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WO2024140888A1 - 燃料电池系统的控制方法 - Google Patents

燃料电池系统的控制方法 Download PDF

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WO2024140888A1
WO2024140888A1 PCT/CN2023/142638 CN2023142638W WO2024140888A1 WO 2024140888 A1 WO2024140888 A1 WO 2024140888A1 CN 2023142638 W CN2023142638 W CN 2023142638W WO 2024140888 A1 WO2024140888 A1 WO 2024140888A1
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WO
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fuel cell
stack
characteristic curve
cell system
output
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Application number
PCT/CN2023/142638
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French (fr)
Inventor
麦建明
白云飞
李红涛
Original Assignee
上海氢晨新能源科技有限公司
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Publication date
Application filed by 上海氢晨新能源科技有限公司 filed Critical 上海氢晨新能源科技有限公司
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present disclosure relates to the field of fuel cell technology, and in particular to a control method and device for a fuel cell system and a fuel cell system.
  • the relative humidity of the membrane electrode needs to be quickly increased to quickly increase the conductivity of the solid electrolyte of the proton exchange membrane fuel cell and quickly establish the catalyst layer ion channel of the proton exchange membrane fuel cell.
  • Fuel cells usually operate at idle conditions according to the operating parameters of normal operating conditions. This operating parameter is suitable for normal operating conditions with high water content, but not suitable for the startup phase where humidity needs to be increased quickly. As a result, it takes a long time for the fuel cell stack water content and output performance to reach the required level. Moreover, the low water content state deviates from the normal operating state, and long-term operation may affect the service life of the fuel cell.
  • the present disclosure provides a method for controlling a fuel cell system, the method comprising:
  • the first characteristic curve is used to characterize the corresponding relationship between the stack output voltage and the stack output current under the starting condition
  • the stack output voltage in the first characteristic curve is smaller than the stack output voltage in the second characteristic curve
  • the second characteristic curve is used to characterize the corresponding relationship between the stack output voltage and the stack output current of the fuel cell system under the operating condition.
  • the method further includes:
  • the output control variable of the power output control system is adjusted according to the second characteristic curve so that the current output voltage and the current output current fall on the second characteristic curve.
  • the target impedance threshold is less than or equal to 1 milliohm per single cell.
  • the present disclosure provides a control device for a fuel cell system, the device comprising:
  • the present disclosure provides a fuel cell system, comprising:
  • FIG1 is a flow chart of a control method for a fuel cell system according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG3 is a schematic structural diagram of a fuel cell system provided by an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of the structure of a control device for a fuel cell system provided by an embodiment of the present disclosure
  • Fuel cell stack 310 Fuel cell stack 310 , power output control system 320 , proportional valve 331 , deionizer 332 , cooling pump 333 , radiator 334 , cooling fan 335 , humidifier 341 , intercooler 342 , air compressor 343 , back pressure valve 344 .
  • control method of the fuel cell system the control device of the fuel cell system, the fuel cell system, the electronic device and the readable storage medium provided by the embodiments of the present disclosure are described in detail through specific embodiments and their application scenarios.
  • the control method of the fuel cell system provided by the embodiment of the present disclosure can quickly increase the absolute water content inside the fuel cell and reduce the saturated vapor pressure, thereby quickly increasing the relative humidity inside the fuel cell during the startup phase.
  • control method of the fuel cell system includes: step 110 and step 120 .
  • the cooling circuit is used to provide coolant for the fuel cell stack 310
  • the anode gas supply system is used to provide gas for the anode of the fuel cell stack 310
  • the cathode gas supply system is used to provide gas for the cathode of the fuel cell stack 310 .
  • the power output control system 320 is used to adjust the output voltage and current of the fuel cell stack 310.
  • the power output control system 320 can be an output control device such as a DC transformer, a DC-AC transformer, a motor driver, and an electronic load.
  • the power output control system 320 can also be or include an electrical system, a motor system, or a power system of the above-mentioned output control devices.
  • Step 110 Obtain the current output voltage and current output current of the fuel cell stack 310 of the fuel cell system.
  • a current sensor and a voltage sensor may be provided on the fuel cell stack 310 .
  • the current sensor is used to detect the current output current of the fuel cell stack 310 in real time
  • the voltage sensor is used to detect the current output voltage of the fuel cell stack 310 in real time.
  • the current output current can represent the battery reaction rate of the battery stack 310.
  • the current output current can be replaced by parameters such as average current density, hydrogen consumption rate, air consumption rate or oxygen consumption rate.
  • the current output voltage can characterize the battery output performance of the battery stack 310 .
  • the current output voltage can be replaced by parameters such as battery output power, output efficiency of the battery stack 310 , high-frequency impedance, activation overpotential, or concentration difference overpotential.
  • Step 120 When it is determined that the fuel cell system is in a startup condition, adjust the output control variables of the power output control system 320 of the fuel cell system according to the first characteristic curve so that the current output voltage and the current output current fall on the first characteristic curve, and control the cooling circuit of the fuel cell system to operate so that the temperature of the stack 310 is lower than the target temperature.
  • the first characteristic curve is used to characterize the corresponding relationship between the stack output voltage and the stack output current under the startup condition.
  • the stack output voltage in the first characteristic curve is smaller than the stack output voltage in the second characteristic curve.
  • the second characteristic curve is used to characterize the corresponding relationship between the stack output voltage and the stack output current of the fuel cell system under the operating condition.
  • the output control variables of the power output control system 320 can be the current, voltage, power equivalent output impedance value, internal resistance compensated output voltage, internal resistance compensated output power, thermal power, electronic device switch duty cycle or other control circuit state parameters that can change the output power of the battery stack 310.
  • the fuel cell system is in a startup condition.
