CN112684345A - 基于主动容错控制的质子交换膜燃料电池健康控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于主动容错控制的质子交换膜燃料电池健康控制方法。建立质子交换膜燃料电池电压模型，基于质子交换膜燃料电池电压模型对质子交换膜燃料电池的状态进行监测：若质子交换膜燃料电池的状态异常，则采用快速电化学阻抗测试法对质子交换膜燃料电池进行测量，并通过弛豫时间分布方法分析所得的电化学阻抗谱，对质子交换膜燃料电池进行故障诊断；然后实施故障恢复，实现对质子交换膜燃料电池的性能恢复。本发明解决了质子交换膜燃料电池系统的故障诊断与恢复问题，将主动容错控制运用到质子交换膜燃料电池中，可以有效提高质子交换膜燃料电池系统的可靠性与耐久性。

Description

基于主动容错控制的质子交换膜燃料电池健康控制方法

技术领域

本发明属于燃料电池应用领域的一种质子交换膜燃料电池的控制优化方法，具体是涉及了一种基于主动容错控制的质子交换膜燃料电池健康控制方法。

背景技术

由于环境污染、资源短缺不断严重，质子交换膜燃料电池凭借其具有较高的能量密度、较高的能量转化效率以及对环境无污染等优点，得到了越来越多国家以及企业的重视。质子交换膜燃料电池在新能源汽车以及分布式发电等领域正在得到越来越广泛的运用。然而，造成质子交换膜燃料电池迈向商业化应用缓慢的原因很大程度上在于质子交换膜燃料电池控制的寿命与健康问题。由于外界条件以及运行工况的变化，质子交换膜燃料电池容易出现水淹、膜干、空气饥饿等故障，由此导致电堆性能与寿命的严重衰减。解决该问题的有效方法是实时监测质子交换膜燃料电池内部状态，并根据检测结果调节控制手段，即健康控制。

目前，电化学阻抗谱是一种可以有效诊断质子交换膜燃料电池内部真实状态的手段。但传统电化学阻抗谱测量时间较长，很难运用于在线工况，具有很大的局限性，因此有必要采取相关措施将电化学阻抗谱运用于实时动态工况下，这对提升质子交换膜燃料电池的耐久性与可靠性具有重大意义。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种基于主动容错控制的质子交换膜燃料电池健康控制方法。

本发明采用的技术方案是：

本发明建立质子交换膜燃料电池电压模型，基于质子交换膜燃料电池电压模型对质子交换膜燃料电池的状态进行监测：若质子交换膜燃料电池的状态异常，则采用快速电化学阻抗测试法对质子交换膜燃料电池进行测量，并通过弛豫时间分布方法(Distribution of Relaxation Times，DRT)分析所得的电化学阻抗谱，对质子交换膜燃料电池进行故障诊断；然后实施故障恢复，实现对质子交换膜燃料电池的性能恢复。

若质子交换膜燃料电池的状态不异常，则不进行任何处理。

所述的质子交换膜燃料电池电压模型为质子交换膜燃料电池在健康状态下的电压模型，利用该电压模型获得质子交换膜燃料电池的电压，将质子交换膜燃料电池的电压与质子交换膜燃料电池的电压实际测量值进行比较获得差值，若差值大于预设的故障电压阈值，则质子交换膜燃料电池发生故障。

在本发明中，质子交换膜燃料电池的故障分为水淹、膜干与空气饥饿。

通过对质子交换膜燃料电池进行快速电化学阻抗测试，获得电化学阻抗谱，对电化学阻抗谱利用弛豫时间分布方法DRT分析提取特征波峰，三个特征波峰从频率上分别分为低频、中频与高频的三种特征波峰，结合不同频率的波峰特征共同来进行质子交换膜燃料电池的故障判断。

方法具体为：

1)建立基于电压的质子交换膜燃料电池状态监测方法。

1.1)建立质子交换膜燃料电池电压模型，如下所示：

V_st＝N·(E_nernst-V_act-V_ohm-V_conc)

其中，V_st为质子交换膜燃料电池电压，N为质子交换膜燃料电池电压中单体电池个数，E_nernst为能斯特电压，V_act为活化损耗，V_ohm为欧姆损耗，V_conc为浓差损耗；

1.2)将通过质子交换膜燃料电池电压模型获得的质子交换膜燃料电池电压V_st与质子交换膜燃料电池电压实际测量值进行相减获得差值，若差值大于预设的故障电压阈值，则质子交换膜燃料电池发生故障；

2)

