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1.引言

電堆活化是燃料電池生產(chǎn)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，也稱電堆激活。對于年產(chǎn)上萬臺電堆的生產(chǎn)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(shí)間一般在1至4小時(shí)，如果一個(gè)班次在總體上無序和沒有整體控制地處理幾十臺活化進(jìn)程，峰值將對運(yùn)行安全帶來很大的影響，總體造價(jià)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(yùn)行的自動化管理。

電堆活化有一些具體的特點(diǎn)，其中一個(gè)特點(diǎn)是系統(tǒng)的整體消耗是一個(gè)復(fù)雜的非線性關(guān)系，但是電堆輸出功率帶動氫氣消耗，以及增濕、冷量、空壓機(jī)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(shí)際略高于線性比例。因此，電堆活化需求的管理基礎(chǔ)可以初步建立在輸出功率的時(shí)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(diǎn)問題需要解決：

（1）裝置數(shù)量多，受到布局安排限制，總體設(shè)備的占地面積較多；

（2）附屬設(shè)備數(shù)量多，管道、電纜系統(tǒng)復(fù)雜；

（3）分散運(yùn)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(fèi)；

（4）如果依靠人工管理各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行，不僅難以處理多個(gè)進(jìn)度的分配，而且要占用很多的專業(yè)技術(shù)人員。

燃料電池生產(chǎn)處于初期階段，目前尚未看到關(guān)于燃料電池多通道電力管理的文章或?qū)＠l(fā)表。

在單一電堆活化方法則有較多文獻(xiàn)，例如文獻(xiàn)[1]通過設(shè)計(jì)燃料電池變流強(qiáng)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(xiàn)[2]介紹了不同的活化方法；文獻(xiàn)[3]優(yōu)化研究了改變電堆運(yùn)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(dá)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(shù)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(gè)電堆的電力或氫氣、冷水等相關(guān)統(tǒng)一管理內(nèi)容。因此，作為工業(yè)化生產(chǎn)的整體技術(shù)，多個(gè)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(gè)單通道設(shè)備或多個(gè)多通道單臺設(shè)備統(tǒng)一計(jì)算管理，特別是對于脈沖式活化方式，通過整體上的錯(cuò)峰計(jì)算和調(diào)整，獲得平穩(wěn)和可預(yù)期的電力、物料等的需求，降低各技術(shù)指標(biāo)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(shù)阻礙生產(chǎn)的問題，有利于實(shí)現(xiàn)自動化管理。

以電堆活化運(yùn)行需求與電堆輸出按照線性關(guān)系做預(yù)測，然后經(jīng)過單通道運(yùn)行數(shù)據(jù)校正各種需求和電堆輸出功率的關(guān)系，對所有電堆輸出功率進(jìn)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(yùn)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(jì)算。所述多個(gè)通道，包括多個(gè)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(dú)立的運(yùn)行系統(tǒng)，并與所述控制中心相互傳遞信息，由總控調(diào)配各通道的運(yùn)行時(shí)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(jīng)過下級活化管理對匯總間接協(xié)調(diào)管理。

圖1 總控直接管理各組成的系統(tǒng)組成

圖2 總控經(jīng)過下級活化管理對匯總間接協(xié)調(diào)管理

多個(gè)通道，用于燃料電池活化，被配置在由負(fù)責(zé)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(yīng)系統(tǒng)、空氣供應(yīng)系統(tǒng)、供冷系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、負(fù)載消耗系統(tǒng)、蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)、電力供應(yīng)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(jià)，以電堆活化運(yùn)行需求與電堆輸出按照線性關(guān)系做預(yù)測，然后經(jīng)過單通道運(yùn)行數(shù)據(jù)校正各種需求和電堆輸出功率的關(guān)系，重新預(yù)測管理。

②活化管理的具體方法

本文按照多個(gè)單堆功率50kw的分析為例，以下各處相同。

典型的單一活化運(yùn)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(biāo)是時(shí)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(fù)過程，最后周期的最大峰值一般達(dá)到電堆額定功率值的一個(gè)比例數(shù)，例如120%～150%。圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)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(dá)到電堆型號許可的超過額定功率下重復(fù)數(shù)次，本文采用120%為例。經(jīng)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(chǎn)線直接使用該數(shù)據(jù)并根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)。

