CN113740746B - 一种燃料电池电流密度分布无损检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池电流密度分布无损检测装置及方法，包括三个磁场采集单元，三个磁场采集单元的输出端均与数据传输模块的一端连接，数据传输模块的另一端与计算机连接；三个磁场采集单元均与燃料电池的MEA同平面设置，其中两个磁场采集单元分别设置在燃料电池的两侧；剩余一个磁场采集单元设置在燃料电池的端部，且远离燃料电池的进气端设置；本发明通过在燃料电池的两侧及端部分别设置磁场采集单元，利用磁场采集单元获取所在位置的磁场强度，之后利用计算机根据获取的磁场强度计算得到燃料电池的电流密度分布结果；检测装置结构简单，无需外接电源，无需对燃料电池进行改造；利用电磁反演算法计算得到的电流密度分布结果精度较高。

Description

一种燃料电池电流密度分布无损检测装置及方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池电流密度分布无损检测装置及方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是最引人注目的能量转换设备之一，主要用于固定和移动应用，例如：固定发电、小型便携应用及为汽车供电等领域；由于质子交换膜两侧界面的电化学反应均匀分布程度，能够影响燃料电池的各个区域电流密度分布往往存在不均匀的现象。
目前，测量质子交换膜燃料电池的电流密度分布的方法包括子电池法、分割流道法及利用设置在电池外部的红外传感器测量电池内部的温度场来间接测量电流分布；其中，子电池法，制作工艺复杂，加工难度大，测量装置无法独立于原有的质子交换膜电池；分割流道法，易造成流道间相互串气；红外测量法，电流到温度的响应速度很慢，其延迟一般在秒级，难以反映瞬态变化的电流分布。
同时，中国专利申请“一种燃料电池电流分布测量方法及装置(申请号为200810116164.5)”公开了有采用感应线圈在电流的激励下感应出来的感生磁场的强度和电流呈线性的特征测量燃料电池电流分布；该测量方法对于线圈绕制、燃料电池的压板材料及尺寸要求较高；同时，对于集流板在同侧分布的情况，需要对导线接触区域进行改造以屏蔽此处电流集中带来的磁场干扰；使用难度较大，均需对质子交换膜燃料电池进行改造，测量装置的适应性较差。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种燃料电池电流密度分布无损检测装置及方法，以解决现有的燃料电池电流密度分布测量过程操作使用难度大，需对燃料电池进行改造，测量装置的适应性较差的技术问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明提供了一种燃料电池电流密度分布无损检测装置，包括三个磁场采集单元、数据传输模块及计算机；三个磁场采集单元的输出端均与数据传输模块的一端连接，数据传输模块的另一端与计算机连接；
三个磁场采集单元均与燃料电池的膜电极组件MEA同平面设置，其中两个磁场采集单元分别设置在燃料电池的两侧；剩余一个磁场采集单元设置在燃料电池的端部，且远离燃料电池的进气端设置；
磁场采集单元，用于采集燃料电池内的电流在磁场采集单元所在位置处产生的磁场强度，并将采集的磁场强度通过数据传输模块传输至计算机；计算机，用于根据获取的磁场强度，计算得到燃料电池的电流密度分布结果。
进一步的，磁场采集单元包括PCB板及若干采集模块；PCB板沿燃料电池的压板的长度或宽度方向设置，并与燃料电池的压板粘连固定；若干采集模块沿PCB板的轴线方向均匀布设；
每个采集模块包括第一单轴磁场传感器、第二单轴磁场传感器及信号转换芯片，第一单轴磁场传感器靠近燃料电池的膜电极组件MEA一侧设置；第一单轴磁场传感器的敏感轴与膜电极组件MEA的长度或宽度方向平行设置；第二单轴磁场传感器远离燃料电池的膜电极组件MEA一侧设置，第二单轴磁场传感器的敏感轴与第一单轴磁场传感器的敏感轴垂直设置；第一单轴磁场传感器及第二单轴磁场传感器的输出端均与信号转换芯片连接，信号转换芯片与数据传输模块相连。
进一步的，第一单轴磁场传感器及第二单轴磁场传感器均为地磁传感器，地磁传感器的测量量程为±800uT。
