CN101523651A - 用于燃料电池堆快速预热的燃料电池载荷循环系统和方法 - Google Patents

Abstract

在燃料电池系统中，向负载提供的电力在高电力水平和低电力水平这二者之间循环。循环的电力水平在燃料电池系统的燃料电池堆的起动阶段，例如冷启动条件期间被提供。在高电力水平周期，电力供给电池和/或其它负载，使得电池被充电和/或其它负载在起动阶段接收充分的供电。在低电力水平周期，电池可以向其它负载供电。

Description

用于燃料电池堆快速预热的燃料电池载荷循环系统和方法

(相关申请的交叉引用)

本申请对于2006年10月4日提交的、被转让给与本申请相同的受让人的、发明名称为“用于燃料电池堆快速预热的燃料电池载荷循环系统和方法”美国临时专利申请第60/828,194号主张由35 U.S.C.§119(e)所规定的权益，其全部内容通过引用包含于此。

技术领域

本发明涉及燃料电池，尤其涉及但不限于，涉及诸如固态聚合物电解质燃料电池的燃料电池堆的起动。

背景技术

一直以来，电化学燃料电池系统被开发用于各种应用的电源供给，如汽车、固定式发电厂以及其他应用。此类燃料电池系统提供了一种基本无污染的能源前景，而不像诸如石油燃烧热电厂、原子核反应堆以及水力发电厂的传统能源，这些传统能源均会引起环境问题。

燃料电池将反应剂(燃料和氧化剂)进行转换以产生电力和反应产物(如水)。燃料电池通常包含置于阴极电极和阳极电极之间的电解质。催化剂在电极处引发适当的电化学反应。燃料电池例如可以采用固态聚合物电解质燃料电池的形式，包括固态聚合物电解质并在相当低的温度下工作。在固态聚合物电解质燃料电池正常工作期间，燃料在阳极电解质处被电化学氧化，产生质子、电子、还有可能有其他的物质。质子从其所产生的反应物质处经电解质被传导而在阴极电解质处与氧化剂进行电化学反应。

固态聚合物电解质燃料电池通常配置成燃料电池堆，并通常采用包含置于两个电极之间的离子交换膜或者固态聚合物电解质的膜电极组件(MEA)。通常，电解质在热和压力下与电极接合；这样，这种MEA在装配时是干燥的，并在燃料电池堆的激活过程的一部分中被加湿。

在正常工作条件下，传统的燃料电池以相当高的最小堆和/或电池电压工作。但是，在起动条件的过程中，起动电压比正常工作时由燃料电池所提供的电压低得多。因此，在能够从燃料电池获得足够的电压和电流之前需要一段时间用于起动阶段。

此外，在寒冷气候下，这种燃料电池经常会遭遇低于冰点的温度。当燃料电池很冷时，电化学反应非常不充分。此外，在非常低于正常工作温度的温度下，燃料电池的能量输出能力通常非常有限。这样，一般采用传统方法，在起动期间对燃料电池供热以加速起动过程。

起动燃料电池堆的一些传统方法包括采用外部能量源(例如蓄电池)或者加热器以将燃料电池加热至燃料电池的工作开始的温度。这些措施允许在低温下起动时抽取高的电流，从而减少了用于使起动过程完成的时间。但是，这些方法需要仅用于起动之目的的额外的设备(从而导至成本、重量和体积的增加)，并且在起动期间一般需要能量的净输入。

其他方法在低温条件下起动期间将燃料电池堆电压降低至接近零伏。尽管此种方法会允许快速起动，但是为了提供这种功能需要实施额外的电子装置。此外，这种方法可能在起动期间不允许对特定负载供电。

例如，支持燃料电池系统工作的各种电厂配套设施(BOP)装置并不被设计为在由起动期间的燃料电池提供的低电压条件下工作。BOP负载的一个例子是，在正常工作条件期间的正常电压下上电时对燃料电池提供额定流量的气流的空气压缩机。另一个例子是当以额定电压范围上电时使经过燃料电池堆的冷却剂循环的冷却剂泵。又一个例子是当以额定电压范围上电时使反应剂流体再循环至燃料电池的阳极的再循环泵。因此，在能够从燃料电池堆获得充分的电压和电流之前的起动过程中，这些BOP负载由诸如电池组、超级电容和/或较小的内燃机之类的辅助电源供电。然而，此类辅助电源的输出电流或者/输出能量的能力可能是有限的，从而限制了BOP负载的数量和/或者限制了BOP负载可以连接的时间。

此外，在能够从燃料电池堆获得充分的电压和电流之前的起动过程中，其他系统负载如需工作则必须由辅助电源供电。否则，这些负载必须保持关闭直至燃料电池堆提供足以支持负载工作的充分的电压和电流的正常工作条件为止。

