独立地控制燃料电池堆的操作的系统和方法以及包含该燃料电池堆的燃料电池系统的制作方法

专利名称：独立地控制燃料电池堆的操作的系统和方法以及包含该燃料电池堆的燃料电池系统的制作方法
独立地控制燃料电池堆的操作的系统和方法以及包含该燃料电池堆的燃料电池系统相关申请本申请要求于2009年6月12日提交的、序列号为61/186，732的临时美国专利申请的优先权，上述专利申请的完整公开内容在此以引用方式并入。公开内容的领域本公开内容涉及用于独立地控制包含在能量供应系统内的多个电能源的操作的系统和方法，且更具体地涉及用于独立地控制包含在燃料电池系统内的多个燃料电池堆的至少一部分的系统和方法。公开内容的背景燃料电池堆是电化学装置，其从燃料产生水和电势，燃料通常是质子释放源和氧化剂。许多传统的燃料电池堆使用氢气作为质子源并使用氧气、空气或富氧空气作为氧化齐U。燃料电池堆通常包括许多燃料电池，这些燃料电池常常在公共端板之间被流体地且电气地耦合在一起。燃料电池堆从合适的源接收氢气流和空气流，并将这些流分配到堆中的单独的燃料电池。燃料电池堆包括歧管和其他传输管道以将流体传输到燃料电池堆内的燃料电池和从燃料电池堆内的燃料电池中除去。照惯例，燃料电池堆包括适于电连接到由能量消耗装置施加的外部负载上的集电器，以使得由燃料电池堆产生的电输出可用来满足所施加的外部负载。燃料电池堆中的燃料电池包括由电解屏障分开的阳极区域和阴极区域，电解屏障可采用电解膜的形式。氢气被传输到阳极区域，而氧气被传输到阴极区域。来自氢气的质子被吸引通过电解膜达到阳极区域，水在此形成。尽管质子可穿过膜，但电子不能。作为替代，由通过膜的质子释放的电子穿过外部的电路来形成电流。燃料电池系统可在给定范围的电输上有效地操作。如果电输出大于上限值，燃料电池堆可产生过多热量和/或对包含在其中的电解膜进行脱水，这可导致对燃料电池堆的不可修复的损坏。相反，如果电输出小于下限值，燃料电池堆可能产生不了用于有效操作的足够的热量和/或否则由于该减少的输出可能操作无效。根据能量消耗装置的能量需求， 能量消耗装置可施加较广范围值的电负载，其中包括在燃料电池系统的有效操作范围之外的电负载。因此，需要一些系统和方法来扩展燃料电池系统可有效地提供电功率的电输出的范围。公开内容的概述本公开内容涉及用于独立地控制燃料电池堆的操作的系统和方法，并涉及并入相同的燃料电池堆的燃料电池系统。这些系统和方法可包括提供包括多个燃料电池堆和至少第一能量存储装置的燃料电池系统，以及至少部分地基于与燃料电池系统相关的变量和 /或适于向燃料电池系统施加电负载的能量消耗装置来控制多个燃料电池堆的操作。这些系统和方法还可包括响应于开始条件而开始用燃料电池系统产生电输出，响应于多个堆开始条件而开始用多个燃料电池堆产生电输出，以及响应于至少第一堆停止条件而停止用燃料电池堆产生电输出。在一些实施方式中，燃料电池系统可包括多个燃料电池组件，每一燃料电池组件包括多个燃料电池堆并形成燃料电池组。在一些实施方式中，燃料电池系统可包括单一的能量存储装置。在一些实施方式中，燃料电池系统可包括多个能量存储装置。 在一些实施方式中，能量存储装置可包括适于由燃料电池系统和/或主电源系统(primary power system)充电的蓄电池。在一些实施方式中，燃料电池系统可形成备用电源系统，当主电源系统不可用和/或不能用来供电时，备用电源系统适于向能量消耗装置提供电能。 在一些实施方式中，多个堆开始条件和/或多个堆停止条件可包括能量消耗装置的电压。 在一些实施方式中，多个堆开始条件和/或多个堆停止条件可包括来自燃料电池系统的总电功率输出、来自燃料电池系统的净功率输出和/或来自单独的燃料电池堆的总功率输出ο附图的简要描述

图1为根据本公开内容的燃料电池系统的说明性的、非排他的实例的示意图。图2为根据本公开内容的另一燃料电池系统的说明性的、非排他的实例的示意图。图3为可由根据本公开内容的系统和方法使用的燃料电池的示意图。图4为示出根据本公开内容的操作燃料电池系统的方法的说明性的、非排他的实例的流程图。图5为示出根据本公开内容的操作燃料电池系统组的方法的说明性的、非排他的实例的流程图。图6为示出根据本公开内容的操作燃料电池系统的方法的另一说明性的、非排他的实例的流程图。图7为示出根据本公开内容的操作燃料电池系统的方法的另一说明性的、非排他的实例的流程图。公开内容的详细描述和最佳模式本公开内容涉及用于独立地控制燃料电池堆的操作的系统和方法，并涉及包含相同燃料电池堆的燃料电池系统。如本文更详细地讨论的，这些系统和方法可包括提供多个燃料电池堆和至少第一能量存储装置，响应于开始条件开始用燃料电池系统产生电输出， 响应于多个堆开始条件中的一个或多个开始多个燃料电池堆的电输出的产生，以及响应于至少第一堆停止条件停止用燃料电池堆产生电输出。图1提供能量产生和消耗组件10的说明性的、非排他的实例，其包括根据本公开内容的燃料电池系统20。图1中的能量产生和消耗组件包括反应物源160，其可向燃料电池模块106供应反应物164。在燃料电池输出被供应给能量消耗装置605和/或能量存储模块625之前，燃料电池模块可向可选的功率分配系统400供应燃料电池输出101，如电流 102，能量消耗装置和能量存储模块都可形成能量消耗和存储组件600的一部分。能量产生和消耗组件10还可包括控制系统800。能量产生和消耗组件10可以可选地与主电源系统 30电通信，并且还可包括充电器635，充电器635可适于使用来自主电源系统30的能量对能量存储模块625充电。如本文所使用的，来自燃料电池系统和/或燃料电池模块的电输出可称作由燃料电池系统产生的用于燃料电池模块的功率、功率输出、电流、电势和/或能量。如本文所讨论的，由燃料电池模块106的燃料电池堆中的一个或多个产生的电输出可用来对能量存储装置630充电，如本文更详细地描述的当能量存储装置的电荷状态下降到阈值水平之下时进行充电。能量存储装置的电荷状态的这种下降或减少可能是响应从能量消耗装置和/或燃料电池系统所施加的负载，由能量存储装置放电引起的。另外地或可选地，来自燃料电池模块106的电输出可向能量消耗装置605供应电能。包含在燃料电池模块106内的多个燃料电池堆104中的一部分可至少局部地彼此独立地运行。例如，如本文更详细地描述的，取决于能量存储装置630的电荷的状态，多个燃料电池堆104中只有一部分可用来对能量存储装置630再充电，和/或可用来向能量消耗装置605增补能量存储装置630的输出。另外或可选地，如果燃料电池堆中的一个失效、 损坏或处于切断状态、或是以其他方式远离运行状态，如维护、修理和/或更换，则多个燃料电池堆中的其他燃料电池堆可继续用以产生电输出，来对能量存储装置充电和/或向能量消耗装置605供应电输出。反应物源160可包括氧化剂供应系统200和燃料供应系统300，并可向燃料电池模块106供应反应物164，如氧化剂231和燃料302。燃料供应系统300可包括氢生成组件 310，其用进料流产生混合气体流。该混合气体流可包括作为多数组分的氢气并可包含作为少数组分的一种或多种其他气体。燃料加工系统还可包括分离组件330，其适于将混合气体流分离成产物氢气流和副产物流。在这样的实施方式中，产物氢气流将具有与混合气体流相比较大浓度的氢气和较小浓度的其他气体中的至少一种。同样地，副产物流将具有与混合气体流(和产物氢气流)相比的较低浓度的氢气和较高浓度的其他气体中的至少一中。根据本公开内容的氢气生成组件310可包括燃料加工系统312和原料传输系统 314，还有将系统的多个部件互连的相关的流体管道。如本文所使用的，术语“氢气生成组件”可用于指燃料加工系统312和能量产生系统的相关部件，如原料传输系统314、加热组件、分离组件或装置330、空气传输系统、燃料传输系统、流体管道、热量交换器、冷却组件、 传感器组件、流量调节器、控制器等。根据本公开内容，并非所有的这些说明性的部件都需要被包括在任何氢气生成组件中或与任何燃料加工系统一起使用。类似地，其他部件可作为氢气生成组件的一部分被包括或使用。