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CN111162297B - 质子交换膜燃料电池单片及电池堆工作条件选择量化方法 - Google Patents

质子交换膜燃料电池单片及电池堆工作条件选择量化方法 Download PDF

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CN111162297B CN201911409406.4A CN201911409406A CN111162297B CN 111162297 B CN111162297 B CN 111162297B CN 201911409406 A CN201911409406 A CN 201911409406A CN 111162297 B CN111162297 B CN 111162297B
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Abstract

本申请公开了一种质子交换膜燃料电池单片工作条件的选择量化方法以及质子交换膜燃料电池堆工作条件的选择量化方法。上述方法通过绘制燃料电池单片或燃料电池堆的排气空气中的氧气分压力等势线图，沿着氧气分压力等势线选取工作条件，使燃料电池单片或燃料电池堆在每个工作条件下稳定运行一段时间，记录输出电压数据，计算每个工作条件下的统计指标，优化工作条件。当全部工作条件满足全部预期指标后，最后保留的工作条件即为燃料电池单片或燃料电池堆选择的工作条件。该方法提供了一种提高质子交换膜燃料电池工作效率、有效调节质子交换膜燃料电池水含量的工作条件的选择量化方法。

Description

质子交换膜燃料电池单片及电池堆工作条件选择量化方法
技术领域
本申请涉及但不限于燃料电池领域，具体地，涉及但不限于一种质子交换膜燃料电池单片工作条件的选择量化方法以及质子交换膜燃料电池堆工作条件的选择量化方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)是一种电化学装置，直接将化学能转换为电能，可以将氢气和氧气中存储的化学能转换为电能并生成水，氢气往往来自氢气存储装置(比如高压氢气瓶)，而氧气可来自空气或者存储有氧气的气瓶。
质子交换膜燃料电池对外持续输出电能，需要外界源源不断地向燃料电池供给氢气和氧气，则必须要有氢气供给系统和氧气供给系统。燃料电池能量转化效率低于100％，在向外输出电能的同时，必然有部分化学能转化为热能而对燃料电池进行加热、并使燃料电池升温，为维持燃料电池合适的工作温度，则必须要有调节燃料电池温度的冷却系统。质子交换膜燃料电池单片电压不足1伏而输出电流可达上百安培，为增强燃料电池电能输出能力和扩大场景适用范围，往往将上百片燃料电池单片串联以提供更高的输出电压，这在交通运输领域得到广泛应用。
交通运输车辆(乘用车和商用车等)对质子交换膜燃料电池系统的体积比功率、质量比功率和耐久性有较高的要求，质子交换膜燃料电池系统由燃料电池、附件系统和控制系统组成，质子交换膜燃料电池的结构和性能设计优化、附件系统(氢气供给系统、氧气供给系统和冷却系统等)的匹配设计和优化控制至关重要。
燃料电池附件系统和控制系统给燃料电池持续运行提供了工作条件，燃料电池的工作条件主要包括：燃料电池单片空气侧，空气进气压力、进气过量空气系数、进气空气相对湿度、进气空气温度等；燃料电池单片氢气侧，氢气进气压力、进气过量氢气系数、进气氢气相对湿度、进气氢气温度等；燃料电池单片冷却回路，入口冷却液温度、冷却液流量等。
对于质子交换膜燃料电池，电化学反应生成水过多地聚集在燃料电池单片内部时，燃料电池输出性能会下降；燃料电池单片内含水量过少时，燃料电池输出性能也会下降。对于由多片燃料电池单片串联而成的燃料电池堆来说，各个单片内水含量不均衡加重了燃料电池堆的输出性能和耐久性(短板效应)的恶化。然而，燃料电池系统中燃料电池堆或单片的水含量或者局部水浓度是很难进行测量的，即使现有成熟的相对湿度传感器也难以应用到燃料电池系统中。调节燃料电池的工作条件，会显著影响燃料电池堆或单片的含水量(进气流速越大、进气相对湿度越低、进气和排气温度越高，则单片含水量越少，反之亦然)，进而影响燃料电池的输出性能，因此必须在不直接使用传感器测量燃料电池水含量的前提下，提出一种能够优化质子交换膜燃料电池输出性能的燃料电池工作条件调节方法。
现有技术中，燃料电池的工作条件调节方法包括：当判断出燃料电池堆或单片的水含量过多时，为尽快排出多余水分，可采取的措施有提高进气空气流量、降低进气空气相对湿度、提高进气空气温度、提高排气空气温度、提高冷却液温度、提高进气氢气流量、降低进气氢气相对湿度、提高进气氢气温度、提高排气氢气温度、提高燃料电池空气侧压力、提高燃料电池氢气侧压力等；当判断出燃料电池堆或单片的水含量过少时，为增加燃料电池水含量，可采取的措施有降低进气空气流量、提高进气空气相对湿度、降低进气空气温度、降低排气空气温度、降低冷却液温度、降低进气氢气流量、提高进气氢气相对湿度、降低进气氢气温度、降低排气氢气温度、降低燃料电池空气侧压力、降低燃料电池氢气侧压力等。
提高燃料电池堆或单片的空气和氢气的进气压力和进气流量，或者提高燃料电池堆或单片的工作温度，可以提高燃料电池堆或单片的效率。然而，同时提高燃料电池堆或单片的反应气体的压力和流量，导致反应气体供给系统的附件消耗功率显著增加、附件系统运行负荷增加，并往往导致燃料电池系统效率降低。在燃料电池系统效率和燃料电池水含量调节两个目标的制约下，现有技术不能给出燃料电池工作条件选择的量化依据。
发明内容
以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
为了解决上述存在的问题，本申请提供了一种质子交换膜燃料电池单片工作条件的选择量化方法。该方法包括如下步骤：
步骤一：绘制等势线图，所述等势线图包括所述燃料电池单片的氧化剂排气出口的排气空气中的氧气分压力随排气空气压力、过量空气系数变化的一条或更多条等势线；
步骤二：沿着一条所述排气空气中的氧气分压力等势线，连续取N个工作条件，使所述燃料电池单片在每个工作条件下稳定运行一段时间，记录所述燃料电池单片的输出电压数据，然后计算每个工作条件下所述燃料电池单片的统计指标，将所述统计指标超出预期统计指标的工作条件去掉，去掉的工作条件为S个，保留所述统计指标在所述预期统计指标之内的工作条件，保留的工作条件为N-S个；
步骤三：在所述保留的工作条件范围内进行细化，取M个工作条件(为了确定更优化的工作条件范围，M个工作条件包括保留的N-S个工作条件)，使所述燃料电池单片在新增的工作条件下稳定运行一段时间，新增的工作条件为M-N+S个，记录所述燃料电池单片的输出电压数据，然后计算所述新增的工作条件下所述燃料电池单片的统计指标，与所述保留的N-S个工作条件下的统计指标进行对比，设置新的预期统计指标，将新增的工作条件下的统计指标与保留的工作条件下的统计指标之中超出新的预期统计指标的工作条件去掉，保留在所述新的预期统计指标之内的工作条件；
