用以监测和/或控制燃料电池排气借以提供非易燃性排气流的系统及方法.pdf

用以监测和/或控制燃料电池排气借以提供非易燃性排气流的系统及方法，在某些实施例中，调节燃料电池系统的操作，借以提供具有低于其中所含有的气体预定可燃下限分数界限的最大易燃性的排气流。在某些实施例中，此系统及方法利用燃料电池或燃料电池堆所产生的电流来监测和/或调节燃料电池排气流的易燃性。在某些实施例中，燃料电池系统包含一个或者多个控制器，适以监测来自燃料电池堆的排气流的易燃性和/或借以所相应的调节燃料电池系统的操作。在某些实施例中，相应于所量测到的电流来调节或控制至少一个阳极净化气阀的操作和/或工作周期。

1.  一种燃料电池系统，包含：
一燃料电池堆组，包含：
至少一个燃料电池，具有一阳极区域与一阴极区域；以及
一燃料净化模组，适以选择性净化至少一个燃料电池的阳极区域；
其中，燃料电池堆组适以接收供应燃料与包含有供应氧化剂及供应稀释剂的供应氧化反应剂；
其中，燃料电池堆组进一步适以消耗一部份的供应燃料与一部份的供应氧化剂，借以从其产生电流；
一排放组件，包含：
一与燃料净化液态交流的堆组排放装置；
一与燃料净化液态交流并且适以从燃料电池堆组传输排放燃料的燃料排放导管；以及
一与堆叠排放装置液态交流并且适以从燃料电池堆组传输排放氧化反应剂的氧化反应剂排放导管，其中的排放氧化反应剂则包含排放稀释剂与排放氧化剂；且
其中，相应于燃料净化命令讯号，燃料净化模组适以选择性地被促动，借以调节所要释放至堆叠排放装置中的排放燃料的产量；以及
一燃料净化控制系统，包含：
一电流传感器，适以产生燃料电池堆组所产出的电流量测值；
一与电流传感器电气交流的有效稀释剂模组，其并且适以基于燃料电池堆组所产生的电流量测值，判断供应氧化剂所消耗掉的部分以及所相应的最小排放稀释剂流量速率；以及
一燃料净化控制器，适以判断最大排放燃料流量速率并且适以判断燃料稀释因子，此燃料稀释因子是一种在最小排放稀释剂流量速率下排放燃料所释放的产量对排放稀释剂所释放的产量的比率，燃料净化控制器进一步适以产生燃料净化命令讯号，借以控制排放燃料的流量速率，致使燃料稀释因子保持低于一界限数值。

2.  根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述燃料净化控制器适以判断最大均时排放燃料流量速率以及适以判断均时燃料稀释因子，此燃料稀释因子为在最小排放稀释剂流量速率下排放燃料的均时释放产量对排放稀释剂的均时释放产量的比率，燃料净化控制器进一步适以产生燃料净化命令讯号，借以控制均时排放燃料的流量速率，致使燃料稀释因子保持低于一界限数值，再者其中的燃料净化模组适以选择性转变于一开启配置与一关闭配置之间，在其中的开启配置，燃料净化模组适以将排放燃料释放至堆叠排放装置之中，而在其中的关闭配置，燃料净化模组则适以避免排放燃料释放至堆叠排放装置之中。

3.  根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中，所述燃料净化控制器适以判断燃料净化模组可处于开启配置的至少一段时间区间以及频率。

4.  根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，燃料具有较低的易燃性限制，再者其中的所述燃料净化控制系统适以维持燃料净化因子低于燃料的可燃下限。

5.  根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中，所述界限数值最多为燃料可燃下限的50％。

6.  根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述至少一个燃料电池包含至少一个质子交换薄膜燃料电池。

7.  根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述排放氧化剂包含供应氧化剂以及供应稀释剂所消耗的部分之间的差量，其中在排放稀释剂流量速率下从燃料电池堆组传输排放稀释剂，其中在供应稀释剂流量速率下提供供应稀释剂，再者其中，排放稀释剂流量速率相应于供应稀释剂流量速率。

8.  根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述排放氧化反应剂持续地发至堆叠排放装置之中。

9.  根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，在供应氧化剂流量速率下提供供应氧化剂，而在具有对供应氧化剂流量速率预定比率的供应稀释剂流量速率下提供供应稀释剂。

10.  根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述供应燃料包含氢气，其中，供应氧化反应剂包含空气，其中，供应氧化剂包含氧气，再者其中，供应稀释剂包含氮气。

11.  根据权利要求1所述的燃料电池系统，进一步包含一空气输送组件，其适以提供空气给予燃料电池堆组。

12.  根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，在固定压力下提供供应燃料。

13.  根据权利要求1所述的燃料电池系统，进一步包含一燃料源，包含一燃料处理器，适以从至少一种原料产生至少一部分的供应燃料。

14.  一种燃料电池系统，包含：
一燃料电池堆组，包含：
至少一个燃料电池，具有一阳极区域与一阴极区域；以及
一燃料净化模组，适以选择性净化至少一个燃料电池的阳极区域；
其中，燃料电池堆组适以接收供应燃料与包含有供应氧化剂及供应稀释剂的供应氧化反应剂；
其中，燃料电池堆组进一步适以消耗一部份的供应燃料与一部份的供应氧化剂，借以从之产生电流；
一排放组件，包含：
一堆组排放装置，其与燃料净化液态交流；
一燃料排放导管，其与燃料净化液态交流并且适以从燃料电池堆组传输排放燃料；以及
一氧化反应剂排放导管，其与堆叠排放装置液态交流并且适以从燃料电池堆组传输排放氧化反应剂，其中，排放氧化反应剂则包含排放稀释剂与排放氧化剂；以及
其中，相应于至少一个燃料净化命令讯号，燃料净化模组适以选择性地被促动，借以调节所要释放至堆叠排放装置中的排放燃料的产量；此至少一个的燃料净化命令讯号则包含一功能控制器燃料净化命令讯号与一联锁燃料净化命令讯号；以及
一控制系统，包含：
一适以监测燃料电池堆组效能并且适以选择性产生一个或者多个命令讯号的功能控制器，其中，命令讯号则至少包含功能控制器燃料净化命令讯号；
以及
一适以监测燃料电池堆组效能的联锁控制器，其并且包含：
一适以产生燃料电池堆组所产出的电流量测值的电流传感器；
一与电流传感器电气交流的有效稀释剂模组，其并且适以基于燃料电池堆组所产生的电流量测值，判断供应氧化剂所消耗掉的部分以及所相应的最小排放稀释剂流量速率；以及
一适以判断燃料稀释因子的燃料净化联锁控制器，此燃料稀释因子则是一种在最小排放稀释剂流量速率下排放燃料所释放的产量对排放稀释剂所释放的产量的比率，燃料净化控制器进一步适以产生联锁燃料净化命令讯号，借以促动燃料净化模组从一开启配置转变成为关闭配置，其中，燃料净化模组则适以在燃料稀释因子超过一界限数值时避免排放燃料释放至堆叠排放装置之中。

15.  根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中，所述燃料净化控制器适以判断均时燃料稀释因子，此燃料稀释因子为在最小排放稀释剂流量速率下排放燃料流量速率的均时释放产量对排放稀释剂的均时释放产量的比率，此燃料净化控制器进一步适以产生联锁燃料净化命令讯号，借以当均时燃料稀释因子超过界限数值时，促动燃料净化模组转变至关闭配置。

16.  根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中，所述联锁控制器进一步适以产生燃料净化命令讯号，借以当用以促动燃料净化模组转变至关闭配置的功能控制器燃料净化命令讯号已经超过预定的时间区间尚未产生之时，促动燃料净化模组转变至关闭配置。

17.  根据权利要求14所述的燃料电池系统，进一步包含一燃料源以及一燃料源切断模组，其适合相应于燃料源切断命令讯号而选择性促动于一开启配置以及一关闭配置之间，在其中的开启配置，燃料源适以提供供应燃料给予燃料电池堆组，而在其中的关闭配置，燃料源切断模组则适以避免燃料输送至燃料电池堆组，其中，联锁控制器进一步适以产生一联锁燃料源切断命令讯号，借以当产生联锁燃料净化命令讯号促动燃料净化模组转变至关闭配置之时，促动燃料源切断模组转变至关闭配置。

