CN110854411B - 用于具有同时负载跟踪的燃料电池堆流量控制的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了燃料电池堆气流控制的优化。在一些方面，基于期望的氧气流速将至少一个阴极流量致动器的致动初始化为初始状态，以在电压控制模式下操作该燃料电池堆，确定由该燃料电池堆产生的堆电流，该堆电流与该阴极流量致动器的该致动时的操作对应，计算离开该燃料电池堆的氧气流速，将离开该燃料电池堆的该氧气流速与离开该燃料电池堆所期望的氧气流速进行比较，以及响应于该氧气流速与所期望的氧气流速不同，修改该阴极流量致动器中的至少一个的致动。所修改的致动减小所期望的氧气流速与离开该燃料电池堆的该氧气流速之间的差异。

Description

用于具有同时负载跟踪的燃料电池堆流量控制的系统和方法
背景技术
本公开涉及燃料电池系统，更具体地讲，涉及用于优化的燃料电池堆气流控制的系统和方法。
燃料电池在许多应用中都用作电源。具体地讲，提出了将燃料电池用于汽车中代替内燃机。燃料电池以单个燃料电池的堆叠形式提供，以提供期望水平的电力。
为了以期望的阴极化学计量操作燃料电池堆，基于在类似系统之间共享的初始控制模型来选择性地致动阴极流量致动器。然而，通过燃料电池堆流的确定气流的准确性受到许多瞬态和非瞬态干扰(诸如，冰堵塞、碎屑堵塞以及由制造公差引入的零件间变化)的影响。在初始控制模型中没有考虑这些干扰。为了优化通过燃料电池堆的气流的测量，通常将流速传感器添加到一个或两个流中以考虑由扰动引入的流速差异。
发明内容
期望的是减少系统所采用的部件，同时优化燃料电池堆内的反应物流量控制的准确性以考虑各种干扰。这些干扰可包括瞬态干扰(诸如，冰堵塞)、基本非瞬态干扰(诸如，碎屑堆积)以及非瞬态干扰(诸如，由制造和装配公差引起的零件间变化)。有利地，根据本公开的系统和方法使用叠堆作为传感器方法在燃料电池堆的操作期间提供准确的堆叠气流。
根据本公开的各方面，一种方法包括：基于期望的氧气流速将至少一个阴极流量致动器的致动初始化为初始状态，以在电压控制模式下操作燃料电池堆；经由至少一个控制器确定由燃料电池堆产生的堆电流，所述堆电流与至少一个阴极流量致动器的所述致动时的操作对应；经由所述至少一个控制器基于所述堆电流计算离开所述燃料电池堆的氧气流速；经由所述至少一个控制器将离开所述燃料电池堆的所述氧气流速与离开燃料电池堆所期望的氧气流速进行比较；以及响应于所述氧气流速与所期望的氧气流速不同，修改所述阴极流量致动器中的至少一个的致动，以减小所期望的氧气流速与离开所述燃料电池的所述氧气流速之间的差异。
根据本公开的各方面，一种燃料电池系统包括：阴极流路；燃料电池堆，所述燃料电池堆包括限定所述阴极流路的一部分的阴极侧；至少一个阴极流量致动器，所述至少一个阴极流量致动器流体地设置在所述阴极流路中；和至少一个控制器，所述至少一个控制器可操作地联接到所述至少一个阴极流量。所述至少一个阴极流量致动器被选择性地致动以改变通过所述阴极侧的氧气流量。所述至少一个控制器被配置为：基于期望的氧气流速将所述至少一个阴极流量致动器的致动初始化为初始状态，以在电压控制模式下操作所述燃料电池堆；确定由所述燃料电池堆产生的堆电流，所述堆电流与所述阴极流量致动器的所述致动时的操作对应；基于所述堆电流计算离开所述燃料电池堆的氧气流速；将离开所述燃料电池堆的氧气流速与离开所述燃料电池堆所期望的氧气流速进行比较；以及响应于所述氧气流速与所期望的氧气流速不同，修改所述阴极流量致动器中的至少一个的致动，以减小所期望的氧气流速与离开所述燃料电池堆的所述氧气流速之间的差异。
