CN117059841A - 燃料电池***的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了燃料电池***的控制方法，所述燃料电池***用于向***负载供电，并且包括燃料电池堆以及用于将来自阴极气体源的阴极气体输送至燃料电池堆的阴极气体输送管线，所述控制方法包括以下步骤：S201：每隔功率检测间隔时间ΔtP检测***负载的功率请求Preq；S202：将功率请求Preq与预设最小功率请求Pmin进行比较，如果Preq>Pmin，则执行S203；如果Preq≤Pmin，则执行S204；S203：控制燃料电池***以满足功率请求Preq；S204：检测燃料电池堆的电压V；S205：将电压V与预设最小电压Vmin和预设最大电压Vmax进行比较，如果V≥Vmax，则执行S206；如果V≤Vmin，则执行S207，其中，Vmax>Vmin；S206：控制阴极气体输送管线的状态为断开；以及S207：控制阴极气体输送管线的状态为导通。

Description

燃料电池***的控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，更具体地，涉及一种用于控制燃料电池***的方法。
背景技术
燃料电池因其发电效率高、环境污染小、比能量高等诸多优点而发展成为主要发电技术之一。作为一种典型的燃料电池，质子交换膜型燃料电池(PEMFC)是一种流行的车辆用燃料电池。PEMFC一般包括固体聚合物电解质质子传导膜，例如全氟代磺酸膜。阳极和阴极通常包括承载在碳粒上且与离聚物混合的细分的催化剂粒子，通常为铂(Pt)。催化剂混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。
燃料电池堆包括定位在电池堆中的若干MEA之间的一系列双极板，其中双极板和MEA定位在两个端板之间。双极板包括用于电池堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道设置在双极板的阳极侧上，其允许阳极反应物气体流至相应的MEA。阴极气体流动通道设置在双极板的阴极侧上，其允许阴极反应物气体流至相应的MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，另一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由诸如不锈钢或导电复合物的导电材料制成。
当车辆上的燃料电池***处于正常工作模式时，例如当车辆正常行驶时，燃料电池产生的电力由端板传导至电池堆外部，然后由电池堆的主接触器输送至汇流排，再由汇流排提供至***负载，例如车辆的牵引电动机，以便使牵引电动机为车辆提供动力。然而，当车辆上的燃料电池***处于空闲模式时，例如当车辆在停车灯处停车时，此时，燃料电池堆不产生用于操作***装置的功率，但是空气和氢通常仍然被提供至燃料电池堆，并且电池堆仍产生输出功率。该功率通常用来对电池再充电，直到达到电池的SOC上限，此时如果电池被充电超出该上限，电池可能会损坏。因此，当达到该SOC极限时，电池堆上的电池负载被移除，这导致电池堆电压增大，从而可能引起减少电池堆寿命的某些现象。但是，如果燃料电池***在空闲条件期间关闭，那么燃料电池***需要在车辆行驶时重启。燃料电池***的频繁重启会严重影响辅助设备(BOP)的使用寿命，而且燃料电池***在重启时需要从零开始建立开路电压，这导致燃料电池***在重启后无法快速响应***负载的功率请求。
因此，在本领域中，亟需一种能够兼顾燃料电池的使用寿命以及响应速度的燃料电池***的空闲模式的控制方法。
发明内容
为了解决上述现有技术中的问题，本发明提出了一种燃料电池***的控制方法，所述燃料电池***用于向***负载供电，并且包括燃料电池堆以及用于将来自阴极气体源的阴极气体输送至所述燃料电池堆的阴极气体输送管线，其中，所述控制方法包括以下步骤：
S201：每隔功率检测间隔时间ΔtP检测所述***负载的功率请求Preq；
S202：将所述功率请求Preq与预设最小功率请求Pmin进行比较，如果Preq>Pmin，则执行S203；如果Preq≤Pmin，则执行S204；
S203：控制所述燃料电池***以满足所述功率请求Preq；
S204：检测所述燃料电池堆的电压V；
S205：将所述电压V与预设最小电压Vmin和预设最大电压Vmax进行比较，如果V≥Vmax，则执行S206；如果V≤Vmin，则执行S207，其中，Vmax>Vmin；
