质子交换膜燃料电池系统故障机理分析及诊断方法研究综述

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cells,PEMFC)以其高效无污染等特性在发电、交通运载以及航空航天等领域有广阔的应用前景,然而可靠性和耐久性不足等问题已成为技术瓶颈,亟需探究高效的系统故障诊断方法。该文在介绍质子交换膜燃料电池系统构成及典型故障产生机理的基础上,综述了基于模型方法、数据驱动方法、实验测试方法、融合方法等质子交换膜燃料电池系统的故障诊断方法研究进展,对各种方法进行了分析比对,并对在线诊断技术进行总结分析,最后提出质子交换膜燃料电池系统故障诊断方法发展趋势及展望,以期为其后续研究及快速商业化应用提供参考。

ABPBI/SPEEK高温质子交换复合膜的制备与表征

采用溶剂蒸发法制备聚(2,5-苯并咪唑)/磺化聚醚醚酮(ABPBI/SPEEK)高温质子交换复合膜。考察了SPEEK的掺入对ABPBI/SPEEK质子交换复合膜的结构及性能的影响。结果表明,ABPBI膜和ABPBI/SPEEK复合膜在高温下的热稳定性能良好;随着SPEEK的掺入,ABPBI/SPEEK复合膜有更好的氧化稳定性和机械性能,ABPBI/SPEEK(20%)复合膜在芬顿试剂中96 h后的质量损失为0.84%,其拉伸强度为120.51 MPa,相较于Nafion 117膜明显提高;ABPBI/SPEEK(20%)复合膜的酸掺杂率为186.68%,该膜在160℃、0%RH时的质子电导率为3.4 mS/cm,约为ABPBI膜的1.78倍。

质子交换膜燃料电池热管理系统建模及故障仿真

文章以质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)系统为研究对象,分析系统中各组成部件的工作机理,在MATLAB/Simulink软件中搭建了燃料电池电堆电压、阴极、质子交换膜、阳极以及温度的数学机理模型,同时使用Simulink/Simscape物理建模平台搭建热管理系统的物理模型,将两种模型集成为完整的PEMFC系统仿真模型。在所搭建的热管理系统模型中注入典型故障:散热器风扇故障和冷却液流量不足故障,对各故障模式下的燃料电池性能进行了分析。仿真结果表明:PEMFC系统模型结果与试验结果基本一致,验证了模型的合理性;通过对热管理系统故障进行仿真,可以清楚地了解故障发生的机理,为其故障诊断提供了参考依据。

车用燃料电池散热性能实验研究

质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为能效转换率高、清洁可靠的发电装置,在交通、储能、航天及军事等领域有着广泛应用。为了解决质子交换膜燃料电池散热密度高、发热量大、散热效率低等突出问题,本文针对散热量为15 kW的质子交换膜燃料电池,设计并搭建了一套具有四种不同流程换热器的车用燃料电池散热系统实验台。分别使用两相冷却工质HFE-7100和乙二醇水溶液作为冷却工质,探究了在35℃的高温环境中,两种工质在不同流程换热器和不同工质流量下的散热性能和系统能效比(Energy Efficiency Rating, EER)。结果表明,在相同的流程下,采用HFE-7100两相散热方式相对于采用乙二醇水溶液液冷散热方式散热量提升率在81.2%~98.8%之间,系统EER提升率在68.2%~88.6%之间。且在4种不同流程下,3流程的系统散热效果和节能效果最佳,两相工质HFE-7100散热量和系统EER分别达到14.4 kW和20.5 kW/kW,液冷工质乙二醇水溶液散热量和系统EER分别达到7.7 kW和12.1 kW/kW。冷却工质流量为4 L/min时,系统节能效果较好,其两相和液冷散热系统EER分别能达到20.9 kW/kW和10.5 kW/kW。

