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燃料电池单元

阅读：648发布：2021-02-28

IPRDB可以提供燃料电池单元专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及用在聚集燃料电池中的燃料电池单元，尤其在燃料电池并联连接时有用。对多个聚集型燃料电池上的燃料电池输出的管理的改进提高了燃料电池的效率。本发明涉及包括燃料电池和调压变换器的燃料电池单元，并且还涉及包括并联连接的多个燃料电池单元的燃料电池模块。，下面是燃料电池单元专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种燃料电池单元，被适配成连接至正极负载导轨和负极负载导轨，所述燃料电池单元适合于作为与所述正极负载导轨和所述负极负载导轨并联连接的多个燃料电池单元之一，所述燃料电池单元包括燃料电池和调压变换器，所述燃料电池具有在正极燃料电池输出端子与负极燃料电池输出端子之间提供的燃料电池输出电压，所述调压变换器具有在正极变换器输出端子与负极变换器输出端子上提供的直流DC变换器输出电压以及被适配成被驱动的输入；

所述调压变换器被配置成使得：

所述输入由所述燃料电池输出电压与所述变换器输出电压串联驱动；以及所述变换器输出电压与所述燃料电池输出电压组合，以使得所述燃料电池和所述调压变换器上的电压与所述正极负载导轨和所述负极负载导轨上的电压相同。

2.根据权利要求1所述的燃料电池单元，其中，所述正极燃料电池输出端子被适配成连接至所述正极负载导轨，所述负极输出变换器端子被适配成连接至所述负极负载导轨。

3.根据权利要求2所述的燃料电池单元，其中，所述调压变换器是调节式DC-DC变换器。

4.根据权利要求3所述的燃料电池单元，其中，所述调节式DC-DC变换器的输入包括正极变换器输入端子和负极变换器输入端子；以及所述负极变换器输出端子还连接至所述负极变换器输入端子，所述正极燃料电池输出端子还连接至所述正极变换器输入端子，并且所述负极燃料电池输出端子连接至所述正极变换器输出端子。

5.根据权利要求3或4所述的燃料电池单元，其中，所述调节式DC-DC变换器是升压变换器。

6.根据权利要求3或4所述的燃料电池单元，其中，所述调节式DC-DC变换器是降压变换器。

7.根据权利要求3或4所述的燃料电池单元，其中，所述调节式DC-DC变换器是反激变换器。

8.根据权利要求1所述的燃料电池单元，其中，所述负极燃料电池输出端子被适配成连接至所述负极负载导轨，所述正极变换器输出端子被适配成连接至所述正极负载导轨。

9.根据权利要求2所述的燃料电池单元，其中，所述调压变换器是调节式DC-DC变换器。

10.根据权利要求9所述的燃料电池单元，其中，所述调节式DC-DC变换器的输入包括正极变换器输入端子和负极变换器输入端子；所述正极变换器输出端子还连接至所述正极变换器输入端子，所述负极燃料电池输出还连接至所述负极变换器输入端子，并且所述正极燃料电池输出端子连接至所述负极变换器输出端子。

11.根据权利要求9或10所述的燃料电池单元，其中，所述调节式DC-DC变换器是反激变换器。

12.根据权利要求7所述的燃料电池单元，其中，所述反激变换器是混合式额定反激变换器。

13.根据权利要求11所述的燃料电池单元，其中，所述反激变换器是混合式额定反激变换器。

14.根据权利要求12所述的燃料电池单元，其中，所述混合式反激变换器包括初级绕组和次级绕组，所述初级绕组是针对燃料电池电流或燃料电池电压中的一个而额定的，所述次级绕组是针对燃料电池电流而额定的。

15.根据权利要求1至4中的任意一项所述的燃料电池单元，其中，所述调压变换器是由过渡电压驱动的。

16.根据权利要求15所述的燃料电池单元，其中，所述过渡电压由中间变换器提供，所述中间变换器由所述燃料电池输出电压与所述变换器输出电压串联驱动，以使得所述调压变换器间接地由所述燃料电池输出电压与所述变换器输出电压串联驱动。

17.根据权利要求16所述的燃料电池单元，其中，所述中间变换器是降压型变换器。

18.根据权利要求16所述的燃料电池单元，其中，所述调压变换器是反相DC-DC变换器。

19.根据权利要求15所述的燃料电池单元，其中，所述调压变换器是由过渡AC电压驱动的AC-DC变换器。

20.根据权利要求19所述的燃料电池单元，其中，所述AC-DC变换器包括整流器。

21.根据权利要求19所述的燃料电池单元，其中，所述过渡AC电压由所述燃料电池输出电压与所述变换器输出电压串联得到。

22.一种燃料电池模块，包括根据权利要求1至14中任一项所述的多个燃料电池单元，其中，所述多个燃料电池单元跨所述正极负载导轨与所述负极负载导轨并联连接。

23.根据权利要求22所述的燃料电池模块，还包括被适配成提供过渡电压的中间变换器，其中，所述中间变换器是由跨所述正极负载导轨与所述负极负载导轨的电压驱动的，并且所述过渡电压驱动所述调压变换器。

24.根据权利要求23所述的燃料电池模块，其中，所述中间变换器是降压型变换器。

25.根据权利要求23或24所述的燃料电池模块，包括多个中间变换器，每个中间变换器具有正极输出端子和负极输出端子，其中每个正极输出端子连接至二极管以使得所述二极管的输出提供所述过渡电压。

26.根据权利要求23所述的燃料电池模块，其中，所述调压变换器和提供AC过渡电压的AC逆变器中的所述中间变换器是AC-DC变换器。

27.根据权利要求23或24所述的燃料电池模块，其中，所述中间变换器是由跨所述正极负载导轨与所述负极负载导轨的电压间接驱动的。

28.一种燃料电池单元，被适配成连接至第一负载导轨和第二负载导轨，所述燃料电池单元适合于作为与所述第一负载导轨和所述第二负载导轨并联连接的多个燃料电池单元之一，所述燃料电池单元包括燃料电池和调压变换器，所述燃料电池具有在第一燃料电池输出端子与第二燃料电池输出端子之间提供的燃料电池输出电压，所述调压变换器具有在第一变换器输出端子与第二变换器输出端子上提供的变换器输出电压以及被适配成被驱动的输入，该输入包括第一变换器输入端子和第二变换器输入端子；其中，所述第一负载导轨被适配成连接至所述第二变换器输入端子和所述第一变换器输出端子，所述第二负载导轨被适配成连接至所述第二燃料电池输出端子，所述第一变换器输入端子连接至所述第一燃料电池输出端子，所述第二变换器输出端子被适配成连接至所述第二负载导轨。

29.一种操作燃料电池单元的方法，所述燃料电池单元根据权利要求1至21中任意一项所述，所述操作燃料电池单元的方法包括以下步骤：确定所述燃料电池中的燃料的摩尔流量；

