CN102195065A - 用于燃料电池车辆启动的可变阳极流率 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于燃料电池车辆启动的可变阳极流率。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阳极供给歧管和阳极排气歧管；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的传感器，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对传感器信号的分析来控制流进所述阳极供给歧管的流体的流率。

Description

用于燃料电池车辆启动的可变阳极流率
技术领域
本发明涉及燃料电池系统。更具体地说，本发明涉及用于在燃料电池系统启动期间促进可变阳极流率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方案。
通常的燃料电池被称为质子交换薄膜(PEM)燃料电池。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。可以将各个燃料电池串联层叠在一起以形成燃料电池堆。燃料电池堆能够产生出足以给车辆供电的电力。
在非工作时期，大量空气积累在燃料电池堆的阳极中。在燃料电池堆启动时，给阳极提供氢气。该氢气接触空气并且产生出在阳极上通过的“氢气-空气锋”。已知该氢气-空气锋会降低燃料电池性能。具体地说，氢气和空气两者在阳极上的出现导致在碰到氢气的一部分阳极和碰到空气的一部分阳极之间出现局部短路。该局部短路导致电流反向，并且提高了阴极界面点为，从而导致燃料电池碳基底和催化剂支撑物迅速腐蚀。已经发现碳腐蚀的速度与氢气-空气锋存在的时间和在氢气-空气锋处的局部电压的大小成正比。
在本领域中已知的是，用氢气迅速清洗积累有空气的阳极，并且使得氢气-空气锋在阳极上存在的时间最短。清洗通常设计成在不会从燃料电池系统中排出过多氢气的情况下用氢气基本上并且均匀地填充阳极入口集管。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。通常，清洗阳极所需的时间要提前根据燃料电池堆的体积和氢气的流率计算出。但是，已经累积在阳极上的空气量随着停机周期和条件的不同而变化。另外，在停机周围之后在阳极上气体的压力、压力测量值、流率、流率控制和组分的变化也会变化很大。因此，从阳极中将累积空气推出所需的时间以及用于清洗阳极的氢气的体积和流率通常不是最佳的。由于难以预测清洗的最佳结束点，在本领域中所公知的系统已经不能在没有向大气排出合适量氢气的情况下用氢气清洗阳极。
另外，已知的系统在燃料电池堆的启动期间也已经采用了全短路电路。在全短路系统中，例如采用具有短接电阻的电路来使得在燃料电池堆的启动期间的局部电压最小。由此优化了在燃料电池堆启动期间的耐碳腐蚀性。但是，为了让完全短路系统正确工作，在燃料电池堆中的每个燃料电池在全短路持续时间内具有基本上相等的氢气量。缺乏氢气的燃料电池在遭受完全短路的情况下会出现不好的局部“热斑”。
一直需要能够提供迅速可靠启动的燃料电池系统和方法。最好开发出能够在燃料电池系统的启动期间实现可变阳极流率的燃料电池系统和方法，其中该燃料电池系统和方法使得阳极填充时间最短，同时还使得燃料电池系统由于启动程序而性能下降最小。
发明内容
根据本发明，令人惊讶地发现了用于在燃料电池系统的启动期间实现可变阳极流率的燃料电池系统和方法，其中该燃料电池系统和方法使得阳极填充时间最短，同时还使得燃料电池系统由于启动程序而性能下降最小。
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阳极供给歧管和阳极排气歧管；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的传感器，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流进所述阳极供给歧管的流体的流率。
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阳极供给歧管和阳极排气歧管；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流进所述阳极供给歧管的流体的流率。
本发明还提供了用于控制在燃料电池系统中流体的流率的方法。
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阳极供给歧管和阳极排气歧管；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分析的结构控制流经所述阳极供给歧管中的流体的流率。
