CN110311158A - 操作具有燃料电池的功率生成系统的方法和控制子系统 - Google Patents

操作具有燃料电池的功率生成系统的方法和控制子系统 Download PDF

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Abstract

呈现了一种用于操作包括燃料电池的功率生成系统的方法。所述方法包括检测燃料电池的缺水条件。所述方法进一步包括响应于检测到燃料电池的缺水条件，借助于由燃料电池生成的电流的使用来操作功率生成系统的至少一个辅助负载以维持燃料电池中的蒸汽‑碳比高于阈值蒸汽‑碳比值。还呈现了一种用于操作功率生成系统的控制子系统。另外，呈现了包括燃料电池、至少一个辅助负载、和控制子系统的功率生成系统。

Description

操作具有燃料电池的功率生成系统的方法和控制子系统
背景技术
本说明书的实施例涉及功率生成系统，并且更具体地说，涉及用于操作功率生成系统以使得燃料电池中的蒸汽-碳比被维持高于阈值蒸汽-碳比值的方法和控制子系统。
燃料电池是电化学能量转换装置，与基于柴油和/或煤的功率生成系统的效率和污染相比较，其展示了在更高效率和更低污染方面的潜能。普通类型的燃料电池包括聚合物电解质膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、和固体氧化物燃料电池（SOFC）。诸如固体氧化物燃料电池（SOFC）的燃料电池可在大规模功率生成系统中操作以满足工业和市政需要。燃料电池通常包括阳极、阴极、和部署在阳极与阴极之间的电解质。通常，燃料电池基于在阳极接收到的氢和蒸汽与在阴极接收到的氧/空气之间的化学反应以生成电功率。
在采用燃料电池的传统功率生成系统中，燃料电池的阳极可由于阳极上的碳的沉积而遭受损害和退化。如将领会的，在操作期间，燃料电池生成水或蒸汽以作为排放（exhaust）。由燃料电池生成的水或蒸汽的量与由燃料电池生成的电流的量是成比例的。另外，在传统功率生成系统中，在某些情况下，所述情况包括但不限于来自功率生成系统的外部负载的丢失或者断开连接、功率生成系统的过早停机、功率生成系统的预定停机、或者功率生成系统的一个或多个内部组件的异常，由燃料电池生成的电流减小。因此，由燃料电池生成的水或蒸汽的量也可减小。相应地，在这些实例中，当由燃料电池生成的水或蒸汽降到低于某个量时，在燃料电池的阳极上沉积的碳的量增大，这导致阳极的退化。阳极的此退化进一步造成燃料电池的寿命中的降低以及传统功率生成系统的效率中的降低。
发明内容
根据本说明书的方面，呈现了一种用于操作包括燃料电池的功率生成系统的方法。所述方法包括检测燃料电池的缺水条件。所述方法进一步包括响应于检测到燃料电池的缺水条件，借助于由燃料电池生成的电流的使用来操作功率生成系统的至少一个辅助负载以维持燃料电池中的蒸汽-碳比高于阈值蒸汽-碳比值。
根据本说明书的另一个方面，呈现了一种用于操作包括燃料电池和至少一个辅助负载的功率生成系统的控制子系统。所述控制子系统包括传感器，其被耦合到燃料电池并且配置成生成指示由燃料电池生成的电流的电信号。所述控制子系统进一步包括一个或多个开关，其被耦合在燃料电池与至少一个辅助负载之间。另外，控制子系统包括控制器，其被操作地耦合到传感器和一个或多个开关。所述控制器配置成基于由传感器生成的电信号来检测燃料电池的缺水条件。所述控制器进一步配置成如果检测到缺水条件，则借助于由燃料电池生成的电流的使用来操作功率生成系统的至少一个辅助负载以维持燃料电池中的蒸汽-碳比高于阈值蒸汽-碳比值。
根据本说明书的仍有另一个方面，呈现了一种功率生成系统。所述功率生成系统包括燃料电池、至少一个辅助负载、以及被操作地耦合到所述燃料电池和所述至少一个辅助负载的控制子系统。所述控制子系统包括传感器，其被耦合到燃料电池并且配置成生成指示由燃料电池生成的电流的电信号。所述控制子系统进一步包括被耦合在所述燃料电池与所述至少一个辅助负载之间的一个或多个开关。另外，所述控制子系统包括控制器，其被操作地耦合到所述传感器和所述一个或多个开关。所述控制器配置成基于由传感器生成的电信号来检测燃料电池的缺水条件。所述控制器进一步配置成如果检测到缺水条件，则借助于由燃料电池生成的电流的使用来操作功率生成系统的所述至少一个辅助负载以维持燃料电池中的蒸汽-碳比高于阈值蒸汽-碳比值。
本发明提供了一组技术方案，如下。
技术方案1：一种用于操作包括燃料电池的功率生成系统的方法，所述方法包括：
检测所述燃料电池的缺水条件；以及
响应于检测到所述燃料电池的所述缺水条件，借助于由所述燃料电池生成的电流的使用来操作所述功率生成系统的至少一个辅助负载以维持所述燃料电池中的蒸汽-碳比高于阈值蒸汽-碳比值。
技术方案2：如技术方案1所述的方法，其中所述至少一个辅助负载包括所述功率生成系统的内部电力负载。
技术方案3：如技术方案1所述的方法，其中检测所述燃料电池的所述缺水条件包括确定由所述燃料电池生成的所述电流的幅值是否低于阈值电流值，并且其中所述阈值电流值对应于由所述燃料电池在所述阈值蒸汽-碳比值生成的所述电流。
技术方案4：如技术方案3所述的方法，其中所述至少一个辅助负载包括蒸汽锅炉、空气鼓风机、燃料鼓风机、附加负载、或其组合。
技术方案5：如技术方案4所述的方法，其中操作所述至少一个辅助负载包括：
借助于由所述燃料电池生成的所述电流的使用来操作所述空气鼓风机、所述燃料鼓风机、和所述附加负载的一项或多项以及所述蒸汽锅炉；以及
将由所述蒸汽锅炉生成的蒸汽供应到所述燃料电池。
技术方案6：如技术方案1所述的方法，其中操作所述至少一个辅助负载包括经由被操作地耦合到所述燃料电池的输出功率端口的直流（DC）链路将所述至少一个辅助负载电连接到所述燃料电池。
