專利名稱：提高燃料電池電力系統(tǒng)性能的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池電力系統(tǒng)，具體而言是涉及用于提高燃料電池電力系統(tǒng)中燃料電池堆的性能的方法和裝置。
背景技術(shù)：
燃料電池電化學(xué)地反應(yīng)包含氫的燃料流與包含氧的氧化劑流來產(chǎn)生電流。采用燃料電池堆的燃料電池電力系統(tǒng)用于運(yùn)輸、便攜式和固定等多種供電應(yīng)用中。
在采用包含鉑(Pt)的催化劑的燃料電池中已經(jīng)觀察到特性損失。例如，在恒定電流條件下，通常聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的電壓最初為0.9V，但是一開始便相當(dāng)快的下降。類似地，在恒定電壓條件下，特別是在較高電壓的條件下，初始電流從其最初輸出值下降。多種原因引起了特性損失，包括催化劑的一氧化碳中毒以及由于從水中吸收氧化物導(dǎo)致陰極催化劑活性的損失。
已經(jīng)采用了幾種方法來扭轉(zhuǎn)這種性能下降。例如，US 5,601,936中披露了向燃料電池的陽(yáng)極和陰極施加反向的DC(直流)電勢(shì)。CA2,284,589中披露了通過臨時(shí)短路陽(yáng)極和陰極或者通過外部DC電壓源產(chǎn)生正電壓脈沖來脈沖調(diào)制陽(yáng)極電勢(shì)。相反地，US 2001/0044040A1中披露了將陰極切換到輸出負(fù)載以便在脈寬有效時(shí)降低電池電壓來扭轉(zhuǎn)性能下降。US 6,096,448中披露了通過將瞬時(shí)負(fù)載連接到燃料電池堆以使燃料電池堆燃料匱乏。US 6,096,449和US 6,451,470B1中都披露了周期性短路燃料電池。
US 6,096,449中還披露了分路控制器，其連接到對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)中每個(gè)燃料電池的多個(gè)分路控制電路。分路控制器還包括一對(duì)電壓傳感器、將陽(yáng)極與陰極連接到一起的旁路電路以及與每個(gè)燃料電池關(guān)聯(lián)的電流傳感器。分路控制器進(jìn)一步控制燃料氣體關(guān)閉控制閥門，用于終止向燃料電池供應(yīng)燃料氣體。
這些方法具有一種和更多種缺點(diǎn)。首先，當(dāng)燃料電池堆短路或其電流或電壓被脈沖調(diào)制時(shí)，它們可能導(dǎo)致對(duì)外部負(fù)載的供電波動(dòng)。這在外部負(fù)載不能容忍如此的電壓波動(dòng)的幅度和/或頻率的應(yīng)用中是有問題的?；蛘撸诿}沖調(diào)制期間外部負(fù)載可能與燃料電池堆斷開連接，不期望地中斷了向負(fù)載供電。
其次，實(shí)施這樣的方法所涉及的控制系統(tǒng)過于復(fù)雜。例如，US6,096,449中的分路控制器的復(fù)雜性可能不利地增加了成本并降低了整個(gè)系統(tǒng)的操作可靠性。
因此期望具有一種用于操作燃料電池電力系統(tǒng)的方法和裝置，其不僅增加燃料電池堆的性能，而且相當(dāng)廉價(jià)、可靠以及電效率更高。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)燃料電池電力系統(tǒng)的缺點(diǎn)并提供了其它的相關(guān)優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)方面，一種操作包括燃料電池堆的電力系統(tǒng)的方法，該方法包括時(shí)常(from time-to-time)進(jìn)行如下步驟，電流脈沖調(diào)制該燃料電池堆；在電流脈沖調(diào)制該燃料電池堆之后的至少一段時(shí)間內(nèi)，將燃料電池電壓箝位在最大燃料電池電壓水平之下。電流脈沖調(diào)制該燃料電池堆可以包括提供跨過該燃料電池堆兩端的短路通道；以及移除跨過該燃料電池堆兩端的短路通道。電流脈沖調(diào)制該燃料電池堆可以包括跨過該燃料電池堆的兩端電性連接負(fù)載；以及使負(fù)載與該燃料電池堆電性斷開。
在另一個(gè)方面，一種操作電力系統(tǒng)以便為至少一個(gè)負(fù)載供電的方法，該電力系統(tǒng)包括燃料電池堆和至少一個(gè)與該燃料電池堆并聯(lián)電性連接的電存儲(chǔ)裝置，該方法包括時(shí)常臨時(shí)地短路該燃料電池堆；以及至少在短路該燃料電池堆時(shí)從電存儲(chǔ)裝置向負(fù)載供電。
在又一個(gè)方面，一種操作包括燃料電池堆和電性連接的電存儲(chǔ)裝置的電力系統(tǒng)以便為負(fù)載供電的方法，該方法包括時(shí)常操作至少一個(gè)開關(guān)以提供跨過燃料電池堆兩端的電性短路電路；操作該至少一個(gè)開關(guān)以便從燃料電池堆的兩端移除電性短路電路；至少在短路該燃料電池堆時(shí)從電存儲(chǔ)裝置向負(fù)載供電；以及在移除了跨過該燃料電池堆兩端的短路通道之后的至少一段時(shí)間內(nèi)，將燃料電池電壓箝位在最大燃料電池電壓水平之下。
在另一個(gè)方面，一種操作具有燃料電池堆和電性連接到該燃料電池堆的能量存儲(chǔ)裝置的電力系統(tǒng)以便為系統(tǒng)的負(fù)載和平衡設(shè)備供電的方法，該方法包括測(cè)量由燃料電池堆供給到系統(tǒng)的負(fù)載和平衡設(shè)備的電池堆電流；測(cè)定在該燃料電池堆的短路電路期間系統(tǒng)的負(fù)載和平衡設(shè)備所需的能量數(shù)量；測(cè)定在短路電路之后將要削去的能量數(shù)量；根據(jù)在短路電路期間系統(tǒng)的負(fù)載和平衡設(shè)備所需的能量數(shù)量，以及根據(jù)在短路電路之后將要削去的能量數(shù)量，來測(cè)定將要從能量存儲(chǔ)裝置預(yù)先移除的能量數(shù)量；測(cè)定以現(xiàn)有的負(fù)載從電存儲(chǔ)裝置預(yù)先移除測(cè)定數(shù)量的能量所需的時(shí)間；斷開系統(tǒng)的負(fù)載和平衡設(shè)備與燃料電池堆的連接；在斷開系統(tǒng)的負(fù)載和平衡設(shè)備的連接之后，經(jīng)過從電存儲(chǔ)裝置預(yù)先移除能量所需的測(cè)定的時(shí)間，短路該燃料電池堆；將系統(tǒng)的負(fù)載和平衡設(shè)備重新連接到燃料電池堆；在短路該燃料電池堆進(jìn)行了短路持續(xù)時(shí)間之后，停止對(duì)該燃料電池堆的短路。
