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CN108206296A - 用于增强混合电力系统的燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及用于增强混合电力系统的燃料电池堆，该燃料电池堆包括：具有接触端子的第一导电端板和第二导电端板；多个燃料电池，其被配置成串联连接并堆叠在导电端板之间；具有至少一个接触端子的至少一个导电中间板，每个导电中间板都被配置成堆叠在相邻燃料电池之间。接触端子可以包括从燃料电池堆突出的导电接片。本申请还涉及混合电力系统，该混合电力系统包括：蓄电池、燃料电池堆、以及控制单元，该控制单元被配置成，当混合电力系统向负载馈电时，选择燃料电池堆的操作电压。操作电压根据燃料电池堆的接触端子处的电压的值而从导电中间板和导电端板的接触端子获取。

Description

用于增强混合电力系统的燃料电池堆
技术领域
本公开包括在燃料电池(fuel cell)和混合电力系统领域内。
背景技术
燃料电池系统由于其高能量密度(Wh/cm3)和比能(Wh/kg)而被用于车辆中。然而，由于它们的比功率(W/kg)有限，燃料电池系统经常与具有高功率放电的能源按混合配置组合。混合电力系统最常见配置是蓄电池(battery)和燃料电池堆组合。这种类型的混合电力系统需要相对复杂的电力电子电路以及蓄电池和燃料电池堆的电压的先验匹配。
这两种电源的匹配本质上是一种折衷，因为与燃料电池相比，蓄电池在动态行为方面具有不同性质。结果，不可能利用两种电源的全部优点。所有的混合(hybridization)都包含一个妥协，其中牺牲了每个电源的一些益处：
-蓄电池在几乎每个电压下产生较高的电流；与此相反，当燃料电池递送最大电流时，电压几乎减半。
-蓄电池的电压根据剩余容量而降低；然而，燃料电池的电压取决于几个因素。
-蓄电池的输出阻抗比燃料电池的输出阻抗低几个数量级；因此，蓄电池的表现与理想的电压源更相似。
目前，如图1至图3所示，使用不同类型的连接方案来混合燃料电池和蓄电池。图1描绘了具有简单负载分担装置的燃料电池堆和蓄电池的连接。在这种连接方案中，混合发生在蓄电池所处的电压，导致燃料电池在低效率范围内工作。这种混合电力系统存在几个缺点：
·混合的电压不仅取决于蓄电池的当前电荷状态，而且根据负载电力需求动态地变化(在高电流放电时，蓄电池电压迅速下降，然后在没有电力需求时恢复)。
·锂基蓄电池的电压范围大约为每单元(cell)3至4伏，并且电压与所递送的电流之间的依赖性相对较低。燃料电池的行为不同，因为随着电流的增长，静电放电的电压下降。因此，将这两种完全不同的能源进行匹配最终会着重于其中之一。
图2描绘了另一种连接方案。这类连接采用放置在蓄电池与负载分担装置(loadsharing device)之间的DC/DC升压转换器。然后，负载分担装置的电压由外部控制器进行匹配，从而改变升压转换器输出电压的设定。这个解决方案有很大的缺点：
·可变升压转换器的效率取决于输出电压设定，通常低于90％。
·电力应用中使用的升压转换器会散发大量热，并且需要大型散热器，通常需要强制通风。强制通风通常意味着额外的重量、额外的空间以及额外的功耗。
图3例示了在蓄电池与燃料电池之间使用电子切换的另一种连接方案。这种解决方案尽管效率更高，但有一个主要的缺点：蓄电池和燃料电池实际上并没有均同时向负载递送电力的范围，使其仅用作备用电源系统。这种拓扑存在其它缺点：
·当蓄电池在递送电力时，燃料电池空闲。这样，蓄电池递送更多电流，增加了放电率C，从而以更高的速率缩短其容量，如图4所示。该图描绘了针对5000mAh蓄电池单元的放电曲线的示例，取决于所使用的特定放电率C(5C、10C、15C、20C)。容量最终取决于放电率C；例如，如果蓄电池以5C速率(25A)放电，则最终获得的容量大约是4820Wh，而对于20C(100A)的h更高放电率，针对同一蓄电池获取的容量约为4750Wh。