燃料加工系统312可包括被配置成用原料供应流产生氢气的任何合适的装置和/ 或结构。燃料加工系统312可包括氢气产生区域316。相应地，燃料加工系统312可被描述为包括产生富氢气流的氢气产生区域316，富氢气流包括来自原料供应流的作为多数组分的氢气。尽管富氢气流包含作为其多数组分的氢气，但它也包含作为少数组分的其他气体， 就这点而论，富氢气流可被称作包含氢气和其他气体的混合气体流和/或可被称作包含氢气和其他气体的重整产物流。这些其他气体或杂质的说明性的、非排他的实例包括一氧化碳、二氧化碳、水、甲烷和未反应的原料中的一个或多个。用于在氢气产生区域316中用原料供应流或进料流产生氢气的合适的机制，其说明性的、非排他的实例包括蒸汽重整和自热重整，其中重整催化剂被用来从包含水和至少一种含碳原料的原料供应流产生氢气。用于产生氢气的合适的机制的其他的说明性的、非排他的实例包括热解和含碳原料的催化的部分氧化，在这种情况下，原料供应流不包含水。 用于产生氢气的又一合适的机制是电解，在这种情况下，原料是水。合适的含碳原料的说明性的、非排他的实例包括至少一种烃或醇。合适的烃的说明性的、非排他的实例包括甲烷、 丙烷、天然气、柴油、煤油、汽油和类似物。合适的醇的说明性的、非排他的实例包括甲醇、乙醇和多元醇，例如乙二醇和丙二醇。合适的燃料加工系统的说明性的、非排他的实例公开在第 6，221，117,5, 997，594,5, 861，137 号美国专利中和在第 2001/0045061,2003/0192251 和 2003/02239 号美国专利申请公布中。上述专利和专利申请的完整公开内容在此以引用方式并入。氢气302和氧气231可通过任何合适的机制从各自的源304和202传输到燃料电池的各自的区域。氢气302的合适的燃料源304的说明性的、非排他的实例包括至少一个加压罐、氢化物床或其他合适的氢气存储装置和/或燃料加工器，该燃料加工器产生包含氢气的产物流或富氢气流。氧气231的合适的源202的说明性的、非排他的实例包括氧气或空气的加压罐、或风扇、压缩机、鼓风机或用于将空气导引到阴极区域的其他装置。如本文所使用的，氢气(hydrogen gas)和氧气(oxygen gas)在本文中可分别称作氢气(hydrogen)和氧气(oxygen)。根据本公开内容的燃料供应系统300和氧化剂供应系统200的说明性的、非排他的实例公开在第5，861，137,5, 997，594,6, 221，117,6, 376，113、 6，375，906,6, 537，352,6, 890，672,7, 128，769,7, 135，048,7, 601，302,7, 632，322 和 7,659,019 号美国专利中，以及第 2001/0045061、2003/0192251、2003/0223926、 2007/0264546、2007/0266631、2007/0274904、2008/0138678、2008/0222954、2009/0155642 和2010/0028223号美国专利申请公布中，它们的完整公开内容在此以引用方式并入。原料传输系统314适于将一种或多种原料通过一个或多个进料流传输到燃料加工系统312，进料流一般可被称作原料供应流和/或进料流。原料传输系统的说明性的、非排他的实例公开在第7，601，302,6, 375，906,7, 135，048和6，890，672号美国专利中和第 2009/0155642号美国专利申请公布中，它们的完整公开内容在此以引用方式并入。在下面的讨论中，只对单一的原料供应流进行引用；然而，在本公开内容的范围内可使用两个或多个具有相同的或不同的组分的这样的流。在一些实施方式中，空气可通过鼓风机、风扇、压缩机或其他合适的空气传输系统供应给燃料加工系统312，和/或水流可从分离的水源传输到燃料加工系统312。如本文更详细地讨论的，根据本公开内容的氢气生成组件和/或燃料电池系统可包括分离组件330，该分离组件330适于提高在氢气生成组件中产生的氢气的纯度，和/或为在燃料电池堆中消耗而被传输以从燃料电池堆产生电输出的氢气的纯度。与混合气体流中的氢气的纯度相比，产物氢气流中的氢气的纯度的提高可通过除去存在于混合气体流中的其他气体的至少一部分，如通过物理的和/或化学的分离处理来产生。例如，杂质可起化学反应以形成氢气，可从混合气体流中除去以形成副产物流的至少一部分，和/或可至少暂时地受到限制或用其他方法从混合气体流中除去。合适的分离结构的说明性的、非排他的实例包括基于压力的分离工艺，其可使用至少一个氢选择性膜或膜组件和/或使用PSA 组件的变压吸附。另外的说明性的、非排他的实例包括使用甲烷化催化剂的其他气体的甲烷化和/或使用合适的变换催化剂的水煤气变换反应。合适的分离工艺和结构的说明性的、非排他的实例公开在第6，537，352,6, 494，937,7, 393，382和7，399，342号美国专利中和第2007/(^66631号美国专利申请公布中，它们的完整公开内容在此以引用方式并入。根据本公开内容的包括燃料电池模块106的燃料电池组件100包括多个燃料电池堆104，其包括两个、三个、四个或多于四个燃料电池堆。另外地或可选地，燃料电池模块 106可包括燃料电池组或燃料电池阵列108，该燃料电池组或燃料电池阵列108可包括多个燃料电池组件110，每一燃料电池组件110包括至少两个燃料电池堆104，其包括两个、三个、四个或多于四个燃料电池堆。根据本公开内容的燃料电池堆104可使用任何合适的燃料电池技术，其包括本文更详细地讨论的聚合物电解质膜燃料电池。根据本公开内容可使用的燃料电池的其他说明性的、非排他的实例包括直接甲酸燃料电池、碱性燃料电池和直接甲醇燃料电池。包含在燃料电池模块106内的燃料电池堆可按任何合适的配置电连接。也可称作功率管理模块400的可选的功率分配系统400，在将电输出供应给能量消耗装置605之前，可控制、调节、过滤、提高、降低、管理或用其他方法导引和/或修改来自燃料电池模块106的电输出102和/或能量存储模块的电输出640。另外地或可选地，在将来自燃料电池模块106的电输出102作为充电电流645传输到能量存储模块625之前，功率分配系统400可对其进行调整。功率分配系统400还可用来将能量产生和消耗组件10 的一个或多个部件与一个或多个其他部件电隔离。作为说明性的、非排他的实例，功率分配系统400可允许电输出从燃料电池模块106流向能量消耗装置605，但可阻止、阻塞或用其他方法限制电能从能量消耗装置605到燃料电池模块106的流动。根据本公开内容的功率分配系统400的说明性的、非排他的实例包括任何合适的变压器、DC/DC降压和/或升压转换器、DC/AC逆变器、电源滤波器、二极管、晶体管、开关、 继电器以及类似物。尽管被示出为在单一位置的单一部件，但在本公开内容的范围内，功率分配系统400可包括在能量产生和消耗组件10内任意合适位置处的任意合适数量的装置。 作为说明性的、非排他的实例，功率分配系统400的一部分可位于燃料电池模块106和能量消耗装置605之间、能量消耗装置605和主电源系统30之间、主电源系统30和充电器635 之间、充电器635和能量存储模块625之间、能量存储模块625和燃料电池模块106之间和 /或能量存储模块625和能量消耗装置605之间。能量消耗装置605将(电)负载施加到燃料电池系统20，比如施加到燃料电池模块106和/或能量存储模块625，并从系统提取输出以满足负载。负载可称作被施加的负载。在本公开内容的范围内，被施加的负载可通过燃料电池堆、能量存储装置、主电源系统和/或这些装置的任何合适的组合来满足。能量消耗装置605的说明性的、非排他的实例包括机动车、休闲车、小船或其他海上船舶，以及一个或多个下述项的任何组合，即住宅、商业办公室或建筑物、街道、工具、灯和发光组件、器具、计算机、工业装备、信号和通信装备、 收音机、小船上的电动部件、休闲车或其他车辆、蓄电池充电器以及甚至对燃料电池系统20 的设备平衡的电需求。