燃料電池測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與研究

邵 孟，朱新堅(jiān),，曹弘飛，吳瞾慧

(1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)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(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與研究

邵 孟1，朱新堅(jiān)1,2，曹弘飛1，吳瞾慧2

(1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)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(jì)了一種新型的7 kW燃料電池測試平臺(tái)。西門子SIMATIC S7-1200 PLC作為主控制器，對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行安全穩(wěn)定控制。對(duì)于氫氣露點(diǎn)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(diǎn)加熱的方式，很好地解決了露點(diǎn)溫度困難和冷凝水問題。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有模擬實(shí)際工況功能，可根據(jù)負(fù)載變化自動(dòng)調(diào)整各個(gè)變量以達(dá)到合理的值。使用LABVIEW軟件設(shè)計(jì)了界面友好，功能強(qiáng)大的上位機(jī)軟件。上位機(jī)軟件與主控制器通過Modbus TCP協(xié)議通訊。

燃料電池;測試平臺(tái);露點(diǎn);工況模擬;LABVIEW

由于日趨突出的能源危機(jī)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(huì)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(diǎn)，近年來一直是國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)[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(yùn)行條件苛刻，成本高。為了促進(jìn)燃料電池的研究和生產(chǎn)，必須要研發(fā)可靠實(shí)用的燃料電池實(shí)驗(yàn)臺(tái)。現(xiàn)有的燃料電池實(shí)驗(yàn)臺(tái)存在功能單一，關(guān)鍵變量控制困難等問題[2-4]。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)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(tái)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(jí)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(jì)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(diǎn)控制

氫氣露點(diǎn)是一個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。對(duì)于露點(diǎn)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(jià)格昂貴，使用范圍，實(shí)時(shí)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(duì)露點(diǎn)的測量轉(zhuǎn)換成對(duì)露點(diǎn)溫度的測量，然后通過經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和公式，得出相應(yīng)的露點(diǎn)。

圖2 系統(tǒng)主控制器SIMATIC S7-1200 PLC

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

式中：Td為氫氣露點(diǎn)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(diǎn)溫度控制只是通過調(diào)節(jié)加濕罐的水溫，然后觀測露點(diǎn)溫度，但是這種方法會(huì)造成露點(diǎn)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(diǎn)分段加熱，多變量輸入的方式確保露點(diǎn)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(duì)氫氣露點(diǎn)溫度進(jìn)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(gè)重要方面：網(wǎng)絡(luò)層數(shù)，各層節(jié)點(diǎn)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(gè)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(yàn)和MATLAB上的仿真比較，確定隱含層由5個(gè)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(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(shí)驗(yàn)中得出，然后使用Levenberg-Marquard算法在MATALB中對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線控制。

2.3 動(dòng)態(tài)性能測試

燃料電池的動(dòng)態(tài)性能是評(píng)測燃料電池的一項(xiàng)重要指標(biāo)。傳統(tǒng)的燃料電池測試臺(tái)都沒有此功能。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以手動(dòng)編輯動(dòng)態(tài)測試方案，然后根據(jù)負(fù)載自動(dòng)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(huì)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(dá)到要求，計(jì)算公式為：

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

3 上位機(jī)設(shè)計(jì)

一個(gè)良好監(jiān)控軟件決定了整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(tái)供應(yīng)商，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的用戶界面使用LABVIEW設(shè)計(jì)，界面友好。監(jiān)控軟件通過Modbus TCP協(xié)議與主控制器通訊，實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)。圖4為燃料電池測試平臺(tái)的實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件。

圖4 燃料電池測試平臺(tái)的實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件

4 實(shí)驗(yàn)測試

圖5為完成設(shè)計(jì)的燃料電池實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成之后，需要進(jìn)行測試。本文中用該實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)額定功率7 kW的水冷質(zhì)子交換膜燃料電池進(jìn)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖6 7 kW燃料電池I-V曲線

5 總結(jié)

針對(duì)目前燃料電池測試平臺(tái)中存在的問題，本文設(shè)計(jì)了一種新型的燃料電池測試平臺(tái)，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(duì)氫氣露點(diǎn)溫度進(jìn)行控制。使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為樣本對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)了露點(diǎn)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(yàn)證了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能強(qiáng)大，能滿足多種類型的測試需求。

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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?yàn)槿剂想姵叵到y(tǒng)。