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本書(shū)結(jié)合作者及團(tuán)隊(duì)多年的研究實(shí)踐，從理論及工程應(yīng)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(cè)試、交流阻抗檢測(cè)、水管理故障診斷和老化預(yù)測(cè)及剩余使用壽命估計(jì)等方面的關(guān)鍵問(wèn)題和核心技術(shù)，共分8章。第1章概述了質(zhì)子交換膜燃料電池反應(yīng)原理及應(yīng)用；第2-4章重點(diǎn)介紹了質(zhì)子交換膜燃料電池水管理及故障測(cè)試、交流阻抗檢測(cè)技術(shù)及水管理故障診斷方法；第5-8章重點(diǎn)闡述了質(zhì)子交換膜燃料電池老化分析及預(yù)后管理、基于模型的老化預(yù)測(cè)方法、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法與混合預(yù)測(cè)方法等。

氫能作為一種清潔、高效且可再生的能源，在能源轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率、無(wú)污染、工作溫度接近常溫等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是極具潛力的氫電轉(zhuǎn)換裝置。然而，PEMFC對(duì)電堆電流變化敏感，易發(fā)生水淹和膜干故障，導(dǎo)致輸出性能下降、壽命縮短。電堆內(nèi)部含水量過(guò)高會(huì)阻礙反應(yīng)物傳輸；膜干會(huì)降低質(zhì)子交換膜的電導(dǎo)率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成不可逆的膜損傷。準(zhǔn)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(zhǎng)使用壽命。PEMFC本身的結(jié)構(gòu)和材料屬性以及運(yùn)行環(huán)境會(huì)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(chē)全球化的重要因素。準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)PEMFC老化趨勢(shì)和估計(jì)剩余使用壽命對(duì)降低燃料電池系統(tǒng)維護(hù)成本、防止災(zāi)難性故障和延長(zhǎng)使用壽命具有重要意義。
作者及團(tuán)隊(duì)近年來(lái)開(kāi)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(qū)動(dòng)和基于實(shí)驗(yàn)測(cè)試的水管理故障診斷方法。同時(shí)，開(kāi)展了PEMFC老化預(yù)測(cè)方面的深入探索和驗(yàn)證，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了多種老化預(yù)測(cè)方法，具體包括PEMFC短期老化預(yù)測(cè)和長(zhǎng)期老化預(yù)測(cè)，涉及的方法通常分為三種：模型驅(qū)動(dòng)方法、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法和混合方法。
本書(shū)結(jié)合作者及團(tuán)隊(duì)研究實(shí)踐，全面闡述了質(zhì)子交換膜燃料電池在水管理及故障測(cè)試、交流阻抗檢測(cè)、水管理故障診斷和老化預(yù)測(cè)及剩余使用壽命估計(jì)方面的技術(shù)細(xì)節(jié)。第1章概述了質(zhì)子交換膜燃料電池反應(yīng)原理及應(yīng)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(shí)驗(yàn)測(cè)試。第3章介紹了燃料電池交流阻抗檢測(cè)技術(shù)，重點(diǎn)說(shuō)明了交流阻抗檢測(cè)系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)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(shí)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(qū)動(dòng)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(yù)后管理，介紹了老化機(jī)理及老化指標(biāo)、預(yù)后管理方法和相關(guān)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(yù)測(cè)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(yù)測(cè)方法。第7章提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)子交換膜燃料電池短期和長(zhǎng)期老化預(yù)測(cè)方法，改進(jìn)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)方法并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。第8章闡明了用于中短期預(yù)測(cè)和長(zhǎng)期預(yù)測(cè)的混合預(yù)測(cè)方法，并提出了混合預(yù)測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)和面臨的挑戰(zhàn)。
