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TWI550943B - 燃料電池系統 - Google Patents

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TWI550943B
TWI550943B TW101103251A TW101103251A TWI550943B TW I550943 B TWI550943 B TW I550943B TW 101103251 A TW101103251 A TW 101103251A TW 101103251 A TW101103251 A TW 101103251A TW I550943 B TWI550943 B TW I550943B
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air
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open cathode
cell system
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葛倫Ａ 加瑞特生
大衛 格魯普
傑里米 達貝爾
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歐特吉系統公司
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Description

燃料電池系統 相關申請案之交互參照
此申請案請求2011年2月18日提出申請的美國臨時專利申請案序號第61/444,595號案的優先權，其全部內容以引用方式併入本文。
通過光碟提交引文資料
不適用
資料受著作權保護之聲明
根據美國及其他國家的著作權法，此專利文件中的一部分資料受到著作權保護。著作權所有者不反對任何人複製發表在美國專利與商標局的公開文件或記錄中的專利文件或專利揭露，但除此之外保留一切著作權權利。著作權所有者並未藉此放棄此專利文件的任何保密權利，包括但不限於其根據37 C.F.R. § 1.14的權利。
發明領域
此文件大體關於一氫燃料電池發電系統，且更具體而言，關於一開頂陰極質子交換膜(PEM)系統。廣義而言，此文件關於一集成再循環燃料電池系統。
 發明背景
第1A圖繪示一先前技術燃料電池系統10，系統10具有包含複數串連連接之個別燃料電池26的一燃料電池堆疊12(更加詳細地繪示於第1B圖中)。一堆疊風扇15用以提供過程氧化劑(空氣)且亦藉由將空氣22抽吸通過堆疊12之冷卻部分並將空氣送至陰極，或藉由使空氣吹過燃料電池堆疊12以冷卻並將空氣送至陰極來執行一冷卻功能。另外，可能有管道14協助引導與燃料電池堆疊12相關連之氣流22。在這些系統中，一氫(或可選擇地，重組油)燃料源32被提供給堆疊12。入口燃料壓力控制可藉由一調壓器19來提供。燃料透過一燃料入口閥16被饋送入燃料電池堆疊12並透過燃料出口閥或清除閥28離開燃料電池堆疊12。
燃料可藉由通過法或週期清除法來輸送。在通過法中，燃料32經由燃料入口閥16及燃料出口閥28連續地流經燃料電池堆疊12以防止惰性種類，諸如氮氣及水蒸汽在陽極腔中積聚。
在週期清除法中，燃料出口閥28保持關閉，同時燃料32通過燃料入口閥16被輸送至燃料電池堆疊12。隨著時間的推移，惰性種類，諸如氮氣及水蒸氣積聚在陽極腔中且由於對陽極之氫氣之質量輸送的干擾而阻礙電化學反應。這使週期性打開燃料出口閥28以清除陽極腔中的惰性種類成為必需。
電力透過電引線18及30自燃料電池堆疊12取得，並透過一開關24被輸送至一供電負載20。關閉系統可僅需藉由斷開開關或中繼器24來斷開供電負載20，或藉由關閉燃料供應閥16並打開清除閥28以允許陽極體積內的壓力平衡且接著關閉堆疊風扇15，止住氣流22來中斷對燃料電池堆疊的燃料供應。
此程序使燃料留在陽極體積內，這允許電化學反應在燃料電池堆疊內繼續進行並在燃料電池堆疊兩端產生一電壓，一潛在的不安全狀態。使清除閥28處於打開狀態允許陽極體積最終充滿空氣，因此將燃料電池堆疊12兩端之電壓降至零，惰化燃料電池堆疊12並消除不安全狀態。
然而，開始及停止質子交換膜(PEM)燃料電池12時常對PEM燃料電池中所使用的鉑催化劑(圖未示)不利，因為在開始及停止過程中，高陰極電壓在陽極體積中的氧化劑(空氣)與氫氣交換期間逐漸形成。這些高陰極電壓導致陰極上的碳催化劑支撐材料腐蝕(氧化)，致使催化劑自身降級且因而產生性能損失。
除此之外，當僅打開清除閥且允許空氣被吸入並通過燃料電池堆疊時，陽極體積處於一混合氣體狀態歷一延長時段，導致非常快速的陰極催化劑降級。
因此，本技術之目標是一燃料電池系統，其減少陽極的混合氣體狀態滯留時間，且在開始及停止燃料電池系統期間減少燃料電池兩端之電壓，從而減少混合氣體高陰極電壓之影響。這些目標中的至少某些目標將在下文所提供之說明中得到滿足。
 發明概要
本技術有關於具有開頂陰極質子交換膜(PEM)系統的一氫燃料電池發電系統。本技術嘗試簡化燃料電池系統之操作及製造。
在有些實施例中，增加附件用以控制及調節燃料電池系統，諸如控制系統、安全系統、電力轉換與管理系統且附件用以協助啟動燃料電池堆疊從一非作業狀態到一作業狀態。
而且，為了協助從作業狀態到非作業狀態之關閉，諸如附加輔助電力負載，附加空氣泵或壓縮機被用來於非作業期間惰化燃料電池堆疊。
除此之外，在有些實施例中，修改後之空氣管道用以引導冷卻及過程空氣通過燃料電池堆疊之路徑，且在一些情況下，使空氣通過燃料電池堆疊再循環，以維持一適當的作業溫度。
其他實施例包括對燃料電池堆疊中之每一燃料電池使用個別電阻器及/或將二極體納入燃料電池堆疊中之每一燃料電池。
進一步的實施例基於減少成本且易於操作而將上述附件合併到一簡單化的燃料電池電力系統中。
所述第一層面是一燃料電池系統，包含：一燃料電池堆疊及被配置成提供過程空氣以向該燃料電池堆疊供應氧化劑的一風扇；一空氣管道，被連接至該風扇及該燃料電池堆疊；一供電負載，被連接至該燃料電池堆疊，該供電負載被配置成接收由該燃料電池堆疊內之反應而產生之電力；及一輔助電力負載，被連接至該燃料電池堆疊；其中該輔助物是被配置成減少燃料電池堆疊兩端之電壓的電力負載；且其中該空氣管道被配置成將氣流引導至該燃料電池堆疊以向該燃料電池堆疊提供冷卻空氣。
在一實施例中，該系統包括被配置成控制該空氣管道內之氣流的一或多個空氣擋板。
在另一實施例中，該系統包括被配置成向該輔助電力負載提供冷卻空氣的第二風扇。
在一實施例中，該氣流被再循環以迫使由燃料電池堆疊操作被加熱之空氣被再引入到該燃料電池堆疊中，從而為燃料電池堆疊之正常運轉供熱。
在另一實施例中，該系統包括被配置在燃料電池堆疊之電池之間的電阻器元件，其中該等電阻器元件被配置成平衡個別燃料電池兩端之電壓。
