一种燃料电池系统控制方法及控制系统与流程

1.本发明属于电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池系统控制方法及控制系统。


背景技术：

2.燃料电池是一种电化学反应装置，由氢气和氧气分别在两个半电极内发生反应生成水，将化学能转化为电能，同时伴随着效率损失而转化为热能。燃料电池堆是由多片燃料电池单片按照负极
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正极
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负极
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正极重复的方式进行串联而成，相邻两片燃料电池单片用双极板进行隔离。在双极板一侧表面形成有氢气供给流道且与氢气反应电极接触，在双极板另一侧表面形成有氧气（空气）供给流道且与氧气反应电极接触，在双极板中间形成有冷却液供给通道。不同介质流道间，用密封材料进行密封。燃料电池系统应用于车辆动力系统，作为动力源驱动车辆，不可避免的出现车辆需求功率增加、并且要求燃料电池系统满足来自动力系统的功率需求。为了提高燃料电池系统的输出功率，燃料电池系统的输出电流必须增加。燃料电池输出电流增加，导致燃料电池系统电堆内电化学反应生成水含量和氢气侧杂气同步增加，燃料电池系统电堆内部的水含量和杂气过度增加，反过来导致燃料电池系统电堆的输出功率降低、有损于燃料电池系统电堆的寿命。鉴于此，有必要提供一种方法以解决燃料电池内部水含量和杂质过度增加的问题。
3.相关技术提供的燃料电池控制方法包括通过诊断分析单元计算电堆工作电流下的单电池电压标准方差，并将该单电池电压标准方差与点电池电压标准方差参考值进行比较，通过燃料电池控制器根据诊断分析单元的比较结果进行对应的燃料电池水状态控制。
4.但是在上述方法无法在燃料电池系统输出电流快速增加且输出电流达到稳定后的一段时间内，控制燃料电池系统电堆内水分，使燃料电池系统电堆内单片电压和平均单片电压恢复到正常范围内。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种燃料电池系统控制方法及控制系统，可以解决无法在燃料电池系统输出电流快速增加且输出电流达到稳定后的一段时间内，控制燃料电池系统电堆内水分的技术问题。
6.本发明提供的技术方案如下所示：一方面，提供了一种燃料电池系统控制方法，所述方法包括：获取燃料电池系统当前电流；比较所述当前电流与目标电流，当所述当前电流等于所述目标电流时，获取所述燃料电池当前电堆水含量；比较所述当前电堆水含量与电堆水含量目标值；当所述当前电堆水含量小于或等于所述电堆水含量目标值时，获取所述燃料电池系统平均单片电压以及最低单片电压；比较所述燃料电池系统平均单片电压与平均单片电压最低阈值、比较所述最低单
片电压与最低单片电压最低阈值，得到比较结果；根据所述比较结果调整燃料电池系统电堆内水含量。
7.在一种可选的实施例中，所述根据比较结果调整电堆内水含量，包括：当所述燃料电池系统平均单片电压小于所述平均单片电压最低阈值和所述最低单片电压小于所述最低单片电压最低阈值时，开启与所述燃料电池系统电堆连接的第一阀门排出所述燃料电池系统电堆内氢气侧的杂气。
8.在一种可选的实施例中，所述根据比较结果调整电堆内水含量，还包括：当所述燃料电池系统平均单片电压不小于所述平均单片电压最低阈值和所述最低单片电压不小于所述最低单片电压最低阈值时，按照第一周期开启与所述燃料电池系统电堆连接的第二阀门排出所述燃料电池系统电堆内氢气侧的杂气。
9.在一种可选的实施例中，当所述当前电堆水含量大于所述电堆水含量目标值时，开启与所述燃料电池系统电堆连接的第二阀门，按照第二周期进行排水。
