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    【干貨】質子交換膜燃料電池水淹和膜干故障診斷研究綜述

    發布日期: 2021-12-29
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    來源| 西安交通大學電氣工程學院  
    作者|  張雪霞 

    整理|  氫能之家團隊


    質子交換膜燃料電池以其高能量轉換率、無污染、啟動速度快、運行溫度低等優勢,在新能源機車、有軌電車、汽車、便攜式電源及分布式發電等領域受到廣泛的青睞。西南交通大學研發的首輛PEMFC機車“藍天號"及聯合中車唐山機車車輛有限公司研制的世界首列燃料電池/超級電容混合動力100%低地板有軌電車展示了PEMFC在機車領域的發展趨勢。然而,目前PEMFC制造成本高、壽命較短、穩定性較差等不足,阻礙了PEMFC大規模的商業推廣與應用。
    PEMFC是一種多物理場耦合的非線性復雜系統,許多因素影響著其水管理故障,尤其隨PEMFC功率增大,水淹和膜干故障更易發生,導致系統的耐久性降低,工作性能受影響,甚至剩余壽命縮短。
    準確揭示PEMFC水淹和膜干故障產生機理、有效診斷水淹和膜干故障狀態以及探尋水淹和膜干故障發生后的解決措施,已逐漸成為研究焦點。
    1 PEMFC水淹和膜干故障
    1.1 PEMFC內部水傳遞機理

    PEMFC電堆在運行過程中,電堆內部的水主要源于陰/陽極氣體增濕水及陰極側電化學反應生成的水。電堆內部水的排出方式主要是陰極側反應剩余氣體排氣、陰極側脈沖排氣和陽極側脈沖排氣三種方式。水在電堆內部的傳輸包括“電拖曳作用"和“反滲作用"等。在反應過程中,質子交換膜需充分濕潤,這是因為在陽極催化劑層產生的質子是以水合質子(H3O+)的形式進行傳輸,因此,質子會將部分陽極側的水帶到陰極側,該過程稱為“電拖曳作用"。由于氫質子和電子到達陰極側催化劑層與氧氣發生反應生成水,而陽極側沒有水的產生,故膜兩側的水存在濃度差,陰極側的水會通過膜擴散到陽極側,該過程稱為“反滲作用"。PEMFC電堆內部水遷移如圖1所示。

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    1.2 水淹和膜干故障的產生機理
    在PEMFC的運行過程中,質子傳導率與膜水含量密切相關,因此,良好的輸出性能對應充分濕潤的質子交換膜。然而電池內部水含量過高會產生水淹故障,而水含量不足則會導致膜干故障。氣體擴散層和流道的水淹使得氣體反應物到達反應位點的傳輸受阻,催化劑的活性面積因水的覆蓋而降低,PEMFC的活化損耗和濃差損耗顯著增加。膜干故障會引起電阻率上升,使得PEMFC在運行過程中產熱增加,進一步導致能量轉化效率降低及更為嚴重的膜干故障,甚至膜撕裂,嚴重影響輸出性能和剩余壽命。
    在水淹和膜干故障的眾多機理研究中,ZHAN等對PEMFC的水傳遞機理進行了數值模擬研究,發現大孔隙率的氣體擴散層、氣體擴散層和催化劑層間微孔層的存在能通過直徑更大的水滴,防止水滴堵塞孔隙,能夠更加有效的避免水淹故障的產生。CAI等對PEMFC的流道接觸角和流道材料通過數值模擬進行了分析,發現流道接觸角為90°時,流道壁會形成一層水膜,水膜進一步分裂后形成的大水滴會阻礙流道的水傳遞,引起水淹故障的發生。JING和ZHANG等的實驗研究中,大電流密度時,電拖曳作用過強導致陽極側出現缺水或膜干故障、歐姆阻抗增加;大電流密度和高相對濕度條件下,電池中過量的水因堵塞流道和擴散層孔隙而無法及時排出,導致電池出現水淹故障。ZHAO利用水入侵-蒸發實驗模擬干濕循環對PEMFC內部結構的影響,研究結果表明,水淹-膜干循環會造成催化劑凝聚顆粒急劇增大,并伴隨著針孔和催化劑撕裂等不可逆的損傷,導致PEMFC長期的性能衰退。