调整所述变换器输出电压以控制所述燃料电池单元的输出电流，以使得所述燃料电池的燃料利用率在期望范围内。

30.根据权利要求29所述的操作燃料电池单元的方法，其中，确定所述燃料电池中的燃料的摩尔流量的步骤包括：根据建模数据来确定所述燃料电池中的燃料的摩尔流量。

31.根据权利要求29或30所述的操作燃料电池单元的方法，其中，确定所述燃料电池中的燃料的摩尔流量的步骤包括：根据同时测量的数据来确定所述燃料电池中的燃料的摩尔流量。

32.根据权利要求29或30所述的操作燃料电池单元的方法，其中，多个燃料电池单元并联连接以构成燃料电池模块，所述方法包括独立地调整每个调压变换器。

33.一种操作燃料电池单元的方法，所述燃料电池单元根据权利要求1至21中任意一项所述，所述操作燃料电池单元的方法包括以下步骤：确定所述燃料电池单元中的温度；

调整所述变换器输出电压以控制所述燃料电池单元的输出电流，以使得所述燃料电池单元工作在阳极挥发性的极限水平或接近阳极挥发性的极限水平。

34.根据权利要求33所述的操作燃料电池单元的方法，其中，确定所述燃料电池中的温度的步骤包括：根据建模数据或根据从布置在所述燃料电池模块中的多个温度传感器同时测量的数据来确定所述燃料电池中的温度。

35.根据权利要求33或34中任一项所述的操作燃料电池单元的方法，其中，多个燃料电池单元并联连接以构成燃料电池模块，所述方法包括独立地调整每个调节式DC-DC变换器。

说明书全文

燃料电池单元

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用在聚集燃料电池中的用于管理燃料电池电流的装置。具体地，本发明涉及一种当燃料电池并联连接时管理燃料电池电流的装置。

背景技术

[0002] 在过去的几十年间，认识到全球能源正在减少引起了对识别电效率高的能量解决方案、同时也最小化通过释放有害废气而源于化石燃料的使用的环境影响的关注。燃料电池提供了这样有希望的发电手段，具有至少50％的电效率。当与热机相比时，燃料电池不发出有害的污染气体，从而使得它们更有利于环境保护。燃料电池包括阳极、阴极和电解质，该电解质使得离子电荷能够在阳极与阴极之间流动,同时电子被迫采用外部电通路从而提供供电。通常根据所使用的电解质的类型(例如，固体氧化物燃料电池(SOFC)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)和熔融碳酸盐燃料电池(MCFC))或者根据其工作温度来对燃料电池进行分类。例如，SOFC具有大约700℃至1000℃的工作温度。温度变化可能出现在燃料电池上，并且可能对燃料电池使用寿命有负面影响、同时也具有诸如提高燃料电池效率的正面效果。因此，燃料电池设计极其依赖于竞争因素的折衷以达到良好的燃料电池效率和使用寿命。

[0003] 燃料电池通过与氧气或其他氧化作用剂(即，氧化剂)的化学反应将来自燃料(即，反应物)的化学能转换成电力。氢气是最常用的燃料，但也可以使用诸如天然气的碳氢化合物以及如甲醇的酒精。恒定的反应物流和恒定的氧化剂流被供给至燃料电池以维持化学反应和电力生成。燃料电池可以持续地产生电力，只要提供这些输入即可。

[0004] 存在扩大燃料电池的规模以便传递越来越多的电能的驱动，尤其是对于固定发电站应用。民用的固定功率应用的期望输出为800W至几兆瓦的量级。为了传递大功率输出，通过将单独燃料电池串联和/或并联连接在一起来将它们聚集在一起。因此，燃料电池元件可包括串联连接在一起的多个单独燃料电池。可将多个这样的燃料电池元件聚集在一起以构成功率更大的燃料电池元件，并且可再次将这些功率增大的燃料电池元件聚集以构成另一燃料电池元件。聚集方式将取决于所需要的输出并且也会受加燃料和冷却剂要求的影响。在本说明书中，术语“燃料电池”可以指单独燃料电池或代表某一聚集级别的燃料电池元件。具体地，燃料电池模块是指并联连接在一起的多个燃料电池单元，其中燃料电池单元是聚集型燃料电池元件。

[0005] 在包括并联连接的多个燃料电池单元的燃料电池模块的使用寿命期间，每个燃料电池单元可能经历不同的劣化。这是由在整个燃料电池模块内的温度变化引起的，而这归因于老化以及燃料电池单元内的面积比电阻(ASR)的累积差异。燃料电池的ASR是利用燃料电池的面积来归一化的燃料电池的电阻。由于燃料电池是按单位面积进行比较的，因此ASR是比燃料电池的电阻更有用的度量。可以通过将电流密度与ASR相乘来识别欧姆电压损耗。

[0006] 每个更小的燃料电池元件的ASR通常在其使用寿命期间增大，而燃料电池模块上的开路电压分布图(profile)跟踪温度变化，并且通常，对燃料电池进行操作，以使得温度分布图保持不变。因此，接近每个燃料电池单元的使用寿命终止(EOL)或者在每个燃料电池单元的寿命终止时，每个燃料电池单元上的电流可能非常不同，其中电流经常在燃料电池模块内的燃料电池单元之间变化，从而反映了由累积的劣化造成的电压变化与温度之间的平衡的局部变化。

[0007] 此外，单独燃料电池单元的制造差别也可能造成每个燃料电池单元上的电流的差别。一个特定的燃料电池单元可能遭受完全故障并因此需要替换。当前，由于较旧的燃料电池单元会经历一定劣化，因此用新燃料电池单元替换有缺陷的燃料电池单元可能引起燃料电池模块上的电流与向该燃料电池模块供给的燃料之间的不平衡，从而预期到作为整体的燃料电池模块的效率的降低。

[0008] 在燃料电池模块的使用寿命期间较后期替换燃料电池单元会导致新的燃料电池单元承担与打算给几个燃料电池单元的电流负荷等同的大得多的电流负荷。在这样的状况下，作为燃料摩尔流量(molar flow)与电流的摩尔等效流量之比的燃料利用率可能在高电流元件中显著增大并且在剩余的燃料电池模块中下降至可接受水平以下。

[0009] 燃料利用率与燃料电池的效率直接相关，并且同样地，燃料利用率的优化是关键的。局部燃料电池模块化学性质是燃料利用率的函数。高燃料利用率通常导致使燃料电池模块损坏或劣化的化学状态(chemical regime)。因此，必须将燃料利用率提高至不损害燃料电池使用寿命的最大水平。通常，为了获得最大效率而不缩短燃料电池使用寿命而必须传递的燃料利用比率的可接受范围可能小于5％，有时小至2％。必须与电流匹配的燃料流量基本上是固定的并且是按在制造时固定的燃料单元内的设计特征来设定的。

[0010] 例如纹波电流所引起的其他问题也可能造成在纹波电流影响燃料电池模块的化学性质的情况下燃料电池模块的电流/功率不平衡或者对燃料电池模块的直接损坏。

[0011] US 7,557,532 B2公开了一种用于通过用于摩托车的燃料电池或其他低功率燃料电池的DC-DC电压变换器对燃料电池的输出电压进行稳定的系统。通常，燃料电池的输出电压当其接通负荷时会下降，US 7,557,532 B2旨在提供一种针对该问题的解决方案。DC-DC变换器和控制电路将总输出电压补偿至稳定电压。控制电路调节DC-DC电压变换器输出电压的幅值并且监视总输出电压。然而，该系统没有解决与管理多个燃料电池上的电流或电压和负荷相关联的问题。

