CN1618143A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种具有电池的燃料电池系统，采用第一级响应电池充电电流误差、电池电压误差和堆电流误差中的较大值而调节通过串联旁路元件的电流。该燃料电池系统采用第二级根据在串联旁路元件两端的电压的偏差或根据电池条件而对燃料电池堆的反应剂流分压进行控制。燃料电池系统可采用任意一级或两级。各燃料电池系统可串联和/或并联组合，以产生具有所需输出电压和电流的组合燃料电池系统。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明一般涉及燃料电池系统，具体涉及控制燃料电池系统的输出电压。
背景技术
电化学燃料电池将燃料和氧化剂转化为电。固体聚合物电化学燃料电池通常采用膜电极组件(“MEA”)，膜电极组件包括在两个电极之间设置的离子交换膜或固体聚合物电解质，所述电极典型包括多孔、导电片状材料层，例如碳纤维纸或碳布。MEA包含在各膜电极界面处以细细研磨的铂的形式的催化剂层，以引起所需的电化学反应。在工作中，电极通过外电路电连接以使电子在电极之间传导。典型地，将多个MEA以串联方式电连接，从而形成具有所需功率输出的燃料电池堆。
在典型的燃料电池中，在两个导电流体流场板或隔板之间设置MEA。流体流场板具有流动通道以向电极即阳极和阴极分别引入燃料和氧化剂。流体流场板用作集流体、为电极提供支撑、为燃料和氧化剂提供进入通道、并为反应产物例如在燃料电池工作期间形成的水的去除提供通道。燃料电池系统可采用反应产物来维持反应。例如，反应水可用于水合离子交换膜和/或维持燃料电池堆的温度。
堆电流是反应剂流的正函数，随着反应剂流的增加该堆电流增加。堆电压相对于堆电流以非线性的数学关系反向变化。在给定的反应剂流下堆电压和堆电流之间的关系通常表示为燃料电池堆的极化曲线。一组或一族极化曲线能够表示以各种反应剂流动速率的堆电压-电流关系。
在大多数应用中，希望维持基本上恒定的燃料电池堆电压输出。一种方法是在燃料电池系统中采用一种电池，从而当负载的需要超过燃料电池堆的输出时提供额外的电流。这种方法通常需要单独的电池充电电源以保持对该电池的充电，造成费用增加和系统复杂化。对于将该电池与燃料电池堆并联以消除对单独电池充电电源的需要的尝试引起了其它问题。这些问题例如包括：防止电池因过充电而损坏；提高效率；以及在燃料电池堆、电池和/或负载之间对电压、电流或功率转换或匹配元件的需要。需要更低的成本、更低的复杂性和/或更有效的方法。
发明内容
在一个方面，燃料电池系统包括燃料电池堆、电池、至少在一部分燃料电池堆和一部分电池之间进行电连接的串联旁路元件，以及用于根据电池充电电流误差、电池电压误差和堆电流误差中较大的一个来调节通过该串联旁路元件的电流的调节电路。
在另一方面，燃料电池系统包括用于向燃料电池传送反应剂的反应剂输送系统，该反应剂输送系统至少具有第一控制元件和连接以控制该第一控制元件的控制电路，所述第一控制元件是可调节的以控制反应剂向至少某些燃料电池流动的分压。该控制电路可根据该串联旁路元件两端之间的电压与某些所需值的偏差(例如，对应于该串联旁路元件的饱和值的约在75％-95％之间的值)来控制该第一控制元件。可选地或附加地，该控制电路可根据电池的预定工作条件控制第一控制元件，例如，在整个时间内流入或流出电池的电流、电池电压或电池的充电状态。
在另一方面，燃料电池系统可包括作为第一级的串联旁路元件和调节电路，和作为第二级的反应剂输送系统和控制电路。该第一和第二级与并联连接的电池一起甚至同时进行工作，从而在保护电池不被损坏的同时实现有效和连续的输出电压控制。第一级是比较快的反应级，第二级是比第一级慢的反应级。第一级确保电池在没有损坏的条件下以有效方式适当地充电和放电。第二级控制燃料电池堆工作的效率(即，表示为燃料电池工作时的特定极化曲线)。因此，第二级通过使更多的能量通过燃料电池堆(即，通过更低效的操作)耗散而限制了由串联的旁路元件耗散的热量。
再一方面，组合燃料电池系统包括以串联和/或并联组合的方式电连接的两个或多个单燃料电池系统，从而以所需电压产生所需电流。
附图说明
图中，相同的参考标记表示类似的元件或动作。图中元件的尺寸和相对位置不一定按比例画出。例如，各种元件的形状和角度不是按比例画出，这些元件中的一些是任意放大和定位的以提高附图的易读性。此外，所画出的元件的特定尺寸并不表示传递特定元件的实际尺寸的任何信息，是为了使附图便于识别而单独选择的。
图1是为负载供电的燃料电池系统的示意图，根据本发明的示意性总的实施方式，该燃料电池系统具有燃料电池堆、电池、串联旁路元件、包括用于调节经由串联旁路元件的电流的调节电路的第一级、和包括采用串联旁路元件两端之间的电压差以通过控制反应剂的分压来减少由串联旁路元件耗散的能量的控制器的第二级。
图2是采用了或没有采用第二级的、包括调节电路的图1的燃料电池系统的第一级的示意图。
图3是采用了或没有采用第二级的、采用微处理器作为调节电路的燃料电池系统的第一级的可选实施方式。
图4是操作图2和3的燃料电池系统的第一级的典型方法的流程图。
图5A是采用了或没有采用第一级的、包括根据串联旁路元件两端间的电压相对于所需值的变化来控制反应剂分压的控制电路的、图1的燃料电池系统的第二级的电气示意图。
图5B是采用了或没有采用第一级的、描述根据电池充电电流来控制反应剂分压的可选控制电路的燃料电池系统的第二级的电气示意图。
图5C是采用了或没有采用第一级的、描述根据电池电压来控制反应剂分压的可选控制电路的燃料电池系统的第二级的电气示意图。
图6A是操作图5A的燃料电池系统的第二级的典型方法的流程图。
图6B是操作图5B的燃料电池系统的第二级的典型方法的流程图。
图6C是操作图5C的燃料电池系统的第二级的典型方法的流程图。
图7是对于五种典型分压的典型燃料电池堆的极化曲线的示图。
图8是图1的燃料电池系统的实施例的示意图，其中燃料电池堆部分与电池部分互连。
图9A-9F是涉及燃料电池系统的电池堆、电池和负载电流、电池和总线电压、以及负载电阻的一系列曲线，其中燃料电池堆在没有耗尽电池或对电池再充电的条件下对负载充分供电。
图10A-10C是涉及对于燃料电池系统，电池堆、电池和负载的电流相对于时间的一系列曲线，其中电池将电流提供给负载以弥补由燃料电池堆提供的不足，之后燃料电池堆再对电池充电。
图11是为负载供电的电源系统的示意图，该电源系统包括多个单独的燃料电池系统，形成以串联方式电连接的燃料电池系统的一维阵列，从而以所需的电压和所需的电流向负载提供所需的功率。
图12是电源系统的示意图，该电源系统包括多个燃料电池系统，形成以串联和并联的组合方式电连接的燃料电池系统的二维阵列。
图13是描述以串联方式电连接从而以第一输出电压和第一输出电流提供所需的输出功率的图12的多个燃料电池系统的示意图。
图14是描述以并联方式电连接从而以第二输出电压和第二输出电流提供所需的输出功率的图12的多个燃料电池系统的示意图。
图15是描述以串联和并联组合的方式电连接从而以第三输出电压和第三输出电流提供所需输出功率的示意图。
图16是根据一个示例实施方式操作图11和12的电源系统的方法的流程图，该实施例包括将备用的燃料电池系统代替有缺陷的燃料电池系统。
图17是包括在图16的方法中的可选步骤的流程图。
图18是包括在图16的方法中的可选步骤的流程图。
图19是表示根据附加的或可选的典型实施例操作图11和12的电源系统的方法的流程图，包括以预定的串联和/或并联组合电连接多个燃料电池系统，从而产生所需的功率、电压和电流输出的至少一种。
具体实施方式
在下面的描述中，为了总体上理解本发明的各种实施方式，列出了特定的具体细节。然而，本领域的技术人员可以理解，本发明可以在没有这些细节的条件下实施。在另外的情况下，没有示出或详细描述与燃料电池、燃料电池堆、电池和燃料电池系统有关的现有结构，以避免对本发明的实施方式不必要的描述。
除了上下文另有要求之外，在整个说明书和权利要求书中，用词“包括”及其变化(如“包括”和“包括...的”)是开放式的包括的含义，也就是“包括有，但不限于此”。
燃料电池系统纵览
图1表示根据本发明的实施方式向负载12提供电能的燃料电池系统10。负载12典型构成为由燃料电池系统10提供能量的装置，例如车辆、器具、计算机和/或相关的外围设备。在燃料电池系统10不是负载12的典型考虑部分的同时，在某些可行的实施方式中燃料电池系统10部分例如控制电子(control electronics)可构成负载12的一部分或整体。
燃料电池系统10包括燃料电池堆14，燃料电池堆14由以串联方式电连接的多个单独的燃料电池构成。燃料电池堆14借助反应剂供应系统16接收反应剂，由箭头9表示，例如氢或空气。反应剂供应系统16可包括一个或多个反应剂供应箱或源11、重整器(未示出)和/或一个或多个控制元件例如一个或多个压缩机、泵、和/或阀18或其它反应剂调节元件。燃料电池堆14的工作产生反应产物，由箭头20表示，典型包含水。燃料电池系统10可再利用某些或所有的反应产物20。例如，如箭头22所示，一些或所有的水可返回到燃料电池堆14，从而以正确的温度加湿氢和空气和/或水合离子交换膜(未示出)或控制燃料电池堆14的温度。
燃料电池堆14可成型为具有等于开路电压的电压和串联电阻Rs的理想电池。串联电阻Rs的值主要是堆电流Is、反应剂的利用率和时间的函数。对于单个燃料电池堆14而言，串联电阻Rs随极化曲线变化。可通过控制反应剂9的利用率来调节串联电阻9从而对于任何给定电流下降所需电压，由此在堆电流Is的范围内允许基本上均匀的堆电压Vs。在反应剂流和串联电阻Rs之间的关系由图1中的虚线箭头13表示。然而，在燃料电池系统10中简单地降低整个反应剂和反应压力会干扰整个系统的工作，例如干扰离子交换膜的水合和/或燃料电池堆的温度控制。为了避免这些不希望的结果，燃料电池系统10可调节反应剂的分压，正如下面更详细描述的那样。
