提高燃料电池电力系统性能的方法和装置的制作方法
专利名称：提高燃料电池电力系统性能的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池电力系统，具体而言是涉及用于提高燃料电池电力系统中燃料电池堆的性能的方法和装置。
背景技术：
燃料电池电化学地反应包含氢的燃料流与包含氧的氧化剂流来产生电流。采用燃料电池堆的燃料电池电力系统用于运输、便携式和固定等多种供电应用中。
在采用包含铂(Pt)的催化剂的燃料电池中已经观察到特性损失。例如，在恒定电流条件下，通常聚合物电解质膜燃料电池的电压最初为0.9V，但是一开始便相当快的下降。类似地，在恒定电压条件下，特别是在较高电压的条件下，初始电流从其最初输出值下降。多种原因引起了特性损失，包括催化剂的一氧化碳中毒以及由于从水中吸收氧化物导致阴极催化剂活性的损失。
已经采用了几种方法来扭转这种性能下降。例如，US 5,601,936中披露了向燃料电池的阳极和阴极施加反向的DC(直流)电势。CA2,284,589中披露了通过临时短路阳极和阴极或者通过外部DC电压源产生正电压脉冲来脉冲调制阳极电势。相反地，US 2001/0044040A1中披露了将阴极切换到输出负载以便在脉宽有效时降低电池电压来扭转性能下降。US 6,096,448中披露了通过将瞬时负载连接到燃料电池堆以使燃料电池堆燃料匮乏。US 6,096,449和US 6,451,470B1中都披露了周期性短路燃料电池。
US 6,096,449中还披露了分路控制器，其连接到对应于系统中每个燃料电池的多个分路控制电路。分路控制器还包括一对电压传感器、将阳极与阴极连接到一起的旁路电路以及与每个燃料电池关联的电流传感器。分路控制器进一步控制燃料气体关闭控制阀门，用于终止向燃料电池供应燃料气体。
这些方法具有一种和更多种缺点。首先，当燃料电池堆短路或其电流或电压被脉冲调制时，它们可能导致对外部负载的供电波动。这在外部负载不能容忍如此的电压波动的幅度和/或频率的应用中是有问题的。或者，在脉冲调制期间外部负载可能与燃料电池堆断开连接，不期望地中断了向负载供电。
其次，实施这样的方法所涉及的控制系统过于复杂。例如，US6,096,449中的分路控制器的复杂性可能不利地增加了成本并降低了整个系统的操作可靠性。
因此期望具有一种用于操作燃料电池电力系统的方法和装置，其不仅增加燃料电池堆的性能，而且相当廉价、可靠以及电效率更高。本发明解决了传统燃料电池电力系统的缺点并提供了其它的相关优点。
发明内容
在一个方面，一种操作包括燃料电池堆的电力系统的方法，该方法包括时常(from time-to-time)进行如下步骤，电流脉冲调制该燃料电池堆；在电流脉冲调制该燃料电池堆之后的至少一段时间内，将燃料电池电压箝位在最大燃料电池电压水平之下。电流脉冲调制该燃料电池堆可以包括提供跨过该燃料电池堆两端的短路通道；以及移除跨过该燃料电池堆两端的短路通道。电流脉冲调制该燃料电池堆可以包括跨过该燃料电池堆的两端电性连接负载；以及使负载与该燃料电池堆电性断开。
在另一个方面，一种操作电力系统以便为至少一个负载供电的方法，该电力系统包括燃料电池堆和至少一个与该燃料电池堆并联电性连接的电存储装置，该方法包括时常临时地短路该燃料电池堆；以及至少在短路该燃料电池堆时从电存储装置向负载供电。
在又一个方面，一种操作包括燃料电池堆和电性连接的电存储装置的电力系统以便为负载供电的方法，该方法包括时常操作至少一个开关以提供跨过燃料电池堆两端的电性短路电路；操作该至少一个开关以便从燃料电池堆的两端移除电性短路电路；至少在短路该燃料电池堆时从电存储装置向负载供电；以及在移除了跨过该燃料电池堆两端的短路通道之后的至少一段时间内，将燃料电池电压箝位在最大燃料电池电压水平之下。
在另一个方面，一种操作具有燃料电池堆和电性连接到该燃料电池堆的能量存储装置的电力系统以便为系统的负载和平衡设备供电的方法，该方法包括测量由燃料电池堆供给到系统的负载和平衡设备的电池堆电流；测定在该燃料电池堆的短路电路期间系统的负载和平衡设备所需的能量数量；测定在短路电路之后将要削去的能量数量；根据在短路电路期间系统的负载和平衡设备所需的能量数量，以及根据在短路电路之后将要削去的能量数量，来测定将要从能量存储装置预先移除的能量数量；测定以现有的负载从电存储装置预先移除测定数量的能量所需的时间；断开系统的负载和平衡设备与燃料电池堆的连接；在断开系统的负载和平衡设备的连接之后，经过从电存储装置预先移除能量所需的测定的时间，短路该燃料电池堆；将系统的负载和平衡设备重新连接到燃料电池堆；在短路该燃料电池堆进行了短路持续时间之后，停止对该燃料电池堆的短路。
在另一个方面，一种用于向至少一个负载供电的电力系统，包括燃料电池堆；用于时常短路该燃料电池堆的装置；以及用于至少在紧随短路该燃料电池堆之后的一段时间内，将燃料电池堆电压箝位在最大燃料电池堆电压水平之下的装置。
在又一个方面，一种电力系统，包括电力总线；电性跨接在电力总线两端的燃料电池堆；电性跨接在燃料电池堆两端的脉冲调制开关，用于电流脉冲调制该燃料电池堆；控制器，被连接成用于选择地控制脉冲调制开关来时常电流脉冲调制该燃料电池堆；以及电池堆电压箝位装置，用于至少在紧随电流脉冲调制该燃料电池堆之后的一段时间内箝位电池堆电压。
在又一个方面，一种用于向至少一个负载供电的电力系统，该电力系统包括燃料电池堆；电性连接的短路开关，用于电性地短路该燃料电池堆；与该燃料电池堆并联电性连接的电存储装置；电性连接在燃料电池堆与电存储装置之间的二极管，用于避免电存储装置电性短路；以及控制器，被连接成用于选择地控制短路开关来时常短路该燃料电池堆。
在附图中，相同的参考标记表示类似的元件或动作。附图中元件的尺寸和相对位置没有必要按照比例绘制。例如，各种元件的形状和角度没有按照比例绘制，并且这些元件中的一些被任意地放大和定位，以便提高附图的易读性。此外，附图所示元件的特定形状不倾向于传递关于特定元件的实际形状的任何信息，并且完全是为了容易辨识而选择的。
图1是NEXATM燃料电池的电池堆净电压相对时间的曲线图；图2是对于图1曲线中所示的每个脉冲的电压衰变曲线的三维图；图3是电池堆电流和电池堆电压相对时间的曲线图，显示了燃料电池的电流脉冲调制；图4是按照一个示意性实施例的为外部负载和/或内部负载供电的电力系统的示意图，该电力系统包括燃料电池堆、能量存储装置和脉冲调制开关，其中脉冲调制开关选择地用于跨过燃料电池堆的两端设置电性短路电路以便电流脉冲调制该燃料电池；图5是按照另一个示意性实施例的为外部负载和/或内部负载供电的电力系统的示意图，其中脉冲调制开关选择地用于跨过燃料电池堆的两端设置负载以便电流脉冲调制该燃料电池；图6是蓄电池的电子示意图，例如是VRLA蓄电池，适于用作电力系统中的电存储装置；图7是超大电容器的电子示意图，适于用作电力系统中的电存储装置；图8是电池堆电流和电池堆电压对时间的曲线，显示了在电流脉冲调制之后电存储装置接收电流以便箝位该燃料电池堆的电压；图9是电池堆电流和电池堆电压对时间的曲线，其中在电流脉冲调制之后箝位电路从燃料电池堆获得足够的电流，以便将电压箝位在预期的最大电池堆电压；图10是电池堆电流和电池堆电压对时间的曲线，其中在电流脉冲调制之后箝位电路从燃料电池堆获得更充足的电流，以便将电压箝位在预期的最大电池堆电压之下；图11是按照另一个示意性实施例的电力系统的示意图，其采用了齐纳二极管用于箝位燃料电池堆的电压；图12是按照另一个示意性实施例的电力系统的示意图，其采用了分路调节器用于箝位燃料电池堆的电压；图13是按照另一个示意性实施例的电力系统的示意图，其采用了包括振荡器和分路调节器逻辑的控制用于箝位燃料电池堆的电压；图14是按照另一个示意性实施例的电力系统的示意图，其采用了齐纳二极管以及用于选择地使负载与燃料电池堆隔离的隔离开关，以便在电流脉冲调制之后在准备电压箝位时从能量存储装置移除能量；图15是按照本发明一个实施例的操作图14中电力系统的方法的流程图；图16是按照本发明另一个示意性实施例的电力系统的示意图，其中脉冲调制和隔离开关的每个都是由多个诸如MOSFET的晶体管形成的。
具体实施例方式
在下面的说明中，为了提供本发明各实施例的整体理解而阐述了某些具体的细节。但是，本领域技术人员应当理解，不采用这些细节也可以实施本发明。在其它的例子中，没有详细显示或说明与燃料电池、燃料电池堆和燃料电池系统相关的公知结构，以避免不必要地模糊了使本发明实施例的说明。
除非上下文需要，否则在整个说明书和其后的权利要求书中，词语“包括(comprise)”及其诸如“包括(comprises)”和“包括(comprising)”的变形将是开放式构成的，包括的意思就是“包括，但不限于”。
此处提供的标题仅是为了方便，并不解释本发明所要求的范围或意义。
电流脉冲调制涉及短路燃料电池或燃料电池堆，或跨过燃料电池或燃料电池堆连接负载，以便充分降低燃料电池的电压，用于恢复催化剂活性。
如上所述，大概由于阴极催化剂活性随着时间的损失，所以在采用包括Pt的催化剂的燃料电池中已经观察到了特性损失。在电流脉冲调制该燃料电池堆之后，燃料电池堆的电压基本上立即增高。例如，在典型的PEM燃料电池中，电池电压在短路释放之后将以全部额定电流立即跳到大约0.76V。然后电池电压随时间衰减到某平衡值。没有理论束缚，据信此效果是由于在脉冲调制期间从阴极催化剂中提取了氧核素(以及可能的其它吸收核素)而恢复了催化剂活性；随后催化剂随时间再氧化而再次降低了它的活性所导致的。
