水冷型质子交换膜燃料电池冷却系统故障诊断研究

摘要

在传统能源日渐匮乏的今天，燃料电池尤其是质子交换膜燃料电池由于具有低噪音、无污染、能量转换效率高和工作温度低等良好性能，受到了广泛的关注。其中温度对电堆的输出性能与安全运行是一个重要的因素，过低的温度会导致电堆内部欧姆阻抗增大，极化现象增强，降低其输出性能，而过高的温度可能导致电堆温度均衡性变差，局部温度过高，使膜出现脱水甚至破裂的可能性。电堆温度由冷却系统进行控制，故对水冷型质子交换膜燃料电池冷却系统开展故障诊断的相关研究。 本文首先分析了质子交换膜燃料电池的运行机理与系统组成，回顾了故障诊断理论的发展历程，总结了燃料电池故障诊断技术在国内外的研究现状，并自主搭建了一套水冷型质子交换膜燃料电池冷却系统故障诊断平台。通过分析不同故障对系统相关参数的影响，提出了一种基于多传感器数据相互校正的故障诊断策略，主要研究成果如下： 在稳态工况下制定传感器采集数据的报警条件，当数据持续偏离其非报警区间时，认为故障现象发生。本文在给出报警条件的基础上，通过分析数据特征，制定不同故障的诊断策略。当检测到数据偏离报警阈值，系统在报警的同时能根据多传感器数据校正有效诊断出管道堵塞、泄漏、炸裂，水泵损坏、喘振等故障。 考虑到系统在正常运行时电堆温度变化幅度较小，且较大幅值的目标转速跳变不利于离心泵机芯的保养，本文制定了一种泵的定步长调速策略，能够避免动态工况下因流量的迟滞性所引发的系统误报警现象。为提高诊断的精确性，分别研究调速步长与刷新周期对报警阈值的影响。通过选取适当的参数，诊断系统可在满足动态响应的需求下消除数据的误报警现象。实验结果表明，在改进的调速策略下，稳态工况下制定的各组诊断策略在动态条件下依然具有较强的适用性。 对安装有分流装置的冷却系统，本文提出了一种基于数据的电控阀故障诊断策略，该策略能有效诊断阀体卡住与反馈角度偏离真实值两种故障。最后将诊断次序归纳为电控阀-多传感器联合校正-单传感器检测三层。结果表明，数据异常时系统能够迅速报警，并依次对导致数据异常的原因进行排查，最终诊断出故障的器件与性质。该诊断系统对于延长电堆寿命、改善输出性能与保障系统的安全性都具有重要的意义。

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摘 要

Abstract

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第1章 绪论

1.1 研究意义

1.2 PEMFC研究概况

1.2.1 质子交换膜燃料电池工作原理

1.2.2 温度对PEMFC特性的影响

1.3 故障诊断研究现状

1.3.1 故障诊断理论

1.3.2 质子交换膜燃料电池故障诊断

1.4 主要研究内容

1.5 本文结构安排

第2章 水冷型PEMFC冷却系统平台设计

2.1 平台构成

2.2 设备选型与控制逻辑

2.2.1 冷却液循环系统设计

2.2.2 电气设计

2.2.3 数据采集与控制

2.3 故障分析

2.4 本章小结

第3章 单循环冷却系统故障诊断

3.1 稳态工况下报警条件的制定

3.2 稳态工况下故障分析与诊断

3.2.1 管道泄漏

3.2.2 管道堵塞

3.2.3 管道炸裂

3.2.4 泵故障

3.2.5 传感器故障

3.3 动态工况下报警条件的制定与故障诊断

3.3.1 报警条件的制定

3.3.2 故障诊断的分析

3.4 诊断策略的有效性验证

3.5 本章小结

第4章 双循环冷却系统故障诊断

4.1 双循环冷却系统概述

4.1.1 报警条件的制定

4.1.2 故障分析与诊断

4.2 基于数据的电控阀故障诊断策略

4.3 诊断策略的有效性验证

4.4 本章小结

结论及展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果