[发明专利]一种质子交换膜燃料电池堆的饥饿故障诊断方法

权利要求书

1.一种质子交换膜燃料电池堆的饥饿故障诊断方法，其特征在于：通过EIS法特定频率所对应的实部虚部值以及燃料电池内阻模型计算饥饿故障诊断的指标参数；将仿真获得的饥饿数据与正常电堆数据作为初始分析数据，使用主成分分析法和K均值聚类方法进行分类，得到正常簇集与饥饿簇集的两个质心点μ₁和μ₂；依此为诊断指标，针对任意工况下的电堆，只需获得燃料电池实际使用过程中的饥饿指标参数数据，利用主成分分析法和K均值聚类方法得到不同操作条件下的实验数据点，与正常簇集的质心点μ₁和饥饿簇集的质心点μ₂进行对比，能够判断出此时的电堆是否出现了饥饿故障以及饥饿故障程度，较传统方法操作更加简单迅速、准确性更佳，具体的步骤如下：

步骤一：通过EIS法测得燃料电池堆内的阻抗信息，提取频率20KHz阻抗实部虚部值得到欧姆内阻R_m，在U-I曲线上获得对应电流密度i下得输出电压U，代入燃料电池输出电压模型求得电堆总内阻R_stack，提取对应电流密度i下电堆的工作温度T_stack，利用活化内阻模型计算活化内阻R_f，将R_stack和R_f代入总内阻公式计算出浓差内阻R_d，如下式所示：

U＝E_ocv-i·R_stack (1)

R_stack＝R_f+R_m+R_d (2)

其中E_ocv是燃料电池开路电压；R_m为燃料电池的欧姆内阻；R_f是活化内阻；R_d是浓差内阻；R_stack是欧姆内阻R_m和活化内阻R_f以及浓差内阻R_d的和；α电化学反应速率参数；μ转移电子数；F法拉第常数；R理想气体常数；ΔG为活化能，J；T₀和T_stack为参考温度和电堆工作温度，K；i₀和i为交换电流密度和输出电流密度，A/cm²；

步骤二：依据燃料电池的二阶RC等效电路图得到阻抗表达式(4)，提取定频率对应的阻抗实部虚部值，利用阻抗谱实部虚部模型，计算出等效电容C_d与C_dl；

式中C_dl和C_d表示为燃料电池二阶等效电路中的双电层电容；

步骤三：选取饥饿故障诊断的指标参数为电流密度i，反应物总浓度C_g，浓差内阻R_d和双层电容C_dl，将仿真获得的饥饿数据与正常电堆数据作为初始分析数据，通过主成分分析法得到主成分特征量，其中第一主成分Y₁与第二主成分Y₂作为饥饿故障诊断特征量，X₁为电流密度数据集，X₂为双电层电容，X₃为浓差内阻数据集，X₄为反应物浓度数据集；

步骤四：对步骤三求得的主成分特征量采用K均值聚类方法进行分类，得到正常簇集与饥饿簇集的两个质心点μ₁和μ₂，画出饥饿数据与正常数据下的Y₁，Y₂推算簇集图；

步骤五：在燃料电池堆实际使用过程中，通过上面步骤一到步骤二的方法得到电堆不同工况下的电流密度i，反应物总浓度C_g，浓差内阻R_d和双层电容C_dl，利用主成分分析法和K均值聚类方法，得到不同操作条件下的实验数据点，与正常簇集的质心点μ₁和饥饿簇集的质心点μ₂进行对比，判断此时电堆是否出现了饥饿故障以及饥饿故障的程度。