技术方案7：如技术方案1所述的方法，其中操作所述至少一个辅助负载包括经由交流（AC）链路将所述至少一个辅助负载电连接到所述燃料电池，其中所述AC链路被耦合到所述功率生成系统的逆变器的输出功率端口，并且其中所述逆变器的输入功率端口经由DC链路被耦合到所述燃料电池的输出功率端口。
技术方案8：如技术方案1所述的方法，其中所述阈值蒸汽-碳比值是在从大约2.5到大约3的范围中。
技术方案9：一种用于操作功率生成系统的控制子系统，其中所述功率生成系统包括燃料电池和至少一个辅助负载，所述控制子系统包括：
传感器，所述传感器被耦合到所述燃料电池并且配置成生成指示由所述燃料电池生成的电流的电信号；
一个或多个开关，所述一个或多个开关被耦合在所述燃料电池与所述至少一个辅助负载之间；以及
控制器，所述控制器被操作地耦合到所述传感器和所述一个或多个开关，其中所述控制器配置成：
基于由所述传感器生成的所述电信号来检测所述燃料电池的缺水条件；以及
如果检测到所述缺水条件，则借助于由所述燃料电池生成的所述电流的使用来操作所述功率生成系统的所述至少一个辅助负载以维持所述燃料电池中的蒸汽-碳比高于阈值蒸汽-碳比值。
技术方案10：如技术方案9所述的控制子系统，其中所述缺水条件是由于外部负载的丢失、所述功率生成系统的过早停机、所述功率生成系统的预定停机、或所述功率生成系统的一个或多个内部组件的异常、或其组合而造成的。
技术方案11：如技术方案9所述的控制子系统，其中所述一个或多个开关经由直流（DC）链路或交流（AC）链路被耦合到所述燃料电池。
技术方案12：如技术方案9所述的控制子系统，其中为借助于由所述燃料电池生成的所述电流的使用来操作所述功率生成系统的所述至少一个辅助负载，所述控制器配置成操作导电状态中的所述一个或多个开关。
技术方案13：如技术方案9所述的控制子系统，其中所述至少一个辅助负载包括所述功率生成系统的内部电力负载。
技术方案14：如技术方案9所述的控制子系统，其中所述至少一个辅助负载包括蒸汽锅炉、空气鼓风机、燃料鼓风机、燃料流量调节器、附加负载、或其组合。
技术方案15：如技术方案14所述的控制子系统，其中所述控制器配置成：
借助于由所述燃料电池生成的所述电流的使用来操作所述空气鼓风机、所述燃料鼓风机、所述燃料流量调节器、和所述附加负载的一项或多项以及所述蒸汽锅炉；以及
将由所述蒸汽锅炉生成的蒸汽供应到所述燃料电池。
技术方案16：一种功率生成系统，包括：
燃料电池；
至少一个辅助负载；
控制子系统，所述控制子系统被操作地耦合到所述燃料电池和所述至少一个辅助负载，所述控制子系统包括：
传感器，所述传感器被耦合到所述燃料电池并且配置成生成指示由所述燃料电池生成的电流的电信号；
一个或多个开关，所述一个或多个开关被耦合在所述燃料电池与所述至少一个辅助负载之间；
控制器，所述控制器被操作地耦合到所述传感器和所述一个或多个开关，其中所述控制器配置成：
基于由所述传感器生成的所述电信号来检测所述燃料电池的缺水条件；以及
如果检测到所述缺水条件，则借助于由所述燃料电池生成的所述电流的使用来操作所述功率生成系统的所述至少一个辅助负载以维持所述燃料电池中的蒸汽-碳比高于阈值蒸汽-碳比值。
技术方案17：如技术方案16所述的功率生成系统，还包括逆变器、直流（DC）链路、和交流（AC）链路，其中所述逆变器的输入功率端口经由所述DC链路被电连接到所述燃料电池，并且所述逆变器的输出功率端口被电连接到所述AC链路，并且其中所述一个或多个开关经由所述DC链路或所述AC链路被耦合到所述燃料电池。
技术方案18：如技术方案16所述的功率生成系统，其中所述至少一个辅助负载包括蒸汽锅炉、空气鼓风机、燃料鼓风机、燃料流量调节器、附加负载、或其组合。
技术方案19：如技术方案18所述的功率生成系统，其中所述蒸汽锅炉被耦合到水源并且配置成使用从所述水源接收到的水来生成蒸汽。
技术方案20：如技术方案18所述的功率生成系统，还包括：
燃料重整装置；
水分离器，所述水分离器被流控耦合到所述燃料重整装置；以及
内部水箱，所述内部水箱被流控耦合到所述水分离器并且配置成接收来自所述燃料重整装置的水，
其中所述蒸汽锅炉被耦合到所述内部水箱并且配置成接收来自所述内部水箱的所述水并且使用从所述内部水箱接收到的所述水来生成蒸汽。
附图说明
参照附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本说明书的这些和其它特征、方面和优点，附图中相似的符号表示贯穿附图中的相似的部分，其中：
图1是根据本说明书的方面的功率生成系统的框图；
图2是根据本说明书的另一个方面的功率生成系统的框图；
图3是根据本说明书的仍有另一个方面的功率生成系统的框图；
图4是根据本说明书的方面，用于操作图1-3的任何系统的功率生成系统的方法的流程图；
图5是根据本说明书的方面，用于检测在图1-3的任何系统中使用的燃料电池的缺水条件的方法的流程图；
图6是根据本说明书的方面，用于操作图2和3的任何系统的功率生成系统的方法的流程图；以及
图7是根据本说明书的方面，描绘由燃料电池生成的电流和由图2的功率生成系统中使用的蒸汽锅炉生成的蒸汽的流率的图形表示。
具体实施方式
除非另有限定，否则，本文中使用的技术和科学术语具有与由这份说明书所属领域技术人员通常理解的相同含义。在下面说明书和权利要求中，除非上下文另有明确规定，否则，单数形式“一”、“一个”和“所述”包括复数引用。在本文中使用时，除非上下文另有明确规定，否则，术语“或”无意于是排它的，并且指的是引用的组件中的至少一个是存在的和包括引用的组件的组合可在其中存在的实例。