18.  根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中，所述燃料具有一可燃下限，再者其中，所述界限数值低于此燃料可燃下限。

19.  根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中，所述界限数值最多为燃料可燃下限的50％。

20.  根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中，所述至少一个燃料电池包含至少一个质子交换薄膜燃料电池。

21.  根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中，所述控制系统包含多数的联锁控制器。

22.  根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中，所述控制系统适以监测联锁燃料净化命令讯号，并且适以当联锁控制器产生联锁燃料净化命令讯号时，促动燃料净化模组转变至关闭配置，借以进入一控制状态，于此状态中，用以促动燃料净化模组转变至开启配置的功能控制器燃料净化命令讯号并不会产生，直到特定使用者与燃料电池系统的互动执行为止。

23.  根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中，所述排放氧化剂包含供应氧化剂以及供应稀释剂所消耗的部分之间的差量。

24.  根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中，在排放稀释剂流量速率下从燃料电池堆组传输排放稀释剂，其中，再供应稀释剂流量速率下提供供应稀释剂，而且其中，排放稀释剂流量速率相应于供应稀释剂的流量速率。

25.  根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中，持续发出排放氧化反应剂至堆叠排放装置。

26.  根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中，在供应氧化剂流量速率下提供供应氧化剂，而在具有对供应氧化剂流量速率预定比率的供应稀释剂流量速率下提供供应稀释剂。

27.  根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中，所述供应燃料包含氢气，其中，所述供应氧化反应剂包含空气，其中，所述供应氧化剂包含氧气，再者其中，所述供应稀释剂包含氮气。

28.  根据权利要求27所述的燃料电池系统，进一步包含一空气输送组件，其适以提供空气给予燃料电池堆组。

29.  根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中在固定压力下提供供应燃料。

30.  根据权利要求14所述的燃料电池系统，进一步包含一燃料源，其包含一燃料处理器，适以从至少一种原料产生至少一部分的供应燃料。

31.  一种操作燃料电池堆组的方法，该方法包含：
提供供应燃料给予燃料电池堆组；
提供供应氧化反应剂给予燃料电池堆组，此供应氧化反应剂包含供应稀释剂与供应氧化剂；
消耗一部份的供应燃料与一部份供应氧化剂，借以从之产生电流；
产生由燃料电池堆组所产出的电流的量测值；
基于电流量测值，判断供应氧化剂的消耗速率；
发出排放氧化反应剂至堆叠排放装置，此排放氧化反应剂包含排放稀释剂与排放氧化剂；
基于供应氧化剂的消耗速率，判断最小稀释剂流量速率；
判断排放燃料流量速率；
判断燃料稀释因子，其为排放燃料流量速率对最小排放稀释剂流量速率的比率；以及
产生一燃料净化命令讯号，借以控制燃料净化模组维持燃料稀释因子低于一界限数值，其中，燃料净化模组适以相应于燃料净化命令讯号而选择性促动，借以调节所要释放至堆叠排放装置中的排放燃料的产量。

32.  根据权利要求31所述的方法，其中，判断排放燃料流量速率包含判断均时排放燃料流量速率。

33.  根据权利要求32所述的方法，其中，产生燃料净化命令讯号包含产生用以控制燃料净化模组维持燃料稀释因子低于界限数值的燃料净化命令讯号，再者其中的方法包含相应于此燃料净化命令讯号而选择性促动燃料净化模组转变于一开启配置与一关闭配置之间，在其中的开启配置，燃料净化模组适以将排放燃料的产量释放至堆叠排放装置之中，而在其中的关闭配置，燃料净化模组则适以避免排放燃料释放至堆叠排放装置之中。

34.  根据权利要求33所述的方法，其中，判断均时排放燃料流量速率包含判断燃料净化命令讯号可促动燃料净化模组转变至开启配置的至少一段时间区间以及频率。

35.  根据权利要求31所述的方法，其中，燃料具有一可燃下限，再者其中，产生燃料净化命令讯号包含产生用以控制燃料净化模组维持燃料稀释因子低于此燃料可燃下限的燃料净化命令讯号。

36.  根据权利要求35所述的方法，其中，产生燃料净化命令讯号包含产生用以控制燃料净化模组维持燃料稀释因子低于此燃料可燃下限淤50％的燃料净化命令讯号。

37.  根据权利要求31所述的方法，其中，发出排放氧化反应剂包含发出排放氧化反应剂，而排放氧化反应剂则包含含有供应氧化剂以及供应稀释剂所消耗的部分之间的差量的排放氧化剂，其中提供供应氧化反应剂包含在供应稀释剂流量速率下提供包含供应稀释剂的供应氧化反应剂，再者其中发出排放氧化反应剂包含在相应于供应稀释剂流量速率的排放稀释剂流量速率下发出含有排放稀释剂的排放氧化反应剂。

38.  根据权利要求31所述的方法，其中，发出排放氧化剂包含持续释放排放氧化反应剂至堆叠排放装置。

39.  根据权利要求31所述的方法，其中，提供供应氧化反应剂包含提供供应氧化反应剂，其包含在供应氧化剂流量速率下的供应氧化剂以及在具有对供应氧化剂流量速率一预定比率的供应稀释剂流量速率下的供应稀释剂。

40.  根据权利要求31所述的方法，其中，提供供应氧化反应剂包含提供空气给予燃料电池堆组，其中提供供应氧化反应剂包含提供含有由氧气所构成的供应氧化剂的供应氧化反应剂，再者其中提供供应氧化反应剂包含提供含有由氮气所构成的供应稀释剂。

41.  根据权利要求31所述的方法，其中，提供供应燃料包含提供含有氢气的供应燃料。

42.  根据权利要求31所述的方法，其中，提供供应燃料包含从一燃料源提供供应燃料。

43.  根据权利要求31所述的方法，其中，提供供应燃料包含从至少一种原料产生至少一部分的供应燃料。

44.  一种操作燃料电池堆组的方法，该方法包含：
提供供应燃料给予燃料电池堆组；
提供供应氧化反应剂给予燃料电池堆组，此供应氧化反应剂包含供应稀释剂与供应氧化剂；
消耗一部份的供应燃料与一部份供应氧化剂，借以从之产生电流；
产生由燃料电池堆组所产出的电流的量测值；
基于电流量测值，判断供应氧化剂的消耗速率；
发出排放氧化反应剂至堆叠排放装置，此排放氧化反应剂包含排放稀释剂与排放氧化剂；
基于供应氧化剂的消耗速率，判断最小稀释剂流量速率；
判断排放燃料流量速率；
判断燃料稀释因子，其为排放燃料流量速率对最小排放稀释剂流量速率的比率；
产生包含功能燃料净化命令讯号的至少一个命令讯号，适以相应于燃料净化命令讯号而选择性促动燃料净化模组，借以调节所要释放至堆叠排放装置中的排放燃料的产量；以及
产生一联锁燃料净化命令讯号，借以促动燃料净化模组从一开启配置转变成为关闭配置，其中的燃料净化模组则适以在燃料稀释因子超过一界限数值时避免排放燃料释放至堆叠排放装置之中。

45.  根据权利要求44所述的方法，其中，产生联锁燃料净化命令讯号包含产生一燃料源切断命令讯号，其适以促动燃料源切断模组而选择性转变于一开启配置以及一关闭配置之间，在其中的开启配置，提供供应燃料给予燃料电池堆组，而在其中的关闭配置，燃料源切断模组则避免供应燃料提供至燃料电池堆组。

46.  根据权利要求44所述的方法，其中，燃料具有一可燃下限，再者其中产生联锁燃料净化命令讯号包含产生当燃料稀释因子超过燃料可燃下限一预定分数时用以促动燃料净化模组转变至关闭配置的联锁燃料净化命令讯号。

47.  根据权利要求46所述的方法，其中，产生联锁燃料净化命令讯号包含产生当燃料稀释因子超过燃料可燃下限的最多50％时用以促动燃料净化模组转变至关闭配置的联锁燃料净化命令讯号。

48.  根据权利要求44所述的方法，其中，产生联锁燃料净化命令讯号包含产生适以致使燃料电池堆组进入一控制状态的联锁命令讯号，于此状态中，用以促动燃料净化模组转变至开启配置的功能控制器燃料净化命令讯号并不会产生，直到特定使用者与燃料电池系统的互动执行为止。

