基于深度平行残差神经网络的质子交换膜燃料电池故障诊断
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国家自然科学基金(52401376); 国家水运安全工程技术研究中心开放基金(A202501); 广西自然科学基金(2025GXNSFHA069145); 广西高校中青年教师科研基础能力提升项目(2025KY0482); 广西揭榜制科技项目(2025JBGS035); 广西教育厅高等教育本科教学改革工程重点项目(2024JGZ146)


Fault Diagnosis for Proton Exchange Membrane Fuel Cell Based on Deep Parallel Residual Neural Network
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    摘要:

    质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)作为一种新型可再生清洁能源设备具有巨大的市场应用价值. PEMFC在复杂多变的运行工况下长时间连续工作易发生水管理故障. 然而, 传统的故障诊断方法难以有效地从动态变化的监测数据中提取出关键故障特征. 为此, 提出了一种基于深度平行残差神经网络的PEMFC故障诊断方法. 该方法首先将采集的电流、电压等多源信号进行数据处理; 然后, 设计了一种深度平行残差神经网络(deep parallel residual neural network, DP-ResNet)解决残差网络多尺度特征提取能力不足的问题; 最后, 将提出的算法应用于质子交换膜燃料电池在负载变化工况下的水管理故障数据集进行诊断验证. 实验结果表明, 提出的DP-ResNet模型在真实的PEMFC实验数据集中对水淹故障的诊断准确率高达99.46%. 该方法相比于传统机器学习Decision-tree、GaussianNB、KNN和CNN算法具备更高的特征提取能力和诊断精度.

    Abstract:

    As an innovative renewable and clean energy device, the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) holds immense market application value. PEMFCs are susceptible to water management faults during prolonged operation under complex and varying conditions. However, traditional fault diagnosis methods struggle to effectively extract key fault features from dynamically changing monitoring data. To address this, this study proposes a PEMFC fault diagnosis method based on a deep parallel residual neural network (DP-ResNet). This method initially processes the collected multi-source signals, such as current and voltage. Subsequently, a DP-ResNet is designed to overcome the limitation of residual networks in multi-scale feature extraction. Finally, the proposed algorithm is applied to a dataset of PEMFC water management faults under varying load conditions for diagnostic verification. Experimental results demonstrate that the proposed DP-ResNet model achieves a diagnostic accuracy of up to 99.46% for flooding faults in real PEMFC experimental datasets. Compared with traditional machine learning algorithms such as Decision-tree, GaussianNB, KNN, and CNN, the proposed method demonstrates superior feature extraction and diagnostic accuracy.

    参考文献
    相似文献
    引证文献
引用本文

宫文峰,石磊,盛晨兴,张泽辉.基于深度平行残差神经网络的质子交换膜燃料电池故障诊断.计算机系统应用,2026,35(2):269-279

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  • 收稿日期:2025-07-07
  • 最后修改日期:2025-08-01
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  • 在线发布日期: 2025-12-19
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