燃料電池多通道激活的峰值優(yōu)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(huán)節(jié)，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(guī)格為數(shù)十千瓦的電堆可能需要消耗千克級的氫氣和使用數(shù)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(tǒng)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(fā)的靜電，降低冷卻循環(huán)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(tǒng)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(xiàn)有常規(guī)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(shù)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(shù)量多，管道、電纜系統(tǒng)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(tài)，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(shù)，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(yè)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(fā)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(yōu)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(xù)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(huán)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(tǒng)一管理內容。因此，作為工業(yè)化生產的整體技術，多個電堆的活化管理需要深化開發(fā)。

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(tǒng)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(wěn)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(xiàn)有技術阻礙生產的問題，有利于實現(xiàn)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(shù)據(jù)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(tǒng)一的安排，分析出總系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)，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(tǒng)組成，圖2為總控經過下級活化管理對匯總間接協(xié)調管理。

圖1 總控直接管理各組成的系統(tǒng)組成

圖2 總控經過下級活化管理對匯總間接協(xié)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?？偪厮芾淼淖酉到y(tǒng)包括燃料電池活化裝置、氫氣供應系統(tǒng)、空氣供應系統(tǒng)、供冷系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、負載消耗系統(tǒng)、蒸汽供應系統(tǒng)、電力供應系統(tǒng)。

燃料電池活化所需的消耗由各子系統(tǒng)完成，并以電力消耗為主要代表，總控的管控方法依據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)，例如120%～150%。圖中橫坐標為時間，縱坐標為輸出功率?；罨捎霉β手饾u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(shù)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(shù)據(jù)由電堆特性測試得到，在生產線直接使用該數(shù)據(jù)并根據(jù)數(shù)據(jù)處理結果進行改進。

由于活化是不連續(xù)運行過程，所以相對于連續(xù)升高功率的方式可以節(jié)省大量氫氣和電力，同時升降過程有利于激活電堆?；罨}沖具有最低電堆輸出，根據(jù)具體電堆，保證電堆最高單節(jié)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(jié)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(tǒng)計數(shù)據(jù)對比，選擇可以降低峰值的執(zhí)行數(shù)據(jù)，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(xiàn)有參數(shù)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(tǒng)，總控對各通道的請求排序，根據(jù)工作量和歷史數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，形成預定間隔功率重疊數(shù)據(jù)，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(jié)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(shù)據(jù)逐漸累積優(yōu)化。

具體根據(jù)啟動時間、脈沖升速、間隔、周期、峰值持續(xù)、谷值持續(xù)、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(yōu)化選出同時滿足條件的調配方法。未能優(yōu)化的則優(yōu)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(fā)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(tǒng)的其它活化通道的電堆輸出的電力，這些發(fā)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(shù)之乘積。在系統(tǒng)啟動階段和發(fā)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(shù)量單通道設備所需功率之和；當系統(tǒng)鍋爐儲備的熱能超過增濕需求時，發(fā)電輸出由總控管理，輸出到散熱系統(tǒng)或其它系統(tǒng)，如向電網的回饋。

圖6描述控制系統(tǒng)對多個進程的基本管理方法。系統(tǒng)啟動后，根據(jù)外圍條件，包括代表氫氣儲存量的氫氣壓力、循環(huán)冷水狀態(tài)、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(xiàn)有參數(shù)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(tǒng)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(wěn)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(wěn)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(tǒng)是有先后的，首先對各通道的請求排序，根據(jù)工作量和歷史數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，形成預定間隔功率重疊數(shù)據(jù)，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(jié)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(shù)據(jù)逐漸累積優(yōu)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(wěn)定性分析

圖8多進程中的穩(wěn)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(shù)據(jù)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(wěn)定性不同。特別地，這種穩(wěn)定性特別體現(xiàn)在正常運行的一個整體多進程中的一個進程發(fā)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(jù)疊加數(shù)據(jù)的變化得到穩(wěn)定性的比較。

(2)程序實現(xiàn)

根據(jù)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(xù)進行時，可能前一個班時的活化繼續(xù)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(tǒng)啟動時間、電堆啟動時間、電堆活化時間、電堆關閉時間、系統(tǒng)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(shù)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(yōu)化

圖10 對于8臺電堆活化的一個優(yōu)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(yōu)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(wěn)。每秒功率遞增比例15%，通道數(shù)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(wěn)定方面，明顯優(yōu)于圖9方式，氫氣的流量波動減小了數(shù)倍，能夠對建廠的氫氣管道設計提供依據(jù)，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(guī)格等重要成本因素。

②方法的穩(wěn)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(yōu)，但是方法穩(wěn)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(tǒng)的電力消耗，以及氫氣消耗等發(fā)生的變化比圖11參數(shù)運行下的穩(wěn)定。與圖9的運行參數(shù)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(shù)8，取消任一進程，系統(tǒng)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(tǒng)在其中任一進程突然變化時，不會產生較大的電流沖擊發(fā)生，例如不超過50kw/s，遠小于未經過優(yōu)化的200kw/s以上的數(shù)據(jù)。

圖11 對于8臺電堆活化的針對錯位時間穩(wěn)定性的一個搜索結果

優(yōu)化結果可以通過更多次運算和數(shù)據(jù)條件修改比較得到，根據(jù)本文的基本優(yōu)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(tǒng)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(wěn)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(guī)技術，降低了各技術指標峰值與平均值的比例，解決現(xiàn)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(tǒng)改造價，提高生產系統(tǒng)的穩(wěn)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(guī)模預測，在保證生產能力的前提下，可以降低整個系統(tǒng)的峰值需求，降低系統(tǒng)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。