阅读说明：本技术 一种基于低频阻抗与电化学阻抗谱的在线质子交换膜燃料电池故障诊断方法 (Online proton exchange membrane fuel cell fault diagnosis method based on low-frequency impedance and electrochemical impedance spectrum ) 是由 陈剑 严驰洲 寿春晖 郑渭建 邬荣敏 洪凌 李晓洁 于 2019-09-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于低频阻抗与电化学阻抗谱的在线质子交换膜燃料电池故障诊断方法,包括：步骤1)将测量得到的低频阻抗与低频阻抗故障阈值进行在线比较；步骤2)使用基于模糊逻辑的故障诊断算法对电化学阻抗谱进行分类和故障诊断。本发明的有益效果是：本发明提出了一种基于低频阻抗与电化学阻抗谱测量的在线质子交换膜燃料电池故障诊断方法。使用低频阻抗对质子交换膜燃料电池进行状态监测,使用模糊逻辑对电化学阻抗谱进行状态分类,实现了基于低频阻抗与电化学阻抗谱的在线故障诊断,大大拓展了电化学阻抗谱的实际应用场景。(The invention relates to an on-line proton exchange membrane fuel cell fault diagnosis method based on low-frequency impedance and electrochemical impedance spectrum, which comprises the following steps: step 1) carrying out online comparison on the low-frequency impedance obtained by measurement and a low-frequency impedance fault threshold value; and 2) classifying the electrochemical impedance spectrum and diagnosing faults by using a fault diagnosis algorithm based on fuzzy logic. The invention has the beneficial effects that: the invention provides an on-line proton exchange membrane fuel cell fault diagnosis method based on low-frequency impedance and electrochemical impedance spectrum measurement. The method has the advantages that the low-frequency impedance is used for carrying out state monitoring on the proton exchange membrane fuel cell, the fuzzy logic is used for carrying out state classification on the electrochemical impedance spectrum, the online fault diagnosis based on the low-frequency impedance and the electrochemical impedance spectrum is realized, and the actual application scene of the electrochemical impedance spectrum is greatly expanded.)

一种基于低频阻抗与电化学阻抗谱的在线质子交换膜燃料电 池故障诊断方法

技术领域

本发明涉及燃料电池故障诊断领域，尤其包括一种基于低频阻抗与电化学阻抗谱的在线质子交换膜燃料电池故障诊断方法。

背景技术

由于环境污染，资源短缺愈发严重。因为具有较高的能量密度、较高的能量转化效率以及对环境无污染的优点，质子交换膜燃料电池正在得到越来越多国家以及企业的重视。质子交换膜燃料电池在新能源汽车以及分布式发电等领域正在得到越来越广泛的运用。然而导致质子交换膜燃料电池迈向商业化应用缓慢的原因是质子交换膜燃料电池控制的寿命与健康问题。由于外界条件以及运行工况的变化，质子交换膜燃料电池容易出现水淹、膜干、空气饥饿等故障，由此导致电堆性能与寿命的严重衰减。解决该问题的有效方案是实时监测质子交换膜燃料电池内部状态，并根据检测结果调节控制手段。

电化学阻抗谱是一种可以有效检测质子交换膜燃料电池内部状况的手段，广泛运用于电池检测行业。但电化学阻抗谱测量时间较长，难以在线实施以反映质子交换膜燃料电池实时状态，具有一定的局限性。因此，采取相关措施将电化学阻抗谱运用于实时条件下，对于提升质子交换膜燃料电池的寿命具有重大意义。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于低频阻抗与电化学阻抗谱的在线质子交换膜燃料电池故障诊断方法。

这种基于低频阻抗与电化学阻抗谱的在线质子交换膜燃料电池故障诊断方法，具体包括如下步骤：

步骤1.根据实验建立质子交换膜燃料电池的低频阻抗故障阈值，实时采集质子交换膜燃料电池的低频阻抗，将测量得到的低频阻抗与低频阻抗故障阈值进行在线比较；所述实验在膜干、水淹和空气饥饿以及正常状态下分别测量1-500Hz下质子交换膜燃料电池的阻抗；所述质子交换膜燃料电池在正常状态下的低频阻抗低于膜干、水淹和空气饥饿故障下的低频阻抗故障阈值；