燃料电池通常以高于周围环境的温度工作。因此，热量从燃料电池系统流失至周围环境。这会导致燃料电池系统温度低于燃料电池良好工作所需的温度。此外，电池堆、气流、导气管、电池堆或者相关部件中的低温会导致结露或者结冰。当周边温度低时这些问题尤为突出。另外，当燃料电池堆被设计成由气流直接冷却时，难以保持低的热损失。另外，当燃料电池系统的负载低时，燃料电池堆产生的热量少，从而导致低温。众所周知，诸如电热器之类的额外负载会增加在燃料电池堆内及其在别处产生的热量，此方法可以防止低温的问题。但是，额外的负载要求额外的设备并会产生额外的成本、体积和重量。

发明内容

根据一个方面，提供一种能够耦接至负载的燃料电池系统，所述负载被配置为在稳态时段期间吸收负载稳态电力、并被配置为在小于稳态时段期间的缩短时段期间吸收负载峰值电力。燃料电池系统包含产生电力的至少一个燃料电池、以及被配置为控制由燃料电池所产生的电力的输送以在第一时段期间对负载提供第一电力水平并在第二时段期间对负载提供第二电力水平的控制器。第一电力水平小于或等于负载稳态电力，第二电力水平大于负载稳态电力并小于或等于负载峰值电力。控制器被配置为通过上述第一和第二电力水平之间的上述电力的重复循环来控制上述输送。

根据另一个方面，提供一种起动具有至少一个燃料电池并能够耦接至至少一个负载的燃料电池系统的方法。该方法包括：在燃料电池系统的起动阶段，反复执行在第一时段期间内向负载提供第一电力水平和在第二时段期间内向负载提供第二电力水平这二者之间的循环，其中负载能够在稳态时段期间吸收稳态电力，而在短于稳态时段期间的缩短时段期间吸收峰值电力，其中第一电力水平小于或者等于稳态电力，第二电力水平大于稳状态电力并小于等于峰值电力。该方法包括在达到燃料电池的最佳工作温度时或之前结束循环。

根据又一个实施方式，提供了一种用于起动具有至少一个燃料电池并能够耦接至至少一个负载的燃料电池系统的装置。该装置包括产生能够输送给负载的电力的单元。该装置包括循环单元，用于在燃料电池系统的起动阶段，进行在第一时段期间向负载提供所产生电力的第一电力水平以及在第二时段期间向负载提供所产生电力的第二电力水平这二者之间的循环，其中负载能够在稳态时段期间吸收稳态电力，在短于稳态时段期间的缩短时段期间吸收峰值电力，其中第一电力水平小于或者等于稳态电力，第二电力水平大于稳态电力并小于等于峰值电力。

根据又一个实施方式，提供一种产品，包含可用于燃料电池系统并具有存储有可由一个或多个处理器执行以起动燃料电池系统的机器可读指令的机器可读介质，通过：在燃料电池系统的起动阶段，对在第一时段期间内向负载提供第一电力水平和在第二时段期间内向负载提供第二电力水平这二者之间的反复循环进行控制，电力的至少一部分由燃料电池系统提供，其中负载能够在稳态时段期间吸收稳态电力，在短于稳态时段期间的缩短时段期间吸收峰值电力，其中第一电力水平小于或者等于稳态电力，第二电力水平大于稳态电力并小于等于峰值电力，在达到与燃料电池关联的最佳工作温度时或之前控制电力循环的结束，并在达到最佳工作温度时或之前控制提供给负载的电力的斜坡上升。

附图说明

在附图中，同一附图标记对应相似的元件或操作。附图中的元件大小和相对位置并未按比例画出。例如，不同元件的形状和角度未按比例画出，一些元件被任意放大并放置以提高附图的易读性。此外，所画元件的特殊形状并不意图传递任何关于特定元件的实际形状的任何信息，而仅为在图中易于识别而选择。

图1为燃料电池堆中的燃料电池的一个实施方式的概要框图。

图2为在起动阶段可提供图1所示的燃料电池堆的快速预热的燃料电池系统的一个实施方式的概要框图。

图3～5给出了与根据不同实施方式在起动阶段的图1～2所示燃料电池堆的快速起动相关的特定参数的行为。

图6给出了与燃料电池堆的传统的预热相关的特定参数的行为。

图7为在基于图3～5的至少一部分的起动阶段提供图1～2所示燃料电池堆的快速预热的方法的实施方式的流程图。

具体实施方式

在此，对用于在诸如通过向由燃料电池堆供电的负载进行循环供电的起动阶段期间进行燃料电池堆的快速预热的技术的实施方式进行说明。例如，一个或多个实施方式提高发热速度以在起动后迅速加热燃料电池系统或者对流失到环境中的过量的热损失进行补偿。在以下说明中，给出了大量具体细节以提供对实施方式的完全理解。但是，这些实施方式可以在缺少一个或者多个具体细节的条件下、或者以其他方法、部件、材料等来实现。在其他实例中，公知的结构、材料或者操作未被示出或详细说明，以避免混淆本实施方式的特征。