  • the rapid response characteristics of the power output control system 320 enable the actual output of the fuel cell stack 310 to be locked on a preset first characteristic curve, thereby improving the operating stability and service life of the fuel cell stack 310.
  • a first characteristic curve having a lower stack output voltage than the second characteristic curve under operating conditions can output a larger current under the same gas supply conditions of the anode gas supply system and the cathode gas supply system, thereby increasing the amount of water generated in the stack 310.
  • the first characteristic curve is a curve that characterizes the corresponding relationship between the stack output voltage and the stack output current under startup conditions
  • the second characteristic curve is a curve that characterizes the corresponding relationship between the stack output voltage and the stack output current under normal operating conditions.
  • the stack output voltage in the first characteristic curve is smaller than the stack output voltage in the second characteristic curve.
  • the isocondition curve is a relationship curve between the current output voltage or the current output current of the fuel cell stack 310 and the current or voltage corresponding to the current output voltage or the current output current when the corresponding operating parameters and other conditions remain unchanged.
  • the output control variable of the power output control system 320 is adjusted to make the current output voltage or the current output current of the fuel cell stack 310 return to the first characteristic curve or the second characteristic curve.
  • the cooling circuit of the fuel cell system is controlled to operate so that the temperature of the battery stack 310 is lower than the target temperature.
  • Lowering the temperature of the battery stack 310 can reduce the saturated vapor pressure inside the battery stack 310.
  • the saturated vapor pressure inside the battery stack 310 can be reduced to a certain target value, thereby ensuring that the relative humidity inside the battery stack 310 is effectively increased.
  • the output current can be increased, the water generation amount can be increased, and at the same time, the saturated vapor pressure inside the fuel cell can be reduced by working through the cooling circuit, so that the relative humidity inside the fuel cell can be quickly increased during the startup phase.
  • the power output of the fuel cell system is adjusted according to the first characteristic curve.
  • the control method of the fuel cell system may further include:
  • the output control variable of the power output control system 320 is adjusted according to the second characteristic curve so that the current output voltage and the current output current fall on the second characteristic curve.
  • high-frequency impedance also known as high-frequency resistance
  • HFR high-frequency impedance
  • high-frequency impedance is particularly sensitive to changes in relative humidity, and the relative humidity situation in the fuel cell stack 310 can be roughly determined based on the high-frequency impedance of the fuel cell stack 310 .
  • a steam-water separator may be provided at the drain outlet of the battery stack 310 , and the steam-water separator is used to detect whether liquid water droplets are discharged from the drain outlet of the battery stack 310 .
  • the fuel cell system when it is determined that the high-frequency impedance of the fuel cell stack 310 is less than or equal to the target impedance threshold, or when it is determined that liquid water droplets appear at the drain outlet of the fuel cell stack 310, it can be judged that the relative humidity of the fuel cell stack 310 has reached a certain target value, and the fuel cell system completes the startup condition from the inert shutdown state to the active operation state.
  • the power output control system 320 of the fuel cell system is switched to the second characteristic curve corresponding to the normal operating condition for control so that the current output voltage and the current output current fall on the second characteristic curve.
  • the power output control system 320 switches to the second characteristic curve control, and the fuel cell system is in normal operating conditions.
  • the rapid response characteristics of the power output control system 320 enable the actual output of the fuel cell stack 310 to be locked on the preset second characteristic curve, thereby effectively improving the operating stability and service life of the fuel cell stack 310 under operating conditions.
  • the target impedance threshold is less than or equal to 1 milliohm per cell.
  • the target impedance threshold value may be in a range of less than 1 milliohm/cell. In some embodiments, the target impedance threshold value may be in a range of less than 0.5 milliohm/cell.
  • the target impedance threshold value range is below 1 milliohm/single cell.
  • the target impedance threshold value ranges below 1 milliohm/cell, and the specific value of the target impedance threshold value can be determined based on parameters such as the number of cells in the stack 310 and the power generation performance of the fuel cell system.
  • step 120 controlling the cooling circuit of the fuel cell system to operate, may include:
  • the target cooling power is the upper limit of the cooling power range of the cooling circuit.
  • the cooling circuit operates at the maximum target cooling power to ensure that the temperature of the fuel cell stack 310 is lower than the target temperature, thereby minimizing the saturated vapor pressure inside the fuel cell stack 310 and rapidly increasing the relative humidity of the fuel cell system.
  • the target temperature is less than or equal to 40 degrees Celsius.
  • the target temperature ranges below 40 degrees Celsius, and can be 40 degrees Celsius.
  • the saturated vapor pressure corresponding to 40 degrees Celsius can ensure that the relative humidity inside the fuel cell stack 310 is effectively increased.
  • the difference between the first battery stack output voltage in the first characteristic curve and the second battery stack output voltage in the second characteristic curve is 0.01 volts/cell-0.2 volts/cell, and the first battery stack output voltage and the second battery stack output voltage are battery stack output voltages corresponding to the same battery stack output current.
  • the stack output voltage of the first characteristic curve is lower by 0.01 volts to 0.2 volts per single cell on average compared to the stack output voltage of the second characteristic curve.
  • feedback control based on the first characteristic curve can output a larger current, effectively increasing the amount of water generated in the stack 310.
  • the power output control system 320 of the fuel cell system adopts a characteristic curve control strategy, having a reference characteristic curve (second characteristic curve) and a downward shift characteristic curve with a lower voltage (first characteristic curve).
  • the power output control system 320 may also have a 1kHz high frequency impedance function.
  • the processing module 520 is used to adjust the output control variable of the power output control system 320 of the fuel cell system according to the first characteristic curve when it is determined that the fuel cell system is in the startup condition, so that the current output voltage and the current output current fall on the first characteristic curve, and control the cooling circuit of the fuel cell system to work so that the temperature of the stack 310 is lower than the target temperature;
  • the first characteristic curve is used to characterize the corresponding relationship between the stack output voltage and the stack output current under the startup condition.
