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课程论文成绩： 评语： 任课教师签字： 年 月 日 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α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. 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大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大的影响而且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1.1 PEMFC等效电路模型 燃料电池堆参数参见表1.1. 1水冷型PEMFC堆性能参数 类型 水冷型PEMFC电堆参数 性能 额定功率 2kW 额定电压 8V 额定电流 250A 电压范围 4-10V 电流范围 0-360A 燃料 氢气纯度 99.9% 氢气工作压力 1~3atm 氧化剂 空气 自然空气 空气压力 1~4atm 物理特性 质量 3kg 总体积 25cm*15cm*10cm 单片有效反应面积 15cm*20cm 工作条件 环境温度 -5-40 环境湿度 10%-95% 质子交换膜 型号 Nafion112 膜厚度 51um 电池片数 10 通过交流阻抗测试仪向电堆发射一系列频率从f1~f4的小幅高频交流电信号,采集得到电堆对应的响应信号f1{Z1、...、Zn}、f2{Z1、...、Zn}、f3{Z1、...、Zn}、f4{Z1、...、Zn},剔除异常点后,求出四组响应信号平均值、、、.基于燃料电池等效电路,得到关于Rf、Rm、Rd、Cdl的四元一次方程组. (1-1) 然后给PEMFC分别施加高频交流正弦电信号U1、U2： (1-2) (1-3) 式中：、,U0为交流正弦信号幅值利用采样电路采集PEMFC的响应信号I1、I2： (1-4) (1-5) 式中：I0为响应信号幅值,θ为响应信号相位角.由此计算得到PEMFC对应频率的阻抗Z1、Z2为： (1-6) (1-7) 式中：由于M1点为最高频率,故Zi1=0,ZR1=Rm (1-8) (1-9) M1和 M2割线与实轴夹角为： (1-10) 因此,从可以看出α 是一个与Rm、Ra相关的值,而Rm和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,所以频率正割角α 的不断变化可以实时反应燃料电池堆内部的工作状态. 2 频率正割角与操作条件相关性模型的建立 通过建立α = fi ,T ,RH)机理模型,当前操作条件下,正常状态下电堆的α0与实际αt,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αt实际正