基于支持向量機的燃料電池關機策略選擇

夏增剛+蔡俊+劉士廣+周奕

摘 要：關機過程對質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell， PEMFC）的耐久性與壽命影響巨大。依據溫度不同，燃料電池的關機過程可分為冷吹掃關機與常溫吹掃關機。常溫吹掃關機后的燃料電池質子交換膜含水較多，如果在關機期間遇到低溫環境，則會損壞電堆。冷關機吹掃關機雖然可以應對低溫環境，但損失氫氣更多且會降低燃料電池壽命。針對以上問題，文章提出一種基于支持向量機的燃料電池關機策略選擇策略，該方法利用小時采樣白天溫度，并支持向量機處理線性不可分問題。實驗結果證明了該方法的有效性。

關鍵詞：質子交換膜燃料電池；關機策略；支持向量機；耐久性

中圖分類號：TM911.4 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）26-0024-02

1 概述

汽車產量和保有量的快速上升給能源和環境帶來的壓力與日俱增，而氫能具有燃料熱值高、清潔無污染等優點，并且具有豐富的儲量，被認為是解決人類能源問題的綠色能源之一。[1]質子交換膜燃料電池在使用中將氫能轉化為電能，具有無噪聲、零污染、工作電流大、比功率高、啟動速度快、環境友好和結構緊湊等優點，是一種非常理想的車載動力裝置。[2-3]

停機過程是PEMFC必須頻繁經歷的工況，這個也是導致質子交換膜燃料電池性能衰減的最主要因素之一。關機過程中，由于陰極和陽極之間存在濃度梯度，陰極的氧氣就會通過質子交換膜擴散到陽極，從而導致了氫氣空氣界面的形成氫氣/空氣界面，對電堆壽命造成損害。在關機過程中，氣體吹掃是一個非常有效的方法，能夠防止的陽極形成氫氣/空氣界面，同樣的它還能夠減少氧氣空氣界面在陽極存在的時間[4]。

主要依據氣體吹掃策略的不同，燃料電池關機策略一般分為冷吹掃關機和常溫吹掃關機[5]。

相對于常溫吹掃關機，冷吹掃關機的吹掃時間更長，吹掃風量更大，吹掃之后的電堆水含量更少。如果電堆在關機期間經歷低溫特別是冰點以下環境環境，則電堆必須是之前冷吹掃關機的，否則電堆內多余的水會結冰，損壞質子交換膜和催化層。但如果一直使用冷吹掃關機，則氫耗增加（車載使用下，吹掃多數情況使用純氫），催化劑和質子交換膜的壽命也衰減更加嚴重。使用常溫吹掃關機雖然更加經濟，耐久性更好，但卻無法應對關機期間的低溫環境，所以適當的關機策略選擇至關重要[6-7]。

傳統的方法下，往往使用固定的吹掃策略，或者依據關機時的溫度作為吹掃策略的判斷依據。這類思路無法對關機期間的溫度環境做有效預測，誤判率較高[8]。

針對以上問題，本文提出一種基于支持向量機（SVM）的停機策略選擇策略。該策略使用小時溫度采樣作為系統輸入，利用支持向量處理線性不可分問題，以區別使用冷吹掃關機和常溫吹掃關機。該方法預測準確度高，魯棒性強，計算量小，適合車載控制器使用。

2 基于支持向量機的關機策略選擇方法

2.1 質子交換膜燃料電池系統

如圖1所示，車載燃料電池系統通常將陰極流道通入加壓的空氣，高壓氫氣罐中的氫氣在罐內高壓作用下經過增濕器進入電堆陽極。氣體通過擴散層，在催化劑的作用下生成水，同時電子通過外電路形成電流，向負載輸出電能。在電堆陰極反應后剩余的空氣通過回流管道和氣液分離器排入大氣。

兩個電極發生的反應如下：

燃料電池的關機吹掃時，通常將減壓后的氫氣通入陽極，同時打開陽極尾排閥。氫氣流可以防止氫氧界面的產生，并清除電堆內的水。相對于冷吹掃關機，常溫吹掃時間較短，氣壓較低，但在低溫環境下較多的水含量會凝結成冰，損壞催化層和質子交換膜。而冷吹掃又存在經濟性和耐久性較差的問題。所以對吹掃策略的合理選擇十分重要。

