种改变，所述改变被限定在所附的权利要求书中。

Claims (24)

1.一种运行燃料电池系统的方法，所述方法包括：

对所述系统进行构造以便包括：

第一燃料电池堆和第二燃料电池堆，每个所述燃料电池堆内包括多个单独的燃料电池，所述单独的燃料电池中的每个单独的燃料电池包括阳极、阴极和设置在所述阳极与阴极之间的膜；

阴极流径，所述阴极流径被构造以便将位于所述第一燃料电池堆和所述第二燃料电池堆中的每个燃料电池堆内的所述单独的燃料电池的所述阴极联接至氧源；

阳极流径，所述阳极流径被构造以便将位于所述第一燃料电池堆和所述第二燃料电池堆中的每个燃料电池堆内的所述单独的燃料电池的所述阳极联接至燃料源，所述阳极流径被构造以便被连接在所述第一燃料电池堆与所述第二燃料电池堆之间，从而使得存在于所述阳极流径内的燃料在所述第一燃料电池堆与所述第二燃料电池堆之间往复循环；

至少一个泄放阀，所述至少一个泄放阀被流体联接至所述阳极流径；和

至少一个传感器，所述至少一个传感器被构造以便测量电压；

将燃料引入所述阳极流径内以使得所述燃料沿第一方向流动通过所述燃料电池堆；

将氧引入所述阴极流径内；

使通过所述阳极流径的所述燃料流反向流动以使得所述燃料沿第二方向流动通过燃料电池堆；

检测与所述系统的运行相关联的电压差；

将所述检测到的电压差与所述阳极流径中的燃料浓度进行关联；并且

在基于所述进行关联的步骤而获得所述电压差的阈值时，操控所述至少一个泄放阀以便允许存在于所述阳极流径中的所述流体的至少一部分被排出。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述系统进一步包括控制器，所述控制器可与所述至少一个传感器和所述至少一个泄放阀协同作用以使得所述控制器在所述检测到的电压差与所述阳极流径中的所述燃料浓度之间实施所述进行关联的步骤，从而确定是否已经实现了所述阈值的所述获得。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述阳极流径中的所述燃料浓度借助于查询表中的值被表示于所述控制器中。

4.根据权利要求2所述的方法，其中所述阳极流径中的所述燃料浓度借助于根据下列等式的公式被表示于所述控制器中：

$U_0=U^0+\frac{\mathrm{RT}}{2F}(\ln \frac{p_{H_2\mathrm{cat}}}{p^0}+\frac{1}{2}\ln \frac{p_{O_2\mathrm{cat}}}{p^0})+\frac{{\mathrm{\Δ}}_{R}S}{2F}(T-T^0).$

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述检测与所述系统的运行相关联的电压差的步骤包括大体上同时地检测所述第一燃料电池堆和所述第二燃料电池堆的电压。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述大体上同时地检测所述第一燃料电池堆和所述第二燃料电池堆的电压差的步骤进一步包括确定所述第一燃料电池堆和所述第二燃料电池堆中的每个燃料电池堆内的平均电压从而使得所述进行关联的步骤包括将所述平均电压与所述阳极流径中的所述燃料浓度进行关联。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述检测与所述系统的运行相关联的电压差的步骤包括检测所述第一燃料电池堆和所述第二燃料电池堆中的一个燃料电池堆内的多个电压差从而使得可确定所述第一燃料电池堆和所述第二燃料电池堆中的所述一个燃料电池堆内的平均值。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述检测与所述系统的运行相关联的电压差的步骤包括检测所述第一燃料电池堆和所述第二燃料电池堆中的至少一个燃料电池堆内的单个燃料电池内的多个电压差。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述操控所述至少一个泄放阀的步骤包括在经过了对应于不超过一个完整的阳极流径运行周期的时间之后关闭所述至少一个泄放阀。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述操控所述至少一个泄放阀的步骤包括在经过了与所述第一燃料电池堆与所述第二燃料电池堆之间的电压差大小成比例的时间之后关闭所述至少一个泄放阀。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个泄放阀包括至少一个三通阀以使得所述至少一个泄放阀将所述燃料源选择性地设置成与所述阳极流径流体连通。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个泄放阀被流体设置在所述第一燃料电池堆与所述第二燃料电池堆之间。

