本書結合作者及團隊多年的研究實踐，從理論及工程應用的角度系統(tǒng)地介紹了質(zhì)子交換膜燃料電池在水管理及故障測試、交流阻抗檢測、水管理故障診斷和老化預測及剩余使用壽命估計等方面的關鍵問題和核心技術，共分8章。第1章概述了質(zhì)子交換膜燃料電池反應原理及應用；第2-4章重點介紹了質(zhì)子交換膜燃料電池水管理及故障測試、交流阻抗檢測技術及水管理故障診斷方法；第5-8章重點闡述了質(zhì)子交換膜燃料電池老化分析及預后管理、基于模型的老化預測方法、數(shù)據(jù)驅動方法與混合預測方法等。
本書主要從燃料電池狀態(tài)估計、壽命預測等相關技術來介紹質(zhì)子交換膜燃料電池，是其他相關書籍所沒有介紹到的。
氫能作為一種清潔、高效且可再生的能源，在能源轉型中發(fā)揮著重要作用。質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)具有高能量密度、高轉換效率、無污染、工作溫度接近常溫等優(yōu)點，被認為是極具潛力的氫電轉換裝置。然而，PEMFC對電堆電流變化敏感，易發(fā)生水淹和膜干故障，導致輸出性能下降、壽命縮短。電堆內(nèi)部含水量過高會阻礙反應物傳輸；膜干會降低質(zhì)子交換膜的電導率，嚴重時會造成不可逆的膜損傷。準確地診斷水管理故障為制定*佳水管理策略提供依據(jù)，可以提高燃料電池輸出性能、延長使用壽命。PEMFC本身的結構和材料屬性以及運行環(huán)境會引起其不可逆的性能退化。燃料電池的耐久性和高成本依然是制約燃料電池汽車全球化的重要因素。準確地預測PEMFC老化趨勢和估計剩余使用壽命對降低燃料電池系統(tǒng)維護成本、防止災難性故障和延長使用壽命具有重要意義。
作者及團隊近年來開展了質(zhì)子交換膜燃料電池健康管理研究，提出了基于模型、基于數(shù)據(jù)驅動和基于實驗測試的水管理故障診斷方法。同時，開展了PEMFC老化預測方面的深入探索和驗證，通過實驗數(shù)據(jù)驗證了多種老化預測方法，具體包括PEMFC短期老化預測和長期老化預測，涉及的方法通常分為三種：模型驅動方法、數(shù)據(jù)驅動方法和混合方法。
本書結合作者及團隊研究實踐，全面闡述了質(zhì)子交換膜燃料電池在水管理及故障測試、交流阻抗檢測、水管理故障診斷和老化預測及剩余使用壽命估計方面的技術細節(jié)。第1章概述了質(zhì)子交換膜燃料電池反應原理及應用。第2章探討了質(zhì)子交換膜燃料電池水管理故障診斷方法及故障實驗測試。第3章介紹了燃料電池交流阻抗檢測技術，重點說明了交流阻抗檢測系統(tǒng)軟、硬件設計方法。第4章討論了燃料電池水管理故障診斷方法，深入分析了燃料電池等效電路模型參數(shù)辨識方法、基于等效電路模型的水管理故障分類以及數(shù)據(jù)驅動的水管理故障診斷方法。第5章剖析了質(zhì)子交換膜燃料電池的老化及預后管理，介紹了老化機理及老化指標、預后管理方法和相關概念。第6章論述了基于模型的質(zhì)子交換膜燃料電池老化預測方法，并提出包含卡爾曼濾波算法、粒子濾波算法及其變體在內(nèi)的多種預測方法。第7章提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡的質(zhì)子交換膜燃料電池短期和長期老化預測方法，改進了神經(jīng)網(wǎng)絡預測方法并進行了實驗驗證。第8章闡明了用于中短期預測和長期預測的混合預測方法，并提出了混合預測方法的優(yōu)勢和面臨的挑戰(zhàn)。
本書是武漢理工大學先進儲能與雙碳實驗室多年來有關燃料電池領域研究工作的綜述和總結。其中，朱文超主要完成第1章、第5章、第7章以及第8章的撰寫，楊揚主要完成第2章、第3章、第4章以及第6章的撰寫，謝長君主要完成全書的統(tǒng)稿及校核工作。參與本書資料整理的有博士生杜幫華，以及碩士生萬文欣、郭冰新、余曉然、李長志、吳航宇、賀挺偉、李永佳、李浩辰、劉晏君、楊一鼎、薛嘉瑞等。
經(jīng)過多年努力與實踐，我們試圖將質(zhì)子交換膜燃料電池健康管理與老化預測領域國內(nèi)外*新研究進展和團隊在該領域的研究成果及心得體會奉獻給所有同仁和讀者，助力我國在質(zhì)子交換膜燃料電池領域的學術創(chuàng)新與進步，推動燃料電池產(chǎn)業(yè)快速、健康發(fā)展。本書雖經(jīng)多次修改，但仍難如人意，且燃料電池有些工作仍在繼續(xù)深入和推進，書中難免出現(xiàn)謬誤和不足，希望讀者體諒，并熱烈歡迎讀者提出批評與斧正意見，共同推動燃料電池領域的研究與發(fā)展。
