CN115742874A - 具有串联连接的子系统的燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

具有串联连接的子系统的燃料电池系统。一种系统包括燃料电池发动机、多个开关器件和控制器。燃料电池发动机包括作为燃料电池串被串联连接的多个燃料电池模块，并且然后多个这些串被并联连接。（一个或多个）开关器件电耦合，以在需要时绕过每（一个或多个）模块和/或断连每（一个或多个）串。（一个或多个）模块和/或（一个或多个）串是被绕过、断连还是保持操作的决策是基于输入到嵌入在燃料电池控制器内的有限状态机和故障管理过程中的传感反馈。在模块级的旁路方案以使得串联串内的剩余模块可以向终端应用提供持续不中断的电流流动这样的方式处理。

Description

具有串联连接的子系统的燃料电池系统
相关申请的交叉引用
本非临时申请在35 U.S.C.§119(e)和任何其他适用法律或法规下要求于2021年9月3日提交的美国临时专利申请序列号63/240,709的权益和优先权，该美国临时专利申请的全部公开内容特此通过引用明确并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及用于操作燃料电池系统的系统和方法，该燃料电池系统具有串联电连接的至少两个燃料电池模块。
背景技术
燃料电池因其高效利用燃料开发直流（DC）而闻名。燃料电池通常以电串联的方式聚集在燃料电池组装件中，以在有效电压或电流下产生电力。因此，互连结构用于串联或并联连接或耦合相邻的燃料电池，以形成燃料电池堆或燃料电池系统。
包括多个燃料电池的燃料电池堆或系统的选择性利用可以包括限制、减少和/或调节操作性的燃料电池数量。例如，包括燃料电池的燃料电池堆或系统可以仅操作燃料电池堆或系统的一部分，诸如提供必要电力以在可接受的级别下操作交通工具和/或动力系的燃料电池的任何子集或任何数量的燃料电池（例如，仅10个燃料电池、6个燃料电池或4个燃料电池）。
附加地，包括多个燃料电池的燃料电池堆或系统的选择性利用可以包括限制、降低和/或调节操作性的总燃料电池系统的任何比例的燃料电池所提供的电力容量。例如，包括在100%容量下操作的任何数量的燃料电池的燃料电池堆或系统可以选择性地用于在范围从0%到大约100%的任何容量下操作，包括其中包含的任何特定的操作性容量百分比。
一个或多个燃料电池模块的故障可能引起整个推进系统和/或发电系统变得不起作用。因此，可能需要持续不中断的电力输送源。本公开总体上涉及用于操作燃料电池系统的系统和方法，该燃料电池系统具有串联电连接以提供不中断电力的至少两个燃料电池模块。
发明内容
包括本公开的实施例，以满足这些和其他需求。在本文描述的本公开的一个方面，一种旁路系统或装置包括燃料电池堆和/或系统、开关器件和控制器。该燃料电池系统包括第一燃料电池模块、与第一燃料电池模块串联电连接的第二燃料电池模块以及与第一燃料电池模块和第二燃料电池模块并联电连接的第三燃料电池模块。
开关器件电耦合在第三燃料电池模块与第一和第二燃料电池模块之间。控制器被配置为响应于第一燃料电池模块和第二燃料电池模块中的至少一个的输出电压小于阈值，操作以断开开关器件，从而将第一和第二燃料电池模块与第三燃料电池模块断连，以从第三燃料电池模块提供持续不中断的输出电压流动。
在一些实施例中，第一燃料电池模块、第二燃料电池模块和第三燃料电池模块中的每一个可以包括彼此电连接的多个燃料电池。在一些实施例中，开关器件可以是接触器和半导体开关器件之一。在一些实施例中，半导体开关器件可以是场效应晶体管和双极结型晶体管之一。
在一些实施例中，旁路系统可以进一步包括电连接到燃料电池系统输出的直流（DC）-DC转换器（也称为DC-DC转换器）。第三燃料电池模块的输出电压可以对应于DC-DC转换器的最小输入电压。在一些实施例中，旁路系统可以进一步包括电连接在第一燃料电池模块和第二燃料电池模块中的至少一个的二极管，以防止响应于开关器件断开而发生朝向第一和第二燃料电池模块的反向电流流动。
在一些实施例中，在开关器件断开之前，燃料电池系统的输出电压（例如，燃料电池系统的总输出电压）可以对应于第三燃料电池模块的输出电压与第一燃料电池模块和第二燃料电池模块的输出电压之和的组合。在一些实施例中，响应于开关器件断开，燃料电池系统的输出电压（例如，燃料电池系统的总输出电压）可以对应于第三燃料电池模块的输出电压。
在本公开的第二方面，一种操作旁路系统的方法包括以下步骤：响应于燃料电池系统的第一燃料电池模块和第二燃料电池模块中至少一个的输出电压小于阈值，断开开关器件，从而将燃料电池系统的第一和第二燃料电池模块与第三燃料电池模块断连，以从第三燃料电池模块提供持续不中断的输出电压流动。第一燃料电池模块串联电连接到第二燃料电池模块，并且第三燃料电池模块并联电连接到第一燃料电池模块和第二燃料电池模块。
在一些实施例中，第一燃料电池模块、第二燃料电池模块和第三燃料电池模块中的每一个可以包括彼此电连接的多个燃料电池。在一些实施例中，断开开关器件可以包括断开接触器和半导体开关器件之一。在一些实施例中，半导体开关器件可以是场效应晶体管和双极结型晶体管之一。在一些实施例中，该方法可以进一步包括将燃料电池系统的输出电耦合到直流DC到DC转换器。来自第三燃料电池模块的输出电压可以对应于DC-DC转换器的最小输入电压。