当全部工作条件满足全部预期指标后，结束所述选择量化方法，最后保留的工作条件即为所述燃料电池单片选择的工作条件。
在一些实施方式中，该方法还可以包括步骤四：重复步骤二和步骤三，直到全部工作条件满足全部预期指标。
在一些实施方式中，当所述等势线图中的等势线为更多条时，所述方法还可以包括步骤五：沿着第二条排气空气中的氧气分压力等势线，重复步骤二和步骤三，或者重复步骤二、步骤三和步骤四，直到全部工作条件满足全部预期指标。
在一些实施方式中，当所述等势线图中的等势线为多于两条时，所述方法还可以包括：步骤六，沿着其他所述排气空气中的氧气分压力等势线中的一条或多条，重复步骤五。
在一些实施方式中，在燃料电池单片的工作条件范围完全未知的情况下，可以沿着排气空气中的氧气分压力等势线，连续取N个工作条件；或者可以在燃料电池单片的预期工作条件附近，沿着排气空气中的氧气分压力等势线，连续取N个工作条件。
在一些实施方式中，所述统计指标可以包括所述燃料电池单片的所述输出电压的平均值和标准方差，所述预期统计指标包括所述输出电压平均值较低而方差较大。
在一些实施方式中，所述选择量化方法可以在如下条件下进行：所述燃料电池单片的氧化剂进气入口处的水蒸气所占的体积百分比或摩尔百分比保持不变或接近于零；并且，所述燃料电池单片的氧化剂排气出口的压力和温度都是可测量或可获取的；并且，所述燃料电池单片的氧化剂排气出口的温度保持不变；并且，所述燃料电池单片的净水传递流量和燃料电池输出电流保持不变。
在一些实施方式中，当所述燃料电池单片的氧化剂进气入口处的水蒸气所占的体积百分比或摩尔百分比发生变化时，或当所述燃料电池单片的氧化剂排气出口的温度发生变化时，可以按照所述步骤二至所述步骤三、或所述步骤二至所述步骤四、或所述步骤二至所述步骤五，重新选择量化所述工作条件。
在一些实施方式中，所述燃料电池单片的所述氧气分压力的等势线可以根据下述公式进行绘制，
POxyOut＝POut×(SOxy-1)×(1-XWat)/(SOxy+alpha×(1+4×beta)×(1-XWat))
其中，POxyOut为燃料电池单片的氧化剂排气出口的排气空气中的氧气分压力，POut为氧化剂排气出口压力，SOxy为过量空气系数，XWat为燃料电池单片的氧化剂进气入口处的水蒸气的流量占总气体流量的比例，alpha为干空气中氧气所占体积比例，beta为大于-0.5且小于0.5的无单位系数。
在一些实施方式中，所述工作条件可以包括所述燃料电池单片的工作温度、工作压力、供气流量、相对湿度中的一种或更多种。例如可以包括：燃料电池单片空气侧，空气进气压力、进气过量空气系数、进气空气相对湿度、进气空气温度等；燃料电池单片氢气侧，氢气进气压力、进气过量氢气系数、进气氢气相对湿度、进气氢气温度等；燃料电池单片冷却回路，入口冷却液温度、冷却液流量等。
在一些实施方式中，选取的所述工作条件的数量可以为N≥4，例如，可以为5、6、7、8、9、10等。
本申请还提供了一种质子交换膜燃料电池堆工作条件的选择量化方法，所述燃料电池堆包括多个燃料电池单片，所述方法包括如下步骤：
步骤一：绘制等势线图，所述等势线图包括所述燃料电池堆的氧化剂排气出口的排气空气中的氧气分压力随排气空气压力、过量空气系数变化的一条或更多条等势线；
步骤二：沿着一条所述排气空气中的氧气分压力等势线，连续取N工个作条件，使所述燃料电池堆在每个工作条件下稳定运行一段时间，记录所述燃料电池堆的输出电压数据，然后计算每个工作条件下所述燃料电池堆的统计指标，将所述统计指标超出预期统计指标的工作条件去掉，去掉的工作条件为S个，保留所述统计指标在所述预期统计指标之内的工作条件，保留的工作条件为N-S个；
步骤三：在所述保留的工作条件范围内进行细化，取M个工作条件(为了确定更优化的工作条件范围，M个工作条件包括保留的N-S个工作条件)，使所述燃料电池堆在新增的工作条件下稳定运行一段时间，新增的工作条件为M-N+S个，记录所述燃料电池堆的输出电压数据，然后计算所述新增的工作条件下所述燃料电池堆的统计指标，与所述保留的N-S个工作条件下的统计指标进行对比，设置新的预期统计指标，将新增的工作条件下的统计指标与保留的工作条件下的统计指标之中超出新的预期统计指标的工作条件去掉，保留在所述新的预期统计指标之内的工作条件；
当全部工作条件满足全部预期指标后，结束所述选择量化方法，最后保留的工作条件即为所述燃料电池堆选择的工作条件。
在一些实施方式中，该方法还可以包括步骤四：重复步骤二和步骤三，直到全部工作条件满足全部预期指标。
在一些实施方式中，当所述等势线图中的等势线为多条时，该方法还可以包括步骤五：沿着第二条所述排气空气中的氧气分压力等势线，重复步骤二和步骤三，或者重复步骤二、步骤三和步骤四，直到全部工作条件满足全部预期指标。
在一些实施方式中，当所述等势线图中的等势线为多于两条时，所述方法还可以包括：步骤六，沿着其他所述排气空气中的氧气分压力等势线中的一条或多条，重复步骤五。
在一些实施方式中，在燃料电池堆的工作条件范围完全未知的情况下，可以沿着排气空气中的氧气分压力等势线，连续取N个工作条件；或者可以在燃料电池堆的预期工作条件附近，沿着排气空气中的氧气分压力等势线，连续取N个工作条件。
在一些实施方式中，所述统计指标可以包括所述燃料电池堆的输出电压的平均值和标准方差、多个所述燃料电池单片的输出电压平均值、多个所述燃料电池单片的输出电压最大值和输出电压最小值之差、多个所述燃料电池单片的电压标准方差中的一个或多个，所述预期统计包括所述输出电压平均值较低而方差较大。
在一些实施方式中，所述选择量化方法可以在如下条件下进行：所述燃料电池堆的氧化剂进气入口处的水蒸气所占的体积百分比或摩尔百分比保持不变或接近于零；并且，所述燃料电池堆的氧化剂排气出口的压力和温度都是可测量或可获取的；并且，所述燃料电池堆的氧化剂排气出口的温度保持不变；并且，所述燃料电池堆的净水传递流量和燃料电池输出电流保持不变。
在一些实施方式中，当所述燃料电池堆的氧化剂进气入口处的水蒸气所占的体积百分比或摩尔百分比发生变化时，或当所述燃料电池堆的氧化剂排气出口的温度发生变化时，可以按照所述步骤二至所述步骤三、或所述步骤二至所述步骤四、或所述步骤二至所述步骤五，重新选择量化所述工作条件。
在一些实施方式中，所述燃料电池堆的所述氧气分压力的等势线根据下述公式进行绘制，
StPOxyOut＝POut×(SOxy-1)×(1-XStWat)/(SOxy+alpha×(1+4×beta)×(1-XStWat))
其中，StPOxyOut为燃料电池堆的氧化剂排气出口的排气空气中的氧气分压力，POut为氧化剂排气出口压力，SOxy为过量空气系数，XStWat为燃料电池堆的氧化剂进气入口处的水蒸气的流量占总气体流量的比例，alpha为干空气中氧气所占体积比例，beta为大于-0.5且小于0.5的无单位系数。
在一些实施方式中，所述工作条件可以包括所述燃料电池堆的工作温度、工作压力、供气流量、相对湿度中的一种或更多种。例如可以包括：燃料电池堆空气侧，空气进气压力、进气过量空气系数、进气空气相对湿度、进气空气温度等；燃料电池堆氢气侧，氢气进气压力、进气过量氢气系数、进气氢气相对湿度、进气氢气温度等；燃料电池堆冷却回路，入口冷却液温度、冷却液流量等。
