基於利用率的燃料電池監測和控制的製作方法

2023-10-10 13:29:49

專利名稱：基於利用率的燃料電池監測和控制的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及燃料電池系統，且尤其涉及用於確定和控制燃料電池系統中的一個或更多變量的系統和方法。
背景技術：
電化學燃料電池是一種將燃料和氧化劑轉化為電、反應產物和熱的裝置。例如，燃料電池可以適用於將氫和氧轉化成水、電和熱。在這樣的燃料電池中，氫是燃料，氧是氧化劑，水是反應產物。燃料電池堆通常包括兩個或更多連接在一起成為一個單元的燃料電池，它們包含數組燃料電池。燃料電池堆可以加入到燃料電池系統中。燃料電池系統通常還包括燃料源， 例如燃料的供給和/或燃料處理器，其從一種或更多原料中產生用於燃料電池堆的氫氣或其他質子源。燃料處理器的例子是蒸汽重整器，其從水和含碳原料中產生氫氣。系統還可以包括用於存儲產生的電能的電池存儲單元和向燃料電池輸送氧的空氣源。需要控制燃料電池堆和燃料電池系統的其他部件來調整系統的操作，以用於例如防止破壞系統和/或有效地作業系統以響應操作條件的變化。

發明內容
本發明的公開內容涉及能量產生和消耗組件，以及用於監測燃料的使用和/或基於此燃料使用情況來控制操作燃料電池堆的方法。該能量產生和消耗組件可以包括適於在供給壓力下向燃料電池堆提供供給燃料的燃料源。燃料電池堆可以適於從至少一部分供給燃料中產生產量電流量的電流。控制系統可以適於檢測此燃料電池堆處的壓力，並至少部分地基於所檢測到的壓力來控制電流產量。該控制系統還可以適於通過控制由燃料電池堆產生的電流來將燃料利用率保持在預先確定的範圍內。能量產生和消耗的組件進一步可以包括適於施加負載到此燃料電池堆的能量存儲/消耗裝置。產量電流量可以通過主動控制此能量存儲/消耗組件和/或施加到此燃料電池堆的負載而被控制。該控制系統也可以適於通過額外的方式或可選擇的方式主動控制燃料源來控制產量電流量。在某些能量產生和消耗組件中，燃料利用率或每供給量所消耗的燃料數量可以隨著供給燃料的供給速度和施加到此燃料電池堆的負載變化。例如，在固定的供給燃料的供給速度下，施加的負載增大將增大電流的產量和燃料的消耗量，從而提高燃料的利用率。類似地，施加的負載減小將減小電流的產量和燃料消耗，從而降低燃料的利用率。在某些組件中，存在預先確定的最大燃料利用率以防止能量產生和消耗組件的汙染或對其的其他破壞。另外，也可以存在預先確定的最小燃料利用率以防止供給燃料的過度浪費。通過主動控制施加的負載來控制燃料的利用率可以便於改善響應率和更好地控制利用率。基於未使用燃料的流量，主動控制施加的負載與主動控制燃料源一起可以允許在寬範圍的操作條件下更好地控制燃料利用率。本發明提供了一種能量產生和消耗組件，包括燃料源，其適於在供給壓力下提供供給燃料；燃料電池堆，其包括至少一個燃料電池，其中所述燃料電池堆適於接收所述供給燃料並從所接收的供給燃料產生產量電流量的電流，以響應施加的負載；負載施加組件，其適於被控制以施加負載到所述燃料電池堆；以及控制系統，其適於檢測所述燃料電池堆處的壓力並基於所述檢測到的壓力以通過主動控制所述負載施加組件來控制所述電流產量。在本發明所提供的能量產生和消耗組件中，控制系統可進一步適於檢測產量電流量，基於所檢測到的壓力確定目標產量電流量，並基於所檢測到的產量電流量和所述目標產量電流量控制負載施加組件。當產生目標產量電流量時，燃料電池堆可適於消耗預先確定比例的供給燃料用於所檢測到的壓力。燃料電池堆消耗的供給燃料的所預先確定的比例可在大約70%到大約90%的範圍內。燃料電池堆消耗的供給燃料的所預先確定的比例可以是大約83%。燃料源可以適於被控制，並且控制系統可進一步適於檢測產量電流量，適於確定目標產量電流量，並適於控制燃料源以基於目標產量電流量在供給壓力下提供供給燃料。控制系統可進一步適於基於目標產量電流量和所檢測到的壓力確定供給燃料的目標流量。燃料源可適於從一種或更多原料中產生供給燃料，並且控制系統可進一步適於基於供給燃料的所確定的目標流量來控制燃料源的操作。 控制系統可適於通過利用等式F =火V 確定未使用燃料的流量，此處F是所述未使用燃料的流量，K是常數，P是壓力。所述的能量產生和消耗組件可進一步包括壓力調節器，其適於主動地控制供給壓力，其中控制系統可適於控制壓力調節器以將供給壓力維持在預先確定的閾值壓力下。燃料源可包括燃料處理器，其適於從至少一種原料中產生供給燃料。控制系統可適於控制由燃料處理器產生的供給燃料的產量以將供給壓力維持在第一閾值之下，並可適於控制由燃料電池堆產生的電流產量以將供給壓力維持在第二閾值之上。燃料電池堆可適於在出口壓力下，從出口孔基本上連續地排出未使用燃料，並且由控制系統檢測到的壓力可包括出口壓力。本發明還提供了一種能量產生和消耗組件，包括燃料源，其適於在供給壓力下提供供給燃料；燃料電池堆，其包括至少一個燃料電池，其中所述燃料電池堆適於在所述供給壓力下接收來自所述燃料源的供給燃料，並適於使用至少一部分所接收到的供給燃料來產生產量電流量電流，以響應外加負載；
負載施加設備，其適於被控制以施加負載到所述燃料電池堆；以及控制系統，其適於檢測所述燃料電池堆處的壓力，適於確定目標產量電流量，在所述目標產量電流量下，所述燃料電池堆消耗預先確定比例的所述供給燃料用於所述檢測到的壓力，適於基於所述目標產量電流量控制所述燃料電池堆的操作；以及適於通過主動控制所述負載施加設備來控制所述產量電流量。本發明還提供的能量產生和消耗組件中，燃料電池堆消耗的供給燃料的所預先確定的比例可在大約70%到大約90%的範圍內。控制系統可進一步適於基於目標產量電流量和所檢測到的壓力確定供給燃料的目標流量，其中燃料源適於被控制以從一種或更多原料中產生供給燃料，並且其中控制系統適於基於供給燃料的所述目標流量來控制使用由燃料源提供的原料。燃料源可包括燃料處理器，所述燃料處理器適於產生供給燃料，並進一步其中控制系統可適於控制由所述燃料處理器產生的供給燃料的產量以將所述供給壓力維持在第一閾值之下，並可適於控制所述燃料電池堆產生的電流以將所述供給壓力維持在第二閾值之上。燃料電池堆可適於間歇地排出未使用燃料。燃料電池堆可適於在出口壓力下，從出口孔基本上連續地排出未使用燃料，並且其中由控制系統檢測到的壓力包括所述出口壓力。本發明提供了一種操作能量產生和消耗組件的方法，包括在供給壓力下產生供給燃料；施加氧化劑和所述供給燃料到燃料電池堆，所述燃料電池堆包括至少一個燃料電池，以及其適於由此產生產量電流量的電流；施加負載到所述燃料電池堆以從所述燃料電池堆提取電流；檢測所述燃料電池堆處的壓力；以及 基於所檢測的壓力，通過主動控制施加到所述燃料電池堆的所述負載控制所述產
量電流量。本發明所提供的方法可進一步包括基於所檢測的壓力，確定未使用燃料的流量， 其中確定未使用燃料的流量包括解方程F = Kyfp ,此處F是所述未使用燃料的流量，K是常數，P是所檢測的壓力。所述的方法可進一步包括檢測產量電流量和確定目標產量電流量，在所述目標產量電流量下，燃料電池堆可消耗預先確定比例的供給燃料用於所檢測到的壓力，並且其中控制產量電流量是至少部分地基於所確定的目標產量電流量。所述的方法可進一步包括基於目標產量電流量和所檢測到的壓力，確定供給燃料的目標流量，以及基於供給燃料的目標流量控制供給燃料的產量。產生供給燃料可包括從一種或更多原料中產生供給燃料，以及所述的方法可進一步包括基於供給燃料的目標流量來控制使用原料。在目標產量電流量下，供給燃料消耗的所預先確定的比例可在大約70%到大約 90%的範圍內。在目標產量電流量下，供給燃料消耗的所預先確定的比例可以是大約83%。施加負載到燃料電池堆可包括從燃料電池堆中引出電流到負載施加組件。