S206：控制所述阴极气体输送管线的状态为断开；以及
S207：控制所述阴极气体输送管线的状态为导通。
根据本发明的一种可选实施方式，所述燃料电池***还包括用于排出阴极气体的阴极气体排放管线以及用于将来自所述阴极气体源的阴极气体输送至所述阴极气体排放管线的阴极气体旁通管线，并且其中，
S206还在于：控制所述阴极气体旁通管线的状态为导通；
S207还在于：控制所述阴极气体旁通管线的状态为断开。
根据本发明的一种可选实施方式，所述燃料电池***还包括与所述***负载电连接的汇流排，所述燃料电池堆的主接触器通过开关选择性地电连接至所述汇流排，并且其中，
S203还在于：控制所述开关的状态为闭合；
S204还在于：控制所述开关的状态为断开。
根据本发明的一种可选实施方式，所述燃料电池***还包括用于将来自阳极气体源的阳极气体输送至所述燃料电池堆的阳极气体输送管线，并且其中，
S206和S207还在于：控制所述阳极气体输送管线的状态为导通。
根据本发明的一种可选实施方式，S203还在于：控制所述阳极气体输送管线上的阳极气体流量为常态阳极气体流量Freq，所述常态阳极气体流量Freq与所述功率请求Preq相关联；
S206和S207还在于：控制所述阳极气体输送管线上的阳极气体流量为预设阳极气体流量Fset，并且其中，Fset<Freq。
根据本发明的一种可选实施方式，所述燃料电池***具有供用户选择的常态模式和备用模式，并且其中，
S201还在于：检测用户的选择；
S202还在于：如果用户选择所述常态模式，并且Preq>Pmin，则执行S203；如果用户选择所述备用模式，或者Preq≤Pmin，则执行S204。
根据本发明的一种可选实施方式，S203还在于：将低功率状态计时T调整成零；
S204还在于：使低功率状态计时T增大ΔtP。
根据本发明的一种可选实施方式，所述控制方法在S204之后还包括以下步骤：
S208：将低功率状态计时T与预设时间阈值Tthr进行比较，如果T<Tthr，则执行S205；如果T≥Tthr，则执行S209；
S209：将所述电压V与预设后期最小电压Vmin’和预设最大电压Vmax进行比较，如果V≥Vmax，则执行S206；如果V≤Vmin’，则执行S207，其中，Vmin’<Vmin。
根据本发明的一种可选实施方式，所述控制方法在S204之后还包括以下步骤：
S208：将低功率状态计时T与预设时间阈值Tthr进行比较，如果T<Tthr，则执行S205；如果T≥Tthr，则执行S210；
S210：将所述电压V与预设后期最小电压Vmin’和预设后期最大电压Vmax’进行比较，如果V≥Vmax’，则执行S206；如果V≤Vmin’，则执行S207，其中，Vmin’<Vmax’，Vmax’<Vmax，并且Vmin’<Vmin。
根据本发明的一种可选实施方式，所述燃料电池堆包括堆叠在一起的多个燃料电池，所述电压V是在所述燃料电池堆的主接触器上测得的堆电压、或者在各个燃料电池的双极板上测得的各个单电池电压中的最大值、或者在各个燃料电池的双极板上测得的各个单电池电压的平均值。
本发明可以体现为附图中的示意性的实施例。然而，应注意的是，附图仅仅是示意性的，任何在本发明的教导下所设想到的变化都应被视为包括在本发明的范围内。
附图说明
附图示出了本发明的示例性实施例。这些附图不应被解释为必然地限制本发明的范围，其中：
图1是包含燃料电池***的车辆供电***的示意性框图；
图2是根据本发明的一个实施例的燃料电池***的控制方法的示意性流程图；
图3是应用图2所示的控制方法的燃料电池***的多个参数的示意性曲线图；
图4是根据本发明的另一个实施例的燃料电池***的控制方法的示意性流程图；
图5是应用图4所示的控制方法的燃料电池***的多个参数的示意性曲线图；
图6是根据本发明的又一个实施例的燃料电池***的控制方法的示意性流程图；以及
图7是应用图6所示的控制方法的燃料电池***的多个参数的示意性曲线图。
具体实施方式
本发明的进一步的特征和优点将从以下参考附图进行的描述中变得更加明显。附图中示出了本发明的示例性实施例，并且各个附图并不必然地按照实际比例绘制。然而，本发明可以实现为许多不同的形式并且不应解释为必然地限制于这里示出公开的示例性实施例。相反，这些示例性实施例仅仅被提供用于说明本发明以及向本领域的技术人员传递本发明的精神和实质。