根据本公开的各方面，一种电力系统(诸如，车辆或固定电力系统)包括燃料电池系统。该燃料电池系统包括：阴极流路；燃料电池堆，所述燃料电池堆包括限定所述阴极流路的一部分的阴极侧；至少一个阴极流量致动器，所述至少一个阴极流量致动器流体地设置在所述阴极流路中；和至少一个控制器，所述至少一个控制器可操作地联接到所述至少一个阴极流量致动器。所述至少一个阴极流量致动器被选择性地致动以改变通过所述阴极侧的氧气流量。所述至少一个控制器被配置为：基于期望的氧气流速将所述至少一个阴极流量致动器的致动初始化为初始状态，以在电压控制模式下操作所述燃料电池堆；确定由所述燃料电池堆产生的堆电流，所述堆电流与所述阴极流量致动器的所述致动时的操作对应；基于所述堆电流计算离开所述燃料电池堆的氧气流速；将离开所述燃料电池堆的所述氧气流速与离开所述燃料电池堆所期望的氧气流速进行比较；以及响应于所述氧气流速与所期望的氧气流速不同，修改所述阴极流量致动器中的至少一个的致动，以减小所期望的氧气流速与离开所述燃料电池堆的所述氧气流速之间的差异。
根据本公开的其他方面，该方法还可包括：反复确定所产生的堆电流；计算所述氧气流速；将所述氧气流速与所期望的氧气流速进行比较；并修改所述至少一个阴极流量致动器中的所述至少一个的致动或所述至少一个阴极流量致动器中的另一个的致动，直到所期望的氧气流速与离开所述燃料电池堆的氧气流速之间的所述差异低于预定阈值。
根据本公开的其他方面，该控制器可被进一步配置为：反复确定所产生的堆电流；计算所述氧气流速；将所述氧气流速与所期望的氧气流速进行比较；并修改所述至少一个阴极流量致动器中的至少一个的致动或所述至少一个阴极流量致动器中的另一个的致动，直到所期望的氧气流速与离开所述燃料电池堆的氧气流速之间的所述差异低于预定阈值。
根据本公开的其他方面，修改所述至少一个阴极流量致动器中的至少一个的致动包括修改阴极背压阀的致动。
根据本公开的其他方面，修改所述至少一个阴极流量致动器中的至少一个的致动包括修改阴极旁路阀的致动。
根据本公开的其他方面，基于堆电流计算氧气流速包括使用以下公式：
Figure BDA0002079369210000031
其中R是理想气体常数，T是所述燃料电池堆的温度，I是所述堆电流，nc是所述燃料电池堆中的燃料电池数，
Figure BDA0002079369210000032
是从相应通道到相应电极的氧气输送阻力，
Figure BDA0002079369210000033
是输入到燃料电池堆的氮的摩尔分数，F是法拉第常数，Acell是燃料电池的有效面积，ptot是输入到所述燃料电池堆的阴极侧的压力，
Figure BDA0002079369210000034
是输入到所述燃料电池堆的氧气的摩尔分数，RH是所述燃料电池堆的相对湿度，以及psat是饱和压力。
根据本公开的其他方面，以电压控制模式操作燃料电池堆包括以低阴极化学计量进行的操作。
根据本公开的其他方面，低阴极化学计量为约1。
当结合附图时，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点，将从以下对用于执行本公开的最佳模式的详细描述中变得显而易见。
附图说明
附图是例示性的，并非旨在限制由权利要求限定的主题。示例性方面在下文具体实施方式中讨论并在附图中示出，其中：
图1是根据本公开各方面的燃料电池系统的示意图；
图2是图1的系统内的信号和输入的示意图；
图3是使用叠堆作为传感器方法来优化气流控制的方法的流程图；
图4A和图4B是从比较燃料电池系统收集的数据的柱状图；并且
图5A和图5B是使用叠堆作为传感器方法从示例性燃料电池系统收集的数据的柱状图。
具体实施方式
根据本公开的系统和方法优化了燃料电池堆的阴极侧内的确定反应物流量的准确性，而不将单个传感器设置在燃料电池堆流和旁路流两者内。根据本公开的系统和方法通过使用从燃料电池堆收集的现有数据将燃料电池堆用作传感器以提供气流反馈。根据本公开的系统和方法可拒绝由于瞬态干扰(诸如，冰堵塞)引起的流量变化。此外，根据本公开的系统和方法可用于优化叠堆控制的稳健性，以确定和考虑由零件间变化引起的气流变化。此外，根据本公开的系统和方法可用于优化负载跟踪能力的准确性。