49.  根据权利要求44所述的方法，其中，判断排放燃料流量速率包含判断均时排放燃料流量速率，其中产生联锁燃料净化命令讯号包含产生用以控制燃料净化模组维持燃料稀释因子低于界限数值的联锁燃料净化命令讯号，其中相应于此燃料净化命令讯号而选择性促动燃料净化模组转变于一开启配置与一关闭配置之间，在其中的开启配置，燃料净化模组适以将排放燃料的产量释放至堆叠排放装置之中，而在其中的关闭配置，燃料净化模组则适以避免排放燃料释放至堆叠排放装置之中。

50.  根据权利要求44所述的方法，其中，发出排放氧化反应剂包含发出排放氧化反应剂，而排放氧化反应剂则包含含有供应氧化剂以及供应稀释剂所消耗的部分之间的差量的排放氧化剂。

51.  根据权利要求44所述的方法，其中，提供供应氧化反应剂包含在供应稀释剂流量速率下提供包含供应稀释剂的供应氧化反应剂，而且其中发出排放氧化反应剂包含在相应于供应稀释剂流量速率的排放稀释剂流量速率下发出含有排放稀释剂的排放氧化反应剂。

52.  根据权利要求44所述的方法，其中，发出排放氧化剂包含持续释放排放氧化反应剂至堆叠排放装置。

53.  根据权利要求44所述的方法，其中，提供供应氧化反应剂包含提供供应氧化反应剂，其包含在供应氧化剂流量速率下的供应氧化剂以及在具有对供应氧化剂流量速率一预定比率的供应稀释剂流量速率下的供应稀释剂。

54.  根据权利要求44所述的方法，其中，提供供应氧化反应剂包含提供空气给予燃料电池堆组，其中提供供应氧化反应剂包含提供含有由氧气所构成的供应氧化剂的供应氧化反应剂，再者其中提供供应氧化反应剂包含提供含有由氮气所构成的供应稀释剂。