能量存储模块625包括至少第一能量存储装置630，并适于存储势能用于能量产生和消耗组件10内之后的使用，比如通过将能量存储模块的电输出640供应给能量产生和消耗组件。所存储的势能的源可包括燃料电池模块106、主电源系统30和/或任何其他合适的能量源。在本公开内容的范围内，能量存储模块625可包括多个能量存储装置630，其包括两个、三个、四个或多于四个能量存储装置。这些能量存储装置可以按包括串联、并联和/或串联/并联结构的任何合适的结构排列，且还可以与燃料电池模块106按串联、并联和/或串联/并联排列。在本公开内容的范围内，能量存储模块625内的单独的能量存储装置630或能量存储装置630的组也可以与燃料电池组108内的单独的燃料电池组件110 或燃料电池组件110的组按串联、并联和/或串联/并联排列。根据本公开内容的能量存储装置630的说明性的、非排他的实例包括能够存储势能以备后用的任何装置，并可包括任何合适的蓄电池、电容器、超级电容器(ultracapacitor)、超电容器(supercapacitor)和/ 或飞轮。可选的主电源系统30可包括任何合适的电源，并可作为用于能量消耗装置605的电源主源。因此，当能量产生和消耗组件10包括主电源系统30和/或与主电源系统30通信和/或被配置使用主电源系统30时，在本公开内容的范围内，燃料电池系统20可包括备用电源系统25，当主电源系统30不能满足、供应或迎合能量消耗装置的电需求时，备用电源系统25可向能量消耗装置605提供电源。由于不能满足、供应或迎合能量消耗装置的电需求，这意味着主电源系统当时或至少暂时不能满足由能量消耗装置605所施加的负载。 这可包括主电源系统不可用和/或不能提供任何电输出的情形，还包括主电源系统正在产生电输出但来自主电源系统的电输出的大小不足以满足、供应或迎合能量消耗装置的需求的情形，这种情形的说明性的、非排他的实例包括由能量消耗装置所施加的负载的增加、来自主电源系统的电输出的减少和/或来自主电源系统的电输出的稳定性的降低。主电源系统30可包括任何合适的势能源，如电能源。根据本公开内容的主电源系统30的说明性的、非排他的实例包括电网，比如由电气供电设备提供的电网。根据本公开内容的主电源系统30的另外的说明性的、非排他的实例包括任何合适的风力发电源、太阳能发电源、水力发电源、地热发电源、化学发电源、内燃发电源和/或类似物。充电器635可包括任何合适的结构，该结构可将从主电源系统30获得的势能转换成可用来对能量存储模块625的能量存储装置630充电的形式。作为说明性的、非排他的实例，当主电源系统30包括AC或DC电源并且能量存储装置630包括诸如合适的蓄电池和 /或电容器的能够存储电荷的装置时，充电器635可将来自主电源系统30的电输出转换成可用来对能量存储装置630充电而不会对能量存储装置造成损坏的形式，比如转换成处于可安全地和高效地用来对能量存储装置充电的电流水平的DC电压。作为另一说明性的、非排他的实例，当能量存储装置630包括可存储机械势能的装置，例如飞轮时，充电器635可比如通过维持和/或提高飞轮的旋转频率，将来自主电源系统30的输出转换成可用来对能量存储装置充电的以一定频率的旋转势能。如在图1中所示和本文所讨论的，根据本公开内容的包括燃料电池系统20的能量产生和消耗组件10还可包括控制系统800，控制系统800可包括控制器805，控制器805可适于控制至少部分地基于能量产生和消耗组件的特征的能量产生和消耗组件中的至少一部分的操作。作为说明性的、非排他的实例以及如在图1中的点划线所示，控制器805可接收指示能量产生和消耗组件的多个部件的状态的状态信号810，并可产生控制信号840以控制至少部分地基于该状态信号的能量产生和消耗组件的不同部件的操作。该控制可由用户手动执行、通过使用电子控制器执行或通过这两者的组合执行。控制器可包括任何合适类型和数量的装置或机构以执行和提供对能量产生和消耗组件的所期望的监控和/或控制。作为说明性的、非排他的实例，合适的控制器可采用模拟电路或数字电路的形式， 连同恰当的电子指令，该电子指令可存储在磁性媒体或可编程存储器上，比如只读存储器 (ROM)、可编程只读存储器(PROM)或可擦除可编程只读存储器(EPROM)，并且合适的控制器可被整合到能量产生和消耗组件10的一个或多个系统或组件中，或可以是分离的、独立的计算装置。控制器可适于或用其他方法编程或设计来控制在能量产生和消耗组件的多个操作状态中的能量产生和消耗组件的操作，包括其中的多个部件。控制器(当存在时)还可包括和/或与任何合适的传感器和/或检测器870、通信链路及类似物通信，以允许对能量产生和消耗组件的操作的所期望的监控和控制，所述操作包括与能量产生和消耗组件的其他部件的可选的通信。根据本公开内容的控制系统800的说明性的、非排他的实例公开在第 6，383，670,6, 495，277,6, 811，908,6, 835，481,6, 979，507,7, 208，241 和 7，390，587 号美国专利中和第 2005/0266沘4、2005/(^66285、2006/0024540、2006/0134473 和 2008/0176118 号美国专利申请公布中，它们的完整公开内容在此以引用方式并入。在图1中所示的能量产生和消耗组件10的不同系统和部件已在具体的配置中说明。然而，在本公开内容的范围内可使用任何合适的配置。作为说明性的、非排他的实例， 尽管单个充电器635在图1中示出，但在本公开内容的范围内可使用任何合适数量的充电器635。这可包括被并行放置的多个充电器以增加容量和/或提供冗余度，还包括在燃料电池模块106和能量存储模块625之间的充电器以在传输到燃料电池堆之前调整或用其他方法修改充电电流645。作为另一说明性的、非排他的实例，以及如本文所讨论的，能量消耗装置605可为由燃料电池系统20供电的装置组或独立的装置。然而，在本公开内容的范围内，至少能量消耗装置605的一部分还可形成燃料电池系统20的一部分，比如形成燃料电池系统的设备平衡的需求。如所讨论的，图1被示意性地说明。如将会明显的是，其他图也被示意性地说明， 而这些图旨在提供根据本公开内容的说明性的但非排他的实例，并且这些图不旨在将本公开内容的范围限制为根据本公开内容的所有系统和/或方法所要求的具体的实施方式。这些图不旨在按比例绘制，因为它们被提供来强调和/或说明本公开内容的不同方面。在这些图中，相同的参考数字指示贯穿不同附图的相似的和相应的但不必相同的元件。类似地， 在这些图和相应的文本公开内容中，之前所讨论的主题和/或参考数字可出现在随后的图和/或相应的文本公开内容中，而不重复该主题和/或参考数字的讨论。图2提供了根据本公开内容的、包括燃料电池系统20的能量产生和消耗组件10 的另一说明性的、非排他的实例。其中，诸如氧化剂231和燃料302的反应物164可供应给燃料电池模块106的燃料电池堆104。在图2中，可认为燃料电池模块106包括两个燃料电池堆104。可选地，可认为燃料电池模块106包括燃料电池组108，该燃料电池组108包括两个燃料电池组件110，每一燃料电池组件110包括多个燃料电池堆104。所示出的燃料电池堆的数量或可选地燃料电池组件的数量只是说明性的、非排他的实例，并且如本文更详细地讨论的，燃料电池模块106和/或燃料电池组108可包括任何合适数量的燃料电池堆 104和/或燃料电池组件110。来自燃料电池模块106的电输出102可施加到可选的隔离装置405，该隔离装置 405可形成功率分配系统400的一部分。隔离装置405可用来将燃料电池模块106从能量产生和消耗组件的剩余部分电隔离出来。作为说明性的、非排他的实例，隔离装置405可包括二极管组件408，该二极管组件408可限制或甚至可防止电流流入燃料电池模块106，而同时允许电流流出燃料电池模块106。另外的说明性的、非排他的实例包括断路器和/或接触器，其可选择性地被激活以防止电流流入燃料电池模块。图1的能量产生和消耗组件还可包括以蓄电池650的形式的能量存储模块625，如本文更详细地讨论的。