所述的方法可進一步包括在出口壓力下，通過出口孔從燃料電池堆基本上連續地排出未使用燃料，並且其中所述燃料電池堆處的檢測壓力包括檢測到的所述出口壓力。產生供給燃料可包括從一種或更多原料中產生供給燃料；並且所述的方法可進一步包括以適於將供給壓力維持在第一閾值之下的方式控制供給燃料的產量，並以適於將供給壓力維持在第二閾值之上的方式控制由燃料電池堆產生的電流產量，所述第二閾值比所述第一閾值小。本發明還提供了一種操作能量產生和消耗組件的方法，包括在供給壓力下，提供供給燃料；施加氧化劑和所述供給燃料到燃料電池堆，所述燃料電池堆包括至少一個燃料電池；由所述燃料電池堆產生產量電流量的電流；檢測所述燃料電池堆處的壓力；確定目標產量電流量，在所述產量電流量下，所述燃料電池堆消耗預先確定比例的所述供給燃料用於所檢測到的壓力；以及基於所述目標產量電流量控制所述燃料電池堆的所述操作。本發明還提供的方法可進一步包括施加負載到燃料電池堆，並且其中控制燃料電池堆的操作包括主動地控制施加到燃料電池堆的所述負載。提供供給燃料可包括以在供給壓力下產生供給燃料的方式施加一種或更多原料到燃料處理器裝置，並且所述的方法可進一步包括至少部分基於目標產量電流量控制燃料處理器裝置的操作。所述的方法可進一步包括從燃料電池堆間歇地排出未使用燃料。所述的方法可進一步包括在出口壓力下，通過出口孔從燃料電池堆基本上連續地排出未使用燃料，並且其中檢測燃料電池堆處的壓力包括檢測所述出口壓力。在供給壓力下供給供給燃料可包括從一種或更多原料中產生燃料；以及所述的方法可進一步包括以適於將供給壓力維持在第一閾值之下的方式控制供給燃料的產量，並且以適於將供給壓力維持在第二閾值之上的方式控制由燃料電池堆產生的電流產量，所述第二閾值比所述第一閾值小。


圖1是燃料電池以及相關的燃料源、氧源和能量存儲/消耗組件的示意圖。圖2是包括燃料電池堆、燃料源、控制系統和能量存儲/消耗組件的能量產生和消耗組件的示意圖。圖3是包括燃料電池堆、燃料源、控制系統和能量存儲/消耗組件的能量產生和消耗組件的另一個實施例的示意圖。圖4是包括燃料電池堆、燃料源和控制系統的能量產生和消耗組件另一個實施例的示意圖。圖5是如圖4所示的能量產生和消耗組件的另一個實施例的示意圖。圖6是用於示例性的能量產生和消耗組件的氫壓力、重整器輸出、燃料電池堆負載和燃料電池輸出電流的示例性曲線圖。
7
圖7是通過燃料電池出口孔的未使用燃料的流量隨所檢測到壓力變化的實施例的曲線圖。圖8是燃料電池堆處檢測到的未使用燃料的目標壓力隨燃料電池堆電流變化的實施例的曲線圖。圖9是當燃料電池利用率被維持在預先確定的利用率且所檢測到的壓力被維持在圖7所示的檢測到的壓力範圍內時，未使用燃料的流量隨堆電流變化的曲線圖。圖10是當燃料電池堆處所檢測的壓力被維持在圖7所示的檢測到的壓力範圍內時，燃料電池堆的燃料利用率隨堆電流變化的曲線圖。詳細描述和本公開內容的最佳實施方式如前所述，公開了控制燃料電池堆操作的方法和系統。正如此處所使用的，燃料電池堆包括一個或更多燃料電池，無論是單電池還是成組的燃料電池，且通常包括在公共端板之間連接的多個燃料電池。燃料電池系統包括一個或更多燃料電池堆和至少一個向燃料電池堆提供燃料的燃料源。另外，能量產生和消耗組件包括一個或更多燃料電池堆，至少一個向燃料電池堆提供燃料的燃料源，和至少一個適於向此燃料電池堆施加負載的能量存儲 /消耗組件。隨後討論的燃料電池堆和系統與多種不同類型的燃料電池相一致，例如質子交換膜(PEM)燃料電池、鹼性燃料電池、固態氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、磷酸燃料電池以及類似物。為了說明的目的，圖1示意性地闡釋了 PEM燃料電池形式的示例性燃料電池20。此燃料電池可以被描述為形成通常以22標示的燃料電池系統的一部分，和/或通常以M標示的燃料電池堆的一部分。質子交換膜燃料電池通常利用膜-電極組件沈，其包括位於陽極區30和陰極區32之間的離子交換膜或電解質膜觀。每個區30和32分別包括電極34，即陽極36和陰極38。每個區30和32還包括支撐物39，例如支撐板40。支撐物39可以形成雙極板組件的一部分，這裡對其進行更加詳細的討論。燃料電池20的支撐板40帶有燃料電池產生的相對電動勢。在操作中，燃料42被供給到陽極區，而氧化劑44被供給到陰極區。燃料42還可以被稱為供給燃料42。通常地，但並不唯一地，用於電池20的燃料是氫，並且，通常地，但不唯一的氧化劑是氧。正如這裡使用的，氫指氫氣且氧指氧氣。雖然在本發明的範圍內可以使用其它燃料和/或氧化物，但以下討論中可以把燃料42當作氫42，把氧化物44當作氧 44。氫42和氧44可以通過任何合適的方法從各自的源46和48被輸送到此燃料電池的各區內。用於氫42的合適的燃料源46的例子包括至少一個加壓罐、氫化物床或者其它合適的氫存儲裝置，和/或產生含氫氣流的燃料處理器。氧44的合適的燃料源48的例子包括裝有氧或空氣的加壓罐，或鼓風機、壓縮機、吹風機或其它用於將空氣引向陰極區的裝置。氫和氧通常通過氧化-還原反應彼此混合。雖然膜觀限制氫分子穿過，但卻允許氫離子(質子)穿過其間，這主要是由於膜的離子傳導性。氧化-還原反應的自由能驅動來自氫氣的質子穿過離子交換膜。還因為膜觀往往不是電的導體，所以外電路50是剩餘電子的最低能量路徑，並且在圖1給出了示意性說明。在實際應用中，燃料電池堆通常包括具有雙極板組件的多個燃料電池，該雙極板組件將相鄰的膜-電極組件隔開。雙極板組件基本上允許自由電子經由雙極板組件從第一電池的陽極區移動到相鄰電池的陰極區，由此在堆上形成用於滿足外加負載的電勢。電子的這種淨流產生了可以用於滿足外加負載的電流，該負載如來自能量消耗裝置、能量存儲裝置、燃料電池系統本身、能量存儲/消耗組件等中的至少一個。如圖1中通常以56標明的能量產生和消耗組件，包括至少一個燃料電池系統22 和至少一個能量存儲/消耗組件52，此能量存儲/消耗組件適於施加負載到此燃料電池系統或施加到其上，並且能量存儲/消耗組件在這裡還可以被稱為負載施加組件。至少一個能量存儲/消耗組件52可以採用電連接方式連接到此燃料電池，或者更通常地說，連接到燃料電池堆。組件52施加負載到電池/堆/系統，並由此流出電流以滿足負載。此負載可以被認為是外加的負載，並且可以包括熱負載和/或電負載。這裡使用的術語「能量存儲和消耗組件」和「負載施加組件」可以被相互交換地指適於施加負載到燃料電池、燃料電池堆、或燃料電池系統上的一個或更多部件。負載施加組件(或能量存儲/消耗組件)52可以包括至少一個能量存儲裝置86。另外地或可選擇地，負載施加組件52可以包括至少一個能量消耗裝置84。能量存儲/消耗或負載施加組件52中所含部件的可能的示例包括機動車、休閒車輛、船隻和其他海上船舶，以及或更多住所、商業性的辦公室或者建築物、小區、 工具、燈具和照明組件、電器、計算機、工業設備、信號和通信設備、蓄電池、逆變器的任何組合，甚至堆M形成其一部分的燃料電池系統的電廠平衡(balance-of-plant)電需求。負載施加組件52可以包括適於施加負載到燃料電池系統的附加的和/或不同的部件。在陰極區32內，來自外電路的電子和來自膜的質子與氧結合生成水和熱量。圖1 還顯示了可以包含氫氣的陽極淨化流或排放流54和陰極廢氣流55，如果氧氣沒有被基本上耗盡的話，那麼該廢氣流通常是至少部分被消耗的氧。應該理解，燃料電池堆M通常具有共同的氫(或其他反應物)供給、進氣、和堆淨化和排放流，因此將包括合適的流體管道， 用於輸送相關的流到單獨的燃料電池以及收集來自這些單獨的燃料電池中的流。類似地， 任何合適的方法可以被用於選擇性地淨化該區域。如前面所討論的，很多燃料電池堆利用氫氣作為反應物或燃料。因此，燃料電池堆 M可以與氫氣42的源46 (以及相應的輸送系統和電廠平衡部件)相連接以形成燃料電池系統。燃料電池系統的示例在圖2中示意性的說明。如前面關於圖1所討論的，氫氣42的源46的例子包括容納存儲的供給氫氣的存儲裝置62，如圖2中虛線所標示的。合適的存儲裝置62的例子包括加壓罐和氫化物床。另外的或可選的氫氣42的源46是來自產氫燃料處理器的產物流，其通過使供給流起反應以產生包含氫氣42的流或以產生反應產物來生成氫，該反應產物來自諸如在一步或更多步淨化步驟後形成的含氫氣42的流。如圖2實線所示，燃料電池系統22包括至少一個燃料源46，例如燃料處理器64， 和至少一個燃料電池堆24。