CN114914478A - 氢燃料电池中的空气储罐和可变几何形状空气处理 - Google Patents
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Abstract
一种用于燃料电池堆的空气处理系统，包括：设置在压缩机下游的气动存储设备；流量控制阀系统，其被配置为将气动存储设备的入口可操作地耦合到压缩机的出口，并被配置为将气动存储设备的出口可操作地耦合到燃料电池堆的入口；以及控制器，其被配置为响应于功率需求大于阈值，使流量控制阀打开以增加从气动存储设备到燃料电池堆的空气流速率。
Description
相关申请的交叉引用
本非临时申请根据35 U.S.C.§119(e)和任何其它适用法律或法规，要求于 2021年 2 月 10 日提交的美国非临时专利申请序列号 17/172,764的权益和优先权，其全部公开内容特此通过引用明确并入本文中。
技术领域
本公开一般涉及用于操作氢燃料电池系统的系统和方法。
背景技术
诸如车辆之类的燃料电池系统使用氢气或富氢气体来给电机提供动力。燃料电池堆可以从燃料电池中发生的电化学反应以直流电（DC）的形式生成电。燃料处理器将燃料转换成燃料电池可用的形式。如果系统由诸如甲醇、汽油、柴油或气化煤之类的富氢的常规燃料提供动力，则重整器可以将碳氢化合物转换成氢和碳化合物的气体混合物或重整产物。重整产物然后可以转换成二氧化碳，净化并再循环回到燃料电池堆中。
发明内容
一种用于燃料电池堆的空气处理系统，包括：设置在压缩机下游的气动存储设备；流量控制阀系统，被配置为将气动存储设备的入口可操作地耦合到压缩机的出口，并被配置为将气动存储设备的出口可操作地耦合到燃料电池堆的入口；以及控制器，被配置为响应于功率需求大于阈值，使流量控制阀打开以增加从气动存储设备到燃料电池堆的空气流速率。
一种用于操作燃料电池堆的空气处理系统的方法，包括响应于功率需求大于阈值，控制流量控制阀以增加从气动存储设备到燃料电池堆的空气流速率。
一种用于燃料电池堆的空气处理系统，包括被配置为从燃料电池堆输出的排气回收能量的涡轮机、设置在涡轮机下游并被配置为向燃料电池堆供应第一体积的空气的压缩机、燃料电池堆上游的气动存储设备、以及被配置为响应于功率需求大于阈值功率需求的改变而从气动存储设备向燃料电池堆供应第二体积的空气的控制器，其中从涡轮机回收的能量被供应到涡轮机或控制器中的至少一个。
附图说明
详细描述特别参考以下附图，其中：
图1是图示示例燃料电池系统的框图；
图2是图示图1的燃料电池系统的示例空气处理系统的框图；以及
图3是图示用于操作图2的空气处理系统的示例过程流程的框图。
具体实施方式
虽然本公开的概念易于进行各种修改和替代形式，但是特定的示例性实施例已经在附图中通过示例的方式示出并将被描述。然而，应当理解，不意图将本公开的概念限制于所公开的特定形式；相反，意图是覆盖落入如由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同物和替代物。
说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“说明性实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以包括或可能不一定包括该特定特征、结构或特性。此外，这样的短语不一定指代相同的实施例。另外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，主张结合其它实施例实现这样的特征、结构或特性在本领域技术人员的知识范围内，无论是否明确描述。附加地，应当领会，以“至少一个A、B和C”的形式包括在列表中的项目可以意指（A）；（B）；（C）；（A和B）；（B和C）；（A和C）；或者（A、B和C）。类似地，以“A、B或C中的至少一个”的形式列出的项目可以意指（A）；（B）；（C）；（A和B）；（B和C）；（A和C）；或者（A、B和C）。