另一層面是操作具有一燃料電池堆疊的一燃料電池系統的一方法，包含以下步驟：由一惰性狀態，接合被連接至該燃料電池堆疊的一輔助電力負載；引導燃料通過燃料電池堆疊以清除堆疊中的惰性空氣；操作一風扇以引導氣流流經燃料電池堆疊；該氣流向該燃料電池堆疊提供冷卻空氣及過程氧化劑；及對該堆疊施加一電力負載以接收由該燃料電池堆疊內之反應所產生之電力。
在當前層面之一實施例中，惰性化空氣自燃料電池堆疊被清除，同時將輔助電力負載接合至燃料電池堆疊內的較低電壓。
在另一實施例中，該方法進一步包括引導冷卻空氣穿越該輔助電力負載。
在另一實施例中，該方法進一步包括在燃料電池系統停止時引導沖洗空氣通過該燃料電池堆疊。
在另一實施例中，該方法進一步包括控制被連接至該燃料電池堆疊的一或多個空氣擋板以將氣流引導至燃料電池堆疊及輔助電力負載；及操作該一或多個空氣擋板以將由燃料電池堆疊加熱之空氣重新導回到燃料電池堆疊中，從而為燃料電池堆疊之運轉供熱。
在又一實施例中，該方法進一步包括控制一或多個空氣擋板之打開及關閉，以允許或限制周圍空氣注入該空氣管道。
另一層面是一PEM燃料電池系統，其包含：包含一或多個PEM燃料電池的一燃料電池堆疊，及被配置成提供過程空氣以向燃料電池堆疊供應氧化劑的風扇；一空氣管道，被連接至該風扇及該燃料電池堆疊；一供電負載，被連接至該燃料電池堆疊，該電力負載被配置成接收由燃料電池堆疊內之反應所產生之電力；及一輔助電力負載，被連接至該燃料電池堆疊並被設置在該空氣管道內；其中該輔助電力負載被配置成減少燃料電池堆疊兩端之電壓；其中該空氣管道被配置成將氣流引導至燃料電池堆疊及輔助電力負載以向燃料電池堆疊及輔助電力負載提供冷卻空氣。
本技術之其他層面將在下述說明書部分中闡明，其中詳細說明是出於完全揭露本技術之較佳實施例的目的而未對其加以限制。
圖式簡單說明
參照下述圖式，本技術將獲更加全面地被理解，該等圖式僅用於說明性目的：
第1A圖是一先前技術開頂陰極燃料電池系統的一示意圖。
第1B圖是第1A圖之燃料電池堆疊之一細節的一示意圖，繪示個別燃料電池之配置。
第2A圖是本技術之第一燃料電池系統的一示意圖。
第2B圖是第2A圖之燃料電池堆疊之一細節的一示意圖，繪示個別燃料電池與電阻器元件及二極體並聯之配置。
第3A、3B及3C圖是本技術之第二實施例的示意圖，繪示三個操作變化形式。第3A圖繪示一通過模式，第3B圖繪示一完全再循環模式，且第3C圖繪示一局部再循環模式。
第4A、4B及4C圖是本技術之第三實施例之示意圖，繪示三個操作變化形式：第4A圖繪示一通過模式，第4B圖繪示一完全再循環模式，且第3C圖繪示一局部再循環模式。
 詳細說明
以下是對利用輔助附件的一開頂陰極燃料電池系統之實施例、構建方法之簡化及改良的討論。
第2A圖繪示依據本技術，被配置成提供增加功能性及穩固性的一PEM燃料電池系統40。為了減少混合氣體高陰極電壓的影響，有利地是縮短混合氣體狀態在陽極之滯留時間。這藉由在燃料電池系統停止時啟用沖洗空氣泵或壓縮機52，使沖洗空氣56經由空氣清除入口閥54快速地移動通過燃料電池堆疊42而在系統40中完成。
一輔助或外部電力負載48被使用以減少燃料電池系統40開始及停止期間燃料電池堆疊42兩端之電壓，從而減少個別燃料電池26兩端之電壓。輔助電力負載48伴隨一外部或輔助電力負載冷卻風扇46，其被配置成在操作期間迫使空氣50穿越或通過輔助電力負載48以冷卻輔助電力負載48的。可選擇地，輔助電力負載冷卻風扇46可反向(圖未示)抽吸空氣50通過輔助電力負載48。輔助電力負載48及輔助電力負載冷卻風扇46藉由閉合開關或中繼器44而被啟動，這造成輔助電力負載48與燃料電池堆疊42電氣路徑並聯。
如第2B圖中所示者，燃料電池堆疊42可選擇性地包括連接至個別燃料電池26的電阻器元件58及或二極體60。電阻器元件58協助平衡個別燃料電池26兩端之電壓，而二極體60防止個別燃料電池26逆轉極性。
從惰性狀態，即周圍溫度及空氣駐留在陽極及陰極上且系統內無燃料，燃料電池系統40首先藉由閉合開關或中繼器44來接合輔助電力負載48及輔助電力負載冷卻風扇46而被啟動。出口清除閥28被打開以使燃料電池堆疊42排氣，之後打開入口閥16以允許燃料經由燃料電池堆疊42被清除。同時發生的自燃料电池堆疊42清除惰性化空氣56與輔助電負載48之接合降低燃料電池堆疊42內之電壓，減少在燃料電池堆疊42內有一混合氣體之條件下的陰極催化劑腐蝕。燃料32經由燃料電池堆疊42被清除一足夠的時間以確保惰性化空氣自燃料電池堆疊42全部排出。在此之後，出口清除閥28關閉，開關或中繼器44斷開，堆疊風扇15接合，且主電力負載20藉由中繼器或開關24閉合而被施加。
在自堆疊42清除惰性空氣期間，第2B圖之電阻器元件58，若使用的話，協助在燃料電池堆疊42內之個別電池26中提供更一致的電壓。此外，二極體60，若使用的話，防止燃料電池堆疊42內之個別電池26中發生反向電壓。
在一較佳實施例中，燃料電池堆疊42(以及下文所述之第3A-C及4A-C圖中所示之燃料電池堆疊102)及個別燃料電池26較佳地包含業內常使用的開頂陰極質子交換膜(PEM)。
在正常操作期間，輸送自一燃料源32之燃料(例如氫或重組油)藉由調壓器19而被調節至適當的操作壓力且經由燃料入口閥16被通入燃料電池堆疊42中。燃料使用週期清除法或通過法經由出口或清除閥28自該堆疊被移除。同時，藉由一堆疊風扇15將空氣抽吸通過燃料電池堆疊，如第2A圖中所示，或可選擇地藉由將空氣22吹過燃料電池堆疊，(例如相反方向的氣流，圖未示)而使空氣22被提供給開頂陰極。堆疊風扇15也用來在操作期間冷卻燃料電池堆疊42。由燃料電池堆疊內的反應所產生之電力經由電引線(陰極引線18及陽極引線30)，且較佳地經由開關或中繼器24被輸送至電力負載20。
燃料電池系統40藉由通過斷開開關或中繼器24而斷開電力負載20來停止操作，打開清除閥28來清除陽極水及其他物質之體積且將一新鮮燃料32體積向陽極體積提供，繼續運轉堆疊風扇15來冷卻燃料電池堆疊42，在燃料電池堆疊已令人滿意地冷卻之後關閉堆疊風扇15，及藉由開關或中繼器44閉合來接合輔助電力負載48及輔助電力負載冷卻風扇46。
燃料入口閥16接著關閉，且空氣清除入口閥54被打開以迫使沖洗空氣56藉空氣清除泵52經由空氣清除入口閥54而通過燃料電池堆疊42。沖洗空氣56被迫使通過燃料電池堆疊42歷一足夠時段以允許餘留在陽極體積內的燃料被清除。
藉由迫使沖洗空氣56通過陽極體積，混合氣體之滯留時間縮短且對陰極催化劑的損害減少，以及由於降級之陰極催化劑引起之性能損失減少。
除此之外，同時發生的自燃料電池堆疊42清除燃料與接合輔助電力負載48降低燃料電池堆疊42內之電壓，減少在燃料電池堆疊42內有一混合氣體狀態之期間的陰極催化劑腐蝕。在自堆疊42清除燃料期間，電阻器元件58，若使用的話，協助在燃料電池堆疊42內之個別電池26中提供更一致的電壓，而二極體60，若使用的話，防止燃料電池堆疊42內之個別電池26中發生反向電壓。
