CN105264700A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本文公开一种燃料电池系统(100)，所述燃料电池系统包括第一燃料电池堆(102)、与所述第一燃料电池堆(102)串联的第二燃料电池堆(104)和与所述第一燃料电池堆(102)并联的第一整流器(106)。所述燃料电池系统(100)还包括控制器(110)，所述控制器被构造成独立于所述燃料电池系统(100)的电流需求调节穿过所述第一燃料电池堆(102)的空气流，以提供用于提高所述第一燃料电池堆(102)水化程度的再水化时段。

Description

燃料电池系统
技术领域
本公开涉及燃料电池系统，并且具体来说涉及质子交换膜型燃料电池，其中向燃料电池的阳极侧供应氢，向燃料电池的阴极侧供应氧，并且在燃料电池的阴极侧产生水副产物并从其中除去水副产物。
背景技术
此类燃料电池包括夹在两个多孔电极之间的质子交换膜(PEM)，这两个多孔电极共同构成膜电极组件(MEA)。MEA本身通常夹在以下两个结构之间：(i)阴极扩散结构(诸如阴极气体扩散层)，其具有与MEA的阴极面相邻的第一面；以及(ii)阳极扩散结构(诸如阳极气体扩散层)，其具有与MEA的阳极面相邻的第一面。阳极扩散结构的第二面与阳极流体流动场板相接触，用以聚集电流并且将氢分布到阳极扩散结构的第二面。阳极扩散结构的第二面与阴极流体流动场板相接触，用于聚集电流、将氧分布到阳极扩散层的第二面并且从MEA提取过量的水。阳极和阴极流体流动场板通常各自包含刚性导电材料，所述导电材料在与相应扩散结构相邻的表面中具有流体流动通道以输送反应性气体(例如，氢和氧)并且除去废气(例如，未使用的氧和水蒸气)。
在这种燃料电池的操作中需要考虑的重要事项是MEA中的水的管理。在PEM燃料电池的操作期间，氢和氧之间的反应在MEA的催化部位形成产物水。在将氧传输到MEA的阴极面的同时，必须将这种水通过阴极扩散结构从MEA中排出。然而，为了确保电池的内部电阻保持在容限之内，MEA保持适当的水化也是很重要的。对MEA湿润化的控制失败会导致热点以及潜在的电池故障和/或不良的电池性能。
在氢和氧之间发生燃料电池的电化学反应期间，起到关键作用的是经由PEM的质子迁移过程。只有当固态PEM被充分水化时质子交换过程才会发生。在水量不足的情况下，膜的水阻力(drag)特性将限制质子迁移过程，导致电池的内阻增大。在PEM过饱和的情况下，有可能出现过量的水“涌到”MEA的电极部分，并且限制气体进入所谓的三相反应界面。这两种情形对燃料电池的整体性能都有负面影响。
尽管作为燃料电池反应的一部分，水是在阴极产生的，然而在整个MEA中保持水平衡是必要的。在将干燥空气引入电池的位置，往往趋向于在整个膜中产生不平衡的水分布，使得入口端部周边的区域比其他区域更为干燥。最后，这会使得膜受到机械应力并且导致不均匀的电流分布，二者都会引起先期损坏。为了克服这一点，已知的是在将空气流输送到燃料电池的活性部分之前将其预湿润化。这会增加系统复杂度，并且对于某些燃料电池应用而言常常是不实用的。
在开放性阴极燃料电池中，阴极流体流动场板对环境空气开放，这通常通过提供堆冷却和供氧这样的双重功能的低压空气源如风机辅助。这就允许设计出非常简单的燃料电池系统，以避免大寄生损耗(即燃料电池支持系统的电功率消耗)，其通常涉及到使用经增压的阴极和湿润化子系统的燃料电池堆。然而，空气流的双重目的(即用于氧输送，也用于空气冷却)可能引起空气流量需求的矛盾。为了冷却，需要非常高的化学计量(stoichiometric)的空气流过阴极电极，可能会导致较低的膜的水含量(导致低性能)，当然这要取决于周边条件和堆温度，或者在极端情况下导致伴随时间而发生自燃料电池堆的持续性净水损耗，从而最终导致堆失效。这是因为相对于堆功率输出(电流密度)的设定水平而言，在燃料电池聚合物膜的水含量与经由空气流动而带来的除水率之间将会达到平衡。较低的电流、高空气流量以及较热的堆将会趋于减少膜的水含量，与此相反，较高的电流、较低的空气流量以及较冷的堆将会增加膜的水含量。
WO2007/099360公开了具有堆功率控制器的电化学燃料电池组件，所述堆功率控制器用在再水化时段期间，周期性且暂时性地增加从所述燃料电池堆引出的电流，用于追加或替代所述燃料电池堆外部的独立电流需求，以提高所述燃料电池的水化程度。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了燃料电池系统，所述燃料电池系统包括：
第一燃料电池堆；
与所述第一燃料电池堆串联的第二燃料电池堆；
与所述第一燃料电池堆并联的第一整流器；以及
控制器，所述控制器被构造成独立于对所述燃料电池系统的电流需求调节穿过所述第一燃料电池堆的空气流量以提供用于提高第一燃料电池堆水化程度的再水化时段。
所述燃料电池系统可能不需要燃料电池堆与燃料电池系统在再水化时段期间隔离，因为第一整流器为第一燃料电池堆提供旁路通路。燃料电池系统可使得能够更好地且更持续地调节第一燃料电池堆，这可改进燃料电池系统的性能和寿命。另外，可提高第一燃料电池堆的可靠性增大并且可以减少失败次数。
控制器可被构造成周期性地调节穿过第一燃料电池堆的空气流量。控制器可被构造成使得穿过第一燃料电池堆的空气流量从有效值周期性地减小，并且随后在预定时间段后，使得穿过第一燃料电池堆的空气流量增大回到有效值。控制器可被构造成使得穿过第一燃料电池堆的空气流量周期性地减小为零并且随后在预定时间段后，使得穿过第一燃料电池堆的空气流量从零开始增加。
