CN115528281A - 使用能量存储设备来辅助喷射器的***和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开总体上涉及使用能量存储设备来辅助燃料电池或燃料堆***中的文丘里管或喷射器的***和方法。

Description

使用能量存储设备来辅助喷射器的***和方法
技术领域
本公开涉及使用能量存储设备来辅助燃料电池或燃料堆***中的文丘里管或喷射器的运行的***和方法。
背景技术
车辆和/或功率***使用燃料电池或燃料电池堆用于其功率需求。燃料电池或燃料电池堆可以是任何类型的燃料电池。例如，燃料电池和/或燃料电池堆可以包括但不限于磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、质子交换膜燃料电池(也称为聚合物交换膜燃料电池(PEMFC))和固体氧化物燃料电池(SOFC)。
燃料电池或燃料电池堆可以从在燃料电池或燃料电池堆中发生的电化学反应以直流电(DC)的形式发电。燃料处理器将燃料转换成燃料电池或燃料电池堆可用的形式。如果燃料电池或燃料电池堆由富含氢的常规燃料(例如甲醇、汽油、柴油或气化煤)提供功率，则重整器可以将碳氢化合物转化为氢和碳化合物的气体混合物或重整产品。然后可以将重整产品转化为二氧化碳、净化并再循环回到燃料电池或燃料电池堆中。
燃料，例如氢或碳氢化合物，通过场流板被引导到燃料电池或燃料电池堆的一侧上的阳极，而来自空气的氧气被引导到燃料电池或燃料电池堆的另一侧上的阴极。在阳极处，催化剂、例如铂催化剂使氢***成正氢离子(质子)和带负电的电子。在聚合物交换膜燃料电池(PEMFC)的情况下，聚合物电解质膜(PEM)允许带正电的离子通过PEM流到阴极。带负电的电子沿着外部回路被引导到阴极，形成电路(电流)。在阴极处，电子和带正电的氢离子与氧气结合形成水，其从燃料电池或燃料电池堆中流出。
燃料流从燃料电池或燃料电池堆出口排出并通过阳极入口再循环回到阳极。返回阳极入口的燃料流废气的再循环包括燃料和水二者。再循环率基于指定的过量燃料目标，例如过量燃料比或夹带比(ER)。夹带比(ER)被定义为低压流的质量流率(例如，次级质量流率)与高压流的质量流率(例如，初级质量流率)的比。
基于燃料电池或燃料电池堆的运行条件，***的燃料目标可以被指定为燃料电池或燃料电池堆所需的最小过量燃料水平。燃料电池或燃料电池堆的过量燃料水平可能高于由过量燃料目标定义的最低水平，但达到该较高水平可能导致燃料电池或燃料电池堆上的高寄生负载。例如，高于最小过量燃料水平的过量燃料水平可以通过在阳极处保持高燃料流率来实现，这可能导致燃料电池或燃料电池堆中的压力损失。鼓风机和/或泵可以以与燃料电池或燃料电池堆中的压力损失和/或通过鼓风机和/或泵的体积流率成比例的容量起作用。鼓风机和/或泵可以使用额外的功率来补偿压力损失。由鼓风机和/或泵使用额外功率可能导致燃料电池或燃料电池堆上的高寄生负载。
本说明书提供了在瞬时运行期间使用能量存储设备来辅助燃料电池或燃料堆***中的文丘里管或喷射器的***和方法。
发明内容
一方面，本公开涉及一种燃料电池堆***，包括喷射器、鼓风机、控制器和能量存储设备。***在瞬时滞后状态下运行。
在一个实施例中，***需要在第一运行电流密度下运行并且喷射器或鼓风机不能支持第一运行电流密度。在一些实施例中，控制器确定***的第二运行电流密度，并且第二运行电流密度高于第一运行电流密度。
在一个实施例中，当***在瞬时滞后状态下运行时，燃料电池堆的温度或压力正在降低。
在一个实施例中，***在以第二运行电流密度运行时产生过量功率，并且其中产生的过量功率在能量存储设备中耗散或存储一段时间。在一些实施例中，存储设备是具有充电状态的电池。在其他实施例中，所产生的过量功率的存储取决于电池的充电状态。在一些实施例中，产生的过量功率被存储为动能、势能、化学能、电能、电化学能、机械能或热能。
在一个实施例中，控制器确定***的第三运行电流密度，并且第三运行电流密度低于第一运行电流密度。在一些实施例中，***在以第三运行电流密度运行时使用来自能量存储设备的能量。
在另一方面，本公开涉及一种用于运行燃料电池堆***的方法，该燃料电池堆***包括喷射器、鼓风机、控制器和能量存储设备。该方法包括确定***的运行电流密度，并在瞬时滞后状态下运行燃料电池堆。
在该方法的一个实施例中，确定***的运行电流密度包括确定第一运行电流密度，使得喷射器或鼓风机不能支持第一运行电流密度。在该方法的一些实施例中，该方法还包括控制器确定***的第二运行电流密度，并且其中第二运行电流密度高于第一运行电流密度。
在该方法的一个实施例中，当***在瞬时滞后状态下运行时，燃料电池堆的温度或压力正在降低。
在该方法的一个实施例中，该方法还包括***在以第二运行电流密度运行时产生过量功率，并且耗散产生的过量功率或将产生的过量功率在一段时间内存储在能量存储设备中。
在该方法的一些实施例中，存储设备是具有充电状态的电池。在该方法的一些实施例中，存储产生的过量功率取决于电池的充电状态。在该方法的一些实施例中，产生的过量功率被存储为动能、势能、化学能、电能、电化学能、机械能或热能。
在该方法的一个实施例中，该方法还包括控制器确定***的第三运行电流密度，并且其中第三运行电流密度低于第一运行电流密度。
在该方法的一些实施例中，该方法还包括该***在以第三运行电流密度运行时使用来自能量存储设备的能量。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，其中贯穿附图，相同的字符代表相同的部分，其中：
图1是显示包括燃料电池或燃料电池堆的***的运行曲线的图。
图2是示出在燃料电池堆***中与文丘里管或喷射器一起使用的机械调节器的示意图。
图3是示出在燃料电池堆***中与文丘里管或喷射器一起使用的比例控制阀的示意图。
图4A是示出在阻塞条件下包括文丘里管或喷射器的***的运行曲线的图。
图4B是示出在阻塞和未阻塞条件下包括文丘里管或喷射器的***的运行曲线的图。
图5是示出当***处于瞬时状态时包括处于不同运行状态的鼓风机的***的运行曲线的图。
具体实施方式
本公开涉及增强燃料电池或燃料堆***中的文丘里管或喷射器的运行的***和方法。更具体地，它涉及在瞬时状态运行期间使用电池存储***来辅助燃料电池或燃料堆***中的文丘里管或喷射器的***和方法。
包括燃料电池或燃料电池堆的本运行***的要求的一个实施例在图1中示出。运行压力和相关运行温度显示为电流密度的函数。燃料电池或燃料电池堆可能需要在称为阳极入口歧管压力(PAIM)的压力范围内运行。
燃料电池或燃料电池堆的最高阳极入口歧管压力(PAIM_HI)由110表示。燃料电池或燃料电池堆的最低阳极入口歧管压力(PAIM_LO)由120表示。110和120之间的范围160表示目标阳极入口歧管压力范围。在一些实施例中，***的目标温度可以在从低燃料供应运行温度(TCV_LO)102到高燃料供应运行温度(TCV_HI)104的范围内。
在一个实施例中，当燃料电池或燃料电池堆在临界电流密度(i_LO_CR)130之上运行时，在从约或近似最高阳极入口歧管压力(PAIM_HI)110到约或近似最低阳极入口歧管压力(PAIM_LO)120的范围内的压力下运行燃料电池或燃料电池堆是至关重要的。在一些实施例中，临界电流密度(i_LO_CR)130可以是约0.7A/cm2。在其他实施例中，临界电流密度(i_LO_CR)130可以是约0.6A/cm2。在一些另外的实施例中，临界电流密度(i_LO_CR)130可以高于或低于0.7A/cm2，例如范围从约0.5A/cm2到约0.9A/cm2，包括其中包含的每个电流密度。
在一个实施例中，燃料电池或燃料电池堆可以在高电流密度范围内运行，例如从约1.3A/cm2至约2.0A/cm2，或约1.3A/cm2至约1.6A/cm2，或约1.0A/cm2至约1.6A/cm2。在一些实施例中，在不同于最佳目标运行压力和温度的压力和温度下以高电流密度(例如，以约1.6A/cm2)运行燃料电池或燃料电池堆可能会降低燃料电池或燃料电池堆的效率。由于MEA降解(例如，由于不足、溢流和/或相对湿度影响)，这样做还可能导致对燃料电池或燃料电池堆的损坏。在一些实施例中，当燃料电池或燃料电池堆在临界电流密度(i_LO_CR)130以下运行时，燃料电池或燃料电池堆的运行压力和温度可能具有更大的灵活性。包括燃料电池或燃料电池堆的本运行***可以在最小电流密度(iMIN)132和最大电流密度(iMAX)134下运行。
在一个实施例中，包括燃料电池或燃料电池堆的本发明的***可以在可以与由图1中的曲线160指示的不同的功能性范围内运行。在一些实施例中，运行***可以在较高压力(例如，最高阳极入口歧管压力(PAIM_HI)110)或在低至临界电流密度(i_LO_CR)130的电流密度下运行。例如，本***可以在约2.5bara下一直将稳态运行扩展到临界电流密度(i_LO_CR)130。以bara为单位的压力测量值是指以bar为单位的绝对压力。
在一种实施方式中，可以在阳极入口处提供过量燃料以避免朝向阳极出口的燃料不足。阳极入口流的水含量或入口流的相对湿度可能影响燃料电池的性能和健康。例如，低入口湿度可能导致膜电极组件(MEA)变干，从而降低性能。低入口湿度也可能引起应力，其可导致对膜电极组件(MEA)的永久性损坏。高湿度水平可能导致燃料电池内溢流，这会导致局部不足和/或其他可能降低燃料电池性能和/或损坏膜电极组件(MEA)的影响。在一些实施例中，可能存在最佳入口相对湿度范围，其中燃料电池性能得到改善并且膜电极组件(MEA)降解率最小化。例如，当阳极入口气体相对湿度水平在约30%至约35%的范围内时，燃料电池可以实现最佳性能。