55.  根据权利要求44所述的方法，其中，提供供应燃料包含提供含有氢气的供应燃料。

56.  根据权利要求44所述的方法，其中，提供供应燃料包含从至少一种原料产生至少一部分的供应燃料。

用以监测和/或控制燃料电池排气借以提供非易燃性排气流的系统及方法
技术领域
本发明大致有关于燃料电池系统，而更特别的是有关于用来控制燃料电池系统中的净化功能进而避免发出易燃性净化流的系统及方法。
背景技术
电化燃料电池为一种将燃料以及氧化剂转换成为电、反应产物与热的装置。例如，燃料电池可适以将氢与氧转换成为水、电与热。在这样的燃料电池中，氢为燃料，氧为氧化剂，而水则为反应产物。
燃料电池堆组包含至少一个燃料电池，而典型则为两个或者更多的燃料电池，其包含燃料电池群组，连接在一起而如同一单元。燃料电池堆组可以并入一燃料电池系统之中。燃料电池系统典型同样也包含一燃料源，诸如燃料的供应器和/或燃料处理器，其从一种或者多种原料产生氢气或其它适用的质子源，以为燃料电池堆组之用。燃料处理器阐述的范例为一种蒸汽重组器，其从水以及含碳的原料产生氢气。
在将氧气充当氧化剂的燃料电池系统中，经常提供氧气给予燃料电池堆组，充当氧化反应剂或者氧化剂蒸汽的部分，其同样也可以包含一种稀释剂。适用于燃料电池系统的氧化反应剂范例为空气，可以认为空气本质上是一种氮气与氧气以预定比例的混合物。燃料电池系统可以包含一氧化反应剂来源，提供空气给予燃料电池堆组，诸如吹风机、风扇、压缩机或者其它适用可供选择的空气输送组件。
在操作期间中，燃料电池堆组将(持续性或者间歇性地)发出排气至燃料电池系统的周围环境，其可包含未消耗掉的供应气体，诸如燃料、氧化剂和/或稀释剂以及反应产物。这些排气成分其中的某些，特别是燃料，在特定程度下可能是易燃性的。所以，利用空气充当氧化反应剂的燃料电池系统典型地包含用以直接测量通过燃料电池堆组的空气流动速率的系统，借以判断有多少燃料能够稀释于包含排放燃料与排放氧化反应剂的排气流中，用以保持排气流中燃料的浓度低于燃料易燃性限制下。可包含流量计及其相似物的这些系统会加复杂度与可靠度的利害关系附加至燃料电池系统。
发明内容
上述揭示的是用于控制燃料电池堆组操作的方法与燃料电池系统，其操作包含从之而出的气体的净化或排放。如文中所使用的，燃料电池堆组包含一个或者多个燃料电池，不论是单个或者群组的燃料电池，其并且典型地包含连接于集线金属板之间的多数燃料电池。燃料电池系统包含一个或者多个燃料电池堆组、以及用于至少一个燃料电池堆组的至少一个燃料源与至少一个氧化剂源。
附图说明
图1为燃料电池与相关的燃料源与氧化剂源的示意图。
图2为包含一燃料电池堆组、一燃料源、一氧化剂源、一排气组件与一控制系统的燃料电池系统的示意图。
图3为稀释于氮气中的氢气的易燃性范围坐标图，显示若由空气流提供氮气所相应的氧浓度。
图4为图3的坐标图，具有显示所附加的耗氢燃料电池系统各种不同阐述操作比率的曲线。
图5为包含一燃料电池堆组、一燃料源、一氧化剂源、一排气组件与一控制系统的燃料电池系统的示意图，其中的控制系统则包含一功能控制器以及一联锁控制器。
图6为图5燃料电池系统的阐述控制系统的示意图。
图7为图5燃料电池系统操作阐述状态图的概示图。
具体实施方式
请参其后所探讨的燃料电池堆组与燃料电池系统兼容于各种不同型式的燃料电池，诸如质子交换膜(PEM)燃料电池、碱性燃料电池、固态氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、磷酸燃料电池以及其相似物。为了阐述的目的，PEM燃料电池形式的阐述燃料电池20概要地阐述于图1。可以将此燃料电池说明为形成诸如通例以22所指示的燃料电池系统的一部分和/或通例以24所指示的燃料电池堆组的一部分。质子交换膜燃料电池典型地利用一薄膜电极组件26，由离子交换、或者电解液、位于阳极区域30与阴极区域32之间的薄膜28所构成。每个区域30与32包含一电极34，分别称为阳极36与阴极38。每个区域30与32同样也包含一支托40，诸如支撑金属板42。支托40可以在邻接的燃料电池之间形成双极性金属组件的一部分。燃料电池20的支撑金属板42可以传导由燃料电池所产生的相对电位。
在操作上，将燃料44馈至阳极区域，同时将氧化剂46馈至阴极区域。燃料44同样也可以指称为供应燃料44。用于燃料电池20典型而非唯一的燃料为氢48，而典型而非唯一的氧化剂则为氧50。如文中所使用的，氢是指称氢气，而氧则是指称氧气。可以透过任何一种适用的机制，将氢48与氧50从分别的来源52与54输送至燃料电池个自的区域。适用于氢48的燃料源52包含至少一个加压槽、氢化物床或其它适用的氢储存装置53、和/或燃料处理器55，其产生包含着充当大多数成分的氢气的气流。某些燃料电池，诸如直接甲醇燃料电池，则利用甲醇来充当燃料44。
当燃料源52包含一适以产生含氢产生物流的燃料处理器55时，根据本发明揭露事项，此产生物流至少一部分可以充当燃料电池堆组的燃料44而被消耗掉。至少一部份的产生物流可以额外或者替代地储存以为之后的使用，诸如储存在适用的氢储存装置53中。燃料处理器55可以是任何一种适用的装置，其从一个或者多个进料流产生氢气。从进料流产生氢气的适用机制的范例包含水蒸气重组法以及自发热能重组法，其中重组催化剂是用来从至少一个包含着含碳原料与水的进料流产生氢气。产生氢气的其它适用机制包含有含碳原料的高温分解与催化部分氧化，在此状况下，进料流并不含有水。产生氢气的另一种适用机制为电解，在此状况下，原料则为水。适用含碳原料的范例包含至少一种碳氢化合物或者酒精。适用的碳氢化合物的范例包含甲烷、丙烷、天然气、柴油、煤油、汽油及其相似物。适用的酒精的范例包含甲醇、乙醇以及多元醇，诸如乙二醇与丙二醇。
可以透过任何一种适用的机制将其中一个或者多个进料流输送至燃料处理器55，诸如透过一种原料输送系统。原料输送系统可包含一个或者多个进料流成分的来源，和/或可以是与用于进料流一种或多种成分的一个或者多个外部供应器进行液态交流，包含含有整体进料流的外部供应器。当出现时，原料输送系统可以包含任何一种适用于控制燃料处理器进料流的输送的架构，乃至其氢产生区域。在某些实施例中，原料输送系统将会包含一个或者多个帮浦。适用的燃料处理器阐述而非唯一的范例揭示于美国专利第6,221,117、5,997,594、5,861,137号以及申请中的美国专利申请案公开第2001/0045061、2003/0192251以及2003/0223926号。以上所确认的专利以及专利申请案完整的揭示内容于此合并参照用于所有的目的。
氧50适用的氧化剂来源54可适以提供氧化反应剂或者氧化剂流56，其包含由诸如氮气60的适用稀释剂58所稀释的氧气。氧化反应剂56的范例可以包含空气62，其包含预定比例的氮气60以及氧气50。可以通过氧化反应剂来源64提供空气，此来源可以包含一吹风机66。或者，氧化剂来源54可以包含一氧或空气的加压槽、或者一风扇、压缩机、或其它直接致使空气或某些其它适用氧化反应剂至燃料电池阴极区域的装置。
氢与氧典型地透过氧化还原反应而彼此组合。尽管薄膜28会限制氢分子的通行，然其将允许氢离子(质子)穿过，主要是由于薄膜28的离子传导性。氧化还原反应的自由能量驱使质子从氢气穿过离子交换薄膜。随着薄膜28同样也不易电气传导，对所剩余的电子而言，外部电路68为最低的能量路径，其并且概要地阐述于图1。
实际上，燃料电池堆组24将典型地包含多数的燃料电池20，其具有分隔着邻接薄膜电极组件的双极性金属板组件。双极性金属板组件本质上允许自由电子经由双极性金属板组件而从第一个电池的阳极区域通行至邻接电池的阴极区域，借此建立穿过堆叠的可以用以满足所施加的负载70所需的电位。此净电子流会产生可以满足所施加的负载的电流，诸如来自至少一个能量消耗装置、能量储存装置、燃料电池系统本身、能量储存/消耗组件等等。
负载70已经概要地阐述于图2，并且根据本发明，预期其通例地代表一个或者多个会施加电气负载至燃料电池堆组和/或燃料电池系统的装置。负载70可以代表从一个或者多个能量消耗装置所施加的负载，其与燃料电池堆组电气交流，而且可以包含一从燃料电池系统本身所施加的负载。燃料电池系统所施加的负载或者能量需求可以指称为燃料电池系统的外围设备需求。因此，由燃料电池堆组24以及根据本发明包含相同物体的系统所产生的电流或者电气输出可以适合满足至少一个相关连的能量消耗装置的能量需求或者所施加的负载。能量消耗装置阐述的范例包含而不应受限于汽车、修旅车、工程或工业车辆、轮船或海轮、工具照明设施或点灯组件、器具(诸如家用或其它器具)、家用或其它处所、办公室或其它商业公司、计算机、讯号或交通设施、电池充电器等等。如概要阐述的负载70同样也可以代表适用的电源管理模组、或者部件，诸如可以针对所相应的能量消耗装置而包含任何一种适以将燃料电池堆组所产生的电流转换成适当的电力配置的架构，诸如通过调整电力流的电压(即，以降压型或升压型转换器)以及电流的型式(交流或者直流)等等。