控制器可被构造成响应于燃料电池系统的所测量参数调节穿过第一燃料电池堆的空气流量。
第一整流器可为有源二极管。所述有源二极管可提高效率，通过所述有源二极管可提供再水化时段。
可使第一整流器的第一端子连接到第一燃料电池堆的第一端子。可使第一整流器的第二端子连接到第一燃料电池堆的第二端子。
燃料电池系统可进一步包括与第二燃料电池堆并联的第二整流器。控制器可被构造成独立于燃料电池系统的电流需求调节穿过第二燃料电池堆的空气流量，以提供用于提高第二燃料电池堆水化程度的再水化时段。
控制器可被构造成调节穿过第一和第二燃料电池堆的空气流量以使得第一和第二燃料电池堆的再水化时段不会重叠。控制器可被构造成交替地调节穿过第一和第二燃料电池堆的空气流量。
可使第二整流器的第一端子连接到第二燃料电池堆的第一端子。可使第二整流器的第二端子连接到第二燃料电池堆的第二端子。
控制器可被构造成调节由风机生成的空气流量，以调节穿过第一和/或第二燃料电池堆的空气流量。
控制器可被构造成调节一个或多个可变闭塞构件的位置，以调节穿过第一和/或第二燃料电池堆的空气流量。
燃料电池组件可进一步包括与第一燃料电池堆串联的阻阻挡整流器。类似地，还可提供与第二燃料电池堆串联的阻阻挡整流器。
根据本发明的另一方面，提供了操作燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统包括：
第一燃料电池堆；
与所述第一燃料电池堆串联的第二燃料电池堆；以及
与所述第一燃料电池堆并联的第一整流器；
所述方法包括：
独立于所述燃料电池系统的电流需求调节穿过所述第一燃料电池堆的空气流量，以提供用于提高所述第一燃料电池堆水化程度的再水化时段。
第一整流器可为有源二极管。所述方法可进一步包括：
操作所述有源二极管以使得当所述有源二极管正向偏置时，所述有源二极管提供低的电阻，并且当所述有源二极管反向偏置时，所述有源二极管提供高的电阻。
可提供有计算机程序，所述计算机程序包含计算机程序代码，所述计算机程序代码被配置用于加载到与燃料电池系统相关联的控制器上，所述燃料电池系统包括：
第一燃料电池堆；
与所述第一燃料电池堆串联的第二燃料电池堆；以及
与所述第一燃料电池堆并联的第一整流器；
其中，计算机程序代码被配置成：
独立于燃料电池系统的电流需求调节穿过第一燃料电池堆的空气流量，以提供用于提高所述第一燃料电池堆水化程度的再水化时段。
可提供有计算机程序，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码被配置用于加载到控制器上以独立于相关燃料电池系统的电流需求调节穿过第一燃料电池堆的空气流量，以提供用于提高第一燃料电池堆水化程度的再水化时段。
计算机程序可进一步包括计算机程序代码，所述计算机程序代码被配置用于加载到控制器上以操作与第一燃料电池堆并联的有源二极管，以使得当有源二极管正向偏置时，有源二极管提供低的电阻，并且当有源二极管反向偏置时，有源二极管提供高的电阻。
可提供有计算机程序，所述计算机程序在计算机上运行时，使得计算机：
当满足以下标准中的一种或多种时，启动所述燃料电池系统中燃料电池堆的再水化操作：
a)燃料电池堆核心温度大于最小核心温度阈值；
b)燃料电池堆核心温度小于最大核心温度阈值；
c)环境空气温度小于最大环境空气温度阈值；
d)从燃料电池系统中引出的电流大于最小电流阈值；
e)从燃料电池系统中引出的电流小于最大电流阈值；以及
f)尚未接收到来自加载装置或与所述加载装置相关的应用程序的用以指示风机脉冲被禁止的信号。
计算机程序可进一步使得计算机：
周期性地检查是否已满足标准a)至f)中的一种或多种，并且仅在标准a)至f)中的一种或多种得到满足的情况下启动所述再水化操作。
计算机程序可使得计算机通过独立于燃料电池系统的电流需求调节穿过燃料电池堆的空气流量来启动燃料电池系统中燃料电池堆的再水化操作。
可提供有计算机程序，所述计算机程序在计算机上运行时，使得计算机：
当满足以下标准中的一种或多种时，停止燃料电池系统中燃料电池堆的再水化操作：
i.堆电压在所述再水化操作期间的第一阈值时间段内没有降低电压下降阈值量；
ii.核心温度大于所述再水化操作期间内的最大核心温度阈值；
iii.从所述燃料电池堆引出到外部负载的电流低于所述再水化操作期间的最小电流阈值；
iv.从所述燃料电池堆引出到外部负载的电流大于所述再水化操作期间的最大电流阈值；以及
v.已接收到来自加载装置或与所述加载装置相关的应用程序的用以指示需要立即输送功率的信号。
计算机程序可进一步使得计算机：
周期性地检查是否已满足标准i)至v)中的一种或多种，并且仅在标准i)至v)中的所述一种或多种得到满足的情况下停止所述再水化操作。
计算机程序可使得计算机通过独立于燃料电池系统的电流需求调节穿过燃料电池堆的空气流量来停止燃料电池系统中燃料电池堆的再水化操作。
可提供有计算机程序，所述计算机程序在计算机上运行时，使得计算机对包括控制器、燃料电池系统或本文公开装置的任何设备进行配置，或执行本文所公开的方法。计算机程序可为软件实现方式，并且可将计算机视为任何适当的硬件，所述硬件包括数字信号处理器、微控制器以及处于以下形式的实现方式：只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)或电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，作为非限制性实例。软件可为汇编程序。
可在计算机可读介质上提供计算机程序，所述计算机可读介质可为物理计算机可读介质诸如盘或存储器装置，或可体现为瞬态信号。所述瞬态信号可为网络下载，包括因特网下载。