在一个实施例中，在正常运行条件下，燃料电池中过量燃料和水含量的来源可以来自再循环阳极气体。运行***中再循环流的成分取决于阳极气体出口的成分。在一些实施例中，在给定的阳极气体出口温度和压力下，阳极出口气体可以被水饱和。因此，再循环流的成分可以变化并且在确定所需的再循环流以满足入口阳极气体过量燃料或相对湿度目标时应该被考虑在内。
所需的再循环流率水平可以根据对过量燃料的需求或增加的水含量来设置，无论哪一种都需要更高的再循环流。所需的再循环流可以表示为目标夹带比(ER)。或者，目标有效过量燃料比或最小所需燃料比可考虑过量燃料的需要或入口阳极水含量。“过量燃料比”可用于表示源自再循环流的所需成分以满足阳极入口气体要求。阳极气体要求可以是燃料电池***的过量燃料比或相对湿度要求中更严格的。
作为电流密度的函数的最小所需过量燃料比由线140指示。过量燃料比(λ)或阳极化学计量比定义为阳极入口燃料流率与燃料电池或燃料电池堆中消耗的燃料的比。在一些实施例中，***需要处于或高于最小所需燃料比水平的燃料量。在其他实施例中，运行***可能需要目标水或湿度水平，这可能影响过量燃料比(λ)。除了在低电流密度下，例如处于或低于过量燃料比电流密度阈值(i_λ_THV)150的电流密度，在整个***运行范围内，过量燃料比(λ)可能是平坦的，或过量燃料比(λ)可能随电流密度的变化而变化。在一些实施例中，高于过量燃料比电流密度阈值(i_λ_THV)150的过量燃料比(λ)可以在约1.3至约1.9的范围内，包括其中包含的任何比。在一个优选实施例中，高于过量燃料比电流密度阈值(i_λ_THV)150的过量燃料比(λ)可以是约1.4或约1.6。
在一些实施例中，本***的过量的燃料比电流密度阈值(I_λ_THV)150可以是处于或约0.2A/cm2。在其他实施例中，过量燃料比电流密度阈值(i_λ_THV)150可以处于不同的电流密度。例如，过量燃料比电流密度阈值(i_λ_THV)150可以在从约0.05A/cm2到约0.4A/cm2的范围内，包括其中包含的任何电流密度。在一个优选实施例中，过量燃料比电流密度阈值(i_λ_THV)150可为约0.1A/cm2或约0.2A/cm2。过量燃料比电流密度阈值(i_λ_THV)150可取决于燃料电池或燃料电池堆的运行条件。
在一个实施例中，如果燃料电池或燃料电池堆在低于过量燃料比电流密度阈值(i_λ_THV)150下运行，则可以通过阳极保持最小体积流率以确保可能在燃料电池或燃料电池堆中形成的任何液态水可能会被冲出燃料电池或燃料电池。在一些实施例中，在低流率下(例如，低于约0.2A/cm2或低于约0.1A/cm2)，燃料电池中可能存在溢流。在其他实施例中，如果最小体积流率低于过量燃料比电流密度阈值(i_λ_THV)150，则燃料电池或燃料电池堆退化的速率可能增加。
在一个实施例中，文丘里管或喷射器可用于本***中。文丘里管或喷射器的尺寸可以设计成使得运行***在某些电流密度下可能不需要再循环泵(例如鼓风机)的帮助。鼓风机的使用不存在可能导致寄生负载的减少，如由图1的曲线170和180所示。曲线170示出了在没有文丘里管或喷射器的情况下由鼓风机和/或再循环泵输送的部分流。曲线180显示了相应的寄生负载。在一些实施例中，寄生负载可以随着电流密度的增加而增加，如曲线180所示，因为鼓风机和/或再循环泵可以以与压力损失和燃料电池或燃料电池堆中所需的再循环流率成比例的容量起作用。
在一些实施例中，燃料电池或燃料电池堆最初可以在高电流密度、高运行温度和压力下运行，使得在该初始运行条件下的燃料电池负载高。燃料电池负载定义为：
负载=堆功率=电流x燃料电池或燃料电池堆电压=电流密度x燃料电池面积x燃料电池或燃料电池堆电压
在一些实施例中，当对功率的负载需求迅速减少或减小时，燃料电池或燃料电池堆处于减载状态，需要燃料电池或燃料电池堆减小输送的电流。
在一个实施例中，在燃料电池或燃料电池堆中的瞬时状态运行期间，燃料电池或燃料电池堆中的运行压力可基于由曲线106指示的燃料电池或燃料电池堆温度的变化而改变。例如，在减载期间，瞬时状态运行压力(P_AIM_TRS)可能大于稳态运行压力(P_AIM_SS)。在一些实施例中，即使在低电流密度下，瞬时状态运行压力(P_AIM_TRS)也可以等于最高阳极入口歧管压力(PAIM_HI)110。在承载期间，电流密度的增加率是有限的，且稳态运行压力(P_AIM_SS)可能等于阳极入口歧管压力(PAIM)。
在一个实施例中，由曲线160指示的燃料电池或燃料电池堆的运行压力可以优化实现高效燃料电池或燃料电池堆运行与在选定运行压力下运行所需的寄生负载(例如，空气压缩机、鼓风机和/或泵的寄生负载)之间的平衡。在一些实施例中，由曲线106指示的运行温度、由曲线160指示的运行压力和/或过量空气比可以维持燃料电池或燃料电池堆运行的目标相对湿度(RH)。在其他实施例中，由曲线106所指示的运行温度、由曲线160所指示的运行压力和/或过量空气比可以通过针对阴极处的相对湿度(RH)的特定值来确定。
过量空气比的定义类似于过量燃料比，但指的是阴极侧流(即，空气中的过量O2)。过量空气比、压力和温度的组合一起用于控制阴极侧的湿度(这反过来影响阳极(H2)侧的水含量。在一个实施例中，可使用随着电流密度变化的温度、压力和过量空气比来控制湿度。在一些实施例中，过量空气比为约2.0。在其他实施例中，过量空气比为约1.7至约2.1。在一些其他实施例中，过量空气比在加压运行下为约1.8至约1.9。过量空气比可能会增加到低于阈值电流，以保持足够高的体积流率，以防止燃料电池或燃料电池堆中的溢流。
在一些实施例中，可以通过使用加湿装置结合运行压力和运行温度来维持目标相对湿度(RH)。例如，可以在燃料电池或燃料电池堆的阴极侧使用加湿装置。在其他实施例中，如果燃料电池或燃料电池堆的目标相对湿度(RH)和目标运行压力被指定，则燃料电池或燃料电池堆运行的目标温度可被确定。
在一个实施例中，包括燃料电池或燃料电池堆的***可以包括控制阀。在一些实施例中，控制阀可以是机械调节器(例如，圆顶调节机械调节器)、比例控制阀或喷射器。在其他实施例中，控制阀可包括内阀、线圈、螺线管或控制控制阀的打开或关闭的不同机械元件。
图2示出了运行***200的一个实施例，其包括燃料电池堆210、机械调节器250、与燃料电池堆210串联或并联的再循环泵或鼓风机220、排气阀280、截止阀270、压力传递阀290、一个或多个压力传感器240/260和文丘里管或喷射器230。在一些实施例中，本***200可包括一个或多个燃料电池堆或一个或多个燃料电池。在其他实施例中，还可以有一个或多个阀、传感器、压缩机、调节器、鼓风机、注射器、喷射器和/或与燃料电池堆210串联或并联的其他装置。
在本***200的一个实施例中，阳极入口流222流过燃料电池堆210的阳极204端。通常，阳极流可以是新鲜燃料(例如，H2)和阳极废气(例如，H2燃料和/或水)的混合物。相反，氧化剂206(例如，空气、氧气或加湿空气)可流过燃料电池堆210的阴极端208。
在一个实施例中，机械调节器250可用于控制新鲜燃料202的流，其也称为初级流、初级质量流、初级燃料或到阳极204的功率流。在阳极204和阴极208处的气流(例如，燃料222和空气206)之间的压力差可以提供输入信号至机械调节器250中的控制器。机械调节器250的控制器可确定燃料222的流通过阳极204处的阳极入口212。
在一些实施例中，来自燃料电池或燃料电池堆的阳极和/或阴极的输入信号可以是物理信号。在其他实施例中，输入信号可以是虚拟或电子信号。在又一些实施例中，该信号可以是本领域已知的任何类型的通信或计算机信号。
在一个实施例中，可基于用作中间信号的运行压力(例如，阳极压力)来控制初级燃料流率或初级流率以匹配燃料电池堆210中的燃料消耗。在一些实施例中，假设所有其他参数都相等，当燃料消耗与阳极204处的新鲜燃料供给匹配时，阳极204中的压力可以稳定。由于机械调节器250的功能基于阳极204和阴极208之间的压力差，因此在使用机械调节器250时需要保持目标压力差。在一些实施例中，阴极208处的压力通过阴极侧控制被控制和/或维持在目标水平。
在一个实施例中，机械调节的方法，例如通过采用致动器，可以使用来自阴极/空气入口216的压力信号来控制空气质量流并维持燃料电池堆210的阴极208侧上的适当压力。在一些实施例中，来自阴极208侧的压力信号是至机械调节器250的输入。在一些实施例中，阳极204侧质量流和阳极204侧压力可通过使用来自阴极208侧的压力信号并测量一个或多个阳极204侧条件来控制。
在一个实施例中，来自阴极208侧的压力信号可以改变机械调节器250中的阀的位置以控制通过机械调节器250的质量流并维持阳极204和阴极208之间的目标压力差。在其他实施例中，作用在机械调节器250上的输入信号实际上是作用在隔膜或机械调节器250的其他部分上的压力差。不得对压力差进行其他直接测量。例如，阳极204处的单点压力可以计算为阴极208侧压力加上阳极204和阴极208处的气流之间的压力差。单点压力可以是绝对压力或表压。
在一个实施例中，文丘里管或喷射器230可以从阳极气体再循环(AGR)回路224抽取次级流(夹带流或再循环流)226。在一些实施例中，阳极气体再循环回路224可包括文丘里管或喷射器230、燃料电池堆210、文丘里管或喷射器230中的吸入室中的次级入口232和/或其他与文丘里管或喷射器230和/或燃料电池堆210相关的管道、阀、通道、歧管。在其他实施例中，再循环泵或鼓风机220可增加或减少穿过阳极气体再循环(AGR)回路224的压力差。
在一个实施例中，文丘里管或喷射器230可以使用跨过阳极气体再循环(AGR)回路224的流动压力来抽取也称为次级质量流、夹带流或再循环流的次级流226。在一些实施例中，如稍后所讨论的，文丘里管或喷射器230可以利用来自较高压力初级流的可用过量有效能来吸入次级流226，克服通过AGR回路224的压力损失。在一些实施例中，AGR回路224可以包括文丘里管或喷射器230、燃料电池堆210、在文丘里管或喷射器230的吸入室中的次级入口232、和/或其他与文丘里管或喷射器230和/或燃料电池堆210相关的管道、阀、通道、歧管。在其他实施例中，再循环泵或鼓风机220可以增加或减少跨过AGR回路224的压力差。
