燃料電池測試實驗臺的設(shè)計與研究

邵 孟，朱新堅,，曹弘飛，吳瞾慧

(1.上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海200240；2.江蘇乾景新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，江蘇鎮(zhèn)江212143)

燃料電池測試實驗臺的設(shè)計與研究

邵 孟1，朱新堅1,2，曹弘飛1，吳瞾慧2

(1.上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海200240；2.江蘇乾景新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，江蘇鎮(zhèn)江212143)

設(shè)計了一種新型的7 kW燃料電池測試平臺。西門子SIMATIC S7-1200 PLC作為主控制器，對實驗臺進行安全穩(wěn)定控制。對于氫氣露點溫度的控制，采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法。以多變量輸入和多點加熱的方式，很好地解決了露點溫度困難和冷凝水問題。該實驗平臺具有模擬實際工況功能，可根據(jù)負(fù)載變化自動調(diào)整各個變量以達到合理的值。使用LABVIEW軟件設(shè)計了界面友好，功能強大的上位機軟件。上位機軟件與主控制器通過Modbus TCP協(xié)議通訊。

燃料電池;測試平臺;露點;工況模擬;LABVIEW

由于日趨突出的能源危機和環(huán)境污染問題，燃料電池作為一種具有巨大前景的清潔能源，受到了國際社會的廣泛關(guān)注。燃料電池具有高效，無污染，高能量密度的特點，近年來一直是國內(nèi)外的研究熱點[1]。2014年日本豐田推出了可以滿足商業(yè)應(yīng)用的純?nèi)剂想姵仄嘙irai，更是將燃料電池的研究熱潮推到了新的高度。目前限制燃料電池快速發(fā)展的主要原因是：燃料電池的可靠性，運行條件苛刻，成本高。為了促進燃料電池的研究和生產(chǎn)，必須要研發(fā)可靠實用的燃料電池實驗臺。現(xiàn)有的燃料電池實驗臺存在功能單一，關(guān)鍵變量控制困難等問題[2-4]。

1 實驗臺系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)設(shè)計最大可以測試7 kW的燃料電池電堆。圖1為該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)主要包括以下幾個單元：供氣單元，主要包括陰極氣路(Air)和陽極氣路(H2)。本系統(tǒng)采用陽極加濕；尾氣單元，陰極和陽極的氣路采用比例調(diào)節(jié)閥和電磁閥并聯(lián)的方案，因此本系統(tǒng)同時具有背壓控制功能和脈沖排放功能；冷卻單元，包含內(nèi)冷卻循環(huán)和外冷卻循環(huán)。負(fù)載單元，采用艾德克斯(ITECH)公司的電子負(fù)載，通過RS485接口與主控制器通訊[5-7]。

圖1 燃料電池測試臺結(jié)構(gòu)圖

2 控制系統(tǒng)

2.1 主控制器

如圖2所示，本系統(tǒng)選用SIMATIC S7-1200(西門子)作為主控制器。SIMATIC S7-1200是一款緊湊型、模塊化的PLC。該款CPU具有簡單邏輯控制、高級邏輯控制、HMI和網(wǎng)絡(luò)通信等功能，非常適用于本系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用。該控制器包括主CPU，RS485通訊模塊，模擬量采集模塊，溫度采集模塊。

2.2 氫氣露點控制

氫氣露點是一個重要的實驗參數(shù)。對于露點的測量，主要有直接測量和間接測量兩種方法。由于直接測量價格昂貴，使用范圍，實時性等限制，本系統(tǒng)采用間接測量的方式。間接測量的方式是將對露點的測量轉(zhuǎn)換成對露點溫度的測量，然后通過經(jīng)驗數(shù)據(jù)和公式，得出相應(yīng)的露點。

圖2 系統(tǒng)主控制器SIMATIC S7-1200 PLC

露點溫度主要與氫氣流量，加濕器溫度等參數(shù)有關(guān)，是一個復(fù)雜的非線性函數(shù)：

式中：Td為氫氣露點溫度；fH2為氫氣流量；Te為加濕器水溫；PH2為氫氣壓力；Ta為環(huán)境溫度。

傳統(tǒng)的露點溫度控制只是通過調(diào)節(jié)加濕罐的水溫，然后觀測露點溫度，但是這種方法會造成露點和水溫偏差過大，有大量的凝結(jié)水產(chǎn)生，然后隨著氫氣流入燃料電池電堆，造成MEA水淹。在本系統(tǒng)中，采用多點分段加熱，多變量輸入的方式確保露點溫度與水溫一致且不產(chǎn)生多余的冷凝水。本文采用智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器對氫氣露點溫度進行控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬人腦的形象思維來模擬復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)主要包括以下幾個重要方面：網(wǎng)絡(luò)層數(shù)，各層節(jié)點數(shù)，神經(jīng)元的連接方式，各層的激活函數(shù)和連接權(quán)值。本文采用BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，一種單向傳播的多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[8]。

圖3為本文采用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括輸入層，兩個隱含層，輸出層。單隱層的BP網(wǎng)絡(luò)已具備了任意精度的函數(shù)逼近能力，因此本文選擇單隱層(S型激活函數(shù))結(jié)構(gòu)，并且通過經(jīng)驗和MATLAB上的仿真比較，確定隱含層由5個神經(jīng)元組成。

