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)。
在燃料电池堆的典型运行寿命内，通常会观察到电压降低或性能逐渐下降的趋势。一般而言，燃料电池堆的劣化主要归因于电堆内的燃料电池在使用过程中经历的电压循环现象(voltage cycling)。电压循环是指铂催化剂颗粒上电压在低电位和高电位之间的循环变化。这种循环会促使铂催化剂颗粒逐渐溶解。铂催化剂颗粒的溶解进而导致催化剂活性表面积减少，从而引发性能逐渐下降的趋势。
众多因素会对与电压循环相关的铂颗粒表面积损失产生影响，其中包括峰值电堆电压、温度、电堆湿润度以及电压循环的动态特性等。较低的最高电堆电压设定点(max. stack voltage set-point)有助于更好地减缓劣化，但较高的最高电堆电压设定点则提供了更高的系统效率。因此，各种燃料电池系统的控制通常需要限制电堆的最低运行功率，以防止电池电压在某些情况下升得过高，因为频繁的高电压循环可能导致阴极和阳极电极的铂催化剂活性表面积减少。
01
存在问题
图1展示了一个简化的燃料电池系统的原理图，包括一个燃料电池堆，其中该电堆包括一系列燃料电池。空压机通过一个阴极输入管路向燃料电池堆的阴极侧提供空气流，而阴极排气气体则通过一个阴极排气管路从电堆排出。燃料电池堆的阳极侧从氢气源上的阳极输入管路接收氢气，而阳极排气气体则通过一个阳极排气管路从电堆排出。例如高压动力电池组件，用作电堆所产生电力的负载，以维持燃料电池电压在所期望的最高设定点以下。监测装置监测电堆中燃料电池的电压，而控制器控制系统的运行，包括计算平均电池电压并生成燃料电池的最高电压设定点。
图1. 简化的燃料电池系统架构原理图
在已知的燃料电池系统中，通常采用设定固定最高电压的策略，以限制电堆的最低功率水平，从而防止发生不必要的电压循环。举例而言，一种常见的最高电压抑制策略可能采用固定的电压设定点，如800-850mV，以确保电堆电压不会升高超过该设定值。如果燃料电池系统功率控制器未请求功率，或者请求的功率很小，那么电堆所产生的电能可以被分配给特定用途，或者直接以热的形式散失，以维持电池电压在固定最高电压设定点以下。例如，多余的电能可以用于为燃料电池系统车辆中的高压动力电池充电。
若最高电压设定点相对较低，燃料电池系统可能会频繁进行动力电池充电。当动力电池已达到最大充电状态，无法再接受更多的充电功率时，控制器可能会引导多余的电能通过其他组件进行散失，例如通过电阻器产生热量，以维持燃料电池电压低于最高电压设定点。这样的操作会导致氢气的浪费，并降低系统效率。
因此，确定电堆中燃料电池的最高平均电池电压设定点，即不仅能够防止铂催化剂的溶解，还能减少不必要的氢气消耗，并提高系统的工作效率，对系统的开发至关重要。
02
专利方案
本专利提出了一种在燃料电池系统运行过程中周期性估算电堆的最高燃料电池电压的方法，该方法包括通过确定铂的氧化状态进行。这个估算的最高燃料电池电压允许电堆电压设定点有选择地降低到足够低，以提供对铂催化剂表面积损失的防护，同时又足够高，以提高电堆的运行效率。
据信，燃料电池MEA中铂催化剂的损失是由MEA中发生的两个相互竞争的反应所导致的，如下所示的方程式(1)和(2)。
方程式(2)中的反应被认为对催化剂产生损害，而方程式(1)中的反应被认为具有对催化剂的保护作用。铂颗粒的氧化将在燃料电池电极中形成一层钝化层，其作用是阻止这些颗粒溶解而后被吸附到膜中。换句话说，燃料电池中铂颗粒的氧化减少了催化剂表面积减少的风险，从而减轻了燃料电池的劣化。
这两种反应都发生在较高的燃料电池电压电位下，例如大于0.7V的电压，特别是大于0.9V的电池电压。方程式(1)中的反应从较低的电位开始，反应速度远慢于方程式(2)中的反应，后者在高电压电位下进行非常迅速，即大于0.85V的电位。
本专利提出的流程，旨在减少或预防方程式(2)的反应，同时有利于方程式(1)的反应。该流程提出了一种算法，通过使用模型来监测PtOH水平，以控制燃料电池电压电位，并通过限制电位和/或电位变化率来保持电位较低，即低于0.85V，直到PtOH水平足够高，以防止方程式(2)的反应发生。一旦PtOH水平升高，可以允许燃料电池电压增加，而不会对催化剂造成严重损害。
图2展示了一个算法流程图，用于确定考虑燃料电池中铂催化剂氧化状态的最小请求功率值。该算法在步骤62中采用适当的技术，通过各种测量和/或估计过程，来确定和/或检索平均燃料电池电压、电堆电流密度和燃料电池膜的内阻。在步骤64中，算法利用这些值计算电堆中燃料电池的IR校正平均电池电压。
然后，在步骤66中，算法使用IR校正的平均燃料电池电压来确定铂或其他催化剂的氧化状态。如果需要，也可以使用其他参数，如电堆温度、膜湿润度等，来确定铂的氧化状态。接着，在步骤68中，算法使用铂的氧化状态来确定电堆中燃料电池的最高平均电池电压设定点。电压设定点可以是任何允许铂颗粒进一步氧化的电压。根据催化剂的氧化状态，电压设定点可以如上所述逐渐升高。最后，在步骤70中电压设定点用于确定从燃料电池堆请求的最小功率，以使电堆在该电压设定点下运行。在步骤72中，用于正常车辆操作所需以外的电堆所产生的功率通过系统中的某些组件进行耗散。
图2. 基于铂催化剂氧化状态的确定燃料电池堆
最小请求功率值的算法流程