在另一個(gè)方面，一種用于向至少一個(gè)負(fù)載供電的電力系統(tǒng)，包括燃料電池堆；用于時(shí)常短路該燃料電池堆的裝置；以及用于至少在緊隨短路該燃料電池堆之后的一段時(shí)間內(nèi)，將燃料電池堆電壓箝位在最大燃料電池堆電壓水平之下的裝置。
在又一個(gè)方面，一種電力系統(tǒng)，包括電力總線；電性跨接在電力總線兩端的燃料電池堆；電性跨接在燃料電池堆兩端的脈沖調(diào)制開關(guān)，用于電流脈沖調(diào)制該燃料電池堆；控制器，被連接成用于選擇地控制脈沖調(diào)制開關(guān)來時(shí)常電流脈沖調(diào)制該燃料電池堆；以及電池堆電壓箝位裝置，用于至少在緊隨電流脈沖調(diào)制該燃料電池堆之后的一段時(shí)間內(nèi)箝位電池堆電壓。
在又一個(gè)方面，一種用于向至少一個(gè)負(fù)載供電的電力系統(tǒng)，該電力系統(tǒng)包括燃料電池堆；電性連接的短路開關(guān)，用于電性地短路該燃料電池堆；與該燃料電池堆并聯(lián)電性連接的電存儲(chǔ)裝置；電性連接在燃料電池堆與電存儲(chǔ)裝置之間的二極管，用于避免電存儲(chǔ)裝置電性短路；以及控制器，被連接成用于選擇地控制短路開關(guān)來時(shí)常短路該燃料電池堆。


在附圖中，相同的參考標(biāo)記表示類似的元件或動(dòng)作。附圖中元件的尺寸和相對(duì)位置沒有必要按照比例繪制。例如，各種元件的形狀和角度沒有按照比例繪制，并且這些元件中的一些被任意地放大和定位，以便提高附圖的易讀性。此外，附圖所示元件的特定形狀不傾向于傳遞關(guān)于特定元件的實(shí)際形狀的任何信息，并且完全是為了容易辨識(shí)而選擇的。
圖1是NEXATM燃料電池的電池堆凈電壓相對(duì)時(shí)間的曲線圖；圖2是對(duì)于圖1曲線中所示的每個(gè)脈沖的電壓衰變曲線的三維圖；圖3是電池堆電流和電池堆電壓相對(duì)時(shí)間的曲線圖，顯示了燃料電池的電流脈沖調(diào)制；圖4是按照一個(gè)示意性實(shí)施例的為外部負(fù)載和/或內(nèi)部負(fù)載供電的電力系統(tǒng)的示意圖，該電力系統(tǒng)包括燃料電池堆、能量存儲(chǔ)裝置和脈沖調(diào)制開關(guān)，其中脈沖調(diào)制開關(guān)選擇地用于跨過燃料電池堆的兩端設(shè)置電性短路電路以便電流脈沖調(diào)制該燃料電池；圖5是按照另一個(gè)示意性實(shí)施例的為外部負(fù)載和/或內(nèi)部負(fù)載供電的電力系統(tǒng)的示意圖，其中脈沖調(diào)制開關(guān)選擇地用于跨過燃料電池堆的兩端設(shè)置負(fù)載以便電流脈沖調(diào)制該燃料電池；圖6是蓄電池的電子示意圖，例如是VRLA蓄電池，適于用作電力系統(tǒng)中的電存儲(chǔ)裝置；圖7是超大電容器的電子示意圖，適于用作電力系統(tǒng)中的電存儲(chǔ)裝置；圖8是電池堆電流和電池堆電壓對(duì)時(shí)間的曲線，顯示了在電流脈沖調(diào)制之后電存儲(chǔ)裝置接收電流以便箝位該燃料電池堆的電壓；圖9是電池堆電流和電池堆電壓對(duì)時(shí)間的曲線，其中在電流脈沖調(diào)制之后箝位電路從燃料電池堆獲得足夠的電流，以便將電壓箝位在預(yù)期的最大電池堆電壓；圖10是電池堆電流和電池堆電壓對(duì)時(shí)間的曲線，其中在電流脈沖調(diào)制之后箝位電路從燃料電池堆獲得更充足的電流，以便將電壓箝位在預(yù)期的最大電池堆電壓之下；圖11是按照另一個(gè)示意性實(shí)施例的電力系統(tǒng)的示意圖，其采用了齊納二極管用于箝位燃料電池堆的電壓；圖12是按照另一個(gè)示意性實(shí)施例的電力系統(tǒng)的示意圖，其采用了分路調(diào)節(jié)器用于箝位燃料電池堆的電壓；圖13是按照另一個(gè)示意性實(shí)施例的電力系統(tǒng)的示意圖，其采用了包括振蕩器和分路調(diào)節(jié)器邏輯的控制用于箝位燃料電池堆的電壓；圖14是按照另一個(gè)示意性實(shí)施例的電力系統(tǒng)的示意圖，其采用了齊納二極管以及用于選擇地使負(fù)載與燃料電池堆隔離的隔離開關(guān)，以便在電流脈沖調(diào)制之后在準(zhǔn)備電壓箝位時(shí)從能量存儲(chǔ)裝置移除能量；圖15是按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的操作圖14中電力系統(tǒng)的方法的流程圖；圖16是按照本發(fā)明另一個(gè)示意性實(shí)施例的電力系統(tǒng)的示意圖，其中脈沖調(diào)制和隔離開關(guān)的每個(gè)都是由多個(gè)諸如MOSFET的晶體管形成的。
具體實(shí)施例方式
在下面的說明中，為了提供本發(fā)明各實(shí)施例的整體理解而闡述了某些具體的細(xì)節(jié)。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，不采用這些細(xì)節(jié)也可以實(shí)施本發(fā)明。在其它的例子中，沒有詳細(xì)顯示或說明與燃料電池、燃料電池堆和燃料電池系統(tǒng)相關(guān)的公知結(jié)構(gòu)，以避免不必要地模糊了使本發(fā)明實(shí)施例的說明。
除非上下文需要，否則在整個(gè)說明書和其后的權(quán)利要求書中，詞語(yǔ)“包括(comprise)”及其諸如“包括(comprises)”和“包括(comprising)”的變形將是開放式構(gòu)成的，包括的意思就是“包括，但不限于”。
此處提供的標(biāo)題僅是為了方便，并不解釋本發(fā)明所要求的范圍或意義。
電流脈沖調(diào)制涉及短路燃料電池或燃料電池堆，或跨過燃料電池或燃料電池堆連接負(fù)載，以便充分降低燃料電池的電壓，用于恢復(fù)催化劑活性。
如上所述，大概由于陰極催化劑活性隨著時(shí)間的損失，所以在采用包括Pt的催化劑的燃料電池中已經(jīng)觀察到了特性損失。在電流脈沖調(diào)制該燃料電池堆之后，燃料電池堆的電壓基本上立即增高。例如，在典型的PEM燃料電池中，電池電壓在短路釋放之后將以全部額定電流立即跳到大約0.76V。然后電池電壓隨時(shí)間衰減到某平衡值。沒有理論束縛，據(jù)信此效果是由于在脈沖調(diào)制期間從陰極催化劑中提取了氧核素(以及可能的其它吸收核素)而恢復(fù)了催化劑活性；隨后催化劑隨時(shí)間再氧化而再次降低了它的活性所導(dǎo)致的。
圖1是NEXATM燃料電池堆的凈電壓2相對(duì)時(shí)間的曲線圖1，證明了上述的效果。操作條件如下所述反應(yīng)物是氫和潮濕的空氣；施加的壓力為5psig(35kPa)；反應(yīng)物入口溫度為65℃；輸出電流為15A；以及每分鐘實(shí)施500ms的短路。圖1中每條垂直線對(duì)應(yīng)燃料電池堆的電性短路；直到下一次短路之前，電壓2隨時(shí)間緩慢衰減。