在一些实施例中，该方法可以进一步包括将二极管电连接到第一燃料电池模块和第二燃料电池模块中的至少一个，以防止响应于开关器件断开而发生朝向第一和第二燃料电池模块的反向电流流动。在一些实施例中，在断开开关器件之前，燃料电池系统的输出电压（例如，燃料电池系统的总输出电压）可以对应于第三燃料电池模块的输出电压与第一燃料电池模块和第二燃料电池模块的输出电压之和的组合。在一些实施例中，响应于开关器件的断开，燃料电池系统的输出电压（例如，燃料电池系统的总输出电压）可以对应于第三燃料电池模块的输出电压。
在本公开的第三方面，一种用于燃料的燃料电池存储和推进系统或装置（例如，燃料电池燃料存储和推进系统）包括牵引电机、电连接以提供输出电压来操作牵引电机的燃料电池系统以及电耦合在燃料电池系统输出和牵引电机输入之间的电压转换器。该燃料电池系统包括第一燃料电池模块、第二燃料电池模块、第三燃料电池模块和第四燃料电池模块。第一燃料电池模块串联电连接到第二燃料电池模块，并且第三燃料电池模块串联电连接到第四燃料电池模块。第一和第二燃料电池模块并联连接到第三和第四燃料电池模块，使得响应于第一燃料电池模块和第二燃料电池模块中的至少一个的输出电压小于阈值，第一和第二燃料电池模块与燃料电池系统的输出断连，以从第三和第四燃料电池模块向电压转换器提供持续不中断的电压流动。
在一些实施例中，第一燃料电池模块、第二燃料电池模块、第三燃料电池模块和第四燃料电池模块中的每一个可以包括彼此电连接的多个燃料电池。在一些实施例中，用于燃料的燃料电池存储和推进系统可以进一步包括电耦合在燃料电池系统的输出与第一和第二燃料电池模块以及第三和第四燃料电池模块之间的开关器件。响应于开关器件断开，第一和第二燃料电池模块可以与燃料电池系统的输出断连。在一些实施例中，用于燃料的燃料电池存储和推进系统可以进一步包括电连接到第一燃料电池模块和第二燃料电池模块中的至少一个的二极管，以防止响应于开关器件断开而发生朝向第一和第二燃料电池模块的反向电流流动。
附图说明
详细描述特别参考了以下各图，其中：
图1A是包括连接到配套设施（a balance of plant）的一个或多个燃料电池堆的燃料电池系统的图示；
图1B是包括一个或多个燃料电池模块的燃料电池系统的图示；
图1C是燃料电池堆中燃料电池部件的图示；
图2是图示示例燃料电池交通工具的框图；
图3是图示图2的燃料电池交通工具的示例燃料电池堆的框图；
图4是图示根据本公开的示例旁路系统的框图；和
图5是图示用于从燃料电池堆提供持续不中断电力流的示例性过程流程的框图；
图6是图示图2的燃料电池交通工具的另一示例燃料电池堆的框图；
图7是图示用于控制去往和来自图1的燃料电池交通工具的燃料电池堆的电力分配的硬件部件布置的一个示例实现的框图；和
图8是图示用于控制去往和来自图1的燃料电池交通工具的燃料电池堆的电力分配的硬件部件布置的另一示例实现的框图。
当参考本文所述附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解。还对附图进行参考，所述附图形成了本公开的一部分，并且通过具体实施例的图示的方式示出了可以实践本公开的方式。足够详细地描述了这些实施例，以使得本领域技术人员能够实践所要求保护的内容，并且这些实施例不是限制性的。取而代之，应理解，在不脱离本发明和/或权利要求的精神和范围的情况下，可以利用其他实施例，并且可以进行逻辑机械和电气改变。
具体实施方式
如图1A中所示，燃料电池系统10通常包括连接到配套设施（BOP）16的一个或多个燃料电池堆12或燃料电池模块14，其包括各种部件，以创建、生成和/或分配电力以环境友好的方式满足现代工业和商业需求。如图1B和图1C中所示，燃料电池系统10可以包括燃料电池堆12，该燃料电池堆12包括多个单独的燃料电池20。每个燃料电池堆12可以容纳串联和/或并联连接在一起的多个燃料电池20。燃料电池系统10可以包括一个或多个燃料电池模块14，如图1A和图1B中所示。
每个燃料电池模块14可以包括多个燃料电池堆12和/或多个燃料电池20。燃料电池模块14还可以包括被采用来支持燃料电池模块14的功能和操作的相关联结构元件、机械系统、硬件、固件和/或软件的合适组合。这样的项在没有限制的情况下包括管道、传感器、调节器、集电器、密封件和绝缘体。
燃料电池堆12中的燃料电池20可以堆叠在一起，以倍增和增加单个燃料电池堆12的电压输出。燃料电池系统10中的燃料电池堆12的数量可以取决于操作燃料电池系统10和满足任何负载的电力需求所需的电力量而变化。燃料电池堆12中的燃料电池20的数量可以取决于操作包括燃料电池堆12的燃料电池系统10所需的电力量而变化。
每个燃料电池堆12或燃料电池系统10中的燃料电池20的数量可以是任何数量。例如，每个燃料电池堆12中的燃料电池20的数量可以范围从大约100个燃料电池到大约1000个燃料电池，包括在其中包含的任何特定数量或数量范围的燃料电池20（例如，大约200个到大约800个）。在实施例中，燃料电池系统10可以包括大约20到大约1000个燃料电池堆12，包括在其中包含的任何特定数量或数量范围的燃料电池堆12（例如，大约200到大约800个）。燃料电池模块14内的燃料电池堆12中的燃料电池20可以在任何方向上定向，以优化燃料电池系统10的操作效率和功能性。
