集成再循環(huán)燃料電池系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種PEM燃料系統(tǒng)，包括：燃料電池堆，其包括一個或多個PEM燃料電池；以及風機，該風機被構造為提供過程空氣以向所述燃料電池堆供給氧化劑并冷卻所述燃料電池堆。該系統(tǒng)具有耦接至所述風機和所述燃料電池堆的空氣管道以及耦接至所述燃料電池堆的電力供電負載，所述電力供電負載用于接收從所述燃料電池堆內的反應所產生的電力。該系統(tǒng)還包括輔助電力負載，其耦接至所述燃料電池堆且位于所述空氣管道內以降低所述燃料電池堆上的電位。所述空氣管道被構造為將氣流引導到所述燃料電池堆和所述輔助電力負載上以向所述燃料電池堆和所述輔助電力負載提供冷卻空氣。
【專利說明】集成再循環(huán)燃料電池系統(tǒng)
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2011年8月2日提交的序列號為13/196，837的美國專利申請的優(yōu)先權,通過引用方式將該美國專利申請的全部內容并入本申請中；本申請要求了于2011年2月18日提交的序列號為61/444，595的美國臨時專利申請的優(yōu)先權，通過引用方式將該美國臨時專利申請的全部內容并入本申請中。
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【技術領域】
[0007]本發(fā)明大體上涉及氫燃料電池電力發(fā)電系統(tǒng)，更具體地涉及開放式陰極質子交換膜(PEM)系統(tǒng)。
【背景技術】
[0008]圖1A示出具有燃料電池堆12的現(xiàn)有燃料電池系統(tǒng)10，其中燃料電池堆12包括串聯(lián)連接的多個單個燃料電 池26 (如圖1B更詳細地示出的那樣)。使用堆風機15來提供過程氧化劑(空氣)并且還抽送空氣22通過堆12的冷卻部件并將空氣輸送到陰極或者吹氣通過燃料電池堆12來冷卻并將空氣輸送到陰極來執(zhí)行冷卻功能。此外，還可以有管道14來協(xié)助引導與燃料電池堆12相關的氣流22。在這些系統(tǒng)中，將氫氣(或可選地為重整產物)的燃料源32提供給堆12。入口燃料壓力控制可以由壓力調節(jié)器19提供。燃料通過燃料入口閥16饋送到燃料電池堆12中，并通過燃料出口閥或吹洗閥28從燃料電池堆12排出。
[0009]可以用通過(pass through)法或定期吹洗法來輸送燃料。在通過法中，燃料32經由燃料入口閥16和燃料出口閥28連續(xù)流過燃料電池堆12，以防止諸如氮氣和水蒸氣之類的惰性物質在陽極室中積累。
[0010]在定期吹洗法中，在燃料32通過燃料入口閥16輸送到燃料電池堆12中的同時燃料出口閥28保持關閉。隨著時間的流逝，諸如氮氣和水蒸氣之類的惰性物質在陽極室中積累并且由于氫氣向陽極的質量傳輸受到干擾從而阻止了電化學反應。這需要燃料出口閥28的定期開放以把惰性物質從陽極室吹洗出去。
[0011]電力通過電力引線18和電力引線30從燃料電池堆12獲得，并且通過開關24輸送到電力供電負載20。只需簡單地通過以下步驟來關閉該系統(tǒng):通過斷開開關或繼電器24來斷開電力供電負載20，或者通過關閉燃料供給閥16來中斷向燃料電池堆供給燃料并且打開吹洗閥28以使陽極容積內的壓力平衡，然后關閉堆風機15，停止空氣22的流動。[0012]該過程使燃料留在陽極容積內，這使得在燃料電池堆內繼續(xù)發(fā)生電化學反應并且在燃料電池堆上產生電位，這是潛在的不安全條件。使吹洗閥28保持打開使得陽極容積最終充滿空氣，從而將燃料電池堆12上的電位降至零，使燃料電池堆12惰性化并消除不安全條件。
[0013]然而，啟動和停止質子交換膜(PEM)燃料電池12對用于PEM燃料電池中的鉬催化齊IJ(未示出)常常是有害的，這是因為在啟動過程和停止過程期間陽極容積中的氧化劑(空氣)和氫氣的交換期間產生了高陰極電位的緣故。這些高陰極電位使陰極上的碳催化劑支撐材料腐蝕(氧化)，導致催化劑本身的劣化和由此產生的性能損失。
[0014]此外，當簡單地打開吹洗閥、并允許空氣被抽入且流過燃料電池堆時，在一段長時間內陽極容積被置于混合氣體條件下，導致陰極催化劑極快地劣化。
[0015]因此，本發(fā)明的目的是提供如下的燃料電池系統(tǒng):其縮短混合氣體條件在陽極處的駐留時間，并且降低在燃料電池系統(tǒng)的啟動和停止期間在燃料電池上的電位，從而減小混合氣體對高陰極電位的影響。在以下提供的描述中至少實現(xiàn)了這些目的中的一些目的。

【發(fā)明內容】

[0016]本發(fā)明涉及具有開放式陰極質子交換膜(PEM)系統(tǒng)的氫燃料電池電力發(fā)電系統(tǒng)。本發(fā)明簡化了燃料電池系統(tǒng)的操作和制造。
[0017]在一些實施例中，添加各種配件來控制和調節(jié)燃料電池系統(tǒng)，這些配件例如是:控制系統(tǒng)，安全系統(tǒng)，電力轉換和管理系統(tǒng)，以及幫助燃料電池堆從非操作狀況到操作狀態(tài)的啟動的配件。
[0018]同樣，為了幫助從操作狀態(tài)到非操作狀況的關閉，為了在非操作時間段期間惰化燃料電池堆，添加了例如輔助電力負載和空氣泵或壓縮機。
[0019]此外，在一些實施例中，使用修改的空氣管道來引導冷卻空氣和過程空氣通過燃料電池堆的路徑，并且在一些情況下，使用修改的空氣管道來使空氣通過燃料電池堆再循環(huán)以保持合適的操作溫度。
[0020]其它實施例包括在燃料電池堆中的每個燃料電池兩端使用單獨的電阻器，和/或在燃料電池堆中的每個燃料電池兩端包括二極管。