燃料电池堆14在由正、负电压轨道(rail)19a、19b形成的高电压总线之间产生堆电压Vs。堆电流Is从燃料电池堆14经过高电压总线流过负载12。正如在此采用的那样，“高电压”是指由常规燃料电池堆14产生的以驱动负载12的电压，用以在由燃料电池系统10采用的以控制和/或通信的其它电压(例如，5V)之间进行区分。因此，和其它电系统相比高电压不一定“高”。
燃料电池系统10包括与连接高电压总线的轨道19a、19b以驱动负载12的燃料电池堆14以并联方式电连接的电池24。将电池24的开路电压选择成近似于燃料电池堆14的全部负载电压。电池24的内阻RB选择为远远低于燃料电池堆14的内阻。因此，电池24用作缓冲器，当燃料电池堆14产生比负载12需要更多的电流时吸收过剩的电流，当燃料电池堆14产生比负载12需要更少的电流时向负载12提供电流。高电压总线19a、19b之间的电压是电池24的开路电压减去电池24的内阻值RB乘以电池放电电流的乘积。电池24的内阻RB越小，总线电压的变化越小。
可选的反向电流阻塞二极管D1可电连接在燃料电池堆14和电池24之间，以防止电流从电池24流向燃料电池堆14。反向电流阻塞二极管D1的不利之处是相关的二极管电压降。燃料电池系统10还可以包括其它二极管、以及熔丝或其它过电保护元件以防止短路和/或电涌。
级
如图1所示，燃料电池系统10包括两个控制级；采用串联旁路元件32和用于控制流过串联旁路元件32的电流的调节电路34的第一级；和采用用于调节反应剂分压的控制器28以控制燃料电池堆14的串联电阻Rs的第二级。第一级和第二级一起工作，甚至同时与并联连接的电池24合作，从而在使电池24免受损坏的同时实现有效和连续的输出电压控制。在某些实施方式中，燃料电池系统10可仅包括第一级，或仅包括第二级，提供简单的、更低成本的替代。
第一级是比较快的反应级，而第二级是比第一级更慢的反应级。如上所述，电池24对负载需求的变化提供非常快的反应，当需求大于燃料电池堆14的输出时向负载12提供电流，当燃料电池堆14的输出超过负载12的需求时接收过剩的电流。通过控制电流经过串联旁路元件32的流动，第一级确保电池24在没有损坏的条件下以有效方式适当地充电和放电。通过控制反应剂分压从而控制串联电阻Rs，第二级控制燃料电池堆14工作的效率(即，表示为燃料电池工作的特定极化曲线)。因此，第二级通过使更多的能量经过燃料电池堆14消耗(即，借助低效工作)而限制了由串联旁路元件32消耗的热量。
在燃料电池堆14以热量的方式消耗能量时，这种能量可在燃料电池系统的各部分再生，因此可以在燃料电池系统的其它部分重新使用(即，使用废能产生热或电的过程)。例如，作为热量消耗的能量可借助空气流、电池堆冷却剂、或经过反应剂重新循环至燃料电池堆14。此外，作为选择，作为热量消耗的能量可重新循环至重整器(未示出)、燃料电池系统10的其它部分、或某些外部系统。此外，对串联旁路元件32必须消耗的热量的限制可以减少串联旁路元件32的尺寸和相关成本以及任何相关的散热设备。
下面详细讨论第一和第二级的细节。
第一级纵览，串联旁路元件调节器
继续参考图1，燃料电池系统10的第一级包括电连接在燃料电池堆14和电池24之间的串联旁路元件32，用于控制电流Is从燃料电池堆14向电池24和负载12的流动。燃料电池系统10的第一级还包括调节电路34，所连接的调节电路34根据燃料电池系统10的各种工作参数调节串联旁路元件32。串联旁路元件32可采取场效应晶体管(“TFT”)的形式，具有电连接在燃料电池堆14和电池24之间的漏极和源极，具有电连接到调节电路34的输出的栅极。
燃料电池系统10的第一级包括用于确定燃料电池系统10的各种工作参数的多个传感器。例如，燃料电池系统10包括电池充电电流传感器36，该传感器36连接成确定电池电流IB。同样例如，燃料电池系统10包括燃料电池堆电流传感器38，该传感器38连接成确定堆电流Is。再如，燃料电池系统10包括用于确定电池24两端之间的电压VB的电池电压传感器40。此外，燃料电池系统10可包括电池温度传感器42，该传感器42设置成测量电池24的温度或接近电池24的周围温度。在传感器36-42被描述为独立于调节电路34的同时，在某些实施方式中，一个或多个传感器36-42可集成为调节电路34的一部分。
燃料电池系统10的第一级可包括软启动电路15，用于在燃料电池系统10启动的过程中缓慢地启动电压。燃料电池系统10还可包括快速切断电路17，用于迅速切断以防止电池24的损坏，例如在没有负载或负载12不消耗功率的时候。
第二级纵览，反应剂分压控制器
燃料电池系统10的第二级包括控制器28、致动器30和反应剂流调节器例如阀18。控制器28接收来自串联旁路元件32的输入侧的第一电压值V1和来自串联旁路元件32的输出侧的第二电压值V2。控制器28根据在第一和第二电压V1、V2之间的差值向致动器30提供控制信号，从而借助阀18或其它反应剂流调节元件调节反应剂向燃料电池堆14的流动。
由于电池24弥补了在可用反应剂和已耗用反应剂之间任何短期的配合部不当，因此燃料电池反应剂供应系统16需要进行反应的速度可以远远低于电负载改变的速度。燃料电池反应剂供应系统16需要进行反应的速度主要影响电池24的充电/放电循环的深度和借助串联旁路元件32消耗的能量。
第一级的描述，串联旁路元件调节
图2表示调节电路34的一个实施例，调节电路34包括用于确定电池充电电流误差、堆电流误差和电池电压误差、并用于根据所确定的误差中较大的向串联旁路元件32产生输出的元件。
调节电路34包括电池充电电流误差积分电路44和用于确定电池充电电流误差的电池充电电流限制电路46。电池充电电流限制电路46向电池充电电流误差积分电路44的倒相端(Inverting terminal)提供电池充电电流限制值，而电池充电电流传感器36向同相端(non-invertingterminal)提供电池充电电流值。电容器C9连接在电池充电电流误差积分电路44的倒相端和输出端之间。电池充电电流限制误差积分电路44对在电池充电电流值和电池充电电流限制值之间的差值进行积分。
调节电路34包括堆电流误差积分电路50和用于确定堆电流误差的堆电流限制电路52。堆电流限制电路52向堆电流误差积分电路50的倒相端提供堆电流限制值，而堆电流传感器38向同相端提供堆电流值。电容器C8连接在堆电流误差积分电路50的倒相端和输出端之间。堆电流误差积分电路50对在堆电流值和堆电流限制值之间的差值进行积分。在堆电流限制方面第二级的限制效果由虚线53表示。
调节电路34包括电池电压误差积分电路56和电池电压设定点电路58。电池电压设定点电路58向电池电压误差积分电路56的倒相端提供电池电压限制值，而电池电压传感器40向同相端提供电池电压值。电容器C7电连接在电池电压误差积分电路56的倒相端和输出端之间。电池电压误差积分电路56对在电池电压值和电池电压设定点值之间的差值进行积分。
调节电路34还可以包括温度补偿电路62，该电路62采用由电池温度检测器42测量的电池温度以产生补偿值。电池电压设定点电路58在确定电池电压设定点值时采用该补偿值。
调节电路34还包括OR电路64，用于选择误差积分器44、50、56的输出值中较大的值。OR电路64可采取具有共用连接的阴极的三个二极管(未示出)的形式。各二极管的阳极电连接到误差积分电路40、50、56各个上。
调节电路34还包括电荷泵66，用于借助电平移动器(shifter)如反向电平移动器68向串联旁路元件32的控制端(例如，栅极)提供电压。反相电平移动器68提供由输入值反相的线性输出值。
图3表示燃料电池系统10的第一级的选择性实施方式，该系统采用微处理器70作为调节电路。此选择性实施例和在此描述的其它选择和选择性实施例基本上与前面描述的实施例相同，同样的动作和结构采用相同的参考标记。下面仅描述在操作和结构方面明显的差别。
可对微处理器70进行编程或构成为执行调节电路34的功能(图1)。例如，微处理器70可对电池充电电流、堆电流和电池电压值中的一些或全部进行误差积分。微处理器70可存储电池充电电流限制值、堆电流限制值和/或电池电压限制值中的一些或所有值。微处理器70还可以根据由电池温度检测器42提供的电池温度值确定温度补偿。此外，微处理器70可选择误差值中比较大的值，向串联旁路元件32的控制端提供适当的信号。
图4表示操作图1、2和3的燃料电池系统10的第一级的示例方法100。该方法100在操作过程中重复进行以连续地调节燃料电池系统10的操作参数。
在步骤102中，电池充电电流传感器36(图1-3)确定电池充电电流IB的值。在步骤104中，电池充电电流误差积分电路44(图2)或微处理器70(图3)确定电池充电电流误差的值。
在步骤106中，堆电流传感器38(图1-3)确定堆电流的值。在步骤108中，堆电流误差集成电路50(图2)或微处理器70(图3)确定堆电流误差的数值。
在步骤110中，电池电压传感器40(图1-3)确定电池24两端之间的电压VB的值。在可选步骤112中，电池温度传感器42确定电池24或靠近电池24的周围空间的温度。在选择步骤114中，温度补偿电路62(图2)或微处理器70(图3)根据所确定的电池温度确定电池电压限制值。在步骤116中，电池电压误差积分电路56(图2)或微处理器70(图3)确定电池电压误差值。