由于活化是不連續(xù)運(yùn)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(shí)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(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(shí)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(yùn)行是在已知的可控的情況下進(jìn)行，因此，多通道可以在時(shí)間上安排脈沖的錯(cuò)峰運(yùn)行，并對具體通道運(yùn)行的脈沖波峰波谷在活化方法范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，與整體預(yù)期安排的統(tǒng)計(jì)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(shí)，按照保存的標(biāo)準(zhǔn)方法通知和管理各通道。對通道提出的非標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)行或不運(yùn)行。在正常運(yùn)行中，具體通道可以在完成后，或在人為、或因電堆、設(shè)備等問題退出正常運(yùn)行，此時(shí)總控對此提出警報(bào)，檢查事故退出該活化，撤出的通道可以維護(hù)、空置或重新分配給新的電堆使用。

生產(chǎn)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(shí)間間隔的計(jì)算和判定，調(diào)用單通道進(jìn)程的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，形成預(yù)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(dāng)于氫氣的消耗的波動率。在班次時(shí)間內(nèi)調(diào)節(jié)進(jìn)度的峰谷時(shí)間，多次調(diào)用計(jì)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(gè)通道運(yùn)行。峰值限制是由模擬計(jì)算獲得，并由歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)逐漸累積優(yōu)化。

具體根據(jù)啟動時(shí)間、脈沖升速、間隔、周期、峰值持續(xù)、谷值持續(xù)、電堆完成關(guān)閉時(shí)間，通過對啟動時(shí)間的調(diào)配，獲得各個(gè)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(shí)獲得多種重疊峰型各個(gè)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(shí)滿足條件的調(diào)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(shí)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(cuò)峰和錯(cuò)峰活化的功率疊加。圖4是對雙通道同時(shí)活化。為對比清晰，縱坐標(biāo)分三個(gè)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(jìn)行時(shí)間上錯(cuò)位，對比圖4，各單獨(dú)通道輸出不變，表明時(shí)間的錯(cuò)位具有對總功率峰值的降低的影響。

圖5 對雙通道活化進(jìn)行時(shí)間上錯(cuò)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(jìn)行，其總功率小于未經(jīng)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(shí)，使用電網(wǎng)市售電力補(bǔ)充，總裝機(jī)最大功率遠(yuǎn)小于未經(jīng)管理的相同數(shù)量單通道設(shè)備所需功率之和；當(dāng)系統(tǒng)鍋爐儲備的熱能超過增濕需求時(shí)，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(wǎng)的回饋。

圖6描述控制系統(tǒng)對多個(gè)進(jìn)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(chǎn)生管道蒸汽方式提供。各通道由操作人員確認(rèn)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(shí)，按照保存的標(biāo)準(zhǔn)方法通知和管理各通道。對通道提出的非標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)行或不運(yùn)行。在正常運(yùn)行中，具體通道可以在完成后，或在人為、或因電堆、設(shè)備等問題退出正常運(yùn)行，此時(shí)總控對此提出警報(bào)，檢查事故退出該活化，撤出的通道可以維護(hù)、空置或重新分配給新的電堆使用。

圖6 控制系統(tǒng)對多個(gè)進(jìn)程的基本管理方法框圖

圖7對圖6中虛線框中單進(jìn)程管理的進(jìn)一步細(xì)化說明。多通道進(jìn)入活化，需要分配具體時(shí)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(chǎn)量不變的情況下，氫氣總用量一定，平穩(wěn)的供應(yīng)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(chǎn)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(shí)間間隔的計(jì)算和判定，調(diào)用單通道進(jìn)程的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，形成預(yù)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(dāng)于氫氣的消耗的波動率。在班次時(shí)間內(nèi)調(diào)節(jié)進(jìn)度的峰谷時(shí)間，多次調(diào)用計(jì)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(gè)通道運(yùn)行。峰值限制是由模擬計(jì)算獲得，并由歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)逐漸累積優(yōu)化。