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阳极供给歧管和阳极排气歧管；
传感器，所述传感器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，所述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经过分析的传感器信号控制流进所述阳极供给歧管的流体的流率。
2. 如方案1所述的燃料电池系统，还包括阳极入口管道和阳极排气管道，其中所述阳极入口管道在所述阳极供给歧管和氢气源之间提供流体连通，并且所述阳极排气管道与所述阳极排气歧管流体连通。
3. 如方案1所述的燃料电池系统，还包括与所述阳极供给歧管流体连通的喷射泵、与所述阳极供给歧管流体连通的喷射器和与所述阳极排气歧管和所述阳极供给歧管中的至少一个流体连通的循环回路中的至少一个。
4. 如方案1所述的燃料电池系统，还包括设置在所述燃料电池堆的第一端部处的第一阀门，所述第一阀门与阳极入口管道间隔开并且与所述阳极供给歧管流体连通。
5. 如方案1所述的燃料电池系统，还包括与所述阳极供给歧管和所述阳极排气歧管中的至少一个流体连通的第二阀门，其中所述第二阀门包括用于接收流体流的入口和用于排出流体的出口。
6. 如方案1所述的燃料电池系统，其中所述传感器测量流进所述阳极供给歧管中的流体的累积量以估计出氢气/空气锋的位置，并且其中响应于所述氢气/空气锋位置的估计位置改变流进所述阳极供给歧管中的流体的流率。
7. 如方案1所述的燃料电池系统，其中所述传感器测量在至少一个燃料电池上的电压，并且其中响应于所测量出的电压来改变流进所述阳极供给歧管中的流体的流率。
8. 如方案1所述的燃料电池系统，还包括与所述燃料电池堆电连通的电阻负载，其中所述传感器测量出流经所述电阻负载的电流，并且响应于所测量出的电流来改变流进所述阳极供给歧管中的流体的流率。
9. 如方案1所述的燃料电池系统，其中所述环境条件为空气温度、停机时间段、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以及在所述燃料电池系统中的压力水平中的至少一个。
10. 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阳极供给歧管和阳极排气歧管；
传感器，其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；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流进所述阳极供给歧管的流体的流率。
11. 如方案10所述的燃料电池系统，还包括阳极入口管道和阳极排气管道，其中所述阳极入口管道在所述阳极供给歧管和氢气源之间提供流体连通，并且所述阳极排气管道与所述阳极排气歧管流体连通。
12. 如方案10所述的燃料电池系统，还包括与所述阳极供给歧管流体连通的喷射泵、与所述阳极供给歧管流体连通的喷射器和与所述阳极排气歧管和所述阳极供给歧管中的至少一个流体连通的循环回路中的至少一个。
13. 如方案10所述的燃料电池系统，其中所述传感器测量流进所述阳极供给歧管中的流体的累积量以估计出氢气/空气锋的位置，并且其中响应于所述氢气/空气锋位置的估计位置改变流进所述阳极供给歧管中的流体的流率。
14. 如方案10所述的燃料电池系统，其中响应于测量出的电压峰值来改变流进所述阳极供给歧管中的流体的流率。
15. 如方案10所述的燃料电池系统，还包括与所述燃料电池堆电连通的电阻负载，其中所述传感器测量出流经所述电阻负载的电流，并且响应于所测量出的电流峰值来改变流进所述阳极供给歧管中的流体的流率。
16. 如方案10所述的燃料电池系统，其中所述环境条件为空气温度、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以及在所述燃料电池系统中的各个位置处的压力水平中的至少一个。
17. 一种用于控制在燃料电池系统中的流体的流率的方法，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阳极供给歧管和阳极排气歧管；
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流入所述阳极供给歧管中的流体的流率。
18. 如方案17所述的方法，其中所测量出的所述燃料电池堆的特性为注入到所述阳极供给歧管中的流体量、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和停机时间段中的至少一个。