在一些实施方式中，选取的所述工作条件的数量N≥4，例如，可以为5、6、7、8、9、10等。
与现有技术相比，本申请具有的有益效果在于：
本申请以质子交换膜燃料电池单片或质子交换膜燃料电池堆的进气空气和排气空气的相关参数为评价指标，提供了一种能提高质子交换膜燃料电池工作效率、有效调节质子交换膜燃料电池水含量的工作条件的选择量化方法。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为本申请实施例的质子交换膜燃料电池单片的结构示意图；
图2为本申请实施例的燃料电池单片的氧化剂排气出口的氧气分压力随排气空气压力、过量空气系数变化的等势线图。
图中：1.双极板；2.阴极气体扩散层；3.阴极催化剂层；4.质子交换膜；5.阳极催化剂层；6.阳极气体扩散层；7.还原剂流道；8.氧化剂流道。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
本申请实施例的质子交换膜燃料电池单片的结构如图1所述，由双极板(BP，Bipolar Plate)1、阴极气体扩散层(CGDL，Cathode Gas Diffusion Layer)2、阴极催化剂层(CCL，Cathode Catalyst Layer)3、质子交换膜(PEM，Proton Exchange Membrane)4、阳极催化剂层(ACL，Anode Catalyst Layer)5、阳极气体扩散层(AGDL，Anode Gas DiffusionLayer)6、双极板1依次组装而成。在阴极气体扩散层2左侧的双极板1的内部有氧化剂进气入口、氧化剂流道8和氧化剂排气出口，在阳极气体扩散层6右侧的双极板1的内部有还原剂进气入口、还原剂流道7和还原剂排气出口。质子交换膜燃料电池的氧化剂可以是空气中的氧气或其他氧化性气体，空气中往往含有不同相对湿度的水蒸气，则氧化剂进气入口气体为空气和水蒸气；质子交换膜燃料电池的还原剂可以是氢气存储容器中的氢气或其他还原性气体，氢气中往往含有不同相对湿度的水蒸气，则还原剂进气入口气体为氢气和水蒸气。
在质子交换膜燃料电池中，可以在阴极气体扩散层2左侧的双极板1和阳极气体扩散层6右侧的双极板1的气体流道内采用对流方式的结构和供气设计，以质子交换膜燃料电池单片结构为例，燃料电池按照图1中结构进行水平方式放置，当氧化剂进气入口在燃料电池单片的左侧的双极板1的左上角时，氧化剂排气出口在燃料电池单片的左侧的双极板1的左下角，还原剂进气入口在燃料电池单片的右侧的双极板1的右下角，还原剂排气出口在燃料电池单片的右侧的双极板1的右上角。也可以采用其他供气设计。
阴极气体扩散层2左侧的双极板1流道内的空气中的氧气，在阴极气体扩散层2左侧和右侧的氧气浓度差作用下(阴极气体扩散层2左侧氧气浓度不低于阴极气体扩散层2右侧氧气浓度)，经由阴极气体扩散层2扩散到阴极催化剂层3。阳极气体扩散层6右侧的双极板1流道内的氢气，在阳极气体扩散层6右侧和左侧的氢气浓度差作用下(阳极气体扩散层6右侧氢气浓度不低于阳极气体扩散层6左侧氢气浓度)，经由阳极气体扩散层6扩散到阳极催化剂层5。
阳极催化剂层5内氢气被电离成质子和电子，阳极催化剂层5内的电子经由阳极催化剂层5、阳极气体扩散层6和阳极气体扩散层6右侧的双极板1进行传导，流向外界的电气回路(图中未示出)，并经由外界的电气回路、阴极气体扩散层2左侧的双极板1、阴极气体扩散层2和阴极催化剂层3进行传导。阳极催化剂层5内的质子经由阳极催化剂层5、质子交换膜4和阴极催化剂层3进行传导。在阴极催化剂层3内，氧气、电子和质子发生电化学反应生成水。质子交换膜4内仅允许质子传导、不允许电子传导。质子和电子交替传导形成闭环电流回路。
阴极催化剂层3内电化学反应生成水的生成速率正比于燃料电池单片的输出电流，电化学反应生成水在阴极催化剂层3内会不断聚集，高于阴极气体扩散层2和阴极气体扩散层2左侧的双极板1气体流道内的水浓度(包括水蒸气和液态水)，则阴极催化剂层3内电化学反应生成水在水浓度差的作用下(阴极催化剂层3内水浓度不低于阴极气体扩散层2左侧的双极板1氧化剂流道8内的水浓度)，朝着阴极气体扩散层2左侧的双极板1氧化剂流道8的方向进行扩散。与此同时，质子交换膜4两侧也可能存在水浓度差，因此阴极催化剂层3内电化学反应生成水也可能经由质子交换膜4扩散到阳极催化剂层5。当阳极催化剂层5内水浓度高于阳极气体扩散层6右侧的双极板1还原剂流道7内的水浓度时，阳极催化剂层5内水经由阳极气体扩散层6扩散到阳极气体扩散层6右侧的双极板1气体流道内。
本申请实施例以燃料电池单片或燃料电池堆的氧化剂进气入口和氧化剂排气出口的物质组分参数(包括氧气分压力、进气空气压力、排气空气压力、过量空气系数等)为量化依据，给出提高燃料电池系统的工作效率和调节燃料电池的水含量的燃料电池单片和燃料电池堆的优化工作条件选择的量化方法，该量化方法包括燃料电池单片或燃料电池堆的氧化剂排气出口的水分全部以水蒸气的形式存在的假设下的氧气分压力等势线、燃料电池单片或燃料电池堆的电压统计特性指标，工作条件指氧化剂排气出口压力和氧化剂进气入口过量空气系数，同时需要考虑温度、相对湿度等参数。
设定，燃料电池单片输出电流为ICurr，氧化剂进气入口温度为TIn，氧化剂进气入口压力为PIn，过量空气系数为SOxy，氧化剂进气空气相对湿度为RHIn；氧化剂排气出口温度为TOut，氧化剂排气出口压力为POut；水蒸气饱和蒸汽压力是温度的函数，则氧化剂进气入口水蒸气饱和蒸汽压力为PSatIn(TIn)，氧化剂排气出口水蒸气饱和蒸汽压力为PSatOut(TOut)。
燃料电池单片电化学反应的氧气消耗速率NOxy如式(1)所示：
NOxy＝ICurr/(4×F) (1)
其中，F是法拉第电荷常数。
燃料电池单片电化学反应的氢气消耗速率NHy如式(2)所示：
NHy＝ICurr/(2×F) (2)
燃料电池单片电化学反应的水生成速率NWat如式(3)所示：
NWat＝ICurr/(2×F) (3)
燃料电池堆由NCell个燃料电池单片串联而成，则燃料电池堆电化学反应的氧气消耗速率StNOxy如式(4)所示：
StNOxy＝ICurr×NCell/(4×F) (4)
燃料电池堆电化学反应的氢气消耗速率StNHy如式(5)所示：
StNHy＝ICurr×NCell/(2×F) (5)
燃料电池堆电化学反应的水生成速率StNWat如式(6)所示：
StNWat＝ICurr×NCell/(2×F) (6)
设定，干空气中氧气所占体积比例为alpha，则燃料电池单片的氧化剂进气入口处的总气体流量NGasCaIn如式(7)所示：
NGasCaIn＝ICurr×PIn×SOxy/(4×F×alpha)/(PIn-RHIn×PSatIn(TIn)) (7)
燃料电池单片的氧化剂进气入口处的水蒸气的流量占总气体流量的比例XWat如式(8)所示：
XWat＝RHIn×PSatIn(TIn)/PIn (8)
燃料电池堆的氧化剂进气入口的总气体流量StNGasCaIn如式(9)所示：
StNGasCaIn＝ICurr×PIn×NCell×SOxy/(4×F×alpha)/(PIn-RHIn×PSatIn(TIn)) (9)