燃料處理器64適於從包含一種或更多原料的給料流68中產生含氫氣42的產物氫氣流66。該燃料電池堆適於從部分被輸送至此的產物氫氣流中產生電流。在此示例中，單獨的燃料處理器64和單獨的燃料電池堆對被顯示出；然而，可以使用多於一個的這些部件中的任一個或兩個。雖然這些部件已被示意性地圖示，但是燃料電池系統可以包括在圖中未明確示出的附加部件，例如空氣輸送系統、換熱器、傳感器、流量調節裝置、加熱組件以及類似物。還如圖所示，氫氣可以從一個或更多燃料處理器64和存儲裝置62被輸送到堆M中，並且來自燃料處理器的氫可以被輸送到一個或更多存儲裝置和堆M中。流66中一些或全部流可以通過合適的管道附加地或可選擇地被輸送以用在其他耗氫過程，用於燃料的燃燒或加熱或者存儲起來稍後使用。燃料處理器64包括由一股或更多供給流中產生氫氣的任何合適的設備。因此，燃料處理器64可以被描述為包括產氫區域70，在此區域內，至少主要由氫氣組成的流從一股或更多供給流中產生。用於從供給流68中產生氫氣的合適的方法的例子包括蒸汽重整和自熱重整，其中重整催化劑用於從包含水和至少一種含碳原料的供給流中產生氫氣。用於產生氫氣的其他合適的方法包括高溫分解(pyrrolysis)和含碳原料經催化的部分氧化， 在此方法中供給流不含水。用於產生氫氣的另一種合適的方法是電解，在此方法中原料是水。合適的含碳原料的例子包括至少一種碳氫化合物或醇。合適的碳氫化合物的例子包括甲烷、丙烷、天然氣、柴油、煤油、汽油和類似物。合適的醇的例子包括甲醇、乙醇和多羥基化合物，例如乙二醇和丙二醇。供給流68可以通過任何合適的裝置和/或通過任何合適的原料輸送系統被輸送到燃料處理器64中。雖然圖2中以實線顯示出只有單股供給流68，但在本發明的範圍內， 可以使用多於一股的流68(如虛線所示意性說明的)，這些流可以包含相同的或不同的原料。這裡所用的術語「燃料處理組件」可以用於指燃料處理器和燃料電池系統的相關部件， 例如原料輸送系統、加熱組件、分離和/或淨化區或裝置、空氣輸送系統、燃料輸送系統、流體管道、換熱器、燃料處理器控制器等。所有這些示例性的部件並不要求被包括在任何燃料處理組件中或與任何依據本發明公開內容的燃料處理器一起使用。類似地，可以包括或使用其他的部件。在很多應用中，期望燃料處理器產生至少基本上純的氫氣。因此，燃料處理器可以利用固有的產生足夠純的氫氣的方法。可選擇地，燃料處理器組件和/或燃料處理器可以包括一個或更多合適的淨化或分離裝置，其將雜質從燃料處理器產生的氫氣中去除。當區域70不能產生純氫氣時，流66可以包括一種或更多這種示例性的雜質如一氧化碳、二氧化碳、水、甲烷和未反應的原料。作為另一個例子，此燃料處理系統或燃料電池系統可以包括燃料處理器下遊的一個或更多淨化和/或分離裝置。圖2給出了示意性的說明，其中分離區72如虛線所示。當燃料處理器64包括分離區72時，產氫區域可以被描述為產生包括氫氣和其他氣體的混合氣體流，其中氫氣通常是此混合氣體流的主要成分。許多合適的分離區域將從此混合氣體流中產生至少一種產物流，如流66，其包含至少基本上純的氫氣和至少一種包含至少相當部分其他氣體的副產物流。混合氣體流和副產物流分別以74和76示意性地圖示在圖2中。分離區域或者數個分離區域可以與產氫區一起被容納在共同的外罩內，此外罩連接到燃料處理器或位於與燃料處理器分開的位置(但仍然與此流體相通)。分離區域72可以利用任何方法或裝置以增加氫氣的純度和/或降低可能與氫氣混合在一起的一種或更多其他氣體(如一氧化碳和/二氧化碳)的濃度。合適方法的示例包括化學分離方法和物理分離方法中的一種或多種，在化學分離方法中，一種或更多這些其他氣體被選擇性地吸收或反應，由此從氫氣中分離，在物理分離方法中，吸附材料或膜分離元件用於將混合氣體流選擇性地分成至少一種產物流和副產物流。合適的物理分離方法包括壓力驅動分離方法，在此方法中，利用混合氣體區域和分離區域的至少一個滲透區域或產物區域之間的壓力差驅動此分離過程，使混合氣體流在壓力作用下被輸送至與合適的
10分離元件接觸。示例性的化學分離方法是使用甲烷化作用催化劑以選擇性地降低流74中存在的一氧化碳的濃度。其他示例性的化學分離方法包括一氧化碳的部分氧化以生成二氧化碳和進行水-氣轉換反應(以從水和二氧化碳生成氫氣和二氧化碳)。合適的壓力驅動分離方法的非唯一的例子包括使用一種或更多氫選擇性膜和使用壓力互換吸附系統。合適的氫選擇性膜的示例包括由鈀或者鈀合金形成的膜，如鈀和銅或銀的合金。薄的、平面的氫滲透膜優選地含有鈀合金，最特別含有含銅35wt%至45wt%， 如含銅約40wt %的鈀。這些膜，也被稱為氫選擇性膜，一般由約0. 001英寸厚的薄金屬箔片製得。然而，在本發明的範圍內可以由不同於上述討論的那些氫選擇性金屬和金屬合金、可滲透氫和選擇氫的陶瓷、或碳組合物製得。這些膜的厚度可以大於或小於上述厚度。例如， 膜厚度可以伴隨成比例的氫氣流量的增加而製得更薄。氫滲透膜可以設置成任何適合的結構，如按照引用的專利申請中公開的在共用滲透通道周圍成對排列。氫滲透膜或多個膜也可以採取其他結構，例如按照引用的專利中公開的管狀結構。用於分離區域72的合適結構的例子是膜模塊，其包含一個或更多氫滲透膜。合適的氫選擇性膜的例子、用於形成和利用這些膜的方法以及包含一個或更多氫選擇性膜的分離裝置在美國專利US6319306、US6537352和US6562111中被公開，出於所有目的， 其全部內容這裡一併引入作為參考。用於分離區72的適合的壓力分離方法的另一個例子是壓力互換吸附法(PSA)。在壓力互換吸附(PSA)方法中，氣態雜質被從含氫氣的氣流中除去。PSA是基於在合適的溫度和壓力條件下，某些氣體會比其他氣體被更牢固地吸附到吸附材料上的原理。通常，雜質被吸附從而從此混合氣體流中除去。在燃料電池系統的背景下，燃料處理器優選地適合於產生基本上純的氫氣，並且更加優選地，燃料處理器適合於產生純的氫氣。為了本發明公開內容的目的，基本上純的氫氣是大於90%的純度，優選的是大於95 %的純度，更優選的是大於99 %的純度，甚至更優選的是大於99. 5%的純度。合適的燃料處理器的示例性的，但不唯一的例子公開在美國專利US6221117、US5997594、US5861137和待審的美國專利申請公開號No. 2001/0045061中。 上述專利和專利申請的全部內容在這裡一併引入作為參考。圖2也示意性地描述了燃料電池系統22可以(但並不必須地)包括至少一個能量存儲裝置78。裝置78適於存儲由燃料電池堆M產生的至少一部分電流。更具體地說， 電流可以建立儲備，其可以稍後用於滿足例如由能量存儲/消耗組件52和/或燃料電池系統22施加的負載。能量存儲/消耗組件52可以適於施加自身的負載到一個或者更多堆對和能量存儲裝置78。合適的能量存儲裝置78的示例是蓄電池，但也可以使用其他裝置。 能量存儲裝置78可以附加的或可選擇的被用於在系統啟動過程中向燃料電池系統提供動力。在本發明的範圍內，能量存儲裝置78可以適於施加負載到燃料電池堆24。在這種情況下，能量存儲裝置78是負載施加組件或能量存儲/消耗組件的另一個示例或其部件的另一個示例。在本發明的範圍內，能量產生和消耗組件56包括多於一個的負載施加組件52。圖2還顯示了具有控制器82的控制系統80，其適於控制能量存儲/消耗組件52 的操作以及還適於控制燃料電池堆M和/或燃料源46的操作。能量產生和消耗組件56 的性能被調整和自動調節以響應操作參數和由控制系統80檢測到的操作參數的變化。
