快速启动型燃料电池的制作方法

本申请要求2013年10月2日提交的美国临时专利申请第61/885,787号的权益，该美国临时专利申请以引用的方式被并入本文中。

技术领域

本说明书涉及具有燃料电池的电力系统。

背景技术：

PEM燃料电池模块包括燃料电池堆。该燃料电池堆包含许多在电极之间传导质子的聚合物电解质膜(或者被称为质子交换膜(PEM))。PEM燃料电池是由包含氧的第一反应物(例如，空气)和包含氢的第二反应物(例如，基本上纯净的氢气或甲烷)供电的。已知的还有其它类型的燃料电池模块。

燃料电池模块可以与蓄电池组合使用以提供混合电力供应系统。例如，混合电力系统能够被用来在电力网发生故障的情况下提供备用电源。在另一个例子中，混合电力系统能够被用来对车辆供电。在这些情况和其它情况下，较佳的是能够在一个短的时间段内启动燃料电池。在备用电源的情况下，除了其它方面之外还需要蓄电池是为了提供足够的储电量以带动预期的负载直到燃料电池被启动。

目前可用的燃料电池模块通常在大约20秒至60秒内启动。启动时间是从启动命令的时刻直到该模块将电力传送至负载或该模块达到它额定功率输出的指定百分比(例如，80％或100％)而被测量出来的。

燃料电池依据极化曲线(polarisation curve)产生电压。该极化曲线将燃料电池电压描述为燃料电池电流的函数或燃料电池电流密度的函数。通常，随着由燃料电池提供的电流从零开始增大，燃料电池电压最初在通过激活区时迅速下降，然后在通过欧姆区时几乎线性地下降，接着在通过大量输运区时更加迅速地下降。蓄电池通常具有不同的极化曲线，所以在某些时候(例如，当燃料电池启动或断开时)，蓄电池和燃料电池可能具有互不相容的极化曲线。在一些情况下，蓄电池和燃料电池通过DC-DC(直流-直流)电压转换器而被连接起来以帮助应对它们两者的极化曲线中的差异。

技术实现要素：

下面的介绍旨在向读者介绍要求保护的本发明的详细说明，而不会限制或界定任何要求保护的发明。

在电力供给中，更快启动的燃料电池可以允许使用更小的蓄电池。任选地，如果启动程序被充分地缩短，那么可能不需要除了被用来启动燃料电池的蓄电池以外的蓄电池。在车辆的情况下，燃料电池和蓄电池通常一起工作从而提供最大加速度或最大峰值功率。在这种情况下，快速启动型燃料电池使得车辆能够没有延迟地被操作，并且当车辆按照交通信号灯而停止时，该快速启动型燃料电池可以使所述燃料电池能够被停堆而不是空闲。例如为了上面给出的原因，较佳的是，能够在例如5秒以下或2秒以下的时间内更快地启动燃料电池。还较佳的是，提供能够任选地在没有电压转换器的情况下而被使用的燃料电池启动方法和装置。

本说明书说明了一种具有燃料电池模块和蓄电池的电力供应系统。所述燃料电池模块和所述蓄电池在至少部分地重叠的电压范围内工作。所述燃料电池模块能够通过二极管而选择性地被连接至所述蓄电池。至少在启动过程中，用于所述燃料电池的一个或多个反应物泵任选地由所述蓄电池驱动。优选地，所述电力供应系统还具有电流传感器和控制器。所述控制器被配置成在感测到从所述燃料电池流过所述二极管的电流之后使绕开所述二极管的旁路电路中的接触器闭合。优选地，所述电力供应系统还具有与所述二极管串联的接触器。所述电力供应系统还可以在放电电路中具有电阻器和接触器。

本说明书还说明了一种燃料电池模块(例如，如上所述的电力系统中的燃料电池模块)启动方法。在所述方法中，闭合第一接触器以通过二极管使所述燃料电池与所述蓄电池并联连接，并且接通用于所述燃料电池的一个或多个反应物泵。监控电流传感器，以便得到用于指示有电流流过所述二极管的信号。在指示了所述电流之后，按照绕开所述二极管的方式将旁路电路连接。