    上述的機理研究表明,水淹和膜干故障對電池性能和內部結構具有嚴重的不可逆損害,但可從材料、內部結構以及操作條件避免或緩解PEMFC的水淹和膜干故障。
    1.3 水淹和膜干故障的影響因素
    在PEMFC運行時,外部條件會影響內部水含量和水的傳輸方向,進而影響電堆性能。常見的影響因素包括電堆電流、電堆溫度、電堆陰陽極進氣壓力、流量、濕度等。
    當PEMFC需要大功率出力時,電流會隨之增大,此時電堆內部電遷移增加,陰極側水量積聚。張金輝提出在大電流密度下反應生成的水更多,陰極側的水為電拖曳作用攜帶的水與陰極生成的水之和,故大量的水積聚在陰極。此時,如不能及時將水排出,就可能導致水淹故障的發生。
    PEMFC電堆溫度會影響水蒸氣析出的液態水量。當電堆電流較小而電堆溫度較高時,會出現膜脫水,甚至膜干現象。BrèqueF等提出燃料電池操作條件不當會打破電堆水平衡,從而導致水淹和膜干故障的發生,并通過實驗測試得到不同操作條件對電池內部濕度影響的占比,實驗結果表明,在濕度的影響因子中,電堆溫度相較陰極氣體化學計量比更為顯著。
    氫氣和氧氣進入電堆需要一定的壓力以保持氣體的流動,膜兩側的壓力差對水具有壓力遷移作用,推動水在膜中的傳遞。戴朝華等人提出濕度過高、氣體流速過低以及電堆內部壓力過大都可能引起反應物分布不均,導致流道內阻力變化,造成氣體擴散電極的腐蝕以及流道阻塞,最終引發水淹故障。
    上述研究分析表明,電堆中的水含量和水遷移主要受電流、溫度、氣體壓力及壓力差等因素影響。在運行時因參數設置不當導致熱管理和水管理出現失衡時,電堆內部會出現液態水堆積無法排出或者質子交換膜含水過少而影響質子的傳導,由此PEMFC進入水淹和膜干的不健康運行狀態。
    1.4 水淹和膜干故障的診斷指標
    現有的PEMFC故障診斷中,水淹和膜干的定義和診斷指標尚未擁有統一的標準。常見的診斷指標有電壓、壓力降、電化學阻抗譜等。
    1.4.1 電壓指標
    在PEMFC運行過程中,當發生水淹時,輸出電壓出現大幅下降并伴隨著劇烈波動。然而,電壓指標很難準確診斷膜干,這是由于膜干發生時,輸出電壓僅出現因膜電阻增大而引起的下降,未伴隨劇烈波動,與操作條件不當導致的電壓下降難以區分。
    1.4.2 壓力降指標
    針對壓力降指標,主要分為基于直接壓力降、壓力降偏差、壓力降頻率和兩相流乘數等指標。
    (1) 直接壓降:直接壓降指氣體進口處與出口處的壓力差,主要用于PEMFC水淹的趨勢分析,可分為陽極壓力降和陰極壓力降。當發生水淹時,陰極壓力降逐漸增加直到平衡,此時由于濃度梯度的影響,陰極側的水反滲到陽極使陽極側水含量增加,進一步導致陽極壓力降增加。當發生膜干時,此時膜內水含量極低,壓力降幾乎不變,故膜干不能由直接壓力降單一表征。但膜干時電池的輸出電壓因膜電阻的增加而減小,故可結合直接壓力降和電壓這兩個指標診斷膜干故障。
    (2) 壓力降偏差:壓力降偏差指PEMFC實際運行過程中的壓力降與理論計算的壓力降之間的差值,可用于表征PEMFC的水淹、正常和膜干狀態。文獻利用陽極壓力降偏差驗證了水淹形成過程中水在流道和氣體擴散層的四種存在形式。文獻將3-sigma原理應用于該指標,準確區分了PEMFC的工作狀態。此外,研究人員結合壓力降偏差與人工神經網絡(ANN)算法,對水淹和膜干進行了診斷。