图1是NEXATM燃料电池堆的净电压2相对时间的曲线图1，证明了上述的效果。操作条件如下所述反应物是氢和潮湿的空气；施加的压力为5psig(35kPa)；反应物入口温度为65℃；输出电流为15A；以及每分钟实施500ms的短路。图1中每条垂直线对应燃料电池堆的电性短路；直到下一次短路之前，电压2随时间缓慢衰减。
申请人已经测定，至少在某些应用中，短路该堆叠能够使得燃料电池电压升高到不可接受的水平。图2显示了对于图1曲线中所示的每个脉冲的电压衰变曲线的三维图3。可注意到，在燃料电池堆的每次短路之后存在到约7至8秒的不稳定电压的区域。
此外，没有理论束缚，申请人相信紧随短路之后的燃料电池上的电压相当高，可以发生阴极催化剂碳支撑物(以及在燃料电池的阴极侧可能的其它碳材料)的腐蚀。
图3分别显示了经过短时间短路的代表性燃料电池的一般意义的电流和电压曲线5、6。在短路释放之后，燃料电池的电压立即达到峰值A，并在到达平衡水平之前开始下降。在区域A，能够发生碳腐蚀，其可以损坏碳催化剂支撑物和/或其它的阴极结构。在高电流密度下反复暴露于如此高的电压之下可以导致严重的碳腐蚀，这会在图2中观察到的电压稳定性上得到反映。
图4显示了按照一个示意性实施例的电力系统10，其为外部负载12供电。没有显示与此处讨论不直接相关的电力系统10的具体细节，例如反应物供给系统和冷却系统。
电力系统10包括电性连接在电力总线16的轨道之间的燃料电池堆14、电性跨接在燃料电池堆两端的脉冲调制开关S1、以及电性连接的用于控制脉冲调制开关S1的控制器18。控制器18可以采用振荡器20的形式，为电流脉冲调制提供简单的、廉价的且可靠的电路。
在图4所示的实施例中，例如，响应由振荡器20发生的脉冲信号21，脉冲调制开关S1用于选择地短路燃料电池堆14。在其它实施例中，脉冲调制开关S1用于选择地跨过燃料电池堆14两端设置脉冲调制负载22(图5)。在这样的实施例中，跨接在燃料电池堆14两端的脉冲调制负载22应当很小，以确保足够快的从燃料电池的阳极移动电荷。为了实现燃料电池堆14的最快速可能的恢复，短路燃料电池堆14优于跨过燃料电池堆14两端设置脉冲调制负载22。
电力系统10可以包括一个或更多个内部负载24，其代表各种有源部件，例如处理器、传感器、指示器、电子管、加热器、压缩机、风扇、和/或诸如螺线管的致动器。关于燃料电池系统，这些内部负载24通常被称作“平衡设备”。内部负载24与燃料电池堆14并联的电性连接到电力总线16，以接收来自燃料电池堆14的电力。
如图4所示，在一些实施例中，电力系统10可以进一步包括电存储装置26，与燃料电池堆14并联的电性连接，以形成混合电力系统10。在这样的实施例中，电存储装置26在电池堆电流被脉冲调制的期间内向负载12、24提供电流。在这样的实施例中，电力系统10可以采用二极管D1来使电存储装置26避免例如由燃料电池堆14的短路导致的瞬时现象。
电存储装置26可以采用各种适于存储电能并释放所存储电能的形式，例如，诸如一个或更多个电子管调节铅酸(“VRLA”)蓄电池28(图6)的一个或更多个蓄电池，和/或一个或更多个超大电容器30(图7)。在电存储装置26是VRLA蓄电池28的实施例中，例如，在电池堆电流脉冲调制期间可以出现负载12、24的电压变化。在电存储装置26是超大电容器组30的实施例中，可以很容易的滤掉这样的变化。
当电力系统10包括电存储装置26时，在电流脉冲之后燃料电池堆14开始向电存储装置26提供充电电流。因此，在每个电流脉冲之后电存储装置26可以接收燃料电池堆14产生的过电流，以便将燃料电池堆14的电压箝位到最大电池堆电压极限VZ之下。例如，如果电力系统10具有小于电存储装置26的“浮动”电压的平衡电池堆电压，只要电池堆电压超过电存储装置26的“浮动”电压，电存储装置26就持续接收来自燃料电池堆14的部分电流。
可以选择二极管D1，使得燃料电池堆14只在电池堆电压处于预定电压极限或在预定电压极限之上时才向负载12、24提供电流。例如，当电存储装置26是VRLA蓄电池28时，预定电压极限可以是蓄电池的浮动电压，大约是27.4V。当电池堆电压下降到二极管电压极限之下时，电存储装置26向负载12、24供电，并且振荡器20通过闭合脉冲调制开关S1来实施燃料电池堆14的短路电路。开启脉冲调制开关S1来解除短路，燃料电池堆14恢复向负载12、24供电，并提供电流对电存储装置26再充电。在高负载处，此设置使得电池堆电压维持在最大电池堆电压极限VZ之下。
使用电存储装置26来箝位电压是一种方法，用于解决图2、3中所示的不期望的电压尖峰。图8分别显示了在经过短时间短路的代表性混合电力系统(例如，包括燃料电池堆14和蓄电池28)中燃料电池堆14的一般意义的电流和电压曲线32、34。图8的区域B中的电流量包括燃料电池堆14提供的负载电流和蓄电池充电电流。燃料电池堆14提供的额外的充电电流足以将电池堆电压箝位在预定的最大电池堆电压极限VZ。
可以设定或改变电流脉冲调制的时序或频率。例如，可以将电流脉冲调制设定成限定的周期性时间间隔TW，例如，在操作期间一分钟出现一次(即，60Hz)。或者，控制器18能够在电池堆电压下降到预定电压极限之下时短路燃料电池堆14，预定电压极限例如为电存储装置26的“浮动”电压。可以通过采用燃料电池堆14中的多个燃料电池来选择预定电压极限，采用的燃料电池的数量等于产生预期“浮动”电压所必须的燃料电池的数量。例如，如果期望最小的工作燃料电池电压至少为0.67V，电存储装置26的浮动电压是27.4V，则至少要求41个燃料电池堆14。因此，电力系统10可以采用电流脉冲调制的频率来控制电荷转移到蓄电池28或超大电容器30的速率。当采用这样的方法时，能够使用在给定负载的电流脉冲调制频率来测定将要供给燃料电池堆的空气中污染物的量；脉冲调制的频率越高，污染物的浓度则越大，因此提供了额外的优点。
也可以设定或改变电流脉冲的持续时间TP。例如，可以预先设定每个电流脉冲的持续时间。例如，已经发现大约500毫秒的脉冲持续时间特别适于60Hz的电流脉冲频率。或者，可以根据电力系统10、负载12和/或燃料电池堆14的许多操作参数和/或条件来调整持续时间。
上述的方法和装置能够从燃料电池产生非常高的性能效率。例如，在采用NEXATM燃料电池堆14和VRLA蓄电池28的电力系统10中，通过在电池堆电压下降到27.4V的蓄电池浮动电压之下时电流脉冲调制该燃料电池堆14，燃料电池可以工作在大约0.69V的平均电压。这对应于57％的效率，控制系统产生非常低的寄生冷却损耗并且在任何负载电流时都没有能量变换损耗。而且，因为在燃料电池电流被脉冲调制时电存储装置26提供电流，所以没有对外部负载12或内部负载24中断电流。
在其它的实施例中，在电流脉冲之后来自燃料电池堆14的电流会立即短时间的增加。图9和图10分别显示了按照这些实施例的经过短时间短路的代表性混合燃料电池的一般意义的电流曲线36、38和电压曲线40、42。在图9中，在电流脉冲之后，来自燃料电池堆14的电流36被增加，如区域B所示。对应的电压曲线40被拉平，避免了与图3中区域A中所示电压尖峰相关的可能的碳腐蚀。在图9中，电流增加恰好足以将燃料电池堆电压箝位在预定的最大电池堆电压极限VZ。
实际中，在脉冲调制之后可能很难控制电流增加，以便以此精确度来箝位电池堆电压。在其它实施例中，在脉冲调制之后电流增加的幅度至少振荡地大于将电池堆电压箝位在预定的最大电池堆电压极限VZ所要求的幅度。图10中显示了这种情况，在区域B中来自电池的电流38大于图9中的电流，导致区域C中的电池堆电压42相应地降低。在脉冲调制之后，由较大电流增加的燃料电池堆14中所产生的额外热量大于阴极处通过防止碳腐蚀的偏移量。
在脉冲调制该电池堆电流之后，对电存储装置26再充电所需的电流取决于由电存储装置26所承载的负载12、24的大小以及电流脉冲的持续时间。在一些应用中，可以经历部分负载或低负载条件。在低负载时，再充电电流在电流脉冲调制之后可能将不足以箝位该燃料电池电压。因此在某些实施例中，在低负载条件下电流脉冲调制可能被中止。此方法特别适用于那些预计电力系统将不会经常或明显周期性地处于低负载条件的应用。
图11至13显示了电力系统10的其它实施例，其包括用于响应电流脉冲调制来箝位电池堆电压的附加电路，特别适用于部分负载或低负载条件。此处所述的这些和那些其它实施例以及其它可选实施例，基本上类似于前述的实施例，因此以相同的参考标记表示共同的动作和结构。下面只说明操作和结构中的明显区别。此外，如上所述，电力系统的各种实施例可以依赖于燃料电池堆14作为唯一电源；因此，在图11至13中电存储装置26是任选的。
图11显示了与燃料电池堆14并联的电性跨接在电力总线16两端的齐纳二极管D2。选择齐纳二极管D2的击穿电压，使得当工作在如附随的电压曲线44所示的低负载条件时，并且与工作在如附随的电压曲线46所示的高负载条件相比较，齐纳二极管D2将电池堆电压箝位在预定的最大电池堆电压极限VZ之下。
图12显示了与燃料电池堆14并联的电性跨接在电力总线16两端的分路调节器48。分路调节器48由齐纳二极管D2、栅极电阻器R和晶体管50形成。齐纳二极管D2和栅极电阻器R电性连接到晶体管50的栅极，用于当工作在如附随的电压曲线44所示的低负载条件时，并且与工作在如附随的电压曲线46所示的高负载条件相比较，选择地启动晶体管50以便将电池堆电压箝位在预定的最大电池堆电压极限VZ之下。