在一个实施例中，***200可能需要可以驱动饱和次级流226的目标水或湿度水平。饱和次级流226然后可以驱动初级流202，使得目标过量燃料比(λ)可以取决于目标水或湿度水平。
在一个实施例中，再循环泵或鼓风机220可用于实现过量燃料比。在一些实施例中，再循环泵或鼓风机220可以在燃料电池堆210的整个运行范围(电流密度)上运行。在其他实施例中，再循环泵或鼓风机220的寄生负载可能很大。在一个实施例中，可能需要大的再循环泵或鼓风机220来提供功率以实现过量目标燃料比。在一些实施例中，再循环泵或鼓风机220的使用可能是低效且昂贵的。在一些实施例中，再循环泵或鼓风机220的运行特性可不同于文丘里管或喷射器230。
在一个实施例中，再循环泵或鼓风机220的压力提升能力(ΔP_BLWR)是通过再循环泵或鼓风机220的流(Q)、鼓风机速度(N)和流动成分的密度(ρ)的函数。在一些实施例中，再循环泵或鼓风机的压力提升220(ΔP_BLWR)可以通过功率抽取限制和/或***200/300的速度限制来限制。在一个实施例中，当再循环泵或鼓风机220不旋转或者在其他***200/300失速条件下时，再循环泵或鼓风机220可以充当在AGR回路中的限制
ΔP_BLWR=f(Q,N,ρ)。
在一个实施例中，如图3中所示的运行***300中所示。可以使用比例控制阀310代替机械调节器250。比例控制阀310是电子控制的并且可以比机械调节器250在控制阳极204处的单点压力方面提供更大的灵活性。在一个实施例中，比例控制阀310可用于控制运行***300中的初级流。在其他实施例中，可以使用喷射器(未示出)代替比例控制阀310。
例如，比例控制阀310可以有利地允许对压力差进行主动管理，可以避免下垂问题，和/或提供在不同运行条件下运行燃料电池堆210的灵活性。说明性运行条件可以包括但不限于运行电流密度、运行压力、运行温度、运行相对湿度、燃料供应压力、燃料供应温度、所需的次级流、夹带比、寄生负载限制、功率需求、AGR回路224中的压力损失、文丘里管或喷射器230的性能和/或效率、再循环泵或鼓风机220的性能和/或效率、燃料密度、吹扫流和阻塞或未阻塞(例如，没有阻塞)的流动条件。
***200/300的调节比被定义为文丘里管或喷射器230的最大容量与文丘里管或喷射器230的最小容量的比。在一个实施例中，文丘里管或喷射器230可以使用初级流有效能抽取再循环流226。调节比表征文丘里管或喷射器230可以将所需的过量燃料比输送到燃料电池堆210的范围。在一个实施例中，本运行***200/300可被设计以最大化文丘里管或喷射器230调节比。因此，最大化文丘里管或喷射器230的调节比也可用于最小化与再循环泵或鼓风机220相关联的尺寸和寄生负载。在一些实施例中，文丘里管或喷射器230可能需要稳健地运行和/或执行以在所需的过量燃料比下输送所需的初级流202。
在一个实施例中，燃料供应***可以在燃料供应压力(PCV)和燃料供应温度(TCV)下供应燃料。在一些实施例中，尺寸压力(P_CV_MIN)可以是控制阀、例如比例控制阀310或机械调节器250或喷射器处的最小入口压力。在其它实施例中，燃料尺寸压力(P_CV_MIN)可以是空压力条件下的控制阀的入口处的压力(PEMPTY)。
在一个实施例中，初级流202可以通过控制阀并且在初级喷嘴入口压力(PO)和初级入口温度(TO)下通过初级喷嘴进入文丘里管或喷射器230。在其他实施例中，次级流226可以在次级入口压力(PS)和次级入口温度(TS)下通过吸入室中的次级入口232进入文丘里管或喷射器230。
在一个实施例中，文丘里管或喷射器230可以在初级流中具有可用的有效能以在文丘里管或喷射器230中引起阳极气体再循环流作为次级流226。在一些实施例中，堆压力(ΔPSTACK)是通过AGR回路224的压力损失。次级流226可以被提升以克服堆压力(ΔPSTACK)。
在一个实施例中，压力提升(ΔPLIFT)是克服AGR回路224中的压力损失(ΔPSTACK)所需的压力。在一些实施例中，压力提升(ΔPLIFT)可由通过燃料电池堆210或AGR回路224的任何其他部件的压力损失支配。在一些实施例中，压力损失可与通过AGR回路224中的一个或多个歧管和/或通道的体积流率成比例。在其他实施例中，阳极入口212处的体积流222可包括新鲜燃料202和再循环流226的混合物。
在一个实施例中，次级入口压力(PS)可取决于燃料电池或燃料电池堆210的阳极入口歧管压力(PAIM)和AGR回路224中的压力损失(ΔPSTACK)或所需压力提升(ΔPLIFT)
PS=PAIM-ΔPLIFT。
在一个实施例中，可以夹带的次级流的量226是通过***200/300的边界条件和文丘里管或喷射器230的效率决定的。在一些实施例中，边界条件可以是燃料电池或燃料电池堆210的初级喷嘴入口压力(PO)、次级入口压力(PS)、阳极入口歧管压力(PAIM)、和/或次级流226成分。在一些实施例中，从阳极出口214到文丘里管或喷射器入口232的次级流226是绝热过程。在其他实施例中，文丘里管或喷射器230的初级入口温度(TO)和次级入口温度(TS)可影响次级流226。
在一个实施例中，如更前所述的，在一定的临界电流密度(I_LO_CR)130之上，***200/300需要在由图1中的曲线160指示的目标阳极运行入口歧管压力范围中运行。在一些实施例中，初级入口压力(PO)与初级燃料需求成比例地降低，直到初级喷嘴不再阻塞(未阻塞)。在其他实施例中，如果初级喷嘴未阻塞，则初级入口压力(PO)的降低速率可能是非线性的和/或对下游压力例如次级入口压力(PS)敏感。在其他实施例中，初级入口压力(PO)可随着初级入口温度(TO)降低而降低。
在一个实施例中，初级入口温度(TO)可以等于燃料供应温度(TCV)。在一些实施例中，初级入口温度(TO)可影响初级流202。在一些实施例中，***200/300可具有目标质量流率。在其他实施例中，次级入口温度(TS)可以通过次级入口232和/或文丘里管或喷射器230的几何约束来影响次级流226。在一些其他实施例中，热力学约束和/或文丘里管或喷射器230效率可影响次级流226。
在一个实施例中，文丘里管或喷射器230对初级喷嘴入口压力(PO)、背压和所需压力提升(ΔPLIFT)敏感。在一些实施例中，背压可以是文丘里管或喷射器230的离开压力(PC)或阳极入口歧管压力(PAIM)。在其它实施例中，如果从文丘里或喷射器230到出口阳极入口歧管没有压力损失，在文丘里或喷射器230处的离开压力(PC)可以等于阳极入口歧管压力(PAIM)。在一些实施例中，初级喷嘴入口压力(PO)可以为***200/300中的电流密度(i)的函数
PO=f(i)。
在一个实施例中，夹带比(ER)是文丘里管或喷射器230的性能和/或能力的量度并且可能对初级喷嘴入口压力(PO)、背压(例如，PC、PAIM)和/或压力提升(ΔPLIFT)敏感。在一个实施例中，随着背压(例如，PC、PAIM)增加，文丘里管或喷射器230可以从双阻塞(具有稳定的夹带比)变为处于过渡状态(具有减小的夹带比)，具有反向流。文丘里管或喷射器230中的反向流可能是不希望的，因为反向流表明没有燃料再循环通过AGR回路224。在一些实施例中，文丘里管或喷射器230可能需要抵消通过燃料电池或燃料电池堆210的压力损失(ΔPSTACK)，同时克服背压(例如，PC、PAIM)运行。
在一个实施例中，可逆夹带比(RER)或夹带比(ER)的可逆部分基于热力学限制，定义为：
RER=-Δχ_M/Δχ_S
Δx_M是功率流有效能，Δx_S是夹带流有效能。
在一个实施例中，如果最小和最大阳极入口歧管压力(分别为PAIM_LO120和PAIM_ HI110)是已知的，则可以确定最小阳极入口歧管压力PAIM_LO120所在的低断点(即电流密度)(i_LO_BRK)和最大阳极入口歧管压力PAIM_HI110所在的高断点(即电流密度)(i_HI_BRK)。
图4A示出了在阻塞条件下文丘里管或喷射器230的运行范围，而图4B示出了在阻塞和未阻塞条件下文丘里管或喷射器230的运行范围。在一个实施例中，如图4A和B所示，曲线160指示由燃料电池堆设计确定的目标阳极入口歧管压力范围。高于临界电流密度(I_LO_CR)130，可能必须在位于由160指示的范围内的目标阳极入口歧管压力范围内操作***200/300。在图示的实施例中，临界电流密度(i_LO_CR)130是约0.7A/cm2。由文丘里管或喷射器230优选的最大阳极入口歧管压力(PAIM)即由文丘里管或喷射器230优选的最大喷射器压力(P_AIM_EJCT_MAX)作为电流密度的函数由曲线410所示。由文丘里管或喷射器230优选的最大喷射器压力(P_AIM_EJCT_MAX)对于由曲线420所示的初级入口温度(TO)敏感。
最大喷射器压力(P_AIM_EJCT_MAX)可能根据燃料供应***的限制和范围而变化。在一个实施例中，最大喷射器压力(P_AIM_EJCT_MAX)曲线410与最大阳极入口歧管压力(PAIM_HI)110相交处的电流密度被定义为高电流密度喷射器阈值(i_HI_THV)464。在一个实施例中，最大喷射器压力(P_AIM_EJCT_MAX)曲线410与最小阳极入口歧管压力(PAIM_HI)120相交处的电流密度被定义为低电流密度喷射器阈值(i_LO_THV)460。