燃料电池堆12中的燃料电池20可以是任何类型的燃料电池20。燃料电池20可以是聚合物电解质膜或质子交换膜（PEM）燃料电池、阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）、碱性燃料电池（AFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、直接甲醇燃料电池（DMFC）、再生燃料电池（RFC）、磷酸燃料电池（PAFC）或固体氧化物燃料电池（SOFC）。在示例性实施例中，燃料电池20可以是聚合物电解质膜或质子交换膜（PEM）燃料电池或固体氧化物燃料电池（SOFC）。
在图1C中所示的实施例中，燃料电池堆12包括多个质子交换膜（PEM）燃料电池20。每个燃料电池20包括单个膜电极组装件（MEA）22和在膜电极组装件（MEA）22的一侧或两侧上的气体扩散层（GDL）24、26（参见图1C）。燃料电池20进一步包括在每个气体扩散层（GDL）24、26外侧的双极板（BPP）28、30。以上提及的部件22、24、26、30包括单个重复单元50。
双极板（BPP）28、30负责燃料电池20中的反应物、诸如燃料32（例如氢气）或氧化剂34（例如氧气、空气）和冷却流体36（例如冷却剂和/或水）的传输。双极板（BPP）28、30可以通过氧化剂流场42和/或燃料流场44将反应物32、34均匀分布到每个燃料电池20的活性区域40。发生电化学反应以生成由燃料电池20产生的电力的活性区域40居中在膜电极组装件（MEA）22处的气体扩散层（GDL）24、26和双极板（BPP）28、30内。双极板（BPP）28、30被压缩在一起，以将一个或多个反应物32隔离和/或密封在它们相应的路径、通道和/或流场42、44内，从而维持导电性，这是燃料电池20操作期间鲁棒性所需要的。
本文所述的燃料电池系统10可以用在诸如工业应用和发电厂的固定和/或不可移动的电力系统中。燃料电池系统10也可以结合电解槽18和/或其他电解系统18来实现。在一个实施例中，燃料电池系统10串联或并联连接和/或附接到电解系统18，诸如BOP 16中的一个或多个电解槽18（参见图1A）。在另一个实施例中，燃料电池系统10没有串联或并联连接和/或附接到电解系统18，诸如BOP 16中的一个或多个电解槽18。
本燃料电池系统10也可以用在移动应用中。在示例性实施例中，燃料电池系统10在交通工具和/或动力系100中。包括本燃料电池系统10的交通工具100可以是汽车、通行汽车、公共汽车、卡车、火车、机车、飞行器、轻型交通工具、中型交通工具或重型交通工具。
交通工具和/或动力系100可以用在道路、公路、铁路、航线和/或水道上。交通工具100可以用在包括但不限于非公路运输、截尾（bobtail）和/或采矿装备的应用中。例如，采矿装备交通工具100的示例性实施例是采矿卡车或运矿卡车。
本公开的燃料电池系统10包括将彼此串联连接的两个或更多个燃料电池模块14组合成子系统11。特别地，绕过两个或更多个串联连接的燃料电池模块14——其中一个或多个串联连接的燃料电池模块14有故障或者以其他方式不起作用和/或不可操作——以使得燃料电池系统10的其余部分能够保持操作。在一些实例中，燃料电池模块14的串联连接子系统11可以在DC-DC转换器154之前或之后与其他这样的子系统11并联电连接。在其他实例中，燃料电池模块14的串联连接的子系统11可以在没有任何这样的DC-DC转换器154的情况下电连接，从而通过绕过（一个或多个）故障模块14而允许每个子系统11继续操作。
本公开的旁路系统300包括一个或多个电器件和/或电半导体器件，诸如二极管314、电接触器310或MOSFET 310。在一些实例中，一个或多个电器件和/或电半导体器件的选择可以基于燃料电池电力模块的电流流量和/或开路燃料电池电压之和的反向电压。燃料电池20生成的电流量取决于燃料电池膜22的活性区域和燃料电池20操作所处于的电流密度。在该特定实施例中，可以支持1000安培以上的电流，并且反向电压可以范围从0 V到整个串中串联连接元件的数量乘以1.23 V。
在其内已经发生故障的子系统11可以继续操作，其中电流绕过燃料电池20，并且其中故障燃料电池模块14的空气供应34和氢气供应32被禁用。本公开的旁路系统300可以包括一个或多个硬件器件，该一个或多个硬件器件被配置为响应于燃料电池模块14的电压小于阈值而禁用氢气32向给定的燃料电池模块14的流动。
在一些实例中，一个或多个燃料电池模块14已被禁用和/或绕过的燃料电池堆子系统11的输出电压可以基于能量转换和输送系统的DC-DC转换器154的最小输入电压。
如果为子系统11中的剩余燃料电池模块14提供比可能的更多的电力，则本公开的旁路系统300使能持续不中断的生成和输送电力，从而允许子系统11继续供应电力，而在电力输送中没有任何中断（除了输出电力的降低）。可以实现用于其中可以容忍短暂中断的应用的故障方案，该故障方案在标识模块14的硬故障并封锁之前允许该同一模块14的多个故障。
图2图示了用于示例性燃料电池交通工具100上的燃料的示例燃料电池存储和推进系统102。虽然图示了交通工具100，但是本公开的燃料电池系统10可以用于移动或固定应用上。本公开的固定燃料电池20应用包括遇到有限的、最小的移动或没有移动（例如，燃料电池20根本不移动）的燃料电池系统10，诸如工业燃料电池系统10。本公开的固定燃料电池20应用还可以包括移动或可移动的燃料电池系统10，其能够变得固定，诸如通过暂时或永久地停止或中止它们的移动。本公开的示例性固定燃料电池20应用是变得固定的移动燃料电池系统10，诸如交通工具100上的燃料电池系统10。