图13显示了包括振荡器20和分路调节器逻辑52的控制器18。可以软件、韧件和/或硬件的形式来实现分路调节器逻辑52，并通过控制器18来运行分路调节器逻辑52。控制器18接收代表通过电压传感器54感测的电压的信号。控制器18提供控制信号21、53，经由二极管D3、D4和电阻器R来操作例如场效应晶体管Q1的开关，以便当工作在如附随的电压曲线44所示的低负载条件时，并且与工作在如附随的电压曲线46所示的高负载条件相比较，将电池堆电压箝位在预定的最大电池堆电压极限VZ之下。
在其它实施例中，电存储装置26在电池堆电流被脉冲调制之前承载负载12、24一段时间，并且之后燃料电池堆14提供再充电电流。可以选择电存储装置26承载负载12、24的时间，以便补偿低负载条件，使得增加的再充电电流足以将电池堆电压箝位在预定的最大电池堆电压极限VZ。
图14显示了电力系统10的另一个实施例，包括用于使负载12、24与燃料电池堆14电性连接或断开连接的燃料电池堆隔离开关S2。控制器18接收代表来自电池堆电流传感器58的电池堆电流的信号56，并且如下所述的操作燃料电池堆隔离开关S2，以便当工作在如附随的电压曲线60所示的低负载条件时，以及当工作在如附随的电压曲线62所示的高负载条件时，将电池堆电压箝位在预定的最大电池堆电压极限VZ之下。
图15显示了按照一个示意性实施例的控制算法100的流程图，其用于电流脉冲调制图14的电力系统10。
在步骤102，电流传感器58测量电池堆电流。在步骤104，控制器18测定在短路电路条件持续期间支持负载12、24所需的能量数量。在步骤106，控制器18测定在短路电路条件结束之后需要削去的能量数量，以便避免超过最大电池堆电压极限VZ。步骤104和106可以任何顺序出现，甚至能够同时进行。
在步骤108，控制器108测定需要从能量存储装置26预先移除(即，在电流脉冲之前)的能量，使得电存储装置26处于能够接收必要数量的电池堆电流的状态，以便避免在电流脉冲调制之后超过最大电池堆电压极限VZ。在步骤110，控制器18测定以给定的现有负载移除能量所需的时间。
在步骤112，控制器18使燃料电池堆隔离开关S2开启，使得负载12、24与燃料电池堆14隔离，由此使得电存储装置26通过替代燃料电池堆14为负载12、24供电而放电至适当的水平。在步骤114，控制器18等待步骤110中测定的时间。在测定的时间结束时，控制器18闭合脉冲调制开关S1，通过在燃料电池堆14两端提供短路通道或通过设置负载22(图2)来电流脉冲调制该燃料电池堆14。
在步骤118，控制器18在闭合脉冲调制开关S1之后等待脉冲持续时间，例如500毫秒。在步骤120，控制器18使燃料电池堆隔离开关S2闭合，将负载12、24连接到燃料电池堆14。步骤118和120可以任何顺序出现，甚至能够同时进行。在脉冲持续时间TP结束时，控制器18开启脉冲调制开关S1，通过在燃料电池堆14两端去除短路通道或负载22来终止电流脉冲。上面已经讨论了各种用于测定时间周期TP的方法。
在步骤124，控制器18在回到控制步骤102之前等待时间TW，例如足以使电池堆电压下降至需要另一电流脉冲的点的时间。上面已经讨论了各种用于测定时间TW的方法。
当运行控制算法100时，控制器18可以使用极化查找表来比较目前的电池堆电压和电流，以测定燃料电池堆14正工作在其极化曲线。也可以使用其它装置测定燃料电池堆14正工作在其极化曲线。
图16显示了电力系统10的另一个实施例，其类似于上面图14所示的实施例。图16的实施例包括多个MOSFET，其并联电性连接以形成特别适于高电流负载的脉冲调制开关S1。图16的实施例也显示了多个MOSFET以及并联电性连接的相关的二极管，以形成特别适于高电流负载的燃料电池堆隔离开关S2。
示例包括NEXATM燃料电池堆14和24V的VRLA蓄电池组28的混合电力系统10可在具有和没有脉冲调制电池堆电流的情况下工作。每种情况的电力系统10都在5psig(35kPa)下被供给氢和潮湿的空气，并且在65℃的反应物入口温度工作。
为了最初的运行，以大约2.6的化学计量将空气供给到燃料电池堆14。在没有电流脉冲调制的情况下工作时，电力系统在34A维持了26.9V电压，其相当于大约915W的净输出。NEXATM燃料电池堆14额定是1000W的净输出，所以此单元运行欠佳。
然后按照图13所示来配置电力系统10。由并联的三个MOSFET构成短路电路(即，脉冲调制开关S1)。通过手动按钮(没有显示)触发500ms的短路。由两个IRFP2907 MOSFET构成的线性调节器FET限制能够从燃料电池堆获得的电流量，并维持输出电压以便将蓄电池保持在27.3V的浮动电压。肖特基二极管防止蓄电池短路。在工作期间，大约每分钟施加一次500ms的短路脉冲。根据表示对应大约1V的电池堆电压增加的初步结果，空气的化学计量也增加到大约2.7。运行时间为40分钟。电力系统10在56.5A维持了27.3V电压，相当于大约1540W的净输出。这表示在净功率输出方面增加了68％，额外增加了625W。
尽管出于示意性的目的在此说明了电力系统以及相关方法的具体实施例和示例，但是本领域技术人员应当意识到，在不脱离本发明的实质和范围的情况下能够进行各种等价的修改。本发明此处所提供的教导能够应用到其它的电力系统中，不必是上面通常所述的示意性的混合电力系统。
例如，本方法和装置可以用在燃料电池堆14作为唯一电源的电子电力系统10中。尽管这样的实施例成本较低，但是应当注意到，省略电存储装置24通常使得提供给外部负载12的电流在电流脉冲调制期间出现中断。此外例如，电力系统可以采用电存储装置。
能够组合上述的各种实施例以提供另一些实施例。本说明书所引用的和/或申请数据单上所列的上面所有的美国专利、美国专利申请公开、美国专利申请、外国专利、外国专利申请和非专利出版物，以引用方式被整体结合在本文。可以修改本发明的各个方面，如果必要，可以采用各个专利、申请和出版物的系统、电路和概念，来提供本发明的又一些实施例。
能够根据上面详述的说明对本发明实施这些和其它的变化。通常，在下面的权利要求书中，所使用的术语不应被理解为将本发明限制在说明书和权利要求书中公开的具体实施例，而是应当理解为包括按照权利要求工作的所有的电力系统和方法。因此，本发明并不限于公开的部分，而是应通过下面的权利要求整体测定其范围。
权利要求
1.一种操作包括燃料电池堆的电力系统的方法，该方法包括时常进行如下步骤时常电流脉冲调制该燃料电池堆；以及在电流脉冲调制该燃料电池堆之后的至少一段时间内，将燃料电池电压箝位在最大燃料电池电压水平之下。
2.如权利要求1所述的方法，其中电流脉冲调制该燃料电池堆的步骤包括提供跨过该燃料电池堆两端的短路通道；以及移除跨过该燃料电池堆两端的短路通道。
3.如权利要求1所述的方法，其中电流脉冲调制该燃料电池堆的步骤包括跨过该燃料电池堆的两端电性连接负载；以及使该负载与该燃料电池堆电性断开。
4.如权利要求1所述的方法，其中电流脉冲调制该燃料电池堆的步骤包括操作电性跨接在该燃料电池堆的电力总线两端的至少一个开关，以便周期性地短路该燃料电池堆。
5.如权利要求1所述的方法，其中电流脉冲调制该燃料电池堆的步骤包括操作电性跨接在该燃料电池堆的电力总线两端的至少一个开关，以便大约每分钟一次地在该燃料电池堆两端之间提供短路通道。
6.如权利要求1所述的方法，其中电流脉冲调制该燃料电池堆的步骤包括操作电性跨接在该燃料电池堆的电力总线两端的至少一个开关，以便大约每分钟一次地在该燃料电池堆两端提供短路通道，并且在该燃料电池堆两端提供了短路通道之后大约500毫秒时移除该短路通道。
7.如权利要求1所述的方法，进一步包括时常测定该燃料电池堆两端的电压，以及其中电流脉冲调制该燃料电池堆的步骤包括操作电性跨接在该燃料电池堆的电力总线两端的至少一个开关，以便当测定的该燃料电池堆两端的电压超过临界电压时，在该燃料电池堆两端提供短路通道。
8.如权利要求1所述的方法，进一步包括时常测定电性连接到该燃料电池堆的电存储装置的实际充电状态；以及测定电性跨接在该燃料电池堆的电力总线两端的至少一个开关的操作频率，以便基于所测定的充电状态维持该电存储装置处于所需的充电状态；以及其中电流脉冲调制该燃料电池堆的步骤包括以所测定的频率来操作电性跨接在该燃料电池堆的总线的输出两端的至少一个开关，以便以所测定的频率在该燃料电池堆两端提供短路通道以及移除短路通道。
9.如权利要求1所述的方法，进一步包括测定负载条件；以及基于所测定的负载条件来测定电性跨接在该燃料电池堆的电力总线两端的至少一个开关的操作频率，以及其中电流脉冲调制该燃料电池堆的步骤包括以所测定的频率来操作电性跨接在该燃料电池堆的总线的输出两端的至少一个开关，以便以所测定的频率在该燃料电池堆两端提供短路通道以及移除短路通道。
10.如权利要求1所述的方法，其中将燃料电池电压箝位在最大燃料电池电压水平之下的步骤包括，在电流脉冲调制该燃料电池堆之前从电存储装置向负载供电，并且在电流脉冲调制该燃料电池堆之后从该燃料电池堆对该电存储装置进行再充电一段时间。
11.如权利要求1所述的方法，进一步包括将该燃料电池电压箝位在最小燃料电池电压水平之上。
12.一种操作电力系统以便为至少一个负载供电的方法，该电力系统包括燃料电池堆和至少一个与该燃料电池堆并联电性连接的电存储装置，该方法包括时常临时地短路该燃料电池堆；以及至少在短路该燃料电池堆时从该电存储装置向负载供电。
13.如权利要求12所述的方法，进一步包括将该燃料电池上的电压箝位在最大燃料电池堆电压水平之下。
14.如权利要求12所述的方法，进一步包括在短路该燃料电池堆之前从该电存储装置向负载提供电流一段时间；以及在短路该燃料电池堆之后从该燃料电池堆向该电存储装置提供电流，以便将燃料电池堆电压箝位在最大燃料电池堆电压水平之下。
