基于物理模型的质子交换膜燃料电池寿命预测开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

目的：燃料电池正在以蓬勃之姿快速发展，随着人们对环境越来越重视，燃料电池的发展是势在必行的。全球范围来看，世界主要发达国家从资源、环保等角度出发，都十分看重氢能的发展，目前氢能和燃料电池已在一些细分领域初步实现了商业化。各个国家都在加大对燃料电池的研发力度，我们也要抓住机遇，鼓励燃料电池行业的发展，投入更多的资金和科研力量，争取走在世界的前列。我国的氢能和燃料电池已经领先于亚洲，但目前不论是国内的氢能技术，还是氢能产业基础，都与国际最先进水平还有一定的差距，要实现2020年加氢站数量达到100座，燃料电池汽车达到万辆，我们还有很长的路要走。燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置。质子交换膜燃料电池是最有前景的新型发电装置之一，由于其功率密度高、环境友好、重量轻和资源丰富等特点，已经被广泛应用于军事、交通和热电联产等领域。然而，使用寿命短、性能衰减快、维护成本高和氢气燃料贵等缺点显著阻碍PEMFC的部署和商业化发展。为了在故障发生前预测其剩余使用寿命(remaininguseful life，RUL)并及时安排对燃料电池系统进行维修以延长其使用寿命PEMF的RUL预测成为亟待解决的问题。目前，已有相关文献综述燃料电池故障预测与健康管理(prognostic and health management，PHM)。陈维荣等从模型驱动方法、数据驱动方法和实验 测试方法共3个方面综述国内外燃料电池故障诊断技术的研究现状。Hao Liu等总结基于模型、数据和混合策略的PEMFC预测方法。Thamo Sutharssan 等介绍 PEMFC 系统健康监测和预测领域目前的新进展。Marine Jouin等分析PEMFC电堆PHM的技术发展水平和剩余挑战。 然而，以上工作的研究对象主要集中在PEMFC 故障诊断、老化机理、健康指标(health indicator，HI)和监测技术，并未对燃料电池剩余使用寿命预测方法进行详细划分；而针对PEMFC剩余使用寿命预测方法的综述研究还尚未报道。

意义：质子交换膜燃料电池故障诊断与剩余使用寿命预测方法研究对于提高 PEMFC 的耐久性和实际剩余寿命具有重大研究意义。PEMFC故障类型包括燃料压力过低(高)、空气压力过低(高)、燃料过量 系数过低(高)、空气过量系数过低(高)、加湿度过低 (高)等。长时间的故障可导致质子交换膜膜干或水淹，其中质子交换膜水淹故障是可逆的，即可通过调节空气入口压力与加湿度等参数使 PEMFC脱离故障状态并恢复性能；而质子交换膜膜干故障是不可逆的，即不可通过调节参数使PEMFC系统恢复，会对PEMFC产生永久性损伤。严重的故障会导致 质子交换膜穿孔或PEMFC爆炸(火灾)等大型安全事故，造成不可挽回的经济损失。因此，保证PEMFC系统处于健康状态持续运行至关重要。在维持PEMFC系统安全可靠运行的同时，根据系统运行参数实时预测PEMFC剩余使用寿命可在电堆 报废前停机维护系统，大限度地减少维修时间并延长安全使用寿命。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容：退化机理模型从燃料电池电化学机理的角度分析PEMFC运行过程中的性能老化规律，充分考 虑各种老化因素对PEMFC内、外部状态变量(温度、电压、电流、压力和流速等)的影响，建立PEMFC老化模型。一方面需要研究燃料电池正常操作状态下的运行机理模型；另一方面需要研究退化过程对燃料电池内、外部状态参数影响的退化模型，并将其应用于PEMFC剩余使用寿命预测。

目标：旨在建立质子交换膜燃料模型，并加入老化机制，从而预测燃料电池的寿命。

拟采用的技术方案及措施：利用多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics来模拟质子交换膜燃料电池。首先建立燃料电池单电池二维模型，与实验数据对比验证单电池模型的准确性，然后将多个单电池串联构成燃料电池堆，最后在电堆模型中加入老化机制，进而预测燃料电池的寿命。老化模型考虑了不同的物理老化现象，包括燃料电池欧姆损耗、反应活性损耗和反应物传质损耗。在提出的老化模型中，采用了巴特勒-沃尔默方程来精确计算质子交换膜燃料电池堆电流的电化学活化损耗。首先，通过拟合质子交换膜燃料电池(PEMFC)在寿命开始时的极化曲线，初始化模型的老化参数。然后，使用基于贝叶斯蒙特卡罗的粒子滤波器(PF)更新学习阶段的老化参数。为了表示更新的老化参数在学习阶段的退化趋势，选取不同的拟合曲线函数，进而生成预测阶段老化参数的外推值。最后，根据这些外推老化参数，预测了电压退化趋势。

3. 研究计划与安排

3月25日前完成开题报告的提交和审核；

4月15日前提交第一次阶段性报告，指导老师完成期中检查；

4月30日提交第二次阶段性报告；

4. 参考文献（12篇以上）

1.张鉴,华青松,郑莉莉,李希超,张健敏.质子交换膜燃料电池建模综述[j].电源技术,2019,(第6期).

2.衣宝廉.燃料电池现状与未来[j]，《电源技术》1998第5期

3. 张宇，谭金婷，潘牧.体扩散层对质子交换膜燃料电池膜电极耐久性影响的定量分析[a]2018.3