申請(qǐng)人已經(jīng)測(cè)定，至少在某些應(yīng)用中，短路該堆疊能夠使得燃料電池電壓升高到不可接受的水平。圖2顯示了對(duì)于圖1曲線中所示的每個(gè)脈沖的電壓衰變曲線的三維圖3。可注意到，在燃料電池堆的每次短路之后存在到約7至8秒的不穩(wěn)定電壓的區(qū)域。
此外，沒有理論束縛，申請(qǐng)人相信緊隨短路之后的燃料電池上的電壓相當(dāng)高，可以發(fā)生陰極催化劑碳支撐物(以及在燃料電池的陰極側(cè)可能的其它碳材料)的腐蝕。
圖3分別顯示了經(jīng)過短時(shí)間短路的代表性燃料電池的一般意義的電流和電壓曲線5、6。在短路釋放之后，燃料電池的電壓立即達(dá)到峰值A(chǔ)，并在到達(dá)平衡水平之前開始下降。在區(qū)域A，能夠發(fā)生碳腐蝕，其可以損壞碳催化劑支撐物和/或其它的陰極結(jié)構(gòu)。在高電流密度下反復(fù)暴露于如此高的電壓之下可以導(dǎo)致嚴(yán)重的碳腐蝕，這會(huì)在圖2中觀察到的電壓穩(wěn)定性上得到反映。
圖4顯示了按照一個(gè)示意性實(shí)施例的電力系統(tǒng)10，其為外部負(fù)載12供電。沒有顯示與此處討論不直接相關(guān)的電力系統(tǒng)10的具體細(xì)節(jié)，例如反應(yīng)物供給系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。
電力系統(tǒng)10包括電性連接在電力總線16的軌道之間的燃料電池堆14、電性跨接在燃料電池堆兩端的脈沖調(diào)制開關(guān)S1、以及電性連接的用于控制脈沖調(diào)制開關(guān)S1的控制器18。控制器18可以采用振蕩器20的形式，為電流脈沖調(diào)制提供簡(jiǎn)單的、廉價(jià)的且可靠的電路。
在圖4所示的實(shí)施例中，例如，響應(yīng)由振蕩器20發(fā)生的脈沖信號(hào)21，脈沖調(diào)制開關(guān)S1用于選擇地短路燃料電池堆14。在其它實(shí)施例中，脈沖調(diào)制開關(guān)S1用于選擇地跨過燃料電池堆14兩端設(shè)置脈沖調(diào)制負(fù)載22(圖5)。在這樣的實(shí)施例中，跨接在燃料電池堆14兩端的脈沖調(diào)制負(fù)載22應(yīng)當(dāng)很小，以確保足夠快的從燃料電池的陽(yáng)極移動(dòng)電荷。為了實(shí)現(xiàn)燃料電池堆14的最快速可能的恢復(fù)，短路燃料電池堆14優(yōu)于跨過燃料電池堆14兩端設(shè)置脈沖調(diào)制負(fù)載22。
電力系統(tǒng)10可以包括一個(gè)或更多個(gè)內(nèi)部負(fù)載24，其代表各種有源部件，例如處理器、傳感器、指示器、電子管、加熱器、壓縮機(jī)、風(fēng)扇、和/或諸如螺線管的致動(dòng)器。關(guān)于燃料電池系統(tǒng)，這些內(nèi)部負(fù)載24通常被稱作“平衡設(shè)備”。內(nèi)部負(fù)載24與燃料電池堆14并聯(lián)的電性連接到電力總線16，以接收來自燃料電池堆14的電力。
如圖4所示，在一些實(shí)施例中，電力系統(tǒng)10可以進(jìn)一步包括電存儲(chǔ)裝置26，與燃料電池堆14并聯(lián)的電性連接，以形成混合電力系統(tǒng)10。在這樣的實(shí)施例中，電存儲(chǔ)裝置26在電池堆電流被脈沖調(diào)制的期間內(nèi)向負(fù)載12、24提供電流。在這樣的實(shí)施例中，電力系統(tǒng)10可以采用二極管D1來使電存儲(chǔ)裝置26避免例如由燃料電池堆14的短路導(dǎo)致的瞬時(shí)現(xiàn)象。
電存儲(chǔ)裝置26可以采用各種適于存儲(chǔ)電能并釋放所存儲(chǔ)電能的形式，例如，諸如一個(gè)或更多個(gè)電子管調(diào)節(jié)鉛酸(“VRLA”)蓄電池28(圖6)的一個(gè)或更多個(gè)蓄電池，和/或一個(gè)或更多個(gè)超大電容器30(圖7)。在電存儲(chǔ)裝置26是VRLA蓄電池28的實(shí)施例中，例如，在電池堆電流脈沖調(diào)制期間可以出現(xiàn)負(fù)載12、24的電壓變化。在電存儲(chǔ)裝置26是超大電容器組30的實(shí)施例中，可以很容易的濾掉這樣的變化。
當(dāng)電力系統(tǒng)10包括電存儲(chǔ)裝置26時(shí)，在電流脈沖之后燃料電池堆14開始向電存儲(chǔ)裝置26提供充電電流。因此，在每個(gè)電流脈沖之后電存儲(chǔ)裝置26可以接收燃料電池堆14產(chǎn)生的過電流，以便將燃料電池堆14的電壓箝位到最大電池堆電壓極限VZ之下。例如，如果電力系統(tǒng)10具有小于電存儲(chǔ)裝置26的“浮動(dòng)”電壓的平衡電池堆電壓，只要電池堆電壓超過電存儲(chǔ)裝置26的“浮動(dòng)”電壓，電存儲(chǔ)裝置26就持續(xù)接收來自燃料電池堆14的部分電流。
可以選擇二極管D1，使得燃料電池堆14只在電池堆電壓處于預(yù)定電壓極限或在預(yù)定電壓極限之上時(shí)才向負(fù)載12、24提供電流。例如，當(dāng)電存儲(chǔ)裝置26是VRLA蓄電池28時(shí)，預(yù)定電壓極限可以是蓄電池的浮動(dòng)電壓，大約是27.4V。當(dāng)電池堆電壓下降到二極管電壓極限之下時(shí)，電存儲(chǔ)裝置26向負(fù)載12、24供電，并且振蕩器20通過閉合脈沖調(diào)制開關(guān)S1來實(shí)施燃料電池堆14的短路電路。開啟脈沖調(diào)制開關(guān)S1來解除短路，燃料電池堆14恢復(fù)向負(fù)載12、24供電，并提供電流對(duì)電存儲(chǔ)裝置26再充電。在高負(fù)載處，此設(shè)置使得電池堆電壓維持在最大電池堆電壓極限VZ之下。
使用電存儲(chǔ)裝置26來箝位電壓是一種方法，用于解決圖2、3中所示的不期望的電壓尖峰。圖8分別顯示了在經(jīng)過短時(shí)間短路的代表性混合電力系統(tǒng)(例如，包括燃料電池堆14和蓄電池28)中燃料電池堆14的一般意義的電流和電壓曲線32、34。圖8的區(qū)域B中的電流量包括燃料電池堆14提供的負(fù)載電流和蓄電池充電電流。燃料電池堆14提供的額外的充電電流足以將電池堆電壓箝位在預(yù)定的最大電池堆電壓極限VZ。