圖2中闡釋的控制器82作為單元被執行。其也可以被當作單獨的控制器被執行， 例如用於能量存儲/消耗組件的控制器，用於燃料電池堆的控制器和用於燃料源的控制器。然後，這樣的單獨控制器可以通過合適的通信連結彼此通信。控制系統80可以包括一種或更多模擬電路或數字電路、作為軟體存儲在存儲器中的用於運行程序的邏輯單元或處理器，並且如上所述，可以包括一個或更多彼此通信的分離單元。在圖2所示的示例中，控制器82通過通信連結94與能量存儲/消耗組件52通信， 並可以通過合適的通信連結96和98與燃料電池堆M和燃料源46通信。其他未顯示的連結也可以使用。例如，可以是到氧源48、氫存儲裝置62等的連結。連結94、96、98能夠與控制器至少單向通信。可選擇地，一種或更多這些連結能夠與控制器雙向通信，由此能夠使控制器測量或監測組件52、堆M和源46的選定值或選定變量，同時還控制這些單元的操作， 通常響應所測量到的值中的一個或多個。這些連結可以包括任何合適的界面、執行元件和 /或傳感器來實現所期望的監測和控制。控制系統80還可以包括傳感器、開關、反饋機構、 其他電迴路和/或機械迴路以及類似物或者可以與其通信。可以被檢測到的燃料電池堆M 的數值包括此堆中一處或更多點處的壓力、堆電流、堆電壓、外加負載、燃料供給壓力、未使用燃料的流量、未使用燃料的壓力、堆溫度、水傳導率、空氣流量和排放條件。可以被監測的用於燃料處理器64形式的燃料源46的數值的例子包括燃料處理器的操作模式、原料的供給量、產生氫氣的速度、操作溫度、產生燃料的化學反應的化學定量關係。氧源48的監測值的例子是空氣被供給到燃料處理組件和燃料電池堆的速度。當氧源48被合併到燃料源和/或燃料電池堆中的任意一個或兩個中時，它的操作和測量通常將被合併到用於單元的相應的連結中，該單元合併了氧源。可以在能量存儲/消耗組件52中被監測的數值的例子是施加到燃料電池堆的外加負載。並不是所有這些數值都是必須的要素，其他的數值也可以被測量，這取決於能量產生和消耗組件的具體要求和結構、組件的複雜程度、所期望的控制程度、和具體使用者的偏好。控制系統80將結合下面的附圖得到更加詳細的描述。燃料處理器操作的通常模式或狀態包括啟動、停止、空轉、運行(主動的，產生氫) 和關閉。在關閉操作狀態，燃料處理器不產生氫氣並且不被維持在用於產生氫氣的合適的操作條件下。例如，燃料處理器可以不接收任何的供給流，可以不被加熱等。在啟動操作狀態，燃料處理器從關閉狀態轉換到其運行操作狀態，此時燃料處理器處於其期望的產生氫氣的操作參數下，其接收原料並由此產生多於名義氫氣流量用於輸送到燃料電池堆和/或氫存儲裝置。因此，在啟動狀態，燃料處理器被恢復到用於產生氫氣的期望的操作條件下，例如溫度和壓力。例如，雖然在這些範圍之外的溫度和壓力也在本發明的範圍之內，但流重整器形式的燃料處理器通常在200°C到800°C的溫度範圍內和50磅 /英寸2到1000磅/英寸2(壓力表)的壓力範圍內操作，例如取決於所使用燃料處理的具體的類型或結構。在待命或空轉操作狀態下，燃料處理器不產生任何的氫氣，或者可以產生名義流量的氫氣，其中此流量通常不被輸送到燃料電池堆或氫存儲裝置中。相反，所產生的任何氫氣(或其他輸出流)通常被排除或用作鍋爐或其他加熱組件的可燃燒的燃料，這些裝置和組件適於將燃料處理器維持在用於產生氫氣的合適的溫度或此溫度附近或在溫度的選定範圍內。然而，在空轉操作狀態下，燃料處理器通常被保持在用於產生氫氣的期望的操作參數上，從而當出現一種或更多預先確定的操作條件時，燃料處理器可以被恢復到其運行操作狀態。在本發明的範圍內，在空轉操作狀態下，當出現以上討論的名義流量的氫時，該名義流量的氫足以產生充足的電流以向燃料電池系統供電和/或為系統的能量存儲裝置進行再充電。在停止操作狀態中，燃料處理器例如從其運行或空轉操作狀態被轉換到其關閉操作狀態。圖3是能量產生和消耗組件56的示意圖，其適於包括燃料電池堆對、燃料源46和控制系統80。具有供給壓力Pl的供給燃料42，如供給流量Fl從燃料源46流到燃料電池堆M的陽極區。堆M處理流量Fl的至少一部分F3以產生電能。被稱為流量F2的剩餘未使用的燃料作為排出流M通過至少一個出口孔90從堆中排出。因此，燃料電池堆M中的燃料流量可以由公式Fl = F2+F3表示。從燃料電池堆M排出未使用的燃料可以是連續地或可以是間歇地。在任意一個實施方案中，未使用燃料F2的產生可以被認為是連續流，儘管通過流M的物理排放可以是唯一的間歇排放。在未使用燃料F2的間歇地物理排放的情況下，未使用的燃料流在排出之前，聚集在燃料電池堆M中。間歇排放之間的時間可以被設定為預先確定的時段或可以通過控制器82或其他控制器被控制系統80控制。燃料電池堆對通過合適的導體88或一系列的導體或電路以電連接方式連接到能量存儲/消耗組件52。如上面討論的，能量存儲/消耗組件52可以包括一個或更多能量消耗裝置84和/或一個或更多能量存儲裝置86。如這裡討論的，能量存儲/消耗組件52可以適於施加外加負載到燃料電池堆對。如所說明的，控制器82適於通過連結104與壓力表106通信，壓力表適於檢測排出流M中從燃料電池堆中排出的未使用燃料的壓力P2。壓力表106也可以適於檢測燃料電池堆M中的未使用燃料(累積)的壓力P2，例如在間歇的排出結構中。如這裡所使用的，涉及檢測出口壓力P2的壓力表106或者其他涉及出口壓力P2的壓力表旨在指或者是排出流M中的壓力或者是燃料電池堆處的壓力，這取決於能量產生和消耗組件的結構。類似地，控制系統80可以包括與壓力表102通信的連結100，壓力表102適於檢測以供給流量Fl表示的供給燃料42的壓力。壓力表102可以適於檢測燃料電池堆進口處的壓力Pl以檢測燃料電池堆M內的壓力變化。至於壓力表106和出口壓力P2，根據能量產生和消耗組件的結構，這裡涉及的壓力表102和供給壓力Pl旨在指或者是燃料電池堆處或者是燃料電池堆和燃料源之間所檢測到的壓力。在根據本發明公開內容的能量產生和消耗組件56的某些實施例中，包括那些具有未使用燃料的連續排出，穿過燃料電池堆M的壓力降是最小的。因此，供給壓力P1，出口壓力P2和燃料電池堆的壓力可以是基本上相同的。類似地，在間歇排出組件中，由於施加到燃料進口的背壓，燃料電池堆內的壓力可以與供給壓力Pl基本上相同。因此，雖然這裡的附圖和描述可能具體參考出口流量、出口壓力、供給壓力、供給流量、燃料電池堆壓力等， 但是所有這些參考和描述旨在通常指燃料電池堆處，或者在堆內或者與堆流體相通處測得的壓力或流量。正如下述討論，在本發明的範圍內，涉及到的燃料電池堆處的壓力和/或流量包括供給流Fl上的減壓閥或壓力調節器之前或之後測量的壓力或流量。因此，在本發明的範圍內，與燃料電池堆有關的壓力和/或流量可以在其被輸送到堆之前和/或被從堆中排出之後被測量。下面描述的具體實施例只是示例性的。
控制系統80和控制器82可以包括控制器和連結。另外，並不是所有的這些示例性的通信連結和相互關聯都是必須的。作為示例性的但不排除的例子，某些具體實施方案可以不測量供給燃料的壓力和/或其中可以沒有與能量源連接的連結。如上述討論的，能量產生和消耗組件56和燃料電池系統22可以適於以不同的模式從燃料電池堆M中排出未使用的燃料。這些模式包括至少一種連續的流出模式和間歇的或基於淨化的模式。在連續的流出模式中，在由燃料電池堆產生電流的過程中，未使用的燃料被連續並同時地從燃料電池堆M中排出。在一種間歇的模式中，未使用的燃料被周期性地排出，並可以一種趨向於淨化燃料電池堆的方式排出。在以連續的流出模式操作的某些燃料電池系統22中，出口孔90可以具有固定尺寸和/或流動特徵(包括具有尺寸和流動特徵結合的孔的組合)以適合一種具體的應用， 並且出口壓力和流量取決於被燃料電池消耗的供給壓力和流量。作為一個實施例，可以使用直徑尺寸小於0. 1英寸，例如直徑0. 033英寸，或直徑在0. 02-0. 07英寸範圍內的別的選定(總體)尺寸的出口孔。雖然已經提及具有特定直徑的圓孔，但作為單一的孔或者組合形式的孔的出口孔可以具有適合在特定系統和/或應用場合中使用的任何適當的單獨的和/ 或總體的橫截面尺寸、形狀和/或流量特徵。在以連續的流出模式操作的燃料電池系統22的另一個實施例中，控制系統80可以適於控制一個或更多出口孔中的至少一個的尺寸。如圖3中的示意性說明，控制器82可以任選地通過通信連結97連接到出口孔90。在這樣的實施例中，出口孔90可以包括孔調節閥92。通過控制出口孔的尺寸，排出流M中的未使用燃料的流動速度被控制，並且出口壓力P2也被控制。在某些燃料電池系統22中，出口壓力中的變化產生了供給壓力Pl中相應的變化。對出口孔尺寸的控制是主動控制能量產生和消耗組件的變量以影響至少一個其他部件的功能的方式中的一個實施例。