进一步的，PCB板通过数据排线与数据传输模块相连。
进一步的，数据传输模块与计算机之间采用数据转换头连接；其中，数据转换头的型号为LX08V USB转RS485/232。
进一步的，计算机中配置有XCOM软件和Matlab软件；其中，XCOM软件，用于接收数据传输模块传输的磁场强度信息；Matlab软件，用于根据磁场强度信息，计算得到燃料电池的电流密度分布结果。
本发明还提供了一种燃料电池电流密度分布无损检测方法，利用所述的一种燃料电池电流密度分布无损检测装置，具体包括以下步骤：
在燃料电池的周围布置若干磁场强度测点；其中，磁场强度测点与燃料电池的膜电极组件MEA同平面设置；
获取燃料电池内的电流在每个磁场强度测点处产生的磁场强度，并进行降噪处理，得到降噪后的磁场强度；
根据每个磁场强度测点处降噪后的磁场强度，利用电磁反演算法，计算得到燃料电池的电流密度分布结果。
进一步的，对每个磁场强度测点处的磁场强度进行降噪处理过程，具体为：
利用获取的燃料电池内的电流在每个磁场强度测点处产生的磁场强度，减去燃料电池电流为零的工况下对应磁场测点处的磁场强度，即得到每个磁场强度测点处降噪后的磁场强度。
进一步的，根据每个磁场强度测点处降噪后的磁场强度，利用电磁反演算法，计算得到燃料电池的电流密度分布结果的过程，具体如下：
对燃料电池的膜电极组件MEA平面进行离散处分区处理，得到若干离散分区；
根据离散分区中的电流元与磁场强度测点处降噪后的磁场强度的线性关系，建立电流-磁场超定方程组；
求解电流-磁场超定方程组，得到每个离散分区的电流元大小，即得到燃料电池的电流密度分布结果。
进一步的，电流-磁场超定方程组包括第一超定方程组及第二超定方程组；采用最小二乘法求解第一超定方程组及第二超定方程组，得到两个燃料电池的膜电极组件MEA的平面离散分区中的电流元矩阵；对两个燃料电池的膜电极组件MEA的平面离散分区中的电流元矩阵求和后，取均值，得到每个离散分区的电流元大小，即得到燃料电池的电流密度分布结果；
其中，第一超定方程组的表达式为：
Figure GDA0003569203790000041
其中，(Hx,1,…,Hx,j,…,Hx,n)T为磁场强度测点处的磁场强度矩阵，Hx,j为第j个磁场强度测点处的磁场强度在膜电极组件MEA平面X轴方向的分量，n为磁场强度测点的个数；
Figure GDA0003569203790000042
为系数矩阵，an,m为系数矩阵的元素；(I1′,I2′,…,Ii′,…,Im′)T为燃料电池的膜电极组件MEA的平面离散分区中的电流元矩阵，Ii′为利用磁场强度在膜电极组件MEA平面X轴方向的分量求解的第i个离散分区的电流元大小，m为离散分区个数；
第二超定方程组的表达式为：
Figure GDA0003569203790000043
其中，(Hy,1,…,Hy,j,…,Hy,n)T为磁场强度测点处的磁场强度矩阵，Hy,j为第j个磁场强度测点处的磁场强度在膜电极组件MEA平面Y轴方向的分量，n为磁场强度测点的个数；
Figure GDA0003569203790000051
为系数矩阵，bn,m为系数矩阵的元素；(I1″,I2″,…,Ii″,…,Im″)T为燃料电池的膜电极组件MEA的平面离散分区中的电流元矩阵，Ii′为利用磁场强度在膜电极组件MEA平面Y轴方向的分量求解的第i个离散分区的电流元大小。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种燃料电池电流密度分布无损检测装置及方法，通过在燃料电池的两侧及端部分别设置磁场采集单元，利用磁场采集单元获取所在位置的磁场强度，之后利用计算机根据获取的磁场强度计算得到燃料电池的电流密度分布结果；检测装置结构简单，无需外接电源，无需对燃料电池进行改造，制作及使用方便，能够实现流水线作业及批量生产；利用电磁反演算法计算得到的电流密度分布结果精度较高。
进一步的，磁场采集单元采用在PCB板上布置单轴磁场传感器，利用PCB板将单轴磁场传感器布置在燃料电池主体的外侧，而无需插入电池内部，对电池的运行状态没有任何影响，能够精确还原实施运行的燃料电池的内部状态，为电池的故障诊断提供决策依据。