在一个实施例中，如果最大喷射器压力(P_AIM_EJCT_MAX)大于阳极入口歧管压力(PAIM)，文丘里管或喷射器230可以在初级喷嘴阻塞条件下运行，这是一种稳健的喷射器状态。在一些实施例中，尽管如果阳极入口歧管压力(PAIM)比最大喷射器压力(P_AIM_EJCT_MAX)更大文丘里管或喷射器230仍然可以夹带流，文丘里管或喷射器230可以变成对边界条件更敏感。在其它实施例中，如果阳极入口歧管压力(PAIM)大于最大值喷射器压力(P_AIM_EJCT_MAX)，文丘里管或喷射器230继续满足夹带比(ER)的要求的能力可能变得对压力提升(ΔP_LIFT)更敏感。
在一个实施例中，文丘里管或喷射器230配置的尺寸可被设计成在临界电流密度(i_LO_CR)130下完全输送再循环流226，同时考虑到跨AGR回路224的压力差。在一些实施例中，文丘里管或喷射器230配置的尺寸可设计成在没有再循环泵或鼓风机220的帮助的情况下完全输送再循环流226。如由曲线170和440所示，不使用再循环泵或鼓风机220可导致寄生负载减少。曲线170示出了由再循环泵或鼓风机220输送的再循环流的部分，并且曲线440示出了相应的寄生节省。说明寄生节省440的曲线440与说明由再循环泵或鼓风机220输送的再循环流的部分的曲线170成反比。
在一个优选实施例中，文丘里管或喷射器230被设计成使得文丘里管或喷射器230能够在低电流密度下继续稳健地满足任何夹带比(ER)要求。在一些实施例中，在电流密度低至图4A和图4B中的过量燃料比电流密度阈值(I_λ_THV)150的情况下，文丘里管或喷射器230能够继续满足夹带比(ER)要求。文丘里管或喷射器230可以在如此低的电流密度下继续满足夹带比(ER)要求的配置的益处由示出寄生节省440的曲线示出。在一个实施例中，文丘里管或喷射器230和再循环泵或鼓风机220可以同时运行。在其他实施例中，再循环泵或鼓风机220的尺寸可以更小以增加寄生节省和/或降低***200/300的成本、尺寸或重量。
在一个实施例中，如图2和3中所示，如果再循环泵或鼓风机220是在文丘里管或喷射器230上游，通过再循环泵或鼓风机220的流率(Q)对应于通过阳极再循环回路224的再循环流。例如，如果夹带比(ER)等于2.0，则通过再循环泵或鼓风机220的流(Q)是总燃料222流(初级燃料流202+再循环燃料流226)的2/3。
在一个实施例中，文丘里管或喷射器230和再循环泵或鼓风机220可以最佳地集成和/或确定尺寸以增强燃料电池堆210中的文丘里管或喷射器230的运行和/或性能。在一些实施例中，再循环泵或鼓风机220的尺寸可设定为输送压力提升(ΔPLIFT)以抵消通过阳极再循环回路224的任何压力损失。在其他实施例中，再循环泵或鼓风机220的尺寸可设计成在变化的运行条件下支持燃料电池堆210中的文丘里管或喷射器230的运行和/或性能。运行条件可包括但不限于伪稳态条件和瞬时状态或多个条件。
在一个实施例中，再循环泵或鼓风机220可存在于不同的运行状态中。在一个实施例中，再循环泵或鼓风机220可以处于空闲状态484并且文丘里管或喷射器230可以在没有再循环泵或鼓风机220支持的情况下运行。
在一个实施例中，再循环泵或鼓风机220可以处于鼓风机基本状态480，即电流密度可以低于过量燃料比电流密度阈值(i_λ_THV)。在这样的条件下，文丘里管或喷射器230的性能和/或运行可能受到挑战，并且文丘里管或喷射器230可以在再循环泵或鼓风机220的支持下运行。在一个实施例中，再循环泵或鼓风机220可主要通过再循环阳极回路224输送所需的再循环流。在其它实施例中，鼓风机压力(ΔPBLWR)可以调节以提供足够的再循环流燃料流，以匹配***200/300中燃料电池堆210过量燃料要求。
在一个实施例中，再循环泵或鼓风机220可处于喷射器支持状态482，其中文丘里管或喷射器230可由再循环泵或鼓风机220增压。电流密度可以大于过量燃料比电流密度阈值(I_λ_THV)但小于最小阳极入口歧管压力(PAIM_LO)120可被设置的低断点电流密度(ⅰ_LO_BRK)。再循环泵或鼓风机220鼓风机可提供一部分再循环流。
如图5中所示，文丘里管或喷射器230在稳态运行压力(P_AIM_SS)下被阻塞的最低电流密度被称为最低阻塞电流密度(i_LO_ACT)520。当再循环泵或鼓风机220处于空闲状态484即运行电流密度大于最低阻塞电流密度(i_LO_ACT)520，或者鼓风机处于基本状态时即运行电流密度远低于过量燃料比电流密度阈值(i_λ_THV)150，或者***200/300在喷射器支持状态582中被鼓风机增压时，***200/300可以在伪稳态条件下运行。当***200/300处于喷射器支持状态582时，***200/300可以在大于过量燃料比电流密度阈值(i_λ_THV)150但小于最低阻塞电流密度(i_LO_ACT)520的电流密度下运行。在一些实施例中，最低阻塞电流密度(i_LO_ACT)520可以等于临界电流密度(i_LO_CR)130。
在一个实施例中，***200/300可以在诸如减载支持状态的瞬时状态或条件下运行，其中目标运行压力(PAIM)大于稳态运行压力(P_AIM_SS)使得初级入口喷嘴没有堵塞。在其他实施例中，***200/300可以在诸如承载支持状态的瞬时状态或条件下运行，其中电流密度(i)的增加率大于某个阈值，诸如每秒0.2A/cm2。在一些实施例中，***200/300可以在诸如***200/300启动或***200/300关闭的瞬时状态或条件下运行。在一个实施例中，再循环泵或鼓风机220的尺寸设计成使得文丘里管或喷射器230的运行和/或性能在需要时可以增加。在一些实施例中，文丘里管或喷射器230的这种增加的能力可能对***200/300施加更高的成本和更高的寄生负载。
在一个实施例中，当再循环泵或鼓风机220处于基本状态并且在***200/300启动或***200/300关闭状态期间当文丘里管或喷射器230不能输送所需的燃料流率时，再循环泵或鼓风机220的尺寸设计成能够以最小程度支持***200/300。在其他实施例中，当***200/300处于诸如减载支持状态之类的瞬时状态或条件下时，再循环泵或鼓风机220的尺寸设计成跨燃料电池堆210的压力差。
在一个实施例中，如图5中所示，文丘里管或喷射器230可以在没有鼓风机支持的情况下并且在鼓风机阈值电流密度(i_BS_THV)522以上运行，当***200/300未堵塞时，可由文丘里管或喷射器230管理的调节比(TDRATIO)等于：
TDRATIO=i_BS_THV/i_LO_ACT。
当运行压力(PAIM)是最大运行压力(P_AIM_HI)110时文丘里管或喷射器230被阻塞的最低电流密度阈值是高电流喷射器阈值(i_HI_THV)464。在一个实施例中，如果文丘里管或喷射器230需要在减载支持状态下在最大运行压力(P_AIM_HI)下运行，则文丘里管或喷射器230可以下降到等于高电流喷射器阈值(i_HI_THV)464的电流密度以下。文丘里管或喷射器230在该电流密度下可能不会被阻塞。由于该电流密度，如果运行压力(PAIM)保持在最大运行压力(P_AIM_HI)110，则***200/300可能需要再循环泵或鼓风机220来提供鼓风机支持。在一些实施例中，对于相同的调节比(TDRATIO)，从等于过渡鼓风机阈值电流密度(i_BS_TRNS_THV)524的电流密度开始可能需要再循环泵或鼓风机220支持。在其他实施例中，喷射器支持状态582的上限由过渡鼓风机阈值电流密度(i_BS_TRNS_THV)524定义
i_BS_TRNS_THV=i_BS_THV/i_LO_ACT x i_HI_THV。
在一个实施例中，如果文丘里管或喷射器230可以以等于过量燃料比电流密度阈值(i_λ_THV)150的鼓风机阈值电流(i_BS_THV)522和其以上在没有鼓风机支持的情况下运行，
i_BS_TRNS_THV=i_λ_THV/i_LO_ACT x i_HI_THV。
再循环泵或鼓风机220的尺寸设计成在文丘里管或喷射器230自身不能提供所有燃料流的情况下提供流。在一个实施例中，在***200/300的运行期间当不需要再循环泵或鼓风机220的支持时，再循环泵或鼓风机220可以充当限制并且引起阳极再循环回路224中的压力损失。在一些实施例中，再循环泵或鼓风机220可能需要加大尺寸以通过在卸载瞬时状态或条件下或当***200/300在高初级阳极入口歧管压力(例如，(P_AIM_HI)110)下运行时降低压力提升(ΔP_LIFT)要求来支持文丘里管或喷射器230。
在一个实施例中，再循环泵或鼓风机220的尺寸设计成与鼓风机阈值电流密度(i_BS_THV)522和/或过渡鼓风机阈值电流密度(i_BS_TRNS_THV)524成比例。在其他实施例中，再循环泵或鼓风机220的尺寸可能与鼓风机阈值电流密度(i_BS_THV)522和/或过渡鼓风机阈值电流密度(i_BS_TRNS_THV)524不成线性比例。在一些实施例中，再循环泵或鼓风机220的尺寸可取决于通过再循环泵或鼓风机220的质量流率。
在一个实施例中，再循环泵或鼓风机220的尺寸可以取决于变量，包括但不限于***200/300的夹带比(ER)、***200/300的过量燃料比(λ)、流过再循环泵或鼓风机220的燃料成分的密度、流过燃料电池或燃料电池堆210的燃料成分的密度、***200/300的阳极入口歧管压力(PAIM)、***200/300的运行温度、通过***200/300的质量流、和/或通过再循环泵或鼓风机220的夹带流。
在一个实施例中，由于文丘里管或喷射器230和再循环泵或鼓风机220的一个或多个控制器，文丘里管或喷射器230可具有稳健的夹带比(ER)。在一些实施例中，文丘里管或喷射器230和再循环泵或鼓风机220的一个或多个控制器可允许***200/300监控文丘里管或喷射器的状态230，并在需要支持时开始启动和/或增加再循环泵或鼓风机220的速度。
