英语原文共 10 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
质子交换膜燃料电池系统的故障诊断方法
关键词：质子交换膜燃料电池，燃料电池堆系统，燃料电池故障，故障诊断方法，基于模型的方法，基于非模型的方法。
在替代发电领域，能源的耐久性对科学提出了巨大的挑战。燃料电池(FCs)被认为是未来有前途的能源之一。质子交换膜(PEM)更适合于应用于日常生活中。FC技术要进入市场，必须具有足够的运行可靠性、足够的寿命和可接受的成本。因此，与FC故障相关的不同问题，不同的元器件会影响系统的可靠性。利用诊断工具作为先进控制系统的一部分，可以成功地解决这些问题。本文在简要介绍了变频器及其组成部分后，着重介绍了变频器可能出现的各种故障。利用文献，找出了这些故障的根本原因。从这一点出发，介绍了近年来有关故障诊断方法的研究进展。为了说明目前的研究现状，对阳极水淹的影响进行了简要的实验研究，并提出了一种基于信号的诊断方法。
介绍
最近，预计全球能源需求的增长将对污染率和所有与全球变暖有关的问题产生巨大影响。因此，开展非污染能源的研究至关重要。在不同的解决方案中，使用氢作为能量矢量是参与能源组合的一个重要候选方案。为了将氢转化为电能，燃料电池(FC)系统是一个自然系统。因此，替代能源的研究问题就变得非常重要。绿色能源来源之一是氢能。FC系统是一种电化学装置，将燃料的化学能转化为电能。水和热也只是在FC操作过程中产生的副产品。因此，FC技术由于其产生的免费温室气体和较高的转化效率，是一种很有前途的能源。根据所使用的电解质类型，FC有几种类型。质子交换膜燃料电池(PEMFC)在日常运输和稳定应用中表现出足够的性能，功率可达100 kW[1]。这种FC类型应用范围很广，对于低温操作，具有使用空气中的氧气的能力，启动时间短，功率密度高。成功将FC引入日常应用中应该有一个持久的和可靠的技术，并且成本,操作和维护的成本要低。[2,3]
据美国研究[4],美国能源部已经宣布一组汽车应用程序要求达到5000 h FCs耐久性花费30美元/千瓦,和稳定的FC系统约60 000 80 000 - h持久性总花费约1000 - 1500美元/千瓦[4]。该技术在目前的必要性是为今后的研究方向铺平了道路，主要集中于FC故障的检测和相关的不同诊断方法，以保证其耐久性和不可逆性。这些故障必须及早发现，有时还需要估计和处理。因此，FCs很容易受到故障的影响，从而导致其停止或永久损坏。为了保证FC系统的安全运行，有必要采用系统参数技术进行故障检测和隔离。本文介绍了PEMFC断层诊断的各种方法的最新进展。由于PEMFC是影响该技术性能的关键技术，因此目前的研究重点是该技术的失效问题。在此基础上，对阳极室的水淹问题进行了实验研究。因此，测试台的实验显示，根据电压随时间的变化，预先考虑了阳极驱油的短期影响。在实验工作中，采用谐波含量差值作为检测泛洪故障的新方法。
Fuel cell system燃料电池系统
FCs是威廉·格罗夫在1839年发现的设备。它们是建立在电化学反应的基础上的，电化学反应允许空气中的氢和氧发电。这些设备，转换化学能，是理想的电力能源，零或低排放，清洁，高效率。FC作为一种有吸引力的技术，只产生电、水和热，从而消除能量转换过程中的污染。FC结构类似于阳极(负极)和阴极(正极)之间由电解质构成的三明治，如图1所示[5]。根据不同的参数，比如电解液、操作温度、应用等的不同，可以区分出不同的FC类型:质子交换膜燃料电池PEMFC，固体氧化物燃料电池(SOFC)，脱模碳酸燃料电池（MCFC)等。在这项研究中，PEMFC系统是传统系统最有希望的替代品之一，不仅在运输领域，而且在200kw[6]以下的固定式和便携式系统中，都是一种非常有趣和有吸引力的应用。这是由于与其他类型的FC相比，其具有功率密度高、启动能力强、适合于盘状连续运行、运行温度低等多种特性[7-9]。
图1-燃料电池结构
近十年来，汽车燃料电池的研究越来越受到人们的关注，特别是在电动汽车领域。为FC系统开发不同的诊断工具已成为确保故障期间的安全性、安全性和可用性的必要条件。因此,这些错误应该尽可能早地发现，虽然FCs的研究包括很多科目,包括材料科学、运输现象,电化学和催化科学,它总是一个重大的挑战,深刻理解热力学,流体力学,燃料电池动力和内在FC电化学过程。此外，目前工业上发展起来的FC并没有表现出完全稳定的行为，对于不同时期生产的任何类似的FC，其模型仍然存在一定的变化。由于这些原因，基于燃料电池的发电系统是复杂的。