燃料电池系统10可以按照与上述不同的顺序执行步骤102、106和110，例如，在步骤102之前进行步骤106、在步骤102和/或步骤106之前进行步骤110。传感器36、38、40、42可同时或基本上同时地进行步骤102、106、110、112，从而出现并行的操作。因此，所列举的上述动作不表示任何特定的次序或顺序。
在步骤118中，OR电路64(图2)或在微处理器70(图3)中构成的OR电路确定所确定的误差值的较大值。OR电路可以是在微处理器70中的以硬件实现的，或者可以采取可执行指令的形式。在步骤120中，电荷泵66(图2)产生电荷。虽然未示出，但图3的实施例还可包括电荷泵，或者微处理器70可产生适当的信号值。在步骤122中，电平移动器68(图2)或微处理器70(图3)与所确定的较大误差值成比例地将电荷作为输入电压施加给串联旁路元件32的控制端子(图1-3)。
因此，燃料电池系统10的第一级主要以三种模式工作：电池电压限制模式；堆电流限制模式；和电池充电电流限制模式。例如，当电池24耗尽时，燃料电池系统10进入电池充电电流模式以限制电池充电电流，从而防止对电池24的损坏。当电池24再充电时，燃料电池系统10进入电池电压限制模式，对电池24提供涓流充电，从而在没有使电池24硫酸盐化的条件下保持电池浮动电压(例如，完全充电的大约75-95％)。当负载12需要比燃料电池堆14所能提供的电流更多的电流时，燃料电池系统10进入堆电流限制模式。此外，可以有第四种“饱和”模式，当负载12需要甚至更大的电流时，堆电压Vs下降至电池电压VB以下。电池24将按此“饱和”模式放电，当电池24完全耗尽时，最后进入电池充电电流限制模式，如上所述。
第二级描述，反应剂分压控制
图5A更详细地描述了燃料电池系统10的第二级的一个实施例，它采用在工作状态时在串联旁路元件32两端间的电压差。
尤其是，控制器28包括第一比较器90A，该比较器90A接收来自串联旁路元件32的输入侧的第一电压V1的数值和来自串联旁路元件32的输出侧的第二电压V2的数值。第一比较器90A产生对应于在第一和第二电压V1、V2之间的差值的过程变量ΔV。
控制器28还包括第二比较器92，该比较器92接收来自第一比较器90A的过程变量ΔV和设定点。比较器92将过程变量ΔV与设定点进行比较并产生第一控制电压CV1。设定点反映出串联旁路元件32的所需最大工作电平，一般可在串联旁路元件32的饱和值的约75％和约95％之间。饱和值的80％的设定点是尤其适合的，即使当燃料电池堆14在部分负载下工作时也提供了在电路中的某些变化。
比较器92向据此调节压缩机或阀18的致动器30提供所得到的控制变量CV1。阀18对燃料电池堆14调节反应剂分压，用作燃料电池系统10的第二控制变量CV2。如上所述，控制反应剂的分压调整了燃料电池堆14的内部电阻Rs，并且调整了燃料电池堆14的功率输出。第一和第二比较器90A、92可以是分立元件，或者在微处理器、微型控制器或者其它集成电路中实现。
控制器28还可以包括用于控制各种开关的逻辑电路94，例如电连接与燃料电池14并联的电池24的第一开关96，和电连接与燃料电池堆14和电池24并联的负载12的第二开关98。
图6A描述了操作图1和5A的燃料电池系统10的第二级的示例方法200。在步骤102中，电池24并联连接燃料电池堆14。在步骤204中，负载12电连接电池24和燃料电池堆14。在步骤206中，燃料电池堆14和电池24中的至少一个向负载12提供电流。燃料电池堆12向负载12提供电流，在这种情况，燃料电池堆14产生足够的电流以达到负载12的需求。来自燃料电池堆14的过剩电流对电池24进行再充电。燃料电池堆14没有产生足以满足需求的能量时，电池24可以向负载12提供一部分、甚至全部能量。
在步骤208中，燃料电池系统10的第二级确定在串联旁路元件32的输入侧上的第一电压V1。在步骤210中，燃料电池系统10的第二级确定在串联旁路元件32的输出侧上的第二电压V2。步骤208和210的次序并不重要，可以任何顺序进行、甚至同时进行。
在步骤212中，第一比较器90A确定在第一和第二电压V1和V2之间的差值。在步骤214中，第二比较器92将所确定的差值ΔV与设定点进行比较。在步骤216中，燃料电池系统10的第二级根据所确定的偏差量借助致动器30和阀18调节流过燃料电池堆14的至少一种反应剂的分压。例如，燃料电池系统10可调节氢的分压、氧化剂(例如，空气)的分压、氢和氧化剂的分压。如上所述，通过改变燃料和/或氧化剂的分压，可以改变在燃料电池堆14中固有的内部串联电阻Rs的值，从而控制以任何给定的堆输出电流下降的电压。通过以这种方式改变分压，可以降低串联旁路元件32两端间下降的最大电压。
图5B更详细地描述了燃料电池系统10的第二级的另一实施例，它采用电池电流作为工作条件。在此描述的这些具体实施例和其它的那些具体实施例与前面描述的实施例基本上相同，相同的动作和结构由相同的参考标记表示。下面仅描述在操作和结构上的明显差别。在图5B中描述的实施例可以在带有形成第二级的调节电路(图1-4)的燃料电池系统10中实施，或者可以在没有第一级调节电路的条件下单独地采用。
在图5B的实施例中，电池状况传感器采取电流传感器26b的形式，该传感器26b连接成读取流入和流出电池24的电流。控制器28包括电池充电电流积分器90。积分器90可以是分立元件，或者可以在微处理器或微型控制器中实现。积分器90对电池充电电流进行积分以确定大致的电池24的总电荷。积分器90应提供有在工作开始时正确的最初电池电荷，并应不时地有理化(rationalized)。将得到的过程变量(“PV”)提供给比较器92。
比较器92可以是分立的元件，或者可以在微处理器或微型控制器中实现。比较器92将PV与设定点进行比较并产生第一控制电压(“CV1”)。设定点反映出在操作开始时所需要的标称电池电荷，一般可以在电池的全部电荷的约75％和约95％之间。比较器92向据此调节压缩机或阀18的致动器30提供所得到的CV1。阀18为燃料电池堆14调整反应剂分压，用作燃料电池系统10的第二控制变量(“CV2”)。如上所述，控制反应剂分压调节燃料电池14的内阻Rs以及调节燃料电池堆14的功率输出。
控制器28还可以包括用于控制各种开关的逻辑电路94，例如电连接与燃料电池14并联的电池24的第一开关96，和电连接与燃料电池堆14和电池24并联的负载12的第二开关98。
图6B表示操作图5B的燃料电池系统10的方法300。在步骤302中，将正确的最初电池电荷量提供给积分器90。在步骤304中，传感器26b确定流入和流出电池24的电流。在步骤306中，积分器90b对电池电流进行积分以确定电池24的总电荷。
在步骤308中，比较器92对积分后得电池电流与设定点进行比较。选择设定点以对电池进行涓流充电，从而使电池24保持在适当的浮动电压，从而防止电池24例如由于硫酸盐化而被损坏。合适的范围可以在所需的标称电池电荷的约75％至95％之间，所需标称电池电荷的约80％是尤其适合的。
在步骤310中，燃料电池系统10调节向燃料电池堆14流动的燃料的分压以保持所需的电池电荷。例如，致动器30可借助一个或多个阀18调节氢气流的分压。或者，致动器30可调节一个或多个压缩机(未示出)的速度。在步骤312中，燃料电池系统10调节至燃料电池堆的氧化剂流(例如，空气)的分压，以保持所需的电池电荷。再有，燃料电池系统10可采用一个或多个阀18和/或一个或多个压缩机(未示出)，以调节氧化剂的分压。控制器28可用以维持在燃料和氧化剂之间适当的化学计量关系。
图5C更详细地描述燃料电池系统10的第二级的另一实施例，采用电池24两端间的电压VB作为操作条件。在图5C中描述的实施例可以在带有形成第二级的调节电路(图1-4)的燃料电池系统10中实施，或者可以在没有第一级调整电路的条件下单独采用。
在图5C的实施例中，电池状况传感器采取电压传感器26c的形式，传感器26c用于检测电池24两端间的电压VB。控制器28采取类似于场(field)控制器90c的形式。场控制器通常在汽车系统以及其它用电系统的交流发电机中找到。场控制器90c向致动器30提供输出CV1，从而控制向燃料电池堆14的反应剂分压。
图6C表示操作图5C的燃料电池系统10的方法400。在步骤402中，电压传感器26c确定电池24两端间的电压VB。在步骤404中，场控制器90c确定电池电压VB与所需电池电压的偏差量。在步骤406中，控制器28调节至燃料电池堆14的燃料流的分压以保持所需的电池电压。在步骤408中，控制器28调节至燃料电池堆的氧化剂的分压以保持所需的电池电压。如上所述，燃料电池系统10可采用一个或多个阀、压缩机、泵和/或其它调节装置，以调节燃料和/或氧化剂的分压。
图7表示相应于五种不同的反应剂分压、燃料电池堆14的典型极化曲线。纵轴表示堆电压Vs，横轴表示堆电流Is。第一曲线59表示低反应剂分压下的极化。曲线61、62、63和65表示以连续增加的反应剂分压的极化。虚线69表示24伏特的恒定标称输出电压。纵向的虚线71、723、75、77、79表示对于各分压曲线59、61、63、65、67、相应于24伏特的堆电流。
燃料电池系统的电池部分/燃料电池部分互连的实施例
图8表示燃料电池系统10的另一实施例，其中电池24部分与燃料电池堆14部分进行互连。
尤其是，燃料电池堆14可包括多个组或部分14a、14b......14n，上述部分与电池的各组或部分24a、24b......24n互连。在表示为一个电池单元24a、24b......24n对应于各组燃料电池14a、14b......14n的同时，燃料电池系统10可采用电池单元相对于燃料电池的其它比例。
燃料电池系统10可包括电容器，例如超级电容器140，该电容器140跨接负载12以并联方式电连接。图8的燃料电池系统10可按照图4和6A的方法100和200进行工作。