2.2 支持向量機

支持向量機是一種高效的分類工具，也可能是深度學習提之前最有效的機器學習算法。支持向量機訓練好的模型的算法復雜度是由支持向量的個數決定的，而不是由數據的維度決定的，所以SVM不太容易產生“過訓練”。且SVM訓練出來的模型完全依賴于支持向量（Support Vectors）， 即使訓練集里面所有非支持向量的點都被去除，重復訓練過程，結果仍然會得到完全一樣的模型。

支持向量機本質上是一種雙層網絡，通過核函數將低維數據映射到高維空間，從而將低維線性不可分問題轉化到高維線性可分，再使用線性分類的方法構造線性分類器，完成分類問題。

2.3 基于支持向量機的質子交換膜燃料電池關機策略選擇方法

該方法使用9個晝間溫度采樣，作為數據輸入，并構造分類器，區分冷吹掃關機和常溫吹掃關機。

設分類超平面函數為：

wx+b=0 （1）

為減弱數據噪音影響，設置松弛變量ξ，令目標函數：

約束條件：

構造拉格朗日函數，求解極值問題：

求解極值問題，求L對ξ，w，b最小化

設K（xi，xj）為核函數，使用核函數求解向量被映射到高維空間后的內積，求解朗格朗日函數：

針對上式，對a求極值，解出超平面方程和最優的朗格朗日乘子，從而構造決策函數，完成支持向量機的構造。

3 實施方式

使用車載溫度傳感器小時采樣溫度數據，利用EP2Rom存儲溫度數據。若采樣溫度中有小于3攝氏度的數值，則關機策略采用冷吹掃關機，否則將9個采樣溫度作為模型輸入，使用上文提出的基于支持向量機的燃料電池吹掃判斷關機策略。若輸出為1，則使用冷吹掃關機，若輸出為-1，則使用常溫吹掃關機。

4 實驗分析

采用氣象數據構建支持向量機模型，核函數使用徑向基核，并使用114組黑河地區溫度數據測試建模結果。測試結果如下，結果證明，模型準確率99%。endprint

5 結束語

本文針對質子交換膜燃料電池關機策略選擇問題，提出一種基于支持向量機的燃料電池停機策略選擇方案。該方法使用晝間溫度小時采樣作為模型輸入，利用支持向量機對線性不可分問題的處理能力，區分冷吹掃關機和常溫吹掃關機。該方法具有準確度高，魯棒性強，計算量小等優點，適合配合車載控制器使用。

參考文獻：

[1]Ebadighajari A， DeVaal J， Golnaraghi F. Multivariable control of hydrogen concen- tration and fuel over-pressure in a polymer electrolyte membrane fuel cell with anode re-circulation[C]. 2016 American Control Conference （ACC）. American Automatic Control Council （AACC），2016：4428-4433.

[2]Matraji I， Laghrouche S， Wack M. Pressure control in a PEM fuel cell via second order sliding mode[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2012，37：16104-16116.

[3]Rabbani A， Rokni M. Effect of nitrogen crossover on purging strategy in PEM fuel cell systems[J]. Applied Energy.2013，111：1061-1070.

[4]余意，王諶，詹志剛，等.質子交換膜燃料電池啟停衰減的研究進展[J].電池工業，2010，15：120-123.

[5]陳沛，陳雪松.車用質子交換膜燃料電池系統-10℃低溫啟動實驗研究[J].汽車安全與節能學報，2016，7：427-432.

[6]余意.頻繁啟停對質子交換膜燃料電池堆性能的影響[J].電池，2015：

74-77.

[7]余意，翟雙，胡哲，等.車用質子交換膜燃料電池系統關機策略優化[J].電池工業，2014，19：270-276.

[8]王盛，王寶琦，李曉磊，等.燃料電池電動汽車的研究[J].無線互聯科技，2014：149.

[9]張存滿，馬高.質子交換膜燃料電池冷啟動機理及冷啟動策略[J].電源技術，2009，33：533-540.endprint