燃料电池堆的氧化剂进气入口处的水蒸气的流量占总气体流量的比例XStWat如式(10)所示：
XStWat＝RHIn×PSatIn(TIn)/PIn (10)
燃料电池单片的氧化剂排气出口的水蒸气可能是饱和的。当燃料电池单片的氧化剂排气出口的水蒸气是饱和的，并且仍然有额外水分从氧化剂的排气出口流出时，那么该额外水分是以液态水的形式存在的。燃料电池堆的氧化剂排气出口的水蒸气可能是饱和的。当燃料电池堆的氧化剂排气出口的水蒸气是饱和的，并且仍然有额外水分从氧化剂的排气出口流出时，那么该额外水分是以液态水的形式存在的。
如前所述，燃料电池单片的阴极催化剂层3内的电化学反应生成的水有可能经过质子交换膜4扩散到阳极催化剂层5。当燃料电池单片在稳定运行并输出电流时，从燃料电池单片的阴极催化剂层3内的电化学反应生成的水扩散到阳极催化剂层5的水流量(以下简称“净水传递流量”)是难以直接获得的且是可变的，由此，设定净水传递流量NNetWat与燃料电池单片的输出电流的关系如式(11)所示：
NNetWat＝beta×I/F (11)
其中，beta为大于-0.5且小于0.5的无单位系数。
无论燃料电池单片的氧化剂排气出口的水蒸气是未饱和的，还是刚好饱和的，抑或是过饱和的(出现液态水)，都采用统一的处理方案，即燃料电池单片的氧化剂排气出口的水分全部是以水蒸气的形式存在的。由此可知，燃料电池单片的氧化剂排气出口的水蒸气分压力PWatCaOut如式(12)所示：PWatCaOut＝POut×(SOxy×XWat+2×alpha×(1+2×beta)×(1-XWat))/(SOxy+alpha×(1+4×beta)×(1-XWat))(12)
燃料电池单片的氧化剂排气出口的氧气分压力POxyOut如式(13)所示：
POxyOut＝POut×(SOxy-1)×(1-XWat)/(SOxy+alpha×(1+4×beta)×(1-XWat)) (13)
燃料电池单片的氧化剂排气出口的水蒸气饱和程度RateOverSat如式(14)所示：
RateOverSat＝PWatCaOut/PSatOut(TOut) (14)
当燃料电池单片的氧化剂排气出口的温度是不可测量的或不可获取的时候，燃料电池单片的氧化剂排气出口的温度可用燃料电池单片的氧化剂进气入口的温度代替，也可用靠近燃料电池单片的氧化剂排气出口的冷却液温度代替，也可用靠近燃料电池单片的氧化剂排气出口的双极板1温度代替。当燃料电池单片的氧化剂排气出口的压力是不可测量的或不可获取的时候，燃料电池单片的氧化剂排气出口的压力可用燃料电池单片的氧化剂进气入口的压力代替。
同样的，燃料电池堆的所有单片的阴极催化剂层3内的电化学反应生成的水有可能经过质子交换膜4扩散到阳极催化剂层5。当燃料电池堆在稳定运行并输出电流时，从燃料电池堆的所有单片的阴极催化剂层3内的电化学反应生成的水扩散到阳极催化剂层5的水流量(以下简称“净水传递流量”)是难以直接获得的且是可变的，由此，设定净水传递流量StNNetWat与燃料电池堆的输出电流的关系StNNetWat如式(15)所示：
StNNetWat＝beta×I×NCell/F (15)
无论燃料电池堆的氧化剂排气出口的水蒸气是未饱和的，还是刚好饱和的，抑或是过饱和的(出现液态水)，都采用统一的处理方案，即燃料电池堆的氧化剂排气出口的水分全部是以水蒸气的形式存在的。由此可知，燃料电池堆的氧化剂排气出口的水蒸气分压力StPWatCaOut如式(16)所示：
StPWatCaOut＝POut×(SOxy×XStWat+2×alpha×(1+2×beta)×(1-XStWat))/(SOxy+alpha×(1+4×beta)×(1-XStWat))(16)
燃料电池堆的氧化剂排气出口的氧气分压力StPOxyOut如式(17)所示：
StPOxyOut＝POut×(SOxy-1)×(1-XStWat)/(SOxy+alpha×(1+4×beta)×(1-XStWat)) (17)
燃料电池堆的氧化剂排气出口的水蒸气饱和程度StRateOverSat如式(18)所示：
StRateOverSat＝StPWatCaOut/PSatOut(TOut) (18)
当燃料电池堆的氧化剂排气出口的温度是不可测量的或不可获取的时候，燃料电池堆的氧化剂排气出口的温度可用燃料电池堆的氧化剂进气入口的温代替，也可用靠近燃料电池堆的氧化剂排气出口的冷却液温度代替，也可用靠近燃料电池堆的氧化剂排气出口的双极板1温度代替。当燃料电池堆的氧化剂排气出口的压力是不可测量的或不可获取的时候，燃料电池堆的氧化剂排气出口的压力可用燃料电池堆的氧化剂进气入口的压力代替。
如前所述，燃料电池单片的净水传递流量是未知的，但可通过实验和模型预先确定燃料电池目标输出电流的预期工作条件范围内的净水传递流量变化范围，在预先确定的燃料电池单片的净水传递流量范围内任意取值，确定为beta，作为下述燃料电池工作条件调节过程的参数计算依据。
燃料电池单片的氧化剂排气出口的压力，以下简称为排气空气压力。
当燃料电池单片的氧化剂进气入口处的水蒸气所占的体积百分比(或摩尔百分比)XWat保持不变时，或者当燃料电池单片的氧化剂进气入口的水蒸气所占的体积百分比(或摩尔百分比)XWat接近于零(比如XWat不大于0.1)时，并且燃料电池单片的氧化剂排气出口的压力和温度都是可测量或可获取的情况下，并且燃料电池单片的氧化剂排气出口的温度保持不变的情况下，并且燃料电池单片的净水传递流量和燃料电池输出电流都保持不变的情况下，可按照下述步骤量化燃料电池单片的工作条件(工作条件是指排气空气压力和过量空气系数)的搜索选择过程：
步骤一，绘制二维坐标图，其中横坐标是过量空气系数，纵坐标是排气空气(水分和干空气混合物，电化学反应消耗氧气使得干空气中氧气体积比例减少)压力，在二维坐标图中绘制燃料电池单片的氧化剂排气出口的氧气分压力随排气空气压力、过量空气系数变化的等势线，如图2所示。
步骤二，在燃料电池单片的优化工作条件范围完全未知的情况下，沿着排气空气中氧气分压力等势线，连续取N个工作条件(例如，沿着排气空气中氧气分压力等势线，在较宽的范围内从左上到右下的顺序连续取N个工作条件)，或者在燃料电池单片的预期工作条件附近，沿着排气空气中氧气分压力等势线，连续取N个工作条件(例如，沿着排气空气中氧气分压力等势线，工作条件范围有所缩小的从左上到右下的顺序连续取N个工作条件)，工作条件取点间隔和数量可根据实际需要(考虑因素有运行时长和成本等)而定。燃料电池单片在每个工作条件下稳定运行一段时间，记录燃料电池单片的输出电压数据，然后计算每个工作条件下燃料电池单片的输出电压平均值和方差等统计指标，将燃料电池单片的输出电压平均值较低而方差较大等预期统计指标特性之外的工作条件(记为S个)去掉，保留输出电压平均值较高而方差较小等预期统计指标特性之内的工作条件(共N-S个)。
常规的燃料电池的工作条件范围包括，例如：燃料电池的设计温度，可以从-30℃到120℃；燃料电池的工作压力，可以从1bar到5bar；燃料电池的供气流量，可以从0NLPM到100NLPM，流量上限值取决于燃料电池辅助系统能力和燃料电池单片数量。考虑到燃料电池性能、耐久性和系统效率等各种因素，即使燃料电池输出电功率相同，燃料电池的工作条件也可以是各种组合。在设计应用中，可以选择可靠的量化指标来指导工作条件的快速选择，加快设计应用进程。可以根据实际燃料电池的需求，设定合适的工作条件、统计指标以及预期统计指标。
