CN102195064A - 燃料电池的适应性负载 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池的适应性负载。具体地，一种燃料电池系统，其具有：具有多个燃料电池的燃料电池堆，所述燃料电池堆包括用来控制来自所述燃料电池堆的电流的外部电路；传感器，用于测量影响所述燃料电池堆的环境条件和燃料电池堆的特性中的至少一个，其中所述传感器产生出表示该传感器的测量值的传感器信号；以及处理器，用于接收所述传感器信号、分析所述传感器信号并且根据所述经过分析的传感器信号控制施加在所述燃料电池外部电路上的适应性负载。

Description

燃料电池的适应性负载
技术领域
本发明涉及燃料电池系统。更具体地说，本发明涉及用于减少高电极电位的时间以防止燃料电池受到损坏电流的燃料电池系统和方法。
背景技术
已经将燃料电池提出作为电动车辆和各种其他应用的清洁、高效并且环保的能源。具体地说，已经将质子交换薄膜(PEM)燃料电池当作在现代车辆中使用的传统内燃机的潜在替代物。
PEM燃料电池包括三个主要部件：阴极；阳极；和电解质薄膜。阴极和阳极通常包括支撑在碳颗粒上并且与离聚物混合的细小催化剂，例如铂。电解质薄膜夹在阴极和阳极之间以形成薄膜电极组件(MEA)。该MEA往往设置在多孔扩散介质(DM)之间，该介质便于将气态反应物通常为来自空气的氢气和氧气输送以便进行电化学燃料电池反应。在DM和MEA的每一侧上的板提供有反应物和冷却剂流，从而共同形成燃料电池。各个燃料电池提供有相对较低的直流电位，但是可以串联层叠在一起以形成能够提高任意所期望的电位的燃料电池堆。因此，该燃料电池堆能够产生出足以给车辆供电或给其它用途供电的电力。
在燃料电池堆的通常操作期间，氢气从燃料电池堆的一个端部向另一个端部进入并且流经各个燃料电池。燃料电池堆的端部通常被称为湿端和干端，并且氢气通常从湿端流向干端。在非工作期间，大量空气积累在燃料电池堆的阳极流域中。在燃料电池堆启动时，给阳极流域提供氢气。所提供的氢气产生出“氢气-空气锋”，这会局部提高在与阴极的与阳极的空气填充部分相对的部分上的参考氢电极(RHE)电位。在阴极电极上的高RHE电位会使得阴极电极迅速腐蚀，并且已知会降低燃料电池性能。
重要的是，在具有高电负载需求的燃料电池的启动期间，氢气在燃料电池堆的阳极上的不均匀分布会导致被称为“电池反极”的现象。电池反极出现在向燃料电池堆施加负载的时候以及在燃料电池堆中的至少一个燃料电池缺乏足够的氢气以支撑由在燃料电池堆中被提供有足够氢气的其它燃料电池所产生出的电流的时候。在电池组中的其它电池相对于缺乏足够氢气的阳极部分产生局部更高的电位，从而导致在反极电池的阳极的这个区域中碳支撑体的氧化，这会导致燃料电池电压迅速下降，明显降低了燃料电池堆的使用寿命。具体地说，出现饥饿电池的阳极电极的碳基底腐蚀，其中形成CO和CO2。
由于即使对于由于气体压缩而堵塞或流量受限的电池而言在启动期间也会给电池提供一些氢气填充，所以在会出现电池反极之前可以引出最少量的电荷。因此，在无需电池电压反馈的情况下从电池流出的电荷量最小。但是，固定负载会不与流出的最小电荷匹配。
为了消除在启动期间的碳腐蚀，已知的系统在启动期间对于燃料电池堆的端子而言已经采用了低阻抗电路。在这些系统中，例如采用具有低阻抗短接电阻器的电路来减小在燃料电池堆中的电池的局部阴极电极电位。电阻越低，则在阴极电极上观察到的电位更低，由此减小了在燃料电池堆的阴极电极上的碳腐蚀速度。但是，为了让低阻抗电路系统正确工作，在燃料电池堆中的每个燃料电池在完全短路的持续期间必须具有基本上相同的氢气量，以避免在缺少氢气的电池中出现局部阳极饥饿。另外，低阻抗电路通常需要昂贵的电流电容部件，或者需要一些机构来减慢氢气-空气锋。低阻抗电路必须针对每个电池调节，尤其是针对电池的催化剂面积和整体电容进行调整。
固定电阻负载也已经用来在启动期间抑制电池组电压。但是，固定电阻负载需要加入电气部件以接合固定电阻负载。另外，电阻负载自身增加了该系统的成本和复杂性，从而产生出可靠性问题。固定电阻负载不允许电负载根据电池组或燃料电池堆的需求而进行调节。例如，一些电池电压监测设备可由电池电压供电，从而需要一定水平的电压以在启动时给电压监测设备供能。
