[发明专利]基于利用率的燃料电池监测和控制

说明书

本申请是申请日为2005年5月23日，申请号为200580024992.0，发明名称为“基于利用率的燃料电池监测和控制”的申请的分案申请。

技术领域

本发明通常涉及燃料电池系统，且尤其涉及用于确定和控制燃料电池系统中的一个或更多变量的系统和方法。

背景技术

电化学燃料电池是一种将燃料和氧化剂转化为电、反应产物和热的装置。例如，燃料电池可以适用于将氢和氧转化成水、电和热。在这样的燃料电池中，氢是燃料，氧是氧化剂，水是反应产物。

燃料电池堆通常包括两个或更多连接在一起成为一个单元的燃料电池，它们包含数组燃料电池。燃料电池堆可以加入到燃料电池系统中。燃料电池系统通常还包括燃料源，例如燃料的供给和/或燃料处理器，其从一种或更多原料中产生用于燃料电池堆的氢气或其他质子源。燃料处理器的例子是蒸汽重整器，其从水和含碳原料中产生氢气。系统还可以包括用于存储产生的电能的电池存储单元和向燃料电池输送氧的空气源。需要控制燃料电池堆和燃料电池系统的其他部件来调整系统的操作，以用于例如防止破坏系统和/或有效地操作系统以响应操作条件的变化。

发明内容

本发明的公开内容涉及能量产生和消耗组件，以及用于监测燃料的使用和/或基于此燃料使用情况来控制操作燃料电池堆的方法。该能量产生和消耗组件可以包括适于在供给压力下向燃料电池堆提供供给燃料的燃料源。燃料电池堆可以适于从至少一部分供给燃料中产生产量电流量的电流。控制系统可以适于检测此燃料电池堆处的压力，并至少部分地基于所检测到的压力来控制电流产量。该控制系统还可以适于通过控制由燃料电池堆产生的电流来将燃料利用率保持在预先确定的范围内。

能量产生和消耗的组件进一步可以包括适于施加负载到此燃料电池堆的能量存储/消耗装置。产量电流量可以通过主动控制此能量存储/消耗组件和/或施加到此燃料电池堆的负载而被控制。该控制系统也可以适于通过额外的方式或可选择的方式主动控制燃料源来控制产量电流量。

在某些能量产生和消耗组件中，燃料利用率或每供给量所消耗的燃料数量可以随着供给燃料的供给速度和施加到此燃料电池堆的负载变化。例如，在固定的供给燃料的供给速度下，施加的负载增大将增大电流的产量和燃料的消耗量，从而提高燃料的利用率。类似地，施加的负载减小将减小电流的产量和燃料消耗，从而降低燃料的利用率。

在某些组件中，存在预先确定的最大燃料利用率以防止能量产生和消耗组件的污染或对其的其他破坏。另外，也可以存在预先确定的最小燃料利用率以防止供给燃料的过度浪费。通过主动控制施加的负载来控制燃料的利用率可以便于改善响应率和更好地控制利用率。基于未使用燃料的流量，主动控制施加的负载与主动控制燃料源一起可以允许在宽范围的操作条件下更好地控制燃料利用率。

本发明提供了一种能量产生和消耗组件，包括：

燃料源，其适于在供给压力下提供供给燃料；

燃料电池堆，其包括至少一个燃料电池，其中所述燃料电池堆适于接收所述供给燃料并从所接收的供给燃料产生产量电流量的电流，以响应施加的负载；

负载施加组件，其适于被控制以施加负载到所述燃料电池堆；以及

控制系统，其适于检测所述燃料电池堆处的压力并基于所述检测到的压力以通过主动控制所述负载施加组件来控制所述电流产量。

在本发明所提供的能量产生和消耗组件中，控制系统可进一步适于检测产量电流量，基于所检测到的压力确定目标产量电流量，并基于所检测到的产量电流量和所述目标产量电流量控制负载施加组件。

当产生目标产量电流量时，燃料电池堆可适于消耗预先确定比例的供给燃料用于所检测到的压力。

燃料电池堆消耗的供给燃料的所预先确定的比例可在大约70％到大约90％的范围内。

燃料电池堆消耗的供给燃料的所预先确定的比例可以是大约83％。

燃料源可以适于被控制，并且控制系统可进一步适于检测产量电流量，适于确定目标产量电流量，并适于控制燃料源以基于目标产量电流量在供给压力下提供供给燃料。

控制系统可进一步适于基于目标产量电流量和所检测到的压力确定供给燃料的目标流量。

燃料源可适于从一种或更多原料中产生供给燃料，并且控制系统可进一步适于基于供给燃料的所确定的目标流量来控制燃料源的操作。

控制系统可适于通过利用等式确定未使用燃料的流量，此处F是所述未使用燃料的流量，K是常数，P是压力。