基于LSTM-MPC的PEMFC运行状态建模与容错控制

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)具有多物理场耦合特性易产生不同故障且难以控制。为了能在故障状态下快速有效控制,提出基于模型预测控制(modelpredictivecontrol,MPC)的容错控制方案。首先,以长短时记忆神经网络(long short-term memory,LSTM)的预测误差为遗传算法的适应度函数,寻优获取LSTM的最优超参数组合,基于数据驱动构建PEMFC系统在4种不同运行状态下的LSTM预测模型作为预测模型模块。然后,建立基于神经网络的控制器作为优化控制器模块,根据上述模块制定以PEMFC系统阴阳极输入气体压强为控制量、电堆电压为输出量的容错控制方案。最后,仿真验证LSTM预测模型与容错控制方案得到,LSTM预测模型在训练集和测试集的评估指标均方根误差(root mean square error,RMSE)指标值分别为0.0489和0.0558,具有较好的拟合效果。在不同故障状态下,MPC相较于传统PID容错控制方案电压恢复时间缩短50%及以上,并在氢气泄露故障状态下,最大压降降低22.2%,证明了所提控制策略的有效性和正确性。

SOFC复合孔隙阳极材料的制备及性能研究

使用共流延工艺分别制备了以不同配比可溶性淀粉和碳纤维混合物作为造孔剂的阳极支撑型固体氧化物燃料电池(SOFC),阳极支撑层具有不规则的球型和直线型交错的复合孔隙,造孔剂总质量分数均为10%。电池以(Y_(2)O_(3))0.08(ZrO_(2))0.92(8YSZ)及Ni作为阳极材料,其中Ni与8YSZ的质量比为1∶1,以8YSZ作为电解质材料,以(La_(0.75)Sr_(0.25))0.95MnO_(3±δ)(LSM)及8YSZ作为阴极材料。使用氢气作为燃料测试了各电池在750℃下的电化学性能,结果表明,淀粉与碳纤维质量之比为1.5的复合造孔剂所制备电池的功率密度最高,可达0.199 W/cm^(2)。扫描电子显微镜法(SEM)图像显示,淀粉和碳纤维在阳极支撑层中所形成的复合孔隙相互交织,连通性较好,具有较理想的微观结构。

质子交换膜燃料电池直流道内液滴传输研究

建立质子交换膜燃料电池(PEMFC)的二维直流道模型,分析液滴在流道内的产生、破裂及传输全过程,探究进气速度、气体扩散层表面亲疏水性以及挡板结构参数等关键性因素对液滴传输特性的影响。仿真结果表明,提高进气速度有助于强化液滴的去除效果,但过高的气体流速会将液滴推向气体扩散层表面,造成液滴累积;亲水性较强的气体扩散层表面导致液滴严重坍塌形变,堵塞气体扩散层孔隙;液滴在疏水性气体扩散层表面流动速度相对较快,壁面附着力小,利于流道排水;增大挡板堵塞率可提高挡板下方及后方区域气体流速,提高液滴吹扫能力;挡板表面亲疏水性对流道内液滴去除效果影响较弱。

基于改进鲸鱼算法优化GRU的PEMFC老化预测

为提高质子交换膜燃料电池(protonexchange membranefuelcells,PEMFC)老化预测的可控性和预测精度,提出一种基于改进的鲸鱼优化算法(improvedwhale optimizationalgorithm, IWOA)优化门控循环单元(gated recurrent unit,GRU)神经网络的PEMFC电压预测方法。采用IWOA获得GRU的最优超参数组,再利用GRU准确预测PEMFC电压。采用静态、准动态和动态工况下3组老化实验数据集,将提出的方法与反向传播神经网络、极限学习机、循环神经网络、长短期记忆神经网络、GRU和鲸鱼算法优化门控循环单元这6种方法相比较,所提出方法具有最高的老化预测和剩余使用寿命(remainingusefullife,RUL)估计精度。在静态、准动态和动态工况下,训练集占比为50%时,相比于GRU,所提出方法的预测结果的均方根误差分别降低56.99%、35.12%和9.95%。因此,该方法能够实现高精度PEMFC老化趋势和RUL预测。