在一些情况下，所公开的实施例可以以硬件、固件、软件或其任何组合来实现。所公开的实施例还可以被实现为由一个或多个暂时性或非暂时性机器可读（例如，计算机可读）存储介质承载或存储在其上的指令，所述指令可以由一个或多个处理器读取和执行。机器可读存储介质可以体现为用于以机器（例如，易失性或非易失性存储器、介质盘或其它介质设备）可读的形式存储或传输信息的任何存储设备、机制或其它物理结构。
在附图中，一些结构或方法特征可以以特定布置和/或次序示出。然而，应当领会，可能不需要这样的特定布置和/或次序。而是，在一些实施例中，这样的特征可以以不同于说明性附图中所示出的方式和/或次序布置。附加地，在特定附图中包括结构或方法特征不意指暗示在所有实施例中都需要这样的特征，并且在一些实施例中，可以不包括其它特征或者可以与其它特征相组合。
燃料电池是电化学设备，其促进利用由使用等式（1）表达的化学反应产生的电能，使得：
为了发生上面的反应，单个燃料电池（例如，电池）的有效面积可以是1 cm2，并且每个电池可以产生预定义量的电压，例如2.2伏（V）。电池产生的电流与其有效表面积成正比。燃料电池可以连接在一起以形成燃料电池堆（例如，堆组装件），其产生预定义水平的电流和电压。
为了使得能够连续产生能量，需要不断的氧气和氢气流传递通过电池。理想地，应该使用纯氧气和氢气作为反应物。然而，为了操作经济的利益，一些系统或车辆仅在车上存储氢气，并使用环境空气作为氧气源。
氢气在专门的储罐中通常存储在非常高的压强（例如300-700巴）下。燃料电池堆组装件可以被配置为在预定义温度范围（例如60-80℃（摄氏度））内操作。在一些实例中，燃料电池堆组装件的性能可能在更高的操作温度下（诸如当燃料电池堆的温度高于例如90℃时）恶化。燃料电池使用来自环境空气的氧气作为氧化剂来将存储在燃料存储储罐中的化学能转换成另一种形式。
燃料电池在满足期望的功率需求值中可能展现时间延迟（例如，瞬态迟滞）。在一些实例中，非常快的瞬变（例如，90kW系统中的150 kW/s）对燃料电池的损坏更大，并且可能必要先进的技术来限制燃料电池暴露于瞬变。燃料电池的耐久性可能受到燃料电池经历启动过程的次数影响。因此，燃料电池可以用作稳态能量产生设备，并且可以与被配置为处理瞬态负载的电池耦合。缓慢的瞬态操作也导致需要更大和更昂贵的电池系统来确保令人满意的电池寿命。
更准确地控制引入空气储罐的空气或氧化剂的压强使流量/压强瞬变最小化，由此改进堆耐用性并减少空气输送到堆的时间迟滞，缩短燃料电池堆的功率上升速率。在一些示例中，空气输送到堆中的时间迟滞可以从三秒或更多缩短到一秒或更少。附加地或替代地，当功率需求低于预定义阈值时，优化储罐压强可以调制辅助负载，从而避免不必要的断电事件。
在一个示例中，设置在空气处理系统的压缩机下游的加压空气存储设备（诸如空气储罐）可以快速（例如，一秒或更少）将空气流输送到燃料电池堆，由此减少或消除燃料输送和空气输送到燃料电池堆之间的时间迟滞。作为另一个示例，将一个或多个加压空气存储设备定位在压缩机下游使得能够当压缩机没有在操作时（诸如在由于从燃料电池堆汲取的功率小于预定义阈值所致的关闭事件期间）将空气输送到燃料电池堆。每个加压空气存储设备可以由压缩机经由一个或多个流量控制阀填充。作为仍另一个示例，布置在燃料电池堆的出口处（或附近）的可变几何形状的涡轮机，例如代替固定几何形状的涡轮机，可以准许使用来自加压空气存储设备的空气流发起涡轮机操作。因此，给定燃料电池系统内的空气存储设备和/或可变几何形状涡轮机的实现可以使得能够实现更平滑的流和背压控制。
图1图示了示例燃料电池系统100，其包括燃料电池堆102、功率电子控制器104（例如，系统控制器）、电池106、功率电子模块110、电动发电机112和变速器114（尽管在系统100中可以利用这些各种组件中的一个或多个，诸如功率电子控制器104）。控制器104监视和控制燃料电池堆102及其各种支持子系统的操作。功率电子模块110包括一个或多个DC-DC转换器，其被配置为将供应给燃料电池堆102的操作电压与电池106和总线电压电隔离。功率电子模块110包括逆变器，并且被配置为在电池106和连接到变速器114的电动发电机112之间传送功率。
