تشخیص پدیده خشکی و طغیان در پیل‌های سوختی غشای تبادل پروتون مبتنی بر منطق فازی چند ارزشی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی برق، دانشگاه صنعتی همدان، همدان، ایران

10.22059/ses.2026.409883.1209

چکیده

پیل‌های سوختی غشای تبادل پروتون به‌عنوان یکی از مهم‌ترین گزینه‌ها برای تولید انرژی پاک در صنایع خودروسازی مطرح هستند، اما عملکرد آن‌ها به‌شدت تحت تأثیر مدیریت آب درون سامانه قرار دارد. در این پژوهش رویکردی نوین برای تشخیص و آشکارسازی وضعیت تعادل آب در پیل سوختی ارائه شده است که بر پایه ترکیب منطق فازی چند ارزشی و پارامترهای هندسی طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی بنا شده است. منطق فازی چند ارزشی امکان مدل‌سازی شرایط میانی و مرزی میان حالت‌های خشکی، نرمال و طغیان را فراهم می‌آورد. تحلیل هندسی طیف‌های امپدانس، سه پارامتر کلیدی مقاومت اهمی، شعاع نیم‌دایره نفوذ و مؤلفه حقیقی مرکز آن را استخراج کرده و به‌عنوان ورودی سیستم فازی با ۶۴۰ قانون مورد استفاده قرار گرفته است. نتایج شبیه‌سازی در نرم‌افزار متلب بر روی ۵۰ حالت عملیاتی (۹ حالت نرمال، ۱۵ حالت خشکی و ۲۶ حالت طغیان) نشان می‌دهد که روش پیشنهادی با دقت کلی 98% قادر به تشخیص نوع خطا بوده و شدت پدیده‌ها را با میانگین خطای مطلق ۱,۴۵% تخمین می‌زند. میانگین خطای شدت برای حالت نرمال 0,17%، خشکی 2,1% و طغیان ۱,7% به دست آمده است. این روش در مقایسه با روش‌های مرسوم نظیر شبکه عصبی بازگشتی حافظه بلند-کوتاه‌ مدت با دقت 94%، شبکه عصبی کانولوشنی عمیق با دقت 90% و منطق فازی نوع-۱ با دقت 80%، برتری چشمگیری داشته و به‌عنوان ابزاری کارآمد برای پایش آنلاین و بهبود قابلیت اطمینان پیل‌های سوختی قابل به‌کارگیری است. این دستاورد می‌تواند زمینه‌ساز توسعه سامانه‌های هوشمند کنترل و افزایش عمر مفید پیل‌های سوختی در کاربردهای صنعتی و حمل‌ونقل باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Detection of Dehydration and Flooding Phenomena in Proton Exchange Membrane Fuel Cells Based on Multi-Valued Fuzzy Logic

نویسندگان [English]

  • Pezhman Bayat
  • Peyman Bayat
Department of Electrical Engineering, Hamedan University of Technology, Hamedan, Iran
چکیده [English]

Proton exchange membrane fuel cells are considered one of the most important options for clean energy production in the automotive industry, but their performance is strongly influenced by water management within the system. In this study, a novel approach for detecting and diagnosing the water balance state in a fuel cell is presented, based on the combination of multi-valued fuzzy logic and geometric parameters of electrochemical impedance spectroscopy. Multi-valued fuzzy logic enables modeling of intermediate and boundary conditions between dehydration, normal, and flooding states. Geometric analysis of impedance spectra extracts three key parameters: ohmic resistance, the diffusion semicircle radius, and the real component of its center, which are used as inputs to a fuzzy system with 640 rules. Simulations in MATLAB on 50 operational states show that the proposed method can diagnose the fault type with an overall accuracy of 98% and estimate the severity of phenomena with a mean absolute error of 1.45%. The mean severity errors are 0.17% for normal state, 2.1% for dehydration state, and 1.7% for flooding state. Compared to conventional methods such as long short-term memory recurrent neural network with 94% accuracy, deep convolutional neural network with 90% accuracy, and type-1 fuzzy logic with 80% accuracy, this method demonstrates significant superiority and can be employed as an efficient tool for online monitoring and improving the reliability of fuel cells. This achievement can pave the way for the development of intelligent control systems and extend the operational life of fuel cells in industrial and transportation applications.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Dehydration Phenomena
  • Flooding Phenomena
  • Proton Exchange Membrane Fuel Cells
  • Electrochemical Impedance Spectroscopy
  • Multi-Valued Fuzzy Logic