CN219626699U - 电池电压监测系统以及在燃料电池堆中检测水淹的系统 - Google Patents

Abstract

一种电池电压监测系统包括一个燃料电池堆、一个邻近燃料电池堆底部布置的第一电池电压监测器和一个邻近燃料电池堆顶部(与底部相对)布置且朝上远离燃料电池堆的预期淹没水位的第二电池电压监测器。第一电池电压监测器用以测量燃料电池堆的第一电压，第二电池电压监测器用以测量燃料电池堆的第二电压。电池电压监测系统通过第一电压和第二电压之间的电压差大于预定阈值来确定燃料电池堆中已经发生水淹。

Description

电池电压监测系统以及在燃料电池堆中检测水淹的系统

技术领域

本公开一般涉及燃料电池组件，特别是燃料电池组件的电池电压监测器。

背景技术

单片燃料电池是燃料电池堆的众多重复单元之一，可以为个人和/或工业用途提供电力或电能。典型的质子交换膜(PEM)燃料电池由许多燃料电池组件组成，这些组件经压缩捆绑而形成一个燃料电池组。在许多移动应用中，燃料电池所用的反应物是用于阳极气体扩散层的纯氢气和用于阴极气体扩散层的氧化剂，例如氧气。冷却系统通常需要提供一个散热器来管理电化学反应过程中产生的多余热量，并在运行期间使燃料电池保持在适当的温度。

燃料电池堆内可能会发生水淹，这可能会对燃料电池堆的性能造成不利影响。当燃料电池堆发生水淹时，由于重力作用，水通常会积聚在燃料电池堆的底部。如果水聚集在燃料电池堆的这一区域，可能会很难检测到，尤其是当燃料电池堆中水的积聚量较少时。因此，提供一种能够有效检测燃料电池堆水淹(包括燃料电池堆中积聚少量水时的轻微水淹)的系统将是有利的。

发明内容

根据本公开的第一方面，一种电池电压监测系统包括一个燃料电池堆、一个邻近燃料电池堆底部布置的第一电池电压监测器和一个邻近燃料电池堆顶部(与底部相对)布置且朝上远离燃料电池堆的预期淹没水位的第二电池电压监测器。所述第一电池电压监测器用以测量燃料电池堆的第一电压，所述第二电池电压监测器用以测量燃料电池堆的第二电压。电池电压监测系统通过第一电压和第二电压之间的电压差大于预定阈值来确定燃料电池堆中已经发生水淹。

在一些实施例中，所述系统还包括一个含有处理器的控制器，用以确定第一电压和第二电压之间的电压差，并通过第一电压和第二电压之间的电压差大于预定阈值来确定燃料电池堆中发生水淹。所述第一电池电压监测器用以测量燃料电池堆底部的第一电压，所述第二电池电压监测器用以测量燃料电池堆顶部的第二电压。

在一些实施例中，当在垂直方向上观察时，所述燃料电池堆的底部和顶部分别是燃料电池堆的下侧和上侧。由于重力作用，水淹发生在燃料电池堆的底部。在一些实施例中，当燃料电池堆中发生水淹时，所述燃料电池堆底部的第一电压低于燃料电池堆顶部的第二电压。

在一些实施例中，所述燃料电池堆包括通常为平面的第一燃料电池，并且包括顶部电池侧、与顶部电池侧相对的底部电池侧以及延伸在顶部和底部电池侧之间并使之相互连接的第一电池侧。所述第一电池电压监测器位于与第一燃料电池的底部电池侧相邻的第一电池侧底部，这样所述第一电池电压监测器可以测量第一燃料电池底部的第一电压。

在一些实施例中，所述第二电池电压监测器位于与第一燃料电池的顶部电池侧相邻的第一电池侧顶部，这样所述第二电池电压监测器可以测量第一燃料电池顶部的第二电压。在一些实施例中，所述燃料电池堆包括多个燃料电池(包括第一燃料电池)，其中每个燃料电池通常都是平面的，并且彼此相邻地堆叠。这些燃料电池的每个燃料电池都包括顶部电池侧、与顶部电池侧相对的底部电池侧以及延伸在顶部和底部电池侧之间并使之相互连接的第一电池侧。

在一些实施例中，所述系统还包括多个第一电池电压监测器，其中包括位于邻近燃料电池底部电池侧的各燃料电池的各第一电池侧底部的第一电池电压监测器，从而在燃料电池堆的底部形成一排第一电池电压监测器组。在一些实施例中，还有多个第二电池电压监测器，其中包括位于邻近燃料电池顶部电池侧的各燃料电池的各第一电池侧顶部的第二电池电压监测器，从而在燃料电池堆的顶部形成一排第二电池电压监测器组。

在一些实施例中，配置有多个第一电池电压监测器，用以测量燃料电池堆的多个燃料电池中每个燃料电池的第一电压，并且配置有多个第二电池电压监测器，用以测量多个燃料电池中每个燃料电池的第二电压。此外，还配置有控制器，用以通过多个燃料电池中每个燃料电池的第一电压和第二电压之间的差值大于多个燃料电池中任意燃料电池的预定阈值来确定燃料电池堆中已经发生水淹。当确定燃料电池堆中发生水淹时，所述控制器还可以向用户界面输出一条指示已发生水淹的消息。