15.如权利要求12所述的方法，进一步包括在短路该燃料电池堆之前的一段时间内减少从该燃料电池堆向负载提供的电流量；在短路该燃料电池堆之前的一段时间内从该电存储装置向负载提供一定数量的电流；以及在短路该燃料电池堆之后从该燃料电池堆向该电存储装置提供电流，以便将燃料电池堆电压箝位在最大燃料电池堆电压水平之下。
16.如权利要求12所述的方法，进一步包括时常测定负载条件；以及在所测定的负载条件超过临界负载条件之前停止对该燃料电池堆的临时性短路。
17.如权利要求12所述的方法，进一步包括时常测定电池堆电压何时下降到预定电压极限之下；其中时常临时地短路该燃料电池堆的步骤包括，如果检测到该电池堆电压已下降到该预定电压极限之下，则临时地短路该燃料电池堆。
18.如权利要求12所述的方法，进一步包括时常测定电池堆电压何时下降到该电存储装置的浮动电压之下；其中时常临时地短路该燃料电池堆的步骤包括，如果检测到该电池堆电压已下降到该电存储装置的浮动电压之下，则临时地短路该燃料电池堆。
19.如权利要求12所述的方法，进一步包括时常测定电池堆电压何时下降到预定电压极限之下；其中时常临时地短路该燃料电池堆的步骤包括，如果检测到该电池堆电压已下降到该预定电压极限之下，则临时地短路该燃料电池堆；以及根据短路该燃料电池堆的频率来测定污染物的量。
20.一种操作电力系统以便为负载供电的方法，该电力系统包括燃料电池堆和可电性连接的电存储装置，该方法包括时常地进行如下步骤操作至少一个开关以提供跨过该燃料电池堆两端的电性短路电路；操作该至少一个开关以便从该燃料电池堆的两端移除所述电性短路电路；至少在短路该燃料电池堆时从该电存储装置向负载供电；以及在移除了跨过该燃料电池堆两端的短路通道之后的至少一段时间内，将燃料电池电压箝位在最大燃料电池电压水平之下。
21.如权利要求20所述的方法，其中所述“时常”是指周期性地。
22.如权利要求20所述的方法，其中在操作至少一个开关以提供跨过该燃料电池堆两端的电性短路电路之后大约500毫秒时，操作该至少一个开关以便从该燃料电池堆的两端移除电性短路电路。
23.如权利要求20所述的方法，进一步包括时常测定该燃料电池堆两端的电压，其中，时常操作至少一个开关以提供跨过该燃料电池堆两端的电性短路电路的步骤包括，当所测定的该燃料电池堆两端的电压超过临界电压时，操作该至少一个开关以提供电性短路电路。
24.如权利要求20所述的方法，其中将燃料电池电压箝位在最大燃料电池电压水平之下的步骤包括，在提供跨过该燃料电池堆两端的电性短路电路之前从该电存储装置向负载供电；以及在移除了跨过该燃料电池堆两端的电性短路电路之后的一段时间内从该燃料电池堆对该电存储装置进行再充电。
25.一种操作电力系统以便为系统的负载和平衡设备供电的方法，该电力系统具有燃料电池堆和电性连接到该燃料电池堆的能量存储装置，该方法包括测量由燃料电池堆供给到系统的负载和平衡设备的电池堆电流；测定在该燃料电池堆的短路期间系统的负载和平衡设备所需的能量数量；测定将在短路电路之后削去的能量数量；根据所测定的在短路电路期间系统的负载和平衡设备所需的能量数量，并根据所测定的在短路电路之后将要削去的能量数量，测定将要从该能量存储装置预先移除的能量数量；测定以现有的负载从该电存储装置预先移除所测定的数量的能量所需的时间；断开系统的负载和平衡设备与燃料电池堆的连接；在断开系统的负载和平衡设备的连接之后，经过所测定的从该电存储装置预先移除能量所需的时间，短路该燃料电池堆；将系统的负载和平衡设备重新连接到该燃料电池堆；以及在使该燃料电池堆短路了一段短路时间之后，停止对该燃料电池堆的短路。
26.一种用于向至少一个负载供电的电力系统，该电力系统包括燃料电池堆；用于时常短路该燃料电池堆的装置；以及用于至少在紧接着该燃料电池堆的短路之后的一段时间内，将燃料电池堆电压箝位在最大燃料电池堆电压水平之下的装置。
27.如权利要求26所述的电力系统，其中用于箝位燃料电池堆电压的装置包括与该燃料电池堆并联电性连接的齐纳二极管。
28.如权利要求26所述的电力系统，其中用于箝位燃料电池堆电压的装置包括与该燃料电池堆并联电性连接的分路调节器。
29.如权利要求26所述的电力系统，其中用于箝位燃料电池堆电压的装置包括与该燃料电池堆并联电性连接的电存储装置。
30.如权利要求26所述的电力系统，其中用于箝位燃料电池堆电压的装置包括运行控制逻辑的控制器，该控制逻辑操作与该燃料电池堆并联电性连接的晶体管。
31.一种电力系统，包括电力总线；电性跨接在该电力总线两端的燃料电池堆；电性跨接在该燃料电池堆两端的脉冲调制开关，用于电流脉冲调制该燃料电池堆；控制器，被连接成用于选择地控制脉冲调制开关以便时常电流脉冲调制该燃料电池堆；以及电池堆电压箝位装置，用于至少在电流脉冲调制该燃料电池堆之后的一段时间内箝位电池堆电压。
32.如权利要求31所述的电力系统，其中控制器包括振荡器，其操作该脉冲调制开关以便周期性地短路该燃料电池堆。
33.如权利要求31所述的电力系统，其中控制器包括振荡器，其操作该脉冲调制开关以便周期性地在该燃料电池堆两端电性跨接负载从而电流脉冲调制该燃料电池堆。
34.如权利要求31所述的电力系统，其中该电池堆电压箝位装置包括与该燃料电池堆并联电性连接的电存储装置。
35.如权利要求31所述的电力系统，其中该电池堆电压箝位装置包括并联电性连接的电存储装置，其中该电存储装置包括蓄电池和超大电容器中的至少之一。
36.如权利要求31所述的电力系统，其中该电池堆电压箝位装置包括齐纳二极管，电性跨接在该燃料电池堆的两端以便箝位燃料电池堆电压。
37.如权利要求31所述的电力系统，其中该电池堆电压箝位装置包括分路调节器，电性跨接在该燃料电池堆的两端以便箝位燃料电池堆电压，该分路调节器包括齐纳二极管，电阻器，以及具有输入端、输出端和控制端的晶体管，该齐纳二极管电性连接在该燃料电池堆的输出与晶体管的控制端之间，该电阻器串联电性连接在齐纳二极管与晶体管的控制端之间。
38.如权利要求31所述的电力系统，其中控制器包括振荡器，其周期地使该脉冲调制开关电性地短路该燃料电池堆，其中该电池堆电压箝位装置包括电压传感器，被连接成用于提供表示在电力总线上感测到的电压的信号；以及在控制器中实现的分路调节器逻辑，其响应于燃料电池堆电压超过临界电压使得脉冲调制开关电性短路该燃料电池堆。
39.如权利要求31所述的电力系统，其中该电池堆电压箝位装置包括电存储装置；与该燃料电池堆并联地电性跨接在电力总线两端的齐纳二极管；串联电性连接在燃料电池堆与电存储装置之间的燃料电池堆隔离开关，其中进一步连接该控制器用于控制该燃料电池堆隔离开关；电流传感器，定位成用于感测该燃料电池堆的输出电流，并将所得到的表示所感测的电流的值提供给该控制器；以及电性连接在该燃料电池堆与该电存储装置之间的二极管，用于保护该电存储装置不受短路影响。
40.如权利要求31所述的电力系统，其中该电池堆电压箝位装置包括电存储装置；彼此串联电性连接的第一金属氧化物半导体场效应晶体管和第一肖特基二极管；以及彼此串联电性连接并且与第一金属氧化物半导体场效应晶体管和第一肖特基二极管并联电性连接的至少第二金属氧化物半导体场效应晶体管和第二肖特基二极管，该第一和第二金属氧化物半导体场效应晶体管以及该第一和第二肖特基二极管电性连接在该燃料电池堆与该电存储装置之间。
41.一种用于向至少一个负载供电的电力系统，该电力系统包括燃料电池堆；电性连接的短路开关，用于电性地短路该燃料电池堆；与该燃料电池堆并联电性连接的电存储装置；电性连接在该燃料电池堆与该电存储装置之间的二极管，用于保护该电存储装置不受电性短路影响；以及控制器，被连接成用于选择地控制该短路开关以便时常短路该燃料电池堆。
42.如权利要求41所述的电力系统，其中控制器包括振荡器，被连接成用于操作该短路开关以便周期性地短路该燃料电池堆。
43.如权利要求41所述的电力系统，其中控制器包括振荡器，被连接成用于操作该短路开关，以便周期性地在由该燃料电池堆供给的电力负载高于临界值时短路该燃料电池堆。
44.如权利要求41所述的电力系统，其中控制器运行控制逻辑，该控制逻辑通过以下方式使得控制器箝位该燃料电池堆的电压至少在短路该燃料电池堆之后的一段时间内从该燃料电池堆向电存储装置提供电流。
45.如权利要求41所述的电力系统，其中控制器运行控制逻辑，该控制逻辑通过以下方式使得控制器箝位该燃料电池堆的电压测定将该电存储装置排放到所需电平所需的时间；在短路该燃料电池堆之前，将负载与该燃料电池堆的电连接断开所测定的所述时间；以及至少在短路该燃料电池堆之后的一段时间内从该燃料电池堆向电存储装置提供电流。
46.如权利要求41所述的电力系统，进一步包括与该燃料电池堆并联电性连接的齐纳二极管，该齐纳二极管具有大约等于该电存储装置的浮动电压的击穿电压。
47.如权利要求41所述的电力系统，进一步包括分路调节器，包括齐纳二极管、晶体管和连接在该齐纳二极管与该晶体管的开关端之间的电阻器，该晶体管与该燃料电池堆并联电性连接。
48.如权利要求41所述的电力系统，进一步包括燃料电池堆隔离开关，用于电性断开系统的平衡设备、负载以及该电存储装置与该燃料电池堆的连接。
全文摘要
电流脉调制提高了基于电力系统的燃料电池堆中的燃料电池的性能。电压箝位限制了在电流脉冲之后出现的电压峰值。在混合电力系统中，电存储装置在电流脉冲调制期间为负载供电。电存储装置可以接收电流以实现电压箝位，和/或电力系统可以采用其它的电压箝位电路。
文档编号H01M16/00GK1809942SQ200480017393
公开日2006年7月26日 申请日期2004年5月3日 优先权日2003年5月6日