本发明旨在提出一种改进的用于控制燃料电池***的方法，该控制方法能够在***负载不存在功率请求时减少燃料电池的功率输出，从而减少燃料电池的燃料消耗以避免燃料的浪费，并且能够在***负载产生功率请求时及时恢复燃料电池的功率输出，从而及时向***负载提供所需的功率以帮助***快速重启。因此，根据本发明的燃料电池***的控制方法使得能够在节省燃料的同时兼顾对***负载的功率请求的快速响应。
下面参考各个附图详细描述根据本发明的燃料电池***的控制方法的可选但非限制性的实施例。
参考图1，其中示出了根据本发明的燃料电池***的控制方法所适用的供电***的示意性框图，并且以实线示出了气流路径，以虚线示出了信号路径，并以点划线示出了供电路径。如图1所示，作为移动平台MP的动力源的供电***100包括燃料电池***110，燃料电池***110适合于在移动平台MP中用作直流电源。移动平台MP例如可以是机动车辆、海上载具、航空航天载具、机器人或其他类型的将电能转化为机械能的移动平台。当然，燃料电池***110还可以在固定发电厂或需要机载生成直流电力的其他设施中使用。在下文中，将在移动平台MP是机动车辆的背景下描述燃料电池***110，但这并非旨在将燃料电池***110限制于此类应用中。
燃料电池***110包括燃料电池堆111，该燃料电池堆111包括堆叠在一起的多个燃料电池(也可称为单电池)111c，其中，燃料电池堆111和燃料电池111c可以为聚合物电解质膜/质子交换膜(PEM)型，以便以较低的重量和体积传送相对高的功率密度。在燃料电池111c被配置为质子交换膜型燃料电池的示例性实施例中，燃料电池***110还包括通过阴极气体输送管线P1将来自大气、氧储存罐等阴极气体源的含氧气体(例如空气)输送至燃料电池堆111的压缩机112以及通过阳极气体输送管线P2将来自氢储存罐等阳极气体源113的含氢气体(例如，氢气或诸如甲烷、天然气之类的其他含氢气体)输送至燃料电池堆111的喷射器114。输送至燃料电池堆111中的阳极气体和阴极气体将在质子交换膜处发生电化学反应，从而产生电能，在此之后，阴极气体将通过阴极气体排放管线P3从燃料电池堆111中排出，并进而被排放至大气中，而阳极气体将通过阳极气体排放管线P4从燃料电池堆111中排出，并进而被排放至大气中或者通过阳极气体循环管线(未示出)返回燃料电池堆111中。
阴极气体旁通管线P5一端连接在压缩机112和燃料电池堆111之间，另一端连接至阴极气体排放管线P3，并且设有旁通阀115。另外，在阴极气体输送管线P1上设有供气阀116。在该配置下，如果将旁通阀115打开，并将供气阀116关闭，则来自压缩机112的阴极气体将通过阴极气体旁通管线P5直接输送至阴极气体排放管线P3，而不会通过阴极气体输送管线P1输送至燃料电池堆111中，而这将导致燃料电池堆111缺乏阴极气体来进行电化学反应，从而导致其输出电压下降；反之，如果将旁通阀115关闭，并将供气阀116打开，则来自压缩机112的阴极气体将通过阴极气体输送管线P1输送至燃料电池堆111中，而这将允许燃料电池堆111进行电化学反应，从而维持或提高其输出电压。
燃料电池***110还包括汇流排117，该汇流排117被选择性地(例如通过开关S)电连接至燃料电池堆111的主接触器111a和111b，以便将燃料电池堆111生成的电力(即直流电)输出至外部。
在图1所示的示例性实施例中，供电***100还包括辅助***120，该辅助***120用于存储来自燃料电池堆111的电力并且向***负载(例如车辆的牵引电动机M、空调、音响等)供电。具体地，如图1所示，辅助***120的DC/DC(直流/直流)升压转换器121电连接至汇流排117，该DC/DC升压转换器121可以将来自燃料电池堆111的电压水平提高到适合于向高压总线HVB和连接到其上的电子装置供电的更高电压水平。例如，车辆牵引电动机M所需的电压水平往往远高于燃料电池堆能够输出的电压水平，因此需要DC/DC升压转换器121提高来自燃料电池堆111的电压水平。DC/AC(直流/交流)转换器122电连接至高压总线HVB，该DC/AC(直流/交流)转换器122可以将高压总线HVB上的直流电转换为适合于向车辆牵引电动机M的各相绕组供电的交流电。高压蓄电池123电连接至高压总线HVB，该高压蓄电池123可以存储来自高压总线HVB的电力，并且可以向高压总线HVB输送电力以辅助燃料电池堆111向需要高压电的***负载(例如，车辆牵引电动机M)供电。DC/DC(直流/直流)降压转换器124也电连接至高压总线HVB，该DC/DC降压转换器124可以将高压总线HVB上的高压电转换为低压电，并且可以将低压电存储在与其电连接的低压蓄电池125中，以便为需要低压电的***负载(例如，车载音响、空调等)供电。需要指出的是，虽然上文中描述了燃料电池***110通过辅助***120向***负载供电，但是在其他示例性的实施例中，燃料电池***110也可以直接向***负载供电，此时不需要配置辅助***120。