[0021]其它實施例在簡化的燃料電池電力系統(tǒng)中集成了前述各個配件以便降低成本和方便操作。
[0022]本發(fā)明的第一方面是一種燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池系統(tǒng)包括:燃料電池堆和風機，該風機被構造為提供過程空氣以向所述燃料電池堆供給氧化劑；空氣管道，其耦接至所述風機和所述燃料電池堆；電力供電負載，其耦接至所述燃料電池堆，所述電力供電負載被構造為接收從所述燃料電池堆內的反應所產生的電力；以及輔助電力負載，其耦接至所述燃料電池堆；其中所述輔助電力負載被構造為降低所述燃料電池堆上的電位；以及其中所述空氣管道被構造為將氣流引導到所述燃料電池堆上并向所述燃料電池堆提供冷卻空氣。
[0023]在一個實施例中，所述系統(tǒng)包括一個或多個氣閘，所述一個或多個氣閘被構造為控制所述空氣管道內的氣流。
[0024]在另一個實施例中，所述系統(tǒng)包括第二風機，所述第二風機被構造為向所述輔助電力負載提供冷卻空氣。[0025]在另一個實施例中，使氣流再循環(huán)以迫使被所述燃料電池堆的操作加熱后的空氣被重新引入所述燃料電池堆中，從而為所述燃料電池堆的適當操作提供熱量。
[0026]在其它實施例中，所述系統(tǒng)包括布置在所述燃料電池堆的各個電池之間的電阻器元件，其中所述電阻器元件被構造為使所述各個燃料電池上的電位平衡。
[0027]本發(fā)明的另一方面是一種用于操作具有燃料電池堆的燃料電池系統(tǒng)的方法，該方法包括以下步驟:從惰性狀態(tài)開始，使耦接至所述燃料電池堆的輔助電力負載工作；引導燃料通過所述燃料電池堆以從所述堆中把惰性空氣吹洗出去；操作風機以引導氣流通過所述燃料電池堆；所述氣流向所述燃料電池堆提供冷卻空氣和過程氧化劑；以及在所述堆上應用電力負載以接收從所述燃料電池堆內的反應所產生的電力。
[0028]在當前方面的一個實施例中，從所述燃料電池堆中將所述惰性空氣吹洗出去，同時使所述輔助電力負載工作以降低所述燃料電池堆內的電位。
[0029]在另一個實施例中，所述方法還包括:引導冷卻空氣通過所述輔助電力負載。
[0030]在另一個實施例中，所述方法還包括:在使所述燃料電池系統(tǒng)停止時引導吹洗空氣通過所述燃料電池堆。
[0031]在另一個實施例中，所述方法還包括:控制耦接至所述燃料電池堆的一個或多個氣閘以將氣流弓I導到所述燃料電池堆和所述輔助電力負載上；以及操作所述一個或多個氣閘以將被所述燃料電池堆加熱后的空氣重新引導回所述燃料電池堆中，從而為所述燃料電池堆的操作提供熱量。
[0032]在另一個實施例中，所述方法還包括:控制所述一個或多個氣閘的打開和關閉，以允許或限制環(huán)境空氣注入空氣管道中。
[0033]本發(fā)明的另一方面是一種PEM燃料電池系統(tǒng)，該PEM燃料電池系統(tǒng)包括:包括一個或多個PEM燃料電池的燃料電池堆以及風機，該風機被構造為提供過程空氣以向所述燃料電池堆供給氧化劑；空氣管道，其耦接至所述風機和所述燃料電池堆；電力供電負載，其耦接至所述燃料電池堆，電力負載被構造為接收從所述燃料電池堆內的反應所產生的電力；以及輔助電力負載，其耦接至所述燃料電池堆且位于所述空氣管道內；其中所述輔助電力負載被構造為降低所述燃料電池堆上的電位；其中所述空氣管道被構造為將氣流引導到所述燃料電池堆和所述輔助電力負載上以向所述燃料電池堆和所述輔助電力負載提供冷卻空氣。
[0034]本發(fā)明的其它方面將在本申請的以下部分中給出，其中細節(jié)描述是為了完全公開本發(fā)明的優(yōu)選實施例的目的而不是對本發(fā)明施加限制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]通過參照僅用于說明目的以下附圖，將更加充分地理解本發(fā)明。
[0036]圖1A是現(xiàn)有的開放式陰極燃料電池系統(tǒng)的示意圖。
[0037]圖1B是圖1A的燃料電池堆的細節(jié)示意圖，示出了各個燃料電池的布置。
[0038]圖2A是本發(fā)明的第一燃料電池系統(tǒng)的示意圖。
[0039]圖2B是圖2A的燃料電池堆的細節(jié)示意圖，示出了各個燃料電池并聯(lián)電阻器元件和二極管的布置。
[0040]圖3A、圖3B和圖3C是本發(fā)明的第二實施例的示意圖，示出了三種操作變化。圖3A示出通過模式，圖3B示出全部再循環(huán)模式，圖3C示出部分再循環(huán)模式。
[0041 ] 圖4A、圖4B和圖4C是本發(fā)明的第三實施例的示意圖，示出了三種操作變化:圖4A示出通過模式，圖4B示出全部再循環(huán)模式，圖4C示出部分再循環(huán)模式。
【具體實施方式】
[0042]下文是與利用各輔助配件的開放式陰極燃料電池系統(tǒng)的改進以及實現(xiàn)該改進的構造方法的簡化和改進有關的發(fā)明的各實施例的討論。
[0043]圖2A示出根據本發(fā)明的PEM燃料電池系統(tǒng)40，PEM燃料電池系統(tǒng)40被構造為提供增強的功能性和魯棒性。為了減小混合氣體對高陰極電位的影響，縮短混合氣體條件在陽極處的駐留時間是有利的。在系統(tǒng)40中，這一點通過以下方式來實現(xiàn):一旦停止燃料電池系統(tǒng)，就使吹洗空氣泵(purge air pump)或壓縮機52經由空氣吹洗入口閥54使吹洗空氣56快速通過燃料電池堆42。
