摘 要

随着科技不断发展，人类的生活品质不断增加。对于自然资源的消越来越大，不可再生资源日益减少，可人类的生活要求在不断上升，加上越来越多的环境污染。因此人们迫切需要找到一种可代替的资源或者技术去维持生存所需。近年来，人们对于燃料电池的研究日趋成熟。燃料电池已经在人们的生活中越来越常见。燃料电池的适用于各个领域的燃料电池应用而生，尤其以质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)发展最好。质子交换膜燃料电池具有能量转化率高、环境友好、运转温度低、启动速度快等特点，但由于其成本高、可靠性差、寿命短等问题，从而制约其大规模的商业化应用。所以，研究燃料电池非常有必要。

本文主要以氢燃料电池为研究对象，浅明的分析了阐述了燃料电池的基本工作原理，影响因素。初步认识了燃料电池的机理。结合车用燃料电池的运行特点，氢气储存安全等分析故障原因，进而推导氢燃料电池的故障，为氢燃料电池故障诊断方法做出铺垫。针对我国 PEMFC 故障诊断技术的现状，提出了三类故障诊断方法，有建立模型的诊断方法，有使用滤波器这类器械去诊断的方式，还有基于大量实验数据的方法，也可以是知识。综合不同的方法做出故障监测管理。然后在现有诊断方法优缺点的基础上，总结并提出可进一步研究的重点内容，提出未来燃料电池的发展前景，对 PEMFC 故障预测与健康管理的进一步研究做出贡献。

关键词：燃料电池；故障诊断；模型，健康监测故障预测管理方法。

ABSTRACT

With the continuous development of science and technology, the quality of human life is increasing. With the increasing consumption of natural resources and the decreasing of non-renewable resources, the living requirements of human beings are increasing, together with more and more environmental pollution. Therefore, people urgently need to find an alternative resource or technology to survive. In recent years, the research of fuel cell is becoming more and more mature. Fuel cells have become more and more common in people's lives. Fuel cell is suitable for fuel cell applications in various fields, especially proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) has the characteristics of high energy conversion rate, friendly environment, low operating temperature and fast start-up speed. However, due to its high cost, poor reliability and short life, its large-scale commercial application is restricted. Therefore, it is necessary to study fuel cells.

In this paper, hydrogen fuel cell is taken as the research object, and the basic working principle and influencing factors of fuel cell are briefly analyzed. The mechanism of fuel cell is preliminarily understood. Combining with the operation characteristics of vehicle fuel cell and the safety of hydrogen storage, the causes of failure are analyzed, and then the fault of hydrogen fuel cell is deduced, which paves the way for the fault diagnosis method of hydrogen fuel cell. In view of the current situation of PEMFC fault diagnosis technology in China, three kinds of fault diagnosis methods are proposed, including model-building diagnosis method, filter-based diagnosis method, and method based on a large number of experimental data, which can also be knowledge. Comprehensive different methods to make fault monitoring management. Then on the basis of the advantages and disadvantages of the existing diagnostic methods, the key contents for further research are summarized and put forward, and the future development prospects of fuel cells are put forward, which will contribute to the further research of PEMFC fault prediction and health management.

Key words: proton exchange membrane fuel cell; fault diagnosis; model, health monitoring fault prediction management method.