2.1)在质子交换膜燃料电池状态异常时，

在质子交换膜燃料电池施加负载进行电化学阻抗测试，若负载的电流未在电化学阻抗测试的标准电流范围内时，则将负载进行调整使得负载的电流达到电化学阻抗测试的标准电流范围内；

2.2)进行快速电化学阻抗测试，由200Hz与1500Hz的M序列注入质子交换膜燃料电池中，再通过阻抗计算得到质子交换膜燃料电池在不同频率的电流下的阻抗值，形成阻抗谱；

2.3)对得到的阻抗谱进行分析：通过弛豫时间分布方法在频谱对所述阻抗谱(0.5Hz-1K Hz)分析后，形成获得三个特征波峰，特征波峰从频率的高低划分为低频波峰、中频波峰与高频波峰的三种特征波峰；设置三种特征波峰的各自特征阈值，利用各自的特征阈值对每种特征波峰判断其幅值的高低：若特征波峰的幅值大于特征阈值，则特征波峰为高幅值，否则为低幅值；

然后按照以下表格进行判断：

3)针对不同的故障采用不同的故障恢复措施处理，从而实现对质子交换膜燃料电池的健康控制。

所述的3)具体为：

若为空气饥饿故障，则增加空压机进气流量；

若为水淹故障，则提高质子交换膜燃料电池的运行温度，同时加大吹灌氢气的频率；

若为膜干故障，则降低质子交换膜燃料电池的运行温度，同时降低吹灌氢气的频率。

所述的能斯特电压E_nernst的计算如下：

其中，T_st为质子交换膜燃料电池的实际温度，p_H2与p_O2为质子交换膜燃料电池实际测量的氢气与氧气分压。

所述的活化损耗V_act计算如下：

V_act＝V₀+V_a(1-e^-10J)

其中，V₀与V_a为第一、第二经验参数，J为实际测量的电流密度。

所述的欧姆损耗V_ohm计算如下：

其中，λ_m为膜含水量常量。

所述的浓差损耗V_conc计算如下：

其中，a为经验参数，J_max为最大电流密度。

本发明的有益效果是：

本发明实现对质子交换膜燃料电池的健康控制，创新性地将快速电化学阻抗测试与弛豫时间分布方法结合，极大地缩短了传统电化学阻抗测试的时间，为电化学阻抗测试运用于质子交换膜燃料电池动态工况提供了新思路。此外，本发明还将主动容错控制运用到质子交换膜燃料电池中，解决了质子交换膜燃料电池在故障下的性能恢复问题。本发明可以有效提高质子交换膜燃料电池系统的可靠性与耐久性。

附图说明

图1是本发明中的健康控制流程图。

图2是本发明DRT分析中的波峰特征分析与阈值确定情况图。

图3是本发明实施例中空气饥饿故障的实验结果图。

图4是本发明实施例中空气饥饿故障的DRT分析结果图。

图5是本发明质子交换膜燃料电池的装置图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施对本发明作进一步说明。

按照本发明方法完整实施的实施例情况如下：

测试系统如图5所示，电子负载与质子交换膜燃料电池相连，为质子交换膜燃料电池提供负载；电流注入模块与质子交换膜燃料电池相连，为质子交换膜燃料电池进行快速电化学阻抗测试。质子交换膜燃料电池运行需要辅助设备，包括空压机，水泵，循环泵，散热器，加湿器与氢罐等。

1)建立基于电压的质子交换膜燃料电池状态监测方法。

1.1)建立质子交换膜燃料电池电压模型，如下所示：

V_st＝N·(E_nernst-V_act-V_ohm-V_conc)

其中，V_st为质子交换膜燃料电池电压，N为质子交换膜燃料电池电压中单体电池个数，E_nernst为能斯特电压，V_act为活化损耗，V_ohm为欧姆损耗，V_conc为浓差损耗；

所述的能斯特电压E_nernst的计算如下：

其中，T_st为质子交换膜燃料电池的实际温度，p_H2与p_O2为质子交换膜燃料电池实际测量的氢气与氧气分压。

所述的活化损耗V_act计算如下：

V_act＝V₀+V_a(1-e^-10J)

其中，V₀与V_a为第一、第二经验参数，J为实际测量的电流密度。

所述的欧姆损耗V_ohm计算如下：

其中，λ_m为膜含水量常量。

所述的浓差损耗V_conc计算如下：

其中，a为经验参数，J_max为最大电流密度。

1.2)将通过质子交换膜燃料电池电压模型获得的质子交换膜燃料电池电压V_st与质子交换膜燃料电池电压实际测量值进行相减获得差值，前者减去后者，若差值大于预设的故障电压阈值，则质子交换膜燃料电池发生故障；

2)