    (3) 壓力降頻率壓力降頻率指有源PEMFC的數據采集系統以不同頻率運行,進而獲取不同頻率下的壓力降?;趬毫殿l率,可通過Fourier變換、小波變換等方法提取特征頻率獲取PEMFC內部水含量的動態變化。
    (4) 兩相流乘數兩相流乘數指液態水在兩相流中的影響,可由單相流壓力降和兩相流壓力降推導得出?;趦上嗔鞒藬档闹笜?,低溫時的高乘數可用于表征水淹,高溫時的低乘數則可反映膜干。在上述壓力降指標中,直接壓力降一般用于單相流診斷應用,而壓力降偏差廣泛地應用于單相流、兩相流的故障診斷。
    1.4.3 阻抗譜
    PEMFC的阻抗譜一般可由EIS測量儀器獲得,其中高頻電阻和低頻阻抗可分別作為膜干和水淹故障的診斷指標。這是由于膜電阻可近似由阻抗譜的高頻電阻進行描述,高頻電阻越大,表明膜的質子傳導率越低,膜水含量越低。在阻抗譜中,低頻阻抗可描述電池的質量傳輸電阻,根據PEMFC水傳輸機理可知,水淹會堵塞氣體擴散層和流道,導致氣體的質量傳輸電阻增大。
    1.4.4 診斷指標小結
    除上述常見的指標外,全睿將膜的相對濕度80%作為水淹的診斷指標,相對濕度40%作為膜干的診斷指標。B.M.Boshkoska等通過數據采集、信號處理、統計分析和信息聚集等手段獲取了一個能夠良好地表征水淹、膜干以及其故障嚴重性的判斷指標,該指標能適用于水淹和膜干的在線診斷。
    上述電壓、壓力降和阻抗譜三個指標中,電壓和壓力降可用于在線診斷與故障預測。壓力降能夠準確的判斷水淹和膜干,但對電堆中的故障片難以有效診斷。此時可通過電化學阻抗譜或電壓監測法進行故障電池的準確定位。電化學阻抗譜中阻抗指標能精準描述水管理故障的特征及定位故障單片,但需要大量時間獲取阻抗信息,在商業應用和實時控制領域,基于電化學阻抗譜的在線診斷需要進一步研究。
    1.5 水淹和膜干故障的危害
    隨著液態水的不斷堆積,最終覆蓋氣體擴散層和催化劑層表面,降低催化層活性、加快材料的腐蝕和催化劑的流失、減少活性面積,甚至出現液態水在氣體流道內集聚,導致氣體流通不暢,嚴重影響PEMFC的運行、性能和剩余壽命。YANG等觀察到電堆經常會出現陽極水淹,阻礙氫氣的流動和擴散,引起局部氫饑餓,從而導致催化層的碳腐蝕。OwejanJP等發現水淹還會導致輸出電壓不穩定。華周發的研究得出,水淹會增大反應物通過擴散層到達催化層的傳質阻力,降低電池輸出功率,甚至使膜的局部發生溶漲,對膜造成損傷,嚴重時導致反極現象。St-PierreJ等發現水淹不僅會瞬間降低電堆性能,還會減少電堆的剩余壽命。

    膜干是水管理和熱管理不當引起的水分蒸發或流失太快而導致的質子交換膜含水量過低。在PEMFC中質子交換膜用于傳導質子,而質子的傳導過程需要水分子作為載體,故膜干發生時質子傳導率會大幅下降,影響電池正常運行;同時,膜電阻增大,電流通過膜時的產熱增加,嚴重時會導致局部過熱而灼燒質子交換膜。若長期處于膜干狀態,干燥區域不斷擴大,最終導致整個膜干化破裂,造成不可逆的損害。張洪霞等將電堆在膜干狀態下長期運行,發現電堆性能變差,利用光學顯微鏡觀察膜的內部構造,如圖2所示,觀察到膜的物理降解速度加快,進而發生膜穿孔,甚至裂紋。

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    2 水淹和膜干故障的診斷方法
    目前對PEMFC水淹和膜干故障的診斷方法,主要是基于模型、實驗和數據驅動這三種診斷方法。
    2.1基于模型方法的水淹和膜干故障診斷