贯穿本说明书的“一个实施方式”或者“实施方式”意指与实施方式相关的具体特征、结构或者特性包含于至少一个实施方式中。这样，贯穿本说明书的各处的短语“在一个实施方式中”或者“在实施方式中”的出现不一定都指相同的实施方式。此外，具体的特征、结构或者特性可以以任何适当的方式包含于一个或者多个实施方式中。

此处所提供的标题仅为出于方便之目的，并不解释本发明所要求的范围或者意义。此外，此处的特定的附图表示各种功率、电压、电流等波形。这些波形为出于理解实施方式的操作之目的给出，并非按比例画出和/或者精确和准确地给出形状、振幅、占空比、频率、失真等波形的行为或者其他特性。

总之，在一个实施方式中，将供给燃料电池系统中的负载的电力在高电力水平和低电力水平之间进行循环。循环的电力水平在燃料电池系统的燃料电池堆的起动阶段，例如在冷启动条件下，被提供。在循环的高电力水平部分，电力被输送给电池和/或其他负载，从而在起动阶段对电池充电和/或其他负载接收到充分的电力。在循环的低电力水平部分，电池可以向其他负载供电。

图1为燃料电池堆100的一个实施方式的概要框图。燃料电池堆100包括至少一个燃料电池102，为简单起见仅在图1中详细示出了至少一个燃料电池102中的一个。例如，燃料电池102单独地产生电压，并被串联连接，以从燃料电池堆100的输出端子提供较高的整体DC输出电压。，由燃料电池堆100提供对于全部燃料电池102都相同的电流作为输出电流。在一个实施方式例中，燃料电池堆100包括4排燃料电池102，每一排有100个燃料电池。其它实施方式可以具有任何适当数量的排数以及各排中的燃料电池102数。

根据一个实施方式，各个燃料电池102包含固态聚合物电解质燃料电池。此种实施方式的燃料电池102包括膜电极组件(MEA)，该组件自身包含设置于阴极106与阳极108之间的固态聚合物电解质膜104。阴极106包括多孔基板110和催化剂层112。阳极108包括多孔基板114和催化剂层116。燃料电池102还包括具有接收氧化剂和燃料的注入口部分以及氧化剂和燃料废物排出口部分的场板118和120。根据一个实施方式，可以使用燃料电池102的一个或者更多个注入口部分以在起动、工作、停机、存储等期间接收所需要的用于加湿的蒸汽或水。在一个实施方式中的一个或者更多个注入口部分也可接收循环的燃料、冷却剂等。

图1中的122示意性地表示了注入口和排出口部分。可以理解的是，这种表示仅出于容易解释和说明之目的，并非为精确说明该注入口/排出口部分122的尺寸、位置、数量、排列或者其它细节。从本发明公开受益的本领域技术人员对注入口/出口部分122的此类细节应会很熟悉。

如上述对一些实施方式所说明的，燃料电池堆100可以包括被设计为从各个燃料电池102向各个燃料电池102的燃料注入口再循环燃料废物的再循环系统。在燃料电池堆100的其它实施方式中，未实施再循环系统。

图2为包含图1所示的燃料电池堆100的燃料电池系统200的一个实施方式例的概要框图，该燃料电池系统200还包括与根据一个实施方式在起动条件期间加速燃料电池堆100的预热有关的部件。出于说明的清晰和简单的目的，并非可能出现在燃料电池系统200中的所有部件(如过滤器、开关、熔丝、信号处理设备、或者其它电和/或机械部件)均在此示出和说明。仅示出和说明了对于理解在起动过程中的燃料电池堆100的快速预热的一个或多个实施方式的操所有用的部件。

在燃料电池系统200中，燃料电池堆100(包含多个单个的燃料电池102)被耦接至逆变器202。燃料电池堆100通过DC总线204向逆变器202提供DC信号。逆变器202通过AC总线206耦接至逆变器202的AC一侧的至少一个负载208。

逆变器202将输入的DC信号逆变成向负载208提供AC电源的AC信号。纯粹为了示例，图2中的负载208被表示为可以包含车辆用的动力总成(IPT)的一部分的电驱动马达或者其它电机。其它类型的电气负载(和/或其组合)可以由燃料电池系统200在逆变器202的AC一侧提供AC电源。此外，总线204或206可以为单向的或者双向的。

逆变器202包括适合于从燃料电池堆100(图1中示出了五个燃料电池102的例子)提取DC电源、将所提取的DC电源逆变成AC电源并向负载208输出该AC电源的电路和/或逻辑。一个实施方式的逆变器202包括多个开关，例如包含三相逆变器用的开关对的六个绝缘栅双极晶体管(IGBT)。在一个实施方式中，逆变器202包括工作在电流控制模式下的电压源逆变器。逆变器202的一个可能的实施方式例记载于在2003年5月28日提出的美国专利申请第10/447,708号(已公告的美国专利第6,927,988号)、发明名称为“测量绝缘栅双极晶体管转换电路上的故障诊断的方法和装置”中有说明，其内容通过引用全部包含于此。逆变器202的其它实施方式例在本申请的代理人所拥有的已公开申请和其它公告的专利中公开。