2.1)在质子交换膜燃料电池状态异常时，

在质子交换膜燃料电池施加负载进行电化学阻抗测试，即在质子交换膜燃料电池两端连接上负载；若负载的电流未在电化学阻抗测试的标准电流范围内时，则将负载进行调整使得负载的电流达到电化学阻抗测试的标准电流范围内；

待测试结束后，负载电流可以恢复动态变化。

2.2)进行快速电化学阻抗测试，由200Hz与1500Hz的M序列注入质子交换膜燃料电池中，再通过阻抗计算得到质子交换膜燃料电池在不同频率的电流下的阻抗值，形成阻抗谱；

具体实施的电流的频率为0.5Hz-1K Hz。

2.3)对得到的阻抗谱进行分析：通过弛豫时间分布方法在频谱对所述阻抗谱(0.5Hz-1K Hz)分析后，形成获得三个特征波峰，特征波峰从频率的高低划分为低频波峰(波峰3)、中频波峰(波峰2)与高频波峰(波峰1)的三种特征波峰；设置三种特征波峰的各自特征阈值，利用各自的特征阈值对每种特征波峰判断其幅值的高低，进而区分三种特征波峰的高低：若特征波峰的幅值大于特征阈值，则特征波峰为高幅值，否则为低幅值；

然后按照以下表格进行判断：

状态	高频波峰(波峰1)	中频波峰(波峰2)	低频波峰(波峰3)
				正常	低	低	低
水淹	高	高	低
				膜干	高	低	低
空气饥饿	低	高	高

即：

若所述的高频波峰、中频波峰与低频波峰均为低幅值，则质子交换膜燃料电池为正常状态；

若所述的高频波峰和中频波峰均为高幅值，且低频波峰为低幅值，则质子交换膜燃料电池为水淹故障；

若所述的高频波峰为高幅值，且中频波峰和低频波峰均为低幅值，则质子交换膜燃料电池为膜干故障；

若所述的高频波峰为低幅值，且中频波峰和低频波峰均为高幅值，则质子交换膜燃料电池为空气饥饿故障。

这样，不同的质子交换膜燃料电池状态拥有不同的波峰幅值大小，通过实验将不同波峰幅值分类为“高”与“低”，即可实现故障诊断。

3)针对不同的故障采用不同的故障恢复措施处理，从而实现对质子交换膜燃料电池的健康控制。

具体实施的故障恢复策略依据故障诊断结果而选择。

所述的3)具体为：

若为空气饥饿故障，则增加空压机进气流量，空压机用于质子交换膜燃料电池的供气；

若为水淹故障，则提高质子交换膜燃料电池的运行温度，同时加大吹灌氢气的频率；

若为膜干故障，则降低质子交换膜燃料电池的运行温度，同时降低吹灌氢气的频率。

搭建测试系统如图5所示，实验在一3kW质子交换膜燃料电池实验平台上进行，使用的燃料电池具有18片单体电池。利用图1所示的流程对质子交换膜燃料电池进行在线测试。

在实验中，质子交换膜燃料电池在动态工况下运行，如图3所示，模型计算电压与实际测量电压一致。在大约50秒，人为制造空气饥饿故障，在大约10秒时间内，故障不断累积，导致电压差超过故障阈值。此时系统快速切换负载电流至标准状况，并进行快速电化学阻抗测试，该过程持续时间大约30秒。通过对比图2的DRT特征波峰与故障诊断表，可以判断出图4的DRT诊断结果为空气饥饿故障。系统在故障诊断后执行空气饥饿的性能恢复策略，即增加空压机进气流量，最终在130秒时质子交换膜燃料电池电压恢复至健康状态。

可以看出，本发明健康控制方法具有较好的实时性与准确性，能有效提升质子交换膜燃料电池系统的可靠性，通过实验验证了本发明该容错控制的有效性。

Claims (10)

1.一种基于主动容错控制的质子交换膜燃料电池健康控制方法，其特征在于：方法包括以下步骤：建立质子交换膜燃料电池电压模型，基于质子交换膜燃料电池电压模型对质子交换膜燃料电池的状态进行监测：若质子交换膜燃料电池的状态异常，则采用快速电化学阻抗测试法对质子交换膜燃料电池进行测量，并通过弛豫时间分布方法分析所得的电化学阻抗谱，对质子交换膜燃料电池进行故障诊断；然后实施故障恢复，实现对质子交换膜燃料电池的性能恢复。