[0012] 因此，本发明试图提供一种用在聚集燃料电池中的用于管理燃料电池电流和电压的装置，其减少、优选地克服上述问题。

发明内容

[0013] 根据一个方面，提供了一种燃料电池单元，其被适配成连接至正极负载导轨(load rail)和负极负载导轨，该燃料电池单元适合于作为与正极负载导轨和负极负载导轨并联连接的多个燃料电池单元之一，燃料电池单元包括燃料电池和调压变换器，该燃料电池具有在正极燃料电池输出端子与负极燃料电池输出端子之间提供的燃料电池输出电压，该调压变换器具有在正极变换器输出端子与负极变换器输出端子上提供的直流(DC)变换器输出电压以及被适配成被驱动的变换器输入；

[0014] 该调压变换器被配置成使得：

[0015] 变换器输入由燃料电池输出电压与变换器输出电压串联驱动；以及[0016] 变换器输出电压与燃料电池输出电压组合，以使得燃料电池和调压变换器上的电压与正极负载导轨和负极负载导轨上的电压相同。

[0017] 可选地，调压变换器是DC-DC变换器。

[0018] 可选地，调压变换器是AC-DC变换器。这样的AC-DC变换器可由过渡交流(AC)电压驱动。

[0019] 根据另一方面，提供了一种燃料电池单元，其被适配成连接至正极负载导轨和负极负载导轨，该燃料电池单元适合于作为与正极负载导轨和负极负载导轨并联连接的多个燃料电池单元之一，该燃料电池单元包括燃料电池和调节式DC-DC变换器，该燃料电池具有在正极燃料电池输出端子与负极燃料电池输出端子之间提供的燃料电池输出电压，该调节式DC-DC变换器具有在正极变换器输出端子与负极变换器输出端子上提供的变换器输出电压以及被适配成被驱动的变换器输入；

[0020] 调节式DC-DC变换器被配置成使得：

[0021] 变换器输入由燃料电池输出电压与变换器输出电压串联驱动；并且[0022] 变换器输出电压与燃料电池输出电压组合，以使得燃料电池和调节式DC-DC变换器的电压与正极负载导轨和负极负载导轨的电压相同。

[0023] 可选地，正极燃料电池输出端子可被适配成连接至正极负载导轨，以及负极输出变换器端子可被适配成连接至负极负载导轨。

[0024] 可选地，调节式DC-DC变换器输入可包括正极变换器输入端子和负极变换器输入端子；以及负极变换器输出端子还可连接至负极变换器输入端子，正极燃料电池输出端子还可连接至正极变换器输入端子，并且负极燃料电池输出端子可连接至正极变换器输出端子。

[0025] 可选地，调节式DC-DC可以是升压变换器。

[0026] 可选地，调节式DC-DC可以是降压变换器。

[0027] 可选地，调节式DC-DC可以是反激变换器(flyback converter)。

[0028] 可选地，负极燃料电池输出端子可被适配成连接至负极负载导轨，以及正极变换器输出端子可被适配成连接至正极负载导轨。

[0029] 可选地，DC-DC变换器输入可包括正极变换器输入端子和负极变换器输入端子；以及正极变换器输出端子还可连接至正极变换器输入端子，负极燃料电池输出还可连接至负极变换器输入端子，并且正极燃料电池输出端子可连接至负极变换器输出端子。

[0030] 可选地，反激变换器可以是混合式额定反激变换器。

[0031] 可选地，混合式反激变换器可包括初级绕组和次级绕组，该初级绕组是针对燃料电池电流或燃料电池电压中的一个而额定的，该次级绕组是针对燃料电池电流而额定的。

[0032] 可选地，调节式DC-DC变换器可由中间变换器可提供的过渡电压驱动，该中间变换器由燃料电池输出电压与变换器输出电压串联驱动，以使得调节式DC-DC变换器可间接地由燃料电池输出电压与变换器输出电压串联驱动。可选地，中间变换器可以是降压型变换器(step-down converter)。

[0033] 可选地，调节式DC-DC可以是反相变换器。

[0034] 可选地，调压变换器是由过渡AC电压驱动的AC-DC变换器。

[0035] 可选地，AC-DC变换器包括整流器。

[0036] 可选地，过渡AC电压由燃料电池输出电压与变换器输出电压串联得到。

[0037] 可选地，多个燃料电池单元可跨正极负载导轨与负极负载导轨并联连接。

[0038] 可选地，燃料电池单元还可包括被适配成提供过渡电压的中间变换器，其中该中间变换器可由跨正极负载导轨与负极负载导轨的电压驱动，并且过渡电压驱动调节式DC-DC变换器。通常，中间变换器是降压型变换器。

[0039] 根据另一方面，提供了一种燃料电池单元，其被适配成连接至第一负载导轨和第二负载导轨，该燃料电池单元适合于作为与正极负载导轨和负极负载导轨并联连接的多个燃料电池单元之一，该燃料电池单元包括燃料电池和调节式DC-DC变换器，该燃料电池具有在第一燃料电池输出端子与第二燃料电池输出端子之间提供的燃料电池输出电压，该调节式DC-DC变换器具有在第一变换器输出端子与第二变换器输出端子上提供的变换器输出电压以及被适配成被驱动的输入，该输入包括第一变换器输入端子和第二变换器输入端子；

[0040] 其中，第一负载导轨被适配成连接至第二变换器输入端子和第一变换器输出端子，第二负载导轨被适配成连接至第二燃料电池输出端子，该第一变换器输入端子连接至第一燃料电池输出端子，并且第二变换器输出端子被适配成连接至第二负载导轨。

[0041] 根据另一方面，提供了一种燃料电池模块，其包括多个燃料电池单元，其中多个燃料电池单元跨正极负载导轨与负极负载导轨并联连接。这样的燃料电池模块可用于通过并网逆变器(GCI)向电网提供电力。

[0042] 可选地，燃料电池模块还可包括被适配成提供过渡电压的中间变换器，其中，中间变换器由跨正极负载导轨与负极负载导轨的电压驱动，以及过渡电压驱动调压变换器。

[0043] 可选地，燃料电池模块包括多个中间变换器，每个中间变换器具有正极输出端子和负极输出端子，其中，每个正极输出端子连接至二极管以使得二极管的输出提供过渡电压。