燃料电池堆102包括多个电池（例如，燃料电池），其内发生电化学反应以生成电流。诸如氢气或碳氢化合物之类的燃料通过场流板被引导到燃料电池一侧的阳极，而来自空气的氧气被引导到电池另一侧的阴极。在阳极处，诸如铂催化剂之类的催化剂使氢分裂成正氢离子（质子）和带负电的电子。聚合物电解质膜（PEM）准许带正电的离子通过PEM流到阴极。带负电的电子沿着外部回路被导向阴极，从而创建电路（电流）。在阴极处，电子和带正电的氢离子与氧组合形成水，所述水从燃料电池流出。
一般而言，燃料电池堆102的每个燃料电池产生的功率量至少部分取决于传递通过燃料电池的反应物的量。如至少参考图2所描述的，燃料处理和输送回路在相对恒定的压强（例如，预定义压强值的1巴内的波动）下操作，这确保燃料在需求功率增加后几乎瞬间输送到燃料电池。燃料电池车辆的空气处理系统、系统或设备压强在正常操作期间可能波动显著地更大（例如，大于1巴的波动、2巴或更大的波动、3巴或更大的波动等等），照此满足给定功率需求或功率需求的改变所需的空气流可能不可用或可能在延迟之后被输送到燃料电池。此外，由于环境空气仅包含大约五分之一（或20%）体积的氧气，因此需要通过系统循环的空气量至少是氢气量的两倍。因此，向燃料电池102输送足够量的空气可能比输送燃料更慢，从而引起发电延迟。这样的延迟的发电引起电池106上的高电流汲取，由此对电池106的长寿造成负面影响。
此外，在发电的任何延迟期间，传递通过系统的氢气最终被浪费。未被满足的增加的功率需求，甚至在短时间段内，引起阳极板和阴极板之间的压强不平衡，从而带来气流瞬变，其使燃料电池的操作降级。作为一个示例，PEM燃料电池的膜特别容易受到由流量和压强波动引起的瞬变影响。这样的瞬变可能损坏或以其它方式缩短膜的使用寿命。
图2图示了包括空气处理系统220的示例燃料电池功率系统200，所述空气处理系统220被配置为提供改进的空气调节并最小化燃料电池堆202的入口242处的压强波动。特别地，空气处理系统220包括诸如空气储罐之类的气动存储设备204，以及多个流量控制阀206、208、210。
空气处理系统220向燃料电池堆202供应经调控的空气，以馈送发电反应。进入空气处理系统220的环境空气可以在进入压缩机222之前传递通过空气过滤器218。电机224控制压缩机222的速度，以增加空气压强和设定空气流速率二者。诸如系统控制器104之类的控制器可以控制电机224的操作。由压缩机222输出的冷却空气传递通过空气加湿器226，所述空气加湿器226被配置为在堆202的操作温度下用水使空气流饱和，这可以诸如通过控制器来监视和控制。热交换器228接收空气加湿器226输出的饱和空气。
气动存储设备204被配置为确保在增加的功率需求期间稳定的新鲜空气流可用。在一个示例中，响应于功率需求值大于预定义阈值，气动存储设备204可以被配置为将空气流供应到燃料电池系统200的空气处理系统220中。作为另一个示例，气动存储设备204可以被配置为响应于功率需求值大于预定义阈值的改变而将空气流供应到燃料电池堆202中。在仍另一个示例中，气动存储设备204可以被配置为响应于功率需求值和功率需求值的阈值改变的某种组合而将空气流提供到空气处理系统220中。
气动存储设备204可以经由第一流量控制阀206可操作地耦合到空气加湿器226。设备204中的加压空气可以用作新鲜空气源，以开始发电。在一个示例中，气动存储设备204可以被配置为当第一流量控制阀206打开时将空气流导向辅助加湿器226中，并且当第一流量控制阀206关闭时防止空气流从气动存储设备204到辅助加湿器226中。在一个示例中，第一流量控制阀206的操作可以由图1的系统控制器104监视和控制。气动存储设备204可以经由第二流量控制阀208填充，所述第二流量控制阀208将存储设备204可操作地连接到压缩机222的出口252处的管线。照此，诸如气动存储设备204之类的机载空气存储设备确保在给定的时间段内更大量的空气的可用性，以最小化实现有效电化学反应的延迟。以类似于上面针对第一流量控制阀206所描述的方式，系统控制器104可以被配置为监视和控制第二流量控制阀208和/或本文中公开的任何其它控制阀的操作。