·由于燃料电池处于空闲状态，其温度降低。这样，其需要有一个为保持在温度限制内而实现的低电力模式；要不然，在考虑燃料电池时，将会存在因燃料电池将其内部温度升高到其标称点以便能够提供所请求电力而造成的延迟。
因此，需要将燃料电池堆与蓄电池组合使用来实现优化的混合电力系统。
发明内容
燃料电池通常以形成堆的串联单电池呈现，在每一端具有导电板(即，端板)，并提供一个电压，该电压是单个电池的所有电压的总和。本公开涉及具有一个或更多个中间导电板的燃料电池堆，以按中间电压分接燃料电池堆，对于燃料电池堆自身的物理条件和混合电力系统中的蓄电池的应用都是有利的。具体来说，当应用于混合电力系统时，燃料电池堆允许生成更多的电力，同时对燃料电池损坏更小(因此寿命更长)。在本公开中使用的术语“导电”(例如，“导电端板”、“导电中间板”)是指“在电方面导通”。
该用于增强混合电力系统的燃料电池堆包括：第一导电端板和第二导电端板，其具有接触端子；多个燃料电池，所述多个燃料电池被配置成串联连接并堆叠在所述导电端板之间；以及至少一个导电中间板，所述至少一个导电中间板具有至少一个接触端子。每个导电中间板都被配置成堆叠在相邻的燃料电池之间。所述燃料电池堆还可以包括放置在所述燃料电池堆的每个端部处的端板。
在实施方式中，所述燃料电池堆可以包括串联连接的多个燃料电池子堆，每个燃料电池子堆都包括至少一个燃料电池。每个导电中间板都被配置成堆叠在一对相邻的燃料电池子堆之间。根据实施方式，燃料电池子堆可以包括多个双极板和至少一个燃料电池，其中，每个燃料电池堆叠在一对双极板之间。
根据另一实施方式，所述燃料电池堆包括多个双极板，每个双极板都设置在相邻的燃料电池之间。每个导电中间板都被配置成，与双极板和燃料电池的阴极或阳极相接触地堆叠。
在另一实施例中，所述燃料电池堆包括多个双极板，每个双极板都设置在相邻燃料电池之间，并且每个导电中间板都被配置成，与一燃料电池的阴极和相邻的燃料电池的阳极相接触地堆叠。在这个实施例中，所述导电中间板具有双重功能：充当双极板，同时提供接触端子以允许接入不同的电压水平。
每个接触端子可以包括从所述燃料电池堆突出的一个或更多个导电接片(tab)。在实施方式中，所述导电中间板可以包括双极板和从所述双极板突出的一个或更多个导电接片。
根据本发明的一个方面，还提供了一种混合电力系统，该混合电力系统包括：燃料电池堆(如前所述)和蓄电池。所述系统还包括用于管理混合的控制单元。所述控制单元被配置成，当所述混合电力系统向负载馈电时，选择所述燃料电池堆的操作电压。从所述导电中间板和导电端板的接触端子获取所述操作电压。例如，在实施方式中，导电端板中的一个可以连接至地，并且所述操作电压可以被限定为，导电中间板的接触端子(或者未连接至地的另一导电端板的接触端子)与地之间的电压(electric tension)。另选的是，所述操作电压可以被限定为，所述燃料电池堆的两个不同接触端子之间的电压(在这种情况下，存在多种不同的可能组合)。
根据实施方式，所述控制单元可以被配置成，根据所述燃料电池堆的所述接触端子处的电压的值，来选择所述燃料电池堆的所述操作电压。所述蓄电池的电压还可以在选择所述操作电压时加以考虑。
所述混合电力系统还可以包括多个开关，所述多个开关连接所述负载与所述导电中间板的所述接触端子和所述燃料电池堆的所述导电端板的至少一个接触端子，其中，所述控制单元被配置成，操作所述开关以选择用于向所述负载馈电的所述燃料电池堆的所述操作电压。
所述混合电力系统还可以包括连接所述负载与所述蓄电池的蓄电池开关，其中，所述控制单元被配置成，根据所述蓄电池的电压的值和所述燃料电池堆的所述操作电压的值，来操作所述蓄电池开关。
