CN111199122A - 基于多物理场的质子交换膜燃料电池水淹故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于多物理场的质子交换膜燃料电池水淹故障诊断方法，包括步骤：建立质子交换膜燃料电池的三维几何模型；建立控制方程，对所述几何模型不同区域设置物理场，获得故障诊断模型；基于有限元分析方法对所述故障诊断模型进行网格剖分；根据网格剖分后的故障诊断模型，获取阴极压力降曲线和电池极化曲线，根据电池极化曲线确定故障状态，根据阴极压力降变化率增加，确定发生水淹故障。本发明通过多物理场仿真PEMFC观察内部组分分布，根据电池性能下降与内部传质的联系和入出口压力降与电池电流密度的关系，提出了压力降判断水淹故障的方法，能够提高水淹故障诊断的准确度和可靠性。

Description

基于多物理场的质子交换膜燃料电池水淹故障诊断方法

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池技术领域，特别是涉及基于多物理场的质子交换膜燃料电池水淹故障诊断方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种新型的燃料电池，将电池中的化学能转化为电能。其工作温度低，可在高电流密度、低重量下连续工作，产量大，潜力低，成本低，堆寿命长，速度快，启动和适合不连续操作，并且产物只有水，对环境的污染小。虽然PEMFC有很多优点，但其故障诊断一直是研究的热点和亟待解决的问题，因为质子交换膜燃料电池运行过程中，会在其阴极催化层生成水，无论是气态还是液态的水都会对本身气体传输形成阻碍，进而影响电池输出性能，这种故障通常叫做“水淹”。

目前研究PEMFC水淹现象的方法主要可以分为实验研究和仿真模型研究两种。实验研究中，光学可视化是一种非常有效的技术，具有良好的时空分辨率。实验者主要通过中子成像仪、X射线仪、在线扫描电镜、核磁共振等技术去观测PEMFC内部水的形态和位置，识别PEMFC内部的两相流模式——水的气态液态转换，进而分析PEMFC的水淹故障状态。然而，可视化技术要求有配合研究的特殊电池构造，允许其被观察，比如透明电池的设计。在具有光学可达窗口的定制电池中使用的材料具有不同于实际燃料电池的体积(热和电)和表面(粗糙度和润湿性)特性。尽管核磁共振、中子成像和X射线技术绕过了对透明材料的需要，但也需要所使用的电池与典型的PEM燃料电池有显著不同的材料和电池设计。因此，这样的实验要求很大地提升成本投入。同时，除了在再现PEMFC的实际行为方面存在限制外，目前的可视化实验很难获得定量的信息，例如液态水体积分数和气体扩散层(GDL)水覆盖率，这些都是强烈影响电池性能的关键参数。

现在PEMFC的仿真模型方法主要是通过计算流体动力学CFD的方法去实现。燃料电池内部过程的计算流体动力学(CFD)建模，可以帮助研究者更好地理解这些过程及其相互作用，并且可以用来评估不同的设计选项，而不需要构建新的硬件并对其进行测试。但是，现诸多PEMFC水淹仿真研究主要通过直接观察仿真出水分布结果去直接判定水淹程度，缺乏与现实实验应用的结合。因为仿真出的PEMFC内部水分布结果，通常在实验中不能直接观察到，两者存在脱节。而实际应用中，对水淹故障的判定通常是通过与水淹相关联的指标去间接判定，比如电池电压、交流阻抗谱、入口出口气体压力降等，现有的方法并无法考虑到这些指标的影响，大大降低了故障判断结果的准确度和可靠性。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了基于多物理场的质子交换膜燃料电池水淹故障诊断方法，通过多物理场仿真PEMFC观察内部组分分布，根据电池性能下降与内部传质的联系和入出口压力降与电池电流密度的关系，提出了压力降判断水淹故障的方法，能够提高水淹故障诊断的准确度和可靠性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：基于多物理场的质子交换膜燃料电池水淹故障诊断方法，包括步骤：

建立质子交换膜燃料电池的三维几何模型；

建立控制方程，对所述几何模型不同区域设置物理场，获得故障诊断模型；

基于有限元分析方法对所述故障诊断模型进行网格剖分；

根据网格剖分后的故障诊断模型，获取阴极压力降曲线和电池极化曲线，根据电池极化曲线确定故障状态，根据阴极压力降变化率增加，确定发生水淹故障。

进一步的是，根据实际典型质子交换膜燃料电池的结构，绘制表征质子交换膜燃料电池实体的三维几何模型，所述三维几何模型包括：阴极流道、阴极气体扩散层、阴极催化层、质子交换膜、阳极流道、阳极气体扩散层和阳极催化层。