根据本公开的另一方面，一种电池电压监测系统包括一个燃料电池堆(含有具有第一电池侧的第一燃料电池)，一个位于第一电池侧底部的第一电池电压监测器，一个位于延第一电池侧长度方向与第一电池电压监测器隔开的第一燃料电池上的第二电池电压监测器，和一个含有处理器的控制器。所述第一电池电压监测器用于在第一电池侧的第一电池电压监测器处测量第一燃料电池的第一电压，所述第二电池电压监测器用于在第一电池侧的第二电池电压监测器处测量第一燃料电池的第二电压。所述控制器用以确定第一电压和第二电压之间的电压差。所述控制器用以对比电压差与预定阈值。当电压差大于预定阈值时，控制器用以确定燃料电池堆中发生了水淹。

在一些实施例中，当在垂直方向上观察时，所述燃料电池堆的底部和顶部分别是燃料电池堆的下侧和上侧，水淹发生在燃料电池堆的底部。所述第一燃料电池通常是平面的，包括顶部电池侧、与顶部电池侧相对的底部电池侧以及延伸在顶部和底部电池侧之间并使之相互连接的第一电池侧。

在一些实施例中，所述第二电池电压监测器位于第一电池侧长度方向的上三分之二处。在一些实施例中，所述第二电池电压监测器位于第一电池侧长度方向的上半部。

根据本公开的另一方面，一种电池电压监测系统包括一个位于燃料电池堆的第一燃料电池上并用以测量第一燃料电池的第一电压的第一电池电压单元，和一个位于与第一电池电压监测器相隔开来的第一燃料电池上并用以测量第一燃料电池的第二电压的第二电池电压单元。所述系统用于通过第二电压大于第一电压来确定燃料电池堆的第一电池电压监测器周围发生水淹。

附图说明

下面结合附图对本公开内容进行详细说明：

图1A是一个示例性燃料电池系统的示意图，其中包括一个空气输送系统、一个氢气输送系统和一个含有多个燃料电池的燃料电池模块；

图1B是一个示例性燃料电池系统的剖面图，其中包括多个空气输送系统、氢气输送系统、及多个燃料电池模块，其中每个模块包括多个燃料电池堆；

图1C是图1A所示的燃料电池系统的一个燃料电池堆的示例性重复单元的透视图；

图1D是图1C所示的燃料电池堆的一个示例性重复单元的剖面图；

图2是根据本公开第一方面的电池堆电压监测系统的透视图，其中显示了一排位于燃料电池堆底部的第一电池电压监测器组和一排位于燃料电池堆顶部的第二电池电压监测器组，该组件用于通过第二电压与第一差压的差值检测燃料电池堆中是否发生了水淹；

图3是一个具有单排电池电压监测器组的电池堆电压监测系统的侧视图；

图4是图2所示电池堆电压监测系统的侧视图，其中显示了第一和第二电池电压监测器的位置、水位、以及用于检测水淹并输出警报或关闭系统的控制器；

图5是图2所示电池堆电压监测系统的侧视图，其中显示了第二电池电压监测器位于燃料电池堆顶部下方和燃料电池堆垂直中点上方，并显示了第一电池电压监测器位于燃料电池堆的底部；

图6是图2所示电池堆电压监测系统的侧视图，其中显示了第三电池电压监测器位于第一和第二电池电压监测器之间；

图7A是一张图表，其中显示了未发生水淹时利用具有单排电池电压监测器组的电池堆电压监测系统的燃料电池堆的每个电池的示例性电池电压；

图7B是一张图表，其中显示了轻微水淹时利用具有单排电池电压监测器组的电池堆电压监测系统的燃料电池堆的每个电池的示例性电池电压；

图7C是一张图表，其中显示了严重水淹时利用具有单排电池电压监测器组的电池堆电压监测系统的燃料电池堆的每个电池的示例性电池电压；

图7D是一张图表，其中显示了未发生水淹时利用图2所示具有至少两个相隔开来的电池电压监测器的电池堆电压监测系统的燃料电池堆中每个电池的示例性电池电压，并显示了每个电池的燃料电池堆顶部的电压和燃料电池堆底部的电压；

图7E是一张图表，其中显示了发生轻微水淹时利用图2所示具有至少两个相隔开来的电池电压监测器的电池堆电压监测系统的燃料电池堆中每个电池的示例性电池电压，并显示了每个电池的燃料电池堆顶部的电压和燃料电池堆底部的电压；

图7F是一张图表，其中显示了发生严重水淹时利用图2所示具有至少两个相隔开来的电池电压监测器的电池堆电压监测系统的燃料电池堆中每个电池的示例性电池电压，并显示了每个电池的燃料电池堆顶部的电压和燃料电池堆底部的电压；

图8是与图2和4-6中所示电池堆电压监测系统配合使用的控制器及相关组件的示意图。

具体实施方式

如图1A所示，燃料电池系统(10)通常包括一个或多个燃料电池堆(12)或连接到核电厂配套设施(BOP)(16)的燃料电池模块(14)，其中涉及各种组件，用以支持电化学转换、发电和/或配电，进而以环保的方式帮助满足现代工业和商业需求。如图1B和1C所示，燃料电池系统(10)可包括由多个单片燃料电池(20)组成的燃料电池堆(12)。每个燃料电池堆(12)可以容纳多个以串联和/或并联方式组装在一起的燃料电池(20)。燃料电池系统(10)可以包括如图1A和1B所示的一个或多个燃料电池模块(14)。

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)还可以包括相关结构元件、机械系统、硬件、固件和/或软件的适当组合，用于支持燃料电池模块(14)的功能和操作。此类项目包括但不限于管道、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)可以堆叠在一起以增加单个燃料电池堆(12)的电压输出。燃料电池系统(10)中燃料电池堆(12)的数量可以根据操作燃料电池系统(10)和满足任何负载的功率需求所需的功率而变化。燃料电池堆(12)中燃料电池(20)的数量可以根据操作含有燃料电池堆(12)的燃料电池系统(10)所需的功率而变化。