步骤三，通常输出电压平均值较低而方差较大等预期统计指标特性之外的工作条件是在排气出口氧气分压力等势线的两端，再将燃料电池单片的输出电压平均值较高而方差较小等预期统计指标特性之内的工作条件范围进行细化，取M个工作条件，为了确定更优化的工作条件范围，通常M个工作条件包括保留的N-S个工作条件。燃料电池单片在新增加工作条件下(共M-N+S个)稳定运行一段时间，并记录燃料电池单片的输出电压数据，然后计算新增工作条件下燃料电池单片的输出电压平均值和方差等统计指标，与步骤二中保留的N-S个工作条件下的统计数据进行对比，重新确定待保留的工作条件。判断依据可完全根据需求而定(一般要求输出电压平均值高而方差等统计指标是可接受的)。
步骤四，如果不能满足预期指标，重复步骤二和步骤三直到满足预期统计特性指标为止。当待保留工作点范围内燃料电池单片的输出电压平均值和方差等统计特性指标满足预期指标后，该待保留工作点范围即为燃料电池单片可选的一部分优化的工作条件。
步骤五，再选择一条排气空气出口中氧气分压力的等势线，重复步骤二和步骤三，或者重复步骤二、步骤三和步骤四，直到重新确定当前取的排气空气出口中氧气分压力的等势线上的燃料电池单片可选的一部分优化的工作条件。当全部工作条件满足全部预期指标后，结束燃料电池单片的工作条件搜索过程。
步骤六，还可以沿着等势线图中的其他条(第三条、第四条……)排气空气中的氧气分压力等势线，分别重复步骤二和步骤三，或者分别重复步骤二、步骤三和步骤四、或者分别重复步骤二、步骤三、步骤四和步骤五，直到全部工作条件满足全部预期指标。
每次重复步骤设置的新的预期指标的根据是燃料电池单片性能更加稳定、燃料电池堆所有单片性能更加稳定、燃料电池堆所有单片之间电压差异性更小等来确定的。例如，燃料电池单片性能更加稳定的预期指标可以是，在一段时间内燃料电池单片电压平均值最高，在一段时间内燃料电池单片电压标准偏差最小，在一段时间内燃料电池单片的催化剂层有效活性面积损失最小。
工作条件取点间隔和数量，直接决定了燃料电池测试工作量。在第一轮实施步骤二和步骤三时，取点数量相对较少(至少4个点)、取点间隔相对较大，可以参考燃料电池辅助系统能够实现的工作条件范围，以便于确定大概的符合预期指标的工作条件范围。从第二轮实施步骤二和步骤三开始，每一轮取点要涵盖前一轮筛选后的工作条件范围，取点间隔不断缩小、取点数量适当减少(至少4个点)。
当燃料电池单片的氧化剂排气出口的温度发生变化时，必须按照前述燃料电池单片的工作条件搜索过程，重新搜索燃料电池单片的优化工作条件。
当燃料电池单片的氧化剂进气入口的水蒸气所占的体积百分比变化时，必须按照前述燃料电池单片的工作条件搜索过程，重新搜索燃料电池单片的优化工作条件。
上述燃料电池单片的优化工作条件的搜索过程同样适用于燃料电池堆的优化工作条件的搜索过程。对燃料电池堆而言，燃料电池堆的电压统计特性指标将更加多样化，比如燃料电池堆的所有燃料电池单片的电压平均值、所有燃料电池单片的电压最大值和电压最小值之差、所有燃料电池单片的电压标准方差等。
虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本申请的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (54)

1.一种质子交换膜燃料电池单片工作条件的选择量化方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一：绘制等势线图，所述等势线图包括所述燃料电池单片的氧化剂排气出口的排气空气中的氧气分压力随排气空气压力、过量空气系数变化的一条或更多条等势线；
步骤二：沿着一条所述排气空气中的氧气分压力等势线，连续取N个工作条件，使所述燃料电池单片在每个工作条件下稳定运行一段时间，记录所述燃料电池单片的输出电压数据，然后计算每个工作条件下所述燃料电池单片的统计指标，将所述统计指标超出预期统计指标的工作条件去掉，去掉的工作条件为S个，保留所述统计指标在所述预期统计指标之内的工作条件，保留的工作条件为N-S个；
步骤三：在所述保留的工作条件范围内进行细化，取M个工作条件，使所述燃料电池单片在新增的工作条件下稳定运行一段时间，新增的工作条件为M-N+S个，记录所述燃料电池单片的输出电压数据，然后计算所述新增的工作条件下所述燃料电池单片的统计指标，与所述保留的N-S个工作条件下的统计指标进行对比，设置新的预期统计指标，将新增的工作条件下的统计指标与保留的工作条件下的统计指标之中超出新的预期统计指标的工作条件去掉，保留在所述新的预期统计指标之内的工作条件；
当全部工作条件满足全部预期指标后，结束所述选择量化方法，最后保留的工作条件即为所述燃料电池单片选择的工作条件。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
步骤四：重复步骤二和步骤三，直到全部工作条件满足全部预期指标。
3.根据权利要求2所述的方法，当所述等势线图中的等势线为更多条时，所述方法还包括：
步骤五：沿着第二条所述排气空气中的氧气分压力等势线，重复步骤二和步骤三，或者重复步骤二、步骤三和步骤四，直到全部工作条件满足全部预期指标。
4.根据权利要求3所述的方法，当所述等势线图中的等势线为多于两条时，所述方法还包括：
步骤六，沿着其他所述排气空气中的氧气分压力等势线中的一条或多条，重复步骤五。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在燃料电池单片的工作条件范围完全未知的情况下，沿着排气空气中的氧气分压力等势线，连续取N个工作条件；或者在燃料电池单片的预期工作条件附近，沿着排气空气中的氧气分压力等势线，连续取N个工作条件。
6.根据权利要求3或4所述的方法，其中，在燃料电池单片的工作条件范围完全未知的情况下，沿着排气空气中的氧气分压力等势线，连续取N个工作条件；或者在燃料电池单片的预期工作条件附近，沿着排气空气中的氧气分压力等势线，连续取N个工作条件。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述统计指标包括所述燃料电池单片的所述输出电压的平均值和标准方差，所述预期统计指标包括所述输出电压平均值较低而方差较大。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，所述统计指标包括所述燃料电池单片的所述输出电压的平均值和标准方差，所述预期统计指标包括所述输出电压平均值较低而方差较大。
9.根据权利要求3或4所述的方法，其中，所述统计指标包括所述燃料电池单片的所述输出电压的平均值和标准方差，所述预期统计指标包括所述输出电压平均值较低而方差较大。
10.根据权利要求6所述的方法，其中，所述统计指标包括所述燃料电池单片的所述输出电压的平均值和标准方差，所述预期统计指标包括所述输出电压平均值较低而方差较大。