控制器210(诸如一个或者更多个微控制器、微处理器、或者其它处理器)控制逆变器202的开关和其它相关操作和/或系统200的各种其它部件的操作。在一个实施方式中，控制器210向逆变器202提供脉宽调制(PWM)控制信号以控制其中的开关的动作。例如，来自控制器210的(施加于开关的控制栅极的)PWM控制信号可以将逆变器202的开关频率控制在5kHz～8kHz(或者更高/更低)。

一个实施方式的控制器210被耦接至存储单元222或者其它机器可读的存储介质，例如存储器形态的计算机可读存储介质。在一个实施方式中，存储单元222被编码或者存储有与实施针对加速起动过程中的燃料电池堆100的预热的各种操作相关的、可由控制器210执行的软件224(例如计算机程序)，对此将在以下进一步说明。例如在一个实施方式中，控制器210可以与软件224协作以产生适合的PWM信号或者其它信号来引起提供给负载208和/或其它负载的电力的循环。

在另一个实施方式例中，控制器210可以额外地或者替代地访问查找表210来确定与控制起动期间的燃料电池堆100的快速预热有关的合适的定时、持续时间、条件等，包括对输送给负载208和/或其它负载的电力的循环。

根据一个实施方式，系统200可以包括耦接至逆变器202的DC一侧的一个或者更多个其它负载212(及相关电路或部件)。例如，这种负载(212)可包括，但不限于，一个或者多个储能器件(例如电池组)、BOP设备(例如上述的空气压缩机、冷却剂泵、再循环泵等)、超电容、诸如飞轮的旋转装置、或者其它类型的设备和/或它们的组合。就电池组而言，电池组可以，例如在起动过程期间和/或之后，向控制器210提供电源。这样的一个或更多个电池组还可以适当地向系统200的其它部件提供电源。

在一个实施方式中，系统200可以包括短路器件214，例如开关、可复位熔丝、或者可由控制器210控制的其它合适器件。在该实施方式中并将在以下进一步详细说明，短路器件214可由控制器210以在低电力循环期间将燃料电池堆100(高电流、低电压)短路的方式进行控制。

在图2中，各种部件被清晰地标记或者被说明为“负载”，例如负载218和212。系统200的其它部件也可以相对燃料电池堆100被视作负载。这些部件可以包括，但不限于，控制器210、存储单元222、逆变器202等。此外，图2的各种负载的表示可以理解为包括开关、电路或者向这些负载供电或者其它输入、从这些负载提供输出等相关的其它部件。

图3～5给出了根据各种实施方式，与燃料电池系统200(例如供给负载的电力、负载电流、冷却剂注入口温度、冷却剂排出口温度等)相关的一些参数关于时间的行为示例的曲线。具体地，图3～5给出了根据在起动过程中使用负载循环(例如，参照图2说明对于一个或者更多个负载循环供电)的一个实施方式，在起动过程中这种参数的行为示例的曲线，图6给出了在起动期间使用对负载的稳态供电的传统起动过程中这种参数的行为的曲线。

在图3～5和/或其它的各个曲线图中，给出了电源、电压、电流、时间、温度等参数的具体示例值。这些值仅为说明之目的，以给出所示曲线的上下文关系。尽管某些实施方式可以以使用或者取得这样的具体值的方式而被实现，但其它的实施方式可以以这些参数的其他值实现和/或产生这些参数的其它值。

此外，如上所述，示图并不应被解释为一定是按比例画出、具有所示出的精确的波形、具有与所示相同的持续时间/振幅/频率/占空比等。波形的这些特征可以随实施方式和/或特定条件而变化。

首先从图3开始，300是表示提供给上述一个或者多个负载的电功率(单位kW)的波形。在本实施方式中，假设提供给负载的最大稳态电力为10kW，燃料电池堆100在时间＝0秒的时刻在-15℃的起动温度下起动，在时间＝0秒的时刻输送给负载的电流低，在时间＝0秒的时刻供给负载的电力为0kW。此外，假设负载能够在稳态时段期间(长度可不定)吸收稳态电力，在短于稳态时段期间的缩短时段期间吸收峰值电力。

从时间＝0秒至时间＝20秒，例如，提供给负载的电功率从0kW斜坡上升至20kW(可被负载吸收的峰值电功率的20％)，这对应于等效的120V的最小值。在一个实施方式中，从时间＝20秒至时间＝45秒，所提供的电功率保持在20kW。