附图说明
现将借助于实例并且参照附图来描述本发明的实施例，在附图中：
图1示出了包括第一燃料电池堆和第二燃料电池堆的燃料电池系统；
图2a展示了在第一燃料电池堆的再水化时段期间的图1的燃料电池系统
图2b展示了在第二燃料电池堆的再水化时段期间的图1的燃料电池系统
图3展示了在第二燃料电池堆的再水化时段期间的图1的系统的各种电流和电压波形的曲线图；
图4展示了用于提供再水化时段的燃料电池系统的模拟模型；
图5示出了图4的模型的模拟结果；
图6示意性地示出了用于测试再水化时段的提供的燃料电池系统；
图7示出了从图6的测试燃料电池系统所得到的结果的示波器曲线图；
图8示出了通过理想二极管的再水化时段的结果；
图9示出了与图6的示意图中所示类似的系统的示波器曲线图；
图10展示了燃料电池的标准偏振曲线；以及
图11展示了再水化时段的偏振曲线。
具体实施方式
本文所公开的实例涉及燃料电池系统，所述燃料电池系统包括控制器，所述控制器用于调节穿过与第二燃料电池堆串联的第一燃料电池堆的空气流，以提供用于提高第一燃料电池堆水化程度的再水化时段。该系统还包括与第一燃料电池堆并联的整流器，以当第一燃料电池堆的空气流量充分减少时，自动绕过第一燃料电池堆，从而避免了需要使第一燃料电池堆从外部负载脱开并且使得能够维持来自燃料电池系统的功率输出。
可周期性地调节针对燃料电池堆的空气流量以暂时打乱在膜的水含量与除水率之间的平衡(如同由燃料电池堆的现有运行条件所确定的那样)，从而实现更高的堆效率和系统效率。所述程序涉及在短时间内在燃料电池阴极处产生过量的水，并且随后操作具有较高性能的堆，同时逐渐重新建立与较低水含量的平衡。可根据需要以特定时段的频率重复所述过程。
产生过量水的短时间在本说明书中被称为“再水化时段”或“风机脉冲”，这种表述用以表示燃料电池组件基于燃料电池上的外部电负载及其环境运行条件(例如，温度)，主动控制其运行环境以将水化程度有目的地提高到在其他情况下将变为强势的某一程度以上一段时间。这些再水化时段可以改善燃料电池堆的性能和/或寿命。
图1示出了燃料电池系统100，所述燃料电池系统包括彼此串联的第一燃料电池堆102和第二燃料电池堆104。使外部负载112连接在燃料电池堆102、104的串联布置上。
在图1中将控制器110示出为能够控制第一燃料电池堆102和第二燃料电池堆104。在本实例中，控制器被构造成独立于燃料电池系统100的电流需求调节穿过第一燃料电池堆102和第二燃料电池堆104的空气流量，以提供用于提高燃料电池堆102、104水化程度的再水化时段。本文中所表述的“独立”用以表示与燃料电池系统100上的外部电负载112中的即时或瞬时变化无关。
空气流量的所述调节还可称为风机脉冲或阴极节流并且除了提高燃料电池堆102、104的水化程度外，还可清洁堆102、104中燃料电池的阴极侧。
燃料电池系统还包括与第一燃料电池堆102并联连接的第一整流器106，并且第二整流器108与第二燃料电池堆104并联连接。也就是说，第一整流器106的第一端子连接到第一燃料电池堆102的第一端子，并且第一整流器106的第二端子连接到第一燃料电池堆102的第二端子。另外，第二整流器1080的第一端子连接到第二燃料电池堆104的第一端子，并且第二整流器108的第二端子连接到第二燃料电池堆106的第二端子。如以下所述，第一整流器106和第二整流器108在相关燃料电池堆102、104的水化时段期间提供旁路路径。
在图1中还示出任选的第三整流器114和第四整流器116。第三整流器114和第四整流器116是阻阻挡整流器/二极管的实例。第三整流器114与第一燃料电池堆102串联，并且第四整流器116与第二燃料电池堆104串联。第一整流器106与第一燃料电池堆102和第三整流器114的串联连接件并联。第二整流器108与第二燃料电池堆104和第四整流器116的串联连接件并联。第三整流器114和第四整流器116与彼此相同的偏置装置串联，以使得每一个整流器均正向偏置且因此在相关燃料电池堆102、104生成输出电压时导电，并且在相关燃料电池堆102、104未生成输出电压时反向偏置。以此方式，当燃料电池堆102、104不运行时，保护其免受反向电流。
第三整流器114和第四整流器116可任选地设置在燃料电池堆102、104上并且当燃料电池堆102、104在再水化时段期间未充气时可防止反向电流和电解。
图2a展示了在第一燃料电池堆202’的再水化时段期间的图1的燃料电池系统。在这个再水化时段期间，允许第二燃料电池堆204’正常操作。由调节穿过第一燃料电池堆202’的空气流量的控制器(图2a中未示出)例如通过使空气流量减少为零来提供再水化时段。因此，由第一燃料电池堆202’产生的电压降为零并且电流流过第一整流器206’而不是第一燃料电池堆202’，由此绕过第一燃料电池堆202’。相比之下，当相关第二燃料电池堆204’生成输出电压时，第二整流器208’反向偏置。在图2a中以虚线示出未传导显著量的电流的组件。
图2b展示了在第二燃料电池堆204”的再水化时段期间的图1的燃料电池系统。由调节穿过第二燃料电池堆204”的空气流量的控制器(图2b中未示出)以与关于图2a所述类似的方式提供再水化时段。
图3展示了在第二燃料电池堆的再水化时段期间的图1的系统的各种电流和电压波形的曲线图，如图2b所示。再水化时段在时间t1时开始。
曲线图302展示了针对第二燃料电池堆的空气流量。由图1的控制器调节所述空气流量。空气流量302以初始值开始，所述初始值可称为再水化时段期间的“有效值”。可根据电负载的要求自动设置和调整所述有效值。
