本书结合作者及团队多年的研究实践，从理论及工程应用的角度系统地介绍了质子交换膜燃料电池在水管理及故障测试、交流阻抗检测、水管理故障诊断和老化预测及剩余使用寿命估计等方面的关键问题和核心技术，共分8章。第1章概述了质子交换膜燃料电池反应原理及应用；第2-4章重点介绍了质子交换膜燃料电池水管理及故障测试、交流阻抗检测技术及水管理故障诊断方法；第5-8章重点阐述了质子交换膜燃料电池老化分析及预后管理、基于模型的老化预测方法、数据驱动方法与混合预测方法等。
本书主要从燃料电池状态估计、寿命预测等相关技术来介绍质子交换膜燃料电池，是其他相关书籍所没有介绍到的。
氢能作为一种清洁、高效且可再生的能源，在能源转型中发挥着重要作用。质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)具有高能量密度、高转换效率、无污染、工作温度接近常温等优点，被认为是极具潜力的氢电转换装置。然而，PEMFC对电堆电流变化敏感，易发生水淹和膜干故障，导致输出性能下降、寿命缩短。电堆内部含水量过高会阻碍反应物传输；膜干会降低质子交换膜的电导率，严重时会造成不可逆的膜损伤。准确地诊断水管理故障为制定*佳水管理策略提供依据，可以提高燃料电池输出性能、延长使用寿命。PEMFC本身的结构和材料属性以及运行环境会引起其不可逆的性能退化。燃料电池的耐久性和高成本依然是制约燃料电池汽车全球化的重要因素。准确地预测PEMFC老化趋势和估计剩余使用寿命对降低燃料电池系统维护成本、防止灾难性故障和延长使用寿命具有重要意义。
作者及团队近年来开展了质子交换膜燃料电池健康管理研究，提出了基于模型、基于数据驱动和基于实验测试的水管理故障诊断方法。同时，开展了PEMFC老化预测方面的深入探索和验证，通过实验数据验证了多种老化预测方法，具体包括PEMFC短期老化预测和长期老化预测，涉及的方法通常分为三种：模型驱动方法、数据驱动方法和混合方法。
本书结合作者及团队研究实践，全面阐述了质子交换膜燃料电池在水管理及故障测试、交流阻抗检测、水管理故障诊断和老化预测及剩余使用寿命估计方面的技术细节。第1章概述了质子交换膜燃料电池反应原理及应用。第2章探讨了质子交换膜燃料电池水管理故障诊断方法及故障实验测试。第3章介绍了燃料电池交流阻抗检测技术，重点说明了交流阻抗检测系统软、硬件设计方法。第4章讨论了燃料电池水管理故障诊断方法，深入分析了燃料电池等效电路模型参数辨识方法、基于等效电路模型的水管理故障分类以及数据驱动的水管理故障诊断方法。第5章剖析了质子交换膜燃料电池的老化及预后管理，介绍了老化机理及老化指标、预后管理方法和相关概念。第6章论述了基于模型的质子交换膜燃料电池老化预测方法，并提出包含卡尔曼滤波算法、粒子滤波算法及其变体在内的多种预测方法。第7章提出了基于神经网络的质子交换膜燃料电池短期和长期老化预测方法，改进了神经网络预测方法并进行了实验验证。第8章阐明了用于中短期预测和长期预测的混合预测方法，并提出了混合预测方法的优势和面临的挑战。
本书是武汉理工大学先进储能与双碳实验室多年来有关燃料电池领域研究工作的综述和总结。其中，朱文超主要完成第1章、第5章、第7章以及第8章的撰写，杨扬主要完成第2章、第3章、第4章以及第6章的撰写，谢长君主要完成全书的统稿及校核工作。参与本书资料整理的有博士生杜帮华，以及硕士生万文欣、郭冰新、余晓然、李长志、吴航宇、贺挺伟、李永佳、李浩辰、刘晏君、杨一鼎、薛嘉瑞等。
经过多年努力与实践，我们试图将质子交换膜燃料电池健康管理与老化预测领域国内外*新研究进展和团队在该领域的研究成果及心得体会奉献给所有同仁和读者，助力我国在质子交换膜燃料电池领域的学术创新与进步，推动燃料电池产业快速、健康发展。本书虽经多次修改，但仍难如人意，且燃料电池有些工作仍在继续深入和推进，书中难免出现谬误和不足，希望读者体谅，并热烈欢迎读者提出批评与斧正意见，共同推动燃料电池领域的研究与发展。