  • the stack output voltage in the first characteristic curve is smaller than the stack output voltage in the second characteristic curve.
  • the second characteristic curve is used to characterize the corresponding relationship between the stack output voltage and the stack output current of the fuel cell system under the operating condition.
  • the controller determines that the fuel cell system is in the startup condition, the controller adjusts the output control variable of the power output control system 320 according to the first characteristic curve. Through the output adjustment of the power output control system 320, the current output voltage and the current output current fall on the first characteristic curve, and the cooling circuit is controlled to operate so that the temperature of the battery stack 310 is lower than the target temperature.
  • the cathode gas supply system may include: an air compressor 343 , an intercooler 342 , a humidifier 341 , and a back pressure valve 344 .
  • the disclosed embodiment further provides a chip, which includes a processor and a communication interface, wherein the communication interface is coupled to the processor, and the processor is used to run programs or instructions to implement the various processes of the above-mentioned fuel cell system control method embodiment, and can achieve the same technical effect. To avoid repetition, it will not be repeated here.
  • the chip mentioned in the embodiments of the present disclosure may also be referred to as a system-level chip, a system chip, a chip system, or a system-on-chip chip, etc.

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Abstract

燃料电池系统的控制方法包括：获取燃料电池系统的电堆的当前输出电压和当前输出电流；在确定燃料电池系统处于启动工况的情况下，根据第一特性曲线，调整燃料电池系统的电力输出控制系统的输出控制变量，以使当前输出电压和当前输出电流落在第一特性曲线上，并控制燃料电池系统的冷却回路工作，以使电堆的温度小于目标温度。

Description

燃料电池系统的控制方法
相关申请的交叉引用
本申请基于申请号为：202211696129.1，申请日为2022年12月28日的中国专利申请提出，并要求该中国专利申请的优先权，该中国专利申请的全部内容在此引入本申请作为参考。
技术领域
本公开涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种燃料电池系统的控制方法、装置及燃料电池系统。
背景技术
当质子交换膜燃料电池从惰性停机状态启动至活性运行状态，需要快速提升膜电极的相对湿度，以快速提升质子交换膜燃料电池的固态电解质电导率以及快速建立质子交换膜燃料电池的催化剂层离子通道。
燃料电池通常按照正常运行状态的工况参数，在怠速工况下运行，该工况参数适合含水量较高的正常运行状态，不适合需要快速提升湿度的启动阶段，导致需要较长时间才能使燃料电池的电堆含水量和输出性能达到需求水平，而且低含水量状态偏离正常运行状态，长时间运行将可能影响燃料电池使用寿命。
如何在启动阶段快速提升燃料电池内部的相对湿度是燃料电池控制流程中亟需解决的问题。
发明内容
本公开旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本公开提出一种燃料电池系统的控制方法、装置及燃料电池系统，可以在启动阶段快速提升燃料电池内部的相对湿度。
本公开实施例提供了一种燃料电池系统的控制方法，该方法包括：
获取燃料电池系统的电堆的当前输出电压和当前输出电流；
在确定所述燃料电池系统处于启动工况的情况下，根据第一特性曲线，调整所述燃料电池系统的电力输出控制系统的输出控制变量，以使所述当前输出电压和所述当前输出电流落在所述第一特性曲线上，并控制所述燃料电池系统的冷却回路工作，以使所述电堆的温度小于目标温度；
其中，所述第一特性曲线用于表征所述启动工况下的电堆输出电压和电堆输出电流之间的对应关系，所述第一特性曲线中的电堆输出电压均小于第二特性曲线中的电堆输出电压，所述第二特性曲线用于表征所述燃料电池系统在运行工况下的电堆输出电压和电堆输出电流之间的对应关系。
