CN106575787A - 用于燃料电池网格的级联启动的动态地控制的热交换 - Google Patents

Abstract

一种“级联启动控制器”提供用于快速地和高效地将互连燃料电池的网格初始化的各种技术。一般而言，级联启动控制器动态地控制在网格中的燃料电池之间的热交换，以经由从较热燃料电池堆向较凉燃料电池堆的过量热能路由的扩展模式来产生燃料电池网格的级联启动。经由被耦合到燃料电池网格的热交换网格的自动化阀来动态地控制过量热能路由的这一扩展模式，以减少用于网格中的燃料电池堆的总启动时间。然后使超出用来将燃料电池加热到操作温度的热的附加过量热可用于多种目的，包括但不限于预热天然气或者其它燃料以用于由燃料电池使用、本地或者基于社区的加热系统、基于热的能量联产系统等。

Description

用于燃料电池网格的级联启动的动态地控制的热交换

背景技术

如本领域技术人员所熟知的，燃料电池或者燃料电池堆是通过与氧或者其它氧化剂的化学反应来将反应燃料(例如，氢气或者碳氢化合物，比如甲烷、丙烷、丁烷等)的化学能转换成电能的设备。在高温燃料电池的情况下，允许这样的燃料电池执行自持续操作的化学反应直至燃料电池已经达到相对高的温度才高效地操作。

在高温燃料电池开始产生电前，燃料电池的各种部件和燃料本身首先被加热到实现自持续化学操作的操作温度。在一些基于燃料电池的发电系统中，燃料改造器与蒸汽生成器一起被组合地用来预备燃料以用于由燃料电池使用。燃料电池的加热、燃料改造和蒸汽生成通常地使用电加热器或者燃烧天然气或者二者的组合被实现。遗憾的是，用于在电产生的生成开始之前加热燃料电池到操作温度的启动过程可能花费大量时间。

高温燃料电池的示例包括但不限于固体氧化物燃料电池(SOFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、质子陶瓷燃料电池(PCFC)等。根据燃料电池类型，高效操作温度经常在约600到1000℃的范围中。因而，在开启高温燃料电池时，那些燃料电池首先被加热到化学反应可以发生的温度，这转而帮助将燃料电池进一步加热到反应既自持续又高效的温度。例如，在SOFC的情况下，激活温度在约700℃这一级。

发明内容

提供这一发明内容以用简化的形式介绍以下在具体实施方式中进一步描述的对概念的选择。这一发明内容没有旨在于标识要求保护的主题内容的关键特征或者实质特征，它也没有旨在于在确定要求保护的主题内容的范围时被用作辅助。另外，尽管这里可以指出或者讨论现有技术的某些缺点，但是要求保护的主题内容没有旨在于限于可以化解或者解决那些现有技术的缺点中的任何或者所有缺点的实现方式。

一般而言，“级联启动控制器”如这里描述的那样提供用于快速地并且高效地将互连燃料电池的网格初始化的各种技术。级联启动控制器动态地控制在网格中的燃料电池之间的热交换，以经由从较热燃料电池堆向较凉燃料电池堆的过量热能路由的扩展模式来产生燃料电池网格的级联启动。过量热能路由的这一扩展模式经由被耦合到燃料电池网格的热交换网格的自动化阀被动态地控制，以减少用于网格中的燃料电池堆的总启动时间。

更具体而言，在各种实现方式中，级联启动控制器控制在三个或者更多个燃料电池堆的网格之中的热(即，热能)分布，每个燃料电池对包括转而被连接到热交换网格的一个或者多个热交换系统。热交换网格形成经由被耦合到热交换网格的一个或者多个自动化阀来互连燃料电池堆的热交换系统的热交换途径。注意，热交换网格使用能够传导热的任何希望的热传送介质(例如，流体、气体、蒸汽等)以向和从燃料电池堆传送热能。

每个燃料电池堆中的热交换器使燃料电池堆中的每个燃料电池堆能够被加热到允许燃料电池堆执行自持续发电反应的操作温度。此外，每个燃料电池堆中的一个或者多个热交换器被用来从燃料电池堆去除过量热，其中该过量热然后被路由到热交换网格中。

燃料电池堆的温度由级联启动控制器监视。级联启动控制器然后使用这一温度信息以动态地控制热交换网格的阀中的一个或者多个阀。对这些阀的控制允许级联启动控制器绕过一个或者多个燃料电池堆的热交换系统或者将一个或者多个燃料电池堆的热交换系统连接到一个或者多个邻近燃料电池堆的热交换系统。

对自动化阀的控制使级联启动控制器能够通过在附加过量热能变得可用时从数目增加的较热燃料电池堆向一个或者多个较凉燃料电池堆自动地路由过量热能来将燃料电池网格的级联启动初始化。这一动态热能路由继续，直至网格中的选择的数目的燃料电池堆已经达到能够执行自持续发电反应的操作温度。有利地，这一级联启动使用从较热燃料电池堆向较凉燃料电池堆的过量热能路由的扩展模式，所述扩展模式以减少用于网格中的选择的数目的燃料电池堆的总启动时间的方式被动态地控制。

鉴于以上发明内容，清楚的是，这里描述的级联启动控制器提供用于动态地控制在燃料电池之间的热交换以经由从较热燃料电池堆向较凉燃料电池堆的过量热能路由的扩展模式来产生燃料电池网格的级联启动的各种技术。除了刚才描述的益处之外，级联启动控制器的其它优点将从在与附图结合进行时的下文具体描述变得清楚。