[0044] 可选地，中间变换器是提供AC过渡电压的AC逆变器，以及调压变换器是AC-DC变换器。

[0045] 可选地，中间变换器由跨正极负载导轨与负极负载导轨的电压间接驱动。

[0046] 根据另一方面，提供了一种操作燃料电池单元的方法，该方法包括以下步骤：

[0047] 确定燃料电池中的燃料的摩尔流量；

[0048] 调整该调压变换器以控制燃料电池单元的输出电流，以使得燃料电池的燃料利用率在期望范围内。

[0049] 可选地，确定燃料电池中的燃料的摩尔流量的步骤可包括：根据建模数据来确定燃料电池中的燃料的摩尔流量。

[0050] 可选地，确定燃料电池中的燃料的摩尔流量的步骤可包括：根据同时测量的数据确定燃料电池中的燃料的摩尔流量。

[0051] 可选地，多个燃料电池单元可并联连接以构成燃料电池模块，该方法可包括独立地调整每个调压变换器。

[0052] 根据另一方面，提供了一种操作燃料电池单元的方法，该方法包括以下步骤：

[0053] 确定燃料电池单元中的温度；

[0054] 调整变换器输出电压以控制燃料电池单元的输出电流，以使得燃料电池单元工作在阳极挥发性(anode volatility)的极限水平处或接近阳极挥发性的极限水平。

[0055] 可选地，确定燃料电池中的温度的步骤包括：根据建模数据或根据从布置在燃料电池模块中的多个温度传感器同时测量的数据来确定燃料电池中的温度。

[0056] 可选地，多个燃料电池单元并联连接以构成燃料电池模块，包括独立地调整每个调节式DC-DC变换器。

附图说明

[0057] 下文中进一步参照附图描述本发明的实施例，在附图中：

[0058] 图1示出了燃料电池模块的截面；

[0059] 图2是连接至并网逆变器的燃料电池单元的电路图；

[0060] 图3是燃料电池单元的框图；

[0061] 图4是燃料电池单元的框图；

[0062] 图5a和图5b是燃料电池单元的框图；

[0063] 图6是连接至并网逆变器的具有中间变换器的燃料电池单元的电路图；

[0064] 图7是具有共用DC-DC中间降压型变换器的燃料电池模块的框图；

[0065] 图8(a)、(b)和(c)是具有反相变换器的燃料电池单元的图以及分别针对开关闭合状态和开关断开状态的、燃料电池单元中的电流流动的简化视图；

[0066] 图9是具有共用DC-DC降压型中间变换器的燃料电池模块的框图；

[0067] 图10是具有共用DC-DC降压型中间变换器的燃料电池模块的框图；

[0068] 图11(a)、(b)和(c)是具有升压变换器的燃料电池单元的图以及分别针对开关闭合状态和开关断开状态的、燃料电池单元中的电流流动的简化视图；

[0069] 图12(a)、(b)和(c)是具有降压变换器的燃料电池电压的图以及分别针对开关闭合状态和开关断开状态的、燃料电池单元中的电流流动的简化视图；

[0070] 图13是具有共用DC-DC降压型中间变换器的燃料电池模块的框图；以及[0071] 图14是具有共用DC-DC降压型中间变换器的燃料电池模块的框图，其示出了具有被放置成帮助适应变换器的故障的仪表和附加二极管的二极管电路；

[0072] 图15是具有共用DC-DC降压型中间变换器的燃料电池模块的框图，其中，该变换器用于优化电流分布以适合于燃料状况；

[0073] 图16是具有共用DC-DC降压型中间变换器的燃料电池模块的框图，并且燃料电池模块包括串联电连接的多个燃料电池单元，其对应于燃料流动路径；

[0074] 图17是具有共用AC逆变器和AC-DC电压变换器的燃料电池模块的框图；以及[0075] 图18是包括布置在共用变换器的输出上的二极管的燃料电池模块的框图。

具体实施方式

[0076] 在所描述的实施例中，相同的特征用相同的附图标记标示，虽然在一些情况下具有增量为100的整数倍。例如，在不同的附图中，302和502用于表示燃料电池单元。

[0077] 燃料电池包括阳极电极、阴极电极以及反应物流和氧化剂流，并且布置在细长的中空构件、即燃料电池管的两个平行表面周围。燃料电池管是多孔的以使得燃料能够流向燃料电池。燃料电池沿着燃料电池管间隔开并且串联电连接。燃料从燃料入口歧管(manifold)顺序流经燃料电池管至燃料出口歧管。另外，空气或氧化剂流过相邻的燃料电池管之间的空间。

[0078] 燃料电池模块是聚集型燃料电池元件，由多个燃料电池单元2组成。图1示出了具有三个燃料电池单元2、2’、2”的燃料电池模块100。燃料电池单元2由串联和/或并联连接的多个更小的燃料电池元件组成。每个燃料电池单元2、2’、2’通常可包括多个燃料电池管。在一个实施例中，燃料电池单元包括两组的六个燃料电池管，其中燃料电池管是包括串联连接的多个单独燃料电池的燃料电池元件，以使得燃料电池单元具有串联电连接的720个单独燃料电池。在优选实施例中，燃料电池模块由并联连接在一起的五个燃料电池单元构成。在燃料电池单元级别调节用于燃料电池模块的燃料和氧化剂，而在燃料电池模块级别调节温度。

[0079] 通常，多个燃料电池单元2、2’、2”并联连接以形成燃料电池模块100，然而，应该理解，可以在聚集型燃料电池元件内的其他聚集级别应用本发明，并且术语“燃料电池单元”可被理解为是指多种聚集型燃料电池元件。

[0080] 燃料电池模块指并联连接在一起的多个燃料电池单元。燃料电池供电系统指聚集在一起以提供有用的工业或民用电源的多个燃料电池模块。

[0081] 图2示出了具有电压调节的燃料电池单元的实施例。燃料电池单元2连接至调压变换器，在该情况下为DC-DC变换器10。所示的DC-DC变换器10是反激变换器。调节式DC-DC变换器10被配置成使得输入由燃料电池输出电压与变换器输出电压串联驱动，并且变换器输出电压与燃料电池输出电压组合以使得燃料电池和调节式DC-DC变换器上的电压与正极负载导轨和负极负载导轨上的电压相同。燃料电池单元2和调节式DC-DC变换器连接至向电力系统(EPS)30馈电的并网逆变器(GCI)20。

[0082] 该配置的益处在于控制多个燃料电池单元中的每一个的不同电流。在不控制多个燃料电池单元中的每一个的电流的情况下，每个燃料电池单元的面积比电阻(ASR)和开路电压的差异可能导致每个燃料电池单元2上的电流的差异。当燃料混合物被馈送给燃料电池单元时，必须使电流平衡，而由于未使电流平衡，燃料利用率未被优化并且燃料电池变得效率低。

[0083] 将调节式DC-DC变换器10的输出电压与燃料电池单元2的输出电压组合，以使得燃料电池单元2和调节式DC-DC变换器10上的电压与正极负载导轨和负极负载导轨上的电压相同。

[0084] 反激变换器的存在的有益之处在于，其提供了对燃料电池单元的隔离，从而利于消除其他特定的隔离部件。

[0085] 图3示出了燃料电池模块1。仅示出了一个燃料电池单元2，但本领域技术人员会理解，可将另外的燃料电池单元2添加至负载导轨40、42，每个燃料电池单元具有其自身的相应的调节式DC-DC变换器10。例如，若干个燃料电池单元并联连接以构成燃料电池模块，如上所述。每个燃料电池单元被适配成连接至正极负载导轨和负极负载导轨，并且适合于作为与正极负载导轨和负极负载导轨并联连接的多个燃料电池单元之一。

