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
电堆控制器需要深入了解燃料电池电堆的电流/电压关系，即所谓的极化曲线，以便根据功率需求精确调控电堆反应物流动。由于电堆的电压和电流之间的关系通常呈非线性，同时受到多种变量的影响，包括电堆温度、电堆分压以及阴极和阳极的化学计量比等，因此很难精确定义。此外，随着时间推移，电堆会逐渐经历老化和降解过程，导致电堆电流和电压之间的关系发生变化。特别是，老化的电堆通常表现出较低的电池电压，因此相对于未经降解的新电堆，需要提供更多的电流以满足功率需求。
当电堆控制器接收到来自车辆操作员的功率请求信号时，控制算法会生成一个燃料电池电堆的电流设定点。在已知的系统中，该电流设定点是基于电堆极化曲线生成的，其中假定极化曲线是线性的。通常，仅使用一个燃料电池电堆的极化曲线，而该极化曲线是针对电堆的生命周期开始阶段(BOL)确定的。然而，随着电堆老化，电堆中会发生电压降解，即产生更高的电堆电压需要更高的电堆电流。因此，对于一定的功率请求，需要采用更高的电流设定点。
图1呈现了一个以电堆电流为横轴、电堆功率为纵轴的图表。在图中，展示了一个典型燃料电池电堆在其生命周期开始阶段的电流-功率关系曲线10，以及在生命周期结束阶段的典型电流-功率关系曲线12。很明显，曲线10几乎呈线性关系，随着请求功率的增加，燃料电池电堆的电流设定点也会相应增加。然而，由于电压损失的影响，典型的功率请求(虚线)将导致电堆在其生命周期开始时的电流设定点较低，而在寿命结束时的电流设定点较高。
图1.燃料电池电堆生命周期初始时(BOL)
和结束时(EOL)的极化曲线对比示意图
02
专利方案
本专利通过考虑电堆性能参数，提出了一种将燃料电池电堆功率请求信号转换电堆电流设定点的方法。该方法基于车辆功率请求信号、电堆电压、电堆电流等输入参数进行电流变化的计算，并利用这一电流变化来更新电堆的电流设定点。
图2展示了一个燃料电池系统的模块图，其中包含一个燃料电池电堆。系统参数将被存储起来，其中包括下文定义的值θ1和θ2。这些系统参数被提供给功率-电流转换处理器，该处理器同时接收电堆功率请求信号PReq Stck。功率-电流转换处理器利用值θ1和θ2将电堆功率请求信号PReq Stck转换为电流请求信号IReq Stck。这里的电流请求信号IReq Stck 即为燃料电池电堆的电流设定点，将在下文详细讨论。电流设定点信号IReq Stck被应用于燃料电池电堆，产生一个电堆电压V和一个电堆电流I，这些信号被反馈给功率到电流转换处理器。
图2.采用新型功率-电流转换
控制算法的燃料电池系统框图
图3展示了根据本发明在功率-电流处理器中执行的产生当前设定电池信号IRegstck的流程图。在方框32中，该算法从燃料电池堆的电压-电流关系曲线估算中获取参数。这些参数分别为值θ1和θ2，即交换电流密度(exchange current density)和传质系数(mass transfer coefficient)。
图3.电堆功率请求信号生成
电堆电流设定点的过程流程图
在方框34处，功率-电流转换算法根据燃料电池堆的寿命计算了燃料电池堆的电压-电流关系曲线斜率R。图4展示了基于电堆不同寿命阶段的不同斜率R的电压-电流曲线，其中曲线40表示电堆初始电压-电流关系曲线，曲线42表示电堆寿命结束的电压-电流关系曲线。
图4.基于不同电堆寿命阶段的
电压-电流关系曲线
电堆的电压-电流关系曲线的斜率R是通过使用电压预测算法在曲线上的两个预定义电流密度处计算电池电压Ecell而得到的，例如，在0.1 A/cm2和1.0 A/cm2处。
电堆电压Ecell计算为：
其中：
Ecell：电堆电压(V)
j：电堆电流密度(A/cm2)
RHFR(高频的电阻：HFR(High Frequency Resistance))：电堆电阻(Ωcm2)
Erev：燃料电池热力学可逆电压(V)
a：燃料电池电堆短路电流密度(A/cm2)
j0（θ1）：交换电流密度(A/cm2)
j∞：极限电流密度(A/cm2)
c(θ2)：传质系数(the mass transfer coefficient)
燃料电池电阻值RHFR定义了燃料电池电堆上的高频电阻，它给出了堆相对湿度的指示。燃料电池电阻值RHFR可以是测量值或模型值。在模型中，燃料电池电阻值RHFR可以计算为电堆阴极气体进、出口温度和相对湿度的函数，而阴极气体相对湿度又是进、出口温度，压力和流量的函数。因此，燃料电池电阻值RHFR代表了包括温度、压力和阴极流量在内的电堆工作条件。
获得电堆在两个电流密度下对应的电堆电压值，可以计算出斜率R。因此，随着电堆性能随着时间的推移而下降，斜率R也会发生变化，以解释电堆的退化。
在方框36中，该算法获取电堆功率请求信号PReq Stck、电堆电流/电压关系(极化曲线)和斜率R，并计算电堆电流的变化。这一步骤涉及计算电流设定点计算的增量，该计算使用了方框34中的斜率R、电堆功率请求信号PReq Stck、电流请求Ireq，以及在时刻t电堆的电压反馈Vt和电流反馈It，以计算在下一个时间步骤中满足功率请求的电堆电流的变化ΔI。电流ΔI的计算公式如下：
在方框38处，通过以下公式计算功率-电流转换算法的电流设定点信号Ireq stck：
功率-电流转换算法在方框36处重复计算电流设定点信号Ireq stck，其速度比基于电压-电流关系曲线随时间的估计计算电堆的斜率R快。
