一种燃料电池的性能检测系统及方法与流程

1.本技术涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池的性能检测系统及方法。


背景技术：

2.燃料电池是一种化学能转化为电能的发电装置，其单体电池是由正负两个电极以及电解质组成。
3.对燃料电池的研究离不开探究内部物性的传递与分布，如膜内水含量分布、温度变化、电阻分布等。但燃料电池内部机理的复杂性导致对内部性能的定量了解仍存在困难，而数据获取的困难性也限制了燃料电池诊断和控制技术的发展。为了有效提高燃料电池技术的开发，高效的性能检测方法的发展是必不可少的。
4.目前常用的检测方法依然是实验表征，但尽管测试技术发展迅速，实验方法仍难以表征微观性能，检测数据有限，而且存在仪器成本高，测试步骤复杂，时间长，所得数据实用性低，效率低等问题。为了节省时间和成本，基于计算的检测方法也慢慢出现，目前的计算模型中，低维模型计算的参数较单一，缺乏考虑热量传递、物质传递、电量传递之间相互关联影响，对燃料电池内部传输过程的检测准确度低。而高维模型引入参数结构过于复杂，面临计算量大导致计算时间长的问题。且现存模型中都缺乏对水淹现象、电池极化现象、电阻变化分析的考虑，而解决这些问题是实际燃料电池操作中的关键。因此，在考虑实际应用性的同时，如何快速准确地检测燃料电池内部的性能分布成为了亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本技术的目的在于提供一种燃料电池的性能检测系统及方法，通过精简单元格划分、应用优化求解单元、关联各参数影响、引入跨膜水扩散、阴极极化与氧气传输的耦合、多电阻组成的计算，提高了对燃料电池内部性能检测的效率、数据详尽度、准确性，同时兼顾水淹、极化等实际关键应用，从而利用准确计算出的关键参数，快速准确地展示复杂工况下燃料电池内部的性能分布。
6.本技术实施例提供了一种燃料电池的性能检测系统，所述性能检测系统包括：单元格划分模块、温度计算模块、膜内水含量计算模块、过电势计算模块以及总电势计算模块；其中，
7.所述单元格划分模块，用于将待检测燃料电池内部划分成多个检测单元格，并根据所述待检测燃料电池的输入信号，确定出每个检测单元格的初始物理量；
8.所述温度计算模块，用于基于每个检测单元格的物理量以及每个相邻检测单元格之间的热量传递的平衡关系进行计算，确定出每个检测单元格的温度值，并对每个检测单元格的物理量进行更新；
9.所述膜内水含量计算模块，用于基于每个检测单元格的物理量以及每个相邻检测单元格之间的水传输关系进行联立计算，确定出每个检测单元格的水传输量，并对每个检
测单元格的物理量进行更新；
10.所述过电势计算模块，用于基于每个检测单元格的物理量以及每个相邻检测单元格之间的气体传输关系进行联立计算，确定出每行检测单元格的气体分压以及总阴极过电势值，并对每个检测单元格的物理量进行更新；
11.所述总电势计算模块，用于基于将每个检测单元格的物理量进行电化学关系式计算，确定出每行检测单元格的电阻值和电池电势值，当所述电池电势值达到收敛之后，确定出每个检测单元格的目标物理量，以得到所述待检测燃料电池内部的物理量分布。
12.在一种可能的实施方式中，所述输入信号包括所述待检测燃料电池在不同电流密度下的阴极入口、阴极出口、阳极入口、阳极出口分别对应的气压值和冷却路的出口、冷却路的入口对应的的温度值；
13.每个检测单元格的物理量包括温度、气压、湿度、膜内水含量、水浓度、电流密度、气体比例、水比例、气体通量、电阻、水通量以及水扩散量等。
14.在一种可能的实施方式中，所述单元格划分模块，具体用于根据以下步骤将待检测燃料电池内部划分成多个检测单元格：
15.按照所述待检测燃料电池的二维结构，沿平行于双极板气体流动方向划分成m行，沿垂直于膜表面方向划分成n列，共得到m*n个检测单元格；其中，m、n为正整数；其中，每一行内的检测单元格之间互相连接，除了第1列和第n列外，其余列内的检测单元格之间不互相连接。
16.在一种可能的实施方式中，所述温度计算模块具体用于根据以下步骤确定出每个检测单元格的温度值：
17.基于每一行检测单元格的电池电势以及电流密度进行电化学反应热计算，计算出所述待检测燃料电池的每一行检测单元格的热量；
18.基于每一行检测单元格的热量，对每一行内每个检测单元格沿垂直膜方向进行热量传递计算，确定出每个检测单元格的温度值。
19.在一种可能的实施方式中，所述膜内水含量计算模块具体用于，根据以下步骤确定每个检测单元格的水传输量：
20.将每个相邻检测单元格的历史水浓度、历史水传质阻力以及历史水通量进行联立计算，确定出每个检测单元格的当前水浓度值；
21.若当前水浓度值与历史水浓度值之间的差值小于预设水浓度阈值时，则确定所述当前水浓度值收敛，基于每个检测单元格收敛的当前水浓度值计算相对湿度、膜内水含量、水通量以及当前扩散水量；
22.若当前扩散水量与历史扩散水量之间的差值小于预设扩散水量阈值时，则确定所述当前扩散水量收敛，基于每行检测单元格收敛的当前扩散水量，确定水传输量。
23.在一种可能的实施方式中，所述过电势计算模块具体用于，根据以下步骤确定出每一行检测单元格的气体分压和总阴极过电势：
24.将每个相邻检测单元格的历史氧气分压、历史阴极过电势以及历史交换电密进行联立计算，确定出每个检测单元格的氧气分压、阴极过电势以及当前交换电密；
25.若当前交换电密与历史交换电密的差值小于预设交换电密阈值时，则确定所述当前交换电密收敛，并基于每个检测单元格收敛的当前交换电密，计算气体分压和总阴极过
电势。
26.在一种可能的实施方式中，所述总电势计算模块具体用于，根据以下步骤计算每行检测单元格的电池电势值：
27.基于每一检测单元格的气体分压、总阴极过电势、温度、相对湿度、电流密度，确定出每行检测单元格的平衡电池电势值以及电阻值；
28.基于每一行所述检测单元格的平衡电池电势值、电流密度值、以及电阻，确定出所述待检测燃料电池的该行检测单元格的电池电势值。
29.在一种可能的实施方式中，所述总电势计算模块具体用于，根据以下步骤得到所述待检测燃料电池内部的物理量分布：
30.在所述电池电势值收敛后，确定出每个检测单元格的目标物理量，以得到所述待检测燃料电池内部的物理量分布；
31.在所述电池电势值不收敛后，则更新电流密度，继续对所述待检测燃料电池每个检测单元格的温度值、水传输量、气体分压、总阴极过电势以及电池电势值进行迭代计算，直至所述电池电势值收敛为止。
32.在一种可能的实施方式中，所述膜内水含量计算模块、所述过电势计算模块均包括优化求解单元；其中，
33.所述优化求解单元用于利用线性矩阵方程和对数优化算法来求解每个检测单元格的物理量。
34.本技术实施例还提供了一种燃料电池的性能检测方法，所述性能检测方法包括：
35.将待检测燃料电池内部划分成多个检测单元格，并根据所述待检测燃料电池的输入信号，确定出每个检测单元格的初始物理量；
36.基于每个检测单元格的物理量以及每个相邻检测单元格之间的热量传递的平衡关系进行计算，确定出每个检测单元格的温度值，并对每个检测单元格的物理量进行更新；
37.基于每个检测单元格的物理量以及每个相邻检测单元格之间的水传输关系进行联立计算，确定出每个检测单元格的水传输量，并对每个检测单元格的物理量进行更新；
38.基于每个检测单元格的物理量以及每个相邻检测单元格之间的气体传输关系进行联立计算，确定出每行检测单元格的气体分压以及总阴极过电势值，并对每个检测单元格的物理量进行更新；
39.基于每个检测单元格的物理量进行电化学计算，确定出每行检测单元格的电阻值和电池电势值，当所述电池电势值达到收敛之后，确定出每个检测单元格的目标物理量，以得到所述待检测燃料电池内部的物理量分布。
40.本技术实施例还提供一种电子设备，包括：处理器、存储器和总线，所述存储器存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当电子设备运行时，所述处理器与所述存储器之间通过总线通信，所述机器可读指令被所述处理器执行时执行如上述的燃料电池的性能检测方法的步骤。