来自燃料电池模块106的电输出和/或能量存储装置的电输出640可供应给可选的电源调整器410，比如供应给转换器415或逆变器420，它们可调整或用其他方法修改在其中接收的电输入并输出受调整的燃料电池系统的电输出430，该电输出430可与能量消耗装置605的电需求相兼容，并可供应给能量消耗装置。包括控制器805的控制系统800可接收来自检测器870的、指示能量产生和消耗组件内的不同部件的状态的状态信号810，并可输出控制信号840以控制能量产生和消耗组件的至少一部分的操作。作为说明性的、非排他的实例，控制器805可接收来自主电源系统检测器872的主电源系统状态信号812，其是主电源系统的状态的指示，还可接收分别来自蓄电池状态监视器874和燃料电池状态监视器876的蓄电池状态信号814和燃料电池模块状态信号816。作为另一说明性的、非排他的实例，至少部分地基于(和/或至少部分地响应于)这些状态信号的值的控制器805可产生第一堆控制信号842和/或第二堆控制信号844以控制第一燃料电池堆170和/或第二燃料电池堆175的操作。状态信号810可从多个源获得，其中包括直接从能量产生和消耗组件10的不同部件获得，如在图1中示意地示出的，和/或从被设计成收集关于能量产生和消耗组件的状态的信息的检测器870获得，并将该信息传送到控制器805，如在图2中所示出的。可直接从能量产生和消耗组件10的不同部件供应的状态信号810的说明性的、非排他的实例包括在不同部件内产生的信号，比如由所关注部件的专用控制器和/或共享控制器产生的信号。 这些信号可包括指示部件的运行状态的信号、指示部件的不同组成部分的状态的信号和/ 或由形成部件的一部分的检测器870产生的信号。可由检测器870和/或由形成部件的一部分的检测器供应的状态信号810的说明性的、非排他的实例包括任何合适的温度、压力、 流速、化学成分、电压、电流、功率和/或充电状态的状态信号。作为说明性的、非排他的实例，主电源系统检测器872可检测主电源系统30的运行状态的变量指示。主电源系统可包括至少“连接”或“可用”状态，在该状态下主电源系统可用来并且能够向能量消耗装置605供应电输出，主电源系统还可包括“断开”或“不可用”状态，在该状态下主电源系统不可用来和/或不能够向能量消耗装置605供应电输出， 主电源系统的运行状态的变量指示可包括主电源系统的运行状态。作为另一说明性的、非排他的实例，主电源系统检测器872可检测与来自主电源系统的电输出相关的变量。该变量可包括来自主电源系统的电输出的电压、来自主电源系统的电输出的电流和/或由主电源系统供应的电功率。作为又一说明性的、非排他的实例，主电源系统检测器872可检测与来自主电源系统的电功率输出和用能量消耗装置605施加的负载之间的关系相关的变量。这可包括 检测来自主电源系统的电输出是否足以为能量消耗装置施加的电负载供电；和/或检测来自主电源系统的可用电输出和由能量消耗装置所施加的电负载的比率。作为又一说明性的、非排他的实例，主电源系统检测器872可检测与来自主电源系统的电输出的稳定性和/或由能量消耗装置施加的负载的稳定性相关的变量。这可包括检测主电源系统的稳定性方面的降低、检测主电源系统的电压方面的降低和/或检测能量消耗装置的阻抗方面的改变，能量消耗装置的阻抗方面的改变可指出主电源系统为由能量消耗装置施加的负载供电的能力方面的改变。作为又一说明性的、非排他的实例，蓄电池状态监视器874可检测指示能量存储模块625、能量存储装置630和/或蓄电池650的状态的变量。这可包括能量存储装置的电荷状态、能量存储装置的电压、来自能量存储装置的电功率输出、在给定时期内供应给能量存储装置和/或从能量存储装置供应的累积电荷、来自能量存储装置的电流输出和/或能量存储装置的电阻抗。作为又一说明性的、非排他的实例，燃料电池状态监视器876可检测指示燃料电池模块106、燃料电池组108、燃料电池组件110和/或包含在其中的燃料电池堆104的状态的变量。燃料电池模块、燃料电池组、燃料电池组件和/或包含在其中的燃料电池堆可至少包括“运行”状态，在该状态下燃料电池堆产生电输出；“切断”状态，在该状态下燃料电池堆不产生电输出并且目前不能或没有准备好产生电输出；以及，“闲置”状态，在该状态下燃料电池堆不产生电输出但在短时期，如在不到5分钟、3分钟、1分钟、30秒或1秒内可开始产生电输出。在这些条件下，指示燃料电池模块106的状态的变量可包括燃料电池模块、 燃料电池组、燃料电池组件和/或包含在其中的燃料电池堆的运行状态。作为又一说明性的、非排他的实例，燃料电池状态监视器876可检测指示来自燃料电池模块、燃料电池组、燃料电池组件和/或包含在其中的燃料电池堆的电输出的变量。 该变量可包括燃料电池模块、燃料电池组、燃料电池组件和/或包含在其中的燃料电池堆的电压输出、电流输出、电功率输出、热输出和/或反应物消耗率。控制器805可直接基于状态信号810的值和/或基于可包括状态信号810的、被推导和/或计算出的值来控制燃料电池系统20的运行。根据本公开内容的、被推导和/或计算出的值的说明性的、非排他的实例可包括来自燃料电池系统的总功率输出，该燃料电池系统的总功率输出可基于由蓄电池状态监视器874检测的能量存储装置的功率输出和由燃料电池状态监视器876检测的燃料电池的功率输出来计算。根据本公开内容的、被推导和/或计算出的值的另一说明性的、非排他的实例可包括来自燃料电池系统的净功率输出，该燃料电池系统的净功率输出可基于能量存储装置的功率输出、燃料电池的功率输出和燃料电池系统的功率消耗来计算。另外地或可选地，来自燃料电池系统的净功率输出可通过监视来自燃料电池系统的电功率输出来检测，监视来自燃料电池系统的电功率输出例如是通过监视已调整的燃料电池系统的电输出430的电功率。如本文更详细地讨论的，包括控制器805的控制系统800可产生控制信号840，该控制信号840包括至少部分地基于状态信号810的第一堆控制信号842和第二堆控制信号 844。控制信号840可控制如第一燃料电池堆170和第二燃料电池堆175的燃料电池堆104 的运行。这可包括控制至少在运行、切断和闲置状态之间的、燃料电池堆的运行状态，以及控制来自燃料电池堆的电功率输出。该控制可通过任何合适的方法完成，比如通过直接控制燃料电池堆、通过控制来自燃料电池堆的电输出和/或通过控制供应给燃料电池堆的反应物。直接控制燃料电池堆的说明性的、非排他的实例可包括控制燃料电池堆的温度、 燃料电池堆内的反应物的压力、和/或到达燃料电池堆和/或通过燃料电池堆的反应物的流速。控制来自燃料电池堆的电输出的说明性的、非排他的实例可包括控制施加到燃料电池堆的电负载，比如可通过控制能量消耗装置605和/或电源分配系统400的电阻抗，和 /或通过使用任何合适的开关、接触器、晶体管和/或继电器控制来自燃料电池堆的电流流动来完成。控制供应给燃料电池堆的反应物的说明性的、非排他的实例可包括控制温度、压