[0044]使用輔助或外部電力負載48來在燃料電池系統(tǒng)40的啟動和停止期間降低燃料電池堆42上的電位從而降低各個燃料電池26上的電位。與輔助電力負載48伴隨的是外部或輔助電力負載冷卻風機46,外部或輔助電力負載冷卻風機46被構造為在輔助電力負載48操作期間將空氣50驅動到輔助電力負載48上或使空氣50流過輔助電力負載48以將輔助電力負載48冷卻?？蛇x地，輔助電力負載冷卻風機46可以反方向(未示出)抽送空氣50通過輔助電力負載48。輔助電力負載48和輔助電力負載冷卻風機46通過開關或繼電器44的閉合來致動，這使得輔助電力負載48與燃料電池堆42電并聯(lián)。
[0045]如圖2B所示，燃料電池堆42可選地包括與各個燃料電池26耦接的電阻器元件58和/或二極管60。電阻器元件58有助于使各個燃料電池26上的電位平衡，而二極管60防止各個燃料電池26反轉極性。
[0046]從惰性狀態(tài)(B卩，環(huán)境溫度和在陽極和陰極兩處駐留空氣并且系統(tǒng)內沒有燃料)開始，通過閉合開關或繼電器44來首先使輔助電力負載48和輔助電力負載冷卻風機46工作來啟動燃料電池系統(tǒng)40。打開出口吹洗閥28以使燃料電池堆42泄氣，接著打開入口閥16以隨后允許燃料被吹洗通過燃料電池堆42。同時進行的將惰性空氣56從燃料電池堆42吹洗出去和輔助電力負載48的工作使燃料電池堆42內的電位降低，導致在燃料電池堆42內存在混合氣體條件的時間段期間的陰極催化劑腐蝕。在足夠長的時間段內把燃料32吹洗通過燃料電池堆42，以確保從燃料電池堆42中完全置換惰性空氣。此后，出口吹洗閥28關閉，開關或繼電器44斷開，使堆風機15工作，并且通過閉合繼電器或開關24來應用主電力負載20。
[0047]在把惰性空氣從堆42中吹洗出來期間，圖2B的電阻器元件58 (如果采用了的話)有助于在燃料電池堆42內的各個電池26之間提供更加一致的電位。此外，二極管60 (如果采用了的話)防止在燃料電池堆42內的各個電池26之間出現(xiàn)反轉電位。
[0048]在一個優(yōu)選實施例中，燃料電池堆42 (以及下文描述的圖3A至圖3C以及圖4A至圖4C中所示的燃料電池堆102)和各個燃料電池26優(yōu)選地包括在本領域中可普遍獲得的開放式陰極質子交換膜(PEM)。
[0049]在正常操作期間，從燃料源32輸送的燃料(例如，氫氣或重整產物)由壓力調節(jié)器19調節(jié)為合適的操作壓力，并且經由燃料入口閥16通入燃料電池堆42中。使用定期吹洗法或通過法來通過出口閥或吹洗閥28從堆中移除燃料。同時，利用堆風機15抽送空氣通過如圖2A所示的燃料電池堆，或者可選地，吹送空氣通過燃料電池堆(例如，在未示出的相反方向上的氣流)，來將空氣22施加于開放式陰極。堆風機15還用于在操作期間冷卻燃料電池堆42。通過電力引線(陰極引線18和陽極引線30)，并且優(yōu)選地通過開關或繼電器24，來將在燃料電池堆內的反應所產生的電力輸送到電力負載20。
[0050]通過以下步驟來使燃料電池系統(tǒng)40停止操作:通過斷開開關或繼電器24來斷開電力負載20，打開吹洗閥28以排除陽極容積內的水和其它物質并且將一定體積的新鮮燃料32提供到陽極容積中，繼續(xù)運行堆風機15以冷卻燃料電池堆42，在滿意地將燃料電池堆進行冷卻之后關掉堆風機15，并且通過閉合開關或繼電器44來使輔助電力負載48和輔助電力負載冷卻風機46工作。
[0051]然后關閉燃料入口閥16，并且打開空氣吹洗入口閥54以利用空氣吹洗泵52通過空氣吹洗入口閥54來將吹洗空氣56驅動通過燃料電池堆42。在足夠長的時間段內將吹洗空氣56驅動通過燃料電池堆42，以將殘留在陽極容積內的燃料吹洗出去。
[0052]通過將吹洗空氣56驅動通過陽極容積，縮短了混合氣體的駐留時間，并且減小了對陰極催化劑的損害以及由劣化的陰極催化劑所引起的性能損失。
[0053]此外，同時進行的把燃料從燃料電池堆42吹洗出去和輔助電力負載48的工作使燃料電池堆42內的電位降低，減少了在燃料電池堆42內存在混合氣體條件的時間段期間的陰極催化劑腐蝕。在把燃料從堆42中吹洗出去期間，電阻器元件58 (如果采用了的話)有助于在燃料電池堆42內的各個電池26之間提供更加一致的電位，而二極管60 (如果采用了的話)防止在燃料電池堆42內的各個電池26之間出現(xiàn)反轉電位。
[0054]圖3A、圖3B和圖3C示出具有強化部件的燃料電池系統(tǒng)100，這些強化部件被構造為改進燃料電池的操作并擴大其操作范圍。系統(tǒng)100包括燃料電池堆102和電池堆風機15，具有增強管道14以允許利用再循環(huán)返回管道112來提供再循環(huán)返回通道104。返回管道112可以是燃料電池系統(tǒng)100的結構部件，或者其可以是通過將燃料電池系統(tǒng)100放置在柜子或其它外殼(未不出)中從而柜子或其它外殼的各種壁、面板、分隔物或其它結構充當燃料電池引擎100的管道來實現(xiàn)。將輔助電力負載48放置在管道內這樣的位置中使得堆風機15向輔助電力負載48提供冷卻空氣22以及向燃料電池堆102提供冷卻空氣和過程空氣。
[0055]在系統(tǒng)100的一個優(yōu)選實施例中，堆風機15抽送空氣22通過燃料電池堆102并且然后將同一空氣吹送到輔助電力負載48上或吹送通過輔助電力負載48以提供冷卻。在可替換的實施例(未示出)中，堆風機15可以吹送空氣22通過燃料電池堆102并且將空氣22抽送到輔助電力負載48上或抽送通過輔助電力負載48 (例如，與圖3A中的氣流反向)。
[0056]在另外的可選實施例(未示出)中，可以將燃料電池堆102、堆風機15和輔助電力負載48的放置配置為如下的不同布置:其中，通過利用管道14、管道112內的不同位置，將空氣22抽送或吹送通過燃料電池堆102，并且將同一空氣22抽送或吹送到輔助電力負載48上或通過輔助電力負載48。例如，堆風機15可以位于輔助電力負載48的下游或燃料電池102的上游。