任选地，可以在启动所述燃料电池模块之前执行一个或多个燃料电池模块状态检查或预启动过程。在一些情况下，在启动所述燃料电池模块之前使所述燃料电池模块放电。本文中还说明了停堆过程。

附图说明

图1是燃料电池模块的各部件的示意图。

图2是具有如图1所示的燃料电池模块的电力供应系统的各部件的示意图。

具体实施方式

图1示出了燃料电池模块10。燃料电池模块10具有包含多个PEM电池的燃料电池堆12。堆12内的流场板(flow field plate)界定了冷却剂路径、燃料侧路径(也称为氢气侧路径或阳极侧路径)和空气侧路径(也称为氧气侧路径或阴极侧路径)。各种电厂配套设施部件被用来管理在这些路径中流动的材料。下面，如图1所示，将说明电厂配套设施部件的一些示例，但是也可以使用其它的电厂配套设施部件或构造。

氢气或含氢气的燃料从燃料源14释放，在氢气入口16处进入堆12中并且从氢气出口18退出该堆12。从氢气出口18释放的未反应的氢气通过再循环回路21而往回传送至氢气入口16。再循环回路21中的流动是由氢气再循环泵20驱动的。不时地，通过打开放气阀(purge valve)22来清除来自该堆的燃料侧的氢气、其它杂质和水分。放气阀22可以是电磁阀或另一种类型的能够由机械控制器、或电气控制器、或计算机控制器操纵的阀。

空气(或氧气、或富氧空气、或贫氧空气)通过空气入口24而流入堆12中。空气和水蒸气通过空气出口26而离开堆12。空气的流动是由空气泵28驱动的。空气泵28可以以恒定的速度工作，或可以由变频驱动器或其它的速度可控电机驱动。空气泵28可以被连接至空气入口24或空气出口26。

诸如水、或者水和酒精的混合物、或者水和另一种防冻剂的混合物等冷却剂通过冷却剂入口30而进入堆12中且从冷却剂出口32退出该堆12。冷却剂从冷却剂出口32流经散热器34或其它的热交换器，然后返回到冷却剂入口30。任选地，冷却剂以被泵35驱动的大体上恒定的流速流过这个回路。冷却剂温度传感器38将指示冷却剂或堆12的温度的信号发送给冷却系统控制器40。冷却剂温度传感器38能够被安置于堆12中或被安置于冷却剂回路的外部部分中的任何地方。冷却系统控制器40按照需要来调节散热器风扇36的速度，以便使温度保持在温度设定值附近或以温度设定值为中心的指定范围内。可替代地，冷却系统控制器40能够调节冷却剂泵35的速度、能够移动用于控制去往散热器34的空气气流的挡板(baffle)、能够改变流过热交换器的另一流体的流动、或者能够以另外的方式调节冷却剂或堆12的温度。

燃料电池模块10还具有主控制器42。主控制器42直接地操纵氢气再循环泵20、放气阀22、空气泵28及其他的电厂配套设施部件，或通过将数据发送至与氢气再循环泵20、放气阀22、空气泵28及其他的电厂配套设施部件相关联的控制器来操纵上述这些构件。主控制器42还将所述温度设定值提供给冷却系统控制器40。主控制器42包括计算机(例如，通用计算机或可编程逻辑控制器)、通信端口和数据存储器。任选地，主控制器42和冷却系统控制器40能够被组合成一个控制器。

任选地，与再循环泵20相关联的信号被发送给主控制器42，并且被考虑用来判定电池是否水泛滥(flooded)。美国临时专利申请第61/642,846号以引用的方式被并入这里。在一个示例中，再循环泵20是在大体上恒定的电压或速度下工作的漩涡(regenerative)泵或离心泵。当电池堆的燃料侧的湿度增加或电池包含液态水时，就需要更多的能量来实现氢气再循环回路中的同一个容积流量(volumetric flow rate)。指示由再循环泵20引出的电流的信号被发送给主控制器42。主控制器42能够通过打开放气阀22而最迅速地纠正燃料电池堆12的氢气侧的水泛滥。