发明者马丁·T·费尔森 申请人:百拉得动力系统公司
技术领域：
本发明涉及燃料电池电力系统，具体而言是涉及用于提高燃料电池电力系统中燃料电池堆的性能的方法和装置。
背景技术：
燃料电池电化学地反应包含氢的燃料流与包含氧的氧化剂流来产生电流。采用燃料电池堆的燃料电池电力系统用于运输、便携式和固定等多种供电应用中。
在采用包含铂(Pt)的催化剂的燃料电池中已经观察到特性损失。例如，在恒定电流条件下，通常聚合物电解质膜燃料电池的电压最初为0.9V，但是一开始便相当快的下降。类似地，在恒定电压条件下，特别是在较高电压的条件下，初始电流从其最初输出值下降。多种原因引起了特性损失，包括催化剂的一氧化碳中毒以及由于从水中吸收氧化物导致阴极催化剂活性的损失。
已经采用了几种方法来扭转这种性能下降。例如，US 5,601,936中披露了向燃料电池的阳极和阴极施加反向的DC(直流)电势。CA2,284,589中披露了通过临时短路阳极和阴极或者通过外部DC电压源产生正电压脉冲来脉冲调制阳极电势。相反地，US 2001/0044040A1中披露了将阴极切换到输出负载以便在脉宽有效时降低电池电压来扭转性能下降。US 6,096,448中披露了通过将瞬时负载连接到燃料电池堆以使燃料电池堆燃料匮乏。US 6,096,449和US 6,451,470B1中都披露了周期性短路燃料电池。
US 6,096,449中还披露了分路控制器，其连接到对应于系统中每个燃料电池的多个分路控制电路。分路控制器还包括一对电压传感器、将阳极与阴极连接到一起的旁路电路以及与每个燃料电池关联的电流传感器。分路控制器进一步控制燃料气体关闭控制阀门，用于终止向燃料电池供应燃料气体。
这些方法具有一种和更多种缺点。首先，当燃料电池堆短路或其电流或电压被脉冲调制时，它们可能导致对外部负载的供电波动。这在外部负载不能容忍如此的电压波动的幅度和/或频率的应用中是有问题的。或者，在脉冲调制期间外部负载可能与燃料电池堆断开连接，不期望地中断了向负载供电。
其次，实施这样的方法所涉及的控制系统过于复杂。例如，US6,096,449中的分路控制器的复杂性可能不利地增加了成本并降低了整个系统的操作可靠性。
因此期望具有一种用于操作燃料电池电力系统的方法和装置，其不仅增加燃料电池堆的性能，而且相当廉价、可靠以及电效率更高。本发明解决了传统燃料电池电力系统的缺点并提供了其它的相关优点。
发明内容
在一个方面，一种操作包括燃料电池堆的电力系统的方法，该方法包括时常(from time-to-time)进行如下步骤，电流脉冲调制该燃料电池堆；在电流脉冲调制该燃料电池堆之后的至少一段时间内，将燃料电池电压箝位在最大燃料电池电压水平之下。电流脉冲调制该燃料电池堆可以包括提供跨过该燃料电池堆两端的短路通道；以及移除跨过该燃料电池堆两端的短路通道。电流脉冲调制该燃料电池堆可以包括跨过该燃料电池堆的两端电性连接负载；以及使负载与该燃料电池堆电性断开。
在另一个方面，一种操作电力系统以便为至少一个负载供电的方法，该电力系统包括燃料电池堆和至少一个与该燃料电池堆并联电性连接的电存储装置，该方法包括时常临时地短路该燃料电池堆；以及至少在短路该燃料电池堆时从电存储装置向负载供电。
在又一个方面，一种操作包括燃料电池堆和电性连接的电存储装置的电力系统以便为负载供电的方法，该方法包括时常操作至少一个开关以提供跨过燃料电池堆两端的电性短路电路；操作该至少一个开关以便从燃料电池堆的两端移除电性短路电路；至少在短路该燃料电池堆时从电存储装置向负载供电；以及在移除了跨过该燃料电池堆两端的短路通道之后的至少一段时间内，将燃料电池电压箝位在最大燃料电池电压水平之下。
在另一个方面，一种操作具有燃料电池堆和电性连接到该燃料电池堆的能量存储装置的电力系统以便为系统的负载和平衡设备供电的方法，该方法包括测量由燃料电池堆供给到系统的负载和平衡设备的电池堆电流；测定在该燃料电池堆的短路电路期间系统的负载和平衡设备所需的能量数量；测定在短路电路之后将要削去的能量数量；根据在短路电路期间系统的负载和平衡设备所需的能量数量，以及根据在短路电路之后将要削去的能量数量，来测定将要从能量存储装置预先移除的能量数量；测定以现有的负载从电存储装置预先移除测定数量的能量所需的时间；断开系统的负载和平衡设备与燃料电池堆的连接；在断开系统的负载和平衡设备的连接之后，经过从电存储装置预先移除能量所需的测定的时间，短路该燃料电池堆；将系统的负载和平衡设备重新连接到燃料电池堆；在短路该燃料电池堆进行了短路持续时间之后，停止对该燃料电池堆的短路。
在另一个方面，一种用于向至少一个负载供电的电力系统，包括燃料电池堆；用于时常短路该燃料电池堆的装置；以及用于至少在紧随短路该燃料电池堆之后的一段时间内，将燃料电池堆电压箝位在最大燃料电池堆电压水平之下的装置。
在又一个方面，一种电力系统，包括电力总线；电性跨接在电力总线两端的燃料电池堆；电性跨接在燃料电池堆两端的脉冲调制开关，用于电流脉冲调制该燃料电池堆；控制器，被连接成用于选择地控制脉冲调制开关来时常电流脉冲调制该燃料电池堆；以及电池堆电压箝位装置，用于至少在紧随电流脉冲调制该燃料电池堆之后的一段时间内箝位电池堆电压。
在又一个方面，一种用于向至少一个负载供电的电力系统，该电力系统包括燃料电池堆；电性连接的短路开关，用于电性地短路该燃料电池堆；与该燃料电池堆并联电性连接的电存储装置；电性连接在燃料电池堆与电存储装置之间的二极管，用于避免电存储装置电性短路；以及控制器，被连接成用于选择地控制短路开关来时常短路该燃料电池堆。
在附图中，相同的参考标记表示类似的元件或动作。附图中元件的尺寸和相对位置没有必要按照比例绘制。例如，各种元件的形状和角度没有按照比例绘制，并且这些元件中的一些被任意地放大和定位，以便提高附图的易读性。此外，附图所示元件的特定形状不倾向于传递关于特定元件的实际形状的任何信息，并且完全是为了容易辨识而选择的。
图1是NEXATM燃料电池的电池堆净电压相对时间的曲线图；图2是对于图1曲线中所示的每个脉冲的电压衰变曲线的三维图；图3是电池堆电流和电池堆电压相对时间的曲线图，显示了燃料电池的电流脉冲调制；图4是按照一个示意性实施例的为外部负载和/或内部负载供电的电力系统的示意图，该电力系统包括燃料电池堆、能量存储装置和脉冲调制开关，其中脉冲调制开关选择地用于跨过燃料电池堆的两端设置电性短路电路以便电流脉冲调制该燃料电池；图5是按照另一个示意性实施例的为外部负载和/或内部负载供电的电力系统的示意图，其中脉冲调制开关选择地用于跨过燃料电池堆的两端设置负载以便电流脉冲调制该燃料电池；图6是蓄电池的电子示意图，例如是VRLA蓄电池，适于用作电力系统中的电存储装置；图7是超大电容器的电子示意图，适于用作电力系统中的电存储装置；图8是电池堆电流和电池堆电压对时间的曲线，显示了在电流脉冲调制之后电存储装置接收电流以便箝位该燃料电池堆的电压；图9是电池堆电流和电池堆电压对时间的曲线，其中在电流脉冲调制之后箝位电路从燃料电池堆获得足够的电流，以便将电压箝位在预期的最大电池堆电压；图10是电池堆电流和电池堆电压对时间的曲线，其中在电流脉冲调制之后箝位电路从燃料电池堆获得更充足的电流，以便将电压箝位在预期的最大电池堆电压之下；图11是按照另一个示意性实施例的电力系统的示意图，其采用了齐纳二极管用于箝位燃料电池堆的电压；图12是按照另一个示意性实施例的电力系统的示意图，其采用了分路调节器用于箝位燃料电池堆的电压；图13是按照另一个示意性实施例的电力系统的示意图，其采用了包括振荡器和分路调节器逻辑的控制用于箝位燃料电池堆的电压；图14是按照另一个示意性实施例的电力系统的示意图，其采用了齐纳二极管以及用于选择地使负载与燃料电池堆隔离的隔离开关，以便在电流脉冲调制之后在准备电压箝位时从能量存储装置移除能量；图15是按照本发明一个实施例的操作图14中电力系统的方法的流程图；图16是按照本发明另一个示意性实施例的电力系统的示意图，其中脉冲调制和隔离开关的每个都是由多个诸如MOSFET的晶体管形成的。
具体实施例方式
在下面的说明中，为了提供本发明各实施例的整体理解而阐述了某些具体的细节。但是，本领域技术人员应当理解，不采用这些细节也可以实施本发明。在其它的例子中，没有详细显示或说明与燃料电池、燃料电池堆和燃料电池系统相关的公知结构，以避免不必要地模糊了使本发明实施例的说明。
除非上下文需要，否则在整个说明书和其后的权利要求书中，词语“包括(comprise)”及其诸如“包括(comprises)”和“包括(comprising)”的变形将是开放式构成的，包括的意思就是“包括，但不限于”。
此处提供的标题仅是为了方便，并不解释本发明所要求的范围或意义。
电流脉冲调制涉及短路燃料电池或燃料电池堆，或跨过燃料电池或燃料电池堆连接负载，以便充分降低燃料电池的电压，用于恢复催化剂活性。
如上所述，大概由于阴极催化剂活性随着时间的损失，所以在采用包括Pt的催化剂的燃料电池中已经观察到了特性损失。在电流脉冲调制该燃料电池堆之后，燃料电池堆的电压基本上立即增高。例如，在典型的PEM燃料电池中，电池电压在短路释放之后将以全部额定电流立即跳到大约0.76V。然后电池电压随时间衰减到某平衡值。没有理论束缚，据信此效果是由于在脉冲调制期间从阴极催化剂中提取了氧核素(以及可能的其它吸收核素)而恢复了催化剂活性；随后催化剂随时间再氧化而再次降低了它的活性所导致的。
图1是NEXATM燃料电池堆的净电压2相对时间的曲线图1，证明了上述的效果。操作条件如下所述反应物是氢和潮湿的空气；施加的压力为5psig(35kPa)；反应物入口温度为65℃；输出电流为15A；以及每分钟实施500ms的短路。图1中每条垂直线对应燃料电池堆的电性短路；直到下一次短路之前，电压2随时间缓慢衰减。