13力、化学成分和/或供应给燃料电池堆的反应物的流速，并且可包括使用包括在反应物源 160、氧化剂供应系统200和/或燃料供应系统300内的任何合适的温度、压力和/或流控制组件。尽管上面的讨论包括通过使用第一堆控制信号842和第二堆控制信号844控制第一燃料电池堆170和第二燃料电池堆175，但在本公开内容的范围内，如本文更详细地讨论的，燃料电池系统20可包括在燃料电池模块106内所包含的并以任何合适的结构排列的任何合适数量的燃料电池堆104、燃料电池组件110和/或燃料电池组108。另外，还本公开内容的范围内，包含在燃料电池模块106内的燃料电池堆可分别控制，如通过包括关于每一燃料电池堆104的分离的控制信号840，或燃料电池堆可按组控制，如通过包括可控制多个燃料电池堆的运行的控制信号840。可使用根据本公开内容的系统和方法、以聚合物电解质膜(PEM)燃料电池的形式的燃料电池116的说明性的、非排他的实例在图3中示意性地示出。燃料电池可被描述为形成能量产生和消耗组件的一部分(如一般以10指出的)、燃料电池系统的一部分(如一般以20指出的)、燃料电池组件100的一部分和/或燃料电池堆的一部分(如一般在104处所指出的)。质子交换膜燃料电池通常使用膜电极组件119，其包括离子交换或位于阳极区域122和阴极区域IM之间的、电解质的膜118。每一区域122和IM包括电极120，即分别是阳极126(或阳极电极)和阴极128(或阴极电极)，它们可形成膜电极组件119的一部分。每一区域122和IM还可包括支撑件130，如支撑板132。支撑件130可形成位于燃料电池堆中的邻近的燃料电池的膜之间的双极板组件的一部分。燃料电池116的支撑板132 可被配置成或用其他方法使用以携带从燃料电池的反应产生的相对电压电势，比如作为对所施加的负载的响应。 在运行中，燃料供应系统300从燃料源304将燃料302供应给阳极区域，而氧化剂供应系统200从氧化剂源202将氧化剂231供应给阴极区域。燃料302还可称作供应燃料 302。燃料电池116的典型的、但非排他的燃料是氢气，而典型的、但非排他的氧化剂是氧气。如本文所使用的，氢气指氢气气体而氧气指氧气气体。下面的讨论可称燃料302为氢气302而称氧化剂231为氧气231，然而在本公开内容的范围内可以使用其他燃料和/或氧化剂。氧气气体合适的源是空气，比如来自燃料电池系统附近的空气。空气在本文中可称作环境空气。氢气和氧气在燃料电池内通过氧化还原反应彼此结合。尽管膜电极组件119限制了氢分子的通过，但主要由于膜118的离子导电性，膜电极组件119将允许氢离子(质子) 从该膜电极组件处通过。电极材料的催化活动降低了氢气的分解能，允许氢气分解为质子和自由电子。来自膜界面处氧化还原反应的离子的电势梯度驱动质子通过离子交换膜。因为膜118也易于电导通，以自由电子流的形式的燃料电池输出101或电流102经由外部电路502流过能量传输系统500，以形成能量传输系统的电输出501，该电输出501被供应给能量消耗和存储组件600。在图3中所示出的还有可能包含未反应的氢气气体的阳极净化或排气流134，和可能包含未反应的氧气气体的阴极净化或排气流136。本文所描述的燃料电池系统可使用任何合适的操作方法。用于控制这些燃料电池系统的运行的合适的方法900的说明性的、非排他的实例在图4-7中示意性地示出。在能量存储装置将电输出供应给能量消耗装置605期间和/或在能量存储装置的电荷状态下降到阈值水平以下期间，这些方法或逻辑900可适于使用燃料电池模块106的燃料电池堆中的一个或多个对能量产生和消耗组件10中的一个或多个能量存储装置630再充电。作为说明性的、非排他的实例，当满足系统开始条件，比如来自主电源系统30的电源损耗时，备用电源系统25可向能量消耗装置605提供备用电源，并且备用电源系统可被配置以使能量存储模块625的能量存储装置中的一个或多个可提供必要的电输出的至少一部分(如果不是全部)以满足由能量消耗装置所施加的负载。因此，在主电源系统不可用或用其他方法目前不能提供必要的电输出以满足所施加的负载的持续期间内，能量存储装置630可能变得至少部分地耗尽所存储的能量。如果能量消耗装置耗尽或用其他方法对能量存储装置放电使其在阈值水平之下，和/或抽取在阈值水平之上的电流或电源，则能量存储装置可变得不能足够地对能量消耗装置供电。为了避免这种情况，方法900提供了一个或多个燃料电池堆104以对能量存储装置625再充电和/或将能量存储装置的电输出增补给能量消耗装置。这种再充电可包括能量存储装置的主动充电，如可通过图4的能量存储装置充电子例程904来完成。另外地或可选地，这种充电可包括能量存储装置的被动充电，比如当燃料电池模块106供应电流输出时来完成，并且来自不需要给能量消耗装置 605供电的燃料电池模块的任何过量的电流输出可作为充电电流645流向能量存储装置。图4示出控制燃料电池系统20的操作的方法901，燃料电池系统20可包括多个燃料电池堆104和至少第一能量存储装置630。所述方法可选地包括判断以902所示的主电源系统的状态，比如通过使用主电源系统检测器872来判断。如果主电源系统能够满足能量消耗装置的电需求，则沿着“是”支路到达子例程904，当需要时子例程904可对能量存储装置充电。这可包括步骤判断能量存储装置的电荷状态是否大于电荷的阈值状态T浮动， 在方框906处指出，比如通过使用燃料电池状态监视器876，将至少第一燃料电池堆转换到运行状态；以及如果能量存储装置的电荷状态在电荷水平的阈值状态之下，使用来自燃料电池堆的电输出对以910所示的能量存储装置充电；和/或如果能量存储装置的电荷状态在电荷水平的阈值状态之上，如以方框908所示，将所有的燃料电池堆转换到切断状态，并返回到方框902。如果主电源系统不能够满足能量消耗装置的电需求，则可沿着“否”支路从方框 902到达方框912，其中备用电源系统25可向能量消耗装置供应电源。最初，这可包括从能量存储装置630供应电源，然而在公开内容的范围内，方框912可另外地或可选地包括从多个燃料电池堆104中的至少一个供应电能。那么所述方法可移到方框914、916、918和920， 这些方框中的每一个可设置包括在燃料电池模块106内的、单独的燃料电池堆和/或燃料电池堆组的运行状态。如可从图4看到的，使用方法901的燃料电池系统包括至少两个燃料电池堆，并可能可选地包括多于两个燃料电池堆，比如三个、四个、五个或甚至N个燃料电池堆。如本文所使用的N个燃料电池堆可指大于或等于2的任意整数数量的燃料电池堆。如果能量存储装置的电荷状态没有下降(即降低)到预定的水平之下和/或如果预定的堆开始条件不满足，则可不使用燃料电池堆104来对能量存储装置再充电和/或对能量消耗装置供应电输出。可选地，如果能量存储装置的电荷状态下降到预定的水平之下和/或如果预定的堆开始条件被满足，则设置单独的燃料电池堆的运行状态可包括将燃料电池堆从其中不产生电输出的切断或闲置状态转换到其中产生着电输出的运行状态。设置第N个燃料电池堆的运行状态可包括判断第N个燃料电池堆的堆开始条件是否已满足、判断第N个燃料电池堆的堆停止条件是否已满足、和/或判断所有燃料电池堆的堆停止条件是否已满足。当第N个燃料电池堆的堆开始条件已满足，且第N个燃料电池堆当前处于切断或闲置状态时，燃料电池系统可将第N个燃料电池堆转换到运行状态。当第N个燃料电池堆的堆开始条件已满足，且第N个燃料电池堆当前处于运行状态时，系统可将第N个燃料电池堆维持在运行状态。类似地，当第N个燃料电池堆的堆停止条件已满足且第N个燃料电池堆当前处于运行状态时，系统可将第N个燃料电池堆转换到切断状态和/ 或闲置状态。当第N个燃料电池堆的堆停止条件已满足且第N个燃料电池堆当前处于闲置状态时，系统可将第N个燃料电池堆维持在闲置状态，或将第N个燃料电池堆转换到切断状态。当第N个燃料电池堆的堆停止条件已满足且第N个燃料电池堆当前处于切断状态时， 系统可将第N个燃料电池堆维持在切断状态。堆开始条件和堆停止条件可包括开始来自控制系统800的响应的触发器、事件和 /或条件。这些触发器、事件和/或条件可包括特定事件的发生，特定事件的检测，系统参数中的改变和/或变化，和/或对大于、小于和/或等于阈值的参数的检测。本文将更详细地讨论根据本公开内容的具体的堆开始条件和堆停止条件。将第N个燃料电池堆转换到运行状态还可称作开始来自燃料电池堆的电输出的产生，并可包括将燃料流和/或氧化剂流供应给燃料电池堆、从燃料电池堆产生电输出、和 /或将来自燃料电池堆的电输出供应给能量消耗装置。类似地，将第N个燃料电池堆转换到切断或闲置状态还可称作停止来自燃料电池堆的电输出的产生，并可包括停止燃料流和/ 或氧化剂流到燃料电池堆的传输、停止来自燃料电池堆的电输出的产生和/或停止电输出从燃料电池堆到能量消耗装置的供应。根据本公开内容的堆开始条件的说明性的、非排他的实例可包括判断能量存储装置630的输出电压在堆的开始阈值电压水平之下，这比如是通过使用检测器870，如蓄电池状态监视器874。能量存储装置630可包括完全充电的输出电压，并且根据本公开内容的堆的开始阈值电压水平的说明性的、非排他的实例可包括是完全充电的输出电压的50-99% 的能量存储装置的输出电压，其中包括是完全充电的输出电压的70^^75^^80%,85%、 90 %、95 %、96 %、97 %和98 %的能量存储装置的输出电压。