本领域已知有许多燃料电池系统和方法，用来在启动操作期间使得氢气相对于燃料电池堆的阳极流场的均匀分布最优。因此，例如在本领域中已知的是，在启动情况期间要用氢气和氢气-空气混合物迅速清洗累积有空气的阳极，以便使得氧气-空气锋在启动期间在阳极上存在的时间最短。该清洗通常设计成用氢气基本上并且均匀地填充阳极入口集管，并且不会从燃料电池系统中将多于氢气排出。在申请人的共同未决美国申请No.11/762845中披露了一种示例性的清洗方法，该文献其全文在这里被引用作为参考。
在本领域中还已知的是，控制氢气-惰性气体混合物的输送以在燃料电池系统的启动期间提供可变阳极流量，其中该燃料电池系统和方法使得阳极填充时间最短。在申请人的共同未决美国申请No.12/725771(申请人的编号1-40153)中披露了一种这样的方法，该文献在这里其全文被引用作为参考。与完全短路结合，所述用来控制给阳极电极的反应物供给的系统能够改变电流。但是，这种方法需要非常精确地控制给阳极电极的反应物供给和完全短路的施加。
一直需要一种反应迅速并且可控的燃料电池系统和方法，其通过使得在燃料电池内的电位最小来在启动期间防止在燃料电池内出现局部腐蚀，且不需要增加部件或成本。理想的是，该燃料电池堆和方法使得在启动期间氢气的不均匀分布的影响最小，并且防止了燃料电池堆的电压下降。
发明内容
根据本发明，令人惊讶地发现了一种燃料电池系统和方法，用于在启动期间促进施加在燃料电池系统上的适应性和可变电负载，同时还使得由于在阳极上的不均匀氢气分布而导致的燃料电池系统性能下降最小。
在一个实施方案中，一种燃料电池系统包括：具有多个燃料电池的燃料电池堆，所述燃料电池堆包括外部电路；传感器，用于测量影响所述燃料电池堆的环境条件和燃料电池堆的特性中的至少一个，其中所述传感器产生出表示该传感器的测量值的传感器信号；以及处理器，用于接收所述传感器信号、分析所述传感器信号并且根据所述经过分析的传感器信号控制施加在所述燃料电池外部电路上的适应性负载。
在另一个实施方案中，一种燃料电池包括：具有多个燃料电池的燃料电池堆，所述燃料电池堆包括外部电路；传感器，用于测量注入到所述阳极供给歧管中的流体体积、在至少一个燃料电池上的电压、从所述燃料电池堆中提供的电流、停机时间段和环境因素中的至少一个，其中所述传感器产生出表示该传感器的测量值的传感器信号；以及处理器，用于接收所述传感器信号、分析所述传感器信号并且根据所述经过分析的传感器信号控制施加在所述燃料电池外部电路上的适应性负载。
本发明还提供了用于向所述燃料电池施加适应性负载的方法。
一种方法包括以下步骤：提供具有多个燃料电池的燃料电池堆，所述燃料电池堆包括外部电路；测量影响所述燃料电池堆的环境条件和所述燃料电池堆的特性中的至少一个；以及根据对所测量出的所述环境条件和所测量出的所述燃料电池堆的特性中的至少一个进行的分析来控制施加在所述燃料电池外部电路上的适应性负载。
本发明还提供了以下方案：
1. 一种燃料电池系统，包括：
具有多个燃料电池的燃料电池堆，所述燃料电池堆包括适于接收来自所述燃料电池堆的电流的外部电路；
传感器，其用于测量影响所述燃料电池堆的环境条件和所述燃料电池堆的特性中的至少一个，其中所述传感器产生出表示所述传感器的测量值的传感器信号；以及
处理器，其用于接收所述传感器信号、分析所述传感器信号并且根据经过分析的传感器信号控制施加在所述外部电路上的适应性负载。
2. 如方案1所述的燃料电池系统，其中所述传感器获得在至少一个所述燃料电池上的电压、流经所述外部电路的电流和流经所述适应性负载的电流中的一个的测量值，并且响应于所述测量值来改变施加在所述燃料电池电路上的所述适应性负载。
3. 如方案2所述的燃料电池系统，其中所述适应性负载为可变电阻负载。
4. 如方案2所述的燃料电池系统，其中所述适应性负载由多个外部设备构成，其中通过所述处理器选择地接合所述外部设备来控制所述适应性负载的大小。
5. 如方案1所述的燃料电池系统，其中所述处理器包括控制回路反馈机构。
6. 如方案1所述的燃料电池系统，其中所述传感器获取所述环境条件的测量值，其中所述环境条件为环境温度、停机时间段、流经燃料电池堆的流体的组分、所述燃料电池堆的使用时间和在所述燃料电池系统中的压力水平中的至少一个。