图1示出了车辆10内的燃料电池系统100的示意图。燃料电池系统100包括燃料源102、氧化剂源104、燃料电池堆106和控制器108。
燃料源102和氧化剂源104向燃料电池系统100提供反应物，以通过化学反应产生电能。如本文所用，“反应物”可指上下文所指示的燃料、氧化剂或这两者。反应物包括合适的燃料和氧化剂组合。例如，燃料是氢气，氧化剂是氧气。例如，可使用其他燃料，诸如天然气、甲醇、汽油和煤衍生的合成燃料。可通过从周围环境抽取的空气来提供氧气。
燃料电池组106接收反应物并通过促进氧化还原反应有利于电能的产生。例如，氢气燃料可与氧气反应以产生电力，其中热量和水作为副产物。燃料电池堆106包括由一个或多个膜114隔开的阳极侧110和阴极侧112。阳极侧110流体地联接到燃料源102，并且阴极侧112经由阴极流路113流体地联接到氧化剂源104。阴极流路113从氧化剂源104延伸到阴极排气装置。阴极流路113分成旁路流113a和阴极流113b。
系统100还包括阳极流量致动器116a-b和阴极流量致动器118a-c。选择性地致动阳极流量致动器116a-b以增加或减少通过燃料电池堆106的阳极侧110的燃料流量。阳极流量致动器116a-b可包括燃料压缩机116a和阳极放气阀116b。
选择性地致动阴极流量致动器118a-c以增加或减少通过燃料电池堆106的阴极侧112的氧化剂流量。阴极流量致动器118a-c可包括压缩机118a、阴极旁路阀118b和/或背压阀118c。当旁路阀118b未关闭时，旁路流113a携带一定量的氧化剂在燃料电池堆106周围。当背压阀118c未关闭时，阴极流113b携带一定量的氧化剂通过燃料电池堆106的阴极侧112，以与流过阳极侧110的燃料反应。
控制器108可操作地联接到阴极流量致动器118a-c和一个或多个传感器120a-b中的一个或多个。一个或多个传感器包括传感器120a，其提供与由燃料电池堆106产生的电流对应的信号。一个或多个传感器还可包括传感器120b，其提供与阴极流路113的对应部分处的流体压力对应的信号。
控制器108向与其联接的阴极流量致动器118a-c提供改变阴极流量致动器118a-c的状态(例如，压缩机118a的旋转速度，或者阴极旁路阀118b或背压阀118c的阀位置)的信号。控制器108包括具有至少一个阀控制轮廓的模块。阀控制轮廓将流量特性与系统100内的相应阀状态关联起来。
控制器108可包括硬件元件，诸如处理器、存储器、电路，包括但不限于定时器、振荡器、模拟-数字(A/D)电路、数字-模拟(D/A)电路、数字信号处理器、和输入/输出(I/O)设备以及其他信号调节和/或缓冲电路。存储器可包括有形非暂态存储器，诸如只读存储器(ROM)，例如，磁性存储器、固态/闪存存储器、和/或光学存储器，以及足够数量的随机存取存储器(RAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)等。方法，诸如方法300(参考图3所述)可存储在存储器中并由处理器在燃料电池系统100或其部件的整体控制中执行。
图2示出了系统100内的信号和输入的示意图200。控制器108接收一个或多个输入202，诸如净功率请求、热量生成请求等。根据所接收的输入202，控制器108确定电压设定点204，其包括在电压控制模式下操作时要保持的期望电压。在电压控制模式期间，由燃料电池堆106产生的平均堆电压和电流是可用氧气(O2)的函数，而可用氢气(H2)保持在反应限制量之上。在标准操作模式期间，燃料电池系统100向燃料电池堆106提供一定量的气流，并且升压控制模块206通过致动燃料电池系统100的其他变化来维持电压。
在电压控制模式下，电压设定点204被提供给升压控制模块206。升压控制模块206接收电压设定点并确定燃料电池堆106的初始操作条件208，其用于控制阴极流量致动器118a-c中的一个或多个的致动。初始操作条件208可通过例如实验室测试、计算模型(诸如孔口模型)等来提供。