用于燃料32的示例燃料电池存储和推进系统或装置102包括燃料电池燃料存储系统150、燃料电池系统10、高压电池158和牵引电机162。示例性燃料电池交通工具100的燃料电池燃料存储系统150向燃料电池系统10提供燃料32。燃料电池系统10使用化学过程从燃料电池燃料32生成电能。燃料电池20的示例性燃料32是氢气、氢基、天然气、压缩气体、危险液体、甲醇、乙醇或其组合。在示例性实施例中，燃料32是氢气或氢基的。燃料32与燃料电池系统10中的氧化剂34（例如氧气或空气）相互作用，以便以电化学方式产生将为一个或多个应用供电的电。
诸如氢气或碳氢化合物的燃料32通过场流板28、30被引导至燃料电池20或燃料电池堆12一侧的阳极，而来自空气的氧气34被引导至燃料电池20或燃料电池堆12另一侧的阴极。在阳极，诸如铂催化剂的催化剂使得氢气32分裂成正氢离子（质子）和带负电的电子。在PEMFC的情况下，聚合物电解质膜（PEM）准许带正电的离子通过PEM流向阴极。带负电的电子沿着外部回路被定向到阴极，从而创建电路和/或电流。在阴极，电子和带正电的氢离子与氧气组合以形成水，水流出燃料电池20或燃料电池堆12。燃料流从燃料电池20或燃料电池堆12的出口排出，并通过阳极入口再循环回到阳极。
在说明性实施例中，交通工具100的主电源可以是燃料电池系统10。图3图示了图2的交通工具100的燃料电池系统10的示例实现。燃料电池系统10可以包括一个或多个、多和/或多个燃料电池20和/或燃料电池堆12。典型的燃料电池20是多部件组装件。多燃料电池20可以被压缩并结合成单个燃料电池系统10。
多个燃料电池20可以被配置为串联连接和/或堆叠，以便燃料电池系统10生成操作交通工具100所需的电力。在示例中，多个燃料电池20中的一个或多个可以在被组合成单个燃料电池系统10之前彼此电连接或以其他方式组合成子集或模块14。仅作为一个示例，包括600个燃料电池20的给定燃料电池系统10可以包括3个燃料电池模块14，每个燃料电池模块14有200个燃料电池20。当然，也设想每个燃料电池系统10的燃料电池20的数量、每个燃料电池模块14的燃料电池20的数量和/或每个燃料电池系统10的燃料电池模块14的数量的其他组合。
燃料电池20可以产生电力作为电压输出。在一些实例中，燃料电池系统10的输出电压可以基于单个燃料电池20的电压输出与（诸如在燃料电池堆12中）堆叠在一起的燃料电池20的数量之间的乘积来确定。燃料电池20、燃料电池模块14或燃料电池系统10通常使用氢气32或富氢燃料32来发电，该电可以为诸如电动机的应用供电。燃料电池20、燃料电池模块14或燃料电池系统10可以从燃料电池20、燃料电池模块14或燃料电池系统10中的氢气（燃料）32和氧气（氧化剂）34之间的电化学反应来发电。
如图2中图示的，燃料电池系统10生成的电能可以存储在高压电池158中，以供示例燃料电池交通工具100的一个或多个推进或非推进部件使用。此外，由燃料电池系统10生成的电能的至少一部分——无论是直接还是经由高压电池158——都可以用于为牵引电机162供电。牵引电机162机械耦合到差速器164，该差速器164将电力分配给轮166以操作示例燃料电池交通工具100。仍此外，由燃料电池系统10生成的电能的至少一部分——无论是直接还是经由高压电池158——都可以被传送来为示例燃料电池交通工具100的诸如内部照明、舱室冷却和信息娱乐系统（未示出）的电部件和/或附件156供电。
燃料电池DC-DC转换器154将燃料电池系统10输出的DC电力增高到与电附件156和/或高压电池158兼容的电压。牵引逆变器160将由高压电池158和/或燃料电池系统10供应的DC电力逆变成与牵引电机162兼容的AC电力。牵引逆变器160可以是双向的，并且可以将由以发电机模式操作的牵引电机162输出的AC电力转换成DC电力，用于传送到高压电池158。在一些实例中，其中一个或多个燃料电池模块14已经被禁用和/或被绕过的燃料电池堆子系统11的输出电压可以基于能量转换和输送系统的DC-DC转换器158的最小输入电压。
图4图示了根据本公开的示例旁路系统300。示例旁路系统300包括第一燃料电池模块14A、第二燃料电池模块14B、第三燃料电池模块14C和开关器件310。第二燃料电池模块14B与第一燃料电池模块14A串联电连接。第三燃料电池模块14C与第一燃料电池模块14A和第二燃料电池模块14B并联电连接。开关器件310电耦合在第三燃料电池模块14C与第一和第二燃料电池模块14A、14B之间。
控制器312被配置为响应于燃料电池系统10或交通工具100的另一部件、组装件或子系统的一个或多个操作条件被满足而控制开关器件310断开和闭合。例如，响应于第一燃料电池模块14A和第二燃料电池模块14B中的至少一个的输出电压小于阈值，控制器312操作以断开开关器件310，从而将第一和第二燃料电池模块14A、14B与第三燃料电池模块14C断连，以从第三燃料电池模块14C提供持续不中断的输出电压流动。在示例中，第三燃料电池模块14C的输出电压对应于DC-DC转换器154的最小输入电压。
因此，如果为子系统11中的剩余燃料电池模块14（例如第三燃料电池模块14C）提供比可能的更多的电力，则本公开的旁路系统300使能持续不中断的生成和输送电力，从而允许燃料电池系统10继续供应电力，而在电力输送中没有任何中断（除了输出电力的降低）。可以实现用于其中可以容忍短暂中断的应用的故障方案，该故障方案在标识模块14的硬故障并封锁之前允许该同一模块14的多个故障。