申请人已经测定，至少在某些应用中，短路该堆叠能够使得燃料电池电压升高到不可接受的水平。图2显示了对于图1曲线中所示的每个脉冲的电压衰变曲线的三维图3。可注意到，在燃料电池堆的每次短路之后存在到约7至8秒的不稳定电压的区域。
此外，没有理论束缚，申请人相信紧随短路之后的燃料电池上的电压相当高，可以发生阴极催化剂碳支撑物(以及在燃料电池的阴极侧可能的其它碳材料)的腐蚀。
图3分别显示了经过短时间短路的代表性燃料电池的一般意义的电流和电压曲线5、6。在短路释放之后，燃料电池的电压立即达到峰值A，并在到达平衡水平之前开始下降。在区域A，能够发生碳腐蚀，其可以损坏碳催化剂支撑物和/或其它的阴极结构。在高电流密度下反复暴露于如此高的电压之下可以导致严重的碳腐蚀，这会在图2中观察到的电压稳定性上得到反映。
图4显示了按照一个示意性实施例的电力系统10，其为外部负载12供电。没有显示与此处讨论不直接相关的电力系统10的具体细节，例如反应物供给系统和冷却系统。
电力系统10包括电性连接在电力总线16的轨道之间的燃料电池堆14、电性跨接在燃料电池堆两端的脉冲调制开关S1、以及电性连接的用于控制脉冲调制开关S1的控制器18。控制器18可以采用振荡器20的形式，为电流脉冲调制提供简单的、廉价的且可靠的电路。
在图4所示的实施例中，例如，响应由振荡器20发生的脉冲信号21，脉冲调制开关S1用于选择地短路燃料电池堆14。在其它实施例中，脉冲调制开关S1用于选择地跨过燃料电池堆14两端设置脉冲调制负载22(图5)。在这样的实施例中，跨接在燃料电池堆14两端的脉冲调制负载22应当很小，以确保足够快的从燃料电池的阳极移动电荷。为了实现燃料电池堆14的最快速可能的恢复，短路燃料电池堆14优于跨过燃料电池堆14两端设置脉冲调制负载22。
电力系统10可以包括一个或更多个内部负载24，其代表各种有源部件，例如处理器、传感器、指示器、电子管、加热器、压缩机、风扇、和/或诸如螺线管的致动器。关于燃料电池系统，这些内部负载24通常被称作“平衡设备”。内部负载24与燃料电池堆14并联的电性连接到电力总线16，以接收来自燃料电池堆14的电力。
如图4所示，在一些实施例中，电力系统10可以进一步包括电存储装置26，与燃料电池堆14并联的电性连接，以形成混合电力系统10。在这样的实施例中，电存储装置26在电池堆电流被脉冲调制的期间内向负载12、24提供电流。在这样的实施例中，电力系统10可以采用二极管D1来使电存储装置26避免例如由燃料电池堆14的短路导致的瞬时现象。
电存储装置26可以采用各种适于存储电能并释放所存储电能的形式，例如，诸如一个或更多个电子管调节铅酸(“VRLA”)蓄电池28(图6)的一个或更多个蓄电池，和/或一个或更多个超大电容器30(图7)。在电存储装置26是VRLA蓄电池28的实施例中，例如，在电池堆电流脉冲调制期间可以出现负载12、24的电压变化。在电存储装置26是超大电容器组30的实施例中，可以很容易的滤掉这样的变化。
当电力系统10包括电存储装置26时，在电流脉冲之后燃料电池堆14开始向电存储装置26提供充电电流。因此，在每个电流脉冲之后电存储装置26可以接收燃料电池堆14产生的过电流，以便将燃料电池堆14的电压箝位到最大电池堆电压极限VZ之下。例如，如果电力系统10具有小于电存储装置26的“浮动”电压的平衡电池堆电压，只要电池堆电压超过电存储装置26的“浮动”电压，电存储装置26就持续接收来自燃料电池堆14的部分电流。
可以选择二极管D1，使得燃料电池堆14只在电池堆电压处于预定电压极限或在预定电压极限之上时才向负载12、24提供电流。例如，当电存储装置26是VRLA蓄电池28时，预定电压极限可以是蓄电池的浮动电压，大约是27.4V。当电池堆电压下降到二极管电压极限之下时，电存储装置26向负载12、24供电，并且振荡器20通过闭合脉冲调制开关S1来实施燃料电池堆14的短路电路。开启脉冲调制开关S1来解除短路，燃料电池堆14恢复向负载12、24供电，并提供电流对电存储装置26再充电。在高负载处，此设置使得电池堆电压维持在最大电池堆电压极限VZ之下。
使用电存储装置26来箝位电压是一种方法，用于解决图2、3中所示的不期望的电压尖峰。图8分别显示了在经过短时间短路的代表性混合电力系统(例如，包括燃料电池堆14和蓄电池28)中燃料电池堆14的一般意义的电流和电压曲线32、34。图8的区域B中的电流量包括燃料电池堆14提供的负载电流和蓄电池充电电流。燃料电池堆14提供的额外的充电电流足以将电池堆电压箝位在预定的最大电池堆电压极限VZ。
可以设定或改变电流脉冲调制的时序或频率。例如，可以将电流脉冲调制设定成限定的周期性时间间隔TW，例如，在操作期间一分钟出现一次(即，60Hz)。或者，控制器18能够在电池堆电压下降到预定电压极限之下时短路燃料电池堆14，预定电压极限例如为电存储装置26的“浮动”电压。可以通过采用燃料电池堆14中的多个燃料电池来选择预定电压极限，采用的燃料电池的数量等于产生预期“浮动”电压所必须的燃料电池的数量。例如，如果期望最小的工作燃料电池电压至少为0.67V，电存储装置26的浮动电压是27.4V，则至少要求41个燃料电池堆14。因此，电力系统10可以采用电流脉冲调制的频率来控制电荷转移到蓄电池28或超大电容器30的速率。当采用这样的方法时，能够使用在给定负载的电流脉冲调制频率来测定将要供给燃料电池堆的空气中污染物的量；脉冲调制的频率越高，污染物的浓度则越大，因此提供了额外的优点。
也可以设定或改变电流脉冲的持续时间TP。例如，可以预先设定每个电流脉冲的持续时间。例如，已经发现大约500毫秒的脉冲持续时间特别适于60Hz的电流脉冲频率。或者，可以根据电力系统10、负载12和/或燃料电池堆14的许多操作参数和/或条件来调整持续时间。
上述的方法和装置能够从燃料电池产生非常高的性能效率。例如，在采用NEXATM燃料电池堆14和VRLA蓄电池28的电力系统10中，通过在电池堆电压下降到27.4V的蓄电池浮动电压之下时电流脉冲调制该燃料电池堆14，燃料电池可以工作在大约0.69V的平均电压。这对应于57％的效率，控制系统产生非常低的寄生冷却损耗并且在任何负载电流时都没有能量变换损耗。而且，因为在燃料电池电流被脉冲调制时电存储装置26提供电流，所以没有对外部负载12或内部负载24中断电流。
在其它的实施例中，在电流脉冲之后来自燃料电池堆14的电流会立即短时间的增加。图9和图10分别显示了按照这些实施例的经过短时间短路的代表性混合燃料电池的一般意义的电流曲线36、38和电压曲线40、42。在图9中，在电流脉冲之后，来自燃料电池堆14的电流36被增加，如区域B所示。对应的电压曲线40被拉平，避免了与图3中区域A中所示电压尖峰相关的可能的碳腐蚀。在图9中，电流增加恰好足以将燃料电池堆电压箝位在预定的最大电池堆电压极限VZ。
实际中，在脉冲调制之后可能很难控制电流增加，以便以此精确度来箝位电池堆电压。在其它实施例中，在脉冲调制之后电流增加的幅度至少振荡地大于将电池堆电压箝位在预定的最大电池堆电压极限VZ所要求的幅度。图10中显示了这种情况，在区域B中来自电池的电流38大于图9中的电流，导致区域C中的电池堆电压42相应地降低。在脉冲调制之后，由较大电流增加的燃料电池堆14中所产生的额外热量大于阴极处通过防止碳腐蚀的偏移量。
在脉冲调制该电池堆电流之后，对电存储装置26再充电所需的电流取决于由电存储装置26所承载的负载12、24的大小以及电流脉冲的持续时间。在一些应用中，可以经历部分负载或低负载条件。在低负载时，再充电电流在电流脉冲调制之后可能将不足以箝位该燃料电池电压。因此在某些实施例中，在低负载条件下电流脉冲调制可能被中止。此方法特别适用于那些预计电力系统将不会经常或明显周期性地处于低负载条件的应用。
图11至13显示了电力系统10的其它实施例，其包括用于响应电流脉冲调制来箝位电池堆电压的附加电路，特别适用于部分负载或低负载条件。此处所述的这些和那些其它实施例以及其它可选实施例，基本上类似于前述的实施例，因此以相同的参考标记表示共同的动作和结构。下面只说明操作和结构中的明显区别。此外，如上所述，电力系统的各种实施例可以依赖于燃料电池堆14作为唯一电源；因此，在图11至13中电存储装置26是任选的。
图11显示了与燃料电池堆14并联的电性跨接在电力总线16两端的齐纳二极管D2。选择齐纳二极管D2的击穿电压，使得当工作在如附随的电压曲线44所示的低负载条件时，并且与工作在如附随的电压曲线46所示的高负载条件相比较，齐纳二极管D2将电池堆电压箝位在预定的最大电池堆电压极限VZ之下。
图12显示了与燃料电池堆14并联的电性跨接在电力总线16两端的分路调节器48。分路调节器48由齐纳二极管D2、栅极电阻器R和晶体管50形成。齐纳二极管D2和栅极电阻器R电性连接到晶体管50的栅极，用于当工作在如附随的电压曲线44所示的低负载条件时，并且与工作在如附随的电压曲线46所示的高负载条件相比较，选择地启动晶体管50以便将电池堆电压箝位在预定的最大电池堆电压极限VZ之下。
图13显示了包括振荡器20和分路调节器逻辑52的控制器18。可以软件、韧件和/或硬件的形式来实现分路调节器逻辑52，并通过控制器18来运行分路调节器逻辑52。控制器18接收代表通过电压传感器54感测的电压的信号。控制器18提供控制信号21、53，经由二极管D3、D4和电阻器R来操作例如场效应晶体管Q1的开关，以便当工作在如附随的电压曲线44所示的低负载条件时，并且与工作在如附随的电压曲线46所示的高负载条件相比较，将电池堆电压箝位在预定的最大电池堆电压极限VZ之下。