目录

第1章 绪论 1

1.1研究对象简述以及篇章划分 1

1.1.1论文分为五章如下介绍 1

1.2国外发展分析 1

1.3国内发展分析 2

1.4研究工作如何进行 2

第2章 认识燃料电池并分析燃料电池运行的影响因素 3

2.1种类及其工作原理 3

2.1.1基本分类： 3

2.1.2工作原理： 3

2.2 燃料电池特点 5

2.3影响燃料电池的因素 5

2.3.1 温度的影响 5

第3章 车用燃料电池的故障特点以及安全性 6

3.1车用燃料电池故障分析 6

3.1.1内因引起的故障 6

3.1.2外因引起的故障 7

3.2氢气系统的安全 7

第4章 故障方法的分类以及监测 8

4.1基于模型的方法 8

4.2 基于滤波器的方法 10

4.3基于数据驱动的方法 12

第5章 总结以及展望 14

第1章 绪论

1.1研究对象简述以及篇章划分

随着时代进一步发展，可利用能源愈发紧张。因此新型能源燃料电池被人们所看好。本人的论文主要针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)里面的氢燃料电池为研究对象，浅明的研究PEMFC的故障诊断方法加以总结，首先将通过分析燃料电池的的运行特征，然后再介绍燃料电池健康监测、故障诊断、预测、寿命预测等技术和算法，对燃料电池状态监测的技术方面进行全面综述。浅显的探讨燃料电池性能的影响因素有哪些，结合车用燃料电池的特点，总结出燃料电池的故障，提出合理的诊断方法。

1.1.1论文分为五章如下介绍

第一章为绪论主要说明燃料电池故障诊断技术的发展情况。

第二章首先介绍燃料电池的基本工作原理在略微说一下燃料电池功能的限制条件有哪些。

第三章主要根据使用广泛的车用燃料电池，总结概述其故障原因，为下文的故障诊断方法做铺垫。

第四章通过对车用燃料电池的故障分析，引出下文三种故障诊断的可行性方法，建模，滤波器和数据驱动。

第五章主要是总结论文，描绘出未来燃料电池的发展方向。

1.2国外发展分析

随着社会的不断发展。石油价格的不断增长和不可再生资源的逐步消耗，终有一天，这些资源将会被我们使用完毕。为了找到新的能源作为石油经济的替代产品。必须有一个清洁和可再生能源为基础的节能手段来解决这个问题。然而在众多的替代技术及产品中，燃料电池发电、汽车工业和固定发电厂成为越来越有前途的解决方案。为了找到更多的好的燃料，人们不断探索发现了好用的氢气，甲醇等燃料。我们现在的发展之下，然衍生出了不同的种类，其中氢燃料电池脱颖而出，由于是采用氢气和氧气作为燃料产物是绿色的水，污染环境很小。燃料电池从发明至今天已经有了无数先辈积累的经验，为了能够不断发展它我们将不懈努力。今天的世界里面能源与环境式发展的主阵地，全球气候变暖，原油消耗过度，自然灾害也不断发生等等越来越考验人们的生存能力。然而我们在大量消费石油煤炭资源的同时，也出现了许多的生态问题以及资源消耗加剧。它作为新一代的燃料电池，美国是最早开发并应用在国防科技以及后来的汽车领域的先头部队。现在的燃料电池可以用在汽车交通，移动固定电源和大国国防事业建设。因为其不受卡诺循环的限制，所以其发电效率可以达60%，燃料是氢和氧生成物主要是水，基本上不排放有害气体，因此更加清洁环保。上个世纪90年代的发展一直到今天，人类越来越重视环境保护。以质子交换膜燃料电池为动力的电动汽车、再到直接甲醇燃料电池的便携式可移动电源、高温燃料电池电站、用于潜艇和航天器的燃料电池等蓬勃发展。欧盟也不甘落伍，在2008年之后5年至少花费了9.4亿欧元用于燃料电池和氢能的研究和发展，极极发展燃料电池的技术。日本对燃料电池的发展尤为热心，自身国土面积小资源太少。所以日本很重视可再生资源的开发利用，过去几十年日本先后投资了上千亿日元在基础建设，不断推进新的示范措施，再到加氢站的建成使用，自身的强大技术加上日政府的大力支持和推广，无论是国防还是私企或者个人，近年来已然发展成为世界燃料电池领军人物。

1.3国内发展分析

在国内，我国在三个五年期间都安排了相应的PEM燃料电池攻关项目，取得了一定的成绩。花费了金钱、人力、物力在燃料电池的研制，主要包括电动车重大专题和能源领域中的高温燃料电池。中科院上海硅酸盐研究所、长春应用化学研究所，清华大学、上海交通大学等从事了MCFC、SOFC和PEMFC燃料电池的基础性研究。中科院大连化学物理研究所对质子交换膜燃料电池进行了详尽的研究，并开发出多种功率等级的PEMFC。质子交换膜燃料电池无疑一款好的燃料电池，现在以及未来电动汽车的发展它将作为重要一环，所以它最大的舞台将是全世界的商业领域。近年年电动汽车以及不断在各个国家普及，并且取得了长足的发展。相信未来的交通汽车，在发动机这一块也有燃料电池的一席之地。