任选地，在空气出口26与空气入口24之间可以设有可控的旁路管线。如果有旁路管线的话，那么该旁路管线中的空气气流可以被改变以控制流过燃料电池堆12的空气中的氧气的相对含量。这使得能够在需要的时候更改燃料电池模块10的极化曲线。主控制器42可以被连接至空气出口26与空气入口24之间的旁路管线中的一个或多个阀，并且/或者可以被连接至空气出口26和空气入口24至少一者中的一个或多个阀。即使总的气体流量(在本情况下，贫氧空气)保持为基本不变，但是调节这些阀中的一个或多个阀会改变燃料电池堆12的空气侧的氧分压(或氧浓度)。燃料堆12的电压随着氧分压而发生变化的程度大于随着流过该堆的总气流而发生变化的程度。在给定的电流输出的情况下较高的氧分压会产生较高的电压，且在给定的电流输出的情况下较低的氧分压会产生较低的电压。美国临时专利申请第61/827,318号以引用的方式被并入这里。

图2示出了电力供应系统50。电力供应系统50具有燃料电池模块10和蓄电池52。任选地，蓄电池52可以被不同类型的储电装置(例如，电容器)取代。电力供应系统50被用来向负载54提供电力。负载54可以是例如车辆或其它机器中的电动机。在另一个示例中，负载54可以是可能需要备用电源的建筑物或其它结构、或者诸如移动电话塔或计算机服务器等电子设备。在电力供应系统50还被连接至电力网的那些情况下，任选地设置有整流器53。负载可以通过整流器53而被连接到电力供应系统50。负载54可以选择性地被连接至总线56和接地线58，所述总线56和所述接地线58也与电力供应系统50连接。在不同的时期，例如当车辆需要加速时或当电力网发生故障时，负载54从电力供应系统50抽取电力。

燃料电池和蓄电池能够在至少部分地重叠的电压范围内工作。例如，蓄电池52可以具有标称的48伏电势。然而，蓄电池52实际上可以具有根据它的电荷和电流输出状态而定的在大约40伏到60伏范围内的电压。燃料电池模块10也可以具有标称的48伏输出。然而，燃料电池堆12实际上可以具有根据反应物的流量和燃料电池模块10的电流输出而定的在大约0伏到100伏范围内的电压。

电力供应系统50还具有电流传感器60或另一个能够指示是否存在电流的传感器，并且任选地，电力供应系统50还具有在燃料电池模块10与总线56之间的三个并联电路。优选地，在燃料电池堆12与总线56之间没有电压转换器。任选地，能够使用电压转换器。第一电路具有放电电阻器62和放电接触器66。第二电路具有二极管64和第一或启动接触器68。第三电路具有旁路接触器70。接触器66、68和70通常是能够被主控制器42打开或闭合的继电器开关。较佳的是，管理接触器66、68和70的操作以使得它们不需要在大的电压差之间或在运送大的电流时接通或断开连接，从而减小所要求的接触器的尺寸且增加接触器的寿命。

再次参照图1，主控制器42还被连接至燃料阀44，燃料阀44能够被用来使燃料源14与燃料电池堆12隔离或连通。燃料源14可以是例如加压的氢气或甲烷容器。燃料电池模块10还可以具有停堆容器(shut-down reservoir)46，停堆容器46存储着较少量的燃料以被用来消耗燃料电池堆12中的剩余氧气并且在停堆的时候用氮气覆盖燃料电池堆12。参照图2，小的停堆电阻器72可以任选地被连接在燃料电池堆12的两端间，以使得能够在停堆的时候实现氮气覆盖。如图1所示，任选地，停堆电阻器72具有停堆接触器73。氮气覆盖的一种形式被披露于2008年9月16日授权的名称为“Passive Electrode Blanketing in a fuel cell(燃料电池中的无源电极覆盖)”的美国专利第7,425,379B2号中，该美国专利以引用的方式被并入这里。美国临时专利申请第61/619,073号以引用的方式被并入这里。虽然图1和图2中示出了一个主控制器42，但是可替代地，主控制器42的功能可以被拆分到多个控制器上。

