本篇美国通用汽车专利提出了一种新型的燃料电池系统低温冷启动关机吹扫控制策略。该系统采用一种算法来定期确定系统关机后是否可能存在零度以下的条件，以便有选择地执行相应的电堆吹扫策略。如需本篇专利原文及相关技术解决方案，详见文末！
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种广泛使用的车用燃料电池技术。PEMFC一般包括固体聚合物电解质-质子交换膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括精细均匀分布的催化剂颗粒，通常是铂(Pt)，支撑在碳颗粒上，并与离子聚合物混合。催化剂混合物沉积在膜的相对两侧。阳极催化层、阴极催化层和膜的组合定义了膜电极组件(MEA)。
通常将几个燃料电池组合在一个燃料电池堆中以产生所需的功率。一个车用燃料电池堆一般包括大约300-400片燃料电池。燃料电池堆又包括一系列位于堆内多个MEA之间的流场或双极板。在双极板的阳极侧设有阳极气体流动通道，允许阳极气体流向MEA的阳极侧。在双极板的阴极侧设有阴极气体流动通道，允许阴极气体流向MEA的阴极侧。双极板之间还包括冷却流体流经的通道。
01
存在问题
燃料电池内质子交换膜的作用包括为质子的快速传导提供通道并阻隔电子传导。质子交换膜只有在充分的水合状态下，才能保证其具有较高的质子电导率，从而降低质子传导电阻。燃料电池堆在运行过程中，水在阴极催化剂-膜界面内部产生，也通过加湿的反应物气体提供给燃料电池，以阳极和阴极进口相对湿度值表示，如图1所示。
图1.燃料电池内部水传输过程
燃料电池一般基于燃料电池堆的工作温度和堆内压力以一定的相对湿度运行，以实现高效的功率输出。因此，当燃料电池堆关机时，堆内的MEA具有一定的水分。如果燃料电池系统碰巧处于零度以下的环境中，这些水分会冻结。水分冻结可能会损坏MEA、扩散介质、双极板和/或密封垫圈等。在常规的系统控制策略设计中，我们一般在低温关机时会对燃料电池堆和其中的膜进行干燥处理，以防止因水分冻结而引起电堆和相关组件损坏。
在一种已知的技术中，干燥空气通过空压机送入电堆，以实现水分吹扫和电堆干燥。由于水在阴极生成，大多数水分存在于MEA的阴极侧。然而，MEA的阳极侧也有一些水分，因为MEA是湿的，水分通过MEA从阴极侧扩散到阳极侧。因此，电堆干燥技术也将同时引导阴极空气或其他气源通过阳极流道进行电堆干燥处理。
但是如果堆中的残留水分不会冻结，则最好不要在每次低温系统关机时进行深度的反应物气体流道吹扫，因为深度吹扫会使膜干燥，从而降低膜的使用寿命。深度吹扫同时需要消耗额外的能量来操作空压机或其他装置来提供吹扫气体。
因此，如何预测车辆在关闭后是否会受到冻结条件的影响对燃料电池系统低温关机吹扫策略的制定至关重要。
02
专利方案
本专利公开了一种新型的燃料电池系统低温关机吹扫策略设计，目的是减少低温关机深度吹扫次数，既能保证燃料电池堆内部不冻结，又能减少质子交换膜干湿循环次数，提高膜的寿命。
该系统采用基于预定输入(例如环境温度、地理位置、日期、天气报告等)确定系统关机后将存在冻结状态的可能性的方法，如图2所示。如果系统确定可能发生冻结情况，则系统将启动燃料电池系统的深度吹扫关机策略，将水和水蒸气从阳极流动通道和/或阴极流动通道中吹出。如果系统确定冻结情况不太可能发生，那么它将启动正常的关机吹扫程序，而无需深度吹扫阳极流动通道和/或阴极流动通道。
之后， 系统将周期性地确定条件是否发生了变化，如果随后可能出现冻结情况，系统将启动反应物气体流动通道吹扫，即所谓的“Parking Purge”。如果系统包含保温策略，并且确实存在潜在的冻结条件，那么系统将确定是否有足够的燃料和/或电池能量来执行保温策略，如果没有，则通过流道吹扫。
图2.燃料电池系统低温关机吹扫控制策略框图
该系统还包括一个低功率唤醒定时器电路，定期唤醒系统控制器，以确定停机后冻结状态的可能性是否发生了变化。或者，系统可以包括一个低功耗唤醒检查电路来确定温度，而不是使用更高功耗的系统控制器来确定关机后冻结可能性是否发生变化。