10.在一种可选的实施例中，述开启与所述燃料电池系统电堆连接的第二阀门，按照第二周期进行排水，包括开启与所述燃料电池系统电堆连接的第二阀门，降低空气侧压力至第一目标压力，提高氢气侧压力至第二目标压力，按照第二周期进行排水。
11.在一种可选的实施例中，当所述当前电堆水含量大于所述电堆水含量目标值时，获取当前电堆水含量上升速率，获取所述当前电堆水含量与电堆水含量目标值标准差，通过所述上升速率与所述标准差得到所述第二阀门的开启时间与第一目标压力以及第二目标压力。
12.在一种可选的实施例中，所述开启与所述燃料电池系统电堆连接的第一阀门排出所述燃料电池系统电堆内氢气侧的杂气，包括开启与所述燃料电池系统电堆连接的第一阀门，提高氢气侧压力至第三目标压力，排出所述燃料电池系统电堆内氢气侧的杂气。
13.在一种可选的实施例中，当所述燃料电池系统平均单片电压小于所述平均单片电压最低阈值和所述最低单片电压小于所述最低单片电压最低阈值时，获取所述燃料电池系统平均单片电压与所述平均单片电压最低阈值差值，根据所述差值得到所述氢气排放量，根据所述氢气排放量得到第一阀门开启时间，开启所述第一阀门排出所述燃料电池系统电堆内氢气侧的杂气。
14.在一种可选的实施例中，所述比较所述当前电流与目标电流，当所述当前电流等于所述目标电流时，获取所述燃料电池当前电堆水含量，包括比较所述当前电流与目标电流，当所述当前电流等于所述目标电流时，等待第一时间，所述当前电流稳定后获取所述燃料电池当前电堆水含量。
15.另一方面，提供了一种燃料电池系统控制系统，所述系统包括：第一获取单元，用于获取燃料电池系统当前电流；第一比较单元，用于比较所述当前电流与目标电流，当所述当前电流等于所述目标电流时，获取所述燃料电池当前电堆水含量；第二比较单元，用于比较所述当前电堆水含量与电堆水含量目标值；第二获取单元，用于当所述当前电堆水含量小于或等于所述电堆水含量目标值时，获取所述燃料电池系统平均单片电压以及最低单片电压；第三比较单元，用于比较所述燃料电池系统平均单片电压与平均单片电压最低阈
值、比较所述最低单片电压与最低单片电压最低阈值，得到比较结果；控制单元，用于根据所述比较结果调整燃料电池系统电堆内水含量。
16.本发明实施例提供的方法至少具有以下有益效果：本发明实施例提供的方法通过比较当前电流与目标电流，当当前电流等于目标电流时，说明燃料电池的电流增加，燃料电池系统电堆内水含量已经有所增加，等待第一时间稳定后获取燃料电池当前电堆水含量；比较当前电堆水含量与电堆水含量目标值，当当前电堆水含量小于或等于电堆水含量目标值时，获取燃料电池平均单片电压以及最低单片电压；比较燃料电池平均单片电压与平均单片电压最低阈值、比较最低单片电压与最低单片电压最低阈值，得到比较结果；根据比较结果调整电堆内水含量。如此，通过多层次、多方位调节燃料电池系统电堆内水含量，在燃料电池系统输出电流快速增加且输出电流达到稳定后的一段时间内，使燃料电池系统快速恢复到输出电流对应的平衡水含量，使最低单片电压和平均单片电压值恢复到正常范围内，减缓发动机衰减速率，延长发动机使用寿命。
附图说明
17.通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
18.图1示出了燃料电池系统结构简图；图2示出了燃料电池系统控制方法流程示意图；图3示出了燃料电池系统控制方法流程示意图；图4示出了燃料电池系统控制系统结构示意图。
19.附图标记：100
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电堆，1
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第一阀门，2
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第二阀门，101