此外，为了防止燃料电池堆202响应于汲取的功率小于预定义量而关闭，这影响了燃料电池堆202的耐用性和使用寿命，压缩机222可以被配置为充当辅助负载来给气动存储设备204充电。因此，存储设备和压缩机可配置为防止燃料电池响应于某些操作条件而关闭。当燃料电池堆202关闭时，来自气动存储设备204的加压流可以用于发起将空气输送到燃料电池堆202中，由此在不必打开压缩机222的情况下快速启动发电反应。
空气冷凝器214和涡轮机216处理离开燃料电池堆202的排气流。将燃料电池堆202的出口244可操作地连接到空气冷凝器214的入口246的压强控制阀212操作以从由燃料电池堆202的阴极输出的排气移除水和水蒸气。空气冷凝器214冷却排气流，此时气流进入涡轮机216的入口248。涡轮机216将来自燃料电池堆202的气流的热能和流动（压强）能转换成机械能。该回收的机械能可以帮助诸如电机224之类的电机运行压缩机222。离开涡轮机216的空气被释放到大气中。
在示例中，气动存储设备204可以经由第三流量控制阀210可操作地耦合到在空气冷凝器214的出口250和涡轮机216的入口248之间延伸的管线。以类似于第一流量控制阀206的方式，气动存储设备204可以被配置为当第三流量控制阀210打开时将空气流导向空气冷凝器214的出口250下游的管线中，并且当第三流量控制阀210关闭时防止空气流从气动存储设备204到空气冷凝器214的出口250处的管线中。也设想用于操作第三流量控制阀210的其它方法。在示例中，第三流量控制阀210可以被配置为准许来自气动存储设备204的空气流，同时防止来自空气冷凝器214的空气流。
在一些实例中，诸如在启动事件期间，气动设备204可以被配置为诸如通过第三流量控制阀210将空气流导向到涡轮机216中。在一些实例中，燃料电池系统100、200可以配备有可变几何形状涡轮机，使得来自气动设备204的空气流使扭矩被施加到压缩机222上，由此发起将新鲜空气输送到燃料电池堆202的一个或多个燃料电池的阴极。该方法引起在燃料电池堆202的阴极侧的入口242处存在热空气，由此在冷启动和预热事件期间进行辅助。可变几何形状涡轮机的几何形状可以根据操作条件进行适配，以调制空气处理系统和大气之间的压缩机速度、负载和/或压强比。此外，对于在较高压强下操作的燃料电池系统，涡轮机可以直接耦合到阴极的出口，以增加从阴极排气回收的能量的量。
因此，本公开的空气处理系统220最小化了发生发电反应所必要的输送氧气的延迟。空气处理系统220被配置为确保稳定和恒定的氧气对燃料电池堆202的每个燃料电池的可用性，由此最小化瞬变并增加（一个或多个）燃料电池和燃料电池堆202的操作寿命。
燃料电池功率系统200的燃料处理系统240包括一个或多个氢存储储罐230。再循环泵232被配置为从所述一个或多个氢存储储罐230选择性地汲取至少一部分氢燃料，并将该部分氢导向燃料电池堆202的阳极侧。设置在再循环泵232的入口254和燃料电池堆202的阳极的出口256之间的电和/或机械控制的压强阀234可以被配置为通过释放燃料再循环回路内的过量氢气来选择性地释放压强。燃料电池堆202的阳极的出口256处的阳极废气的至少一部分可以被导向再循环泵232，在这里排气可以与来自存储储罐230的氢燃料混合。
氢气和氧气组合产生水和电的反应是放热反应，并且生成热量。包括燃料电池车辆的堆冷却238的热系统被配置为排出热量并将燃料电池堆202的操作温度维持在预定义阈值或温度范围内。