1.4研究工作如何进行

首先，我的工作分阶段进行，前面几周主要是泛读大量的相关文献论文，总结一些自己能用到的知识，认真完成开题报告，外文翻译以及导师指出来的问题。中期自己查阅燃料电池的故障，找出故障在哪方面，建立一些流程图模型，带着问题去找出解决方案。最后总结比较基本的故障诊断方法，本课题的研究方法我大致归结为三类：通过建立模型来进行故障诊断，比如流程图就是根据电池的运行情况，在某一环可能会出现问题来着手。其次就是根据前辈们的大量数据做出总结，也即是所谓的数据驱动的方式。再有就是滤波器来进行故障诊断。最后通过故障诊断的方式以及适用情况来说明这些方法的优缺点以及相应的监测管理。

本章小节；本章主要介绍了论文的基本阐述对象以及要解决的问题，论述了燃料电池的研究背景发展历程。我主要的工作内容以及过程。初步阐述了燃料电池的国内外发展现状和主要趋势，进一步的发展空间。

第2章 认识燃料电池并分析燃料电池运行的影响因素

2.1种类及其工作原理

2.1.1基本分类：

首先燃料电池的分类方法有不同：根据不同的工作温度，使用的电解质各异以及电池所选用的燃料不一样都可以进行划分。有高、中、低三种类型工况温度。我们所熟知的电解质有，熔融盐比如碳酸钾；还有碱性的比如氢氧化钾燃料电池；当然了酸性里面就数磷酸电池了。磷酸燃料电池起动时间短，而且还可以冷启动,于是可以用作为移动电源,灵活性机动性非常不错，质子交换膜燃料电池同样的有这种好处。这种情况下使得它们更加具有深度可研究性，也加强了在燃料电池领域的重要地位。燃料在现代来讲非常之多，有液体，有固体，还有气体。

2.1.2工作原理：

电池顾名思义就是将某种能转变为电能的一种新型的产电发电媒介，而氢燃料电池就是利用氢与氧的化学反应，然后在输出电能供应所需，简而言之就是将化学能转化为电能。

图2.1燃料电池的工作原理

燃料电池的工作实质就是化学反应，在它的阳极一端燃料氢气在此电极上被氧化，化合价升高，作的是还原剂，其中的电解质：有导引离子作用，同时也可以分开燃料和氧气的作用。在它的阴极一端氧气在此电极上被还原，发生还原反应，化合价降低作为氧化剂。对于这个极板而言，重要性不言而喻，要合理分配反应物和传输生成物的作用而且需要导引电流。

图2.2燃料电池与卡诺循环热热效率比较

质子交换膜燃料电池在原理上与水电解有相似， H2O=H2 O2是为水电解，而将其反过来就得到燃料电池里面氢气与氧气反应的过程。质子交换膜作为电解质。工作时候本身就是一个直流电源，电源负极就是阳极，阴极就是电源正极。其发电过程只是氢氧之间的化学反应，产物是水，不会生成有害气体。所以卡诺循环的限制对它来说不复存在，燃料自身的化学能大部分都会转化为电能；发电时不考虑外围因素不会产生污染，这最重要的是可靠性非常好，只要组装和维修处理得当，完全适应多数领域场合。它在工作时发出的声音特别小不会危害听力。所以，质子交换膜燃料电池电源无论是从环保、还是从运行来说，他的的确确是一款绿色环保的电源能源。单从从原理上说，燃料电池与传统电池较为相似，基本上都是通过电化学方式来产生电能，但从工作情况来说，两者有着许许多许多的不同之处，以前的电池思想是把一种能存储起来再去转化成电能用作其他的任务工作，对于燃料电池而言，自身就直接把氢和氧的化学能变为了电能，不需要存储这个过程。氢燃料和氧化剂都是从外部获取，而且可以无限利用。理想化上来说这款燃料电池是可以连续的发电。而以前的电池工作情况太复杂，过程一多的话机械效率损失很多。相比之下，燃料电池可以直接把化学能转化为热能，具有更少的环节和简单的结构，转化效率也明显高于燃油发电机，达到更高的能源利用率，而废弃物的排放也非常少，其优点显而易见。