謝長君，教授、博士生導師，湖北省杰出青年基金獲得者，武漢理工大學青年拔尖人才，國家自然科學基金委信息學部會評專家。歷任自動化學院副院長，武漢理工大學京津冀協(xié)同滄州研究院院長�，F(xiàn)任武漢理工大學人工智能學院院長。獲得湖北省技術發(fā)明二等獎3項，2015年度（排序1）、2017年度（排序3）及2020年度（排序6），獲得2017年度中國產(chǎn)學研合作創(chuàng)新獎（個人），2018年度中國產(chǎn)學研合作創(chuàng)新成果獎（排序2），獲得湖北省自然科學優(yōu)秀學術論文一等獎（2016年度）。近年來主持國家重點研發(fā)計劃項目課題1項，主持國家自然科學基金項目3項，主持國家“973”重大基礎研究項目子項1項，主持湖北省技術創(chuàng)新重大項目1項，主持湖北省自然科學基金杰出青年及面上項目各1項，主持武漢市青年科技晨光計劃項目1項，參與國家重點研發(fā)、863攻關項目10余項。在國內(nèi)外核心期刊和重要國際會議上發(fā)表論文80多篇，其中SCI/EI收錄60余篇，申請發(fā)明及實用新型專利100余件，已授權發(fā)明專利60余件，并完成10件發(fā)明專利轉讓。
第1章 質(zhì)子交換膜燃料電池概述/1
1.1 燃料電池反應原理/1
1.2 燃料電池組件構成/3
1.3 燃料電池的動態(tài)特性/7
1.4 質(zhì)子交換膜燃料電池應用概述/8
1.4.1 PEMFC汽車概述/8
1.4.2 PEMFC發(fā)電技術應用/10
第2章 質(zhì)子交換膜燃料電池水管理及故障測試/12
2.1 質(zhì)子交換膜燃料電池水管理/12
2.2 質(zhì)子交換膜燃料電池水管理故障診斷方法/13
2.2.1 基于模型的故障診斷方法/14
2.2.2 基于數(shù)據(jù)驅動的故障診斷方法/16
2.2.3 基于實驗測試的故障診斷方法/17
2.3 質(zhì)子交換膜燃料電池水管理故障實驗測試/18
第3章 燃料電池交流阻抗檢測技術/21
3.1 電化學阻抗譜測量原理/21
3.2 交流阻抗檢測系統(tǒng)設計/23
3.2.1 交流阻抗檢測系統(tǒng)總體設計/23
3.2.2 程控交流電流激勵信號源設計/24
3.2.3 高精度信號采集單元設計/28
3.2.4 上位機模塊設計/35
3.3 交流阻抗檢測系統(tǒng)測試與分析/43
3.3.1 交流電流激勵源頻率輸出測試/43
3.3.2 信號放大模塊測試/44
3.3.3 交直流濾波模塊測試/46
3.3.4 交流電壓采集模塊測試/47
第4章 燃料電池水管理故障診斷方法/50
4.1 燃料電池建模及等效電路模型參數(shù)辨識/50
4.1.1 燃料電池建模/50
4.1.2 燃料電池等效電路模型參數(shù)不確定性評估/55
4.2 基于FCM與OB算法的燃料電池水管理故障分類/63
4.2.1 *小二乘法參數(shù)辨識/63
4.2.2 FCM聚類算法/64
4.2.3 優(yōu)化貝葉斯算法分類/64
4.2.4 基于FCM與OB算法的水管理故障分類實例/66
4.3 基于自適應差分算法優(yōu)化支持向量機的水管理故障診斷/75
4.3.1 數(shù)據(jù)降維方法/75
4.3.2 水管理故障分類算法/76
4.3.3 基于ADESVM算法的水管理故障診斷實例/80
4.4 結合線性判別分析和Xception網(wǎng)絡的水管理故障診斷方法/84
4.4.1 燃料電池故障概述/84
4.4.2 Xception網(wǎng)絡/85
4.4.3 基于Xception網(wǎng)絡的燃料電池故障診斷實例/87
第5章 質(zhì)子交換膜燃料電池老化分析及預后管理/94
5.1 質(zhì)子交換膜燃料電池老化機理與指標/94
5.1.1 燃料電池主要部件老化的影響分析/94
5.1.2 燃料電池運行工況對老化的影響分析/96
5.2 質(zhì)子交換膜燃料電池的預后管理/97
5.2.1 數(shù)據(jù)獲取和預處理/98
5.2.2 健康指標和壽命終止點/101
5.2.3 預測模式概述/104
5.2.4 預測方法/106
5.2.5 預測結果的評價指標/107
第6章 基于模型的質(zhì)子交換膜燃料電池老化預測方法/109