作为另一说明性的、非排他的实例，当能量存储装置630具有48伏特的标称输出电压时，能量存储装置的完全充电的输出电压可大于48伏特。作为说明性的、非排他的实例，当能量存储装置的完全充电的输出电压是M伏特时，根据本公开内容的堆的开始阈值电压水平可包括40-53伏特的输出电压阈值水平，其中包括45、47、48、49、50、51、52和53伏特的输出电压阈值水平。如所提到的， 具有讨伏特完全充电的输出电压的能量存储装置630仅是一个说明性的、非排他的实例， 并且本公开内容可使用具有其他完全充电的输出电压，如大于或小于该非排他的实例的完全充电的输出电压的能量存储装置630。一个这样的具体的(非排他的)实例是具有大约 20-30伏特的完全充电的输出电压的能量存储装置630。根据本公开内容的堆开始条件的另一说明性的、非排他的实例可包括检测主电源系统30不能够为通过能量消耗装置605施加的电负载供电。这可包括检测本文所讨论的与主电源系统检测器872相关的任何变量。根据本公开内容的堆开始条件的另一说明性的、非排他的实例可包括检测施加到燃料电池堆的负载和/或检测来自燃料电池堆的功率输出大于堆的开始阈值功率水平。这可包括检测来自燃料电池系统20和/或备用电源系统25的总功率输出大于堆的开始阈值功率水平，包括判断来自燃料电池模块106的总功率输出大于堆的开始阈值功率水平，和/ 或包括判断来自燃料电池系统的净功率输出大于堆的开始阈值功率水平。如本文所使用的，来自燃料电池系统的总功率输出可包括来自燃料电池模块106的功率输出和来自能量存储装置625的功率输出，而来自燃料电池系统的净功率输出可包括来自燃料电池系统的功率输出，比如通过已调整的燃料电池系统的电输出430，并可包括来自燃料电池系统的总功率输出减去燃料电池系统的设备平衡的需求。当燃料电池系统20和/或备用电源系统25包括标称的或惯用的功率输出时，根据本公开内容的堆的开始阈值功率水平的说明性的、非排他的实例可包括是来自燃料电池系统、燃料电池堆、燃料电池组件和/或燃料电池组的总功率输出或净功率输出的10-75% 的堆的开始阈值功率水平，其中包括是来自燃料电池系统、燃料电池堆、燃料电池组件和/ 或燃料电池组的标称功率输出的15%、20%、25%、30%、40%、50%、60%和70%的堆的开始阈值功率水平。作为另一说明性的、非排他的实例，当来自燃料电池系统的标称净功率输出是5，000瓦特时，根据本公开内容的堆的开始阈值功率水平可包括来自燃料电池系统的 500-3750瓦特的净功率输出，其中包括750、1000、1500、2000、2500和3000瓦特的阈值功率水平。根据本公开内容的堆开始条件的又一说明性的、非排他的实例可包括关于阈值时间段检测的任何上述堆开始条件和/或条件的组合。所述阈值时间段可包括大于1秒的时间段，其中包括大于5、10、30、45、60、90、120、180、240、600和1000秒的时间段。另外，任何上述堆开始条件可与任何其他堆开始条件和/或任何其他合适的触发按逻辑上的“与”和/或“或”组合的形式组合。作为说明性的、非排他的实例，根据本公开内容的合适的堆开始条件可包括检测能量存储装置的输出电压关于一阈值时间段小于堆的开始阈值电压水平，可包括检测主电源系统不能够满足能量消耗装置的电需求以及能量存储装置的输出电压小于堆的开始阈值电压水平，可包括检测来自燃料电池系统或其任何合适的部件的净功率输出和/或总功率输出关于一阈值时间段小于堆的开始阈值功率水平，和/或可包括检测主电源系统不能够满足能量消耗装置的电需求以及来自燃料电池系统的功率输出关于一阈值时间段大于阈值水平。根据本公开内容的堆停止条件的说明性的、非排他的实例可包括判断能量存储装置630的输出电压在堆切断阈值电压水平之上，比如是通过使用检测器870，如蓄电池状态监视器874。根据本公开内容的堆切断阈值电压水平的说明性的、非排他的实例可包括本文所讨论的堆的开始阈值电压水平。该阈值电压水平可包括能量存储装置的完全充电的电压，并且还可称作能量存储装置的浮动电压、能量存储装置的浮动电势能和/或能量存储装置的浮动电荷水平。根据本公开内容的堆停止条件的另一说明性的、非排他的实例可包括检测主电源系统30能够满足由能量消耗装置605施加的电负载。这可包括检测本文所讨论的与主电源系统检测器872相关的任何变量。根据本公开内容的堆停止条件的另一说明性的、非排他的实例可包括检测施加到燃料电池堆的负载，和/或来自燃料电池堆的功率输出小于堆切断阈值功率水平。与本文所描述的堆的开始阈值功率水平类似，该实例可包括检测来自燃料电池系统的总功率输出、来自燃料电池模块106的总功率输出和/或来自燃料电池系统的净功率输出小于堆切断阈值功率水平。这也可包括检测来自单独的燃料电池堆、燃料电池组和/或燃料电池组件的总功率输出小于堆切断阈值功率水平。根据本公开内容的堆切断阈值功率水平的说明性的、非排他的实例可包括小于来自燃料电池系统、燃料电池堆、燃料电池组和/或燃料电池组件的标称净功率或总功率输出的50%的堆切断阈值功率水平，其中包括小于标称的净功率或总功率输出的40%、30%、25%、20%、15%、10%、5%、3%、2%或的堆切断阈值功率水平。作为另一说明性的、非排他的实例，当来自燃料电池系统的标称净功率输出是 5000瓦特时，根据本公开内容的堆切断阈值功率水平可包括小于2500瓦特的净功率水平， 其中包括小于 2000、1500、1000、750、600、500、400、300、200、100、50 或 25 瓦特的净功率水平。根据本公开内容的燃料电池系统可具有大于或小于该5000瓦特的说明性的、非排他的实例标称净功率输出，其中净功率输出的说明性的、非排他的实例大于5000瓦特，其中包括10，000瓦特和15，000瓦特。根据本公开内容的堆停止条件的又一说明性的、非排他的实例可包括关于一阈值时间段检测的任何上述堆停止条件和/或条件的组合。所述阈值时间段可包括大于1秒的时间段，其中包括大于5、10、30、45、60、90、120、180、240、600和1000秒的时间段。类似于上面关于堆开始条件的讨论，任何上述堆停止条件可与任何其他堆停止条件和/或任何其他合适的触发按逻辑上的“与”和/或“或”组合的形式来组合。作为说明性的、非排他的实例，根据本公开内容的堆停止条件可包括检测能量存储装置的输出电压关于一阈值时间段大于堆切断阈值电压水平，可包括检测主电源系统能够满足能量消耗装置的电需求以及能量存储装置的输出电压大于堆切断阈值电压水平，可包括检测来自燃料电池系统或其任何合适的部件的净功率输出和/或总功率输出关于一阈值时间段小于堆切断阈值功率水平，和/或可包括检测主电源系统能够满足能量消耗装置的电需求以及来自燃料电池系统或其中的任何合适的部件的总功率输出和/或净功率输出关于一阈值时间段小于一阈值水平。如本文更详细地讨论的，所公开的系统和方法可用于包括至少两个燃料电池堆和至少第一能量存储装置的单一的燃料电池系统。另外地或可选地，所述系统和方法可用于燃料电池组件的组或阵列，每一燃料电池组件包括至少两个燃料电池堆。因此，所述系统和方法可包括提供和/或控制包括在燃料电池组件的组内的多个燃料电池的操作。图5提供了方法922的说明性的、非排他的实例，其用于控制燃料电池组件930、932和934的组或网络9 的操作。如本文更详细地讨论的，每一燃料电池组件可包括多个燃料电池堆，例如Ni 个燃料电池堆，其中Ni是大于等于2的整数。所述方法可包括开始于以方框拟4指出的无燃料电池堆在线。以方框拟6指出， 所述方法判断燃料电池系统是否应该向能量消耗装置供应电源。这可包括检测由能量消耗装置所施加的负载中的改变、检测来自主电源系统(如果使用)的电功率输出中的改变、检测用户生成的信号、检测系统开始信号和/或检测本文参考图4所讨论的任何堆开始条件已满足。如果确定燃料电池系统不需要向能量消耗装置供应电源，则沿着“否”支路回到方框924。