燃料电池安全防护系统设计开题报告

 2020-02-10 10:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

1.研究目的及意义(含国内外的研究现状分析)

几十年来,燃料电池一直被认为是热力发动机的替代品[1]。与传统产能形式相比,由于燃料电池能量转换不经过燃烧过程,故不受卡诺循环的限制,能量转化效率高达 45% -60%[2]。燃料电池是一种将储存在燃料及氧化剂中的化学能直接转变为电能的发电装置,由于清洁、高效的特点而受到广泛关注。尽管被称作电池,但燃料电池无论是其结构特点、工作原理或是管理方式均与常见的蓄电池等有着较大的不同。燃料电池的系统较为复杂,只需供给燃料及氧化剂即可维持其持续运作,并非传统意义上的电池[3]。燃料电池主要由三部分组成:阳极、阴极和电解质,该电解质由非导电材料制成,允许电荷通过催化电极,即阳极和阴极之间,从阴极到阳极产生电,即电子通过外部电路从阳极流向阴极[4]。不同燃料电池的燃料种类、反应机理、工作温度、应用领域存在差异,通常依据电解质的不同,燃料电池可分为: 碱性燃料电池( alkaline fuel cell,AFC) 、磷酸燃料电池( phosphoric acid fuel cell,PAFC) 、熔融碳酸盐燃料电池( molten carbonate fuel cell,MCFC) 、固体氧化物燃料电池( solid oxide fuel cell,SOFC) 、质子交换膜燃料电池( proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)。依据工作温度不同,可将 AFC 与 PEMFC分为低温型燃料电池;PAFC 为中温型燃料电池; MCFC与SOFC则为高温型燃料电池[5]

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)是最有前景的新型发电装置之一,由于其功率密度高、环境友好、重量轻和资源丰富等特点,已经被广泛应用于军事、交通和热电联产等领域[456]。然而,使用寿命短、性能衰减快、维护成本高和氢气燃料贵等缺点显著阻碍PEMFC的部署和商业化发展[78]。为了在故障发生前预测其剩余使用寿命(remaining useful life,RUL)并及时安排对燃料电池系统进行维修以延长其使用寿命,PEMFC的RUL预测成为亟待解决的问题。

质子交换膜燃料电池故障诊断与剩余使用寿命预测方法研究对于提高PEMFC的耐久性和实际剩余寿命具有重大研究意义。PEMFC故障类型包括燃料压力过低(高)、空气压力过低(高)、燃料过量系数过低(高)、空气过量系数过低(高)、加湿度过低(高)等。长时间的故障可导致质子交换膜膜干或水淹,其中质子交换膜水淹故障是可逆的,即可通过调节空气入口压力与加湿度等参数使PEMFC脱离故障状态并恢复性能,而质子交换膜膜干故障是不可逆的,即不可通过调节参数使PEMFC系统恢复,会对PEMFC产生永久性损伤。严重的故障会导致质子交换膜穿孔或PEMFC爆炸(火灾)等大型安全事故,造成不可挽回的经济损失。因此,保证PEMFC系统处于健康状态持续运行至关重要。在维持PEMFC系统安全可靠运行的同时,根据系统运行参数实时预测PEMFC剩余使用寿命可在电堆报废前停机维护系统,最大限度地减少维修时间并延长安全使用寿命。质子交换膜燃料电池在长期运行环境下(动态加减载、启停机、大负载和怠速),催化剂、双极板和膜电极等关键部件都会老化,燃料电池有效使用面积会逐渐减小,PEMFC系统的最大输出功率会显著降低,剩余使用寿命会逐渐减少直至寿命终结报废处理[9]

1.1国外研究现状

国外学者从模型驱动方法、数据驱动方法和实验测试方法共3个方面研究了燃料电池故障诊断技术。Zhang和Pisu报道了面向催化裂化的燃料电池催化剂老化模型[10]。催化剂降解模型是于Darling和Meyers提出的铂溶解动力学模型的基础上进行的,并对模型进行了简化[11,12]

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