燃料電池多通道激活的峰值優化

（大連銳格新能源科技有限公司 遼寧 116000）

1.引言

電堆活化是燃料電池生產中的一個環節，也稱電堆激活。對于年產上萬臺電堆的生產線，每天需要活化處理幾十甚至上百臺。每臺活化需要消耗的資源很大，例如氫氣和電力。每臺車用規格為數十千瓦的電堆可能需要消耗千克級的氫氣和使用數十千瓦甚至上百千瓦功率，單臺活化時間一般在1至4小時，如果一個班次在總體上無序和沒有整體控制地處理幾十臺活化進程，峰值將對運行安全帶來很大的影響，總體造價也會增加，對人員統籌管理的要求也很高。因此，非常有必要研究和選擇活化方法和整體控制管理，降低資源消耗，降低各種消耗的峰值和波動，例如降低電流沖擊、降低管道氣體波動的噪聲和可能引發的靜電，降低冷卻循環水的峰值及其管道直徑等等，以利于走向運行的自動化管理。

電堆活化有一些具體的特點，其中一個特點是系統的整體消耗是一個復雜的非線性關系，但是電堆輸出功率帶動氫氣消耗，以及增濕、冷量、空壓機動力等消耗，這些消耗與電堆輸出功率大體同步并接近于線性增加，實際略高于線性比例。因此，電堆活化需求的管理基礎可以初步建立在輸出功率的時間-功率曲線分析上。

按照現有常規單臺活化裝置處理一臺電堆的方式，至少存在以下幾點問題需要解決：

（1）裝置數量多，受到布局安排限制，總體設備的占地面積較多；

（2）附屬設備數量多，管道、電纜系統復雜；

（3）分散運行的裝置造成電力、氫氣、冷量等的通量需求處于無序狀態，特別是波峰波谷與平均值差異很大，為滿足波峰需求而在配置上加大通量的安全系數，造成浪費；

（4）如果依靠人工管理各個設備的運行，不僅難以處理多個進度的分配，而且要占用很多的專業技術人員。

燃料電池生產處于初期階段，目前尚未看到關于燃料電池多通道電力管理的文章或專利發表。

在單一電堆活化方法則有較多文獻，例如文獻[1]通過設計燃料電池變流強制活化程序，提高最大電流密度，電池性能得到明顯提高；文獻[2]介紹了不同的活化方法；文獻[3]優化研究了改變電堆運行溫度，提高電堆活化后的性能。

在中國專利[4-8]中，采用了周期性的升降功率輸出的辦法，例如周期性地增加輸出以降低平均電壓，續以停止輸出，甚至達到開路電壓交替等功率按照一定方式周期性循環的方法。這些技術集中在單通道處理單一電堆范圍，均無多通道活化處理多個電堆的電力或氫氣、冷水等相關統一管理內容。因此，作為工業化生產的整體技術，多個電堆的活化管理需要深化開發。

2.建模分析

(1)用電需求建模

①活化用電需求的基本框架

本文提出一種電堆活化的多通道管理方法，對多個單通道設備或多個多通道單臺設備統一計算管理，特別是對于脈沖式活化方式，通過整體上的錯峰計算和調整，獲得平穩和可預期的電力、物料等的需求，降低各技術指標峰值與平均值的比例，有序地安排活化，降低人員需求，解決現有技術阻礙生產的問題，有利于實現自動化管理。

以電堆活化運行需求與電堆輸出按照線性關系做預測，然后經過單通道運行數據校正各種需求和電堆輸出功率的關系，對所有電堆輸出功率進行統一的安排，分析出總系統對電力消耗的需求。

為方便和簡化說明，電堆活化的多通道管理方法以電堆輸出功率代替系統支持運行所需的全部功率，并且按照相同電堆型號、相同活化方法計算。所述多個通道，包括多個具有單臺或多臺燃料電池活化處理能力的單套裝置，各單套裝置具有獨立的運行系統，并與所述控制中心相互傳遞信息，由總控調配各通道的運行時間。參見圖1和圖2所示。圖1為直接管理各組成的系統組成，圖2為總控經過下級活化管理對匯總間接協調管理。