本发明的另一方面还涉及一种用于控制混合电力系统的方法，该混合电力系统包括蓄电池和根据本公开的燃料电池堆。所述方法包括以下步骤：当所述混合电力系统向负载馈电时，选择所述燃料电池堆的操作电压，其中，从所述导电中间板和导电端板的接触端子获取所述操作电压。
在实施方式中，根据所述燃料电池堆的所述接触端子处的电压的值，来选择所述燃料电池堆的所述操作电压。还可以考虑所述蓄电池的电压。
所述方法可以包括以下步骤：比较向所述负载馈电的所述燃料电池堆的所述选定操作电压是否低于安全下限，并且在该情况下，选择从所述燃料电池堆的所述接触端子获取的低操作电压，来向所述负载馈电。在实施方式中，所述安全下限是与向所述负载馈电的活动燃料电池的数量成正比的值。
所述方法还可以包括以下步骤：确定整个所述燃料电池堆的电压是否低于所述蓄电池的电压，并且在该情况下，启用蓄电池开关，以向所述负载馈送由所述蓄电池提供的能量。
在实施方式中，所述燃料电池堆由如下各项构成：串联连接的多个燃料电池子堆，和放置在每对燃料电池子堆之间并与每个子堆电接触的导电中间板。所述燃料电池堆通过接入所述端板和/或所述中间板的接触端子来供电。
混合电力系统由一个或更多个蓄电池和一个燃料电池堆构成。随着蓄电池因重电气负载而变弱，混合电力系统切换接入所述燃料电池堆的导电中间板。切换至中间板电压将获得中间电压。该系统现在能够提供更多的电力而不会对燃料电池造成损坏。
而且，当蓄电池电压低时，利用中间板配置准许合并燃料电池电力。其还确保燃料电池能够递送标称电力，而不会因过热而使蓄电池恶化。在蓄电池开始耗尽的情况下(例如，因为电力需求需要比燃料电池堆本身可以递送的更多的电力)，对燃料电池堆的接入可以切换至中间板，从而其将继续递送电力而不会招致损坏，从而使燃料电池的运行寿命更长。
利用这种特定配置的燃料电池堆也是一种简单而经济的解决方案。与燃料电池堆本身的价格相比，将中间板放置在燃料电池堆中的成本实际上可以忽略不计。此外，与DC/DC升压转换器相比，选择使用哪个板的开关逻辑更简单、更小、更便宜、更有效。升压转换器需要的额外部件(如散热器和风扇)也可以省掉。本公开的燃料电池堆更容易调试；在这个意义上，由于其简单并且因为燃料电池的寿命将会延长，所以维护成本也会降低。允许燃料电池在其最大效率范围内工作避免或减少了用于调节目的(散热器、风扇、安装支架等)所需的空间，这可以减少有效载荷隔间。
燃料电池堆可以安装并应用于利用燃料电池的任何装置或车辆：燃料电池供电的机载车辆、燃料电池供电的汽车、燃料电池供电的船只、甚或燃料电池供电的固定设备。
已经讨论的特征、功能以及优点可以在不同实施方式中独立实现，或者可以在其它实施方式中组合，其进一步细节可以参照下列描述和附图而了解。
附图说明
下面，对呈现为本发明非限制例的、有助于更好地理解本发明并且明确地与所述发明的实施方式相关的一系列图进行非常简要地描述。
图1、图2以及图3描述了根据现有技术的混合电力系统中的不同连接方案。图1示出了一种常见的直接混合方法，图2是利用DC/DC升压转换器的混合，以及图3是利用电子切换的混合。
图4描绘了针对不同放电率的5000mAh 25C蓄电池单元放电曲线。
图5显示了根据本公开实施方式的具有中间板的燃料电池堆的结构。
图6示出了形成燃料电池子堆的层的示意性表示图。
图7描绘了图5的燃料电池堆的层的示意性布局。
图8表示具有多个导电中间板的燃料电池堆的另一实施方式。
图9A示出了匹配一组八(8)LiPo蓄电池的45电池(cell)燃料电池堆。图9B表示8电池蓄电池的电压范围和50电池燃料电池的电压范围，所述50电池燃料电池设置有分别放置在对应于45电池和40电池的位置处的两个不同的中间板。
图10描绘了针对5000mAh蓄电池单元的图4的单元放电曲线，以及利用中间板的三种不同燃料电池堆配置的标称电压。