    基于模型的診斷方法主要是通過數學模型來模擬電池運行狀態。郭家興等采用工業常用的故障診斷方法,即首先建立對象模型,然后根據模型輸出,對PEMFC發電系統進行故障診斷。并提出了一種適用于在線診斷的雙輸入單輸出的一維T-S模糊模型,通過輸入電壓、電流值,基于模糊邏輯對PEMFC進行建模,最終以設定模型輸出的閾值和模型輸出變化率的閾值診斷水淹和膜干故障。該論文僅對單電池進行實驗,而電堆中各單片電池間具有強耦合性、差異性和相關性,且單片電壓巡檢系統還增加了系統復雜程度和系統故障率。
    周蘇等在基于COMSOL+Multiphysics3.5平臺建立PEMFC二維分布參數模型研究水淹和膜干故障。通過對比故障前后PEMFC內部相應物理量的變化,對故障嵌入可行性進行了驗證。該模型驗證了不同典型故障下,電壓降的程度和類型。間接表明可通過檢測單片電池電壓變化來判斷故障類型。
    魏雨辰等通過建立PEMFC半機理半經驗的動態模型,對燃料電池水淹和膜干故障進行仿真,對比由該模型的快速EIS方法和實驗方法獲得的Nyquist圖和Bode圖,驗證了基于模型仿真和快速EIS方法的結果的正確性,初步實現了故障識別和分類,為基于模型的診斷方法提供了借鑒。Gebregergis等通過PEMFC單片電池電壓和阻抗響應來識別水淹和膜干,并采用低頻阻抗響應用來辨明故障原因,同時對C模型(resistivecapacitive,Cmodel)和CPE模型(resistiveconstant-phase-element,CPEmodel)進行了比較,結果表明CPE模型更符合實際情況,但對模型的精確度有很高的要求。
    Giurgea等結合基于模型診斷和基于信號診斷方法的優點,提出一種新的故障檢測方法:基于單電池電壓和電堆的逆向射流模型統計分析單片電壓的方差和相關電壓的下降評估水淹的概率,并通過一500W電堆的實驗結果驗證了該方法的有效性。
    上述研究中,T-S模糊模型將PEMFC內部作為黑箱模型,以輸入輸出的關系來表征水淹和膜干故障,該方法無需精準的PEMFC模型,但存在參數的辨識問題?;谀P偷腅IS方法具有準確區分故障類別的優點,是水淹和膜干故障研究中常用的工具,但以頻率掃描的方式測量阻抗耗時長,針對大功率PEMFC電堆的在線故障診斷需進一步研究?;谌S建模軟件對PEMFC的模型研究,其能直觀地表征故障和正常時水含量在電池內部的分布,但僅針對單片電池進行了研究。PEMFC大功率電堆及多堆運行系統存在著強耦合性、滯后性、約束性、不確定性和隨機干擾等特點,上述方法在實際中的應用及推廣,亟待進一步深入研究。
    2.2基于實驗方法的水淹和膜干故障診斷
    基于實驗方法對PEMFC的水淹和膜干故障的診斷,主要測量的參數有電壓、膜內阻、氣體進出口壓力降等。
    2.2.1基于陽極氣體壓力降診斷
    水淹和膜干故障文獻和發現陽極氣體壓力降可視為水淹的可靠指標,阻抗可作膜干指標,進而可通過監測陽極壓力降和阻抗來判斷水淹和膜干。通過測量電池的陽極進出口壓力差估算氣體擴散層中的水飽和度來判斷電池內部水的狀態。研究發現單片電壓巡檢系統會增加系統故障,不宜用于故障診斷,故通過陽極壓力降進行水淹判斷,利用在線測量歐姆阻抗診斷膜干。通過測量電堆正常運行時的陽極氣體壓力降和水淹狀態下的壓力降進行對比發現:正常運行時的陽極壓力降與電流密度成正比;而水淹時的輸出電壓下降,陽極壓力降明顯升高。