回到燃料电池***110，其还包括控制器118，该控制器118可以检测***负载的功率请求，并且可以根据***负载的功率请求控制燃料电池***110，例如，控制压缩机112和喷射器114以调整向燃料电池堆111输送的阴极气体和阳极气体的量，控制旁通阀115和供气阀116的阀位以允许或禁止向燃料电池堆111输送阴极气体，控制开关S以连通或切断燃料电池堆111的主接触器111a、111b与汇流排117之间的电连接，以便允许或禁止燃料电池堆111向***负载和辅助***120(如果有的话)供电。为了实现对燃料电池***110的闭环控制，控制器118还可以通过电压传感器119来检测燃料电池堆111的电压，该电压可以是燃料电池堆111的主接触器111a、111b上的堆电压、某个燃料电池111c的双极板(阳极板和阴极板)上的单电池电压、或者全部或部分燃料电池111c的双极板上的单电池电压的平均值等等。值得一提的是，该控制器118可以由车辆的电子控制单元(ECU)或其控制模块取代，以使得燃料电池***110直接由车辆的电子控制单元控制，而这显然也在本发明的保护范围之内。
上文借助图1描述了燃料电池***的基本组成。在此基础上，下文参考图2-图7描述应用根据本发明的控制方法的燃料电池***的运行。
参考图2，其中示出了根据本发明的燃料电池***的控制方法的示意性框图。如图2所示，所述控制方法包括以下步骤：
步骤S201：实时(即，每隔功率检测间隔时间ΔtP)检测***负载的功率请求Preq。如图1所示，控制器118(或者车辆电子控制单元)可以通过实时检测各个***负载(例如，车辆牵引电动机M、车载空调、车载音响等)来直接获得***负载的功率请求Preq，也可以通过实时检测汇流排117、DC/DC升压转换器121、高压总线HVB等来间接获得***负载的功率请求Preq。
步骤S202：将测得的功率请求Preq与预设最小功率请求Pmin进行比较，如果功率请求Preq大于预设最小功率请求Pmin，则进行到步骤S203；如果功率请求Preq小于或等于预设最小功率请求Pmin，则进行到步骤S204。该预设最小功率请求Pmin可以是事先确定的车辆临时停车时(例如，车辆在等红灯时，车辆在拥堵路段中临时停车时)***负载所消耗的功率水平，此时，功率请求最大的主负载(例如，车辆牵引电动机M)一般停止运行并不再消耗功率，而车载空调、车载音响等辅助负载可能仍在运行并继续消耗功率，因此，预设最小功率请求Pmin可以是车载空调、车载音响等除主负载之外的辅助负载的额定功率之和。因此，通过将测得的功率请求Preq与预设最小功率请求Pmin进行比较，可以准确地判断出主负载是否已经停止运行(例如，车辆是否已经停车)。例如，如果功率请求Preq大于预设最小功率请求Pmin，那么可以认为至少主负载在正常运行(例如，车辆正在正常行驶)，此时燃料电池堆111所生成的功率能够被***负载所消耗。反之，如果功率请求Preq在预设最小功率请求Pmin以下，那么可以认为至少主负载已经停止运行(例如，车辆已经停车)，此时燃料电池堆111所生成的功率已经无法被***负载所消耗，即使让压缩机112和喷射器114怠速运行，燃料电池堆111所生成的功率也将高于***负载目前所能消耗掉的功率。虽然在配备了高压蓄电池123和低压蓄电池125的情况下，可以将高压蓄电池123和低压蓄电池125作为燃料电池堆111的电池负载来存储其所生成的功率，但是在二者达到SOC上限之后，为保证电池的安全，电池负载将从燃料电池堆111的供电电路上去除，这将导致燃料电池堆111所生成的功率再次高于***负载目前所能消耗掉的功率。而这将会导致燃料电池堆111的电压升高，甚至升高至影响燃料电池的使用寿命的水平，并且会造成阳极气体的浪费。
步骤S203：在确定了功率请求Preq大于预设最小功率请求Pmin，并且因此***正常运行之后，根据功率请求Preq控制燃料电池***110的运行，以使得燃料电池***110生成的功率满足该功率请求Preq，例如，控制向燃料电池堆111输送的阳极气体量、阴极气体量、冷却剂温度等等，在这种情况下，可以认为燃料电池***110和辅助***120(如果有的话)处于正常工作模式下。