在本文中使用时，术语“可”和“可以”指示在一组环境内发生的可能性；指定的性质、特性或功能的拥有；和/或通过表述与修饰的动词相关联的能力、性能、或可能性的一项或多项来修饰另一个动词。相应地，“可”和“可以”的使用指示修改的术语对于所指示的容量、功能、或使用明显是适当的、有能力的、或适合的，尽管将在一些情况下修改的术语可有时不是适当的、有能力的、或适合的考虑在内。
要注意的是，术语“流体”在本文中使用时包括流动的任何介质或材料，包括但不限于气体、液体、或其组合。此外，术语“流控耦合”在本文中使用时指的是在两个组件之间促进流体从一个组件到另一个组件或反之亦然的流动的布置或连接。
图1是根据本说明书的方面的功率生成系统100的框图。图1的功率生成系统100包括燃料电池102、控制子系统104、和诸如辅助负载106的至少一个辅助负载。控制子系统104可包括诸如开关110的一个或多个开关、诸如传感器112的一个或多个传感器、和控制器114。另外，外部负载108可也被电耦合到功率生成系统100。
在操作期间，功率生成系统100生成电功率并且将电功率供应到外部负载108。外部负载108可借助于从功率生成系统100供应的电功率来操作。外部负载108可包括消耗电力/电功率的一个或多个电气装置、器具、和/或设备。在某些实施例中，外部负载108可以是包括但不限于微电网或公用事业电网（utility electric grid）的电网。
燃料电池102通常包括阳极（图1中未示出）、阴极（图1中未示出）、和部署在阳极与阴极之间的电解质（图1中未示出）。在一些实施例中，燃料电池102可基于在阳极接收到的氢和蒸汽与在阴极接收到的氧/空气之间的化学反应来生成电功率。燃料电池102的非限制性示例可包括聚合物电解质膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、SOFC、或可逆燃料电池。燃料电池102将结合图2来更详细地描述。
辅助负载106可表示功率生成系统100的一个或多个内部电力负载。在某些实施例中，辅助负载106帮助由燃料电池102生成电功率。辅助负载106可包括蒸汽锅炉、空气鼓风机、燃料鼓风机、燃料流量调节器、或其组合的一项或多项（参见图2）。在一些实施例中，辅助负载106可经由诸如公用事业电网或本地能量存储装置的外部电源（未示出）来操作。在某些实施例中，辅助负载106可也包括附加（add-on）或伪（dummy）负载，诸如电容器组、能量存储装置、泵、通风机（ventilation blower）、电解器（electrolyzer）、一个或多个电阻、或其组合。辅助负载106可以是经由控制子系统104电可连接到燃料电池102。
在采用燃料电池的传统功率生成系统中，燃料电池的阳极可由于阳极上的碳的沉积而遭受损害和退化。具体地说，运转的燃料电池生成水和蒸汽以作为排放。由燃料电池生成的水或蒸汽的量与由燃料电池生成的电流的量是成比例的。在某些情况下，包括但不限于来自功率生成系统的外部负载的丢失或者断开连接、功率生成系统的过早停机、功率生成系统的预定停机、或者功率生成系统的一个或多个内部组件的异常可导致由燃料电池生成的电流中的降低。因此，由燃料电池生成的水或蒸汽的量也可减小。相应地，在这些实例中，当由燃料电池生成的水或蒸汽的量低于确定的量时，燃料电池的阳极上沉积的碳的量也增大。这种情况可造成阳极的进一步退化，其可又导致传统功率生成系统的效率中的降低。
为最小化或避免阳极的退化并且提高燃料电池102的效率，图1的功率生成系统100包括控制子系统104。根据本说明书的方面，控制子系统104配置成操作功率生成系统100以使得蒸汽的量与由燃料电池102生成的碳的量之比被维持高于阈值蒸汽-碳比值。可注意到的是，蒸汽的量与由燃料电池102生成的碳的量之比可被称为蒸汽-碳比。在非限制性示例中，阈值蒸汽-碳比可具有2.5的值。在另一个非限制性示例中，阈值蒸汽-碳比可具有3的值。在仍有另一个非限制性示例中，阈值蒸汽-碳比可具有从大约2.5到大约3的范围中的值。在一些实施例中，阈值蒸汽-碳比值可被存储在控制器114内部部署的或耦合到控制器114的存储器装置（未示出）中。另外，在某些实施例中，阈值蒸汽-碳比值可以是由功率生成系统100的操作员可定制的。
如前面所注意到的，控制子系统104包括开关110、传感器112、和控制器114。开关110被电耦合在燃料电池102与辅助负载106之间。更具体地说，开关110被电耦合在燃料电池102的输出功率端口116与辅助负载106之间。在一些实施例中，如在图1中所描绘的，传感器112可被部署在燃料电池102的输出功率端口116与开关110之间的电路径上。开关110可由控制器114在导电状态或非导电状态中被选择性地操作。当在导电状态中操作时，开关110允许电流经由其流过。然而，当在非导电状态中操作时，开关110阻断电流经由其流过。开关110可以是电可控开关，诸如半导体开关。所述半导体开关的非限制性示例可包括晶体管、栅极换向晶闸管、场效应晶体管（FET）、绝缘栅极双极晶体管（IGBT）、栅极关断晶闸管（GTO）、静电感应晶体管、静电感应晶闸管、或其组合。另外，用于形成半导体开关的材料可包括但不限于硅（Si）、碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、或其组合。另外，尽管在图1中描绘了具有单个开关110的控制子系统104，但是多于一个开关的使用也被设想在本说明书的范围内（参见图2和3）。
传感器112可被耦合到燃料电池102并且配置成生成指示由燃料电池102生成的电流的电信号。在非限制性示例中，传感器112可以是电流传感器。在一些实施例中，传感器112可被直接耦合到燃料电池102的输出功率端口116。在一些其它实施例中，传感器112可被耦合到直流（DC）链路（参见图2）。DC链路又被耦合到燃料电池102的输出功率端口116。由燃料电池102生成的电流流过DC链路。因此，在某些实施例中，由传感器112生成的电信号指示流过DC链路的DC电流。
