基于随机森林算法的大功率质子交换膜燃料电池系统故障分类方法

针对大功率质子交换膜燃料电池(protonexchange membranefuelcell,PEMFC)系统故障分类识别的问题,提出基于随机森林算法的燃料电池系统的故障分类方法。该方法基于Bootstrap法重采样,产生多个样本子集,通过决策树算法中的CART算法构造多个分类器模型,然后通过测试集对每个分类器进行测试得到分类结果,最后投票选出最优的分类结果作为预测类别。通过实例分析,对比支持向量机和K最邻近算法的分类结果,所提方法可有效识别有轨电车实际运行过程中5种故障状态,分类准确率可达94.4%,能明显提高故障分类正确率,对进一步实现大功率PEMFC系统在线故障诊断研究具有重要意义。

大功率质子交换膜燃料电池系统热管理控制策略研究

热管理是质子交换膜燃料电池汽车的关键技术之一,影响整车动力性能、经济性、安全以及寿命。针对传统热管理控制策略(开关策略)不足,提出了通过控制燃料电池节温器开度和风扇转速使燃料电池系统进出口水温维持在目标值,同时结合PID算法、过温处理策略以及多风扇转速分配策略,实现了燃料电池系统热管理系统快速响应。结果表明,相比于传统的开关策略,优化后的PID算法自适应调节策略能够快速响应燃料电池系统目标工作温度需求,并且使燃料电池能够在极端工况下以较大功率运行,对燃料电池系统以及整车性能有较大提升。

大功率质子交换膜燃料电池建模及仿真

针对70 kW大功率燃料电池系统进行建模,基于Simulink平台搭建质子交换膜燃料电池电堆系统模型。基于该模型在稳态下研究温度、膜含水量、压力对电池输出性能的影响,分析水气跨膜运输情况。仿真结果表明电流密度在0.4~1.0 A/cm范围内时,电堆输出电压保持稳定。然后在新欧洲驾驶循环(NEDC)动态工况下,分析电池系统输出性能和水气跨膜传输情况,结果表明所建模型可用于大功率车用PEMFC研究。

大功率质子交换膜燃料电池电堆膜电极一致性研究

随着燃料电池应用领域的拓宽以及应用规模的不断扩大,大功率燃料电池电堆的需求也不断上升。大功率燃料电池电堆的电压一致性是衡量或影响电堆性能的重要指标。对某公司生产的65 kW大功率电堆进行了单电池一致性的研究,考察不同运行条件对于电堆一致性的影响,并对其产生的可能原因进行了深入的研究和讨论。研究结果表明:在额定功率和给定的运行条件下,电堆表现出了较好的一致性;电堆输出功率、电堆温度和温差、反应气体计量比、气体湿度等对电堆膜电极一致性均有较大的影响。其中输出功率、空气计量比、气体湿度对于电堆一致性的影响最为强烈,输出功率增高、空气计量比和空气湿度降低均会大幅度降低电堆的一致性。在研究结果的基础上,提出了保持大功率燃料电池电堆一致性的运行条件的建议。可为改善大功率电堆的设计和优化大功率电堆的运行条件,及促进我国燃料电池技术及产业的发展提供参考。

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。

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。

质子交换膜燃料电池用氢气杂质检测技术进展

氢能作为洁净可持续发展能源已成为世界各国未来能源体系的重要组成部分,也是全球实现碳减排的重要技术途径。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是氢能利用的重要技术途径,保障PEMFC长周期安全运行对作为反应原料的氢气有特定的质量要求。概述了PEMFC对原料氢气的品质要求,介绍了国内外PEMFC用氢气检测技术及标准,综述了中石化石油化工科学研究院有限公司(简称石科院)在PEMFC用氢气杂质检测技术中的研究进展。石科院提出的预浓缩耦合气相色谱-硫化学发光检测器质谱检测器(GC-SCD MS)方案,在一次进样下可同时测定氢气中含硫化合物、甲醛和有机氯化物等组分含量,对硫化氢、甲醛和一氯甲烷的检测限分别为0.01,0.1,0.5 nmol mol;提出的气相色谱-热导检测器火焰离子化检测器(GC-TCD FID)方案可以快速测定氢气中的永久性气体以及烃类化合物含量;提出的气相色谱-脉冲氦离子化检测器(GC-PDHID)方案可以快速测定氢气中的一氧化碳和二氧化碳含量。此外,石科院设计的多阀柱系统可较好地解决背景干扰问题,检测限达50 nmol mol;采用光腔衰荡光谱(CRDS)测定氢气中的氨含量,检测限可达1.8 nmol mol。以此为基础,制定了系列氢气中杂质检测的团体标准和国家标准,建立了国家首个通过CMA和CNAS认证的氢能检测实验室,在不同产氢工艺的杂质溯源、国家氢能示范城市建设以及2022年北京冬奥会氢气质量监测中得到应用。