在阴极区域32中，来自外部电路的电子以及来自薄膜的质子会与氧相组合，而产生水和热。同样也概要地阐述于图1的是可能含有诸如氢气的未反应燃料的阳极净化或放电流72、以及可能含有氧化反应剂的阴极空气排气流74，诸如假如非大量而可以是至少部分消耗的氧。燃料电池堆组24将典型地具有共同的氢(或其它燃料)的进料、空气引入口、以及堆叠净化与排气流，因而可能包含适用的液体导管，借以将相关的气流输送至各自的燃料电池，以及从之收集气流。相似的是，可以使用任何一种适用的机制有所选择地净化阳极与阴极区域。
燃料电池22阐述而非唯一的范例显示于图2，并且通例以80指示。燃料电池系统80可以包含一燃料电池堆组24，而堆组24可以包含一个或者多个燃料电池20，并且典型地包含多数的燃料电池。例如，燃料电池堆组可以包含概要阐述于图1的一个或者多个质子电子薄膜(PEM)燃料电池。燃料电池系统80同样也可以包含燃料源52、氧化剂源54、排放组件82、控制系统84以及负载70。燃料源52可以供应燃料44，其可能包含氢气48，而且可能包含一氢气储存装置和/或产生氢气的燃料处理器。燃料源52可适用在固定压力下或者在适用压力的预定范围内，将燃料44供应至燃料电池堆组24。可将燃料透过适用的导管输送至燃料电池堆组24至少一个燃料电池20的阳极区域30。燃料电池系统80可包含一燃料源切断模组88，其适合相应于燃料源切断命令讯号90而选择性促动于一开启配置以及一关闭配置之间，在其中的开启配置，燃料源适以提供燃料给予燃料电池堆组，而在其中的关闭配置，燃料源切断模组88则适合避免燃料输送至燃料电池堆组24。可通过控制系统84传送命令讯号90。燃料源52可适以相应于一个或者多个外加命令讯号，借以初始化、终止、增加或者减少馈至燃料电池堆组的燃料流量。
氧化剂源54可包含一氧化反应剂源64，适以提供空气62给予燃料电池堆组24。通过任何一种适用的空气输送系统或者机制，便可将空气62供应至燃料电池堆组。阐述的范例为风扇或者空气吹风机66。可透过适用的导管92将空气输送至燃料电池堆组24至少一个燃料电池20的阴极区域32。氧化剂源54或者特别的是空气吹风机66可适合相应于一个或者多个命令讯号，借以初始化、终止、增加或者减少馈至燃料电池堆组的空气流量。
排放组件82可包含一堆叠排气装置94，适以接收来自燃料电池堆组的排放气体，可包含阳极排出气体72以及阴极排出气体74的一者或两者，并且适以释出这些排放气体至燃料电池系统的周围环境。所以，排放组件82可包含一适以传输阳极排出气体72的燃料净化导管96、以及可包含一适以传输阴极排出气体74的氧化反应剂排放导管100，其中的阳极排出气体72典型包含排放燃料98，而阴极排出气体74则典型地包含排放氧化反应剂102，排放氧化反应剂102可包含排放氧化剂104与排放稀释剂106。
排放组件82同样可包含一种与堆叠排放装置94、燃料净化导管96、以及氧化反应剂排放导管100液态交流的组合式导管108。所以，燃料净化导管96以及氧化反应剂排放导管100可与堆叠排放装置94液态交流，燃料净化导管96可透过其与燃料电池系统80的周围环境液态交流。
可持续或者间歇地发出排放氧化反应剂102。如文中所使用的，间歇性者可包含预定周期的事件，乃至除了简单地经过时间预定量之外相应于事情而受触发或者初始化的间隔时间事件。在图2所示的范例中，每当空气吹风机66进行操作用以提供所要供应的氧化反应剂56给予燃料电池堆组时，阴极排出气体74便可持续透过氧化反应剂排放导管100传输。在其它范例中，排放组件82可包含并无显示的额外构件，借以调节来自阴极区域32的排放氧化反应剂102的流量。
燃料电池堆组24可包含一燃料净化模组110，适以净化燃料电池堆组24的阳极区域30。燃料电池净化模组可适以随选地促动，借以控制来自燃料电池堆组的燃料的排气流。可间歇或者持续地发出排放燃料98。在间歇发出排放燃料98的范例中，可以时间平均基准来考虑排放燃料的流量速率。在这些实施例中，排放燃料的流量可视为连续的，即使实际的阳极排出气体72可能仅为间歇的。净化之间的时序以及每次净化的时间区间可以是固定的、可变的和/或可通过控制系统84来判断，如文中将更为详细探讨的。
燃料净化模组110可适以相应于至少一个诸如来自控制系统84的燃料净化命令讯号112，以便选择性地促动，借以调变可释放至燃料净化导管96之中并且依序释放至堆叠排放装置94的排放燃料产量。在间歇排放燃料的范例中，燃料净化模组110可适合随选地促动为一关闭配置以及一开启配置之间的转变，在其中的关闭配置，燃料净化模组110适以避免排放燃料引进或者释放于堆叠排放装置之中，而在开启配置，燃料净化模组110适以将排放燃料98的产量释放于燃料净化导管96之中，并且依序至堆叠排放装置94。适合间歇地发出排放燃料98的燃料净化模组110非唯一范例可包含螺线管气阀114。
在持续将排放燃料排放的范例中，燃料净化模组110可适以选择性促动，借以调节可释放至燃料净化导管96之中并且依序而至堆叠排放装置94的排放燃料的产量。尽管对所有的实施例并非需要的是，燃料净化模组110可适以发出排放燃料持续而调变的气流。适以发出排放燃料持续而调变气流的燃料净化模组110非唯一范例可包含一调整气阀的洞孔或其相似物。燃料净化模组110同样也可包含这些构件的组合，或者执行这些功能的组合借以间歇发出已调变排气流的单一构件。
燃料排放导管116可将排放燃料从燃料电池20传输至燃料净化模组110。包含超过一个燃料电池20的燃料电池堆组24可包含相应数目的燃料排放导管116，其合并成为一个或者多个共同的燃料排放导管，将排放燃料从每个各别的燃料电池传输至一个或者多个共同的燃料净化模组110。或者，燃料电池堆组可包含每个均与各别的燃料净化导管96液态交流的各别燃料净化模组。
同样的是，包含超过一个燃料电池20的燃料电池堆组可包含相应数目的氧化反应剂排放导管100，每个均传输来自每个各别燃料电池的排放氧化反应剂。排放组件82可包含任何适用数目的燃料净化导管96、氧化反应剂排放导管100、以及组合式排放导管108，借以提供来自燃料电池堆组的充分排放流量。再者，燃料净化导管96以及氧化反应剂排放导管100可在适当的位置连结(即，液态连接)，借以形成组合式排放导管108。或者，燃料电池净化导管96以及氧化反应剂排放导管100每个均可直接与堆叠排放装置94液态交流，而不需使用组合式排放导管108。
控制系统84可包含一个或者多个模拟或者数字电路、逻辑单元、或者处理器，以为内存中储存为软件形式的操作程序之用，并且可包含一个或者多个彼此交流而与他者不同的单元。图2所示的阐述非唯一范例包含一系统控制器118、可包含一个或多个电流传感器122的一个或多个系统传感器120、以及多数的通讯链路124。系统控制器118可透过通讯链路124而与燃料电池系统80数个部件进行通讯。例如系统控制器可透过燃料源通讯链路126与燃料源52进行通讯，而氧化剂源54则透过氧化剂源通讯链路128，燃料净化模组110透过燃料净化通讯链路130，以及电流传感器122透过电流传感器通讯链路132。可使用其它的链路124，诸如到监测堆叠排放装置94内的部件、负载70或燃料电池系统80其它部件的系统传感器120链路。
通讯链路124可致使对系统控制器至少单向的通讯。在某些状况下，通讯链路可传输代表量测数值的通讯讯号134，可指示燃料电池系统80的操作状态给予控制系统84。由控制系统所监测的数值的阐述范例包含一个或者多个燃料电池所产生的电流或者电压、气体输送压力或流量速率、温度、及其相似物。此外或可替代的是，通讯讯号134可表示从系统控制器118至燃料电池系统各个不同部件的命令讯号136。某些通讯链路124可传输通讯讯号以及命令讯号两者。
通讯链路124可适以传输或者传递本质上可以是模拟或数字的讯号。链路可透过有线和/或无线电磁通讯方法、透过气压和/或水压的方法、或者透过其组合来传输讯号，其中的无线方法包含射频(RF)、红外线(IR)或者光传输。
如之前参照图1所探讨的，可将氧化剂46供应至燃料电池堆组，而以稀释剂58充当氧化反应剂56。在图2所阐述的范例中，可在供应氧化反应剂流量速率下提供由空气62所具体化的氧化反应剂。相类似的是，可在供应氧化剂流量速率下、以及在具有对供应氧化剂流量速率的预定(或者本质上为固定的)比率的供应稀释剂流量速率下，提供氧化反应剂的主要成分，特别是氧气与氮气。在燃料电池系统80的操作期间中，燃料电池堆组24可适以消耗一部份的供应燃料44以及供应稀释剂46，借以从之产生电流。排放氧化剂104可包含供应氧化剂46以及供应稀释剂所消耗的部分之间的差量。所以，排放氧化反应剂102可包含排放氧化剂104以及排放稀释剂106。可在相应于供应稀释剂流量速率的排放稀释剂流量速率下，从阴极区域32传输排放稀释剂106。