在时间＝45秒，所提供的电功率的量从20kW降至2kW或更低的低电力水平(相应于5A的低电流)，并保持在此低/空闲电力水平直至时间＝55秒为止。这样，该低电力水平低于或者等于能够被负载吸收的最大稳态电功率10kW。在图3所示的实施方式中，低电力水平保持10秒。该时段期间仅为说明之目的。其它实施方式可以提供低电力水平的不同的时段期间，例如5秒或者其它时间量。

在时间＝55秒，提供给负载的电功率增至高电力水平20kW(对应于高电流值68A)，并从时间＝55秒至时间＝65秒将20kW保持10秒。同样，该高电力水平的时段期间仅是说明性的，也可取其它值，例如5秒或者其它时间量。

此后，从时间＝65秒以后，从燃料电池堆100提供给负载的电功率在空闲低电力水平与20kW的高电力水平之间循环、振荡或者交替。该循环持续进行直至进入燃料电池堆100的冷却剂注入口温度达到65℃或者更高，或者达到燃料电池堆100的其它最佳工作温度。在一个实施方式中，冷却剂注入口温度达到65℃或者更高的时间约为26分钟。

在一个实施方式中，在低电力水平和高电力水平之间的循环可以通过使控制器210向逆变器202提供合适的信号来执行，例如根据如图3所示的循环形态，使其中的IGBT进行开关以对向逆变器202的AC一侧的负载208的供电进行控制。替换地或者另外地，控制器210可以提供适合的信号以控制开关或者其它操作以向逆变器202的DC一侧的负载212供电。

在另一个实施方式中，控制器210可以以在低电力模式期间将燃料电池堆100短路的方式控制短路器件214以将短路器件214置于第一状态(例如闭合的开关)，从而获得高电池堆电流和低电池堆电压。然后，控制器214可以以在高电力模式期间将燃料电池堆100转换至工作的方式控制短路器件214以将短路器件214置于第二状态(例如开路的打开)。

在一个实施方式中，当燃料电池堆100处于提供20kW电力的高电力模式中时，例如图3所示，该电力可用于对负载212中的一个或者更多个电池组充电和/或向需要在起动期间供电的燃料电池系统200的任何其它合适的负载供电。当燃料电池堆100处于提供5kW或者更低电力的低电力模式中时，例如同样如图3所示，负载可由这些电池组供电。

图4给出了与使用高达20kW的循环的起动过程中的燃料电池系统200相关的各种参数的比较曲线图，包括此前所述的功率波形300、表示提供给负载的电流的负载电流波形400、相应的电压波形402、等效的按比例缩放了的负载电流404、冷却剂注入口温度波形406、以及冷却剂排出口温度波形408。如图4中的波形406和408所示，燃料电池堆100的冷却剂注入口和排出口温度在靠近循环过程的结束时达到示例的最佳工作温度约65℃或者更高。

在一个实施方式中，流入燃料电池堆100的冷却剂可以在高电流的期间中止，例如与高电力水平相对应的期间。当电流低时，可以使冷却剂向前流入燃料电池堆100，然后再次向后流出或者向后流出然后再次向前流入。该冷却剂流可以将燃料电池堆100的有效流动区域的上游和/或下游的任何结冰阻塞物融化。在起动之前将形成于燃料电池堆100内的冰最小化或者其它去除能够如期望的那样导致后续的可恢复性能损失(RPL)的降低。此外，在该流过程中进入燃料电池102的低温冷却剂不会引起更多的零度以下的燃料电池反应的出现，其原因在于此时的电流基本为零或者很低。

在一个实施方式中，在起动过程中执行的预热期间使用了微冷却剂环路(micro-coolant loop)。在其它实施方式中可以使用其它类型的冷却剂环路和/或者冷却剂流技术。

图5给出了与使用高达20kW的循环的起动过程中的燃料电池系统200相关的各种其它参数的比较曲线图，包括此前所述的负载电流波形400、此前所述的冷却剂注入口温度波形406、氢气流波形500、空气流波形502、以及燃料电池堆阻抗波形504。

从所述循环的实施方式可以看出，与平均电力的发热量相比，通过将由燃料电池堆100提供的电力进行循环，平均发热量得到最大化。如果由负载所消耗的平均电力有限，则上述循环方法的实施方式允许热产生的最大化。此外，在充电(对应于燃料电池堆100的高电力模式)和放电(对应于燃料电池堆的低电力模式)期间的电池组无效率将会进一步提高燃料电池堆100中的发热量，也会使电池组预热，从而提供快速的电池预热。

接下来转到图6，其中600表示根据使用稳态供电的传统起动技术向负载提供电功率(单位kW)的波形。与图3中的实施方式相同，图6的技术假设提供给负载的稳态电力为10kW，燃料电池堆100在时间＝0秒的时刻在-15℃的起动温度下起动，在时间＝0秒的时刻输送给负载的电流为低，在时间＝0秒的时刻提供给负载的电力为0kW。此外，还假设负载能够在稳态时段期间(长度可不定)吸收最大稳态电功率(例如10kW)。