步骤S204：在确定了功率请求Preq在预设最小功率请求Pmin以上，并且因此燃料电池堆111生成的功率无法被完全消耗之后，检测燃料电池堆111的电压V。如前文所述，燃料电池堆111的电压V可以是在燃料电池堆111的主接触器111a、111b上测得的堆电压VS，也可以是在各个燃料电池111c的双极板上测得的各个单电池电压VC的平均值。在该配置下，能够通过电压V反映各个燃料电池111c生成电压的平均水平。特别地，燃料电池堆111的电压V可以是在各个燃料电池111c的双极板上测得的各个单电池电压VC中的最大值。在该配置下，能够通过电压V反映各个燃料电池111c生成电压的最高水平。
步骤S205：将测得的电压V与预设最小电压Vmin和预设最大电压Vmax进行比较，如果燃料电池堆111的电压V大于或等于预设最大电压Vmax，则进行到步骤S206；如果燃料电池堆111的电压V小于或等于预设最小电压Vmin，则进行到步骤S207。特别地，预设最大电压Vmax可以是不影响燃料电池111c的使用寿命的最高电压，而预设最小电压Vmin如下文所述可以是为了快速响应***负载的功率请求而设定的电压。当然，预设最大电压Vmax大于预设最小电压Vmin。
步骤S206：在确定燃料电池堆111的电压V大于预设最大电压Vmax之后，禁止(停止)向燃料电池堆111输送阴极气体，即，控制阴极气体输送管线P1的状态为断开(关闭，禁用)。在停止向燃料电池堆111输送阴极气体的情况下，燃料电池堆111只能利用现存的阴极气体产生电压，然而随着现存阴极气体的消耗，燃料电池堆111的电压将逐渐下降，由此可以避免燃料电池堆111的电压保持高于预设最大电压Vmax，从而可以避免对燃料电池111c的使用寿命产生不利影响，并且在现存阴极气体全部消耗之后，阳极气体也不再消耗，由此可以节省阳极气体以避免其被浪费。
步骤S207：在确定燃料电池堆111的电压V小于预设最小电压Vmin之后，允许(即，使能，保持，持续，恢复，启动)向燃料电池堆111输送阴极气体和阳极气体，即，控制阴极气体输送管线P1和阳极气体输送管线P2的状态为导通。在允许向燃料电池堆111输送阴极气体和阳极气体的情况下，燃料电池堆111可以利用持续供应的阴极气体和阳极气体持续进行电化学反应，从而不断积累电压，而这将使得燃料电池堆111的电压不断升高，由此可以避免燃料电池堆111的电压保持低于预设最小电压Vmin。该配置是有利的，因为一旦检测到***负载的功率请求Preq高于最小功率请求Pmin，这意味着主负载恢复正常运行，并且燃料电池堆111需要向主负载输送功率，那么在该配置下，燃料电池堆111的响应时间Δtd(即，燃料电池堆111的电压从当前电压升高至***负载的驱动电压Vdr所需的时间)不会长于燃料电池堆111的电压从预设最小电压Vmin升高至***负载的驱动电压Vdr所需的时间。因此，该配置可以有效地缩短燃料电池堆111的响应时间Δtd。
为了更清楚地陈述应用根据本发明的控制方法的燃料电池***的运行，图3中示出了燃料电池***的相关参数的曲线图，其中最上侧是***负载的功率请求的曲线图，中间是燃料电池堆111的电压V的曲线图，最下侧是阴极气体输送管线P1通断状态(on-off)的曲线图。
如图3所示，在时刻t0，***负载的功率请求Preq下降到预设最小功率请求Pmin以下，于是燃料电池堆111的电压V开始从驱动电压Vdr上升；
在时刻toff，电压V达到预设最大电压Vmax，于是执行步骤S206，以将阴极气体输送管线P1断开，而这将使电压V开始下降；
在时刻ton，电压V达到预设最小电压Vmin，于是执行步骤S207，以将阴极气体输送管线P1导通，而这将使电压V开始上升；
重复以上过程直至时刻t1，在时刻t1，***负载的功率请求Preq上升到预设最小功率请求Pmin以上，此时，如果电压V高于驱动电压Vdr，则可以直接为***负载供电，响应时间Δtd为零；如果电压V低于驱动电压Vdr，例如，如图所示，恰好当电压V达到预设最小电压Vmin时，***负载的功率请求Preq上升到预设最小功率请求Pmin以上(即，t1＝ton)，那么响应时间Δtd在这种情况下最长，并且为电压V从预设最小电压Vmin上升至驱动电压Vdr所需的时间，即，时刻trxn与时刻ton之间的时间间隔。
因此，根据本发明的控制方法，当***负载的功率请求Preq位于预设最小功率请求Pmin以下时(t0～t1)，仅仅在阴极气体输送管线P1导通的时刻ton与阴极气体输送管线P1断开的时刻toff之间的时间间隔Δtc内消耗阳极气体，这可以极大程度地节省阳极气体；并且，燃料电池堆111的电压V会在预设最大电压Vmax与预设最小电压Vmin之间震荡，既不会高于预设最大电压Vmax，从而能够确保燃料电池111c的使用寿命，也不会低于预设最小电压Vmin，这使得在***负载的功率请求Preq恢复到预设最小功率请求Pmin以上后，燃料电池堆111的响应时间不会长于电压V从预设最小电压Vmin上升至驱动电压Vdr所需的时间，这可以极大程度地缩短燃料电池堆111的响应时间，从而提高其响应速度。