2.2 燃料电池特点

燃料电池发展至今已经由起初的摸索变为了不断发现其更多的优点，发挥其更大的优势，为不同行业不同领域带去福祉，作为一种特殊的发电装置它的优点有如下：燃料电池单位质量原料释放的比能量很高，如液液氢燃料电池的比能量是镍镉电池的800多倍,甲醇燃料电池的比能量比锂离子电池。可想而知在以后的发展中将会有巨大的潜力。

燃料电池本身的构造清晰简单,运动的部件相对而言较少,在工作的时候运行状况良好，因而产生的噪声比较低。

燃料电池的燃料,有氢原子的物质像什么天然气、石油等都可以作为燃料，或是沼气、酒精、甲醇也可以经过一些加工再造来充当燃料,原材料来源广。所以燃料电池很是符合能源多样化的需求,减缓能源的耗竭。

燃料电池的性能很不错-可靠，只要燃料电池的负载发生了变化，便会快速响应做出调整。一般的燃料电池超过额定功率就会烧坏电源导致不能用，然而这类氢燃料电池的可承受负荷上下范围大弹性强,相当于是功率过高的时候就调整自身再高过低就调整降低，承受能力强且发电效率变化却不会降低。氢燃料电池是当之无愧的可靠性强大。

2.3影响燃料电池的因素

2.3.1 温度的影响

通过对先辈以及时下人们的研究分析，影响燃料电池性能的一个最重要因素就是温度了。温度降低的时候，电池内部极化愈加强烈而且欧姆阻抗也较大，电池此时是最性能差的时候。随着温度升高的同时，欧姆阻抗随之降低，还会减少极化，而且利于提高电化学反应速度和质子在膜内的传递速度，提高电池性能。虽然提高温度有利于提高电池的性能，然而，由于PEMFC所采用的电解质膜是一种有机膜，它的耐热温度是有限的，当出现过高的温度，这是质子交换膜会出现膜失水，从而导致离子电导率迅速下降，所以PEMFC的工作温度通常情况下不能太高呀，最适宜温度在 48℃~75℃之间。

当然电池本身温度升高，电解质膜上催化剂的活性便会增大，从而加快了燃料电池的化学反应速度，气体的扩散速度变得更快，良好改善了电堆电极内部的气体传质。随之温度升高水就变为了水汽，变成了气体向外部排出。这样就可能避免电极淹没问题。当温度始终升高而超过了一定限制值的时候，就会招致交换膜中损失一部分水分，水蒸气就会聚集在一起，整个系统的内部压力可能会忽然增加，交换膜发生破裂的情况也会随之产生。燃料电池的工作状况受到影响，所以必须把控温度在合理的范围之内，保证燃料电池以良好工作状态运行。

除此之外还有其它外部要素对于温度的影响：比如电流密度啊，加湿度，气体压力及过量系数等等也会对燃料电池的温度产生影响，所以必须控制好温度这个最关键因素。我们需要去进行故障诊断从而判断出影响因素下一章节就来探讨故障诊断方法。

本章小节：主要是阐述了质子交换膜燃料电池的工作原理，特点和分类。了解它是如何工作的，从微观上和宏观上面对它加深了认识，通过对各类资料分析提出主要的影响因素关于燃料电池的，为故障诊断做出了判别方向，可以将这方面作为故障诊断的突破点。

第3章 车用燃料电池的故障特点以及安全性

对于这类大型机械的燃料电池体系而言，总会出现这样那样的问题，无论是从开始的研发，还是生产之后的测试以至于实际的试运行一定会出现故障或者某一环节失效等。

3.1车用燃料电池故障分析

3.1.1内因引起的故障

所谓内因主要是指由于电池自身问题产生，比如电池使用时间过长部分零件失效，老化，系统本身的核心组件，电器设备等引起的，还有与之直接相关联的发动机以及线路系统。当某一环节发生了情况，就会影响到整个电池的性能甚至是安全。总之燃料电池的组成部分只要有某一环出现了问题，都会对电池本身造成不好的影响。所以对于燃料电池自身我们必须做好维护保养工作，时常检测其运行性能是否良好。