在时间t1后，使得针对第二燃料电池堆的空气流量302从有效值减小为零。在本实例中，应用空气流量302的阶跃变化，尽管在其他实例中可使得空气流量302更加逐渐减少。空气流量302在时间t1时的变化可能是因为操作模式从“风机辅助的”到“非风机辅助的”，作为可如何调节空气流量的一个实例。
可通过调节一个或多个可变闭塞构件诸如遮板的位置来调节空气流量，由此选择性地打开和关闭闭塞构件以允许或容许空气流过燃料电池堆。或者或另外，可通过控制用于将空气穿过燃料电池堆吹入或吸入的风机的操作来调节空气流量。在所述实例中，当风机用于通过燃料电池堆吸入或吹入空气时，燃料电池堆可以说是以“风机辅助的”操作模式操作，并且当风机存在但不使用时(例如，风机断电)，燃料电池堆以“非风机辅助的”操作模式操作。所述“非风机辅助的”操作模式为可如何调节空气流量(通过将风机切断电源)以提供再水化时段的实例。
应当理解，在再水化时段结束后，空气流量302将恢复为有效值，尽管这在图3中未示出。
在移除针对第二燃料电池堆的空气流量302之后，使得第二燃料电池堆的输出电压逐渐减小并且在时间t2时达到零，如曲线图306所示。在这段时间期间，第一燃料电池堆的电压如曲线图304所示在时间t1与t2之间保持恒定；所述电压未受到针对第二燃料电池堆的空气流量变化的影响。
穿过第二燃料电池堆的电流保持恒定一直到t2，如曲线图308所示。在t2时，当第二燃料电池堆的输出电压306达到零时，穿过第二燃料电池堆的电流308开始减少。在t3时，穿过第二燃料电池堆的电流308达到其最小值并且随后在再水化时段期间在最小值保持恒定。在本实例中，穿过第二燃料电池堆的电流的最小值并非为零，因为燃料电池堆仍能够将来自静态空气的较低水平的氢和氧转换为电，所述静态空气在风机脉冲期间环绕所述电池，所述风机脉冲为非风机辅助操作模式
曲线图310示出穿过第二整流器的旁路电流，所述第二整流器与第二燃料电池堆并联。在时间t2与t3之间可以看出，旁路电流310在时间t3时从零增加为最大值。旁路电流的增加与穿过第二燃料电池堆的电流308反向相关，以使得这两个电流308、310的总和恒定。这可从曲线图314中看出，曲线图314表明穿过负载的电流在再水化时段之前和期间均为恒定值。
然而，所述负载下的电压在再水化时段期间不会减小，如曲线图312所示。第二燃料电池堆的输出电压的减小(如曲线图306所示)导致负载312下的电压对应地减小。在本实例中，第一和第二燃料电池堆具有相同数量的燃料电池并且当他们完全操作时生成相同的输出电压。因此，负载312上的电压在再水化时段期间减小了50％。
图3展示了单一燃料电池堆(第二燃料电池堆)的再水化时段。应当理解，可使用同一控制器来为同一燃料电池系统中的其他燃料电池堆类似地提供再水化时段。例如，控制器被配置成交替地调节穿过燃料电池系统中的第一和第二燃料电池堆的空气流量。在一些实例中，可能有利的是，调节穿过第一和第二燃料电池堆的空气流量，以使得第一和第二燃料电池堆的再水化时段不会重叠。以此方式，可使供应到燃料电池负载的电流保持基本恒定。
图4展示了用于提供再水化时段的燃料电池系统的模拟模型。图5示出了图4的模型的模拟结果。
图4的模型包括第一电压源402，其代表第一燃料电池堆；第二电压源404，其代表第二燃料电池堆。所述模型还包括第一整流器406、第二整流器408和负载412，所述第一整流器、第二整流器和负载与图1的对应组件类似。示出与第二电压源404串联的可变电阻器426。可变电阻器426的电阻用于对针对第二燃料电池堆的空气流量建模。
从寿命终止(EOL)极化曲线获得或预计这些组件的值。基于0A下偏振曲线的欧姆区域的拦截点，60.48V为堆电势。将燃料电池堆电阻基于线性欧姆区域建模为0.4275ohm。将可变电阻器426的电阻设定为7.6365ohm以对非风机辅助操作模式建模，所述非风机辅助操作模式为串联电阻提供7.5A。
在图4中还示出了以下传感器：
·用于测量穿过第二整流器408的旁路电流的第一安培计420；
·用于测量穿过第二电压源/燃料电池堆404的电流的第二安培计422；以及
·用于测量第二电压源/燃料电池堆404上的电压的伏特计424。
在图5中示出通过这些传感器中的每一个获得的读数。以线520示出穿过第二整流器的旁路电流。以线522示出穿过第二电压源/燃料电池堆的电流。以线524示出第二电压源/燃料电池堆上的电压。
图5示出在水平时间轴上在1秒时开始并且在3秒时结束的再水化时段。
模拟结果示出处于风机辅助操作模式的初始通电的第二燃料电池堆。在1秒后，通过增大图4所示可变电阻器的电阻来使串联电阻线性地增大。电阻的这种增大表示针对燃料电池堆的空气流量减少，以使得燃料电池堆过渡为非风机操作模式。
串联电阻的增大使得跨第二燃料电池堆的电压在1秒与1.2秒之间降为零，如线524所示。穿过第二燃料电池堆的电流随后从1.2秒时的32A朝向2秒时的7.5A减少，如线522所示。同时，穿过旁路二极管的电流从0A增大为24.5A，如线520所示。因此，负载电流保持恒定。在本实例中，即使极低电阻路径(0.000001ohm)绕过第二燃料电池堆，第二燃料电池堆仍为负载贡献出7.5A(取决于燃料电池的阴极处空气的可用性)。
为了展示电路如何从再水化时段/风机脉冲恢复，使得可变电阻器的电阻在2秒后降回对风机辅助的操作模式建模的值。可以看出，穿过第二燃料电池堆552的电流逐渐增加回到32A并且旁路电流对应地在2.8秒时逐渐降回零。跨第二燃料电池堆524的电压随后恢复至其预先再水化时段程度。