虽然图8中未示出，但独立的控制元件例如阀18、控制器28和/或致动器30可与各个燃料电池组14a、14b......14n相连。
燃料电池系统和负载的电流、电压和电阻
图9A-9F表示在没有消耗或再充电电池的条件下、在燃料电池堆足以驱动负载的情况下、描述在单相AC工作中在燃料电池系统10中各种电流、电压和电阻之间的关系的一系列曲线。图9A-9F的各曲线共用同一水平时间轴。
图9A是描述作为时间的函数的实际堆电流Is和平均堆电流Is-avg的曲线150。图9B是描述作为时间的函数的实际电池电流IB的曲线152。图9C是描述作为时间的函数的实际电池电压VB和平均电池电压VB-AVG的曲线154。图9D是描述作为时间的函数的、经过负载的实际电流IL和平均负载电流IL-AVG的曲线156。图9E是描述作为时间的函数的实际负载电阻RL的曲线158。图9F是描述作为时间的函数的负载12两端间的AC电压Vac的曲线160。
图10A-10C表示在电池向负载提供电流以弥补燃料电池堆的不足和燃料电池堆之后对电池再充电的情况下、描述在单相AC操作中在燃料电池10中的各种电流、电压和电阻之间的关系的一系列曲线。图10A-10C的各种曲线共用同一水平时间轴。
图10A是描述作为时间的函数的堆电流Is的曲线162。图10B是描述作为时间的函数的电池电流IB的曲线164。图10C是描述作为时间的函数的负载电流IL的曲线166。从图10A-10C可以看出，随着负载12增加的需要量，电池24提供电流以弥补燃料电池堆14的不足。随着负载12减少需要量，燃料电池堆14对电池24再充电，直至电池24返回至浮动电压。
作为组合燃料电池系统的元件块的燃料电池系统
图11表示电连接成组合燃料电池系统10g的多个燃料电池系统10a-10f，用于以所需的电压和电流对负载12供电。燃料电池系统10a-10f可采取上述任何燃料电池系统10的形式，例如在图1和2中描述的燃料电池系统10。
组合燃料电池系统10g利用在燃料电池堆14和各电池24之间极化曲线的匹配。实现极化曲线匹配的一种方法包括通常如上所述的第一级调节方案。另一种方法包括根据在电池24两端之间的电压与在电池24两端之间的所需电压的偏差控制一种或多种反应剂流的分压。再一种方法包括根据电池电荷与所需电池电荷的偏差控制一种或多种反应剂流的分压。电池电荷可通过对流入或流出电池24的电流进行积分而确定。另一种方法可包括相或脉冲转换调节或控制方案。
作为例子，各燃料电池系统10a-10f能够以24V提供50A的电流。以串联方式电连接的第一对燃料电池系统10a、10b以48V提供50A。以类似方式串联连接的第二对燃料电池系统10c、10d以48V提供50A。以并联方式电连接的这两对燃料电池系统10a、10b和10c、10d以48V提供100A。串联连接的第三对燃料电池系统10e、10f以48V提供50A。将第三对燃料电池系统10e、10f以并联方式与第一对串联连接的燃料电池系统10a:10b和第二对串联连接的燃料电池系统10c:10d的电连接以48V提供150A。
图11仅表示一种可行的设置。本领域的普通技术人员能够认识到，用于获得所需电压和电流的其它设置也是可行的。组合燃料电池系统10g可包括比图11所示的数量更多或更少的单个燃料电池系统10a-10f。可以采用单个燃料电池系统10的电连接数量的其它组合形式，从而以其它所需的电压和电流提供电能。例如，可采用并联方式将一个或多个附加燃料电池系统(未示出)与一个或多个燃料电池系统10a-10b电连接。另外，或作为选择，可采用串联方式将一个或多个附加的燃料电池系统(未示出)与任何所示对燃料电池系统10a:10b、10c:10d、10e:10f进行电连接。此外，燃料电池系统10a-10f可具有不同的电压和/或电流倍率。各燃料电池系统10a-10f可以组合成“n+1”阵列，提供所需量的冗余和高可靠性。
电源系统
图11表示电源供应系统550的一个实施例，该系统550包括总体表示为10的燃料电池系统的一维阵列552，该阵列552可分别串联连接到正、负电压轨道556a、556b，轨道556a、556b形成了用于向负载12提供能量的电力总线556。总体表示为558的各二极管电连接在各燃料电池系统10的正、负输出端之间。所示的电源系统550包括M+1个燃料电池系统，它们分别表示为10(1)-10(M+1)，圆括号中的数字表示在阵列中燃料电池系统10的位置。图11中的椭圆表示电源系统550可包括在第三燃料电池系统10(3)和第M个燃料电池系统10(M)之间的附加燃料电池系统(未具体示出)。一个或多个燃料电池系统(例如，10(M+1))可用作“备用”燃料电池系统，如果需要就串联连接在电力总线556上，例如，当其它燃料电池系统10(1)-10(M+1)之一发生故障，或者当负载12需要附加的功率或电压。
电源系统550可采用一个或多个故障开关，例如接触器或晶体管560，在发生故障或失效的情况下能够自动地断开各燃料电池系统10。例如，在燃料电池系统10自身工作状态下发生故障或失效时或者在电源系统550的工作状态下发生故障或者失效时，故障晶体管560可以截止。
电源系统550可采用一个或多个备用开关，例如接触器或晶体管562，能够根据与燃料电池系统10(M+1)自身工作状况不同的情况手动地或自动地将各燃料电池系统10(M+1)电连接到电力总线556。例如，在另一燃料电池系统10发生故障的情况下，备用晶体管562可以导通以将备用燃料电池系统10(M+1)电连接到电力总线556，从而保持负载12的功率、电压和电流。再比如，在需要更高的输出功率的情况下，备用晶体管562可导通以将备用燃料电池系统10(M+1)电连接到电力总线556，从而调节负载12的功率、电压和电流。
虽然手动操作是可行的，但是电源系统550也可以包括控制逻辑564，以自动地控制备用开关的操作(例如，晶体管562)。
控制逻辑564可接收来自一个或多个其它燃料电池系统10(1)-10(M)的输入，该输入涉及各燃料电池系统10(1)-10(M)的工作状态(即，“在单元1至M失效时连接”)。例如，控制逻辑564可接收有关燃料电池系统10的燃料电池堆14和/或电存储器24的电压、电流和/或功率测量值。这种测量值可包括堆电流Is、堆电压Vs、电池电流IB、电池电压VB和/或温度，但不限于此。再比如，控制逻辑564可接收有关燃料电池系统10的各种系统的工作状况的逻辑值，包括周围氢量、周围氧量和反应剂流，但不限于此。在这一方面，可参考共同受让的、申请号为No.09/916,240的美国专利申请，申请日为2001年7月25日，名称为“FUEL CELL SYSTEM METHOD，APPARATUS AND SHEDULING”(代理记录号：130109.409)。
附加的，或选择性的，控制逻辑564可接收来自电源系统550的其它元件的输入，例如连接成在电力总线556上的不同点确定电压或电流的电压和电流传感器。例如，控制逻辑564可接收相应于在一维阵列552的“顶部”处测量的电力总线之间的电压所读取的电压，使得控制电路564通过检测在期望阈值以下的测量结果(即，“如果Vx＜M×24V则连接”)而间接地检测在一个或多个燃料电池系统10中的故障。用于检测故障情况的阈值可以在控制逻辑564中预先确定，或者可通过用户界面566例如逻辑或数字控制、或在特定应用或一般应用的计算机上的图形化用户界面、由用户或操作员设定。
此外或作为选择，控制逻辑564可借助用户界面566接收来自用户或操作员的输入，该输入可包括一组用户控制信号，以设定工作参数例如功率、电压和/或电流阈值、以设定所需的参数例如所需功率、所需电压或所需电流标称值、以提供用电结构信息、以提供开关信号、和/或用信号取代控制逻辑564的自动工作方案。用户界面566可距电源系统550的剩余部分很远。控制逻辑564可表现为一个或多个硬布线电路、固件、微型控制器、特定应用的处理器、程序化的一般用途的处理器和/或在计算机-可读介质上的程序。
在可牢固控制燃料电池系统10的输出电压的情况下，例如在上述第一和/或第二级操作下，燃料电池系统10的串联连接是可行的。因此，可以串联方式电连接任何所需数量的燃料电池系统10，以实现各燃料电池系统10的电压输出的任何整数倍。例如，在各燃料电池系统10在轨道19a、19b之间产生24伏特的电压的情况下，可将三个燃料电池系统10(1)-10(3)电连接，以在电力总线556之间产生72伏特的电压。更概括地表示，可串联连接M个燃料电池系统10，以在电力总线556之间产生标称燃料电池系统电压的M倍。此外，串联连接表明在一维阵列552中备用燃料电池系统10(M+1)的位置是不重要的。
图12表示燃料电池系统10的二维阵列568，以M行、N列的方式设置，用于借助电力总线556对负载12供电。燃料电池系统10单独地表示为10(1，1)-10(M，N)，在括号中的第一个数表示在二维阵列568中燃料电池系统10的行位置，在括号中的第二个数表示在二维阵列568中燃料电池系统10的列位置。图12中的椭圆表示二维阵列568的各行和列可包括附加的燃料电池系统(未具体示出)。为了清楚表示，在图12中省略了二极管558、分别为560、562的故障和备用开关、控制逻辑564、用户界面566。