    宋滿存通過實驗驗證了采用陽極壓力降進行水淹診斷的可行性。通過測量實際陽極氣體壓力降和理論比較,發現二者的差值隨著電堆水淹程度的加深而增大。該方法可用于判斷發生水淹的趨勢及程度,但對水淹故障的界限難以有效判斷。針對這一問題,通過實驗分析了陽極氣壓力降在電池水淹過程中的“階躍平臺"的變化特征,結合電壓及陽極流道內水的形態,將水淹過程劃分為無水期、濕潤期、過渡期和水淹期四個階段,并進行了驗證。在后續的研究中,基于“3-sigma法"的陽極壓力降偏差將PEMFC的運行狀態分為膜干、正常和水淹態,在水淹故障發生時,通過提升運行溫度和加快排氣頻率將PEMFC恢復到正常工作區域。
    2.2.2基于交流阻抗譜和膜內阻診斷水淹和膜干故障
    PEMFC中的水含量會影響膜阻抗的大小和交流阻抗譜形狀,但交流阻抗譜和膜內阻不易直接測量。羅良慶討論了常見的測量質子交換膜內阻或交流阻抗譜的方法:中斷電流法簡單常用,但不適于在線測量;交流阻抗法的測量精度取決于測試條件下負載的精確幅/相特征,然而大多負載的精確特征難以獲取,故限制了該方法的推廣應用;高頻阻抗法總體較為復雜;EIS測量得到的數據可對PEMFC模型進行曲線擬合和參數估算,進一步獲取如歐姆阻抗、極化阻抗、雙層電容效應以及擴散阻抗等重要參數,利用上述數據可全面準確地分析電池的運行性能以實現電池的健康狀態監測和水管理診斷。
    LeCanut等研究發現,在恒電流工況下實驗,水淹和膜干均會使得輸出電壓和膜阻抗隨時間變化,當僅依據輸出電壓變化難以分辨故障類型時,阻抗變化便可作為輔助的診斷依據。該論文認為膜干會導致所有頻率下的阻抗幅值和相位角增大;而在低頻(<10Hz)時水淹會引起阻抗幅值增大,同時在100Hz以下時相位角減??;因此可通過阻抗譜的變化來判斷電堆的水淹或膜干狀態。譚保華和舒芝鋒根據膜內阻和膜濕度的高度相關性,基于內阻和濕度的經驗公式建立膜濕度的軟測量方法,進而通過膜濕度來預測燃料電池內部水的狀態。Legros等通過EIS和聲發射技術檢測(Acoustic-Emission,EA)建立電堆阻抗模型,并通過實驗發現水淹主要影響傳遞阻抗和陰極Warburg阻抗。鮮亮等人基于交流阻抗譜法驗證R(RQ)(RQ)(RQ)結構的等效電路模型(equivalentcircuitmodel,ECM)參數,由實驗結果觀察到低頻半圓弧可用于描述陰極水淹程度。Fouquet等利用常相位元件代替電雙層電容改進傳統的Randles等效電路模型,基于該模型,通過測量膜極化電阻和擴散電阻定義了與正常、水淹和膜干條件相關的三個子空間。Kurz等使用EIS方法來診斷水淹和膜干現象。實驗結果顯示0.5Hz處阻抗虛部的測量值和1kHz處阻抗實部的測量值可用于區分水淹和膜干。Roy等的研究表明水淹可通過測量阻抗的標準差進行預測,發生水淹時的電池阻抗和阻抗的標準差具有顯著的增加。
    LEE等設計了一種新型內嵌的特殊微型傳感器,可沿氣體流道和橫穿氣體流道來檢測膜電阻的局部變化,隨后以電阻數據來判斷電堆所處的工作狀態。但該傳感器設計難度大、造價高,很難推廣到實際應用。Debenjak等對一個含80片電池的電堆,基于EIS測量頻率范圍從30Hz到300Hz組成的電堆阻抗譜,并結合電堆輸出電壓判斷水淹和膜干狀態。Roy等測量單電池阻抗來研究水淹過程,發現水淹是一個漸進的過程,流道和氣體擴散層的幾何設計對水淹故障的緩解有較大的影響。Yousfi-Steiner等指出EIS常用于檢測燃料電池水淹和膜干,但檢測過程耗時長、設備成本高等缺點使其很難應用于在線診斷。
    2.2.3基于可視化技術研究水淹和膜干故障的動態過程
    可視化和圖形成像技術用于監測PEMFC內部水分布和水的動態變化,其主要包括:中子成像,直接成像,核磁共振成像和X射線掃描成像四種技術方法。