根据本发明的一种可选实施方式，燃料电池***110的运行模式包括常态模式和备用模式，并且燃料电池***110被配置成根据用户的选择而在常态模式和备用模式之间切换，步骤S201还在于：检测用户关于燃料电池***110的运行模式的选择，并且步骤S202还在于：如果用户将燃料电池***110切换至常态模式并且功率请求Preq大于预设最小功率请求Pmin，则进行到步骤S203；否则，进行到步骤S204。在该配置下，如果用户手动将燃料电池***110切换至备用模式下或者***检测到功率请求Preq低于预设最小功率请求Pmin，即上述两个条件之一得到满足，那么就会开始执行步骤S204，这有助于更加灵活地开始节省阳极气体，同时保证快速响应。
根据本发明的一种可选实施方式，步骤S204还在于：例如通过控制开关S的状态为断开来禁止(切断，断开)燃料电池堆111的主接触器111a、111b与汇流排117之间的电连接，而步骤S203还在于：例如通过控制开关S的状态为闭合来允许燃料电池堆111的主接触器111a、111b与汇流排117之间的电连接。在该配置下，当***负载的功率请求Preq位于预设最小功率请求Pmin以下时，燃料电池堆111与汇流排117的电连接被断开，并且因此燃料电池堆111与***负载的电连接被断开，这可以避免***负载对燃料电池111的电压V造成影响，从而能够更加可靠地实现根据本发明的控制策略，以实现阳极气体的节省和燃料电池***的快速响应。
根据本发明的一种可选实施方式，步骤S204还在于：将低功率状态计时T增大ΔT，其中ΔT等于功率检测间隔时间ΔtP，即，使Tn+1＝Tn+ΔtP，而步骤S203还在于：将低功率状态计时T调整成零，即，使T＝0。在该配置下，当***负载的功率请求Preq连续位于预设最小功率请求Pmin以下时，将连续多次执行步骤S204，在每一次执行步骤S204时，低功率状态计时T都会增大功率检测间隔时间ΔtP，由此可以利用低功率状态计时T来统计***负载的功率请求Preq连续位于预设最小功率请求Pmin以下所经历的时间，即，燃料电池堆111的电压V在预设最大电压Vmax与预设最小电压Vmin之间震荡的时间。而当***负载的功率请求Preq高于预设最小功率请求Pmin时，将执行步骤S203，从而将低功率状态计时T归零，以便统计下一次***负载的功率请求Preq低于预设最小功率请求Pmin所经历的时间。特别地，该低功率状态计时T可以通过人机交互界面显示给用户，以帮助用户了解燃料电池***110进入低功率状态的时长。
根据本发明的一种可选实施方式，如图4所示，根据本发明的控制方法在步骤S204之后还包括步骤S208和步骤S209，其中步骤S208在于：将低功率状态计时T与预设时间阈值Tthr进行比较，如果低功率状态计时T小于预设时间阈值Tthr，则执行步骤S205；否则，执行步骤S209。步骤S209在于：将测得的电压V与预设后期最小电压Vmin’和预设最大电压Vmax进行比较，如果燃料电池堆111的电压V大于或等于预设最大电压Vmax，则进行到步骤S206；如果燃料电池堆111的电压V小于或等于预设后期最小电压Vmin’，则进行到步骤S207，其中，预设最小电压Vmin大于预设后期最小电压Vmin’，即，Vmin>Vmin’，如图5所示，Vmin-Vmin’＝ΔV。如图5所示，在低功率状态计时T超过预设时间阈值Tthr之后，电压V在预设后期最小电压Vmin’和预设最大电压Vmax之间震荡。由此，从电压V的曲线中可以看出，阴极气体输送管线P1的导通与关断之间的时间间隔被延长，并且因此从阴极气体输送管线P1的通断曲线可以看出，阴极气体输送管线P1的通断频率被减小，这可以例如降低旁通阀115和供气阀116的开关频率，以延长其使用寿命。因此，该配置有助于在处于备用模式一段时间之后，进一步降低阴极气体输送管线P1、旁通阀115和供气阀116等的开关频率。