圖1 總控直接管理各組成的系統組成

圖2 總控經過下級活化管理對匯總間接協調管理

多個通道，用于燃料電池活化，被配置在由負責總體管理的總控直接或間接管理。總控所管理的子系統包括燃料電池活化裝置、氫氣供應系統、空氣供應系統、供冷系統、供水系統、負載消耗系統、蒸汽供應系統、電力供應系統。

燃料電池活化所需的消耗由各子系統完成，并以電力消耗為主要代表，總控的管控方法依據電堆輸出的功率評價，以電堆活化運行需求與電堆輸出按照線性關系做預測，然后經過單通道運行數據校正各種需求和電堆輸出功率的關系，重新預測管理。

②活化管理的具體方法

本文按照多個單堆功率50kw的分析為例，以下各處相同。

典型的單一活化運行模式如圖3所示，各通道的燃料電池活化采用周期性脈沖式。橫坐標是時間t，為脈沖活化方式包括逐漸升高的活化峰值和周期性的重復過程，最后周期的最大峰值一般達到電堆額定功率值的一個比例數，例如120%～150%。圖中橫坐標為時間，縱坐標為輸出功率。活化采用功率逐漸增加的脈沖式升降式周期，最大功率峰值逐漸上升，并在達到電堆型號許可的超過額定功率下重復數次，本文采用120%為例。經過多次電能輸出，電堆得到活化，具體數據由電堆特性測試得到，在生產線直接使用該數據并根據數據處理結果進行改進。

由于活化是不連續運行過程，所以相對于連續升高功率的方式可以節省大量氫氣和電力，同時升降過程有利于激活電堆。活化脈沖具有最低電堆輸出，根據具體電堆，保證電堆最高單節電壓不超過具體電堆特性值，如0.85V，同時具有最高電堆功率輸出，保證電堆最低單節電壓不低于具體電堆特性值，如0.30V。

圖3 一種典型的升降式周期性脈沖活化方式

各通道運行是在已知的可控的情況下進行，因此，多通道可以在時間上安排脈沖的錯峰運行，并對具體通道運行的脈沖波峰波谷在活化方法范圍內進行調整，與整體預期安排的統計數據對比，選擇可以降低峰值的執行數據，峰值包括功率峰值和功率變化峰值，如，最大功率和最大功率變化率。

總控判斷外圍條件滿足時，按照保存的標準方法通知和管理各通道。對通道提出的非標準方法則判斷通道現有參數和外圍條件是否滿足該通道要求，選擇運行或不運行。在正常運行中，具體通道可以在完成后，或在人為、或因電堆、設備等問題退出正常運行，此時總控對此提出警報，檢查事故退出該活化，撤出的通道可以維護、空置或重新分配給新的電堆使用。

生產中電堆接入系統，總控對各通道的請求排序，根據工作量和歷史數據積累，做出時間間隔的計算和判定，調用單通道進程的標準數據，形成預定間隔功率重疊數據，分析功率疊加的極值和功率變化率，即功率需求的波動率或波動速度，這種波動也相當于氫氣的消耗的波動率。在班次時間內調節進度的峰谷時間，多次調用計算比較，獲得相對比較小的峰值和波動率，符合峰值限制后，通知各個通道運行。峰值限制是由模擬計算獲得，并由歷史運行數據逐漸累積優化。

具體根據啟動時間、脈沖升速、間隔、周期、峰值持續、谷值持續、電堆完成關閉時間，通過對啟動時間的調配，獲得各個通道的峰型曲線重疊后的最高峰對比，選出最低的幾種匹配方法；同時獲得多種重疊峰型各個最大斜率，即各種電功率變化率最大值，從中選取較低的幾種方法。從兩種選出的，優化選出同時滿足條件的調配方法。未能優化的則優選電功率變化率最小的，即消耗電力的電流變化率低、氫氣流速變化低、冷水流速變化低的方法。變化率低，總體曲線就更接近平均值。

