前  言  

質(zhì)子交換膜燃料電池以其高能量轉(zhuǎn)換率、無污染、啟動速度快、運行溫度低等優(yōu)勢，在新能源機車、有軌電車、汽車、便攜式電源及分布式發(fā)電等領(lǐng)域受到廣泛的青睞。西南交通大學(xué)研發(fā)的首輛PEMFC機車“藍天號"及聯(lián)合中車唐山機車車輛有限公司研制的世界首列燃料電池/超級電容混合動力100%低地板有軌電車展示了PEMFC在機車領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。然而，目前PEMFC制造成本高、壽命較短、穩(wěn)定性較差等不足，阻礙了PEMFC大規(guī)模的商業(yè)推廣與應(yīng)用。
 

PEMFC是一種多物理場耦合的非線性復(fù)雜系統(tǒng)，許多因素影響著其水管理故障，尤其隨PEMFC功率增大，水淹和膜干故障更易發(fā)生，導(dǎo)致系統(tǒng)的耐久性降低，工作性能受影響，甚至剩余壽命縮短。

準(zhǔn)確揭示PEMFC水淹和膜干故障產(chǎn)生機理、有效診斷水淹和膜干故障狀態(tài)以及探尋水淹和膜干故障發(fā)生后的解決措施，已逐漸成為研究焦點。

PEMFC水淹和膜干故障

1.1 PEMFC內(nèi)部水傳遞機理

PEMFC電堆在運行過程中，電堆內(nèi)部的水主要源于陰/陽極氣體增濕水及陰極側(cè)電化學(xué)反應(yīng)生成的水。電堆內(nèi)部水的排出方式主要是陰極側(cè)反應(yīng)剩余氣體排氣、陰極側(cè)脈沖排氣和陽極側(cè)脈沖排氣三種方式。水在電堆內(nèi)部的傳輸包括“電拖曳作用"和“反滲作用"等。在反應(yīng)過程中，質(zhì)子交換膜需充分濕潤，這是因為在陽極催化劑層產(chǎn)生的質(zhì)子是以水合質(zhì)子(H3O+)的形式進行傳輸，因此，質(zhì)子會將部分陽極側(cè)的水帶到陰極側(cè)，該過程稱為“電拖曳作用"。由于氫質(zhì)子和電子到達陰極側(cè)催化劑層與氧氣發(fā)生反應(yīng)生成水，而陽極側(cè)沒有水的產(chǎn)生，故膜兩側(cè)的水存在濃度差，陰極側(cè)的水會通過膜擴散到陽極側(cè)，該過程稱為“反滲作用"。PEMFC電堆內(nèi)部水遷移如圖1所示。

    圖1PEMFC內(nèi)部水遷移示意  

1.2 水淹和膜干故障的產(chǎn)生機理

在PEMFC的運行過程中，質(zhì)子傳導(dǎo)率與膜水含量密切相關(guān)，因此，良好的輸出性能對應(yīng)充分濕潤的質(zhì)子交換膜。然而電池內(nèi)部水含量過高會產(chǎn)生水淹故障，而水含量不足則會導(dǎo)致膜干故障。氣體擴散層和流道的水淹使得氣體反應(yīng)物到達反應(yīng)位點的傳輸受阻，催化劑的活性面積因水的覆蓋而降低，PEMFC的活化損耗和濃差損耗顯著增加。膜干故障會引起電阻率上升，使得PEMFC在運行過程中產(chǎn)熱增加，進一步導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)化效率降低及更為嚴(yán)重的膜干故障，甚至膜撕裂，嚴(yán)重影響輸出性能和剩余壽命。

在水淹和膜干故障的眾多機理研究中，ZHAN等對PEMFC的水傳遞機理進行了數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)大孔隙率的氣體擴散層、氣體擴散層和催化劑層間微孔層的存在能通過直徑更大的水滴，防止水滴堵塞孔隙，能夠更加有效的避免水淹故障的產(chǎn)生。CAI等對PEMFC的流道接觸角和流道材料通過數(shù)值模擬進行了分析，發(fā)現(xiàn)流道接觸角為90°時，流道壁會形成一層水膜，水膜進一步分裂后形成的大水滴會阻礙流道的水傳遞，引起水淹故障的發(fā)生。JING和ZHANG等的實驗研究中，大電流密度時，電拖曳作用過強導(dǎo)致陽極側(cè)出現(xiàn)缺水或膜干故障、歐姆阻抗增加；大電流密度和高相對濕度條件下，電池中過量的水因堵塞流道和擴散層孔隙而無法及時排出，導(dǎo)致電池出現(xiàn)水淹故障。ZHAO利用水入侵-蒸發(fā)實驗?zāi)M干濕循環(huán)對PEMFC內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，研究結(jié)果表明，水淹-膜干循環(huán)會造成催化劑凝聚顆粒急劇增大，并伴隨著針孔和催化劑撕裂等不可逆的損傷，導(dǎo)致PEMFC長期的性能衰退。