13.一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括：

第一燃料电池堆；

第二燃料电池堆；

阴极流径，所述阴极流径被构造以便将氧化剂传输至所述第一燃料电池堆和所述第二燃料电池堆；

阳极流径，所述阳极流径被构造以便被连接在所述第一燃料电池堆与所述第二燃料电池堆之间从而使得存在于所述阳极流径内的燃料在所述第一燃料电池堆与所述第二燃料电池堆之间往复循环；

至少一个泄放阀，所述至少一个泄放阀被流体联接至所述阳极流径；

至少一个传感器，所述至少一个传感器被构造以便测量电压差；和

控制器，所述控制器可与所述燃料电池堆和所述至少一个传感器协同作用以便在接收到对应于超过预定值的所述检测到的电压差的至少一个信号时，所述控制器对所述至少一个泄放阀发出指令以便允许从所述阳极流径中吹扫出停留在所述阳极流径内的流体的至少一部分。

14.根据权利要求13所述的系统，其中所述预定值包括代表停留在所述阳极流径内的所述流体的氢浓度的值。

15.根据权利要求15所述的系统，其中代表所述氢浓度的所述值以可由所述控制器进行存取的方式被储存。

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述方式包括查询表。

17.根据权利要求15所述的系统，其中代表所述氢浓度的所述值是由根据下列等式的公式产生的：

$U_0=U^0+\frac{\mathrm{RT}}{2F}(\ln \frac{p_{H_2\mathrm{cat}}}{p^0}+\frac{1}{2}\ln \frac{p_{O_2\mathrm{cat}}}{p^0})+\frac{{\mathrm{\Δ}}_{R}S}{2F}(T-T^0).$

18.一种包括根据权利要求13所述的系统的车辆，其中所述系统用作所述车辆的原动力源。

19.一种流转换式燃料电池系统，所述流转换式燃料电池系统包括：

第一燃料电池堆，所述第一燃料电池堆中包括至少一个传感器和多个单独的燃料电池，所述单独的燃料电池中的每个单独的燃料电池包括阳极、阴极和设置在所述阳极与所述阴极之间的膜；

第二燃料电池堆，所述第二燃料电池堆中包括至少一个传感器和多个单独的燃料电池，所述单独的燃料电池中的每个单独的燃料电池包括阳极、阴极和设置在所述阳极与所述阴极之间的膜，以及阳极流径和阴极流径；

阴极流径，所述阴极流径被构造以便将含氧流体传输至所述第一燃料电池堆和所述第二燃料电池堆；

阳极流径，所述阳极流径被构造以便被连接在所述第一燃料电池堆与所述第二燃料电池堆之间，所述流转换式燃料电池系统被构造以使得所述第二燃料电池堆通过至少所述阳极流径被流体联接至所述第一燃料电池堆，从而使得存在于所述阳极流径内的含氢流体在所述第一燃料电池堆与所述第二燃料电池堆之间往复循环；

至少一个流操控装置，所述至少一个流操控装置被流体联接至所述阳极流径；

控制器，所述控制器与所述燃料电池堆存在信号通信，以使得在所述控制器接收到与超出预定值的在所述燃料电池堆之间、在所述燃料电池堆中的一个燃料电池堆内或者在所述燃料电池堆中的至少一个燃料电池堆内的至少一个单独的电池内检测到的电压差相对应的信号时，所述控制器对所述至少一个流操控装置发出指令以便允许从所述阳极流径中吹扫出停留在所述阳极流径内的流体的至少一部分。

20.根据权利要求19所述的系统，其中所述至少一个流操控装置包括至少一个泄放阀。

21.根据权利要求19所述的系统，其中所述检测到的电压差包括在所述第一燃料电池堆与所述第二燃料电池堆之间的平均电压差。

22.根据权利要求19所述的系统，其中所述检测到的电压差包括所述第一燃料电池堆和所述第二燃料电池堆中的至少一个燃料电池堆内的电压差。

23.根据权利要求19所述的系统，其中所述检测到的电压差包括所述第一燃料电池堆和所述第二燃料电池堆中的至少一个燃料电池堆内的至少一个单独的燃料电池内的电压差。

24.根据权利要求19所述的系统，其中所述至少一个流操控装置包括至少一个三通阀从而使得泄放流和燃料注射流选择性地通过所述至少一个三通阀。

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