圖4 對雙通道同時活化的功率疊加類似于簡單的單臺加倍

圖4和圖5分別表示未錯峰和錯峰活化的功率疊加。圖4是對雙通道同時活化。為對比清晰，縱坐標分三個橫線表示通道1功率P1、通道2功率P2、疊加功率P1+2的基線，功率疊加類似于簡單的單臺加倍。圖5是對雙通道活化進行時間上錯位，對比圖4，各單獨通道輸出不變，表明時間的錯位具有對總功率峰值的降低的影響。

圖5 對雙通道活化進行時間上錯位，功率疊加后的狀況發生變化

燃料電池增濕器的加熱電力來源或至少一部分來源可以是本臺裝置所屬電堆輸出的電力或上級總控系統的其它活化通道的電堆輸出的電力，這些發電回饋參與壓力鍋爐蓄熱加熱，也可以在集中的鍋爐進行，其總功率小于未經管理的單通道所需功率與通道數之乘積。在系統啟動階段和發電功率不足以增濕所需時，使用電網市售電力補充，總裝機最大功率遠小于未經管理的相同數量單通道設備所需功率之和；當系統鍋爐儲備的熱能超過增濕需求時，發電輸出由總控管理，輸出到散熱系統或其它系統，如向電網的回饋。

圖6描述控制系統對多個進程的基本管理方法。系統啟動后，根據外圍條件，包括代表氫氣儲存量的氫氣壓力、循環冷水狀態、電力、以及包括蒸汽壓力，蒸汽可以由電力加熱提供，也可以由燃料燃燒產生管道蒸汽方式提供。各通道由操作人員確認電堆連接和活化方法后，各通道信息傳送至總控，總控判斷外圍條件滿足時，按照保存的標準方法通知和管理各通道。對通道提出的非標準方法則判斷通道現有參數和外圍條件是否滿足該通道要求，選擇運行或不運行。在正常運行中，具體通道可以在完成后，或在人為、或因電堆、設備等問題退出正常運行，此時總控對此提出警報，檢查事故退出該活化，撤出的通道可以維護、空置或重新分配給新的電堆使用。

圖6 控制系統對多個進程的基本管理方法框圖

圖7對圖6中虛線框中單進程管理的進一步細化說明。多通道進入活化，需要分配具體時間間隔，降低功率峰值和消耗峰值。比如降低用氫的高峰，使供氫管道流量相對更穩定，降低忽高忽低引起的管道壓力波動，在生產量不變的情況下，氫氣總用量一定，平穩的供應可以減小峰值對管道直徑加大的要求，也降低高流速帶來的靜電和噪音震動等危害。生產中電堆接入系統是有先后的，首先對各通道的請求排序，根據工作量和歷史數據積累，做出時間間隔的計算和判定，調用單通道進程的標準數據，形成預定間隔功率重疊數據，分析功率疊加的極值和功率變化率，即功率需求的波動率或波動速度，這種波動也相當于氫氣的消耗的波動率。在班次時間內調節進度的峰谷時間，多次調用計算比較，獲得相對比較小的峰值和波動率，符合峰值限制后，通知各個通道運行。峰值限制是由模擬計算獲得，并由歷史運行數據逐漸累積優化。

圖7 對圖6中虛線框中單進程管理的細化框圖

圖8 多進程中的穩定性分析

圖8多進程中的穩定性分析。在不同啟動時間間隔的功率疊加后，有的間隔時間變化少量，可以引起功率變化率的較大波動，有的引起的變動較小。同樣，在疊加數據中隨機去掉一個進程的貢獻，引起的變動也不同，表明各種不同的時間間隔的穩定性不同。特別地，這種穩定性特別體現在正常運行的一個整體多進程中的一個進程發生變化，例如終止運行，對總的平衡產生的影響大小不同，這種運行可以通過對不同進程的疊加預期中，隨機取消一個進程，根據疊加數據的變化得到穩定性的比較。