上述的機理研究表明，水淹和膜干故障對電池性能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有嚴(yán)重的不可逆損害，但可從材料、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及操作條件避免或緩解PEMFC的水淹和膜干故障。

1.3 水淹和膜干故障的影響因素

在PEMFC運行時，外部條件會影響內(nèi)部水含量和水的傳輸方向，進而影響電堆性能。常見的影響因素包括電堆電流、電堆溫度、電堆陰陽極進氣壓力、流量、濕度等。

當(dāng)PEMFC需要大功率出力時，電流會隨之增大，此時電堆內(nèi)部電遷移增加，陰極側(cè)水量積聚。張金輝提出在大電流密度下反應(yīng)生成的水更多，陰極側(cè)的水為電拖曳作用攜帶的水與陰極生成的水之和，故大量的水積聚在陰極。此時，如不能及時將水排出，就可能導(dǎo)致水淹故障的發(fā)生。

PEMFC電堆溫度會影響水蒸氣析出的液態(tài)水量。當(dāng)電堆電流較小而電堆溫度較高時，會出現(xiàn)膜脫水，甚至膜干現(xiàn)象。BrèqueF等提出燃料電池操作條件不當(dāng)會打破電堆水平衡，從而導(dǎo)致水淹和膜干故障的發(fā)生，并通過實驗測試得到不同操作條件對電池內(nèi)部濕度影響的占比，實驗結(jié)果表明，在濕度的影響因子中，電堆溫度相較陰極氣體化學(xué)計量比更為顯著。

氫氣和氧氣進入電堆需要一定的壓力以保持氣體的流動，膜兩側(cè)的壓力差對水具有壓力遷移作用，推動水在膜中的傳遞。戴朝華等人提出濕度過高、氣體流速過低以及電堆內(nèi)部壓力過大都可能引起反應(yīng)物分布不均，導(dǎo)致流道內(nèi)阻力變化，造成氣體擴散電極的腐蝕以及流道阻塞，最終引發(fā)水淹故障。

上述研究分析表明，電堆中的水含量和水遷移主要受電流、溫度、氣體壓力及壓力差等因素影響。在運行時因參數(shù)設(shè)置不當(dāng)導(dǎo)致熱管理和水管理出現(xiàn)失衡時，電堆內(nèi)部會出現(xiàn)液態(tài)水堆積無法排出或者質(zhì)子交換膜含水過少而影響質(zhì)子的傳導(dǎo)，由此PEMFC進入水淹和膜干的不健康運行狀態(tài)。

1.4 水淹和膜干故障的診斷指標(biāo)

現(xiàn)有的PEMFC故障診斷中，水淹和膜干的定義和診斷指標(biāo)尚未擁有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。常見的診斷指標(biāo)有電壓、壓力降、電化學(xué)阻抗譜等。

 1.4.1 電壓指標(biāo)       

在PEMFC運行過程中，當(dāng)發(fā)生水淹時，輸出電壓出現(xiàn)大幅下降并伴隨著劇烈波動。然而，電壓指標(biāo)很難準(zhǔn)確診斷膜干，這是由于膜干發(fā)生時，輸出電壓僅出現(xiàn)因膜電阻增大而引起的下降，未伴隨劇烈波動，與操作條件不當(dāng)導(dǎo)致的電壓下降難以區(qū)分。

1.4.2 壓力降指標(biāo)       

針對壓力降指標(biāo)，主要分為基于直接壓力降、壓力降偏差、壓力降頻率和兩相流乘數(shù)等指標(biāo)。

直接壓降

直接壓降指氣體進口處與出口處的壓力差，主要用于PEMFC水淹的趨勢分析，可分為陽極壓力降和陰極壓力降。當(dāng)發(fā)生水淹時，陰極壓力降逐漸增加直到平衡，此時由于濃度梯度的影響，陰極側(cè)的水反滲到陽極使陽極側(cè)水含量增加，進一步導(dǎo)致陽極壓力降增加。當(dāng)發(fā)生膜干時，此時膜內(nèi)水含量極低，壓力降幾乎不變，故膜干不能由直接壓力降單一表征。但膜干時電池的輸出電壓因膜電阻的增加而減小，故可結(jié)合直接壓力降和電壓這兩個指標(biāo)診斷膜干故障。

壓力降偏差

壓力降偏差指PEMFC實際運行過程中的壓力降與理論計算的壓力降之間的差值，可用于表征PEMFC的水淹、正常和膜干狀態(tài)。文獻利用陽極壓力降偏差驗證了水淹形成過程中水在流道和氣體擴散層的四種存在形式。文獻將3-sigma原理應(yīng)用于該指標(biāo)，準(zhǔn)確區(qū)分了PEMFC的工作狀態(tài)。此外，研究人員結(jié)合壓力降偏差與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)算法，對水淹和膜干進行了診斷。

壓力降頻率

壓力降頻率指有源PEMFC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以不同頻率運行，進而獲取不同頻率下的壓力降?；趬毫殿l率，可通過Fourier變換、小波變換等方法提取特征頻率獲取PEMFC內(nèi)部水含量的動態(tài)變化。