例如，減小出口孔90的尺寸降低了排放速度，在某些組件中，這可以降低利用率。雖然這裡僅涉及如出口孔，但在本發明的範圍內，可以使用多於一個的孔，和/或兩個或更多個出口或可以被統稱為出口孔的其他孔。在以間歇模式操作的某些燃料電池系統22的實施例中，孔90在未使用燃料的排放間歇之間被保持關閉或至少基本上關閉。然後操作燃料電池堆使得燃料以匹配或接近匹配消耗的速度被供應。在燃料電池的淨化或排放過程中，閥92可以完全打開以使燃料可以迅速地流動過出口孔90。雖然不是必須的，但是淨化之間的間歇期可以比排放的持續時間更長。如一個實施例，每操作燃料電池堆三十秒，就進行一秒鐘的淨化。如果每次淨化過程中排放一升的燃料，以及在兩次淨化之間產生電流的過程中消耗49升的燃料，那麼燃料電池堆就利用了 98%的燃料。這樣，燃料電池堆可以被描述為具有98%的燃料利用率。在某些燃料電池系統中，每次的淨化持續時間、淨化頻率，或者兩者都是可以變化的，例如通過通信連結97將控制器82連接到出口孔90。淨化頻率和/或淨化持續時間的變化可以提供對燃料利用率的控制。對於給定的燃料電池系統的操作條件來說，淨化持續時間或淨化頻率中任何一個的增加都會造成燃料利用率相應的降低。在另一個實施例中， 可以改變淨化頻率和/或淨化持續時間以維持選定的利用率水平。例如，在降低的燃料電池堆的燃料消耗水平或在降低的供給燃料壓力Pl下，淨化可以是較短的持續時間和/或降低的頻率。相反地，在高的燃料電池堆的燃料消耗水平和/或高的供給燃料壓力下，淨化可以是較長的持續時間和/或增加的頻率。這種間歇的淨化操作被包括在本發明的範圍內， 在這種間歇操作中，淨化頻率或淨化持續時間基於能量產生和消耗組件的一個或更多變量如燃料電池堆的燃料消耗量或燃料電池堆產生的電流被主動控制。如上述所討論的，控制系統80可以被設定為監測能量產生和消耗組件的一個或更多變量，包括與燃料源、燃料電池堆或者能量存儲/消耗組件相關的值。「相關」的意思是控制系統(和/或控制器)適於測量、計算、或其他直接或間接地檢測相應的流或部件的變量。所測量的變量值可以被直接輸入到控制系統中。然而，在本發明的範圍內，控制系統 (和/控制器)適於接收代表所測的變量值的輸入或接收由所測的變量值得出的輸入，如它的數字表示，基於其閾值或預先值的表示變量值的誤差信號，所測量變量的標準值或刻度值(scaled value)等。如這裡更詳細的討論，控制器可以適於控制燃料電池系統的一個或更多功能性部件的操作，例如操作燃料處理器和燃料電池堆以響應(至少部分地)變量，如與氫氣流相關的變量。雖然給定的變量可能與特定的部件更加緊密相關，但是變量可以直接或間接地影響兩個或更多部件。例如，到燃料處理器的原料流的壓力可能與燃料源緊密相關，但會間接地影響燃料電池堆產生電流的能力。如這裡所使用的，影響兩個或更多功能性部件的變量可以被稱為「共同變量」，其也可以被稱為共享變量或共有變量。這種變量的示例(非唯一的)是氫氣(或其他燃料)流66的壓力，其由燃料處理器產生並被燃料電池堆消耗。繼續參照圖3，在本發明的某些結構中，控制系統80可以適於控制燃料電池系統的操作，燃料電池系統包括至少部分基於變量的燃料源46和燃料電池堆M，變量可以是源 46和堆M共同的或與它們都相關的。更具體地，控制系統80可以適於至少部分響應與變量值相關的輸入，控制燃料處理器和燃料電池堆的操作狀態。這種控制可以不只是簡單地停止或啟動系統來響應超過特定閾值的變量值。例如，控制系統80可以適於監控變量並將燃料電池系統保持在主動操作狀態，在這種狀態下，燃料處理器產生燃料(如氫氣)，而燃料電池堆接收燃料和氧化劑並產生電流，如用於滿足外加負載。控制系統可以適於調整燃料處理器和燃料電池堆的主動操作狀態，以將燃料電池系統保持在至少部分基於代表變量的測量值的主動操作狀態。這種控制可以包括一種或更多對燃料電池系統外加負載的限制和氫氣(或其他燃料)產生速度的調節，以將變量值保持在選定的取值範圍內，由此將燃料電池系統保持在主動操作狀態下。在這種實施方案中，控制系統(和/或控制器)可以被描述為控制燃料電池系統的操作以將給定的變量，例如氫氣(或其他燃料流)的壓力維持在選定的閾值內。如這裡所使用的，當控制系統80(和/或控制器8 被描述為控制燃料處理器或燃料電池堆的操作或運行狀態時，這種控制可以是和/或可以包括控制燃料處理器組件 (燃料處理器和/或與燃料處理器相關的部件)或燃料電池系統(燃料電池堆和/或與燃料電池堆相關的部件)的部件的操作。如示例，燃料處理器的操作可以通過調節含碳原料或其他原料被輸送到燃料處理器的速度(例如通過控制適於輸送原料到燃料處理器的原料輸送系統)、燃燒器或其他適於加熱燃料處理器的加熱組件的操作、燃料處理器的壓力等中的一種或更多來控制。如相關的例子，燃料電池堆的操作可以通過調節氧化劑和/或氫氣到燃料電池堆的流量、冷卻組件或與堆相關的其他換熱組件、施加到堆的負載等中的一種或更多來控制。
15
在某些實施例中，控制系統80可以適於至少部分基於供給到燃料電池堆的供給燃料的流量來控制燃料源46和/或燃料電池堆24。例如，供給燃料的產量可以通過控制與化學過程相關的化學定量關係和燃料處理器組件的生產效率，和/或通過控制從存儲裝置中釋放供給燃料的量，和/或通過調整滿足能量存儲/消耗組件52的電負載所需的燃料源 46的操作狀態、產生速度等而被控制。在燃料電池系統的某些實施例中，燃料的流量Fl不易於被直接測量。那麼在這樣的實施例中，流量Fl可以通過確定以流量F3表示的由堆消耗的燃料，以及從孔90排出的未使用燃料的流量F2而被間接確定。作為附加的實施例，控制系統80可以被描述為適於檢測產生的電能水平，以確定目標供給壓力，在目標供給壓力下，燃料電池堆消耗給定比例的供給燃料用於燃料電池堆產生的給定水平的電能，並基於目標供給壓力控制燃料電池堆的操作。例如，燃料源和/或燃料電池堆可以被控制以將燃料供給壓力或出口壓力保持在目標壓力附近。進一步，控制系統可以進一步適於以一種趨向於將供給壓力或出口壓力改變到目標壓力的方式來控制燃料源的操作。可以檢測由燃料電池堆產生的電能的變化，然後基於檢測到的電能的變化可以改變目標供給壓力。在燃料源適於從一種或更多原料中產生供給燃料的實施例中，控制系統可以適於基於確定的目標壓力和/或基於確定的供給燃料的流量，由燃料源來控制原料的使用。在燃料源包括產生供給燃料的燃料處理器的實施例中，控制系統可以適於依據確定的供給燃料的流量來確定化學反應的化學定量關係，並依據確定的化學定量關係來控制供給燃料的產量。圖4說明了能量產生和消耗組件56的實施例，其中，第一部件107和第二部件108 的作用或操作都影響變量109。在下面的某些示例中，變量109是或者包括燃料流66中的氫氣42的壓力P，或燃料電池堆M處的壓力P。如所討論的，可以利用本發明公開範圍內的其它變量，包括一個或更多上述討論的那些變量。在下面的實施例中，第一部件和第二部件107、108如燃料處理器46和燃料電池堆M被說明和討論的一樣，其中的一個或更多可以基於變量109的值通過控制系統80被控制。如這裡更詳細的討論，在本發明的範圍內，燃料處理器和燃料電池堆並不是唯一的第一和第二部件對。例如，第一部件和第二部件107、 108可以代表能量存儲/消耗組件52和燃料供給46或能量產生和消耗組件的其他部件。如圖4示意性的說明，控制系統80包括第一和第二控制迴路110和112。兩個控制迴路可以(但不必須)共用共同的傳感器輸出線114或其他與流有關的傳感器，傳感器輸出線接收代表來自壓力表116的燃料流66的壓力P的信號。給出的控制系統結構被簡單顯示，並可以各種形式被實現或以其他方式被執行。例如，分開的線和/或傳感器可以被使用。如上述描述的，控制系統80可以適於檢測燃料電池堆M處的壓力、燃料流66的壓力、排出流M的壓力或能量產生和消耗組件的其他變量。在依據本發明的某些實施例中，傳感器輸出線114可以被連接到第一和第二參考設備118和120。每個參考設備可以是適於產生誤差信號的任意合適的電路或邏輯單元。 參考設備可以是任選的。參考設備的例子可以包括加法器、減法器、比較器、差分放大器以及類似物。