此外，如图1中描绘的，控制器114被操作地耦合到传感器112和开关110。控制器114可包括特殊编程的通用计算机、电子处理器，诸如微处理器、数字信号处理器、和/或微控制器。另外，控制器114可包括输入/输出端口、和存储介质，诸如电子存储器。微处理器的各种示例包括但不限于精简指令集计算（RISC）架构类型微处理器或复杂指令集计算（CISC）架构类型微处理器。微处理器可以是单核类型或多核类型。备选的是，控制器114可被实现为硬件元件（诸如带有处理器的电路板）、或者被实现为在处理器（诸如个人计算机（PC）、或微控制器）上运行的软件。
在功率生成系统100的操作期间，燃料电池102生成电流。传感器112生成指示由燃料电池102生成的电流的电信号。另外，控制器114配置成接收来自传感器112的电信号。
可注意到的是，在某些情况下，燃料电池102可能会经历缺水条件。燃料电池102的缺水条件指的是当燃料电池102中的蒸汽-碳比低于阈值蒸汽-碳比值时燃料电池102的状态。燃料电池102的缺水条件可由于来自功率生成系统100的外部负载108的丢失或者断开连接、功率生成系统100的过早停机、功率生成系统100的预定停机、或者功率生成系统100的一个或多个内部组件的异常而被造成。在缺水条件下，燃料电池102中的蒸汽-碳比下降到低于阈值蒸汽-碳比值的值。根据本说明书的方面，控制器114配置成基于从传感器112接收到的电信号和预定义的电流阈值来检测燃料电池102的缺水条件。由控制器114执行以检测燃料电池102的缺水条件的步骤的细节将结合图5来描述。
如果检测到燃料电池102的缺水条件，则控制器114配置成借助于由燃料电池102生成的电流的使用来操作功率生成系统100的辅助负载106。具体地说，控制器114配置成操作导电状态中的开关110以借助于由燃料电池102生成的电流的使用来操作辅助负载106。在一个实施例中，控制器114可通过将控制信号传递到开关110来操作导电状态中的开关110。当在导电状态中操作时，开关110电连接辅助负载106与燃料电池102。
另外，控制器114配置成借助于由燃料电池102生成的电流来操作辅助负载106以维持燃料电池102中的蒸汽-碳比高于阈值蒸汽-碳比值。在一些实施例中，当开关110在导电状态中被操作以连接辅助负载106与燃料电池102时，辅助负载106从燃料电池102汲取电流。由辅助负载106汲取的电流又使燃料电池102生成与操作导电状态中的开关110前所生成的电流相比的更多电流。在由燃料电池102生成的电流的量增大时，由燃料电池生成的水的量也增大，这导致燃料电池102中的蒸汽-碳比中的增大。有利的是，当燃料电池102中的蒸汽-碳比高于阈值蒸汽-碳比值时操作燃料电池102提高了燃料电池102的寿命和效率。控制器114将参照图4- 6来更详细地描述。
图2是根据本说明书的另一个方面的功率生成系统200的框图。功率生成系统200可以表示图1的功率生成系统100的一个实施例。在一些实施例中，功率生成系统200可包括以下一项或多项：燃料电池202、控制子系统204、和至少一个辅助负载，诸如蒸汽锅炉206、空气鼓风机208、燃料鼓风机210、附加负载214、或其组合。功率生成系统200可也包括燃料源216、燃料流量调节器218、燃料重整装置220、水源222、逆变器224、直流（DC）链路226、交流（AC）链路228、燃料排放装置230、排气装置232、及排水装置234。控制子系统204可包括诸如开关236、238、240、241的一个或多个开关、传感器242、和控制器244。
燃料源216经由导管246被流控耦合到燃料流量调节器218。另外，燃料流量调节器218经由导管248被流控耦合到燃料重整装置220。此外，燃料重整装置220经由导管250被流控耦合到燃料鼓风机210，并且经由导管256被流控耦合到燃料排放装置230。另外，燃料鼓风机210经由导管252被流控耦合到燃料电池202。另外，水源222经由导管258被流控耦合到蒸汽锅炉206。另外，蒸汽锅炉206经由导管254被流控耦合到燃料重整装置220，并且经由导管260被流控耦合到燃料电池202。另外，空气鼓风机208经由导管262被流控耦合到燃料电池202。燃料电池202也经由导管264和266相应被流控耦合到排气装置232和排水装置234。沿导管246-266的箭头表示经由其流过的流体的流向。
另外，燃料源216可以表示燃料的储蓄器（reservoir）、箱体（tank）、或管线，其从外部源接收燃料并且供应燃料以供功率生成系统200中使用。所述燃料可包括烃气。在非限制示例中，烃气包括天然气。在不限制本说明书的范围的情况下，包括但不限于任何气体或液体的其它燃料可也在燃料流中被使用。其它燃料的非限制性示例可包括甲烷、乙烷、丙烷、生物气体、合成气、柴油、煤油、汽油、诸如喷气发动机燃料-8（JP-8）的喷气燃料、或其组合。
此外，燃料流量调节器218可配置成接收来自燃料源216的燃料，并且在控制子系统204的控制之下调节被供应到燃料重整装置220的燃料的流率。燃料重整装置220促进在从燃料流量调节器218接收到的燃料与从蒸汽锅炉206接收到的蒸汽之间的化学反应。由于该化学反应，燃料重整装置220产生氢和副产品，例如，二氧化碳和水。由燃料重整装置220生成的氢经由燃料鼓风机210被供应到燃料电池202。另外，化学反应的副产品可从燃料重整装置220被供应到燃料排放装置230。