各燃料电池系统10(1，1)-10(M，N)可单独连接到电力总线556，以提供各种所需的输出功率、电压或电流。在各1-M列中燃料电池系统10(1-M，1)、10(1-M，2)、10(1-M，3)...10(1-M，N)以串联方式彼此电连接。在各1-N行中燃料电池系统10(1，1-N)、10(2，1-N)、10(3，1-N)...10(M，1-N)以并联方式彼此电连接。本领域的技术人员根据图12和在此的描述可以认识到，二维阵列568允许燃料电池系统10的串联连接，从而通过调节输出电压来调节电源系统550的输出功率。本领域的技术人员还可以认识到，二维阵列568允许燃料电池系统10的并联连接，从而通过调节输出电流来调节电源系统550的输出功率。本领域的技术人员进一步认识到，二维陈列568允许燃料电池系统10的串联和并联连接，从而通过同时调节输出电流和输出电压来调节电源系统550的输出功率。因此，对于各燃料电池系统产生例如以24伏特、40安培的1kW的示意性实施例而言，N×M Kw的最大输出功率是可行的。本领域技术人员还认识到，在此讨论的一维和二维阵列结构是指彼此之间的电连接位置，不必将燃料电池系统10物理地设置成行和/或列的形式。
实施例
图13-15描述了图12的二维阵列568的燃料电池系统10的三种不同的电结构，以产生所需的输出功率，例如，在各燃料电池系统10能够以24伏特和40安培提供1kW的情况下为4kW。尤其是，图13表示采用由串联方式电连接的二维阵列568的第一列的四个燃料电池系统10(1，1)-10(4，1)以在96伏特和40安培提供4kW的功率的一个示意例。图14表示以并联方式电连接的二维阵列568的第一行的四个燃料电池系统10(1，1)-10(4，1)以在24伏特和160安培提供4kW的功率的一个示意例。图15表示采用二维阵列568的四个燃料电池系统10(1，1)、10(1，2)、10(2，1)、10(2，2)的示意例，这里，两对串联连接的燃料电池系统10(1，1)、10(2，1)和10(1，2)10(2，2)并联连接以在48伏特和80安培产生4kW的功率。本领域的技术人员应认识到，根据这些启示，二维阵列568的燃料电池系统10电连接的其它组合和变换也是可行的。
电源系统操作
图16表示操作根据一个典型示意例的电源系统550的方法600，参照图11进行讨论。该方法600可以在上述控制逻辑564中体现。
在步骤602中，控制逻辑564通过可选地操作开关560、562中适当的一个而在电力总线556上以串联方式电连接M个燃料电池系统10(1)-10(M)。在步骤604中，控制逻辑564确定是否有故障。例如，控制逻辑564可确定燃料电池系统10(1)-10(M)之一的任何参数是否在可接受范围之外，或者是否超过或低于可接受的阈值。如上所述，控制逻辑564可接收关于燃料电池系统10的燃料电池堆14和/或电存储器24的电压、电流和/或功率的测量值。此外，或作为选择，控制逻辑564可接收关于燃料电池系统10的各系统的工作状况的逻辑值。此外，作为选择，控制逻辑564可接收来自电源系统550的其它元件的输入，例如，连接成测定在电力总线556上的不同点的电压或电流的电压和电流传感器。控制逻辑564可包括比较电路例如比较器、或者用于将接收值与所确定的范围和/或阈值进行比较的指令，例如确保在电力总线556之间的总电压在限定阈值之上或在限定范围内。作为选择，或附加的，控制逻辑564可依靠由各燃料电池系统10(1)-10(M)返回的一组逻辑值，例如对应于各燃料电池系统10(1)-10(M)的一种或多种工作条件的“1”或“0”。
如果没有故障，该方法600返回至步骤604，进行监测循环。如果有故障，在步骤606中，控制逻辑564在电力总线556上以串联方式电连接备用的燃料电池系统10(M+1)，例如，通过将适当的信号传送给相应的备用开关，例如，通过将信号提供给备用晶体管562的栅极。燃料电池系统10(1)-10(M)是“可热交换的”，这样电源系统550不必切断。
在选择步骤608中，控制逻辑564从电力总线556上电断开有故障的燃料电池系统例如10(3)，例如，通过将适当的信号传送给相应的故障开关，例如，通过将信号提供给故障晶体管560的栅极。在可选的步骤610中，用户或维修技术人员替换掉在电源系统550的阵列552中的故障燃料电池系统10(3)。替换燃料电池系统10可用作备用燃料电池系统，用以另一种燃料电池系统10可能的完全失效。
图17表示包含在方法600中的可选步骤612。在步骤612中，附加燃料电池系统10以串联方式电连接在具有一个或多个燃料电池系统10(1)-10(M)的电力总线550上。例如，在这里有故障的燃料电池系统10(3)被替换，换掉的燃料电池系统可串联连接以增加电源系统550的功率输出。
图18表示包含在方法600中的可选步骤614。在步骤614中，附加燃料电池系统10以并联方式电连接在具有一个或多个燃料电池系统10(1)-10(M)的电力总线552上。根据此描述，本领域的技术人员会认识到，该方法600可采用燃料电池系统10的任何种串联和/或并联的组合。
图19表示操作根据附加的、或可选的、示意性的实施例的电源系统550的方法630，参照图12的二维阵列568进行讨论。因此，除了方法600之外，电源系统550还可以可选地采用方法630。
在步骤632中，控制逻辑564确定来自电源系统550的所需功率、电压和电流输出的至少一种。所需值可定义在控制逻辑564中，或控制逻辑564可借助用户界面566从用户或操作员接收所需值。在步骤634中，控制逻辑564确定多个燃料电池系统10(1，1)-10(M，N)的串联和/或并联组合的用电结构，以提供所需的功率、电压和/或电流。在步骤636中，控制逻辑564操作多个备用开关例如晶体管560(图11，仅示出一个)，以将各个燃料电池系统10(1，1)-10(M，N)电连接到确定的用电结构。
结论
所进行的描述表示任何数量的燃料电池系统50可以串联和/或并联组合的方式电连接，从而形成以所需的电压和电流驱动负载12的组合电源系统550。
燃料电池系统10可采取上述任何燃料电池系统的形式，例如，在图1中描述的燃料电池系统10。如上所述，电源系统550利用在燃料电池堆14和各电存储器24之间的极化曲线的匹配，以允许串联连接的燃料电池系统。实现极化曲线匹配的一种方法包括上述的第一级调节方案。另一种方法包括根据在电存储装置如电池24两端间的电压与在电存储装置24两端之间的所需电压之间的偏差来控制一种或多种反应剂流的分压。另一种方法包括根据电存储电荷与所需电存储电荷的偏差来控制一种或多种反应剂流的分压。通过对流入或流出电存储装置24的电荷进行积分，能够确定出电存储电荷。另一种方法可包括相位或脉冲转换调节或控制方案。用于采用串联构造的原因包括成本优势、并且如果堆电压等于在该点的电池浮动电压那么在全部输出功率点上具有最高效率的构造，例如在24V的系统中效率可超过97％，没有R.F.噪声问题。虽然在所描述的燃料电池系统10中具有两级，但在某些实施例中，电源系统550可结合一个或多个仅具有第一或第二这两级之一的燃料电池系统10。
所公开的实施例提供了“积木”或“元件”的方式来制造电源系统，让生产者由几个、甚至仅一个基本类型的燃料电池系统10生产各种不同种类的电源系统550。这种方法可降低设计、制造和存货成本，以及提供备用以延长所得到的最终用户产品(即，电源系统)在失效之间的平均时间。这种方法还可以简化和降低维护或维修的成本。
虽然为了说明目的在此描述了燃料电池系统和方法的具体实施方式和例子，但在没有脱离本发明的实质和范围的条件下可以进行各种等效修改，正如由本领域的那些技术人员所认识到的那样。例如，在此提供的启示可应用于包括其它类型的燃料电池堆或燃料电池组件的燃料电池系统，不一定是上述的聚合物交换膜燃料电池组件。附加的或选择性的，燃料电池系统10可以将燃料电池堆14与电池部分B1、B2互连。燃料电池系统可采用用于调节反应剂分压的其它各种方法和元件。可将上述各实施例组合而提供进一步的实施例。
在此将下面所列出的专利申请的全部内容引作参考，这些专利申请包括：申请号为No.10/017470、申请日为2001年12月14日、发明名称为“METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLINGVOLTAGE FROM A FUEL CELL SYSTEM”的美国专利申请(代理记录号：130109.436)；申请号为No.10/017462、申请日为2001年12月14日、发明名称为“METHOD AND APPARATUS FORMULTIPLE MODE CONTROL OF VOLTAGE FROM A FUELCELL SYSTEM”的美国专利申请(代理记录号：130109.442)；申请号为No.10/017461、申请日为2001年12月14日、发明名称为“FUELCELL SYSTEM MULTIPLE STAGE VOLTAGE CONTROLMETHOD AND APPARATUS”的美国专利申请(代理记录号：130109.446)；和申请号为No.＿＿、发明名称为“ADJUSTABLEARRAY OF FUEL CELL SYSTEMS IN POWER SUPPLY”的美国专利申请(特快专递号：EV064990705US、代理记录号：130109.449)。如果需要，本发明的方案可修改为采用各种专利、已用技术和公开出版物的系统、电路和构思，从而进一步提供本发明的实施例。例如，燃料电池系统10可附加的、或可选地控制作为电池电压VB、流入或流出电池24的电流或电池电荷任意一个的函数的反应剂分压，正如在美国专利申请NO.10/017470中提出的那样。
可以根据上面的描述对本发明进行这样的和其它的改变。通常，在下述权利要求中，所用的术语不应当构成对在说明书和权利要求书中公开的具体实施例的限制，但应当构成为包括根据权利要求进行操作的所有燃料电池系统。因此，本发明不由说明书限制，而是由下面的权利要求书限定其范围。

Claims (79)