當被包括時，參考設備118和120可以在各自的參考信號線122和IM上接收參考信號。對於參考設備118，參考信號可以包括與燃料源46相關的設定值或確定值，該值可以被稱為壓力PFS。對於參考設備120，參考信號可以是與燃料電池堆M相關的設定值， 該值可以被稱為壓力Prc。當控制系統80被設計為與能量產生和消耗組件的其他部件通信時，參考設備和設定值可以與不同的部件相關聯，並可以包括其他非壓力的變量。在線114 上的檢測壓力信號和壓力Pfs的設定值之間的差異可以被設備118確定。然後此差異可以作為誤差信號線126上的誤差信號輸出。類似地，線114上的檢測壓力信號和壓力Prc的設定值之間的差異可以被設備120確定，並可以作為誤差信號線1 上的誤差信號輸出。在能量產生和消耗組件的某些實施例中，各自的誤差信號可以被施加到與功能性單元107相關的第一信號處理器130上，以及與功能性單元108相關的第二信號處理器132 上。這些信號處理器可以通過各自的控制信號線134和136被連接到相關的功能性單元。 每個信號處理器可以包括任何合適的設備，這些設備可以利用至少部分表示受控變量的輸入信號來驅動相關的控制信號線上的控制信號，以適合於控制相關的功能性部件的功能。 作為控制系統80的一部分被描述的參考設備118、120，信號處理器130、132，各種信號線和其他部件代表了控制系統的一種結構。其他的結構可以被使用以實現這裡所描述的控制， 他們中的某些可以包括更多或更少的傳感器、處理器和其他部件。信號處理器130和132可以適於以代表誤差信號對操作相關功能性部件的期望的影響方式來修改誤差信號。例如，信號處理器可以包括比例單元、積分單元和微分單元中的一個或多個。比例單元可以通過特定的因數按比例調整誤差信號值，因數可以是任意合適的值，例如正的或負的非零的值，小於一、等於一或大於一的值。積分單元可以在時間段內累積誤差信號，因此誤差信號在零或者某些基準之上存在的時間越長，則控制信號的水平就越高。另一方面，微分單元可以產生代表誤差信號變化率的控制信號。換句話說，例如當誤差信號迅速增加時，那麼控制信號可以相應地增加。結合起來說，這些或者其他誤差信號的特徵可以是產生適於控制相關功能性單元的控制信號的基礎，可以任選地至少部分地基於相關功能性部件的傳遞函數。任選地，還可以應用其他類型的控制技術，例如基於規則的控制技術。輸出信號可以包括適於用來產生控制信號的信號處理器的任何信號。因此，信號處理器可以包括產生期望的控制信號的任何迴路或邏輯單元或設備。在某些實施例中，信號處理器130可以接收作為輸入的誤差信號並可以產生控制信號，控制信號適合於控制由燃料處理器64從供給流68內的一種或更多輸入原料中產生的燃料的化學定量關係。類似地，信號處理器132可以產生控制信號，控制信號適於控制燃料電池堆對的操作，例如通過改變氧化物的輸入速度。如另一個實施例，信號處理器132可以適於產生控制信號，控制信號適於控制由燃料電池堆M從燃料流66和氧化物流中產生的電流，以及控制由此產生的電能。主動控制電流的產生可以通過例如施加控制信號到負載調節裝置而實現，負載調節裝置如DC/DC轉換器、DC/AC逆變器、可變電阻部件例如電阻架(resistance bay)，或其他包括在能量存儲/消耗組件52中的部件或設備。例如，當燃料流66具有高於閾壓Pfs的壓力時，控制器可以通過發送合適的控制信號引導燃料(如所討論的，其通常是氫氣)產量適當地降低，和/或燃料電池堆中電流產量適當地增加(例如通過增加施加到堆上的負載)。然後燃料流量的降低或電流產量的增加通過降低由燃料電池堆產生的背壓，可以導致低於閾壓Pfs的燃料流的壓力的降低。然後， 燃料流壓力的降低可以導致誤差信號線126上的誤差信號的降低。這裡涉及的閾值可以是任何預先確定的或預先選擇的值，例如可以是選擇用於燃料電池系統22的特定實施例的值，用於具體的操作或控制程度的值等。
雖然在依據本發明的所有能量產生和消耗組件中是任選的和並不是必須的，但減壓閥156可以與燃料流66相連，如圖4中所說明的。減壓閥156可以被設計為將燃料流中的壓力限制到最大壓力Ρκν。最大壓力Pw可以表示一壓力，高於此壓力，能量產生和消耗組件的一個或更多部件就會出現損壞。可選擇地或附加地，最大壓力Pkv可以表示一壓力，高於此壓力，能量產生和消耗組件的一個或更多部件就會以某些其他方式在不期望的條件下工作，例如低效率。參照圖4，闡釋了減壓閥156布置在壓力表116之前。在本發明的範圍內，減壓閥156被布置在壓力表116之後或與測量裝置集成在一起。附加地，在本發明範圍內，壓力調節器可以替代或與減壓閥156共同被使用以為燃料流66中或燃料電池堆中的壓力提供附加的或不同的控制。包括測量裝置和位置和輸入進控制系統中的設定值的控制系統80可以適於說明減壓閥或壓力調節器的存在、不存在和/或位置。相應地，當燃料流66的壓力低於設定值Pfs時，控制器(再次通過發送合適的控制信號)可以適於通過降低和/或限制由燃料電池堆M產生的電能(如通過降低施加到燃料電池堆上的負載)和/或增加供給燃料的產量來增加燃料流66中的壓力。這種燃料消耗量的降低和燃料產量的增加可以使得燃料流上的背壓增加。這又可以降低誤差信號線1 上的誤差信號。因此，通過監測選定的變量值，在此實施例中是由燃料處理器產生和由燃料電池堆消耗的氫氣(或其他燃料)流的壓力，控制系統可以選擇性地控制能量產生和消耗組件，同時組件處於主動操作狀態時。如上述所討論的，對氫氣流、排出流或者燃料電池堆壓力的監測僅僅是可以被監測的變量的例子。可以被監測的變量的其他非唯一的例子在前面已經被描述過。用稍微不同的術語描述，通過監測燃料電池堆處(或與其流體連接的流)的壓力以及當變量值超過(高或低)、達到或接近一個或更多選定的閾值時，選擇性地調整或以其它方式控制能量產生和消耗組件，控制系統將能量產生和消耗組件維持在主動操作狀態， 否則此時這些組件可能需要轉換到空轉或甚至停止操作狀態。另外，這種能量產生和消耗組件的監測和控制可以適於通過主動控制能量產生和消耗組件的一個或更多部件，允許組件的利用率維持在操作條件的範圍上的預先確定的範圍內。例如，在某些具體實施例中，控制系統80可以適於通過改變施加到燃料電池堆M上的負載，主動控制能量存儲/產生組件52。如以上所討論的，主動控制施加到燃料電池堆的負載將控制燃料電池堆中的燃料消耗，並可以被控制以將利用率維持在預先確定的範圍內。在本發明的能量產生和消耗組件的某些實施例中，控制系統80可以附加地或可選擇地適於主動控制燃料源46以控制供給燃料66的產量。對能量存儲/消耗組件52和能量源 46的主動控制可以允許對操作條件細微變化的更快速的響應時間和對更寬範圍的操作條件下的增強的控制，以更好地維持預先確定的利用率或以其它方式控制能量產生和消耗組件的一個或更多方面。因此能量產生和消耗組件56可以提供對一個或更多組件功能的控制，這些功能影響變量，例如燃料流的壓力、電流的產量或其他這樣的變量。另外，控制系統80可以適於控制兩個組件功能，每個功能影響共同的變量，在此示例中，變量是與燃料流相關的。控制系統80也可以適於至少部分地基於微分變量，結合剛才描述的單獨變量控制來協調一個或更多其他功能的操作。這樣的能量產生和消耗組件的例子在圖5中被說明。為了方便， 與圖4中所示的部件相對應的部件具有相同的參考數字。
