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1、课程论文成绩:评语：任课教师签字：年月H频率正割角与操作条件在PEMFC水故障诊断中的相关性研究2016级，控制工程学科摘要：采用交流电化学阻抗谱法(EIS)对质子交换膜燃料电池(PEMFC)内阻进行直接检测时，会出现电堆输出电压不理想的情况，通常是由电堆水热循环不正常造成的，电堆的水热状态可以通过特征电阻来直接表示，特征电阻又与外界操作条件有关.本文通过寻找三种特征电阻与交流阻抗谱的频率正割角a之间的关系函数，进而将频率正割角用在PEMFC的水故障诊断中，提出了频率正割角与操作条件的相关性模型,并通过实验进行验证，证实模型可靠有效
2、.关键词：PEMFC;频率正割角;水故障诊断;相关性模型在采用EIS对PEMFC内阻进行直接检测时发现:当发射测试信号人于电堆转折频率时，其响应信号能够直观反应电堆各部内阻的变化，并且高频信号能够将电堆等效电容影响降为最低.该方法可避免外界扰动对系统产生较人的影响，而口测量所得数据很容易进行数学处理，故非常适合燃料电池内阻在线检测.1背景介绍及问题分析PEMFC在工作过程中，其理想输出电压应为电化学电动势,但是由于存在不可逆的损失，电池的输出电压会低于理想电压.实际上，燃料电池的不可逆电压损失是指活化过电压、浓差过电压和欧姆过电压三
3、种极化过电压.因此,PEMFC可等效为含有多个内部阻抗的电压源，在电子及氢离子传输过程中，由于燃料电池电极表面多孔结构的电学特性与外加电压的共同作用下,在电极表面会形成“双电层电容”(Cdl),以此建立了PEMFC等效电路.图1.1PEMFC等效电路模型燃料电池堆性能参数参见表1丄类型水冷型PEMFC电堆参数额定功率2kW额定电压8V输出性能额定电流250A电压范围4-10V电流范围0-360A燃料氢气纯度99.95%氢气工作压力l~3atm氧化剂空气自然空气空气压力l~4atm质戢3kg物理特性总体积25cm*15cm*10cm单
4、片有效反应而积15cm*20cm工作条件环境温度-5-40°C环境湿度10%-95%型号Nafionll2质子交换膜膜厚度51um电池片数10表1.1水冷型PEMFC堆性能参数通过交流阻抗测试仪向电堆发射一系列（频率从fl〜f4）的小幅高频交流电信号,采集得到电堆对应的响应信号fl{Zl、…、Zn}、f2{Zl、…、Zn}、f3{Zl、…、Zn}、f4{Zl、…、Zn},剔除异常点后，求出四组响应信号平均值Z；、乙、Z；、.基于燃料电池等效电路，得到关于Rf、只吋闇、Cdl的四元一次方程组.+(心+Rjxj3Cdi+1Rf+R(i
5、(Rf+斤〃)xJ3、£虹+1Rf+RdZ2(i-i)(Rf+水〃)xjco.^Cdl+1Rf+心(Rf+他)Xj(D^CdJ+1然后给PEMFC分别输入施加高频交流止弦电信号Ul、U2：U=UQsin（如）t/（692）=（70sin（692t）(1-2)(1-3)式中：69,=2/rf.=0=2乎二,U0为交流正弦信号幅值.利用采样电路采集一2十PEMFC的响应信号II、12：/(ej=/osin(如+&)l(a)2)=/osin(a)2t+O)(1-4)(1-5)式中：IO为响应信号幅值,8为响应信号相位角.由此计算得到PEM
6、FC对应频率的阻抗Z1、Z2为:Z.m1二Zri-jZn(1-6)ZM2=Zr2~JZi2(1-7)式中：」=J-】.由于Ml点为最高频率，故Zil=O,ZRl=Rm,F忒于亦命r,丿+(1-8)汀+1RR心RJ(&+RJ+阳(1-9)Ml和M2割线与实轴夹角为:z.2a-arctan7-7QR2R-arctan心心（心十心）（心+心『+心2R.R”：（心+心）2+心2=arctan(1-10)因此，从上式可以看出a是一个与Rm、Ra相关的值，而Rm利Ra的值与电堆内部反应环境息息相关，是随着电堆内部的温湿度环境变化而不断变化的值
7、，所以频率正割角a的不断变化可以实时反应燃料屯池堆的特征电阻值的相对关系，进而间接反映电堆内部的工作状态，为后续基于状态分析的故障诊断提供理论依据.2频率正割角与操作条件相关性模型的建立通过建立a=f（i,T,RH）机理模型，当前操作条件下，止常状态下电堆的（xO与实际at,作为电堆性能诊断的指标•在实际应用时，通过测得电堆当前状态下at（实际止割角），将at与aO作对比，通过二者差值△(!判断堆内工作状态.根据燃料电池等效电路模型，燃料电池输出性能损耗的根本原因是电堆工作过程中产生极化内阻Rf、欧姆内阻Rm、浓差内阻Rd,其中：极
8、化内阻Rf的大小依赖于电化学反应的动力学，可得极化内阻Rf表达式如式(2・1)所示：(2-1)式(3・1)中川为氢气反应转移的电子数；
9、^=2,a为电化学反应速率参数,其值的大小与PEMFC堆内反应环境及催化剂材料有关，取值范围为0.