基于实际工况的燃料电池水气传输及相变规律研究

利用CFD软件建立二维多相质子交换膜燃料电池单电池模型,对不同工况下质子交换膜燃料电池内部水气传输及相变过程进行仿真。在试验验证及元无关性验证的基础上,分析起步工况、加速工况、急停工况下的质子交换膜燃料电池内部状态变化。研究结果表明:当电流密度为1500 mA/cm^(2)时,质子交换膜燃料电池功率密度达到最大值654.9 mW/cm^(2);起步工况下,质子交换膜燃料电池内部反应会在达到额定功率10 s后逐渐达到平衡;加速工况下,三次方加速模式的最低液态水饱和度界面、水-气相界面的持续时间最长;急停工况下,质子交换膜燃料电池的突然停机会使得其仍保持与停机前相近的状态。

兆瓦级PEMFC系统的设计和应用

质子交换膜燃料电池(PEMFC)可实现电力和热力的联合供应,是支持零碳能源战略的重要技术路径。对兆瓦级PEMFC系统进行介绍与分析,对工程化应用中的实践提供逆变器、变压器、板式换热器和能量管理系统等部件的选型依据与建议,并指出在系统运行中自耗电占比最高的部件为空压机和散热风扇,分别占自耗电总功率的82.0%和10.7%。兆瓦级PEMFC系统在氯碱工厂中的商业化应用,可将原本排空的氢气发电,提高厂区能量利用效率,创造经济效益。

TA2纯钛薄板微流道液压成形工艺研究

双极板是氢燃料电池的重要部件之一,钛作为金属双极板基材有诸多优势,但钛的成形性能差、回弹较为严重,本文以0.1 mm TA2纯钛薄板微流道液压成形为研究对象,通过试验和有限元模拟相结合的方法研究纯钛微结构变形行为,分析工艺参数对微流道成形质量的影响规律,为液压成形钛双极板提供参考。建立了TA2纯钛薄板微流道液压成形的有限元模型,通过与试验件的轮廓及厚度分布验证有限元模型的准确性;研究了液体压力、加载速率和脉动加载对微流道成形的影响。结果表明,微流道液压成形过程中材料应变路径为平面应变,且上圆角位置最容易破裂;加载速率对微流道成形影响不大,随着加载速率的提高,成形深度略有下降,但是变化不大,仅有3%;脉动加载路径能够提高材料的流动变形能力,在均为临界破裂情况下,相比较线性加载路径成形深度有较高的提高,可达232.2μm,提高幅度为23%。

加长加宽的PEMFC电堆应力分布一致性仿真与优化

质子交换膜燃料电池可以通过扩大电堆的活性区域反应面积来获得更高的功率,但电堆反应面积扩大后,容易导致膜电极应力分布的不均匀性增加,从而引起燃料电池电化学性能的下降.为此,本研究设计了4种不同结构尺寸的燃料电池电堆,结合等效刚度模型法和有限元软件,分析了扩大反应面积的电堆结构对膜电极应力分布均匀性的影响,并进一步优化电堆内钢带的安装位置,以提升电堆内部接触压力分布均匀性.研究结果表明,膜电极接触压力分布的均匀性对反应区域宽度的变化较为敏感,当活性区域尺寸加宽,电堆内部活性区域的平均应力标准差增加了23.2%.而当活性区域加长,或同时加长和加宽时,相应增加一根捆扎钢带使电堆内部活性区域的平均应力标准差分别减小了8.6%和8.7%,表明适当增加捆扎钢带的数量可以提高电堆内部接触压力分布的均匀性.此外,钢带位置优化结果显示,电堆外侧钢带越靠近端板侧面时,电堆内部活性区域的应力分布越均匀.