圖5中的能量產生和消耗組件56可以包括燃料處理器64，其適於例如從至少一股供給流68中產生為燃料電池堆M提供燃料的燃料流66。控制系統80可以包括控制迴路110，其中燃料流(或者燃料電池堆、排出流、或其他部件)的壓力P通過壓力表116被測量，並與參考設備118通信。線122上接收的壓力信號和設定值Pfs的差值可以在線1 上作為誤差信號被輸出。誤差信號可以通過信號處理器130被處理以產生線134上施加到燃料處理器64上的控制信號。可選擇地，並與上述關於圖4所討論的類似，減壓閥和/或壓力調節器可以在壓力表116和燃料電池堆對之間被利用，其中減壓閥或調節器可以適於進一步調節和/或控制燃料電池堆中的壓力，例如是界定或用其他方式確定的輸送到燃料電池堆處的氫氣流的最大壓力。控制系統80也可以包括具有參考設備120和誤差信號處理器132的控制迴路 112。線1 上的誤差信號可以是基於燃料流的壓力P和線IM上接收的燃料電池設定值 Prc之間的差值。然而，壓力控制信號可以施加到邏輯單元160，而不是將線136上產生的控制信號直接施加到燃料電池堆(或能量存儲/消耗組件或其他部件)，在此實施例中，邏輯單元160可以是適合於選擇兩個輸入的最小值的並在控制線162上輸出最小值的任何迴路或設備，最小值然後可以被施加到燃料電池堆。如另一個實施例，邏輯單元可以是適於選擇兩個輸入的最大值並在控制線162上輸出最大值，最大值施加到燃料電池堆。除了控制迴路110和112之外，控制系統80可以包括附加的控制迴路，例如第三控制迴路164。控制迴路164可以基於第二變量提供對能量產生和消耗組件56的控制。例如，控制迴路164可以適於以一種將輸出電壓維持在設定值或閾值之上的方式提供對燃料電池堆M的控制，設定值或閾值可以幫助保護燃料電池堆免受在低電壓條件過程中可能發生的破壞。因此，控制迴路164可以包括電壓表或其他測壓傳感器166。電壓傳感器輸出信號可以被施加到電壓信號線168，信號線可以被施加到控制設備，例如施加到第三參考設備170的減的(負的)或轉換的輸入處。在這種實施方案中，控制系統(和/或控制器) 可以被描述為控制燃料電池系統的操作以將氫(或其他燃料流)維持在選定的閾值內並將來自燃料電池堆的輸出電壓維持在選定的閾值之上。那麼繼續此示例，參考數據線172上的電壓設定值乂^可以被施加到參考設備170。 所得到的誤差信號可以被傳送到誤差信號線176上的信號處理器174。如為信號處理器130 和132所描述的，信號處理器可以處理作為適於期望地控制所需要的響應，並在控制信號線178上產生電壓控制信號。控制信號線可以把電壓控制信號傳送到邏輯單元160。如上所談及的，電壓和壓力輸入的較低值可以被選擇並在燃料電池堆控制線162上被輸出，用於控制燃料電池堆的操作。可選擇地，類似的技術可以被使用以控制其他系統參數，例如一個或更多部件的溫度，施加到燃料電池堆的負載，一個或更多原料流的供給率等。圖6描述了示例性的、理想的曲線圖，其顯示了能量產生和消耗組件的選定變量在時間段內可以如何隨或者基於施加到系統的負載的變化而變化。這些曲線圖只作為示例給出，因為實際的組件可以起到不同的作用。下面的曲線140顯示了燃料電池堆負載142 和燃料電池堆輸出電流144隨時間變化的實施例。中間的曲線146描述了氫燃料流148的實施例，通過燃料處理器64的輸出隨時間的變化。上面的曲線150說明了燃料處理器和燃料電池堆的操作可以引起氫燃料流66 (燃料電池堆或排放流)的壓力152的實施例。這三個曲線圖有共同的時間軸154，其確認了九個時間點，從時間T1到時間T9。最初，燃料處理器和燃料電池堆可以被認為是處於空轉模式或操作狀態，在此處它們準備好以響應施加的負載，但目前並沒有產生(任何，或多於名義數量的)氫(或其他燃料)或電流。通過「名義上的」，這意味著氫氣(或其他燃料)的數量(如果有的話)或者動力需要將燃料電池系統保持在其空轉操作狀態，這些需求指系統的電廠平衡。為了說明的目的，假設很少的燃料由燃料處理器產生，假設很少的電流由燃料電池堆產生，以及假設在燃料處理器和燃料電池堆之間的燃料流中的任何燃料的壓力接近於零。圖6所示的曲線圖旨在說明包括施加到燃料電池堆的負載的變化在內的各種因素如何可以影響能量產生和消耗組件所選擇的變量。從時間T1到T9中描述的實施例僅僅是示例性的例子並不要求按照圖示的順序發生。如圖6中所示意性說明的，在時間T1時，施加的負載L1如電負載和/或熱負載， 可以被施加到燃料電池系統。響應負載時，控制系統80可以將燃料電池系統導向運動模式或操作狀態，且燃料處理器64可以開始產生氫燃料(或從空轉模式獲得的名義水平增加產量)。通過燃料流量從零向流量Fl的增加程度可以表現出來。隨著燃料流66中的流量開始增加，流的壓力相應的增加，如從零增加到壓力Prc，其可以表示燃料電池堆操作的最小壓力。只要沒有足夠的壓力用於燃料電池堆以使其安全地運行，那麼燃料電池系統可以被設計為不產生電能。在此時間段，施加的負載可以通過能量存儲裝置78得到滿足(當出現在燃料電池系統中時)。當有足夠的燃料流量以產生至少選擇的或閾值燃料流壓力Prc，那麼燃料電池堆可以開始產生電流，如圖6中在時間T2處的示意性說明。在時間T2和T3之間，燃料流量148 可以繼續增加。隨著燃料流量增加，燃料電池堆可以能夠產生不斷增加的電流量，同時將燃料流壓力保持在大約最小值水平Prc。在某些實施例中，燃料電池堆可以具有相對迅速的響應時間，例如低於一秒來響應負載的變化，相比之下，燃料處理器的響應時間可能較長，例如一分鐘或更多。然而，此響應可能受到限制，因為需要將燃料流壓力維持在Prc的設定值上。這可以在此時間周期內產生相對恆定的壓力。如圖6中時間1~3處所示意性說明的，燃料電池堆輸出144可以按小於Fl的燃料流量到達具有負載水平L1的施加負載142。由於燃料電池處理器仍可以產生附加燃料並且燃料電池可以以相對恆定的速度消耗燃料，所以燃料流壓力可以繼續升高。然而，當燃料壓力到達燃料處理器設定值Pfs時，用於信號處理器130的誤差信號可以變成負值，並且控制器可以通過限制燃料電池流的產量的速度而做出響應，例如響應到流量F1。在此流量下，燃料電池堆的消耗量可以等於產量，從而導致燃料壓力停留在約壓力Pfs或在其下。也可以是， 但並不要求，高於壓力Pfs的壓力值中的名義脈衝跳增，其可能是由於燃料處理器的相對慢的響應時間。一旦壓力降低到壓力Pfs以下，系統通常可以停留在時間1\和T5之間的穩態運行條件。如圖6中時間T5處所示意性說明的，施加的負載可以降低，例如從負載L1降到負載L2。施加負載的這種降低可以要麼由於外部迴路要求的變化而發生，要麼由於控制系統 80提供的指令而發生。控制系統80可以由於許多原因降低施加到燃料電池堆的負載，例如當能量存儲設備變成完全充滿或當利用率太高時。當負載降低時，燃料電池堆響應相應的電流產量的降低，其可以減少燃料的消耗。這也可以導致燃料流壓力的突然增加，如圖所示的，由於燃料處理器繼續產生氫氣(或燃料處理器適於產生的其他燃料)，壓力增加到新的最大值。壓力可以繼續增加直到其達到閾壓Ρκν。壓力Pkv代表了連接到燃料流66的減壓閥156(或壓力調節器)的釋放壓，如圖4中所示。減壓閥釋放過度的壓力，以防止若壓力增加到較高值時引起的破壞，該值如通過峰值Ppk表示的，Ppk以虛線所示。繼續參考圖6，如時間1~5和T6之間所示意性說明的，負載可以保持恆定，但控制器可以適於引導燃料處理器以連續地產生較少的燃料，直到燃料流壓力回到壓力Pfs或低於壓力PFS。如時間T6處所說明的，壓力可以達到Pfs，於是控制器可以引導燃料處理器使其保持恆定速度的燃料產量，該速度可以比維持時間T3和T4之間的負載L1所需的速度低。假設施加的負載不變化，那麼燃料流壓力應該穩定或以其他方式穩定。如圖6中示意性說明的，新的穩態條件可以持續到時間T7。如圖6中時間T7處所示意性說明的，負載142可以增加到新的、更高的水平，例如水平L3。由於燃料電池堆相對於燃料處理器的快速響應，所以燃料電池堆輸出可以增加直到燃料流的壓力下降到燃料電池設定值Prc，然後燃料處理器64開始產生更多的燃料。隨著燃料流量開始上升，燃料電池堆可以增加產生的電流，從而將燃料流壓力保持在壓力Pfc附近。而且，類似於初始啟動周期過程所發生的，在時間T8處可以到達此點，此處燃料電池產量與施加的負載L3相匹配。隨著燃料產量的繼續增加，燃料流壓力可以升高直到其到達上限壓力Pfs。這可以出現在時間T9處。一旦到達壓力Pfs，燃料處理器輸出可以穩定以將燃料壓力保持在壓力Pfs或低於壓力PFS。隨後這種穩態條件可以持續直到負載進一步出現變化。從圖6的前面討論可以看出，燃料供給46和燃料電池堆M的操作可以同時影響燃料電池堆處的壓力。另外，圖6說明了施加到燃料電池堆M的負載可以影響燃料電池堆的操作和燃料電池堆處的壓力。結合圖7-10，將進一步討論這些關係。圖7是以升每分鐘(L/min)為單位的未使用燃料F2的流量隨著由控制系統80 檢測到的燃料電池堆M的壓力變化的曲線圖，該未使用的燃料或者是從出口孔90排出的，或者是聚積在燃料電池堆M中的，該壓力可以是以Ua為單位的出口壓力P2，其中k 是用數字表達的公裡的前綴，1 是壓力的單位帕斯卡。曲線圖上由「X」標明並由實線段連接的點代表經驗值。虛線代表等式F =火V ,在實施例中，此處的K=2.53 (L/min)