当需要特别来自燃料电池模块10的电力或一般来自电力供应系统50的电力时，主控制器42接收启动命令。该启动命令可以由人类操纵员、或机械操纵器或电子操纵器以各种方式生成。例如，启动命令可以通过与负载54相关的控制器而被生成。可替代地，启动命令可以通过对条件(例如，总线56中的低电压)进行检测的传感器而被生成。一旦接收到启动命令，主控制器42就会开始启动过程。

在一个可供选择的方案中，所述启动过程的开始步骤是打开燃料阀44、接通空气泵28、优选地打开氢气放气阀22、接通氢气再循环泵20且闭合启动接触器68。这些步骤优选地以合理的尽可能快的方式发生。任选地，因为空气泵28需要时间来达到它的工作全速，所以一定量的压缩空气或其它的含氧气体可以被连接至空气入口24以便缩短启动时间。空气泵28和氢气再循环泵20优选地基本上以它们的全额功率(例如，在它们的全额功率的80％以上)进行工作，以使得能够尽可能快地在燃料电池堆12中建立电压。空气泵28和氢气再循环泵20两者优选地都被总线56供电或直接被蓄电池52供电，以使得它们两者能够在燃料电池堆12具有明显的电压之前且在最初不需要来自燃料电池堆12的电流的前提下抽运功率。

放电接触器66和旁路接触器70被置于打开状态下，这样电流只能够通过二极管64从燃料电池模块10流向总线56。然而，直到燃料电池堆12的电压比蓄电池52或总线56的电压超出一个阈值(例如，0.7V)以前，二极管64会防止任何电流流动。当电流传感器60检测到大于预选阈值(例如，10A)的电流时，使旁路接触器70闭合。然后优选地，打开启动接触器68。以这种方式，启动接触器68和旁路接触器70都不需要执行将会导致流过接触器68、70的电力发生突变的接通或断开连接。作为使用了电流传感器60的方案的替代方案，当另一种形式的仪器指示有电流从燃料电池堆12流出时，能够将旁路接触器70闭合。例如，能够通过二极管64的两端间的电压降或燃料电池堆12与总线56之间的差分电压来判定电流流动。虽然在旁路接触器70闭合时电力不会流过二极管64，但是如果旁路接触器70发生故障或如果当在停堆的时机下有意地打开旁路接触器70时燃料电池堆12的电压出现尖峰，那么打开启动接触器68就会保护二极管64免受损坏。打开启动接触器68还提供了如下的必然结果：在停堆命令之后打开旁路连接器70将会真正地停止电力从燃料电池堆12到总线56的流动。

可以认为，一旦旁路接触器70闭合或电流开始流经二极管64，燃料电池模块10就已经启动。然而，燃料电池模块10可以在该时间点之后继续增大它的功率输出。可替代地，可以认为，当功率输出达到它的额定功率的一定百分比(例如，80％或100％)时，燃料电池模块10就已经启动。优选地，燃料电池模块10能够在5秒以下、3秒以下或甚至2秒以下的时间内启动。一旦启动，主控制器42就切换到正常工作模式。在正常工作模式中，空气泵28和氢气再循环泵20并非必须全速运行。反而，主控制器42操纵着燃料电池模块以在维持安全高效的运行的同时按需要提供电力，这可以包括调节空气泵28和氢气再循环泵20以及其它的电厂配套设施部件。

由于燃料电池堆12的一些设计，可能发生的是：如果燃料电池模块在被启动之前已经停工了很长时间(例如12个小时以上)，那么一个或多个电池会变得局部发生水泛滥。如果燃料电池模块10在这种状况下被启动，那么水泛滥的电池可能受到损坏。为了帮助防止这样的损坏，主控制器42可以在开始如上所述的启动过程之前先判定燃料电池模块10是否很可能具有水泛滥电池。这个判定能够建立于例如从燃料电池模块10上一次被停工时开始计时的计时器或诸如燃料电池模块10中的温度等另一个参数。如果燃料电池模块10已经停工了比预选时间更长的时间或如果燃料电池模块10低于某一温度，那么故障清除和/或检查过程被运行。如果不是上述任一情形，那么能够立即开始启动过程。