燃料电池堆106还接收干扰210，所述干扰210从由升压控制模块206确定的初始操作条件208改变通过燃料电池堆106的阴极侧112的流量条件。所述干扰可包括瞬态干扰(例如，冰堵塞)、基本非瞬态干扰(例如，碎屑聚集)以及非瞬态干扰(例如，零件间变化)。例如，冰堵塞将抑制其周围的流体流量，直到靠近冰堵塞的热负荷融化冰堵塞。此外，碎屑聚集将抑制其周围的流体流量，除非通过例如将流速增加到足以移去碎屑的水平或者通过机械或化学干预来进行补救。零件间变化可通过形成通常不可补救的较宽或较窄通道来促进或抑制通过其的流量。这可导致比在初始操作条件208下所预期的更高或更低的流速。
燃料电池堆106输出堆电流212，该堆电流212可由一个或多个传感器(诸如，传感器120a)测量。堆电流212和电流设定点216被提供给阴极流量校正模块218。阴极流量校正模块218确定用于燃料电池堆106的修改操作条件220，其用于修改阴极流量致动器118a-c中的一个或多个的致动。阴极流量校正模块218可连续地接收堆电流212的更新值并连续地确定燃料电池堆106的进一步修改操作条件220，其可用于进一步修改阴极流量致动器118a-c中的一个或多个的致动。
堆电压是阴极化学计量的函数。阴极化学计量是通过燃料电池堆106的阴极侧112的氧气流速除以燃料电池堆106的阴极侧内的氧气消耗速率。在标准操作模式期间，将阴极化学计量保持在高阴极化学计量，诸如至少1.5的阴极化学计量。在一些方面，高化学计量为至少1.8的阴极化学计量。在一些方面，在电压控制操作模式期间，将阴极化学计量保持在低阴极化学计量，诸如小于1.3的阴极化学计量。在一些方面，低阴极化学计量为约1的阴极化学计量。如本文所用，“约”是指在值的5％内。
在电压控制操作模式期间氧气基本上耗尽，例如其中阴极化学计量为约1，因为氧气的实际流速与燃料电池堆106的氧气消耗速率大致相同以产生期望的电特性，诸如电流和电压。保持低阴极化学计量可通过调节阴极流致动器118a-c以调节通过燃料电池堆106的阴极侧112的氧气流量来实现。
重要的是，应避免不足化学计量操作。阴极不足化学计量是燃料电池堆的阳极侧提供的电子比产生水所消耗的电子(其受到氧气流量的限制)多。在不足化学计量操作期间，质子在阴极侧重组以在阴极流路内产生双原子氢，其可通过阴极废气管线排到大气中。应避免这种情况，因为阴极废气中存在的过量氢气可能导致超出氢气排放限制。
图3示出了优化燃料电池堆106的阴极侧112内的气流控制的方法300。方法300包括基于期望的氧气流速将至少一个阴极流量致动器118a-c的致动初始化302为初始状态，以在电压控制模式下操作燃料电池堆。方法300还包括在以阴极流量致动器118a-c的预定致动操作时确定304由燃料电池堆106产生的电流。然后，方法300使用所确定的电流继续计算306离开燃料电池堆106的氧气流速。方法300还包括将所计算的离开燃料电池堆106的氧气流速与所期望的离开燃料电池堆106的氧气流速进行比较308。响应于所计算的氧气流速与所期望的流速不同，方法300然后继续修改310阴极流量致动器118a-c中的至少一个的致动，以减小所期望的氧气流速与离开燃料电池堆106的流速之间的差异。任选地，然后，方法300可返回到确定304由燃料电池堆106产生的电流。如果差异低于预定阈值，则方法300可结束或可返回到确定304由燃料电池堆106产生的电流。
在一些方面，使用以下公式将所测量的电流用于确定所消耗的氧气量(单位为mol/s)：
Figure BDA0002079369210000071
其中nc是燃料电池堆106中的燃料电池数，I是燃料电池堆106的测量电流(单位为安培)，并且F是法拉第常数(单位为库仑/摩尔)。
对于稳态操作，可使用燃料电池的通道中的氧气
Figure BDA0002079369210000081
相对于电极
Figure BDA0002079369210000082