第3A、3B及3C圖繪示具有被配置成改良操作並擴大燃料電池之操作範圍之結合特徵的一燃料電池系統100。系統100包括一燃料電池堆疊102及電池堆疊風扇15，擴充管道14藉由再循環回流管道112實現一再循環回流通道104。回流管道112可以是燃料電池系統100之一結構部分或其可藉由將燃料電池系統100置於一櫃或其他封閉體(圖未示)內來實現，藉此，櫃或封閉體之各種壁、嵌板、分隔物或其他結構作用為燃料電池發動機100之管道。輔助電力負載48被置於管道之一位置使得堆疊風扇15向輔助電力負載48提供冷卻空氣22，並向燃料電池堆疊102提供冷卻空氣及過程空氣。
在系統100之一較佳實施例中，堆疊風扇15將空氣22抽吸通過燃料電池堆疊102且接著將上述空氣吹到輔助電力負載48上或吹過輔助電力負載48以提供冷卻。在一替代實施例(圖未示)中，堆疊風扇15可將空氣22吹過燃料電池堆疊102並將空氣22抽吸到或抽吸通過輔助電力負載48(例如，與第3A圖中之氣流方向相反)。
在其他替代實施例(圖未示)中，燃料電池堆疊102、堆疊風扇15及輔助電力負載48之佈局可被配置成不同的佈局，其中空氣22被抽吸通過或吹過燃料電池堆疊102，且上述空氣22通過管道14、112內的不同位置被抽吸或吹至輔助電力負載48上或通過輔助電負載48。例如，堆疊風扇15可被設置於輔助電力負載48之下游或燃料電池102之上游。
系統100也可包含一單一集成閥體114，單一集成閥體114包含系統40之所有或許多個別閥之閥功能。也就是說，閥體114處於提供各種功能的一單一組件狀態，而不是單獨的閥及閥體，諸如燃料入口閥16、清除閥28、調壓閥19及沖洗空氣入口閥54作為單獨的組件。雖然一單一組件閥體114可包含各種混合之閥功能，可能並非所有閥功能均內建於閥體114中。作為一範例，基於實際設計上的原因，清除閥28及或調壓器19可保持為單獨的組件且未併入閥體中。此外，第2A、3A至3C及4A至AC圖中所示之任何閥配置可被互換使用。
電力自燃料電池堆疊102經由堆疊電源線120輸送至燃料電池系統電源管理器116，並經由堆疊返回電源線118回到燃料電池堆疊102。因為堆疊電壓可隨著自燃料電池堆疊102汲取之電力而顯著地變化，且可能並不適於主工作負載122，來自燃料電池堆疊102的電力較佳地在電源管理器116中調節或處理以向主工作負載122提供一恆定電壓。
一電腦化之燃料電池系統控制器126被提供以監測燃料電池堆疊的狀態，操作閥體114之閥，以及任何其他單獨的閥，並監測及控制電源管理器116。
系統100也可包括電池或超電容形式的一瞬時能量儲存器124性能。在一實施例中，燃料電池系統100可用作僅當有一網電停電時運作的一備份發電機。因此，瞬時能量儲存器124可在燃料電池系統100進入其操作狀態所需之時段上提供電力。
管道內之氣流22藉由使用百葉窗式導流板或擋板106、108、110來控制，它們復由燃料電池系統控制器126來調節。百葉窗式導流板或擋板106、108、110可由單一葉片(圖未示)或多個葉片組成，如第3A至3C圖中所示者。
在第3A圖中所示之第一操作模式中，系統100之進氣擋板106是完全打開的且藉由堆疊風扇15來抽吸而允許外部空氣21進入燃料電池系統100，空氣22接著被抽吸通過燃料電池堆疊102，冷卻燃料電池堆疊102，並向燃料電池堆疊102提供過程空氣(氧氣)。空氣22被致使經由打開的排氣擋板108離開燃料電池系統並排出到外部環境23。視需要，空氣22被致使越過或通過外部/輔助電力負載48以協助冷卻輔助電力負載48。在此操作模式期間，再循環空氣擋板110是完全關閉的以確保離開燃料電池堆疊102的加熱空氣22不會經由堆疊102被吸回。
第3A圖之操作模式用以在較高環境溫度的操作期間實現燃料電池堆疊102之最大冷卻，且將燃料電池堆疊102所產生之熱盡可能多地排到外部環境23。
第3B圖繪示第二操作模式，其中進氣擋板106及排氣擋板108是關閉的，而再循環空氣擋板110是完全打開的。在此操作模式中，被燃料電池堆疊15加熱之空氣22被致使藉由再循環回流管道112再循環返回通過再循環擋板110及再循環回流通道104。再循環空氣25被再引入燃料電池堆疊102以加熱燃料電池堆疊102，促進低環境溫度下的較高的性能操作及或使燃料電池堆疊102快速地提高至所欲作業溫度。
第三操作模式被繪示於第3C圖中。在此模式中，進氣擋板106、排氣擋板108及再循環擋板110是部分打開的，允許一部分空氣22經由排氣擋板108離開燃料電池系統100(外部氣流23)，同時允許另一部分空氣25藉由再循環回流管道112途經再循環擋板110及再循環回流通道104而被再循環。再循環空氣25與進入進氣擋板106的空氣21混合，並被再引入燃料電池堆疊102，以將燃料電池堆疊102加熱到一預定作業溫度。
當通過進氣擋板106的空氣21低於燃料電池堆疊102之預定作業溫度並欲被加熱以使燃料電池堆疊維持在預定作業溫度時，第3C圖之操作模式被應用。此操作模式一般為標稱操作模式。
在燃料電池系統100之操作期間，來自一燃料源32的燃料經由燃料入口線路136被輸送至閥體114並被調節至預定作業壓力。在一替代實施例中，燃料可被輸送至一外部燃料調壓器(圖未示)且接著輸送至閥體114。燃料電池系統控制器126提供一命令信號以致使包含在閥體114內之燃料入口閥處於打開狀態，允許燃料經由堆疊燃料入口線路130流入燃料電池堆疊102。週期性地，當燃料電池系統100在上述之一週期清除模式操作時，閥體114內的一清除閥或一外部清除閥(圖未示)藉由燃料電池系統控制器126被命令打開，允許燃料通過燃料電池堆疊102及堆疊清除線路140並離開清除埠134。
燃料電池系統控制器126透過堆疊及系統監測引線132(可被連接至溫度感測器、電壓抽頭、壓力感測器等，圖未示)監測燃料電池堆疊102及燃料電池系統100。藉由燃料電池系統控制器126監測之參數可包括但並不限於：燃料電池堆疊102溫度、個別燃料電池26電壓、入口21/出口23空氣溫度、再循環空氣25溫度、濕度，及或燃料電池堆疊102兩端之壓差，等。
使用採自燃料電池堆疊102及燃料電池系統100的資料，燃料電池系統控制器126測定並控制閥體114內(或外部)的閥之狀態，以及堆疊風扇15之速度，進氣擋板106、排氣擋板108及再循環空氣擋板110之位置，以維持預定燃料電池堆疊102溫度。空氣擋板106、108及110較佳地包括或配置成與致動裝置(例如，伺服馬達或技藝中可用的其他致動裝置，圖未示)一起運作而依據一設定程式，及/或經由監測參數之回饋來驅動空氣擋板之位置(例如，打開、關閉或部分關閉。