附图说明

要求保护的主题内容的具体特征、方面和优点将关于以下描述、所附权利要求和附图而变得更好理解，在附图中：

图1提供了图示了用于实施如这里描述的级联启动控制器的各种实现方式的程序模块的示例性架构流程图。

图2提供了图示了如这里描述的经由一系列自动化阀被耦合到热传送网格的燃料电池堆的示例性2D矩形网格的示意图。

图3提供了图示了如这里描述的经由一系列自动化阀被耦合到热传送网格的、包括燃料电池的同心圆阵列的、燃料电池堆的示例性2D网格的示意图。

图4提供了示出了如这里描述的用于实现更大燃料电池网格的分段的各种示例的示例性示意图。

图5图示了总体系统流程图，该流程图图示了如这里描述的用于实施级联启动控制器的各种实现方式的示例性方法。

图6是描绘了简化的通用计算设备的总体系统图，该通用计算设备具有用于在实施如这里描述的级联启动控制器的各种实现方式时使用的简化的计算和I/O能力。

具体实施方式

在对要求保护的主题内容的实现方式的以下描述中，参照附图，这些附图形成其部分并且在附图中通过说明示出其中可以实践要求保护的主题内容的具体实现方式。应当理解，可以利用其它实现方式并且可以做出结构改变而没有脱离当前要求保护的主题内容的范围。

1.0 引言：

高温燃料电池堆通过与氧或者其它氧化剂的高温化学反应来将各种基于氢或者碳氢化合物的燃料的热能转换成电能。这样的燃料电池通常地直至燃料电池已经达到相对高的温度才执行高效或者自持续化学反应。因而，燃料电池启动或者初始化一般地涉及将燃料电池堆的温度带到上至产生能量的化学反应变得自持续的温度。例如，在固体氧化物燃料电池(SOFC)的情况下，激活温度约为700℃。

“级联启动控制器”如这里描述的那样提供用于快速地和高效地将互连燃料电池的网格初始化的各种技术。有利地，级联启动控制器以允许燃料电池网格被初始化而无需访问用于燃料电池加热的外部电网的方式来动态地门控和分布来自燃料电池的热(即，热能)。注意，级联启动控制器适用于与多种高温燃料电池和燃料电池堆(包括但不限于SOFC、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、质子交换膜(PEM)燃料电池、质子陶瓷燃料电池(PCFC)等)中的任何高温燃料电池和燃料电池堆一起使用。然而，为了说明的目的，将主要地在基于SOFC的燃料电池网格的上下文中讨论级联启动控制器。

有利地，由级联启动控制器启用的燃料电池网格可以使用在任何希望的布置中被连接的任何希望的数目的燃料电池堆以产生任何希望的数量的功率。另外，也应当理解，级联启动控制器也可以与不同类型的燃料电池的各种组合一起被使用而没有脱离这里描述的概念的既定范围。

级联启动控制器使用来自邻近操作燃料电池的废热或者电功率以便将相邻燃料电池加热到操作温度。更具体地，级联启动控制器动态地控制在网格中的燃料电池之间的热能交换，以经由从较热燃料电池堆向较凉燃料电池堆的过量热能路由的扩展模式来产生燃料电池网格的级联启动。过量热能路由的这一扩展模式经由被耦合到燃料电池网格的热交换网格的自动化阀被动态地控制以减少用于网格中的燃料电池堆的总启动时间。

过量热能路由的这一扩展模式的一个优点是随着更多热能变得可用，增长数目的燃料电池开始从热交换网格接收该热能。结果是在整个燃料电池网格被初始化时被带到上至温度的燃料电池的数目的指数增长。然后使超出被用来将燃料电池加热到操作温度的热的附加过量热可用于多种目的，包括但不限于预热天然气或者其它燃料以用于由燃料电池使用、本地或者基于社区的加热系统、基于热的能量联产系统等。

1.1 系统概述：

如以上指出的那样，“级联启动控制器”提供用于动态地控制在燃料电池之间的热交换、以经由从较热燃料电池堆向较凉燃料电池堆的过量热能路由的扩展模式来产生燃料电池网格的级联启动的各种技术。由图1的总体系统图来图示概括的以上过程。具体而言，图1的系统图图示了在用于实施如这里描述的级联启动控制器的各种实现方式的程序模块之间的相互关系。另外，尽管图1的系统图图示了级联启动控制器的各种实现方式的高级视图，但是图1没有旨在于提供如贯穿本文而被描述的级联启动控制器的每个可能的实现方式的穷举或者完整图示。

附加地，应当注意，可以在图1中由虚线或者点划线代表的任何框和在框之间的互连代表这里描述的级联启动控制器的备选实现方式或者可选部件。另外，如以下描述的这些备选实现方式或者可选部件中的任何或者所有备选实现方式或者可选部件可以与贯穿本文而被描述的其它备选实现方式或者其它部件组合地被使用。

一般而言，如由图1所示，由级联启动控制器实现的过程通过使用初始功率模块105以在一个或者多个特定燃料电池中开始初始化过程来将包括三个或者更多个燃料电池的燃料电池网格100初始化。然而，应当指出，级联启动控制器将更通常地与包含数百个或者甚至数千个燃料电池的很大网格一起被使用。

更具体地，燃料电池网格包括燃料电池堆，每个燃料电池堆包括被耦合到热传送网格120的一个或者多个热交换系统。这些热交换系统被用来将每个燃料电池堆加热到操作温度、将过量热能传送到热传送网格120中以用于在加热其它燃料电池时使用和用于如需要的那样冷却燃料电池或者去除过量热。