从时间＝0秒至时间＝20秒，例如，提供给负载的电功率从0kW斜坡提高到20kW(可被负载吸收的峰值电功率的20％)，相当于等效120V的最小值。从时间＝20秒至时间＝45秒，所提供的电功率保持在20KW。

在时间＝45秒，所提供的电功率从20kW降至稳态水平的10kW(相当于30A的负载电流)，并保持在此水平直到达到燃料电池堆100的示例最佳工作温度(例如等于或者大于约65℃)为止。

图7为诸如在寒冷环境条件下提供燃料电池堆100的快速预热的方法700的流程图。该方法700的一个实施方式的各个要素可以用软件或者可以由一个或更多个处理器执行并被编码或者存储于机器可读介质(例如计算机可读介质，如存储器)中的其它机器可读指令(例如计算机可读指令)来实现。示例包括存储于图2的存储单元222中的软件224。方法700中所表示的各种操作无需严格按照所示的顺序发生。此外，某些动作可以被修改、增加、去除、合并、或者任意组合。

在方框702，控制器210(或者系统200的其它部件)确定是否出现冷起动条件。例如，温度传感器可以检测燃料电池堆100的温度和/或周围空气温度并将检测温度提供给控制器210。然后控制器210可以将检测到的温度与阈值温度(例如，可能存储在图2中的查找表226中)进行比较，以确定是否执行上述说明过的起动方法的实施方式。

如果在方框702，控制器210确定未出现冷启动条件和/或根本未出现起动条件，则可以在方框704处执行与起动无关的其它操作。但是，如果控制器210在方框702处确定存在冷启动条件，则控制器210或者系统200的其它部件可以在方框706发起初始冷启动操作。方框706处的这种初始操作可以包括，例如，根据需要对燃料电池堆100进行净化或者其它为系统200在冷条件下起动做准备的操作。

在方框708，由燃料电池堆100提供给负载的电功率斜坡上升，例如循环技术的图3中所示。所提供的电力可斜坡上升至峰值电力水平的20％或者其它适当的水平。在一个实施方式中，在方框708处，所提供的电力也在某些时段期间保持在该水平，例如同样在图3中所示。

在方框710，在第一时段期间对负载提供第一电功率量。在图3的循环的实施方式的上下文中，控制器210被配置为控制燃料电池堆100和/或系统200的其它部件，使得第一电功率量小于或等于稳态电力水平。

在方框712，在第一时段期间随后的第二时段期间向负载提供第二电功率量。在图3的循环的实施方式的上下文中，控制器210被配置为控制燃料电池堆100和/或系统200的其它部件，使得第二电功率量大于稳态电力水平并小于等于峰值电力水平。

控制器210例如通过接收由温度传感器检测到的温度来在方框714检查是否达到了最佳工作的目标温度。如果未达到目标温度，则在方框710～712重复在第一和第二电功率量之间的循环。

在一个实施方式中，当在方框714达到与燃料电池堆100相关的目标或最佳工作温度时或者之前，结束该循环，并当在方框714达到最佳工作温度时或者之前，提供给负载的电功率斜坡上升。在另一个实施方式中，在方框714处达到目标或者最佳工作温度时或者之后，进行上述结束和/或斜坡上升的操作。

要注意的是，在传统的系统/方法中，起动期间(诸如结冰或者低温条件下)的稳态负载(例如电流)趋向于非常低。如果例如由燃料电池堆供电的车辆的驾驶员将加速踏板踩到底(据此提供了高负载)，燃料电池堆的电压虽然可以测量，但该电压并不能给出燃料电池堆可以提供多少电压的准确指示。通过在一个实施方式中将负载进行循环，可以为极化曲线斜率以及可获得的最大电力提供更好的估计。例如，这种信息可以在车辆的仪表盘上指示。这样，这种信息例如可以为驾驶员提供何时是起动驾驶车辆的最佳时间的指示。

在本说明书中引用的和/或申请数据清单中所列的所有上述美国专利、美国专利申请公开、美国专利申请、外国专利、外国专利申请、非专利出版物，其全部内容均通过引用包含于此。

上述示例实施方式的说明，包括说明书摘要中所说明的，并非穷尽性的或将本发明限制于所公开的确切形式。尽管出于说明之目的在此给出了具体实施方式和示例，在不偏离本发明的主旨和范围的前提下，可以作出各种可能的等效修改。

例如，详细说明使用框图、原理图、曲线和示例提出了装置和/或过程的各种实施方式。就这些框图、原理图、曲线图和示例包括一种或者更多种功能和/或操作来说，可以单独地或者组合地利用广泛的硬件、软件、固件或者其实质上的任意组合实现这些框图、流程图、曲线图或者示例中的各种功能和/或操作。在一个实施方式中，本主题可以通过特定用途集成电路(ASIC)来实现。但是，此处所公开的实施方式可以在整体上或者部分地被等效地实现为标准集成电路、在一个或者更多个计算机上运行的一个或者更多个计算机程序(例如在一个或者更多个计算机系统上运行的一个或者更多个程序)、在一个或者更多个控制器(例如微控制器)上运行的一个或者更多个程序、在一个或者更多个处理器(例如微处理器)上运行的一个或者更多个程序、固件、或者其实质上的任意组合；并且，可以根据本公开进行电路的设计、和/或软件和/或固件的编码。