的分压(单位为帕斯卡(Pa))来计算阴极侧112中所消耗的氧气量。因此，可将公式(1)可重写为：
Figure BDA0002079369210000083
其中R是气体常数(单位为J mol-1K-1)，T是温度(单位为开尔文)，Acell是电池的有效面积(单位为cm2)，并且
Figure BDA0002079369210000084
是从通道到电极的氧气输送阻力。
从通道到电极的氧气输送阻力由下式给出：
Figure BDA0002079369210000085
其中对各项的计算和估算在下文中给出。
公式(3)中的第一项是通道贡献，并且
Figure BDA0002079369210000086
是扩散介质界面处的对流传质系数，使得：
Figure BDA0002079369210000087
其中Sh是舍伍德数，
Figure BDA0002079369210000088
是氧气的扩散系数，rCtoP是通道下暴露的扩散介质表面与通道间距的分数，并且d是通道深度。
可使用在Wilke，C.R的“A Viscosity Equation for Gas Mixtures”(J.Chem.Phys.，第18卷，1950年，第517-519页)中找到的Wilke公式来计算
Figure BDA0002079369210000089
该文献据此全文以引用方式并入。
公式(3)中的第二项表示扩散介质对输送阻力的贡献，其中fDM，ca是几何校正因子，其由于流场的几何形状考虑了从通道到电极的较长传输长度，δDM，ca是扩散介质厚度，并且
Figure BDA00020793692100000810
是有效扩散率，其考虑了孔隙度∈和弯曲度τ的影响。如本领域普通技术人员将认识到的，可通过实验来确定
Figure BDA0002079369210000091
公式(3)中的第三项表示催化剂层贡献，其中
Figure BDA0002079369210000092
是进入阴极催化剂层的有效输送长度，并且
Figure BDA0002079369210000093
由下式确定：
Figure BDA0002079369210000094
其中∈CL是催化剂孔隙度，
Figure BDA0002079369210000095
是克努森扩散项，并且
Figure BDA0002079369210000096
是使用如上所述的Wilke公式计算的。
可使用许多假设来简化公式。在低电位下，电池通常在限制电流下操作。该模型假设电流表示到催化剂层的氧通量，并且催化剂层中的氧分压为零。此外，该模型假设阴极侧112在100％相对湿度下操作。使用这些假设并简化公式，该模型如下计算燃料电池堆106的氧气摩尔流速：
Figure BDA0002079369210000097
其中R是理想气体常数，T是燃料电池堆的温度，I是堆电流，nc是燃料电池堆中的燃料电池数，
Figure BDA0002079369210000098
是从通道到电极的氧气输送阻力，
Figure BDA0002079369210000099
是输入到燃料电池堆的氮的摩尔分数，F是法拉第常数，Acell是燃料电池的有效面积，ptot是输入到燃料电池堆的阴极侧的压力，
Figure BDA00020793692100000910
是输入到燃料电池堆的氧气的摩尔分数，RH是燃料电池堆的相对湿度，以及psat是饱和压力。
然后可使用以下公式来计算燃料电池堆106的总流速：
Figure BDA00020793692100000911
其中
Figure BDA00020793692100000912
是整个阴极侧112的氮气流速。
图4A和图4B示出了从不基于燃料电池堆的电流输出提供流量反馈的系统测试获得的数据的柱状图。图4A示出了由燃料电池堆针对多个样本产生的热量的柱状图。可以看出，分布在0kW和约75kW之间延伸，其中所测量的分布在大约58kW处中断。图4B示出了由燃料电池堆针对多个样本产生的功率的柱状图。可以看出，所产生的功率的跨度为约2kW至约7kW。