每个燃料电池堆(12)或燃料电池系统(10)中可以含有任意数量的燃料电池(20)。例如，每个燃料电池堆(12)中燃料电池(20)的数量范围可以是约100到约1,000个，包括包含在其中的任何特定数量或数量范围的燃料电池(20)(例如，约200个至约800个)。在一个实施例中，燃料电池系统(10)可能包括约20至约1,000个燃料电池堆(12)，其中包括含在其中的任何特定数量或数量范围的燃料电池堆(12)(例如，约200个至约800个)。在燃料电池模块(14)中，组成燃料电池堆(12)的燃料电池(20)可以朝向任何方向，以优化燃料电池系统(10)的运行效率和功能。

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)。在一个示例性实施例中，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所示的一个实施例中，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)包含一个单膜电极(MEA)(22)，并在膜电极(MEA)(22)的一侧或两侧具有气体扩散层(GDL)(24,26)(见图1C)。如图1C所示，燃料电池(20)还包括位于各气体扩散层(GDL)(24,26)外侧的双极板(BPP)(28,30)。上述组件，尤其是双极板(30)、气体扩散层(GDL)(26)、膜电极(MEA)(22)和气体扩散层(GDL)(24)组成一个重复单元(50)。

双极板(BPP)28、30负责在燃料电池20中运输反应物，例如燃料32(例如氢气)或氧化剂34(例如氧气、空气)和冷却液36(例如冷却剂和/或水)。双极板(BPP)(28,30)可以通过在其外表面上形成的氧化剂流场(42)和/或燃料流场(44)将反应物(32,34)均匀地分布到每个燃料电池(20)的活性区域(40)。当自上到下观察电池堆(12)时，由燃料电池(20)发生电化学反应以产生电能的活性区域(40)位于膜电极(MEA)(22)、气体扩散层(GDL)(24,26)和双极板(BPP)(28,30)内的中心处。

如图1D所示，各双极板(BPP)(28,30)可在其相对外表面上形成反应物流场(42,44)，并在其内形成冷却水流场(52)。例如，双极板(BPP)(28,30)可在其一侧形成燃料流畅(44)，用以输送燃料(32)与气体扩散层(GDL)(26)发生反应，并在其另一相对侧形成氧化剂流场(42)，用以输送氧化剂(34)与气体扩散层(GDL)(24)发生反应。如图1D所示，双极板(BPP)(28,30)还可以在其内形成冷却水流场(52)，所述流场通常位于双极板(BPP)(28,30)的两个相对外表面的中间位置。冷却水流场(52)有利于冷却液(36)流过双极板(BPP)(28,30)，以调节双极板(BPP)(28,30)材料和反应物的温度。双极板(BPP)(28,30)被压缩抵靠相邻的气体扩散层(GDL)(24,26)，以隔离和/或密封其各个通路(44,42)内的一个或多个反应物(32,34)，进而保持导电性，这是燃料电池(20)可靠运行所必需的(见图1C和1D)。

本文所述燃料电池系统(10)可用于固定电力系统，例如工业应用和发电厂。燃料电池系统(10)还可以与空气输送系统(18)一起实施。此外，燃料电池系统(10)还可以与氢源(19)一起实施，例如加压罐，其中包括气态加压罐、低温液体储存罐、化学品储存装置、物理储存装置、固定储存装置或电解槽。在一个实施例中，燃料电池系统(10)以串联或并联方式连接到氢源(19)，例如核电厂配套设施(BOP)(16)中的一个或多个氢源(19)(见图1A)。在另一个实施例中，燃料电池系统(10)未以串联或并联方式连接到氢源(19)。

本燃料电池系统(10)还可以包括在移动应用中。在一个示例性实施例中，燃料电池系统(10)位于车辆和/或动力总成(100)中。配备本燃料电池系统(10)的车辆(100)可以是汽车、直通车、公共汽车、卡车、火车、机车、飞机、轻型车辆、中型车辆或重型车辆。车辆(100)类型还可以包括但不限于商用车辆和发动机、火车、台车、有轨电车、飞机、公共汽车、轮船、船只和其他已知车辆，以及其他机械和/或制造装置、设备、设施等。

车辆和/或动力总成(100)可用于公路、高速公路、铁路、航空和/

或水路。车辆(100)的应用范围包括但不限于非公路运输、天然气轻油回收装置和/或采矿设备。例如，采矿设备车辆(100)的一个示例性实施例是矿用卡车或矿用运输车。

此外，本领域普通技术人员可以理解，本公开中所述燃料电池系统(10)、燃料电池堆(12)和/或燃料电池(20)可以分别代替任何电化学系统，例如电解系统(例如，电解槽)、电解槽电池堆和/或电解槽电池(EC)。因此，在一些实施例中，本公开中所述关于燃料电池系统(10)、燃料电池堆(12)或燃料电池(20)的特征和方面也涉及电解槽、电解槽电池堆和/或电解槽电池(EC)。在其他实施例中，本公开中所述特征和方面与电解槽、电解槽电池堆和/或电解槽电池(EC)的特征和方面无关，因此可与之区分开来。