此外，水源222可表示水的储蓄器、箱体、或管线，其从外部源接收水并且供应水以供功率生成系统200中使用。蒸汽锅炉206配置成接收来自水源222的水并且加热水以生成蒸汽。在一些实施例中，蒸汽锅炉206可以也是热交换器，其从热燃料流、热空气流、或两者中恢复（recuperate）热量。另外，蒸汽经由导管254也被供应到燃料重整装置220。另外，空气鼓风机208配置成经由导管262将空气/氧气供应到燃料电池202。在某些实施例中，空气鼓风机208可以也配置成将空气的适当供应提供到燃料电池202，以控制燃料电池202的温度和/或帮助燃料电池102中的化学反应。
另外，燃料电池通常包括阳极268、阴极270、和部署在阳极268与阴极270之间的电解质272。阳极268经由导管260接收来自蒸汽锅炉206的蒸汽并且经由导管252接收来自燃料鼓风机210的氢。阴极270经由导管262接收来自空气鼓风机208的空气/氧气。在一些实施例中，燃料电池202可基于在氢与氧之间的电化学反应来生成包括电流和电压的电功率。在一些其它实施例中，燃料电池202可基于在氢、蒸汽、氧、和一氧化碳（CO）之间的化学反应来生成电功率。在仍有另一个实施例中，燃料电池202可基于在氢、蒸汽、氧、甲烷、和CO之间的化学和电化学反应来生成电功率。
燃料电池202中的阴极270促进还原反应以从被供应到阴极270的空气生成负电性氧离子。在某些实施例中，通常在750°C与850°C之间的温度操作的燃料电池202能够实现负电性氧离子经由电解质272从阴极270到阳极268的转移。同时，电子可经由单独的电路径从阳极268行进到阴极270。电子的此流动构成直流（DC）电功率。另外，在阳极268，负电性氧离子可与自由氢或烃分子中的氢相组合以形成水汽和/或负电性氧离子可与一氧化碳相组合以形成二氧化碳。来自燃料电池202的水可经由导管266被释放到排水装置234。另外，被供应到燃料电池202的空气可经由导管264被释放到排气装置232。
此外，被操作地耦合到燃料电池202的DC链路226帮助将电流从燃料电池202传送到逆变器224。具体地说，DC链路226被电耦合在燃料电池202与逆变器224之间。更确切地说，DC链路226将燃料电池202的输出功率端口225与逆变器224的输入功率端口227电连接，并且将由燃料电池202生成的DC电流/功率供应到逆变器224。另外，在非限制性示例中，传感器242在燃料电池202的输出功率端口225与逆变器224的输入功率端口227之间的位置被电连接于DC链路226。DC链路226可包括两个导体（未示出），其中一个导体被维持在正电势，并且另一个导体被维持在负电势。在某些实施例中，DC链路226可也包括被电耦合在DC链路226的两个导体之间的电容器（未示出）。
逆变器224可以是DC到AC功率转换器。在一些实施例中，逆变器224可包括电子电路，其包括配置成将DC电功率转换成例如单相或三相电功率的AC电功率的半导体开关的布置。AC链路228可被电耦合到逆变器224的输出功率端口。AC链路228可以是单相AC链路或三相AC链路。来自逆变器224的AC电功率可经由AC链路228被供应到一个或多个外部负载（未示出）。
在功率生成系统200的操作期间，包括但不限于来自功率生成系统200的外部负载的丢失或者断开连接、功率生成系统200的过早停机、功率生成系统200的预定停机、或者功率生成系统200的一个或多个内部组件的异常的各种条件可导致由燃料电池202生成的电流/功率中的下降。相应地，在这些实例中，可能存在有由燃料电池202生成的水或蒸汽的量中的降低。如果由燃料电池202生成的水或蒸汽的量降到低于确定的量，则燃料电池202中的蒸汽-碳比也可能降到低于阈值蒸汽-碳比。在低于阈值蒸汽-碳比的蒸汽-碳比的燃料电池202的操作可造成阳极268的退化，这导致燃料电池202的效率中的降低。根据本说明书的方面，功率生成系统200的控制子系统204配置成操作功率生成系统200，以使得燃料电池202中的蒸汽-碳比被维持高于阈值蒸汽-碳比，由此减轻由于电流中的下降而造成的不良影响。
图2的控制子系统204表示图1的控制子系统104的一个实施例，并且包括类似组件。例如，开关236-240、241、传感器242、和控制器244类似于图1的相应组件。具体地说，开关236被连接在DC链路226与燃料鼓风机210之间，开关238被连接在DC链路226与蒸汽锅炉206之间，开关240被连接在DC链路226与空气鼓风机208之间，并且开关241被连接在DC链路226与附加负载214之间。另外，传感器242被电连接到燃料电池202。如图2的实施例中所示出的，传感器242经由DC链路226被电连接到燃料电池202并且配置成生成指示由燃料电池202生成的电流的电信号。
控制器244被操作地耦合到开关236-241和传感器242。控制器244可配置成接收来自传感器242的电信号。根据本说明书的方面，控制器244配置成基于从传感器244接收到的电信号和预定义的电流阈值来检测燃料电池202的缺水条件。由控制器244执行以检测燃料电池202的缺水条件的步骤的细节将结合图5来描述。
如果检测到缺水条件，则控制器244配置成借助于由燃料电池202生成的电流的使用来选择性地操作辅助负载的一个或多个，诸如蒸汽锅炉206、空气鼓风机208、燃料鼓风机210、附加负载214，以维持燃料电池202中的蒸汽-碳比高于阈值蒸汽-碳比值。为借助于由燃料电池202生成的电流的使用来操作辅助负载206、208、210、214，控制器244可通过将控制信号传递到开关236-241以选择性地操作导电状态中的开关236-241。当在导电状态中操作时，开关236-241将辅助负载206、208、210、214电连接到燃料电池102，以使得辅助负载206、208、210、214从燃料电池202汲取电流。