图11表示由蓄电池和具有两个中间板配置的燃料电池堆，以及管理混合的控制系统形成的混合电力系统的实施方式。
图12例示了由图11的控制系统执行的示例性切换处理控制的基本流程图。
图13描绘了根据另一实施方式的具有几个导电中间板的燃料电池堆。
图14表示具有几个导电中间板的燃料电池堆的又一实施方式。
具体实施方式
本公开涉及当在混合电力系统中与蓄电池组合使用时高度有效的燃料电池堆。图5例示了根据本公开的燃料电池堆1的实施方式。
燃料电池堆1包括放置在电池堆两端处的充当阴极的第一导电端板2，和充当阳极的第二导电端板3。每个端板(2、3)都设置有至少一个接触端子。该接触端子例如可以是接合至端板的金属部件、端板本身的整体部分、或端板的延伸部分，或者如在图5中所示的实施方式中，被实现为从每个导电端板延伸的一个或更多个导电接片4或焊片(solder lug)。第一端板2的接触端子与第二端板3的接触端子之间的电压是由燃料电池堆1产生的最大电压。
燃料电池堆1还包括设置在两个或更多个燃料电池子堆5中的多个燃料电池7，这些燃料电池子堆5放置在端板(2、3)之间。在每个子堆5内，燃料电池彼此串联电连接。燃料电池子堆5依次串联连接，在同一方向上取向并保持同一极性。每个燃料电池子堆5都包括至少一个燃料电池7。在图5的实施方式中，燃料电池堆1包括：分别由五个单个燃料电池7和两个单个燃料电池7组成的两个子堆5。
至少一个导电中间板6堆叠在一对燃料电池子堆5之间。在图5的实施方式中，中间板6位于两个相邻子堆5之间。每个中间板6还设置有至少一个接触端子(在图5的实施方式中被实现为从燃料电池堆1突出的、从每个导电中间板6延伸的一个或更多个导电接片11、折片(flap)或焊片)，通过该接触端子，可以获取低于燃料电池堆1的最大电压的中间电压。
燃料电池堆1还可以包括位于电池堆的每个端部处的端板(13、14)。端板(13、14)通常由玻璃纤维制成，尽管它们可以利用其它材料(如塑料甚或金属材料)来制造。这些端板(13、14)被用于压紧电池堆，通常利用从一个端板到另一个端板的螺纹杆或非常长的螺钉，其可以拧紧以改善相邻燃料电池之间的接触，使得所有管道(氢气和氧气)完全密封。
在实施方式中，燃料电池子堆5包括由双极板分开的一个或更多个燃料电池7(图5中未示出)。图6按示意性侧视图描绘了形成燃料电池子堆5的不同层。在该实施方式中，燃料电池子堆5包括两个燃料电池7。每个燃料电池7用框图表示，由阴极8、阳极9以及电解质层10形成。在实施方式中，每个燃料电池7堆叠在一对双极板(12、12')之间。在每个子堆5中，位于两个相邻燃料电池7之间的内部双极板12形成一个燃料电池7的正极侧和相邻燃料电池7的负极侧，如在图6的中央双极板12中观察到的那样。双极板的使用准许子堆5中的所有燃料电池7彼此串联地电互连。燃料电池子堆5还可以包括位于两端处的外侧双极板12'。在另一实施方式中，可以缺少这些外侧双极板12'中的一个或两个。
图7表示图5的燃料电池堆1的示意性布局。子堆5内的所有燃料电池7串联连接。两个子堆也以同一取向串联连接，即，经由各自的外部双极板12'将子堆5的外侧燃料电池7的阳极9与另一子堆5的外侧燃料电池7的阴极8电连接。导电中间板6堆叠在两个外侧双极板12'之间。通过接入中间板6的接触端子11，可以获取中间电压(低于导电端板2与3之间的最大电压Vmax)。具体来说，可以获取第一端板2、与中间板6的接触端子(4、11)之间的电压以及中间板6与第二端板3的接触端子(11、4)之间的电压
在燃料电池堆1的另一实施方式中，可以堆叠多个中间板6以获得额外的中间电压。图8描绘了具有三个子堆5(分别具有三个、一个以及两个燃料电池)以及分隔相邻子堆5的两个中间板(第一中间板6和第二中间板6')的燃料电池堆1。不同的中间电压可以通过接触端子(4、11、11')接入。