在其它实施例中，电存储装置26在电池堆电流被脉冲调制之前承载负载12、24一段时间，并且之后燃料电池堆14提供再充电电流。可以选择电存储装置26承载负载12、24的时间，以便补偿低负载条件，使得增加的再充电电流足以将电池堆电压箝位在预定的最大电池堆电压极限VZ。
图14显示了电力系统10的另一个实施例，包括用于使负载12、24与燃料电池堆14电性连接或断开连接的燃料电池堆隔离开关S2。控制器18接收代表来自电池堆电流传感器58的电池堆电流的信号56，并且如下所述的操作燃料电池堆隔离开关S2，以便当工作在如附随的电压曲线60所示的低负载条件时，以及当工作在如附随的电压曲线62所示的高负载条件时，将电池堆电压箝位在预定的最大电池堆电压极限VZ之下。
图15显示了按照一个示意性实施例的控制算法100的流程图，其用于电流脉冲调制图14的电力系统10。
在步骤102，电流传感器58测量电池堆电流。在步骤104，控制器18测定在短路电路条件持续期间支持负载12、24所需的能量数量。在步骤106，控制器18测定在短路电路条件结束之后需要削去的能量数量，以便避免超过最大电池堆电压极限VZ。步骤104和106可以任何顺序出现，甚至能够同时进行。
在步骤108，控制器108测定需要从能量存储装置26预先移除(即，在电流脉冲之前)的能量，使得电存储装置26处于能够接收必要数量的电池堆电流的状态，以便避免在电流脉冲调制之后超过最大电池堆电压极限VZ。在步骤110，控制器18测定以给定的现有负载移除能量所需的时间。
在步骤112，控制器18使燃料电池堆隔离开关S2开启，使得负载12、24与燃料电池堆14隔离，由此使得电存储装置26通过替代燃料电池堆14为负载12、24供电而放电至适当的水平。在步骤114，控制器18等待步骤110中测定的时间。在测定的时间结束时，控制器18闭合脉冲调制开关S1，通过在燃料电池堆14两端提供短路通道或通过设置负载22(图2)来电流脉冲调制该燃料电池堆14。
在步骤118，控制器18在闭合脉冲调制开关S1之后等待脉冲持续时间，例如500毫秒。在步骤120，控制器18使燃料电池堆隔离开关S2闭合，将负载12、24连接到燃料电池堆14。步骤118和120可以任何顺序出现，甚至能够同时进行。在脉冲持续时间TP结束时，控制器18开启脉冲调制开关S1，通过在燃料电池堆14两端去除短路通道或负载22来终止电流脉冲。上面已经讨论了各种用于测定时间周期TP的方法。
在步骤124，控制器18在回到控制步骤102之前等待时间TW，例如足以使电池堆电压下降至需要另一电流脉冲的点的时间。上面已经讨论了各种用于测定时间TW的方法。
当运行控制算法100时，控制器18可以使用极化查找表来比较目前的电池堆电压和电流，以测定燃料电池堆14正工作在其极化曲线。也可以使用其它装置测定燃料电池堆14正工作在其极化曲线。
图16显示了电力系统10的另一个实施例，其类似于上面图14所示的实施例。图16的实施例包括多个MOSFET，其并联电性连接以形成特别适于高电流负载的脉冲调制开关S1。图16的实施例也显示了多个MOSFET以及并联电性连接的相关的二极管，以形成特别适于高电流负载的燃料电池堆隔离开关S2。
示例包括NEXATM燃料电池堆14和24V的VRLA蓄电池组28的混合电力系统10可在具有和没有脉冲调制电池堆电流的情况下工作。每种情况的电力系统10都在5psig(35kPa)下被供给氢和潮湿的空气，并且在65℃的反应物入口温度工作。
为了最初的运行，以大约2.6的化学计量将空气供给到燃料电池堆14。在没有电流脉冲调制的情况下工作时，电力系统在34A维持了26.9V电压，其相当于大约915W的净输出。NEXATM燃料电池堆14额定是1000W的净输出，所以此单元运行欠佳。
然后按照图13所示来配置电力系统10。由并联的三个MOSFET构成短路电路(即，脉冲调制开关S1)。通过手动按钮(没有显示)触发500ms的短路。由两个IRFP2907 MOSFET构成的线性调节器FET限制能够从燃料电池堆获得的电流量，并维持输出电压以便将蓄电池保持在27.3V的浮动电压。肖特基二极管防止蓄电池短路。在工作期间，大约每分钟施加一次500ms的短路脉冲。根据表示对应大约1V的电池堆电压增加的初步结果，空气的化学计量也增加到大约2.7。运行时间为40分钟。电力系统10在56.5A维持了27.3V电压，相当于大约1540W的净输出。这表示在净功率输出方面增加了68％，额外增加了625W。
尽管出于示意性的目的在此说明了电力系统以及相关方法的具体实施例和示例，但是本领域技术人员应当意识到，在不脱离本发明的实质和范围的情况下能够进行各种等价的修改。本发明此处所提供的教导能够应用到其它的电力系统中，不必是上面通常所述的示意性的混合电力系统。
例如，本方法和装置可以用在燃料电池堆14作为唯一电源的电子电力系统10中。尽管这样的实施例成本较低，但是应当注意到，省略电存储装置24通常使得提供给外部负载12的电流在电流脉冲调制期间出现中断。此外例如，电力系统可以采用电存储装置。
能够组合上述的各种实施例以提供另一些实施例。本说明书所引用的和/或申请数据单上所列的上面所有的美国专利、美国专利申请公开、美国专利申请、外国专利、外国专利申请和非专利出版物，以引用方式被整体结合在本文。可以修改本发明的各个方面，如果必要，可以采用各个专利、申请和出版物的系统、电路和概念，来提供本发明的又一些实施例。
能够根据上面详述的说明对本发明实施这些和其它的变化。通常，在下面的权利要求书中，所使用的术语不应被理解为将本发明限制在说明书和权利要求书中公开的具体实施例，而是应当理解为包括按照权利要求工作的所有的电力系统和方法。因此，本发明并不限于公开的部分，而是应通过下面的权利要求整体测定其范围。
权利要求
1.一种操作包括燃料电池堆的电力系统的方法，该方法包括时常进行如下步骤时常电流脉冲调制该燃料电池堆；以及在电流脉冲调制该燃料电池堆之后的至少一段时间内，将燃料电池电压箝位在最大燃料电池电压水平之下。
2.如权利要求1所述的方法，其中电流脉冲调制该燃料电池堆的步骤包括提供跨过该燃料电池堆两端的短路通道；以及移除跨过该燃料电池堆两端的短路通道。
3.如权利要求1所述的方法，其中电流脉冲调制该燃料电池堆的步骤包括跨过该燃料电池堆的两端电性连接负载；以及使该负载与该燃料电池堆电性断开。
4.如权利要求1所述的方法，其中电流脉冲调制该燃料电池堆的步骤包括操作电性跨接在该燃料电池堆的电力总线两端的至少一个开关，以便周期性地短路该燃料电池堆。
5.如权利要求1所述的方法，其中电流脉冲调制该燃料电池堆的步骤包括操作电性跨接在该燃料电池堆的电力总线两端的至少一个开关，以便大约每分钟一次地在该燃料电池堆两端之间提供短路通道。
6.如权利要求1所述的方法，其中电流脉冲调制该燃料电池堆的步骤包括操作电性跨接在该燃料电池堆的电力总线两端的至少一个开关，以便大约每分钟一次地在该燃料电池堆两端提供短路通道，并且在该燃料电池堆两端提供了短路通道之后大约500毫秒时移除该短路通道。
7.如权利要求1所述的方法，进一步包括时常测定该燃料电池堆两端的电压，以及其中电流脉冲调制该燃料电池堆的步骤包括操作电性跨接在该燃料电池堆的电力总线两端的至少一个开关，以便当测定的该燃料电池堆两端的电压超过临界电压时，在该燃料电池堆两端提供短路通道。
8.如权利要求1所述的方法，进一步包括时常测定电性连接到该燃料电池堆的电存储装置的实际充电状态；以及测定电性跨接在该燃料电池堆的电力总线两端的至少一个开关的操作频率，以便基于所测定的充电状态维持该电存储装置处于所需的充电状态；以及其中电流脉冲调制该燃料电池堆的步骤包括以所测定的频率来操作电性跨接在该燃料电池堆的总线的输出两端的至少一个开关，以便以所测定的频率在该燃料电池堆两端提供短路通道以及移除短路通道。
9.如权利要求1所述的方法，进一步包括测定负载条件；以及基于所测定的负载条件来测定电性跨接在该燃料电池堆的电力总线两端的至少一个开关的操作频率，以及其中电流脉冲调制该燃料电池堆的步骤包括以所测定的频率来操作电性跨接在该燃料电池堆的总线的输出两端的至少一个开关，以便以所测定的频率在该燃料电池堆两端提供短路通道以及移除短路通道。
10.如权利要求1所述的方法，其中将燃料电池电压箝位在最大燃料电池电压水平之下的步骤包括，在电流脉冲调制该燃料电池堆之前从电存储装置向负载供电，并且在电流脉冲调制该燃料电池堆之后从该燃料电池堆对该电存储装置进行再充电一段时间。
11.如权利要求1所述的方法，进一步包括将该燃料电池电压箝位在最小燃料电池电压水平之上。
12.一种操作电力系统以便为至少一个负载供电的方法，该电力系统包括燃料电池堆和至少一个与该燃料电池堆并联电性连接的电存储装置，该方法包括时常临时地短路该燃料电池堆；以及至少在短路该燃料电池堆时从该电存储装置向负载供电。
13.如权利要求12所述的方法，进一步包括将该燃料电池上的电压箝位在最大燃料电池堆电压水平之下。
14.如权利要求12所述的方法，进一步包括在短路该燃料电池堆之前从该电存储装置向负载提供电流一段时间；以及在短路该燃料电池堆之后从该燃料电池堆向该电存储装置提供电流，以便将燃料电池堆电压箝位在最大燃料电池堆电压水平之下。
15.如权利要求12所述的方法，进一步包括在短路该燃料电池堆之前的一段时间内减少从该燃料电池堆向负载提供的电流量；在短路该燃料电池堆之前的一段时间内从该电存储装置向负载提供一定数量的电流；以及在短路该燃料电池堆之后从该燃料电池堆向该电存储装置提供电流，以便将燃料电池堆电压箝位在最大燃料电池堆电压水平之下。