19. 如方案17所述的方法，其中所测量出的环境条件为空气温度、停机时间段、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以及在所述燃料电池系统中的各个位置处的压力水平中的至少一个。
20. 如方案17所述的方法，其中所述燃料电池堆还包括与所述阳极供给歧管流体连通的喷射泵、与所述阳极供给歧管流体连通的喷射器和与所述阳极排气歧管和所述阳极供给歧管中的至少一个流体连通的循环回路中的至少一个。
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PEM燃料电池堆的示意性剖视图；
图3为图2的燃料电池系统的示意性剖视图，显示出电池组清洗过程；并且
图4为根据本发明另一个实施方案的燃料电池系统的示意性剖视图。
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的阳极面和阴极面中的基本上邻接。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气装置。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，并且可以根据要求选择其它结构。
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，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其它氢、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。
电阻装置128与燃料电池堆110电连通。电阻装置128可以调节以在燃料电池堆110上施加所期望的电阻负载。但是，本领域普通技术人员要理解的是，必要时可以采用其它合适的电阻负载。在所示的实施方案中，电阻装置128用来在启动起见在燃料电池堆110上施加电阻负载，由此限制了电池电位并且减轻了由碳腐蚀引起的燃料电池性能下降。作为非限定实施例，电阻装置128与燃料电池堆110的多个端子(未示出)连接，该电阻装置128用来在必要时使得燃料电池堆110短路。
所示的处理器130与传感器122、124、126、氢气源132、第一阀门136和第二阀门144连通。因此，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分析的结果控制流进阳极供给歧管118中的流体的流率。要理解的是，处理器130可以通过控制阀门136、144的打开/关闭位置来控制流经阳极供给歧管118中的流体的流率。还要理解的是，处理器130可以直接通过例如调节喷射器来控制来自氢气源132的流体的流率。
如所示一样，处理器130根据指令集150分析和评估这些传感器信号。可以嵌入在任意计算机可读介质内的指令集150包括用于将处理器130配置成执行多种任务的算法、公式和处理器可执行指令。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。
在使用中，将气态氢提供给阳极供给歧管118，由此使得氢气流经每个燃料电池112的阳极部分的活性区域，如图3所示一样。在氢气流经燃料电池112的活性区域时，通过第二阀门从燃料电池112和阳极排气歧管120清除空气(被称为阳极填充或电池组冲洗过程)。
在某些实施方案中，电池组冲洗过程可以在集管清洗过程之后执行。在集管清洗过程期间，第一阀门136和第二阀门114关闭，并且使得气态氢从氢气源132流出并且进入到阳极入口管道134中，并且没有任何明显的气态氢流入到阳极供气管道118中。因为阀门136、144关闭，所以进入到阳极入口管道134中的氢气流使得阳极供给歧管118的内容物通常为空气流入到燃料电池堆110的活性区域中。在压力建立步骤期间，通过继续将氢气注入到阳极入口管道134中来提高在燃料电池堆110内的流体压力。一旦在燃料电池堆110中达到所期望的压力，则将第一阀门136打开，并且气态氢流入穿过阳极供给歧管118。由于在燃料电池堆110中的燃料电池112的活性区域受到压力，所以使得气态氢流经阳极供给歧管118并且流入第一阀门136，但是不能流入到燃料电池112的活性区域。一旦气态氢已经基本上填满阳极供给歧管118，则将第一阀门136关闭。接着，将第二阀门144打开，并且将气态氢连续提供给阳极供给歧管118，由此使得氢气流经每个燃料电池112的阳极部分的活性区域。
要理解的是，可以使得流经燃料电池112的活性区域的氢气的流率最大化以便使得氢气-空气锋存在于燃料电池堆110的活性区域中的时间最短并且使得启动时间最短。具体地说，在使得氢气流率最大并且使得在燃料电池112上的电压最小的情况下实现了令人满意的结果。作为非限定实施例，为了对于标准启动过程而言实现在燃料电池112上的较低初始电压，根据下面参数中的至少一个来安排将氢注入到阳极供给歧管118中：注入到阳极子系统(类似于氢气/空气锋的位置)的氢气的总量；测量出的电池电压；经过的时间和环境因素。