本公开一些实施例中，在所述根据第一特性曲线，调整所述燃料电池系统的电力输出控制系统的输出控制变量，以使所述当前输出电压和所述当前输出电流落在所述第一特性曲线上，并控制所述燃料电池系统的冷却回路工作，以使所述电堆的温度小于目标温度之后，所述方法还包括：
在确定所述电堆的高频阻抗小于或等于目标阻抗阈值，或者确定所述电堆的排水口出现液态水滴的情况下，根据所述第二特性曲线，调整所述电力输出控制系统的输出控制变量，以使所述当前输出电压和所述当前输出电流落在所述第二特性曲线上。
本公开一些实施例中，所述目标阻抗阈值小于或等于1毫欧/单电池。
本公开一些实施例中，所述控制所述燃料电池系统的冷却回路工作，包括：
控制所述冷却回路按目标冷却功率工作，所述目标冷却功率为所述冷却回路的冷却功率范围的上限值。
本公开一些实施例中，所述第一特性曲线中的第一电堆输出电压与所述第二特性曲线中的第二电堆输出电压的差值为0.01伏/单电池-0.2伏/单电池，所述第一电堆输出电压和所述第二电堆输出电压为同一电堆输出电流对应的电堆输出电压。
本公开一些实施例中，所述目标温度小于或等于40摄氏度。
本公开实施例提供了一种燃料电池系统的控制装置，该装置包括：
获取模块，用于获取燃料电池系统的电堆的当前输出电压和当前输出电流；
处理模块，用于在确定所述燃料电池系统处于启动工况的情况下，根据第一特性曲线，调整所述燃料电池系统的电力输出控制系统的输出控制变量，以使所述当前输出电压和所述当前输出电流落在所述第一特性曲线上，并控制所述燃料电池系统的冷却回路工作，以使所述电堆的温度小于目标温度；
其中，所述第一特性曲线用于表征所述启动工况下的电堆输出电压和电堆输出电流之间的对应关系，所述第一特性曲线中的电堆输出电压均小于第二特性曲线中的电堆输出电压，所述第二特性曲线用于表征所述燃料电池系统在运行工况下的电堆输出电压和电堆输出电流之间的对应关系。
本公开实施例提供了一种燃料电池系统，包括：
电堆；
冷却回路，所述冷却回路与所述电堆连接，所述冷却回路用于为所述电堆提供冷却 液；
电力输出控制系统，所述电力输出控制系统与所述电堆连接，所述电力输出控制系统用于调整所述电堆的输出电压和所述电流；
阳极供气系统，所述阳极供气系统与所述电堆的阳极连接，所述阳极供气系统用于为所述电堆的阳极提供气体；
阴极供气系统，所述阴极供气系统与所述电堆的阴极连接，所述阴极供气系统用于为所述电堆的阴极提供气体；
控制器，所述控制器与所述冷却回路、所述电力输出控制系统、所述阳极供气系统和所述阴极供气系统电连接，所述控制器用于基于上述第一方面所述燃料电池系统的控制方法，控制所述冷却回路和所述电力输出控制系统工作。
本公开实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述第一方面所述的燃料电池系统的控制方法。
本公开实施例提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述第一方面所述的燃料电池系统的控制方法。
本公开实施例提供了一种芯片，所述芯片包括处理器和通信接口，所述通信接口和所述处理器耦合，所述处理器用于运行程序或指令，实现如第一方面所述的燃料电池系统的控制方法。
本公开实施例提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述第一方面所述的燃料电池系统的控制方法。
本公开实施例带来了以下有益效果：
通过采用比正常运行工况的第二特性曲线的电压更低的第一特性曲线进行电流电压控制，可以提高输出电流，提升水生成量，同时通过冷却回路工作，降低燃料电池内部的饱和蒸汽压，在启动阶段快速提升燃料电池内部的相对湿度。
本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本公开的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本公开实施例提供的燃料电池系统的控制方法的流程示意图之一；
图2是本公开实施例提供的第一特性曲线和第二特性曲线的示意图；
图3是本公开实施例提供的燃料电池系统的结构示意图；
图4是本公开实施例提供的燃料电池系统的控制方法的流程示意图之二；
图5是本公开实施例提供的燃料电池系统的控制装置的结构示意图；
图6是本公开实施例提供的电子设备的结构示意图。
附图标记：
电堆310，电力输出控制系统320，比例阀331，去离子器332，冷却泵333，散热
排334，散热扇335，增湿器341，中冷器342，空压机343，背压阀344。
具体实施方式
下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
本公开的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本公开的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本公开实施例提供的燃料电池系统的控制方法、燃料电池系统的控制装置、燃料电池系统、电子设备和可读存储介质进行详细地说明。
其中，燃料电池系统的控制方法可应用于终端，具体可由，终端中的硬件或软件执行。
该终端包括但不限于具有触摸敏感表面(例如，触摸屏显示器和/或触摸板)的移动电话或平板电脑等便携式通信设备。还应当理解的是，在某些实施例中，该终端可以不是便携式通信设备，而是具有触摸敏感表面(例如，触摸屏显示器和/或触摸板)的台式计算机。
以下各个实施例中，描述了包括显示器和触摸敏感表面的终端。然而，应当理解的是，终端可以包括诸如物理键盘、鼠标和控制杆的一个或多个其它物理用户接口设备。
本公开实施例提供的燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统的控制方法的执行主体可以为电子设备或者电子设备中能够实现该燃料电池系统的控制方法的功能模块或功能实体，本公开实施例提及的电子设备包括但不限于手机、平板电脑、电脑、相机 和可穿戴设备等，下面以电子设备作为执行主体为例对本公开实施例提供的燃料电池系统的控制方法进行说明。
需要说明的是，影响燃料电池固态电解质导电能力的主要因素是相对湿度，该因素取决于燃料电池内的绝对水含量和饱和蒸汽压，快速提高相对湿度，一方面要提高含水量，另一方面要降低饱和蒸汽压。