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空气入口，102
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空气出口，103
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氢气喷射器，104
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尾排管。
具体实施方式
20.下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
21.在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
22.燃料电池是一种电化学反应装置，由氢气和氧气分别在两个半电极内发生反应生成水，将化学能转化为电能，同时伴随着效率损失而转化为热能。
23.燃料电池系统电堆是由多片燃料电池单片按照负极
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正极
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负极
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正极重复的方式进行串联而成，相邻两片燃料电池单片用双极板进行隔离。在双极板一侧表面形成有氢气
供给流道且与氢气反应电极接触，在双极板另一侧表面形成有氧气（空气）供给流道且与氧气反应电极接触，在双极板中间形成有冷却液供给通道。不同介质流道间，用密封材料进行密封。
24.燃料电池系统应用于车辆动力系统，作为动力源驱动车辆，不可避免的出现车辆需求功率增加、并且要求燃料电池系统满足来自动力系统的功率需求。请参见图1，燃料电池系统电堆具有空气入口和空气进口，还设置有第一阀门和第二阀门用来排放燃料电池系统电堆内的空气和水。为了提高燃料电池系统的输出功率，燃料电池系统的输出电流必须增加。燃料电池输出电流增加，导致燃料电池系统电堆内电化学反应生成水含量和氢气侧杂气同步增加，燃料电池系统电堆内部的水含量和杂气过度增加，反过来导致燃料电池系统电堆的输出功率降低、有损于燃料电池系统电堆的寿命。鉴于此，本发明实施例提供了一种燃料电池系统控制方法和系统，旨在解决上述技术问题。
25.请参见图2，图2为本发明实施例提供的燃料电池系统控制方法流程示意图，该方法包括：s201、获取燃料电池系统当前电流。
26.s202、比较当前电流与目标电流，当当前电流等于目标电流时，获取燃料电池当前电堆水含量。
27.s203、比较当前电堆水含量与电堆水含量目标值。
28.s204、当当前电堆水含量小于或等于电堆水含量目标值时，获取燃料电池系统平均单片电压以及最低单片电压。
29.s205、比较燃料电池系统平均单片电压与平均单片电压最低阈值、比较最低单片电压与最低单片电压最低阈值，得到比较结果。
30.s206、根据比较结果调整燃料电池系统电堆内水含量。
31.本发明实施例提供的方法至少具有以下有益效果：本发明实施例提供的方法通过比较当前电流与目标电流，当当前电流等于目标电流时，说明燃料电池的电流增加，燃料电池系统电堆内水含量已经有所增加，此时获取燃料电池当前电堆水含量；比较当前电堆水含量与电堆水含量目标值，当当前电堆水含量小于或等于电堆水含量目标值时，获取燃料电池平均单片电压以及最低单片电压；比较燃料电池平均单片电压与平均单片电压最低阈值、比较最低单片电压与最低单片电压最低阈值，得到比较结果；根据比较结果调整电堆内水含量。如此，通过多层次、多方位调节燃料电池系统电堆内水含量，在燃料电池系统输出电流快速增加且输出电流达到稳定后的一段时间内，使燃料电池系统快速恢复到输出电流对应的平衡水含量，使最低单片电压和平均单片电压值恢复到正常范围内，减缓发动机衰减速率，延长发动机使用寿命。