在初始化过程期间，初始功率模块105被用来将燃料电池网格100中的一个或者多个初始燃料电池加热到足以开始从经由燃料输入模块110被接收的反应燃料产生能量的温度。这一初始加热过程使用初始功率源(例如，电池、小型发电机、太阳能电池或者基于太阳能的热收集器、地热能源等)以启动燃料电池中的至少一个燃料电池。有利地，通过使用本地可用的初始功率源以将燃料电池中的一个或者多个燃料电池初始化，级联启动控制器可以显著地减少或者完全地去除燃料电池网格100对用于启动的本地电力网(例如，城市、市政或者州范围的电力网)的任何依赖。这样，燃料电池网格100和与燃料电池网格关联的任何基础结构可以被在地理上定位而不考虑本地电网是否可用或者任何这样的电网是否可靠以支持燃料电池网格的初始化。

如以上指出的那样，燃料输入模块110提供经由燃料输入模块110被接收的反应燃料。一般而言，一旦燃料电池已经达到然后将允许从反应燃料产生电的温度，燃料输入模块110就向那些燃料电池提供反应燃料(例如，丙烷、甲烷、氢或者其它碳氢化合物)。另外，在各种实现方式中，取决于被使用的反应燃料的类型和燃料电池的类型，燃料输入模块110执行多个附加操作(包括但不限于预热反应燃料、改造或者预改造反应燃料、过滤反应燃料等)中的任何附加操作。如本领域技术人员所熟知的，经常是用于蒸汽改造的附加过程步骤的预改造被用来在相对低的温度将更重的碳氢化合物(如例如丙烷(C₃H₈))转换成更小分子(如例如甲烷(CH₄)和氢气(H₂)以及碳氧化物)的混合物。这一改造的反应燃料然后如以上指出的那样被提供给燃料电池。

一旦初始燃料电池处于足以开始从反应燃料产生电的温度，那些电池就将开始生成过量热。这一过量热然后被收集并且在级联热传送的扩展模式中经由热传送网格120被传送给其它燃料电池。更具体地，热流控制模块115监视燃料电池温度，并且动态地控制热传送网格120中的自动化阀。这一动态控制造成从由经由初始功率模块105被初始化的一个或者多个电池生成的热开始动态分布热能，这造成整个燃料电池网格100(或者燃料电池网格中的某个选择的数目的燃料电池)的级联初始化。

在各种实现方式中，热流控制模块115也控制可选内部电加热网格130以经由被耦合到个别燃料电池的电加热器来加热燃料电池。在各种实现方式中，在燃料电池网格100中的燃料电池中的一个或者多个燃料电池开始产生电时从由那些电池生成的过量功率汲取用于这些电加热器的功率。这样，来自一个或者多个燃料电池的热和电功率中的一项或者二者在级联启动控制器的各种实现方式中被用来驱动整个燃料电池网格100的级联启动。

一般而言，一旦燃料电池网格100中的一个或者多个燃料电池开始从反应燃料生成电，该电中的一些或者所有电就由功率输出模块135输出以用于由任何希望的过程(例如，计算机、照明、制冷、电池充电等)使用。另外，一旦网格中的个别燃料电池处于操作温度，那些燃料电池就可能需要被冷却以去除由在反应燃料与燃料电池堆之间的化学反应生成的过量热。因而，在各种实现方式中，冷却回路145被用来基于燃料电池的温度如需要的那样冷却那些燃料电池。

在级联启动控制器的各种实现方式中，外部热源模块140使用来自外部源(例如，数据中心或者服务器群中的计算机的废热、太阳能电池、地热能等)作为低等热源以用于向热传送网格120的附加输入。有利地，这样的废热可以用于燃料电池网格100中的燃料电池中的一些或者所有燃料电池的初始预热。虽然这样的热相对于由有源燃料电池生成的热而言通常低等，但是即使燃料电池的初始温度的相对小的增加仍然减少用于使用高等热源将那些燃料电池带到上至操作温度的时间量。

另外，在各种实现方式中，在热传送网格120中可用的任何过量热能(比如在增加数目的燃料电池变得上线时可用的增加数量的热)被提供给可选次级热分布模块150。一般而言，次级热分布模块150使用来自热传送网格120的和/或由冷却回路145从燃料电池提取的过量热以执行其它任务。这样的任务包括但不限于局部加热、生成蒸汽、向燃料输入模块提供热能和/或蒸汽以用于在预热反应燃料、反应燃料的蒸汽改造、反应燃料的预改造等时使用。

也注意，在各种实现方式中，用户界面(未示出)允许用户与级联启动控制器的各种部件中的任何或者所有部件(例如，燃料电池网格100中的个别燃料电池、热流控制模块115、热传送网格等)本地或者远程地交互。这允许用户启动特定燃料电池、让特定燃料电池下线或者加热或者冷却那些电池以用于特定目的(例如，维护、部件测试等)。

2.0 级联启动控制器的操作细节：

运用以上描述的程序模块以用于实施级联启动控制器的各种实现方式。如以上概括的那样，级联启动控制器提供用于动态地控制在燃料电池之间的热能交换以经由从较热燃料电池堆向较凉燃料电池堆的过量热能路由的扩展模式来产生燃料电池网格的级联启动的各种技术。以下章节提供对级联启动控制器的各种实现方式的操作的和用于实施关于图1在章节1中描述的程序模块的示例性方法的详细讨论。具体而言，以下章节提供级联启动控制器的各种实现方式的示例和操作细节。

2.1 操作概述和优点：

如以上指出的那样，这里描述的基于级联启动控制器的过程提供用于动态地控制在燃料电池之间的热能交换以经由从较热燃料电池堆向较凉燃料电池堆的过量热能路由的扩展模式来产生燃料电池网格的级联启动的各种技术。