除此之外，燃料電池系統控制器126也控制電源管理器116之輸出電壓並監測主電力負載或工作負載122所汲取之電流。燃料電池系統控制器126也防止過載情況，並命令電源管理器116(或可選擇地，一外部開關或中繼器(圖未示))使燃料電池堆疊電力經由輔助電力負載引線138被輸送至輔助電力負載48並操縱轉變能量儲存裝置124之充電。
第4A、4B及4C圖繪示一替代系統200，包含一可為單葉片或多葉片式之單一擋板206及附隨管道210。系統100包含一單折管道210以代替系統100之入口擋板106、出口擋板108及再循環擋板110(第3A、3B及3C圖)。系統200之管道210具有組合進入/再循環空氣區域214及一回流/排氣區域208，被一管道分隔物216隔開。管道210及216可以是燃料電池系統200之一結構部分，或其可藉由將燃料電池系統200置於一櫃或其他封閉體(圖未示)內而實現，其中櫃或封閉體之壁、嵌板、分隔物或其他結構作用為燃料電池發動機200之管道。
在系統200之一較佳變化形式中，堆疊風扇15將空氣抽吸通過燃料電池堆疊102且接著將上述空氣吹到外部/輔助電力負載48上或吹過外部/輔助電力負載48以提供冷卻，如第4A-4C圖中所示。在圖未示之另一變化形式中，堆疊風扇15可以與第4A-4C圖中所示的相反氣流方向將空氣吹過燃料電池堆疊102且將空氣抽吸到輔助電力負載48上或抽吸通過輔助電力負載48。在圖亦未示之其他變化形式中，燃料電池堆疊102、堆疊風扇15及輔助電力負載48之佈局可被設置在管道210內之不同位置，使得空氣藉由管道210內之不同位置被抽吸通過或吹過自燃料電池堆疊102，或是被抽吸或吹至輔助電力負載48上或通過輔助電力負載48。
第4A圖繪示系統200之第一操作模式，其中單一空氣擋板206是完全打開的，且容許外部空氣212藉由以堆疊風扇15抽吸至入口區域214內而進入燃料電池系統200。空氣212接著被抽吸通過燃料電池堆疊102，從而冷卻燃料電池堆疊102，並向燃料電池堆疊102提供過程空氣(氧氣)。加熱空氣204被致使經由出口區域218通過打開的空氣擋板206離開燃料電池系統並進入外部環境。視需要，空氣204、212被致使越過或通過輔助電力負載48以協助冷卻輔助電力負載48。
第4A圖之操作模式較佳地用以影響在較高環境溫度的操作期間之燃料電池堆疊102最大冷卻，且將燃料電池堆疊102所產生之熱盡可能多地排到外部環境。也被理解的是，氣流212、204可被逆轉以致使空氣被吹過燃料電池堆疊102(例如，管道218成為進氣道)。
第4B圖繪示系統200之第二操作模式，其中單一空氣擋板206是完全關閉的。在此操作模式中，由燃料電池堆疊15加熱之空氣204被致使再循環經過再循環回流通道208及再循環空氣區域214並回到燃料電池堆疊102中。再循環空氣202被再引入燃料電池堆疊102，以加熱燃料電池堆疊102，促進低溫下的較高性能操作及/或將燃料電池堆疊102快速地提高至所欲作業溫度。視需要，空氣204被致使越過或通過輔助外部電力負載48以協助冷卻輔助電力負載48。也被理解的是，氣流202、204也可被逆轉，致使空氣被吹過燃料電池堆疊102。
第4C圖繪示系統200之第三操作模式，其中空氣擋板206是部分打開的，允許一部分加熱空氣204經由空氣擋板206通過燃料電池系統200並離開燃料電池系統200，同時允許另一部分空氣202經由再循環回流通道208再循環。再循環空氣202與經由空氣擋板206進入的空氣222混合以形成回流空氣混合物220，並被再引入燃料電池堆疊102，以將燃料電池堆疊102加熱至一預定作業溫度。此一操作變化形式被應用在通過空氣擋板206的空氣222的溫度低於維持燃料電池堆疊102之預定作業溫度，且欲被加熱以使燃料電池堆疊維持在預定作業溫度所需溫度時。第4C圖之操作模式典型地是標稱操作模式。也認知到的優點是，氣流202、204、220及222可被逆轉，致使空氣被吹過燃料電池堆疊102。
在燃料電池系統200操作期間，來自一燃料源32的燃料經由燃料入口線路136被輸送至閥體114並被調節至預定作業壓力或輸送至一外部燃料調壓器(圖未示)且接著輸送至閥體114。燃料電池系統控制器126提供一命令信號以致使包含在閥體114內之燃料入口閥處於打開狀態，允許燃料經由堆疊燃料入口線路130流入燃料電池堆疊。週期性地，當燃料電池系統200在上述之一週期清除模式操作時，閥體114內的一清除閥或一外部清除閥(圖未示)藉由燃料電池系統控制器126被命令打開，允許燃料通過燃料電池堆疊102及堆疊清除線路140並離開清除埠134。燃料電池系統控制器126透過堆疊及系統監測引線132來監測燃料電池堆疊102及燃料電池系統200。
熟於此技者將了解的是，較大的系統可利用多個風扇、輔助負載，及由上述說明中顯而易見的其他額外的組件。熟於此技者將進一步了解的是，除使用空氣作為一氧化劑以外，各種燃料可被使用，諸如，舉例而言，氫或重組油。
從上述說明將理解的是，本技術可以各種形式來實施，包括但並不限於以下：
1.　一燃料電池系統，其包含：一燃料電池堆疊；一風扇；該風扇被配置成提供過程空氣以向該燃料電池堆疊供應氧化劑；一空氣管道，被連接至該風扇及該燃料電池堆疊；一電力負載，被連接至該燃料電池堆疊，該電力負載被配置成接收該燃料電池堆疊內之反應所產生之電力；及一輔助電力負載，被連接至該燃料電池堆疊；其中該輔助電力負載被配置成減少該燃料電池堆疊兩端之電壓；且其中該空氣管道被配置成將氣流引導至該燃料電池堆疊以向該燃料電池堆疊提供冷卻空氣。
2.　如實施例1所述之燃料電池系統，其中該輔助電力負載被設置於該空氣管道內以向該輔助電力負載提供冷卻空氣。
3.　如實施例1所述之燃料電池系統，其進一步包含：一沖洗空氣泵，被連接至該燃料電池堆疊；其中該一沖洗空氣泵被配置成在該燃料電池系統停止時向該燃料電池堆疊提供沖洗空氣。
4.　如實施例2所述之燃料電池系統，其進一步包含：一或多個空氣擋板，被配置成控制該空氣管道內之氣流。
5.　如實施例4所述之燃料電池系統，其進一步包含：一再循環回流通道，被連接至該燃料電池堆疊；其中該再循環回流通道被配置成將該燃料電池堆疊所加熱之空氣重新導回到該燃料電池堆疊中，從而為該燃料電池堆疊之操作供熱。
6.　如實施例5所述之燃料電池系統，其進一步包含：一控制器，被連接至該一或多個空氣擋板；其中該控制器被配置成控制該一或多個空氣擋板之打開及關閉，以允許或限制周圍空氣注入該空氣管道。
7.　如實施例6所述之燃料電池系統，其中該一或多個擋板被配置成提供多個操作模式，該等操作模式包含：第一模式，其中該空氣僅通過該管道一次；第二模式，其中該加熱空氣在該管道內再循環；及第三模式，其中該加熱空氣的一部分在該管道內再循環，且該加熱空氣之一部分被引導離開該管道。
8.　如實施例7所述之燃料電池系統，其中該一或多個擋板包含對該空氣管道之進氣及出氣操作的一單一擋板。