7. 一种燃料电池，包括：
具有多个燃料电池的燃料电池堆；
外部电路，其适于接收来自所述燃料电池堆的电流；
传感器，其用于测量注入到阳极供给歧管中的流体体积、在至少一个燃料电池上的电压、从所述燃料电池堆供给的电流、停机时间段和环境因素中的至少一个，其中所述传感器产生出表示所述传感器的测量值的传感器信号；
施加在所述外部电路上的适应性负载；以及
处理器，其用于接收所述传感器信号、分析所述传感器信号并且根据经过分析的传感器信号控制施加在所述外部电路上的所述适应性负载。
8. 如方案7所述的燃料电池系统，其中所述适应性负载为可变电阻负载。
9. 如方案7所述的燃料电池系统，其中所述适应性负载还由多个外部设备构成，其中通过所述处理器选择地接合所述外部设备来控制所述适应性负载的大小。
10. 如方案7所述的燃料电池系统，其中响应于测量出的电压来改变施加在所述外部电路上的所述适应性负载。
11. 如方案7所述的燃料电池系统，其中所述适应性负载为与所述外部电路电连通的电负载，其中响应于测量出的电流来改变所述电负载的大小。
12. 如方案7所述的燃料电池系统，其中所述传感器获取所述环境条件的测量值，其中所述环境条件为温度、流经燃料电池堆的流体的组分、所述燃料电池堆的使用时间和在所述燃料电池系统中的各点处的压力水平中的至少一个。
13. 如方案7所述的燃料电池，其中所述处理器包括控制回路反馈机构。
14. 一种用于控制施加在燃料电池系统上的负载的方法，所述方法包括以下步骤：
提供具有多个燃料电池的燃料电池堆，所述燃料电池堆包括与所述燃料电池堆电连通并且适于接收来自所述燃料电池堆的电流的外部电路；
测量影响所述燃料电池堆的环境条件和所述燃料电池堆的特性中的至少一个；以及
根据所测量出的所述环境条件和所测量出的所述燃料电池堆的特性中的至少一个来控制施加在所述外部电路上的适应性负载。
15. 如方案14所述的方法，其中所测量出的所述燃料电池堆的所述特性为在至少一个燃料电池上的电压和从至少一个燃料电池供给的电流中的至少一个。
16. 如方案14所述的方法，其中所述适应性负载为可变电阻负载。
17. 如方案14所述的方法，其中所述适应性负载还包括多个外部设备，其中通过处理器选择地接合所述外部设备来控制所述适应性负载的大小。
18. 如方案14所述的燃料电池系统，其中所述环境条件为温度、流经所述燃料电池堆的流体的组分、所述燃料电池堆的使用时间和在所述燃料电池系统中的各点处的压力水平中的至少一个。
19. 如方案14所述的燃料电池，其中所述处理器包括控制回路反馈机构。
附图说明
本领域普通技术人员从下面优选实施方案的详细说明中并且结合附图将很容易了解本发明的上面以及其它优点，其中：
图1为本领域所公知的PEM燃料电池堆的示意性分解透视图；
图2为根据本发明实施方案的燃料电池系统的示意性剖视图；
图3A和3B为根据本发明的适应性负载和用于向燃料电池系统施加适应性负载的方法的实施方案的示意图。
具体实施方式
下面详细说明和附图描述并且例举说明了本发明的各个实施方案。该说明书和附图用来使得本领域普通技术人员能够制造和使用本发明，并且不是用来以任意方式对本发明的范围进行限制。在所披露的方法中，所给出的各个步骤实际上是示例性的，因此这些步骤的顺序不是必要的或严格的。
图1显示出根据现有技术的PEM燃料电池堆10。为了简化起见，在图1中只是例举说明并且描述了两芯电池组(即一块双极板)，要理解的是，通常的燃料电池堆将具有更多的电池和双极板。该燃料电池堆10包括由导电双极板16分开的一对薄膜电极组件(MEAs)12、14。这些MEAs12、14和双极板16层叠在一对夹板18、20和一对单极板22、24之间。夹板18、20通过垫圈或介电涂层(未示出)与端板22、24绝缘。单极端板22、24中的每一块的工作面26、28以及双极板16的工作面30、32包括多条用来方便燃料例如氢气和氧化剂例如氧气从中流过的沟槽或通道34、36、38、40。绝缘垫圈42、44、46、48在燃料电池堆10的各个部件之间形成密封和绝缘。不透气扩散介质50、52、54、56例如碳或石墨扩散纸与MEAs12、14的阳极面和阴极面邻接。端板22、24分别与扩散介质50、56相邻设置。双极板16设置成与位于MEA 12的阳极面上的扩散介质52相邻并且与位于MEA 14的阴极面上的扩散介质54相邻。
