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龙图腾网获悉天津大学申请的专利燃料电池故障嵌入模型的建立方法获国家发明授权专利权，本发明授权专利权由国家知识产权局授予，授权公告号为：CN116231013B 。

龙图腾网通过国家知识产权局官网在2026-03-31发布的发明授权授权公告中获悉：该发明授权的专利申请号/专利号为：202310272592.1，技术领域涉及：H01M8/04992；该发明授权燃料电池故障嵌入模型的建立方法是由焦魁;宫智超;王博文设计研发完成，并于2023-03-20向国家知识产权局提交的专利申请。

本燃料电池故障嵌入模型的建立方法在说明书摘要公布了：本发明公开了一种燃料电池故障嵌入模型的建立方法，包括故障函数嵌入、电化学模型计算、膜态水含量求解、液态水含量求解气体组分浓度求解以及温度方程求解分项的计算。该模型通过故障函数嵌入，实现了压力故障、湿度故障及流量故障工况下的精确模拟。在满足燃料电池运行要求的同时，能够了解在不同故障工况下燃料电池内部复杂的传热传质过程及多种瞬态工况的动态响应。通过电化学、流体以及热三个物理场的相互耦合，求解故障工况下燃料电池内部复杂物理场变化。解决了目前故障诊断研究故障数据类型不平衡、数据质量较差的问题，实现了各种故障数据的积累，对燃料电池故障诊断算法开发提供了模型支持，极大缩短了产品研发周期以及台架实验成本。