有利地，与动态地控制的热交换网格组合使用燃料电池网格以捕获和传送由燃料电池堆生成的热能以将网格中的其它燃料电池初始化允许消除为了将这样的网格初始化而通常地需要的电基础结构中的大量或者所有部件。这允许比如计算机数据中心或者服务器群、工厂、医院或者可以被适配用于与由燃料电池网格生成的电能一起被使用的任何其它安装这样的安装位于地理上有利的区域中，而没有比如本地功率可用性、功率质量、功率停用考虑等顾虑。具体而言，由级联启动控制器提供的各种实现方式允许非常小的初始功率源(例如，小型便携发电机、风电、太阳能电力、电池、各种机械发电系统等)启动单个燃料电池或者某个相对小数目的燃料电池。然后经由热交换网格捕获和动态地分布来自一个或者多个初始燃料电池的过量热以剔除网格中的其余燃料电池堆(或者网格中的某个希望的数目的燃料电池)的扩展级联。

在各种实现方式中，每个燃料电池堆包括各种连接(例如，热、电等)，这些连接允许一个或者多个资源(例如，热和/或电)与一个或者多个邻近系统被共享和/或被分布到一个或者多个邻近系统。示例连接包括但不限于电连接、用于向邻近燃料电池堆发送废气的连接、向过热的水的热输入或者被连接到热交换网格或者热交换器等(该热交换器等被耦合到热交换网格)的石油回路等。

例如，在第一燃料电池系统在它们迫近和达到操作温度时开始运行时，电功率和/或废气中的一些电功率和/或废气被发送给邻近燃料电池系统以启动加热部件。一旦那些邻近系统在它们迫近和达到操作温度时开始运行，那些系统的功率和气体就被添加到扩展级联。结果是在燃料电池之间的动态地控制的热交换经由从较热燃料电池堆向较凉燃料电池堆的过量热能路由的扩展模式来产生燃料电池网格的级联启动。例如，在共享废气的情况下，在更多燃料电池堆开始变得达到温度时，增加体积的热气体可用于向其它燃料电池堆动态路由。被耦合到热交换网格的自动化阀控制热气体在燃料电池堆之间流遍燃料电池网格。

也注意，在各种实现方式中，无源或者动态地控制的冷却网格等(这里也被称为“冷却回路”)被集成到燃料电池网格和/或与燃料电池网格关联的各种部件中。冷却网格向可能在操作期间超过希望的温度的一个或者多个部件(例如，燃料电池、计算机、设备机架、蒸汽冷凝器等)提供冷却。另外，冷却网格可以用来将包括燃料电池的各种部件的温度降低到安全让工人执行维护或者其它任务的温度。

级联启动控制器的附加优点和能力包括但不限于：

1.可选地使用由燃料电池网格中的操作燃料电池生成的电功率以向在燃料电池网格中的一个或者多个燃料电池堆内的可选电加热元件供电，由此进一步减少燃料电池启动时间；

2.可选地使用由燃料电池网格中的操作燃料电池生成的电功率以向一个或者多个可选改造器中的可选电加热元件供电以用于调节燃料以由燃料电池网格中的燃料电池使用；

3.可选地通过燃烧燃料电池尾管气体来捕获热能以提供向热交换网格的附加热能输入；

4.可选地使用热交换网格以从一个或者多个操作燃料电池或者其它热生成系统(例如，计算机数据中心或者服务器群、地热能、太阳能热收集器等)收集过量或者废热并且使用这一收集的废热以用于包括但不限于以下各项的目的：

a.加热或者预热由燃料电池堆使用的燃料(例如，天然气、甲烷、氢气等)；

b.加热或者预热一个或者多个可选预改造器或者改造器以用于调节反应燃料以用于由燃料电池堆使用；

c.加热或者预热网格中的燃料电池堆中的一个或者多个燃料电池堆；

d.生成蒸汽以用于各种使用，包括但不限于反应燃料改造、蒸汽涡轮联产系统、水净化等；

e.环境加热系统；

f.等等。

2.2 示例性燃料电池网格配置：

如以上指出的那样，由级联启动控制器启用的燃料电池网格包括被耦合到动态地控制的热交换网格的三个或者更多个燃料电池或者燃料电池堆。这一动态地控制的热交换网格然后在减少用于燃料电池网格的总体启动时间的扩展模式中从较热燃料电池向更冷燃料电池路由热能。燃料电池相对于彼此和关于热交换网格的几何布局被设计以促进经过网格中的一系列自动地控制的阀的热传送。这些阀的自动化操作允许级联启动控制器在高效和扩展模式中遍及网格传送热能。

应当理解，可以使用用于构造燃料电池网格的任何希望的2D或者3D几何形状。另外，燃料电池网格中的任何一个或者多个燃料电池可以相对于其它设备而被定位以最小化用于用由燃料电池网格生成的电向该其它设备供电的任何关联的电连通。例如，燃料电池可以与一个或者多个计算机、服务器及架等相邻地被定位。这允许燃料电池向一个或者多个计算机或者服务器机架(或者其它设备)直接地提供电功率而无需安装或者连接任何外部电网或者甚至无需遍及建筑物来构造公共电网或者复杂地利用燃料电池网格。换而言之，由一个或者多个燃料电池产生的电可以由在那些燃料电池附近的设备使用，而没有实施或者连接到更广的电能网络或者网格。

有利地，这样的集成布局允许复杂系统(如例如数据中心等)与集成和共同定位的燃料电池网格(例如，被设计以向一个或者多个邻近服务器机架供电的一个或者多个燃料电池堆)以及热交换网格组合而被设计。这实现如需要的那样遍及整个系统高效地分布热能和电二者，而无需用于分布由燃料电池生成的电的大型电基础结构。例如，通过对燃料电池和服务器机架进行共同定位，从燃料电池向服务器机架移动的电伸展可以按数英尺被测量而不是在设施(比如数据中心)中通常地看见的明显地更大和更高成本的电接触结构。