如已知的燃料系统习知技术，操作中的燃料电池的阳极区域30需要净化，借以移除燃料杂质、氮、水、及其相似物，其中如果处于阳极区域的某适当位置，将会使燃料电池的效能劣化。所以，不是基于间歇性地便是基于持续性地将燃料与其它气体从阳极区域净化。如同之前所探讨的，燃料净化模组110，或者更特别的是图2的螺线管气阀114可适以间歇地从阳极区域30将气体释放至排放燃料净化导管96，包含排放燃料的已释放产量。系统控制器118可适以产生一个或者多个命令讯号136，可包含用以选择性促动燃料净化模组110的燃料净化命令讯号112。为了判断何时要产生燃料净化命令讯号，此系统控制器可利用某些算法其中一种或者多种，可包含监测燃料电池堆组操作、燃料电池系统和/或燃料电池系统排气流易燃性其一或者多方面的效能的各种不同方法。
具有氢气与空气的供应气流的燃料电池系统可具有包含氢气、氧气、氮气、以及水的排气流，乃至于包含大气数种可包含于供应空气的其它成分诸如氩气与二氧化碳气体，就燃料电池操作的目的而言，可将之视为杂质。可通过以下的表示式，可将供应与排气流的成分表示成以方程式型式的比率，
(2+α)H2+λO2+3.71*λN2→2H2O+αH2+(λ-1)O2+3.71*λN2
在此一表示式中，λ代表过剩氧比率，其为一种供应至燃料电池堆组的氧气量对与所消耗的氢气或其它燃料进行反应作用所需氧气最小量的比率。3.71的倍数因子相应于供应与排放两者的氮气，并且有关于大气空气中氮气对氧气的相对浓度。在此表示式中，α代表在消耗用以产生电流得部分剩余量中供应至燃料电池堆组24的燃料非必须的剩余数量。经常会使用剩余氢比率θ来替代供应至燃料电池堆组的燃料的剩余量，并且可通过阐述(非唯一)的表示式θ＝(2+α)/2来定义之。剩余氢比率θ可代表所供应的燃料量对所消耗的燃料部分的比率。
剩余氢比率大于1.0的任何数值意谓着燃料电池系统22会将某些数量、或者流量的氢气排放至其周围环境。根据本发明，期望在释放至周围环境的前充分地稀释排气，致使排气流不因其释放而易燃。基于瞬时和/或时间平均便可满足此判断。在诸多燃料电池系统的操作条件下，水可以不是蒸汽便是液态的形式存在。所以，就排气易燃性的判断而言，可忽略或者不理会排气流中水的出现。随着水蒸气将充当排气流中另类的稀释剂，出现在燃料电池堆组排气的任何数量的水将会增加易燃性的边限。
图3叙述坐标图150，显示排放至空气中的氢气与氮气混合物的易燃性轮廓。坐标图的水平轴152代表排气中氮气浓度对氢气时间比重浓度的比率。垂直轴154代表所示放的排气混合物数量，其以百分比(产量或质量)为基础，代表相对于周围环境空气所排放的氮气/氢气。所要加注的是，在垂直轴164上所绘制的数值中并不表示出周围环境中的氮气。交替垂直轴156因而以百分比为基础代表所释放的排气混合物数量，其代表氧气的浓度。所以，零百分比的排放氮气/氢气混合物会相应于空气中所存在的氧气标准21％(以产量而言)。
坐标图150包含区域158，代表其中氮气与氢气所排放的混合物在空气中易燃的区域。易燃度区域158包含上边界160，于其之上，最终气体混合物中的氢气浓度便会超过可燃上限(UFL)。由于最终气体混合物将会通过空气进一步稀释，而所产生的最终稀释将会落在易燃度区域158之内，因此对任何燃料电池系统而言，此不是所需的一个操作点。
易燃度区域158同样也包含一下边界162，于其之下，最终气体混合物中的氢气浓度便会低于可燃下限(LFL)。如图3所示，下边限以水平轴152所表示的排气中的氮气浓度对氢气浓度比率来代表最终气体混合物数量对于垂直轴154上的周围环境的线性关系，而最终气体混合物数量则代表所排放的氮气/氢气。因为在此一区间内的任何一种混合物并不需要周遭环境的空气进一步稀释而成为非易燃的，坐标图150低于下边限162的区域代表操作非易燃区间164。
上边限160与下边限162的交点代表临界稀释点166，于其上，无任何混合物可燃。如图3所示，临界稀释点166相应于排气中氮气浓度对氢气浓度的临界比(CR)，CR＝16.5。在大于此一CR的比率下，当释放至空气之中，没有任何氢气与氮气的混合物为易燃的。
此时转至图4，包含易燃度区域158的坐标图170显示于燃料电池系统操作的文脉，诸如根据本发明的燃料电池系统22或80。坐标图170包含一水平轴172，相似于坐标图150的水平轴152，然其具有一伸展的范围，用以包含范例燃料电池系统的操作点。坐标图170包含相同于坐标图150的的垂直轴154以及交替垂直轴156。在燃料电池系统80的文脉中，垂直轴154代表特别是氮气稀释剂而流经阴极区域32的流量、以及特别是氢气而由燃料净化模组110所释放的平均燃料流量的总和。
除了易燃度区域158之外，坐标图170同样也包含易燃度限制或界限的阐述范例，即50％的易燃度区域174以及25％的易燃度区域176。区域174与176代表其中所排放的氮气/氢气混合物分别超过LFL50％以及氢气LFL25％的区域。50％易燃度区域以及25％易燃度区域，像是易燃度区域158，每个均包含下边界，分别以178与180指示。代替上边界的是，50％易燃度区域174以及25％易燃度区域176每个均包含一垂直边界182与184。垂直边界代表所排放的氮气对所排放而分别超过50％易燃度限制以及氢25％易燃度限制的氢气的比率。如图3中所能够发现以及计算的，50％的垂直边界182相应于CR的CR50％LFL乘以2、或者33.0，而25％垂直边界184则相应于CR的CR25％LFL乘以4、或者66.0。所应了解的是，已经提供了50％以及25％的易燃度界限如阐述而非唯一的范例。在本发明范畴内的是，控制系统与方法可以相应于这些或其它所选择的易燃度界限来配置之，包含大于、小于或者介于这些阐述界限或限制之间的界限。
能够将过剩氧比率λ转化于交替垂直轴156之上。排气流中0.0％的氧含量相应于过剩氧比率λ＝1.0。增加排气流中的氧含量可相应于较高的过剩氧比率λ。例如，过剩氧比率λ＝2.0可相应于9.9％的氧气含量，而过剩氧比率λ＝4.0可相应于17.1％的氧气含量。
坐标图170同样也包含多数的曲线186，代表阐述燃料电池系统操作在各种不同过剩氢比率的特性，范围从θ＝1.02至θ＝1.08。由于相对于所排出的氮气量，较少的氢气从燃料电池系统排出，因此较低的过剩氢比率θ相应于位在远离易燃度区域157、174与176的曲线86。相应于不会相交易燃度区域158、174与176的过剩氢比率θ曲线会相应于燃料电池系统的操作点，其超过任何过剩氧比率λ的易燃度限制。
可判断出过剩燃料比率θ的目标值，借以保证燃料电池系统80排气流的非易燃性。目标过剩燃料比率θ的计算可能需要数个假设。第一，要描述最小的氧化剂流量，相应于最小氧化剂流量以及过剩氧比率λ＝1.0的描述。第二，必须假设特定的非易燃度限制。如同阐述非唯一范例，某人可能关注于判断要在50％易燃度区域174外部、25％易燃度区域176、或者在文中所提的任何其它易燃度界限或区域之下或之内操作燃料电池系统22的过剩氢比率θ。如图3所示，50％易燃度区域174垂直边界182与相应于过剩氧比率λ＝1.0的坐标图170顶端相交的交点位在相应于过剩燃料比率θ＝1.05至θ＝1.06之间。在其它实施例中，可期望将燃料电池系统80操作在25％易燃度区域176之外，或者某种其它适用的操作机制。
某人可特别地计算过剩燃料比率θ50％LFL，相应于与50％易燃度区域的垂直边界182相交的过剩燃料比率θ曲线。能够将排放稀释剂流量速率对所释放的燃料平均流量速率的比率表示为3.71/α，如能够从先前所叙述的燃料电池系统供应与排放成分表示式所推论的。经由过量供应燃料α对过剩燃料比率θ的相互关系，可将此一表示式重写为3.71/(2*θ-2)。如果某人希望判断目标值θ50％LFL，此便相应等于CR50％LFL＝30.0的比率。所以，可计算CR50％LFL为1.056。
再次参照图2，根据本发明的燃料电池系统22，包含燃料电池系统80，在系统控制器118之内可包含一燃料净化控制系统190，其包含一燃料净化控制器192，适以判断最大排放燃料流量速率、以及用以判断燃料稀释因子。燃料净化控制器可适以将燃料稀释因子计算为排放燃料98所释放的产量对排放稀释剂106所释放的产量的比率。净化燃料控制器可包含有效的稀释剂模组194，适用以诸如透过通讯链路124接收来自各种不同系统传感器120的输入，其中的传感器则指示排放稀释剂所释放的产量，诸如在空气导管92或者排放氧化反应剂导管100的流量传感器、或其相似者。
有效的稀释剂模组194可接收直接或间接提供否则允许流经燃料电池堆组的稀释剂最小流量速率的计算的其它输入。特别的是，由于供应稀释剂58以及供应氧化剂46两者流量速率的比率为大气空气本质所决定的数值，因此如果氧化反应剂最小流量速率的指针可以决定，假设过剩氧比率λ＝1.0，燃料净化控制器便可计算稀释剂的最小流量速率。就剩氧比率λ>1.0的任何数值而言，实际的排放稀释剂流量将会超过此一计算最小值，增加至非易燃度的边限。