根据本发明的一种可选实施方式，如图6所示，图4中所示的步骤S209被替换成步骤S210：将测得的电压V与预设后期最小电压Vmin’和预设后期最大电压Vmax’进行比较，如果燃料电池堆111的电压V大于或等于预设后期最大电压Vmax’，则进行到步骤S206；如果燃料电池堆111的电压V小于或等于预设后期最小电压Vmin’，则进行到步骤S207，其中，预设最大电压Vmax大于预设后期最大电压Vmax’，即，Vmax>Vmax’，如图7所示，Vmax-Vmax’＝ΔV，并且预设最小电压Vmin大于预设后期最小电压Vmin’，即，Vmin>Vmin’，如图7所示，Vmin-Vmin’＝ΔV。当然，Vmax’>Vmin’。如图7所示，在低功率状态计时T超过预设时间阈值Tthr之后，电压V在预设后期最大电压Vmax’和预设后期最小电压Vmin’之间震荡。由此，燃料电池堆111所能达到的最高电压和最低电压都被减小，这使得能够进一步节省阳极气体，并且由于最高电压和最低电压减小了相同的幅度而使得阴极气体输送管线P1的通断频率基本不变。因此，该配置有助于在处于备用模式一段时间之后，更大程度地节省阳极气体。虽然上文描述了最高电压和最低电压以相同的幅度减小，但是在其他未示出的实施例中，最高电压和最低电压可以以不同的幅度减小，其中，最高电压的减小有助于节省阳极气体，而最低电压的减小有助于降低阴极气体输送管线P1和阴极气体旁通管线P5(如果有的话)的通断频率。
根据本发明的一种可选实施方式，步骤S206在于：通过打开旁通阀115并关闭供气阀116，来导通阴极气体旁通管线P5并断开阴极气体输送管线P1，以便将来自压缩机112的阴极气体通过阴极气体旁通管线P5输送至阴极气体排放管线P3，从而停止向燃料电池堆111输送阴极气体。该配置是有利的，因为不需要为了停止向燃料电池堆111输送阴极气体而停用压缩机112，这有助于避免压缩机112的频繁启停。
根据本发明的一种可选实施方式，步骤S206在于：禁止向燃料电池堆111输送阴极气体，并且允许向燃料电池堆111输送阳极气体，即，断开阴极气体输送管线P1，并且导通阳极气体输送管线P2。在该配置下，在***负载的功率请求Preq低于预设最小功率请求Pmin期间，无论阴极气体输送管线P1是否导通，阳极气体输送管线P2始终保持导通，这有助于在各个燃料电池111c的阳极侧建立正压力，以防止阴极侧的氮气等扩散至阳极侧从而影响后续燃料电池111c电压的建立，也就是说，这有助于确保燃料电池111c能够快速建立电压，并因此快速响应***负载的功率请求。另外，喷射器114始终保持运行，因这也有助于避免喷射器114频繁启停。
根据本发明的一种可选实施方式，步骤S206和S207还在于：将向燃料电池堆111输送的阳极气体流量控制在预设阳极气体流量Fset，该预设阳极气体流量Fset低于在步骤S203中根据功率请求Preq向燃料电池堆111输送的阳极气体的流量Freq(常态阳极气体流量)，例如，该预设阳极气体流量Fset是仅仅足以维持各个燃料电池111c的阳极侧的正压力的最小阳极气体流量。在该配置下，在步骤S204之后(即，***负载的功率请求Preq低于预设最小功率请求Pmin时)向燃料电池堆111输送的阳极气体流量将低于在步骤S203中(即，***负载的功率请求Preq高于预设最小功率请求Pmin时)向燃料电池堆111输送的阳极气体流量，由此将导致在各个步骤S207之后(即，各个时刻ton之后)，燃料电池堆111的电压将较为缓慢地上升，这有助于延长阴极气体输送管线P1导通与断开之间的时间间隔Δtc，从而降低阴极气体输送管线P1的通断频率，例如，降低旁通阀115和供气阀116的开关频率，因此有助于延长旁通阀115和供气阀116的使用寿命。另外，该配置由于降低了阳极气体流量而有助于进一步减少阳极气体的消耗量。
根据本发明的控制方法使得燃料电池的主要辅助设备(BOP)，例如压缩机112、喷射器114等不需要在燃料电池的低功率模式中(上文所述的***负载的功率请求低于预设最小功率请求期间)停用，这有助于减少这些主要辅助设备的重启次数，从而有助于延长其使用寿命，而且能够减少燃料电池在低功率模式中对阳极气体的消耗，同时确保燃料电池能够从低功率模式快速切换至高功率模式(***负载的功率请求高于预设最小功率请求期间)，从而使燃料电池具有较短的响应时间和较快的响应速度。
以上借助于附图详细描述了根据本发明的燃料电池***的控制方法的可选但非限制性的实施例。对于本领域内的那些普通技术人员来说，在不偏离本公开的精神和实质的情况下，对技术和结构的修改和补充以及对各实施例中的特征的重新组合显然都应视为包括在本发明的范围内。因此，在本发明的教导下所能够设想到的这些修改和补充都应被视为本发明的一部分。本发明的范围包括在本发明的申请日时已知的等效技术和尚未预见的等效技术。