如果要求故障清除或检查过程，那么可能发生的是：在能够判定出不存在水泛滥电池或任何水泛滥电池都能被清除之前，燃料电池堆变得充电至例如它的开路电池电压。然而，如果燃料电池堆12不是正在输送电流，那么水泛滥电池将不会受到损坏。因此，虽然启动接触器68能够被置于闭合状态或甚至被省略，但是在故障清除或检查过程的期间使启动接触器68置于打开状态是优选的。一旦已经判定不存在水泛滥电池或水泛滥电池已被清除，那么就闭合放电接触器66以使燃料电池堆12通过放电电阻器62而放电。任选地，在使燃料电池堆12放电的同时，水泛滥清除(flood clearing)能够完全地或部分地出现。只要燃料电池堆12的电压低于总线56的电压和二极管64的阈值电压的总和，或者只要能够估计出燃料电池堆12的电压达到了在启动接触器68的闭合时间时的那个电压，那么就能够命令启动接触器68闭合并且如上所述的启动过程就开始了。

燃料电池堆12也可以在非常短暂的停堆之后具有比总线56的电压高的电压。在当燃料电池堆12具有高电压时的这一情况或任何其它情况下，优选的是：在开始启动过程之前使燃料电池堆12通过放电电阻器62而放电，以便避免超出接触器68或70的制作限制。在启动接触器68或旁路接触器70被闭合之后，放电接触器66被打开。

任选地，如果燃料电池堆12最初被充电，那么当燃料电池堆12的电压相对于总线56的电压而跌落到旁路接触器70的制作公差(make tolerance)内时，能够通过闭合旁路接触器70而不是闭合启动接触器68来开始启动过程。然而，因为燃料电池堆12的电压优选地随时间的流逝而迅速下降，并且需要一些时间让旁路接触器70闭合，所以以足够的精度对旁路接触器70的闭合进行计时从而避免要求具有大的制作公差的旁路接触器70可能是很困难的。因此，可以优选地使用如上所述的启动接触器68。当使用启动接触器68时，只需要旁路接触器70通过与二极管64上的电压降相等的电压差(它可以是一个伏特的量级)来接通连接。

任选地，放电电阻器62能够可供选择地被连接至接地线58而不是总线56，但是放电电阻器62的电阻将需要变得更高以满足放电接触器66或燃料电池堆12的同一个电流限制，并且额定功率将需要变得高很多。

如果有故障清除和/或检查过程的话，那么在该故障清除和/或检查过程中，空气泵28以大体上的全速运行。这在从燃料电池堆12的空气侧除去了水分的同时向燃料电池堆12提供氧。燃料阀44也被打开，并且氢气再循环泵20被接通。主控制器42检查该堆是否有故障。例如，主控制器42可以检查作为整体的燃料电池堆12、或者单独的电池或电池组是否能够达到它们的全开路电池电压。可替代地或另外地，主控制器12可以检查氢气再循环泵20的功耗或速度是否指示了燃料电池堆12中有过多的湿度或水分。氢气再循环泵20是优选的故障指示器，这是因为它能够在燃料电池堆12达到开路电池电压之前提供读数。这节省了在故障被判定之前的时间，并且还缩短了使燃料电池堆12放电所需要的时间。在没有检测到故障的情况下，如果燃料电池堆12的电压大于总线56的电压且前面首先说明的启动过程继续进行时，那么燃料电池堆12放电。在检测到故障的情况下，打开氢气放气阀22，或进行其它的恢复方法，直到从燃料电池堆12的氢气侧已经清除了水泛滥。