进一步的是，所述三维几何模型采用蛇形构造的质子交换膜燃料电池三维几何模型，从上至下分别为阴极流道、阴极气体扩散层、阴极催化层、质子交换膜、阳极气体扩散层、阳极催化层和阳极流道。

进一步的是，所述控制方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和电化学方程之间的耦合，各方程中使用的变量由另一方程求解得到，进而实现方程的耦合；利用质量守恒、动量守恒和电化学方程描述质子交换膜燃料电池内部的物理现象，根据描述质子交换膜燃料电池物理现象的控制方程，在对所述几何模型不同区域设置物理场，获得故障诊断模型。

进一步的是，根据控制方程开始求解需要设置边界条件，从而开始迭代计算；对于电化学守恒方程，边界条件为阴极电位等于电池开路电压和阳极零电位；对于质量守恒方程，边界条件为阳极入口气体质量分数和阴极入口气体质量分数；动量守恒方程边界条件为阳极入口气体流速和阴极入口气体流速；

最终通过以上描述质子交换膜燃料电池内部物理现象的数学守恒方程计算得到关键观测变量，包括气体摩尔浓度、电池输出电流密度、电压、气体压力；用以分析质子交换膜燃料电池故障状态，获得故障诊断模型。

进一步的是，质子交换膜燃料电池内部气体传输过程中，应当满足流入一个封闭面的气体通量和流出的气体通量相等，对于质子交换膜燃料电池内部多组分扩散传输，使用质量守恒方程方程求解各组分质量分数：

其中，ω_i为组分i的质量分数，ω_j为组分j的质量分数，i、j分别表示不同组分包括氢气、氧气、水蒸气或氮气；D_ij表示二元扩散系数；x_j为组分i的摩尔分数，ρ表示气体密度，u表示气体流速，p表示气体压力；

基于以上原理，使用浓物质传递物理场：描述质子交换膜燃料电池阴极阳极的质量和组分守恒，以求解电池内部各组分的浓度、质量分数分布；

其中，气体压力变量通过动量守恒方程求解得到，进而实现动量守恒方程和质量守恒方程的耦合；物理场耦合区域包括阴极流道、阴极气体扩散层、阴极催化层、阳极气体扩散层、阳极催化层和阳极流道。

进一步的是，质子交换膜燃料电池中气体的流速和压力为描述其运动变化的关键变量，满足动量守恒，使用基于达西定律用于对气体扩散层和催化层多孔介质区域进行求解的动量守恒方程：

其中，k_p为渗透率，u为流速，η为气体粘度，p表示气体压力，ρ表示气体密度，T表示温度；

基于以上原理，使用布林克曼方程物理场：描述质子交换膜燃料电池内部的动量守恒，以求解电池内部动量参数包括气体的压力和速度矢量；物理场耦合区域包括阴极流道、阴极气体扩散层、阴极催化层、阳极气体扩散层、阳极催化层和阳极流道。

进一步的是，所述电化学方程：质子交换膜燃料电池输出的电流密度大小，和输出的工作电压满足一定的数学关系；根据经验公式用求解质子交换膜燃料电池阴阳极电流密度方程和求解电位的电荷守恒方程表示：

阳极电流密度：

其中，ia为阳极交换电流密度，i0a为阳极初始电流密度；

为局部氢气浓度，

为氢气参考浓度；α_a为阳极传递系数；α_c为阴极传递系数；η_act为活化过电势，F为法拉第常数，T为温度，R为理想气体常数；

阴极电流密度：

其中，ic为阴极交换电流密度，i0为阴极初始电流密度，

为局部氧气浓度，

为氧气参考浓度；

电位的电荷守恒方程为：

其中，σ_s、σ_m分别表示固相和膜相的电导率；

分别表示固相和膜相的电势；S_s、S_m为电子、质子电流源项；

阳极催化层中：S_s＝-i_a；S_m＝i_a；

阴极催化层中：S_s＝i_c；S_m＝-i_c；

电池工作电压下降通常经过活化损耗、欧姆损耗、浓差损耗三个过程，表达式为：

V＝E_oc-η_act-η_ohmic-η_conc；

其中，E_oc为开路电压，η_ohmic为由电子和离子电阻引起的欧姆损失，η_conc为传质引起的质量损失、活化损失是由反应本身引起的，表现为燃料电池极化曲线的指数下降；这一公式表征了质子交换膜燃料电池极化曲线变化规律；