(2)程序實現

根據本文建模原理，使用VB6.0編制多通道分析預測。

見圖9，此處以8臺電堆的活化為例，可以是4臺雙通道裝置，也可以是2臺四通道裝置等組合。在生產線上連續進行時，可能前一個班時的活化繼續進行，實際疊加在圖中的前一段，與圖中的中間基本相同。圖中下半部分是功率的疊加，上半部分是功率變化率。

按照班次8小時簡單的平均間隔安排的8個活化進程，包括系統啟動時間、電堆啟動時間、電堆活化時間、電堆關閉時間、系統關閉時間。采用圖1方式，結果如圖11所示。每秒功率遞增比例15%，通道數8，平均間隔43.2min，總功率變化率Pk/P0=2.95，即295kw/s。

圖9 對于8臺電堆活化的一個總功率與總功率變化率結果

①運行方法的優化

圖10 對于8臺電堆活化的一個優化結果

見圖10，改變活化進程的時間錯位，最大疊加峰值不同，說明存在一定條件下的優化設置，可以經過自動計算，時間錯開，最大的疊加功率可以是一臺的最大單臺功率加另外一臺的最低功率，同時，功率變化率是上升與下降的疊加，減少了疊加后的功率變化率峰值。對比說明，改變各通道時間間隔，功率變化率有很大的變化，同時，并非間隔越長就有功率更平穩。每秒功率遞增比例15%，通道數8，平均間隔15min，總功率變化率Pk/P0=0.45，即45kw/s。

可以確定本例方式在電流穩定方面，明顯優于圖9方式，氫氣的流量波動減小了數倍，能夠對建廠的氫氣管道設計提供依據，在相同的處理能力下，可以大幅度降低管道直徑、管道重量、閥體規格等重要成本因素。

②方法的穩定性分析

在對間隔變化的多個計算結果中，尋找其中的對任一進程取消的變化帶來的功率峰值和功率變化率波動不敏感的安排方法。單個指標可能不是最優，但是方法穩定，利于實際運行。

見圖11，整體運行中失去其中第4通道消耗情況圖，突然失去其它通道運行時造成的影響與之類似，整個系統的電力消耗，以及氫氣消耗等發生的變化比圖11參數運行下的穩定。與圖9的運行參數相比，間隔時間減少10%，其它條件同圖11，即每秒功率遞增比例15%，通道數8，取消任一進程，系統其余共7個進程的功率波動率之最大值由Pk/P0=2.95降低到0.45，即從295kw/s降低到45kw/s。系統在其中任一進程突然變化時，不會產生較大的電流沖擊發生，例如不超過50kw/s，遠小于未經過優化的200kw/s以上的數據。

圖11 對于8臺電堆活化的針對錯位時間穩定性的一個搜索結果

優化結果可以通過更多次運算和數據條件修改比較得到，根據本文的基本優化方法，可以細化得到更多的變化。

3.結果分析

本文建立燃料電池活化的多通道管理模式，并對多個單通道設備或多個多通道單臺設備統一計算管理，特別是對于脈沖式活化方式，通過整體上的錯峰計算和調整，獲得平穩的、可預期的電力、物料以及冷水等的需求分析，相對于未做管理分析的常規技術，降低了各技術指標峰值與平均值的比例，解決現有技術阻礙生產的問題，可以大幅度減少人員工作量，降低系統改造價，提高生產系統的穩定性。

4.結語

本文提出的算法主要面對燃料電池活化（測試）的建設規模預測，在保證生產能力的前提下，可以降低整個系統的峰值需求，降低系統造價，有利于生產有序、可預期進行，降低生產調度的難度，減少人員工作量。