41.本技术实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行如上述的燃料电池的性能检测方法的步骤。
42.本技术提供了一种燃料电池的性能检测系统及方法，通过单元格划分模块对燃料
电池的内部结构进行划分获得多个检测单元格，然后利用温度计算模块、膜内水含量计算模块、过电势计算模块以及总电势计算模块根据多个检测单元格之间的位置关系和传递关系进行联立计算，快速准确地确定出燃料电池的目标物理量，从而实现高效展示定位复杂工况下燃料电池内部的物理量分布。通过精简划分单元格的结构、引入优化求解单元而使计算效率提高，通过增强重要性能模块的计算，而兼顾了温度、水传输、电阻之间相互影响的关联性，同时，通过引入跨膜水扩散、阴极极化与氧气传输的耦合、多电阻组成的计算，解决了实际电池水热管理中关键却缺乏的水淹、电池极化、电阻变化分析的问题。这样，提高了对燃料电池内部的性能状态检测的计算效率、数据详尽度、准确性和应用性。
43.为使本技术的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
44.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
45.图1为本技术实施例所提供的一种燃料电池的性能检测系统的结构示意图；
46.图2为本技术实施例所提供的燃料电池单元格划分的示意图；
47.图3为本技术实施例所提供的一种燃料电池的性能检测方法的流程图；
48.图4为本技术实施例所提供的一种燃料电池内部的温度分布图；
49.图5为本技术实施例所提供的一种电子设备的结构示意图。
50.图标：100-燃料电池的性能检测系统；110-单元格划分模块；120-温度计算模块；130-膜内水含量计算模块；140-过电势计算模块；150-总电势计算模块；500-电子设备；510-处理器；520-存储器；530-总线。
具体实施方式
51.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，本技术中的附图仅起到说明和描述的目的，并不用于限定本技术的保护范围。另外，应当理解，示意性的附图并未按实物比例绘制。本技术中使用的流程图示出了根据本技术的一些实施例实现的操作。应当理解，流程图的操作可以不按顺序实现，没有逻辑的上下文关系的步骤可以反转顺序或者同时实施。此外，本领域技术人员在本技术内容的指引下，可以向流程图添加一个或多个其他操作，也可以从流程图中移除一个或多个操作。
52.另外，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的全部其他实施例，都属于本技术保护的范围。
53.为了使得本领域技术人员能够使用本技术内容，结合特定应用场景“对于燃料电
池进行性能检测”，给出以下实施方式，对于本领域技术人员来说，在不脱离本技术的精神和范围的情况下，可以将这里定义的一般原理应用于其他实施例和应用场景。
54.本技术实施例下述方法、系统、电子设备或计算机可读存储介质可以应用于任何需要“对燃料电池进行性能检测”的场景，本技术实施例并不对具体的应用场景作限制，任何使用本技术实施例提供的一种燃料电池的性能检测系统及方法的方案均在本技术保护范围内。
55.首先，对本技术可适用的应用场景进行介绍。本技术可应用于燃料电池技术领域。
56.对燃料电池的研究离不开内部物性的传递与分布问题，如膜内水含量分布、温度变化、电阻分布等。但燃料电池内部机理的复杂性导致对内部性能的定量了解仍存在困难，而数据获取的困难性也限制了燃料电池诊断和控制技术的发展。为了有效提高燃料电池技术的开发，高效的性能检测方法的发展是必不可少的。
57.经研究发现，目前常用的检测方法依然是实验表征，但尽管测试技术发展迅速，实验方法仍难以表征微观性能，检测数据有限，而且存在仪器成本高，测试步骤复杂，时间长，所得数据实用性低，效率低等问题。为了节省时间和成本，基于计算的检测方法也慢慢出现，目前的计算模型中，低维模型计算的参数较单一，缺乏考虑热量传递、物质传递、电量传递之间相互关联影响，对燃料电池内部传输过程的检测准确度低。而高维模型引入参数结构过于复杂，面临计算量大导致计算时间长的问题。且现存模型中都缺乏对水淹现象、电池极化现象、电阻变化分析的考虑，而解决这些问题是实际燃料电池操作中的关键。因此，在考虑实际应用的同时，如何快速准确地检测燃料电池内部的性能状态成为了亟需解决的问题。
58.基于此，本技术实施例提供了一种燃料电池的性能检测系统，通过精简单元格划分、应用优化求解单元、关联各参数影响、引入跨膜水扩散、阴极极化与氧气传输的耦合、多电阻组成的计算，而提高了对燃料电池内部性能检测的效率、数据详尽度、准确性，同时兼顾水淹、极化等实际关键应用，使用简便成本低，从而利用准确计算出的关键参数，快速准确地展示复杂工况下燃料电池内部的性能分布。
59.请参阅图1，图1为本技术实施例所提供的一种燃料电池的性能检测系统的结构示意图。如图1中所示，本技术实施例提供的燃料电池的性能检测系统100，包括单元格划分模块110、温度计算模块120、膜内水含量计算模块130、过电势计算模块140以及总电势计算模块150。
60.具体的，所述单元格划分模块110，用于将待检测燃料电池内部划分成多个检测单元格，并根据所述待检测燃料电池的输入信号，确定出每个检测单元格的初始物理量。
61.这里，将待检测燃料电池根据其自身的内部结构划分成多个检测单元格。其中，该待检测燃料电池可以为氢气氧气燃料电池。
62.这里，所述输入信号包括所述待检测燃料电池在不同电流密度下的阴极入口、阴极出口、阳极入口、阳极出口分别对应的气压值和冷却路的出口、冷却路的入口对应的温度值；每个检测单元格的物理量包括温度、相对湿度、膜内水含量、水浓度、氧气分压、阴极过电势、交换电密、水传质阻力、拖曳系数，每行检测单元格的物理量包括电流密度、电阻、电池电势、热量、氧气传质阻力、氢气传质阻力、阴极过电阻、总阴极过电势以及扩散水量，每行检测单元格阳极端和阴极端的物理量包括气压、气体比例、气体分压、水比例、气体通量、
水通量，每行检测单元格阳极和阴极电极处的物理量包括气体分压，这里气体包括氧气、氢气、氮气。
63.进一步的，所述单元格划分模块110，具体用于根据以下步骤将待检测燃料电池内部划分成多个检测单元格：
64.按照所述待检测燃料电池的二维结构，沿平行于双极板气体流动方向划分成m行，沿垂直于膜表面方向划分成n列，共得到m*n个检测单元格；其中，m、n为正整数；其中，每一行内的检测单元格之间互相连接，除了第1列和第n列外，其余列内的检测单元格之间不互相连接。
65.这里，由于待检测燃料电池的阳极端的纵向方向上为氢气进口端和氢气出口端，阴极端的纵向方向上为空气进口端和空气出口端，且待检测燃料电池的内部有冷却水的流动，所以沿着平行于双极板气体流动的方向分成m行检测单元格，沿垂直于质子交换膜的方向从阳极板经质子交换膜到阴极板分成n列检测单元格。从而实现了通过分解成各检测单元格的结构使得待检测燃料电池数值化，应用连续介质的宏观模型，通过对每格检测单元格建立物料平衡与热力学平衡来进行仿真。
66.进一步，请参阅图2，图2为本技术实施例所提供的燃料电池单元格划分的示意图。在图2中所示，将氢气氧气燃料电池沿平行于双极板气体流动方向划分成m行检测单元格，沿垂直于膜表面方向划分成n列检测单元格，每一个检测单元格为k
i，j
∈{i：1≤i≤m，j：1≤j≤n}，这里，每个检测单元格所在列数标记为j，从阳极到阴极表示为从1到n，所在行数标记为i，从氢气入口到氢气出口表示为从1到m，氧气和氢气的流向可以是同向，也可以是反向。从而通过控制划分单元格的m，n的数量可以控制单元格划分的精度，从而提高计算结果准确度。每一检测单元格包含目标物理量集合，即以上所述的温度、电阻等性能参数，从而通过控制性能参数的数量可以控制展示电堆内部机理的详尽度，而且通过检测单元格的行列数可以准确定位性能参数的位置，实现了内部物性的直观定位和分布计算。
