功率变换器导致燃料电池失效机理和失效减缓控制策略研究

Aiming at the durability issues of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) on the performance degradation and failure caused by the power converters, the proposed project will carry out the researches on the degradation mechanisms, and the failure mitigation and reliability adopting new topology, such as the adaptive active clamp circuits, and some of the key control techniques and methods, such as the intelligent control technologies. By using the in situ and ex situ experimental methods and characterization methods, it will be a deep understanding of performance attenuation and degradation mechanisms for PEMFC under the operating conditions resulted by the power converters, explores the incentive component failure mitigation technology and methods, develops their failure models, and makes the model simulation study, to verify the correctness and accuracy of the models. The self-designed power converters with various forms of waveform (DC/AC) , harmonics, current ripple, and adjustable frequencies (DC/DC) are to be applied to the PEMFC under the operation, to carry out the experimental studies and verify the feasibility of the methods proposed. Implementation of the proposed project is significance for clarifying PEMFC degradation mechanisms, revealing their failure law, improving the durability and performance, reducing costs, optimizing the design, and promoting the commercialization of fuel cells in the future.

本项目针对功率变换器导致质子交换膜燃料电池（PEMFC）性能下降和失效的耐久性问题，开展功率变换器导致PEMFC失效机理研究，并采用新型拓扑结构（如自适应有源钳位电路等）和一些关键控制技术和方法（如智能控制技术等）进行失效减缓和可靠性研究。拟采用现场和非现场电池失效测试实验方法和表征方法，深刻理解功率变换器导致PEMFC的性能衰减和失效机理，探索组件失效减缓关键技术和方法，开发其失效模型，并进行模型仿真研究，验证模型的正确性和精确性。自主设计的具有各种形式的输出波形（DC/AC），谐波、纹波和频率可调节（DC/DC）的功率变换器，施加于运行中的燃料电池上，开展实验研究，以验证提出的失效机理和失效减缓技术和方法的可行性。本研究对阐明功率变换器导致PEMFC失效机理，揭示其失效减缓规律，提高耐久性和性能，降低成本，优化设计，推动未来燃料电池商业化具有重要意义。

本项目针对功率变换器导致质子交换膜燃料电池（PEMFC）性能下降和失效等耐久性问题，首先，功率变换器导致PEMFC失效进行实验研究。PEMFC进行各种运行条件下的失效测试实验研究，验证了功率变换器导致PEMFC失效机理存在。特别是在PEMFC发电系统连接功率变换器，在负载周期启动/加载/停止的运行条件下，PEMFC出现反向电流、阴极催化剂碳腐蚀、Pt颗粒生长与降解，燃料饥饿等现象，严重导致了PEMFC性能下降和失效。. 其次，功率变换器导致PEMFC失效进行失效机理建模和预测模拟研究。采用法拉第过程和电极反应动力学的影响因素，利用相关的电化学定律和方程，建立功率变换器导致PEMFC组件失效机理模型，以及对PEMFC失效模型进行预测模型和评价研究，实验结果验证了理论和实验的一致性。. 第三，功率变换器导致PEMFC失效进行减缓控制方法研究。采用高频脉冲技术和电化学热力学和动力学技术，探索电极电催化剂等电池失效后性能减缓程度，利用自适应有源钳位电路和智能控制技术，进行了PEMFC发电系统的综合智能控制研究，实验验证了提出的方法的有效性。. 最后，功率变换器导致PEMFC的输出性能、寿命、输出功率、温度和热量，燃料可用性、效率、消耗和利用率等方面进行了可靠性分析和研究。研究结果表明，功率变换器导致了燃料电池的输出性能降低，寿命缩短，输出功率减少，以及燃料的可用性和效率降低，产生更多的热量，并提升了燃料电池的温度，消耗更多的燃料和降低燃料的利用率。通过可靠性理论分析，确定燃料电池失效的可靠性指标，如可靠度、失效率和平均寿命等。. 项目研究过程中，已经取得的成果有：发表学术专著1部；发表学术论文4篇，其中，SCI收录2篇，EI收录3篇；申请发明专利4项；预计培养1名博士研究生，14名硕士研究生；9人次参加了学术交流和会议。2021年和2022年，本项目还将完成的主要成果有：发表SCI、EI收录论文2～3篇，申请发明专利1～2项。