质子交换膜燃料电池（PEMFC）水管理故障诊断研究：基于电化学阻抗谱的低成本检测方法

作者及机构
本研究由斯洛文尼亚Jožef Stefan研究所的Andrej Debenjak（通讯作者）领衔，合作者包括Matej Gašperin（Jožef Stefan研究所/捷克西波西米亚大学）、Boštjan Pregelj（Jožef Stefan研究所/CO NOT低碳技术中心）、Maja Atanasijević-Kunc（卢布尔雅那大学）、Janko Petrovčič与Vladimir Jovan（Jožef Stefan研究所/CO NOT低碳技术中心）。研究成果发表于《Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering》2013年第1期（59卷，56-64页）。

学术背景
质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）因其高效率、低温运行、零温室气体排放等优势，被视为替代内燃机的潜在技术。然而，其商业化面临两大挑战：耐久性不足（如材料降解、催化剂中毒）和水管理故障（膜干燥与气体通道 flooding）。其中，水管理故障直接影响电池性能——水分不足导致膜脱水，水分过多引发气体通道堵塞，二者均会引发不可逆损伤。传统诊断需昂贵实验室设备（如单电池阻抗分析仪），难以商用推广。

本研究旨在开发一种低成本、适用于多电池堆栈的在线诊断系统，利用电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS）技术，仅通过测量总堆栈电压和电流，实现 flooding 和 drying 的检测与分类。

研究流程与方法
1. 实验设计与系统搭建
- 研究对象：商用PEMFC系统（80节电池，最大功率8.5 kW），无外部气体加湿装置，便于通过极端环境模拟故障。
- 测量系统：分为三组：
- 负载与激励：Amrel PLW9k-120-1000e电子负载配合Tektronix AFG 3101函数发生器，施加含直流（40 A）与正弦交流（1 A振幅）的复合电流信号。
- 传感器：低成本电压传感器（自制，带宽3.7 Hz–3.4 kHz）与LEM LA 100-P霍尔电流传感器（带宽200 kHz），确保高频信号捕获。
- 数据采集：NI USB6215 DAQ板卡配合LabVIEW软件，记录电压、电流、温湿度数据。
- 故障模拟：
- 干燥环境：压缩空气（湿度4±5% RH，25°C）直吹进气口。
- 湿润环境：热水蒸汽（湿度98±5% RH，55°C）导入。

1. 阻抗测量与信号处理

   • 频率选择：1 Hz–1 kHz范围内15个离散频率点（如1, 30, 100, 300 Hz），兼顾特征分辨与计算效率。
     
   • 信号处理：
     
     • 对电流/电压数据加汉宁窗（Hamming window），减少频谱泄漏。
       
     • 快速傅里叶变换（FFT）提取基频分量，计算阻抗幅值与相位。
       
     • 通过传感器频响曲线补偿阻抗数据，消除硬件引入的偏差。
       

2. 特征分析与决策算法

   • Nyquist图分析：比较正常、flooding、drying状态下的阻抗曲线，发现：
     
     • 低频段（<50 Hz）：Real(Z)增加指示drying，减少指示flooding。
       
     • 高频段（>100 Hz）：Imag(Z)与Real(Z)协同变化（如flooding时Real(Z)↓+Imag(Z)↑）。
       
   • 诊断算法：
     
     • 选择30、100、300 Hz三个特征频率，提取5个参数（30 Hz Real(Z)除外）。
       
     • 基于均值±标准差设定分类边界（如式6-9），通过多数表决机制判定故障类型。
       

主要结果
1. 阻抗特征差异：
- 干燥状态下，30 Hz处Real(Z)均值较正常状态升高8.19 mΩ（86.43 vs 78.24 mΩ）；flooding时降低至51.15 mΩ（100 Hz）。
- 高频段（300 Hz）的Imag(Z)在flooding时显著正向偏移（-12.06 mΩ → -13.79 mΩ）。

1. 算法验证：
   
   • 通过15次重复测量，分类准确率达95%以上，仅需总堆栈阻抗测量，无需单电池电压监控。
     
   • 系统硬件成本低于€20,000，显著低于文献[24]的实验室方案。
     

结论与价值
1. 科学价值：
- 首次证明EIS可在多电池堆栈（80节）中通过总阻抗检测局部故障，突破传统单电池诊断限制。
- 提出基于频域特征的低成本算法，为嵌入式实时诊断提供可行方案。

1. 应用价值：
   
   • 商用PEMFC系统可集成该技术，无需改造现有硬件，仅需升级控制软件。
     
   • 通过早期故障干预，延长电池寿命并降低维护成本。
     

研究亮点
1. 方法创新：
- 自制低成本电压传感器（带宽优化）与商用电流传感器组合，实现高频阻抗测量。
- 多频率协同决策算法，兼顾鲁棒性与计算效率。

1. 工程意义：
   
   • 实验系统模拟真实工况（无人工加湿），结果更具工业参考价值。
     
   • 为大规模PEMFC堆栈的在线监测树立技术标杆。
     

其他价值
- 研究获斯洛文尼亚教育科技部、欧盟区域发展基金等支持，体现产学研协同创新模式。
- 提出的信号处理流程（FFT+传感器补偿）可推广至其他电化学系统诊断。