67.其中，每一行内的检测单元格之间互相连接，用于传递物质、热量和电量，第1列内的检测单元格之间互相连接，用于传递阳极的物质通量，第n列内的检测单元格之间互相连接，用于传递阴极的物质通量，而其余列内的检测单元格之间不连接，不用于传递物质或热量。这样，由于电池内部沿平行膜方向的物质传递影响较小，通过精简电池内部不必要的单元格之间的连接，而把内部物性传递的计算复杂度降低，同时保留了内部各参数在垂直膜方向的传递影响，既避免了高维模型的复杂度问题，也避免了低维模型中内部参数考虑不足的问题，既提高了计算效率，又考虑了数据详尽度。
68.进一步的，根据所述待检测燃料电池的输入信号，确定出每一检测单元格的初始物理量，用于后续计算，主要利用气体状态方程和质量守恒来把各物理量联系在一起。其中，这里为简便起见把所计算物理量统一表述为每一检测单元格的，实际所计算的物理量可以是每一个检测单元格的，也可以是每一行或每一行阳极端或阴极端的。
69.基于冷却路进、出口输入温度确定每一行检测单元格的温度为基于冷却路进、出口输入温度确定每一行检测单元格的温度为并基于每一行检测单元格的温度确定每一个检测单元格的温度为t
i，j
＝ti；其中，tc是冷却路入口输入温度，th是冷却路出口输入温度，m是检测单元格的行数，t
i，j
为检测单元格k
i，j
的温度值，ti为检测单元格所在行的温度，i是检测单元格所在行
数，j是检测单元格所在列数。这里考虑到温度损耗，把温度在沿双极板方向上进行线性分配。
70.这里，初始化每一行检测单元格的扩散水量为nwi＝0。
71.基于输入电流密度确定每一行检测单元格的电流密度为ii＝i，其中i为输入电流密度。
72.基于阴极进、出口的输入气压确定每一行检测单元格的阴极端的气压为：其中，p
i，n
为阳极端气压，pcin是阴极入口输入气压，pcout是阴极出口输入气压，m为检测单元格行数，i为所在行数。这里考虑到压降，把气压在沿双极板方向进行线性分配。
73.基于阳极进、出口的输入气压确定每一行检测单元格的阳极端的气压为：其中，p
i，1
为阴极端气压，p
ain
是阳极入口输入气压，p
aout
是阳极出口输入气压。
74.这里，初始化每一检测单元格的相对湿度为rh
i，j
＝100，并基于每一检测单元格的相对湿度和温度，确定水浓度为：
[0075][0076]
其中，c
h2o，i，j
为检测单元格的水浓度值，r是气体常数，c0、c1、c2、c3为饱和蒸气压系数，t
i，j
为温度。
[0077]
基于输入电流密度确定阳极侧氮气通量为：
[0078]
基于输入电流密度确定阴极侧氮气通量为：
[0079]
其中，x
h2
是预设氢气比例，x
o2
是预设氧气比例，a7是氢气反应系数，a8是氧气反应系数，i是输入电流密度，f为法拉第系数。
[0080]
计算每一检测单元格的膜厚度为δ
总
为预设交换膜厚度。
[0081]
初始化每一行检测单元格的电池电势为vi＝0。
[0082]
然后，基于电流密度和扩散水量来计算每一行检测单元格的各组分通量的初始值。其中，各组分通量的变化会通过电阻、导电性能等间接影响电流密度和扩散水量，从而进一步影响各组分通量，这样，把跨膜水渗透在不同电流密度作用下的影响通过各组分通量的计算更新关联到各模块中，保证计算的关联性和准确度，具体为：
[0083]
基于每一行检测单元格的扩散水量和电流密度，确定每一行检测单元格阴极端的水通量为：基于每一行检测单元格的当前扩散水量确定每一行检测单元格阳极端的水通量为：
[0084]
其中，nw扩散水量，m单元格行数，f是法拉第系数，i是电流密度。
[0085]
基于每一行检测单元格的当前电流密度，确定每一行检测单元格阴极端的氧气通量为基于每一行检测单元格的当前电流密度，确定每一行检测单元格阳极端的氢气通量为检测单元格阳极端的氢气通量为其中，f为法拉第系数，nw为扩散水量，i为电流密度。
[0086]
这样，考虑到各组分的电化学反应，把各组分的通量在沿极板方向上进行分配，以满足质量守恒，从而通过各物理量的守恒把每一行检测单元格阴极端和阳极端的性能参数联系起来，确保计算的准确性。
[0087]
具体的，所述温度计算模块120，用于基于每个检测单元格的物理量以及每个相邻检测单元格之间的热量传递的平衡关系进行计算，确定出每个检测单元格的温度值，并对每个检测单元格的物理量进行更新。
[0088]
这里，温度计算模块120利用实时更新的电池电势和电流密度来更新电池内部温度值的分布，并通过更新的温度变化来影响其它模块参数的计算，进而快速准确地确定出每个检测单元格的温度值，而避免了普通模型中温度计算只考虑单一热量变化忽略各参数关联影响的局限性，提高了检测的准确度。
[0089]
进一步的，所述温度计算模块120具体用于根据以下步骤确定出每个检测单元格的温度值：
[0090]
(1)基于每一行检测单元格的电池电势和电流密度进行电化学反应热计算，计算出所述待检测燃料电池的每一行检测单元格的热量。
[0091]
这里，由电极的焦耳热和电化学反应的熵变热总和来求得每一行检测单元格的热量为qi＝ii*(1.25-vi)，i是电流密度，v是电池电势，i对应检测单元格所在行数。
[0092]
(2)基于每一行检测单元格的热量，对每行内每个检测单元格沿垂直膜方向进行热量传递计算，确定出每个检测单元格k
i，j
的当前温度值。
[0093]
把电化学反应热从电池内部向阴极和阳极两侧进行传递而形成温度梯度来计算每一检测单元格的温度：
[0094]
当j＜b7时，
[0095]
当j＞＝b7时，
[0096]
其中，j对应检测单元格所在列，r
热
是预设传质热阻，t是温度，b7是最高温度所在列，q是温度。
[0097]
这样，通过热量分布计算实现了对电池内部温度分布的准确检测。
[0098]
这里，当每个检测单元格的温度值确定后，可确定气体比例、水比例和水传质阻力的初始值，用于全局质量守恒计算，具体为：
[0099]
基于温度和气压，确定每一行检测单元格阳极端水比例为：基于温度和气压，确定每一行检测单元格阳极端水比例为：基于温度和气压确定每一行检测单元格阴极端水比例为：
[0100]
基于水比例、气体通量确定每一行检测单元格阳极端氢气比例为：基于水比例、气体通量确定每行检测单元格的阴极端氧气比例为：并基于水比例、氢气比例确定每一行检测单元格的阳极端氮气比例为：x
n2，i，1
＝1-x
h2，i，1-x
h2o，i，1
；并基于氧气比例、水比例确定每一行检测单元格的阴极端氮气比例为：x
n2，i，n
＝1-x
o2，i，n-x
h2o，i，n
；
[0101]
基于气体比例、水比例、气压、温度确定每一行检测单元格的阳极端初始水传质阻力为
[0102]
基于气体比例、水比例、气压、温度确定每一行检测单元格的阴极极端初始水传质阻力为
[0103]
其中，x
h2o，i，1
阳极端水比例，x
h2o，i，n
阴极端水比例，x
h2，i，1
阳极端氢气比例，x
o2，i，n
阴极端氧气比例，x
n2，i，1
阳极端氮比例，x
n2，i，n
阴极端氮比例，d1阻力系数，e1，e2，e3，e4扩散系数，t为温度，p
i，1
为阳极端气压，p
i，n
为阴极端气压，n
o2，i
阴极端氧气通量，n
h2，i
阳极端氢气通量，n
n2，1
阳极端氮气通量，n
n2，n
阴极端氮气通量，c0、c1、c2以及c3为饱和蒸气压系数。
[0104]
这样，利用各组分质量平衡和气体分配的道尔顿原理而把各组分联系在一起，每一检测单元格的温度值更新通过水比例、电阻而间接影响了电流密度和电池电势，而电密和电势进一步影响温度的改变，实现了温度计算与其它参数相关联的效果，避免了普通方法中只独立考虑热量忽略各因素关联影响的问题，提高了计算检测的准确度。
[0105]
具体的，所述膜内水含量计算模块130，用于基于每个检测单元格的物理量以及每个相邻检测单元格之间的水传输关系进行联立计算，确定出每个检测单元格的水传输量，并对每个检测单元格的物理量进行更新。
[0106]
这里，膜内水含量计算模块130引入拖曳系数到水传输计算中，从而保证计算所得的膜内水含量、水浓度、水通量、扩散水量都准确考虑了跨膜水渗透拖曳的问题，并利用每行相邻检测单元格之间的水传输关系联立而解决了复杂的水传输问题，即同时考虑水的电化学生成、水在阳极和阴极间由渗透、拖曳、扩散多种机制而导致的复杂跨膜传输计算，进而能够快速准确地确定出每个检测单元格的水传输性能，而普通计算中缺乏兼顾水拖曳导致电池水淹的问题，因此这有助于提高电池水管理的效率和应用。