基于以上理论，使用二次电流分布物理场：描述质子交换膜燃料电池内部电化学反应产生的电流和电势分布；物理场耦合区域质子交换膜、阴极催化层和阳极催化层。

其中，阴阳极电流密度方程中的氧气、氢气浓度变量需要通过质量守恒方程求解得到的组分质量分数换算获得；从而实现电化学方程和质量守恒方程间的耦合。

进一步的是，基于有限元分析方法对所述故障诊断模型进行网格剖分，包括步骤：

对模型进行网格划分，绘制求解区域：对控制方程进行积分运算，针对不同求解区域的求解量多少，进行网格大小和形状设置，完成对故障诊断模型进行网格剖分；网格尺寸越小，计算结果越精确，同时计算量也更大，耗时更长，对模型进行网格划分时，应当综合考虑计算需求以及硬件配置等方面，选择最合适的剖分精度。

进一步的是，根据网格剖分后的故障诊断模型，获取阴极压力降曲线、电池极化曲线，分析其故障状态；

根据质子交换膜燃料电池不同工作电压下，输出的电流密度大小数据关系，绘制电池极化曲线；根据对应电流密度下质子交换膜燃料电池阴极流道入口、出口的压力值，得到阴极压力降数据，绘制阴极压力降曲线；

从电池极化曲线上分析，在电池工作电压较高时，没有进入浓差极化工作区域，此时阴极压力降随电流密度增加线性增加，当进入浓差极化区域，电池下降严重，判定电池已经发生故障，阴极压力降随着电流密度指数性上升时，判断电池故障；根据阴极压力降曲线，在阴极压力降变化率增加，确定发生水淹故障。

采用本技术方案的有益效果：

本发明通过多物理场仿真PEMFC观察内部组分分布，根据电池性能下降与内部传质的联系和入出口压力降与电池电流密度的关系，提出了压力降判断水淹故障的方法，能够提高水淹故障诊断的准确度和可靠性。

本发明通过所述控制方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和电化学方程之间的耦合，能够将PEMFC内部不同物理规律之间的影响考虑在内，相比于通过单纯的理论数学建模方法，能更为准确地模拟和描述实际PEMFC的工作状态。相比于在PEMFC测试台上对PEMFC进行故障诊断，本发明无需复杂的诊断设备和其它硬件投入，主要依靠实际PEMFC的结构参数和软件进行工作，所耗成本大大降低，不会有使用环境条件的限制，具有良好的经济性和实用性。

本发明过搭建PEMFC多物理场模型，计算得到阴极压力降曲线和电池极化曲线，根据电池极化曲线确定故障状态，根据阴极压力降变化率增加，确定发生水淹故障。能够实时地根据阴极压力降变化的敏感性，及时判定水淹故障发生，相比于利用阳极压力降超过理论值判定水淹故障，其需要对不同结构PEMFC进行计算其理论值阀值，本发明提出的水淹故障判定方法只需要比较故障发生前后阴极压力降的变化率就可判定故障，适用于不同尺寸结构的PEMFC，更具有通用性。利用阴极压力降变化率的增加判定水淹故障，结合了PEMFC故障状态发生的动态过程性，提高故障诊断的时效性和可靠性。

相对于传统阳极压力降检测方式，本发明提出的阴极压力降检测方式随着电池内部反应进行更大，主要原因是阴极气体流速更大；阴极催化层是生成水的区域，因此阴极水含量比阳极更多；阴极通入气体为空气，其气体粘度比阳极氢气更大。同时，基于燃料电池内部的水传递机理来看，与反扩散机制使阳极水含量增大相比，电拖拽和生成水两种方式在阴极积累水量更多，阴极比阳极更容易发生水淹。因此，阴极压力降比对于阳极压力降，能够直接电池内部的水淹过程相联系。而在高温质子交换膜燃料电池中，由于温度较高，电池内部的组分可视为气体，可以忽略气液转换的影响，视其为单相流，这种情况下阴极压力降与电池内部水含量的联系比阳极压力降更为紧密。在此基础上，通过对电池内部表征电池性能的极化曲线和阴极压力降用于判断电池水淹状况。