燃料电池堆202生成能量（例如，电功率）来为动力系250提供动力，所述动力系250可以与燃料电池系统200或车辆的单独系统集成。动力系250可以包括驱动电机（例如电动发电机112）、变速器（例如变速器114）和/或一个或多个辅助组件中的一个或多个。燃料电池堆202能量可以用于维持电池和电子器件236的辅助车辆电池的充电，例如，向连接到低电压总线的一个或多个组件或设备供电的低电压电池。电池和电子系统236的辅助车辆电池可以以类似于参考图1描述的电池106的方式操作。附加地或替代地，由燃料电池堆202生成的至少一部分功率可以直接传送到燃料电池车辆机载的多个电子设备，诸如但不限于被配置为调节燃料电池堆202的输出功率的一个或多个电子控制器或设备，例如参考图1描述的功率电子模块110的一个或多个组件、一个或多个系统控制器，例如图1的系统控制器104、转向系统的一个或多个控制器或其它组件、推进组件冷却系统和内部舱室加热通风和A/C（HVAC）系统等等。
图3图示了用于操作空气处理系统（诸如图2的空气处理系统200）的示例过程流程300。过程300可以由燃料电池系统、车辆或其某种组合的一个或多个控制器执行。在一个示例中，系统控制器104响应于满足对应的参数阈值或者响应于对应的命令来执行过程300。过程300开始于框302，其中控制器104接收指示当前功率需求参数值的信号。虽然过程300描述了监视和评估功率需求参数值，但是在一些实例中，控制器104可以接收指示不同参数值的信号，诸如功率需求参数值的改变。
在框304处，控制器104确定接收到的功率需求值是否大于预定义阈值。响应于接收到的功率需求值小于预定义阈值，在框306处，诸如控制器104之类的控制器防止空气流从气动存储设备204到燃料电池系统200中。控制器104然后可以结束或退出过程300。
响应于功率需求值和/或功率需求值大于预定义阈值的改变，在框308处，诸如控制器104之类的控制器发起（或继续）来自气动存储设备204的空气流。在框310处，控制器104确定是否已经满足请求的功率需求。控制器104返回到框308，在框308中，响应于功率需求未被满足，控制器104继续引起来自气动存储设备204的气流。在框312处，控制器104响应于功率需求被满足，停止空气流从气动存储设备204到燃料电池系统200中。
根据本公开，备用加压空气的存在使得空气处理系统能够更快地响应于空气需求的突然增加，以由此改进系统的瞬态性能。来自储罐的输出的智能致动可以将空气处理系统中的压强水平选择性地增加到期望的压强水平和/或将空气处理系统中的压强水平维持在预定义的合期望压强水平，这将最小化流量瞬变并改进燃料电池堆的耐用性。来自储罐的输出的智能致动使得燃料电池能够更快地（例如，在从零功率到最大功率值的3-6秒内）响应于功率需求的增加，由此改进瞬变功率响应并缩短实现峰值功率的时间段。
以下编号的实施例是设想的并且是非限制性的。
1.一种用于燃料电池堆的空气处理系统，所述系统包括：
压缩机；
设置在压缩机下游的气动存储设备；
流量控制阀系统，其被配置为将气动存储设备的入口可操作地耦合到压缩机的出口，并且被配置为可操作地将气动存储设备的出口耦合到燃料电池堆的入口；以及
控制器，其被配置为响应于功率需求大于阈值，使流量控制阀打开，以增加从气动存储设备到燃料电池堆的空气流速率。
2.根据条款1、任何其它合适的条款或合适条款的任何组合所述的系统，其中所述流量控制阀系统包括：
设置在第一管线中的第一流量控制阀，所述第一管线可操作地耦合气动存储设备的出口和燃料电池堆的入口；和
设置在第二管线中的第二流量控制阀，所述第二管线将压缩机的出口可操作地耦合到气动存储设备的入口。
3.根据条款2、任何其它合适的条款或合适条款的任何组合所述的系统，其中所述控制器被配置为独立于第一流量控制阀选择性地控制第二流量控制阀以向气动存储设备供应一定体积的空气。
4.根据条款2、任何其它合适的条款或合适条款的任何组合所述的系统，进一步包括涡轮机，所述涡轮机可操作地耦合到压缩机，并被配置为从出自燃料电池堆排出的空气流回收能量，以增加系统中的压强。