可以設(shè)定或改變電流脈沖調(diào)制的時(shí)序或頻率。例如，可以將電流脈沖調(diào)制設(shè)定成限定的周期性時(shí)間間隔TW，例如，在操作期間一分鐘出現(xiàn)一次(即，60Hz)?；蛘撸刂破?8能夠在電池堆電壓下降到預(yù)定電壓極限之下時(shí)短路燃料電池堆14，預(yù)定電壓極限例如為電存儲(chǔ)裝置26的“浮動(dòng)”電壓。可以通過采用燃料電池堆14中的多個(gè)燃料電池來選擇預(yù)定電壓極限，采用的燃料電池的數(shù)量等于產(chǎn)生預(yù)期“浮動(dòng)”電壓所必須的燃料電池的數(shù)量。例如，如果期望最小的工作燃料電池電壓至少為0.67V，電存儲(chǔ)裝置26的浮動(dòng)電壓是27.4V，則至少要求41個(gè)燃料電池堆14。因此，電力系統(tǒng)10可以采用電流脈沖調(diào)制的頻率來控制電荷轉(zhuǎn)移到蓄電池28或超大電容器30的速率。當(dāng)采用這樣的方法時(shí)，能夠使用在給定負(fù)載的電流脈沖調(diào)制頻率來測(cè)定將要供給燃料電池堆的空氣中污染物的量；脈沖調(diào)制的頻率越高，污染物的濃度則越大，因此提供了額外的優(yōu)點(diǎn)。
也可以設(shè)定或改變電流脈沖的持續(xù)時(shí)間TP。例如，可以預(yù)先設(shè)定每個(gè)電流脈沖的持續(xù)時(shí)間。例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)大約500毫秒的脈沖持續(xù)時(shí)間特別適于60Hz的電流脈沖頻率?；蛘?，可以根據(jù)電力系統(tǒng)10、負(fù)載12和/或燃料電池堆14的許多操作參數(shù)和/或條件來調(diào)整持續(xù)時(shí)間。
上述的方法和裝置能夠從燃料電池產(chǎn)生非常高的性能效率。例如，在采用NEXATM燃料電池堆14和VRLA蓄電池28的電力系統(tǒng)10中，通過在電池堆電壓下降到27.4V的蓄電池浮動(dòng)電壓之下時(shí)電流脈沖調(diào)制該燃料電池堆14，燃料電池可以工作在大約0.69V的平均電壓。這對(duì)應(yīng)于57％的效率，控制系統(tǒng)產(chǎn)生非常低的寄生冷卻損耗并且在任何負(fù)載電流時(shí)都沒有能量變換損耗。而且，因?yàn)樵谌剂想姵仉娏鞅幻}沖調(diào)制時(shí)電存儲(chǔ)裝置26提供電流，所以沒有對(duì)外部負(fù)載12或內(nèi)部負(fù)載24中斷電流。
在其它的實(shí)施例中，在電流脈沖之后來自燃料電池堆14的電流會(huì)立即短時(shí)間的增加。圖9和圖10分別顯示了按照這些實(shí)施例的經(jīng)過短時(shí)間短路的代表性混合燃料電池的一般意義的電流曲線36、38和電壓曲線40、42。在圖9中，在電流脈沖之后，來自燃料電池堆14的電流36被增加，如區(qū)域B所示。對(duì)應(yīng)的電壓曲線40被拉平，避免了與圖3中區(qū)域A中所示電壓尖峰相關(guān)的可能的碳腐蝕。在圖9中，電流增加恰好足以將燃料電池堆電壓箝位在預(yù)定的最大電池堆電壓極限VZ。
實(shí)際中，在脈沖調(diào)制之后可能很難控制電流增加，以便以此精確度來箝位電池堆電壓。在其它實(shí)施例中，在脈沖調(diào)制之后電流增加的幅度至少振蕩地大于將電池堆電壓箝位在預(yù)定的最大電池堆電壓極限VZ所要求的幅度。圖10中顯示了這種情況，在區(qū)域B中來自電池的電流38大于圖9中的電流，導(dǎo)致區(qū)域C中的電池堆電壓42相應(yīng)地降低。在脈沖調(diào)制之后，由較大電流增加的燃料電池堆14中所產(chǎn)生的額外熱量大于陰極處通過防止碳腐蝕的偏移量。
在脈沖調(diào)制該電池堆電流之后，對(duì)電存儲(chǔ)裝置26再充電所需的電流取決于由電存儲(chǔ)裝置26所承載的負(fù)載12、24的大小以及電流脈沖的持續(xù)時(shí)間。在一些應(yīng)用中，可以經(jīng)歷部分負(fù)載或低負(fù)載條件。在低負(fù)載時(shí)，再充電電流在電流脈沖調(diào)制之后可能將不足以箝位該燃料電池電壓。因此在某些實(shí)施例中，在低負(fù)載條件下電流脈沖調(diào)制可能被中止。此方法特別適用于那些預(yù)計(jì)電力系統(tǒng)將不會(huì)經(jīng)?；蛎黠@周期性地處于低負(fù)載條件的應(yīng)用。
圖11至13顯示了電力系統(tǒng)10的其它實(shí)施例，其包括用于響應(yīng)電流脈沖調(diào)制來箝位電池堆電壓的附加電路，特別適用于部分負(fù)載或低負(fù)載條件。此處所述的這些和那些其它實(shí)施例以及其它可選實(shí)施例，基本上類似于前述的實(shí)施例，因此以相同的參考標(biāo)記表示共同的動(dòng)作和結(jié)構(gòu)。下面只說明操作和結(jié)構(gòu)中的明顯區(qū)別。此外，如上所述，電力系統(tǒng)的各種實(shí)施例可以依賴于燃料電池堆14作為唯一電源；因此，在圖11至13中電存儲(chǔ)裝置26是任選的。
圖11顯示了與燃料電池堆14并聯(lián)的電性跨接在電力總線16兩端的齊納二極管D2。選擇齊納二極管D2的擊穿電壓，使得當(dāng)工作在如附隨的電壓曲線44所示的低負(fù)載條件時(shí)，并且與工作在如附隨的電壓曲線46所示的高負(fù)載條件相比較，齊納二極管D2將電池堆電壓箝位在預(yù)定的最大電池堆電壓極限VZ之下。
圖12顯示了與燃料電池堆14并聯(lián)的電性跨接在電力總線16兩端的分路調(diào)節(jié)器48。分路調(diào)節(jié)器48由齊納二極管D2、柵極電阻器R和晶體管50形成。齊納二極管D2和柵極電阻器R電性連接到晶體管50的柵極，用于當(dāng)工作在如附隨的電壓曲線44所示的低負(fù)載條件時(shí)，并且與工作在如附隨的電壓曲線46所示的高負(fù)載條件相比較，選擇地啟動(dòng)晶體管50以便將電池堆電壓箝位在預(yù)定的最大電池堆電壓極限VZ之下。
圖13顯示了包括振蕩器20和分路調(diào)節(jié)器邏輯52的控制器18?？梢攒浖㈨g件和/或硬件的形式來實(shí)現(xiàn)分路調(diào)節(jié)器邏輯52，并通過控制器18來運(yùn)行分路調(diào)節(jié)器邏輯52?？刂破?8接收代表通過電壓傳感器54感測(cè)的電壓的信號(hào)。控制器18提供控制信號(hào)21、53，經(jīng)由二極管D3、D4和電阻器R來操作例如場(chǎng)效應(yīng)晶體管Q1的開關(guān)，以便當(dāng)工作在如附隨的電壓曲線44所示的低負(fù)載條件時(shí)，并且與工作在如附隨的電壓曲線46所示的高負(fù)載條件相比較，將電池堆電壓箝位在預(yù)定的最大電池堆電壓極限VZ之下。
