图3－3 JP2020057460A燃料电池系统

燃料电池系统如图所示，包括两个电堆11、12，阴极气体供应单元110、阳极气体供应单元120、控制单元4；阴极气体供应单元110包括两个空压机13、14以及控制阀和气体供应通道等。

当燃料电池处于正常操作模式时，可通过控制单元获取所需输出电力值，来决定电堆11、12的发电量，此时空压机13、14均正常运转。当控制单元4确定负载所需功率小于等于预设阈值时（预设阈值为从正常操作变为间歇操作的阈值），燃料电池系统进入间歇操作模式，此时控制单元发出命令使空压机14、阀19关闭、阀20打开，保持空压机13运行，由空压机13向电堆11供应空气。然后由控制单元判断电堆11的电压是否高于上限值（上限值设定为不使催化层发生劣化的最大OCV值），当判断电堆11电压高于上限值时，减少空压机11转速，调节阴极气体流速，使电堆电压重新回落到预定范围内；若当检测到电堆电压低于上限值时，需要进一步判断电堆电压是否低于下限值（下限值设定为在间歇操作期间各电堆可维持电压的下限值；也可理解为当燃料电池系统从间歇操作模式转换为正常操作模式时，电堆输出可立即升高到的电压值）；当判断电堆电压低于下限值时，控制单元发出控制指令使空压机11提高转速，调整空气流速，使电堆电压重回预定范围。若判断电堆电压处于预定范围内，则重新检测负载所需输出是否小于等于预设阈值，若大于预设阈值，则返回正常操作。

图3－4 JP2020057460A操作优化控制流程图

3．2 奥迪公司

下文分析的奥迪公司燃料电池系统控制相关专利的专利公开号为CN107004876B。CN107004876B主要涉及防止电堆停机重启时，残留氢氧直接反应导致催化剂发生劣化。

3．2．1 CN107004876B——一种用于断开燃料电池系统的方法

燃料电池系统停机过程中，停止向电堆供应燃料气体和空气后，阴极侧的空气可能向阳极侧渗透。当燃料电池系统重新启动时，燃料电池两极可能出现较高的电势，导致燃料电池电极催化材料出现碳腐蚀和催化剂老化。为了避免该情况，燃料电池电堆在停止运转时需要尽可能保证阴极侧没有氧气。这样阳极侧的水、氮气和水蒸气组成的气体混合物可以扩散到阳极，并在电堆重新启动时保护电堆。

图3－5 CN107004876B燃料电池系统

参见上图3－5，奥迪公司对燃料电池系统进行了改进，在阴极侧进气通道21和排气通道22上设置了空压机23，增湿器29，阀30、31，旁路阀28，涡轮26。当燃料电池系统进入停机流程，空压机23持续运转，阀30、31和旁路阀28开启，由此可以保证阴极室维持较高的压力。而由于旁路阀28开启，空压机并没有向电堆阴极室引入新的空气，经过一段时间之后，电堆的阴极室内空气中氧气被逐渐消耗，氧气浓度降低。此时关闭阀30和31，将电堆阴极室与外界大气隔离，这样阀31之后的管路内气压值与大气压接近，而阴极室内保持1．5－2．5bar的较高压力。接着测量阴极室内氧气含量，可以利用气体传感器进行检测，也可以直接测量电堆输出电压值的大小来判断氧气浓度是否满足要求。如果氧气浓度已经下降到阈值之内，则控制阀30和31的开闭，使得电堆阴极室的高压低氧含量气体向进气通道21和排气通道22膨胀，而阴极室的压力降低至大气压和初始高压之间的一个低的超压上。再次关闭阀30、31，让电堆阴极室压力维持在超压上，并且此时阴极室内气体的氧气含量符合停机要求，不会因为下次开机导致催化剂劣化。

通过先让阴极室保持较高压力并消耗其中的氧气，再将高压低氧气体通过阀门向管路上下游进行膨胀，保证了阴极室内可以维持较低的氧含量水平，进而实现了避免氧气由阴极侧进入阳极侧，带来催化剂劣化的问题。

3．3 清华大学

下文分析的清华大学燃料电池系统控制相关专利的专利公开号为CN109830716B。CN109830716B主要涉及燃料电池电压控制。

3．3．1 CN107004876B——燃料电池电压控制方法

针对燃料电池电压进行控制，可采取控制输出电流以及调节反应气体供给量的方式。例如，当控制器设置了一个最高工作电压，一旦控制器检测到实际电压超过该设定值时，可控制燃料电池提高输出电流来使电压下降。此种方式虽然操作十分方便，但需要持续提高对外输出电流；另外，还可通过减少反应气体供应量的方式来降低燃料电池的工作电压，然而由于供气减少，会使得让燃料电池内部均一性和一致性恶化加剧，存在失效风险。

基于此，CN109830716B提出了一种燃料电池电压控制方法，可有效确保燃料电池内部的均一性和一致性，提高燃料电池使用寿命，具体如下：

燃料电池控制系统如图3－6所示，通过空压机和循环泵配合用以调节燃料电池的阴极气体过量系数和气体再循环系数，具体控制方法为：

图3－6 CN109830716B燃料电池控制系统图

首先获取燃料电池的工作电压值，燃料电池工作电压值可由燃料电池的工作电流、气体过量系数和气体再循环率来确定。

图3－7 电流密度和工作电压关系变化；气体过量系数、气体再循环率与电流密度关系变化

根据燃料电池工作电压值和预设上限电压值的大小关系，调整气体过量系数和气体再循环率，以使燃料电池的工作电压不大于上限电压，同时满足燃料电池的反应气体通过量在预设范围内。例如，当工作电压值大于预设上限电压值时，减小气体过量系数，以使燃料电池的工作电压不大于上限电压；根据减小后的气体过量系数增大气体再循环率，以使燃料电池的反应气体通过量在预设范围内；重新比较工作电压值和预设上限电压值的大小；若工作电压值仍大于预设上限电压值，则继续减小气体过量系数，以使燃料电池的工作电压不大于上限电压。调整方式可参考以下式子：

（η代表气体再循环率，λ0代表气体再循环率的初始值，λ代表气体过量系数）