[0086] 燃料电池单元2具有在正极燃料电池输出端子4与负极燃料电池输出端子6之间提供的燃料电池输出电压。调节式DC-DC变换器具有在正极变换器输出端子16与负极变换器输出端子18上提供的变换器输出电压以及被适配成被驱动的变换器输入12、14。调节式DC-DC变换器被配置成使得变换器输入12、14由燃料电池输出电压与变换器输出电压串联驱动。变换器输出电压16、18被配置成与燃料电池输出电压4、6组合，以使得燃料电池单元2和调节式DC-DC变换器10上的电压与正极负载导轨40和负极负载导轨42上的电压相同。负极燃料电池输出端子6连接至负极负载导轨42，而正极变换器输出端子16连接至正极负载导轨40，以及正极燃料电池输出端子4连接至负极变换器输出端子18。以该方式，燃料电池输出电压与变换器输出电压的串联组合等于总负荷电压。

[0087] 该配置提供了能够将电流与燃料进行平衡的燃料电池单元2。

[0088] 在该具体实施例中，控制器(未示出)控制调节式DC-DC变换器10，以使得每个燃料电池上的电流可以被设定为特定值。调节每个燃料电池单元上的电流的益处在于，可以使电流与流过每个燃料电池单元的燃料匹配。在该配置中，利用调节式DC-DC变换器输出的电动势(emf)来对燃料电池单元电压进行上校正(correct up)。调节式DC-DC变换器10与燃料电池单元2串联，并且调节式DC-DC变换器10由燃料电池输出电压与变换器输出电压串联驱动。该配置有助于燃料电池单元的并联并且使得电流能够在多个燃料电池单元之间达到平衡。

[0089] 图4示出了图3中所示的配置的替选配置。在该配置中，负极变换器输入端子14和负极变换器输出端子18连接至负极负载端子42，而正极燃料电池输出端子4连接至正极负载端子。在该配置中，再次利用DC-DC输出的emf对燃料电池电压进行上校正，以使得燃料电池输出电压与变换器输出电压的串联组合等于总负荷电压。

[0090] 图5(a)和图5(b)示出了替选配置。图5(a)和图5(b)之间的差别在于燃料电池单元相对于调节式DC-DC变换器的位置。

[0091] 在图5(a)中，负极变换器输出端子118连接至负极负载导轨142，而负极燃料电池输出端子104连接至负极负载导轨142。

[0092] 在图5(b)中，正极变换器输出端子116连接至正极负载导轨140，而正极燃料电池输出端子106连接至正极负载导轨140。在该实施例中，调节式DC-DC变换器输出电压116、118与多个燃料电池单元102中的每一个的输出电压104、106组合，以使得多个燃料电池单元102中的每一个和调节式DC-DC变换器110上的电压与正极负载导轨140和负极负载导轨
142上的电压相同。调节式DC-DC变换器110与总校正输出并联，并且调节式DC-DC变换器110的输入由燃料电池输出电压与变换器输出电压串联驱动。

[0093] 上述配置的益处在于，成本低的部件可用于有效地掩盖燃料电池单元的复杂电力特性中的一部分，诸如对通常由装载燃料电池模块而引起的任何总电压降低进行补偿。

[0094] 此外，将燃料电池单元与并网电力电子器件隔离提供了在最小化燃料电池受电力开关谐波影响方面的益处。通常，用于将燃料电池连接至电网的逆变器在大约3kHz下工作，并且在约10kHz至20kHz的区域内具有对应的开关谐波。在某些情况下，大约60Hz至180Hz的纹波电流或者更通常地在约120Hz处的纹波电流可能出现。燃料电池的AC阻抗响应通常不是恒定的，并且存在阻抗效应，该阻抗效应可能在某些处理的时间量级处并且在纹波的频率周围的低频范围以及在谐波的频率周围的更高频率范围处发生。因此，通过实现调节式DC-DC变换器来将燃料电池与电力电子器件隔离能够减小并网逆变器的开关谐波和纹波的影响。

[0095] 图6示出了图2所示的电路的变型，包括降压型中间变换器，在该情况下为被适配成对DC-DC变换器输入电压进行预调节的降压变换器260。图6还示出了成本低的部件的使用，这些部件通常被额定用于达到105℃的温度，被配置成调节燃料电池单元的电压。具有更高开关频率的最新的SiC或GaN装置中的一部分具有更高温度性能但具有减小的额定电压。可以使用能够在非常高的频率下、以非常快的响应工作的且零件计数低的集成装置来设计单独燃料电池单元电路270。诸如反激变换器的电容器254、二极管256、电感器258和晶体管252的部件还能够应对达到105℃的温度，从而，单个燃料电池单元电路的各部分可放置地更靠近高温燃料电池单元。诸如降压变换器260和并网逆变器222的成本更高且更复杂的部件被放置地更加远离燃料电池单元，这样它们不会过度地受到燃料电池单元的高温的影响。

[0096] 在具体示例中，充分地加载至约584V的燃料电池单元可仅需要18V的相对小的提升，即，仅流过DC-DC变换器的电力的大约3.1％。即使在调节式DC-DC转换器具有大约90％的效率的情况下，任何损耗也以流过的电力的该比例按比例下降，因此，所得到的燃料电池单元的效率的下降对于该转换阶段会是大约0.3％。插入降压变换器作为燃料电池模块级别预调节器以使584V总线下降至12V至24V从而向单独DC-DC变换器馈电，可以再次使用简单的90％高效的降压变换器并仍然仅花费了0.3％。这样的预调节变换器不限于降压变换器并且还可以是反激变换器等。

[0097] 在某些实施例中，降压变换器260在调节式DC-DC变换器前面导致调节式DC-DC变换器处理较小电压。以该方式，DC-DC变换器通过降压变换器、由总负载电压间接驱动。

[0098] 图7示出了具有多个燃料电池单元302的燃料电池模块，每个燃料电池单元均具有DC-DC变换器310。燃料电池单元跨正极负载导轨与负极负载导轨并联连接。由于负极燃料电池输出端子连接至负极负载导轨，因此该布置被称为负极共导轨配置。每个DC-DC变换器连接至共用DC-DC高电压降压型变换器360。降压型中间变换器360提供过渡电压以对调节式DC-DC变换器供电。如以上关于图6所述，这使得能够对调节式DC-DC变换器进行预调节。同样地，多个调节式DC-DC变换器310经由降压型中间DC-DC变换器360由跨正极负载导轨
340与负极负载导轨342的电压间接驱动。除了调节式DC-DC变换器由降压型中间变换器提供的过渡电压驱动而不是被直接驱动以外，图7的燃料电池模块的燃料电池单元基本上对应于图3所示的燃料电池单元。

[0099] DC-DC共用高电压降压型中间变换器360降低了几个燃料电池单元302的电压。共用的降低的电压使得各个调节式DC-DC变换器能够使用开关频率更高且温度性能更高但额定电压降低的完全集成装置或者最新的SiC或GaN装置。