在合适的时间段(例如，2与5分钟之间)后，开始下一个再水化(图4中未示出)。可使用对于使得电池电压发生有用的平均增长有效的任何适合的时间段。取决于环境条件诸如温度和湿度，并且取决于燃料电池是在恒定的固定负载下还是在可变负载下运行，所述时间段可能例如如1分钟那么短或如2小时那么长。
可调节针对燃料电池堆的空气流量以响应于燃料电池系统的所测量参数例如代表所述堆的“健康”或状态的参数来提供再水化时段。所述参数可包括堆电压和堆电流，这将给出偏振信息以及因此所述堆的“健康”状态。在一个实例中，如果所测量参数中的一个或多个达到阈值，则可开始再水化时段。
或者或另外，可在固定周期性的基础上自动执行再水化操作。应该理解的是，可使用进一步的控制算法，以在正常模式与再水化模式之间切换燃料电池系统100，其中在正常模式下没有再水化操作发生，而在再水化模式下进行周期性且暂时性的再水化操作。根据一些可测量的堆操作参数诸如平均温度、湿度、电压分布、电流分布以及功率需求等，可控制再水化操作的周期性。根据一些可测量的堆操作参数诸如平均温度、湿度、电压分布、电流分布以及功率需求等，可控制再水化操作的工作周期。
在一些实现方式中，控制器可基于可测量的堆操作参数来周期性地决定是否开始再水化操作。例如，每隔十分钟，控制器可处理一个或多个可测量的堆操作参数并且随后在所述一个或多个可测量的堆操作参数满足一种或多种标准的情况下仅开始再水化操作。类似地，在再水化操作期间，控制器可根据一个或多个可测量的堆操作参数来删除或停止再水化操作。当此类删除可能在再水化操作计划结束之前，例如小于将以另外方式应用的再水化的预定持续时间时，此类删除可能过早。
再水化操作/风机脉冲可仅仅在以下标准中的一种或多种得到满足的情况下开始；也就是说，在以下标准中的一种或多种未得到满足的情况下，可以阻止或推迟所述再水化操作/风机脉冲。或者，当以下标准中的一种或多种得到满足时，可自动开始再水化操作/风机脉冲。
a)燃料电池堆核心温度大于最小核心温度阈值，诸如被认为令人满意地足够高以确定可通过蒸发到环境空气中来管理阴极上的水平衡的温度。在一个实例中，最小核心温度阈值可为约30℃、35℃或40℃的绝对值；或者比堆核心的目标运行温度低15℃、20℃c或25℃的相对值。堆核心的目标运行温度可为约55℃。
可将燃料电池堆核心温度定义为在燃料电池堆内部所测量的金属组件的温度。为了解释由于进气温度的变化而引起的核心温度的变化，可测量燃料电池堆内各个点的核心温度。根据系统类型，这可能是每个燃料电池堆2、3或4个位置。在具有两个堆的系统中，这意味着例如可测量4、6或8个位置的核心温度。具有多个温度值可使得有机会确定多个燃料电池堆的组合或处于孤立状态的每个燃料电池堆的最小核心温度、最大核心温度和平均核心温度。
在本实例中，可将所有所测量核心温度的最小值(对于多个燃料电池堆中的每一个来说，如果存在超过一个燃料电池堆的话)与最小核心温度阈值进行比较。
如上所述，风机脉冲的使用可以针对系统性能和效率提供至少两个主要好处，首先可以在阴极上形成水，这可通过降低电池阻抗来提高性能；其次可以清洗催化剂(减少非铂元素)。因此，可能重要的是进行风机脉冲以维持效率和性能，即使在堆中存在令人满意的水位，以便清洗催化剂并且由此使得可用反应部位增大或最大化。这可能导致会在所述堆中产生过量水的问题，这是由于可引起阴极溢流的风机脉冲所引起的。因此，最小核心温度阈值的使用可改善风机脉冲的操作。
b)燃料电池堆核心温度小于最小核心温度阈值，诸如被认为令人满意地足够低以确保所述堆核心温度在风机脉冲之后可冷却回到正常操作温度的温度。在一个实例中，最大核心温度阈值可为约55℃、60℃或65℃的绝对值，或者比堆核心的目标运行温度高2℃、5℃或10℃的相对值。
在本实例中，可将所有所测量核心温度的最大值(对于多个燃料电池堆中的每一个来说，如果存在超过一个燃料电池堆的话)与最大核心温度阈值进行比较。
停止风机以将氧供应限于阴极的过程(并且由此导致堆电压减小)导致针对所述堆的冷却空气减少。因此，对于风机减速的持续时间来说，持续输送反应性空气，但堆核心温度上升直到反应空气停止并且反应终止。因此，最大核心温度阈值的使用可改善风机脉冲操作。
c)环境空气温度(在燃料电池系统附近)小于最大环境空气温度阈值，诸如被认为令人满意地足够低以确保堆核心温度在风机脉冲之后可冷却回到正常操作温度的温度。在一个实例中，最大环境空气温度阈值可为约35℃、40℃或45℃的绝对值。
对于以上根据b)所论述的相同原因来说，预定环境空气温度的使用可改善风机脉冲操作。
d)从燃料电池系统引出的电流大于最小电流阈值，诸如被认为足以消耗来自阴极的氧以使穿过流体限制部的电池电压减少的电流水平。在一个实例中，最小电流阈值可为约0.046A/cm2、0.051Acm2或0.054A/cm2。所述电流阈值为每cm2燃料电池有效面积的电流。
因为围绕所述堆的任何空气移动均引起阴极面上的空气变化，因此可能有利的是，从燃料电池系统引出(或正尝试引出)的电流足以消耗阴极面上所存在的任何新的氧。
e)从燃料电池系统引出的电流小于最大电流阈值。最大电流阈值可基于环境温度并且可限制在所述堆从风机脉冲中出来时必须通过空气冷却去除的热排散。控制器可根据环境温度的所测量值自动设定最大电流阈值的水平。
在一个实例中，可使用查找表和环境温度的所测量值来确定最大电流阈值。广义地讲，最大电流阈值可与环境温度成反比，也就是说，当环境温度增大时，最大电流阈值减小。
示例查找表可包含以下信息：
以下值之间的环境温度 最大电流阈值(A/cm2)
-10℃与25℃ 0.59
25℃与35℃ 0.51