16.如权利要求12所述的方法，进一步包括时常测定负载条件；以及在所测定的负载条件超过临界负载条件之前停止对该燃料电池堆的临时性短路。
17.如权利要求12所述的方法，进一步包括时常测定电池堆电压何时下降到预定电压极限之下；其中时常临时地短路该燃料电池堆的步骤包括，如果检测到该电池堆电压已下降到该预定电压极限之下，则临时地短路该燃料电池堆。
18.如权利要求12所述的方法，进一步包括时常测定电池堆电压何时下降到该电存储装置的浮动电压之下；其中时常临时地短路该燃料电池堆的步骤包括，如果检测到该电池堆电压已下降到该电存储装置的浮动电压之下，则临时地短路该燃料电池堆。
19.如权利要求12所述的方法，进一步包括时常测定电池堆电压何时下降到预定电压极限之下；其中时常临时地短路该燃料电池堆的步骤包括，如果检测到该电池堆电压已下降到该预定电压极限之下，则临时地短路该燃料电池堆；以及根据短路该燃料电池堆的频率来测定污染物的量。
20.一种操作电力系统以便为负载供电的方法，该电力系统包括燃料电池堆和可电性连接的电存储装置，该方法包括时常地进行如下步骤操作至少一个开关以提供跨过该燃料电池堆两端的电性短路电路；操作该至少一个开关以便从该燃料电池堆的两端移除所述电性短路电路；至少在短路该燃料电池堆时从该电存储装置向负载供电；以及在移除了跨过该燃料电池堆两端的短路通道之后的至少一段时间内，将燃料电池电压箝位在最大燃料电池电压水平之下。
21.如权利要求20所述的方法，其中所述“时常”是指周期性地。
22.如权利要求20所述的方法，其中在操作至少一个开关以提供跨过该燃料电池堆两端的电性短路电路之后大约500毫秒时，操作该至少一个开关以便从该燃料电池堆的两端移除电性短路电路。
23.如权利要求20所述的方法，进一步包括时常测定该燃料电池堆两端的电压，其中，时常操作至少一个开关以提供跨过该燃料电池堆两端的电性短路电路的步骤包括，当所测定的该燃料电池堆两端的电压超过临界电压时，操作该至少一个开关以提供电性短路电路。
24.如权利要求20所述的方法，其中将燃料电池电压箝位在最大燃料电池电压水平之下的步骤包括，在提供跨过该燃料电池堆两端的电性短路电路之前从该电存储装置向负载供电；以及在移除了跨过该燃料电池堆两端的电性短路电路之后的一段时间内从该燃料电池堆对该电存储装置进行再充电。
25.一种操作电力系统以便为系统的负载和平衡设备供电的方法，该电力系统具有燃料电池堆和电性连接到该燃料电池堆的能量存储装置，该方法包括测量由燃料电池堆供给到系统的负载和平衡设备的电池堆电流；测定在该燃料电池堆的短路期间系统的负载和平衡设备所需的能量数量；测定将在短路电路之后削去的能量数量；根据所测定的在短路电路期间系统的负载和平衡设备所需的能量数量，并根据所测定的在短路电路之后将要削去的能量数量，测定将要从该能量存储装置预先移除的能量数量；测定以现有的负载从该电存储装置预先移除所测定的数量的能量所需的时间；断开系统的负载和平衡设备与燃料电池堆的连接；在断开系统的负载和平衡设备的连接之后，经过所测定的从该电存储装置预先移除能量所需的时间，短路该燃料电池堆；将系统的负载和平衡设备重新连接到该燃料电池堆；以及在使该燃料电池堆短路了一段短路时间之后，停止对该燃料电池堆的短路。
26.一种用于向至少一个负载供电的电力系统，该电力系统包括燃料电池堆；用于时常短路该燃料电池堆的装置；以及用于至少在紧接着该燃料电池堆的短路之后的一段时间内，将燃料电池堆电压箝位在最大燃料电池堆电压水平之下的装置。
27.如权利要求26所述的电力系统，其中用于箝位燃料电池堆电压的装置包括与该燃料电池堆并联电性连接的齐纳二极管。
28.如权利要求26所述的电力系统，其中用于箝位燃料电池堆电压的装置包括与该燃料电池堆并联电性连接的分路调节器。
29.如权利要求26所述的电力系统，其中用于箝位燃料电池堆电压的装置包括与该燃料电池堆并联电性连接的电存储装置。
30.如权利要求26所述的电力系统，其中用于箝位燃料电池堆电压的装置包括运行控制逻辑的控制器，该控制逻辑操作与该燃料电池堆并联电性连接的晶体管。
31.一种电力系统，包括电力总线；电性跨接在该电力总线两端的燃料电池堆；电性跨接在该燃料电池堆两端的脉冲调制开关，用于电流脉冲调制该燃料电池堆；控制器，被连接成用于选择地控制脉冲调制开关以便时常电流脉冲调制该燃料电池堆；以及电池堆电压箝位装置，用于至少在电流脉冲调制该燃料电池堆之后的一段时间内箝位电池堆电压。
32.如权利要求31所述的电力系统，其中控制器包括振荡器，其操作该脉冲调制开关以便周期性地短路该燃料电池堆。
33.如权利要求31所述的电力系统，其中控制器包括振荡器，其操作该脉冲调制开关以便周期性地在该燃料电池堆两端电性跨接负载从而电流脉冲调制该燃料电池堆。
34.如权利要求31所述的电力系统，其中该电池堆电压箝位装置包括与该燃料电池堆并联电性连接的电存储装置。
35.如权利要求31所述的电力系统，其中该电池堆电压箝位装置包括并联电性连接的电存储装置，其中该电存储装置包括蓄电池和超大电容器中的至少之一。
36.如权利要求31所述的电力系统，其中该电池堆电压箝位装置包括齐纳二极管，电性跨接在该燃料电池堆的两端以便箝位燃料电池堆电压。
37.如权利要求31所述的电力系统，其中该电池堆电压箝位装置包括分路调节器，电性跨接在该燃料电池堆的两端以便箝位燃料电池堆电压，该分路调节器包括齐纳二极管，电阻器，以及具有输入端、输出端和控制端的晶体管，该齐纳二极管电性连接在该燃料电池堆的输出与晶体管的控制端之间，该电阻器串联电性连接在齐纳二极管与晶体管的控制端之间。
38.如权利要求31所述的电力系统，其中控制器包括振荡器，其周期地使该脉冲调制开关电性地短路该燃料电池堆，其中该电池堆电压箝位装置包括电压传感器，被连接成用于提供表示在电力总线上感测到的电压的信号；以及在控制器中实现的分路调节器逻辑，其响应于燃料电池堆电压超过临界电压使得脉冲调制开关电性短路该燃料电池堆。
39.如权利要求31所述的电力系统，其中该电池堆电压箝位装置包括电存储装置；与该燃料电池堆并联地电性跨接在电力总线两端的齐纳二极管；串联电性连接在燃料电池堆与电存储装置之间的燃料电池堆隔离开关，其中进一步连接该控制器用于控制该燃料电池堆隔离开关；电流传感器，定位成用于感测该燃料电池堆的输出电流，并将所得到的表示所感测的电流的值提供给该控制器；以及电性连接在该燃料电池堆与该电存储装置之间的二极管，用于保护该电存储装置不受短路影响。
40.如权利要求31所述的电力系统，其中该电池堆电压箝位装置包括电存储装置；彼此串联电性连接的第一金属氧化物半导体场效应晶体管和第一肖特基二极管；以及彼此串联电性连接并且与第一金属氧化物半导体场效应晶体管和第一肖特基二极管并联电性连接的至少第二金属氧化物半导体场效应晶体管和第二肖特基二极管，该第一和第二金属氧化物半导体场效应晶体管以及该第一和第二肖特基二极管电性连接在该燃料电池堆与该电存储装置之间。
41.一种用于向至少一个负载供电的电力系统，该电力系统包括燃料电池堆；电性连接的短路开关，用于电性地短路该燃料电池堆；与该燃料电池堆并联电性连接的电存储装置；电性连接在该燃料电池堆与该电存储装置之间的二极管，用于保护该电存储装置不受电性短路影响；以及控制器，被连接成用于选择地控制该短路开关以便时常短路该燃料电池堆。
42.如权利要求41所述的电力系统，其中控制器包括振荡器，被连接成用于操作该短路开关以便周期性地短路该燃料电池堆。
43.如权利要求41所述的电力系统，其中控制器包括振荡器，被连接成用于操作该短路开关，以便周期性地在由该燃料电池堆供给的电力负载高于临界值时短路该燃料电池堆。
44.如权利要求41所述的电力系统，其中控制器运行控制逻辑，该控制逻辑通过以下方式使得控制器箝位该燃料电池堆的电压至少在短路该燃料电池堆之后的一段时间内从该燃料电池堆向电存储装置提供电流。
45.如权利要求41所述的电力系统，其中控制器运行控制逻辑，该控制逻辑通过以下方式使得控制器箝位该燃料电池堆的电压测定将该电存储装置排放到所需电平所需的时间；在短路该燃料电池堆之前，将负载与该燃料电池堆的电连接断开所测定的所述时间；以及至少在短路该燃料电池堆之后的一段时间内从该燃料电池堆向电存储装置提供电流。
46.如权利要求41所述的电力系统，进一步包括与该燃料电池堆并联电性连接的齐纳二极管，该齐纳二极管具有大约等于该电存储装置的浮动电压的击穿电压。
47.如权利要求41所述的电力系统，进一步包括分路调节器，包括齐纳二极管、晶体管和连接在该齐纳二极管与该晶体管的开关端之间的电阻器，该晶体管与该燃料电池堆并联电性连接。
48.如权利要求41所述的电力系统，进一步包括燃料电池堆隔离开关，用于电性断开系统的平衡设备、负载以及该电存储装置与该燃料电池堆的连接。
全文摘要
电流脉调制提高了基于电力系统的燃料电池堆中的燃料电池的性能。电压箝位限制了在电流脉冲之后出现的电压峰值。在混合电力系统中，电存储装置在电流脉冲调制期间为负载供电。电存储装置可以接收电流以实现电压箝位，和/或电力系统可以采用其它的电压箝位电路。
文档编号H01M16/00GK1809942SQ200480017393
公开日2006年7月26日 申请日期2004年5月3日 优先权日2003年5月6日
发明者马丁·T·费尔森 申请人:百拉得动力系统公司
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