1.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池堆，具有多个燃料电池；
电池，具有多个电池单元，能够以并联的方式电连接在燃料电池堆的两端；
串联旁路元件，电连接在至少一部分燃料电池堆和一部分电池之间；
调节电路，用于响应电池充电电流误差、电池电压误差和堆电流误差中的较大值调节经过串联旁路元件的电流；
反应剂输送系统，用于向燃料电池传送反应剂，该反应剂输送系统至少包括第一控制元件，第一控制元件可被调节以控制到至少某些燃料电池的反应剂流的分压；和
控制电路，被连接成根据电池的确定工作条件和在串联旁路元件两端间的电压的确定偏差中的至少一个来控制所述至少第一控制元件。
2.根据权利要求1的燃料电池系统，其中调节电路包括：
电池充电电流误差积分器，具有连接成接收电池充电电流信号的第一输入端和连接成接收电池充电电流限制信号的第二输入端；
电池电压误差积分器，具有连接成接收电池电压信号的第一输入端和连接成接收电池电压限制信号的第二输入端；和
堆电流误差积分器，具有连接成接收堆电流信号的第一输入端和连接成接收堆电流限制信号的第二输入端。
3.根据权利要求1的燃料电池系统，其中调节电路包括：
电荷泵；和
连接在电荷泵和串联旁路元件之间的电平移动器。
4.根据权利要求1、2或3的燃料电池系统，其中调节电路包括：
具有输入侧和输出侧的OR电路，输入侧连接到电池充电电流误差积分器、电池电压误差积分器和堆电流误差积分器。
5.根据权利要求1的燃料电池系统，其中串联旁路元件包括场效应晶体管，进一步包括：
电连接在燃料电池堆和串联旁路元件之间的阻塞二极管。
6.根据权利要求1的燃料电池系统，其中电池的至少一部分与燃料电池堆的至少一部分以并联方式电连接。
7.根据权利要求1的燃料电池系统，其中调节电路包括微处理器，对该处理器进行编程以通过下述方式调节经过串联旁路元件的电流：
求电池电流和电池电流限制值之差的积分；
求电池电压和电池电压限制值之差的积分；
求堆电流和堆电流限制值之差的积分；
选择积分差值中的较大值；和
与积分差值中的较大值成比例地将控制信号提供给串联旁路元件。
8.根据权利要求2、3或4的燃料电池系统，其中调节电路包括：
电池充电电流传感器，用以与电池充电电流成比例地提供电池充电电流信号；
电池电压传感器，用以与电池电压成比例地提供电池电压信号；和
堆电流传感器，用以与堆电流成比例地提供堆电流信号。
9.根据权利要求1的电路，其中调节电路包括多个分立的积分器或一个微处理器。
10.根据权利要求1的燃料电池系统，其中控制电路包括电压传感器和比较器，电压传感器用以测定在串联旁路元件两端间的电压，比较器被连接成比较串联旁路元件两端间的电压和所需电压。
11.根据权利要求14的燃料电池系统，其中所需电压对应于串联旁路元件的饱和电平的约75％和95％之间。
12.根据权利要求1的燃料电池系统，其中控制电路被连接成仅根据电池至少一个确定的工作条件控制所述至少第一控制元件。
13.根据权利要求1的燃料电池系统，其中控制电路被连接成仅根据串联旁路元件两端间的确定电压偏差控制所述至少第一控制元件。
14.一种用于具有燃料电池堆、电池和串联旁路元件的燃料电池系统的电路，包括：
用于确定电池充电电流和电池充电电流限制值之差、电池电压和电池电压限制值之差、以及堆电流和堆电流限制值之差中的较大值的装置；
串联旁路调节装置，用于与所确定的差值较大值成比例地调节经过阻塞二极管的堆电流；和
用于与所确定的电池工作条件和所确定的串联旁路元件两端间电压偏差中的至少一种成比例地控制至少一种反应剂流的分压的装置。
15.权利要求14的电路，包括：
用于确定电池充电电流和电池充电电流限制值之差的积分装置；
用于确定电池电压和电池电压限制值之差的积分装置；和
用于确定堆电流和堆电流限制值之差的积分装置。
16.权利要求14或15的电路，还包括：
用于确定在串联旁路元件两端之间的电压的偏差的装置。
17.一种操作燃料电池系统的方法，包括：
从燃料电池堆和与燃料电池堆并联电连接的电池中的至少一个在多个输出端处提供电流；
在第一级中，以与电池充电电流和电池充电电流限制值之差、电池电压和电池电压限制值之差、以及堆电流和堆电流限制值之差中的至少较大值成比例地调节经过串联旁路元件的电流；和
在第二级中，调节到至少一部分燃料电池堆的反应剂流分压，从而保持所需电池工作条件和所需串联旁路元件的饱和电平中的至少一个。
18.权利要求17的方法，其中第一级和第二级同时发生。
19.根据权利要求17或18的方法，还包括：
确定在串联旁路元件的输入侧上的第一电位；
确定在串联旁路元件的输出侧上的第二电位；
由第一和第二电位确定在串联旁路元件两端之间的电压；和
由对应于所需饱和电平的值确定在串联旁路元件两端之间的电压的偏差量，其中调节到至少一部分燃料电池堆的反应剂流的分压以保持所需电池工作条件和所需串联旁路元件的饱和电平中的至少一个包括根据确定的偏差量调节反应剂流的分压。
20.权利要求17、18或19的方法，还包括：
通过求电池充电电流和电池充电电流限制值之差对于时间的积分，确定在电池充电电流和电池充电电流限制值之间的差值；
通过求电池电压和电池电压限制值之差对于时间的积分，确定在电池电压和电池电压限制值之间的差值；和
通过求堆电流和堆电流限制值之差对于时间的积分，确定在堆电流和堆电流限制值之间的差值。
21.权利要求17、18、19或20的方法，还包括：
选择电池充电电流和电池充电电流限制值之差、电池电压和电池电压限制值之差、以及堆电流和堆电流限制值之差中的较大值；
对所选择的那个差值进行电平移动；
将电平移动后的那个所选择的差值提供给串联旁路元件的控制端。
22.根据权利要求17、18或19的方法，还包括：
确定靠近电池的温度；
至少部分根据所确定的温度确定电池电压限制值；和
求电池电压和所确定的电池电压限制值之差对于时间的积分以确定电池电压误差。
23.权利要求17的方法，还包括：
响应在第一时间确定的电池充电电流和电池充电电流限制值之差、在第二时间确定的电池电压和电池电压限制值之差和在第三时间确定的堆电流和堆电流限制值之差，将电荷从电荷泵可选地耦合到串联旁路元件的控制端。
24.权利要求17的方法，其中所需要的饱和电平为完全饱和状态的约75％-约95％之间。
25.权利要求17的方法，其中所需要的电池工作条件是在一段时间流入或流出电池的电流、在电池两端间的电压和电池电荷中的至少一个。
26.权利要求17或19的方法，其中调节到至少一部分燃料电池堆的反应剂流分压包括：调节到至少一部分燃料电池堆的燃料流的分压；和调节到至少同一部分的燃料电池堆的氧化剂流的分压。
27.权利要求17、19或26的方法，还包括：
在调节反应剂流的分压的同时保持至少一种反应剂流的压力基本上恒定。
28.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池堆，具有多个燃料电池；
电池，具有多个电池单元，能够以并联的方式电连接在燃料电池堆的两端；
串联旁路元件，电连接在至少一部分燃料电池堆和一部分电池之间；和
调节电路，用于响应电池充电电流误差、电池电压误差和堆电流误差中的较大值调节经过串联旁路元件的电流。
29.根据权利要求28的燃料电池系统，其中调节电路包括：
电池充电电流误差积分器，具有连接成接收电池充电电流信号的第一输入端和连接成接收电池充电电流限制信号的第二输入端；
电池电压误差积分器，具有连接成接收电池电压信号的第一输入端和连接成接收电池电压限制信号的第二输入端；和
堆电流误差积分器，具有连接成接收堆电流信号的第一输入端和连接成接收堆电流限制信号的第二输入端。
30.根据权利要求28或29的燃料电池系统，其中调节电路包括：
电荷泵；和
连接在电荷泵和串联旁路元件之间的电平移动器；和
OR电路。
31.一种用于燃料电池系统的电路，包括：
用于确定电池充电电流和电池充电电流限制值之差、电池电压和电池电压限制值之差、以及堆电流和堆电流限制值之差中的较大值的装置；和
串联旁路调节装置，用于与所确定的差值较大值成比例地调节经过阻塞二极管的堆电流。
32.一种操作燃料电池系统的方法，包括：
从燃料电池堆和与燃料电池堆并联电连接的电池中的至少一个在多个输出端处提供电流；和
以与电池充电电流和电池充电电流限制值之差、电池电压和电池电压限制值之差、以及堆电流和堆电流限制值之差中的至少较大值成比例地调节经过串联旁路元件的电流。
33.权利要求32的方法，还包括：
选择电池充电电流和电池充电电流限制值之差、电池电压和电池电压限制值之差、以及堆电流和堆电流限制值之差中的较大值；
对所选择的那个差值进行电平移动；和
将电平移动后的那个所选择的差值提供给串联旁路元件的控制端。
34.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池堆，具有多个燃料电池；
电池，具有多个电池单元，能够以并联的方式电连接在燃料电池堆的两端；
反应剂输送系统，用于向燃料电池传送反应剂，该反应剂输送系统至少包括第一控制元件，第一控制元件可被调节以控制到至少某些燃料电池的反应剂流的分压；和
控制电路，被连接成接收对应于在串联旁路元件的输入侧和输出侧的电位的信号，并被构成为根据所接收的信号确定在串联旁路元件两端间的电压与所需的工作电压的偏差，该控制电路进一步连接成根据确定的偏差控制至少第一控制元件。
35.根据权利要求34的燃料电池系统，其中控制电路包括电压传感器和比较器，电压传感器用以测定在串联旁路元件两端间的电压，比较器被连接成比较串联旁路元件两端间的电压与所需电压。
36.根据权利要求34或35的燃料电池系统，其中控制电路包括比较器以比较串联旁路元件两端间的确定电压和对应于串联旁路元件的饱和电平的约75％和95％之间的所需电压。