[0107]
进一步的，所述膜内水含量计算模块130具体用于，根据以下步骤确定每个检测单元格的水传输量：
[0108]
步骤a：将每个相邻检测单元格的历史水浓度、历史水传质阻力以及历史水通量进行联立计算，确定出每个检测单元格的当前水浓度值。
[0109]
这里，基于温度、气压、水通量、气体通量，将每一行中每个相邻检测单元格的历史水浓度、历史水传质阻力以及历史水通量进行联立计算，确定出每个检测单元格的当前水浓度值。
[0110]
基于每一检测单元格的水浓度c
h2o，i，j
和温度确定每一检测单元格的相对湿度为：
[0111][0112]
基于相对湿度rh
i，j
和温度来计算每一检测单元格的膜内水含量为：
[0113][0114]
基于膜内水含量、温度以及初始水传质阻力确定出每一检测单元格的水传质阻力为：
[0115][0116]
基于温度和膜内水含量确定出每一检测单元格的拖曳系数为：
[0117][0118]
其中，δ
i，j
是每个检测单元格的膜厚度，a1、a2、a3均为水扩散系数，e5，e6是边界系数，c0、c1、c2、c3为饱和蒸气压系数，ew是膜质量当量，b1、b2、b3、b4是水含量关系系数，t
i，j
是温度值，rh是相对湿度，c
h2o，i，j
是水浓度，ρ是干态膜密度，r是气体常数，λ是膜内水含量，r0是阳极端初始水传质阻力，rn是阴极端始水传质阻力，d2、d3是渗透系数，ξ是拖曳系数，r
h2o
是水传质阻力。这样，通过把拖曳系数和其它水传输参数联系在一起，而把电池内部跨膜水渗透拖曳的现象整合进水传输计算中。
[0119]
这里，由于每行中每个检测单元格k
i，j
的水通量n
h2o，i，j
和相邻k
i，j-1，ki，j
，k
i，j 1
格的水浓度(c
h2oi，j-1
，c
h2oi，j
，c
h2oi，j 1
)和水传质阻力(r
h2o，i，j-1rh2o，i，jrh2o，i，j 1
)联系在一起，无法直接基于该单元格的参数来计算该单元格的水浓度，因此引入优化求解单元来解决，原理是通过相邻检测单元格之间的水传输方程关系式进行转换，把每个检测单元格的水浓度计算成相邻检测单元格的水通量的函数和水传质阻力的函数的线性解，并把每行中每个检测单元格的这种线性解进行联立，转化成了形式为a
i，j
*x
i，j
＝b
i，j
的线性矩阵方程组为：
[0120][0121]
其中，系数b
i，j
是水传输方程转化后每行中每个检测单元格的水通量n
h2o，i，j
组成的函数矩阵a
i，j
是每行中每个检测单元格的水传质阻力组成的函数矩阵x
i，j
是每行中每个检测单元格的水浓度c
h2o，i，j
组成的矩阵a和b的具体解法为：
[0122]
基于每一检测单元格与相邻检测单元格的拖曳系数、水传质阻力以及电流密度，通过水传输方程联立转化确定优化求解单元中的系数b
i，j
为：
[0123][0124]
其中，f法拉第系数，i电流密度，ξ拖曳系数，r
h2o，i，j
是水传质阻力。
[0125]
基于每一检测单元格与相邻检测单元格的水传质阻力、水通量、气体通量、温度、气压，通过水传输方程联立确定优化求解单元的系数a
i，j
为：
[0126][0127]
其中，a1，a2，a3为系数元素，p为气压，t为温度，n
h2o，i，1
为阳极端水通量，n
h2o，i，n
阴极端水通量，n
o2，i
氧通量，n
n2，1
阳极端氮通量，n
n2，n
阴极端氮通量，n
h2，i
氢通量，r为气体常数，r
h2o
为水传质阻力。
[0128]
基于a和b系数，通过优化求解单元，确定出a
i，j
*k
i，j
＝b
i，j
的方程组求解中的解x
i，j
为：
[0129][0130]
其中，梯度系数a1，a2，a3均为求解系数a矩阵中的元素。这里，对于[m，n]单元格的计算会用到m*n次寻解，为加快计算，把对相邻单元格j-1和j 1的递值加快到第2j-1和2j 1格，这样相当于引入了对数递进，把对共n格的计算时间加快到lg(n)格，因此通过引入对数优化法而大大提高可以处理的数据量和计算速度。
[0131]
进一步的，基于方程组的解x，确定出每一检测单元格的当前水浓度为c
h2o，i，j
＝x
i，j
。这样，通过把对复杂的相邻检测单元格之间的水传输计算转换成每一行上的线性矩阵的联立求解方法，利用线性求解梯度下降快的优势，而避免了多元多次方程不易收敛求解慢的问题，提高了计算的效率。而且，通过在每个单元格之间水传输联立中引入拖曳系数而把复杂的电池内部跨膜水渗透拖曳问题而准确地计算出来，为实际燃料电池操作中棘手的水淹问题提供了解决方法。
[0132]
步骤b：若当前水浓度值与历史水浓度值之间的差值小于预设水浓度阈值时，则确定所述当前水浓度值收敛，基于每个检测单元格收敛的当前水浓度值计算相对湿度、膜内水含量、水通量以及当前扩散水量。
[0133]
基于每一检测单元格的当前水浓度与历史水浓度确定每一行检测单元格的水浓度差值为δc
h2o，i
为水浓度差值，c
h2o，i，j当前
为当前水浓度，c
h2o，i，j历史
为历史水浓度。
[0134]
若每一行检测单元格的当前水浓度与历史水浓度差值δc
h2o，i
小于预设水浓度阈值时，则确定当前水浓度收敛，则基于每个检测单元格收敛的当前水浓度值c
h2o，i，j
和温度计算出相对湿度rh
i，j
为：
[0135][0136]
基于每一检测单元格的相对湿度rh
i，j
和温度来计算膜内水含量为：
[0137][0138]
基于每一检测单元格的气体通量、温度、气压、当前水浓度与历史水通量确定每一行检测单元格的当前阳极端水通量n
h2o，i，1
为：
[0139][0140]
基于每一检测单元格的气体通量、温度、气压、当前水浓度与历史水通量确定每一行检测单元格的当前阴极端水量为：
[0141][0142]
基于水通量确定每一行检测单元格的当前扩散水量为：
[0143]
nwi＝(n
h2o，i-1，1-n
h2o，i，1
)*m；
[0144]
其中，nwi为当前扩散水量，m是检测单元格行数，t为温度，r为气体常数，c0、c1、c2、c3为饱和蒸气压系数，c
h2o，i，j
水浓度值，p气压，n
h2o，i，1
阳极端水通量，n
n2，1
阳极端氮通量，n
h2，i
氢通量，c
h2o，i，j
为水浓度值，n
h2o，i，n
阴极端水通量，n
o2，i
氧通量，n
n2，n
阴极端氮通量，rh相对湿度，λ膜内水含量，n
h2o，i，1当前
为当前水通量，n
h2o，i，n历史
为历史水通量。
[0145]
若当前水浓度与历史水浓度之间的差值大于预设水浓度阈值时，则需基于当前物理量继续确定出当前水浓度值，进行迭代计算，直到得到计算收敛的水浓度值分布与相应的更新参数。
[0146]
步骤c：若当前扩散水量与历史扩散水量之间的差值小于预设扩散水量阈值时，则确定当前扩散水量收敛，基于每行检测单元格收敛的当前扩散水量，确定水传输量。
[0147]
基于每一行检测单元格的当前扩散水量与历史扩散水量，确定出扩散水量差值为：其中，δnw为扩散水量差值，nw
i当前
当前扩散水量，nw
i历史
为历史扩散水量。
[0148]
若扩散水量差值δnw小于预设扩散水量阈值，则确定当前扩散水量收敛，则基于每行检测单元格收敛的当前扩散水量，确定出水传输量。这里表述的水传输量为泛指，包括水浓度，相对湿度，膜内水含量，水通量，扩散水量，它们都描述了燃料电池内部水传输的性能，在当前扩散水量收敛后，确定出水传输量为当前的每个检测单元格的水浓度值、相对湿度、膜内水含量，和每行检测单元格的水通量、扩散水量。
[0149]
若当前扩散水量与历史扩散水量之间的差值δnw大于预设扩散水量阈值时，则需基于当前扩散水量以及电流密度确定每行阴极端的水通量为基于当前扩散水量确定每行阳极端的水通量为其中，i是电流密度，nw是扩散水量，f是法拉第系数，n
h2o
为水通量。
[0150]