35℃与45℃ 0.34
f)尚未接收到来自加载装置或与所述加载装置相关的应用程序的用以指示风机脉冲被禁止的信号。
如上所述，风机脉冲过程导致输出电压暂时减小，因而使得燃料电池系统的净功率输出减少。为此，风机触发可能不频繁地执行和/或其可通过负载引出应用(在一些实例中，通过软件通信)来禁止。在一些实现方式中，当风机脉冲未禁止时，随后可周期性地执行再水化触发，例如每隔10分钟操作一次。
在一些实例中，如果满足了以下标准中的一种或多种，则可通过再水化操作/风机脉冲在中途放弃或停止再水化操作/风机脉冲。在一些情况下，可通过接通向燃料电池堆供应冷却剂和反应剂空气的风机并且打开遮板来放弃再水化操作/风机脉冲。
i.如果堆电压在风机脉冲期间的第一阈值时间段内没有降低电压下降阈值量。例如，所述电压下降阈值量可为0V、0.5V、2V。第一阈值时间段可为再水化操作开始之后的10秒、15秒或20秒，这可向与将进行风机脉冲的燃料电池堆相关的风机发出停止命令(减速时间)。如果堆电压由于过量氧供应而未能下降(例如，尽管遮板关闭并且风机停止)，那么这可能是由于冲压空气效应而引起的。
在燃料电池系统处于动机应用程序中的情况下，可能存在冲压空气效应，并且所述应用程序的正向移动导致所述系统的空气入口处的空气压力增加。冲压空气效应一般可能是有用的，因为它们可以使得所述系统上的寄生负载减小，由此需要冷却风机/反应剂风机进行较少努力。然而，它们也可能给设计带来挑战，诸如导致空气例如在风机脉冲期间意外地输送到燃料电池堆。这可能在冲压空气效应导致入口上的压力克服入口遮板的密封时发生。这种减少的气流可引起燃料电池中的反应(这生成了热量)，但不会提供充分的冷却气流。
ii.如果燃料电池堆核心温度在风机脉冲期间大于最大核心温度。最大核心温度阈值可为比堆核心的目标运行温度高5℃、10℃或15℃的相对值。如果堆电压下降而堆温度变得过热，那么这可能也是由于冲压空气效应引起的，所述冲压空气效应提供充分的空气流以使得有限的反应部位正被供应氧但正提供不充分的部分以导致输出电压上升。
在本实例中，可将仅用于特定燃料电池堆的正进行风机脉冲的所有所测量核心温度的最大值与最大核心温度阈值相比较。
iii.如果从燃料电池堆引出到外部负载的电流低于风机脉冲期间的最小电流阈值。最小电流阈值可为0.036A/cm2、0.051A/cm2或0.059A/cm2。如果从所述系统引出的电流低于允许所述堆放电并且保持放电的阈值，那么所述堆的放电可能不会成功。
iv.如果从燃料电池堆引出到外部负载的电流大于风机脉冲期间的最大电流阈值。如上所述，最大电流阈值可基于环境温度并且可限制在所述堆从风机脉冲中出来时必须通过空气冷却去除的热排散。在一个实例中，最大电流阈值可为约x、y或z。
v.已接收到来自加载装置或与加载装置相关的应用程序的用以表明需要立即输送功率的信号。
可设定上文根据标准a)至f)和i)至iv)所提及的阈值中的一个或多个的值以提供触发机制，所述触发机制可以实现燃料电池堆的不同寿命目标，例如，通过寿命对所输送的总能量所实现的最佳效率。所使用的特定阈值可能取决于燃料电池系统的特定应用或预期用途。
图6示意性地示出用于测试如本文所公开的测试再水化时段的提供的燃料电池系统。图7示出了相关测试结果。含有72个燃料电池堆的燃料电池模块用于第一燃料电池堆602和第二燃料电池堆604。
将有源二极管608跨第二燃料电池堆604并联安装以提供绕过能力。还可将所述有源二极管608称为理想二极管。为了便于说明，在图6中将有源二极管608示出为常规二极管。然而，应当理解，有源二极管可通过主动控制开关诸如场效应晶体管(FET)，任选地MOSFET来体现，所述主动控制开关被驱动以表现为整流器。
在将负载单元612设定为恒定负载的情况下，使第二燃料电池堆置于风机操作模式，在此期间调节穿过第二燃料电池堆604的空气流量，以使得所述空气流周期性地减小以便开始再水化时段并且随后增大以结束再水化时段。图6左边的附图展示了再水化时段期间的电流流动路径。图6右边的附图展示了在第二燃料电池堆604的电势降为0V后，再水化时段期间的电流流动路径。此时，“严格地”驱动有源二极管608，这可涉及正受控以使得跨所述有源二极管仅降低25mV的FET。
针对介于0A与30A之间的负载电流(所述负载电流为旁路电流和堆电流的总和)重复所述测试，以展示穿过这两条电流路径的电流，如图8所示。
图7示出了图6的燃料电池系统的示波器曲线图。具体来说，示出了以下值，所有这些值均在图6中识别出来：第二堆电势720(Vst2)；旁路电流722(I旁路)；第二堆电流724(Ist2)；以及负载电流726(I负载)。
在本实例中，使风机减速并且使用遮板以在再水化时段内来停止空气流跨过第二燃料电池堆的阴极，尽管在其他实例中仅可使用这些机制中的一种。一旦堆电势720减小为零伏特，电流即开始传导穿过旁路而不是穿过堆。所述堆继续在再水化时段期间贡献约10/11A，这可能是因为堆周围的空气量和/或堆的条件。然而，当堆电压还没有变为负时，所述堆仍在安全区域内操作并且所述堆仍被成功调节。
图8证实，所述堆将在处于其非风机辅助状态时贡献这种电流水平，并且旁路电路将来自负载的电流的剩余部分重定向。图8的水平轴展示了从0A至30A的负载电流(负载电流为旁路电流和堆电流的总和)。垂直轴线表示单独的堆电流和旁路电流的水平。如从图8的堆电流的非零值中可以看出，所述堆能够在来自静态空气的风机脉冲期间向输出提供(较低的)电流。图8中旁路电流的渐增值示出系统电流的剩余部分在底部堆周围如何成功转移，以使得所述剩余部分可以进行风机脉冲并且保留在偏振曲线的安全区域内。