[0100] 再次参考关于图6概述的示例，如果完全加载至大约584V的燃料电池单元仅需要18V的相对小的提升(即，仅流过DC-DC变换器的电力的约3.1％)，则在调节式DC-DC转换器具有大约90％的效率的情况下，任意损耗以流过的电力的该比例按比例下降，因此，所得到的燃料电池单元的效率的下降对于该转换阶段而言会是约0.3％。然而，使用简单的90％的高效变换器，插入共用DC-DC高电压降压型中间变换器360以使584V总线下降至12V或24V从而向各个调节式DC-DC变换器馈电，会仍仅以效率的0.3％的下降为代价。

[0101] 图8(a)示出了在负极共导轨配置中的用在燃料电池单元中的调节式DC-DC变换器的图示。示出了反相DC-DC变换器。由于最高电压(top-up voltage)在正极负载导轨之上浮置，其必须由反激式中间变换器或者使正极导轨反转的其他变换器配置生成。图8(b)和图8(c)示出了图8(a)的主电路图中的电流流动。在图(b)中，示出了针对变换器的闭合开关状态的电流流动，其中电流流过电感器，并且储存在电容器中的电荷向负载供电。在图8(c)中，开关断开，并且电流由电感器供给至负载并对电容器充电。

[0102] 图9示出了具有共用DC-DC高电压降压型中间变换器460以提供用于调节式DC-DC变换器的变换的过渡电压的燃料电池模块的另一实施例。与图8相比，燃料电池单元相对于调节式DC-DC变换器和负载导轨的位置已互换。由于多个燃料电池被配置成使得正极燃料电池输出端子连接至正极导轨440并且多个调节式DC-DC变换器被配置为共用负极共同导轨442，因此该配置被称为正极共导轨配置。除了调节式DC-DC变换器由降压型中间变换器提供的过渡电压驱动而不是直接驱动之外，图9的燃料电池模块的燃料电池单元基本上对应于图4所示的燃料电池单元。

[0103] 当燃料电池单元共用共同正极导轨时，由于具有适当的电压要求的适当变换器的改进的可利用性，因此系统的制造成本降低。

[0104] 图10示出了具有共用DC-DC高电压降压型中间变换器560和正极共导轨配置的燃料电池模块的另一实施例。

[0105] 共用DC-DC高电压降压型中间变换器560的负极输出连接至负极负载导轨542，从而使得燃料电池单元中的各个调节式DC-DC变换器510可以是非隔离变换器。这样，可使用成本低的降压变换器。共用过渡电压DC总线的较低电压使得各个调节式DC-DC变换器510能够是成本低且高度集成的单元。

[0106] 在某些实施例中，共用DC-DC高电压降压型中间变换器560和各个调节式DC-DC变换器510两者都可利用共用过渡电压DC总线使用非隔离配置来实现。

[0107] 图11和图12示出了图10所示的实施例的图示。

[0108] 图11(a)示出了用在正极共导轨配置中的燃料电池单元中的调节式DC-DC变换器的图示。示出了升压变换器。

[0109] 升压变换器的输出电压将大于由Vtopup电源590提供的电压，因此，Vtopup电源590提供了基准校正程度以补偿燃料电池单元的劣化。图11(b)和图11(c)示出了图11(a)的主电路图中的电流流动。在图11(b)中，示出了针对变换器的闭合开关状态的电流流动，其中电流流过电感器和闭合的开关且未到达负载，而储存在电容器中的电荷向负载供电。在图11(b)中，开关断开，并且电流流向负载以及对电容器进行充电。

[0110] 如图11所示的该配置具有两种不受调节式DC-DC变换器故障影响的模式。首先，如果开关580由于在栅极驱动器处以及进一步在控制器中的上游的故障而保持闭合，则燃料电池单元可通过仅仅经由二极管的DC路径来加载。其次，在替选方式中，如果开关582并未断开，则燃料电池可通过Vtopup电压590加载。升压变换器的二极管通过Vtopup电源590提供基本的二极管保护功能。

[0111] 图12(a)示出了用在正极共导轨配置中的燃料电池单元中的调节式DC-DC变换器的另一图示。示出了降压变换器。

[0112] 降压变换器的输出电压无法超过由Vtopup电源592提供的电压。图12(b)和图12(c)示出了上述的主电路图中的电流流动。在图12(a)中，示出了针对变换器的闭合开关状态的电流流动，其中电流通过闭合的开关和电感器流向负载。在图12(c)中，开关断开且电流从电容器流向负载。

[0113] 降压变换器的使用也提供了燃料电池单元不受DC-DC变换器或变换器控制器影响的程度。如果开关由于在栅极驱动器处或进一步在上游处的故障而保持断开，则燃料电池单元可通过经由电感器和二极管的DC路径来加载。降压二极管还向该配置提供了基本的二极管保护功能。

[0114] 图13和图14示出了正极共导轨燃料电池模块，其设置有用以测量燃料电池单元电流的装置。二极管517放置在调节式DC-DC变换器510的正极输出端子516与负极燃料电池输出端子506之间的路径中，这使得能够在正常操作中以及在某些故障情况下都使用低电压部件来测量燃料电池单元之间的开路电压(OCV)。另外，由于燃料电池电流等于DC-DC调节变换器的输出电流，因此在图13中的调节式DC-DC变换器的共用负极端子515或者图14的变换器负极输出端子516处将分流电阻器包括在DC-DC变换器中实现了低成本电流测量。通常，这样的分流电阻器在集成变换器封装件中会是可用的。

[0115] 各个调节式DC-DC变换器510可以用反激变换器配置510实现，从而次级电压间歇性地出现在变压器的初级侧，然而，应理解，可使用其他切换模式变换器。

[0116] 图7、图9、图10、图13和图14所示的燃料电池模块的实施例可以被称为双级调节配置，其中，第一级是提供用于驱动调节式DC-DC变换器的较低过渡电压总线的中间变换器，这些调节式DC-DC变换器构成第二级。通常，中间变换器会在燃料电池上的冷侧，而调节式DC-DC变换器会在热侧。

[0117] 现在参照图17，示出了总体上由附图标记600表示的燃料电池模块的替选实施例。除了在该情况下过渡电压是AC电压以外，图17所示的配置与图7所示的配置类似。AC燃料电池模块600包括共用AC逆变器661，其具有连接至正极负载导轨的正极输入以及连接至负极负载导轨的负极输入。共用AC逆变器661的输出是处于适合于驱动多个AC-DC调压变换器
607的电压电平的AC电压总线663。AC-DC调压变换器607构成组成AC燃料电池模块600的燃料电池单元的一部分。AC-DC调压变换器607可以以各种方式来实现，例如，使用直接连接的或者通过可以是隔离的或非隔离的变压器连接的有源或无源整流器来实现。然后，可控制AC-DC调压变换器607以按与本文中讨论的DC-DC调压变换器类似的方式供给DC电压。

[0118] AC过渡电压可以由共用AC逆变器661直接从燃料电池输出电压与变换器输出电压串联得到，如图17所示。过渡AC电压还可间接地从燃料电池输出电压与变换器输出电压串联得到。例如，AC过渡电压可从燃料电池模块600构成其一部分的燃料电池系统的并网逆变器的AC输出得到，从专用的更低电压或更高频率逆变器单元得到，或者由主GC逆变器或电网馈电的诸如周波变换器的AC-AC变换器得到。