如所示一样，MEAs 12、14、双极板16、端板22、24和垫圈42、44、46、48中的每一个包括阴极供气孔58、阴极排气孔60、冷却剂供应孔62、冷却剂排出孔64、阳极供气孔66和阳极排气孔68。通过形成在MEAs 12、14中的相邻阴极供气孔58、双极板16、端板22、24以及垫圈42、44、46、48的对准排列来形成阴极供给歧管。通过形成在MEAs 12、14中的相邻阴极排气孔60、双极板16、端板22、24以及垫圈42、44、46、48的对准排列来形成阴极排气歧管。通过形成在MEAs 12、14中的相邻冷却剂供应孔62、双极板16、端板22、24以及垫圈42、44、46、48的对准排列形成冷却剂供应歧管。通过形成在MEAs 12、14中的相邻冷却剂排气孔64、双极板16、端板22、24以及垫圈42、44、46、48的对准排列来形成冷却器排气歧管。通过形成在MEAs中的相邻阳极供应孔66、双极板16、端板22、24和垫圈42、44、46、48的对准排列来形成阳极供给歧管。通过形成在MEAs 12、14中的相邻阳极排气孔68、双极板16、端板22、24和垫圈42、44、46、48的排列对准来形成阳极排气歧管。
借助阳极入口管道70通过阳极供应歧管给燃料电池堆10提供氢气。借助阴极入口管道72通过燃料电池堆10的阴极供给歧管给燃料电池堆10提供氧化气体。阳极出口管道74和阴极出口管道76分别设置用于阳极排气歧管和阴极排气歧管。冷却剂入口管道78和冷却剂出口管道80与冷却剂供应歧管和冷却剂排出歧管流体连通，以便提供从中流过的液体冷却剂流。要理解的是，在图1中的各种入口70、72、78和出口74、76、80的结构是用来例举说明，并且必要时可以选择其它结构。
图2显示出根据本发明实施方案的燃料电池系统100的阳极侧。该燃料电池系统100包括具有多个燃料电池112的燃料电池堆110。每个燃料电池112具有阳极(未示出)和阴极(未示出)，并且在它们之间设置有电解质薄膜(未示出)。该燃料电池堆110还包括第一端部114和第二端部116。如在这里所述一样，第一端部114被称为“干端”，并且第二端部116被称为“湿端”。
在所示的实施方案中，燃料电池系统100包括阳极供给歧管118、阳极排气歧管120、多个传感器122、124、126、电阻装置128和处理器130。要理解的是，例如在燃料电池系统100中可以包括其它部件和系统，例如循环子系统。
阳极供给歧管118与燃料电池112的阳极连通，并且在氢气源132和燃料电池112之间形成流体连通。要理解的是，可以采用其它流体源，例如氮气和空气。如所示一样，阳极供给歧管118从氢气源132通过阳极入口管道134接收气态氢气流。阳极入口管道134在氢气源132和阳极供给歧管118之间形成有空间。要理解的是，阳极入口管道134可以具有任意所期望的横截面面积，并且还可以包括例如腔室。如例举的一样，该燃料电池系统100包括与阳极供给歧管118流体连通的第一阀门136，也被称为清洗阀。第一阀门136与阳极入口管道134间隔开设置在燃料电池堆110的第一端部114处。第一阀门136包括用于接收流体流的入口138和用于在第一阀门136处于打开位置中时排出流体的出口140。
燃料电池系统100的阳极排气歧管120在多个燃料电池112的阳极和排气系统142之间形成流体连通。阳极排气歧管120接收流经燃料电池112的阳极的流体。流经阳极的流体可以为气态氢、空气或水。第二阀门144与阳极排气歧管120流体连通，并且设置在燃料电池堆110的第二端部116处。第二阀门144有利于从阳极排气歧管120进行流体清洗或冲洗。要理解的是，如果需要，第二阀门144可以设置在燃料电池堆110的第一端部114处。还要理解的是，第二阀门144可以让流体冲洗例如阴极入口(未示出)。具体地说，第二阀门144包括用于接收流体流的入口146和用于在第二阀门144处于打开位置中时排出流体的出口148。