6.1 PEMFC老化模型和預測流程/109
6.2 基于卡爾曼濾波算法的老化預測/111
6.2.1 基于EKF的老化預測/112
6.2.2 基于UKF的老化預測/114
6.2.3 基于AEKF的老化預測/119
6.2.4 基于AUKF的老化預測/119
6.2.5 基于FDKF的老化預測/121
6.2.6 基于SRUKF的老化預測/126
6.3 基于粒子濾波算法的老化預測/128
6.3.1 基于PF的老化預測/129
6.3.2 基于UPF的老化預測/132
第7章 燃料電池老化預測數(shù)據(jù)驅動方法/135
7.1 數(shù)據(jù)驅動方法/135
7.1.1 數(shù)據(jù)驅動方法分類/135
7.1.2 統(tǒng)計方法/135
7.1.3 機器學習方法/138
7.2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡的短期預測/147
7.2.1 預測框架與步驟/147
7.2.2 短期預測結果分析/149
7.3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡的長期預測/151
7.3.1 預測框架與步驟/151
7.3.2 長期預測結果分析/152
7.4 神經(jīng)網(wǎng)絡的改進方法/155
7.4.1 基于分解集成的多數(shù)據(jù)方法融合預測/155
7.4.2 基于貝葉斯理論的不確定性量化方法/160
第8章 燃料電池老化混合預測方法/169
8.1 用于中短期預測的混合預測方法/170
8.2 用于長期預測的混合預測方法/178
8.2.1 基于數(shù)據(jù)驅動為模型驅動提供觀測值的混合預測方法/178
8.2.2 基于數(shù)據(jù)驅動和模型驅動相互迭代的混合預測方法/181
8.3 混合預測方法的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)/185
8.3.1 混合預測方法的優(yōu)勢/186
8.3.2 混合預測方法面臨的挑戰(zhàn)/187
參考文獻/188
第1章 質(zhì)子交換膜燃料電池概述
隨著能源和環(huán)境問題越來越嚴重，尋求可持續(xù)能源變得非常重要。質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)是一種新型電化學發(fā)電裝置，通過氧化還原反應將氫燃料和氧化劑中的化學能直接轉化為電能。它采用固體聚合物電解質(zhì)，具有工作溫度適當、啟�？焖�、功率密度高等優(yōu)勢，被廣泛認為是解決能源和環(huán)境危機*有前景的能源之一。
質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）也被稱作聚合物電解質(zhì)膜燃料電池，由通用電氣公司在20世紀50年末發(fā)明，用于NASA的太空任務。在該種類型的電池中，電解質(zhì)薄膜是一片很薄的聚合物膜，這種聚合物膜能通質(zhì)子但不通電子，這樣就能保證電極之間的離子交換。質(zhì)子交換膜燃料電池通常采用碳載鉑（Pt/C）作為催化陰陽極反應的催化劑，該種電池可以在室溫下快速啟動，具備壽命長、比能量高、動態(tài)響應快及環(huán)境友好等優(yōu)點，是電動汽車和家用分布式發(fā)電裝置的理想電源，但其對氫氣及空氣的質(zhì)量要求較高，鉑金屬催化劑極易受到CO和硫化物等雜質(zhì)的污染而被毒化，導致失去活性，壽命降低。
1.1 燃料電池反應原理
PEMFC的單個電池單元由陰極、陽極、雙極板、催化劑和質(zhì)子交換膜組成。其中，氫氣分子在陽極板處丟失電子，形成氫離子，即質(zhì)子；同時，氧分子在陰極吸收電子與氫離子，形成水分子。在上述反應的過程中，帶負電荷的電子從陽極板流向陰極板，帶正電荷的質(zhì)子也從陽極板流向陰極板。從而形成從陰極向陽極的可供負載使用的外電路與從陽極向陰極的內(nèi)電路。PEMFC在工作時，陰極就是電源正極，而陽極就是電源負極。通過上述反應，PEMFC完成了化學能轉化成電能，而在現(xiàn)實使用中，往往是由許多個PEMFC單元構成的電池堆給用電設備供電，其內(nèi)部構造與工作原理如圖1.1示。
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