如图2所示，FC系统由空气、氢气、加湿器、电路等4条物质和能量回路组成。氢气阀用于控制气体H2的流动。空气过滤器可以净化固体颗粒，如灰尘，霉菌和细菌，而电动压缩机通过减少其体积来增加空气压力。加湿器是一种增加压缩空气中的水分并允许通过加湿器电路进行过滤的装置。流体歧管由一个输入和几个输出组成。它允许均匀分布气体，以保证每个电池的堆栈的燃料供应。FC是系统的核心，由几个单元组成取决于它的功率。冷却组包括电扇。一台放置在压缩机和加湿器旁冷却，另一台风机保证堆叠在正常运行状态下温度较低。
图2-燃料电池系统
Fuel cell faults燃料电池故障
考虑到预先设定的最优工作点，FC系统需要一组辅助元件，如阀门、压缩机、传感器、控制器等。因此，它们很容易受到故障的影响，这些故障可能会导致FC停止或永久损坏。为了保证FC系统的安全运行，必须考虑这些故障。此外，还需要使用系统的技术进行故障诊断(故障的检测和隔离)。实际上，诊断工具允许区分FC及其组件[11]之间的结构-属性-性能关系。FC断层有多种，文献中多引用为断层树，如图3所示[11,12]。
图3-燃料电池系统故障树【12】
氢气回路故障可能是由于罐内氢气堵塞或泄漏造成的氢气源液位故障，也可能是由于氢气调节阀液位故障，是由阀门堵塞或氢气泄漏引起的。空压机故障的故障性质多种多样，即由短路、过压等引起的电气故障;主要由曲轴失速引起的机械故障;造成液压故障的原因是压缩系数效应的降低。此外，控制器的故障是由于它的破坏。在FC内部，水的分布是影响膜通道和电极的主要参数，因此FC的分布也受到影响。因此，FC内部可用的水必须被适当地净化[13]。水在管道中的积聚能阻止气体的扩散。因此，FC的运行可能受到干扰，并可能导致FC水淹。由于水的缺乏导致膜的脱水，FC系统的水管理不善，导致了催化剂载体氧化、催化剂团聚、迁移[12]等方面的缺陷。故障树是一个重要的架构，它允许识别FC可能遇到的各种故障。这些缺陷导致操作的膨胀和降解该组件，这必然导致整体系统性能下降[14,15]
。根据[121，故障树可以使用第四级来完成，该四级定义了详细故障的主要原因。一般情况下，PEMFC驱油可分为三个参数:电流密度、气体流量和温度。在高电流密度操作下，产水速率大于离开阴极的水量。FC内部水量的增加明显依赖于运行条件的相互作用，尤其是低气体流量/温度水平161。此外，低温、高相对湿度下的低电流密度也会导致驱油，导致水蒸气饱和气相[16]。
与水淹现象相反，不适宜的作业条件可能导致干燥断层。较高的温度会加速水的蒸发，从而产生干燥膜。因此，使用进口干气，或在相对湿度较低的情况下，可能会导致不需要的干膜。湿度系统功能失调，降低了相对湿度和相应的干燥度。采出电流是影响采出水量的一个重要参数。阴极处的水量较少可以用低电流[17]来解释。有关重整过程或空气质素所产生的氢所引致的氟化碳中毒。显然，气体污染导致FC降解[18]。在FC系统中，无论FC电流如何变化，空气压缩机都能以可接受的时间常数提供所需的化学计算测压值，以此来评估其效率。空压机液位故障已在[12]中解释。在电气系统中，短路引起压缩机内阻的变化，破坏了机组的运行。裂纹轴的失速和摩擦降低了电机压缩机的机械效率和水力效率。在控制器子系统中，主要的故障原因是调节器[12]的故障。氢气子系统是最重要的，其不当行为可能导致危险的后果，如应用高压。处理不当会造成阀门的损坏，导致危险的操作条件。由于氢是最轻的分子，其泄漏是一个关键问题，并且氢是高度易燃的。
一些研究者对FCs树断层的研究很感兴趣。在[20]中，作者建立了考虑四种故障症状的FC故障树模型:硬件故障、软件故障、环境故障和人为故障。在[21]中，研究了基于故障树的PEMFC降解问题。该故障树是一种建立演绎法分析的能量代表，用来评估燃料电池的内部状态及其寿命。[22]的作者开发了故障树，以区分不同的故障，并了解每个故障的起源和原因与症状之间的关系。为了深入了解PEMFC的可靠性，提高该技术的建模精度，[23]中的作者提出了使用燃料电池故障树的方法。在工作[14]中,作者提出了利用故障树,因为它有助于模型清晰、直观地不同的因果关系的退化机制和故障树允许彻底组件特定的退化,及其对全球细胞退化的影响。
根据文献提取的数据，图4所示柱状图为大多数常见PEMFC故障的百分比。水资源管理，即洪水和干旱，分别占33%和19%。其次是耐久性、渗漏等故障，可能引起膜的老化、降解。
图4-燃料电池系统不同故障所占比例