11.根据权利要求1、2和8中任一项所述的方法，其中，所述选择量化方法在如下条件下进行：
所述燃料电池单片的氧化剂进气入口处的水蒸气所占的体积百分比或摩尔百分比保持不变或接近于零，并且
所述燃料电池单片的氧化剂排气出口的压力和温度都是可测量或可获取的，并且
所述燃料电池单片的氧化剂排气出口的温度保持不变，并且
所述燃料电池单片的净水传递流量和燃料电池输出电流保持不变。
12.根据权利要求5所述的方法，其中，所述选择量化方法在如下条件下进行：
所述燃料电池单片的氧化剂进气入口处的水蒸气所占的体积百分比或摩尔百分比保持不变或接近于零，并且
所述燃料电池单片的氧化剂排气出口的压力和温度都是可测量或可获取的，并且
所述燃料电池单片的氧化剂排气出口的温度保持不变，并且
所述燃料电池单片的净水传递流量和燃料电池输出电流保持不变。
13.根据权利要求7所述的方法，其中，所述选择量化方法在如下条件下进行：
所述燃料电池单片的氧化剂进气入口处的水蒸气所占的体积百分比或摩尔百分比保持不变或接近于零，并且
所述燃料电池单片的氧化剂排气出口的压力和温度都是可测量或可获取的，并且
所述燃料电池单片的氧化剂排气出口的温度保持不变，并且
所述燃料电池单片的净水传递流量和燃料电池输出电流保持不变。
14.根据权利要求3、4和10中任一项所述的方法，其中，所述选择量化方法在如下条件下进行：
所述燃料电池单片的氧化剂进气入口处的水蒸气所占的体积百分比或摩尔百分比保持不变或接近于零，并且
所述燃料电池单片的氧化剂排气出口的压力和温度都是可测量或可获取的，并且
所述燃料电池单片的氧化剂排气出口的温度保持不变，并且
所述燃料电池单片的净水传递流量和燃料电池输出电流保持不变。
15.根据权利要求6所述的方法，其中，所述选择量化方法在如下条件下进行：
所述燃料电池单片的氧化剂进气入口处的水蒸气所占的体积百分比或摩尔百分比保持不变或接近于零，并且
所述燃料电池单片的氧化剂排气出口的压力和温度都是可测量或可获取的，并且
所述燃料电池单片的氧化剂排气出口的温度保持不变，并且
所述燃料电池单片的净水传递流量和燃料电池输出电流保持不变。
16.根据权利要求9所述的方法，其中，所述选择量化方法在如下条件下进行：
所述燃料电池单片的氧化剂进气入口处的水蒸气所占的体积百分比或摩尔百分比保持不变或接近于零，并且
所述燃料电池单片的氧化剂排气出口的压力和温度都是可测量或可获取的，并且
所述燃料电池单片的氧化剂排气出口的温度保持不变，并且
所述燃料电池单片的净水传递流量和燃料电池输出电流保持不变。
17.根据权利要求3、4和10中任一项所述的方法，其中，当所述燃料电池单片的氧化剂进气入口处的水蒸气所占的体积百分比或摩尔百分比发生变化时，或当所述燃料电池单片的氧化剂排气出口的温度发生变化时，按照所述步骤二至所述步骤三、或所述步骤二至所述步骤四、或所述步骤二至所述步骤五，重新选择量化所述工作条件。
18.根据权利要求6所述的方法，其中，当所述燃料电池单片的氧化剂进气入口处的水蒸气所占的体积百分比或摩尔百分比发生变化时，或当所述燃料电池单片的氧化剂排气出口的温度发生变化时，按照所述步骤二至所述步骤三、或所述步骤二至所述步骤四、或所述步骤二至所述步骤五，重新选择量化所述工作条件。
19.根据权利要求9所述的方法，其中，当所述燃料电池单片的氧化剂进气入口处的水蒸气所占的体积百分比或摩尔百分比发生变化时，或当所述燃料电池单片的氧化剂排气出口的温度发生变化时，按照所述步骤二至所述步骤三、或所述步骤二至所述步骤四、或所述步骤二至所述步骤五，重新选择量化所述工作条件。
20.根据权利要求1-4、8、10、12-13、15-16和18-19中任一项所述的方法，其中所述燃料电池单片的所述氧气分压力的等势线根据下述公式进行绘制，
POxyOut＝POut×(SOxy-1)×(1-XWat)/(SOxy+alpha×(1+4×beta)×(1-XWat))
其中，
POxyOut为燃料电池单片的氧化剂排气出口的排气空气中的氧气分压力，
POut为氧化剂排气出口压力，
SOxy为过量空气系数，
XWat为燃料电池单片的氧化剂进气入口处的水蒸气的流量占总气体流量的比例，
alpha为干空气中氧气所占体积比例，
beta为大于-0.5且小于0.5的无单位系数。
21.根据权利要求5所述的方法，其中所述燃料电池单片的所述氧气分压力的等势线根据下述公式进行绘制，
POxyOut＝POut×(SOxy-1)×(1-XWat)/(SOxy+alpha×(1+4×beta)×(1-XWat))
其中，
POxyOut为燃料电池单片的氧化剂排气出口的排气空气中的氧气分压力，
POut为氧化剂排气出口压力，
SOxy为过量空气系数，
XWat为燃料电池单片的氧化剂进气入口处的水蒸气的流量占总气体流量的比例，
alpha为干空气中氧气所占体积比例，
beta为大于-0.5且小于0.5的无单位系数。
22.根据权利要求6所述的方法，其中所述燃料电池单片的所述氧气分压力的等势线根据下述公式进行绘制，
POxyOut＝POut×(SOxy-1)×(1-XWat)/(SOxy+alpha×(1+4×beta)×(1-XWat))
其中，
POxyOut为燃料电池单片的氧化剂排气出口的排气空气中的氧气分压力，
POut为氧化剂排气出口压力，
SOxy为过量空气系数，
XWat为燃料电池单片的氧化剂进气入口处的水蒸气的流量占总气体流量的比例，
alpha为干空气中氧气所占体积比例，
beta为大于-0.5且小于0.5的无单位系数。
23.根据权利要求7所述的方法，其中所述燃料电池单片的所述氧气分压力的等势线根据下述公式进行绘制，
POxyOut＝POut×(SOxy-1)×(1-XWat)/(SOxy+alpha×(1+4×beta)×(1-XWat))
其中，
POxyOut为燃料电池单片的氧化剂排气出口的排气空气中的氧气分压力，
POut为氧化剂排气出口压力，
SOxy为过量空气系数，
XWat为燃料电池单片的氧化剂进气入口处的水蒸气的流量占总气体流量的比例，
alpha为干空气中氧气所占体积比例，
beta为大于-0.5且小于0.5的无单位系数。
24.根据权利要求9所述的方法，其中所述燃料电池单片的所述氧气分压力的等势线根据下述公式进行绘制，
POxyOut＝POut×(SOxy-1)×(1-XWat)/(SOxy+alpha×(1+4×beta)×(1-XWat))
其中，
POxyOut为燃料电池单片的氧化剂排气出口的排气空气中的氧气分压力，
POut为氧化剂排气出口压力，
SOxy为过量空气系数，
XWat为燃料电池单片的氧化剂进气入口处的水蒸气的流量占总气体流量的比例，
alpha为干空气中氧气所占体积比例，
beta为大于-0.5且小于0.5的无单位系数。
25.根据权利要求11所述的方法，其中所述燃料电池单片的所述氧气分压力的等势线根据下述公式进行绘制，
POxyOut＝POut×(SOxy-1)×(1-XWat)/(SOxy+alpha×(1+4×beta)×(1-XWat))
其中，
POxyOut为燃料电池单片的氧化剂排气出口的排气空气中的氧气分压力，