图5A和图5B示出了从根据本公开的系统100获得的数据的柱状图。图5A示出了由用作传感器的燃料电池堆106针对多个样本产生的热量的柱状图。可以看出，分布在约40kW和约68kW之间延伸。此外，可以看出，分布比图4A中的样本分布窄得多且均匀得多。图5B示出了由用作传感器的燃料电池堆106针对多个样本产生的功率的柱状图。可以看出，所产生的功率的跨度为约2kW至约4kW。这里类似地，图5B的分布比图4B的分布窄得多。
在一些方面，将所计算的燃料电池堆106的总流速用于修改阴极流量致动器118a-c中的一个或多个的致动。在一些方面，将所计算的总流速用于修改阴极流量致动器118a-c中的一个或多个的控制曲线，诸如改变控制器106的增益。例如，可在恒定条件下操作压缩机118a，可完全打开堆旁路阀118b，并且可致动背压阀118c以对通过阴极侧112的流量进行精细控制。
在一些方面，将所期望的氧气流速和所计算的流速之间的差异用于修改在高阴极化学计量条件下操作期间使用的阴极流量致动器118a-c中的一个或多个的模型。例如，如果差异保持恒定的时间长于预定时间段，则可将该差异认为是非瞬态干扰的标记。在一些方面，预定时间段可大于一周。有利地，可将在电压控制操作模式期间获得的关于非瞬态干扰的信息(诸如，限制或增加的流量)用于修改当在标准操作模式下操作燃料电池堆106时使用的阴极流量致动器118a-c的控制曲线。
虽然已经详细描述了用于执行本公开的最佳模式，但是熟悉本公开所涉及领域的技术人员将认识到用于在所附权利要求书的范围内实施本公开的各种另选的设计和实施方案。

Claims (10)

1.一种方法，所述方法包括：
经由至少一个控制器确定电压设定点，以在电压控制模式下操作燃料电池堆，其中，所述燃料电池堆具有阴极侧和阳极侧，所述阳极侧通过膜与所述阴极侧隔开；
基于所述电压设定点和通过所述阴极侧的期望的氧气流速将至少一个阴极流量致动器致动到初始状态；
检测由所述燃料电池堆产生的堆电流，所述堆电流与所述至少一个阴极流量致动器在所述初始状态时的操作对应；
经由所述至少一个控制器基于所述堆电流计算通过所述阴极侧的氧气流速，其中，所述氧气流速与所期望的氧气流速不同；
经由所述至少一个控制器将所述氧气流速与所期望的氧气流速进行比较；
响应于所述氧气流速与所期望的氧气流速不同，修改所述至少一个阴极流量致动器的致动，以减小所期望的氧气流速与所述氧气流速之间的差异，从而在没有流速传感器的情况下提供氧气流量反馈；以及
经由所述至少一个控制器监测所期望的氧气流速和所述氧气流速之间的所述差异的持续时间，以确定是否所述差异保持恒定的时间长于预定时间段，从而检测所期望的氧气流速中来自燃料电池堆内的冰堵塞、燃料电池堆内的碎屑聚集和燃料电池堆内的制造公差变化中至少一个的干扰。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
反复确定所产生的堆电流，计算所述氧气流速，将所述氧气流速与所期望的氧气流速进行比较，并修改所述至少一个阴极流量致动器的致动，直到所期望的氧气流速与所述氧气流速之间的所述差异低于预定阈值。
3.根据权利要求1所述的方法，其中修改所述至少一个阴极流量致动器的致动包括修改阴极背压阀的致动。
4.根据权利要求1所述的方法，其中修改所述至少一个阴极流量致动器的致动包括修改阴极旁路阀的致动。
5.根据权利要求1所述的方法，其中基于所述堆电流计算所述氧气流速包括使用以下公式：
Figure FDA0003714702220000011
其中R是理想气体常数，T是所述燃料电池堆的温度，I是所述堆电流，nc是所述燃料电池堆中的燃料电池数，
Figure FDA0003714702220000021
是从相应通道到相应电极的氧气输送阻力，
Figure FDA0003714702220000022