本書(shū)是武漢理工大學(xué)先進(jìn)儲(chǔ)能與雙碳實(shí)驗(yàn)室多年來(lái)有關(guān)燃料電池領(lǐng)域研究工作的綜述和總結(jié)。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(xiě)，楊揚(yáng)主要完成第2章、第3章、第4章以及第6章的撰寫(xiě)，謝長(zhǎng)君主要完成全書(shū)的統(tǒng)稿及校核工作。參與本書(shū)資料整理的有博士生杜幫華，以及碩士生萬(wàn)文欣、郭冰新、余曉然、李長(zhǎng)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(guò)多年努力與實(shí)踐，我們?cè)噲D將質(zhì)子交換膜燃料電池健康管理與老化預(yù)測(cè)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外*新研究進(jìn)展和團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域的研究成果及心得體會(huì)奉獻(xiàn)給所有同仁和讀者，助力我國(guó)在質(zhì)子交換膜燃料電池領(lǐng)域的學(xué)術(shù)創(chuàng)新與進(jìn)步，推動(dòng)燃料電池產(chǎn)業(yè)快速、健康發(fā)展。本書(shū)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(jìn)，書(shū)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(píng)與斧正意見(jiàn)，共同推動(dòng)燃料電池領(lǐng)域的研究與發(fā)展。

第1章質(zhì)子交換膜燃料電池概述/1
1.1 燃料電池反應(yīng)原理/1
1.2 燃料電池組件構(gòu)成/3
1.3 燃料電池的動(dòng)態(tài)特性/7
1.4 質(zhì)子交換膜燃料電池應(yīng)用概述/8
1.4.1 PEMFC汽車(chē)概述/8
1.4.2 PEMFC發(fā)電技術(shù)應(yīng)用/10
第2章質(zhì)子交換膜燃料電池水管理及故障測(cè)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(qū)動(dòng)的故障診斷方法/16
2.2.3 基于實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)驗(yàn)測(cè)試/18
第3章燃料電池交流阻抗檢測(cè)技術(shù)/21
3.1 電化學(xué)阻抗譜測(cè)量原理/21
3.2 交流阻抗檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)/23
3.2.1 交流阻抗檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)/23
3.2.2 程控交流電流激勵(lì)信號(hào)源設(shè)計(jì)/24
3.2.3 高精度信號(hào)采集單元設(shè)計(jì)/28
3.2.4 上位機(jī)模塊設(shè)計(jì)/35
3.3 交流阻抗檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試與分析/43
3.3.1 交流電流激勵(lì)源頻率輸出測(cè)試/43
3.3.2 信號(hào)放大模塊測(cè)試/44
3.3.3 交直流濾波模塊測(cè)試/46
3.3.4 交流電壓采集模塊測(cè)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(shí)/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(píng)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(shí)/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(shí)例/66
4.3 基于自適應(yīng)差分算法優(yōu)化支持向量機(jī)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ADESVM算法的水管理故障診斷實(shí)例/80
4.4 結(jié)合線性判別分析和Xception網(wǎng)絡(luò)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(luò)/85
4.4.3 基于Xception網(wǎng)絡(luò)的燃料電池故障診斷實(shí)例/87
第5章質(zhì)子交換膜燃料電池老化分析及預(yù)后管理/94
5.1 質(zhì)子交換膜燃料電池老化機(jī)理與指標(biāo)/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(yùn)行工況對(duì)老化的影響分析/96
5.2 質(zhì)子交換膜燃料電池的預(yù)后管理/97
5.2.1 數(shù)據(jù)獲取和預(yù)處理/98
5.2.2 健康指標(biāo)和壽命終止點(diǎn)/101
5.2.3 預(yù)測(cè)模式概述/104
5.2.4 預(yù)測(cè)方法/106
5.2.5 預(yù)測(cè)結(jié)果的評(píng)價(jià)指標(biāo)/107
第6章基于模型的質(zhì)子交換膜燃料電池老化預(yù)測(cè)方法/109
6.1 PEMFC老化模型和預(yù)測(cè)流程/109
6.2 基于卡爾曼濾波算法的老化預(yù)測(cè)/111
6.2.1 基于EKF的老化預(yù)測(cè)/112
6.2.2 基于UKF的老化預(yù)測(cè)/114
6.2.3 基于AEKF的老化預(yù)測(cè)/119