本公开实施例提供的燃料电池系统的控制方法，可以快速提高燃料电池内部的绝对含水量，并降低饱和蒸汽压，在启动阶段快速提升燃料电池内部的相对湿度。
如图1所示，该燃料电池系统的控制方法包括：步骤110和步骤120。
在本公开实施例中，燃料电池系统可以包括电堆310、冷却回路、电力输出控制系统320、阳极供气系统和阴极供气系统等部件。
冷却回路用于为电堆310提供冷却液，阳极供气系统用于为电堆310的阳极提供气体，阴极供气系统用于为电堆310的阴极提供气体。
电力输出控制系统320用于调整电堆310的输出电压和电流，电力输出控制系统320可以为直流变压器、直流交流变压器、电动机驱动器和电子负载等输出控制设备，电力输出控制系统320也可以为或包含上述输出控制设备的电系统、电机系统或电力系统。
步骤110、获取燃料电池系统的电堆310的当前输出电压和当前输出电流。
在该实施例中，可以在电堆310上设置电流传感器和电压传感器，电流传感器用于实时检测电堆310的当前输出电流，电压传感器用于实时检测电堆310的当前输出电压。
需要说明的是，当前输出电流可以表征电堆310的电池反应速率，在一些实施例中，当前输出电流可以采用平均电流密度、氢气消耗率、空气消耗率或氧气消耗率等参数代替。
当前输出电压可以表征电堆310的电池输出性能，在一些实施例中，当前输出电压可以采用电池输出功率、电堆310的输出效率、高频阻抗、活化过电势或浓差过电势等参数代替。
步骤120、在确定燃料电池系统处于启动工况的情况下，根据第一特性曲线，调整燃料电池系统的电力输出控制系统320的输出控制变量，以使当前输出电压和当前输出电流落在第一特性曲线上，并控制燃料电池系统的冷却回路工作，以使电堆310的温度小于目标温度。
其中，第一特性曲线用于表征启动工况下的电堆输出电压和电堆输出电流之间的对应关系，第一特性曲线中的电堆输出电压均小于第二特性曲线中的电堆输出电压，第二特性曲线用于表征燃料电池系统在运行工况下的电堆输出电压和电堆输出电流之间的对应关系。
在该实施例中，确定燃料电池系统处于启动工况，基于电堆310的当前输出电压和当前输出电流，以第一特性曲线为基准，通过调整电力输出控制系统320的输出控制变量，进行反馈调节，使得当前输出电压和当前输出电流落在第一特性曲线上。
电力输出控制系统320的输出控制变量可以为电堆310输出的电流、电压、功率等效输出阻抗值、内阻补偿输出电压、内阻补偿输出功率、热功率、电子器件开关占空比或其他可改变电堆310输出电功率的控制电路状态参数。
在该实施例中，燃料电池系统处于启动工况，在阳极供气系统和阴极供气系统动态变化的过程中，通过电力输出控制系统320的快速响应特性，使得电堆310的实际输出锁定在预设的第一特性曲线上，提升电堆310运行稳定性和使用寿命。
需要说明的是，基于特性曲线的控制策略，采用比运行工况下的第二特性曲线的电堆输出电压低的第一特性曲线，在阳极供气系统和阴极供气系统同样的供气量条件下，可以输出更大的电流，提升电堆310内的水生成量。
如图2所示，第一特性曲线为表征启动工况下的电堆输出电压和电堆输出电流之间的对应关系的曲线，第二特性曲线为表征正常的运行工况下的电堆输出电压和电堆输出电流之间的对应关系的曲线，第一特性曲线中的电堆输出电压均小于第二特性曲线中的电堆输出电压。
其中，等条件曲线为对应工况参数等条件不变的情况下，电堆310的当前输出电压或当前输出电流所对应的电流或电压的关系曲线，在燃料电池系统运行过程中，调整电力输出控制系统320的输出控制变量，可以使电堆310的当前输出电压或当前输出电流回到的第一特性曲线或第二特性曲线上。
需要说明的是，在燃料电池系统的电堆310发生电化学反应输出电流时，会产生水提高含水量，同时会产生大量的热提高温度，导致饱和蒸汽压升高。
在该实施例中，通过电力输出控制系统320基于第一特性曲线进行反馈调节的同时，控制燃料电池系统的冷却回路工作，以使电堆310的温度小于目标温度，降低电堆310的温度，可以降低电堆310内部的饱和蒸汽压，使电堆310的温度小于目标温度，可以保证电堆310内部的饱和蒸汽压降低至一定的目标值，以保证电堆310内部的相对湿度的有效提升。
根据本公开实施例提供的燃料电池系统的控制方法，通过采用比正常运行工况的第二特性曲线的电压更低的第一特性曲线进行电流电压控制，可以提高输出电流，提升水生成量，同时通过冷却回路工作，降低燃料电池内部的饱和蒸汽压，在启动阶段快速提升燃料电池内部的相对湿度。
在一些实施例中，在步骤120、根据第一特性曲线，调整燃料电池系统的电力输出 控制系统320的输出控制变量，以使当前输出电压和当前输出电流落在第一特性曲线上，并控制燃料电池系统的冷却回路工作，以使电堆310的温度小于目标温度之后，燃料电池系统的控制方法还可以包括：
在确定电堆310的高频阻抗小于或等于目标阻抗阈值，或者确定电堆310的排水口出现液态水滴的情况下，根据第二特性曲线，调整电力输出控制系统320的输出控制变量，以使当前输出电压和当前输出电流落在第二特性曲线上。
其中，高频阻抗(HFR)又称为高频电阻，可以通过HFR传感器测量。
需要说明的是，在燃料电池系统中，高频阻抗对于相对湿度的变化特别敏感，可以根据电堆310的高频阻抗，大致判断电堆310内湿度的相对情况。
电堆310的排水口可以设置汽水分离器，通过汽水分离器检测电堆310的排水口是否排出液态水滴。
在该实施例中，在确定电堆310的高频阻抗小于或等于目标阻抗阈值，或者确定电堆310的排水口出现液态水滴的情况下，可以判断电堆310的相对湿度已达到一定的目标值，燃料电池系统完成从惰性停机状态至活性运行状态的启动工况。
将燃料电池系统的电力输出控制系统320切换至正常运行工况对应的第二特性曲线进行控制，以使当前输出电压和当前输出电流落在第二特性曲线上。
在该实施例中，电力输出控制系统320切换至第二特性曲线控制，燃料电池系统处于正常的运行工况，在阳极供气系统和阴极供气系统动态变化的过程中，通过电力输出控制系统320的快速响应特性，使得电堆310的实际输出锁定在预设的第二特性曲线上，有效提升运行工况下电堆310运行稳定性和使用寿命。
在一些实施例中，目标阻抗阈值小于或等于1毫欧/单电池。
在该实施例中，目标阻抗阈值的取值范围可以在1毫欧/单电池以下，在一些实施例中，目标阻抗阈值的取值范围可以在0.5毫欧/单电池以下。