图2和图3提供了图示了经由一系列自动化阀被耦合到热传送网格的燃料电池堆的各种网格的简单示意图。注意，尽管在图2中图示了阀，但是为了示意清楚的目的，示出了图3中的热传送网格而没有阀。然而，应当理解，图3的热传送网格确实包括用于控制遍及燃料电池网格的热能传送的自动化阀。同样，应当理解，提供由图2和图3所示的燃料电池网格和热传送网格的简单几何形状仅为了说明和讨论的目的，并且级联启动控制器没有旨在于限于使用这样的几何形状。

例如，图2示出了包括多个燃料电池(205至245)的2D矩形燃料电池网格200。如图所示，燃料电池网格200中的每个燃料电池包括用于向或者从热传送网格250传送热能的热交换器。热(即，热能)是否流入燃料电池网格200中的燃料电池或者从这些燃料电池流动通过热交换网格250中的阀(例如，阀260)的状态(即，断开或者闭合)被确定。

图3提供了包括燃料电池的同心圆阵列的2D燃料电池网格300的图示。这一燃料电池网格300中的燃料电池中的每个燃料电池经由热传送网格310被耦合到多个邻近燃料电池。如以上指出的那样，这一热传送网格310也包括自动化阀(未示出)以允许级联启动控制器如这里描述的那样遍及燃料电池网格来路由热能。

图4图示了被耦合到热交换网格的整个燃料电池网格的更复杂分段，尽管为了清楚和说明的目的而在图4中图示了仅一个燃料电池。应当理解，多个燃料电池如以上讨论的那样被耦合到热交换网格。更具体地，图4图示了包括燃料电池堆400的燃料电池网格的分段。这一燃料电池堆400被耦合到热交换网格405的共享热气体或者流体。

如图所示，热交换网格405包括取决于被使用的燃料电池的类型和向那些燃料电池提供的反应燃料的类型而遍及热交换网格被定位为从各种部件捕获和向各种部件分布热的多个自动化阀，这些部件中的一些或者所有部件是可选的。被连接到热交换网格405的这样的部件的示例包括但不限于燃料电池堆400、燃料预改造器410、各种热交换器(415、420和425)和尾管燃烧器430。

在各种实现方式中，由图4所示的整个燃料电池网格的示例性分段包括用于从燃料电池堆400和/或尾管燃烧器430(该尾管燃烧器燃烧燃料堆的废物中剩余的任何可燃烧气体以生成附加热能)的废物恢复水的水冷凝器435。可以捕获和在水存储装置440中存储由水冷凝器435恢复的水。另外，水泵445可以用来将水抽运到热交换器420以用于在生成用于由燃料预改造器410使用的蒸汽时使用。另外，鼓风机450等可以如图所示用来经过热交换器425移动空气以使该空气过热以用于在加热燃料电池堆400时使用。图4也图示了用于在分别向燃料电池堆400和燃料预改造器410提供基于电的加热时使用的可选电加热器455和460。图4也示出了反应燃料(比如天然气或者其它燃料)可以可选地由脱硫器465处理以从反应燃料去除硫化污染物，由此减少燃料电池400的废蒸汽中的污染物。

最后，图4示出了由燃料电池堆400生成的DC电功率470被提供作为整个系统的输出。这一DC电功率470如果需要则可以可选地被提供给功率逆变器475以产生AC电功率。无论DC或者AC电功率(或者二者)是否被输出，该电功率然后被分流用于任何希望的使用。

2.3 附加考虑和实现方式：

如以上指出的那样，可以在广泛配置中和用任何希望类型的燃料电池类型或者燃料电池类型的混合物来实施级联启动控制器。另外，取决于可用来开始初始燃料电池网格启动过程的功率数量，可以并行地开启一个或者多个燃料电池，其中来自那些初始电池的过量热能然后被用来驱动燃料电池网格的其余燃料电池的级联启动。这样，级联启动控制器动作以使用来自邻近电池的热和/或电能来将燃料电池带到上至用于重新活跃的操作温度。

另外，级联启动控制器可以通过增加向一个或者多个燃料电池的热和燃料分布、由此增加那些电池的电输出来对电负荷需求的改变做出反应。这样，级联启动控制器在各种实现方式中操作作为对瞬态负荷平衡的控制，在该瞬态负荷平衡中，热用于网格中的燃料电池的稳定。例如，假设燃料电池在稳态运行，但是由于某个原因(例如，更多计算机变得上线、邻近燃料电池变得下线等)所致的负荷需求增加而需要产生更多功率。通常地，燃料电池将在更多燃料被提供时产生更多功率(达到某一点)。然而，燃料通常比燃料电池凉，因此使用经过热传送网格向燃料电池的过量热输入将抗衡较凉燃料，因此有助于在发送更多燃料以增加能量输出时稳定燃料电池温度。

关于使用哪些燃料电池以开始初始燃料电池网格启动过程，级联启动控制器可以基于各种标准来选择那些电池。例如，级联启动控制器可以简单地选择网格中的一个或者多个随机燃料电池。备选地，级联启动控制器可以选择与初始功率源最近的一个或者多个燃料电池。备选地，级联启动控制器可以选择在如下定位中的一个或者多个电池，这些定位将减少向其它燃料电池传送热能以驱动燃料电池网格的其余燃料电池的级联驱动的距离。在一些情况下，这最后一个备选可以意味着级联启动控制器根据燃料电池网格的几何形状来选择在燃料电池网格的中心或者附近的用于初始化的一个或者多个燃料电池或者沿着燃料电池网格的边缘的一个或者多个燃料电池等。