本公开涉及用于检测燃料电池堆中是否发生水淹的系统、组件、装置和方法，例如在上述燃料电池堆(12)的燃料电池(20)中。尤其是，本公开中所述系统、组件、装置和方法利用电池堆电压监测系统(108)。该监测系统具有两个间隔开来的电压监测器(110,120)，分别布置在燃料电池堆(12)的顶部和底部，用以确定两个电压监测器(110,120)之间电压测量值之差。当电压差超过预定阈值时，本公开中所述系统、组件、装置和方法可确定燃料电池堆(12)中已经发生水淹，并做出相应的反应。

如图2和4所示，燃料电池堆(12)中包含多个燃料电池(20)，这些电池堆叠在一起以增加燃料电池堆(12)的电压输出。具体而言，这些燃料电池(20)被夹在一起，使得每个燃料电池(20)的平面(20P)与相邻燃料电池(20)的相邻平面(20P)贴合。如图2所示，燃料电池堆(12)可以布置在用于容纳燃料电池堆(12)的两个端板(140,142)之间。

在一些实施例中，每个燃料电池通常都是平面的，包括顶部电池侧(20T)、与顶部电池侧(20T)相对的底部电池侧(20B)以及第一电池侧(20S)，如图2和4所示。第一电池侧(20S)延伸在顶部和底部电池侧(20T,20B)之间并使之相互连接。具体而言，第一电池侧(20S)通常沿垂直方向延伸，尤其是当燃料电池堆(12)布置在燃料电池系统(10)中的安装位置时或者当燃料电池堆(12)被放置或固定在水平表面上时，这使得燃料电池堆(12)整体处于水平方向。由于第一电池侧(20S)和燃料电池(20)处于垂直方向，因此水(190)可以在重力作用下积聚在燃料电池堆(12)的底部。

本领域技术人员将理解，在燃料电池堆(12)所处方向与上述内容不同的情况下，例如在任何角度下，水(190)也会在燃料电池堆(12)内的低平面上以一定角度积聚。因此，本领域技术人员将理解，可以修改电池电压监测器的定位以满足燃料电池堆(12)的这种替代方向的设计要求。尤其是，第一电压监测器(110)应布置得足够靠近水(190)位，以便测量燃料电池(20)中受水(190)影响区域的电压(见图4)。

当燃料电池堆(12)中发生水淹时，水淹区域内的燃料电池电压将低于水淹区域外的电压。图3所示为一个典型的包含多个燃料电池的(20')的燃料电池堆(12')。燃料电池堆(12')通常可以包含一个电池电压监测器(110)'或一排相对居中排列在燃料电池(20')的电池侧(20S')的垂直长度上的电池电压监测器(110')。尽管这种电池电压监测器(110')可以有效地检测燃料电池堆(12')的电压，包括其中所包含的各个燃料电池(20')电压，但这些电池电压监测器(110')的常规定位并不在水淹区域。尤其是，传统的电池电压监测器(110')并不在已经发生或可能发生轻微水淹的区域，例如燃料电池堆(12')的底部(例如，最低平面)。因此，典型的电池电压监视器(110')无法检测到水淹区域和未水淹区域之间存在的电压差。然而，本公开所述系统和装置能够检测这种电压差，因为它们在可能被水淹和未被水淹的区域采用了多个电池电压监测器。

图7A-7C所示为上述典型燃料电池堆(12')中各种电池电压的图形表示。图7A所示为未发生水淹时的电池电压。图7B所示为燃料电池堆(12')的底部发生轻微水淹时的电池电压。图7C所示为燃料电池堆(12')内发生严重水淹时的电池电压。

如图7B所示，由于水(190)位尚未达到电池电压监视器(110')处，因此电压可能仅受到最小影响或根本不受影响。在水(190)位达到或超过电池电压监视器(110')所在位置之前，电压不会受到显著影响。因此，当基于位于相对中央或燃料电池堆(12)中间的单个监测器时，仅从这些测量值无法确定在电池电压监视器(110')下方是否发生了水淹。

为了检测燃料电池堆(12)中是否发生了水淹，用于与燃料电池堆(12)配合使用的电池堆电压监测系统(108)包括多个间隔布置的电池电压监测器(110,120)，如图2和4-6所示。具体而言，燃料电池堆(12)包括至少一个与燃料电池堆(12)的底部相邻布置的第一电池电压监测器(110)和至少一个与第一电池电压监测器(110)隔开布置的第二电池电压监测器(120)。因此，本系统和装置包括至少两个电池电压监测器(110)，并且可以包括更多监测器(例如，至少3个、至少4个、至少5个、至少6个或更多个电池电压监视器(110))。如下文的更详细描述，可以测量第一和第二电池电压监测器(110,120)之间的电压差，并且当电压差超过预定阈值时可以检测到发生水淹。

如图2和4所示，至少一个第一电池电压监测器(110)被布置在位置(111)，该位置靠近或位于燃料电池堆(12)所含燃料电池(20)的电池侧(20S)底部(20B)。第一电池电压监测器(110)配置为在第一电池电压监测器(110)位于燃料电池(20)上的区域内测量其所在燃料电池(20)的电压。如图2所示，至少一个第一电池电压监测器(110)可以是一排第一电池电压监测器(110)的组成之一。所述第一电池电压监测器(110)排可以延伸到燃料电池堆(12)的整个横向范围，或者换句话说，所述电池堆(12)的每个燃料电池(20)都可以包括一个第一电池电压监测器(110)。在一些实施例中，只有某些燃料电池(20)包括第一电池电压监测器(110)。作为一个非限制性示例，在一些实施例中，每隔一个燃料电池(20)就有一个第一电池电压监测器(110)。在另一个非限制性示例中，每三个燃料电池(20)包含一个第一电池电压监测器(110)。