传感器122、124、126提供了测量燃料电池系统100的特性和周围环境的手段。具体地说，传感器122、124、126中的至少一个用来测量在燃料电池112中的至少一个上的电压。传感器122、124、126中的另一个用来测量流进阳极供给歧管118中的流体的特性，例如流体的累积体积。传感器122、124、126中的另一个用来测量影响燃料电池堆110的环境特性。作为非限定实施例，环境特性为温度、时间、流经燃料电池堆110的阳极侧的流体的组分、燃料电池堆110的使用时间和在燃料电池系统100的各个位置处的压力水平中的一个。要理解的是，可以测量其它特性和系统参数，例如流经电阻(欧姆)装置128的电流。还要理解的是，传感器122、124、126中的每一个用来向处理器130发送传感器信号，其中所述传感器信号表示传感器122、124、126中的相应一个的测量数据。
所示的处理器130与传感器122、124、126以及电负载128连通。因此，处理器130用来接收从传感器122、124、126发出的每个传感器信号，分析这些传感器信号，并且根据对这些传感器信号的分析控制施加在燃料电池堆110上的电负载128的大小。
电负载128与燃料电池堆110电连通，并且为与燃料电池堆110的多个端子(未示出)电连通的部分外部电路170(图3)，并且用来从每个燃料电池112中接收电流。为了减小在启动期间在燃料电池堆110内的腐蚀，通过处理器130将电负载128控制为将每个燃料电池的平均电位保持低于0.7伏特。在每个燃料电池的电位保持至少低于0.8伏特的情况下或者在从每个燃料电池中流出的电流大约为0.07Amps/cm2时实现令人满意的结果。实际上，这是通过处理器130将电负载128的大小设定为足够高来实现的，由此降低了燃料电池堆110的电位并且必要时降低了任意单独燃料电池的电位。可选的是，在减少流向在燃料电池堆中的一个或多个电池的氢流量并且导致降低在燃料电池堆110中的一个或多个电池的电位的情况中，处理器130将电负载128的大小设定为足够低以降低从燃料电池堆流向外部电路170的电流，由此提高了在燃料电池堆中的低电位电池的电位并且防止了电池极性颠倒。
如图3A和3B所示，电负载包括至少一个正极端子172和至少一个负极端子174，从而形成从每个燃料电池112导出电流并且将电流输送给电负载128的电路。在图3A中所示的本发明的一个实施方案中，电负载128为能够调节以在燃料电池堆110上施加所期望的电阻负载的可变电阻器176。可变电阻器176可以设定为离散值，或者可以通过处理器130进行连续变化以确保阳极保持预定的电位。具体地说，处理器130将确保可变电阻器176的电阻值不会下降到如此低，从而燃料电池堆110经受太大的负载，由此导致破坏性的电池反极现象。必要时，可变电阻器17可以为电位计、微调电容器、可变电阻器、变阻器或任意其它可调节电阻装置中的一个。
在图3B中所示的另一个实施方案中，电负载128可以包括外部设备180、182、184。虽然只是显示出三个外部设备180、182、184，但是要理解的是，必要时可以改变这些装置的实际数量。优选的是，外部设备180、182、184包括安装在燃料电池上以便在正常操作期间使用的系统装置。作为非限定实施例，在用来给机动车供电的燃料电池中，可以采用车辆中的电气装置中的任一个作为外部设备180、182、184，例如散热风扇、车厢加热器、燃料电池堆加热器、空气压缩机、电池充电器、照明装置等。在该实施方案中，处理器130用来接收从传感器122、124、126中发出的每个传感器信号，分析这些传感器信号，并且根据对这些传感器信号的分析控制施加在燃料电池堆110上的电负载128的大小。通过选择地接合或改变外部设备180、182、184的处理器130来调节电负载128的大小。要理解的是，处理器130可以选择地接合或改变外部设备180、182、184中的一个或多个，或者不接合或改变任何一个，以便实现所期望大小的电负载128。还要理解的是，外部设备180、182、184中的每一个可以具有与其它外部设备不同的电阻特性。因此，处理器130也根据来自传感器122、124、126的传感器信号确定要接合外部设备180、182、184中的哪一个，以便确保燃料电池堆110的电位保持低于预定限值。