与森林点火类比，级联启动控制器动作以启动点火(即，将初始燃料电池加热到操作温度)，该火然后尽可能快地蔓延到其它燃料电池而无需启动附加点火。换而言之，级联启动控制器引导或者初始化一个或者多个燃料电池，并且然后使用来自操作燃料电池的热、尾管气体和电以将邻近燃料电池加热到操作温度。那些邻居的热、尾管气体和电然后与来自初始燃料电池的热、尾管气体和电一起被分布到扩展级联以用于将更多邻居加热到操作温度，以此类推。这一扩展级联继续，直至燃料电池网格被完全地初始化或者直至燃料电池网格中的某个希望的数目的燃料电池已经被初始化。

级联启动控制器的另一感兴趣的使用是将数据中心等实施作为整个系统的部件。在这一情况下，级联启动控制器监视来自运行的燃料电池的可用电功率，并且在更多功率变得可用时动态地引导数据中心的更多服务器。另外，燃料电池可以被放置于与它们用电功率服务的服务器架近邻，由此消除数据中心中的典型电分布系统的大量系统。

用于实现级联启动控制器的各种实现方式的更多考虑包括但不限于以下各项：

a.在更多燃料电池变得上线时用通道输送增加数量的热以用于燃料改造，因此预备更多燃料以用于在燃料电池变得达到操作温度时由它们消耗；

b.在网格中的更多燃料电池变得达到操作温度和开始生成电时使用扩展数量的可用电以加热冷燃料电池；

c.在级联启动控制器的控制之下的燃料电池网格具有增加的故障弹性。例如，由于在网格中连接燃料电池，并且燃料电池网格经由动态地控制的阀被连接到热传送网格，所以可以经由自动化阀从燃料电池网格和热传送网格二者隔离出故障或者不可操作的燃料电池或者需要维护的燃料电池；以及

d.热传送网格允许级联启动控制器使用热传送网格来预热燃料电池而没有向那些燃料电池实际地提供燃料。这允许预热的燃料电池被保持待命以一旦燃料被提供就生成电。

3.0 级联启动控制器的操作概要：

由图5的总体操作流程图图示以上关于图1至图4以及进一步按照以上在章节1和2中提供的详细描述而被描述的过程。具体而言，图5提供了概括级联启动控制器的各种实现方式中的一些实现方式的操作的示例性操作流程图。注意，图5没有旨在于是这里描述的级联启动控制器的所有各种实现方式的穷举表示，并且提在供图5中代表的实现方式仅用于说明。

一般而言，如图5所示，级联启动控制器使用包括三个或者更多个燃料电池堆的网格的燃料电池网格来操作(500)。这些燃料电池堆中的每个燃料电池堆包括一个或者多个热交换系统以用于在将燃料电池堆加热到用于执行自持续功率生成反应和用于从燃料电池堆去除过量热的操作温度时使用。每个燃料电池堆的热交换系统被耦合到热交换途径的一个或者多个自动化阀从而形成热交换网格(510)。

热交换网格的每个阀被自动地控制以绕过热交换途径连接燃料电池堆中的一个或者多个燃料电池堆的热交换系统或者经由热交换途径将燃料电池堆中的一个或者多个燃料电池堆的热交换系统连接到一个或者多个邻近燃料电池堆的热交换系统(520)。

通过自动地控制阀以在附加过量热变得可用时使过量热从增加数目的较热燃料电池堆被路由到一个或者多个较凉燃料电池堆来将燃料电池的级联启动初始化(530)。经由热交换途径路由这一过量热，直至网格中的选择的数目的燃料电池堆已经达到能够执行自持续功率生成反应的操作温度。

级联启动包括、过量热从较热燃料电池堆向较凉燃料电池堆路由的扩展模式，扩展模式经由自动化阀被动态地控制以减少用于网格中的选择的数目的燃料电池堆的总启动时间(540)。

4.0 示例操作环境

这里描述的级联启动控制器在许多类型的通用或者专用计算系统环境或者配置内可操作。图6图示了可以在其上实施如这里描述的级联启动控制器的各种实现方式和单元的通用计算机系统的简化示例。应当注意，可以在图6中由虚线或者点划线代表的任何框代表简化的计算设备的备选实现方式，并且如以下描述的这些备选实现方式中的任何或者所有备选实现方式可以与贯穿本文描述的其它备选实现方式组合而被使用。

例如，图6示出了总体系统图，该系统图示出了简化的计算设备600。可与级联启动控制器一起操作的这样的设备的示例包括但不限于便携电子设备、可穿戴计算设备、手持计算设备、膝上型或者移动计算机、通信设备(比如蜂窝电话、智能电话和PDA)、多处理器系统、基于微处理器的系统、机顶盒、可编程消费者电子装置、网络PC、小型计算机、音频或者视频媒体播放器、手持遥控设备等。也注意，级联启动控制器可以用与广泛的电子设备或者物体通信或者以别的方式耦合到它们的任何触屏或者触敏表面被实施。

为了允许设备实施级联启动控制器，计算设备600应当具有充分计算能力和系统存储器以实现基本计算操作。在本情况下，级联启动控制器自动地监视状态，比如燃料电池温度、反应燃料温度、当前或者预测的电负荷需求等，并且使用这一信息以经由计算设备600来动态地控制热传送网格的阀。级联启动控制器也使用这一信息以经由计算设备600来控制向燃料电池的反应燃料分布。另外，级联启动控制器使用这一信息以经由计算设备600来控制燃料电池冷却。注意，用于使用计算机来对接和控制这样的设备的自动阀和技术是本领域技术人员熟知的，并且这里将不加以描述。

