[发明专利]一种基于阻抗谱的在线质子交换膜燃料电池故障诊断方法

说明书

本发明公开了一种基于阻抗谱的在线质子交换膜燃料电池故障诊断方法。首先建立质子交换膜燃料电池的电化学等效电路模型，测量得到质子交换膜燃料电池的电化学阻抗谱，用电化学阻抗谱拟合求解电化学等效电路模型中的参数，然后选取其中部分参数作为分类特征，并使用基于二叉树支持向量机的故障诊断算法对质子交换膜燃料电池进行分类处理，对质子交换膜燃料电池内部容易发生的膜干、水淹、空气饥饿等故障进行诊断。本发明解决了质子交换膜燃料电池运行过程中故障检测困难的问题，将电化学阻抗谱技术应用到燃料电池的在线运行监测与故障诊断中，可以提高电池的可靠性和耐久性。

技术领域

本发明属于燃料电池应用的领域，涉及一种基于阻抗谱的在线质子交换膜燃料电池故障诊断方法。

背景技术

近年来，环境污染、能源危机日益严重，质子交换膜燃料电池由于其高转化效率、高能量密度、无排放等优点受到了广泛的关注，其在储能电源、新能源汽车、分布式发电等领域都有较好的应用前景。然而，目前影响质子交换膜燃料电池商业化的主要原因是耐久性与寿命问题。在运行过程中，由于功率状况复杂以及水热管理不足等问题，电堆容易发生水淹、膜干、空气饥饿等故障。这些故障会对电池内部的性能和结构产生恶劣的影响，这也是导致燃料电池寿命短、耐久性不足的主要原因。解决此问题的有效方案之一是在燃料电池系统中集成状态监测模块，在运行中对实时的状态评估与故障诊断，并根据监测结果优化运行条件，从而提高电池的寿命。然而，由于燃料电池电堆结构的原因，难以直接在电池内部安装传感器，而基于模型的监测方法又对模型精确度有着较高的要求，难以直接在工程上实现。

电化学阻抗谱技术是一种可以有效反映燃料电池电堆健康状况的手段，在实验室中，通常对电池的电化学阻抗谱进行分析来评估电池的性能与寿命。然而，目前阻抗谱的研究成果以定性分析为主，缺少精确可靠的算法对阻抗谱进行实时分析诊断并评估电池状态。因此对于基于电化学阻抗谱的燃料电池故障诊断研究有着重要的意义。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提出了一种基于电化学阻抗谱的在线质子交换膜燃料电池故障诊断方法。

本发明采用的技术方案是：

首先建立质子交换膜燃料电池的电化学等效电路模型，测量得到质子交换膜燃料电池的电化学阻抗谱，用电化学阻抗谱拟合求解电化学等效电路模型中的参数，然后选取其中部分参数作为分类特征，并使用基于二叉树支持向量机的故障诊断算法对质子交换膜燃料电池进行分类处理，对质子交换膜燃料电池内部容易发生的膜干、水淹、空气饥饿等故障进行诊断。

所述的电化学等效电路模型主要由膜内阻、电荷转移电阻、物质转移电阻、物质转移电容和常相位角元件组成，膜内阻与常相位角元件串联，物质转移电容与物质转移电阻并联后与电荷转移电阻串联再并联到常相位角元件的两端。

常相位角元件(CPE)的阻抗Z_CPE计算为：

其中，Q表示常相位角元件(CPE)等效电容的大小，ω表示角频率，j表示虚数，n表示常相位角元件(CPE)的分布参数。

电化学等效电路模型的总阻抗Z_model(ω)计算如下：

其中，R_m表示膜内阻的阻值，R_p表示电荷转移电阻的阻值、R_w表示物质转移电阻的阻值、C_w表示物质转移电容的容值。

用已知分类的质子交换膜燃料电池的分类特征及其分类标签作为训练数据，使用二叉树结构的支持向量机算法分别训练预分类器、膜干分类器、水淹分类器和空气饥饿分类器的四种分类器，四种分类器均为呈二叉树结构排列的子支持向量机分类器；

采用四种分类器对未知分类的待测质子交换膜燃料电池进行故障诊断处理，具体为：