[0057]系統(tǒng)100還可以包括單個集成閥體114，單個集成閥體114合并了系統(tǒng)40的各個閥門的全部閥門或許多閥門的閥功能。即，不是具有諸如作為單獨組件的燃料入口閥16、吹洗閥28、壓力調節(jié)閥19和吹洗空氣入口閥54之類的單獨的閥門和閥體，而是閥體114作為提供各種功能的單個組件。雖然單個組件閥體114可以合并各種閥功能，但是可以不將全部的閥功能內置于閥體114中。作為示例，吹洗閥28和/或壓力調節(jié)器19可以因為實際設計原因而保留為單獨的組件而不并入閥體中。此外，可以互換使用圖2A、圖3A至圖3C和圖4A至圖4C中所示的任何閥構造。
[0058]電力通過堆電力引線120從燃料電池堆102輸送到燃料電池系統(tǒng)電力管理器116，并且通過堆返回電力引線118返回到燃料電池堆102。因為當從燃料電池堆102引出的電力變化時堆電位能夠顯著變化并且可能不適用于主供電負載122，所以優(yōu)選地在電力管理器116中調節(jié)或管理來自燃料電池堆102的電力，以向主供電負載122提供恒定電位。
[0059]提供基于計算機的燃料電池系統(tǒng)控制器126，以監(jiān)視燃料電池堆的狀況、操作閥體114的各個閥門以及任何其它單獨閥門、以及監(jiān)視和控制電力管理器116。
[0060]系統(tǒng)100還可以包括以電池或超級電容器形式存在的瞬態(tài)能量存儲器124的能力。在一個實施例中，燃料電池系統(tǒng)100可以用作僅在電網停電時操作的后備發(fā)電機。因此，瞬態(tài)能量存儲器124可以在燃料電池系統(tǒng)100進入其操作狀態(tài)所需的時間段內提供電力。
[0061]在管道內的氣流22通過使用葉片式百葉窗或閘106、108和110來控制,而葉片式百葉窗或閘106、108和110由燃料電池系統(tǒng)控制器126調節(jié)。如圖3A至圖3C所示，葉片式百葉窗或閘106、108和110可以包括單個葉片(未示出)或多個葉片。
[0062]在圖3A所示的第一操作模式中，系統(tǒng)100的空氣入口閘106完全打開并且通過由堆風機15抽送而使外部空氣21進入燃料電池系統(tǒng)100中，然后空氣22被抽送通過燃料電池堆102，冷卻燃料電池堆102，并且向燃料電池堆102提供過程空氣(氧氣)。使空氣22通過開放空氣出口閘108排出燃料電池系統(tǒng)并且進入外部環(huán)境23。根據需要，使空氣22通到外部/輔助電力負載48上或通過外部/輔助電力負載48以利于輔助電力負載48的冷卻。在此操作模式期間，再循環(huán)空氣閘110完全關閉以確保從燃料電池堆102出來的加熱后空氣22不被抽回通過堆102。
[0063]圖3A的操作模式被用于在較高的環(huán)境溫度下操作期間實現(xiàn)燃料電池堆102的最佳冷卻，并且盡可能多地將燃料電池堆102所產生的熱排向外部環(huán)境23。
[0064]圖3B示出第二操作模式，其中在再循環(huán)空氣閘110完全打開的同時入口空氣閘106和出口空氣閘108關閉。在此操作模式中，利用再循環(huán)返回管道112使由燃料電池堆15加熱的空氣22通過再循環(huán)閘110和再循環(huán)返回通道104再循環(huán)回來。再循環(huán)空氣25被重新引入燃料電池堆102中，以便在低環(huán)境溫度下加熱燃料電池堆102以提升到較高性能的操作和/或使燃料電池堆102快速上升到期望的操作溫度。
[0065]圖3C示出第三操作模式。在此模式中，入口空氣閘106、出口空氣閘108和再循環(huán)閘110部分打開，以允許空氣22的一部分經由出口空氣閘108排出燃料電池系統(tǒng)100 (夕卜部氣流23)，同時利用再循環(huán)返回管道112使另一部分空氣25經由再循環(huán)閘110和再循環(huán)返回通道104再循環(huán)。再循環(huán)空氣25與通過入口空氣閘106進入的空氣21混合，并且被重新引入燃料電池堆102中以便將燃料電池堆102加熱到預定的操作溫度。
[0066]當通過入口空氣閘106的空氣21低于燃料電池堆102的預定操作溫度并且要被加熱以將燃料電池堆保持在預定操作溫度時，應用圖3C的操作模式。[0067]在燃料電池系統(tǒng)100的操作期間，來自燃料源32的燃料被通過燃料入口管線136輸送到閥體114并被調節(jié)到預定的操作壓力。在可替換的實施例中，可以將燃料輸送到外部燃料壓力調節(jié)器(未示出)然后輸送到閥體114。燃料電池系統(tǒng)控制器126提供命令信號以使合并在閥體114內的燃料入口閥處于打開狀態(tài)，以允許燃料通過堆燃料入口管線130流入燃料電池堆102中。當燃料電池系統(tǒng)100以上述的定期吹洗模式操作時，燃料電池系統(tǒng)控制器126定期地命令閥體114內的吹洗閥或外部吹洗閥(未示出)打開，以允許燃料通過燃料電池堆102和堆吹洗管線140并且從吹洗端口 134排出。
[0068]燃料電池系統(tǒng)控制器126通過堆和系統(tǒng)監(jiān)視引線132 (其可以耦接至未示出的溫度傳感器、電壓抽頭、壓力傳感器等)來監(jiān)視燃料電池堆102和燃料電池系統(tǒng)100。燃料電池系統(tǒng)控制器126所監(jiān)測的參數(shù)可以包括但不限于:燃料電池堆102的溫度，各個燃料電池26的電位，入口空氣21/出口空氣23的溫度，再循環(huán)空氣25的溫度，濕度，和/或在燃料電池堆102上的壓力差分，等等。