在开关器件310断开之前，燃料电池系统10的输出电压（例如，燃料电池系统的总输出电压）对应于第三燃料电池模块14C的输出电压与第一燃料电池模块14A和第二燃料电池模块14B的输出电压之和的组合。响应于开关器件310断开，燃料电池系统10的输出电压对应于第三燃料电池模块14C的输出电压。
在一个示例中，旁路系统300包括第四燃料电池模块14D。第三燃料电池模块14C与第四燃料电池模块14D串联电连接。因此，响应于开关器件310断开，燃料电池系统10的输出电压对应于第三燃料电池模块14C和第四燃料电池模块14D的输出电压之和。
开关器件310可以是电或机电器件，其被配置为当闭合时，在开关器件310的第一端和开关器件310的第二端之间和/或在开关器件310的第一端和第二端周围连接的一个或多个器件之间建立持续电连接。开关器件310被配置为当断开时，使开关器件310的第一端和开关器件310的第二端之间和/或在开关器件310的第一端和第二端周围连接的一个或多个器件之间的能量流中断。在示例中，开关器件310是接触器和半导体开关器件之一。半导体开关器件的示例包括但不限于场效应晶体管（FET）、双极结型晶体管（BJT）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。
在示例中，旁路系统300包括二极管314，该二极管314电连接以防止电流朝向第一和第二燃料电池模块14A、14B反向流动，该反向流动可能响应于开关器件310断开而发生。
图5图示了用于从交通工具100的燃料电池系统10提供持续不中断的能量流的示例过程和/或方法400。根据本公开，示例过程400的一个或多个操作可以由控制器312执行。示例过程400可以开始于框402，其中控制器312检测或接收指示至少两个串联连接的燃料电池模块14（例如第一燃料电池模块14A和第二燃料电池模块14B）中的每一个的输出电压值的信号。在框404，控制器312确定输出电压值是否小于阈值。响应于输出电压值大于阈值，控制器312可以返回到框402，在此它检测至少两个串联连接的燃料电池模块14（例如，第一燃料电池模块14A和第二燃料电池模块14B）的输出电压值。
响应于燃料电池系统10的第一燃料电池模块14A和第二燃料电池模块14B中至少一个的输出电压小于阈值，控制器312在框406处操作以断开开关器件310，从而将燃料电池系统10的第一和第二燃料电池模块14A、14B与第三燃料电池模块14C电断连，以从第三燃料电池模块14C提供持续不中断的输出电压流动，其中第三燃料电池模块14C并联电连接到第一燃料电池模块14A和第二燃料电池模块14B。过程400然后可以结束。在一些实例中，响应于控制器312检测至少两个串联连接的燃料电池模块14（例如，第一燃料电池模块14A和第二燃料电池模块14B）中的每一个的输出电压值，可以重复示例过程400。
本公开的燃料电池控制系统600涉及用于操作燃料电池系统10、并且更具体地用于在故障安全应用中操作由多个燃料电池子系统11组成的燃料电池系统10的控制方法技术和集成硬件，使得任何一个子系统11的故障不影响燃料电池系统10作为整体满足必要操作标准的能力。（例如，参见图7）。燃料电池系统10作为整体可以由串联的N个燃料电池子系统11组成，并且然后通过接触器310的方式或者通过经由DC-DC转换器154的连接的方式并联M个这些“串联串”；使得存在构成整个燃料电池系统10的总共P = N×M个燃料电池子系统11（例如，参见图6）。
当将燃料电池20集成到应用中时，该N-1的冗余或甚至M-1的冗余（例如，参见图6）可能是有用的，所述应用诸如航空航天应用，其中单个故障不能使系统操作停止，以及对于铁路应用，其中阻断一段铁路轨道的后果要求强制性的系统可靠性，使得没有一个故障能导致系统不可操作性。
特别地，在燃料电池系统10直接（例如，通过接触器310）或经由DC-DC转换器154连接到负载（未示出）的情况下，系统102设计使得尽管系统102内发生了一个或多个故障，燃料电池系统10仍然能够满足负载和/或DC/DC在该N-1或M-1操作模式下的电压要求。作为另一个示例，在终端应用要求准许的情况下，本发明的细节不限于N-1或M-1，而是可以是多模块14变得不起作用的扩展场景。
根据本公开的系统600包括以下特征。嵌入在总体燃料电池系统控制器312内的有限状态机和故障升级程序通过最大允许电力或最大允许电流控制方案管理由每个独立子系统11供应的电力，并且能够在子系统11之间切换最大允许电力。
嵌入每个子系统控制器312内的有限状态机和故障升级程序——其详述每个子系统11的故障和报警过程并且其取决于局部化故障的严重性——可以被配置为将模块14“封锁”在系统10的剩余部分之外或以其他方式从系统10的剩余部分排除，直到给出主重置命令。在该实例中，由“串联串”作为整体供应的负载将不被中断，但是负载将被瞬间切换到同一串联串中的其他模块154。如果期望，则总体燃料电池控制系统600然后将能够以短时间方式将负载切换到另一个操作串。子系统控制器312可以被配置为尝试重启已经变得完全或部分不起作用的串联连接的单元，例如，控制器312可以自动重置故障结果。在该实例中，由串联串中的其他模块14供应的负载也将被中断，以允许串预充电过程发生。