步骤2.使用基于模糊逻辑的故障诊断算法对电化学阻抗谱进行分类和故障诊断；所述基于模糊逻辑的故障诊断算为：若低频阻抗超过低频阻抗故障阈值，则对质子交换膜燃料电池进行电化学阻抗谱测量；对于每一次测量得到的阻抗谱，提取低频与高频特征点；使用模糊逻辑分析提取的特征点，判断质子交换膜燃料电池发生何种故障；

步骤2.1.在低频阻抗超过低频阻抗故障阈值后，认定质子交换膜燃料电池发生故障；所述故障包括水淹，膜干和空气饥饿；

步骤2.2.测量质子交换膜的电化学阻抗谱：对于每一次测量得到的阻抗谱，提取低频与高频特征点；所述特征点为质子交换膜燃料电池在特定低频与高频下的阻抗z，该阻抗z 可以分为实部z_r以及虚部jz_i两部分，其中：z＝z_r+jz_i；

步骤2.3.使用模糊逻辑分析提取的低频与高频特征点，判断质子交换膜燃料电池发生何种故障：其中分析的依据为提取的低频与高频特征点的大小区间，低频特征点阻抗实部z_r可由小到大分为正常、水淹、膜干和空气饥饿四个区间，其中水淹区间与膜干区间大致重合；高频特征点阻抗虚部jz_i可以由小到大分为正常和膜干两个区间。

作为优选，所述模糊逻辑为双输入单输出结构；输入为低频特征点阻抗实部和高频特征点阻抗虚部，输出为质子交换膜燃料电池实时状态。

作为优选，所述模糊逻辑还包含如下八条模糊规则：

1)当输入的低频特征点阻抗实部为正常且高频特征点阻抗虚部为正常时，则输出的质子交换膜燃料电池实时状态为正常；

2)当输入的低频特征点阻抗实部为水淹且高频特征点阻抗虚部为正常时，则输出的质子交换膜燃料电池实时状态为水淹；

3)当输入的低频特征点阻抗实部为空气饥饿且高频特征点阻抗虚部为正常时，则输出的质子交换膜燃料电池实时状态为空气饥饿；

4)当输入的低频特征点阻抗实部为膜干且高频特征点阻抗虚部为正常时，则输出的质子交换膜燃料电池实时状态为水淹；

5)当输入的低频特征点阻抗实部为正常且高频特征点阻抗虚部为膜干时，则输出的质子交换膜燃料电池实时状态为无效；

6)当输入的低频特征点阻抗实部为水淹且高频特征点阻抗虚部为膜干时，则输出的质子交换膜燃料电池实时状态为无效；

7)当输入的低频特征点阻抗实部为空气饥饿且高频特征点阻抗虚部为膜干时，则输出的质子交换膜燃料电池实时状态为无效；

8)当输入的低频特征点阻抗实部为膜干且高频特征点阻抗虚部为膜干时，则输出的质子交换膜燃料电池实时状态为膜干。

本发明的有益效果是：

本发明提出了一种基于低频阻抗与电化学阻抗谱测量的在线质子交换膜燃料电池故障诊断方法。使用低频阻抗对质子交换膜燃料电池进行状态监测，使用模糊逻辑对电化学阻抗谱进行状态分类，实现了基于低频阻抗与电化学阻抗谱的在线故障诊断，大大拓展了电化学阻抗谱的实际应用场景。

附图说明

图1为本发明的故障诊断流程图；

图2为故障分类的模糊曲面图；

图3为故障实验低频阻抗诊断结果图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

本发明采用的技术方案是：

首先根据实验建立质子交换膜燃料电池的低频阻抗故障阈值，将测量得到的低频阻抗与低频阻抗故障阈值进行在线比较。在超过低频阻抗故障阈值后，测量质子交换膜的电化学阻抗谱，并使用基于模糊逻辑的故障诊断算法对电化学阻抗谱进行分类，对质子交换膜燃料电池内部容易发生的膜干、水淹、空气饥饿等故障进行诊断。

这种基于低频阻抗与电化学阻抗谱的在线质子交换膜燃料电池故障诊断方法，具体包括如下步骤：

步骤1.根据实验建立质子交换膜燃料电池的低频阻抗故障阈值，实时采集质子交换膜燃料电池的低频阻抗，将测量得到的低频阻抗与低频阻抗故障阈值进行在线比较；所述实验在膜干、水淹和空气饥饿以及正常状态下分别测量1-500Hz下质子交换膜燃料电池的阻抗；所述质子交换膜燃料电池在正常状态下的低频阻抗低于膜干、水淹和空气饥饿故障下的低频阻抗故障阈值；