目标阻抗阈值的取值范围在1毫欧/单电池以下，当电堆310的高频阻抗小于或等于目标阻抗阈值时，可以判断燃料电池系统完成了从惰性停机状态至活性运行状态的启动工况，电堆310的固态电解质电导率已达标，催化剂层离子通道也已建立。
在实际执行中，目标阻抗阈值的取值范围在1毫欧/单电池以下，目标阻抗阈值的具体取值可以根据电堆310内单电池的数目以及燃料电池系统发电性能等参数确定。
在该实施例中，测量电堆310的高频阻抗，其测量频率可以为1千赫兹(kHz)。
在一些实施例中，步骤120、控制燃料电池系统的冷却回路工作，可以包括：
控制冷却回路按目标冷却功率工作。
其中，目标冷却功率为冷却回路的冷却功率范围的上限值。
在该实施例中，在启动工况阶段，电力输出控制系统320基于第一特性曲线控制进行控制时，冷却回路按照最大的目标冷却功率工作，保证电堆310的温度小于目标温度，最大程度的降低电堆310内部的饱和蒸汽压，快速提升燃料电池系统的相对湿度。
在实际执行中，控制冷却回路按目标冷却功率工作，可以控制冷却回路中的散热扇335按照最大散热扇功率工作，也可以控制冷却回路中的冷却泵333按照最大冷却泵功率，为燃料电池系统提供最高的冷却效率。
在一些实施例中，目标温度小于或等于40摄氏度。
在该实施例中，目标温度的取值范围在40摄氏度以下，可以取40摄氏度，40摄氏度所对应的饱和蒸汽压，可以保证电堆310内部的相对湿度的有效提升。
在一些实施例中，第一特性曲线中的第一电堆输出电压与第二特性曲线中的第二电堆输出电压的差值为0.01伏/单电池-0.2伏/单电池，第一电堆输出电压和第二电堆输出电压为同一电堆输出电流对应的电堆输出电压。
在该实施例中，第一特性曲线的电堆输出电压相比第二特性曲线的电堆输出电压，平均每个单电池降低0.01伏-0.2伏，在阳极供气系统和阴极供气系统同样的供气量条件下，基于第一特性曲线进行反馈控制，可以输出较大电流，有效提升电堆310内的水生成量。
在一些实施例中，第一特性曲线中的第一电堆输出电压与第二特性曲线中的第二电堆输出电压的差值可以为0.05伏/单电池-0.2伏/单电池，有效保证电堆310内的水生成量的提升。
下面介绍一个具体的实施例。
如图4所示，燃料电池系统的电力输出控制系统320采用特性曲线控制策略，具有一条基准特性曲线(第二特性曲线)和一条电压更低的下移特性曲线(第一特性曲线)，电力输出控制系统320还可以具有1kHz高频阻抗功能。
启动燃料电池系统，先采用低于基准特性曲线的下移特性曲线执行特性控制策略，冷却回路采用最大散热扇335功率和最大冷却泵333功率工作，将电堆310温度控制在40℃以下，其他阳极供气系统和阴极供气系统按照系统功率输出需求正常运行。
直到燃料电池系统的高频阻抗降低至阈值，或者电堆310排气口的汽水分离器出现液态水滴，电力输出控制系统320再切换至基础特性曲线进行特性曲线控制策略。
在该实施例中，在启动阶段，采用低于基准特性曲线的下移特性曲线，提高输出电流，提升水生成量，同时控制冷却回路按最大冷却功率工作，降低燃料电池内部的饱和蒸汽压，快速提升燃料电池内部的相对湿度，通过电力输出控制系统320基于特性曲线的控制策略，进行快速响应特性，使得电堆310的实际输出锁定在预设的特性曲线上， 提升电堆310运行稳定性和使用寿命。
本公开实施例提供的燃料电池系统的控制方法，执行主体可以为燃料电池系统的控制装置。本公开实施例中以燃料电池系统的控制装置执行燃料电池系统的控制方法为例，说明本公开实施例提供的燃料电池系统的控制装置。
本公开实施例还提供一种燃料电池系统的控制装置。
如图5所示，该燃料电池系统的控制装置包括：
获取模块510，用于获取燃料电池系统的电堆310的当前输出电压和当前输出电流；
处理模块520，用于在确定燃料电池系统处于启动工况的情况下，根据第一特性曲线，调整燃料电池系统的电力输出控制系统320的输出控制变量，以使当前输出电压和当前输出电流落在第一特性曲线上，并控制燃料电池系统的冷却回路工作，以使电堆310的温度小于目标温度；
其中，第一特性曲线用于表征启动工况下的电堆输出电压和电堆输出电流之间的对应关系，第一特性曲线中的电堆输出电压均小于第二特性曲线中的电堆输出电压，第二特性曲线用于表征燃料电池系统在运行工况下的电堆输出电压和电堆输出电流之间的对应关系。
根据本公开实施例提供的燃料电池系统的控制装置，通过采用比正常运行工况的第二特性曲线的电压更低的第一特性曲线进行电流电压控制，可以提高输出电流，提升水生成量，同时通过冷却回路工作，降低燃料电池内部的饱和蒸汽压，在启动阶段快速提升燃料电池内部的相对湿度。
在一些实施例中，处理模块520用于在确定电堆310的高频阻抗小于或等于目标阻抗阈值，或者确定电堆310的排水口出现液态水滴的情况下，根据第二特性曲线，调整电力输出控制系统320的输出控制变量，以使当前输出电压和当前输出电流落在第二特性曲线上。
在一些实施例中，目标阻抗阈值小于或等于1毫欧/单电池。
在一些实施例中，处理模块520用于控制冷却回路按目标冷却功率工作，目标冷却功率为冷却回路的冷却功率范围的上限值。
在一些实施例中，第一特性曲线中的第一电堆输出电压与第二特性曲线中的第二电堆输出电压的差值为0.01伏/单电池-0.2伏/单电池，第一电堆输出电压和第二电堆输出电压为同一电堆输出电流对应的电堆输出电压。
在一些实施例中，目标温度小于或等于40摄氏度。
本公开实施例中的燃料电池系统的控制装置可以是电子设备，也可以是电子设备中的部件，例如集成电路或芯片。该电子设备可以是终端，也可以为除终端之外的其他设 备。示例性的，电子设备可以为手机、平板电脑、笔记本电脑、掌上电脑、车载电子设备、移动上网装置(Mobile Internet Device，MID)、增强现实(augmented reality，AR)/虚拟现实(virtual reality，VR)设备、机器人、可穿戴设备、超级移动个人计算机(ultra-mobile personal computer，UMPC)、上网本或者个人数字助理(personal digital assistant，PDA)等，还可以为服务器、网络附属存储器(Network Attached Storage，NAS)、个人计算机(personal computer，PC)、电视机(television，TV)、柜员机或者自助机等，本公开实施例不作具体限定。