谢长君，教授、博士生导师，湖北省杰出青年基金获得者，武汉理工大学青年拔尖人才，国家自然科学基金委信息学部会评专家。历任自动化学院副院长，武汉理工大学京津冀协同沧州研究院院长。现任武汉理工大学人工智能学院院长。获得湖北省技术发明二等奖3项，2015年度（排序1）、2017年度（排序3）及2020年度（排序6），获得2017年度中国产学研合作创新奖（个人），2018年度中国产学研合作创新成果奖（排序2），获得湖北省自然科学优秀学术论文一等奖（2016年度）。近年来主持国家重点研发计划项目课题1项，主持国家自然科学基金项目3项，主持国家“973”重大基础研究项目子项1项，主持湖北省技术创新重大项目1项，主持湖北省自然科学基金杰出青年及面上项目各1项，主持武汉市青年科技晨光计划项目1项，参与国家重点研发、863攻关项目10余项。在国内外核心期刊和重要国际会议上发表论文80多篇，其中SCI/EI收录60余篇，申请发明及实用新型专利100余件，已授权发明专利60余件，并完成10件发明专利转让。
第1章 质子交换膜燃料电池概述/1
1.1 燃料电池反应原理/1
1.2 燃料电池组件构成/3
1.3 燃料电池的动态特性/7
1.4 质子交换膜燃料电池应用概述/8
1.4.1 PEMFC汽车概述/8
1.4.2 PEMFC发电技术应用/10
第2章 质子交换膜燃料电池水管理及故障测试/12
2.1 质子交换膜燃料电池水管理/12
2.2 质子交换膜燃料电池水管理故障诊断方法/13
2.2.1 基于模型的故障诊断方法/14
2.2.2 基于数据驱动的故障诊断方法/16
2.2.3 基于实验测试的故障诊断方法/17
2.3 质子交换膜燃料电池水管理故障实验测试/18
第3章 燃料电池交流阻抗检测技术/21
3.1 电化学阻抗谱测量原理/21
3.2 交流阻抗检测系统设计/23
3.2.1 交流阻抗检测系统总体设计/23
3.2.2 程控交流电流激励信号源设计/24
3.2.3 高精度信号采集单元设计/28
3.2.4 上位机模块设计/35
3.3 交流阻抗检测系统测试与分析/43
3.3.1 交流电流激励源频率输出测试/43
3.3.2 信号放大模块测试/44
3.3.3 交直流滤波模块测试/46
3.3.4 交流电压采集模块测试/47
第4章 燃料电池水管理故障诊断方法/50
4.1 燃料电池建模及等效电路模型参数辨识/50
4.1.1 燃料电池建模/50
4.1.2 燃料电池等效电路模型参数不确定性评估/55
4.2 基于FCM与OB算法的燃料电池水管理故障分类/63
4.2.1 *小二乘法参数辨识/63
4.2.2 FCM聚类算法/64
4.2.3 优化贝叶斯算法分类/64
4.2.4 基于FCM与OB算法的水管理故障分类实例/66
4.3 基于自适应差分算法优化支持向量机的水管理故障诊断/75
4.3.1 数据降维方法/75
4.3.2 水管理故障分类算法/76
4.3.3 基于ADESVM算法的水管理故障诊断实例/80
4.4 结合线性判别分析和Xception网络的水管理故障诊断方法/84
4.4.1 燃料电池故障概述/84
4.4.2 Xception网络/85
4.4.3 基于Xception网络的燃料电池故障诊断实例/87
第5章 质子交换膜燃料电池老化分析及预后管理/94
5.1 质子交换膜燃料电池老化机理与指标/94
5.1.1 燃料电池主要部件老化的影响分析/94
5.1.2 燃料电池运行工况对老化的影响分析/96
5.2 质子交换膜燃料电池的预后管理/97
5.2.1 数据获取和预处理/98
5.2.2 健康指标和寿命终止点/101
5.2.3 预测模式概述/104
5.2.4 预测方法/106