5.根据条款4、任何其它合适的条款或合适条款的任何组合所述的系统，其中所述涡轮机包括可变几何形状涡轮机，其被配置为调制压缩机的操作速度、从燃料电池堆汲取的功率或压强比中的至少一个。
6.根据条款4、任何其它合适的条款或合适条款的任何组合所述的系统，进一步包括第三流量控制阀，所述第三流量控制阀被配置为将气动存储设备可操作地耦合到涡轮机的入口，其中所述控制器被配置为选择性地使第三流量控制阀打开，以增加从气动存储设备到涡轮机的入口中的空气流速率，使得扭矩被施加到压缩机上，并且空气流被输送到燃料电池堆。
7.一种用于操作燃料电池堆的空气处理系统的方法，所述方法包括：
响应于功率需求大于阈值，控制流量控制阀以增加从气动存储设备到燃料电池堆的空气流速率。
8.根据条款7、任何其它合适的条款或合适条款的任何组合所述的方法，其中所述流量控制阀是第一流量控制阀，并且进一步包括第二流量控制阀，所述第二流量控制阀被配置为将压缩机的出口可操作地耦合到气动存储设备。
9.根据条款8、任何其它合适的条款或合适条款的任何组合所述的方法，进一步包括选择性地控制第二流量控制阀以向气动存储设备供应一定体积的空气。
10.根据条款8、任何其它合适的条款或合适条款的任何组合所述的方法，进一步包括从通过涡轮机从燃料电池堆排出的空气流回收能量，以增加系统中的压强。
11.根据条款10、任何其它合适的条款或合适条款的任何组合所述的方法，进一步包括调制压缩机的操作速度、从燃料电池堆汲取的功率或压强比中的至少一个。
12.根据条款10、任何其它合适的条款或合适条款的任何组合所述的方法，进一步包括选择性地使第三流量控制阀打开，以增加从气动存储设备到涡轮机的入口中的空气流速率，使得扭矩被施加到压缩机上，并且空气流被输送到燃料电池堆。
13.一种用于燃料电池堆的空气处理系统，所述系统包括：
涡轮机，其被配置为从燃料电池堆输出的排气回收能量；
压缩机，其设置在涡轮机的下游，并被配置为向燃料电池堆供应第一体积的空气；
燃料电池堆上游的气动存储设备；以及
控制器，其被配置为响应于功率需求大于阈值功率需求的改变，从气动存储设备向燃料电池堆供应第二体积的空气；
其中从涡轮机回收的能量被供应给涡轮机或控制器中的至少一个。
14.根据条款13、任何其它合适的条款或合适条款的任何组合所述的系统，其中所述压缩机被配置为向气动存储设备选择性地供应第三体积的空气。
15.根据条款13、任何其它合适的条款或合适条款的任何组合所述的系统，其中所述第一和第二体积的空气在燃料电池堆的上游混合。
16.根据条款13、任何其它合适的条款或合适条款的任何组合所述的系统，其中所述控制器响应于从气动存储设备向燃料电池堆供应第二体积的空气而停止压缩机的操作。
17.根据条款13、任何其它合适的条款或合适条款的任何组合所述的系统，进一步包括阀，所述阀将气动存储设备可操作地耦合到涡轮机的入口，其中所述控制器控制阀的操作以控制从气动存储设备到涡轮机的空气流速率。
18.根据条款17、任何其它合适的条款或合适条款的任何组合所述的系统，其中所述涡轮机包括可变几何形状涡轮机，其被配置为调制压缩机的操作速度、从燃料电池堆汲取的功率或压强比中的至少一个。
19.根据条款19、任何其它合适的条款或合适条款的任何组合所述的系统，其中从气动存储设备导向涡轮机的空气流速率使扭矩被施加到压缩机上。
20.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池堆，其包括一个或多个燃料电池；
条款13的空气处理系统；以及
燃料处理系统，其被配置为向燃料电池堆的一个或多个燃料电池供应一定体积的氢气。
虽然已经在附图和前述描述中详细图示和描述了本公开，但是这样的图示和描述被认为在特性方面是示例性的而不是限制性的，应当理解，仅已经示出和描述了说明性的实施例，并且期望保护落入本公开精神内的所有改变和修改。
本文中描述的方法、装置和系统的各种特征产生了本公开的优点。将注意到，本公开的方法、装置和系统的替代实施例可能不包括所描述的所有特征，但仍受益于这样的特征的至少一些优点。本领域的普通技术人员可以容易地设计并入了本发明的一个或多个特征并且落入如由所附权利要求限定的本公开的精神和范围内的他们自己的方法、装置和系统的实现。
