摘 要

工业生产和科学技术的发展，使得人们对能源的需求量越来越大。然而，能源与环境的问题变得越来越严重，人们对新能源的需求也开始变得越来越重视。随着人们对新能源的发掘，燃料电池也开始逐渐出现在大众的视野里。燃料电池作为新一代的发电装置，具有安全性高，能源转换效率高，能量密度高等特点使得燃料电池有着很好的发展前景。但是，由于目前技术不够成熟，现在市面上大多数的燃料电池在一些恶劣的情况下还是容易发生故障。本文将以燃料电池作为对象，对燃料电池的健康管理系统作为研究，设计处一个燃料电池故障诊断的模型。本次设计的主要研究的内容有：

明确提出在燃料电池发动机整个运行过程中会出现的问题；根据燃料电池的故障和自动控制系统，建立燃料电池故障诊断的实体模型。整合燃料电池发动机的结构，分析信号检测与故障诊断系统的总体要求和信号检测主要参数的技术要求；燃料电池相关硬件配置模型的选择。

本论文采用的是模拟故障实验，通过搭建一个燃料电池仿真平台，以获得燃料电池运行中的各种参数。通过输入干扰信号使模拟燃料电池发生故障，并将故障参数导入到巡检系统里利用相关的燃料电池故障诊断算法对其进行判定。运行结果显示该系统运行正常，能够满足设计要求。

关键词：燃料电池，健康管理系统

Abstract

With the development trend of industrialized production and scientific and technological progress, everyone's requirements for electric energy continue to increase. However, as the problems of electric energy and environmental pollution become more and more serious, everyone has begun to pay more and more attention to the requirements of new energy technologies. With the discovery of new energy technologies, solid-state batteries have slowly appeared in the eyes of the masses. As a new generation of power generation equipment, solid-state batteries have the characteristics of high safety factor, high efficiency of magnetic fluid power generation and high specific energy.However, due to the immature technology, most fuel cells on the market are still prone to failure in some severe conditions.This paper will take the fuel cell as the object, the fuel cell health management system as the research, design a fuel cell fault diagnosis model.The main research contents of this design include:

Clearly put forward the problems that will occur in the operation of solid-state battery diesel engines. According to the common faults of solid-state batteries and automatic control systems, a solid model for solid-state battery fault detection was built. Integrating the composition and structure of solid-state battery diesel engines, the overall analysis of the signal detection and fault detection system software regulations and the technical standards of the main parameters of signal detection.Selection of hardware related to fuel cell.

In this paper, a failure simulation experiment is used to build a fuel cell simulation platform to obtain various parameters in the operation of the fuel cell.The simulated fuel cell failure is caused by the input of interference signal, and the fault parameters are imported into the patrol inspection system and judged by the relevant fuel cell fault diagnosis algorithm.The operation results show that the system runs normally and can meet the design requirements.

Key words: Health management system , Fuel cell

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国外研究现状 3

1.2.1 燃料电池仿真的研究现状 3

1.2.2 燃料电池故障检测的研究现状 4

1.2.3 燃料电池在船舶上应用的研究现状 5

1.3 论文研究内容 5

第2章 燃料电池基本结构和原理介绍及硬件选型 7

2.1 燃料电池的结构 7

2.2 燃料电池发动机的子系统 7

2.3 燃料电池的响应特性 9

2.3.1 稳态特性 9

2.3.2 动态特性 9

第3章 燃料电池仿真建模 11

3.1 燃料电池选型 11

3.2 等效电路模型 11

3.2.1 热力学电压 12

3.2.2 活化过电压 13

3.2.3 欧姆过电压 13

3.2.4 浓差过电压 13

3.2.5 等效电容两端电压 14

3.2.6 simulink建模 14

3.3 热能模型 15

3.3.1 热能传输数学模型 15

3.4 动态气压模型 16

3.4.1 动态氢气压力模型 17

3.4.2 动态氧气压力模型 17

3.4.3 simulink动态气体压力建模 17

3.5 simulink仿真验证 18

第4章 燃料电池的故障诊断方法 20

4.1 基于专家系统与故障树分析法相结合的诊断方法 20

4.1.1 诊断专家系统方法 20

4.1.2 故障树分析法 20

4.1.3 燃料电池发动机的故障树建立 22

第5章 燃料电池的健康管理检测系统设计及硬件选取布点 28

5.1 规则库的设计 28

5.2 检测系统的检验 31

5.2.1 燃料电池的冷却水泵故障检验 33

5.2.2 燃料电池的氧气进堆压力故障检验 35

5.2.3 燃料电池的电极水淹故障检验 36

5.2.4 燃料电池的电极脱水故障检验 38

5.3 检测系统的硬件选型和安装策略 39

5.3.1 传感器的选型 40

5.3.2 传感器的安装位置 46

第6章 全文总结与展望 48

6.1 全文的总结 48

6.1.1 全文的展望 49

参考文献 50

致谢 52

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

进入新时代后，随着人们的经济水平和生活条件变得越来越好，开始对环保意识显得越来越重视。科学家们意识到自工业革命以来，一直都是使用化石能源作为工业的主要能源，但由于化石能源的低效使用使得在使用后产生了严重的污染，对环境对生态都造成了一定程度的破坏。为了解决这些问题，最终需要用清洁的能源取代污染大的化石能源，于是，燃料电池开始出现在人们的视野之中。

燃料电池发电是继地热能电、水力发电、风力发电和太阳能能发电之后的新一类发电技术。它作为一种不经燃烧直接而是通过电化学反应方式将燃料和氧化剂在反应过程中产生的化学能转变为电能的发电装置。因为燃料电池不需要原动机的驱动来发电，所以它不参与发电过程中的燃烧过程，也不会受到卡诺循环的限制，从而促进了燃料电池高效发电。 质子交换膜燃料电池（质子交换膜燃料电池，PEMFC）因其工作温度低，启动速度快，比功率高，结构简单，实用方便等优点而被广泛使用。这种类型的燃料电池主要用于移动终端，并且在绿色能源和其他移动工具行业中受到了一定程度的关注。