基于GoogLeNet与迁移学习的质子交换膜燃料电池集成系统故障诊断

为准确判别质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)系统在动态阶跃工作电流下的故障类型,该文建立了PEMFC集成系统模型,提出一种基于GoogLeNet卷积神经网络与迁移学习的PEMFC故障诊断方法。首先,根据燃料电池运行过程的电化学反应机理与经验公式建了PEMFC集成系统模型,辅机系统包括冷却系统、空气供给系统和供氢系统。然后,搭建燃料电池测试台架,利用实验数据验证搭建的PEMFC集成系统模型,并改变模型部件参数产生特征故障图像数据集。最后,采用迁移学习将预训练模型中的权重迁移到GoogLeNet模型中,以提高分类模型的收敛速度和泛化能力。2000组故障样本诊断结果表明,PEMFC集成系统在正常、冷却系统故障、氢气饥饿、空气饥饿和水淹故障共5种运行状态下的诊断精确率分别为99.30%、100%、99.10%、100%和99.10%,综合诊断准确率达99.50%,结果证明所提方法具有较高的分类精度和鲁棒性。

基于系统优化的质子交换膜燃料电池建模研究综述

为了分析燃料电池系统输出特性,结合大量参考文献对质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆层级的建模进行综述,梳理了有关质子交换膜燃料电池电堆及系统层级的建模研究现状,总结归纳建模方法和建模目的,阐述了系统建模存在的局限性及发展趋势,对优化PEMFC系统控制策略和输出性能、加快PEMFC工程化运用进程有借鉴意义。

质子交换膜燃料电池多物理场建模及模型参数敏感性分析

受限于外部运行工况及内部多物理场参数的耦合作用机制,质子交换膜燃料电池的精确机理建模成为其研发和应用的瓶颈。该文通过探究燃料电池内部“电-热-流”多场耦合关系,构建准一维电堆动态模型,并基于单参数敏感性和多参数敏感性分析,得到不同模型参数的敏感度指标,完成了建模中部分关键参数的权重分析。为验证模型精度及耦合参数变动对输出特性的影响,在搭建Ballard NEXA 1.2 kW燃料电池测试平台的基础上开展变载及参数变动实验。结果表明,所构建的模型能够较为精确的模拟电堆特性,且对称因子、活化面积和压力系数的变动对电堆输出的影响较大。结果可为燃料电池电堆的测试及改型提供理论基础,并揭示电堆故障及老化过程中主要参数的衰退变化趋势。

质子交换膜燃料电池密封系统热力耦合仿真研究

温度影响质子交换膜燃料电池(PEMFC)的密封性能和力学行为,因而影响其使用寿命和可靠性。为研究PEMFC在热力耦合下的密封性能和力学行为,建立PEMFC单电池和多电池结构的二维模型,研究密封系统在不同工作温度下的应力-应变分布,讨论橡胶密封圈压缩比、双极板错位和密封垫尺寸对PEMFC密封性能和力学性能的影响。结果表明:温度对密封圈的Mises应力和膜电极组件(MEA)框架接触压力有很大影响;在不同工作温度下单电池和多电池结构的密封性能相似,应力和接触压力分布差别也不大,因此单电池结构的研究结论可以推广到多电池结构;随着橡胶密封圈压缩比和密封圈尺寸的增加,燃料电池密封性能得到改善;而双极板错位会加剧MEA框架的变形;高应力区出现在橡胶密封圈的横截面内部,容易导致局部应力集中和密封失效。

高功率质子交换膜燃料电池两相流数值模拟

随着氢能产业的进步与发展,质子交换膜燃料电池(PEMFC)的运行压力和功率密度不断提高。基于FLUENT程序包,采用非饱和流动理论(UFT)建立了梯形流道的PEMFC三维稳态非等温两相流数值模型,针对PEMFC运行压力特别是高压高功率密度工况下的两相流行为进行了模拟分析。研究表明,高运行压力会明显提高电堆功率密度、液态水冷凝速率、液态水饱和度以及膜水含量。随着压力和电流密度的提高,水的冷凝、电拖拽和反渗透会产生强烈的非线性变化,导致液态水的积聚位置向入口侧偏移。

大功率燃料电池堆氢气膜增湿系统实验研究

对70kW常压质子交换膜燃料电池堆氢气膜增湿系统的传热传质特性进行了实验研究。管壳式膜增湿器应用于大功率燃料电池堆氢气增湿系统具有增湿速率快、被增湿氢气润湿程度好的优点。利用液态水对氢气进气进行增湿,实验中被增湿后氢气总能够达到过饱和状态,氢气流量一定时,膜增湿器增湿水进出口温差随水流量增大而降低,氢气出口温度随着液态水流量升高而接近增湿水进口温度;增大增湿水流量能够降低增湿水通过膜增湿器前后温差。增湿水温度和流量一定时,燃料电池堆负荷增大,被增湿氢气出口相对湿度变化不明显。