回顾图2，在一些实施例中，每个第一电池电压监测器(110)可以包括一个基座部分(112)和由此延伸出的多个指状结构(114)。每个指状结构(114)连接到一个唯一的燃料电池(20)，用以测量该燃料电池(20)的电压。尤其是，每个指状结构(114)可以布置在燃料电池(20)的电池侧(20S)，并部分地沿电池侧(20S)的纵向延伸。

在一些实施例中，至少一个第一电池电压监测器(110)或一排监测器(110)的位置(111)在燃料电池(20)的电池侧(20S)的最低点。所述最低位置(111)可用于水(190)位会对燃料电池堆(12)造成损坏的任何场景，因此能够尽早检测到水淹。在一些实施例中，至少一个第一电池电压监测器(110)的位置(111)稍微高于燃料电池(20)的电池侧(20S)的最低点，比如在电池(20B)底部的正上方。所述略高位置(111)可以是水(190)位达到位置(111)可能会对燃料电池堆(12)造成损害的点，但是水(190)位低于该位置时不会造成损害，因此可以允许燃料电池堆(12)继续运行。或者，所述略高位置(111)可以是在燃料电池可能发生损坏之前的一个点，但是检测水可以防止燃料电池损坏。

本领域技术人员将理解，至少一个第一电池电压监测器(110)或一排监测器(110)的精确定位可以根据燃料电池堆(12)的设计要求进行修改。例如，在可能允许某些水淹的情况下，至少一个第一电池电压监测器(110)可以稍微远离燃料电池(20)的电池侧(20S)底部。作为进一步的非限制性示例，在控制器(192)在发生溢流和/或检测到溢流时自动关闭燃料电池堆(12)的情况下，至少一个第一电池电压监视器(110)可以甚至远离燃料电池(20S)的电池侧(20S)的底部(20B)，使得燃料电池堆(12)在洪水到达之前不会被控制器(192)关闭更高的水平。

如图2和4所示，电池堆电压监测系统(108)还包括至少一个第二电池电压监测器(120)，所述监测器位于燃料电池堆(12)所含燃料电池(20)的电池侧(20S)的位置(121)处。第二电池电压监测器(120)配置为在第二电池电压监测器(120)位于燃料电池(20)上的区域内测量其所在燃料电池(20)的电压。至少一个第二电池电压监视器(120)的位置(121)位于水淹水(190)位不会达到至少一个第二电池电压监测器(120)的点。换言之，第二电池电压监测器(120)朝上布置，并且远离预期水淹水(190)位。预期水淹水(190)位可以所用的特定燃料电池堆(12)通常会经历任何类型水淹的水位位置。预期水淹水(190)位可以根据燃料电池堆(12)的设计和当前运行条件而变化。预期水淹水(190)位也可以进一步定义为水淹将开始损坏燃料电池堆(12)的水位，该水位可以是允许一些非常轻微水淹并且在达到更高的预期水淹水位之前不会触发电压波动的水位。由于第二电池电压监测器(120)的这种定位，可以确定由第二电池电压监测器(120)和第一电池电压监测器(110)所测电压的差值，从而可以检测是否发生水淹。

如图2所示，至少一个第二电池电压监测器(120)可以是一排第二电池电压监测器(120)的组成之一。所述第二电池电压监测器(120)排可以延伸到燃料电池堆(12)的整个横向范围，或者换句话说，所述电池堆(12)的每个燃料电池(20)都可以包括一个第二电池电压监测器(120)。在一些实施例中，只有某些燃料电池(20)包括第二电池电压监测器(120)。在一个非限制性示例中，每隔一个燃料电池(20)就有一个第二电池电压监测器(120)。在另一个非限制性示例中，每三个燃料电池(20)包含一个第二电池电压监测器(120)。

回顾图2，在一些实施例中，每个第二电池电压监测器(120)可以包括一个基座部分(122)和由此延伸出的多个指状结构(124)。每个指状结构(124)连接到一个唯一的燃料电池(20)，用以测量该燃料电池(20)的电压。尤其是，每个指状结构(124)可以布置在燃料电池(20)的电池侧(20S)，并部分地沿电池侧(20S)的纵向延伸。

在一些实施例中，至少一个第二电池电压监测器(120)或一排监测器(120)的位置(121)在燃料电池(20)的电池侧(20S)的最高点。所述最高位置(121)可用于燃料电池堆(12)内的水(190)位可能会快速升高的情况。因此，第二电池电压监测器(120)必须位于离水(190)位足够远的位置，以免电压电平受水淹影响。在一些实施例中，至少一个第二电池电压监测器(120)的位置(121)稍微低于燃料电池(20)的电池侧(20S)的最高点，比如在电池侧(20T)顶部的正下方。

如上所述，第二电池电压监视器(120)或监测器(120)排位于水淹水(190)位不会达到第二电池电压监测器(120)的位置点。因此，在高升水(190)位风险较低的情况下，第二电池电压监测器(120)可以布置在比上述位置更低的点。作为一个非限制性示例，第二电池电压监测器(120)可以布置在图5所示的位置(121)。该位置可约为燃料电池(20)的电池侧(20S)向上距离的五分之四处。在一些实施例中，第二电池电压监测器(120)可以位于电池侧(20S)长度方向的上三分之二处。在一些实施例中，第二电池电压监测器(120)位于电池侧(20S)长度方向的上半部。