9.　如實施例7所述之燃料電池系統，其中該一或多個擋板包含：第一擋板，被配置成允許周圍空氣進入該管道；第二擋板，被配置成引導該加熱空氣離開該管道；及第三擋板，被配置成允許該加熱空氣之再循環；其中在該第一模式中，該第一及第二擋板是打開的，而該第三擋板是關閉的；其中在該第二模式中，該第三擋板是打開的，而該第一及第二擋板是關閉的；且其中在該第三模式中，該第一、第二及第三擋板至少部分是打開的。
10.　如實施例1所述之燃料電池系統，其進一步包含：一或多個電阻器元件，被配置在該燃料電池堆疊之個別燃料電池之間；該一或多個電阻器元件被配置成平衡該等個別燃料電池兩端之電壓。
11.　如實施例1所述之燃料電池系統，其進一步包含：一或多個二極體，被配置在該燃料電池堆疊之個別燃料電池之間；該一或多個二極體被配置成防止該等個別燃料電池逆轉極性。
12.　一種操作具有一燃料電池堆疊的一燃料電池系統的方法，其包含以下步驟：自一惰性狀態，接合被連接至該燃料電池堆疊的一輔助電力負載；引導燃料穿過該燃料電池堆疊；隨後操作一風扇以引導氣流穿越該燃料電池堆疊；該氣流向該燃料電池堆疊提供冷卻空氣及過程氧化劑；及對該堆疊施加一供電負載以接收自該燃料電池堆疊內之反應所產生之電力。
13.　如實施例12所述之方法，其中該惰性空氣自該燃料電池堆疊被清除，同時接合該輔助電力負載以降低該燃料電池堆疊內之電壓。
14.　如實施例12所述之方法，其進一步包含引導冷卻空氣穿越該輔助電力負載。
15.　如實施例12所述之方法，其進一步包含在該燃料電池系統由一操作狀態停止時引導沖洗空氣通過該燃料電池堆疊。
16.　如實施例14所述之方法，其進一步包含以下步驟：控制被連接至該燃料電池堆疊的一或多個空氣擋板以將該氣流引導至該燃料電池堆疊及輔助電力負載；及操作該一或多個空氣擋板以將由該燃料電池堆疊所加熱之空氣重新導回到該燃料電池堆疊中，從而為該燃料電池堆疊之操作供熱。
17.　如實施例16所述之方法，其進一步包含控制該一或多個空氣擋板之打開及關閉，以允許或限制周圍空氣注入該空氣管道。
18.　一種PEM燃料電池系統，其包含：一燃料電池堆疊，包含一或多個PEM燃料電池；一風扇；該風扇被配置成提供過程空氣以向該燃料電池堆疊供應氧化劑；一空氣管道，被連接至該風扇及該燃料電池堆疊；一電力負載，被連接至該燃料電池堆疊，該電力負載被配置成接收自該燃料電池堆疊內之反應所產生之電力；及一輔助電力負載，被連接至該燃料電池堆疊並被設置於該空氣管道內；其中該輔助電力負載被配置成減少該燃料電池堆疊兩端之電壓；且其中該空氣管道被配置成將該氣流引導至該燃料電池堆疊及輔助電力負載以向該燃料電池堆疊及輔助電力負載提供冷卻空氣。
19.　如實施例18所述之燃料電池系統，其進一步包含：一沖洗空氣泵，被連接至該燃料電池堆疊；其中該一沖洗空氣泵被配置成在該燃料電池系統停止時向該燃料電池堆疊提供沖洗空氣。
20.　如實施例18所述之燃料電池系統，其進一步包含：一或多個空氣擋板，被配置成控制該空氣管道內之氣流；及一再循環回流通道，被連接至該燃料電池堆疊；其中該再循環回流通道被配置成將由該燃料電池堆疊所加熱之空氣重新導回到該燃料電池堆疊中，從而為該燃料電池堆疊之操作供熱。
21.　如實施例20所述之燃料電池系統，其進一步包含：一控制器，被連接至該一或多個空氣擋板；其中該控制器被配置成控制該一或多個空氣擋板之打開及關閉，以允許或限制周圍空氣注入該空氣管道。
22.　如實施例20所述之燃料電池系統，其中該一或多個擋板被配置成提供多個操作模式，該等操作模式包含：第一模式，其中該加熱空氣僅通過該管道一次；第二模式，其中該加熱空氣在該管道內再循環；及第三模式，其中該加熱空氣的一部分在該管道內再循環且該加熱空氣的一部分被引導離開該管道。
儘管上述說明包含許多細節，這些細節不應被理解為限制本技術之範圍，而是僅提供對此技術之某些目前較佳實施例之說明。因此，將了解的是，本技術之範圍充分涵蓋對於熟於此技者顯而易見的其他實施例，且本技術之範圍因此僅受到後附申請專利範圍的限制，其中除非明確說明，提及單數元件並不意指「唯一的」，而是「一或多個」。熟於此技者所已知的上述較佳實施例之元件的所有結構、化學及功能等效物特意地以引用方式併入本文且意欲被本申請專利範圍所涵蓋。此外，被包含在本申請專利範圍內之一裝置或方法不必解決本技術尋求解決的每一問題。另外，不論元件、組件或方法步驟是否被明確地列在申請專利範圍中，本揭露中的元件、組件或方法步驟都不欲被奉獻給公眾。本文之請求項之元件不按照110 U.S.C 115第六段解釋，除非該元件特意使用片語「用以...之裝置」敘述。
本文所述之所有元件、部件及步驟較佳地被納入。應了解的是，這些元件、部件及步驟中的任一者可被其他元件、部件及步驟取代或一起刪除，這對於熟於此技者將是顯而易見的。
廣義而言，此文件至少已提出下列：一PEM燃料系統包括一包含一或多個PEM燃料電池的燃料電池堆疊及被配置成提供過程空氣以向該燃料電池堆疊供應氧化劑並冷卻該燃料電池堆疊的風扇。該系統具有一被連接至該風扇及該燃料電池堆疊的空氣管道，及一被連接至被燃料電池堆疊以接收自該燃料電池堆疊內之反應所產生之電力的供電負載。該系統進一步包括一輔助電力負載，其被連接至該燃料電池堆疊並被設置於該空氣管道內以減少燃料電池堆疊兩端之電壓。該空氣管道被配置成將氣流引導至燃料電池堆疊及輔助電力負載以向燃料電池堆疊及輔助電力負載提供冷卻空氣。
10．．．先前技術燃料電池系統
12．．．燃料電池堆疊/堆疊
14．．．管道/擴充管道
15．．．堆疊風扇/電池堆疊風扇/燃料電池堆疊
16．．．燃料入口閥/燃料供應閥/入口閥
18、30．．．電引線/陰極引線
19．．．調壓器/調壓閥
20．．．供電負載/主電力負載/電力負載
21．．．外部空氣
22．．．空氣/氣流/冷卻空氣/加熱空氣
23．．．外部環境/外部氣流
24．．．開關/開關或中繼器/中繼器或開關
25．．．再循環空氣/空氣
26．．．個別燃料電池/個別電池
28．．．燃料出口閥或清除閥/燃料出口閥/清除閥/出口清除閥/出口或清除閥
30．．．電引線/陽極引線
32．．．燃料源/燃料
40．．．PEM燃料電池系統/系統/燃料電池系統
42．．．燃料電池堆疊/堆疊
44．．．開關或中繼器
46．．．外部或輔助電力負載冷卻風扇/輔助電力負載冷卻風扇
48．．．輔助或外部電力負載/輔助電力負載/外部/輔助電力負載/輔助外部電力負載
50．．．空氣
52．．．沖洗空氣泵或壓縮機/空氣清除泵
54．．．空氣清除入口閥/沖洗空氣入口閥
56．．．沖洗空氣
58．．．電阻器元件
60．．．二極體
100．．．燃料電池系統/系統
102．．．燃料電池堆疊/燃料電池/堆疊
104．．．再循環回流通道
106．．．百葉窗式導流板或擋板/進氣擋板/空氣擋板
108．．．百葉窗式導流板或擋板/打開的排氣擋板/排氣擋板/空氣擋板
110．．．百葉窗式導流板或擋板/再循環空氣擋板/再循環擋板/空氣擋板