在一些实施例中，再循环泵或鼓风机220可以处于空闲状态584/484，即处于高负载伪稳态，使得电流密度高于低电流喷射器阈值(i_LO_THV)460。在一些实施例中，当***200/300以高于低电流喷射器阈值(I_LO_THV)460的电流密度运行时，文丘里管或喷射器230可以能够输送所需夹带比(ER)。
在一个实施例中，文丘里管或喷射器230和循环泵或鼓风机220的一个或多个控制器可允许***200/300监控文丘里管或喷射器230的状态，并当需要支持时开始启动和/或增加再循环泵或鼓风机220的速度。在一些实施例中，在再循环泵或鼓风机220启动和/或关机期间，可以存在通过再循环泵或鼓风机220提供的压力和由文丘里管或喷射器230所需的压力之间的失配。
在一个实施例中，用于监测和/或控制***200/300中的文丘里管或喷射器230和/或再循环泵或鼓风机220的运行的一个或多个控制器可实施成在一些情况下与以下通信：存在于包括燃料电池或燃料电池堆210的***200/300之上或之外的硬件、固件、软件或其任何组合。可以使用任何一种或多种通信技术(例如有线或无线通信)和相关协议(例如以太网、InfiniBand®、Wi-Fi®、蓝牙®、WiMAX、3G、4G LTE、5G等)将信息传输到一个或多个控制器来实现这种通信。
在一个实施例中，一个或多个控制器可以在计算设备中。计算设备可以体现为能够执行本文描述的功能的任何类型的计算或计算机设备，包括但不限于服务器(例如，独立的、机架安装的、刀片等)、网络设备(例如，物理或虚拟)、高性能计算设备、网络应用、分布式计算***、计算机、基于处理器的***、多处理器***、智能手机、平板电脑、膝上型计算机、笔记本电脑和移动计算设备。
计算设备可以包括输入/输出(I/O)子***、存储器、处理器、数据存储设备、通信子***、控制器和显示器。在其他实施例中，计算设备可以包括额外和/或替代组件，例如在计算机中常见的那些组件(例如，各种输入/输出设备)。在其他实施例中，一个或多个说明性组件可并入另一组件中或以其他方式形成另一组件的一部分。例如，存储器或其部分可以并入处理器中。
在一个实施例中，***200/300可以在诸如减载状态、启动状态或关闭状态的瞬时状态下运行。在一些实施例中，***200/300可以在瞬时滞后状态下运行，使得燃料电池或燃料电池堆210的压力或温度可以是滞后于在瞬时状态中的燃料电池或燃料电池堆210的压力或温度。例如，在一些实施例中，在瞬时状态期间，***200/300可能处于瞬时滞后状态，其中***能够支持瞬时状态或条件所需的电流密度，但燃料电池或燃料电池堆210运行温度可能需要一段时间才能降低。
在一个实施例中，***200/300可以将电流密度产生保持在最小电流密度之上，同时可以降低燃料电池运行温度。在一些实施例中，最小电流密度可以是瞬时断点处的电流密度(i_TRS_BRK)。在瞬时运行期间以最小密度为目标可以避免对大型再循环泵或鼓风机220的需要。
在一个实施例中，当***200/300处于瞬时滞后状态时，***200/300可能进入文丘里管或喷射器230连同再循环泵或鼓风机220不能支持所需电流密度的区域。在一些实施例中，文丘里管或喷射器230和循环泵或鼓风机220的一个或多个控制器可以选择以高于所需的电流密度的电流密度运行该***200/300，以使***200/300产生比所需更多的能量。在其它实施例中，文丘里管或喷射器230和循环泵或鼓风机220的一个或多个控制器可以选择以低于所需的电流密度的电流密度运行该***200/300，以使***200/300产生比所需更少的能量。
在一个实施例中，如果***200/300以低于所需电流密度的电流密度运行，则***200/300可以使用来自诸如电池的存储装置的能量来提供所需电流密度。在一些实施例中，***可以使用来自超级电容器、超导体、经由锂离子电池、铅酸电池、飞轮、压缩空气或相变材料的能量。
在一个实施例中，如果***200/300以高于所需电流密度的电流密度运行，则在将电流密度产生保持在所需电流密度之上时产生的额外功率可以转移以存储在诸如电池的能量存储设备中。在一些实施例中，额外功率可以存储为势能或动能。例如，额外功率可以经由超级电容器和/或超导体作为电能存储，经由锂离子电池和/或铅酸电池作为电化学能存储，经由飞轮和/或压缩空气作为机械能存储，或经由相变材料作为热能存储。
在一个实施例中，所产生的额外功率可通过增加寄生负载而被消耗。例如，车辆***冷却风扇负载可通过使冷却风扇旋转得更快而增加，空气压缩机负载可通过增加燃料电池或燃料电池堆周围的旁路空气流而增加。在其他实施例中，能量可以作为热量耗散(例如，通过电阻器)。
在一个实施例中，如果***包括多个燃料电池堆，则***可以选择在***功率需求的上限阈值下运行一组燃料电池堆，并且在***功率需求的下限阈值下运行其余的燃料电池堆，使得产生的总功率满足所需的功率需求。例如，***可以包括两个大小相等的堆。在再循环泵或鼓风机220不能运行的减载条件下，并且当功率需求在上限阈值和下限阈值之间的一半时，***可以选择以下限阈值运行一个堆，且以上限阈值运行另一个堆。由***产生的净功率满足功率需求，因此可能不需要存储额外产生的功率。在一些实施例中，如果由***产生的功率大于需求，则可以存储额外功率。在其他实施例中，如果由***产生的功率小于需求，则***可以使用存储的功率。
在一个实施例中，***200/300可以包括用于存储额外功率的电池。在其他实施例中，用于存储额外功率的电池可以在***200/300的外部。在一些实施例中，所产生的功率可以通过诸如电线的物理实体来传输。在其他实施例中，所产生的功率可以无线传输。在一些实施例中，电池的充电状态(SOC)可以确定***200/300将产生的任何功率传输到电池的能力和/或在电池中存储能量的能力。
在一个实施例中，在瞬时状态或条件下产生的功率是：
功率_TRANSIENT=I_TRANSIENT x V_TRANSIENT
在一个实施例中，在一段时间(Δt)内产生的能量为：
能量_TRANSIENT=I_TRANSIENT x V_TRANSIENT x Δt
V_TRANSIENT是包含在燃料电池堆中的燃料电池的总电压210，并且I_TRANSIENT是处于瞬时状态或条件下的总电流密度。在一个实施例中，***200/300的燃料堆210可包括约150至约250个燃料电池、约250至约450个燃料电池、或约350至约650个燃料电池，包括其中包含的每个数量的燃料电池。在其他实施例中，***200/300的燃料堆210可包括少于150个燃料电池或多于450个燃料电池。
在一个实施例中，如果单个燃料电池的电压为约0.8V，且燃料电池堆210包含约320个燃料电池，则燃料电池堆210的总电压为：
V_TRANSIENT=0.8 x 320=256V。
在一个实施例中，瞬时状态或条件下的总电流密度(I_TRANSIENT)取决于燃料电池堆210的面积和瞬时状态下的电流密度。燃料电池堆210的面积可取决于***200/300的各种运行条件和/或功率产生要求。在一个实施例中，如果燃料电池堆210的面积为约608cm2，则瞬时断点处的电流密度(i_TRS_BRK)为约0.25A/cm2，瞬时状态或条件下的总电流密度(I_TRANSIENT)是：
I_TRANSIENT=0.25 x 608=152A。
在一个实施例中，燃料电池堆的面积可在约50cm2至约1000cm2、约350cm2至约500cm2、或约500cm2至约900cm2的范围内，包括包含在其中的每种尺寸。
在一个实施例中，***200/300可以处于瞬时状态少于5秒。在***处于瞬时状态或条件(例如5秒)的时间段内产生的功率为：
功率_TRANSIENT=I_TRANSIENT x V_TRANSIENT=38.9kW
能量_TRANSIENT=I_TRANSIENT x V_TRANSIENT x Δt=0.54kWh
在一些实施例中，***200/300可以处于瞬时状态或状态约2秒到约5秒、从约5秒到约10秒、从约10秒到约20秒，包括包含在其中的每个持续时间。
在一个实施例中，如果需求电流密度(i_DEMAND)为零，则以在瞬时断点处的电流密度(i_TRS_BRK)产生的总功率可以存储在电池中。在一些实施例中，如果电池的充电状态(SOC)允许能量存储，则以瞬时断点处的电流密度(i_TRS_BRK)产生的总功率可以存储在电池中。
在一个实施例中，初级阳极入口歧管压力(PAIM)可以在***200/300可以处于瞬时状态或条件的持续时间内处于瞬时状态或条件。在一些实施例中，瞬时断点处的电流密度(i_TRS_BRK)可以与瞬时初级阳极入口歧管压力(P_AIM_TRS)成比例。在一些实施例中，在瞬时状态或瞬时滞后状态期间产生的能量可取决于所使用的燃料电池堆的数量。单个燃料电池堆可产生约0.0025kWh至约2kWh的能量。小型燃料电池堆可产生约0.0025kWh至约0.05kWh的能量。中型燃料电池堆可产生约0.05kWh至约1kWh的能量。大型燃料电池堆可产生约1kWh至约2kWh的能量。
在一个实施例中，如果在面积为约400cm2的燃料电池堆中有约100个燃料电池在0.6A/cm2的电流(i)和0.6V的电压下使用1秒，则产生的能量为约每个燃料堆0.004千瓦时。在另一实施例中，如果在面积为约500cm2的燃料电池堆中有约420个燃料电池在0.8A/cm2的电流(i)和0.8V的电压下使用5秒，则产生的能量为约每个燃料堆0.2千瓦时。在另一实施例中，如果在面积为约900cm2的燃料电池堆中有约650个燃料电池在1A/cm2的电流(i)和0.8V的电压下使用10s，则产生的能量为约每个燃料堆1.3千瓦时。