此外，此处所教导的机理可以以各种形成的程序产品的方式发布；不管用来实际上实现这种发布的特定类型的信号承载介质为何，说明性实施方式都等同地适用。信号承载介质的例子包括但不限于：可记录型介质，诸如软盘、硬盘驱动器、CD ROM、数字磁带、计算机存储器；传输型介质，诸如使用基于TDM或者IP的通信链路(例如分组链路)的数字和模拟通信。

作为又一个例子，在上述实施方式中说明的逆变器202是可以在燃料电池系统200中实现的电力转换装置。可以理解的是，在其它实施方式中，其它类型的电力转换装置亦可在燃料电池系统200中实现，并可在上述起动过程中被供电和/或用于供电。这种其它的电力转换装置的例子包括但不限于DC/DC步进升压/降压转换器、AD/DC整流器等。

根据上述详细说明可以对上述实施方式进行这些和其它修改。在所附的权利要求中使用的术语不应被理解为将本发明限制在说明书和权利要求中公开的具体实施方式上。相反，本发明的范围应完全由所附的权利要求确定，并要根据解释权利要求的成规进行解释。

Claims (26)

1、一种起动燃料电池系统的装置，该燃料电池系统具有至少一个燃料电池并被配置为与至少一个负载耦接，所述装置包括：

产生能够输送给所述负载的电力的单元；和

在所述燃料电池系统的起动阶段，进行在第一时段期间向所述负载提供所产生电力的第一电力水平以及在第二时段期间向所述负载提供所产生电力的第二电力水平这二者之间进行循环的单元，

其中，所述负载能够在稳态时段期间吸收稳态电力，并能够在短于所述稳态时段期间的缩短时段期间吸收峰值电力，

所述第一电力水平小于或等于所述稳态电力，所述第二电力水平大于所述稳态电力并小于或等于所述峰值电力。

2、如权利要求1所述的装置，其中所述进行循环的单元包括：

在达到所述燃料电池的最佳工作温度时或之前使所述循环结束的单元；

在达到所述最佳工作温度时或之前使输送给所述负载的电力斜坡上升的单元。

3、如权利要求1或2所述的装置，还包括：

作为所述负载之一的储能单元，用于在所述第二时段期间存储第二电力水平的电力的至少一部分，并在所述第一时段期间将所存储的电力的至少一部分提供给所述负载的至少另一个。

4、前述任一个权利要求所述的装置，还包括：

冷却剂单元，用于使冷却剂流入所述燃料电池以在起动阶段的冷条件时段期间和在所述第一时段期间去除所述燃料电池的结冰，并在所述第二时段期间停止所述冷却剂的流。

5、前述任一个权利要求所述的装置，其中，

所述产生电力的单元包括作为具有多个上述燃料电池的燃料电池堆的一部分的燃料电池。

6、前述任一个权利要求所述的装置，其中，

所述进行循环的单元包括在所述第一时段期间将所述燃料电池短路以提供所述第一电力水平的单元。

7、一种能够耦接至负载的燃料电池系统，所述负载被配置为在稳态时段期间吸收负载稳态电力、并被配置为在小于稳态时段期间的缩短时段期间吸收负载峰值电力，所述燃料电池系统包括：

产生电力的至少一个燃料电池；以及

被配置为控制由所述燃料电池所产生的电力的输送以在第一时段期间对所述负载提供第一电力水平并在第二时段期间对所述负载提供第二电力水平的控制器，所述第一电力水平小于或等于所述负载稳态电力，所述第二电力水平大于所述负载稳态电力并小于或等于所述负载峰值电力，所述控制器被配置为通过在所述第一和第二电力水平之间的上述电力的重复循环来控制上述输送。

8、如权利要求7所述的燃料电池系统，其中，

所述燃料电池被配置为在所述第一电力水平下提供的电流小于在所述第二电力水平提供的电流，

所述第一和第二时段期间处于所述燃料电池系统的起动阶段。

9、如权利要求7或8所述的燃料电池系统，其中，

所述燃料电池被配置为以燃料电池峰值电流提供最大燃料电池峰值电力，

所述第二电力水平是在小于或等于燃料电池峰值电流的电流下提供的。

10、如权利要求7～9的任一项所述的燃料电池系统，其中，

所述控制器还被配置为通过重复循环来控制上述输送，直至达到与燃料电池相关的目标温度为止。

11、如权利要求7～10的任一项所述的燃料电池系统，其中，

所述燃料电池是所述燃料电池堆中的多个燃料电池之一，所述燃料电池系统还包括耦接至所述燃料电池堆以在所述第一时段期间将所述燃料电池堆短路从而提供所述第一电力水平的短路装置。