本发明授权燃料电池故障嵌入模型的建立方法在权利要求书中公布了：1.燃料电池故障嵌入模型的建立方法，其特征是：模型建立的方法包括6个部分的设定以及求解：故障函数嵌入、电化学模型计算、膜态水含量求解、液态水含量求解气体组分浓度求解以及温度方程求解，具体步骤如下： 1故障函数嵌入 对入口操作参数嵌入故障函数，准确描述故障的特征，模拟压力故障、湿度故障和流量故障的工况，压力故障通过阳极、阴极入口的压降进行表征，当出现压力故障时，可定量描述为： Pin,a＝fP,atPinlet,a1 Pin,c＝fP,ctPinlet,c2 式中Pin,a代表燃料电池阳极的实际入口压力，Pin,c代表燃料电池阴极的实际入口压力；t代表时间；fP,at代表阳极的压力故障函数，fP,ct代表阴极的压力故障函数；Pinlet,a代表阳极设定操作的正常入口压力，Pinlet,c代表阴极设定操作的正常入口压力， 因湿度不足是燃料电池系统中水管理的常见故障，会导致质子交换膜出现膜干燥问题，并且会直接影响燃料电池入口处的水蒸汽浓度，当出现湿度故障时，可定量描述为： 式中cvap,in,a代表燃料电池阳极的入口水蒸气浓度，cvap,in,c代表燃料电池阴极的入口水蒸气浓度；Psat代表饱和水蒸气压；RHin,a代表阳极实际相对湿度，RHin,c代表阴极实际相对湿度；R代表通用气体常数；T代表环境温度；fRH,at代表阳极的湿度故障函数，fRH,ct代表阴极的湿度故障函数；RHinlet,a代表阳极设定操作的正常相对湿度，RHinlet,c代表阴极设定操作的正常相对湿度， 反应物流量不足可用于表征气体供应管路中的气体泄漏、可变负载条件下的气体供应不足流量故障，当出现流量故障时，可定量描述为： qin,a＝cin,afq,atva5 qin,c＝cin,cfq,ctvc6 式中qin,a代表阳极入口气体流量，qin,c代表阴极入口气体流量；cin,a代表阳极入口气体浓度，cin,c代表阴极入口气体浓度；fq,at代表阳极流量故障函数，fq,ct代表阴极流量故障函数；va代表阳极入口气体流速，vc代表阴极入口气体流速， 2电化学模型计算 燃料电池的输出电压计算表达式如下： V＝Erev-ηohm-ηact,a-ηact,c7 式中V代表燃料电池输出电压；Erev代表可逆电压损失；ηohm代表欧姆损失；ηact,a代表阳极的活化损失；ηact,c代表阴极的活化损失，其中可逆损失的计算表达式如下： 式中F代表法拉第常数；代表阳极流道的氢气分压，代表阴极流道的氧气分压，欧姆损失的计算表达式如下： 式中I代表燃料电池电流密度；d代表流道厚度；δGDL代表气体扩散层厚度；δMPL代表为微孔层厚度；δCL代表催化层厚度；δMEM代表质子交换膜厚度；σBP代表双极板电导率；代表气体扩散层电子电导率；代表微孔层电子电导率；代表催化层电子电导率；代表催化层质子电导率；σMEM代表质子交换膜电导率， 活化损失分为阳极活化损失和阴极活化损失，其计算表达式如下： 式中α代表系数；代表阳极参考交换电流密度，代表阴极参考交换电流密度；s代表液态水含量；代表阳极流道氢气浓度，代表阴极流道的氧气浓度；代表阳极参考氢气浓度，代表阴极参考氧气浓度， 3膜态水含量求解 膜态水存在于膜、阳极以及阴极的催化剂层中，并影响离子电导率的计算，膜态水含量计算表达式如下： 式中ρMEM代表质子交换膜密度；EW代表膜当量；ω代表聚合物体积分数，下角标p代表燃料电池中膜态水存在层的种类，其中包括阴极催化层、阳极催化层以及质子交换膜；下角标q代表p层相邻的膜态水存在层的种类，其中包括阴极催化层、阳极催化层以及质子交换膜，λp代表p层的膜态水含量；λq代表q层的膜态水含量，δp代表p层的厚度；δq表示q层的厚度，表示p层和q层之间的膜态水有效扩散率，Smw代表膜态水源项，从而求解出膜态水含量， 其中相邻层扩散到p层的膜态水扩散通量计算如下式： 式中φmw,p-q表示相邻的q层扩散到p层的膜态水扩散通量， 4液态水含量求解 燃料电池内的水蒸气压大于饱和气压时，水蒸气会发生相变凝结成饱和液态水，简称为液态水，饱和水蒸气压的计算公式如下： Psat表示饱和的水蒸汽压，假设液态水在整个多孔层内是连续的，利用液态水的质量守恒方程进行程求解，多孔层内液态水体积分数的计算公式如下： 式中下角标m代表燃料电池包含层的种类，其中包括流道、阳极催化层、阴极催化层、阳极气体扩散层、阴极气体扩散层、阳极微孔层以及阴极微孔层；下角标n代表m层相邻的层的种类，其中包括流道、阳极催化层、阴极催化层、阳极气体扩散层、阴极气体扩散层、阳极微孔层以及阴极微孔层；ρlq表示液态水密度；Mw代表液态水的摩尔质量；δm代表m层的厚度；δn代表n层的厚度；εm代表m层的孔隙度；sm代表m层的液态水体积分数；φlq,m表示液态水在m层的渗透通量；Slq是液态水源项；表示m层和n层之间的液态水有效渗透率；pl,n表示n层的液压；pl,m表示m层的液压；μlq表示液态水黏度， 其中液态水从相邻层渗透到m层的渗透通量计算式如下： 式中φlq,m-n代表相邻的n层扩散到m层的液态水渗透通量，液压pl通过毛细压力计算得出，多孔介质内毛细压力pc和液态水体积分数s的关系方程如下： 其中σlq为表面张力系数；θ为接触角；ε为孔隙率；K为液态水渗透率；pg是总气体气压，由此通过上一个时刻的液态水体积分数求得下一个时刻的液压pl，然后求得新时刻的各部分液态水体积分数s， 5气体组分浓度求解 燃料电池内部的气体组分，包括水蒸气、氢气、氧气和氮气，多孔层内气体组分浓度的具体求解式如下： 式中下角标i代表气体组分的种类，在阳极中包括氢气、水蒸气、氮气，在阴极包括氧气、水蒸气以及氮气；表示m层和n层之间气体组分i的有效扩散率；ci,n代表n层气体组分i的气体浓度；ci,m代表m层气体组分i的气体浓度，Si,m代表m层的气体组分i的源项，从而求解出气体组分浓度， 其中气体扩散通量的计算式如下： 式中φi,m-n代表相邻的n层扩散到m层的气体组分i的扩散通量， 6温度求解 局部温度通过能量守恒方程进行求解，计算表达式如下： 式中Tm表示m层的温度；Tn表示m层的温度；ρCpm表示m层的有效容积热容；ST表示热源项；表示m层和n层之间的有效导热系数， 热通量计算式为： 式中φT,m-n代表相邻的n层传递到m层的热通量， 模型求解采用显式格式更新算法进行计算，通过对上述故障函数的嵌入以及方程的求解，即可建立故障嵌入燃料电池模型，根据燃料电池故障函数、性能参数以及工作环境条件的设定，可以求解出燃料电池在故障工况下电池性能以及内部参数的动态变化，从而实现各种故障数据的积累，加速故障诊断判别。

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