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，并且控制流入到阳极入口管道134中的氢气的流率。要理解的是，处理器130可以通过调节喷射器或供应控制装置来直接调节氢气的流率。还要理解的是，处理器130可以通过调节阀门136、144的打开/关闭位置来控制氢气的流率。
作为非限定实施例，在氢气流入到阳极入口管道134中时，通过传感器122、124、126中的至少一个测量出注入的氢气的总量，并且处理器130根据所测量出的量估计出氢气/空气锋的位置。因此，在氢气/空气锋到达预定位置(燃料电池112的端部)时改变注入流率。
作为另一个实施例，在氢气流进燃料电池112的活性区域中时，电池电压的范围(在最小电池电压和最大电池电压之间)增大，直到燃料电池112具有过多的氢气。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氢气注入流率。在某些实施方案中，氢气注入流率保持恒定，直到检测到电压峰值。之后，改变流率。
作为再一个实施例，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在整个启动期间一直减小。在针对集中电池电流进行校正时，在启动期间测量出的电池组电流的峰值将标志着阳极燃料不足结束和阴极燃料不足开始。氢气注入流率保持恒定，直到检测到电流峰值，那时改变注入流率。
除了如上所述一样，图4显示出与图2的燃料电池系统100类似的根据本发明另一个实施方案的燃料电池系统100’的阳极侧。从图2的说明中复述的结构包括相同附图标记。在图2中所示的结构变型包括相同的附图标记和单引号(’)。如图4所示，燃料电池系统100还包括燃料喷射器156、喷射泵158和循环回路160。要理解的是，必要时，在燃料电池系统100’中可以包括附加的部件和系统。
燃料喷射器156和喷射泵158设置在氢气源132和阳极入口管道134’之间。喷射器156和喷射泵158对流入到阳极入口管道134’中的氢气流率进行控制。要理解的是，其它部件可以与氢气源132和阳极入口管道134’连通，例如压力调节器和再循环泵。必要时，其它部件或系统可以与阳极入口管道134’连通。
燃料电池系统100’的阳极排气歧管120在燃料电池112的阳极与排气系统142和循环回路160中的至少一个之间形成流体连通。阳极排气歧管120接收流经燃料电池112的阳极的流体。作为非限定实施例，流经阳极的其它流体可以为气态氢气、空气或水。需要时可以采用其它流体。在所示的实施方案中，燃料电池系统100’包括与阳极排气歧管120流体连通的阳极排气管道162。阳极排气管道162限定了在阳极排气歧管120与排气系统142和循环回路160中的至少一个之间的空间。要理解的是，阳极排气歧管道162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。
循环回路160在阳极排气歧管120和阳极供给歧管118之间形成流体连通。在某些实施方案中，循环回路160包括阳极入口管道134’中的至少一部分、阳极排气管道162中的至少一部分、循环管道164和分水器166。但是，要理解的是，必要时还可以包括其它部件。
循环管道164限定了在阳极入口管道134’和阳极排气管道162之间的空间。要理解的是，循环管道164可以具有任意所期望的横截面面积，并且例如还可以包括腔室。在所示的实施方案中，循环管道164与分水器166和喷射泵158流体连通。要理解的是，循环管道164可以与阳极入口管道134’、阳极供给歧管118、阳极排气歧管120和阳极排气管道162中的至少一个直接连通。还要理解的是，必要时，可以在循环管道164与阳极入口管道134’、阳极供气管道118、阳极排气歧管120和阳极排气管道162中的至少一个之间设置其它部件或系统。
分水器166设置在阳极排气管道162和循环管道164之间，并且用来从阳极排气管道162中接收到的流体中去除多余的润湿或产物水。因此，分水器166与第二阀门144流体连通。第二阀门144将收集在分水器144中的产物水排出或放出。如所示的一样，第二阀门144还与排气系统142流体连通，并且用来将产物水排出到排气系统142中。但是，要理解的是，必要时第二阀门144可以将产物水排出到任意系统或装置中。还要理解的是，必要时可以包括其它阀门和控制装置。