兩相流乘數(shù)

兩相流乘數(shù)指液態(tài)水在兩相流中的影響，可由單相流壓力降和兩相流壓力降推導(dǎo)得出?；趦上嗔鞒藬?shù)的指標(biāo)，低溫時的高乘數(shù)可用于表征水淹，高溫時的低乘數(shù)則可反映膜干。在上述壓力降指標(biāo)中，直接壓力降一般用于單相流診斷應(yīng)用，而壓力降偏差廣泛地應(yīng)用于單相流、兩相流的故障診斷。

1.4.3 阻抗譜

PEMFC的阻抗譜一般可由EIS測量儀器獲得，其中高頻電阻和低頻阻抗可分別作為膜干和水淹故障的診斷指標(biāo)。這是由于膜電阻可近似由阻抗譜的高頻電阻進行描述，高頻電阻越大，表明膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率越低，膜水含量越低。在阻抗譜中，低頻阻抗可描述電池的質(zhì)量傳輸電阻，根據(jù)PEMFC水傳輸機理可知，水淹會堵塞氣體擴散層和流道，導(dǎo)致氣體的質(zhì)量傳輸電阻增大。

1.4.4 診斷指標(biāo)小結(jié)

除上述常見的指標(biāo)外，全睿將膜的相對濕度80%作為水淹的診斷指標(biāo)，相對濕度40%作為膜干的診斷指標(biāo)。B.M.Boshkoska等通過數(shù)據(jù)采集、信號處理、統(tǒng)計分析和信息聚集等手段獲取了一個能夠良好地表征水淹、膜干以及其故障嚴(yán)重性的判斷指標(biāo)，該指標(biāo)能適用于水淹和膜干的在線診斷。

上述電壓、壓力降和阻抗譜三個指標(biāo)中，電壓和壓力降可用于在線診斷與故障預(yù)測。壓力降能夠準(zhǔn)確的判斷水淹和膜干，但對電堆中的故障片難以有效診斷。此時可通過電化學(xué)阻抗譜或電壓監(jiān)測法進行故障電池的準(zhǔn)確定位。電化學(xué)阻抗譜中阻抗指標(biāo)能精準(zhǔn)描述水管理故障的特征及定位故障單片，但需要大量時間獲取阻抗信息，在商業(yè)應(yīng)用和實時控制領(lǐng)域，基于電化學(xué)阻抗譜的在線診斷需要進一步研究。

1.5 水淹和膜干故障的危害

隨著液態(tài)水的不斷堆積，最終覆蓋氣體擴散層和催化劑層表面，降低催化層活性、加快材料的腐蝕和催化劑的流失、減少活性面積，甚至出現(xiàn)液態(tài)水在氣體流道內(nèi)集聚，導(dǎo)致氣體流通不暢，嚴(yán)重影響PEMFC的運行、性能和剩余壽命。YANG等觀察到電堆經(jīng)常會出現(xiàn)陽極水淹，阻礙氫氣的流動和擴散，引起局部氫饑餓，從而導(dǎo)致催化層的碳腐蝕。OwejanJP等發(fā)現(xiàn)水淹還會導(dǎo)致輸出電壓不穩(wěn)定。華周發(fā)的研究得出，水淹會增大反應(yīng)物通過擴散層到達催化層的傳質(zhì)阻力，降低電池輸出功率，甚至使膜的局部發(fā)生溶漲，對膜造成損傷，嚴(yán)重時導(dǎo)致反極現(xiàn)象。St-PierreJ等發(fā)現(xiàn)水淹不僅會瞬間降低電堆性能，還會減少電堆的剩余壽命。

膜干是水管理和熱管理不當(dāng)引起的水分蒸發(fā)或流失太快而導(dǎo)致的質(zhì)子交換膜含水量過低。在PEMFC中質(zhì)子交換膜用于傳導(dǎo)質(zhì)子，而質(zhì)子的傳導(dǎo)過程需要水分子作為載體，故膜干發(fā)生時質(zhì)子傳導(dǎo)率會大幅下降，影響電池正常運行；同時，膜電阻增大，電流通過膜時的產(chǎn)熱增加，嚴(yán)重時會導(dǎo)致局部過熱而灼燒質(zhì)子交換膜。若長期處于膜干狀態(tài)，干燥區(qū)域不斷擴大，最終導(dǎo)致整個膜干化破裂，造成不可逆的損害。張洪霞等將電堆在膜干狀態(tài)下長期運行，發(fā)現(xiàn)電堆性能變差，利用光學(xué)顯微鏡觀察膜的內(nèi)部構(gòu)造，如圖2所示，觀察到膜的物理降解速度加快，進而發(fā)生膜穿孔，甚至裂紋。

  圖2光學(xué)顯微鏡下的 催化膜表面(約放大500)   