/ ( VkP^ )。可以看出，近似方程非常適合於基於檢測到的壓力確定流量。因此，作為實施
例，通過使用方程，控制系統80可以適於檢測燃料電池堆M的壓力，並適於基於檢測到的壓力確定未使用燃料F2的流量。如上所討論的，出口壓力P2是可以被檢測的壓力的其中一個例子；被檢測的壓力也可以是進口壓力或與未使用燃料的聚積量或流量相關的燃料電池處的其他壓力。如這裡所使用的，「基於」意為既不排除也不需要額外的因數。因此，「基於」應該被解釋為包括「至少部分地基於」一個或更多被標明的因數，但不需要額外的因數。 例如，利用上述公式基於出口壓力來確定流量的控制系統可以但不需要，在此確定過程中還利用了其他因數。這同樣適合於此處所描述和/或要求的其它「基於」關係。類似地，「響應」意味既不排除也不需要可以觸發響應的額外的因數。在至少某些燃料電池堆中，由燃料電池堆消耗的燃料的流量F3已經被確定成與燃料電池堆的電流輸出直接成比例，這裡用Ifc表示。在這種情況下，通過等式F3 = b · Ifc確定流量。雖然「b」值依賴於獨立的燃料電池堆的操作特徵，但在某些燃料電池堆
21中，b的值可以小於1，並且更具體地，對於某些燃料電池堆來說，值0. 589已經被確定是相當準確的。在某些燃料電池堆M的實施例中，操作參數的範圍可以被確立。下列操作參數適用於依據本發明構造和操作的某些示例性的燃料電池堆。在本發明的範圍內，其他的操作參數可以被利用或以其他方式應用。如說明性的實施例，用於特定堆的最大和最小電流範圍可以比下面提供的值更大或更小。
權利要求
1.能量產生和消耗組件，包括燃料源，其適於在供給壓力下提供供給燃料；燃料電池堆，其包括至少一個燃料電池，其中所述燃料電池堆適於接收氧化劑，適於在所述供給壓力下接收來自所述燃料源的供給燃料，並適於使用至少一部分所接收的供給燃料來產生產量電流量的電流以響應外加負載；負載施加組件，其適於被控制以施加負載到所述燃料電池堆；控制系統，其適於檢測與所述燃料電池堆相關的壓力，適於確定目標產量電流量，在所述目標產量電流量下，所述燃料電池堆消耗預先確定比例的所述供給燃料用於所檢測到的壓力，適於基於所述目標產量電流量來控制所述燃料電池堆的操作。
2.如權利要求1所述的能量產生和消耗組件，其中所述控制系統進一步適於通過主動地控制所述負載施加組件來控制所述產量電流量。
3.如權利要求1所述的能量產生和消耗組件，其中所述控制系統適於控制供給燃料的輸送以將所檢測到的壓力維持在預先確定的範圍內。
4.如權利要求1所述的能量產生和消耗組件，其中所述控制系統適於主動地控制所述燃料電池堆的電流產量，以至少部分地響應所檢測到的壓力。
5.如權利要求1所述能量產生和消耗組件，其中，所述控制系統適於控制所述供給燃料的輸送，以至少部分地響應所檢測到的壓力。
6.如權利要求1所述的能量產生和消耗組件，其中所述控制系統進一步適於基於所述目標產量電流量和所檢測到的壓力確定供給燃料的目標流量，其中所述燃料源適於被控制以從一種或更多原料中產生所述供給燃料，並且其中所述控制系統適於基於供給燃料的所述目標流量來控制使用由燃料源提供的所述原料。
7.如權利要求6所述的能量產生和消耗組件，其中所述燃料源包括燃料處理器，所述燃料處理器適於產生所述供給燃料，並且進一步其中所述控制系統適於控制由所述燃料處理器產生的所述供給燃料的產量以將所述供給壓力維持在第一閾值之下，並適於控制所述燃料電池堆產生的電流產量以將所述供給壓力維持在第二閾值之上。
8.如權利要求1-7中任意一項所述的能量產生和消耗組件，其中所述燃料源進一步包括氫存貯設備。
9.如權利要求1-7中任意一項所述的能量產生和消耗組件，其中所述燃料源包括燃料處理器，所述燃料處理器適於從至少一種原料中產生所述供給燃料。
10.如權利要求9所述的能量產生和消耗組件，其中所述控制系統適於控制由所述燃料處理器產生的所述供給燃料的產量以將所述供給壓力維持在第一閾值之下，並適於控制由所述燃料電池堆產生的電流產量以將所述供給壓力維持在第二閾值之上。
11.如權利要求1-7中任意一項所述的能量產生和消耗組件，其中所述負載施加組件包括至少一個能量消耗設備。
12.如權利要求1-7中任意一項所述的能量產生和消耗組件，其中所述燃料電池堆適於在一出口壓力下，在出口孔處排出未使用燃料，並且其中與所述燃料電池堆相關的的所述壓力包括所述出口壓力。
13.如權利要求1-7中任意一項所述的能量產生和消耗組件，其中所述燃料電池堆適於在進口壓力下接收所述供給燃料，並且其中由所述控制系統檢測到的所述壓力包括所述進口壓力。
14.如權利要求1-7中任意一項所述的能量產生和消耗組件，其中與所述燃料電池堆相關的所述壓力在所述燃料電池堆中被檢測到。
15.如權利要求1-7中任意一項所述的能量產生和消耗組件，其中所述負載施加組件包括至少一個能量消耗設備。
16.如權利要求1-7中任意一項所述的能量產生和消耗組件，其中所述負載施加組件包括至少一個能量存儲設備。
17.一種操作能量產生和消耗組件的方法，包括在供給壓力下，提供供給燃料；施加氧化劑和所述供給燃料到燃料電池堆，所述燃料電池堆包括至少一個燃料電池；由所述燃料電池堆產生產量電流量的電流；檢測所述燃料電池堆處的壓力；確定目標產量電流量，在所述目標產量電流量下，所述燃料電池堆消耗預先確定比例的所述供給燃料用於所檢測到的壓力；以及基於所述目標產量電流量控制所述燃料電池堆的操作。
18.如權利要求17所述的方法，進一步包括施加負載到所述燃料電池堆，並且其中控制所述燃料電池堆的操作包括主動地控制施加到所述燃料電池堆的所述負載。
19.如權利要求17所述的方法，進一步包括施加負載到所述燃料電池堆，並且其中控制所述燃料電池堆的操作包括主動地控制由所述燃料電池堆產生的所述電流。
20.如權利要求17-19中任意一項所述的方法，其中提供供給燃料包括從一種或更多原料中產生所述供給燃料，並進一步包括基於供給燃料的所述目標流量控制所述原料的使用。
21.如權利要求17-19中任意一項所述的方法，進一步包括在出口壓力下，通過出口孔從所述燃料電池堆中排出未使用燃料，並且其中檢測所述燃料電池堆處的壓力包括檢測所述出口壓力。
22.如權利要求17-19中任意一項所述的方法，其中檢測所述燃料電池堆處的壓力包括檢測所述燃料電池堆的進口孔處的所述供給燃料的所述壓力。
23.如權利要求17-19中任意一項所述的方法，其中檢測所述燃料電池堆處的壓力包括檢測所述燃料電池堆中的所述供給燃料的所述壓力。
24.如權利要求17-19中任意一項所述的方法，其中提供供給燃料包括從一種或更多原料中產生所述供給燃料。
25.如權利要求M所述的方法，進一步包括以適於將所述供給壓力維持在第一閾值之下的方式控制所述供給燃料的所述產量，以及以適於將所述供給壓力維持在第二閾值之上的方式控制由所述燃料電池堆產生的所述電流產量，所述第二閾值比所述第一閾值小。
全文摘要
用於控制操作燃料電池系統部件的燃料電池系統和方法，其可以包括燃料源和燃料電池堆。在某些實施例中，燃料源適於在供給壓力下向燃料電池堆提供燃料。燃料電池堆產生產量電流量的電流。在某些實施例中，控制系統適於基於燃料電池堆處檢測到的壓力控制操作燃料電池堆。在某些實施例中，基於檢測到的壓力確定目標產量電流量，從而當產生的目標產量電流量的電流用於檢測到的壓力時，燃料電池堆消耗預先確定比例的供給燃料。
文檔編號H01M8/04GK102208667SQ20111010087
公開日2011年10月5日 申請日期2005年5月23日 優先權日2004年5月28日
發明者戴維·J·埃德倫德, 梅莎·沙夫, 阿恩·拉聞 申請人:益達科技有限責任公司