本公开实施例中的燃料电池系统的控制装置可以为具有操作系统的装置。该操作系统可以为安卓(Android)操作系统，可以为IOS操作系统，还可以为其他可能的操作系统，本公开实施例不作具体限定。
本公开实施例提供的燃料电池系统的控制装置能够实现图1、图2及图4的方法实施例实现的各个过程，为避免重复，这里不再赘述。
本公开实施例还提供一种燃料电池系统。
如图3所示，燃料电池系统包括：电堆310、冷却回路、电力输出控制系统320、阳极供气系统、阴极供气系统和控制器。
冷却回路与电堆310连接，冷却回路用于为电堆310提供冷却液，电力输出控制系统320与电堆310连接，电力输出控制系统320用于调整电堆310的输出电压和电流。
阳极供气系统与电堆310的阳极连接，阳极供气系统用于为电堆310的阳极提供气体，阴极供气系统与电堆310的阴极连接，阴极供气系统用于为电堆310的阴极提供气体。
控制器与冷却回路、电力输出控制系统320、阳极供气系统和阴极供气系统电连接，控制器用于基于上述燃料电池系统的控制方法，控制冷却回路和电力输出控制系统320工作。
在该实施例中，可以在电堆310上设置电流传感器和电压传感器，电流传感器用于实时检测电堆310的当前输出电流，电压传感器用于实时检测电堆310的当前输出电压。
控制器在确定燃料电池系统处于启动工况的情况下，根据第一特性曲线，调整电力输出控制系统320的输出控制变量，通过电力输出控制系统320的输出调整，使当前输出电压和当前输出电流落在第一特性曲线上，控制冷却回路工作，以使电堆310的温度小于目标温度。
根据本公开实施例提供的燃料电池系统，通过采用比正常运行工况的第二特性曲线的电压更低的第一特性曲线进行电流电压控制，可以提高输出电流，提升水生成量，同时通过冷却回路工作，降低燃料电池内部的饱和蒸汽压，在启动阶段快速提升燃料电池 内部的相对湿度。
在一些实施例中，冷却回路可以包括：比例阀331、冷却泵333、去离子器332和散热装置。
如图3所示，比例阀331的输入端与电堆310的冷却液输出端连接，冷却泵333的输出端与电堆310的冷却液输入端连接，去离子器332连接于比例阀331的输出端和冷却泵333的输入端之间，散热装置连接于比例阀331的输出端和冷却泵333的输入端之间。
比例阀331可以调节电堆310的冷却液输出，去离子器332可以将冷却液中的带电离子如钙、钠离子，管路析出铜、铁离子等去除，使得冷却液中导电离子浓度大幅降低，保证燃料电池系统安全稳定运行。
冷却泵333可以将经过去离子器332和散热装置处理的冷却液泵送到电堆310中，散热装置可以包括散热排334和散热扇335，散热装置通过与冷却液进行热交换，实现散热功能。
在一些实施例中，阴极供气系统可以包括：空压机343、中冷器342、增湿器341和背压阀344。
在该实施例中，中冷器342的输入端与空压机343的输出端连接，增湿器341的第一输入端与中冷器342的输出端连接，增湿器341的第一输出端与电堆310的阴极气体输入端连接，增湿器341的第二输入端与电堆310的阴极气体输出端连接，背压阀344的输入端与增湿器341的第二输出端连接。
外部空气依次经过空压机343、中冷器342和增湿器341进入电堆310，中冷器342可以降低空压机343增压后的空气温度，增湿器341可以提升进入电堆310的空气湿度，从电堆310的阴极气体输出端排出的尾排气经过背压阀344后排出。
在一些实施例中，如图6所示，本公开实施例还提供一种电子设备600，包括处理器601、存储器602及存储在存储器602上并可在处理器601上运行的计算机程序，该程序被处理器601执行时实现上述燃料电池系统的控制方法实施例的各个过程，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。
需要说明的是，本公开实施例中的电子设备包括上述所述的移动电子设备和非移动电子设备。
本公开实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述燃料电池系统的控制方法实施例的各个过程，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。
其中，所述处理器为上述实施例中所述的电子设备中的处理器。所述可读存储介质， 包括计算机可读存储介质，如计算机只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、磁碟或者光盘等。
本公开实施例还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述燃料电池系统的控制方法。
其中，所述处理器为上述实施例中所述的电子设备中的处理器。所述可读存储介质，包括计算机可读存储介质，如计算机只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、磁碟或者光盘等。
本公开实施例另提供了一种芯片，所述芯片包括处理器和通信接口，所述通信接口和所述处理器耦合，所述处理器用于运行程序或指令，实现上述燃料电池系统的控制方法实施例的各个过程，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。
应理解，本公开实施例提到的芯片还可以称为系统级芯片、系统芯片、芯片系统或片上系统芯片等。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。此外，需要指出的是，本公开实施方式中的方法和装置的范围不限按示出或讨论的顺序来执行功能，还可包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序来执行功能，例如，可以按不同于所描述的次序来执行所描述的方法，并且还可以添加、省去、或组合各种步骤。另外，参照某些示例所描述的特征可在其他示例中被组合。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本公开的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以计算机软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等)执行本公开各个实施例所述的方法。