[0069]利用從燃料電池堆102和燃料電池系統(tǒng)100采集的數(shù)據，燃料電池系統(tǒng)控制器126確定并控制閥體114內(或閥體114夕卜)的各個閥門的狀態(tài)以及堆風機15的速度、入口空氣閘106的位置、出口空氣閘108的位置和再循環(huán)空氣閘110的位置，以便保持燃料電池堆102的預定溫度?？諝忾l106、108和110優(yōu)選地包括或被構造為利用致動裝置(例如，未示出的伺服電機或本領域中可用的其它致動裝置)來操作，以根據所設置的程序和/或經由來自所檢測的各參數(shù)的反饋來驅動各空氣閘的位置(例如，打開、關閉或部分關閉)。
[0070]此外，燃料電池系統(tǒng)控制器126還控制電力管理器116的輸出電位并且監(jiān)視主電力或供電負載122所汲取的電流。燃料電池系統(tǒng)控制器126還防止過載條件，并且命令電力管理器116 (或可替換為外部開關或繼電器(未示出))使燃料電池堆的電力通過輔助電力負載引線138輸送到輔助電力負載48，以及管理瞬態(tài)能量存儲器124的充電。
[0071]圖4A、圖4B和圖4C示出包括了可以是單個葉片或多個葉片的單個氣閘206、且伴隨有管道210的替代系統(tǒng)200。系統(tǒng)100包括單個折疊管道210，而不是系統(tǒng)100的入口閘106、出口閘108和再循環(huán)閘110 (圖3A、圖3B和圖3C)。系統(tǒng)200的管道210具有由管道分隔物216隔開的組合進入/再循環(huán)空氣部分214和返回/出口空氣部分208。管道210和216可以是燃料電池系統(tǒng)200的結構部件，或者其可以是通過將燃料電池系統(tǒng)200放置在柜子或其它外殼(未不出)中從而柜子或其它外殼的各種壁、面板、分隔物或其它結構充當燃料電池引擎200的管道來實現(xiàn)。
[0072]在系統(tǒng)200的一個優(yōu)選變型例中，堆風機15抽送空氣通過燃料電池堆102，然后將該空氣吹送到外部/輔助電力負載48上或通過外部/輔助電力負載48以提供如圖4A至圖4C所示的冷卻。在另一個變型例中，堆風機15可以將空氣吹送通過燃料電池堆102，并以與圖4A至圖4C所示的氣流相反的方向(未示出)將空氣抽送到輔助電力負載48上或通過輔助電力負載48。在其它變型例中，燃料電池堆102、堆風機15和輔助電力負載48的放置可以位于管道210內的不同位置(未示出)，使得空氣被抽送或吹送通過燃料電池堆102或者可替換地通過利用管道210內的不同位置而被抽送或吹送到輔助電力負載48上或通過輔助電力負載48。
[0073]圖4A示出系統(tǒng)200的第一操作模式，其中單個氣閘206完全打開并允許外部空氣212通過被堆風機15抽入入口部分214中而進入燃料電池系統(tǒng)200。然后空氣212被抽送通過燃料電池堆102，從而冷卻燃料電池堆102，并向燃料電池堆102提供過程空氣(氧氣)。經由出口部分218使加熱后的空氣204通過開放空氣閘206從燃料電池系統(tǒng)中排出并且進入到外部環(huán)境中。根據需要，使空氣204、212通到輔助電力負載48上或通過輔助電力負載48以利于輔助電力負載48的冷卻。
[0074]優(yōu)選地將圖4A的操作模式用于在較高環(huán)境溫度下操作期間實現(xiàn)燃料電池堆102的最佳冷卻，并且盡可能多地將燃料電池堆102所產生的熱量排到外部環(huán)境中。還應當理解的是，可以使氣流212、204反向以使空氣被吹送通過燃料電池堆102 (例如，管道218變?yōu)檫M氣口)。
[0075]圖4B示出系統(tǒng)200的第二操作模式，其中單個氣閘206完全關閉。在此操作模式中，使被燃料電池堆15加熱的空氣204通過再循環(huán)返回通道208和再循環(huán)空氣部分214再循環(huán)回來并且進入燃料電池堆102中。將再循環(huán)空氣202引入燃料電池堆102中，以便在低溫下加熱燃料電池堆102以提升到較高性能的操作和/或使燃料電池堆102快速上升到期望的操作溫度。根據需要，使空氣204通到輔助外部電力負載48上或通過輔助外部電力負載48以利于輔助電力負載48的冷卻。還應當理解的是,可以使氣流202、204反向以使空氣被吹送通過燃料電池堆102。
[0076]圖4C示出系統(tǒng)200的第三操作模式，其中氣閘206部分打開，以允許加熱后的空氣204的一部分經由氣閘206通過并排出燃料電池系統(tǒng)200，同時允許另一部分空氣202通過再循環(huán)返回通道208再循環(huán)。再循環(huán)空氣202與通過氣閘206進入的空氣222混合以形成返回空氣混合物220，并被重新引入燃料電池堆102中以便將燃料電池堆102加熱到預定的操作溫度。當通過氣閘206進入的空氣222比保持燃料電池堆102的預定操作溫度所需的溫度低并且要被加熱以保持燃料電池堆在預定操作溫度下時，應用此操作變型例。圖4C的操作模式通常為標稱操作模式。還應當理解的是，可以使氣流202、204、220和222反向，以使空氣被吹送通過燃料電池堆102。
[0077]在燃料電池系統(tǒng)200的操作期間，來自燃料源32的燃料通過燃料入口管線136被輸送到閥體114并被調節(jié)為預定的操作壓力，或者被輸送到外部燃料壓力調節(jié)器(未示出)然后再被輸送到閥體114。燃料電池系統(tǒng)控制器126提供命令信號使合并在閥體114內的燃料入口閥處于打開狀態(tài)，以允許燃料通過堆燃料入口管線130流入燃料電池堆中。當燃料電池系統(tǒng)200在上述的定期吹洗模式下操作時，燃料電池系統(tǒng)控制器126定期地命令閥體114內的吹洗閥或外部吹洗閥(未示出)打開，以允許燃料通過燃料電池堆102和堆吹洗管線140并且從吹洗端口 134排出。燃料電池系統(tǒng)控制器126通過堆和系統(tǒng)監(jiān)視引線監(jiān)視燃料電池堆102和燃料電池系統(tǒng)200。