通过利用具有接触端子(11、11')的中间板(6、6')，电池堆1的燃料电池也可以形成所需尺寸，以使工作在其最有效范围内，从而实现针对给定量燃料的更长耐力。在图9A和9B的实施例中，示出了不同的燃料电池堆与一组八(8)个LiPo蓄电池的匹配，最有效的电压(不仅考虑电效率，而且考虑燃料利用效率)为0.7V/电池，并且针对该范围，在使用全部50电池堆时，该蓄电池因总体电压(35V)仍然在分担区之外而本身并没有耗尽。
图9A示出了8电池蓄电池和45电池燃料电池堆的工作电压范围，以及如何在混合系统中与没有中间板的燃料电池分担电力。条20示出了蓄电池的范围，在完全充电时，具有4.2V/电池的电压(即，总电压为33.6V，条20的右侧)。随着蓄电池的耗尽，每个电池提供的电压降低，降至3V/电池(即，总电压为24V，条20的左侧)。条22对应于燃料电池的电压范围。在开路下，没有负载，端子处的电压约为0.9V/电池(合计为40.5V)。随着负载的增加，电压下降至下限0.6V/电池(即，27V)(在冒着损坏的危险之前)。虚线箭头24表示燃料电池堆的电压(0.75V/电池)，完全充电的蓄电池(33.6V)从该电压起通过混合系统开始补充燃料电池堆(当两个电压均衡时)。箭头26表示在冒着损坏的危险之前燃料电池将处于其电压下限(0.6V/电池)的点。在该点处，蓄电池不再放电，因为这会迫使燃料电池低于其电压下限。在该点处，切换至燃料电池堆的中间板以继续使蓄电池放电将是方便的。箭头28简单地表示燃料电池堆正常工作的中间电压(在这点上不需要切换至中间板)。
图9B示出了8电池锂蓄电池的电压范围，以及具有放置在45电池(条32)和40电池(条34)的位置处的两个不同中间板的50电池燃料电池(条30)的电压范围。当在燃料电池堆中选择第一中间板时，其工作为45电池燃料电池堆，而如果选择第二中间板，则燃料电池堆工作为40电池燃料电池堆。图9B示出了随着逐步地首先切换至对应于45电池的中间板和稍后切换至对应于40电池的中间板，燃料电池堆可以正确且逐步地适应蓄电池的当前电压。
本公开的燃料电池堆1还允许在应用于混合电力系统时完美匹配简化电子设备的蓄电池。图9B示出了当蓄电池电压低于30V时，如何利用放置在40电池堆上的单个中间板配置来使合并燃料电池电力。其还确保燃料电池能够递送其标称电力，而不会在被配置为50电池时使蓄电池恶化。万一在蓄电池达到30V限制时，该蓄电池开始耗尽(例如，因为电力需求需要比燃料电池本身可以递送的更多的电力)，燃料电池可以切换至其中间板，从而其将继续递送电力而不会招致损坏。
燃料电池堆1还允许针对整个蓄电池范围而与蓄电池分担混合电力。万一需要延长分担，蓄电池可以在仍有燃料电池的贡献的同时完全耗尽。
图10描绘了对于5000mAh蓄电池单元的不同放电率C的、图4的单元放电曲线。该图还包括三条虚线(40、42、44)，其表示三个不同的燃料电池堆(40电池、45电池以及50电池的燃料电池堆)在按0.6V/电池经受标称负载时的电压。低于这个电压，着重于燃料电池堆。箭头表示蓄电池可以补充燃料电池堆的区域，因此混合电力系统可以正常工作。随着蓄电池的放电，它们的电压下降。当蓄电池电压低于一虚线时，使着重于与该虚线相对应的燃料电池堆，因为其将被迫在0.6V/电池的标称电压下工作。
例如，在上虚线40的情况下，当蓄电池单元仅消耗了其总电量5000mAh中的2000mAh(不到其容量的一半)时，将在点46处达到它们的、放电速率为5C的电压。当5C蓄电池单元的电压下降到上虚线40以下时，建议使用与45电池配置相对应的第一中间板。从那一点起，5C蓄电池将被有效连接至45电池燃料电池堆。类似地，当5C蓄电池单元的电压下降到中虚线42(在点48处)以下时，建议使用与40电池配置相对应的第二中间板。
因此，图10中的每条虚线上方的区域对应于蓄电池电压的区域，其中可以在不着重于燃料电池堆的情况下对两个电源进行混合。