然后基于当前的物理量继续确定出初始气体比例，初始水传质阻力，水浓度值与当前扩散水量，进行迭代，直到当前扩散水量收敛。
[0151]
这样，通过两步收敛法就得到了电池内部水传输的质量平衡，保证跨膜水传输计算的准确性，通过水传输量的准确快速计算，实现了此模块检测电池内部多种水传输性能的详细分布，克服了普通模型缺乏拖曳渗透的问题，实现检测与分析电池水淹的实际应用，提高了电池水管理效率。
[0152]
具体的，所述过电势计算模块140，基于每个检测单元格的物理量以及每个相邻检测单元格之间的气体传输关系进行联立计算，确定出每行检测单元格的氧气分压以及总阴极过电势值，并对每个检测单元格的物理量进行更新。
[0153]
这里，过电势计算模块140通过氧分压和阴极过电势的联立而把耦合作用考虑在一起，准确地确定出每个检测单元格的氧气与过电势分布，保证总电势计算的准确性，避免了普通模型未考虑阴极过电势或忽略阴极过电势与氧传质耦合的问题，为控制电池内部的极化问题提供数据指导。
[0154]
进一步的，所述过电势计算模块140具体用于，根据以下步骤确定出每一行检测单元格的气体分压和总阴极过电势：
[0155]
步骤a：将每个相邻检测单元格的历史氧气分压、历史阴极过电势以及历史交换电密进行联立计算，确定出每个检测单元格的氧气分压、阴极过电势以及当前交换电密。
[0156]
基于水比例、气体通量确定每一行检测单元格阳极端氢气比例为：基于水比例、气体通量确定每一行检测单元格阴极端氧气比例为其中，x
h2o，i，1
为阳极端水比例，x
h2o，i，n
阴极端水比例，n
o2，i
阴极端氧气通量，n
h2，i
阳极端氢气通量，n
n2，1
阳极端氮气通量，n
n2，n
阴极端氮气通量。
[0157]
其中，气体比例指每一行检测单元格阴极端和阳极端的氧气、氢气、氮气分别的占比，气体分压值每一行检测单元格阴极端、阳极端、阴极电极、阳极电极处分别对应的氧气、氢气所占气压。
[0158]
基于气压和氢气比例，确定每一行检测单元格的阳极端氢气分压为：
[0159]
p
h2，i，1
＝p
i，1
*x
h2，i，1
；
[0160]
基于气压和氧气比例，确定每一行检测单元格的阴极端氧气分压为：
[0161]
p
o2，i，n
＝p
i，n
*x
o2，i，n
；
[0162]
基于氢气比例和水比例，确定每一行检测单元格阳极端氮气比例为：
[0163]
x
n2，i，1
＝1-x
h2，i，1-x
h2o，i，1
；
[0164]
基于氧气比例和水比例，确定每一行检测单元格阴极端氮气比例为：
[0165]
x
n2，i，n
＝1-x
o2，i，n-x
h2o，i，n
；
[0166]
基于气体比例、水比例、温度、气压，通过kundson扩散关系式确定每一行检测单元格的氢气传质阻力为：
[0167]
[0168]
基于阳极端氢气分压、氢气传质阻力、电流密度、温度确定每一行检测单元格的氢气电极处分压为：
[0169][0170]
基于气体比例、水比例、温度、气压通过kundson扩散关系式确定每一行检测单元格的氧气传质阻力为：
[0171][0172]
基于阴极端氧气分压、氧气传质阻力、电流密度、温度确定每一行检测单元格氧气电极处分压为：
[0173][0174]
基于相对湿度、温度确定每一行检测单元格的阴极过电阻为：
[0175][0176]
基于氧气电极处分压确定每一检测单元格的初始的氧气分压为：
[0177]
p
o2，i，j
＝p
o2，i，c6
；
[0178]
基于温度、电流密度、氧气电极处分压确定每一检测单元格的初始的阴极过电势为：
[0179][0180]
其中，c5是阳电极对应列数，c6是阴电极对应列数，c7是氢气传质系数，c8是氧气传质系数，x
h2o，i，1
阳极端水比例，x
h2o，i，n
阴极端水比例，x
h2，i，1
阳极端氢气比例，x
o2，i，n
阴极端氧气比例，x
n2，i，1
阳极端氮比例，x
n2，i，n
阴极端氮比例，r是气体常数，e1，e2，e3，e4扩散系数，t为温度，p
i，1
为阳极端气压，p
i，n
为阴极端气压，r
h2
为氢气传质阻力，r
o2
为氧气传质阻力，δ为膜厚度，c9是阴极过电势系数，α是电交换系数，γ是反应级数，f是法拉第系数，i是电流密度，d9是离子传导系数，e7，e8是导电系数。
[0181]
这样，通过扩散定律和电化学反应，把温度、相对湿度、气压、水通量、气体通量与电极的传质阻力、气体分压和电阻联系起来，把阴极过电势的计算与其它因素的相互影响融合在一起，提高了计算的关联与准确性。
[0182]
这里，考虑到阴极过电势是由氧分压的浓差造成，而过电势又会导致氧传质浓差的变化，氧气的传质、氧气的电化学消耗、阴极电量的传导是相互耦合在一起的，不合适的氧浓度传递会导致过电势失控，造成电池严重的极化问题，因此对阴极过电势的妥善处理能保证总电势计算的准确性，并为控制极化问题提供检测基础。由于每个检测单元格的氧分压、阴极过电势都与相邻检测单元格的物理量联系在一起，而且氧分压与阴极过电势也是内在联系在一起的，无法直接基于所在检测单元格的物理量确定，因此要用优化求解单元，原理是通过相邻检测单元格之间的氧气传输、电传输、和电化学反应关系式进行转换，
把每个检测单元格的阴极过电势计算成相邻检测单元格的交换电密的函数和阴极过电阻的函数的线性解，转化成形式为a
i，j
*x
i，j
＝b
i，j
的线性矩阵方程组为：
[0183][0184]
其中，x
i，j
是每一检测单元格的阴极过电势组成的矩阵b
i，j
是每一检测单元格的交换电密组成的函数矩阵a
i，j
为每行检测单元格的阴极过电阻组成的函数矩阵[f(rki)]，a，b的计算为：
[0185]
基于温度、阴极过电势、氧气分压，确定每一检测单元格交换电密为：
[0186][0187]
基于阴极过电阻、阴极过电势、温度、交换电密，确定矩阵系数a
i，j
为：
[0188][0189]
基于交换电密、电流密度、阴极过电势、温度，确定矩阵系数b
i，j
为：
[0190][0191]
其中，c9是阴极过电势系数，α是电交换系数，γ是反应级数，f是法拉第系数，r是气体常数，i是电流密度，t是温度，c6是阴极电极所在列，η
i，j
是阴极过电势，rk是阴极过电阻，p
o2
氧气分压。
[0192]
基于a和b系数，通过优化求解单元，确定出a
i，j
*x
i，j
＝b
i，j
的方程组的解x
i，j
为：
[0193][0194]
其中，梯度系数a1，a2，a3均为求解系数a矩阵中的元素。
[0195]
基于优化求解单元的解x
i，j
，确定每一检测单元格的阴极过电势为：
[0196]
η
i，j
＝x
i，j
；
[0197]
然后，再次通过优化求解单元，通过相邻检测单元格之间的氧气传输、电传输、和电化学反应关系式进行转换，把每个检测单元格的氧分压计算成相邻检测单元格的交换电密的函数和氧气传质阻力的函数的线性解，转化成形式为a
i，j
*x
i，j
＝b
i，j
的线性矩阵方程组为：
[0198][0199]
其中，x
i，j
是每一检测单元格的氧气分压组成的矩阵b
i，j
是每一检测单
元格的交换电密组成的函数矩阵a
i，j
为每行检测单元格的氧气传质阻力组成的函数矩阵[f(r
o2，i)
]，a，b的计算为：
[0200]
基于温度、阴极过电势、氧气分压，确定每一检测单元格交换电密为：
[0201][0202]
基于氧气传质阻力、氧气分压、温度、交换电密，确定矩阵系数a
i，j
为：
[0203][0204]
基于交换电密、氧气传质阻力、氧气分压确定矩阵系数b
i，j
为：
[0205][0206]
其中，r
o2
为氧气传质阻力，c9是阴极过电势系数，α是电交换系数，γ是反应级数，f是法拉第系数，r是气体常数，t是温度，c6是阴极电极所在列，η
i，j
是阴极过电势，p
o2
氧气分压。
[0207]
基于a和b系数，通过优化求解单元，确定出a
i，j
*x
i，j
＝b
i，j
的方程组的解x
i，j
为：
[0208][0209]
其中，梯度系数a1，a2，a3均为求解系数a矩阵中的元素。
[0210]
基于优化求解单元的解x
i，j
，确定每一检测单元格的氧气分压为：
