文献综述(或调研报告):
为了遏制全球变暖[1],发展清洁能源是目前最主要的挑战之一,燃料电池已经被视作极具前途的能源转换系统。
质子交换膜燃料电池由阴极槽、阳极槽以及两槽之间的电解质膜组成。电解质膜即质子交换膜,如图1所示。氢气通过管道或导气板到达阳极,在阳极催化剂作用下,氢分子解离为带正电的氢离子(即质子)并释放出带负电的电子(见式(1))。氢离子穿过电解质(质子交换膜)到达阴极,电子则通过外电路到达阴极。电子在外电路形成电流,通过适当连接可向负载输出电能。在电池另一端,氧气(或空气)通过管道或导气板到达阴极,在阴极催化剂作用下,氧与氢离子及电子发生反应生成水,同时释放热量(见式(2))。质子交换膜燃料电池总的化学反应见式(3)[2]。
阳极反应:H2→2H 2e- (1)
阴极反应:O2 2H 2eminus;→H2O 热量 (2)
电池总反应:H2 O2→H2O 电能 热量 (3)
燃料电池具有高能量转换效率、低温快速启动、低热辐射和低排放、运行噪声低、适应不同功率要求等优点,具有非常好的前景[3]。它不通过热机过程,而是通过氢氧化合作用直接将化学能转化为电能,其能量转化效率在40~60%之间;低温快速启动,化学反应迅速,适应负载变化[4];燃料电池电池组无机械运动部件,运动部件很少,工作时安静,噪声很低;低热辐射和低排放,运行温度低于100℃,以纯氢为燃料时,燃料电池的化学反应物仅为水;燃料电池发电装置由多个单电池可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组,根据需要的功率大小,来选择组装的层数。质子交换膜燃料电池的优良特性使其可广泛的应用于便携式移动电源[5]、住宅和建筑电源[6]、军用特种电源[7],特别是电动汽车[8-10]和固定发电站[11]等的首选理想替代能源,具有广阔的市场前景。
虽然质子交换膜燃料电池有强大的竞争力,但是由于其使用寿命太短故而仍未大规模的应用。提高其使用寿命可以通过几种方法实现,其中之一是故障预测与健康管理。
故障预测与健康管理旨在估算当前时间下系统衰退部分的健康状态并且预测在某特定时间点的健康状态。健康状态的预测结果可以帮助人们在正确的时间对系统进行维修,自动化系统的自适应控制也可以用此方法确定任务的完成[12]。将PHM应用于PEMFC是一个十分新颖的处理方法,而且相关文献资料也非常少,所以仍然需要强调这一领域的挑战。对于健康状态的评估和剩余使用寿命的预测,现在已有的方法可以被归类为数据驱动和基于模型两种方法。在[13]中,作者考虑到了由5个燃料电池组成的电池组,并且提出了一种粒子滤波的混合预测方法。作者用这种方法分别对三组模型进行了测设,分析了电压随着时间的变化趋势并且对剩余使用寿命进行了预测。然而,这种模型没有考虑到电池组的老化问题,因此预测值的准确度具有很大的局限性。参考文献[14]提出利用无迹卡尔曼滤波来进行健康监测及质子交换膜燃料电池的预测。无迹卡尔曼滤波可以将电化学活性表面积的退化率和工作条件连接起来。这种方法没有考虑到动态负载以及特性的影响,而这二者都影响老化速率。该方法也未通过实验研究的证实。 参考文献[15]用回声状态网络来估计质子交换膜燃料电池的剩余使用寿命,虽然这种方法似乎是有可能的,但没有被清楚地表明其预测剩余使用寿命是基于当前工作时间。参考文献[16]试图利用短时电化学阻抗谱以量化的表示退化。但是并没有客观性,并且这种方法是基于使用持续时间长的短路而提出的。根据alpha;绩效指标,[17]中提出了一个较好的结果,然而这种预测方法是针对单个燃料电池而不是电池组。预测时间也仅仅为300小时,这比我们所要求的在交通运输业中使用寿命的5000小时和军用8000小时来说,时间太短[18]。在参考文献中找到[20]-[23]中,也提出了一些其他的方法用以监控所述燃料电池的运行状况。虽然质子交换膜燃料电池正在逐步优化,但是关于质子交换膜燃料电池的衰减,我们仍然需要全面的研究结果,在整个质子交换膜燃料电池的运行中都可以预测其剩余使用寿命,这种预测的误差必须足够的小。
参考文献:
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