37.一种用于燃料电池系统的电路，包括：
用于确定在串联旁路调节装置两端的电压和串联旁路调节装置的所需工作条件之间的差值的装置；和
用于与在串联旁路调节装置两端的电压和串联旁路调节装置的所需工作条件之间的确定差值成比例地控制至少一种反应剂流的分压的装置。
38.一种操作具有串联旁路元件的燃料电池系统的方法，包括：
从燃料电池堆和与燃料电池堆并联电连接的电池中的至少一个在多个输出端处提供电流；和
调节到至少一部分燃料电池堆的反应剂流的分压，以使串联旁路元件保持在所需的饱和电平。
39.根据权利要求38的方法，还包括：
确定在串联旁路元件的输入侧上的第一电位；
确定在串联旁路元件的输出侧上的第二电位；
由第一和第二电位确定在串联旁路元件两端之间的电压；和
根据对应于所需饱和电平的值确定在串联旁路元件两端之间的电压的偏差量，其中调节到至少一部分燃料电池堆的反应剂流的分压以使串联旁路元件保持在所需饱和电平包括根据确定量的偏差调节反应剂流的分压。
40.根据权利要求38的方法，其中确定所确定的电压偏差量包括确定在确定电压和对应于串联旁路元件的饱和电平的一个百分比的值之间的差值，此百分比在约75％至约95％之间。
41.一种用于向负载提供电能的燃料电池系统，包括：
燃料电池堆，具有多个燃料电池；
电池，具有多个电池单元，能够以并联的方式电连接在燃料电池堆的两端；
反应剂输送系统，用于向燃料电池传送反应剂，该反应剂输送系统至少包括第一控制元件，第一控制元件可被调节以控制到至少某些燃料电池的反应剂流的分压；和
控制电路，被连接成接收对应于电池工作条件的信号，并被构成为根据所接收的信号确定电池的工作条件与所需的电池工作条件的偏差，该控制电路进一步连接成根据确定的偏差控制至少第一控制元件。
42.权利要求41的燃料电池系统，还包括：
电流传感器，连接成测量流入和流出电池的电流，将测出的电流作为对应于电池工作条件的信号提供给控制电路。
43.权利要求41的燃料电池系统，还包括：
电压传感器，连接成测量在电池两端间的电压，并将测得的电压作为对应于电池工作条件的信号提供给控制电路。
44.一种操作燃料电池系统以对负载供电的方法，包括：
从燃料电池堆和与燃料电池堆并联电连接的电池中的至少一个向负载提供电流；
确定电池的工作条件；
确定所确定的电池工作条件与电池所需的工作条件的偏差量；和
对于到至少一部分燃料电池堆的至少一种反应剂流，根据所确定量的偏差调节反应剂流的分压。
45.权利要求44的方法，其中确定电池的工作条件包括确定在一段时间内流入和流出电池的电流。
46.权利要求44或45的方法，其中确定所确定的电池工作条件与所需要的电池工作条件的偏差量包括求在限定的所需标称电荷和在一段时间内流入、流出电池的电流之差的积分。
47.权利要求44或45的方法，其中确定所确定的电池工作条件与电池所需的工作条件的偏差量包括求在限定的所需标称电荷和在一段时间内流入、流出电池的电流之差的积分，所需标称电荷为电池完全充电的约75％和约85％之间。
48.权利要求44的方法，其中确定电池的工作条件包括确定在电池两端间的电压。
49.权利要求44或45的方法，其中确定所确定的电池工作条件与电池所需的工作条件的偏差量包括对所确定的电池电荷与所限定的所需标称电池电荷进行比较。
50.一种电源系统，包括：
电力总线；
第一燃料电池系统；
第二燃料电池系统；
可选择性工作以将第一燃料电池系统以串联方式电连接在电力总线中的第一开关；和
可选择性工作以将第二燃料电池系统以串联方式电连接在电力总线中的第二开关。
51.根据权利要求50的电源系统，其中第一燃料电池系统包括第一燃料电池堆和与第一燃料电池堆并联连接的第一电存储器，其中第二燃料电池系统包括第二燃料电池堆和与第二燃料电池堆并联连接的第二电存储器。
52.权利要求50的电源系统，其中第一燃料电池系统和第二燃料电池系统是根据权利要求1、14、28或39的系统。
53.权利要求50或52的电源系统，其中第一开关是接触器和晶体管之一。
54.权利要求50或52的电源系统，还包括：
第三燃料电池系统；和
可选择性工作以将第三燃料电池系统串联连接在电力总线中的第三开关。
55.权利要求50或52的电源系统，还包括：
第三燃料电池系统；和
可选择性工作以将第三燃料电池系统以与第一和第二燃料电池系统中的至少一个并联的方式电连接在电力总线中。
56.权利要求50或52的电源系统，其中第一开关可根据第一燃料电池系统的工作条件选择性工作，还包括：
第一备用开关，它以串联方式与第一开关电连接，并可选择性与其一起工作以将第一燃料电池系统串联连接到电力总线，第一备用开关可根据至少第二燃料电池系统的工作条件选择性工作。
57.权利要求50或52的电源系统，其中第一开关可根据第一燃料电池系统的工作条件选择性工作，还包括：
第一备用开关，它以串联方式与第一开关电连接，并可选择性与其一起工作以将第一燃料电池系统串联连接到电力总线，第一备用开关可根据由至少第二燃料电池系统提供的电压选择性工作。
58.权利要求50或52的电源系统，其中第一开关可根据第一燃料电池系统的工作条件选择性工作，还包括：
第一备用开关，它以串联方式与第一开关电连接，并可选择性与其一起工作以将第一燃料电池系统串联连接到电力总线，第一备用开关可根据电力总线两端间的电压可选地工作。
59.权利要求50或52的电源系统，其中第一开关可根据第一燃料电池系统的工作条件选择性工作，还包括：
第一备用开关，它以串联方式与第一开关电连接，并可选择性与其一起工作以将第一燃料电池系统串联连接到电力总线，第一备用开关可根据电源系统的所需输出选择性工作。
60.权利要求50或52的电源系统，其中第一开关可根据第一燃料电池系统的工作条件选择性工作，还包括：
第一备用开关，它以串联方式与第一开关电连接，并可选择性与其一起工作以将第一燃料电池系统串联连接到电力总线，第一备用开关可根据电源系统所需的标称功率输出、电源系统所需的标称电压输出和电源系统所需的标称电流输出中的至少一种选择性工作。
61.一种电源系统，包括：
电力总线；
可串联电连接到电力总线的多个燃料电池系统，各燃料电池系统具有燃料电池堆和与燃料电池堆并联电连接的电存储器；
可选择性工作以将一个燃料电池系统从电力总线中电断开的多个开关，各开关响应各自燃料电池系统的工作条件；以及
可选择性工作以将多个燃料电池系统的各自的第一个电连接到电力总线的至少一个第一备用开关，第一备用开关响应与多个燃料电池各自的第一个的工作条件不同的工作条件。
62.权利要求60的电源系统，还包括：
附加数量的备用开关，各附加数量的备用开关可响应与各自燃料电池的工作条件不同的工作条件选择性工作以将各自燃料电池系统电连接到电力总线。
63.权利要求60的电源系统，其中第一备用开关所响应的工作条件是与第一备用开关选择性工作以电连接到电力总线的各自第一燃料电池系统不同的至少一个燃料电池系统的工作条件。
64.权利要求60的电源系统，其中第一备用开关所响应的工作条件是与第一备用开关选择性工作以电连接到电力总线的各自第一燃料电池系统不同的至少一个燃料电池系统的输出端的电压。
65.权利要求60的电源系统，其中各个燃料电池系统还包括用于确定各自燃料电池系统的一组工作参数的多个传感器和构成为根据所确定该组工作参数确定各自燃料电池系统的工作条件的处理器，其中第一备用开关所响应的工作条件是由至少一个处理器确定的工作条件。
66.权利要求60的电源系统，其中第一备用开关所响应的工作条件是电力总线的功率输出、电力总线两端间的电压、电流总线的电流输出、电源系统的所需标称功率输出、电源系统的所述标称电压输出和电源系统的所需标称电流输出中的至少一个。
67.权利要求60的电源系统，还包括：
连接成接收来自多个燃料电池系统每一个的一组工作参数的控制器，该控制器构造成根据所接收的该组工作参数确定燃料电池系统的工作条件，其中第一备用开关所响应的工作条件是由控制器确定的工作条件。
68.一种电源系统，包括：
至少两个燃料电池系统；和
用于以串联方式选择性电连接至少两个燃料电池系统的装置。
69.权利要求68的电源系统，其中用于以串联方式选择性电连接至少两个燃料电池系统的装置包括用于各个燃料电池系统的各自的开关，各个开关响应至少一个其它燃料电池系统的工作条件。
70.一种操作至少具有第一和第二燃料电池系统的电源系统的方法，该方法包括：
在第一时间将第一燃料电池系统以串联方式电连接到电力总线；
确定故障情况的存在；
响应故障情况，在第二时间将第二燃料电池系统自动地以串联方式电连接到电力总线；和
自动地将第一燃料电池系统与电力总线电断开。
71.权利要求70的方法，其中确定故障情况的存在包括对在第一燃料电池系统中的输出功率、输出电压、输出电流、电池电流、电池电压、堆电流、环境氢量、环境氧量和反应剂流中的至少一项进行监测。
72.一种操作包括多个燃料电池系统的电源系统的方法，第一数量的燃料电池系统以串联方式电连接到电力总线，第二数量的燃料电池系统可以串联方式电连接到电力总线，包括：
确定在第一数量的燃料电池系统的至少一个中故障情况的存在；和
响应所确定存在的故障情况在第二时间自动地将第二数量的燃料电池系统的至少一个以串联方式电连接到电力总线，以保持电源系统的电力总线上的电输出。
73.权利要求72的方法，还包括：
将至少一个有故障情况的燃料电池系统用替代燃料电池系统替换；
响应附加的故障情况将替代燃料电池系统以串联方式电连接到电力总线，以保持电源系统的电力总线上的电输出。