2.如权利要求1中所述的一种基于主动容错控制的质子交换膜燃料电池健康控制方法，其特征在于：所述的质子交换膜燃料电池电压模型为质子交换膜燃料电池在健康状态下的电压模型，利用该电压模型获得质子交换膜燃料电池的电压，将质子交换膜燃料电池的电压与质子交换膜燃料电池的电压实际测量值进行比较获得差值，若差值大于预设的故障电压阈值，则质子交换膜燃料电池发生故障。

3.如权利要求1中所述的一种基于主动容错控制的质子交换膜燃料电池健康控制方法，其特征在于：质子交换膜燃料电池的故障分为水淹、膜干与空气饥饿。

4.如权利要求1中所述的一种基于主动容错控制的质子交换膜燃料电池健康控制方法，其特征在于：通过对质子交换膜燃料电池进行快速电化学阻抗测试，获得电化学阻抗谱，对电化学阻抗谱利用弛豫时间分布方法DRT分析提取特征波峰，三个特征波峰从频率上分别分为低频、中频与高频的三种特征波峰，结合不同频率的波峰特征共同来进行质子交换膜燃料电池的故障判断。

5.如权利要求1中所述的一种基于主动容错控制的质子交换膜燃料电池健康控制方法，其特征在于：方法具体为：

1)建立基于电压的质子交换膜燃料电池状态监测方法。

1.1)建立质子交换膜燃料电池电压模型，如下所示：

V_st＝N·(E_nernst-V_act-V_ohm-V_conc)

其中，V_st为质子交换膜燃料电池电压，N为质子交换膜燃料电池电压中单体电池个数，E_nernst为能斯特电压，V_act为活化损耗，V_ohm为欧姆损耗，V_conc为浓差损耗；

1.2)将通过质子交换膜燃料电池电压模型获得的质子交换膜燃料电池电压V_st与质子交换膜燃料电池电压实际测量值进行相减获得差值，若差值大于预设的故障电压阈值，则质子交换膜燃料电池发生故障；

2)

2.1)在质子交换膜燃料电池状态异常时，

在质子交换膜燃料电池施加负载进行电化学阻抗测试，若负载的电流未在电化学阻抗测试的标准电流范围内时，则将负载进行调整使得负载的电流达到电化学阻抗测试的标准电流范围内；

2.2)进行快速电化学阻抗测试，由200Hz与1500Hz的M序列注入质子交换膜燃料电池中，再通过阻抗计算得到质子交换膜燃料电池在不同频率的电流下的阻抗值，形成阻抗谱；

2.3)对得到的阻抗谱进行分析：通过弛豫时间分布方法在频谱对所述阻抗谱分析后，形成获得三个特征波峰，特征波峰从频率的高低划分为低频波峰、中频波峰与高频波峰的三种特征波峰；设置三种特征波峰的各自特征阈值，利用各自的特征阈值对每种特征波峰判断其幅值的高低：若特征波峰的幅值大于特征阈值，则特征波峰为高幅值，否则为低幅值；

然后按照以下表格进行判断：

状态 高频波峰 中频波峰 低频波峰 正常 低 低 低 水淹 高 高 低 膜干 高 低 低 空气饥饿 低 高 高

3)针对不同的故障采用不同的故障恢复措施处理，从而实现对质子交换膜燃料电池的健康控制。

6.如权利要求5中所述的一种基于主动容错控制的质子交换膜燃料电池健康控制方法，其特征在于：所述的3)具体为：

若为空气饥饿故障，则增加空压机进气流量；

若为水淹故障，则提高质子交换膜燃料电池的运行温度，同时加大吹灌氢气的频率；

若为膜干故障，则降低质子交换膜燃料电池的运行温度，同时降低吹灌氢气的频率。

7.如权利要求5中所述的一种基于主动容错控制的质子交换膜燃料电池健康控制方法，其特征在于：所述的能斯特电压E_nernst的计算如下：

其中，T_st为质子交换膜燃料电池的实际温度，p_H2与p_O2为质子交换膜燃料电池实际测量的氢气与氧气分压。

8.如权利要求5中所述的一种基于主动容错控制的质子交换膜燃料电池健康控制方法，其特征在于：所述的活化损耗V_act计算如下：

V_act＝V₀+V_a(1-e^-10J)

其中，V₀与V_a为第一、第二经验参数，J为实际测量的电流密度。

9.如权利要求5中所述的一种基于主动容错控制的质子交换膜燃料电池健康控制方法，其特征在于：所述的欧姆损耗V_ohm计算如下：

其中，λ_m为膜含水量常量。

10.如权利要求5中所述的一种基于主动容错控制的质子交换膜燃料电池健康控制方法，其特征在于：所述的浓差损耗V_conc计算如下：

其中，a为经验参数，J_max为最大电流密度。

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