在一个实施例中，瞬时断点处的电流密度(i_TRS_BRK)可缓慢降低。在一些实施例中，如果***200/300中的能量存储设备没有可用的存储，则***200/300可能无法输送所需的电流，因为额外的存储可能是不可能的。在一些实施例中，来自燃料电池或燃料电池堆210的电能或废热可被转移到加热器或诸如电阻器的其他热存储/使用设备。在其他实施例中，来自加热器、其他热存储/使用设备、例如电阻加热或热交换器的热量可用于加热初级入口温度(TO)。在一些实施例中，如果初级入口温度(TO)被加热，初级喷嘴入口压力(PO)可能需要增加以补偿温度的变化。在一些实施例中，补偿可减小夹带比(ER)所需的再循环泵或鼓风机220的尺寸。在一些实施例中，可以根据运行电流密度来管理阴极空气侧中的流。例如，当***200/300在瞬时状态或瞬时滞后状态下运行时，可以管理空气流以确保在上和下运行电流密度下保持加湿状态。
以下编号的实施例被考虑并且是非限制性的：
1. 一种包括喷射器的燃料电池堆***，其中该***在瞬时滞后状态下运行并且该***需要在喷射器不能支持的第一运行电流密度下运行，并且其中该***在第二运行电流密度下运行。
2. 根据条款1、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，包括鼓风机，其中该***在瞬时滞后状态下运行并且该***需要在喷射器不能支持的第一运行电流密度下运行，并且其中***以第二运行电流密度运行。
3. 根据条款1、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中在***在瞬时滞后状态下运行时燃料电池堆的温度或压力正在降低。
4. 根据条款1、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，包括控制器，其中控制器确定***的第二运行电流密度。
5. 根据条款4、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中第二运行电流密度高于第一运行电流密度。
6. 根据条款4、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中当以第二运行电流密度运行时，***产生过量功率。
7. 根据条款1、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中该***产生过量功率，并且其中产生的过量功率在能量存储设备中耗散或存储一段时间。
8. 根据条款7、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中能量存储设备是超级电容器、超导体、锂离子电池、铅酸电池、飞轮、压缩空气或相变材料。
9. 根据条款7、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中能量存储设备是具有充电状态的电池。
10. 根据条款1、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中该***产生过量功率，并且其中产生的过量功率的存储取决于电池的充电状态。
11. 根据条款1、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中该***产生过量功率，并且其中该过量功率被存储为动能、势能、化学能、电能、电化学能、机械能或热能。
12. 根据条款1、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，包括控制器，其中控制器确定***的第二运行电流密度和***的第三运行电流密度，并且其中第三运行电流密度低于第一运行电流密度。
13. 根据条款12、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中当以第三运行电流密度运行时，***使用来自能量存储设备的能量。
14. 根据条款1、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中***在诸如减载支持状态的瞬时状态之后运行瞬时滞后状态，其中目标运行压力(PAIM)大于稳态运行压力(P_AIM_SS)，使得初级入口喷嘴不会被阻塞。
15. 根据条款1、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中***在诸如承载支持状态的瞬时状态之后运行瞬时滞后状态，其中电流密度(i)的增加率大于某个阈值，例如每秒0.2A/cm2。
16. 根据条款1、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中***在诸如***启动或***关闭的瞬时状态之后运行瞬时滞后状态。
17. 根据条款1、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中该***在高于所需电流密度的第一电流密度下运行，使得该***产生比所需更多的能量。
18. 根据条款1、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中该***在低于所需电流密度的第一电流密度下运行，使得该***产生比所需更少的能量。
19. 根据条款1、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中该***产生额外的功率，并且产生的额外功率被增加的寄生负载消耗。
20. 根据条款1、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中该***产生额外功率，并且产生的额外功率被车辆***冷却风扇或空气压缩机消耗。
21. 根据条款1、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中该***产生额外功率，并且产生的额外功率作为热量耗散。
22. 根据条款1、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中该***包括多个燃料电池堆。
23. 根据条款1、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中该***在***功率需求的上限阈值下运行一组燃料电池堆，并且在***功率需求的下限阈值下运行其余的燃料电池堆，从而产生的总功率满足所需的功率需求。
24. 根据条款1、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中在瞬时状态或在瞬时滞后状态下产生的功率是：
功率_TRANSIENT=I_TRANSIENT x V_TRANSIENT
V_TRANSIENT是燃料堆***中包含的燃料电池的总电压，并且I_TRANSIENT是瞬时状态下的总电流密度。
25. 根据条款1、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中在时间段(Δt)内产生的能量是：
能量_TRANSIENT=I_TRANSIENT x V_TRANSIENT x Δt
V_TRANSIENT是燃料堆***中包含的燃料电池的总电压，并且I_TRANSIENT是瞬时状态下的总电流密度。
26. 根据条款1、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中如果需求电流密度(i_DEMAND)为零，则以瞬时断点处的电流密度(i_TRS_BRK)产生的总功率可以存储在电池中。
27. 根据条款26、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中在瞬时断点处的电流密度(i_TRS_BRK)缓慢降低。
28. 根据条款1、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中该***包括能量存储设备，并且如果能量存储设备没有可用的存储，则该***不输送所需的电流，因为额外的存储是不可能的。
29. 根据条款1、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中来自***的电能或废热被转移到加热器或其他热存储/使用设备，例如电阻器。
30. 根据条款1、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中来自加热器、其他热存储/使用设备、例如电阻加热或热交换器的热量用于加热***的初级入口温度(TO)。
31. 根据条款1、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中如果***的初级入口温度(TO)被加热，初级喷嘴入口压力(PO)增加以补偿温度的变化。
32. 根据条款31、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中补偿可以减小夹带比(ER)所需的鼓风机的尺寸。
33. 根据条款1、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中可以根据运行电流密度来管理阴极侧中的流。
34. 根据条款1、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中当***在瞬时滞后状态下运行时，管理空气流以确保在上和下运行电流密度下保持加湿状态.
35. 根据条款1、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中喷射器的尺寸被设计成在临界电流密度(i_LO_CR)下完全输送再循环流。
36. 根据条款1、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中喷射器的尺寸被设计成在没有鼓风机的帮助的情况下完全传送再循环。