图9示出与图6的示意图所示类似的系统的示波器曲线图，但使用了常规的硅二极管(或FET的体二极管)而不是有源二极管。使所述组件绕过燃料电池堆已证实，所述堆可最终进入偏振曲线的未知区域，所述未知区域可能对电池具有损伤影响。如本领域中已知，燃料电池的偏振曲线以根据电流的电池电压为特征。
按照与图7类似的方式，图9示出了以下值：第二堆栈电位920(Vst2)；旁路电流922(I旁路)；第二堆电流924(Ist2)；和负载电流926(I负载)。
在本实例中，与燃料电池堆并联的二极管形成跨所述堆的负电势(对于硅二极管来说，保持为～-0.6V，当电流增大时，升高超过1V)并且使得与所述堆共享更多的电流的平衡性增大。不管负电势如何，堆此时未电解，因为所述堆上的电荷(由于阳极处氢的可用性)意味着电流不以相反方向流动。在一些应用中，在未充气时，堆的阴极上的阻断二极管可防止反向电流流动和电解。
图7与图9之间的比较表明，使用常规二极管(而不是开关或理想二极管)导致在再水化时段期间有更多的电流流过堆，这是有利的，因为迫使电流穿过堆可导致跨所述堆的电势变成负的并且将所述堆在其偏振图表上置于减少区域中，这对于长期健康是有害的。另外，图9还表明，旁路二极管开始传导所花费的时间长于一秒，从而导致与有源二极管所需的风机脉冲相比，风机脉冲更长。应当理解，较短的风机脉冲使得堆能够以正常操作模式作用更长时间，由此改善总体系统的效率。因此，在一些应用中，有源二极管或开关的使用可能是特别有利的。
本文所公开的使用理想二极管作为用于串联的多个燃料电池堆之一的旁路电流的实例允许堆独立地进行风机脉冲。使用主动受控的MOSFET作为理想二极管可转换发生风机脉冲时环绕堆的电流，以使得在风机脉冲期间无停机时间并且不会浪费能量。可使脉冲堆保持为0V，但来自剩余带电堆的电流可能对所述脉冲堆没有影响。这还可将风机脉冲能量丢弃到模拟负载诸如内部负载中并且可降低对燃料电池系统中庞大功率电阻器的要求。
第二个好处是，堆可以很容易与系统分离(不管是用于可靠性的目的还是用于优化驱动周期的目的)，在此期间所述系统可继续向负载提供功率，尽管是以降低的水平。
本文所公开的实例可能特别适合空气冷却和蒸汽冷却的燃料电池堆。
本文献中所公开的系统在进行风机脉冲时可能不会要求燃料电池堆与燃料电池系统隔开，并且再水化时段可比可通过现有技术实现的时段更短。另外，当与现有技术相比时，可降低控制电池周围的氧的重要性。可使燃料电池堆连续连接到系统负载并且不良空气密封件可能不会损坏燃料电池堆，使用了庞大功率电阻器的风机脉冲方法的情况也可能如此。如果使用功率电阻器并且气流仍然较高，那么堆能量可使保险丝熔断并且去除风机脉冲的能力。另外，功率电阻器可能受到致命损坏，这可能不是本文所公开系统中的一种或多种的问题。另外，当整流器自动提供所需旁路功能时，可能不需要对旁路组件的任何外部控制。例如，有源二极管的有源感测电路允许其在恰当的时间接通和断开。
可使用本文所公开的系统来更好地且更一致地调节燃料电池堆，这最终可以改善它们的性能和寿命。另外，可提高堆的可靠性并且可减少失败次数。这至少部分由于来自现有技术系统的用于支持再水化时段的附加组件的移除，所述附加组件可在再水化时段期间以另外方式受损。另外，可在操作期间对所述附加组件进行加热，这可导致堆性能的降级。
应当理解，本文中对两个或更多个燃料电池堆的任何引用均可同样适用于容纳在单一端板对之间的两个或更多个可单独寻址的燃料电池组。所述燃料电池组可在操作上等同于各自容纳在它们自身端板之间的多个燃料电池堆。
应当理解，本文描述为耦合或连接的任何组件均可直接地或间接地耦合或连接。也就是说，可将一个或多个组件定位在两个组件之间，所述两个组件据说是耦合或连接的，但仍使得能够实现所需功能。

Claims (26)

1.一种燃料电池系统，包括：
第一燃料电池堆；
与所述第一燃料电池堆串联的第二燃料电池堆；
与所述第一燃料电池堆并联的第一整流器；以及
控制器，所述控制器被构造成独立于对所述燃料电池系统的电流需求调节穿过所述第一燃料电池堆的空气流量以提供用于提高第一燃料电池堆水化程度的再水化时段。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述控制器被构造成周期性地调节穿过所述第一燃料电池堆的空气流量。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统，其中所述控制器被构造成使得穿过所述第一燃料电池堆的空气流量从有效值周期性地减小，并且随后在预定时段后，使得穿过所述第一燃料电池堆的所述空气流量增大回到所述有效值。
4.如权利要求2所述的燃料电池系统，其中所述控制器被构造成使得穿过所述第一燃料电池堆的空气流量周期性地减小为零并且随后在所述预定时间段后，使得穿过所述第一燃料电池堆的所述空气流量从零开始增加。
5.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述控制器被构造成响应于所述燃料电池系统的所测量参数调节穿过所述第一燃料电池堆的所述空气流量。
6.如前述任一权利要求所述的燃料电池系统，其中所述第一整流器为有源二极管。
7.如前述任一权利要求所述的燃料电池系统，其中所述第一整流器的第一端子连接到所述第一燃料电池堆的第一端子，并且所述第一整流器的第二端子连接到所述第一燃料电池堆的第二端子。