POut为氧化剂排气出口压力，
SOxy为过量空气系数，
XWat为燃料电池单片的氧化剂进气入口处的水蒸气的流量占总气体流量的比例，
alpha为干空气中氧气所占体积比例，
beta为大于-0.5且小于0.5的无单位系数。
26.根据权利要求14所述的方法，其中所述燃料电池单片的所述氧气分压力的等势线根据下述公式进行绘制，
POxyOut＝POut×(SOxy-1)×(1-XWat)/(SOxy+alpha×(1+4×beta)×(1-XWat))
其中，
POxyOut为燃料电池单片的氧化剂排气出口的排气空气中的氧气分压力，
POut为氧化剂排气出口压力，
SOxy为过量空气系数，
XWat为燃料电池单片的氧化剂进气入口处的水蒸气的流量占总气体流量的比例，
alpha为干空气中氧气所占体积比例，
beta为大于-0.5且小于0.5的无单位系数。
27.根据权利要求17所述的方法，其中所述燃料电池单片的所述氧气分压力的等势线根据下述公式进行绘制，
POxyOut＝POut×(SOxy-1)×(1-XWat)/(SOxy+alpha×(1+4×beta)×(1-XWat))
其中，
POxyOut为燃料电池单片的氧化剂排气出口的排气空气中的氧气分压力，
POut为氧化剂排气出口压力，
SOxy为过量空气系数，
XWat为燃料电池单片的氧化剂进气入口处的水蒸气的流量占总气体流量的比例，
alpha为干空气中氧气所占体积比例，
beta为大于-0.5且小于0.5的无单位系数。
28.一种质子交换膜燃料电池堆工作条件的选择量化方法，所述燃料电池堆包括多个燃料电池单片，所述方法包括如下步骤：
步骤一：绘制等势线图，所述等势线图包括所述燃料电池堆的氧化剂排气出口的排气空气中的氧气分压力随排气空气压力、过量空气系数变化的一条或更多条等势线；
步骤二：沿着一条所述排气空气中的氧气分压力等势线，连续取N个工作条件，使所述燃料电池堆在每个工作条件下稳定运行一段时间，记录所述燃料电池堆的输出电压数据，然后计算每个工作条件下所述燃料电池堆的统计指标，将所述统计指标超出预期统计指标的工作条件去掉，去掉的工作条件为S个，保留所述统计指标在所述预期统计指标之内的工作条件，保留的工作条件为N-S个；
步骤三：在所述保留的工作条件范围内进行细化，取M个工作条件，使所述燃料电池堆在新增的工作条件下稳定运行一段时间，新增的工作条件为M-N+S个，记录所述燃料电池堆的输出电压数据，然后计算所述新增的工作条件下所述燃料电池堆的统计指标，与所述保留的N-S个工作条件下的统计指标进行对比，设置新的预期统计指标，将新增的工作条件下的统计指标与保留的工作条件下的统计指标之中超出新的预期统计指标的工作条件去掉，保留在所述新的预期统计指标之内的工作条件；
当全部工作条件满足全部预期指标后，结束所述选择量化方法，最后保留的工作条件即为所述燃料电池堆选择的工作条件。
29.根据权利要求28所述的方法，所述方法还包括：
步骤四：重复步骤二和步骤三，直到全部工作条件满足全部预期指标。
30.根据权利要求29所述的方法，当所述等势线图中的等势线为更多条时，所述方法还包括：
步骤五：沿着第二条所述排气空气中的氧气分压力等势线，重复步骤二和步骤三，或者重复步骤二、步骤三和步骤四，直到全部工作条件满足全部预期指标。
31.根据权利要求30所述的方法，当所述等势线图中的等势线为多于两条时，所述方法还包括：
步骤六，沿着其他所述排气空气中的氧气分压力等势线中的一条或多条，重复步骤五。
32.根据权利要求28或29所述的方法，其中，在燃料电池堆的工作条件范围完全未知的情况下，沿着排气空气中的氧气分压力等势线，连续取N个工作条件；或者在燃料电池堆的预期工作条件附近，沿着排气空气中的氧气分压力等势线，连续取N个工作条件。
33.根据权利要求30或31所述的方法，其中，在燃料电池堆的工作条件范围完全未知的情况下，沿着排气空气中的氧气分压力等势线，连续取N个工作条件；或者在燃料电池堆的预期工作条件附近，沿着排气空气中的氧气分压力等势线，连续取N个工作条件。
34.根据权利要求28或29所述的方法，其中，所述统计指标包括所述燃料电池堆的输出电压的平均值和标准方差、多个所述燃料电池单片的输出电压平均值、多个所述燃料电池单片的输出电压最大值和输出电压最小值之差、多个所述燃料电池单片的电压标准方差中的一个或多个，所述预期统计指标包括所述输出电压平均值较低而方差较大。
35.根据权利要求32所述的方法，其中，所述统计指标包括所述燃料电池堆的输出电压的平均值和标准方差、多个所述燃料电池单片的输出电压平均值、多个所述燃料电池单片的输出电压最大值和输出电压最小值之差、多个所述燃料电池单片的电压标准方差中的一个或多个，所述预期统计指标包括所述输出电压平均值较低而方差较大。
36.根据权利要求30或31所述的方法，其中，所述统计指标包括所述燃料电池堆的输出电压的平均值和标准方差、多个所述燃料电池单片的输出电压平均值、多个所述燃料电池单片的输出电压最大值和输出电压最小值之差、多个所述燃料电池单片的电压标准方差中的一个或多个，所述预期统计指标包括所述输出电压平均值较低而方差较大。
37.根据权利要求33所述的方法，其中，所述统计指标包括所述燃料电池堆的输出电压的平均值和标准方差、多个所述燃料电池单片的输出电压平均值、多个所述燃料电池单片的输出电压最大值和输出电压最小值之差、多个所述燃料电池单片的电压标准方差中的一个或多个，所述预期统计指标包括所述输出电压平均值较低而方差较大。
38.根据权利要求28、29和35中任一项所述的方法，其中，所述选择量化方法在如下条件下进行：
所述燃料电池堆的氧化剂进气入口处的水蒸气所占的体积百分比或摩尔百分比保持不变或接近于零，并且
所述燃料电池堆的氧化剂排气出口的压力和温度都是可测量或可获取的，并且
所述燃料电池堆的氧化剂排气出口的温度保持不变，并且
所述燃料电池堆的净水传递流量和燃料电池输出电流保持不变。
39.根据权利要求32所述的方法，其中，所述选择量化方法在如下条件下进行：
所述燃料电池堆的氧化剂进气入口处的水蒸气所占的体积百分比或摩尔百分比保持不变或接近于零，并且
所述燃料电池堆的氧化剂排气出口的压力和温度都是可测量或可获取的，并且
所述燃料电池堆的氧化剂排气出口的温度保持不变，并且
所述燃料电池堆的净水传递流量和燃料电池输出电流保持不变。
40.根据权利要求33所述的方法，其中，所述选择量化方法在如下条件下进行：
所述燃料电池堆的氧化剂进气入口处的水蒸气所占的体积百分比或摩尔百分比保持不变或接近于零，并且
所述燃料电池堆的氧化剂排气出口的压力和温度都是可测量或可获取的，并且
所述燃料电池堆的氧化剂排气出口的温度保持不变，并且
所述燃料电池堆的净水传递流量和燃料电池输出电流保持不变。
41.根据权利要求30、31和37中任一项所述的方法，其中，所述选择量化方法在如下条件下进行：
所述燃料电池堆的氧化剂进气入口处的水蒸气所占的体积百分比或摩尔百分比保持不变或接近于零，并且
所述燃料电池堆的氧化剂排气出口的压力和温度都是可测量或可获取的，并且
所述燃料电池堆的氧化剂排气出口的温度保持不变，并且
所述燃料电池堆的净水传递流量和燃料电池输出电流保持不变。