水淹和膜干故障的診斷方法

目前對PEMFC水淹和膜干故障的診斷方法，主要是基于模型、實驗和數(shù)據(jù)驅(qū)動這三種診斷方法。

2.1基于模型方法的水淹和膜干故障診斷

基于模型的診斷方法主要是通過數(shù)學(xué)模型來模擬電池運行狀態(tài)。郭家興等采用工業(yè)常用的故障診斷方法，即首先建立對象模型，然后根據(jù)模型輸出，對PEMFC發(fā)電系統(tǒng)進行故障診斷。并提出了一種適用于在線診斷的雙輸入單輸出的一維T-S模糊模型，通過輸入電壓、電流值，基于模糊邏輯對PEMFC進行建模，最終以設(shè)定模型輸出的閾值和模型輸出變化率的閾值診斷水淹和膜干故障。該論文僅對單電池進行實驗，而電堆中各單片電池間具有強耦合性、差異性和相關(guān)性，且單片電壓巡檢系統(tǒng)還增加了系統(tǒng)復(fù)雜程度和系統(tǒng)故障率。

周蘇等在基于COMSOL+Multiphysics3.5平臺建立PEMFC二維分布參數(shù)模型研究水淹和膜干故障。通過對比故障前后PEMFC內(nèi)部相應(yīng)物理量的變化，對故障嵌入可行性進行了驗證。該模型驗證了不同典型故障下，電壓降的程度和類型。間接表明可通過檢測單片電池電壓變化來判斷故障類型。

魏雨辰等通過建立PEMFC半機理半經(jīng)驗的動態(tài)模型，對燃料電池水淹和膜干故障進行仿真，對比由該模型的快速EIS方法和實驗方法獲得的Nyquist圖和Bode圖，驗證了基于模型仿真和快速EIS方法的結(jié)果的正確性，初步實現(xiàn)了故障識別和分類，為基于模型的診斷方法提供了借鑒。Gebregergis等通過PEMFC單片電池電壓和阻抗響應(yīng)來識別水淹和膜干，并采用低頻阻抗響應(yīng)用來辨明故障原因，同時對C模型(resistivecapacitive，Cmodel)和CPE模型(resistiveconstant-phase-element，CPEmodel)進行了比較，結(jié)果表明CPE模型更符合實際情況，但對模型的度有很高的要求。

Giurgea等結(jié)合基于模型診斷和基于信號診斷方法的優(yōu)點，提出一種新的故障檢測方法:基于單電池電壓和電堆的逆向射流模型統(tǒng)計分析單片電壓的方差和相關(guān)電壓的下降評估水淹的概率，并通過一500W電堆的實驗結(jié)果驗證了該方法的有效性。

上述研究中，T-S模糊模型將PEMFC內(nèi)部作為黑箱模型，以輸入輸出的關(guān)系來表征水淹和膜干故障，該方法無需精準(zhǔn)的PEMFC模型，但存在參數(shù)的辨識問題?；谀Ｐ偷腅IS方法具有準(zhǔn)確區(qū)分故障類別的優(yōu)點，是水淹和膜干故障研究中常用的工具，但以頻率掃描的方式測量阻抗耗時長，針對大功率PEMFC電堆的在線故障診斷需進一步研究。基于三維建模軟件對PEMFC的模型研究，其能直觀地表征故障和正常時水含量在電池內(nèi)部的分布，但僅針對單片電池進行了研究。PEMFC大功率電堆及多堆運行系統(tǒng)存在著強耦合性、滯后性、約束性、不確定性和隨機干擾等特點，上述方法在實際中的應(yīng)用及推廣，亟待進一步深入研究。

2.2基于實驗方法的水淹和膜干故障診斷

基于實驗方法對PEMFC的水淹和膜干故障的診斷，主要測量的參數(shù)有電壓、膜內(nèi)阻、氣體進出口壓力降等。

2.2.1基于陽極氣體壓力降診斷  

水淹和膜干故障文獻和發(fā)現(xiàn)陽極氣體壓力降可視為水淹的可靠指標(biāo)，阻抗可作膜干指標(biāo)，進而可通過監(jiān)測陽極壓力降和阻抗來判斷水淹和膜干。通過測量電池的陽極進出口壓力差估算氣體擴散層中的水飽和度來判斷電池內(nèi)部水的狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)單片電壓巡檢系統(tǒng)會增加系統(tǒng)故障，不宜用于故障診斷，故通過陽極壓力降進行水淹判斷，利用在線測量歐姆阻抗診斷膜干。通過測量電堆正常運行時的陽極氣體壓力降和水淹狀態(tài)下的壓力降進行對比發(fā)現(xiàn)：正常運行時的陽極壓力降與電流密度成正比；而水淹時的輸出電壓下降，陽極壓力降明顯升高。