37. 根据条款1、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中该***还包括最佳集成和/或设计尺寸以提高喷射器的运行和/或性能的鼓风机。
38. 根据条款1、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中该***还包括鼓风机，其尺寸设计为输送压力提升(ΔPLIFT)以抵消通过阳极再循环回路的任何压力损失。
39. 根据条款1、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中瞬时滞后状态遵循伪稳态或瞬时状态。
40. 根据条款1、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中该***还包括在空闲状态、在鼓风机基本状态或在喷射器支持状态下运行的鼓风机。
41. 根据条款1、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中不使用鼓风机导致寄生负载的降低。
42. 根据条款1、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中该***包括加湿装置。
43. 根据条款42、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中目标相对湿度(RH)可以通过使用加湿装置结合运行压力和运行温度来维持。
44. 根据条款1、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中该***包括机械调节器、比例控制阀或喷射器。
45. 一种运行燃料电池堆***的方法，包括：
在瞬时滞后状态下运行燃料电池堆，
确定***的第一运行电流密度，该第一运行电流密度是***所需并且喷射器不能支持的运行电流密度，
确定***的第二运行电流密度，
以第二运行电流密度运行***。
46. 根据条款45、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中***还包括鼓风机，并且其中喷射器或鼓风机不能支持第一运行电流密度。
47. 根据条款45、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中在***运行在瞬时滞后状态时燃料电池堆的温度或压力降低。
48. 根据条款45、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中***还包括控制器，其中控制器确定***的第二运行电流密度。
49. 根据条款45、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中第二运行电流密度高于第一运行电流密度。
50. 根据条款45、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中***在以第二运行电流密度运行时产生过量功率。
51. 根据条款45、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中***产生过量功率，并且其中产生的过量功率在能量存储设备中耗散或存储一段时间。
52. 根据条款51、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中能量存储设备是超级电容器、超导体、锂离子电池、铅酸电池、飞轮、压缩空气或相变材料。
53. 根据条款51、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中能量存储设备是具有充电状态的电池。
54. 根据条款45、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中***产生过量功率，并且其中产生的过量功率的存储取决于电池的充电状态。
55. 根据条款45、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中***产生过量功率，并且其中过量功率被存储为动能、势能、化学能、电能、电化学能、机械能、或热能。
56. 根据条款45、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，包括控制器，其中控制器确定***的第二运行电流密度和***的第三运行电流密度，并且其中第三运行电流密度低于第一运行电流密度。
57. 根据条款56、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中当以第三运行电流密度运行时，***使用来自能量存储设备的能量。
58. 根据条款45、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中***在诸如减载支持状态的瞬时状态之后运行瞬时滞后状态，其中目标运行压力(PAIM)大于稳态运行压力(P_AIM_SS)，使得初级入口喷嘴不会被阻塞。
59. 根据条款45、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中***在诸如承载支持状态的瞬时状态之后运行瞬时滞后状态，其中电流密度(i)的增加率为大于某个阈值，例如每秒0.2A/cm2。
60. 根据条款45、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中***在诸如***启动或***关闭的瞬时状态之后运行瞬时滞后状态。
61. 根据条款45、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中***在高于所需电流密度的第一电流密度下运行，使得***产生比所需更多的能量。
62. 根据条款45、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中***在低于所需电流密度的第一电流密度下运行，使得***产生比所需更少的能量。
63. 根据条款45、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中***产生额外功率，并且产生的额外功率通过增加寄生负载而消耗。
64. 根据条款45、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中***产生额外功率，并且产生的额外功率被车辆***冷却风扇或空气压缩机消耗。
65. 根据条款45、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中***产生额外功率，并且产生的额外功率作为热量耗散。
66. 根据条款45、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中所述***包括多个燃料电池堆。
67. 根据条款45、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中***以***功率需求的上限阈值运行一组燃料电池堆，并且以***功率需求的下限阈值运行其余的燃料电池堆，使得产生的总功率满足所需的功率需求。
68. 根据条款45、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中在瞬时状态或在瞬时滞后状态下产生的功率是：
功率_TRANSIENT=I_TRANSIENT x V_TRANSIENT
V_TRANSIENT是燃料堆***中包含的燃料电池的总电压，并且I_TRANSIENT是瞬时状态下的总电流密度。
69. 根据条款45、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中在时间段(Δt)内产生的能量是：
能量_TRANSIENT=I_TRANSIENT x V_TRANSIENT x Δt
V_TRANSIENT是燃料堆***中包含的燃料电池的总电压，并且I_TRANSIENT是瞬时状态下的总电流密度。
70. 根据条款45、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中如果需求电流密度(i_DEMAND)为零，则可以将在瞬时断点处的电流密度(i_TRS_BRK)下产生的总功率存储在电池中。
71. 根据条款70、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中瞬时断点处的电流密度(i_TRS_BRK)缓慢降低。
72. 根据条款45、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中***包括能量存储设备，并且如果能量存储设备没有可用的存储，则***不输送所需的电流，因为额外的存储是不可能的。
73. 根据条款45、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中来自***的电能或废热被转移到加热器或诸如电阻器的其他热存储/使用设备。
74. 根据条款45、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中来自加热器、其他热存储/使用设备、例如电阻器加热或热交换器的热量用于加热***的初级入口温度(TO)。
75. 根据条款45，任何其它合适的条款，或合适的条款的任何组合，其中，如果所述***的初级入口温度(TO)加热，初级喷嘴入口压力(PO)增大，以补偿温度的变化.
