基于最小实际数据的电池退化诊断混合融合方法：连接实验室研究与实际应用

本文提出了一种结合模型与实验验证的质子交换膜燃料电池(PEMFC)水管理动态控制策略。研究通过建立包含气体-气体膜增湿器(humidifier)的空气供应子系统水热动力学模型，揭示了堆栈温度对入口气体相对湿度(RH)和温度的多阶段动态影响，并发现87A电流下的异常 flooding 现象。创新性地引入增湿器热容量和堆栈出口液态水影响因素，开发出基于温度调节的水管理控制策略，使电池电压退化率在2000小时道路测试中降至-2.18μV/h。

　　

核心发现

通过构建包含膜增湿器的水热动力学模型，揭示了负载变化时堆栈出口液态水和增湿器热响应主导入口气体温度/相对湿度(RH)的多阶段延迟现象。

实验验证

在60 kW质子交换膜燃料电池(PEMFC)系统上的测试显示：

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  负载增加时，入口气体温度呈现四阶段上升

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  负载降低时，堆栈平均高频阻抗、入口空气温度和平均单电池电压(cell voltage)在2000秒内逐步下降至稳态

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  首次发现87A电流下的异常 flooding 现象

水管理控制策略

开发基于堆栈温度调节的自适应控制算法，道路测试表明该策略将冬季至秋季运行期间单电池电压退化率(degradation rate)成功控制在-2.18μV/h。

讨论

与传统认知相反，研究发现：

1. 1.

   低电流下自增湿PEMFC系统可能因氧过量系数(oxygen excess ratio)增加导致阴极室出口液态水比例升高

2. 2.

   增湿器热容量与环境热交换对低温环境下入口RH有显著影响

结论

该研究为车载燃料电池系统提供了：

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  包含增湿器热容量的高精度动态模型

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  有效抑制低电流 flooding 的温度控制策略

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  实际道路工况下的电压退化控制方案

作者贡献声明

Shuai Zhu：撰写/可视化/验证；Po Hong：建模/实验设计；Pingwen Ming：基金支持；Cunman Zhang等提供方法论支持。

利益声明

作者声明无利益冲突。

致谢

感谢国家重点研发计划(2023YFB4301603)和国家自然科学基金(52306268)资助。