圖7 對圖6中虛線框中單進(jìn)程管理的細(xì)化框圖

圖8 多進(jìn)程中的穩(wěn)定性分析

圖8多進(jìn)程中的穩(wěn)定性分析。在不同啟動時(shí)間間隔的功率疊加后，有的間隔時(shí)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(jī)去掉一個(gè)進(jìn)程的貢獻(xiàn)，引起的變動也不同，表明各種不同的時(shí)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(yùn)行的一個(gè)整體多進(jìn)程中的一個(gè)進(jìn)程發(fā)生變化，例如終止運(yùn)行，對總的平衡產(chǎn)生的影響大小不同，這種運(yùn)行可以通過對不同進(jìn)程的疊加預(yù)期中，隨機(jī)取消一個(gè)進(jìn)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?qū)崿F(xiàn)

根據(jù)本文建模原理，使用VB6.0編制多通道分析預(yù)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(chǎn)線上連續(xù)進(jìn)行時(shí)，可能前一個(gè)班時(shí)的活化繼續(xù)進(jìn)行，實(shí)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(shí)簡單的平均間隔安排的8個(gè)活化進(jìn)程，包括系統(tǒng)啟動時(shí)間、電堆啟動時(shí)間、電堆活化時(shí)間、電堆關(guān)閉時(shí)間、系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)間。采用圖1方式，結(jié)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(gè)總功率與總功率變化率結(jié)果

①運(yùn)行方法的優(yōu)化

圖10 對于8臺電堆活化的一個(gè)優(yōu)化結(jié)果

見圖10，改變活化進(jìn)程的時(shí)間錯(cuò)位，最大疊加峰值不同，說明存在一定條件下的優(yōu)化設(shè)置，可以經(jīng)過自動計(jì)算，時(shí)間錯(cuò)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(shí)，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(shí)間間隔，功率變化率有很大的變化，同時(shí)，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?qū)◤S的氫氣管道設(shè)計(jì)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(gè)計(jì)算結(jié)果中，尋找其中的對任一進(jìn)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(gè)指標(biāo)可能不是最優(yōu)，但是方法穩(wěn)定，利于實(shí)際運(yùn)行。

見圖11，整體運(yùn)行中失去其中第4通道消耗情況圖，突然失去其它通道運(yùn)行時(shí)造成的影響與之類似，整個(gè)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(yùn)行下的穩(wěn)定。與圖9的運(yùn)行參數(shù)相比，間隔時(shí)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(jìn)程，系統(tǒng)其余共7個(gè)進(jìn)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(jìn)程突然變化時(shí)，不會產(chǎn)生較大的電流沖擊發(fā)生，例如不超過50kw/s，遠(yuǎn)小于未經(jīng)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(cuò)位時(shí)間穩(wěn)定性的一個(gè)搜索結(jié)果

優(yōu)化結(jié)果可以通過更多次運(yùn)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(xì)化得到更多的變化。

3.結(jié)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(gè)單通道設(shè)備或多個(gè)多通道單臺設(shè)備統(tǒng)一計(jì)算管理，特別是對于脈沖式活化方式，通過整體上的錯(cuò)峰計(jì)算和調(diào)整，獲得平穩(wěn)的、可預(yù)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(shù)，降低了各技術(shù)指標(biāo)峰值與平均值的比例，解決現(xiàn)有技術(shù)阻礙生產(chǎn)的問題，可以大幅度減少人員工作量，降低系統(tǒng)改造價(jià)，提高生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4.結(jié)語

本文提出的算法主要面對燃料電池活化（測試）的建設(shè)規(guī)模預(yù)測，在保證生產(chǎn)能力的前提下，可以降低整個(gè)系統(tǒng)的峰值需求，降低系統(tǒng)造價(jià)，有利于生產(chǎn)有序、可預(yù)期進(jìn)行，降低生產(chǎn)調(diào)度的難度，減少人員工作量。