为了使得在启动期间在燃料电池堆110内的腐蚀最小，通过处理器130控制外部设备180、182、184的接合以将每个电池的电位保持低于0.7伏特。在每个电池的电位保持至少低于0.8伏特的情况下或者在从每个燃料电池流出的电流低于0.07Amps/cm2的时候实现了令人满意的结果。如在图3B中以示意的形式显示出的一样，处理器130与一排开关186、188、199连通，并且控制着这些开关，每个开关接合着外部设备180、182、184中的一个。要理解的是，这些开关186、188、190不必为实际开关，并且相反可以由处理器130直接控制或促动。
因此，处理器130与传感器122、124、126以及外部设备180、182、184组合使得能够给燃料电池堆110进行适应性加载。要理解的是，由外部设备180、182和184提供的适应性负载可以与各个燃料电池堆112连接，或者可以与燃料电池堆110连接，以便在不会造成电池反极的情况下影响每个燃料电池112的电位。
燃料电池堆110的适应性负载因此在启动、提高电流需求情况和降低电流需求情况期间或者在无负载情况中在每个燃料电池上保持所期望的电位。燃料电池堆的适应性加载也是高度可控的，并且为任意感测到的情况提供了基本上适中的响应。
如图2所示，处理器130根据指令集150分析并且评价这些传感器信号。可以嵌入在任意计算机可读介质内的指令集150包括算法、公式、表列数据和处理器可执行指令，用于将处理器130配置成执行多种任务的。要理解的是，处理器130可以执行多种功能，包括控制传感器122、124、126的功能。
在某些实施方案中，处理器130可以包括存储装置152。存储装置152可以为单个存储装置或可以为多个存储装置。另外，存储装置152可以为固态存储系统、磁性存储系统、光学存储系统或任意其它合适的存储系统或装置。要理解的是，存储装置152用来存储指令集150。需要时，可以将其它数据和信息存储在存储装置152中。
处理器130还可以包括可编程部件154。要理解的是，可编程部件154可以与燃料电池系统100的任意其它部件例如传感器、122、124、126通信。在某些实施方案中，可编程部件154用来管理和控制处理器130的处理功能。具体地说，可编程部件154用来控制对传感器信号的分析。要理解的是，可编程部件154可以用来将数据和信息存储在存储装置152上，并且从存储装置152中取出数据和信息。在一个实施方案中，处理器130为比例积分微分(PID)控制器或者任意其它控制回路回馈机构，其中控制器根据传感器122、124、126的传感器信号控制电负载128。在另一个实施方案中，处理器130实施逻辑反馈机制。要理解的是，控制回路可以为连续的，或者可以只是根据从传感器接收到的预定信号作用。
具体地说，传感器122、124、126中的每一个测量在燃料电池系统100中的各个位置处的特性和水平。传感器122、124、126中的每一个将代表测量出的数据和信息的传感器信号发送给处理器130。一旦接收到，处理器130分析由每个传感器信号表示的数据和信息，并且控制外部电路170的电负载128。要理解的是，处理器130在一个实施方案中可以直接控制可变电阻器176的应用，或者在另一个实施方案中可以直接或间接控制外部设备180、182、184与外部电路170的连接。
作为非限定实施例，在氢气流入到燃料电池112的活性区域中时，电池电压范围(在最小电池电压和最大电池电压之间的)增大，直到至少一个燃料电池112具有多余氢气。因此，传感器122、124、126中的至少一个测量出在至少一个燃料电池112上的电压，并且处理器130根据所测量出的电压选择地调节电负载128的施加。在某些实施方案中，电负载128的大小保持恒定，直到检测到电压峰值。之后，根据需要改变电负载128的大小以在不产生电池反极的情况下使得在至少一个燃料电池112上的电位最小。在其它实施方案中，选择地改变电阻负载的大小，直到实现燃料电池堆110的稳态操作。