本领域技术人员将理解，至少一个第二电池电压监测器(120)的精确定位可以根据燃料电池堆(12)的设计要求进行修改。例如，在预期水淹较少的情况下，至少一个第二电池电压监测器(120)可以稍微降低并远离燃料电池(20)的电池侧(20T)顶部，和/或放置在可以检测燃料电池堆(12)中是否发生水淹的任何位置。

在运行过程中，第一电池电压监测器(110)或监测器(110)排在燃料电池堆(12)底部测量燃料电池堆(12)的燃料电池(20)或多个燃料电池(20)的第一电压。第二电池电压监测器(120)或监测器(120)排在燃料电池堆(12)顶部或顶部附近测量燃料电池堆(12)的燃料电池(20)或多个燃料电池(20)的第二电压。然后，比较第一和第二电压以确定两个电压之间的差异。如果第一电压和第二电压之差大于预定阈值，则确定燃料电池堆中发生了水淹，并采取自动或手动操作作为响应。

图7D-7F所示为利用上述两个间隔分开的电池电压监测器(110,120)或监测器(110,120)排的电池电压监测系统(108)中各种电池的电压图形表示。图7D所示为在无水淹发生且未观察到电压变化时，对应于电池电压监测器(110)的第一电压A(竖条右侧)和对应于电池(20)的电池电压监测器(120)的第二电压B(竖条左侧)。图7E所示为当电池电压监测器(110)检测到燃料电池堆(12)的底部发生轻微水淹时电池(20)的第一和第二电压(A,B)。图7F所示为当电池电压监测器(110,120)检测到燃料电池堆(12)中发生严重水淹时电池(20)的第一和第二电压(A,B)。

如图7E所示，图中最左边电池(1,2,3)的第一和第二电压(A,B)之间存在显著差异。因此，从这些测量中可以确定，当该差值超过预定阈值时，表明燃料电池堆(12)中发生了水淹。如图7F所示，水(190)已经触及第一和第二电池电压监测器(110,120)，因此这两个监测器(110,120)测得的电压值都有所下降。因此，在一些实施例中，如果这两个监测器(110,120)都测量到足够低的电压，也表明发生了水淹。在一些实施例中，可以对这两个监测器(110,120)的初始电压(如图7D所示)与初始电压之后这两个监测器(110,120)的工作电压(如图7F所示)进行比较。如果初始电压和工作电压之间的差值足够大，那么也可以确定燃料电池堆(12)中发生了水淹。

在一些实施例中，当发生水淹时，第一电压(A)小于第二电压(B)。在一些实施例中，水淹越大，第一和第二电压(A,B)之间的电压差就越大。因此，第一电压(A)和第二电压(B)之间的压差大小可以作为水淹严重程度的指标。

在一些实施例中，与第一和第二电压之差进行比较的预定阈值为(或约)1mV，如图7E中的电池编号3中所示。在一些实施例中，预定阈值可以约为2mV。在一些实施例中，预定阈值可以约为3mV。在一些实施例中，预定阈值可以约为4mV，如图7E中的电池编号1中所示。在一些实施例中，预定阈值可以约为5mV，如图7E中的电池编号2中所示.在一些实施例中，预定阈值可以在1mV至10mV的范围内，包括包含其中的任何特定电压或电压范围。在一些实施例中，预定阈值可以在1mV至100mV的范围内，包括包含其中的任何特定电压或电压范围。本领域技术人员将理解，预定阈值可以基于所利用的燃料电池堆(12)进行调整。例如，对于在较高电压下工作的燃料电池堆(12)，阈值可以高于上述数值和范围。

如图4所示，电池堆电压监测系统(108)还可以包括一个控制器(192)，用以控制第一和第二电池电压监测器(110,120)的运行，确定第一和第二电压之间的差异以及是否发生了水淹，并在检测到或确定发生水淹后控制和/或停止燃料电池堆(12)的运行。例如，控制器(192)可用以从第一和第二电池电压监测器(110,120)接收第一和第二电压测量结果，然后确定第一和第二电压之间的差值。然后，控制器(192)可以将该差值与预定阈值进行比较，以便确定是否发生了水淹。在一些实施例中，控制器(192)可以向用户界面(198)输出燃料电池堆(12)中已经发生水淹的消息。在一些实施例中，控制器(192)可以被配置成在检测到水淹时自动关闭燃料电池堆(12)。在一些实施例中，控制器(192)可以被配置成在检测到水淹后关闭燃料电池堆(12)，然后在水淹问题减弱后重启燃料电池堆(12)(在这种情况下，第一和第二电压之间的差异减小或消除)。

上述控制器(192)如图8所示。控制器(192)可以包括一个存储器(193)和一个处理器(194)。存储器(193)和处理器(194)相互通信。处理器(194)可以体现为能够执行本文所述功能的任何类型的计算处理工具或设备。例如，处理器(194)可以体现为单核或多核处理器、数字信号处理器、微控制器或其它处理器或处理/控制电路。

存储器(193)可以体现为能够执行本文所述功能的任何类型的易失性或非易失性存储器或数据存储装置，并且可以包括附加存储装置(195)。此外，控制器(192)还可以包括附加或替代组件，例如计算机常用组件(例如，各种输入/输出设备、电阻器、电容器等)。在其它实施例中，组件的一个或多个说明性控制器(192)的组件可以并入另一组件中，或者以其它方式形成另一组件的一部分。例如，存储器(193)或其部分可以并入处理器(194)中。