32.以下将通过可选的实施例进一步解释和描述本发明实施例提供的方法。
33.s201、获取燃料电池系统当前电流。
34.进一步的，本发明实施例通过燃料电池系统控制器获取燃料电池系统当前电流。可以理解的是，燃料电池系统电堆内产生电化学反应进而产生直流电流，电化学反应时会产生水，对燃料电池系统电堆内水和氢气侧杂气的控制是保证燃料电池系统正常工作的保障。目标电流来自整车需求功率计算或者试验数据。需要说明的是，本发明实施例提供的氢气侧的杂气是指除了氢气以外的气体。
35.s202、比较当前电流与目标电流，当当前电流等于目标电流时，获取燃料电池系统当前电堆水含量。
36.当当前电流不等于目标电流时，说明当前电流大于或小于目标电流，当当前电流大于目标电流时说明燃料电池系统电堆内产水量开始增大，并且水含量可能已经超过目标值，此时获取燃料电池电池系统当前电堆水含量。作为一种示例，可以通过燃料电池系统控制器与燃料电池电堆连接的水位传感器或数据建模方式获取当前电堆水含量。
37.需要说明的是，本发明实施例提供的目标电流可以根据实对燃料电池系统实验得到，也可以根据燃料电池系统运行历史数据得到，还可以通过数据建模方式得到，本发明实施例对目标电流的获取方式不限于此。
38.s203、比较当前电堆水含量与电堆水含量目标值。
39.本发明实施例提供的电堆水含量目标值可以根据燃料电池系统运行历史数据得到，还可以通过数据建模方式得到，本发明实施例对电堆水含量目标值获取方式不限于此。
40.可以理解的是，比较结果有两种，当前电堆水含量大于电堆水含量目标值，当前电堆水含量小于等于电堆水含量目标值。
41.在一种可选的实施例中，当当前电堆水含量大于电堆水含量目标值时，开启与燃料电池系统电堆连接的第二阀门，按照第二周期进行排水。
42.可以理解的是，当当前电堆水含量大于电堆水含量目标值时，说明需要对燃料电池电堆内水进行排放，此时开启与燃料电池系统电堆连接的第二阀门，按照第二周期进行排水。作为一种示例，可以间隔十分钟或者二十分钟或一小时开启第二阀门进行排水，直到当前电堆水含量小于或等于电堆水含量目标值。
43.在一种可选的实施例中，开启与燃料电池系统电堆连接的第二阀门，按照第二周期进行排水，包括开启与燃料电池系统电堆连接的第二阀门，降低空气侧压力至第一目标压力，提高氢气侧压力至第二目标压力，按照第二周期进行排水。
44.进一步的，本发明实施例提供的方法还可以通过同时降低空气侧压力至第一目标压力，提高氢气侧压力至第二目标压力来排水。
45.在一种可选的实施例中，获取燃料电池电堆空气侧初始压力，氢气侧初始压力，获取燃料电池电堆空气侧目标压力，氢气侧目标压力。需要说明的是，燃料电池系统电堆空气侧目标压力、氢气侧目标压力可以通过燃料电池系统历史运行数据进行确定。
46.进一步的，通过燃料电池电堆空气侧初始压力与空气侧目标压力之差，氢气侧初始压力与氢气侧目标压力之差就可以得知降低空气侧压力至第一目标压力的压力值，提高氢气侧压力至第二目标压力的压力值。
47.在一种可选的实施例中，当当前电堆水含量大于电堆水含量目标值时，获取当前电堆水含量上升速率，获取当前电堆水含量与电堆水含量目标值标准差，通过上升速率与标准差得到第二阀门的开启时间与第一目标压力以及第二目标压力。
48.可以理解的是，电堆水含量速率标志着燃料电池系统电化学转化的速率，通过获取当前电堆水含量上升速率，当前电堆水含量与电堆水含量目标值标准差，可以得知排放完水的时间，并根据该时间调整第二阀门的开启时间，并且同时降低空气侧压力以及提高氢气侧压力。如此可以提高电堆内水含量的排放效率。
49.s204、当当前电堆水含量小于或等于电堆水含量目标值时，获取燃料电池系统平
均单片电压以及最低单片电压。