[0078]本領域技術人員將理解到較大的系統(tǒng)可以采用多個風機、輔助負載、以及根據前文描述而顯而易見的其它附加組件。本領域技術人員還應當理解的是，連同使用空氣作為氧化劑，可以使用諸如氫氣或重整產物之類的各種燃料。
[0079]根據以上描述，應當理解的是本發(fā)明可以以各種形式來實施，這些形式包括但不限于以下形式:
[0080]1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括:燃料電池堆；風機；該風機被構造為提供過程空氣以向所述燃料電池堆供給氧化劑；耦接至所述風機和所述燃料電池堆的空氣管道；耦接至所述燃料電池堆的電力負載，所述電力負載被構造為接收從所述燃料電池堆內的反應所產生的電力；以及耦接至所述燃料電池堆的輔助電力負載；其中所述輔助電力負載被構造為降低所述燃料電池堆上的電位；以及其中所述空氣管道被構造為將氣流引導到所述燃料電池堆上以向所述燃料電池堆提供冷卻空氣。
[0081]2.根據實施例1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述輔助電力負載位于所述空氣管道內以向所述輔助電力負載提供冷卻空氣。
[0082]3.根據實施例1所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括:耦接至所述燃料電池堆的吹洗空氣泵；其中所述吹洗空氣泵被構造為在停止所述燃料電池系統(tǒng)時向所述燃料電池堆提供吹
洗空氣。
[0083]4.根據實施例2所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括:一個或多個氣閘，其被構造為控制所述空氣管道內的氣流。
[0084]5.根據實施例4所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括:耦接至所述燃料電池堆的再循環(huán)返回通道；其中所述再循環(huán)返回通道被構造為將被所述燃料電池堆加熱后的空氣重新引導回所述燃料電池堆中，從而為所述燃料電池堆的操作提供熱量。
[0085]6.根據實施例5所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括:耦接至所述一個或多個氣閘的控制器；其中所述控制器被構造為控制所述一個或多個氣閘的打開和關閉，以允許或限制環(huán)境空氣注入所述空氣管道中。
[0086]7.根據實施例6所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述一個或多個氣閘被構造為提供多種操作模式，所述多種操作模式包括:第一模式，其中空氣僅通過管道一次；第二模式，其中加熱后的空氣在管道內再循環(huán)；以及第三模式，其中加熱后的空氣的一部分在管道內再循環(huán)而加熱后的空氣的一部分被弓I導到管道外。
[0087]8.根據實施例7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述一個或多個氣閘包括對所述空氣管道的進氣和出氣進行操作的單個氣閘。
[0088]9.根據實施例7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述一個或多個氣閘包括:第一氣閘，其被構造為允許環(huán)境空氣進入管道；第二氣閘，其被構造為將加熱后的空氣引導出管道；以及第三氣閘，其被構造為允許加熱后的空氣再循環(huán)；其中在所述第一模式中，所述第一氣閘和所述第二氣閘打開而所述第三氣閘關閉；其中在所述第二模式中，所述第三氣閘打開而所述第一氣閘和所述第二氣閘關閉；以及其中在所述第三模式中，所述第一氣閘、所述第二氣閘和所述第三氣閘至少部分打開。
[0089]10.根據實施例1所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括:一個或多個電阻器元件，其布置在所述燃料電池堆的各個燃料電池之間；所述一個或多個電阻器元件被構造為使所述各個燃料電池上的電位平衡。
[0090]11.根據實施例1所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括:一個或多個二極管，其布置在所述燃料電池堆的各個燃料電池之間；所述一個或多個二極管被構造為防止所述各個燃料電池反轉極性。
[0091]12.一種用于操作具有燃料電池堆的燃料電池系統(tǒng)的方法，包括以下步驟:從惰性狀態(tài)開始，使耦接至所述燃料電池堆的輔助電力負載工作；引導燃料通過所述燃料電池堆；隨后操作風機以引導氣流通過所述燃料電池堆；所述氣流向所述燃料電池堆提供冷卻空氣和過程氧化劑；以及在所述堆上應用電力供電負載以接收從所述燃料電池堆內的反應所產生的電力。[0092]13.根據實施例12所述的方法，其中從所述燃料電池堆中把惰性空氣吹洗出去，同時使所述輔助電力負載工作以降低所述燃料電池堆內的電位。
[0093]14.根據實施例12所述的方法，還包括:引導冷卻空氣通過所述輔助電力負載。
[0094]15.根據實施例12所述的方法，還包括:在使所述燃料電池系統(tǒng)從操作狀態(tài)停止時引導吹洗空氣通過所述燃料電池堆。
[0095]16.根據實施例14所述的方法，還包括:控制耦接至所述燃料電池堆的一個或多個氣閘以將氣流引導到所述燃料電池堆和所述輔助電力負載上；以及操作所述一個或多個氣閘以將被所述燃料電池堆加熱后的空氣重新引導回所述燃料電池堆中，從而為所述燃料電池堆的操作提供熱量。