附图说明

图1为本发明的基于多物理场的质子交换膜燃料电池水淹故障诊断方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中质子交换膜燃料电池的三维几何模型的结构示意图；

图3为本发明验证实施例中PEMFC极化曲线和阴极压力降曲线示意图；

图4为本发明验证实施例中0.9V电压下阴极流道水摩尔浓度分布示意图；

图5为本发明验证实施例中0.5V电压下阴极流道水摩尔浓度分布示意图；

图6为本发明验证实施例中0.3V电压下阴极流道水摩尔浓度分布示意图；

图7为本发明验证实施例中0.9V电压下阴极扩散层水摩尔浓度分布示意图；

图8为本发明验证实施例中0.5V电压下阴极扩散层水摩尔浓度分布示意图；

图9为本发明验证实施例中0.3V电压下阴极扩散层水摩尔浓度分布示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。

在本实施例中，参见图1所示，本发明提出了基于多物理场的质子交换膜燃料电池水淹故障诊断方法，

基于多物理场的质子交换膜燃料电池水淹故障诊断方法，包括步骤：

建立质子交换膜燃料电池的三维几何模型；

建立控制方程，对所述几何模型不同区域设置物理场，获得故障诊断模型；

基于有限元分析方法对所述故障诊断模型进行网格剖分；

根据网格剖分后的故障诊断模型，获取阴极压力降曲线和电池极化曲线，根据电池极化曲线确定故障状态，根据阴极压力降变化率增加，确定发生水淹故障。

作为上述实施例的优化方案，如图2所示，根据实际典型质子交换膜燃料电池的结构，绘制表征质子交换膜燃料电池实体的三维几何模型，所述三维几何模型包括：阴极流道、阴极气体扩散层、阴极催化层、质子交换膜、阳极流道、阳极气体扩散层和阳极催化层。

三维几何模型可采用多种类型结构构造的质子交换膜燃料电池三维几何模型。其中优选的，三维几何模型采用蛇形构造的质子交换膜燃料电池三维几何模型，从上至下分别为阴极流道、阴极气体扩散层、阴极催化层、质子交换膜、阳极气体扩散层、阳极催化层和阳极流道。

作为上述实施例的优化方案，所述控制方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和电化学方程之间的耦合，但不仅限于上述几种方程的组合。各方程中使用的变量由另一方程求解得到，进而实现方程的耦合；利用质量守恒、动量守恒和电化学方程描述质子交换膜燃料电池内部的物理现象，根据描述质子交换膜燃料电池物理现象的控制方程，在对所述几何模型不同区域设置物理场，获得故障诊断模型。

根据控制方程开始求解需要设置边界条件，从而开始迭代计算；对于电化学守恒方程，边界条件为阴极电位等于电池开路电压和阳极零电位；对于质量守恒方程，边界条件为阳极入口气体质量分数和阴极入口气体质量分数；动量守恒方程边界条件为阳极入口气体流速和阴极入口气体流速；

最终通过以上描述质子交换膜燃料电池内部物理现象的数学守恒方程计算得到关键观测变量，包括气体摩尔浓度、电池输出电流密度、电压、气体压力；用以分析质子交换膜燃料电池故障状态，获得故障诊断模型。

具体的，质子交换膜燃料电池内部气体传输过程中，应当满足流入一个封闭面的气体通量和流出的气体通量相等，对于质子交换膜燃料电池内部多组分扩散传输，可以使用但不仅限于这一种质量守恒方程方程求解各组分质量分数：

其中，ω_i为组分i的质量分数，ω_j为组分j的质量分数，i、j分别表示不同组分包括氢气、氧气、水蒸气或氮气；D_ij表示二元扩散系数；x_j为组分i的摩尔分数，ρ表示气体密度，u表示气体流速，p表示气体压力；

基于以上原理，使用浓物质传递物理场：描述质子交换膜燃料电池阴极阳极的质量和组分守恒，以求解电池内部各组分的浓度、质量分数分布；

其中，气体压力变量通过动量守恒方程求解得到，进而实现动量守恒方程和质量守恒方程的耦合；物理场耦合区域包括阴极流道、阴极气体扩散层、阴极催化层、阳极气体扩散层、阳极催化层和阳极流道。