在运行过程中，存储器(193)可以存储控制器(192)运行期间使用的各种数据和软件，例如操作系统、应用程序、程序、库和驱动程序。存储器(193)通过输入/输出子系统通信耦合到处理器(194)，其可体现为电路和/或组件，以促进与处理器(194)、存储器(193)和控制器(192)的其它组件的输入/输出操作。在一个实施例中，存储器(193)可直接耦合到处理器(194)，例如经由集成存储器控制器集线器。此外，在一些实施例中，输入/输出子系统可以构成片上系统(SoC)的一部分，并与处理器(194)、存储器(193)和/或控制器(192)的其它组件一起集成在单个集成电路芯片上(未示出)。

通信网络(196)的组件可以被配置成使用任何一种或多种通信技术(例如，有线、无线和/或电力线通信)和相关协议(例如，以太网、 WiMAX、3G、4G LTE、5G等)，以在系统组件和设备之间实现上述通信，其中包括但不限于在用户界面(198)和电池电压监测系统(108)的控制器(192)之间、控制器(192)和燃料电池堆(12)之间、以及本领域技术人员所理解的燃料电池系统(10)内的其它通信。

虽然本公开已在附图和前文中进行了详细说明和描述，但这样的说明和描述应被视为示例性的而非限制性的，应理解为仅说明和描述了说明性的实施例，并且符合本公开的所有更改和修改都应受到保护。

本公开的多个优点源于本文所述的方法、装置和系统的各种特征。需要注意的是，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，但仍受益于这些特征的至少一些优点。本领域普通技术人员可以很容易地设计出他们自己的方法、装置和系统的实现方式，这些实现方式包含本发明的一个或多个特征，并且在所附权利要求所定义的本公开的主旨和范围内。

结合一个示例性实施例示出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素相组合。此类修改和变更旨在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可以在此互换使用。

如本文所用，以单数形式列举并以词汇“一个”开头的元素或步骤应理解为不排除所述元素或步骤的复数形式，除非明确说明了这种排除。此外，对本文所述主题的“一个实施例”的引用并不意味着解释为排除也包含所列举特征的其他实施例的存在。单位、测量和/或值的指定数值范围包括、基本上包括或由所有数值、单位、测量和/或范围组成，包括这些范围和/或端点或在这些范围和/或端点内，无论这些数值、单位、测量和/或范围是否在本公开中明确规定。

除非另有定义，本文所用技术和科学术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。本文所用的术语“第一”、“第二”、“第三”等并不表示任何顺序或重要性，而是用于将一个元素与另一个元素区分开来。术语“或”是指包含所列项目中的任何一个或所有项目。此外，术语“连接”和“耦合”并不只限于物理或机械连接或耦合，也可以包括直接或间接的电气连接或耦合。

此外，除非明确说明相反，“包含”、“包括”或“含有”具有特定属性的元素或多个元素的实施例可以包括不具有该属性的其它此类元素。术语“包含”是指包含但不排除其它元素、组分和/或方法步骤的组合物、混合物、配方或方法。术语“包含”也可以指本公开中包含但不排除其它元素、组分和/或方法步骤的组合物、混合物、配方或方法实施例。

短语“包含”或“由...组成”是指排除任何其它元素、组分或方法步骤存在的混合物、组合物、制剂或方法。短语“组成”或“组成”是指排除任何附加元素、组分或方法步骤存在的化合物、组合物、制剂或方法。

短语“主要由...组成”是指包含对组合物、化合物、制剂或方法的特性没有实质性影响的其它元素、组分或方法步骤的组合物、化合物、制剂或方法。短语“主要由...组成”也指本公开中包含对组合物、化合物、制剂或方法的特性没有实质性影响的其它元素、组分或方法步骤的组合物、化合物、制剂或方法。

在本文说明书和权利要求中使用的近似语言可用于修改任何可允许变化而不会导致与其相关的基本功能发生变化的定量表示。因此，由一个或多个术语修改的值，例如“一般”、“大约”、“大概”和“基本上”不限于指定的精确值。在某些情况下，近似语言可能对应于用于数值测量仪器的精度。在本说明书和权利要求中，范围限制可以合并和/或互换。除非上下文或语言另有说明，此类范围将作出标识并包括其中所含的所有子范围。

如本文所用，术语“可以”和“可能”表示在一系列情况下发生的可能性；拥有特定的属性、特征或功能；和/或通过表达与限定动词相关的一个或多个能力或可能性来限定另一个动词。因此，“可以”和“可能”的用法表明修改后的术语显然是适当的、可以的或适合于指示的能力、功能或用法，同时考虑到在某些情况下，修改后的术语有时可能不合适或不恰当。

应当理解，上述描述是说明性的，而非限制性的。例如，上述实施例(和/或其各方面)可以单独使用、一起使用或彼此配合使用。此外，可以进行许多修改，以使特定情况或材料适应本文所述主题的教义，而不会偏离其范围。虽然本文所述材料的尺寸和类型旨在定义所公开主题的参数，但它们绝不是限制性的，而是示例性实施例。在回顾上文描述后，本领域技术人员将明白许多其它实施例。因此，本文所述主题的范围应参照所附权利要求以及此类权利要求有权享有的全部等同物范围来确定。

本书面说明使用示例来公开本文所述主题的几个实施例(包括最佳模式)，并且还使本领域普通技术人员能够实践所公开主题的实施例，包括制造和使用设备或系统以及执行各种方法。本文所述主题的可专利范围由权利要求定义，并且可以包括发生在本领域普通技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例的结构要素与权利要求的字面语言没有区别，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等效结构要素，则这些其它示例应在权利要求的范围之内。

Claims (15)

