基于支持向量机的燃料电池关机策略选择

夏增刚+蔡俊+刘士广+周奕

摘 要：关机过程对质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell， PEMFC）的耐久性与寿命影响巨大。依据温度不同，燃料电池的关机过程可分为冷吹扫关机与常温吹扫关机。常温吹扫关机后的燃料电池质子交换膜含水较多，如果在关机期间遇到低温环境，则会损坏电堆。冷关机吹扫关机虽然可以应对低温环境，但损失氢气更多且会降低燃料电池寿命。针对以上问题，文章提出一种基于支持向量机的燃料电池关机策略选择策略，该方法利用小时采样白天温度，并支持向量机处理线性不可分问题。实验结果证明了该方法的有效性。

关键词：质子交换膜燃料电池；关机策略；支持向量机；耐久性

中图分类号：TM911.4 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）26-0024-02

1 概述

汽车产量和保有量的快速上升给能源和环境带来的压力与日俱增，而氢能具有燃料热值高、清洁无污染等优点，并且具有丰富的储量，被认为是解决人类能源问题的绿色能源之一。[1]质子交换膜燃料电池在使用中将氢能转化为电能，具有无噪声、零污染、工作电流大、比功率高、启动速度快、环境友好和结构紧凑等优点，是一种非常理想的车载动力装置。[2-3]

停机过程是PEMFC必须频繁经历的工况，这个也是导致质子交换膜燃料电池性能衰减的最主要因素之一。关机过程中，由于阴极和阳极之间存在浓度梯度，阴极的氧气就会通过质子交换膜扩散到阳极，从而导致了氢气空气界面的形成氢气/空气界面，对电堆寿命造成损害。在关机过程中，气体吹扫是一个非常有效的方法，能够防止的阳极形成氢气/空气界面，同样的它还能够减少氧气空气界面在阳极存在的时间[4]。

主要依据气体吹扫策略的不同，燃料电池关机策略一般分为冷吹扫关机和常温吹扫关机[5]。

相对于常温吹扫关机，冷吹扫关机的吹扫时间更长，吹掃风量更大，吹扫之后的电堆水含量更少。如果电堆在关机期间经历低温特别是冰点以下环境环境，则电堆必须是之前冷吹扫关机的，否则电堆内多余的水会结冰，损坏质子交换膜和催化层。但如果一直使用冷吹扫关机，则氢耗增加（车载使用下，吹扫多数情况使用纯氢），催化剂和质子交换膜的寿命也衰减更加严重。使用常温吹扫关机虽然更加经济，耐久性更好，但却无法应对关机期间的低温环境，所以适当的关机策略选择至关重要[6-7]。

传统的方法下，往往使用固定的吹扫策略，或者依据关机时的温度作为吹扫策略的判断依据。这类思路无法对关机期间的温度环境做有效预测，误判率较高[8]。

针对以上问题，本文提出一种基于支持向量机（SVM）的停机策略选择策略。该策略使用小时温度采样作为系统输入，利用支持向量处理线性不可分问题，以区别使用冷吹扫关机和常温吹扫关机。该方法预测准确度高，鲁棒性强，计算量小，适合车载控制器使用。

2 基于支持向量机的关机策略选择方法

2.1 质子交换膜燃料电池系统

如图1所示，车载燃料电池系统通常将阴极流道通入加压的空气，高压氢气罐中的氢气在罐内高压作用下经过增湿器进入电堆阳极。气体通过扩散层，在催化剂的作用下生成水，同时电子通过外电路形成电流，向负载输出电能。在电堆阴极反应后剩余的空气通过回流管道和气液分离器排入大气。

两个电极发生的反应如下：

燃料电池的关机吹扫时，通常将减压后的氢气通入阳极，同时打开阳极尾排阀。氢气流可以防止氢氧界面的产生，并清除电堆内的水。相对于冷吹扫关机，常温吹扫时间较短，气压较低，但在低温环境下较多的水含量会凝结成冰，损坏催化层和质子交换膜。而冷吹扫又存在经济性和耐久性较差的问题。所以对吹扫策略的合理选择十分重要。