42.根据权利要求33所述的方法，其中，所述选择量化方法在如下条件下进行：
所述燃料电池堆的氧化剂进气入口处的水蒸气所占的体积百分比或摩尔百分比保持不变或接近于零，并且
所述燃料电池堆的氧化剂排气出口的压力和温度都是可测量或可获取的，并且
所述燃料电池堆的氧化剂排气出口的温度保持不变，并且
所述燃料电池堆的净水传递流量和燃料电池输出电流保持不变。
43.根据权利要求36所述的方法，其中，所述选择量化方法在如下条件下进行：
所述燃料电池堆的氧化剂进气入口处的水蒸气所占的体积百分比或摩尔百分比保持不变或接近于零，并且
所述燃料电池堆的氧化剂排气出口的压力和温度都是可测量或可获取的，并且
所述燃料电池堆的氧化剂排气出口的温度保持不变，并且
所述燃料电池堆的净水传递流量和燃料电池输出电流保持不变。
44.根据权利要求30、31和37中任一项所述的方法，其中，当所述燃料电池堆的氧化剂进气入口处的水蒸气所占的体积百分比或摩尔百分比发生变化时，或当所述燃料电池堆的氧化剂排气出口的温度发生变化时，按照所述步骤二至所述步骤三、或所述步骤二至所述步骤四、或所述步骤二至所述步骤五，重新选择量化所述工作条件。
45.根据权利要求33所述的方法，其中，当所述燃料电池堆的氧化剂进气入口处的水蒸气所占的体积百分比或摩尔百分比发生变化时，或当所述燃料电池堆的氧化剂排气出口的温度发生变化时，按照所述步骤二至所述步骤三、或所述步骤二至所述步骤四、或所述步骤二至所述步骤五，重新选择量化所述工作条件。
46.根据权利要求36所述的方法，其中，当所述燃料电池堆的氧化剂进气入口处的水蒸气所占的体积百分比或摩尔百分比发生变化时，或当所述燃料电池堆的氧化剂排气出口的温度发生变化时，按照所述步骤二至所述步骤三、或所述步骤二至所述步骤四、或所述步骤二至所述步骤五，重新选择量化所述工作条件。
47.根据权利要求28-31、35、37、39-40、42-43和45-46中任一项所述的方法，其中所述燃料电池堆的所述氧气分压力的等势线根据下述公式进行绘制，
StPOxyOut＝POut×(SOxy-1)×(1-XStWat)/(SOxy+alpha×(1+4×beta)×(1-XStWat))
其中，
StPOxyOut为燃料电池堆的氧化剂排气出口的排气空气中的氧气分压力，
POut为氧化剂排气出口压力，
SOxy为过量空气系数，
XStWat为燃料电池堆的氧化剂进气入口处的水蒸气的流量占总气体流量的比例，
alpha为干空气中氧气所占体积比例，
beta为大于-0.5且小于0.5的无单位系数。
48.根据权利要求32所述的方法，其中所述燃料电池堆的所述氧气分压力的等势线根据下述公式进行绘制，
StPOxyOut＝POut×(SOxy-1)×(1-XStWat)/(SOxy+alpha×(1+4×beta)×(1-XStWat))
其中，
StPOxyOut为燃料电池堆的氧化剂排气出口的排气空气中的氧气分压力，
POut为氧化剂排气出口压力，
SOxy为过量空气系数，
XStWat为燃料电池堆的氧化剂进气入口处的水蒸气的流量占总气体流量的比例，
alpha为干空气中氧气所占体积比例，
beta为大于-0.5且小于0.5的无单位系数。
49.根据权利要求33所述的方法，其中所述燃料电池堆的所述氧气分压力的等势线根据下述公式进行绘制，
StPOxyOut＝POut×(SOxy-1)×(1-XStWat)/(SOxy+alpha×(1+4×beta)×(1-XStWat))
其中，
StPOxyOut为燃料电池堆的氧化剂排气出口的排气空气中的氧气分压力，
POut为氧化剂排气出口压力，
SOxy为过量空气系数，
XStWat为燃料电池堆的氧化剂进气入口处的水蒸气的流量占总气体流量的比例，
alpha为干空气中氧气所占体积比例，
beta为大于-0.5且小于0.5的无单位系数。
50.根据权利要求34所述的方法，其中所述燃料电池堆的所述氧气分压力的等势线根据下述公式进行绘制，
StPOxyOut＝POut×(SOxy-1)×(1-XStWat)/(SOxy+alpha×(1+4×beta)×(1-XStWat))
其中，
StPOxyOut为燃料电池堆的氧化剂排气出口的排气空气中的氧气分压力，
POut为氧化剂排气出口压力，
SOxy为过量空气系数，
XStWat为燃料电池堆的氧化剂进气入口处的水蒸气的流量占总气体流量的比例，
alpha为干空气中氧气所占体积比例，
beta为大于-0.5且小于0.5的无单位系数。
51.根据权利要求36所述的方法，其中所述燃料电池堆的所述氧气分压力的等势线根据下述公式进行绘制，
StPOxyOut＝POut×(SOxy-1)×(1-XStWat)/(SOxy+alpha×(1+4×beta)×(1-XStWat))
其中，
StPOxyOut为燃料电池堆的氧化剂排气出口的排气空气中的氧气分压力，
POut为氧化剂排气出口压力，
SOxy为过量空气系数，
XStWat为燃料电池堆的氧化剂进气入口处的水蒸气的流量占总气体流量的比例，
alpha为干空气中氧气所占体积比例，
beta为大于-0.5且小于0.5的无单位系数。
52.根据权利要求38所述的方法，其中所述燃料电池堆的所述氧气分压力的等势线根据下述公式进行绘制，
StPOxyOut＝POut×(SOxy-1)×(1-XStWat)/(SOxy+alpha×(1+4×beta)×(1-XStWat))
其中，
StPOxyOut为燃料电池堆的氧化剂排气出口的排气空气中的氧气分压力，
POut为氧化剂排气出口压力，
SOxy为过量空气系数，
XStWat为燃料电池堆的氧化剂进气入口处的水蒸气的流量占总气体流量的比例，
alpha为干空气中氧气所占体积比例，
beta为大于-0.5且小于0.5的无单位系数。
53.根据权利要求41所述的方法，其中所述燃料电池堆的所述氧气分压力的等势线根据下述公式进行绘制，
StPOxyOut＝POut×(SOxy-1)×(1-XStWat)/(SOxy+alpha×(1+4×beta)×(1-XStWat))
其中，
StPOxyOut为燃料电池堆的氧化剂排气出口的排气空气中的氧气分压力，
POut为氧化剂排气出口压力，
SOxy为过量空气系数，
XStWat为燃料电池堆的氧化剂进气入口处的水蒸气的流量占总气体流量的比例，
alpha为干空气中氧气所占体积比例，
beta为大于-0.5且小于0.5的无单位系数。
54.根据权利要求44所述的方法，其中所述燃料电池堆的所述氧气分压力的等势线根据下述公式进行绘制，
StPOxyOut＝POut×(SOxy-1)×(1-XStWat)/(SOxy+alpha×(1+4×beta)×(1-XStWat))
其中，
StPOxyOut为燃料电池堆的氧化剂排气出口的排气空气中的氧气分压力，
POut为氧化剂排气出口压力，
SOxy为过量空气系数，
XStWat为燃料电池堆的氧化剂进气入口处的水蒸气的流量占总气体流量的比例，
alpha为干空气中氧气所占体积比例，
beta为大于-0.5且小于0.5的无单位系数。
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