1.一种电池电压监测系统，其特征在于，包括：

燃料电池堆；

邻近所述燃料电池堆底部布置的第一电池电压监测器；和

第二电池电压监测器，其布置成邻近与所述底部相对的所述燃料电池堆的顶部并朝上远离所述燃料电池堆的预期水淹水位，

其中，所述第一电池电压监测器用以测量所述燃料电池堆的第一电压，其中，所述第二电池电压监测器用以测量所述燃料电池堆的第二电压，

其中，所述电池电压监测系统通过所述第一电压和所述第二电压之间的电压差大于预定阈值来确定所述燃料电池堆中已经发生水淹。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，包括：

含有处理器的控制器，用以确定所述第一电压和所述第二电压之间的所述电压差，并通过所述第一电压和所述第二电压之间的所述电压差大于所述预定阈值来确定所述燃料电池堆中已经发生水淹，

其中，所述第一电池电压监测器用以测量所述燃料电池堆的所述底部的所述第一电压，并且其中，所述第二电池电压监测器用以测量所述燃料电池堆的所述顶部的所述第二电压。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，当在垂直方向上观察时，所述燃料电池堆的底部和顶部分别是所述燃料电池堆的下侧和上侧，并且其中，所述水淹由于重力作用发生在所述燃料电池堆的所述底部。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，当所述燃料电池堆中发生水淹时，所述燃料电池堆的所述底部的所述第一电压低于所述燃料电池堆的所述顶部的所述第二电压。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述燃料电池堆包括一个第一燃料电池，所述第一燃料电池为平面的，并包括顶部电池侧、与所述顶部电池侧相对的底部电池侧以及延伸在所述顶部和底部电池侧之间并使所述顶部和底部电池侧相互连接的第一电池侧，并且其中，所述第一电池电压监测器位于与所述第一燃料电池的底部电池侧相邻的所述第一电池侧底部，这样所述第一电池电压监测器能够测量所述第一燃料电池底部的所述第一电压。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第二电池电压监测器位于与所述第一燃料电池的顶部电池侧相邻的所述第一电池侧顶部，这样所述第二电池电压监测器能够测量所述第一燃料电池顶部的所述第二电压。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述燃料电池堆包括多个燃料电池，所述多个燃料电池包括所述第一燃料电池，其中每个所述燃料电池为平面且彼此相邻堆叠，而且其中所述多个燃料电池中的每个燃料电池包括顶部电池侧、与顶部电池侧相对的底部电池侧，以及延伸在所述顶部和底部电池侧之间并使所述顶部和底部电池侧相互连接的第一电池侧。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括：

多个第一电池电压监测器，其包括位于邻近所述燃料电池底部电池侧的各燃料电池的各第一电池侧底部的所述第一电池电压监测器，从而在所述燃料电池堆的底部形成一排第一电池电压监测器。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括：

多个第二电池电压监测器，其包括位于邻近所述燃料电池顶部电池侧的各燃料电池的各第一电池侧顶部的所述第二电池电压监测器，从而在所述燃料电池堆的顶部形成一排第二电池电压监测器。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述多个第一电池电压监测器用以测量所述燃料电池堆的所述多个燃料电池的每个燃料电池的所述第一电压，其中所述多个第二电池电压监测器用以测量所述多个燃料电池的每个燃料电池的所述第二电压，其中所述控制器还用以根据所述多个燃料电池的每个燃料电池的所述第一电压和所述第二电压之间的电压差大于所述多个燃料电池的任一燃料电池的预定阈值来确定所述燃料电池堆中已经发生了水淹，并且其中所述控制器在还在确定所述燃料电池堆中已发生水淹时用以向用户界面输出指示已发生水淹的消息。

11.一种电池电压监测系统，其特征在于，包括：

燃料电池堆，其包括具有第一电池侧的第一燃料电池；

位于所述燃料电池侧底部的第一电池电压监测器；

第二电池电压监测器，位于所述第一燃料电池上，沿所述第一电池侧长度方向与所述第一电池电压监测器相隔开来；和

含有处理器的控制器，

其中，所述第一电池电压监测器用以在所述第一电池侧的所述第一电池电压监测器所在位置测量所述第一燃料电池的第一电压，

其中，所述第二电池电压监测器用以在所述第一电池侧的所述第二电池电压监测器所在位置测量所述第一燃料电池的第二电压，

其中，所述控制器用以确定所述第一电压和所述第二电压之间的电压差，其中，所述控制器用以对比所述电压差与预定阈值，

其中，当所述电压差大于预定阈值时，所述控制器用以确定所述燃料电池堆中发生了水淹。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，当在垂直方向上观察时，所述燃料电池堆的底部和顶部分别是所述燃料电池堆的下侧和上侧，其中水淹发生在所述燃料电池堆的底部，其中所述第一燃料电池是平面的，并且包括顶部电池侧和与所述顶部电池侧相对的底部电池侧，并且其中所述第一电池侧延伸在所述顶部和底部电池侧之间并使所述顶部和底部电池侧相互连接。

13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述第二电池电压监测器位于所述第一电池侧长度方向的上三分之二处。

14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述第二电池电压监测器位于所述第一电池侧长度方向的上半部。

15.一种在燃料电池堆中检测水淹的系统，其特征在于，包括：

第一电池电压监测器，位于所述燃料电池堆的第一燃料电池上，并且用以测量所述第一燃料电池的第一电压；和

第二电池电压监测器，位于所述第一燃料电池上，与所述第一电池电压监测器相隔开来，并且用以测量所述第一燃料电池的第二电压；

其中，所述系统用于通过所述第二电压大于所述第一电压来确定所述燃料电池堆中的所述第一电池电压监测器周围已经发生水淹。