[0119] 现在参照图18，示出了总体上由附图标记700表示的燃料电池模块的替选实施例。该燃料电池模块700类似于图7所示的燃料电池模块，然而，其包括多个降压型中间变换器
560，每一个均具有正极输出端子和负极输出端子。每个降压型中间变换器560的正极输出端子连接至二极管562，以使得二极管的输出提供过渡电压。该配置的益处在于，提供了另外的鲁棒性。如果一个降压型中间变换器560故障，则剩余的降压型中间变换器560将仍可用来向过渡电压总线供电。

[0120] 本发明的实施例可用于控制燃料电池单元的输出电流，以便提供最佳燃料利用率。如果燃料电池利用率太高，则可能引起对燃料电池的物理性损坏，而如果燃料电池利用率太低，则燃料电池元件的效率下降。精确地管理和控制在大型聚集型燃料电池元件内的燃料流量是昂贵的，因此，通常针对整体聚集组件以高级别对燃料的流量进行控制。然而，可以精确地对经过燃料电池元件的燃料流动进行建模，以使得可估计在较大聚集型燃料电池元件内流向燃料电池元件的燃料流量。因此，本发明的实施例允许控制燃料电池单元的输出电流以与所估计的燃料流量匹配。通过操作调节式DC-DC变换器以控制其输出电压，以开环方式控制燃料电池单元的输出电流。调节式DC-DC变换器以标准方式进行操作，其中控制器(未示出)进行操作以基于燃料电池单元的期望输出电流来调整输出电压。以该方式，可优化燃料利用率。

[0121] 通常，燃料将被馈送到包括并联连接的多个燃料电池单元的燃料电池模块中。在这样的配置中，会期望每个燃料电池单元的开路电压大体相等，但会存在例如由于制造差别引起的一些细微差别。另外，面积比电阻(ASR)可能在燃料电池之间显著地变化。因此，随着燃料电池模块接通负载，电阻的差别将导致同一燃料电池模块内的各燃料电池单元之间的电流差别。本发明的方法的实施例允许按需要控制燃料电池模块内的各个燃料电池单元的输出电流。

[0122] 应理解，在例如通过阳极中的成分改变的分析来实际测量燃料流量的情况下，本发明的实施例也将起作用。

[0123] 在一个示例中，针对在燃料电池模块上的温度分布来优化在燃料电池模块上的电流分布。与在燃料电池模块的背面的燃料电池单元相比，靠近燃料入口和氧化剂入口、位于燃料电池模块的正面的燃料电池单元的温度通常在较低温度下工作，而与在燃料电池模块的正面的燃料电池单元相比，朝向燃料电池模块的背面的燃料电池单元通常在更高温度下工作。遍及燃料电池模块的温度分布可能使燃料电池的效率和使用寿命降低，因此，管理温度分布是有益的。

[0124] 通过控制电流分布，可以优化温度分布。例如，控制调压变换器以允许从通常较冷地运行的、在燃料电池模块的正面的燃料电池单元汲取较大电流，使这些燃料电池单元的温度升高。这是有利的，因为与靠近燃料电池模块的背面设置的燃料电池单元相比，靠近燃料入口和氧化剂入口、位于燃料电池模块的正面的燃料电池单元的温度通常在较低温度下工作。类似地，控制调压变换器以允许在燃料电池模块的背面的燃料电池单元上汲取较少电流，降低了这些燃料电池单元中的温度。可以优化电流，以使得从燃料电池模块的正面汲取更多电流，从而达到由燃料电池耐久性施加的极限。

[0125] 在燃料电池模块或单元上的温度变化可能对于燃料电池使用寿命具有负面影响，而也具有诸如改进燃料电池效率的正面效果。可以通过相对于温度分布控制电流分布来最大化功率输出，并且可通过使电流向前移动以减少燃料电池模块中的温度分布来改善燃料电池模块使用寿命。

[0126] 在一些燃料电池模块中，燃料电池使用寿命部分地由诸如阳极挥发性的温度驱动机制来限制。阳极挥发性极限是燃料成分、电流密度和燃料电池温度的函数。可优化电流分布，以使得燃料电池模块的工作条件被设定成使得燃料电池在接近于阳极挥发性的极限水平的电流密度处工作。

[0127] 通过接近阳极挥发性来操作燃料电池模块，可以增大燃料电池的功率输出。

[0128] 可控制调压变换器以使得能够优化燃料电池模块中的每个燃料电池单元，从而每个燃料电池单元在接近每个燃料电池单元的阳极挥发性的极限水平的最大电流密度下工作，该阳极挥发性的极限水平与每个燃料电池单元的温度相关。

[0129] 类似的方法可以在如下燃料电池模块中实现：在该燃料电池模块中，如在一些阴极劣化机制中一样，操作极限由低温条件驱动，因此，优化电流分布以接近阴极挥发性的极限水平来操作。

[0130] 在包括具有五个燃料电池单元的燃料电池模块的具体示例的仿真中，其中每个燃料电池单元包括三对燃料电池管以及每个燃料电池管包括多个燃料电池，电流分布从燃料电池模块的正面的第一燃料电池单元上的大约1.8安培到燃料电池模块的背面的第五燃料电池单元上的大约1.2安培以大致线性的方式变化。将该示例直接与相同的燃料电池模块进行比较，其中，电流分布在所有燃料电池单元上基本上是恒定的。作为电流分布优化的结果，每个燃料电池单元接近每个燃料电池单元的阳极挥发性极限(其对于每个燃料电池单元而言是不同的，这是因为阳极挥发性极限是在每个燃料电池单元中不同的燃料电池单元温度的函数)来进行操作。来自燃料电池模块的输出功率增加了约21％。

[0131] 更令人惊喜的是，可以在不影响系统的总效率的情况下通过优化电流分布来增加功率输出。在两个示例中，总燃料电池效率基本上相同，大约为60％。这是因为优化电流分布导致燃料电池模块的温度分布图改变，因此，更大比例的燃料电池在更高效的温度下工作从而功率输出增大。此外，燃料电池模块保持基本上类似的耐久性参数。

[0132] 在另一示例中，燃料电池模块可以利用更复杂的电流分布函数来进行操作。可以经由反映消费者经济情况比如平准化能量成本或电力成本(CoE)的罚函数来优化电流分布。

[0133] 可以通过包括反映资本成本、燃料成本和维护成本的项的CoE函数来优化电流分布。资本成本是通过融资成本来加权并通过燃料电池模块功率输出的倒数来驱动的。燃料成本项是由燃料电池模块效率的倒数和原始燃料成本来驱动的。维护项是由燃料电池模块的替换成本来主导的并且还与寿命短的部件密切关联。该项是劣化率的敏感函数，而劣化率又由燃料电池的电流密度和局部电流驱动。

[0134] 燃料电池模块可以通过将电流分布优化为最差情况劣化极限来驱动，使得燃料电池模块中的所有燃料电池单元同时故障。以该方式操作燃料电池模块的益处在于，利用所有燃料电池单元的最大耐久性而不是使燃料电池模块的功率或效率受燃料电池模块中的单个点的故障限制，其不变性导致剩余的燃料电池模块未被充分利用。