[0211]
p
o2，i，j
＝x
i，j
；
[0212]
这里，基于每一检测单元格的温度、阴极过电势、氧气分压，确定每一检测单元格的当前交换电密为：
[0213][0214]
这样，通过阴极电极的氧气传输、电化学反应、电量传递的关系式转化联立后，利用优化求解单元，进行两步迭代耦合计算的方法而确定出电池内部每一检测单元格的氧分压和阴极过电势的分布，实现了氧传递与电池极化耦合问题的有效准确解决，提供了数据分析。
[0215]
步骤b：若当前交换电密与历史交换电密的差值小于预设交换电密阈值时，则确定所述当前交换电密收敛，并基于每个检测单元格收敛的当前交换电密，计算气体分压和总阴极过电势。
[0216]
基于当前交换电密和历史交换电密，确定每行检测单元格的交换电密的差值为其中，ei
i，j当前
当前交换电密，ei
i，j，历史
历史交换电密。
[0217]
若当前交换电密与历史交换电密的差值δeii小于预设交换电密阈值，则确定当
前交换电密收敛，并基于每个检测单元格收敛的当前交换电密，以及氧分压，确定出每一行检测单元格的氧气电极处分压为检测单元格的氧气电极处分压为
[0218]
基于每一检测单元格的当前交换电密、阴极过电势、温度、气体分压、膜内水含量以及电流密度，确定每一行检测单元格的总阴极过电势为：
[0219][0220][0221]
其中，a4是氢渗电流系数，c5是阳电极对应列数，c6是阴电极对应列数，p
o2，in
阴极端氧分压，p
h2，i，c5
氢气电极处分压，α电交换系数，γ反应级数，δ
i，j
为膜厚度，c9阴极过电势系数，λ膜内水含量，ρ为干态膜密度，ew膜质量当量，f法拉第系数，t是温度，r是气体常数，i电流密度，ηci为总阴极过电势，η
i，j
为每一单元格阴极过电势，ei交换电密。
[0222]
这样，在当前交换电密收敛后，就确定出了总阴极过电势ηci，以及气体分压：包括当前的每行检测单元格的阳极端氢气分压p
h2，i，1
、阴极端氧气分压p
o2，i，n
、阳极电极处氢气分压p
h2，i，c5
和阴极电极处氧气分压p
o2，i，c6
。
[0223]
若当前交换电密与历史交换电密的差值δeii大于预设交换电密阈值，则需基于当前的物理量，继续确定出氧分压，阴极过电势和当前交换电密，进行迭代，直到当前交换电密收敛。
[0224]
这样，通过两步联立法把氧传输所带的极化耦合现象准确有效地计算出来，确定了阴极过电势和氧气分压在电池内部的分布，有效提高电池极化应用的检测分析。
[0225]
具体的，所述总电势计算模块150，用于基于每一检测单元格的物理量进行电化学关系式计算，确定出每行检测单元格的电阻值和电池电势值，当所述电池电势值达到收敛之后，确定出每个检测单元格的目标物理量，以得到所述待检测燃料电池内部的物理量分布。
[0226]
这里，电阻值包括离子传递电阻值、传质电阻值、极化电阻值、电子传输电阻值、总电阻值。
[0227]
进一步的，所述总电势计算模块150具体用于，根据以下步骤计算每行检测单元格的当前电池电势值：
[0228]
(1)基于每一检测单元格的气体分压、总阴极过电势、温度、相对湿度、电流密度，确定出每行检测单元格的平衡电池电势值以及电阻值。
[0229]
基于每一行检测单元格的电流密度、阳极端氢气分压和温度值，由butler-volmer关系式确定阳极过电势为
[0230]
基于每一行检测单元格的阳极过电势以及电流密度，确定阳极极化电阻为
基于每一行检测单元格的总阴极过电势以及电流密度，确定阴极极化电阻为基于每一行检测单元格的阴极、阳极极化电阻确定总极化电阻为r
or，i
＝r
hor，i
r
orr，i
；
[0231]
其中，c4是阳极过电势系数，t是温度，f是法拉第系数，i是电流密度，r是气体常数，p
h2，i，1
是阳极出口氢分压，c5是阳电极对应列数，ηai是阳极过电势，r
hor，i
为阳极极化电阻，r
orr，i
阴极极化电阻。
[0232]
基于每个检测单元格的相对湿度以及温度，确定膜电导率为基于每个检测单元格的相对湿度以及温度，确定膜电导率为基于每一检测单元格的膜电导率，确定每行的膜离子传递电阻为基于每个检测单元格的相对湿度以及温度，确定离子电导率为基于每行检测单元格的离子电导率、温度和阳极端氢气分压，确定阳极导电阻力比为：
[0233][0234]
基于每行检测单元格的阳极导电阻力比和离子电导率，确定阳极离子传递电阻为
[0235]
基于每行检测单元格的离子电导率、温度以及电流密度，确定塔菲尔系数为
[0236]
基于每行检测单元格的离子电导率和塔菲尔系数，确定阴极离子传递电阻为：
[0237][0238]
其中，rh是相对湿度，t是温度，d4，d5，d6是膜传导系数，κm是膜电导率。c5是阳电极对应列数，c6是阴电极对应列数，δ
i，j
为膜厚度，r
mem，i
为膜离子传递电阻，d7，d8，d9是离子传导系数，κe是离子电导率，β为阳极导电阻力比，r是气体常数，f是法拉第系数，c4是阳极过电势系数，p
h2，i，1
是阳极出口氢分压，ra为阳极离子传递电阻，taf为塔菲尔系数，rc为阴极离子传递电阻。
[0239]
基于每一行检测单元格的阴极离子传递电阻、阳极离子传递电阻、膜离子传递电阻确定总离子传递电阻为r
ω，i
＝r
c，i
r
a，i
r
mem，i
；其中，r
a，i
为阳极离子传递电阻，r
mem，i
膜离子传递电阻，r
c，i
阴极离子传递电阻，r
ω
总离子传递电阻。
[0240]
基于每一行检测单元格的氢气分压以及温度，确定阳极传质电阻为
基于每一行检测单元格的阴极氧分压以及温度，确定阴极传质电阻为基于每一行检测单元格的阳极传质电阻、阴极传质电阻确定总传质电阻值为：r
m，i
＝r
am，i
r
cm，i
；
[0241]
其中，r
am，i
阳极传质电阻，t温度，r气体常数，f法拉第系数，p
h2，i，c5
氢气电极处分压，p
h2，i，1
是阳极出口氢分压，c5是阳电极对应列数，r
cm，i
阴极传质电阻，c6阴电极对应列数，p
o2，i，c6
氧气电极处分压，p
o2，i，n
是阴极出口氧分压，α电交换系数，γ反应级数，r
m，i
总传质电阻。
[0242]
基于每一行检测单元格的离子电导率确定电子传输电阻为基于每一行检测单元格的离子电导率确定电子传输电阻为其中，δ
i，j
为膜厚度，κe离子电导率，r
elec，i
是电子传输电阻。
[0243]
基于每一行检测单元格的总离子传递电阻、总传质电阻、电子传输电阻、总极化电阻，确定总电阻为：rzi＝r
or，i
r
elec，i
r
m，i
r
ω，i
；其中，rz是总电阻，r
elec，i
是电子传输电阻，r
m，i
总传质电阻，r
orr，i
总极化电阻，r
ω
总离子传递电阻。
[0244]
基于每行检测单元格的氢分压、氧分压以及温度，确定平衡电池电势为其中，e
r，i
是平衡电池电势，t是温度，r是气体常数，f是法拉第系数，p
h2，i，1
是阳极端氢气分压，p
o2，i，n
阴极端氧气分压。
[0245]
这样，就通过扩散定律和电化学式把温度、水传输、气体分压的影响带入了电阻中，准确计算出燃料电池内部电阻的分布，使得每一种不同的电阻都能反映不同因素带来的变化，从而通过不同类型的电阻在不同位置的检测来直观体现各因素变化对电池不同性能造成的影响，有效提高对电阻分析和各因素影响筛选的效率，解决了普通检测方法只能计算总电阻无法区分不同性能影响电阻的问题。
[0246]
(2)基于每一行所述检测单元格的平衡电池电势值、总电阻、电流密度，确定出所述待检测燃料电池的该行检测单元格的电池电势值。
[0247]
具体的，根据欧姆定律，电池电势计算为e
c，i
＝e
r，i-ii*rzi；其中，er为平衡电池电势值、rz为总电阻值，i为电流密度。
[0248]
进一步的，所述总电势计算模块150具体用于，根据以下步骤得到所述待检测燃料电池内部的物理量分布：
[0249]
在所述电池电势值收敛后，确定出每个检测单元格的目标物理量，以得到所述待检测燃料电池内部的物理量分布；在所述电池电势值不收敛后，则更新电流密度，继续对所述待检测燃料电池每个检测单元格的温度值、水传输量、气体分压、总阴极过电势值以及电池电势值进行迭代计算，直至所述电池电势值收敛。