宋滿存通過實驗驗證了采用陽極壓力降進行水淹診斷的可行性。通過測量實際陽極氣體壓力降和理論比較，發(fā)現(xiàn)二者的差值隨著電堆水淹程度的加深而增大。該方法可用于判斷發(fā)生水淹的趨勢及程度，但對水淹故障的界限難以有效判斷。針對這一問題，通過實驗分析了陽極氣壓力降在電池水淹過程中的“階躍平臺"的變化特征，結(jié)合電壓及陽極流道內(nèi)水的形態(tài)，將水淹過程劃分為無水期、濕潤期、過渡期和水淹期四個階段，并進行了驗證。在后續(xù)的研究中，基于“3-sigma法"的陽極壓力降偏差將PEMFC的運行狀態(tài)分為膜干、正常和水淹態(tài)，在水淹故障發(fā)生時，通過提升運行溫度和加快排氣頻率將PEMFC恢復(fù)到正常工作區(qū)域。

    2.2.2 基于交流阻抗譜和膜內(nèi)阻診斷水淹和膜干故障   

PEMFC中的水含量會影響膜阻抗的大小和交流阻抗譜形狀，但交流阻抗譜和膜內(nèi)阻不易直接測量。羅良慶討論了常見的測量質(zhì)子交換膜內(nèi)阻或交流阻抗譜的方法：中斷電流法簡單常用，但不適于在線測量；交流阻抗法的測量精度取決于測試條件下負載的幅/相特征，然而大多負載的特征難以獲取，故限制了該方法的推廣應(yīng)用；高頻阻抗法總體較為復(fù)雜；EIS測量得到的數(shù)據(jù)可對PEMFC模型進行曲線擬合和參數(shù)估算，進一步獲取如歐姆阻抗、極化阻抗、雙層電容效應(yīng)以及擴散阻抗等重要參數(shù)，利用上述數(shù)據(jù)可全面準(zhǔn)確地分析電池的運行性能以實現(xiàn)電池的健康狀態(tài)監(jiān)測和水管理診斷。

LeCanut等研究發(fā)現(xiàn)，在恒電流工況下實驗，水淹和膜干均會使得輸出電壓和膜阻抗隨時間變化，當(dāng)僅依據(jù)輸出電壓變化難以分辨故障類型時，阻抗變化便可作為輔助的診斷依據(jù)。該論文認為膜干會導(dǎo)致所有頻率下的阻抗幅值和相位角增大；而在低頻（<10Hz）時水淹會引起阻抗幅值增大，同時在100Hz以下時相位角減?。灰虼丝赏ㄟ^阻抗譜的變化來判斷電堆的水淹或膜干狀態(tài)。譚保華和舒芝鋒根據(jù)膜內(nèi)阻和膜濕度的高度相關(guān)性，基于內(nèi)阻和濕度的經(jīng)驗公式建立膜濕度的軟測量方法，進而通過膜濕度來預(yù)測燃料電池內(nèi)部水的狀態(tài)。Legros等通過EIS和聲發(fā)射技術(shù)檢測(Acoustic-Emission，EA)建立電堆阻抗模型，并通過實驗發(fā)現(xiàn)水淹主要影響傳遞阻抗和陰極Warburg阻抗。鮮亮等人基于交流阻抗譜法驗證R(RQ)(RQ)(RQ)結(jié)構(gòu)的等效電路模型(equivalentcircuitmodel，ECM)參數(shù)，由實驗結(jié)果觀察到低頻半圓弧可用于描述陰極水淹程度。Fouquet等利用常相位元件代替電雙層電容改進傳統(tǒng)的Randles等效電路模型，基于該模型，通過測量膜極化電阻和擴散電阻定義了與正常、水淹和膜干條件相關(guān)的三個子空間。Kurz等使用EIS方法來診斷水淹和膜干現(xiàn)象。實驗結(jié)果顯示0.5Hz處阻抗虛部的測量值和1kHz處阻抗實部的測量值可用于區(qū)分水淹和膜干。Roy等的研究表明水淹可通過測量阻抗的標(biāo)準(zhǔn)差進行預(yù)測，發(fā)生水淹時的電池阻抗和阻抗的標(biāo)準(zhǔn)差具有顯著的增加。

LEE等設(shè)計了一種新型內(nèi)嵌的特殊微型傳感器，可沿氣體流道和橫穿氣體流道來檢測膜電阻的局部變化，隨后以電阻數(shù)據(jù)來判斷電堆所處的工作狀態(tài)。但該傳感器設(shè)計難度大、造價高，很難推廣到實際應(yīng)用。Debenjak等對一個含80片電池的電堆，基于EIS測量頻率范圍從30Hz到300Hz組成的電堆阻抗譜，并結(jié)合電堆輸出電壓判斷水淹和膜干狀態(tài)。Roy等測量單電池阻抗來研究水淹過程，發(fā)現(xiàn)水淹是一個漸進的過程，流道和氣體擴散層的幾何設(shè)計對水淹故障的緩解有較大的影響。Yousfi-Steiner等指出EIS常用于檢測燃料電池水淹和膜干，但檢測過程耗時長、設(shè)備成本高等缺點使其很難應(yīng)用于在線診斷。