燃料电池系统建模与供气系统控制方法

为了研究燃料电池系统的特性以及空气系统对燃料电池特性的影响,利用Simulink仿真软件对燃料电池系统进行建模,模型包括电压模型、空压机模型、阴极模型、阳极模型.分别通过前馈比例-积分-微分(proportional-integral-differential, PID)和模糊PID对燃料电池空气系统进行控制.结果表明:在负载电流变化时,前馈PID和模糊PID都能够使过氧比达到设定的常数值2.0附近,但模糊PID比前馈PID响应更快,且模糊PID控制下的燃料电池输出功率波动较小,燃料电池系统更加稳定.

Ca_(2)Fe_(2)O_(5)催化剂对半焦基DC-SOFC性能的影响

半焦与CO_(2)的气化反应速率是影响半焦燃料基DC-SOFC电池性能的关键。为提高半焦的CO_(2)气化反应性,采用柠檬酸溶胶-凝胶法制备了具有钙钛矿结构的Ca_(2)Fe_(2)O_(5)催化剂,用SEM、XRD、XPS、低温氮气吸脱附等分析手段研究了Ca_(2)Fe_(2)O_(5)催化剂的形貌和结构,采用热重分析实验研究Ca_(2)Fe_(2)O_(5)催化剂对半焦燃料的CO_(2)气化反应催化活性;在Ag-GDC|YSZ|GDC-Ag电解质支撑电池系统上,研究了添加Ca_(2)Fe_(2)O_(5)催化剂对半焦燃料基DC-SOFC输出性能的影响。结果表明,随着催化剂焙烧温度的提高,Ca_(2)Fe_(2)O_(5)催化剂晶粒尺寸逐渐增大、比表面积降低,750℃焙烧的催化剂具有良好的分散性、颗粒尺寸约为0.1μm,在半焦的CO_(2)气化反应中催化作用最好;相较于CaO和Fe2O3,Ca_(2)Fe_(2)O_(5)催化剂结构中吸附氧浓度更高,在半焦的CO_(2)气化反应中表现出更为优异的催化活性;Ca_(2)Fe_(2)O_(5)催化剂的循环稳定性取决于催化剂结构的热稳定性,其循环使用时活性降低主要归因于半焦燃料中无机灰分的包裹。催化剂对DC-SOFC输出性能影响表明,当半焦中添加10%的Ca_(2)Fe_(2)O_(5)催化剂时,电池的峰值功率密度从15.3 mW/cm^(2)增大到23.7 mW/cm^(2);EIS分析表明阳极传质阻力是影响DC-SOFC输出性能和燃料利用率的主要因素,降低灰分、催化剂累积带来的传质阻力可有效提高电池寿命和燃料利用率。

基于模型预测框架的燃料电池汽车混合动力系统能量管理

混合动力系统作为燃料电池汽车的关键组成部分,系统的能耗与寿命优化是推动其进一步商业化发展的关键,而能量管理策略(EMS)在提高燃料电池汽车混合动力系统的效率和燃料经济性方面发挥着重要作用。为有效降低混合动力系统的内部损耗,进一步提高系统经济性,提出了一种基于模型预测框架的混合动力系统能耗优化能量管理控制方法。首先构建包含动力系统内部损耗与氢气消耗的目标函数,然后利用模型预测架构求解目标函数来控制燃料电池的输出电流,以实现合理的能量分配,最后在Matlab中进行仿真,验证所制定方法的合理性和有效性。与应用较为广泛的等效氢耗最小策略(ECMS)相比,结果表明所提方法可以显著降低动力系统的内部损耗和氢气消耗。此外,该策略还可以有效保持蓄电池的荷电状态(SOC),延长动力系统的使用寿命。

棉线基甲酸盐微流控燃料电池的性能测试

搭建了以棉线为流道材料的甲酸钠微流控燃料电池,利用电化学工作站测试了燃料的量、电解液的量及电极结构这三种因素对燃料电池性能的影响。结果显示:在电极结构相同的情况下,燃料的量与电解液的量均为1 mol/L时燃料电池性能较好;控制甲酸钠与氢氧化钠的量均为1mol/L,对比不同电极组合的燃料电池性能得到当阳极为石墨管电极,阴极为石墨棒电极时电池性能最佳,其最大功率密度可达85.66μW/cm^(2)。