为了使燃料电池模块10停堆，关闭燃料阀44并且切断空气泵28。任选地，可以在切断空气泵28之后，延迟关闭燃料阀44，以使得有时间确认所述停堆将不会是非常短暂的。打开氢气放气阀22。从容器46提供过来的氢气和剩余反应物在燃料电池堆中被消耗，由此导致了燃料电池堆中的氮气覆盖。当电流传感器60指明了燃料电池模块10不再向总线56提供电力时，打开旁路接触器70。在氮气覆盖继续进行的同时，燃料电池堆12继续通过电阻器72而放电。任选地，在打开氢气放气阀22之前，空气泵28可以以机械或电气的方式被停止，或者可以利用阀而与燃料电池堆12隔离，以减少氮气覆盖所需要的时间和氢气。可替代地，在关闭燃料阀44之前并且在为了从燃料电池堆12除去湿度而打开氢气放气阀22之前或同时，空气泵28能够以基本上全额功率而运行几秒钟，因此降低了在下次启动时出现水泛滥电池的机会。作为另一个可供选择的方案，如果在打开旁路接触器70之后燃料电池堆12中出现电压尖峰，那么燃料电池堆12也可以通过电阻器62而放电成小于总线56的电压，以便更快地为下次的启动做好准备。

在停堆过程的一个特殊示例中，空气泵28被切断并且燃料阀44保持打开。在由燃料电池堆12输送的电流减小的同时，燃料电池堆12中的反应物被消耗。当电流传感器60指明了燃料电池堆12正在输送比预选电流(例如，10A)小的电流时，打开旁路接触器70，在此时间点关闭燃料阀44。任选地，然后短暂地操作空气泵28以从燃料电池堆12除去水分。当旁路接触器70被打开时，不管空气泵28是否运行，燃料电池堆12的电压都很可能上升到开路电压。在氮气覆盖继续进行的同时，燃料电池堆12通过电阻器72、或通过电阻器62、或者同时或顺次通过电阻器72和62而放电至总线56的电压以下，优选地，放电至基本上没有电压。如果空气泵28被运行以便从燃料电池堆12除去水分，那么在空气泵28已经被运行从而从燃料电池堆12除去了水分之后，阀44保持打开更长的一个时间段或者增大容器46的尺寸以促进氮气覆盖。

任选地，电阻器72可以被置于连接中达到所需要的那样长的时间，以消耗燃料电池堆12中的剩余反应物。然后，燃料电池堆12可以在停工的同时被置于规定的局部充电状态且与总线56连接或从总线56断开。任选地，在燃料电池模块10停工的同时，燃料电池堆12可以始终被置于与总线56连接，或可以至少在一个时间段内被置于与总线56连接。这不是优选的，因为：燃料电池堆12中的剩余电压会随着时间的流逝而使燃料电池堆变劣，或燃料电池堆12中的剩余电压可能是一种危险。但是如果燃料电池堆12被置于连接中，那么在没有输送电力的同时必须在启动时检查水泛滥电池，以避免损坏水泛滥电池。在这种情况下，在接通空气泵28之前且在打开燃料阀44之前，通过监控氢气再循环泵20的在恒定功率下的功耗或速度来实施水泛滥电池检查。如果检测到水泛滥电池，那么根据需要而打开燃料阀44和氢气放气阀22以除去水分。如果在氢气侧没有检测到水泛滥，那么空气泵28被完全接通，以便除去燃料电池堆12的空气侧的任何水泛滥并且启动产生电力的燃料电池堆12。

一个启动过程包括如下的第一判定，即：判定是否需要针对水泛滥电池或其它故障进行无负载检查，以及燃料电池堆12的电压是否超出总线56的电压。如果需要故障检查，那么执行该故障检查。如果检测到故障，那么主要通过操纵空气泵28且打开氢气放气阀22从而从燃料电池堆12除去多余的水分来纠正该故障。如果没有检测到故障、或如果检测到故障但是然后清除了该故障、或如果燃料电池堆12反而大于总线56的电压，那么燃料电池堆12放电。如果需要无负载检查且燃料电池堆12的电压不大于总线56的电压，或燃料电池堆已经放电，那么通过闭合启动接触器68来开始启动过程。当燃料电池堆正在提供指定电流时，旁路接触器70被闭合且启动接触器68被打开。