如果确定燃料电池系统需要向能量消耗装置供应电源，则可沿着“是”支路，以提供燃料电池组件930、932和934的并行控制。在方框936、938和940中，可设置每一燃料电池组件中的第一燃料电池堆的运行状态。在方框942、944和946中，可设置每一燃料电池组件中的第二燃料电池堆的运行状态。在方框948、950和952中，可设置每一燃料电池组件中的第Ni个燃料电池堆的运行状态。设置任何燃料电池堆的运行状态可包括比较关于本文参考图4所讨论的堆开始条件和/或堆停止条件的多个参数的值。尽管图5的燃料电池组被示出包括三个燃料电池组件——第一燃料电池组件930、第二燃料电池组件932和第X个燃料电池组件934，但在本公开内容的范围内可以使用任何合适数量的燃料电池组件。因此，X可包括任何正整数， 其中包括1、2、3、4、5、10或多于10。另外，每一燃料电池组件可包括两个或多个燃料电池堆。因此，Ni可以是大于2的任何正整数，包括3、4、5、10或大于10的整数。另外，在燃料电池组件i中的燃料电池堆的数量Ni对于每一燃料电池组件来说可以是相同的，或者对于燃料电池组件中的至少一部分来说可以是不同的。在本公开内容的范围内，包括在燃料电池组928内的每一燃料电池组件110可包括唯一的系统开始条件，和/或包括在燃料电池组928的燃料电池组件110内的每一燃料电池堆可包括唯一的堆开始条件和/或堆停止条件。此外，在本公开内容的范围内，包括在燃料电池组928内的至少一部分燃料电池堆可与包括在该燃料电池组内的一部分其他燃料电池堆共享共同的堆开始条件和/或堆停止条件。另外，在本公开内容的范围内，关于包括在燃料电池组内的燃料电池堆的系统开始条件、堆开始条件和/或堆停止条件可基于燃料电池组件的数量和/或包括在燃料电池组108内的燃料电池组件的净输出成比例地决定(scaled)。作为说明性的、非排他的实例，根据本公开内容的系统开始条件、堆开始条件和/或堆停止条件可包括来自燃料电池组108的总功率输出和/或净功率输出。如果燃料电池组包括三个燃料电池组件，其中每一个都具有类似的额定功率输出P，则在燃料电池组108中的第一燃料电池组件的系统开始条件、堆开始条件和/或堆停止条件可通过X*P描述，其中1。类似地，在燃料电池组108中的第二燃料电池组件的系统开始条件、堆开始条件和/或堆停止条件可通过 Y*P描述，其中0 < Y < 2 ；以及在燃料电池组108中的第三燃料电池组件的系统开始条件、 堆开始条件和/或堆停止条件可通过Ζ*Ρ描述，其中0 < Z < 3。因此，如果X兴Y兴Ζ，则燃料电池组中的燃料电池组件的多种状态过渡可能发生在不同时间。图6提供了根据本公开内容的方法％4的说明性的、非排他的实例，其用于操作包括两个燃料电池堆和至少第一能量存储装置的燃料电池系统20。类似于图5中的方法，图 6中的方法可开始于以方框拟4指出的无堆在线。接着所述方法过渡到方框956，其中所述方法判断第一堆开始条件是否已满足。如果第一堆开始条件没有满足，则沿着“否”支路回到方框924。如果第一堆开始条件已满足，则沿着“是”支路到达方框958，其中可开始来自第一燃料电池堆的电输出的供应。接着所述方法可移到方框960，其中所述方法判断第一堆停止条件是否已满足。如果第一堆停止条件已经满足，则可沿着“是”支路回到方框924 且可停止来自第一燃料电池堆的电输出的供应。如果第一堆停止条件还不满足，则可沿着 “否”支路到达方框962，其中所述方法判断第二堆开始条件是否已满足。如果第二堆开始条件还不满足，则可沿着“否”支路回到方框958。如果第二堆开始条件已经满足，则可沿着“是”支路到达方框964，其中可开始来自第二燃料电池堆的电输出的供应。接着所述方法可过渡到方框966，其中所述方法判断两个堆停止条件是否已经满足。如果两个堆停止条件已经满足，则可沿着“是”支路回到方框拟4且可停止来自两个燃料电池堆的电输出的供应。如果两个堆停止条件还不满足，则沿着“否”支路到达方框968，其中所述方法判断第二堆停止条件是否满足。如果第二堆停止条件已经满足，则沿着“是”支路回到方框958且可停止来自第二燃料电池堆的电输出的供应，但来自第一燃料电池堆的电输出的供应可继续。如果第二堆停止条件还不满足，则沿着“否”支路回到方框964且可继续来自两个燃料电池堆的电输出的供应。图7提供了方法970的说明性的、非排他的实例，其用于操作包括两个燃料电池堆的燃料电池系统，且图7中的方法可能与图6中的方法实质上类似。然而，在图7中，判断方框960和962的判断结果和判断方框966和968的判断结果可并行地而非串行地执行。 另外，图7包括可判断两个堆开始条件是否已经满足的以955指出的可选判断方框。如果两个堆开始条件已经满足，则所述方法可直接过渡到方框964，其中系统可开始来自第一燃料电池堆和第二燃料电池堆的电输出。如果两个堆开始条件还不满足，则所述方法可沿着 “否”支路到达方框956且以实质上类似于图6中的方式继续进行。因此，本文所公开的方法的多个步骤可按任何合适的次序完成、可添加另外的步骤、和/或可移除步骤而不偏离本公开内容的范围。根据本公开内容的两个堆开始条件的说明性的、非排他的实例包括本文所给出的任何堆开始条件。图6和图7的堆开始条件和/或堆停止条件可包括本文参考图4所公开的任何堆开始条件和/或堆停止条件，以及任何其他合适的触发和/或事件。从以方框958和964 指出的一个或多个燃料电池堆供应电输出可包括开始来自燃料电池堆的电输出的产生和/ 或将燃料电池堆从切断或闲置状态转换到运行状态，如本文更详细地讨论的。图6和图7的所述方法可说明从与燃料电池系统20相关的至少第一能量存储装置供应电输出，代替燃料电池堆和/或另外地从燃料电池堆供应电输出。尽管图6和图7包括两个燃料电池堆， 但所述方法可包括从任何合适数量的燃料电池堆供应电输出，不偏离本公开内容的范围， 并且如本文更详细地讨论的。因此，在本公开内容的范围内，可将图6和/或图7的方法与图4和/或图5的方法一起使用以控制包括在燃料电池组内的多个燃料电池堆和/或多个燃料电池组件的运行。本文所公开的系统和方法可列举出第一燃料电池堆(和/或堆1)、第二燃料电池堆(和/或堆2)和/或第N个燃料电池堆(和/或堆N)。在本公开内容的范围内，第一燃料电池堆可以是特定的燃料电池堆，该燃料电池堆总是第一燃料电池堆，以便服从要满足的第一堆开始条件开始电输出的产生。然而，还是在本公开内容的范围内，所述第一、第二和/或第N个燃料电池堆可以指开始电输出的产生的第一、第二和/或第N个燃料电池堆而非指特定的燃料电池堆。这可允许本文所公开的系统和方法选择第一、第二和/或第 N个燃料电池堆以基于任何合适的标准过渡到运行状态。这可包括寻求使燃料电池系统内的多个燃料电池堆的使用平衡的标准和/或寻求使燃料电池系统的电性能优化的标准，例如，在这样的燃料电池系统中，来自燃料电池堆的标称电输出在燃料电池系统内的N个燃料电池堆的两端改变，且特定的燃料电池堆可至少部分地基于对来自单独的燃料电池堆的净输出与由能量消耗装置所施加的负载的比较而被选定。此外，在本公开内容的范围内，即在从第一燃料电池堆的开始电输出之后，所述方法可包括在开始来自随后的燃料电池堆的电输出之前等候过渡条件被满足。该过渡条件可包括在开始来自随后的燃料电池堆的电输出的产生之前等候一阈值时间和/或等候第一燃料电池堆达到阈值电压水平。根据本公开内容的阈值时间的说明性的、非排他的实例包括大于1秒的时间，其中包括大于5、10、15、30、45、60、90、120、180、240、300和600秒的时间。根据本公开内容的阈值电压水平的说明性的、非排他的实例包括大于燃料电池堆的标称开路电压的50 %的电压水平，其中包括大于燃料电池堆的标称开路电压的60 %、70 %、 75%、80%、90%和95%的电压水平。在表1-5中提供了本文所公开的用于独立控制燃料电池堆的操作的系统和方法的更具体的但仍然是说明性的、非排他的实例。表1和表2参考了包括具有5，000瓦特的标称净系统功率输出的两个燃料电池堆的燃料电池系统的说明性的、非排他的实例。表1 涉及包括具有48伏特标称输出电压的蓄电池的能量存储装置，而表2涉及包括具有M伏特标称输出电压的蓄电池的能量存储装置。所给定的值可以但无须用于图6和图7中的方法流程图。表 权利要求