112．．．再循環回流管道/回流管道/管道
114．．．單一集成閥體/單一組件閥體/閥體
116．．．燃料電池系統電源管理器/電源管理器
118．．．堆疊返回電源線
120．．．堆疊電引線
122．．．主工作負載/主電力負載或工作負載
124．．．瞬時能量儲存器/轉變能量儲存裝置
126．．．基於電腦之燃料電池系統控制器/燃料電池系統控制器
130．．．堆疊燃料入口線路
132．．．系統監測引線
134．．．清除埠
136．．．燃料入口線路
138．．．輔助電力負載引線
140．．．堆疊清除線路
200．．．替代系統/系統/燃料電池系統
202．．．再循環空氣/氣流/空氣
204．．．加熱空氣/空氣/氣流
206．．．單一擋板/單一空氣擋板/打開的空氣擋板/空氣擋板
208．．．回流/排氣區域/再循環回流通道
210．．．附隨管道/單一褶曲管道/管道
212．．．外部空氣/空氣/氣流
214．．．組合進入/再循環空氣區域/入口區域/再循環空氣區域
216．．．管道分隔物
218．．．出口區域/管道
220．．．回流空氣混合物/氣流
222．．．空氣/氣流
第1A圖是一先前技術開頂陰極燃料電池系統的一示意圖。
第1B圖是第1A圖之燃料電池堆疊之一細節的一示意圖，繪示個別燃料電池之配置。
第2A圖是本技術之第一燃料電池系統的一示意圖。
第2B圖是第2A圖之燃料電池堆疊之一細節的一示意圖，繪示個別燃料電池與電阻器元件及二極體並聯之配置。
第3A、3B及3C圖是本技術之第二實施例的示意圖，繪示三個操作變化形式。第3A圖繪示一通過模式，第3B圖繪示一完全再循環模式，且第3C圖繪示一局部再循環模式。
第4A、4B及4C圖是本技術之第三實施例之示意圖，繪示三個操作變化形式：第4A圖繪示一通過模式，第4B圖繪示一完全再循環模式，且第3C圖繪示一局部再循環模式。
14．．．管道/擴充管道
15．．．堆疊風扇/電池堆疊風扇/燃料電池堆疊
16．．．燃料入口閥/燃料供應閥/入口閥
18、30．．．電引線
18．．．電引線/陰極引線
19．．．調壓器/調壓閥
20．．．供電負載/主電力負載/電力負載
22．．．空氣/氣流/冷卻空氣/加熱空氣
24．．．開關/開關或中繼器/中繼器或開關
28．．．燃料出口閥或清除閥/燃料出口閥/清除閥/出口清除閥/出口或清除閥
30．．．電引線/陽極引線
32．．．燃料源/燃料
40．．．PEM燃料電池系統/系統/燃料電池系統
42．．．燃料電池堆疊/堆疊
44．．．開關或中繼器
46．．．外部或輔助電力負載冷卻風扇/輔助電力負載冷卻風扇
48．．．輔助或外部電力負載/輔助電力負載/外部/輔助電力負載/輔助外部電力負載
50．．．空氣
52．．．沖洗空氣泵或壓縮機/空氣清除泵
54．．．空氣清除入口閥/沖洗空氣入口閥
56．．．沖洗空氣

Claims (22)

  1. 一種開陰極燃料電池系統，其包含：一開陰極燃料電池堆疊；一風扇；該風扇組配來提供過程空氣以向該開陰極燃料電池堆疊供應氧化劑；一空氣管道，耦接至該風扇及該開陰極燃料電池堆疊；一電氣服務負載，耦接至該開陰極燃料電池堆疊，該電氣服務負載組配來接收該開陰極燃料電池堆疊內之反應所產生之電力；及一輔助電氣負載，耦接至該開陰極燃料電池堆疊；其中該輔助電氣負載係組配來減少跨該開陰極燃料電池堆疊兩端之電位；且其中該空氣管道係組配來將氣流引導至該開陰極燃料電池堆疊以向該開陰極燃料電池堆疊同時提供冷卻空氣及過程氧化劑。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池系統，其中該輔助電氣負載被設置於該空氣管道內以向該輔助電氣負載供應冷卻空氣。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池系統，其進一步包含：一沖洗空氣泵，耦接至該燃料電池堆疊；其中該沖洗空氣泵係組配來在該燃料電池系統停 止時即向該開陰極燃料電池堆疊提供沖洗空氣。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之燃料電池系統，其進一步包含：一或多個空氣擋板，組配來控制該空氣管道內之氣流。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之燃料電池系統，其進一步包含：一再循環回流通道，耦接至該開陰極燃料電池堆疊；其中該再循環回流通道係組配來將該燃料電池堆疊所加熱之空氣重新導回到該開陰極燃料電池堆疊中，從而為該開陰極燃料電池堆疊之運作供熱。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之燃料電池系統，其進一步包含：一控制器，耦接至該一或多個空氣擋板；其中該控制器係組配來控制該一或多個空氣擋板之打開及關閉，以允許或限制周圍空氣注入該空氣管道。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之燃料電池系統，其中該一或多個擋板係組配來提供多個操作模式，該等操作模式包含：第一模式，其中該空氣僅通過該管道一次；第二模式，其中該加熱空氣在該管道內再循環；及第三模式，其中該加熱空氣的一部分在該管道內再循環，且該加熱空氣之一部分被引導離開該管道。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之燃料電池系統，其中該一或多個擋板包含對該空氣管道之進氣及出氣操作的一單一擋板。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之燃料電池系統，其中該一或多個擋板包含：第一擋板，組配來允許周圍空氣進入該管道；第二擋板，組配來引導該加熱空氣離開該管道；及第三擋板，組配來允許該加熱空氣之再循環；其中在該第一模式中，該等第一及第二擋板是打開的，而該第三擋板是關閉的；且其中在該第二模式中，該第三擋板是打開的，而該等第一及第二擋板是關閉的；其中在該第三模式中，該等第一、第二及第三擋板至少部分打開。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池系統，其進一步包含：一或多個電阻器元件，配置在該燃料電池堆疊之個別燃料電池之間；該一或多個電阻器元件組配來平衡跨該等個別燃料電池兩端之電位。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池系統，其進一步包含：一或多個二極體，配置在該開陰極燃料電池堆疊之個別燃料電池之間； 該一或多個二極體組配來防止該等個別燃料電池逆轉極性。