2.2.3基礎(chǔ)可視化技術(shù)研究水淹和膜干故障的動態(tài)過程  

可視化和圖形成像技術(shù)用于監(jiān)測PEMFC內(nèi)部水分布和水的動態(tài)變化，其主要包括：中子成像，直接成像，核磁共振成像和X射線掃描成像四種技術(shù)方法。

Bellows等于1999年首將中子成像法應(yīng)用于PEMFC來觀察水的分布，隨后其他機構(gòu)將該技術(shù)作為對PEMFC進行無損分析的工具。Gebel等通過小角度中子散射實驗觀察了透明燃料電池中的水的動態(tài)變化情況。Bazylak等通過熒光顯微鏡和壓力傳感器研究了水淹中液態(tài)水的生成過程及水在氣體擴散層和流道的動態(tài)過程。Afra等采用透明的氣體擴散層對水傳輸過程進行了可視化研究。利用實驗研究了無MPL的GDL，帶1cmMPL的GDL和帶2cmMPL的GDL，結(jié)果表明，微孔層能夠明顯改善電池的水淹故障，提升電池的性能。Garcia-Salaberri等采用了中子成像的液態(tài)水分布研究了膜水合和脫水過程，結(jié)果表明，水合脫水循環(huán)是陽極進水室中水的周期性冷凝及水滴流入陽極流場引起的。Akitomo等利用X射線成像和極化電壓分析了高溫高壓對PEMFC的影響，結(jié)果表明，高溫時的水蒸氣分壓過高導(dǎo)致氧分壓下降，且易造成膜干的發(fā)生，從而影響電池性能。張新豐等對核磁共振法、中子成像法、X射線掃描成像、電子掃描成像、光學(xué)成像法、共焦顯微成像和熒光顯微成像法等可視化技術(shù)用于研究電堆內(nèi)水含量及其分布的特征進行了概述。

可視化技術(shù)能直觀地觀察電堆內(nèi)部水的狀態(tài)，該技術(shù)可用于優(yōu)化電堆內(nèi)的流道等參數(shù)以提高電堆性能。但受限于昂貴的設(shè)備、技術(shù)要求高等，不適于在線水淹和膜干故障診斷，且多數(shù)可視化技術(shù)僅提供定性分析而非定量分析。

2.2.4小結(jié)            

上述3種主要方法中，基于陽極壓力降能夠?qū)崟r在線地反映PEMFC的水淹和膜干故障，并能指導(dǎo)操作條件使PEMFC恢復(fù)到正常態(tài)，但該方法對電堆中故障片的準(zhǔn)確定位較難。針對故障定位問題，基于交流阻抗譜和膜阻抗的方法可依據(jù)單片電池的阻抗特征進行準(zhǔn)確的故障定位，且能描述整個電堆的阻抗特征。但是，通過頻率掃描測試阻抗譜，多次測量取平均值獲取單個頻率點的阻抗，這些過程具有耗時長的缺點，阻礙了其在線診斷應(yīng)用。當(dāng)掃描單個頻率點來表征阻抗時，用于反映水淹和膜干的阻抗指標(biāo)，其對應(yīng)頻率點的選取較難，尤其是表征水淹故障的低頻阻抗點?？梢暬夹g(shù)能直接觀察水在電池內(nèi)部的分布及氣液兩相的動態(tài)變化，有助于PEMFC內(nèi)部水的機理研究，但成像設(shè)備昂貴、需要透明電池、僅適用于實驗室研究等不足限制了商業(yè)化應(yīng)用及在線應(yīng)用。

2.3基于數(shù)據(jù)驅(qū)動方法的水淹和膜干故障診斷

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動方法的診斷技術(shù)主要基于大量的歷史數(shù)據(jù)分析，且不依賴診斷對象的具體模型。

在文獻的研究過程中，首先對PEMFC施加偽隨機二進制序列信號(PRBS)激勵信號獲取大量阻抗數(shù)據(jù)信息，并將其視為獨立的復(fù)雜隨機變量，隨后進行連續(xù)小波變換(CWT)、連接函數(shù)進行數(shù)據(jù)融合，再將處理后的數(shù)據(jù)信息進行統(tǒng)計分析，以連接函數(shù)的輸出對PEMFC的水淹和膜干及其故障嚴(yán)重性進行診斷，并通過實驗數(shù)據(jù)驗證了該診斷方法的有效性。

周蘇等基于小波分析方法對電堆電壓信號進行處理，根據(jù)得到的小波分析圖譜的差異來識別故障類型，從而初步實現(xiàn)診斷目的。全睿針對故障的復(fù)雜性和識別的不確定性問題，提出了基于信息融合技術(shù)的支持向量機(supportvectormachine,SVM)和D-S證據(jù)理論(dempster-shafertheory,DST)的信息融合技術(shù)的PEMFC故障診斷方法。