基于NGO-CNN-BiLSTM神经网络的动态质子交换膜燃料电池剩余使用寿命预测

为解决质子交换膜燃料电池(PEMFC)剩余使用寿命(RUL)预测精度不高的问题,提出了一种基于北方苍鹰优化(NGO)、卷积神经网络(CNN)和双向长短时记忆(BiLSTM)神经网络的动态燃料电池RUL预测模型。首先,利用NGO对CNN-BiLSTM模型的学习率、隐藏节点及正则化系数进行寻优,然后,通过CNN-BiLSTM模型的卷积层对输入数据进行特征提取,输入到BiLSTM层进行时序建模和预测。同时,利用小波阈值去噪算法对原始数据进行平滑处理,采用皮尔逊相关系数提取模型输入变量,并搭建NGO-CNN-BiLSTM神经网络功率预测模型。仿真验证结果表明,该方法预测精度达99.49%,高于其他对比模型的预测精度。

不同偏角变径流道质子交换膜燃料电池性能仿真分析

为了研究变径区域的不同偏角下质子交换膜燃料电池(PEMFC)的性能,基于ANSYS Fluent软件对不同偏角下的电池流道中气体流速、质量分数、压强以及水含量进行了仿真模拟,分析结果表明:在不同偏角下流道流速主要在6~7 m/s之间,流速点占比相对较大对应的偏角为50°,相对较小的对应偏角为75°;相对较大流速对应的偏角为75°和60°,随着偏角的增加,阳极氢气绝对压强曲线线性增加速率相对较大的对应偏角为70°和75°,相对较小的对应的偏角为40°;阴极氧气绝对压强曲线相对较大的对应的偏角为60°,相对较小的对应的偏角为40°;在出口处流道水质量分数相对较大的对应偏角为40°、70°和75°,而相对较小的对应角度为60°。综合考虑分析可以得出,电池效率相对较好的适宜偏角为60°。

基于模糊C均值聚类和概率神经网络的PEMFC故障诊断方法研究

为解决质子交换膜燃料电池电堆的故障分类问题,提出一种基于模糊C均值聚类和概率神经网络的故障诊断新方法。首先基于修正后的燃料电池电堆Fouquet等效电路模型,并结合电堆阻抗谱实验数据,得到电堆的正常、水淹、膜干和氧饥饿4种工作状态与电路模型参数的对应关系,进而提取合适的故障特征量作为聚类算法的特征输入。然后,利用模糊C均值聚类算法对故障样本进行聚类,形成标准聚类中心,并在此基础上,采用概率神经网络算法对故障样本实现多故障分类,有效剔除奇异数据并提高模型分类的正确率。最后,对200组实验数据进行实例分析,并与支持向量机和K最邻近方法进行对比,结果表明所提方法能对4种电堆工作状态进行快速识别,分类准确率达98.33%,验证了所提算法的有效性。

基于HHO-FA的PEMFC电堆辨识建模

为解决质子交换膜燃料电池(PEMFC)模型参数难以确定的问题,该文提出一种基于哈里斯鹰算法(HHO)和萤火虫算法(FA)联合的优化算法,即HHO-FA算法,用于PEMFC模型的参数辨识。为提高PEMFC建模精确度,HHO-FA保留HHO中搜索效率和精度较高的全局搜索过程,局部寻优过程结合具有群体寻优特征的FA算法,同时优化负责全局搜索和局部搜索切换的转换因子,加入惯性权重因子,优化算法结构。该文使用燃料电池的商业仿真工具箱Thermolib获取算例数据,并通过与粒子群算法(PSO)、HHO算法、蚁群算法(ACO)和FA算法对比分析,对HHO-FA的PEMFC参数辨识性能进行研究。仿真结果表明,相较于PSO、HHO、ACO和FA,HHO-FA的辨识精确度和收敛效率均最高,证实所提出HHO-FA算法在PEMFC模型参数辨识方面的突出性能。