2.2 支持向量机

支持向量机是一种高效的分类工具，也可能是深度学习提之前最有效的机器学习算法。支持向量机训练好的模型的算法复杂度是由支持向量的个数决定的，而不是由数据的维度决定的，所以SVM不太容易产生“过训练”。且SVM训练出来的模型完全依赖于支持向量（Support Vectors）， 即使训练集里面所有非支持向量的点都被去除，重复训练过程，结果仍然会得到完全一样的模型。

支持向量机本质上是一种双层网络，通过核函数将低维数据映射到高维空间，从而将低维线性不可分问题转化到高维线性可分，再使用线性分类的方法构造线性分类器，完成分类问题。

2.3 基于支持向量机的质子交换膜燃料电池关机策略选择方法

该方法使用9个昼间温度采样，作为数据输入，并构造分类器，区分冷吹扫关机和常温吹扫关机。

设分类超平面函数为：

wx+b=0 （1）

为减弱数据噪音影响，设置松弛变量ξ，令目标函数：

约束条件：

构造拉格朗日函数，求解极值问题：

求解极值问题，求L对ξ，w，b最小化

设K（xi，xj）为核函数，使用核函数求解向量被映射到高维空间后的内积，求解朗格朗日函数：

针对上式，对a求极值，解出超平面方程和最优的朗格朗日乘子，从而构造决策函数，完成支持向量机的构造。

3 实施方式

使用车载温度传感器小时采样温度数据，利用EP2Rom存储温度数据。若采样温度中有小于3摄氏度的数值，则关机策略采用冷吹扫关机，否则将9个采样温度作为模型输入，使用上文提出的基于支持向量机的燃料电池吹扫判断关机策略。若输出为1，则使用冷吹扫关机，若输出为-1，则使用常温吹扫关机。

4 实验分析

采用气象数据构建支持向量机模型，核函数使用径向基核，并使用114组黑河地区温度数据测试建模结果。测试结果如下，结果证明，模型准确率99%。endprint

5 结束语

本文针对质子交换膜燃料电池关机策略选择问题，提出一种基于支持向量机的燃料电池停机策略选择方案。该方法使用昼间温度小时采样作为模型输入，利用支持向量机对线性不可分问题的处理能力，区分冷吹扫关机和常温吹扫关机。该方法具有准确度高，鲁棒性强，计算量小等优点，适合配合车载控制器使用。

参考文献：

[1]Ebadighajari A， DeVaal J， Golnaraghi F. Multivariable control of hydrogen concen- tration and fuel over-pressure in a polymer electrolyte membrane fuel cell with anode re-circulation[C]. 2016 American Control Conference （ACC）. American Automatic Control Council （AACC），2016：4428-4433.

[2]Matraji I， Laghrouche S， Wack M. Pressure control in a PEM fuel cell via second order sliding mode[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2012，37：16104-16116.

[3]Rabbani A， Rokni M. Effect of nitrogen crossover on purging strategy in PEM fuel cell systems[J]. Applied Energy.2013，111：1061-1070.

[4]余意，王諶，詹志刚，等.质子交换膜燃料电池启停衰减的研究进展[J].电池工业，2010，15：120-123.

[5]陈沛，陈雪松.车用质子交换膜燃料电池系统-10℃低温启动实验研究[J].汽车安全与节能学报，2016，7：427-432.

[6]余意.频繁启停对质子交换膜燃料电池堆性能的影响[J].电池，2015：

74-77.

[7]余意，翟双，胡哲，等.车用质子交换膜燃料电池系统关机策略优化[J].电池工业，2014，19：270-276.

[8]王盛，王宝琦，李晓磊，等.燃料电池电动汽车的研究[J].无线互联科技，2014：149.

[9]张存满，马高.质子交换膜燃料电池冷启动机理及冷启动策略[J].电源技术，2009，33：533-540.endprint