圖3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在確定好神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)以后，對網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練以確定內(nèi)部的權(quán)值。本文所采用的訓(xùn)練樣本是從多次實驗中得出，然后使用Levenberg-Marquard算法在MATALB中對網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，取誤差為0.001，初始學(xué)習(xí)率為0.1。確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的權(quán)值等參數(shù)之后，然后寫入PLC實現(xiàn)實時在線控制。

2.3 動態(tài)性能測試

燃料電池的動態(tài)性能是評測燃料電池的一項重要指標(biāo)。傳統(tǒng)的燃料電池測試臺都沒有此功能。本實驗臺可以手動編輯動態(tài)測試方案，然后根據(jù)負(fù)載自動調(diào)整燃料電池的氫氣流量，空氣流量和冷卻水流量等參數(shù)，使得燃料電池在負(fù)載突然變化的情況下氣體流量也不會過多或者過少[9]。氫氣流量的調(diào)整可以通過調(diào)節(jié)前置比例閥來調(diào)整氫氣入口壓力即可達到要求，計算公式為：

式中：fair為空氣流量；η1為經(jīng)驗參數(shù) (3.5)；N為燃料電池的單電池數(shù)量；I為燃料電池電流；λ為空氣流量計量比；fcool為冷卻水流量；η2為經(jīng)驗系數(shù)(200)。

3 上位機設(shè)計

一個良好監(jiān)控軟件決定了整個實驗臺的兼容性和操作性。目前我國還沒有關(guān)于燃料電池測試統(tǒng)一規(guī)范的測試平臺供應(yīng)商，本實驗臺的用戶界面使用LABVIEW設(shè)計，界面友好。監(jiān)控軟件通過Modbus TCP協(xié)議與主控制器通訊，實時接收數(shù)據(jù)。圖4為燃料電池測試平臺的實時監(jiān)控軟件。

圖4 燃料電池測試平臺的實時監(jiān)控軟件

4 實驗測試

圖5為完成設(shè)計的燃料電池實驗平臺。實驗平臺完成之后，需要進行測試。本文中用該實驗臺對額定功率7 kW的水冷質(zhì)子交換膜燃料電池進行了整體測試。圖6為該燃料電池測試出來的I-V曲線。

圖5 燃料電池實驗平臺

圖6 7 kW燃料電池I-V曲線

5 總結(jié)

針對目前燃料電池測試平臺中存在的問題，本文設(shè)計了一種新型的燃料電池測試平臺，適用于7 kW以下的水冷燃料電池的測試。本系統(tǒng)采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對氫氣露點溫度進行控制。使用實驗數(shù)據(jù)作為樣本對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行了訓(xùn)練，實現(xiàn)了露點溫度的在線控制，經(jīng)過測試符合預(yù)期效果。通過7 kW燃料電池電堆的測試，驗證了實驗平臺功能強大，能滿足多種類型的測試需求。

[1]JIANG B,SUN Z Q,LIU M Q.China energy development strategy under the low-carbon economy[J].Energy,2010，35(11):4257-4264.[2]吳曦.質(zhì)子交換膜燃料電池測試系統(tǒng)設(shè)計及單電池建模[D].上海:上海交通大學(xué),2010.

[3]李小毅.燃料電池發(fā)動機實驗室測試系統(tǒng)的設(shè)計[D].武漢:武漢理工大學(xué),2005.

[4]馬志昆.基于網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)控制的燃料電池測試系統(tǒng)研究及應(yīng)用[J].測控技術(shù),2009,28(12):63-67.

[5]毛宗強.燃料電池[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[6]衣寶廉.燃料電池——原理·技術(shù)·應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.

[7]李賞,潘牧,袁潤章.燃料電池測試規(guī)范綜述[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2006,28(2):671-4431.

[8]SHAO M,ZHU X J,CAO H F,et al.An artificial neural network ensemble method for fault diagnosis of proton exchange membrane fuel cell system[J].Energy,2014,67:268-275.

[9]HUA J F,XU L F,OUYANG M.Modeling and experimental study of PEM fuel cell transient response for automotive applications[J].Tsinghua Science and Technology,2009,14(5):639-645.

Design and research of fuel cell experiment plat

SHAO Meng1,ZHU Xin-jian1,CAO Hong-fei1,WU Zhao-hui2
(1.School of Mechanical Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China;2.Jiangsu Qianjing Cultural Creative Industry Development Limited,Zhenjiang Jiangsu 212143 China)

A novelty fuel cell experiment plat was design for 7 kW PEMFC stacks.For the stability and reliability of this experiment plat,SIEMENS SIMATIC S7-1200 PLC was used for main controller.In this paper,an ANN(artificial neural network) method was presented that improves the temperature control of hydrogen dew point. The actual working state about the PEMFC stack can be simulated in the experiment plat.The hydrogen inlet pressure,air flow,coolant flow were adjusted for load change.The monitoring software was designed using LABVIEW software and communicated with main controller through Modbus TCP protocol.

fuel cell;experiment plat;dew point;working condition simulation;LABVIEW

TM 911.4

A

1002-087 X(2017)07-0994-02

2016-12-11

邵孟(1985—)，男，浙江省人，博士，主要研究方向為燃料電池系統(tǒng)。