在本公开的燃料电池堆1中，切换至中间板电压将获得中间电压。如图11的示例性实施方式所示，通过控制单元70执行针对所确定的导电中间板(6、6')的切换过程。控制单元70管理蓄电池50与配备有两个中间板(6、6')的燃料电池堆1之间的混合。蓄电池50必须被理解为，包括一个或多个电化学单元的电能源(蓄电池50可以通过串联和/或并联连接的蓄电池的联合来形成)。由蓄电池50、燃料电池堆1以及控制单元形成的混合电力系统90向负载60馈电。
燃料电池堆1的正极(即，第一导电端板2)直接连接至负载60，但由可通过控制单元70打开或闭合的第一开关80来控制。燃料电池堆1的负极(即，第二导电端板3)接地。每个中间板(6、6')也通过中间板开关(在图11的例子中，第一中间板开关82和第二中间板开关84)直接连接至负载60，其进而由控制单元70操作。
因此，燃料电池堆1的电力率输出具有至少两个控制开关，用于选择整个燃料电池堆的第一开关80，和用于选择由一个或更多个子堆5形成的缩减燃料电池堆的至少一个中间板开关(82、84)。另一方面，蓄电池50通过也由控制单元70操作的蓄电池开关86而连接至负载60和燃料电池堆1的输出部。
控制单元70接收蓄电池电压(Vbatt)、整个燃料电池堆的电压(V1)以及子堆的电压(V2、V3)的的读数。根据这些电压的值，控制单元70将启用一个或另一个开关以允许电力从下列流向负载60：
整个燃料电池堆，通过仅启用第一开关80。
蓄电池，通过仅启动蓄电池开关86。
与中间板(6、6')的电压相对应的缩减燃料电池堆，通过启用与所述中间板(6、6')相关联的开关。这样，第一中间板开关82将被启用以选择第一中间板6的电压。同样，第二中间板开关84将被启用以选择第二中间板6'的电压。
蓄电池50和燃料电池堆1，通过启用电池开关86连同燃料电池堆的开关(第一开关80或者任何中间板开关(82、84))。
图12描绘了用于图11的混合电力系统90的切换过程控制100的实施方式。该切换过程控制100从第一开关80(开关1)的启用开始，仅将由整个燃料电池堆1输出的电力向负载60供电。然后，控制单元70检查104整个燃料电池堆(V1)的电压是否低于蓄电池电压(Vbatt)。在该情况下，控制单元70启用106蓄电池开关86，以利用由蓄电池50提供的电力补充燃料电池堆1。与此相反，如果整个燃料电池堆的电压(V1)高于蓄电池的电压(Vbatt)，则整个燃料电池堆继续单独向负载60馈电(第一开关80保持闭合102，蓄电池开关86保持打开108)。
在启用106蓄电池开关86之后，控制单元70检查110整个燃料电池堆的电压(V1)是否低于安全下限。在实施方式中，该安全下限对应于电池极限电压(例如，0.6V)乘以整个燃料电池堆1的电池数X(在图9B和图10的实施例中为50个电池)，以检查每个燃料电池的电压是否下降至电池极限电压0.6V以下。如果该电压实际上较小，则在步骤112中，通过打开第一开关80(开关1)并闭合连接至第一中间板6的第一中间板开关82(开关2)，来缩减燃料电池堆的有效尺寸。然而，如果整个燃料电池堆1尚未达到每个电池0.6V的阈值，则控制单元70返回至步骤104以检查是否需要蓄电池，因为已经降低了蓄电池电压(Vbatt)，这将使不需要来自蓄电池的额外电力。
针对单个中间板6的基本过程在步骤112结束，在第一实例中反复运行以检查是否需要蓄电池50，并且在随后的步骤中，根据蓄电池电压(Vbatt)和有效燃料电池堆的电压，检查是否需要切换至另一中间板6'。有效的燃料电池堆由堆叠在第二端板3与活动中间板(即，与已经启用的开关相关联的中间板)之间的燃料电池形成。因此，在图12的实施例中，在步骤112中启用了第一中间板开关82之后，控制单元70检查114缩减燃料电池堆的电压(对应于第一中间板的电压V2)是否低于针对该缩减电池堆的安全下限(在图9B和10的实施例中，电池限制电压0.6V乘以由45个电池形成的缩减燃料电池堆的电池数Y)。在该情况下，在步骤116中，通过启用连接至第二中间板6'的第二中间板开关86(开关3)，并且打开第一中间板开关82来再次缩减燃料电池堆的有效尺寸。然而，如果有效燃料电池堆尚未达到每个电池单元0.6V的阈值，则控制单元70返回至步骤110以检查是否有可能返回至第一中间板6(即，具有更多电池的有效燃料电池堆)。