在其它實(shí)施例中，電存儲(chǔ)裝置26在電池堆電流被脈沖調(diào)制之前承載負(fù)載12、24一段時(shí)間，并且之后燃料電池堆14提供再充電電流?？梢赃x擇電存儲(chǔ)裝置26承載負(fù)載12、24的時(shí)間，以便補(bǔ)償?shù)拓?fù)載條件，使得增加的再充電電流足以將電池堆電壓箝位在預(yù)定的最大電池堆電壓極限VZ。
圖14顯示了電力系統(tǒng)10的另一個(gè)實(shí)施例，包括用于使負(fù)載12、24與燃料電池堆14電性連接或斷開連接的燃料電池堆隔離開關(guān)S2?？刂破?8接收代表來自電池堆電流傳感器58的電池堆電流的信號(hào)56，并且如下所述的操作燃料電池堆隔離開關(guān)S2，以便當(dāng)工作在如附隨的電壓曲線60所示的低負(fù)載條件時(shí)，以及當(dāng)工作在如附隨的電壓曲線62所示的高負(fù)載條件時(shí)，將電池堆電壓箝位在預(yù)定的最大電池堆電壓極限VZ之下。
圖15顯示了按照一個(gè)示意性實(shí)施例的控制算法100的流程圖，其用于電流脈沖調(diào)制圖14的電力系統(tǒng)10。
在步驟102，電流傳感器58測(cè)量電池堆電流。在步驟104，控制器18測(cè)定在短路電路條件持續(xù)期間支持負(fù)載12、24所需的能量數(shù)量。在步驟106，控制器18測(cè)定在短路電路條件結(jié)束之后需要削去的能量數(shù)量，以便避免超過最大電池堆電壓極限VZ。步驟104和106可以任何順序出現(xiàn)，甚至能夠同時(shí)進(jìn)行。
在步驟108，控制器108測(cè)定需要從能量存儲(chǔ)裝置26預(yù)先移除(即，在電流脈沖之前)的能量，使得電存儲(chǔ)裝置26處于能夠接收必要數(shù)量的電池堆電流的狀態(tài)，以便避免在電流脈沖調(diào)制之后超過最大電池堆電壓極限VZ。在步驟110，控制器18測(cè)定以給定的現(xiàn)有負(fù)載移除能量所需的時(shí)間。
在步驟112，控制器18使燃料電池堆隔離開關(guān)S2開啟，使得負(fù)載12、24與燃料電池堆14隔離，由此使得電存儲(chǔ)裝置26通過替代燃料電池堆14為負(fù)載12、24供電而放電至適當(dāng)?shù)乃?。在步驟114，控制器18等待步驟110中測(cè)定的時(shí)間。在測(cè)定的時(shí)間結(jié)束時(shí)，控制器18閉合脈沖調(diào)制開關(guān)S1，通過在燃料電池堆14兩端提供短路通道或通過設(shè)置負(fù)載22(圖2)來電流脈沖調(diào)制該燃料電池堆14。
在步驟118，控制器18在閉合脈沖調(diào)制開關(guān)S1之后等待脈沖持續(xù)時(shí)間，例如500毫秒。在步驟120，控制器18使燃料電池堆隔離開關(guān)S2閉合，將負(fù)載12、24連接到燃料電池堆14。步驟118和120可以任何順序出現(xiàn)，甚至能夠同時(shí)進(jìn)行。在脈沖持續(xù)時(shí)間TP結(jié)束時(shí)，控制器18開啟脈沖調(diào)制開關(guān)S1，通過在燃料電池堆14兩端去除短路通道或負(fù)載22來終止電流脈沖。上面已經(jīng)討論了各種用于測(cè)定時(shí)間周期TP的方法。
在步驟124，控制器18在回到控制步驟102之前等待時(shí)間TW，例如足以使電池堆電壓下降至需要另一電流脈沖的點(diǎn)的時(shí)間。上面已經(jīng)討論了各種用于測(cè)定時(shí)間TW的方法。
當(dāng)運(yùn)行控制算法100時(shí)，控制器18可以使用極化查找表來比較目前的電池堆電壓和電流，以測(cè)定燃料電池堆14正工作在其極化曲線。也可以使用其它裝置測(cè)定燃料電池堆14正工作在其極化曲線。
圖16顯示了電力系統(tǒng)10的另一個(gè)實(shí)施例，其類似于上面圖14所示的實(shí)施例。圖16的實(shí)施例包括多個(gè)MOSFET，其并聯(lián)電性連接以形成特別適于高電流負(fù)載的脈沖調(diào)制開關(guān)S1。圖16的實(shí)施例也顯示了多個(gè)MOSFET以及并聯(lián)電性連接的相關(guān)的二極管，以形成特別適于高電流負(fù)載的燃料電池堆隔離開關(guān)S2。
示例包括NEXATM燃料電池堆14和24V的VRLA蓄電池組28的混合電力系統(tǒng)10可在具有和沒有脈沖調(diào)制電池堆電流的情況下工作。每種情況的電力系統(tǒng)10都在5psig(35kPa)下被供給氫和潮濕的空氣，并且在65℃的反應(yīng)物入口溫度工作。
為了最初的運(yùn)行，以大約2.6的化學(xué)計(jì)量將空氣供給到燃料電池堆14。在沒有電流脈沖調(diào)制的情況下工作時(shí)，電力系統(tǒng)在34A維持了26.9V電壓，其相當(dāng)于大約915W的凈輸出。NEXATM燃料電池堆14額定是1000W的凈輸出，所以此單元運(yùn)行欠佳。
然后按照?qǐng)D13所示來配置電力系統(tǒng)10。由并聯(lián)的三個(gè)MOSFET構(gòu)成短路電路(即，脈沖調(diào)制開關(guān)S1)。通過手動(dòng)按鈕(沒有顯示)觸發(fā)500ms的短路。由兩個(gè)IRFP2907 MOSFET構(gòu)成的線性調(diào)節(jié)器FET限制能夠從燃料電池堆獲得的電流量，并維持輸出電壓以便將蓄電池保持在27.3V的浮動(dòng)電壓。肖特基二極管防止蓄電池短路。在工作期間，大約每分鐘施加一次500ms的短路脈沖。根據(jù)表示對(duì)應(yīng)大約1V的電池堆電壓增加的初步結(jié)果，空氣的化學(xué)計(jì)量也增加到大約2.7。運(yùn)行時(shí)間為40分鐘。電力系統(tǒng)10在56.5A維持了27.3V電壓，相當(dāng)于大約1540W的凈輸出。這表示在凈功率輸出方面增加了68％，額外增加了625W。
盡管出于示意性的目的在此說明了電力系統(tǒng)以及相關(guān)方法的具體實(shí)施例和示例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，在不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍的情況下能夠進(jìn)行各種等價(jià)的修改。本發(fā)明此處所提供的教導(dǎo)能夠應(yīng)用到其它的電力系統(tǒng)中，不必是上面通常所述的示意性的混合電力系統(tǒng)。
例如，本方法和裝置可以用在燃料電池堆14作為唯一電源的電子電力系統(tǒng)10中。盡管這樣的實(shí)施例成本較低，但是應(yīng)當(dāng)注意到，省略電存儲(chǔ)裝置24通常使得提供給外部負(fù)載12的電流在電流脈沖調(diào)制期間出現(xiàn)中斷。此外例如，電力系統(tǒng)可以采用電存儲(chǔ)裝置。