具体的，质子交换膜燃料电池中气体的流速和压力为描述其运动变化的关键变量，满足动量守恒，可以使用但不仅限于这一种基于达西定律用于对气体扩散层和催化层多孔介质区域进行求解的动量守恒方程：

其中，k_p为渗透率，u为流速，η为气体粘度，p表示气体压力，ρ表示气体密度，T表示温度；

基于以上原理，使用布林克曼方程物理场：描述质子交换膜燃料电池内部的动量守恒，以求解电池内部动量参数包括气体的压力和速度矢量；物理场耦合区域包括阴极流道、阴极气体扩散层、阴极催化层、阳极气体扩散层、阳极催化层和阳极流道。

具体的，所述电化学方程：质子交换膜燃料电池输出的电流密度大小，和输出的工作电压满足一定的数学关系；根据经验公式用求解质子交换膜燃料电池阴阳极电流密度方程和求解电位的电荷守恒方程，可以使用但不仅限于这一种，具体表示为：

阳极电流密度：

其中，ia为阳极交换电流密度，i0a为阳极初始电流密度；

为局部氢气浓度，

为氢气参考浓度；α_a为阳极传递系数；α_c为阴极传递系数；η_act为活化过电势，F为法拉第常数，T为温度，R为理想气体常数；

阴极电流密度：

其中，ic为阴极交换电流密度，i0为阴极初始电流密度，

为局部氧气浓度，

为氧气参考浓度；

电位的电荷守恒方程为：

其中，σ_s、σ_m分别表示固相和膜相的电导率；

分别表示固相和膜相的电势；S_s、S_m为电子、质子电流源项；

阳极催化层中：S_s＝-i_a；S_m＝i_a；

阴极催化层中：S_s＝i_c；S_m＝-i_c；

电池工作电压下降通常经过活化损耗、欧姆损耗、浓差损耗三个过程，表达式为：

V＝E_oc-η_act-η_ohmic-η_conc；

其中，E_oc为开路电压，η_ohmic为由电子和离子电阻引起的欧姆损失，η_conc为传质引起的质量损失、活化损失是由反应本身引起的，表现为燃料电池极化曲线的指数下降；这一公式表征了质子交换膜燃料电池极化曲线变化规律；

基于以上理论，使用二次电流分布物理场：描述质子交换膜燃料电池内部电化学反应产生的电流和电势分布；物理场耦合区域质子交换膜、阴极催化层和阳极催化层。

其中，阴阳极电流密度方程中的氧气、氢气浓度变量需要通过质量守恒方程求解得到的组分质量分数换算获得；从而实现电化学方程和质量守恒方程间的耦合。

作为上述实施例的优化方案，基于有限元分析方法对所述故障诊断模型进行网格剖分，包括步骤：

对模型进行网格划分，绘制求解区域：对控制方程进行积分运算，针对不同求解区域的求解量多少，进行网格大小和形状设置，完成对故障诊断模型进行网格剖分；网格尺寸越小，计算结果越精确，同时计算量也更大，耗时更长，对模型进行网格划分时，应当综合考虑计算需求以及硬件配置等方面，选择最合适的剖分精度。

作为上述实施例的优化方案，根据网格剖分后的故障诊断模型，获取阴极压力降曲线、电池极化曲线，分析其故障状态；

根据质子交换膜燃料电池不同工作电压下，输出的电流密度大小数据关系，绘制电池极化曲线；根据对应电流密度下质子交换膜燃料电池阴极流道入口、出口的压力值，得到阴极压力降数据，绘制阴极压力降曲线；

从电池极化曲线上分析，在电池工作电压较高时，没有进入浓差极化工作区域，此时阴极压力降随电流密度增加线性增加，当进入浓差极化区域，电池下降严重，判定电池已经发生故障，阴极压力降随着电流密度指数性上升时，判断电池故障；根据阴极压力降曲线，在阴极压力降变化率增加，确定发生水淹故障。