图7和图8图示了本公开的控制系统600的一个或多个方面的示例实现。在一个实现中，如图7和图8中所示，本公开的系统600包括在子系统11级嵌入硬件架构，以便允许有故障模块14周围的电流的立即分流以及同一串联串和其他并联串中的其他模块14的安全操作，而不引起被绕过的子系统11的进一步损坏或降级。一般而言，实现的硬件部件包括但不限于瞬时电流分流硬件和用于分流硬件的集成适当冷却。（例如，参见图7和图8）。
作为另一个示例，本公开的系统600的部件可以包括截止氢气的电磁阀，以防止氢气32进入被绕过的模块。作为仍又一个示例，本公开的系统600包括独立的空气控制，其可以利用在子系统11级实现的空气截止阀以及还利用空气供应部件（作为压缩机或鼓风机）的独立控制来实现。（例如，参见图7和图8）。作为又一个示例，本公开的系统600包括集成接触器310和在串联串级的预充电电路以及这些器件的控制的互锁，使得串联串中的任何模块14以及总体系统控制器312可以确定是否断连由任何一个给定子系统11供应的负载。（例如，参见图7和图8）。
参考图7，点1指示燃料电池系统10利用的质量气流传感器602或流传输器604。该部件602、604必须让其电压针对质量气流特性被映射，以便确保比较器稀释电路的正常操作。
图7的点2指示为了操作气流的空气鼓风机606或压缩机608。鼓风机606或压缩机608可以是用于提供稀释气流的同一鼓风机606或压缩机608。鼓风机606或压缩机608不像稀释风扇或鼓风机将需要的那样需要危险区域认证，因为它在燃料电池入口上操作，并且确保燃料电池系统10的排出在不在其内操作的情况下是无危险的。此外，因为该鼓风机606或压缩机608提供所需的稀释流，所以它确保集成在组合排出系统中的任何部件也不需要危险区域认证。
如至少图7中图示的点3指示燃料电池系统10利用的放气阀610。该部件必须使其驱动的打开条件氢气流针对其被实现其中的系统表征。这提供了必须针对其稀释的氢气流。
图7图示了点4，该点4指示空气排出和放气阀排出之间的混合点612，以形成组合排出系统。在示例实现中，混合点612可以经由集成的放气通道直接集成到燃料电池歧管系统或端板中。
应当注意，作为本公开的一部分，在确定（一个或多个）模块14或（一个或多个）串应当断连或被绕过多久时，故障管理和升级过程必须是决策的一部分。故障管理和升级系统600基于预定义的最小操作电力或电流和/或基于预定义的最小操作气流来操作系统10。总的来说，预定义的最小操作电力或电流和预定义的最小操作气流，和/或本公开的控制系统600将有助于确保供应给燃料电池系统10的气流对应于燃料电池系统10的预定义最小操作气流和/或对应于流过燃料电池系统10的最小电力或电流。在那些实例中，当燃料电池系统10不产生电力时，它可以中断跨燃料电池20的气流，以最小化或防止燃料电池20变干的可能性。
本公开的系统600可以被配置为升级一个或多个警报和/或故障事件的严重性。例如，如果低级别警报或故障事件重复出现，则本公开的系统600可以将该故障的严重性级别增加到更高级别的警报或故障，这导致增加的限制或更多的（一个或多个）模块14或（一个或多个）串封锁。可以实现单个定时器，该单个定时器在第一次低级别警报或故障时启动，以启用故障观看窗口。如果在故障窗口内发生同一故障的几个（例如3个或更多个）实例，则控制器312可以升级到更高级别的故障。在任何给定的一个或多个燃料电池模块14内重复或再次发生故障的实例中，本公开的控制器312可以被配置为将该一个或多个燃料电池模块14“封锁”在燃料电池系统10的其余部分之外和/或使得经历故障的一个或多个燃料电池模块14在“二极管模式”下操作。
本发明的下述方面被设想并且是非限制性的：
本发明的第一方面涉及一种旁路系统或装置。该旁路系统包括燃料电池堆和/或系统、开关器件和控制器。该燃料电池系统包括第一燃料电池模块、与第一燃料电池模块串联电连接的第二燃料电池模块以及与第一燃料电池模块和第二燃料电池模块并联电连接的第三燃料电池模块。开关器件电耦合在第三燃料电池模块与第一和第二燃料电池模块之间。控制器被配置为响应于第一燃料电池模块和第二燃料电池模块中的至少一个的输出电压小于阈值，操作以断开开关器件，从而将第一和第二燃料电池模块与第三燃料电池模块断连，以从第三燃料电池模块提供持续不中断的输出电压流动。
本发明的第二方面涉及一种操作旁路系统的方法。该方法包括以下步骤：响应于燃料电池系统的第一燃料电池模块和第二燃料电池模块中的至少一个的输出电压小于阈值，断开开关器件以将燃料电池系统的第一和第二燃料电池模块与第三燃料电池模块电断连，以从第三燃料电池模块提供持续不中断的输出电压流动。第一燃料电池模块串联电连接到第二燃料电池模块，并且第三燃料电池模块并联电连接到第一燃料电池模块和第二燃料电池模块。
本发明的第三方面涉及一种用于燃料的燃料电池存储和推进系统或装置（例如，燃料电池燃料存储和推进系统）。用于燃料的燃料电池存储和推进系统或装置包括牵引电机、电连接以提供输出电压来操作牵引电机的燃料电池系统以及电耦合在燃料电池系统输出和牵引电机输入之间的电压转换器。该燃料电池系统包括第一燃料电池模块、第二燃料电池模块、第三燃料电池模块和第四燃料电池模块。第一燃料电池模块串联电连接到第二燃料电池模块，并且第三燃料电池模块串联电连接到第四燃料电池模块。第一和第二燃料电池模块并联连接到第三和第四燃料电池模块，使得响应于第一燃料电池模块和第二燃料电池模块中的至少一个的输出电压小于阈值，第一和第二燃料电池模块与燃料电池系统的输出断连，以从第三和第四燃料电池模块向电压转换器提供持续不中断的电压流动。