1.一种操作燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统包括适于提供氧化剂流的氧化剂源、适于提供燃料流的燃料源、适于存储电能并供应能量存储装置电输出的能量存储装置、 以及多个燃料电池堆，其中所述多个燃料电池堆适于接收所述燃料流和所述氧化剂流，并适于从其产生堆电输出，其中当主电源系统不能够为能量消耗装置供电时，所述燃料电池系统适于产生系统电输出以便为所述能量消耗装置供电，所述方法包括响应于系统开始条件，开始用所述燃料电池系统产生所述系统电输出，其中开始产生电输出包括从所述能量存储装置供应所述电输出；响应于第一堆开始条件，开始用所述多个燃料电池堆中的第一燃料电池堆产生电输出；响应于与所述第一堆开始条件不同的第二堆开始条件，开始用所述多个燃料电池堆中的第二燃料电池堆产生电输出；以及响应于堆停止条件，停止用所述多个燃料电池堆中的所述第一燃料电池堆和所述第二燃料电池堆中的至少一个产生电输出。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述系统开始条件包括检测到开始信号。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述系统开始条件包括检测到来自所述主电源系统的电输出的减少。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述系统开始条件包括检测到所述主电源系统不能满足由所述能量消耗装置施加的电负载。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述第一堆开始条件对应所述能量存储装置达到第一电荷水平，所述第二堆开始条件对应所述能量存储装置达到第二电荷水平，此外，其中所述第一电荷水平大于所述第二电荷水平。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述第一电荷水平对应所述能量存储装置的第一电压，所述第二电荷水平对应所述能量存储装置的第二电压，此外，其中所述能量存储装置的第一电压大于所述能量存储装置的第二电压。
7.如权利要求5所述的方法，其中所述第一堆开始条件对应所述能量存储装置达到所述第一电荷水平持续第一堆开始时间，以及所述第二堆开始条件对应所述能量存储装置达到所述第二电荷水平持续第二堆开始时间。
8.如权利要求1所述的方法，其中开始产生所述系统电输出包括开始产生所述堆电输出和所述能量存储装置电输出中的至少一个。
9.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括检测来自所述燃料电池系统的功率输出小于一阈值功率输出，以及至少部分地基于检测到的功率输出停止产生所述电输出。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述功率输出包括以下项中的至少一个来自所述燃料电池系统的总功率输出、来自所述燃料电池系统的净功率输出、以及来自所述多个燃料电池堆中的所述第一燃料电池堆和所述多个燃料电池堆中的所述第二燃料电池堆中的至少一个的总功率输出。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括在满足所述堆停止条件之后、在停止产生所述电输出之前，等候一阈值堆切断时间。
12.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括检测所述能量存储装置的电压大于堆切断电压阈值，以及至少部分地基于检测到的所述能量存储装置的电压停止产生所述电输出ο
13.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括检测所述主电源系统能够用来向所述能量消耗装置供应电输出，以及至少部分地基于检测到所述主电源系统能够用来向所述能量消耗装置供应电输出而停止产生所述电输出。
14.如权利要求13所述的方法，其中至少部分地基于检测到所述主电源系统能够用来向所述能量消耗装置供应电输出而停止产生所述电输出包括检测所述主电源系统能够用来向所述能量消耗装置供应所述电输出至少已达一阈值时间段。
15.如权利要求1所述的方法，其中所述能量存储装置包括蓄电池，该蓄电池适于供应蓄电池电输出，此外，其中开始产生所述系统电输出包括开始产生所述蓄电池电输出。
16.如权利要求1所述的方法，其中所述燃料电池系统包括燃料电池组，该燃料电池组包括适于产生燃料电池组件电输出的多个燃料电池组件，其中所述多个燃料电池组件中的每一燃料电池组件包括组件开始条件，其中所述多个燃料电池组件中的每一燃料电池组件包括多个组件燃料电池堆，其中所述多个组件燃料电池堆中的每一燃料电池堆包括组件堆开始条件和组件堆停止条件，此外，其中所述方法包括响应于所述组件开始条件开始用所述多个燃料电池组件中的每一个燃料电池组件产生组件电输出、响应于所述组件堆开始条件开始用所述多个组件燃料电池堆产生电输出，以及响应于所述组件堆停止条件停止用所述多个组件燃料电池堆产生电输出。
17.一种燃料电池系统，其适于产生系统电输出以便为能量消耗装置供电，所述燃料电池系统包括氧化剂源，其适于供应氧化剂流； 燃料源，其适于供应燃料流；多个燃料电池堆，其中所述多个燃料电池堆中的每一个适于接收所述燃料流和所述氧化剂流，并且适于从其产生堆电输出；能量存储装置，其包括一电荷状态并适于产生能量存储装置电输出； 能量消耗装置，其适于接收来自所述燃料电池系统的电输出；以及控制器，其适于控制所述燃料电池系统的操作，其中所述控制器适于响应于系统开始条件而开始产生所述系统电输出、响应于第一堆开始条件而开始用所述多个燃料电池堆中的第一燃料电池堆产生电输出、响应于第二堆开始条件而开始用所述多个燃料电池堆中的第二燃料电池堆产生电输出，以及响应于堆停止条件而停止用所述多个燃料电池堆的所述第一燃料电池堆和所述第二燃料电池堆中的至少一个产生电输出。
18.一种燃料电池系统组，其包括多个如权利要求17所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统组包括至少第一燃料电池系统和至少第二燃料电池系统。
19.如权利要求17所述的燃料电池系统，其中所述控制器被配置成选择地响应于系统开始条件而开始用所述燃料电池系统产生系统电输出，其中开始产生所述电输出包括从所述能量存储装置供应所述电输出；响应于第一堆开始条件，开始用所述多个燃料电池堆的第一燃料电池堆产生电输出； 响应于与所述第一堆开始条件不同的第二堆开始条件，开始用所述多个燃料电池堆的第二燃料电池堆产生电输出；以及响应于堆停止条件，停止用所述多个燃料电池堆的所述第一燃料电池堆和所述第二燃料电池堆中的至少一个产生电输出。
20.如权利要求17所述的系统产生电的用途。
21.如权利要求18所述的方法产生电的用途。
22.如权利要求19所述的方法产生电的用途。
全文摘要
本公开内容涉及用于独立地控制燃料电池堆的操作的系统和方法，并涉及并入相同的燃料电池堆的燃料电池系统。这些系统和方法可包括提供包括多个燃料电池堆和至少第一能量存储装置的燃料电池系统，以及至少部分地基于与燃料电池系统相关的变量和/或能量消耗装置来控制多个燃料电池堆的操作。这些系统和方法还可包括响应于开始条件开始用燃料电池系统产生电输出，响应于多个堆开始条件开始用多个燃料电池堆产生电输出，以及响应于至少第一堆停止条件停止用燃料电池堆产生电输出。
文档编号H01M10/44GK102460818SQ201080026034
公开日2012年5月16日 申请日期2010年6月11日 优先权日2009年6月12日
发明者塞恩·蕾亚·埃德米斯顿, 本杰明·查尔斯·格里诺 申请人:益达科技有限责任公司