    Bellows等,于1999年將中子成像法應用于PEMFC來觀察水的分布,隨后其他機構將該技術作為對PEMFC進行無損分析的工具。Gebel等通過小角度中子散射實驗觀察了透明燃料電池中的水的動態變化情況。Bazylak等通過熒光顯微鏡和壓力傳感器研究了水淹中液態水的生成過程及水在氣體擴散層和流道的動態過程。Afra等采用透明的氣體擴散層對水傳輸過程進行了可視化研究。利用實驗研究了無MPL的GDL,帶1cmMPL的GDL和帶2cmMPL的GDL,結果表明,微孔層能夠明顯改善電池的水淹故障,提升電池的性能。Garcia-Salaberri等采用了中子成像的液態水分布研究了膜水合和脫水過程,結果表明,水合脫水循環是陽極進水室中水的周期性冷凝及水滴流入陽極流場引起的。Akitomo等利用X射線成像和極化電壓分析了高溫高壓對PEMFC的影響,結果表明,高溫時的水蒸氣分壓過高導致氧分壓下降,且易造成膜干的發生,從而影響電池性能。張新豐等對核磁共振法、中子成像法、X射線掃描成像、電子掃描成像、光學成像法、共焦顯微成像和熒光顯微成像法等可視化技術用于研究電堆內水含量及其分布的特征進行了概述。
    可視化技術能直觀地觀察電堆內部水的狀態,該技術可用于優化電堆內的流道等參數以提高電堆性能。但受限于昂貴的設備、技術要求高等,不適于在線水淹和膜干故障診斷,且多數可視化技術僅提供定性分析而非定量分析。
    2.2.4小結
    上述3種主要方法中,基于陽極壓力降能夠實時在線地反映PEMFC的水淹和膜干故障,并能指導操作條件使PEMFC恢復到正常態,但該方法對電堆中故障片的準確定位較難。針對故障定位問題,基于交流阻抗譜和膜阻抗的方法可依據單片電池的阻抗特征進行準確的故障定位,且能描述整個電堆的阻抗特征。但是,通過頻率掃描測試阻抗譜,多次測量取平均值獲取單個頻率點的阻抗,這些過程具有耗時長的缺點,阻礙了其在線診斷應用。當掃描單個頻率點來表征阻抗時,用于反映水淹和膜干的阻抗指標,其對應頻率點的選取較難,尤其是表征水淹故障的低頻阻抗點??梢暬夹g能直接觀察水在電池內部的分布及氣液兩相的動態變化,有助于PEMFC內部水的機理研究,但成像設備昂貴、需要透明電池、僅適用于實驗室研究等不足限制了商業化應用及在線應用。
    2.3基于數據驅動方法的水淹和膜干故障診斷
    基于數據驅動方法的診斷技術主要基于大量的歷史數據分析,且不依賴診斷對象的具體模型。
    在文獻的研究過程中,首先對PEMFC施加偽隨機二進制序列信號(PRBS)激勵信號獲取大量阻抗數據信息,并將其視為獨立的復雜隨機變量,隨后進行連續小波變換(CWT)、連接函數進行數據融合,再將處理后的數據信息進行統計分析,以連接函數的輸出對PEMFC的水淹和膜干及其故障嚴重性進行診斷,并通過實驗數據驗證了該診斷方法的有效性。
    周蘇等基于小波分析方法對電堆電壓信號進行處理,根據得到的小波分析圖譜的差異來識別故障類型,從而初步實現診斷目的。全睿針對故障的復雜性和識別的不確定性問題,提出了基于信息融合技術的支持向量機(supportvectormachine,SVM)和D-S證據理論(dempster-shafertheory,DST)的信息融合技術的PEMFC故障診斷方法。