是输入到所述燃料电池堆的氮的摩尔分数，F是法拉第常数，Acell是所述燃料电池的有效面积，ptot是输入到所述燃料电池堆的所述阴极侧的压力，
Figure FDA0003714702220000023
是输入到所述燃料电池堆的氧气的摩尔分数，RH是所述燃料电池堆的相对湿度，以及psat是饱和压力。
6.根据权利要求1所述的方法，其中以所述电压控制模式操作所述燃料电池堆包括在阴极化学计量小于1.3进行的操作。
7.一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括：
阴极流路；
燃料电池堆，所述燃料电池堆包括限定所述阴极流路的一部分的阴极侧；
至少一个阴极流量致动器，所述至少一个阴极流量致动器流体地设置在所述阴极流路中，所述至少一个阴极流量致动器被选择性地致动以改变通过所述阴极侧的氧气流量；和
至少一个控制器，所述至少一个控制器可操作地联接到所述至少一个阴极流量致动器，所述至少一个控制器被配置为：
确定电压设定点，以在电压控制模式下操作所述燃料电池堆；
基于所述电压设定点和通过所述阴极侧的期望的氧气流速将所述至少一个阴极流量致动器致动到初始状态；
检测由所述燃料电池堆产生的堆电流，所述堆电流与所述至少一个阴极流量致动器在所述初始状态时的操作对应；
基于所述堆电流计算通过所述阴极侧的氧气流速，其中，所述氧气流速与所期望的氧气流速不同；
将所述氧气流速与所期望的氧气流速进行比较；
响应于所述氧气流速与所期望的氧气流速不同，修改所述至少一个阴极流量致动器的致动，以减小所期望的氧气流速与所述氧气流速之间的差异，从而在没有流速传感器的情况下提供氧气流量反馈；以及
监测所期望的氧气流速和所述氧气流速之间的所述差异的持续时间，以确定是否所述差异保持恒定的时间长于预定时间段，从而检测所期望的氧气流速中来自燃料电池堆内的冰堵塞、燃料电池堆内的碎屑聚集和燃料电池堆内的制造公差变化中至少一个的干扰。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其中所述至少一个控制器被进一步配置为反复确定所产生的堆电流，计算所述氧气流速，将所述氧气流速与所期望的氧气流速进行比较，并修改所述至少一个阴极流量致动器的致动，直到所期望的氧气流速与离开所述燃料电池堆的所述氧气流速之间的所述差异低于预定阈值。
9.一种电力系统，所述电力系统包括：
燃料电池系统，所述燃料电池系统包括：
阴极流路；
燃料电池堆，所述燃料电池堆包括限定所述阴极流路的一部分的阴极侧；
至少一个阴极流量致动器，所述至少一个阴极流量致动器流体地设置在所述阴极流路中，所述至少一个阴极流量致动器被选择性地致动以改变通过所述阴极侧的氧气流量；和
至少一个控制器，所述至少一个控制器可操作地联接到所述至少一个阴极流量致动器，所述至少一个控制器被配置为：
确定电压设定点，以在电压控制模式下操作所述燃料电池堆；
基于所述电压设定点和通过所述阴极侧的期望的氧气流速将所述至少一个阴极流量致动器致动到初始状态；
检测由所述燃料电池堆产生的堆电流，所述堆电流与所述至少一个阴极流量致动器在所述初始状态时的操作对应；
基于所述堆电流计算通过所述阴极侧的氧气流速，其中，所述氧气流速与所期望的氧气流速不同；
将所述氧气流速与所期望的氧气流速进行比较；
响应于所述氧气流速与所期望的氧气流速不同，修改所述至少一个阴极流量致动器的致动，以减小所期望的氧气流速与所述氧气流速之间的差异，从而在没有流速传感器的情况下提供氧气流量反馈；以及
监测所期望的氧气流速和所述氧气流速之间的所述差异的持续时间，以确定是否所述差异保持恒定的时间长于预定时间段，从而检测所期望的氧气流速中来自燃料电池堆内的冰堵塞、燃料电池堆内的碎屑聚集和燃料电池堆内的制造公差变化中至少一个的干扰。
10.根据权利要求9所述的电力系统，其中修改所述至少一个阴极流量致动器的致动包括修改阴极旁路阀的致动。
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