为了在FC系统中验证高时空精度的洪水的起源和发展，一些研究采用了基于光学诊断的透明单元设计，如图5[2]所示。电池由两个透明的丙烯酸盖板和两个阳极和阴极流场黄铜板组成[24]，他们在透明的PEMFC上提出了研究水在阴极气体通道内的分布及其淹没情况的方法。该系统用于解释膜脱水现象251考虑了与氢气相同的装置，燃料为PEMFC，以可视化，因为气体气泡行为在直接甲醇FCs[26]中使用了一个透明的细胞来可视化液态水和冰的形成过程在低温下FC的启动[27,28]，除了在流通道中反应物、产物和压降的两相流动外，为了研究水的泛洪，还开发了一些具有不同流量域的透明FCs[27,28]。
图5-透明燃料电池
除水外，FC温度对干燥断层和泛水断层均有影响。FC部分的第三个缺陷是气体污染，可能存在N2、CO或CO2对原料气的不同污染。由于寄生反应的存在，可以检测到不同的原料气污染。这种情况在堆叠系统中尤其明显，堆叠系统使用由燃料重整器产生的氢气，或在污染环境中运行的系统(11）。
Fault diagnosis methods for FC systems
FC系统故障的诊断方法
故障诊断的定义由以下几个概念组成:系统中故障发生的检测、故障的定位、故障的识别或分析，为故障的确定提供必要的信息，如:类型、大小、原因等。
如果以连续和自动化的方式监视FC系统，则认为故障诊断方法是有效的。这可以减少系统停机时间，并在考虑维护成本的情况下提高系统性能。FC故障诊断主要有两种方法，如图6所示:基于模型的方法和基于非模型的方法。
Model based method基于模型的方法
该模型被认为是一种需要全面理解电池及其内部现象的分析方法。一系列不同性质的关键关系(电化学、热力学、热、电和流体学)是必要的。
这种方法建立的模型作为在线比较，是渐变的真实行为监控系统通过传感器和动态模型获得的相同的一套迟缓的系统(6)。当检测到模型与所获得的传感器测量值存在显著差异或残差时，假设存在故障。如果有一组测量值可用，就有可能生成一组残差(指示器)，这些残差(指示器)表现出与可能的故障对应的不同灵敏度。通过实时分析故障对残差的影响，在[30]中实现了故障的实时再现。大多数情况下要隔离断层并确定其大小。
如图6所示，这些方法分为两大类，一类是定性模型，另一类是定量模型。前者包括抽象层次(功能和结构分析)、因果模型(有符号直接图[31]、故障树分析[32]、定性物理)。然而，基于定量模型的方法，包括分析冗余关系(ARR)、观测器、卡尔曼滤波器和统计方法[22]。基于定量模型的方法的性能主要取决于模型的精度。
图6-燃料电池系统的不同故障诊断方法
FC系统的模型非常复杂。它包含非线性，并与几个不同性质的能量区域相互作用，如电，热力学和电化学。基于模型的诊断技术在[33]和[34]中得到了较为全面的讨论。[29中在质子交换膜燃料电池系统中的六个错误基于模型诊断的方法诊断出来:1)压缩机电机的摩擦的增加,2)过热,3)FC的扩散层的通道堵塞,4)泄漏送风总管,5)压缩机电机控制失败和6)堆栈温度控制失败。为了表征这些故障，采用了氧过剩比、压缩机电流密度、转速和堆叠电压等变量。
研究了残差对故障的敏感性，以区分故障。针对这类故障类型的识别，考虑了一种具有行和列残差灵敏度的理论相对故障灵敏度矩阵。
Non-model based method基于非模型的方法
对于基于非模型的方法，假设存在大量的历史过程数据[15]。该方法的目标是基于启发式知识或信号处理或两者结合的方法获取故障信息[9]。
在基于模型的故障诊断方法中，由残差生成或依赖信号分解产生的故障特征在基于故障检测和故障识别两个顺序过程的故障诊断任务中发挥着主导作用。然而，在非模型方法中，诊断概念是不同的，因为这些过程通过模拟人类推理活动被合并到一个诊断步骤中。这类诊断是指基于人工智能(Al)技术[15]的专家系统能够实现决策过程的自动化。该方法既能解释实时信号，又能提供所需的控制动作，从而推荐诊断程序[35]。这些方法具有足够的非线性逼近能力和较高的计算效率。
在图6中，主要的非模型方法是illus trated: (i)信号处理方法:磁共振成像、声发射、磁场、中子照相。(二)基于人工智能的方法:模糊逻辑、神经网络、专家系统;(二)实验方法:电压测量、阻抗谱、极化曲线解释、空间电流密度分布、压降和气相色谱。
由于没有对所有组件及其交互进行详细的数学建模，因此将所有这些方法分组到非模型方法类型中。可以将其视为本方法[35]中提到的输入输出行为的黑箱。为了确定与水管理有关的现象是否具有声学活性，已经提出了一些基于这种方法的研究。L
全文共8570字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[1175]
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