有研究提出不應(yīng)將電堆作為一個整體進行水淹實驗而應(yīng)考慮單電池間的差異性，并對一個20片電池組成的電堆進行水淹實驗，以每片電池的電壓作為輸入數(shù)據(jù)，采用Fisher線性判別(Fisherlineardiscrimination,FDA)提取特征，利用高斯混合模型(Gaussianmixturemodel,GMM)進行故障檢測并分類，將數(shù)據(jù)分成不同的健康等級，進而診斷電堆所處狀態(tài)。對離線的歷史數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練，又提出將Fisher線性判別

(Fisherlineardiscrimination,FDA)和有向非循環(huán)圖支持向量機

(directedacyclicgraphsupportvectormachine，DAGSVM)相結(jié)合，得到用于特征提取的FDA模型和故障分類的DAGSVM模型，基于上述模型進行在線處理實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)在線診斷。有研究提出使用非模型診斷的方法，首將RC(reservoircomputing)方法應(yīng)用于PEMFC故障診斷，將診斷結(jié)果和現(xiàn)有方法進行對比發(fā)現(xiàn)RC方法在診斷時長和準(zhǔn)確度上均有很大進步。使用LDA-PNN方法對PEMFC的17806組水管理故障樣本進行診斷，發(fā)現(xiàn)此方法在診斷精度和診斷時間方面均有很大提升，并認為該方法適用于水淹和膜干故障診斷。有研究應(yīng)用ANN估計了PEMFC的理論壓力降來研究基于壓力降指標(biāo)的水淹和膜干故障診斷。

目前，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動方法對PEMFC水淹和膜干進行診斷受到廣泛關(guān)注。該方法能直接利用PEMFC運行時的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)進行測試，通過不同數(shù)學(xué)算法對數(shù)據(jù)進行處理來獲取水淹、膜干和正常態(tài)的特征，再根據(jù)特征來判斷其余數(shù)據(jù)下電池的工作狀態(tài)。基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障診斷方法可應(yīng)用于在線診斷、大功率PEMFC電堆及多堆的水淹和膜干故障診斷，針對電堆中故障單片的定位具有較大優(yōu)勢。但算法所需時間、特征分類及故障識別準(zhǔn)確率等需進一步改進提升。

水淹和膜干故障的緩解方式

水熱管理不當(dāng)可能會導(dǎo)致電堆出現(xiàn)水淹、膜干等故障現(xiàn)象，常見的緩解措施有改變脈沖排氣，改變運行溫度、加濕方式和流道設(shè)計結(jié)構(gòu)等。

為改善水傳遞，CAI等人發(fā)現(xiàn)流道采用疏水性的底壁有助于形成脈沖效應(yīng)，使水更快速的排出，避免流道內(nèi)水堆積而產(chǎn)生水淹故障。

HAO等對脈沖排氣進行了研究，提出在水淹狀態(tài)下，一段短時間的脈沖排氣可讓電堆在相對長的時間內(nèi)保持干燥。張金輝等對陽極壓力降設(shè)置閾值，達到閾值時通過脈沖排氣的手段來緩解水淹；同時對膜阻抗也設(shè)置一個閾值，當(dāng)膜阻抗超過閾值時，增加空氣進氣濕度來緩解膜干。宋滿存等人指出常見的脈沖排氣法從實驗結(jié)果表明僅能緩和一段時間的水淹而未從根本上解決故障；故脈沖排氣只能作為嚴(yán)重水淹時的輔助策略。良好地控制水、熱管理才能從源頭解決水淹和膜干故障。

李樺等提出了一種主副流道分流式的陰極進氣加濕方式，并應(yīng)用基于不同水傳輸機理的數(shù)學(xué)模型研究了該新型進氣方式的加濕效果，并用于同時解決膜干和水淹兩種故障。仿真結(jié)果表明：該陰極進氣方式可在節(jié)約50%進氣加濕用水的同時保證電池性能。遺憾的是該文僅為數(shù)值模擬研究，實際應(yīng)用中的效果有待解決。

Bunmark等提出修改流道的幾何設(shè)計,如圖3所示，并基于實驗對比分析了陰、陽極流道向上或向下傾斜20度及方形流道設(shè)計時電堆內(nèi)部的濕度，結(jié)果表明：在陰極向下傾斜20度可使電堆性能，并在高濕度時也有較好性能。這是由于該設(shè)計可以加強水從陰極到陽極的反滲作用，有助于膜水合作用來提高電導(dǎo)率。

YAN等設(shè)計了兩種3維流場通道幾何結(jié)構(gòu)，并通過實驗對數(shù)值模型的分析進行驗證。其中一種結(jié)構(gòu)為促進氧氣對流的波浪形通道，該設(shè)計可增強氧氣的供應(yīng)并產(chǎn)生渦流，隨后渦流通過慣性將積聚在GDL的水排出；另一種結(jié)構(gòu)為具有梯度深度的波浪形通道，該流道設(shè)計能讓流體沿流道提升流速，克服了下流區(qū)域嚴(yán)重的氧饑餓和水淹情況，使電流分布更加均勻。實驗結(jié)果表明，這兩種流道均能提升電池性能，尤其在大電流密度下。