在有更多的中间板的情况下，在将中间板连接至负载60之后，控制单元70检查对应于活动中间板的电压是否低于阈值(例如，每个电池0.6V)，并且在那种情况下将下面的中间板连接至负载60。
概括起来，在切换过程控制中，控制单元70首先检查是否有必要用蓄电池50补充整个燃料电池堆1，并且如果是的话，则控制单元70保持检查是否有必要选择随后的中间板，以使缩减燃料电池堆的电压大于每个电池0.6伏。每次证明有效燃料电池堆的电池电压高于0.6V/电池时，该算法就沿相反方向前进以检查是否有可能返回至上堆(即，具有更多电池的有效燃料电池堆栈)，并且即使断开108蓄电池50也是可行的。
图13描绘了具有几个导电中间板(6、6')的燃料电池堆1的又一实施方式，这些导电中间板(6、6')具有一个或更多个接触端子(11、11')。不同于图7和图8所示实施例，在该特定情况下，燃料电池堆1不是由图6的一系列子电池堆5形成的。相反的是，燃料电池堆1包括串联连接的多个单个燃料电池7和设置在连贯燃料电池7之间的双极板12。
在图13的实施方式中，导电中间板(6、6')设置在相邻燃料电池7之间，并且更具体说，处于和燃料电池7接触的双极板12与相邻燃料电池7的阴极8之间。类似地，导电中间板(6、6')可以设置在与燃料电池7接触的双极板12和相邻燃料电池7的阳极9之间。
在另一实施方式中，如图14所示，导电中间板(6、6')可以替换双极板12，使得导电中间板(6、6')提供双极板12的功能，并且还提供控制单元70可以通过其选择燃料电池堆1的不同电压的接触端子(11、11')。在该特定实施方式中，导电中间板(6、6”)与燃料电池(7)的阴极(8)和相邻燃料电池(7)的阳极(9)相接触地堆叠。另选地，导电中间板(6、6”)可以由双极板12形成，并入了从双极板12起延伸或突出的至少一个接触端子(例如，一个或更多个导电接片11、折片或焊片)，从而允许建立导线连接(例如，通过焊接)。

Claims (16)

1.一种用于增强混合电力系统的燃料电池堆，该燃料电池堆包括：
第一导电端板(2)和第二导电端板(3)，所述第一导电端板(2)和所述第二导电端板(3)具有接触端子(4)；
多个燃料电池(7)，所述多个燃料电池(7)被配置成串联连接并堆叠在所述导电端板(2、3)之间；
至少一个导电中间板(6、6')，所述至少一个导电中间板(6、6')具有至少一个接触端子(11、11')，每个导电中间板(6、6')都被配置成堆叠在相邻的燃料电池(7)之间。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，所述燃料电池堆包括串联连接的多个燃料电池子堆(5)，每个燃料电池子堆(5)都包括至少一个燃料电池(7)，并且其中，每个导电中间板(6、6')都被配置成堆叠在一对相邻的燃料电池子堆(5)之间。
3.根据权利要求2所述的燃料电池堆，其中，每个燃料电池子堆(5)都包括多个双极板(12、12')和至少一个燃料电池(7)，每个燃料电池(7)都堆叠在一对双极板(12、12')之间。
4.根据权利要求1所述的燃料电池堆，所述燃料电池堆还包括多个双极板(12)，每个双极板(12)都设置在相邻的燃料电池(7)之间，其中，每个导电中间板(6、6')都被配置成，与双极板(12)和燃料电池(7)的阴极(8)或阳极(9)相接触地堆叠。