另外，计算设备600可以包括一个或者多个传感器605，包括但不限于热耦合、红外线温度计、加速度计、相机、电容传感器、接近传感器、麦克风、多谱传感器等。另外，计算设备600也可以包括用于在实施级联启动控制器的各种实现方式时使用的可选系统固件625(或者其它固件或者处理器可访问的存储器或者存储装置)。

如由图6所示，计算设备600的计算能力主要地由一个或者多个处理单元610图示，并且也可以包括一个或者多个GPU 615，任一项或者这二者与系统存储器620通信。注意，计算设备600的处理单元610可以是专门化的微处理器，比如DSP、VLIW或者其它微控制器，或者可以是具有一个或者多个处理核(包括多核CPU中的基于专门化的GPU的核)的常规CPU。

另外，简化的计算设备600也可以包括其它部件，如例如通信接口630。简化的计算设备600也可以包括一个或者多个常规计算机输入设备640或者这样的设备(例如，触屏、触敏表面、指点设备、键盘、音频输入设备、基于语音或者话音的输入和控制设备、视频输入设备、触觉输入设备、用于接收有线或者无线数据传输的设备等)的组合。简化的计算设备600也可以包括其它可选部件，如例如一个或者多个常规计算机输出设备650(例如，显示设备655、音频输出设备、视频输出设备、用于传输有线或者无线数据传输的设备等)。注意，用于通用计算机的典型通信接口630、输入设备640、输出设备650和存储设备660是本领域技术人员熟知的，并且这里将不加以具体描述。

简化的计算设备600也可以包括多种计算机可读介质。计算机可读介质可以是可以经由存储设备660被访问的任何可用介质并且包括用于存储信息(比如计算机可读或者计算机可执行指令、数据结构、程序模块或者其它数据)的可移除670和/或不可移除680的易失性和非易失性介质二者。举例而言而非限制，计算机可读介质可以包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质是指有形计算机或者机器可读介质或者存储设备，比如DVD、CD、软盘、带驱动、硬驱动、光驱动、固态存储器设备、RAM、ROM、EEPROM、闪存或者其它存储器技术、磁盒、磁带、磁盘存储装置或者其它磁存储设备或者可以用来存储希望的信息并且可以由一个或者多个计算设备访问的任何其它设备。

存储信息(比如计算机可读或者计算机可执行指令、数据结构、程序模块等)也可以通过使用多种前述通信介质中的任何通信介质以对一个或者多个调制的数据信号或者载波进行编码或者其它传送机制或者通信协议而被实现，并且包括任何有线或者无线信息递送机制。注意，术语“调制的数据信号”或者“载波”一般是指如下信号，该信号让它的特性中的一个或者多个特性以对信号中的信息进行编码的方式被设置或者改变。例如，通信介质包括有线介质(比如输送一个或者多个调制的数据信号的有线网络或者直接有线连接)以及无线介质(比如用于传输和/或接收一个或者多个调制的数据信号或者载波的声、RF、红外线、激光和其它无线介质)。也应当在通信介质的范围内包括以上示例中的任何示例的组合。

留置信息(比如计算机可读或者计算机可执行指令、数据结构、程序模块等)也可以通过使用多种前述通信介质中的任何通信介质以对一个或者多个调制的数据信号或者载波进行编码或者其它传送机制或者通信协议而被实现，并且包括任何有线或者无线信息递送机制。注意，术语“调制的数据信号”或者“载波”一般是指如下信号，该信号让它的特性中的一个或者多个特性以对信号中的信息进行编码的方式被设置或者改变。例如，通信介质包括有线介质(比如输送一个或者多个调制的数据信号的有线网络或者直接有线连接)以及无线介质(比如用于传输和/或接收一个或者多个调制的数据信号或者载波的声、RF、红外线、激光和其它无线介质)。也应当在通信介质的范围内包括以上示例中的任何示例的组合。

另外，可以用计算机可执行指令或者其它数据结构的形式从计算机或者机器可读介质或者存储设备和通信介质的任何希望的组合存储、接收、传输或者读取体现这里描述的级联启动控制器或者其部分的各种实现方式中的一些或者所有实现方式的软件、程序和/或计算机程序产品。

最后，在由计算设备执行的计算机可执行指令(比如程序模块)的一般上下文中进一步描述这里描述的级联启动控制器。一般地，程序模块包括执行特定任务或者实施特定抽象数据类型的例程、程序、对象、部件、数据结构等。也可以在其中任务由一个或者多个远程处理设备执行的分布式计算环境中或者在通过一个或者多个通信网络被链接的一个或者多个设备的云内实现这里描述的实现方式。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括介质存储设备的本地和远程计算机存储介质二者中。进而另外，前述指令可以部分或者全部地被实施为可以包括或者可以不包括处理器的硬件逻辑电路。

已经出于说明和描述的目的而呈现了级联启动控制器的前文描述。没有旨在于穷举或者使要求保护的主题内容限于公开的精确形式。许多修改和变化按照以上教导是可能的。另外，应当注意，可以在为了形成级联启动控制器的附加混合实现方式而希望的任何组合中使用前述备选实现方式中的任何或者所有备选实现方式。旨在于本发明的范围不受这一具体描述所限制，而是实际上由所附权利要求限定。虽然已经用结构特征和/或方法动作特有的语言描述了主题内容，但是将理解，在所附权利要求中限定的主题内容未必限于以上描述的具体特征或者动作。实际上，以上描述的具体特征和动作被公开作为实施权利要求的示例形式。

Claims (15)

1.一种燃料电池启动系统，包括：

三个或者更多个燃料电池堆的网格，每个燃料电池堆包括一个或者多个热交换系统以用于在将所述燃料电池堆加热到允许所述燃料电池堆执行自持续功率生成反应的操作温度时使用，并且以用于在从所述燃料电池堆去除过量热时使用；