76. 根据条款45、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中补偿可以减小夹带比(ER)所需的鼓风机的尺寸。
77. 根据条款45、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中可以根据运行电流密度来管理阴极侧中的流。
78. 根据条款45、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中当***在瞬时滞后状态下运行时，空气流被管理以确保在上和下运行电流密度下保持加湿状态。
79. 根据条款45、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中喷射器的尺寸被设计成在临界电流密度(i_LO_CR)下完全输送再循环流。
80. 根据条款45、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中喷射器的尺寸被设计成在没有鼓风机的帮助的情况下完全输送再循环。
81. 根据条款45、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中该***还包括最佳集成和/或设计尺寸以提高喷射器的运行和/或性能的鼓风机。
82. 根据条款45、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中该***还包括鼓风机，其尺寸设计为输送压力提升(ΔPLIFT)以抵消通过阳极再循环回路的任何压力损失。
83. 根据条款45、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中瞬时滞后状态遵循伪稳态或瞬时状态。
84. 根据条款45、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中***还包括在空闲状态、在鼓风机基本状态或在喷射器支持状态下运行的鼓风机。
85. 根据条款45、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中不使用鼓风机导致寄生负载的减少。
86. 根据条款45、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中***包括加湿装置。
87. 根据条款42、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的燃料电池堆***，其中目标相对湿度(RH)可以通过使用加湿装置结合运行压力和运行温度来维持。
88. 根据条款45、任何其他合适的条款、或合适的条款的任何组合的方法，其中***包括机械调节器、比例控制阀或喷射器。
对上述实施例进行了足够详细的描述，以使本领域技术人员能够实践所要求保护的内容，并且应当理解，可以利用其他实施例，并且可以在不背离权利要求书的范围和精神的情况下进行逻辑、机械和电气改变。因此，详细描述不应被视为限制意义。
如本文所用，以单数形式记载并以词语“一”或“一个”开头的元件或步骤应被理解为不排除所述元件或步骤的复数，除非明确说明此类排除。
此外，对当前描述的主题的“一个实施例”的引用并不意在被解释为排除也结合了所述特征的额外实施例的存在。单位、测量结果和/或值的指定数值范围包括、基本上由或由所有数值、单位、测量结果和/或范围组成，包括或在这些范围和/或端点内，无论这些数值、单位、测量结果和/或范围在本公开中明确指定或未明确指定。
除非另有定义，本文使用的技术和科学术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。本文使用的术语“第一”、“第二”、“第三”等不表示任何顺序或重要性，而是用于将一个元素与另一个元素区分开来。术语“或”和“和/或”意味着包含在内的，并且意味着所列项目中的一个或全部。此外，术语“连接”和“耦合”不限于物理或机械连接或耦合，并且可以包括直接或间接的电连接或耦合。
此外，除非明确相反地说明，“包含”、“包括”或“具有”一个或多个具有特定属性的元素的实施例可以包括不具有该属性的额外这样的元素。术语“包含”或“包括”是指包括在内的成分、化合物、制剂或方法，并且不排除额外元素、组分和/或方法步骤。术语“包含”还指本公开内容的成分、化合物、制剂或方法实施例，其包括且不排除额外的元素、组分或方法步骤。短语“由……组成”或“由……组成”是指排除任何额外元素、组分或方法步骤的存在的化合物、成分、制剂或方法。
术语“由……组成”还指排除任何额外元素、组分或方法步骤的存在的本公开的化合物、成分、制剂或方法。短语“基本上由……组成”或“基本上由……组成”是指成分、化合物、制剂或方法，其包括不实质上影响成分、化合物、制剂或方法的一个或多个特性的额外元素、组分或方法步骤。短语“基本上由……组成”还指本公开的成分、化合物、制剂或方法，其包括不实质上影响成分、化合物、制剂或方法步骤的特性的额外元素、组分或方法步骤。
在整个说明书和权利要求书中使用的近似语言可用于修改任何定量表示，该表示可以可允许地变化而不导致与其相关的基本功能发生变化。因此，由一个或多个术语(例如“约”和“基本上”)修饰的值不限于指定的精确值。在某些情况下，近似语言可能对应于测量值的仪器的精度。此处和整个说明书和权利要求书中，范围限制可以组合和/或互换。除非上下文或语言另有指示，否则此类范围被识别并包括其中包含的所有子范围。
如本文所用，术语“可能”和“可能是”表示在一组情况内发生的可能性；拥有指明的属性、特征或功能；和/或通过表达与限定动词相关的能力、才能或可能性中的一个或多个来限定另一个动词。因此，“可以”和“可能是”的使用表明修改后的术语显然适合、能够或适用于指示的才能、功能或用途，同时考虑到在某些情况下，修改后的术语有时可能不是适合、能够或适用。
应理解，以上描述旨在说明性而非限制性。例如，上述实施例(和/或其方面)可以单独使用、一起使用或彼此组合使用。此外，在不脱离其范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本文阐述的主题的教导。虽然本文描述的材料的尺寸和类型旨在限定所公开主题的参数，但它们绝不是限制性的并且是示例性实施例。在阅读以上描述后，许多其他实施例对于本领域技术人员来说将是显而易见的。因此，本文描述的主题的范围应参考所附权利要求以及这些权利要求所授权的等效物的完整范围来确定。
本书面描述使用示例来公开本文阐述的主题的若干实施例，包括最佳模式，并且还使本领域普通技术人员能够实践所公开主题的实施例，包括制造和使用设备或***和执行方法。本文描述的主题的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可以包括本领域普通技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求的字面语言没有区别的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质区别的等效结构要素，则这些其他示例旨在在权利要求的范围内。
虽然在此仅说明和描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员将想到许多修改和变化。因此，应当理解，所附权利要求旨在涵盖落入本发明的真正精神内的所有此类修改和变化。

Claims (15)

1.一种燃料电池堆***，包括：
喷射器、鼓风机和能量存储设备，
其中所述***在瞬时滞后状态下运行，并且所述***需要在所述喷射器或鼓风机不能支持的第一运行电流密度下运行，并且其中所述***在第二运行电流密度下运行。
2.根据权利要求1所述的***，其中，当所述***在瞬时滞后状态下运行时，所述燃料电池堆的温度或压力正在减少。
3.根据权利要求1所述的***，其中，控制器确定所述***的第二运行电流密度，并且其中所述第二运行电流密度高于所述第一运行电流密度。
4.根据权利要求3所述的***，其中，所述***在以所述第二运行电流密度运行时产生过量功率，并且其中产生的所述过量功率在一段时间内耗散或存储在所述能量存储设备中。
5.根据权利要求4所述的***，其中，所述存储设备是具有充电状态的电池。
6.根据权利要求5所述的***，其中，产生的所述过量功率的存储取决于所述电池的充电状态，并且产生的所述过量功率存储为动能、势能、化学能、电能、电化学能、机械能或热能。
7.根据权利要求3所述的***，其中，所述控制器确定所述***的第三运行电流密度，并且其中所述第三运行电流密度低于所述第一运行电流密度。
8.根据权利要求7所述的***，其中，所述***在以所述第三运行电流密度运行时使用来自所述能量存储设备的能量。
9.运行燃料电池堆***，包括：
在瞬时滞后状态下运行所述燃料电池堆***，
确定所述***的所需的第一运行电流密度，该所需的第一运行电流密度是所述***的所需的运行电流密度，并且喷射器或鼓风机不能支持该所需的第一运行电流密度，
确定所述***的第二运行电流密度，
以所述第二运行电流密度运行所述***。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，当所述***在瞬时滞后状态下运行时，所述燃料电池堆的温度或压力正在减小。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述方法还包括控制器确定所述***的第二运行电流密度，并且其中所述第二运行电流密度高于所述第一运行电流密度。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述方法还包括***在以所述第二运行电流密度运行时产生过量功率，并耗散产生的所述过量功率或将产生的所述过量功率在一段时间内存储在能量存储设备中。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，存储产生的所述过量功率取决于所述电池过量的充电状态，并且产生的所述过量功率存储为动能、势能、化学能、电能、电化学能、机械能或热能。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，所述方法还包括所述控制器确定所述***的第三运行电流密度，并且其中所述第三运行电流密度低于所述第一运行电流密度。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述方法还包括所述***在以所述第三运行电流密度运行时使用来自能量存储设备的能量。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4870980B2 (ja) * 2005-12-14 2012-02-08 株式会社東芝 燃料電池システム及びその制御方法
US20090053564A1 (en) * 2007-06-28 2009-02-26 Fellows Richard G Method and system for operating fuel cell stacks to reduce non-steady state conditions during load transients
US9356304B2 (en) * 2008-01-11 2016-05-31 GM Global Technology Operations LLC Anode recirculation pump control strategy
JP5525001B2 (ja) * 2012-04-27 2014-06-18 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
KR101551085B1 (ko) * 2014-05-02 2015-09-08 현대자동차주식회사 연료 전지 차량의 제어 방법
JP6299684B2 (ja) * 2015-06-25 2018-03-28 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム

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