5.根据权利要求1所述的燃料电池堆，所述燃料电池堆还包括多个双极板(12)，每个双极板(12)都设置在相邻的燃料电池(7)之间，其中，每个导电中间板(6、6')都被配置成，与一燃料电池(7)的阴极(8)和相邻的燃料电池(7)的阳极(9)相接触地堆叠。
6.根据任一前述权利要求所述的燃料电池堆，其中，每个接触端子(11、11')都包括从所述燃料电池堆(1)突出的一个或更多个导电接片(11)。
7.根据权利要求6所述的燃料电池堆，其中，所述导电中间板(6、6')包括双极板(12)和从所述双极板(12)突出的一个或更多个导电接片(11、11')。
8.根据任一前述权利要求所述的燃料电池堆，所述燃料电池堆还包括端板(13、14)，该端板(13、14)放置在所述燃料电池堆(1)的每个端部处。
9.一种混合电力系统，该混合电力系统包括：蓄电池(50)；根据任一前述权利要求所述的燃料电池堆(1)；以及控制单元(70)，该控制单元(70)被配置成，当所述混合电力系统(90)向负载(60)馈电时，选择所述燃料电池堆(1)的操作电压，其中，所述操作电压从所述导电中间板(6、6')和导电端板(2、3)的接触端子(4、11、11')获取。
10.根据权利要求9所述的混合电力系统，其中，所述控制单元(70)被配置成，根据所述燃料电池堆(1)的所述接触端子(4、11、11')处的电压(V1、V2、V3)的值，来选择所述燃料电池堆(1)的所述操作电压。
11.根据权利要求9至10中的任一项所述的混合电力系统，所述混合电力系统还包括多个开关(82、84、86)，所述多个开关(82、84、86)连接所述负载(60)与所述导电中间板(6、6')的所述接触端子(11、11')和所述燃料电池堆(1)的所述导电端板(2、3)的至少一个接触端子(4)，其中，所述控制单元(70)被配置成，操作所述开关(82、84、86)以选择用于向所述负载(60)馈电的所述燃料电池堆(1)的所述操作电压。
12.根据权利要求9至11中的任一项所述的混合电力系统，所述混合电力系统还包括蓄电池开关(86)，该蓄电池开关(86)连接所述负载(60)与所述蓄电池(50)，其中，所述控制单元(70)被配置成，根据所述蓄电池(50)的电压(Vbatt)的值和所述燃料电池堆(1)的所述操作电压的值来操作所述蓄电池开关(86)。
13.一种用于控制混合电力系统的方法，该混合电力系统包括蓄电池(50)和根据权利要求1至8中的任一项所述的燃料电池堆(1)，该方法包括以下步骤：当所述混合电力系统(90)向负载(60)馈电时，选择所述燃料电池堆(1)的操作电压，其中，所述操作电压从所述导电中间板(6、6')和导电端板(2、3)的接触端子(4、11、11')获取。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，根据所述燃料电池堆(1)的所述接触端子(4、11、11')处的电压(V1、V2、V3)的值，来选择所述燃料电池堆(1)的所述操作电压。
15.根据权利要求14所述的方法，所述方法包括以下步骤：
比较(110、114)向所述负载(60)馈电的所述燃料电池堆(1)的所选定的操作电压与安全下限；
如果当前操作电压低于所述安全下限，则选择(112,116)从所述燃料电池堆(1)的所述接触端子(4、11、11')获取的低操作电压，以向所述负载(60)馈电。
16.根据权利要求15所述的方法，所述方法包括以下步骤：
比较整个所述燃料电池堆的电压(V1)与所述蓄电池的电压(Vbatt)；
如果整个所述燃料电池堆的电压(V1)低于所述蓄电池的电压(Vbatt)，则启用(106)蓄电池开关(86)，以向所述负载(60)馈送由所述蓄电池(50)提供的能量。
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