燃料电池动力装置的自力启动方法和装置及具有自力启动能力的燃料电池动力装置

具体实施方式

在下面的说明中，陈述某些特定细节以对本发明的各实施例提供透彻理解。但是，本领域技术人员会理解，可以在不带有这些细节情况下实现本发明。在其它例子中，为了避免不必要地模糊对本发明的实施例的说明，不详细地示出或说明和燃料电池、燃料电池堆、电池和燃料电池系统关联的周知结构。

除非上下文另外需要，在下面的整个说明和权利要求书中词“包括”以及其变型，例如“包括着”是以开放、非遍举的意义构建的，即例如“包括但不限于”。

本文中给出的标题只出于方便起见，而不表示本申请的专利的范围或含义。

图1示出燃料电池系统10，其具有能电耦接成向一个或多个外部负载14提供能量的燃料电池堆12。燃料电池堆12可以包括一个或多个具有关联的电阻和电容的燃料电池，在图1中用标准电气图示符号分别表示它们。

在使用中，燃料电池堆12通过反应剂供给系统16接收燃料或反应剂流并且通过氧化剂供给系统18接收氧化剂例如空气流。反应剂供给系统16可以从反应剂储罐20供给反应剂，储罐20可以和燃料电池系统10集成地形成，或者采取可选择性地利用适当的阀和连接件22耦接到燃料电池系统10的分立单元的形式。反应剂供给系统16包括反应剂储罐20和燃料电池堆12之间的包括第一阀V1的第一流路径，以及反应剂储罐20和燃料电池堆12之间的包括第二阀V2的第二流路径。在燃料电池系统10的控制下，例如通过螺线管S或者其它致动器，第二阀V2自动操作。如相关的虚线箭头所示，借助手动操作启动开关S1旁路第二阀V2，可手动操作第一阀V1。氧化剂供给系统18包括至少一个有源元件24，例如压缩机、吹风机或风扇，以便主动对燃料电池堆12供给氧化剂流。

除了燃料电池堆12，燃料电池系统10典型地包括相关的操作、监视和控制系统，其通常称为动力装置的配套设施26。动力装置配套设施26可以包括反应剂供给系统16、氧化剂供给系统18、功率调节系统，并且可以包括各种其它的用于反应剂增湿、温度调节和/或运行监视的系统。例如，动力装置配套设施26可以包括诸如微处理器28的控制器、诸如随机存取存储器(“RAM”)和/或只读存储器(“ROM”)的存储器30和/或与微处理器28耦接以便提供关于各种构件的运行条件信息(例如温度、体积流和/或开关位置)的传感器32。动力装置配套设施还可以包括总体地在34处示出的各种致动器(其中还包括例如螺线管S)，以控制燃料电池系统10的各种构件。动力装置配套设施26的各个元件构成燃料电池系统10的内部负载，其需要能量，例如来自燃料电池堆12或储能部件的能量，来运行。

在一些实施例中，燃料电池堆12可包括一个可选择性地操作以便清洗燃料电池堆12的阳极的阳极清洗阀V3。在至少一个实施例中，可以手动致动阳极清洗阀V3以能在产生足够的自动操作阳极清洗阀V3的能量之前清洗燃料电池堆12的阳极。至少在另一个实施例中，附加地操作，或者替代地在燃料电池系统10的控制下例如利用微处理器28自动操作阳极清洗阀V3。

燃料电池系统10包括电储存部件36，例如一个或多个和燃料电池堆12电气并联耦接的超级电容器。本领域技术人员会意识到，其它电储存部件，包括储电电池，可适用地替代超级电容器。电储存部件36积累能量，最终在积累足够的能量之后向动力装置配套设施的一个或更多的构件提供能量。例如，电储存部件36可以从该反应剂和燃料电池堆12中的周围氧气(例如通过氧化剂供给系统24被动渗入或扩散到燃料电池堆12中的氧化剂)的反应积累能量。如后面更充分解释那样，电储存部件36可对氧化剂供给系统18的有源元件24提供能量以主动供给氧化剂流，从而使燃料电池堆12产生对内部和外部负载提供的足够能量。这样，燃料电池系统10可自引导到运行中。

可以通过手动致动启动开关S1把任选的电阻R1，例如一个分立电阻器，电气并联地耦接在电储存部件36的两端以限制系统启动期间对电储存部件36的电流涌入(例如电储存部件充电)。一旦燃料电池堆12至少对一个内部负载提供足够能量，可以从电储存部件36两端电气断开电阻R1，以便通过消除和电阻R1关联的损耗来提高燃料电池系统10的效率。

可以使二极管D1、D2和充电电路电气耦接以防止电流i4的逆向流动。在动力装置配套设施的控制下，例如如关联的虚线箭头所示在微处理器28的控制下，充电电路开关S2电气上耦接和断开电储存部件36与燃料电池堆12。当燃料电池堆12产生充足的能量以对内部负载以及对外部负载14提供能量，负载开关S3把负载14电耦接到燃料电池堆12上。在动力装置配套设施控制下，例如如用关联的虚线箭头所示在微处理器28的控制下，操作负载开关S3。可在负载14的两端电气耦接负载电容C1。