步骤2.使用基于模糊逻辑的故障诊断算法对电化学阻抗谱进行分类和故障诊断；所述基于模糊逻辑的故障诊断算为：若低频阻抗超过低频阻抗故障阈值，则对质子交换膜燃料电池进行电化学阻抗谱测量；对于每一次测量得到的阻抗谱，提取低频与高频特征点；使用模糊逻辑分析提取的特征点，判断质子交换膜燃料电池发生何种故障；

步骤2.1.在低频阻抗超过低频阻抗故障阈值后，认定质子交换膜燃料电池发生故障；所述故障包括水淹，膜干和空气饥饿；

步骤2.2.测量质子交换膜的电化学阻抗谱：对于每一次测量得到的阻抗谱，提取低频与高频特征点；所述特征点为质子交换膜燃料电池在特定低频与高频下的阻抗z，该阻抗z 可以分为实部z_r以及虚部jz_i两部分，其中：z＝z_r+jz_i；

步骤2.3.使用模糊逻辑分析提取的低频与高频特征点，判断质子交换膜燃料电池发生何种故障：其中分析的依据为提取的低频与高频特征点的大小区间，低频特征点阻抗实部z_r可由小到大分为正常、水淹、膜干和空气饥饿四个区间，其中水淹区间与膜干区间大致重合；高频特征点阻抗虚部jz_i可以由小到大分为正常和膜干两个区间。

所述模糊逻辑为双输入单输出结构；输入为低频特征点阻抗实部和高频特征点阻抗虚部，输出为质子交换膜燃料电池实时状态。

所述模糊逻辑还包含如下八条模糊规则：

1)当输入的低频特征点阻抗实部为正常且高频特征点阻抗虚部为正常时，则输出的质子交换膜燃料电池实时状态为正常；

2)当输入的低频特征点阻抗实部为水淹且高频特征点阻抗虚部为正常时，则输出的质子交换膜燃料电池实时状态为水淹；

3)当输入的低频特征点阻抗实部为空气饥饿且高频特征点阻抗虚部为正常时，则输出的质子交换膜燃料电池实时状态为空气饥饿；

4)当输入的低频特征点阻抗实部为膜干且高频特征点阻抗虚部为正常时，则输出的质子交换膜燃料电池实时状态为水淹；

5)当输入的低频特征点阻抗实部为正常且高频特征点阻抗虚部为膜干时，则输出的质子交换膜燃料电池实时状态为无效；

6)当输入的低频特征点阻抗实部为水淹且高频特征点阻抗虚部为膜干时，则输出的质子交换膜燃料电池实时状态为无效；

7)当输入的低频特征点阻抗实部为空气饥饿且高频特征点阻抗虚部为膜干时，则输出的质子交换膜燃料电池实时状态为无效；

8)当输入的低频特征点阻抗实部为膜干且高频特征点阻抗虚部为膜干时，则输出的质子交换膜燃料电池实时状态为膜干。

实施例：

利用图1所示的流程对质子交换膜燃料电池进行故障诊断。连续对质子交换膜燃料电池进行低频阻抗测量，若测得的低频阻抗大于设定的低频阻抗阈值，则进行电化学阻抗谱测量。在得到质子交换膜燃料电池对应的电化学阻抗谱后，提取高频与低频特征点，利用模糊逻辑进行故障诊断，模糊曲面如图2所示，判断质子交换膜燃料电池处于正常状态、膜干故障、水淹故障或是空气饥饿故障。

通过故障实验对该故障诊断策略进行验证。故障实验所使用的质子交换膜燃料电池功率为3kW，片数为18片。在操作过程中，通过改变燃料电池实验平台的操作参数模拟出正常，水淹，膜干以及空气饥饿的状态。实验验证过程如下：通过改变操作条件创造出质子交换膜燃料电池的正常、水淹、膜干以及空气饥饿状态，在各状态下，检测所提出诊断方法的有效性。实验可以分为两个部分，第一部分测试低频阻抗的监控效果，如图3所示。第二部分测试基于模糊逻辑的电化学阻抗谱诊断效果，诊断结果如下表1所示；可以看出，该诊断方法具有较好的实时性与准确性。

表1基于模糊逻辑的电化学阻抗谱诊断结果表

状态	正确数	错误数	误诊结果
				正常	13	0
水淹	6	1	正常
				膜干	3	0
空气饥饿	8	2	水淹