    有研究提出不應將電堆作為一個整體進行水淹實驗而應考慮單電池間的差異性,并對一個20片電池組成的電堆進行水淹實驗,以每片電池的電壓作為輸入數據,采用Fisher線性判別(Fisherlineardiscrimination,FDA)提取特征,利用高斯混合模型(Gaussianmixturemodel,GMM)進行故障檢測并分類,將數據分成不同的健康等級,進而診斷電堆所處狀態。對離線的歷史數據進行訓練,又提出將Fisher線性判別(Fisherlineardiscrimination,FDA)和有向非循環圖支持向量機(directedacyclicgraphsupportvectormachine,DAGSVM)相結合,得到用于特征提取的FDA模型和故障分類的DAGSVM模型,基于上述模型進行在線處理實時數據,實現在線診斷。有研究提出使用非模型診斷的方法,將RC(reservoircomputing)方法應用于PEMFC故障診斷,將診斷結果和現有方法進行對比發現RC方法在診斷時長和準確度上均有很大進步。使用LDA-PNN方法對PEMFC的17806組水管理故障樣本進行診斷,發現此方法在診斷精度和診斷時間方面均有很大提升,并認為該方法適用于水淹和膜干故障診斷。有研究應用ANN估計了PEMFC的理論壓力降來研究基于壓力降指標的水淹和膜干故障診斷。
    目前,基于數據驅動方法對PEMFC水淹和膜干進行診斷受到廣泛關注。該方法能直接利用PEMFC運行時的數據作為訓練數據進行測試,通過不同數學算法對數據進行處理來獲取水淹、膜干和正常態的特征,再根據特征來判斷其余數據下電池的工作狀態?;跀祿寗拥墓收显\斷方法可應用于在線診斷、大功率PEMFC電堆及多堆的水淹和膜干故障診斷,針對電堆中故障單片的定位具有較大優勢。但算法所需時間、特征分類及故障識別準確率等需進一步改進提升。
    3 水淹和膜干故障的緩解方法
    水熱管理不當可能會導致電堆出現水淹、膜干等故障現象,常見的緩解措施有改變脈沖排氣,改變運行溫度、加濕方式和流道設計結構等。
    為改善水傳遞,CAI等人發現流道采用疏水性的底壁有助于形成脈沖效應,使水更快速的排出,避免流道內水堆積而產生水淹故障。
    HAO等對脈沖排氣進行了研究,提出在水淹狀態下,一段短時間的脈沖排氣可讓電堆在相對長的時間內保持干燥。張金輝等對陽極壓力降設置閾值,達到閾值時通過脈沖排氣的手段來緩解水淹;同時對膜阻抗也設置一個閾值,當膜阻抗超過閾值時,增加空氣進氣濕度來緩解膜干。宋滿存等人指出常見的脈沖排氣法從實驗結果表明僅能緩和一段時間的水淹而未從根本上解決故障;故脈沖排氣只能作為嚴重水淹時的輔助策略。良好地控制水、熱管理才能從源頭解決水淹和膜干故障。
    李樺等提出了一種主副流道分流式的陰極進氣加濕方式,并應用基于不同水傳輸機理的數學模型研究了該新型進氣方式的加濕效果,并用于同時解決膜干和水淹兩種故障。仿真結果表明:該陰極進氣方式可在節約50%進氣加濕用水的同時保證電池性能。遺憾的是該文僅為數值模擬研究,實際應用中的效果有待解決。
    Bunmark等提出修改流道的幾何設計,如圖3所示,并基于實驗對比分析了陰、陽極流道向上或向下傾斜20度及方形流道設計時電堆內部的濕度,結果表明:在陰極向下傾斜20度可使電堆性能最佳,并在高濕度時也有較好性能。這是由于該設計可以加強水從陰極到陽極的反滲作用,有助于膜水合作用來提高電導率。
    YAN等設計了兩種3維流場通道幾何結構,并通過實驗對數值模型的分析進行驗證。其中一種結構為促進氧氣對流的波浪形通道,該設計可增強氧氣的供應并產生渦流,隨后渦流通過慣性將積聚在GDL的水排出;另一種結構為具有梯度深度的波浪形通道,該流道設計能讓流體沿流道提升流速,克服了下流區域嚴重的氧饑餓和水淹情況,使電流分布更加均勻。實驗結果表明,這兩種流道均能提升電池性能,尤其在大電流密度下。