50.可以理解的是，当当前电堆水含量小于或等于电堆水含量目标值时，通过对平均单片电压以及最低单片电压的电压变化来控制燃料电池系统内水含量以及氢气侧杂气含量，如此通过多方位，多层次的调整，提高了对燃料电池系统控制的效率和准确性。
51.s205、比较燃料电池系统平均单片电压与平均单片电压最低阈值、比较最低单片电压与最低单片电压最低阈值，得到比较结果。
52.可以理解的是，比较结果包括燃料电池系统平均单片电压大于平均单片电压最低阈值、最低单片电压大于最低单片电压最低阈值，或燃料电池系统平均单片电压小于等于平均单片电压最低阈值、最低单片电压小于等于最低单片电压最低阈值。
53.s206、根据比较结果调整燃料电池系统电堆内水含量。
54.在一种可选的实施例中，根据比较结果调整电堆内水含量，包括：当燃料电池平均单片电压小于平均单片电压最低阈值和最低单片电压小于最低单片电压最低阈值时，开启与燃料电池系统电堆连接的第一阀门排出燃料电池系统电堆内氢气侧的杂气。
55.在一种可选的实施例中，根据比较结果调整电堆内水含量，还包括：当燃料电池系统平均单片电压不小于平均单片电压最低阈值和最低单片电压不小于最低单片电压最低阈值时，按照第一周期开启与燃料电池系统电堆连接的第二阀门排出燃料电池系统电堆内氢气侧的杂气。
56.作为一种示例，可以间隔0.1秒，1分钟或者更长时间开启第二阀门排出燃料电池系统电堆内氢气侧的杂气。第一周期时长可以根据燃料电池系统中发动机的性能进行确定，也可以根据燃料电池电堆的性能确定。
57.在一种可选的实施例中，开启与燃料电池系统电堆连接的第一阀门排出燃料电池系统电堆内氢气侧的杂气，包括开启与燃料电池系统电堆连接的第一阀门，提高氢气侧压力至第三目标压力，排出燃料电池系统电堆内氢气侧的杂气。
58.本发明实施例一方面通过开启第一阀门排出燃料电池系统电堆内氢气侧的杂气，另一个方面通过提高氢气侧压力至第三目标压力，来加速氢气的排出。
59.作为一种示例，第三目标压力可以根据燃料电池系统运行历史数据确定，或者根据对历史数据的建模确定。
60.在一种可选的实施例中，当燃料电池系统平均单片电压小于平均单片电压最低阈值和最低单片电压小于最低单片电压最低阈值时，获取燃料电池系统平均单片电压与平均单片电压最低阈值差值，根据差值得到氢气排放量，根据氢气排放量得到第一阀门开启时间，开启第一阀门排出燃料电池系统电堆内氢气侧的杂气。
61.本发明实施例通过平均单片电压与平均单片电压最低阈值差值，根据差值得到氢气排放量，根据氢气排放量得到第一阀门开启度排放燃料电池系统电堆内氢气侧的杂气，提高了氢气侧的杂气排放的准确性。
62.在一种可选的实施例中，比较当前电流与目标电流，当当前电流等于目标电流时，获取燃料电池系统当前电堆水含量，包括比较当前电流与目标电流，当当前电流等于目标电流时，等待第一时间，当前电流稳定后获取燃料电池当前电堆水含量。
63.可以理解的是，当当前电流等于目标电流时，等当前电流稳定，即等待第一时间，该第一时间可以是1分钟也可以是20分钟，具体可以根据燃料电池系统发动机的性能等进
行确定，本发明实施例对第一时间的长短不限于此。当前电流稳定后说明燃料电池电堆内水含量也趋于稳定，此时获取燃料电池当前电堆水含量。
64.在一种可选的实施例中，本发明实施例提供的方法还包括自标定步骤，可以理解的是，当燃料电池系统运行一段时间后，燃料电池发动机运行一定时间后会衰减，燃料电池系统电堆正常运行时单片电压值会有所降低，所以燃料电池平均单片电压最低阈值、最低单片电压最低阈值，会随发动机运行自标定，来保证燃料电池平均单片电压最低阈值、最低单片电压最低阈值有效性。本发明实施例提供的自标定是指通过实验室对历史数据或者燃料电池系统当前性能等对燃料电池系统的目标电流、电堆水含量目标值、平均单片电压最低阈值以及最低单片电压最低阈值进行重新标定。
65.请参见图3，图3为本发明实施例具体流程示意图。对本发明实施例提供的方法进一步解释和说明。