如所探讨的，燃料电池堆组会消耗一部份的供应氧化剂46而产生电流。所以，通过量测燃料电池堆组所产生的电流并且以构成燃料电池堆组的燃料电池数目的相关知识，燃料电池净化控制器可计算、否则便会储存、接收、或判断最小供应氧化剂流量速率，并因而计算出最小供应稀释剂的流量速率。所以，燃料电池净化控制系统可包含一个或者多个电流传感器122，适以产生由所燃料电池堆组所产生的电流量测值，此可以一个或者多个通讯讯号134提供至有效的稀释剂模组194。
燃料净化控制器192可产生燃料净化命令讯号112，借以控制排放燃料流量速率，致使燃料稀释比率保持低于某一界限数值，此数值可以是一预定数值、一经由计算的数值、或者两者均是。在间歇排放燃料的范例中，燃料净化控制器可适以判断最大的均时排放燃料流量速率，并且适以判断均时的燃料稀释因子，此因子为在最小排放稀释剂流量速率下排放燃料的均时释放产量对排放稀释剂的均时释放产量的比率。在这些阐述的范例中，燃料净化控制器可适以产生燃料净化命令讯号，借以控制均时排放燃料流量速率，致使燃料稀释比率维持低于某一预定数值。
在某些范例中，燃料净化控制器192可适以维持燃料稀释因子低于燃料的可燃下限(LFL)。在这其中的某些范例，燃料净化控制器192可适以维持燃料因子于燃料的可燃下限的分数(即，小于100％)，诸如低于LFL的90％、低于LFL的75％、低于LFL的50％、低于LFL的25％或者低于LFL的10％。
例如，考虑所产生的电流每安培、以及燃料电池串联实现中每个各别燃料电池20消耗氧气0.003676SLPM(每分钟标准公升)的燃料电池堆组24。操作用以产生包含小于燃料可燃下限50％的排气流的范例燃料电池系统可包含24个串联并且产生34安培电流的各别燃料电池。此一范例燃料电池系统有效的稀释剂模组可判断燃料电池系统操作于11.13SLPM的最小氮流量速率。燃料净化控制器192可适以产生燃料净化命令讯号112，借以控制排气燃料流量速率，致使基于最小已决定的稀释剂流量速率的燃料稀释比率维持低于氢气LFL的50％。
在燃料间歇性排放的燃料电池系统80的范例中，燃料净化控制器192可适以判断诸如可包含螺线管气阀114的燃料净化模组110可促动成为开启配置并且保持于此配置的转态的至少一个时间区间以及频率。燃料净化控制器可判断工作周期，此工作周期可定义为燃料净化模组处于开启配置的时间对总时间的比率。如果燃料源52适以在固定压力下提供氢气给予阳极区域30，则燃料净化控制器192便可适以使用此工作周期来计算排放燃料流量速率，或者均时排放燃料流量速率，借以计算燃料稀释比率。此工作周期同样也能够用来计算燃料电池系统操作点的过剩燃料比率θ。所以，图4的坐标图170上的曲线186能以相应于燃料电池系统的电流输出而已适当计算过后的工作周期来重新标示。相应于过剩燃料比率θ较高数值的曲线可相应于较低的工作周期和/或燃料电池堆组所产生的较低电流。所以，能够推论的是，产生低准位电流的燃料电池系统会操作在释放可燃排气更具风险的机制下。
可考虑图2所示的燃料电池系统80利用一种主动控制系统。如已经说明的控制系统84可适以主动地控制来自阳极区域30的气体的净化，借以维持非易燃排气流特性。图5显示燃料电池系统22的第二阐述范例20，其利用第二种排气控制策略或方法，借以维持非易燃排气特性。相似于之前所说明的燃料电池系统80，燃料电池系统200可包含燃料电池堆组24、燃料源52、氧化剂源54、排放组件82、以及控制系统84。燃料电池系统200可与负载进行交连。在此一范例中，控制系统84可包含至少一个功能控制器202以及联锁控制器204，每个均可适以透过通讯链路124与燃料电池系统200数个部件进行通讯。控制系统84同样也可包含一内部控制器链路206，适用以传输功能控制器以及联锁控制器之间的通讯讯号134和/或命令讯号136。
功能控制器202可适以监测燃料电池系统堆组24的效能。功能控制器可接收来自系统传感器120的通讯讯号134，诸如位于燃料源52、氧化剂源54、燃料净化模组110、负载70、以及其相似物之内的电流传感器122以及系统传感器。通过选择性地产生至少一个命令讯号136进而选择性地促动一个或者多个控制输入208，功能控制器便可适以维持燃料电池堆组24的效能。所以，可由功能控制器202所产生的命令讯号136便可称为功能命令讯号210。特别的是，可由功能控制器202所产生的燃料净化命令讯号112便可称为功能燃料净化命令讯号212。可加以促动的其它控制输入208可包含位于燃料源52、氧化剂源54、燃料净化模组110、负载70等等之内的输入。功能控制器与控制方法阐述非唯一的范例揭示于美国专利6,495,277、6,383,670、以及6,451,464号中，全部揭露内容在此合并参考。
相似于功能控制器202的联锁控制器204可适以监测燃料电池堆组24的效能。联锁控制器可接收来自系统测器120的通讯讯号134，诸如电流传感器122以及诸如位于燃料源52、氧化剂源54、燃料净化模组110、负载70、功能控制器202极其相似物之内的其它系统传感器。联锁控制器204可适以确使燃料电池堆组24操作于对燃料电池系统200及其环境无害的机制，诸如产生过度的热、释放可包含反应、有毒和/或易燃液体混合物、以及其相似物的排气流。所以，联锁204可适以检测一个或者多个操作条件，可以是一种有害条件的前导，并且适用以通过促动一个或者多个联锁构件214来产生一个或者多个可适以确使燃料电池堆组24的操作条件不会劣化的命令讯号136。联锁控制器204所产生用以促动一个或者多个联锁构件的命令讯号可称为联锁命令讯号216。
联锁控制器204可包含一有效稀释剂模组194以及一燃料净化联锁控制器218。联锁控制器204的有效稀释剂模组194可操作相似于燃料净化控制系统190的有效稀释剂模组194，用以基于量测燃料电池堆组24所产生的电流，判断出供应的氧化剂所消耗的部分以及相应的最小排放稀释剂流量速率。燃料净化联锁控制器218可适以判断燃料稀释因子，并且借以产生用来促动诸如螺线管气阀114的燃料净化模组110的燃料净化命令讯号112，致使当燃料稀释因子超过一可由控制系统预选或决定的预定数值时转变至关闭配置。燃料净化联锁控制器218所产生的燃料净化命令讯号112可称为联锁燃料净化命令讯号220。
在本发明范畴内的是，控制系统84各种不同的控制器、模组、链路、传感器、及其相似物可以任何适用的配置来实现的并且具有任何事用的部件和/或机件。在某些实施例中，控制系统84这些部件的其中一个或多个可以一起实现，同时于他者中，可以实现为分离的部件，彼此合作进行通讯，诸如文中所提的。
排放氧化反应剂102与排放燃料98两者可从燃料电池系统200间歇或持续地发出，如同燃料电池系统80。在排放氧化反应剂102与排放燃料98间歇性发出的范例中，可基于时间的平均来考虑排气流量速率。在这些阐述实施例中，排放氧化剂或排放燃料的流量可视为连续的，即使实际的阴极排出气体74或者阳极排出气体72仅可为间歇的。所以，至少一个功能控制器202与联锁控制器204可适以检测或判断均时排放氧化反应剂或排放燃料流量速率。间歇净化之间的时序以及每次净化的时间区间可以固定、或者可由功能控制器202来决定，如之前已经探讨的。
燃料净化模组110可包含一个或者多个构件，可相应于功能控制器的燃料净化命令讯号212或联锁燃料净化命令讯号220，适以选择性地促动，借以调变可释放至燃料净化导管96之中并且依序而至堆叠排气装置94的排放燃料98的产量。在间歇排放燃料的燃料电池系统200的范例中，燃料净化模组110可相应于燃料净化命令讯号，适以选择性地促动而于关闭配置与开启配置之间转变；在其中的关闭配置，燃料净化模组110适以避免燃料引进或释放至堆叠排放装置94之中，而在其中的开启配置，燃料净化模组110则适以将排放燃料98的产量释放至燃料净化导管96之中并依序而至堆叠排放装置94。适用以间歇发出排放燃料98的燃料净化模组110阐述非唯一的范例可包含螺线管气阀114。
在持续排放燃料的燃料电池系统200的范例中，燃料净化模组110可相应于功能控制器燃料净化命令讯号，适用以选择性促动，借以调节可释放至燃料净化导管96并依序而至堆叠排放装置94的排放燃料98的产量。更特别的是，燃料净化模组110可适以发出排放燃料的连续调变流。在这些范例中，燃料净化模组110同样也可相应于联锁燃料净化命令讯号，适用以选择地促动，而于一开启配置以及一关闭配置之间进行转变；在其中的开启配置中，燃料净化构件适用以相应于功能控制器燃料净化命令讯号来调节排放燃料的产量，而在其中的关闭配置中，燃料净化构件适以不论任何的功能控制器燃料净化命令讯号，均避免排放燃料进入堆叠排放装置。适以发出排放燃料的持续调变流的燃料净化模组110非唯一范例可包含一种洞孔调整气阀或其相似物。燃料净化模组110同样也可包含这些构件的组合，或者执行这些功能组合借以间歇发出排气的调变与可中断流的单一构件。