在使用中，将气态氢气提供给阳极供给歧管118，由此使得氢气流过每个燃料电池112的阳极部分的活性区域。在氢气流过燃料电池112的活性区域时，通过第二阀门144从燃料电池112和阳极排气歧管120将空气清除(被称为阳极填充或电池组重新过程)。要理解的是，可以使得流过燃料电池的活性区域的氢气流率最大，以便使得氢气-空气锋在燃料电池堆110的活性区域中存在的时间最短。具体地说，在使得氢气流率最大并且让在燃料电池112上的电压保持尽可能低的情况下实现了令人满意的结果。
作为非限定实施例，为了针对标准启动过程而言实现在燃料电池112上的低初始电压，根据下面参数中的至少一个来安排向阳极供给歧管118中注入氢气：注入到阳极子系统(类似于氢气/空气锋的位置)的氢气的总量；测量出的电池电压；经过的时间和环境因素。
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，并且控制流入到阳极入口管道134中的氢气的流率。要理解的是，处理器130可以通过调节喷射器或供应控制装置来直接调节氢气的流率。还要理解的是，处理器130可以通过调节阀门136、144的打开/关闭位置来控制氢气的流率。
因此，该燃料电池系统100、100’以及在燃料电池系统的启动过程期间用于可变阳极流率的方法提供了调节和改变燃料电池启动以使得燃料电池系统100、100’的效率、持久性和可靠性从使用开始到使用结束期间保持最大的基础。具体地说，该燃料电池系统100、100’和方法使得阳极填充时间最短，同时还使得燃料电池系统由于启动过程而性能降低最小。
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阳极供给歧管和阳极排气歧管；
传感器，所述传感器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，所述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经过分析的传感器信号控制流进所述阳极供给歧管的流体的流率。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，还包括阳极入口管道和阳极排气管道，其中所述阳极入口管道在所述阳极供给歧管和氢气源之间提供流体连通，并且所述阳极排气管道与所述阳极排气歧管流体连通。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，还包括与所述阳极供给歧管流体连通的喷射泵、与所述阳极供给歧管流体连通的喷射器和与所述阳极排气歧管和所述阳极供给歧管中的至少一个流体连通的循环回路中的至少一个。
4.如权利要求1所述的燃料电池系统，还包括设置在所述燃料电池堆的第一端部处的第一阀门，所述第一阀门与阳极入口管道间隔开并且与所述阳极供给歧管流体连通。
5.如权利要求1所述的燃料电池系统，还包括与所述阳极供给歧管和所述阳极排气歧管中的至少一个流体连通的第二阀门，其中所述第二阀门包括用于接收流体流的入口和用于排出流体的出口。
6.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述传感器测量流进所述阳极供给歧管中的流体的累积量以估计出氢气/空气锋的位置，并且其中响应于所述氢气/空气锋位置的估计位置改变流进所述阳极供给歧管中的流体的流率。
7.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述传感器测量在至少一个燃料电池上的电压，并且其中响应于所测量出的电压来改变流进所述阳极供给歧管中的流体的流率。
8.如权利要求1所述的燃料电池系统，还包括与所述燃料电池堆电连通的电阻负载，其中所述传感器测量出流经所述电阻负载的电流，并且响应于所测量出的电流来改变流进所述阳极供给歧管中的流体的流率。
9.一种燃料电池，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阳极供给歧管和阳极排气歧管；
传感器，其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；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流进所述阳极供给歧管的流体的流率。
10.一种用于控制在燃料电池系统中的流体的流率的方法，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阳极供给歧管和阳极排气歧管；
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流入所述阳极供给歧管中的流体的流率。
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