  12. 一種操作具有開陰極燃料電池堆疊的燃料電池系統的方法，其包含以下步驟：自一惰性狀態，接合耦接至該開陰極燃料電池堆疊的一輔助電氣負載；引導燃料穿過該燃料電池堆疊以自該開陰極燃料電池堆疊清除惰性空氣；隨後操作一風扇以引導氣流穿越該開陰極燃料電池堆疊；該氣流向該開陰極燃料電池堆疊同時提供冷卻空氣及過程氣化劑；及跨該堆疊施加一電氣服務負載以接收該開陰極燃料電池堆疊內之反應所產生之電力。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該惰性空氣自該開陰極燃料電池堆疊被清除，而同時接合該輔助電氣負載以降低該開陰極燃料電池堆疊內之電位。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之方法，其進一步包含引導冷卻空氣穿越該輔助電氣負載。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其進一步包含在該燃料電池系統停止時即引導沖洗空氣通過該開陰極燃料電池堆疊。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其進一步包含以下步驟： 控制耦接至該開陰極燃料電池堆疊的一或多個空氣擋板以將該氣流引導至該燃料電池堆疊及輔助電氣負載；及操作該一或多個空氣擋板以將由該燃料電池堆疊所加熱之空氣重新導回到該開陰極燃料電池堆疊中，從而為該燃料電池堆疊之運作供熱。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之方法，其進一步包含控制該一或多個空氣擋板之打開及關閉，以允許或限制周圍空氣注入該空氣管道。
  18. 一種開陰極質子交換膜(PEM)燃料電池系統，其包含：一開陰極燃料電池堆疊，包含一或多個PEM燃料電池；一風扇；該風扇組配來提供過程空氣以向該開陰極燃料電池堆疊供應氣化劑；一空氣管道，耦接至該風扇及該開陰極燃料電池堆疊；一電氣服務負載，耦接至該開陰極燃料電池堆疊，該電氣服務負載組配來接收該開陰極燃料電池堆疊內之反應所產生之電力；及一輔助電氣負載，耦接至該開陰極燃料電池堆疊並設置於該空氣管道內；其中該輔助電氣負載係組配來減少跨該開陰極燃料電池堆疊兩端之電位；且 其中該空氣管道係組配來將氣流引導至該開陰極燃料電池堆疊及輔助電氣負載，以向該開陰極燃料電池堆疊及輔助電氣負載提供冷卻空氣及過程氧化劑。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之燃料電池系統，其進一步包含：一沖洗空氣泵，耦接至該開陰極燃料電池堆疊；其中該沖洗空氣泵係組配來在該燃料電池系統停止時即向該開陰極燃料電池堆疊提供沖洗空氣。
  20. 如申請專利範圍第18項所述之燃料電池系統，其進一步包含：一或多個空氣擋板，組配來控制該空氣管道內之氣流；及一再循環回流通道，耦接至該開陰極燃料電池堆疊；其中該再循環回流通道係組配來將由該開陰極燃料電池堆疊所加熱之空氣重新導回到該燃料電池堆疊中，從而為該開陰極燃料電池堆疊之運作供熱。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之燃料電池系統，其進一步包含：一控制器，耦接至該一或多個空氣擋板；其中該控制器係組配來控制該一或多個空氣擋板之打開及關閉，以允許或限制周圍空氣注入該空氣管道。
  22. 如申請專利範圍第20項所述之燃料電池系統，其中該一或多個擋板係組配來提供多個操作模式，該等操作模式 包含：第一模式，其中該加熱空氣僅通過該管道一次；第二模式，其中該加熱空氣在該管道內再循環；及第三模式，其中該加熱空氣的一部分在該管道內再循環且該加熱空氣的一部分被引導離開該管道。
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Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9029034B2 (en) 2011-02-18 2015-05-12 Altergy Systems Integrated recirculating fuel cell system
JP5994376B2 (ja) * 2012-05-09 2016-09-21 スズキ株式会社 燃料電池の給排気構造
ITTO20130565A1 (it) * 2013-07-05 2015-01-06 Denso Thermal Systems Spa Sistema per il condizionamento attivo di un fluido gassoso di aspirazione di un motore a combustione interna
FR3014248B1 (fr) * 2013-11-29 2020-06-12 Symbiofcell Dispositif de recirculation d'une pile a combustible
CN103700871B (zh) * 2013-12-07 2015-09-09 西南交通大学 机车质子交换膜燃料电池系统最优效率控制方法
DE102014215855A1 (de) * 2014-08-11 2016-02-11 Volkswagen Ag Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung, Brennstoffzellenvorrichtung und Kraftfahrzeug mit Brennstoffzellenvorrichtung
JP6160597B2 (ja) * 2014-11-14 2017-07-12 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用排水装置、燃料電池システム、移動体
BR112017018756A2 (pt) * 2015-03-02 2018-07-24 Altergy Systems sistema de célula de combustível de recirculação integrada.
CN106898847B (zh) * 2015-12-18 2019-05-07 中国科学院大连化学物理研究所 一种金属/空气电池系统及其温度控制方法
DE102018201056A1 (de) * 2018-01-24 2019-07-25 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzelle und Brennstoffzellenstapel
DE102018119758A1 (de) * 2018-08-14 2020-02-20 Airbus Operations Gmbh Brennstoffzellensystem für ein Luftfahrzeug