图2示出燃料电池系统10的一种替代实施例。该替代实施例以及本文说明的那些替代实施例和其它替代基本类似于前面说明的实施例，并且用相同的参照数字标识共同的动作和结构。下面只说明操作和结构上的显著不同。

图2的燃料电池系统10利用回扫电压转换器或升压转换器38调节对电储存部件36提供的能量，例如通过提升电压。升压转换器38可包括电感器L1和电压控制器40，例如极低运行电压控制器，并且基于电压计42的电压读数和安培计44的电流读数利用脉宽调制操作升压转换器开关S4。升压和回扫电压转换器是周知的电子器件，从而不详细说明只简单提及感兴趣的部分。

图3示出采用充电泵或电压倍增器电路以提升至电储存部件36的电压的燃料电池系统10。具体地，该充电电路可以包括振荡器46，其根据第一定时信号控制第一振荡开关S4并且根据和第一定时信号相反的第二定时信号控制第二振荡开关S5。电容C2电耦接在限流路径(即，包含电阻R1的路径)以及振荡电路S4、S5间的共用节点之间。

图4示出操作燃料电池系统10的方法400。在步骤402，反应剂供给系统16从反应剂储罐20对燃料电池堆12供给反应剂。反应剂供给系统16可以响应利用启动开关S1对阀V1的手动操作供给反应剂。启动开关S1的激励还可以把电阻R1电耦接到电储存部件36的两端以限制电流的涌入。启动开关S1可以是在整个启动序列期间必须手动激励它。替代地，启动开关S1的手动激励可以使启动开关S1在等于启动序列的典型持续时间的规定持续时间内保持关闭。

在404，燃料电池堆12使该反应剂和周围氧化剂反应以产生能量。周围氧化剂可以通过渗入或者扩散，例如通过氧化剂供给系统18或者通过其它渠道，被动地到达燃料电池堆。

在406，燃料电池系统10的电路调节反应剂和周围氧化剂之间的反应产生的能量。例如，电阻R1(图1)可完成限流，和/或提升或回扫转换器(图2)，或者充电泵(图3)可提升电压。

任选地，如408所示，阳极清洗阀V3可清洗阳极。

在410，电储存部件36积累能量。一旦积累足够的能量，在412电储存部件36向动力装置配套设施提供能量。例如，电储存部件可以对一个或更多的内部负载，诸如氧化剂供给系统18的有源元件24，提供能量。

在414，燃料电池堆12使反应剂供给系统16供给的反应剂和氧化剂供给系统18主动供给的氧化剂反应，从而产生充足的用于内部和外部负载的能量。在416，燃料电池系统10闭合开关S3以把负载14电耦接到燃料电池堆12上，从而成功引导燃料电池系统10。供选地，一旦燃料电池堆产生充足的对外部负载14提供的能量，启动开关S1电气地从电储存部件36两端断开电阻R1，以提高燃料电池系统10的效率。

在一个例子中，可以参照可从加拿大Burnaby的Ballard PowerSystems公司得到的NEXTTM燃料电池系统说明上面的操作。即使没有阴极空气泵运转，一些氧气或空气会扩散到燃料电池的流场中并且一些氮和/或水会从流场中扩散出，从而能使燃料电池堆大约产生4安、4伏或16瓦的能量。该能量的量取决于阴极如何对燃料电池堆周围的环境空气开放。

在动力装置配套设施需要大约在5秒种内传送大于18伏情况下大约200瓦的功率的场合下，为了启动燃料电池系统10，总共需要1000焦耳的能量。4.5法的超级电容器组为充电到28伏需要来自16瓦功率的1764焦耳能量。因此，这应需要大约二分钟使这些超级电容器组储存足够的能量。如果用来启动NEXA燃料电池系统，应从该超级电容器提取能量直到该超级电容器组的电压达到18伏，并且在该超级电容器中大约留下729焦耳的能量。这样，可以使用1035焦耳的能量启动动力装置配套设施。

具有自力启动能力的燃料电池动力装置不需要用于启动动力装置配套设施或者用于开始额定运行的外部能源。在若干应用中这是明显有益的，这些应用包括：

1.其中该动力装置不用于延长的时段并且其中相关的电储存部件不能通过自放电启动动力装置配套设施的应用。

2.固定式和便携式应用中，用于在不能得到外部能源的场合下于重新提供耗尽的反应剂后连续运行该动力装置。

3.运输应用中，用于当储电池或其它电储存部件出故障不能提供启动动力装置配套设施的足够能量时提供应急启动能力。例如，燃料电池供能车辆的操作者应当即使电池“空”了(或者当电储存部件放掉电、出故障或损坏时)仍能发动车辆。

所有上面在说明书中引用的和/或在申请数据清单中列出的美国专利、美国专利申请公布、美国专利申请、外国专利、外国专利中请以及非专利文献整体收录在此以供参考，其中包括但不限于美国专利申请序号09/916,117、09/916,115，09/916,211、09/916,213和09/916,240，它们全都于2001年7月25日申请。

从上面应理解到，尽管出于示意目的说明了本发明的一些特定实施例，在不背离本发明的精神和范围下可以做出各种修改。从而，除了附后权利要求书外本发明不受限制。