6.2.4 基于AUKF的老化預(yù)測(cè)/119
6.2.5 基于FDKF的老化預(yù)測(cè)/121
6.2.6 基于SRUKF的老化預(yù)測(cè)/126
6.3 基于粒子濾波算法的老化預(yù)測(cè)/128
6.3.1 基于PF的老化預(yù)測(cè)/129
6.3.2 基于UPF的老化預(yù)測(cè)/132
第7章燃料電池老化預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法/135
7.1 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法/135
7.1.1 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法分類/135
7.1.2 統(tǒng)計(jì)方法/135
7.1.3 機(jī)器學(xué)習(xí)方法/138
7.2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的短期預(yù)測(cè)/147
7.2.1 預(yù)測(cè)框架與步驟/147
7.2.2 短期預(yù)測(cè)結(jié)果分析/149
7.3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)/151
7.3.1 預(yù)測(cè)框架與步驟/151
7.3.2 長(zhǎng)期預(yù)測(cè)結(jié)果分析/152
7.4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)方法/155
7.4.1 基于分解集成的多數(shù)據(jù)方法融合預(yù)測(cè)/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(yù)測(cè)方法/169
8.1 用于中短期預(yù)測(cè)的混合預(yù)測(cè)方法/170
8.2 用于長(zhǎng)期預(yù)測(cè)的混合預(yù)測(cè)方法/178
8.2.1 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)為模型驅(qū)動(dòng)提供觀測(cè)值的混合預(yù)測(cè)方法/178
8.2.2 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和模型驅(qū)動(dòng)相互迭代的混合預(yù)測(cè)方法/181
8.3 混合預(yù)測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)/185
8.3.1 混合預(yù)測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)/186
8.3.2 混合預(yù)測(cè)方法面臨的挑戰(zhàn)/187
參考文獻(xiàn)/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(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)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(xué)發(fā)電裝置，通過(guò)氧化還原反應(yīng)將氫燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。它采用固體聚合物電解質(zhì)，具有工作溫度適當(dāng)、啟停快速、功率密度高等優(yōu)勢(shì)，被廣泛認(rèn)為是解決能源和環(huán)境危機(jī)*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(jì)50年末發(fā)明，用于NASA的太空任務(wù)。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(yáng)極反應(yīng)的催化劑，該種電池可以在室溫下快速啟動(dòng)，具備壽命長(zhǎng)、比能量高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快及環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，是電動(dòng)汽車(chē)和家用分布式發(fā)電裝置的理想電源，但其對(duì)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(dǎo)致失去活性，壽命降低。
1.1 燃料電池反應(yīng)原理
PEMFC的單個(gè)電池單元由陰極、陽(yáng)極、雙極板、催化劑和質(zhì)子交換膜組成。其中，氫氣分子在陽(yáng)極板處丟失電子，形成氫離子，即質(zhì)子；同時(shí)，氧分子在陰極吸收電子與氫離子，形成水分子。在上述反應(yīng)的過(guò)程中，帶負(fù)電荷的電子從陽(yáng)極板流向陰極板，帶正電荷的質(zhì)子也從陽(yáng)極板流向陰極板。從而形成從陰極向陽(yáng)極的可供負(fù)載使用的外電路與從陽(yáng)極向陰極的內(nèi)電路。PEMFC在工作時(shí)，陰極就是電源正極，而陽(yáng)極就是電源負(fù)極。通過(guò)上述反應(yīng)，PEMFC完成了化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能，而在現(xiàn)實(shí)使用中，往往是由許多個(gè)PEMFC單元構(gòu)成的電池堆給用電設(shè)備供電，其內(nèi)部構(gòu)造與工作原理如圖1.1示。

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