WO2021158944A1 (en) * 2020-02-07 2021-08-12 HyPoint Inc. Electric power generation system based on pressurized fuel cell power system with air cooling and recirculation and method for electric power generation by the system
JP7459840B2 (ja) * 2021-06-02 2024-04-02 トヨタ自動車株式会社 空冷式燃料電池システム
US20230031077A1 (en) * 2021-07-29 2023-02-02 Rivian Ip Holdings, Llc Heating, ventilation, and air conditioning case with multi-position door for case recirculation
KR20230060126A (ko) * 2021-10-27 2023-05-04 현대자동차주식회사 연료전지 시스템의 열화 회피 운전 제어 방법 및 장치
KR102729564B1 (ko) * 2022-02-17 2024-11-13 테라릭스 주식회사 공기의 재순환이 가능한 공냉식 연료전지
CN115411301B (zh) * 2022-08-29 2025-06-17 北京航天石化技术装备工程有限公司 一种用于阴极开式风冷燃料电池的恒压补氧系统及方法
FR3153473A1 (fr) * 2023-09-21 2025-03-28 Safran Procédé de réglage d’un système de refroidissement d’une pile a combustible

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030129462A1 (en) * 2002-01-04 2003-07-10 Deliang Yang Procedure for starting up a fuel cell system having an anode exhaust recycle loop
CN1717827A (zh) * 2002-11-26 2006-01-04 Utc燃料电池有限责任公司 利用空气吹扫关闭燃料电池系统的程序
CN101304096A (zh) * 2008-06-03 2008-11-12 大连工业大学 空气直冷式氢电堆的冷却气流控制方法
CN101317290A (zh) * 2005-11-29 2008-12-03 Utc电力公司 响应于低需求而使空气分流的燃料电池动力装置
CN101694946A (zh) * 2009-10-15 2010-04-14 新源动力股份有限公司 燃料电池型备用电源

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0665054B2 (ja) 1983-10-05 1994-08-22 三洋電機株式会社 空冷式燃料電池
US6783882B2 (en) * 2001-02-14 2004-08-31 Ball Aerospace & Technologies Corp. Method and apparatus for maintenance of fuel cell cathode air quality with breathable hydrophobic membrane air filter
US20090325012A1 (en) 2004-12-17 2009-12-31 Astris Energi Inc. Alkaline fuel cell system
JP5425358B2 (ja) * 2005-10-20 2014-02-26 株式会社日立製作所 固体高分子形燃料電池システムの停止方法及び固体高分子形燃料電池システム
KR20070048486A (ko) 2005-11-04 2007-05-09 삼성에스디아이 주식회사 세미 패시브형 연료전지 시스템
US20070154752A1 (en) 2005-12-29 2007-07-05 Mcelroy James F Starting up and shutting down a fuel cell stack
JP5162840B2 (ja) 2006-03-31 2013-03-13 株式会社エクォス・リサーチ 燃料電池スタック
US7883813B2 (en) * 2006-04-03 2011-02-08 Bloom Energy Corporation Fuel cell system ventilation scheme
US20080184892A1 (en) * 2007-02-06 2008-08-07 Ctp Hydrogen Corporation Architectures for electrochemical systems
US8088523B2 (en) * 2008-06-06 2012-01-03 GM Global Technology Operations LLC Startup reliability using HFR measurement
US9029034B2 (en) 2011-02-18 2015-05-12 Altergy Systems Integrated recirculating fuel cell system

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030129462A1 (en) * 2002-01-04 2003-07-10 Deliang Yang Procedure for starting up a fuel cell system having an anode exhaust recycle loop
CN1717827A (zh) * 2002-11-26 2006-01-04 Utc燃料电池有限责任公司 利用空气吹扫关闭燃料电池系统的程序
CN101317290A (zh) * 2005-11-29 2008-12-03 Utc电力公司 响应于低需求而使空气分流的燃料电池动力装置
CN101304096A (zh) * 2008-06-03 2008-11-12 大连工业大学 空气直冷式氢电堆的冷却气流控制方法
CN101694946A (zh) * 2009-10-15 2010-04-14 新源动力股份有限公司 燃料电池型备用电源

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