12、如权利要求7～11的任一项所述的燃料电池系统，其中，

所述燃料电池堆被配置为在所述第一时段期间使冷却剂流过，并被配置为在所述第二时段期间使所述冷却剂停止流过。

13、如权利要求12所述的燃料电池系统，其中，

流经所述燃料电池堆的所述冷却剂的流被定时为使所述燃料电池堆中的结冰融化。

14、如权利要求12所述的燃料电池系统，

还包括提供所述冷却剂的流的微冷却剂环路。

15、如权利要求7～14的任一项所述的燃料电池系统，其中，

所述控制器被配置为控制所述电力的输送以至少在冷启动条件期间在所述第一电力水平和所述第二电力水平之间进行交替。

16、如权利要求7～15的任一项燃料电池系统，其中，

所述负载包括电逆变器、电机、动力总成、电厂配套设施(BOP)装置或者储能装置中的至少一种。

17、如权利要求7～16的任一项所述的燃料电池系统，其中，

所述负载包括耦接至所述燃料电池的储能装置，所述储能装置被配置为在所述第二时段期间储存以所述第二电力水平提供的电力的至少一部分，并被配置为在所述第一时段期间向所述负载的另一个提供所储存的电力的至少一部分。

18、一种起动具有至少一个燃料电池并能够耦接至至少一个负载的燃料电池系统的方法，该方法包括如下步骤：

在所述燃料电池系统的起动阶段，反复执行在第一时段期间内向所述负载提供第一电力水平和在第二时段期间内向所述负载提供第二电力水平这二者之间的循环，以及

在达到所述燃料电池的最佳工作温度时或之前结束所述循环，

其中，所述负载能够在稳态时段期间吸收稳态电力，而在短于所述稳态时段期间的缩短时段期间吸收峰值电力，

所述第一电力水平小于或等于所述稳态电力，所述第二电力水平大于所述稳态电力并小于或等于所述峰值电力。

19、如权利要求18所述的方法，其中，

处于所述第二电力水平的电力的至少一部分在所述第二时段期间被提供给所述储能装置，所述方法还包括如下步骤：

在所述第二时段期间将所输送的电力存储于所述储能装置中；以及

在所述第一时段期间将所存储的电力的至少一部分提供给所述负载的至少另一个。

20、如权利要求18或19所述的方法，

还包括使冷却剂在所述第一时段期间流经所述燃料电池，并在所述第二时段期间使流经所述燃料电池的冷却剂流停止的步骤。

21、如权利要求20所述的方法，其中，

使所述冷却剂在所述第一时段期间流经所述燃料电池的步骤包括在冷启动条件时段期间使冷却剂流动以至少减少在所述燃料电池中出现的结冰。

22、如权利要求18～21中的任一项所述的方法，其中，

在达到所述燃料电池的最佳工作温度之后结束所述循环的步骤包括在大约26分钟后停止所述循环。

23、一种制品，包括：

能够在燃料电池系统中使用并且上面存储有机器可读指令的机器可读介质，所述机器可读指令可由一个或多个处理器执行以通过以下处理来起动所述燃料电池系统：

在所述燃料电池系统的起动阶段，对在第一时段期间内向所述负载提供第一电力水平和在第二时段期间内向所述负载提供第二电力水平这二者之间的反复循环进行控制，所述电力的至少一部分由所述燃料电池系统的燃料电池提供；以及

在达到与所述燃料电池关联的最佳工作温度时或之前控制所述电力的所述循环的结束，并在达到所述最佳工作温度时或之前控制提供给所述负载的电力的斜坡上升，

其中，所述负载能够在稳态时段期间吸收稳态电力，并能够在短于所述稳态时段期间的缩短时段期间吸收峰值电力，

所述第一电力水平小于或等于所述稳态电力，所述第二电力水平大于所述稳态电力并小于或等于所述峰值电力。

24、如权利要求23所述的制品，其中，

所述负载包括储能装置，其中控制重复循环的所述指令包括使在所述第二时段期间以第二电力水平提供的电力的至少一部分存储于所述储能装置中的指令，和对在所述第一时段期间向所述负载中的至少另一个输送所存储的电力的至少一部分进行控制的指令。

25、如权利要求23或24所述的制品，其中，

所述机器可读介质还包括储存于其上以对在所述起动阶段的冷条件期间和在所述第一时段期间使冷却剂流入所述燃料电池以去除所述燃料电池中的结冰进行控制的指令，以及进行控制以在所述第二时段期间使所述冷却剂停止流入所述燃料电池的指令。

26、如权利要求23～25中的任一项所述的制品，其中，

对反复循环进行控制的指令包括通过在所述第一时段期间使所述燃料电池短路而在所述第一时段期间向所述负载提供所述第一电力水平的指令。

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