    Afra等通過添加微孔層來減少氣體回流、層與層之間的水飽和度等級,以及減小GDL內部非濕潤液體的膨脹面積,進而改善電池性能。Akitomo等提到,高溫時可通過氣體進氣壓力改善輸出性能,該論文還提到在未來的高溫高壓大功率的發展中,微孔層的孔隙結構和濕潤情況的研究及其重要。


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    4 結論
    4.1總結
    PEMFC已有許多成功的商業應用,但易發生水淹和膜干故障引起材料脫落、活化面積減少、膜損壞等不可逆損失,進而導致PEMFC性能、穩定性與耐久性下降甚至壽命衰減,此類問題仍限制著PEMFC的發展。水淹和膜干故障能夠發生在PEMFC的不同位置,故完全避免故障的發生十分困難。但歷經數十年研究,PEMFC水淹和膜干故障發生的機理逐漸清晰,故障診斷的方法日益豐富,可視化技術的日趨成熟,為改善水管理故障、提高電池性能提供了充分的條件??梢暬夹g在PEMFC中的應用為研究水傳輸機理提供了準確有效的途徑,為水管理提供相應的改善方法,可惜的是該技術不適用于在線故障診斷?;跀祿寗宇愋偷墓收显\斷方法,隨著算法的改進和分類準確性的提升能準確快速地診斷故障類型,并可用于軌道交通機車等大功率PEMFC應用的在線診斷。因此,以數據驅動為主的水淹和膜干故障診斷方法以其快速、準確、有效的優點,逐漸成為主要的在線診斷方法。然而,故障發生后的緩解措施與實時控制仍需進一步研究,以確保PEMFC能以較高輸出性能長期穩定的運行。
    4.2展望
    PEMFC水淹和膜干是常見的運行狀態,嚴重時會影響電堆性能和壽命。因此對PEMFC進行水淹和膜干故障診斷尤為重要,本文對該領域的進一步研究有如下展望:
    1)PEMFC水淹和膜干故障在線診斷方法研究
    隨著PEMFC的商業化進程,基于數據驅動的在線診斷方法有助于工程應用的實時控制使PEMFC高效穩定運行,尤其是大功率和多堆系統的應用。
    2) PEMFC水淹和膜干故障建模
    目前的PEMFC模型大多為單片電池正常態或故障態的模型,不能很好地擬合電堆實際運行的狀態和參數變化,尤其是正常向故障轉換的動態過程。因此,建立適用于故障診斷的PEMFC模型對水淹和膜干故障診斷至關重要。
    3) 大功率PEMFC水淹和膜干故障診斷研究
    目前針對PEMFC水淹和膜干的診斷主要集中在小功率及單片PEMFC。而作為軌道交通領域的新興動力源,PEMFC在大功率下的水淹和膜干故障診斷技術尚不成熟,且大電流、高溫等復雜環境、更易導致水淹或膜干等狀態。為確保軌道交通列車的安全可靠持久運行,關于大規模PEMFC的水淹和膜干故障診斷亟待研究解決。
    4) 多堆PEMFC水淹和膜干膜干影響規律研究
    目前PEMFC水淹和膜干的研究主要為對單堆或單片電池進行故障診斷,但工程應用通常為多堆組成的系統,當單個電堆發生水淹或膜干故障時,多堆間的耦合性會使得其他電堆所承受的負荷波動,進而導致多個電堆間性能惡化。探究多堆間PEMFC水淹和膜干故障影響規律研究以及定位故障電堆,提出相應的緩解措施以提高多電堆系統的整體壽命,有待深入研究。
    5) 水淹和膜干故障評價指標的探討
    在現有研究中,PEMFC水淹和膜干的診斷指標多樣,無統一標準,且大部分指標僅適用于單片電池。因此,基于PEMFC的結構參數,以電壓和壓力降作為主要指標建立較完善、能精確診斷電堆內部故障單片和多堆系統中故障電堆的診斷指標,對大功率PEMFC的商業化應用具有重要的研究價值。



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