[0096]17.根據實施例16所述的方法，還包括:控制所述一個或多個氣閘的打開和關閉，以允許或限制環(huán)境空氣注入空氣管道中。
[0097]18.一種PEM燃料電池系統(tǒng)，包括:包括一個或多個PEM燃料電池的燃料電池堆；風機；該風機被構造為提供過程空氣以向所述燃料電池堆供給氧化劑；耦接至所述風機和所述燃料電池堆的空氣管道；耦接至所述燃料電池堆的電力負載，所述電力負載被構造為接收從所述燃料電池堆內的反應所產生的電力；以及耦接至所述燃料電池堆且位于所述空氣管道內的輔助電力負載；其中所述輔助電力負載被構造為降低所述燃料電池堆上的電位；以及其中所述空氣管道被構造為將氣流引導到所述燃料電池堆和所述輔助電力負載上以向所述燃料電池堆和所述輔助電力負載提供冷卻空氣。
[0098]19.根據實施例18所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括:耦接至所述燃料電池堆的吹洗空氣泵；其中所述吹洗空氣泵被構造為在停止所述燃料電池系統(tǒng)時向所述燃料電池堆提供吹洗空氣。
[0099]20.根據實施例18所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括:一個或多個氣閘，其被構造為控制所述空氣管道內的氣流；以及耦接至所述燃料電池堆的再循環(huán)返回通道；其中所述再循環(huán)返回通道被構造為將被所述燃料電池堆加熱后的空氣重新引導回所述燃料電池堆中，從而為所述燃料電池堆的操作提供熱量。
[0100]21.根據實施例20所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括:耦接至所述一個或多個氣閘的控制器；其中所述控制器被構造為控制所述一個或多個氣閘的打開和關閉，以允許或限制環(huán)境空氣注入所述空氣管道中。
[0101]22.根據實施例20所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述一個或多個氣閘被構造為提供多種操作模式，所述多種操作模式包括:第一模式，其中加熱后的空氣僅通過管道一次；第二模式，其中加熱后的空氣在管道內再循環(huán)；以及第三模式，其中加熱后的空氣的一部分在管道內再循環(huán)而加熱后的空氣的一部分被弓I導到管道外。
[0102]雖然以上描述包含了許多細節(jié)，但是這些不應當被解釋為限制本發(fā)明的范圍而應當被解釋為僅提供了本發(fā)明的一些當前優(yōu)選實施例的示例。因此，應當理解的是，本發(fā)明的范圍完全包括對于本領域技術人員而言會變得顯而易見的其它實施例，因此本發(fā)明的范圍僅由所附的權利要求來限定，在所附的權利要求中，提及單數(shù)形式的元件并不意味著“一個和僅僅一個”，除非明確地做出了這樣的陳述，而是意味著“一個或多個”。本領域普通技術人員所知的與上述優(yōu)選實施例的各元件的全部的結構的、化學的和功能的等同物通過引用方式明確地并入本申請中并且旨在包括于本申請的權利要求中。此外，不必要求包括在本申請的各權利要求中的裝置或方法解決本發(fā)明所要解決的每一個問題。此外，并不旨在將本公開中的元件、組件或方法步驟獻給公眾，不管權利要求書中是否明確列舉了該元件、組件或方法步驟。本申請的權利要求中的任何元件都不應當按照110U.S.C.115的第六段的規(guī)定來解釋，除非明確地使用`短語“用于……的裝置”來限定了該元件。
【權利要求】
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括: 燃料電池堆； 風機； 該風機被構造為提供過程空氣以向所述燃料電池堆供給氧化劑； 空氣管道，其耦接至所述風機和所述燃料電池堆； 電力供電負載，其耦接至所述燃料電池堆，所述電力供電負載被構造為接收從所述燃料電池堆內的反應所產生的電力；以及 輔助電力負載，其耦接至所述燃料電池堆； 其中所述輔助電力負載被構造為降低所述燃料電池堆上的電位；以及其中所述空氣管道被構造為將氣流引導到所述燃料電池堆上以向所述燃料電池堆提供冷卻空氣。
2.根據權利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述輔助電力負載位于所述空氣管道內以向所述輔助電力負載提供冷卻空氣。
3.根據權利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括: 吹洗空氣泵，其耦接至所述燃料電池堆； 其中所述吹洗空氣泵被構造為在停止所述燃料電池系統(tǒng)時向所述燃料電池堆提供吹洗空氣。
4.根據權利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括: 一個或多個氣閘，其被構造為控制所述空氣管道內的氣流。
5.根據權利要求4所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括: 再循環(huán)返回通道，其耦接至所述燃料電池堆； 其中所述再循環(huán)返回通道被構造為將被所述燃料電池堆加熱后的空氣重新引導回所述燃料電池堆中，從而為所述燃料電池堆的操作提供熱量。
6.根據權利要求5所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括: 控制器，其耦接至所述一個或多個氣閘； 其中所述控制器被構造為控制所述一個或多個氣閘的打開和關閉，以允許或限制環(huán)境空氣注入所述空氣管道中。