[0250]
基于每一行检测单元格的电池电势，确定电池电势的偏差值为：其中，δe为电池电势偏差值，e
c，i
电池电势。
[0251]
若所述电池电势的偏差值δe小于预设电势阈值时，则确定电池电势收敛，则基于
每行检测单元格收敛的电池电势确定燃料电池总电池电势为：m是检测单元格行数。
[0252]
同时，能够确定出燃料电池内部的目标物理量的分布，包括：每一检测单元格的当前的温度t
i，j
，相对湿度rh
i，j
，膜内水含量入
i，j
，水浓度c
h2o，i，j
，氧分压p
o2，i，j
，阴极过电势η
i，j
，交换电密ei
i，j
，水传质阻力r
h2o，i，j
，拖曳系数ξ
i，j
，每行检测单元格的当前的电流密度ii、离子传递电阻r
ω，i
、电阻传输电阻r
elec，i
、极化电阻r
or，i
、传质电阻r
m，i
、总电阻rzi、电池电势vi、热量qi、氧气传质阻力r
o2，i
、氢气传质阻力r
h2，i
、阴极过电阻rki、总阴极过电势ηci以及扩散水量nwi，每行检测单元格的当前的阳极端气压p
i，1
、氢气分压p
h2，i，1
、氢气比例x
h2，i，1
、氮气比例x
n2，i，1
、水比例x
h2o，i，1
、水通量n
h2o，i，1
、氢气通量n
h2，i
、和阴极端的当前的气压p
i，n
、氧气分压p
o2，i，n
、氧气比例x
o2，i，n
、氮气比例x
n2，i，n
、水比例x
h2o，i，n
、水通量n
h20，i，n
、氧气通量n
o2，i
、每行检测单元格的当前的阳极电极处氢气分压p
h2，i，c5
和阴极电极处的氧气分压p
o2，i，c6
，以及当前的总电池电势ez；其中，i是检测单元格所在行，j是检测单元格所在列，n是总行数，m是总列数，c5是阳电极所在列数，c6阴电极所在列数。这样，就实现了各目标物理量在电池内部各检测单元格的分布以及定位检测，直观展示了复杂工况下电池内部的性能状态。其中，由于单元格划分中精简掉了内部平行膜方向的物质传递，因此某些物理量只有在每一行的阳极和阴极两端存在，这也同时减小了计算中冗余数据，提高了效率。
[0253]
若电池电势的偏差值δe大于预设电势阈值，则需要基于每一行检测单元格的电池电势、历史电流密度、输入电流密度确定当前电流密度为：
[0254][0255]
其中，b5是更新系数，i是输入电流密度，i
i历史
是历史电流密度，i
i，当前
是当前电流密度，ec为电池电势值。
[0256]
然后基于每个检测单元格的当前物理量，重新计算出每个检测单元格的初始水通量、初始气体通量、温度值、水传输量、气体分压、总阴极过电势值以及电池电势值，进行迭代，直至电池电势收敛。
[0257]
这样，通过把各物理量联系进电池电势中进行全局电量的平衡计算，而快速准确地确定出待检测燃料电池内部各物理量在各检测单元格的分布，而能详尽并直观地定位待检测电池内部性能。
[0258]
进一步的，所述膜内水含量计算模块120、所述过电势计算模块130均包括优化求解单元；所述优化求解单元用于利用线性矩阵方程和对数优化算法来求解每个检测单元的物理量。
[0259]
这里，为解决每个相邻检测单元格之间的物理量传输互相联系以及传输关系互相耦合无法独立求解的问题，通过相邻单元格之间物质传递、化学传递的关系式的转换，而把每个检测单元格的目标物料量计算成相邻检测单元格的参数的函数的线性解，转化成形式为a
i，j
*x
i，j
＝b
i，j
的线性矩阵方程组，其中x为每个检测单元格待求解的目标物理量的矩阵，a，b是关系式转化后相关参数的函数矩阵。先基于相关物理量计算出a
i，j
和b
i，j
，基于a
i，j
和b
i，j
系数，确定出a
i，j
*x
i，j
＝b
i，j
的方程组求解中的解x
i，j
为：
[0260][0261]
其中，梯度系数a1，a2，a3系数a矩阵中的元素。
[0262]
基于x
i，j
而得到每个检测单元格待求解的目标物理量。
[0263]
这里，对于[m，n]单元格的计算会用到m*n次寻解，为加快计算，把对相邻单元格j-1和j 1的递值加快到第2j-1和2j 1格，这样相当于引入了对数递进，把对共n格的计算时间加快到lg(n)格，因此通过引入对数优化法而大大提高可以处理的数据量和计算速度。这样，通过把对复杂的相邻检测单元格之间的物理量传输计算转换成每一行上的线性矩阵的联立求解方法，利用线性求解梯度下降快的优势，而避免了多元多次方程不易收敛求解慢的问题，提高了计算的效率。
[0264]
本技术提供了一种燃料电池的性能检测系统，所述性能检测系统包括：单元格划分模块、温度计算模块、膜内水含量计算模块、过电势计算模块以及总电势计算模块，通过利用单元格划分模块对燃料电池的内部结构进行划分获得多个检测单元格，然后利用温度计算模块、膜内水含量计算模块、过电势计算模块以及总电势计算模块根据多个检测单元格之间的位置关系和传递关系进行联立计算，快速准确地确定出燃料电池的目标物理量，从而实现高效展示定位复杂工况下燃料电池内部的性能状态分布。
[0265]
本技术与普通方法相比，具有以下优点：
[0266]
第一，计算效率提高。通过精简单元格的连接，避免了三维模型的冗余，而把内部物性传递的计算复杂度降低，保留重要参数传递的详尽度，而且引入优化求解单元，利用线性梯度下降快和对数算法提高速度的优势，避免了多元高次计算慢难求解的缺点，而使可处理参数数据量大，能详尽展示内部物性。
[0267]
第二，应用性提高。通过引入跨膜水扩散、阴极极化与氧气传输的耦合、多电阻组成的计算，解决了电池水热管理中关键却缺乏的水淹、电池极化、电阻变化分析的问题，提高实际应用。
[0268]
第三，准确度高。通过引入拖曳系数计算扩散水量，避免普通方法忽略跨膜水渗透拖曳导致电池水淹的问题，而准确计算水传输性能，通过氧分压与阴极过电势联立计算，避免了普通方法忽略阴极过电势或相互耦合的问题，而准确反映电池内部极化的性能，通过电阻值分类计算，避免了普通方法只考虑总电阻的弊端，而准确检测电池多因素变化对各电阻反映的性能带来的影响，通过各参数模块之间的关联计算，避免了普通模型只考虑局部传输忽略各参数关联影响的局限性，而兼顾了温度、水传输、电阻相互影响的准确性。
[0269]
第四，实现分布定位检测。通过准确计算出的每一检测单元格的目标物理量，而能对电池内部性能的位置和分布有了直观数值化定位，克服普通检测无法精细计算性能参数分布的缺点。这样，这种方法成本低使用方便，有效提高复杂工况燃料电池内部性能检测的效率。
[0270]
请参阅图3，图3为本技术实施例所提供的一种燃料电池的性能检测方法。如图3所示，所述燃料电池的性能检测方法包括：
[0271]
s301：将待检测燃料电池内部划分成多个检测单元格，并根据所述待检测燃料电池的输入信号，确定出每个检测单元格的初始物理量。
[0272]
该步骤中，对待检测燃料电池基于燃料电池内部的气流流向和物质从阳极板到阴极板的流向方向划分成多个检测单元格，并根据获取到的待检测燃料电池的输入信号，确定出每个检测单元格的初始物理量。
[0273]
s302：基于每个检测单元格的物理量以及每个相邻检测单元格之间的热量传递的平衡关系进行计算，确定出每个检测单元格的温度值，并对每个检测单元格的物理量进行更新。
[0274]
该步骤中，基于每一行检测单元格的电池电势以及电流密度进行电化学反应热计算，确定出每个检测单元格的温度值。
[0275]
其中，关于每一检测单元格的温度值的具体计算过程在上述温度计算模块中已经陈述，此部分不在进行赘述。
[0276]
s303：基于每个检测单元格的物理量以及每个相邻检测单元格之间的水传输关系进行联立计算，确定出每个检测单元格的水传输量，并对每个检测单元格的物理量进行更新。
[0277]
该步骤中，利用每个检测单元格的物理量和每个相邻检测单元格之间的水传输关系进行联立计算，确定出每个检测单元格的水传输量。
[0278]
这里，关于每一检测单元格的水传输量的具体计算过程在上述膜内水含量计算模块中已经陈述，此部分不在进行赘述。
[0279]
