【微课堂回顾】北京信息科技大学霍为炜：模型-数据双轮驱动下的燃料电池优化控制与健康管理

新能源汽车国家大数据联盟微课堂自2022年底推出安全系列化课程，围绕网络安全、数据安全、车辆安全邀请专家大咖分享课程和观点，旨在服务国家数据安全治理体系的构建，促进数字经济的健康持续发展。
2024年5月23日晚联盟微课堂安全系列化课程第十九讲的课程上，来自北京信息科技大学的霍为炜副教授，分享了题为《模型-数据双轮驱动下的燃料电池优化控制与健康管理》的课程。质子交换膜燃料电池可靠性和耐久性不足等问题是制约其发展的瓶颈，亟需探究高效的系统故障诊断和健康管理方法。课程在描述质子交换膜燃料电池构成及典型故障产生机理的基础上，通过模型方法、数据驱动方法介绍了质子交换膜燃料电池故障诊断方法和健康管理研究进展，以期为其后续研究及快速商业化应用提供参考。以下为课程回顾。

 

燃料电池汽车作为新能源汽车的重要类型，得到了国家和相关行业的关注。2024年4月23日，《中华人民共和国能源法（草案）》提请十四届全国人大常委会第九次会议审议。其中，氢能被正式列入，与石油、煤炭、天然气等并列作为能源进行管理。燃料电池车作为氢能应用的突破口，为加速氢能产业规模化发展，充分发挥氢能在能源绿色低碳转型和行业绿色发展中的重要支撑作用。
课程首先介绍燃料电池系统的故障诊断部分。由于器件众多，燃料电池系统具有故障率高、寿命短等弊端，且系统运行中输出性能受到多种物理因素影响，因而及时准确的对燃料电池系统运行过程中对故障进行诊断非常必要。根据故障发生的位置及可逆程度，霍老师对燃料电池系统的故障进行了分类和分级。进而重点介绍了系统在运行过程中，水的产生、排出和传质过程，由此推及水淹故障和膜干故障的产生原因以及如何及时发现和排除故障，从而保证电池系统的正常运行。
其次，对于燃料电池系统而言，由于强参数耦合，故障发生的可能性比较高。为了提高可靠性，因此及时的容错控制策略，是系统满足应用需求的必备条件。燃料电池容错控制的挑战在于快速识别故障，及时响应，以避免系统任何不可逆的退化。容错控制策略主要分为两种：主动容错控制（AFTC）与被动容错控制（PFTC)。
霍老师提出，主动控制在检测到系统故障后，根据期望性能重新设计策略和参数，保持系统稳定运行；被动控制则预先设定故障和对应控制策略，形成闭环系统，对特定故障进行识别。主动控制更灵活，适用于不同情况，但实时计算时间较短；被动控制简单易实现，但对未知故障的适应能力有限。两者的选择取决于具体应用场景。
最后，霍老师从燃料电池健康因子的角度对燃料电池健康管理进行了分析。健康因子的包含内容有：(1)电池性能衰减指标：比如电压衰退、功率下降等。(2)物理化学特性变化：如质子交换膜的退化、催化剂层的老化等。(3)运行条件监测：包括温度、湿度、压力等参数的监控。(4)电气特性监测：如电流、电压、内阻等参数的实时监测。
健康因子后续发展方向包括：(1)提高预测精度：发展更为精确的老化趋势预测模型。(2)多尺度多因素分析：综合考虑多物理、多尺度、多部件、多因素的影响，发展全面的健康管理策略。(3)智能诊断与自适应管理：利用人工智能和机器学习技术，实现燃料电池健康状态的智能诊断和自适应管理。
提问环节
现有的换电运行模式中，上下游相关方哪一方在整个产业链中占主导的地位？
问题1:制氢气过程中，需要的能量来源是清洁的吗？工业副产制氢：利用工业生产中的副产物作为原料回收提纯制氢。这种方法可以有效利用废弃物，减少资源浪费，但其能量来源的清洁程度取决于主生产过程的能源使用情况。

电解水制氢：电解水制氢是将直流电通入水中，通过电解反应析出氢气。如果使用的电力来自可再生能源如风能和太阳能，则可以实现零碳排放，称为“绿氢”。这种方法的能量来源是清洁的，但目前成本较高，是制氢领域研究的热点。

问题2:燃料电池的故障是否能够通过技术手段来全面的进行诊断和监测？

有些故障是可以通过传感器进行直接测量的，有些则是需要数据分析，主要还是需要通过故障诊断进行相应的判断。传统的诊断方法，还是依赖电压巡检的方式，现在出现一些更多的检测方法，包含了例如交流阻抗或磁场的监测等非侵入方式，在不干扰燃料电池正常运行的前提下监测燃料电池的健康状态。

问题3:低温环境对燃料电池有影响吗？

燃料电池作为一个电化学元器件，低温对其影响很大，主要包括：(1)电导率降低：质子交换膜的电导率随温度下降而降低。这是因为低温环境下，膜内的水分子活动减少，导致质子传输效率下降。(2)反应速度减慢：低温环境下，化学反应速率通常会减缓。对于燃料电池而言，这意味着氢气和氧气在催化剂表面的电化学反应速度降低，从而降低了电池的输出功率和效率。(3)启动困难：在低温条件下，由于电化学反应速度减慢以及内部电阻增加，燃料电池的启动变得更加困难。特别是在极端低温下，电池可能完全无法启动，这在实际应用中造成了极大的限制。(4)寿命缩短：低温不仅影响燃料电池的性能，还可能加速其老化过程。反复的冻结和解冻循环会导致膜材料和催化剂层的结构损坏，进一步影响电池的长期稳定性和使用寿命。