7.根據權利要求6所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述一個或多個氣閘被構造為提供多種操作模式，所述多種操作模式包括: 第一模式，其中空氣僅通過管道一次； 第二模式，其中加熱后的空氣在管道內再循環(huán)；以及 第三模式，其中加熱后的空氣的一部分在管道內再循環(huán)而加熱后的空氣的一部分被引導到管道外。
8.根據權利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述一個或多個氣閘包括對所述空氣管道的進氣和出氣進行操作的單個氣閘。
9.根據權利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述一個或多個氣閘包括: 第一氣閘，其被構造為允許環(huán)境空氣進入管道； 第二氣閘，其被構造為將加熱后的空氣引導出管道；以及 第三氣閘，其被構造為允許加熱后的空氣再循環(huán)；其中在所述第一模式中，所述第一氣閘和所述第二氣閘打開而所述第三氣閘關閉；以及 其中在所述第二模式中，所述第三氣閘打開而所述第一氣閘和所述第二氣閘關閉； 其中在所述第三模式中，所述第一氣閘、所述第二氣閘和所述第三氣閘至少部分打開。
10.根據權利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括: 一個或多個電阻器元件，其布置在所述燃料電池堆的各個燃料電池之間； 所述一個或多個電阻器元件被構造為使所述各個燃料電池上的電位平衡。
11.根據權利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括: 一個或多個二極管，其布置在所述燃料電池堆的各個燃料電池之間； 所述一個或多個二極管被構造為防止所述各個燃料電池反轉極性。
12.一種用于操作具有燃料電池堆的燃料電池系統(tǒng)的方法，包括以下步驟: 從惰性狀態(tài)開始，使耦接至所述燃料電池堆的輔助電力負載工作； 弓I導燃料通過所述燃料電池堆以從所述堆中去除惰性空氣； 隨后操作風機以引導氣流通過所述燃料電池堆； 所述氣流向所述燃料電池堆提供冷卻空氣和過程氧化劑；以及 在所述堆上應用電力 供電負載以接收從所述燃料電池堆內的反應所產生的電力。
13.根據權利要求12所述的方法，其中從所述燃料電池堆中去除所述惰性空氣，同時使所述輔助電力負載工作以降低所述燃料電池堆內的電位。
14.根據權利要求13所述的方法，還包括:引導冷卻空氣通過所述輔助電力負載。
15.根據權利要求12所述的方法，還包括:在使所述燃料電池系統(tǒng)停止時引導吹洗空氣通過所述燃料電池堆。
16.根據權利要求14所述的方法，還包括: 控制耦接至所述燃料電池堆的一個或多個氣閘以將氣流引導到所述燃料電池堆和所述輔助電力負載上；以及 操作所述一個或多個氣閘以將被所述燃料電池堆加熱后的空氣重新引導回所述燃料電池堆中，從而為所述燃料電池堆的操作提供熱量。
17.根據權利要求16所述的方法，還包括:控制所述一個或多個氣閘的打開和關閉，以允許或限制環(huán)境空氣注入空氣管道中。
18.一種PEM燃料電池系統(tǒng)，包括: 燃料電池堆，其包括一個或多個PEM燃料電池； 風機； 該風機被構造為提供過程空氣以向所述燃料電池堆供給氧化劑； 空氣管道，其耦接至所述風機和所述燃料電池堆； 電力供電負載，其耦接至所述燃料電池堆，所述電力供電負載被構造為接收從所述燃料電池堆內的反應所產生的電力；以及 輔助電力負載，其耦接至所述燃料電池堆且位于所述空氣管道內； 其中所述輔助電力負載被構造為降低所述燃料電池堆上的電位；以及其中所述空氣管道被構造為將氣流引導到所述燃料電池堆和所述輔助電力負載上以向所述燃料電池堆和所述輔助電力負載提供冷卻空氣。
19.根據權利要求18所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括: 吹洗空氣泵，其耦接至所述燃料電池堆； 其中所述吹洗空氣泵被構造為在停止所述燃料電池系統(tǒng)時向所述燃料電池堆提供吹洗空氣。
20.根據權利要求18所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括: 一個或多個氣閘，其被構造為控制所述空氣管道內的氣流；以及 再循環(huán)返回通道，其耦接至所述燃料電池堆； 其中所述再循環(huán)返回通道被構造為將被所述燃料電池堆加熱后的空氣重新引導回所述燃料電池堆中，從而為所述燃料電池堆的操作提供熱量。
21.根據權利要求20所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括: 控制器，其耦接至所述一個或多個氣閘； 其中所述控制器被構造為控制所述一個或多個氣閘的打開和關閉，以允許或限制環(huán)境空氣注入所述空氣管道中。
22.根據權利要求20所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述一個或多個氣閘被構造為提供多種操作模式，所述多種操作模式包括: 第一模式，其中加熱后的 空氣僅通過管道一次； 第二模式，其中加熱后的空氣在管道內再循環(huán)；以及 第三模式，其中加熱后的空氣的一部分在管道內再循環(huán)而加熱后的空氣的一部分被引導到管道外。
【文檔編號】H01M8/04GK103430369SQ201180067811
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2011年10月4日 優(yōu)先權日:2011年2月18日
【發(fā)明者】格倫·加勒森, 大衛(wèi)·格魯普, 杰里米·達貝爾 申請人:阿爾特吉系統(tǒng)公司