Claims (10)

1.燃料电池***的控制方法，所述燃料电池***用于向***负载供电，并且包括燃料电池堆以及用于将来自阴极气体源的阴极气体输送至所述燃料电池堆的阴极气体输送管线，其中，所述控制方法包括以下步骤：
S201：每隔功率检测间隔时间ΔtP检测所述***负载的功率请求Preq；
S202：将所述功率请求Preq与预设最小功率请求Pmin进行比较，如果Preq>Pmin，则执行S203；如果Preq≤Pmin，则执行S204；
S203：控制所述燃料电池***以满足所述功率请求Preq；
S204：检测所述燃料电池堆的电压V；
S205：将所述电压V与预设最小电压Vmin和预设最大电压Vmax进行比较，如果V≥Vmax，则执行S206；如果V≤Vmin，则执行S207，其中，Vmax>Vmin；
S206：控制所述阴极气体输送管线的状态为断开；以及
S207：控制所述阴极气体输送管线的状态为导通。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其中，所述燃料电池***还包括用于排出阴极气体的阴极气体排放管线以及用于将来自所述阴极气体源的阴极气体输送至所述阴极气体排放管线的阴极气体旁通管线，并且其中，
S206还在于：控制所述阴极气体旁通管线的状态为导通；
S207还在于：控制所述阴极气体旁通管线的状态为断开。
3.根据权利要求1或2所述的控制方法，其中，所述燃料电池***还包括与所述***负载电连接的汇流排，所述燃料电池堆的主接触器通过开关选择性地电连接至所述汇流排，并且其中，
S203还在于：控制所述开关的状态为闭合；
S204还在于：控制所述开关的状态为断开。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的控制方法，其中，所述燃料电池***还包括用于将来自阳极气体源的阳极气体输送至所述燃料电池堆的阳极气体输送管线，并且其中，
S206和S207还在于：控制所述阳极气体输送管线的状态为导通。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其中，
S203还在于：控制所述阳极气体输送管线上的阳极气体流量为常态阳极气体流量Freq，所述常态阳极气体流量Freq与所述功率请求Preq相关联；
S206和S207还在于：控制所述阳极气体输送管线上的阳极气体流量为预设阳极气体流量Fset，并且其中，Fset<Freq。
6.根据权利要求1-5中的任一项所述的控制方法，其中，所述燃料电池***具有供用户选择的常态模式和备用模式，并且其中，
S201还在于：检测用户的选择；
S202还在于：如果用户选择所述常态模式，并且Preq>Pmin，则执行S203；如果用户选择所述备用模式，或者Preq≤Pmin，则执行S204。
7.根据权利要求1-6中的任一项所述的控制方法，其中，
S203还在于：将低功率状态计时T调整成零；
S204还在于：使低功率状态计时T增大ΔtP。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其中，所述控制方法在S204之后还包括以下步骤：
S208：将低功率状态计时T与预设时间阈值Tthr进行比较，如果T<Tthr，则执行S205；如果T≥Tthr，则执行S209；
S209：将所述电压V与预设后期最小电压Vmin’和预设最大电压Vmax进行比较，如果V≥Vmax，则执行S206；如果V≤Vmin’，则执行S207，其中，Vmin’<Vmin。
9.根据权利要求7所述的控制方法，其中，所述控制方法在S204之后还包括以下步骤：
S208：将低功率状态计时T与预设时间阈值Tthr进行比较，如果T<Tthr，则执行S205；如果T≥Tthr，则执行S210；
S210：将所述电压V与预设后期最小电压Vmin’和预设后期最大电压Vmax’进行比较，如果V≥Vmax’，则执行S206；如果V≤Vmin’，则执行S207，其中，Vmin’<Vmax’，Vmax’<Vmax，并且Vmin’<Vmin。
10.根据权利要求1-9中的任一项所述的控制方法，其中，所述燃料电池堆包括堆叠在一起的多个燃料电池，所述电压V是在所述燃料电池堆的主接触器上测得的堆电压、或者在各个燃料电池的双极板上测得的各个单电池电压中的最大值、或者在各个燃料电池的双极板上测得的各个单电池电压的平均值。
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