每个燃料电池堆的所述热交换系统被耦合到热交换途径的一个或者多个自动化阀；

每个阀被自动地控制以绕过所述燃料电池堆中的一个或者多个燃料电池堆的所述热交换系统或者经由所述热交换途径将所述燃料电池堆中的一个或者多个燃料电池堆的所述热交换系统连接到一个或者多个邻近燃料电池堆的所述热交换系统；

通过自动地控制所述阀以在附加过量热能变得可用时使得过量热能经由所述热交换途径从增加数目的较热燃料电池堆被路由到一个或者多个较凉燃料电池堆，来将三个或者更多个燃料电池堆的所述网格的级联启动初始化；

继续所述级联启动，直至三个或者更多个燃料电池堆的所述网格中的选择的数目的燃料电池堆已经达到能够在被供应反应燃料时执行自持续功率生成反应的操作温度；并且

其中所述级联启动包括过量热能从所述较热燃料电池堆向所述较凉燃料电池堆路由的扩展模式，所述扩展模式经由所述自动化阀被动态地控制以减少用于所述网格中的所述选择的数目的燃料电池堆的总启动时间。

2.根据权利要求1所述的燃料电池启动系统，还包括通过使用所述热交换途径以将一个或者多个燃料电池堆预热到操作温度而没有向预热的所述燃料电池堆供应反应燃料，来将那些燃料电池堆置于待命状态中。

3.根据权利要求1所述的燃料电池启动系统，还包括通过自动地控制所述阀以使得过量热能被路由到一个或者多个燃料电池堆以及增加反应燃料向那些燃料电池堆的流动来增加那些燃料电池堆的温度，来自动地适应负荷需求的瞬时增加。

4.根据权利要求1所述的燃料电池启动系统，其中所述燃料电池堆中的一个或者多个燃料电池堆还包括电加热器设备，所述电加热器设备在从执行自持续功率生成反应的一个或者多个燃料电池堆的所述级联启动期间接收电功率。

5.根据权利要求1所述的燃料电池启动系统，还包括从一个或者多个服务器计算机捕获废热，并且使用该废热以部分地预热所述燃料电池堆中的一个或者多个燃料电池堆。

6.根据权利要求1所述的燃料电池启动系统，还包括用于在所述燃料电池堆中的一个或者多个燃料电池堆中发起冷却的用户接口。

7.根据权利要求1所述的燃料电池启动系统，还包括用于冷却所述燃料电池堆中的一个或者多个燃料电池堆的冷却回路。

8.根据权利要求1所述的燃料电池启动系统，其中提供可用于所述热交换途径的过量热能以用于在改造所述反应燃料时使用。

9.根据权利要求1所述的燃料电池启动系统，还包括使用尾管燃烧器以燃烧来自所述燃料电池堆中的一个或者多个燃料电池堆的废气，以及使用来自燃烧废气的热能以提供用于加热一个或者多个较凉燃料电池堆的附加热能。

10.根据权利要求1所述的燃料电池启动系统，其中所述燃料电池网格从外部电网完全地断开。

11.一种燃料电池网格，包括：

被耦合到热交换网格的三个或者更多个燃料电池堆的网格；

其中所述热交换网格包括用于在所述燃料电池堆中的任何燃料电池堆之间分布热能的多个计算机控制的阀；

计算设备，用于通过自动地控制所述阀以使得过量热能经由所述热交换网格从增加数目的操作燃料电池堆被路由到一个或者多个较凉燃料电池堆来将三个或者更多个燃料电池堆的所述网格的级联启动初始化；

其中所述级联启动继续，直至选择的数目的燃料电池堆通过达到能够在被供应反应燃料时执行自持续功率生成反应的操作温度已经变得操作；并且

其中所述级联启动包括过量热能从所述操作燃料电池堆向所述较凉燃料电池堆路由的扩展模式，所述扩展模式由所述计算设备经由所述自动化阀动态地控制以减少用于所述网格中的所述选择的数目的燃料电池堆的启动时间。

12.根据权利要求11所述的燃料电池网格，还包括一个或者多个机架的计算设备，每个机架的计算设备共同位于所述燃料电池堆中的一个或者多个燃料电池堆附近，并且从共同定位的所述燃料电池堆中的一个或者多个燃料电池堆接收电功率。

13.根据权利要求12所述的燃料电池网格，还包括从所述机架的计算设备中的一个或者多个机架的计算设备收集废热，并且使用该废热以部分地预热一个或者多个燃料电池堆。

14.根据权利要求11所述的燃料电池网格，还包括通过使用所述热交换网格以将一个或者多个燃料电池堆预热到操作温度而没有向预热的所述燃料电池堆供应反应燃料，来将那些燃料电池堆置于待命状态中。

15.一种计算机可读存储设备，具有存储于其中的用于执行燃料电池网格的级联启动的计算机可执行指令，所述指令使得计算设备执行动作，所述动作包括：

控制被耦合到热交换网格的多个计算机控制的阀以在三个或者更多个燃料电池堆的网格中的任何燃料电池堆之间分布热能；

通过自动地控制所述阀以使得过量热能经由所述热交换网格从增加数目的操作燃料电池堆被路由到一个或者更多较凉燃料电池堆，来将三个或者更多个燃料电池堆的所述网格的级联启动初始化；

继续所述级联启动，直至选择的数目的燃料电池堆通过达到能够在被供应反应燃料时执行自持续功率生成反应的操作温度已经变得操作；并且

其中所述级联启动包括过量热能从所述操作燃料电池堆向所述较凉燃料电池堆路由的扩展模式，所述扩展模式由所述计算设备经由所述自动化阀动态地控制以减少用于所述网格中的所述选择的数目的燃料电池堆的启动时间。