[发明专利]具有串联连接的子系统的燃料电池系统

说明书

具有串联连接的子系统的燃料电池系统。一种系统包括燃料电池发动机、多个开关器件和控制器。燃料电池发动机包括作为燃料电池串被串联连接的多个燃料电池模块，并且然后多个这些串被并联连接。（一个或多个）开关器件电耦合，以在需要时绕过每（一个或多个）模块和/或断连每（一个或多个）串。（一个或多个）模块和/或（一个或多个）串是被绕过、断连还是保持操作的决策是基于输入到嵌入在燃料电池控制器内的有限状态机和故障管理过程中的传感反馈。在模块级的旁路方案以使得串联串内的剩余模块可以向终端应用提供持续不中断的电流流动这样的方式处理。

相关申请的交叉引用

本非临时申请在35 U.S.C.§119(e)和任何其他适用法律或法规下要求于2021年9月3日提交的美国临时专利申请序列号63/240,709的权益和优先权，该美国临时专利申请的全部公开内容特此通过引用明确并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及用于操作燃料电池系统的系统和方法，该燃料电池系统具有串联电连接的至少两个燃料电池模块。

背景技术

燃料电池因其高效利用燃料开发直流（DC）而闻名。燃料电池通常以电串联的方式聚集在燃料电池组装件中，以在有效电压或电流下产生电力。因此，互连结构用于串联或并联连接或耦合相邻的燃料电池，以形成燃料电池堆或燃料电池系统。

包括多个燃料电池的燃料电池堆或系统的选择性利用可以包括限制、减少和/或调节操作性的燃料电池数量。例如，包括燃料电池的燃料电池堆或系统可以仅操作燃料电池堆或系统的一部分，诸如提供必要电力以在可接受的级别下操作交通工具和/或动力系的燃料电池的任何子集或任何数量的燃料电池（例如，仅10个燃料电池、6个燃料电池或4个燃料电池）。

附加地，包括多个燃料电池的燃料电池堆或系统的选择性利用可以包括限制、降低和/或调节操作性的总燃料电池系统的任何比例的燃料电池所提供的电力容量。例如，包括在100%容量下操作的任何数量的燃料电池的燃料电池堆或系统可以选择性地用于在范围从0%到大约100%的任何容量下操作，包括其中包含的任何特定的操作性容量百分比。

一个或多个燃料电池模块的故障可能引起整个推进系统和/或发电系统变得不起作用。因此，可能需要持续不中断的电力输送源。本公开总体上涉及用于操作燃料电池系统的系统和方法，该燃料电池系统具有串联电连接以提供不中断电力的至少两个燃料电池模块。

发明内容

包括本公开的实施例，以满足这些和其他需求。在本文描述的本公开的一个方面，一种旁路系统或装置包括燃料电池堆和/或系统、开关器件和控制器。该燃料电池系统包括第一燃料电池模块、与第一燃料电池模块串联电连接的第二燃料电池模块以及与第一燃料电池模块和第二燃料电池模块并联电连接的第三燃料电池模块。

开关器件电耦合在第三燃料电池模块与第一和第二燃料电池模块之间。控制器被配置为响应于第一燃料电池模块和第二燃料电池模块中的至少一个的输出电压小于阈值，操作以断开开关器件，从而将第一和第二燃料电池模块与第三燃料电池模块断连，以从第三燃料电池模块提供持续不中断的输出电压流动。

在一些实施例中，第一燃料电池模块、第二燃料电池模块和第三燃料电池模块中的每一个可以包括彼此电连接的多个燃料电池。在一些实施例中，开关器件可以是接触器和半导体开关器件之一。在一些实施例中，半导体开关器件可以是场效应晶体管和双极结型晶体管之一。

在一些实施例中，旁路系统可以进一步包括电连接到燃料电池系统输出的直流（DC）-DC转换器（也称为DC-DC转换器）。第三燃料电池模块的输出电压可以对应于DC-DC转换器的最小输入电压。在一些实施例中，旁路系统可以进一步包括电连接在第一燃料电池模块和第二燃料电池模块中的至少一个的二极管，以防止响应于开关器件断开而发生朝向第一和第二燃料电池模块的反向电流流动。