能夠組合上述的各種實(shí)施例以提供另一些實(shí)施例。本說明書所引用的和/或申請(qǐng)數(shù)據(jù)單上所列的上面所有的美國(guó)專利、美國(guó)專利申請(qǐng)公開、美國(guó)專利申請(qǐng)、外國(guó)專利、外國(guó)專利申請(qǐng)和非專利出版物，以引用方式被整體結(jié)合在本文?？梢孕薷谋景l(fā)明的各個(gè)方面，如果必要，可以采用各個(gè)專利、申請(qǐng)和出版物的系統(tǒng)、電路和概念，來提供本發(fā)明的又一些實(shí)施例。
能夠根據(jù)上面詳述的說明對(duì)本發(fā)明實(shí)施這些和其它的變化。通常，在下面的權(quán)利要求書中，所使用的術(shù)語(yǔ)不應(yīng)被理解為將本發(fā)明限制在說明書和權(quán)利要求書中公開的具體實(shí)施例，而是應(yīng)當(dāng)理解為包括按照權(quán)利要求工作的所有的電力系統(tǒng)和方法。因此，本發(fā)明并不限于公開的部分，而是應(yīng)通過下面的權(quán)利要求整體測(cè)定其范圍。
權(quán)利要求
1.一種操作包括燃料電池堆的電力系統(tǒng)的方法，該方法包括時(shí)常進(jìn)行如下步驟時(shí)常電流脈沖調(diào)制該燃料電池堆；以及在電流脈沖調(diào)制該燃料電池堆之后的至少一段時(shí)間內(nèi)，將燃料電池電壓箝位在最大燃料電池電壓水平之下。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中電流脈沖調(diào)制該燃料電池堆的步驟包括提供跨過該燃料電池堆兩端的短路通道；以及移除跨過該燃料電池堆兩端的短路通道。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中電流脈沖調(diào)制該燃料電池堆的步驟包括跨過該燃料電池堆的兩端電性連接負(fù)載；以及使該負(fù)載與該燃料電池堆電性斷開。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中電流脈沖調(diào)制該燃料電池堆的步驟包括操作電性跨接在該燃料電池堆的電力總線兩端的至少一個(gè)開關(guān)，以便周期性地短路該燃料電池堆。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中電流脈沖調(diào)制該燃料電池堆的步驟包括操作電性跨接在該燃料電池堆的電力總線兩端的至少一個(gè)開關(guān)，以便大約每分鐘一次地在該燃料電池堆兩端之間提供短路通道。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中電流脈沖調(diào)制該燃料電池堆的步驟包括操作電性跨接在該燃料電池堆的電力總線兩端的至少一個(gè)開關(guān)，以便大約每分鐘一次地在該燃料電池堆兩端提供短路通道，并且在該燃料電池堆兩端提供了短路通道之后大約500毫秒時(shí)移除該短路通道。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括時(shí)常測(cè)定該燃料電池堆兩端的電壓，以及其中電流脈沖調(diào)制該燃料電池堆的步驟包括操作電性跨接在該燃料電池堆的電力總線兩端的至少一個(gè)開關(guān)，以便當(dāng)測(cè)定的該燃料電池堆兩端的電壓超過臨界電壓時(shí)，在該燃料電池堆兩端提供短路通道。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括時(shí)常測(cè)定電性連接到該燃料電池堆的電存儲(chǔ)裝置的實(shí)際充電狀態(tài)；以及測(cè)定電性跨接在該燃料電池堆的電力總線兩端的至少一個(gè)開關(guān)的操作頻率，以便基于所測(cè)定的充電狀態(tài)維持該電存儲(chǔ)裝置處于所需的充電狀態(tài)；以及其中電流脈沖調(diào)制該燃料電池堆的步驟包括以所測(cè)定的頻率來操作電性跨接在該燃料電池堆的總線的輸出兩端的至少一個(gè)開關(guān)，以便以所測(cè)定的頻率在該燃料電池堆兩端提供短路通道以及移除短路通道。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括測(cè)定負(fù)載條件；以及基于所測(cè)定的負(fù)載條件來測(cè)定電性跨接在該燃料電池堆的電力總線兩端的至少一個(gè)開關(guān)的操作頻率，以及其中電流脈沖調(diào)制該燃料電池堆的步驟包括以所測(cè)定的頻率來操作電性跨接在該燃料電池堆的總線的輸出兩端的至少一個(gè)開關(guān)，以便以所測(cè)定的頻率在該燃料電池堆兩端提供短路通道以及移除短路通道。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中將燃料電池電壓箝位在最大燃料電池電壓水平之下的步驟包括，在電流脈沖調(diào)制該燃料電池堆之前從電存儲(chǔ)裝置向負(fù)載供電，并且在電流脈沖調(diào)制該燃料電池堆之后從該燃料電池堆對(duì)該電存儲(chǔ)裝置進(jìn)行再充電一段時(shí)間。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括將該燃料電池電壓箝位在最小燃料電池電壓水平之上。
12.一種操作電力系統(tǒng)以便為至少一個(gè)負(fù)載供電的方法，該電力系統(tǒng)包括燃料電池堆和至少一個(gè)與該燃料電池堆并聯(lián)電性連接的電存儲(chǔ)裝置，該方法包括時(shí)常臨時(shí)地短路該燃料電池堆；以及至少在短路該燃料電池堆時(shí)從該電存儲(chǔ)裝置向負(fù)載供電。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，進(jìn)一步包括將該燃料電池上的電壓箝位在最大燃料電池堆電壓水平之下。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，進(jìn)一步包括在短路該燃料電池堆之前從該電存儲(chǔ)裝置向負(fù)載提供電流一段時(shí)間；以及在短路該燃料電池堆之后從該燃料電池堆向該電存儲(chǔ)裝置提供電流，以便將燃料電池堆電壓箝位在最大燃料電池堆電壓水平之下。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，進(jìn)一步包括在短路該燃料電池堆之前的一段時(shí)間內(nèi)減少?gòu)脑撊剂想姵囟严蜇?fù)載提供的電流量；在短路該燃料電池堆之前的一段時(shí)間內(nèi)從該電存儲(chǔ)裝置向負(fù)載提供一定數(shù)量的電流；以及在短路該燃料電池堆之后從該燃料電池堆向該電存儲(chǔ)裝置提供電流，以便將燃料電池堆電壓箝位在最大燃料電池堆電壓水平之下。