为了验证本发明的效果，举例进行具体实施过程：如图2所示为蛇形构造的PEMFC几何模型，从上至下分别为阴极流道、阴极GDL、阴极CL、膜、阳极CL、阳极GDL、阳极流道。本发明应用多物理场仿真的方法计算了该四通道蛇形流道PEMFC的输出的极化曲线和压力降与电流密度的关系曲线。如图3所述电池电压下降包含了活化损耗、欧姆损耗、浓差损耗三个部分。依据仿真模型中嵌入的物理场计算机算得阴极入口出口的压力降与电流密度的关系，比较两条曲线可以发现在电池工作与欧姆损耗的区域时，电压和阴极压力降随电流密度下降趋势呈线性。当电池工作于大电流密度下，进入浓差损耗区域，此时电压和阴极压力降随着电流密度变化趋势更为陡峭，因此，阴极压力降对于大电流密度下电池工作性能的衰减反应是同步敏感的。

仿真模型计算得到不同工作电压下流道部分和扩散层部分水的摩尔浓度分布情况，图4-图9结果结合可以得知，随着电流密度的增加，电池工作电压下降，电池内部流道和扩散层的生成水逐渐积聚，当电压值降到0.3V时，电池已经进入大电流密度工作状态，此时的水淹已经十分严重。对应于极化曲线图和压力降曲线图，可以得知，此时水淹导致电池的浓差极化加剧，阴极压力降能够较好的用于诊断电池内部的水淹情况。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.基于多物理场的质子交换膜燃料电池水淹故障诊断方法，其特征在于，包括步骤：

建立质子交换膜燃料电池的三维几何模型；

建立控制方程，对所述几何模型不同区域设置物理场，获得故障诊断模型；

基于有限元分析方法对所述故障诊断模型进行网格剖分；

根据网格剖分后的故障诊断模型，获取阴极压力降曲线和电池极化曲线，根据电池极化曲线确定故障状态，根据阴极压力降变化率增加，确定发生水淹故障。

2.根据权利要求1所述的基于多物理场的质子交换膜燃料电池水淹故障诊断方法，其特征在于，根据实际典型质子交换膜燃料电池的结构，绘制表征质子交换膜燃料电池实体的三维几何模型，所述三维几何模型包括：阴极流道、阴极气体扩散层、阴极催化层、质子交换膜、阳极流道、阳极气体扩散层和阳极催化层。

3.根据权利要求2所述的基于多物理场的质子交换膜燃料电池水淹故障诊断方法，其特征在于，所述三维几何模型采用蛇形构造的质子交换膜燃料电池三维几何模型，从上至下分别为阴极流道、阴极气体扩散层、阴极催化层、质子交换膜、阳极气体扩散层、阳极催化层和阳极流道。

4.根据权利要求3所述的基于多物理场的质子交换膜燃料电池水淹故障诊断方法，其特征在于，所述控制方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和电化学方程之间的耦合，各方程中使用的变量由另一方程求解得到，进而实现方程的耦合；利用质量守恒、动量守恒和电化学方程描述质子交换膜燃料电池内部的物理现象，根据描述质子交换膜燃料电池物理现象的控制方程，在对所述几何模型不同区域设置物理场，获得故障诊断模型。

5.根据权利要求4所述的基于多物理场的质子交换膜燃料电池水淹故障诊断方法，其特征在于，根据控制方程开始求解需要设置边界条件，从而开始迭代计算；对于电化学守恒方程，边界条件为阴极电位等于电池开路电压和阳极零电位；对于质量守恒方程，边界条件为阳极入口气体质量分数和阴极入口气体质量分数；动量守恒方程边界条件为阳极入口气体流速和阴极入口气体流速；

最终通过以上描述质子交换膜燃料电池内部物理现象的数学守恒方程计算得到关键观测变量，包括气体摩尔浓度、电池输出电流密度、电压、气体压力；用以分析质子交换膜燃料电池故障状态，获得故障诊断模型。

6.根据权利要求4所述的基于多物理场的质子交换膜燃料电池水淹故障诊断方法，其特征在于，质子交换膜燃料电池内部气体传输过程中，应当满足流入一个封闭面的气体通量和流出的气体通量相等，对于质子交换膜燃料电池内部多组分扩散传输，使用质量守恒方程方程求解各组分质量分数：

其中，ω_i为组分i的质量分数，ω_j为组分j的质量分数，i、j分别表示不同组分包括氢气、氧气、水蒸气或氮气；D_ij表示二元扩散系数；x_j为组分i的摩尔分数，ρ表示气体密度，u表示气体流速，p表示气体压力；