在本发明的第一方面，第一燃料电池模块、第二燃料电池模块和第三燃料电池模块中的每一个可以包括彼此电连接的多个燃料电池。在本发明的第一方面，开关器件可以是接触器和半导体开关器件之一。在本发明的第一方面，半导体开关器件可以是场效应晶体管和双极结型晶体管之一。
在本发明的第一方面，旁路系统可以进一步包括电连接到燃料电池系统输出的直流（DC）-DC转换器（也称为DC-DC转换器）。第三燃料电池模块的输出电压可以对应于DC-DC转换器的最小输入电压。在本发明的第一方面，旁路系统可以进一步包括电连接到第一燃料电池模块和第二燃料电池模块中的至少一个的二极管，以防止响应于开关器件断开而发生朝向第一和第二燃料电池模块的反向电流流动。
在本发明的第一方面，在开关器件断开之前，燃料电池系统的输出电压（例如，燃料电池系统的总输出）可以对应于第三燃料电池模块的输出电压与第一燃料电池模块和第二燃料电池模块的输出电压之和的组合。在本发明的第一方面，响应于开关器件断开，燃料电池系统的输出电压（例如，燃料电池系统的总输出）可以对应于第三燃料电池模块的输出电压。
在本发明的第二方面，第一燃料电池模块、第二燃料电池模块和第三燃料电池模块中的每一个可以包括彼此电连接的多个燃料电池。在本发明的第二方面，断开开关器件可以包括断开接触器和半导体开关器件之一。在本发明的第二方面，半导体开关器件可以是场效应晶体管和双极结型晶体管之一。在本发明的第二方面，该方法可以进一步包括将燃料电池系统的输出电耦合到直流DC到DC转换器。来自第三燃料电池模块的输出电压可以对应于DC-DC转换器的最小输入电压。
在本发明的第二方面，该方法可以进一步包括将二极管电连接到第一燃料电池模块和第二燃料电池模块中的至少一个，以防止响应于开关器件断开而发生朝向第一和第二燃料电池模块的反向电流流动。在本发明的第二方面，在开关器件断开之前，燃料电池系统的输出电压（例如，燃料电池系统的总输出电压）可以对应于第三燃料电池模块的输出电压与第一燃料电池模块和第二燃料电池模块的输出电压之和的组合。在本发明的第二方面，响应于开关器件的断开，燃料电池系统的输出电压（例如，燃料电池系统的总输出电压）可以对应于第三燃料电池模块的输出电压。
在本发明的第三方面，第一燃料电池模块、第二燃料电池模块、第三燃料电池模块和第四燃料电池模块中的每一个可以包括彼此电连接的多个燃料电池。在本发明的第三方面，用于燃料的燃料电池存储和推进系统可以进一步包括电耦合在燃料电池系统的输出与第一和第二燃料电池模块以及第三和第四燃料电池模块之间的开关器件。响应于开关器件断开，第一和第二燃料电池模块可以与燃料电池系统的输出断连。在本发明的第三方面，用于燃料的燃料电池存储和推进系统可以进一步包括电连接到第一燃料电池模块和第二燃料电池模块中的至少一个的二极管，以防止响应于开关器件断开而发生朝向第一和第二燃料电池模块的反向电流流动。
结合一个示例性实施例说明或描述的特征可以与本文描述的任何其他实施例的任何其他特征或元件相组合。这样的修改和变型旨在被包括在本公开的范围内。此外，本领域技术人员将认识到，本领域技术人员公知的术语在本文中可以可互换地使用。
充分详细地描述了上述实施例，使得本领域技术人员能够实践所要求保护的内容，并且应理解，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以进行逻辑、机械和电气改变。因此，不应在限制性的意义上考虑详细描述。
虽然本公开的概念容许各种修改和替代形式，但是具体示例性实施例已在附图中以示例方式示出并且已被描述。然而，应当理解的是，不存在将本公开的概念限制于所公开的特定形式的意图；相反，本公开要涵盖落入如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的特征、结构或特性，但是每个实施例可以包括或可以不一定包括该特定的特征、结构或特性。此外，这样的短语不一定指代同一实施例。此外，当结合实施例描述特定的特征、结构或特性时，认为结合其他实施例实现这样的特征、结构或特性无论是否明确描述都在本领域技术人员的知识范围内。附加地，应当领会，以“A、B和C中的至少一个”的形式包括在列表中的项可以意指（A）；（B）；（C）；（A和B）；（B和C）；（A和C）；或（A、B和C）。类似地，以“A、B或C中的至少一个”的形式列出的项可以意指（A）；（B）；（C）；（A和B）；（B和C）；（A和C）；或（A、B和C）。
在一些情况下，可以用硬件、固件、软件或其任何组合实现公开的实施例。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）存储介质携带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被体现为用于以机器可读的形式存储或传输信息的任何存储设备、机制或其他物理结构（例如，易失性或非易失性存储器、媒体盘或其他媒体设备）。
在附图中，一些结构或方法特征可能以特定的布置和/或次序示出。然而，应当领会，这样特定的布置和/或次序可能不是必需的。而是，在一些实施例中，这样的特征可以以不同于说明性图中所示的方式和/或次序布置。附加地，在特定图中包括结构或方法特征不意味着暗示这样的特征在所有实施例中都是必需的，并且在一些实施例中其可以不被包括或者可以与其他特征组合。