Afra等通過添加微孔層來減少氣體回流、層與層之間的水飽和度等級，以及減小GDL內(nèi)部非濕潤液體的膨脹面積，進而改善電池性能。Akitomo等提到，高溫時可通過氣體進氣壓力改善輸出性能，該論文還提到在未來的高溫高壓大功率的發(fā)展中，微孔層的孔隙結(jié)構(gòu)和濕潤情況的研究及其重要。

   圖3 三種流道結(jié)構(gòu)-陽極向下傾斜 方形通道、陰極向下傾斜 

結(jié)論

4.1 總結(jié)

PEMFC已有許多成功的商業(yè)應(yīng)用，但易發(fā)生水淹和膜干故障引起材料脫落、活化面積減少、膜損壞等不可逆損失，進而導(dǎo)致PEMFC性能、穩(wěn)定性與耐久性下降甚至壽命衰減，此類問題仍限制著PEMFC的發(fā)展。水淹和膜干故障能夠發(fā)生在PEMFC的不同位置，故*避免故障的發(fā)生十分困難。但歷經(jīng)數(shù)十年研究，PEMFC水淹和膜干故障發(fā)生的機理逐漸清晰，故障診斷的方法日益豐富，可視化技術(shù)的日趨成熟，為改善水管理故障、提高電池性能提供了充分的條件?？梢暬夹g(shù)在PEMFC中的應(yīng)用為研究水傳輸機理提供了準(zhǔn)確有效的途徑，為水管理提供相應(yīng)的改善方法，可惜的是該技術(shù)不適用于在線故障診斷。基于數(shù)據(jù)驅(qū)動類型的故障診斷方法，隨著算法的改進和分類準(zhǔn)確性的提升能準(zhǔn)確快速地診斷故障類型，并可用于軌道交通機車等大功率PEMFC應(yīng)用的在線診斷。因此，以數(shù)據(jù)驅(qū)動為主的水淹和膜干故障診斷方法以其快速、準(zhǔn)確、有效的優(yōu)點，逐漸成為主要的在線診斷方法。然而，故障發(fā)生后的緩解措施與實時控制仍需進一步研究，以確保PEMFC能以較高輸出性能長期穩(wěn)定的運行。

4.2 展望

PEMFC水淹和膜干是常見的運行狀態(tài)，嚴(yán)重時會影響電堆性能和壽命。因此對PEMFC進行水淹和膜干故障診斷尤為重要，本文對該領(lǐng)域的進一步研究有如下展望：

1）PEMFC水淹和膜干故障

在線診斷方法研究

隨著PEMFC的商業(yè)化進程，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的在線診斷方法有助于工程應(yīng)用的實時控制使PEMFC高效穩(wěn)定運行，尤其是大功率和多堆系統(tǒng)的應(yīng)用。

2）PEMFC水淹和膜干故障建模

目前的PEMFC模型大多為單片電池正常態(tài)或故障態(tài)的模型，不能很好地擬合電堆實際運行的狀態(tài)和參數(shù)變化，尤其是正常向故障轉(zhuǎn)換的動態(tài)過程。因此，建立適用于故障診斷的PEMFC模型對水淹和膜干故障診斷至關(guān)重要。

3）大功率PEMFC水淹和膜干

故障診斷研究

目前針對PEMFC水淹和膜干的診斷主要集中在小功率及單片PEMFC。而作為軌道交通領(lǐng)域的新興動力源，PEMFC在大功率下的水淹和膜干故障診斷技術(shù)尚不成熟，且大電流、高溫等復(fù)雜環(huán)境、更易導(dǎo)致水淹或膜干等狀態(tài)。為確保軌道交通列車的安全可靠持久運行，關(guān)于大規(guī)模PEMFC的水淹和膜干故障診斷亟待研究解決。

4）多堆PEMFC水淹和膜干影響規(guī)律研究

目前PEMFC水淹和膜干的研究主要為對單堆或單片電池進行故障診斷，但工程應(yīng)用通常為多堆組成的系統(tǒng)，當(dāng)單個電堆發(fā)生水淹或膜干故障時，多堆間的耦合性會使得其他電堆所承受的負荷波動，進而導(dǎo)致多個電堆間性能惡化。探究多堆間PEMFC水淹和膜干故障影響規(guī)律研究以及定位故障電堆，提出相應(yīng)的緩解措施以提高多電堆系統(tǒng)的整體壽命，有待深入研究。

5）水淹和膜干故障評價指標(biāo)的探討

在現(xiàn)有研究中，PEMFC水淹和膜干的診斷指標(biāo)多樣，無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，且大部分指標(biāo)僅適用于單片電池。因此，基于PEMFC的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以電壓和壓力降作為主要指標(biāo)建立較完善、能診斷電堆內(nèi)部故障單片和多堆系統(tǒng)中故障電堆的診斷指標(biāo)，對大功率PEMFC的商業(yè)化應(yīng)用具有重要的研究價值。

文章來源：氫能和燃料電池

作者：張雪霞

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