另外，在检测到缺水条件时，控制器244可配置成操作空气鼓风机208以控制燃料电池202的温度并且促进燃料电池202中的还原反应。此外，在检测到缺水条件时，控制器244可配置成操作燃料鼓风机210以将适当的氢含量提供到阳极268。控制器244将结合图4-6来更详细地描述。
在控制器244选择性地操作导电状态中的开关236-241时，辅助负载206、208、210、214从燃料电池202汲取电流。由辅助负载206、208、210、214汲取的电流又促使燃料电池202生成与在借助于由燃料电池202生成的电流的使用来操作辅助负载206、208、210、214前所生成的电流相比的更多电流。在由燃料电池202生成的电流的量增大时，由燃料电池202生成的水的量也增大。由燃料电池202生成的水的量中的增大导致燃料电池202中的蒸汽-碳比中的增大。有利的是，在燃料电池202中的蒸汽-碳比高于阈值蒸汽-碳比值时燃料电池202的操作提高了燃料电池202的寿命和效率。
图3是根据本说明书的仍有另一个方面的功率生成系统300的框图。图3的功率生成系统300表示图2的功率生成系统200的一个实施例。功率生成系统300的各种组件类似于图2的功率生成系统200的对应组件。图3的功率生成系统300包括以下一项或多项：燃料电池302、控制子系统304、和至少一个辅助负载，诸如蒸汽锅炉306、空气鼓风机308、燃料鼓风机310、附加负载314、或其组合。功率生成系统300可包括燃料源316、燃料流量调节器318、燃料重整装置320、逆变器324、DC链路326、AC链路328、燃料排放装置330、排气装置332、及排水装置334。控制子系统304可包括诸如开关336、338、340、341的一个或多个开关、传感器342、和控制器344。此外，功率生成系统300包括导管346、348、350、352、360、362、364、和366。燃料电池302包括阳极368、阴极370、和电解质372。另外，参考标号325和327可相应表示燃料电池302的输出功率端口和逆变器324的输入功率端口。
可注意的是，图3的功率生成系统300不包括诸如水源222（参见图2）的水源，所述水源接收来自在功率生成系统外的水。然而，功率生成系统300包括水分离器374和内部水箱376。水分离器374经由导管378被流控耦合到燃料重整装置320，并且经由导管380被流控耦合到燃料排放装置330。在某些实施例中，可选的冷却器（未示出）或热交换器（未示出）可沿导管378被流控耦合在燃料重整装置320与水分离器374之间。内部水箱376经由导管382被流控耦合到水分离器374，并且经由导管384被流控耦合到蒸汽锅炉306。
水分离器374接收来自燃料重整装置320的流体，所述流体包括水汽、氢、甲烷、一氧化碳、和二氧化碳，并且从接收到的流体中分离出水。另外，水分离器374经由导管382将水供应到内部水箱376。蒸汽锅炉306经由导管384接收来自内部水箱376的水，并且生成蒸汽。蒸汽锅炉306将蒸汽供应到燃料电池302。另外，在功率生成系统300的实施例中，开关336、338、和340被耦合到AC链路328，并且相应配置成将燃料鼓风机310、空气鼓风机308、和蒸汽锅炉306连接到AC链路328或断开燃料鼓风机310、空气鼓风机308、和蒸汽锅炉306与AC链路328的连接。
图4是根据本说明书的方面，用于操作图1-3中所描绘的任何功率生成系统中的功率生成系统的方法的流程图400。图4的流程图400结合图1的功率生成系统100来描述。可注意到的是，图4的方法也适用于图2和3的功率生成系统200、300。
在步骤402，控制器114配置成接收指示由功率生成系统100中的燃料电池102生成的电流的电信号。控制器114接收来自传感器112的指示由燃料电池102生成的电流的电信号。另外，在步骤404，控制器114配置成执行检查以检测燃料电池102是否在缺水条件（WDC）下操作。在一些实施例中，控制器114可基于在步骤402接收到的电信号来检测燃料电池102在缺水条件下操作。在缺水条件下操作燃料电池102的检测将结合图5来描述。
如果在步骤404确定燃料电池102在缺水条件下操作，则控制器114配置成借助于由燃料电池102生成的电流的使用来操作功率生成系统100的辅助负载106以维持燃料电池102中的蒸汽-碳比高于阈值蒸汽-碳比值，如由步骤406所指示的。在非限制性示例中，阈值蒸汽-碳比可具有2.5的值。在另一个非限制性示例中，阈值蒸汽-碳比可具有3的值。在仍有另一个非限制性示例中，阈值蒸汽-碳比可具有从大约2.5到大约3的范围中的值。在一些实施例中，阈值蒸汽-碳比值可被存储在控制器114内部部署的或耦合到控制器114的存储器装置中。另外，在某些实施例中，阈值蒸汽-碳比值可以是由功率生成系统100的操作员可定制的。
现在参照图5，呈现了根据本说明书的方面，用于检测在图1-3中所描绘的任何功率生成系统中使用的燃料电池的缺水条件的方法的流程图500。在一些实施例中，图5的流程图500可表示图4的步骤404的子步骤。图5的流程图500结合图1的功率生成系统100来描述。可注意到的是，图5的方法也适用于图2和3的功率生成系统200、300。
在步骤502，控制器114配置成确定由功率生成系统100的燃料电池102生成的电流的幅值。在一些实施例中，从传感器112接收到的电信号的幅值可表示由燃料电池102生成的电流的幅值。因此，控制器114可基于从传感器112接收到的电信号的幅值来确定由燃料电池102生成的电流的幅值。