74.权利要求72或73的方法，其中响应所确定存在的故障情况在第二时间自动地将第二数量的燃料电池系统的至少一个以串联方式电连接到电力总线、以保持电源系统的电力总线上的电输出的方式包括：以与第一数量的燃料电池系统的至少一个的输出功率、输出电流和输出电压的至少一个中的故障情况有关的降低成比例地激活在燃料电池和电力总线之间电连接的第一晶体管。
75.一种操作具有多个燃料电池系统的电源系统的方法，至少多个燃料电池系统可选择性串联连接在电力总线上，该方法包括：
根据负载确定电源系统的所述功率、所需电流和所需电压中的至少一个；
当以多个串联组合和并联组合中的至少一种方式电连接到电力总线时，自动地确定多个燃料电池系统的电结构，所述燃料电池系统提供所确定的所需功率、所确定的所需电流和所确定的所需电压中的至少一种；和
自动地操作多个开关从而以预定的电结构将多个燃料电池系统电连接到电力总线。
76.权利要求75的方法，其中自动地操作多个开关从而以预定的电结构将多个燃料电池系统电连接到电力总线包括：闭合至少一个开关从而以串联方式电连接至少两个燃料电池系统。
77.权利要求75的方法，其中自动地操作多个开关从而以预定的电结构将多个燃料电池系统电连接到电力总线包括：闭合至少一个开关从而以并联方式电连接至少两个燃料电池系统。
78.权利要求75的方法，其中自动地操作多个开关从而以预定的电结构将多个燃料电池系统电连接到电力总线包括：闭合至少第一个开关从而以串联方式电连接至少两个燃料电池系统，和闭合至少第二个开关从而将至少一个燃料电池系统以并联方式与以串联方式电连接的至少两个燃料电池电连接。
79.权利要求75的方法，其中自动地操作多个开关从而以预定的电结构将多个燃料电池系统电连接到电力总线包括：闭合至少第一个开关从而以并联方式电连接至少两个燃料电池系统，和闭合至少第二个开关从而将至少一个燃料电池系统以串联方式与以并联方式连接的两个燃料电池电连接。
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Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101593994B (zh) * 2009-07-01 2011-05-18 武汉银泰科技燃料电池有限公司 无dc-dc变换器的燃料电池稳压方法和燃料电池系统
CN102255117A (zh) * 2011-04-20 2011-11-23 江苏耀扬新能源科技有限公司 一种用于电动汽车的电池系统
CN102369622A (zh) * 2009-03-31 2012-03-07 丰田自动车株式会社 燃料电池系统、用于燃料电池系统的控制方法以及配备有燃料电池系统的车辆
CN102651478A (zh) * 2011-02-24 2012-08-29 三星Sdi株式会社 燃料电池堆
CN101257122B (zh) * 2007-02-28 2013-08-07 三洋电机株式会社 电源装置
CN101752580B (zh) * 2008-12-16 2014-05-07 通用汽车环球科技运作公司 不延长启动时间且在完成启动后稳定电池组的方法
CN106133997A (zh) * 2013-10-02 2016-11-16 水吉能公司 快速启动型燃料电池
US10741859B2 (en) 2012-04-02 2020-08-11 Hydrogenics Corporation Fuel cell start up method
US11309556B2 (en) 2013-10-02 2022-04-19 Hydrogenics Corporation Fast starting fuel cell
CN114524048A (zh) * 2022-03-08 2022-05-24 无锡凌博电子技术有限公司 一种预防电动自行车自燃的控制方法

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4529429B2 (ja) 2003-12-05 2010-08-25 トヨタ自動車株式会社 ハイブリッド燃料電池システム
US8373381B2 (en) * 2005-04-22 2013-02-12 GM Global Technology Operations LLC DC/DC-less coupling of matched batteries to fuel cells
JP5184921B2 (ja) * 2008-03-06 2013-04-17 株式会社東芝 蓄電装置

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4904548A (en) * 1987-08-03 1990-02-27 Fuji Electric Co., Ltd. Method for controlling a fuel cell
JPH01211860A (ja) * 1988-02-18 1989-08-25 Fuji Electric Co Ltd 燃料電池発電システムの制御装置
JP3487952B2 (ja) * 1995-04-14 2004-01-19 株式会社日立製作所 電気自動車の駆動装置及び駆動制御方法
JP3608017B2 (ja) * 1996-07-22 2005-01-05 トヨタ自動車株式会社 電源システム
JP4096430B2 (ja) * 1998-12-10 2008-06-04 松下電器産業株式会社 燃料電池装置

Cited By (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101257122B (zh) * 2007-02-28 2013-08-07 三洋电机株式会社 电源装置
CN101752580B (zh) * 2008-12-16 2014-05-07 通用汽车环球科技运作公司 不延长启动时间且在完成启动后稳定电池组的方法
CN102369622A (zh) * 2009-03-31 2012-03-07 丰田自动车株式会社 燃料电池系统、用于燃料电池系统的控制方法以及配备有燃料电池系统的车辆
CN102369622B (zh) * 2009-03-31 2013-05-01 丰田自动车株式会社 燃料电池系统、用于燃料电池系统的控制方法以及配备有燃料电池系统的车辆
CN101593994B (zh) * 2009-07-01 2011-05-18 武汉银泰科技燃料电池有限公司 无dc-dc变换器的燃料电池稳压方法和燃料电池系统
CN102651478A (zh) * 2011-02-24 2012-08-29 三星Sdi株式会社 燃料电池堆
US9065096B2 (en) 2011-02-24 2015-06-23 Samsung Sdi Co., Ltd. Fuel cell stack
CN102255117A (zh) * 2011-04-20 2011-11-23 江苏耀扬新能源科技有限公司 一种用于电动汽车的电池系统
CN102255117B (zh) * 2011-04-20 2013-09-18 江苏耀扬新能源科技有限公司 一种用于电动汽车的电池系统
US11101477B2 (en) 2012-04-02 2021-08-24 Hydrogenics Corporation Fuel cell start up method
US10741859B2 (en) 2012-04-02 2020-08-11 Hydrogenics Corporation Fuel cell start up method
US11495807B2 (en) 2012-04-02 2022-11-08 Hydrogenics Corporation Fuel cell start up method
US11804611B2 (en) 2012-04-02 2023-10-31 Hydrogenics Corporation Fuel cell start up method
US10181610B2 (en) 2013-10-02 2019-01-15 Hydrogenics Corporation Fast starting fuel cell
CN106133997B (zh) * 2013-10-02 2020-01-14 水吉能公司 快速启动型燃料电池
US10680258B2 (en) 2013-10-02 2020-06-09 Hydrogenics Corporation Fast starting fuel cell
CN111509265A (zh) * 2013-10-02 2020-08-07 水吉能公司 电力供应系统和燃料电池模块启动方法
CN106133997A (zh) * 2013-10-02 2016-11-16 水吉能公司 快速启动型燃料电池
US11309556B2 (en) 2013-10-02 2022-04-19 Hydrogenics Corporation Fast starting fuel cell
CN111509265B (zh) * 2013-10-02 2023-10-27 水吉能公司 电力供应系统和燃料电池模块启动方法
CN114524048A (zh) * 2022-03-08 2022-05-24 无锡凌博电子技术有限公司 一种预防电动自行车自燃的控制方法

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CA2469963A1 (en) 2003-06-26

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