基于以上原理，使用浓物质传递物理场：描述质子交换膜燃料电池阴极阳极的质量和组分守恒，以求解电池内部各组分的浓度、质量分数分布；

其中，气体压力变量通过动量守恒方程求解得到，进而实现动量守恒方程和质量守恒方程的耦合；物理场耦合区域包括阴极流道、阴极气体扩散层、阴极催化层、阳极气体扩散层、阳极催化层和阳极流道。

7.根据权利要求4所述的基于多物理场的质子交换膜燃料电池水淹故障诊断方法，其特征在于，质子交换膜燃料电池中气体的流速和压力为描述其运动变化的关键变量，满足动量守恒，使用基于达西定律用于对气体扩散层和催化层多孔介质区域进行求解的动量守恒方程：

其中，k_p为渗透率，u为流速，η为气体粘度，p表示气体压力，ρ表示气体密度，T表示温度；

基于以上原理，使用布林克曼方程物理场：描述质子交换膜燃料电池内部的动量守恒，以求解电池内部动量参数包括气体的压力和速度矢量；物理场耦合区域包括阴极流道、阴极气体扩散层、阴极催化层、阳极气体扩散层、阳极催化层和阳极流道。

8.根据权利要求4所述的基于多物理场的质子交换膜燃料电池水淹故障诊断方法，其特征在于，所述电化学方程：质子交换膜燃料电池输出的电流密度大小，和输出的工作电压满足一定的数学关系；根据经验公式用求解质子交换膜燃料电池阴阳极电流密度方程和求解电位的电荷守恒方程表示：

阳极电流密度：

其中，ia为阳极交换电流密度，i0a为阳极初始电流密度；

为局部氢气浓度，

为氢气参考浓度；α_a为阳极传递系数；α_c为阴极传递系数；η_act为活化过电势，F为法拉第常数，T为温度，R为理想气体常数；

阴极电流密度：

其中，ic为阴极交换电流密度，i0为阴极初始电流密度，

为局部氧气浓度，

为氧气参考浓度；

电位的电荷守恒方程为：

其中，σ_s、σ_m分别表示固相和膜相的电导率；

分别表示固相和膜相的电势；S_s、S_m为电子、质子电流源项；

阳极催化层中：S_s＝-i_a；S_m＝i_a；

阴极催化层中：S_s＝i_c；S_m＝-i_c；

电池工作电压下降通常经过活化损耗、欧姆损耗、浓差损耗三个过程，表达式为：

V＝E_oc-η_act-η_ohmic-η_conc；

其中，E_oc为开路电压，η_ohmic为由电子和离子电阻引起的欧姆损失，η_conc为传质引起的质量损失、活化损失是由反应本身引起的，表现为燃料电池极化曲线的指数下降；这一公式表征了质子交换膜燃料电池极化曲线变化规律；

基于以上理论，使用二次电流分布物理场：描述质子交换膜燃料电池内部电化学反应产生的电流和电势分布；物理场耦合区域质子交换膜、阴极催化层和阳极催化层。

其中，阴阳极电流密度方程中的氧气、氢气浓度变量需要通过质量守恒方程求解得到的组分质量分数换算获得；从而实现电化学方程和质量守恒方程间的耦合。

9.根据权利要求1所述的基于多物理场的质子交换膜燃料电池水淹故障诊断方法，其特征在于，基于有限元分析方法对所述故障诊断模型进行网格剖分，包括步骤：

对模型进行网格划分，绘制求解区域：对控制方程进行积分运算，针对不同求解区域的求解量多少，进行网格大小和形状设置，完成对故障诊断模型进行网格剖分。

10.根据权利要求1所述的基于多物理场的质子交换膜燃料电池水淹故障诊断方法，其特征在于，根据网格剖分后的故障诊断模型，获取阴极压力降曲线、电池极化曲线，分析其故障状态；

根据质子交换膜燃料电池不同工作电压下，输出的电流密度大小数据关系，绘制电池极化曲线；根据对应电流密度下质子交换膜燃料电池阴极流道入口、出口的压力值，得到阴极压力降数据，绘制阴极压力降曲线；

从电池极化曲线上分析，在电池工作电压较高时，没有进入浓差极化工作区域，此时阴极压力降随电流密度增加线性增加，当进入浓差极化区域，电池下降严重，判定电池已经发生故障，阴极压力降随着电流密度指数性上升时，判断电池故障；根据阴极压力降曲线，在阴极压力降变化率增加，确定发生水淹故障。

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