3.1.2外因引起的故障

外因主要分为外部环境因素和人为因素两大类：环境因素：主要是在不同的天气状况下或者说是在恶劣环境之中的适应能力。沙尘、粉尘，雾霾，阴雨，大雪，气压，强烈的震动等等外部环境。如果灰尘通过燃料电池系统的气道进入电池内部，那么电池内部的催化剂pt与其接触将会导致电池的输出性能明显降低，电池内部的化学反应可能中断而失效，导致系统中毒。还有在不同的地域由于海拔高度的增加空气变得稀薄导致氧气含量相较之下变少，从而造成电池输出性能下降，在一些极寒地区像加拿大北部，俄罗斯东北这些地方很可能造成冻伤，内部管系破裂等等。

人为因素：从研发—测试—投入生产—实际应用—维修保养这些环节都有人为因素的产生。首先，在研发的时候工作人员可能是不恰当的工学设计或者在某一环节的操作有微小的失误都将导致电池的性能差，或者无法运行。测试这一环相当之重要，测试过程太粗糙简单也会使得电池问题被掩盖。在生产过程中，有可能是一根导线接错位置，或者技术人员少了一道工序，再者组装过程中间装错了部件都是有可能的，要想减少这类因素的话必须加强实践训练才可。当产品投放市场实际运行的时候起初和最后是最容易出问题的，起初是由于对于产品的各项指标和性能不够了解，在使用过程中的不正确操作致使电池出现问题。而且有些问题一般人发现不出来，因为问题是微小的，是渐变的很多时候等到严重时人们才可能发现，维修不及时就导致电池故障。由于现在的车用燃料电池都是采用氢气为燃料的，所以氢气的安全性有待加强。

3.2氢气系统的安全

氢气这个时代的幸运儿，为人类的生存提供了重要支撑的气体。初中的时候第一个学习的元素---氢，氢气是一种可燃性气体，燃烧的热值大，氢气的密度很小，易燃烧，所以它也就更加容易泄露和爆炸。为此必须保证氢气的存储安全，随着科技不断发展人类已经有了多重手断来存储氢气，有相对便宜的塑料内胆，还有铝内胆缠绕的碳纤维高压储氢罐。除此之外，氢气还有可燃性，所以要防止氢气遇明火。对于氢气系统，在燃料电池汽车上面，有电磁安全法，溢流阀件等，还有温度控制器传感器，压力信号传感器等等来保证系统的正常工作。

本章小节：主要通过对车用燃料电池的各类可能会发生的故障进行分析，综合阐述了不同原因下不同的故障结果，对于氢燃料电池的燃料如何储存处理提出了时下的各类氢气安全措施。

第4章 故障方法的分类以及监测

何为故障？故障也许每个领域会有不同的看法，但是氢燃料电池故障诊断是通过监测故障时间来识别的，系统确定故障类型及其位置。在燃料电池领域，故障诊断是确定什么时候出现洪水或其他一些非正常状态。故障预测不同于故障诊断，它侧重于预测。没有故障，但是故障预测方法需要预测故障发生的时间和类型。健康监测和寿命预测是相似的，但仍有一些微小的差异。健康监测是建立监测框，获取实时监测数据，预测短期内的健康状况。然而，寿命预测是预测燃料电池使用时间的长短，以及如何延长使用寿命。参数估计是对一个典型问题搜索并找到一个合适的参数。对于这些问题，我们有三大方法来探讨，分别是基于模型的方法、基于过滤器的方法和数据驱动的方法。

4.1基于模型的方法

对于基于模型的方法，系统中的故障发生由系统中的某些模型决定，这些模型可以是通过数学建立的，也可以是学习知识的。基于模型的诊断技术包括基于参数识别、基于观测器和奇偶空间建模的方法。如上所述，基于模型的方法提前创建一些系统模型，并使用该模型进行进一步评估。