16.如權(quán)利要求12所述的方法，進(jìn)一步包括時(shí)常測(cè)定負(fù)載條件；以及在所測(cè)定的負(fù)載條件超過臨界負(fù)載條件之前停止對(duì)該燃料電池堆的臨時(shí)性短路。
17.如權(quán)利要求12所述的方法，進(jìn)一步包括時(shí)常測(cè)定電池堆電壓何時(shí)下降到預(yù)定電壓極限之下；其中時(shí)常臨時(shí)地短路該燃料電池堆的步驟包括，如果檢測(cè)到該電池堆電壓已下降到該預(yù)定電壓極限之下，則臨時(shí)地短路該燃料電池堆。
18.如權(quán)利要求12所述的方法，進(jìn)一步包括時(shí)常測(cè)定電池堆電壓何時(shí)下降到該電存儲(chǔ)裝置的浮動(dòng)電壓之下；其中時(shí)常臨時(shí)地短路該燃料電池堆的步驟包括，如果檢測(cè)到該電池堆電壓已下降到該電存儲(chǔ)裝置的浮動(dòng)電壓之下，則臨時(shí)地短路該燃料電池堆。
19.如權(quán)利要求12所述的方法，進(jìn)一步包括時(shí)常測(cè)定電池堆電壓何時(shí)下降到預(yù)定電壓極限之下；其中時(shí)常臨時(shí)地短路該燃料電池堆的步驟包括，如果檢測(cè)到該電池堆電壓已下降到該預(yù)定電壓極限之下，則臨時(shí)地短路該燃料電池堆；以及根據(jù)短路該燃料電池堆的頻率來測(cè)定污染物的量。
20.一種操作電力系統(tǒng)以便為負(fù)載供電的方法，該電力系統(tǒng)包括燃料電池堆和可電性連接的電存儲(chǔ)裝置，該方法包括時(shí)常地進(jìn)行如下步驟操作至少一個(gè)開關(guān)以提供跨過該燃料電池堆兩端的電性短路電路；操作該至少一個(gè)開關(guān)以便從該燃料電池堆的兩端移除所述電性短路電路；至少在短路該燃料電池堆時(shí)從該電存儲(chǔ)裝置向負(fù)載供電；以及在移除了跨過該燃料電池堆兩端的短路通道之后的至少一段時(shí)間內(nèi)，將燃料電池電壓箝位在最大燃料電池電壓水平之下。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中所述“時(shí)?！笔侵钢芷谛缘?。
22.如權(quán)利要求20所述的方法，其中在操作至少一個(gè)開關(guān)以提供跨過該燃料電池堆兩端的電性短路電路之后大約500毫秒時(shí)，操作該至少一個(gè)開關(guān)以便從該燃料電池堆的兩端移除電性短路電路。
23.如權(quán)利要求20所述的方法，進(jìn)一步包括時(shí)常測(cè)定該燃料電池堆兩端的電壓，其中，時(shí)常操作至少一個(gè)開關(guān)以提供跨過該燃料電池堆兩端的電性短路電路的步驟包括，當(dāng)所測(cè)定的該燃料電池堆兩端的電壓超過臨界電壓時(shí)，操作該至少一個(gè)開關(guān)以提供電性短路電路。
24.如權(quán)利要求20所述的方法，其中將燃料電池電壓箝位在最大燃料電池電壓水平之下的步驟包括，在提供跨過該燃料電池堆兩端的電性短路電路之前從該電存儲(chǔ)裝置向負(fù)載供電；以及在移除了跨過該燃料電池堆兩端的電性短路電路之后的一段時(shí)間內(nèi)從該燃料電池堆對(duì)該電存儲(chǔ)裝置進(jìn)行再充電。
25.一種操作電力系統(tǒng)以便為系統(tǒng)的負(fù)載和平衡設(shè)備供電的方法，該電力系統(tǒng)具有燃料電池堆和電性連接到該燃料電池堆的能量存儲(chǔ)裝置，該方法包括測(cè)量由燃料電池堆供給到系統(tǒng)的負(fù)載和平衡設(shè)備的電池堆電流；測(cè)定在該燃料電池堆的短路期間系統(tǒng)的負(fù)載和平衡設(shè)備所需的能量數(shù)量；測(cè)定將在短路電路之后削去的能量數(shù)量；根據(jù)所測(cè)定的在短路電路期間系統(tǒng)的負(fù)載和平衡設(shè)備所需的能量數(shù)量，并根據(jù)所測(cè)定的在短路電路之后將要削去的能量數(shù)量，測(cè)定將要從該能量存儲(chǔ)裝置預(yù)先移除的能量數(shù)量；測(cè)定以現(xiàn)有的負(fù)載從該電存儲(chǔ)裝置預(yù)先移除所測(cè)定的數(shù)量的能量所需的時(shí)間；斷開系統(tǒng)的負(fù)載和平衡設(shè)備與燃料電池堆的連接；在斷開系統(tǒng)的負(fù)載和平衡設(shè)備的連接之后，經(jīng)過所測(cè)定的從該電存儲(chǔ)裝置預(yù)先移除能量所需的時(shí)間，短路該燃料電池堆；將系統(tǒng)的負(fù)載和平衡設(shè)備重新連接到該燃料電池堆；以及在使該燃料電池堆短路了一段短路時(shí)間之后，停止對(duì)該燃料電池堆的短路。
26.一種用于向至少一個(gè)負(fù)載供電的電力系統(tǒng)，該電力系統(tǒng)包括燃料電池堆；用于時(shí)常短路該燃料電池堆的裝置；以及用于至少在緊接著該燃料電池堆的短路之后的一段時(shí)間內(nèi)，將燃料電池堆電壓箝位在最大燃料電池堆電壓水平之下的裝置。
27.如權(quán)利要求26所述的電力系統(tǒng)，其中用于箝位燃料電池堆電壓的裝置包括與該燃料電池堆并聯(lián)電性連接的齊納二極管。
28.如權(quán)利要求26所述的電力系統(tǒng)，其中用于箝位燃料電池堆電壓的裝置包括與該燃料電池堆并聯(lián)電性連接的分路調(diào)節(jié)器。
29.如權(quán)利要求26所述的電力系統(tǒng)，其中用于箝位燃料電池堆電壓的裝置包括與該燃料電池堆并聯(lián)電性連接的電存儲(chǔ)裝置。
30.如權(quán)利要求26所述的電力系統(tǒng)，其中用于箝位燃料電池堆電壓的裝置包括運(yùn)行控制邏輯的控制器，該控制邏輯操作與該燃料電池堆并聯(lián)電性連接的晶體管。
31.一種電力系統(tǒng)，包括電力總線；電性跨接在該電力總線兩端的燃料電池堆；電性跨接在該燃料電池堆兩端的脈沖調(diào)制開關(guān)，用于電流脈沖調(diào)制該燃料電池堆；控制器，被連接成用于選擇地控制脈沖調(diào)制開關(guān)以便時(shí)常電流脈沖調(diào)制該燃料電池堆；以及電池堆電壓箝位裝置，用于至少在電流脈沖調(diào)制該燃料電池堆之后的一段時(shí)間內(nèi)箝位電池堆電壓。