[0135] 还可以优化电流分布以补充燃料状况，即，优选地在某些燃料电池模块中的燃料中的剩余易燃物的摩尔流量(即，未氧化的易燃气体的摩尔流量)，其中，燃料状况从一个燃料电池到下一个燃料电池而变化或者当燃料状况在如图15和图16所示的燃料电池单元内变化时变化。图15和图16所示的燃料电池模块对应于图10中先前示出的燃料电池模块，具有所示的燃料路径。在图15中，燃料被串行地馈送至燃料电池，以使得燃料被馈送到下部燃料电池中601a处，从下部燃料电池603b处流出，然后继续进入下一燃料电池(该图中的上部燃料电池)601b处，并且从该燃料电池603b处流出。由于燃料的流动串联布置，因此燃料状况在燃料电池之间变化。然后，优化电流分布以补偿在每个燃料电池单元处的燃料状况。

[0136] 在图16中，示出了替选的燃料流动配置，其中，燃料电池被并联馈送。以该方式，在601a和601b处馈送燃料，并且燃料在603a和603b处流出，但从下部燃料电池603a处流出的燃料未被馈送到上部燃料电池601b处。以该方式，在燃料电池单元级别确定燃料状况，并且优化电流分布以补充燃料条件。

[0137] 本文中所述的布置提供了具有使电流与燃料流量平衡的能力的燃料电池单元，并因而改善了效率。使电流平衡对应于使电流与燃料电池单元的燃料分布图匹配或者谨慎地选择以可控方式偏离该分布图，以使得为了实现最低电力成本的益处而优化燃料电池单元寿命与效率之间的折衷。控制调压变换器，以使得每个燃料电池单元上的电流可以被设定为期望值。使用阀来调节每个燃料电池中的燃料流动非常困难，尤其对于具有大输出的大型燃料电池元件而言更是如此，从而调节每个燃料电池单元的电流的能力是有利的。此外，在燃料部分地再循环以避免用水的情况下，燃料调节甚至更加困难。本文中所述的这些类型的燃料电池单元在燃料电池供电系统(例如，燃料电池模块)中尤其有用，并且还可以与燃料电池的其他应用一起使用。

[0138] 此外，通过将调压变换器布置成使得其由燃料电池的输出电压与变换器输出电压串联驱动，仅需要将每个调压变换器额定为低电压而不是总输出电压，这是因为仅要求每个调压变换器使与调压变换器结合的燃料电池的输出电压变化小的量，通常在约6伏特至36伏特的范围内，但利用将来的更低电阻的燃料电池元件技术，其可以低至3V。相反地，对于以非常小的单元间距串联连接的电池设计，其可以高达100V。

[0139] 另外，通过将调压变换器布置成使得其由燃料电池的输出电压与变换器输出电压串联驱动，与电压变换器相关联的损耗仅被施加至调压变换器处理的电力，而不是总输出电力。该电力要求的降低允许在构建燃料电池单元时使用诸如小型集成DC-DC变换器的高级部件。这些装置可被设计成在非常高的频率下工作，从而提供包括体积的进一步减小和成本节省以及与燃料电池的电化学性的相互作用减少的其他益处。这样的小型集成变换器的部件使用的高频率也位于复制在低的几百kHz处的燃料电池展现的AC阻抗响应的范围之外。

[0140] 将电子器件集成到燃料电池中有助于改进燃料电池的互连性并且可有助于使得能够直接连接至成本更低的并网逆变器。本发明有效地使燃料电池系统的许多特性不受逆变器影响，因此，可以使用标准逆变器。这样的逆变器可以具有98％及以上的效率。

[0141] 在将燃料电池单元与用于连接至电网的电力电子器件隔离方面存在另外的益处。通常，用于将燃料电池供电系统连接至电网的逆变器在大约3kHz下工作，并且具有在约
10kHz至20kHz的区域内的相应开关谐波。在某些情况下，例如，当并网逆变器(GCI)连接至具有不均衡负载相的本地配电网络时，在两倍电网频率(即，100Hz或120Hz)处的纹波电流可能出现。燃料电池的AC阻抗响应通常不是恒定的，并且可以在某些处理的时间量级处以及在纹波的频率周围的低频范围内和在谐波的频率周围的高频范围处发生的阻抗效果存在。具体地，已知100-120Hz频率对应于在用广泛使用的基于锰酸锶镧(LSM)的阴极材料构造的SOFC(固体氧化物燃料电池)的阴极内的化学处理。因此，通过实现调压变换器来将燃料电池单元与电力电子器件隔离可以减少并网逆变器的开关谐波以及纹波的影响。在使用被适配成提供过渡电压的中间降压型变换器的配置中，调压变换器可使用完全集成装置，通常被设计成处理较小电压。因而，由于单独燃料电池调压变换器可以被额定为较低电压，所以具有降压型中间变换器会是成本效率更高的，并且因此可使用成本更低的现成部件。

[0142] 共用降压型中间电压变换器也使得能够使用通常被设计成处理更小电压的完全集成装置。提供降压型中间电压变换器提供了燃料电池模块的压降，以使得每个调压变换器仅需要被额定为诸如18V的较小电压。调压变换器的额定电压较低导致物理上较小的调压变换器，其通常具有远在燃料电池响应的范围之外的开关谐波。

[0143] 对于本领域技术人员而言明显的是，关于上述的任意实施例所描述的特征可以互换地应用于不同实施例之间。上述实施例是用以说明本发明的各个特征的示例。

[0144] 贯穿本说明书的描述和权利要求书，词“包括”和“包含”及其变型意味着“包括但不限于”，并且它们不意味着(以及没有)排除其他组成部分、添加物、部件、整体或步骤。贯穿本说明书的描述和权利要求书，单数包括复数，除非上下文另外要求。具体地，在使用不定冠词的情况下，该说明书被理解为考虑了多个以及单个，除非上下文另外要求。

[0145] 结合本发明的特定方面、实施例或示例所描述的特征、整数、特性、复合物、化学族或基团应被理解为适用于本文中所描述的任意其他方面、实施例或示例，除非与其不兼容。在本说明书(包括任意所附权利要求、摘要和附图)中所公开的所有特征和/或所公开的任意方法或处理的所有步骤可以以任何组合来结合，除了将这样的特征和/或步骤中的至少部分相互排斥的组合之外。本发明不限于任意上述实施例的细节。本发明延伸到在本说明书(包括任意所附权利要求、摘要和附图)中所公开的特征的任意新颖特征或者任意新颖组合，或者延伸至所公开的任意方法或处理的步骤的任意新颖步骤或者任意新颖组合。

[0146] 阅读者关注于关于本申请的与本说明书同时或在其之前提交的且对该说明书的公众查阅开放的所有论文和文献，并且所有这样的论文和文献的内容通过引用合并于此。

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电池-专利编号CN101682016A	2020-05-11	376
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电池-专利编号CN108039430A	2020-05-12	125
电池-专利编号CN109075353A	2020-05-13	917
电池-专利编号CN109155418A	2020-05-11	255
电池-专利编号CN107112473A	2020-05-12	337

燃料电池单元

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