s304：基于每个检测单元格的物理量以及每个相邻检测单元格之间的气体传输关系进行联立计算，确定出每行检测单元格的气体分压以及总阴极过电势值，并对每个检测单元格的物理量进行更新。
[0280]
该步骤中，利用每个检测单元格的物理量以及每个相邻检测单元格之间的气体传输关系进行联立计算，确定出每行检测单元格的气体分压以及总阴极过电势值。
[0281]
这里，关于每行检测单元格的气体分压以及总阴极过电势值具体计算过程在上述过电势计算模块中已经陈述，此部分不在进行赘述。
[0282]
s305：基于每个检测单元格的物理量进行电化学关系式计算，确定出每行检测单元格的电阻值和电池电势值，当所述电池电势值达到收敛之后，确定出每个检测单元格的目标物理量，以得到所述待检测燃料电池内部的物理量分布。
[0283]
该步骤中，对每个检测单元格的离子电量传递进行计算，确定出每行检测单元格的电阻值和电池电势值。
[0284]
这里，关于电池电势值的具体计算过程在上述总电势计算模块中已经陈述，此部分不在进行赘述。
[0285]
在具体实施例中，输入电池的电流密度、冷却液温度、阴阳极进出堆气压等，然后对电池内部结构单元化，对各个检测单元格计算质量和能量平衡，确定出每个检测单元格的初始物理量，并确定出每一个检测单元格的温度值，然后引入优化求解单元，确定出每一个检测单元格的水传输量，检测是否满足水传输计算条件，若满足，则确定出每一行检测单元格的气体分压以及阴极过电势，检测是否满足阴极过电势计算条件，若满足，则确定出每一行检测单元格的电阻和电池电势，检测是否满足电池电势计算条件，若满足，确定出每个检测单元格的目标物理量(电压、电流密度、电阻、温度等电池物性分布)，以得到所述待检测燃料电池内部的物理量分布。
[0286]
在另一具体实施例中，请参阅图4，图4为本技术实施例所提供的燃料电池的温度分布图。如图4中所示，此例把电池内部从阳极到阴极分为20列单元格，沿气体流向的方向分成20行单元格，从展示的温度分布可以看出，燃料电池偏阴极中间的区域温度最高，向周围逐渐降低。在实际检测中，工作人员可根据检测结果，来分析某一单元格或区域的情况，也可观察电池操作对温度分布影响。结果还可以包括膜内水含量、电阻等的分布图。
[0287]
进一步的，根据以下步骤将待检测燃料电池内部划分成多个检测单元格：
[0288]
按照所述待检测燃料电池的二维结构，沿平行于双极板气体流动方向划分成m行，沿垂直于膜表面方向划分成n列，共得到m*n个检测单元格；其中，m、n为正整数；每一行内的检测单元格之间互相连接，除了第1列和第n列外，其余列内的检测单元格之间不互相连接。
[0289]
进一步的，根据以下步骤确定出每个检测单元格的温度值：
[0290]
基于每一行检测单元格的电池电势以及电流密度进行电化学反应热计算，计算出所述待检测燃料电池的每一行检测单元格的热量；
[0291]
基于每一行的检测单元格的热量，对每个检测单元格沿垂直于膜表面方向进行热量传递计算，确定出每个检测单元格的温度值。
[0292]
进一步的，根据以下步骤确定每个检测单元格的水传输量：
[0293]
将每个相邻检测单元格的历史水浓度、历史水传质阻力以及历史水通量进行联立计算，确定出每个检测单元格的当前水浓度值；
[0294]
若当前水浓度值与历史水浓度值之间的差值小于预设水浓度阈值时，则确定所述当前水浓度值收敛，基于每个检测单元格收敛的当前水浓度值计算相对湿度、膜内水含量、水通量以及当前扩散水量。
[0295]
若当前扩散水量与历史扩散水量的差值小于预设扩散水量阈值，则确定所述当前扩散水量收敛，基于每行检测单元格收敛的当前扩散水量，确定水传输量。
[0296]
进一步的，根据以下步骤确定出每一行检测单元格的气体分压和总阴极过电势：
[0297]
将每个相邻检测单元格的历史氧气分压、历史阴极过电势以及历史交换电密联立计算，确定每个检测单元格的氧气分压、阴极过电势以及当前交换电密；
[0298]
若当前交换电密与历史交换电密的差值小于预设交换电密阈值时，则确定所述当前交换电密收敛，并基于每个检测单元格收敛的当前交换电密，计算气体分压和总阴极过电势。
[0299]
进一步的，根据以下步骤计算每行检测单元格的电池电势值：
[0300]
基于每一检测单元格的气体分压、总阴极过电势、温度、相对湿度、电流密度，确定出每行检测单元格的平衡电池电势值以及电阻值；
[0301]
基于每一行所述检测单元格的平衡电池电势值、电流密度、以及电阻，确定出所述待检测燃料电池的该行检测单元格的电池电势值。
[0302]
进一步的，根据以下步骤得到所述待检测燃料电池内部的物理量分布：
[0303]
在所述电池电势值收敛后，确定出每个检测单元格的目标物理量，以得到所述待检测燃料电池内部的物理量分布；
[0304]
在所述电池电势值不收敛后，则更新电流密度，继续对所述待检测燃料电池每个检测单元格的温度值、水传输量、气体分压、总阴极过电势以及电池电势值进行迭代计算，直至所述电池电势值收敛为止。
[0305]
本技术实施例提供的一种燃料电池的性能检测方法，通过对燃料电池的内部结构进行划分获得多个检测单元格，然后根据多个检测单元格之间的位置关系和传递关系进行联立计算，快速准确地确定出燃料电池的目标物理量，从而快速准确地反应出燃料电池内部的各项性能。通过精简单元格划分、应用优化求解单元、关联各参数影响、引入跨膜水扩散、阴极极化与氧气传输的耦合、多电阻分类的计算，而提高了对燃料电池内部性能检测的效率、数据详尽度、准确性，同时兼顾水淹、极化等实际关键应用，使用简便成本低，从而快速准确地展示复杂工况下燃料电池内部的性能分布。
[0306]
请参阅图5，图5为本技术实施例所提供的一种电子设备的结构示意图。如图5中所示，所述电子设备500包括处理器510、存储器520和总线530。
[0307]
所述存储器520存储有所述处理器510可执行的机器可读指令，当电子设备500运行时，所述处理器510与所述存储器520之间通过总线530通信，所述机器可读指令被所述处理器510执行时，可以执行如上述图3所示方法实施例中的一种燃料电池的性能检测方法的步骤，具体实现方式可参见方法实施例，在此不再赘述。
[0308]
本技术实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时可以执行如上述图3所示方法实施例中的一种燃料电池的性能检测方法的步骤，具体实现方式可参见方法实施例，在此不再赘述。
[0309]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、系统和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0310]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、系统和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，系统或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0311]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0312]
另外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
[0313]
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read-only memory，rom)、随机存取存储器(random access memory，ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0314]
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本技术的具体实施方式，用以说明本技术
的技术方案，而非对其限制，本技术的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。