虽然已在附图和前述描述中详细说明和描述了本公开，但是这样的说明和描述在性质上应被视为示例性的，而非限制性的，应理解的是，仅示出和描述了说明性实施例，并且在本公开精神内的所有改变和修改均期望受到保护。
存在由本文所描述的方法、装置和系统的各种特征产生的本公开的多个优点。将注意到，本公开的方法、装置和系统的替代实施例可以不包括所描述的所有特征，但仍然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出他们自己的方法、装置和系统的实现，所述实现并入本发明的一个或多个特征并且落入如所附权利要求限定的本公开的精神和范围内。

Claims (15)

1.一种旁路系统，包括：
燃料电池系统，包括
第一燃料电池模块，
与第一燃料电池模块串联电连接的第二燃料电池模块，以及
与第一燃料电池模块和第二燃料电池模块并联电连接的第三燃料电池模块，
开关器件，电耦合在第三燃料电池模块与第一和第二燃料电池模块之间；和
控制器，被配置为响应于第一燃料电池模块和第二燃料电池模块中的至少一个的输出电压小于阈值，操作以断开开关器件，以便将第一和第二燃料电池模块与第三燃料电池模块断连，并且从第三燃料电池模块提供持续不中断的输出电压流动。
2.根据权利要求1所述的旁路系统，其中，所述开关器件是接触器和半导体开关器件之一，并且其中所述半导体开关器件是场效应晶体管和双极结型晶体管之一。
3.根据权利要求1所述的旁路系统，进一步包括电连接到燃料电池系统的输出的直流DC-DC转换器，其中第三燃料电池模块的输出电压对应于DC-DC转换器的最小输入电压。
4.根据权利要求1所述的旁路系统，进一步包括电连接到第一燃料电池模块和第二燃料电池模块中的至少一个的二极管，以防止响应于开关器件断开而朝向第一和第二燃料电池模块的反向电流流动。
5.根据权利要求1所述的旁路系统，其中，在开关器件断开之前，燃料电池系统的总输出电压对应于第三燃料电池模块的输出电压与第一燃料电池模块和第二燃料电池模块的输出电压之和的组合。
6.根据权利要求1所述的旁路系统，其中，响应于开关器件断开，燃料电池系统的总输出电压对应于第三燃料电池模块的输出电压。
7.一种操作旁路系统的方法，包括：
响应于燃料电池系统的第一燃料电池模块和第二燃料电池模块中的至少一个的输出电压小于阈值，
断开开关器件以将燃料电池系统的第一和第二燃料电池模块与第三燃料电池模块电断连，以从第三燃料电池模块提供持续不中断的输出电压流动，其中第一燃料电池模块串联电连接到第二燃料电池模块，并且第三燃料电池模块并联电连接到第一燃料电池模块和第二燃料电池模块。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，断开开关器件包括断开接触器和半导体开关器件之一，并且其中半导体开关器件是场效应晶体管和双极结型晶体管之一。
9.根据权利要求7所述的方法，进一步包括将燃料电池系统的输出电耦合到DC-DC电流转换器，其中来自第三燃料电池模块的输出电压对应于DC-DC转换器的最小输入电压。
10.根据权利要求7所述的方法，进一步包括将二极管电连接到第一燃料电池模块和第二燃料电池模块中的至少一个，以防止响应于开关器件断开而发生朝向第一和第二燃料电池模块的反向电流流动。
11.根据权利要求7所述的方法，其中，在断开开关器件之前，燃料电池系统的总输出电压对应于第三燃料电池模块的输出电压与第一燃料电池模块和第二燃料电池模块的输出电压之和的组合。
12.根据权利要求7所述的方法，其中，响应于开关器件的断开，燃料电池系统的总输出电压对应于第三燃料电池模块的输出电压。
13.一种燃料电池燃料存储和推进系统，包括：
牵引电机；
燃料电池系统，电连接以提供输出电压来操作牵引电机；和
电压转换器，电耦合在燃料电池系统的输出和牵引电机的输入之间，
所述燃料电池系统包括第一燃料电池模块、第二燃料电池模块、第三燃料电池模块和第四燃料电池模块，第一燃料电池模块串联电连接到第二燃料电池模块，第三燃料电池模块串联电连接到第四燃料电池模块，
第一和第二燃料电池模块并联电连接到第三和第四燃料电池模块，使得响应于第一燃料电池模块和第二燃料电池模块中的至少一个的输出电压小于阈值，第一和第二燃料电池模块与燃料电池系统的输出断连，以从第三和第四燃料电池模块向电压转换器提供持续不中断的输出电压流动。
14.根据权利要求13所述的燃料电池燃料存储和推进系统，进一步包括电耦合在燃料电池系统的输出与第一和第二燃料电池模块以及第三和第四燃料电池模块之间的开关器件，其中响应于开关器件断开，第一和第二燃料电池模块与燃料电池系统的输出断连。
15.根据权利要求13所述的燃料电池燃料存储和推进系统，进一步包括电连接到第一燃料电池模块和第二燃料电池模块中的至少一个的二极管，以防止响应于开关器件断开而发生朝向第一和第二燃料电池模块的反向电流流动。
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CB03 Change of inventor or designer information
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Inventor after: P. Ford

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