66.步骤s1：设定燃料电池系统平均单片电压最低阈值v3、最低单片电压最低阈值v4、电堆水含量目标值w2、第二目标压力p1，第一目标压力p3。
67.步骤s2：读取燃料电池系统当前电流i1、目标电流i2。
68.步骤s3：判断当前电流i1是否达到目标电流i2。
69.步骤s4：在步骤s3满足条件下，等待t1时间后读取燃料电池当前电堆水含量w1。
70.步骤s5：判断当前电堆水含量w1是否小于等于电堆水含量目标值w2。
71.步骤s6：在步骤s5满足条件下，设定第一阀门周期性开启t3时间通过尾排管把水排入环境中，开启时间t3来自试验标定或建模统计数据。
72.步骤s7：在步骤s5不满足条件下，强制开启第一阀门t2时间，同时设定空气目标压力为p3
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p4（其中p3为空气侧初始压力，p4为达到第一目标压力所需要减少的压力值），氢气侧目标压力为p1+p2（其中p1为氢气侧初始压力，p2为达到第二目标压力所需要增加的压力值），其中，p4>=0，p2>0，通过尾排管把水排入环境中，开启时间t2，空气压力p4，氢气压力p2来自当前水含量w1与水含量目标值w2计算或建模统计数据。
73.步骤s8：读取燃料电池系统当前平均单片电压v1、当前最低单片电压v2。
74.步骤s9：判断当前平均单片电压v1是否大于平均单片电压最低阈值v3，同时当前最低单片电压v2是否大于最低单片电压最低阈值v4。
75.步骤s20：在步骤s9不满足条件下，强制开启t5时间第二阀门，同时设定氢气侧目标压力为p1+p5（其中p1为氢气侧初始压力，p5为达到第一目标压力所需要增加的压力值），p5>=0，通过尾排管把氢气侧杂气排入环境中，开启时间t5来模型计算或试验数据，压力p5来自试验标定或建模计算。
76.步骤s11：在步骤s9满足条件下，设定燃料电池系统排气阀周期性开启t4时间通过尾排管把氢气侧杂气排入环境中，开启时间t4来自试验标定或建模统计数据。
77.步骤s12：判断是否收到关机指令，收到关机指令进入步骤s13结束，未收到关机指令回到步骤s2循环。
78.请参见图4，另一方面，提供了一种燃料电池系统控制系统，系统包括：第一获取单元401，用于获取燃料电池系统当前电流；第一比较单元401，用于比较当前电流与目标电流，当当前电流等于目标电流时，获取燃料电池系统当前电堆水含量；
第二比较单元401，用于比较当前电堆水含量与电堆水含量目标值；第二获取单元401，用于当当前电堆水含量小于或等于电堆水含量目标值时，获取燃料电池平均单片电压以及最低单片电压；第三比较单元401，用于比较燃料电池系统平均单片电压与平均单片电压最低阈值、比较最低单片电压与最低单片电压最低阈值，得到比较结果；控制单元401，用于根据比较结果调整燃料电池系统电堆内水含量。
79.本发明实施例提供的系统至少具有以下有益效果：本发明实施例提供的系统通过比较当前电流与目标电流，当当前电流等于目标电流时，说明燃料电池的电流增加，燃料电池系统电堆内水含量已经有所增加，此时获取燃料电池当前电堆水含量；比较当前电堆水含量与电堆水含量目标值，当当前电堆水含量小于或等于电堆水含量目标值时，获取燃料电池平均单片电压以及最低单片电压；比较燃料电池平均单片电压与平均单片电压最低阈值、比较最低单片电压与最低单片电压最低阈值，得到比较结果；根据比较结果调整电堆内水含量。如此，通过多层次、多方位调节燃料电池系统电堆内水含量，在燃料电池系统输出电流快速增加且输出电流达到稳定后的一段时间内，使燃料电池系统快速恢复到输出电流对应的平衡水含量，使最低单片电压和平均单片电压值恢复到正常范围内，减缓发动机衰减速率，延长发动机使用寿命。
80.以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。