燃料稀释因子可以是一种在最小排放稀释剂流量速率下的排放燃料已释放产量对排放稀释剂已释放产量的比率。在某些范例中，燃料稀释因子可以是一种最小排放稀释剂流量速率下排放燃料均时已释放产量对排放稀释剂均时已释放产量的比率的燃料稀释因子。
在某些范例中，联锁控制器204可产生联锁燃料净化命令讯号220，借以当燃料稀释因子超过可燃下限(LFL)之时，促动燃料净化模组110转变至关闭配置。或者，联锁控制器204可产生联锁燃料净化命令讯号220，借以当燃料稀释因子超过燃料的可燃下限(LFL)的分数部分时，促动燃料净化模组110转变至关闭配置，诸如任何一种先前所探讨的阐述界限，包含50％、25％或者10％。
在燃料电池系统200某些实施例中，可基于燃料电池系统内其它条件的检测来配置联锁控制器204用以促动燃料净化模组110，借以转变至关闭配置。例如，为了避免易燃排气流释放周期，当用以促动燃料净化模组110转变至关闭配置的功能控制器燃料净化命令讯号212已经不产生超过一预定时间区间之时，联锁控制器可适以产生联锁燃料净化命令讯号。
联锁控制器204可适以产生用以促动一个或者多个联锁控制器214的联锁命令讯号216。例如，燃料源52可包含燃料源切断模组88，适用以相应于燃料源切断命令讯号90而受促动。联锁控制器204可适以产生一联锁燃料源切断命令讯号222，借以当产生联锁燃料净化命令讯号220用以促动燃料净化模组110成为关闭配置之时，促动燃料源切断模组88转变至关闭配置。
燃料电池系统200的控制系统84适用配置阐述非唯一范例，特别是联锁控制器204，更为详细地显示于图6。如所阐述的，联锁控制器204包含一第一联锁处理器224以及一第二联锁处理器225。第一与第二联锁处理器可适以透过内部控制器通讯链路206而与功能控制器202进行通讯，并且透过内部联锁控制器通讯链路226彼此相互通讯。
联锁处理器224与225可包含多数的联锁电路228，适以从一个或者多个系统传感器120接收通讯讯号134，可包含一个或者多个电流传感器122、或者在燃料源52、氧化剂源54、燃料净化模组110、堆叠排放装置94、负载70之内的其它部件、或者燃料电池系统200的其它部件，其并且适以产生一联锁输出230。特别的是，除了与燃料电池堆组排气流中所发出的燃料数量有关的联锁输出之外，联锁输出可能尚有关于诸如燃料供应压力、通风、和/或燃料电池系统200内所包含的外壳温度与燃料电池堆组24内冷却剂流量温度的条件。联锁处理器224与225每个同样也可包含一联锁失效产生器232，如果在联锁处理器内检测出机能失常，适以产生一失效命令讯号234。
每个联锁处理器均可包含一个或者多个的联锁逻辑电路236，可适以处理一个或者多个联锁输出，借以判断一个或者多个可输出为联锁状态讯号238的联锁状态。联锁逻辑电路236非唯一范例可以是一种多传输端口AND逻辑闸240，可适以执行联锁输出230的组合的布尔(Boolean)AND处理，借以提供联锁状态讯号238。控制系统84同样也可包含额外的逻辑处理器244与245，适以使用联锁处理器224和/或225的输出来执行额外的逻辑功能，借以产生至少一个联锁命令讯号216。
例如，图6显示两个额外的逻辑处理器244与245。在某一非唯一范例中，额外的逻辑处理器244可包含一布尔AMD闸，可适以接收联锁失效命令讯号234，并且借以产生一联锁失效输出246。在另一非唯一范例中，额外的逻辑处理器245可包含一布尔AND闸，可适以接收一个或者多个联锁状态讯号238，此可包含联锁失效输出246，以及来自功能控制器202的一个或者多个命令讯号136。系统控制系84可产生一联锁状态命令讯号248，其可包含联锁燃料净化命令讯号220、和/或联锁燃料源切断命令讯号222。
此时转至图7，显示燃料电池系统200范例操作的状态图260的阐述非唯一范例。状态图260包含系统控制器84多数的操作状态262。操作状态262可包含一OFF状态164，其中燃料电池系统200不会产生电流，但各个不同的子系统则预备进入ON状态266。例如，燃料源52可有效提供所供应的燃料44、和/或氧化剂源54可有效提供所供应的氧化剂46。
在进入ON状态266之前，系统控制器84可进入WAIT状态268一段预定的时间周期，诸如60秒，借以确保燃料电池系统200的全体预备产生电流。在预定的时间周期已经过去之后，燃料电池系统200的操作便可进入ON状态266。或者，如果在操作于WAIT状态268的同时检测到任何的失效，则操作便可返回至OFF状态264，或者可进行至一FAULT状态270，其中可产生一个或者多个命令讯号136，借以促动一或者多个联锁构件214。此外，在操作于ON状态266期间中的任何失效的检测可指示燃料电池系统200可能是操作在可能有害于燃料电池系统或其外围环境的机制。例如，联锁状态讯号248的产生可导致燃料电池系统的操作进入到FAULT状态270。
一旦燃料电池系统200的操作已经进入FAULT状态270，功能控制器202便可避免产生可适以促动一个或者多个控制输入208的功能命令讯号210，直到某些使用者与燃料电池系统200的互动执行为止。使用者互动可包含将燃料电池系统的操作移至OFF状态264。如同非唯一的范例，端视联锁燃料净化命令讯号产生的检测而定的是，控制系统可进入WAIT状态268，并且可适以避免功能控制器的燃料净化命令讯号212及其相似物的产生。
状态图260同样也包含一WARNING状态272，相似于FAULT状态270，可在操作于OFF状态264或ON状态266的同时，依照特定条件的检测而进入之。然而，可触发WARNING状态272进入的条件可能并非是严重到可能会触发而进入FAULT状态270的条件。例如，燃料电池堆组24外壳内的低温检测可能导致控制系统84进入WARNING状态272。在WARNING状态，相似于在FAULT状态，可产生一个或者多个命令讯号136，借以促动一个或者多个联锁构件214，而燃料电池堆组则会导致电流产生。或者，燃料电池堆组可持续产生电流，但操作者会受到警告出现触发WARNING状态的条件。端视触发WARNING状态的条件消失的检测而定的是，控制系统84的操作可保持在WARNING状态272，或者操作可返回到ON状态266。
状态图260包含多数的状态转变箭号274，可指示正当的状态转变，诸如之前所探讨的数种转变。这些状态的转变可允许状态262之间以一某方向或两方向的转变，如箭头276所指示的。除了之前所探讨的状态转变之外，图7显示一状态转变箭号274，指示ON状态266以及可允许使用者停止电流从燃料电池系统200产生的OFF状态264之间的状态转变。此外或者，图7显示往返于WARNING状态272之间的状态转变。
燃料电池系统22的自动操作会致使其使用于家电用品、车辆、以及其它商业应用，其中则是由不需训练燃料电池操作的个体使用其系统。同样也致使其使用于技术人员、甚或个人不常出现的环境中，诸如微波继电站、无人传输器或监测设备等等。控制系统84同样也会致使燃料电池系统实现于个人不能经常监测系统操作的商业装置中。例如，车辆与轮船中燃料电池系统的实现需要使用者不必一直持续地监测并且预备调整燃料电池系统的操作。替代的是，如果系统遭遇到自动响应的控制系统范围之外的操作参数和/或条件，使用者仅需要通告即可，所以使用者能够响应控制系统进而调节燃料电池的操作。
以上的范例阐述如此自动燃料电池系统可实行的应用，而不妨碍其它的应用、或者必需要燃料电池系统必要适用于任何特殊应用。再者，在之前的章节中，已经说明了控制系统84控制燃料电池系统各个不同的部分。可实现此系统，而不包含上述控制系统的每一个观念。同样的是，系统22可适以监测并且控制文中并无探讨的操作参数，并且可传送除了先前范例中所提供之外的命令讯号。
产业可利用性：
文中所说明的燃料电池系统以及控制系统可应用于任何一种通过燃料电池堆组产生电力之处。其特别可应用于燃料电池堆组会发出易燃性排气至燃料电池系统周围环境之时。
相信以上所提出的本文包含具有独立效用的多种不同的方法和/或器具。尽管此中的每种方法及器具已经以较佳的型式揭示，然并不认为文中所揭示以及阐述的特定范例或有限制之意，而为数众多的变体也是可实行的。本文的主题内容包含文中所揭示各不相同的构件特征、功能和/或特性的所有新颖以及不明显的组合与次组合。同样的是，申请专利范围详述”一个”或”第一个”构件或其等效物，应该了解到如此的申请专利范围包含一个或者多个如此构件的并入，既不须要也不排除两个或者更多的如此构件。
相信本申请的申请专利范围特别地点出相应于所揭示的范例并且是新颖而不明显的某些组合与次组合。透过此中或相关申请案中的本申请专利范围的修正或者新申请专利范围的呈现，可宣告特征、功能、构件和/或特性的其它组合或次组合。如此的修订或新主张，不论是指示为不同的组合或者指示为相同的组合，不论是不同的、较广泛的、较狭隘的、或者等同于原有的申请专利范围范畴者，同样认为包含于本申请专利范围的主体内容之内。