Claims (15)
1.一种用于燃料电池堆的空气处理系统，所述系统包括：
压缩机；
设置在压缩机下游的气动存储设备；
流量控制阀系统，其被配置为将气动存储设备的入口可操作地耦合到压缩机的出口，并且被配置为将气动存储设备的出口可操作地耦合到燃料电池堆的入口；以及
控制器，其被配置为响应于功率需求大于阈值，使流量控制阀打开，以增加从气动存储设备到燃料电池堆的空气流速率。
2. 根据权利要求1所述的系统，其中所述流量控制阀系统包括：
设置在第一管线中的第一流量控制阀，所述第一管线可操作地耦合气动存储设备的出口和燃料电池堆的入口；和
设置在第二管线中的第二流量控制阀，所述第二管线将压缩机的出口可操作地耦合到气动存储设备的入口。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述控制器被配置为独立于第一流量控制阀选择性地控制第二流量控制阀以向气动存储设备供应一定体积的空气。
4.根据权利要求2所述的系统，进一步包括涡轮机，所述涡轮机可操作地耦合到压缩机，并被配置为从出自燃料电池堆排出的空气流回收能量，以增加系统中的压强。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述涡轮机包括可变几何形状涡轮机，其被配置为调制压缩机的操作速度、从燃料电池堆汲取的功率或压强比中的至少一个。
6.根据权利要求4所述的系统，进一步包括第三流量控制阀，所述第三流量控制阀被配置为将气动存储设备可操作地耦合到涡轮机的入口，其中所述控制器被配置为选择性地使第三流量控制阀打开，以增加从气动存储设备到涡轮机的入口中的空气流速率，使得扭矩被施加到压缩机上，并且空气流被输送到燃料电池堆。
7.一种用于操作燃料电池堆的空气处理系统的方法，所述方法包括：
响应于功率需求大于阈值，控制流量控制阀以增加从气动存储设备到燃料电池堆的空气流速率。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述流量控制阀是第一流量控制阀，并且进一步包括第二流量控制阀，所述第二流量控制阀被配置为将压缩机的出口可操作地耦合到气动存储设备。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括选择性地控制第二流量控制阀以向气动存储设备供应一定体积的空气。
10.根据权利要求8所述的方法，进一步包括从通过涡轮机从燃料电池堆排出的空气流回收能量，以增加系统中的压强。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括调制压缩机的操作速度、从燃料电池堆汲取的功率或压强比中的至少一个。
12.根据权利要求10所述的方法，进一步包括选择性地使第三流量控制阀打开，以增加从气动存储设备到涡轮机的入口中的空气流速率，使得扭矩被施加到压缩机上，并且空气流被输送到燃料电池堆。
13.一种用于燃料电池堆的空气处理系统，所述系统包括：
涡轮机，其被配置为从燃料电池堆输出的排气回收能量；
压缩机，其设置在涡轮机的下游，并被配置为向燃料电池堆供应第一体积的空气；
燃料电池堆上游的气动存储设备；以及
控制器，其被配置为响应于功率需求大于阈值功率需求的改变，从气动存储设备向燃料电池堆供应第二体积的空气；
其中从涡轮机回收的能量被供应给涡轮机或控制器中的至少一个。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述压缩机被配置为向气动存储设备选择性地供应第三体积的空气。
15.根据权利要求13所述的系统，其中所述第一和第二体积的空气在燃料电池堆的上游混合。
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