圖3－3 JP2020057460A燃料電池系統(tǒng)

燃料電池系統(tǒng)如圖所示，包括兩個電堆11、12，陰極氣體供應單元110、陽極氣體供應單元120、控制單元4；陰極氣體供應單元110包括兩個空壓機13、14以及控制閥和氣體供應通道等。

當燃料電池處于正常操作模式時，可通過控制單元獲取所需輸出電力值，來決定電堆11、12的發(fā)電量，此時空壓機13、14均正常運轉。當控制單元4確定負載所需功率小于等于預設閾值時（預設閾值為從正常操作變?yōu)殚g歇操作的閾值），燃料電池系統(tǒng)進入間歇操作模式，此時控制單元發(fā)出命令使空壓機14、閥19關閉、閥20打開，保持空壓機13運行，由空壓機13向電堆11供應空氣。然后由控制單元判斷電堆11的電壓是否高于上限值（上限值設定為不使催化層發(fā)生劣化的最大OCV值），當判斷電堆11電壓高于上限值時，減少空壓機11轉速，調(diào)節(jié)陰極氣體流速，使電堆電壓重新回落到預定范圍內(nèi)；若當檢測到電堆電壓低于上限值時，需要進一步判斷電堆電壓是否低于下限值（下限值設定為在間歇操作期間各電堆可維持電壓的下限值；也可理解為當燃料電池系統(tǒng)從間歇操作模式轉換為正常操作模式時，電堆輸出可立即升高到的電壓值）；當判斷電堆電壓低于下限值時，控制單元發(fā)出控制指令使空壓機11提高轉速，調(diào)整空氣流速，使電堆電壓重回預定范圍。若判斷電堆電壓處于預定范圍內(nèi)，則重新檢測負載所需輸出是否小于等于預設閾值，若大于預設閾值，則返回正常操作。

圖3－4 JP2020057460A操作優(yōu)化控制流程圖

3．2 奧迪公司

下文分析的奧迪公司燃料電池系統(tǒng)控制相關專利的專利公開號為CN107004876B。CN107004876B主要涉及防止電堆停機重啟時，殘留氫氧直接反應導致催化劑發(fā)生劣化。

3．2．1 CN107004876B——一種用于斷開燃料電池系統(tǒng)的方法

燃料電池系統(tǒng)停機過程中，停止向電堆供應燃料氣體和空氣后，陰極側的空氣可能向陽極側滲透。當燃料電池系統(tǒng)重新啟動時，燃料電池兩極可能出現(xiàn)較高的電勢，導致燃料電池電極催化材料出現(xiàn)碳腐蝕和催化劑老化。為了避免該情況，燃料電池電堆在停止運轉時需要盡可能保證陰極側沒有氧氣。這樣陽極側的水、氮氣和水蒸氣組成的氣體混合物可以擴散到陽極，并在電堆重新啟動時保護電堆。

圖3－5 CN107004876B燃料電池系統(tǒng)

參見上圖3－5，奧迪公司對燃料電池系統(tǒng)進行了改進，在陰極側進氣通道21和排氣通道22上設置了空壓機23，增濕器29，閥30、31，旁路閥28，渦輪26。當燃料電池系統(tǒng)進入停機流程，空壓機23持續(xù)運轉，閥30、31和旁路閥28開啟，由此可以保證陰極室維持較高的壓力。而由于旁路閥28開啟，空壓機并沒有向電堆陰極室引入新的空氣，經(jīng)過一段時間之后，電堆的陰極室內(nèi)空氣中氧氣被逐漸消耗，氧氣濃度降低。此時關閉閥30和31，將電堆陰極室與外界大氣隔離，這樣閥31之后的管路內(nèi)氣壓值與大氣壓接近，而陰極室內(nèi)保持1．5－2．5bar的較高壓力。接著測量陰極室內(nèi)氧氣含量，可以利用氣體傳感器進行檢測，也可以直接測量電堆輸出電壓值的大小來判斷氧氣濃度是否滿足要求。如果氧氣濃度已經(jīng)下降到閾值之內(nèi)，則控制閥30和31的開閉，使得電堆陰極室的高壓低氧含量氣體向進氣通道21和排氣通道22膨脹，而陰極室的壓力降低至大氣壓和初始高壓之間的一個低的超壓上。再次關閉閥30、31，讓電堆陰極室壓力維持在超壓上，并且此時陰極室內(nèi)氣體的氧氣含量符合停機要求，不會因為下次開機導致催化劑劣化。

通過先讓陰極室保持較高壓力并消耗其中的氧氣，再將高壓低氧氣體通過閥門向管路上下游進行膨脹，保證了陰極室內(nèi)可以維持較低的氧含量水平，進而實現(xiàn)了避免氧氣由陰極側進入陽極側，帶來催化劑劣化的問題。

3．3 清華大學

下文分析的清華大學燃料電池系統(tǒng)控制相關專利的專利公開號為CN109830716B。CN109830716B主要涉及燃料電池電壓控制。

3．3．1 CN107004876B——燃料電池電壓控制方法

針對燃料電池電壓進行控制，可采取控制輸出電流以及調(diào)節(jié)反應氣體供給量的方式。例如，當控制器設置了一個最高工作電壓，一旦控制器檢測到實際電壓超過該設定值時，可控制燃料電池提高輸出電流來使電壓下降。此種方式雖然操作十分方便，但需要持續(xù)提高對外輸出電流；另外，還可通過減少反應氣體供應量的方式來降低燃料電池的工作電壓，然而由于供氣減少，會使得讓燃料電池內(nèi)部均一性和一致性惡化加劇，存在失效風險。

基于此，CN109830716B提出了一種燃料電池電壓控制方法，可有效確保燃料電池內(nèi)部的均一性和一致性，提高燃料電池使用壽命，具體如下：

燃料電池控制系統(tǒng)如圖3－6所示，通過空壓機和循環(huán)泵配合用以調(diào)節(jié)燃料電池的陰極氣體過量系數(shù)和氣體再循環(huán)系數(shù)，具體控制方法為：

圖3－6 CN109830716B燃料電池控制系統(tǒng)圖

首先獲取燃料電池的工作電壓值，燃料電池工作電壓值可由燃料電池的工作電流、氣體過量系數(shù)和氣體再循環(huán)率來確定。

圖3－7 電流密度和工作電壓關系變化；氣體過量系數(shù)、氣體再循環(huán)率與電流密度關系變化

根據(jù)燃料電池工作電壓值和預設上限電壓值的大小關系，調(diào)整氣體過量系數(shù)和氣體再循環(huán)率，以使燃料電池的工作電壓不大于上限電壓，同時滿足燃料電池的反應氣體通過量在預設范圍內(nèi)。例如，當工作電壓值大于預設上限電壓值時，減小氣體過量系數(shù)，以使燃料電池的工作電壓不大于上限電壓；根據(jù)減小后的氣體過量系數(shù)增大氣體再循環(huán)率，以使燃料電池的反應氣體通過量在預設范圍內(nèi)；重新比較工作電壓值和預設上限電壓值的大�。蝗艄ぷ麟妷褐等源笥陬A設上限電壓值，則繼續(xù)減小氣體過量系數(shù)，以使燃料電池的工作電壓不大于上限電壓。調(diào)整方式可參考以下式子：

（η代表氣體再循環(huán)率，λ0代表氣體再循環(huán)率的初始值，λ代表氣體過量系數(shù)）