上面结合附图对本公开的实施例进行了描述，但是本公开并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本公开的启示下，在不脱离本公开宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本公开的保护之内。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施 例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本公开的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本公开的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本公开的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (12)

  1. 一种燃料电池系统的控制方法，其中，包括：
    获取燃料电池系统的电堆的当前输出电压和当前输出电流；
    在确定所述燃料电池系统处于启动工况的情况下，根据第一特性曲线，调整所述燃料电池系统的电力输出控制系统的输出控制变量，以使所述当前输出电压和所述当前输出电流落在所述第一特性曲线上，并控制所述燃料电池系统的冷却回路工作，以使所述电堆的温度小于目标温度；
    其中，所述第一特性曲线用于表征所述启动工况下的电堆输出电压和电堆输出电流之间的对应关系，所述第一特性曲线中的电堆输出电压均小于第二特性曲线中的电堆输出电压，所述第二特性曲线用于表征所述燃料电池系统在运行工况下的电堆输出电压和电堆输出电流之间的对应关系。
  2. 根据权利要求1所述的燃料电池系统的控制方法，其中，在所述根据第一特性曲线，调整所述燃料电池系统的电力输出控制系统的输出控制变量，以使所述当前输出电压和所述当前输出电流落在所述第一特性曲线上，并控制所述燃料电池系统的冷却回路工作，以使所述电堆的温度小于目标温度之后，所述方法还包括：
    在确定所述电堆的高频阻抗小于或等于目标阻抗阈值，或者确定所述电堆的排水口出现液态水滴的情况下，根据所述第二特性曲线，调整所述电力输出控制系统的输出控制变量，以使所述当前输出电压和所述当前输出电流落在所述第二特性曲线上。
  3. 根据权利要求2所述的燃料电池系统的控制方法，其中，所述目标阻抗阈值小于或等于1毫欧/单电池。
  4. 根据权利要求1-3任一项所述的燃料电池系统的控制方法，其中，所述控制所述燃料电池系统的冷却回路工作，包括：
    控制所述冷却回路按目标冷却功率工作，所述目标冷却功率为所述冷却回路的冷却功率范围的上限值。
  5. 根据权利要求1-4任一项所述的燃料电池系统的控制方法，其中，所述第一特性曲线中的第一电堆输出电压与所述第二特性曲线中的第二电堆输出电压的差值为0.01伏/单电池-0.2伏/单电池，所述第一电堆输出电压和所述第二电堆输出电压为同一电堆输出电流对应的电堆输出电压。
  6. 根据权利要求1-5任一项所述的燃料电池系统的控制方法，其中，所述目标温度小于或等于40摄氏度。
  7. 一种燃料电池系统的控制装置，其中，包括：
    获取模块，用于获取燃料电池系统的电堆的当前输出电压和当前输出电流；
    处理模块，用于在确定所述燃料电池系统处于启动工况的情况下，根据第一特性曲线，调整所述燃料电池系统的电力输出控制系统的输出控制变量，以使所述当前输出电压和所述当前输出电流落在所述第一特性曲线上，并控制所述燃料电池系统的冷却回路工作，以使所述电堆的温度小于目标温度；
    其中，所述第一特性曲线用于表征所述启动工况下的电堆输出电压和电堆输出电流之间的对应关系，所述第一特性曲线中的电堆输出电压均小于第二特性曲线中的电堆输出电压，所述第二特性曲线用于表征所述燃料电池系统在运行工况下的电堆输出电压和电堆输出电流之间的对应关系。
  8. 一种燃料电池系统，其中，包括：
    电堆；
    冷却回路，所述冷却回路与所述电堆连接，所述冷却回路用于为所述电堆提供冷却液；
    电力输出控制系统，所述电力输出控制系统与所述电堆连接，所述电力输出控制系统用于调整所述电堆的输出电压和所述电流；
    阳极供气系统，所述阳极供气系统与所述电堆的阳极连接，所述阳极供气系统用于为所述电堆的阳极提供气体；
    阴极供气系统，所述阴极供气系统与所述电堆的阴极连接，所述阴极供气系统用于为所述电堆的阴极提供气体；
    控制器，所述控制器与所述冷却回路、所述电力输出控制系统、所述阳极供气系统和所述阴极供气系统电连接，所述控制器用于基于权利要求1-6任一项所述燃料电池系统的控制方法，控制所述冷却回路和所述电力输出控制系统工作。
  9. 根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中，所述冷却回路包括：
    比例阀，所述比例阀的输入端与所述电堆的冷却液输出端连接；
    冷却泵，所述冷却泵的输出端与所述电堆的冷却液输入端连接；
    去离子器，所述去离子器连接于所述比例阀的输出端和所述冷却泵的输入端之间；
    散热装置，所述散热装置连接于所述比例阀的输出端和所述冷却泵的输入端之间。
  10. 根据权利要求8或9所述的燃料电池系统，其中，所述阴极供气系统包括：
    空压机；
    中冷器，所述中冷器的输入端与所述空压机的输出端连接；
    增湿器，所述增湿器的第一输入端与所述中冷器的输出端连接，所述增湿器的第一输出端与所述电堆的阴极气体输入端连接，所述增湿器的第二输入端与所述电堆的阴极气体输出端连接；
    背压阀，所述背压阀的输入端与增湿器的第二输出端连接。
  11. 一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-6任一项所述燃料电池系统的控制方法。
  12. 一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-6任一项所述的燃料电池系统的控制方法。
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