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(gè)電堆11、12，陰極氣體供應(yīng)單元110、陽(yáng)極氣體供應(yīng)單元120、控制單元4；陰極氣體供應(yīng)單元110包括兩個(gè)空壓機(jī)13、14以及控制閥和氣體供應(yīng)通道等。

當(dāng)燃料電池處于正常操作模式時(shí)，可通過(guò)控制單元獲取所需輸出電力值，來(lái)決定電堆11、12的發(fā)電量，此時(shí)空壓機(jī)13、14均正常運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)控制單元4確定負(fù)載所需功率小于等于預(yù)設(shè)閾值時(shí)（預(yù)設(shè)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(jìn)入間歇操作模式，此時(shí)控制單元發(fā)出命令使空壓機(jī)14、閥19關(guān)閉、閥20打開(kāi)，保持空壓機(jī)13運(yùn)行，由空壓機(jī)13向電堆11供應(yīng)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(shè)定為不使催化層發(fā)生劣化的最大OCV值），當(dāng)判斷電堆11電壓高于上限值時(shí)，減少空壓機(jī)11轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)陰極氣體流速，使電堆電壓重新回落到預(yù)定范圍內(nèi)；若當(dāng)檢測(cè)到電堆電壓低于上限值時(shí)，需要進(jìn)一步判斷電堆電壓是否低于下限值（下限值設(shè)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(dāng)燃料電池系統(tǒng)從間歇操作模式轉(zhuǎn)換為正常操作模式時(shí)，電堆輸出可立即升高到的電壓值）；當(dāng)判斷電堆電壓低于下限值時(shí)，控制單元發(fā)出控制指令使空壓機(jī)11提高轉(zhuǎn)速，調(diào)整空氣流速，使電堆電壓重回預(yù)定范圍。若判斷電堆電壓處于預(yù)定范圍內(nèi)，則重新檢測(cè)負(fù)載所需輸出是否小于等于預(yù)設(shè)閾值，若大于預(yù)設(shè)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(guān)專利的專利公開(kāi)號(hào)為CN107004876B。CN107004876B主要涉及防止電堆停機(jī)重啟時(shí)，殘留氫氧直接反應(yīng)導(dǎo)致催化劑發(fā)生劣化。

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

燃料電池系統(tǒng)停機(jī)過(guò)程中，停止向電堆供應(yīng)燃料氣體和空氣后，陰極側(cè)的空氣可能向陽(yáng)極側(cè)滲透。當(dāng)燃料電池系統(tǒng)重新啟動(dòng)時(shí)，燃料電池兩極可能出現(xiàn)較高的電勢(shì)，導(dǎo)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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)需要盡可能保證陰極側(cè)沒(méi)有氧氣。這樣陽(yáng)極側(cè)的水、氮?dú)夂退�蒸氣組成的氣體混合物可以擴(kuò)散到陽(yáng)極，并在電堆重新啟動(dòng)時(shí)保護(hù)電堆。

圖3－5 CN107004876B燃料電池系統(tǒng)

參見(jiàn)上圖3－5，奧迪公司對(duì)燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，在陰極側(cè)進(jìn)氣通道21和排氣通道22上設(shè)置了空壓機(jī)23，增濕器29，閥30、31，旁路閥28，渦輪26。當(dāng)燃料電池系統(tǒng)進(jìn)入停機(jī)流程，空壓機(jī)23持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，閥30、31和旁路閥28開(kāi)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(kāi)啟，空壓機(jī)并沒(méi)有向電堆陰極室引入新的空氣，經(jīng)過(guò)一段時(shí)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(shí)關(guān)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(cè)量陰極室內(nèi)氧氣含量，可以利用氣體傳感器進(jìn)行檢測(cè)，也可以直接測(cè)量電堆輸出電壓值的大小來(lái)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(kāi)閉，使得電堆陰極室的高壓低氧含量氣體向進(jìn)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(gè)低的超壓上。再次關(guān)閉閥30、31，讓電堆陰極室壓力維持在超壓上，并且此時(shí)陰極室內(nèi)氣體的氧氣含量符合停機(jī)要求，不會(huì)因?yàn)橄麓伍_(kāi)機(jī)導(dǎo)致催化劑劣化。

通過(guò)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(guò)閥門(mén)向管路上下游進(jìn)行膨脹，保證了陰極室內(nèi)可以維持較低的氧含量水平，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了避免氧氣由陰極側(cè)進(jìn)入陽(yáng)極側(cè)，帶來(lái)催化劑劣化的問(wèn)題。

3．3 清華大學(xué)

下文分析的清華大學(xué)燃料電池系統(tǒng)控制相關(guān)專利的專利公開(kāi)號(hào)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(duì)燃料電池電壓進(jìn)行控制，可采取控制輸出電流以及調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體供給量的方式。例如，當(dāng)控制器設(shè)置了一個(gè)最高工作電壓，一旦控制器檢測(cè)到實(shí)際電壓超過(guò)該設(shè)定值時(shí)，可控制燃料電池提高輸出電流來(lái)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(duì)外輸出電流；另外，還可通過(guò)減少反應(yīng)氣體供應(yīng)量的方式來(lái)降低燃料電池的工作電壓，然而由于供氣減少，會(huì)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(fēng)險(xiǎn)。

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(guò)空壓機(jī)和循環(huán)泵配合用以調(diào)節(jié)燃料電池的陰極氣體過(guò)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(guò)量系數(shù)和氣體再循環(huán)率來(lái)確定。

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

根據(jù)燃料電池工作電壓值和預(yù)設(shè)上限電壓值的大小關(guān)系，調(diào)整氣體過(guò)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(shí)滿足燃料電池的反應(yīng)氣體通過(guò)量在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。例如，當(dāng)工作電壓值大于預(yù)設(shè)上限電壓值時(shí)，減小氣體過(guò)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(guò)量系數(shù)增大氣體再循環(huán)率，以使燃料電池的反應(yīng)氣體通過(guò)量在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)；重新比較工作電壓值和預(yù)設(shè)上限電壓值的大�。蝗艄ぷ麟妷褐等源笥陬A(yù)設(shè)上限電壓值，則繼續(xù)減小氣體過(guò)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(guò)量系數(shù)）