32.如權(quán)利要求31所述的電力系統(tǒng)，其中控制器包括振蕩器，其操作該脈沖調(diào)制開關(guān)以便周期性地短路該燃料電池堆。
33.如權(quán)利要求31所述的電力系統(tǒng)，其中控制器包括振蕩器，其操作該脈沖調(diào)制開關(guān)以便周期性地在該燃料電池堆兩端電性跨接負(fù)載從而電流脈沖調(diào)制該燃料電池堆。
34.如權(quán)利要求31所述的電力系統(tǒng)，其中該電池堆電壓箝位裝置包括與該燃料電池堆并聯(lián)電性連接的電存儲(chǔ)裝置。
35.如權(quán)利要求31所述的電力系統(tǒng)，其中該電池堆電壓箝位裝置包括并聯(lián)電性連接的電存儲(chǔ)裝置，其中該電存儲(chǔ)裝置包括蓄電池和超大電容器中的至少之一。
36.如權(quán)利要求31所述的電力系統(tǒng)，其中該電池堆電壓箝位裝置包括齊納二極管，電性跨接在該燃料電池堆的兩端以便箝位燃料電池堆電壓。
37.如權(quán)利要求31所述的電力系統(tǒng)，其中該電池堆電壓箝位裝置包括分路調(diào)節(jié)器，電性跨接在該燃料電池堆的兩端以便箝位燃料電池堆電壓，該分路調(diào)節(jié)器包括齊納二極管，電阻器，以及具有輸入端、輸出端和控制端的晶體管，該齊納二極管電性連接在該燃料電池堆的輸出與晶體管的控制端之間，該電阻器串聯(lián)電性連接在齊納二極管與晶體管的控制端之間。
38.如權(quán)利要求31所述的電力系統(tǒng)，其中控制器包括振蕩器，其周期地使該脈沖調(diào)制開關(guān)電性地短路該燃料電池堆，其中該電池堆電壓箝位裝置包括電壓傳感器，被連接成用于提供表示在電力總線上感測(cè)到的電壓的信號(hào)；以及在控制器中實(shí)現(xiàn)的分路調(diào)節(jié)器邏輯，其響應(yīng)于燃料電池堆電壓超過臨界電壓使得脈沖調(diào)制開關(guān)電性短路該燃料電池堆。
39.如權(quán)利要求31所述的電力系統(tǒng)，其中該電池堆電壓箝位裝置包括電存儲(chǔ)裝置；與該燃料電池堆并聯(lián)地電性跨接在電力總線兩端的齊納二極管；串聯(lián)電性連接在燃料電池堆與電存儲(chǔ)裝置之間的燃料電池堆隔離開關(guān)，其中進(jìn)一步連接該控制器用于控制該燃料電池堆隔離開關(guān)；電流傳感器，定位成用于感測(cè)該燃料電池堆的輸出電流，并將所得到的表示所感測(cè)的電流的值提供給該控制器；以及電性連接在該燃料電池堆與該電存儲(chǔ)裝置之間的二極管，用于保護(hù)該電存儲(chǔ)裝置不受短路影響。
40.如權(quán)利要求31所述的電力系統(tǒng)，其中該電池堆電壓箝位裝置包括電存儲(chǔ)裝置；彼此串聯(lián)電性連接的第一金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管和第一肖特基二極管；以及彼此串聯(lián)電性連接并且與第一金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管和第一肖特基二極管并聯(lián)電性連接的至少第二金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管和第二肖特基二極管，該第一和第二金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管以及該第一和第二肖特基二極管電性連接在該燃料電池堆與該電存儲(chǔ)裝置之間。
41.一種用于向至少一個(gè)負(fù)載供電的電力系統(tǒng)，該電力系統(tǒng)包括燃料電池堆；電性連接的短路開關(guān)，用于電性地短路該燃料電池堆；與該燃料電池堆并聯(lián)電性連接的電存儲(chǔ)裝置；電性連接在該燃料電池堆與該電存儲(chǔ)裝置之間的二極管，用于保護(hù)該電存儲(chǔ)裝置不受電性短路影響；以及控制器，被連接成用于選擇地控制該短路開關(guān)以便時(shí)常短路該燃料電池堆。
42.如權(quán)利要求41所述的電力系統(tǒng)，其中控制器包括振蕩器，被連接成用于操作該短路開關(guān)以便周期性地短路該燃料電池堆。
43.如權(quán)利要求41所述的電力系統(tǒng)，其中控制器包括振蕩器，被連接成用于操作該短路開關(guān)，以便周期性地在由該燃料電池堆供給的電力負(fù)載高于臨界值時(shí)短路該燃料電池堆。
44.如權(quán)利要求41所述的電力系統(tǒng)，其中控制器運(yùn)行控制邏輯，該控制邏輯通過以下方式使得控制器箝位該燃料電池堆的電壓至少在短路該燃料電池堆之后的一段時(shí)間內(nèi)從該燃料電池堆向電存儲(chǔ)裝置提供電流。
45.如權(quán)利要求41所述的電力系統(tǒng)，其中控制器運(yùn)行控制邏輯，該控制邏輯通過以下方式使得控制器箝位該燃料電池堆的電壓測(cè)定將該電存儲(chǔ)裝置排放到所需電平所需的時(shí)間；在短路該燃料電池堆之前，將負(fù)載與該燃料電池堆的電連接斷開所測(cè)定的所述時(shí)間；以及至少在短路該燃料電池堆之后的一段時(shí)間內(nèi)從該燃料電池堆向電存儲(chǔ)裝置提供電流。
46.如權(quán)利要求41所述的電力系統(tǒng)，進(jìn)一步包括與該燃料電池堆并聯(lián)電性連接的齊納二極管，該齊納二極管具有大約等于該電存儲(chǔ)裝置的浮動(dòng)電壓的擊穿電壓。
47.如權(quán)利要求41所述的電力系統(tǒng)，進(jìn)一步包括分路調(diào)節(jié)器，包括齊納二極管、晶體管和連接在該齊納二極管與該晶體管的開關(guān)端之間的電阻器，該晶體管與該燃料電池堆并聯(lián)電性連接。
48.如權(quán)利要求41所述的電力系統(tǒng)，進(jìn)一步包括燃料電池堆隔離開關(guān)，用于電性斷開系統(tǒng)的平衡設(shè)備、負(fù)載以及該電存儲(chǔ)裝置與該燃料電池堆的連接。
全文摘要
電流脈調(diào)制提高了基于電力系統(tǒng)的燃料電池堆中的燃料電池的性能。電壓箝位限制了在電流脈沖之后出現(xiàn)的電壓峰值。在混合電力系統(tǒng)中，電存儲(chǔ)裝置在電流脈沖調(diào)制期間為負(fù)載供電。電存儲(chǔ)裝置可以接收電流以實(shí)現(xiàn)電壓箝位，和/或電力系統(tǒng)可以采用其它的電壓箝位電路。
文檔編號(hào)H01M16/00GK1809942SQ200480017393
公開日2006年7月26日 申請(qǐng)日期2004年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月6日
發(fā)明者馬丁·T·費(fèi)爾森 申請(qǐng)人:百拉得動(dòng)力系統(tǒng)公司