另外，在步骤504，控制器114可从与控制器114相关联的存储器装置获得阈值电流值。在一些实施例中，阈值电流值可表示与阈值蒸汽-碳比值对应的电流的幅值。在某些实施例中，控制器114可配置成确定阈值电流值并且在存储器装置中存储阈值电流值以供由控制器114使用。控制器114可配置成基于阈值蒸汽-碳比值、燃料电池102的温度、到燃料电池102的燃料的流率、到燃料电池102的蒸汽的流率、或其组合来确定阈值电流值。举例来说，控制器114可使用数学模型、基于物理的模型、查找表、或其组合，来使用阈值蒸汽-碳比值、燃料电池102的温度、到燃料电池102的燃料的流率、到燃料电池102的蒸汽的流率、或其组合以确定阈值电流值。
另外，在步骤506，控制器114可配置成执行检查以通过将由燃料电池102生成的电流的幅值与预定义的电流阈值进行比较来确定所述电流的幅值是否低于预定义的电流阈值。在步骤506，如果确定由燃料电池102生成的电流的幅值低于预定义的电流阈值，则控制器114配置成确定燃料电池102在缺水条件下操作，如由步骤508所指示的。然而，在步骤506，如果确定由燃料电池102生成的电流的幅值大于或等于预定义的电流阈值，则控制器114配置成确定燃料电池102在正常操作而无任何缺水条件。
图6是根据本说明书的方面，用于操作图2和3的任何图的功率生成系统的方法的流程图600。流程图600参照图2的功率生成系统200来描述。可注意到的是，图6的方法可也适用于图3的功率生成系统300。
在步骤602，控制器244配置成接收指示由功率生成系统200中的燃料电池202生成的电流的电信号。控制器244接收来自传感器242的指示由燃料电池202生成的电流的电信号。另外，在步骤604，控制器244配置成执行检查以检测燃料电池202是否在缺水条件下操作。在一些实施例中，控制器244可基于在步骤602接收到的电信号来检测燃料电池202是否在缺水条件下操作。检测燃料电池202是否在缺水条件下操作的方法已结合图5被描述。
在步骤604，如果确定燃料电池202未在缺水条件下操作，则控制被返回到步骤602，并且步骤602和604被执行。然而，在步骤604，如果确定燃料电池202在缺水条件下操作，则在步骤606控制器244配置成执行另一个检查。
在步骤606，控制器244配置成确定蒸汽锅炉206是否借助于由燃料电池202生成的电流的使用来操作。在步骤606，如果确定蒸汽锅炉206没有借助于由燃料电池202生成的电流的使用来操作，则控制器244配置成借助于由燃料电池202生成的电流的使用来操作蒸汽锅炉206，如由步骤608所指示的。借助于由燃料电池202生成的电流的使用来操作蒸汽锅炉206促使电流从燃料电池202被汲取以供由蒸汽锅炉206使用，以生成蒸汽。由蒸汽锅炉206汲取的此额外电流又促使由燃料电池202生成额外电流。在一些实施例中，为操作蒸汽锅炉206，控制器244可配置成通过操作导电状态中的开关238来将蒸汽锅炉206耦合到DC链路226。在一些实施例中，为操作蒸汽锅炉306，控制器344可配置成通过操作导电状态中的开关338来将蒸汽锅炉306耦合到AC链路328（参见图3）。
在步骤610，由蒸汽锅炉206生成的蒸汽被供应到燃料电池202。从蒸汽锅炉206到燃料电池202的蒸汽的此供应进一步帮助增大燃料电池202中的蒸汽-碳比。随后，控制被返回到步骤602，并且步骤602和604被执行。
返回参照步骤606，如果确定蒸汽锅炉206已经借助于由燃料电池202生成的电流的使用来操作，则在步骤612控制器244配置成执行另一个检查。在步骤612，控制器244配置成确定所有其它辅助负载208、210、214是否借助于由燃料电池202生成的电流的使用来操作。如果确定所有其它辅助负载208、210、214没有借助于由燃料电池202生成的电流的使用来操作，则控制器244配置成借助于由燃料电池202生成的电流的使用来操作所有其它辅助负载208、210、214，如由步骤614所指示的。在一些实施例中，为操作辅助负载208、210、214，控制器244可配置成通过操作导电状态中的开关240、236、241来将辅助负载208、210、214连接到DC链路226。在某些实施例中，为操作辅助负载308、310，控制器344可配置成通过操作导电状态中的开关340、336来将辅助负载308、310连接到AC链路328（参见图3）。
在一些实施例中，在步骤614，辅助负载208、210、214可在两个阶段中被操作。例如，在第一阶段中，借助于由燃料电池202生成的电流的使用来操作辅助负载208和210。在第二阶段中，如果控制器244确定由燃料电池202生成的电流不足以维持燃料电池202中的蒸汽-碳比高于阈值蒸汽-碳值，则附加负载214可在操作辅助负载208和210后被操作。
其它辅助负载208、210、214的操作促使由燃料电池202生成的电流的量进一步增大，由此增大由燃料电池202生成的水。因此，燃料电池202中的蒸汽-碳比可进一步被增大。在执行步骤614后，控制被返回到步骤602。
再次参照步骤612，如果确定所有其它辅助负载208、210、214借助于由燃料电池202生成的电流的使用来操作，则控制器244可确定使用所有辅助负载206、208、210、214没有另外的电流能由燃料电池202所生成。相应地，在步骤612如果确定所有其它辅助负载208、210、214借助于由燃料电池202生成的电流的使用来操作，则控制器244可配置成生成警告，如由步骤616所指示的。在一些实施例中，警告可采用警报、诸如光或显示的视觉指示器、与功率生成系统200的操作员的有线和/或无线通信、或其组合的形式。另外，在步骤618，在一些实施例中，控制器244可启动功率生成系统200的紧急停机。在功率生成系统200的紧急停机期间，功率生成系统200的所有组件的操作可被暂停。