在另一个实施例中，在氢气流进燃料电池112的活性区域中时，从燃料电池堆110提供给电阻负载的电流为阳极和阴极电极的氧化状态的函数。因为阳极正在填充氢气，所以阳极电流运送能力在整个阳极填充期间一直增加。由于提供给阴极的新鲜空气缺乏，所以阴极产生电流的能力一直减小。因此，处理器130用来通过选择地使得外部设备180、182、184中的任一个断开或者通过提高可变电阻器176的大小来提高在外部电路170上的阻抗，从而确保燃料电池堆110或各个燃料电池112的电位不会下降至低于最小值。
本发明的适应性加载用于在不增加额外部件的情况下替换在启动期间的低阻抗电路方法或固定电阻负载，并且对于在燃料电池堆的各个燃料电池质检的电位差而言提供了更高的可控性和响应性。本发明的适应性加载也可以与在燃料电池的启动期间施加的任何电池组冲洗或清洗过程结合使用，以控制各个燃料电池112的电位，并且防止其阳极和阴极的局部腐蚀。燃料电池系统100和用于适应性加载的方法还使得由于在启动期间在燃料电池系统的电池内的电位不均衡而导致的燃料电池系统性能下降最小。
从上面的说明书中，本领域普通技术人员很容易确定本发明的基本特征，并且在不脱离其精神和范围的情况下可以对本发明作出各种变化和变型以使之适应各种用途和情况。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，包括：
具有多个燃料电池的燃料电池堆，所述燃料电池堆包括适于接收来自所述燃料电池堆的电流的外部电路；
传感器，其用于测量影响所述燃料电池堆的环境条件和所述燃料电池堆的特性中的至少一个，其中所述传感器产生出表示所述传感器的测量值的传感器信号；以及
处理器，其用于接收所述传感器信号、分析所述传感器信号并且根据经过分析的传感器信号控制施加在所述外部电路上的适应性负载。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述传感器获得在至少一个所述燃料电池上的电压、流经所述外部电路的电流和流经所述适应性负载的电流中的一个的测量值，并且响应于所述测量值来改变施加在所述燃料电池电路上的所述适应性负载。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统，其中所述适应性负载为可变电阻负载。
4.如权利要求2所述的燃料电池系统，其中所述适应性负载由多个外部设备构成，其中通过所述处理器选择地接合所述外部设备来控制所述适应性负载的大小。
5.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述处理器包括控制回路反馈机构。
6.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述传感器获取所述环境条件的测量值，其中所述环境条件为环境温度、停机时间段、流经燃料电池堆的流体的组分、所述燃料电池堆的使用时间和在所述燃料电池系统中的压力水平中的至少一个。
7.一种燃料电池，包括：
具有多个燃料电池的燃料电池堆；
外部电路，其适于接收来自所述燃料电池堆的电流；
传感器，其用于测量注入到阳极供给歧管中的流体体积、在至少一个燃料电池上的电压、从所述燃料电池堆供给的电流、停机时间段和环境因素中的至少一个，其中所述传感器产生出表示所述传感器的测量值的传感器信号；
施加在所述外部电路上的适应性负载；以及
处理器，其用于接收所述传感器信号、分析所述传感器信号并且根据经过分析的传感器信号控制施加在所述外部电路上的所述适应性负载。
8.如权利要求7所述的燃料电池系统，其中所述适应性负载为可变电阻负载。
9.如权利要求7所述的燃料电池系统，其中所述适应性负载还由多个外部设备构成，其中通过所述处理器选择地接合所述外部设备来控制所述适应性负载的大小。
10.一种用于控制施加在燃料电池系统上的负载的方法，所述方法包括以下步骤：
提供具有多个燃料电池的燃料电池堆，所述燃料电池堆包括与所述燃料电池堆电连通并且适于接收来自所述燃料电池堆的电流的外部电路；
测量影响所述燃料电池堆的环境条件和所述燃料电池堆的特性中的至少一个；以及
根据所测量出的所述环境条件和所测量出的所述燃料电池堆的特性中的至少一个来控制施加在所述外部电路上的适应性负载。
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