质子交换膜燃料电池系统阳极排放技术研究

针对燃料电池系统气-水分离器自身结构特点以及目前常用的电流积分排水策略存在不能准确判断分离器的水位及系统排水策略控制精度低、可靠性差等问题,在气-水分离器上集成液位传感器,将燃料电池系统排水阀复杂的算法控制转换为简单的开关控制。经试验验证,系统在排水过程中阳极压力波动范围较小、电堆输出性能稳定、氢气损耗低,该燃料电池系统气-水分离器及其排水阀间歇性排放策略优化方法是有效的,有助于燃料电池汽车的进一步推广使用。

基于蜂窝仿生流场的质子交换膜燃料电池的性能研究及优化

为了增强质子交换膜燃料电池(PEMFCs)内部燃料分布的均匀性与水管理能力,本文研究了一种新型的基于仿生结构的蜂窝仿生流场。首先,根据蜂窝结构特征,搭建出三维多相流非等温几何模型并确立PEMFC的数学模型;其次,采用计算流体动力学Fluent软件对模型进行无关性与有效性验证,并对蜂窝仿生流场和常规平行流场的电池性能和燃料分布进行了模拟分析;最后,对比极化性能、气体流速分布、燃料与液态水组分浓度和电流密度分布,验证了蜂窝仿生流场设计的有效性。研究结果表明:采用蜂窝仿生流场的电池峰值功率密度比常规平行流场高15.6%,其内部水管理能力和燃料分布均匀性均强于平行流场;左端进气的蜂窝仿生流场比采用上端进气的蜂窝仿生流场在气体通路内具有更均匀的气体压力,可有效避免流道内产生局部涡流,其峰值功率密度可以达到0.3933 W/cm2。

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。

不同参数对大功率质子交换膜燃料电池性能的影响

为探明大功率质子交换膜燃料电池(PEMFC)的运行参数及结构参数对其输出性能的影响规律,基于gfuelcell平台,建立120 kW质子交换膜燃料电池电堆分析模型,探究质子交换膜厚度、空气湿度、电堆温度、冷却水流量对大功率电堆极化曲线的影响,结果表明:降低质子交换膜厚度、增加空气湿度、增加冷却水流量以及提高空气过量系数均有助于提高燃料电池输出电压,改善电堆性能,电堆温度、空气湿度以及空气过量系数对燃料电池性能影响是有一定限度的,达到最优状态后,提高参数不会改善电池的性能。

汽车质子交换膜燃料电池系统的安全性与可靠性研究

汽车质子交换膜燃料电池系统作为新能源汽车的重要动力源,安全性与可靠性是影响其广泛应用的关键因素。本文系统地探讨了汽车质子交换膜燃料电池系统的特性及其在实际应用中的挑战,深入剖析了燃料电池系统的构成与工作原理,为后续分析提供了基础。此外,针对现有系统存在的问题,提出了改进与优化策略,如优化系统设计、提高材料耐久性以及开发智能监控与故障诊断系统,旨在提升燃料电池系统的综合性能与使用寿命。通过对汽车质子交换膜燃料电池系统安全性与可靠性的深入研究,为其实现商业化应用提供了理论支持和技术参考,同时也为未来燃料电池技术的持续发展指明了方向。

基于金字塔池化网络的质子交换膜燃料电池气体扩散层组分推理方法

针对质子交换膜燃料电池气体扩散层(gas diffusion layer composition,GDL)形貌划分与制备工艺改进问题,提出了一种基于金字塔池化网络(pyramid scene parsing network,PSPNet)与多层感知器(multi-layer perception,MLP)的气体扩散层组分识别与比例推理方法:首先将带标签的气体扩散层扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)图片输入神经网络,得到特征图;得到的图像特征层进入金字塔池化模块后,获取SEM图像的深层和浅层特征;随后将深层和浅层特征图层融合输入全卷积网络(fully convolutional network,FCN)模块,得到预测图像;最后统计各个组分上的像素点比例,通过MLP完成组分比例推理。结果表明:所提方法组分识别像素准确率达81.24%;在5%偏差范围内,比例推理准确率为88.89%。该方法解决了气体扩散层多组分无法区分、比例无法获知的问题,可有效应用于气体扩散层的质检、数值重构以及制备工艺改进。

基于质子交换膜燃料电池的汽车混合动力系统能量管理优化策略

随着人们对能源与环境问题的日益重视,质子交换膜燃料电池混合动力汽车因具有清洁、高效的特点而被视为未来汽车的发展方向。该文阐述质子交换膜燃料电池工作原理,分析汽车混合动力系统能量管理存在的问题,提出基于质子交换膜燃料电池的汽车混合动力系统能量管理的优化策略,以合理分配不同能源子系统的功率输出,显著提高整车的燃料经济性,使其动力性能满足要求,具有良好的工程应用前景。