图7是根据本说明书的非限制性示例，描绘由燃料电池202生成的电流和由在图2的功率生成系统200中使用的蒸汽锅炉206生成的蒸汽的流率的图形表示700。在图7的图形表示700中，参考标号702、704、和706相应表示X轴，第一Y轴和第二Y轴。另外，由燃料电池202生成的电流使用由参考标号708标识的虚线来表示，并且由蒸汽锅炉206生成的蒸汽的流率通过由参考标号710标识的实线来表示。时间T1表示控制器244确定燃料电池202在缺水条件下操作（如在图6的步骤604所指示的）的所在的时间。另外，时间T2表示燃料电池202的缺水条件不再存在的所在的时间。例如，时间T2可表示造成燃料电池202中的缺水条件的问题已被解决的所在的时间。
如图7中所描绘的，在当燃料电池202在缺水条件下操作时的时间期T1-T2期间，由蒸汽锅炉206生成的蒸汽的流率710与在时间T1前和在时间T2后的任何其它时间相比是更大的。有利的是，在一些实施例中，在时间期T1-T2期间蒸汽的增大的流率710导致到燃料电池202的蒸汽的增大的供应，由此即使是在缺水条件的事件中也维持燃料电池202中的蒸汽-碳比高于阈值蒸汽-碳比值。
根据本说明书的一些方面，功率生成系统100、200、300的配置展示了与传统基于燃料电池的功率生成系统相比的某些优点。在功率生成系统100、200、300中，甚至是在缺水条件的事件中蒸汽-碳比也被维持高于阈值蒸汽-碳比值。相应地，甚至在燃料电池的缺水条件期间，在燃料电池102、202、302中也存在有蒸汽/水的适当量。有利的是，阳极268、368上的碳的沉积可被最小化，并且阳极268、368的退化可被最小化。保护阳极268、368使之免予碳沉积又提高了燃料电池102、202、302的寿命。因此，功率生成系统100、200、300的效率也得以提高。
此书面描述使用示例来公开了本发明，包括优选实施例，并且也使本领域技术人员能实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统并执行任何并入的方法。本说明书的可取得专利的范围由权利要求所限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求的字面语言并非不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等价结构元件，则它们意在权利要求的范围之内。来自描述的各种实施例的方面及对于每个此类方面的其它已知等价物能够由本领域技术人员来混合和匹配以构建根据本申请的原理的额外实施例和技术。

Claims (10)

1. 一种用于操作包括燃料电池的功率生成系统的方法，所述方法包括：
检测所述燃料电池的缺水条件；以及
响应于检测到所述燃料电池的所述缺水条件，借助于由所述燃料电池生成的电流的使用来操作所述功率生成系统的至少一个辅助负载以维持所述燃料电池中的蒸汽-碳比高于阈值蒸汽-碳比值。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个辅助负载包括所述功率生成系统的内部电力负载。
3.如权利要求1所述的方法，其中检测所述燃料电池的所述缺水条件包括确定由所述燃料电池生成的所述电流的幅值是否低于阈值电流值，并且其中所述阈值电流值对应于由所述燃料电池在所述阈值蒸汽-碳比值生成的所述电流。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述至少一个辅助负载包括蒸汽锅炉、空气鼓风机、燃料鼓风机、附加负载、或其组合。
5. 如权利要求4所述的方法，其中操作所述至少一个辅助负载包括：
借助于由所述燃料电池生成的所述电流的使用来操作所述空气鼓风机、所述燃料鼓风机、和所述附加负载的一项或多项以及所述蒸汽锅炉；以及
将由所述蒸汽锅炉生成的蒸汽供应到所述燃料电池。
6.如权利要求1所述的方法，其中操作所述至少一个辅助负载包括经由被操作地耦合到所述燃料电池的输出功率端口的直流（DC）链路将所述至少一个辅助负载电连接到所述燃料电池。
7.如权利要求1所述的方法，其中操作所述至少一个辅助负载包括经由交流（AC）链路将所述至少一个辅助负载电连接到所述燃料电池，其中所述AC链路被耦合到所述功率生成系统的逆变器的输出功率端口，并且其中所述逆变器的输入功率端口经由DC链路被耦合到所述燃料电池的输出功率端口。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述阈值蒸汽-碳比值是在从大约2.5到大约3的范围中。
9.一种用于操作功率生成系统的控制子系统，其中所述功率生成系统包括燃料电池和至少一个辅助负载，所述控制子系统包括：
传感器，所述传感器被耦合到所述燃料电池并且配置成生成指示由所述燃料电池生成的电流的电信号；
一个或多个开关，所述一个或多个开关被耦合在所述燃料电池与所述至少一个辅助负载之间；以及
控制器，所述控制器被操作地耦合到所述传感器和所述一个或多个开关，其中所述控制器配置成：
基于由所述传感器生成的所述电信号来检测所述燃料电池的缺水条件；以及
如果检测到所述缺水条件，则借助于由所述燃料电池生成的所述电流的使用来操作所述功率生成系统的所述至少一个辅助负载以维持所述燃料电池中的蒸汽-碳比高于阈值蒸汽-碳比值。
10.如权利要求9所述的控制子系统，其中所述缺水条件是由于外部负载的丢失、所述功率生成系统的过早停机、所述功率生成系统的预定停机、或所述功率生成系统的一个或多个内部组件的异常、或其组合而造成的。
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