燃料电池测试实验台的设计与研究

邵 孟，朱新坚,，曹弘飞，吴瞾慧

(1.上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240；2.江苏乾景新能源产业技术研究院有限公司，江苏镇江212143)

燃料电池测试实验台的设计与研究

邵 孟1，朱新坚1,2，曹弘飞1，吴瞾慧2

(1.上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240；2.江苏乾景新能源产业技术研究院有限公司，江苏镇江212143)

设计了一种新型的7 kW燃料电池测试平台。西门子SIMATIC S7-1200 PLC作为主控制器，对实验台进行安全稳定控制。对于氢气露点温度的控制，采用了神经网络控制算法。以多变量输入和多点加热的方式，很好地解决了露点温度困难和冷凝水问题。该实验平台具有模拟实际工况功能，可根据负载变化自动调整各个变量以达到合理的值。使用LABVIEW软件设计了界面友好，功能强大的上位机软件。上位机软件与主控制器通过Modbus TCP协议通讯。

燃料电池;测试平台;露点;工况模拟;LABVIEW

由于日趋突出的能源危机和环境污染问题，燃料电池作为一种具有巨大前景的清洁能源，受到了国际社会的广泛关注。燃料电池具有高效，无污染，高能量密度的特点，近年来一直是国内外的研究热点[1]。2014年日本丰田推出了可以满足商业应用的纯燃料电池汽车Mirai，更是将燃料电池的研究热潮推到了新的高度。目前限制燃料电池快速发展的主要原因是：燃料电池的可靠性，运行条件苛刻，成本高。为了促进燃料电池的研究和生产，必须要研发可靠实用的燃料电池实验台。现有的燃料电池实验台存在功能单一，关键变量控制困难等问题[2-4]。

1 实验台系统框架

本系统设计最大可以测试7 kW的燃料电池电堆。图1为该系统结构框图。系统主要包括以下几个单元：供气单元，主要包括阴极气路(Air)和阳极气路(H2)。本系统采用阳极加湿；尾气单元，阴极和阳极的气路采用比例调节阀和电磁阀并联的方案，因此本系统同时具有背压控制功能和脉冲排放功能；冷却单元，包含内冷却循环和外冷却循环。负载单元，采用艾德克斯(ITECH)公司的电子负载，通过RS485接口与主控制器通讯[5-7]。

图1 燃料电池测试台结构图

2 控制系统

2.1 主控制器

如图2所示，本系统选用SIMATIC S7-1200(西门子)作为主控制器。SIMATIC S7-1200是一款紧凑型、模块化的PLC。该款CPU具有简单逻辑控制、高级逻辑控制、HMI和网络通信等功能，非常适用于本系统的设计与应用。该控制器包括主CPU，RS485通讯模块，模拟量采集模块，温度采集模块。

2.2 氢气露点控制

氢气露点是一个重要的实验参数。对于露点的测量，主要有直接测量和间接测量两种方法。由于直接测量价格昂贵，使用范围，实时性等限制，本系统采用间接测量的方式。间接测量的方式是将对露点的测量转换成对露点温度的测量，然后通过经验数据和公式，得出相应的露点。

图2 系统主控制器SIMATIC S7-1200 PLC

露点温度主要与氢气流量，加湿器温度等参数有关，是一个复杂的非线性函数：

式中：Td为氢气露点温度；fH2为氢气流量；Te为加湿器水温；PH2为氢气压力；Ta为环境温度。

传统的露点温度控制只是通过调节加湿罐的水温，然后观测露点温度，但是这种方法会造成露点和水温偏差过大，有大量的凝结水产生，然后随着氢气流入燃料电池电堆，造成MEA水淹。在本系统中，采用多点分段加热，多变量输入的方式确保露点温度与水温一致且不产生多余的冷凝水。本文采用智能神经网络控制器对氢气露点温度进行控制。神经网络模拟人脑的形象思维来模拟复杂的非线性系统。神经网络的结构主要包括以下几个重要方面：网络层数，各层节点数，神经元的连接方式，各层的激活函数和连接权值。本文采用BP网络结构，一种单向传播的多层前向神经网络[8]。

图3为本文采用的神经网络结构，包括输入层，两个隐含层，输出层。单隐层的BP网络已具备了任意精度的函数逼近能力，因此本文选择单隐层(S型激活函数)结构，并且通过经验和MATLAB上的仿真比较，确定隐含层由5个神经元组成。

图3 神经网络结构

在确定好神经网络的结构以后，对网络进行训练以确定内部的权值。本文所采用的训练样本是从多次实验中得出，然后使用Levenberg-Marquard算法在MATALB中对网络进行训练，取误差为0.001，初始学习率为0.1。确定神经网络内部的权值等参数之后，然后写入PLC实现实时在线控制。

2.3 动态性能测试

燃料电池的动态性能是评测燃料电池的一项重要指标。传统的燃料电池测试台都没有此功能。本实验台可以手动编辑动态测试方案，然后根据负载自动调整燃料电池的氢气流量，空气流量和冷却水流量等参数，使得燃料电池在负载突然变化的情况下气体流量也不会过多或者过少[9]。氢气流量的调整可以通过调节前置比例阀来调整氢气入口压力即可达到要求，计算公式为：

式中：fair为空气流量；η1为经验参数 (3.5)；N为燃料电池的单电池数量；I为燃料电池电流；λ为空气流量计量比；fcool为冷却水流量；η2为经验系数(200)。

3 上位机设计

一个良好监控软件决定了整个实验台的兼容性和操作性。目前我国还没有关于燃料电池测试统一规范的测试平台供应商，本实验台的用户界面使用LABVIEW设计，界面友好。监控软件通过Modbus TCP协议与主控制器通讯，实时接收数据。图4为燃料电池测试平台的实时监控软件。

图4 燃料电池测试平台的实时监控软件

4 实验测试

图5为完成设计的燃料电池实验平台。实验平台完成之后，需要进行测试。本文中用该实验台对额定功率7 kW的水冷质子交换膜燃料电池进行了整体测试。图6为该燃料电池测试出来的I-V曲线。

图5 燃料电池实验平台

图6 7 kW燃料电池I-V曲线

5 总结

针对目前燃料电池测试平台中存在的问题，本文设计了一种新型的燃料电池测试平台，适用于7 kW以下的水冷燃料电池的测试。本系统采用了神经网络算法对氢气露点温度进行控制。使用实验数据作为样本对神经网络进行了训练，实现了露点温度的在线控制，经过测试符合预期效果。通过7 kW燃料电池电堆的测试，验证了实验平台功能强大，能满足多种类型的测试需求。

[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]吴曦.质子交换膜燃料电池测试系统设计及单电池建模[D].上海:上海交通大学,2010.

[3]李小毅.燃料电池发动机实验室测试系统的设计[D].武汉:武汉理工大学,2005.

[4]马志昆.基于网络学习控制的燃料电池测试系统研究及应用[J].测控技术,2009,28(12):63-67.

[5]毛宗强.燃料电池[M].北京：化学工业出版社,2005.

[6]衣宝廉.燃料电池——原理·技术·应用[M].北京:化学工业出版社,2003.

[7]李赏,潘牧,袁润章.燃料电池测试规范综述[J].武汉理工大学学报,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，主要研究方向为燃料电池系统。