5.2.5 预测结果的评价指标/107
第6章 基于模型的质子交换膜燃料电池老化预测方法/109
6.1 PEMFC老化模型和预测流程/109
6.2 基于卡尔曼滤波算法的老化预测/111
6.2.1 基于EKF的老化预测/112
6.2.2 基于UKF的老化预测/114
6.2.3 基于AEKF的老化预测/119
6.2.4 基于AUKF的老化预测/119
6.2.5 基于FDKF的老化预测/121
6.2.6 基于SRUKF的老化预测/126
6.3 基于粒子滤波算法的老化预测/128
6.3.1 基于PF的老化预测/129
6.3.2 基于UPF的老化预测/132
第7章 燃料电池老化预测数据驱动方法/135
7.1 数据驱动方法/135
7.1.1 数据驱动方法分类/135
7.1.2 统计方法/135
7.1.3 机器学习方法/138
7.2 基于神经网络的短期预测/147
7.2.1 预测框架与步骤/147
7.2.2 短期预测结果分析/149
7.3 基于神经网络的长期预测/151
7.3.1 预测框架与步骤/151
7.3.2 长期预测结果分析/152
7.4 神经网络的改进方法/155
7.4.1 基于分解集成的多数据方法融合预测/155
7.4.2 基于贝叶斯理论的不确定性量化方法/160
第8章 燃料电池老化混合预测方法/169
8.1 用于中短期预测的混合预测方法/170
8.2 用于长期预测的混合预测方法/178
8.2.1 基于数据驱动为模型驱动提供观测值的混合预测方法/178
8.2.2 基于数据驱动和模型驱动相互迭代的混合预测方法/181
8.3 混合预测方法的优势与挑战/185
8.3.1 混合预测方法的优势/186
8.3.2 混合预测方法面临的挑战/187
参考文献/188
第1章 质子交换膜燃料电池概述
随着能源和环境问题越来越严重，寻求可持续能源变得非常重要。质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)是一种新型电化学发电装置，通过氧化还原反应将氢燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能。它采用固体聚合物电解质，具有工作温度适当、启停快速、功率密度高等优势，被广泛认为是解决能源和环境危机*有前景的能源之一。
质子交换膜燃料电池（PEMFC）也被称作聚合物电解质膜燃料电池，由通用电气公司在20世纪50年末发明，用于NASA的太空任务。在该种类型的电池中，电解质薄膜是一片很薄的聚合物膜，这种聚合物膜能通质子但不通电子，这样就能保证电极之间的离子交换。质子交换膜燃料电池通常采用碳载铂（Pt/C）作为催化阴阳极反应的催化剂，该种电池可以在室温下快速启动，具备寿命长、比能量高、动态响应快及环境友好等优点，是电动汽车和家用分布式发电装置的理想电源，但其对氢气及空气的质量要求较高，铂金属催化剂极易受到CO和硫化物等杂质的污染而被毒化，导致失去活性，寿命降低。
1.1 燃料电池反应原理
PEMFC的单个电池单元由阴极、阳极、双极板、催化剂和质子交换膜组成。其中，氢气分子在阳极板处丢失电子，形成氢离子，即质子；同时，氧分子在阴极吸收电子与氢离子，形成水分子。在上述反应的过程中，带负电荷的电子从阳极板流向阴极板，带正电荷的质子也从阳极板流向阴极板。从而形成从阴极向阳极的可供负载使用的外电路与从阳极向阴极的内电路。PEMFC在工作时，阴极就是电源正极，而阳极就是电源负极。通过上述反应，PEMFC完成了化学能转化成电能，而在现实使用中，往往是由许多个PEMFC单元构成的电池堆给用电设备供电，其内部构造与工作原理如图1.1示。
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