8.如前述任一权利要求所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统进一步包括与所述第二燃料电池堆并联的第二整流器，并且所述控制器被构造成独立于所述燃料电池系统的电流需求调节穿过所述第二燃料电池堆的空气流，以提供用于提高所述第二燃料电池堆水化程度的再水化时段。
9.如权利要求8所述的燃料电池系统，其中所述控制器被构造成调节穿过所述第一和第二燃料电池堆的所述空气流量，以使得所述第一和第二燃料电池堆的所述再水化时段不会重叠。
10.权利要求9所述的燃料电池系统，其中所述控制器被构造成交替地调节穿过所述第一和第二燃料电池堆的所述空气流量。
11.权利要求8至10中任一项所述的燃料电池系统，其中所述第二整流器的第一端子连接到所述第二燃料电池堆的第一端子，并且所述第二整流器的第二端子连接到所述第二燃料电池堆的第二端子。
12.前述任一权利要求所述的燃料电池系统，其中所述控制器被构造成调节由风机生成的所述空气流量，以便调节穿过所述第一和/或第二燃料电池堆的所述空气流。
13.前述任一权利要求所述的燃料电池系统，其中所述控制器被构造成调节一个或多个可变闭塞构件的位置，以便调节穿过所述第一和/或第二燃料电池堆的所述空气流量。
14.前述任一权利要求所述的燃料电池系统，所述燃料电池系统进一步包括与所述第一燃料电池堆串联的阻挡整流器。
15.种操作燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统包括：
第一燃料电池堆；
与所述第一燃料电池堆串联的第二燃料电池堆；以及
与所述第一燃料电池堆并联的第一整流器；
所述方法包括：
独立于所述燃料电池系统的电流需求调节穿过所述第一燃料电池堆的空气流量，以提供用于提高所述第一燃料电池堆水化程度的再水化时段。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述第一整流器为有源二极管，并且所述方法进一步包括：
操作所述有源二极管以使得当所述有源二极管正向偏置时，所述有源二极管提供低的电阻，并且当所述有源二极管反向偏置时，所述有源二极管提供高的电阻。
17.种包含计算机程序代码的计算机程序，所述计算机程序代码被配置用于加载到与燃料电池系统相关的控制器上，所述燃料电池系统包括：
第一燃料电池堆；
与所述第一燃料电池堆串联的第二燃料电池堆；以及
与所述第一燃料电池堆并联的第一整流器；
其中，计算机程序代码被配置成：
独立于燃料电池系统的电流需求调节穿过第一燃料电池堆的空气流量，以提供用于提高所述第一燃料电池堆水化程度的再水化时段。
18.种包含计算机程序代码的计算机程序，所述计算机程序代码被配置成执行如权利要求15或权利要求16所述的方法。
19.种包含计算机程序代码的计算机程序，所述计算机程序代码被配置用于加载到控制器上，以独立于相关燃料电池系统的电流需求调节穿过第一燃料电池堆的空气流量，以便提供用于提高所述第一燃料电池堆的所述水化程度的再水化时段。
20.权利要求19所述的计算机程序，所述计算机程序进一步包含计算机程序代码，所述计算机程序代码被配置用于加载到控制器上以操作与所述第一燃料电池堆并联的有源二极管，以使得当所述有源二极管正向偏置时，所述有源二极管提供低的电阻，并且当所述有源二极管反向偏置时，所述有源二极管提供高的电阻。
21.种计算机程序，所述计算机程序在计算机上运行时，使得所述计算机：
当满足以下标准中的一种或多种时，启动所述燃料电池系统中燃料电池堆的再水化操作：
g)燃料电池堆核心温度大于最小核心温度阈值；
h)燃料电池堆核心温度小于最大核心温度阈值；
i)环境空气温度小于最大环境空气温度阈值；
j)从燃料电池系统中引出的电流大于最小电流阈值；
k)从燃料电池系统中引出的电流小于最大电流阈值；以及
l)尚未接收到来自加载装置或与所述加载装置相关的应用程序的用以指示风机脉冲被禁止的信号。
22.权利要求21所述的计算机程序，所述计算机程序在计算机上运行时，进一步使得所述计算机：
周期性地检查是否已满足标准a)至f)中的一种或多种，并且仅在标准a)至f)中的一种或多种得到满足的情况下启动所述再水化操作。
23.如权利要求21或权利要求22所述的计算机程序，所述计算机程序在计算机上运行时，使得所述计算机通过独立于所述燃料电池系统的电流需求调节穿过所述燃料电池堆的空气流量来启动所述燃料电池系统中所述燃料电池堆的所述再水化操作。
24.一种计算机程序，所述计算机程序在计算机上运行时，使得所述计算机：
当满足以下标准中的一种或多种时，停止燃料电池系统中燃料电池堆的再水化操作：
vi.堆电压在所述再水化操作期间的第一阈值时间段内没有降低电压下降阈值量；
vii核心温度大于所述再水化操作期间内的最大核心温度阈值；
viii.从所述燃料电池堆引出到外部负载的电流低于所述再水化操作期间的最小电流阈值；
ix.从所述燃料电池堆引出到外部负载的电流大于所述再水化操作期间的最大电流阈值；以及
x.已接收到来自加载装置或与所述加载装置相关的应用程序的用以指示需要立即输送功率的信号。
25.如权利要求24所述的计算机程序，所述计算机程序在计算机上运行时，进一步使得所述计算机：
周期性地检查是否已满足标准i)至v)中的一种或多种，并且仅在标准i)至v)中的所述一种或多种得到满足的情况下停止所述再水化操作。
26.如权利要求24或权利要求25所述的计算机程序，所述计算机程序在计算机上运行时，使得所述计算机通过独立于所述燃料电池系统的电流需求调节穿过所述燃料电池堆的空气流量来停止所述燃料电池系统中所述燃料电池堆的所述再水化操作。
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