进一步的，利用燃料电池电流为零的工况下对应磁场测点处的磁场强度为基准，对获取的每个磁场强度测点处的磁场强度进行降噪处理，确保了用于计算电池电流密度的磁场强度均为燃料电池内部电流产生的磁场强度，有效提高检测结果的精确度，且计算过程简单。
进一步的，分别利用燃料电池的内部电流产生的X轴方向及Y轴方向的磁场强度，求解离散分区的电流元大小，并采用求和后取均值，确保了电池电流密度分布计算结果的准确性。
附图说明
图1为本发明所述的无损检测装置的结构框图；
图2为本发明中的磁场采集单元与燃料电池连接结构示意图；
图3为本发明中的磁场采集单元与燃料电池的连接结构分解示意图；
图4为本发明中的磁场采集单元的结构示意图；
图5为本发明中的磁场采集单元的电路连接示意图；
图6为本发明中的膜电极组件(MEA)平面进行离散分区示意图。
其中，1磁场采集单元，2数据传输模块，3计算机，4燃料电池；11PCB板，12第一单轴磁场传感器，13第二单轴磁场传感器，14信号转换芯片；41阳极压板，42阳极集流板，43阳极流场板，44膜电极组件MEA，45阴极流场板，46阴极集流板，47阴极压板。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如附图1-5所示，本发明提供了一种燃料电池电流密度分布无损检测装置，包括磁场采集单元1、数据传输模块2及计算机3；三个磁场采集单元1的输出端分别与数据传输模块2的一端连接，数据传输模块2的另一端与计算机3连接；三个磁场采集单元1均与燃料电池4的膜电极组件MEA44同平面设置，其中两个磁场采集单元1分别设置在燃料电池4的两侧；剩余一个磁场采集单元1设置在燃料电池4的端部，且远离燃料电池4的进气端设置。
磁场采集单元1，用于采集燃料电池内的电流在磁场采集单元所在位置处产生的磁场强度，并将采集的磁场强度通过数据传输模块2传输至计算机3；数据传输模块2，用于对每个数据采集轮次的所有数据进行收集，并将收集后的数据传输至计算机3；计算机3，用于根据获取的磁场强度，计算得到燃料电池4的电流密度分布结果。
本发明中，三个磁场采集单元1的结构完全相同；每个磁场采集单元1包括PCB板及若干采集模块，PCB板11沿燃料电池4的压板的长度或宽度方向设置，并与燃料电池4的压板粘连固定；若干采集模块沿PCB板11的轴线方向均匀布设，每个采集模块作为一个磁场强度测点，用于采集所在位置处由燃料电池4的内部电流在该位置处产生的磁场强度。
每个采集模块分别包括第一单轴磁场传感器12、第二单轴磁场传感器13及信号转换芯片14；第一单轴磁场传感器12及第二单轴磁场传感器13的敏感轴与燃料电池4的膜电极组件MEA44同平面设置，分别用于采集燃料电池4的膜电极组件MEA平面上X轴方向或Y轴方向上的磁场强度大小；其中，本发明中，膜电极组件MEA平面的X轴方向为膜电极组件MEA平面的宽度方向，膜电极组件MEA平面的Y轴方向为膜电极组件MEA平面的长度方向。
具体的，第一单轴磁场传感器12靠近燃料电池4的膜电极组件MEA44一侧设置，第一单轴磁场传感器12的敏感轴与膜电极组件MEA44的长度或宽度方向平行设置；第二单轴磁场传感器13远离燃料电池4的膜电极组件MEA44一侧设置，第二单轴磁场传感器13的敏感轴与第一单轴磁场传感器12的敏感轴垂直设置，即第二单轴磁场传感器13的敏感轴与膜电极组件MEA44的长度或宽度方向垂直设置。
第一单轴磁场传感器12及第二单轴磁场传感器13的输出端均与信号转换芯片14连接，信号转换芯片14与数据传输模块2相连；信号转换芯片14，用于将第一单轴磁场传感器12及第二单轴磁场传感器13采集的磁场信号转换为数字信号，并将数字信号传输至数据传输模块2；第一单轴磁场传感器12、第二单轴磁场传感器13及信号转换芯片14在PCB板11上的电路连接关系具体详见附图5所示。
本发明中，第一单轴磁场传感器12及第二单轴磁场传感器13均为地磁传感器，地磁传感器的测量量程为±800uT；PCB板11通过数据排线与数据传输模块2连接，数据传输模块2与计算机4之间采用数据转换头连接；优选的，数据转换头的型号为LX08V USB转RS485/232；数据传输模块2采用单片机，单片机的型号为51型单片机；计算机3中配置有XCOM软件和Matlab软件；其中，XCOM软件，用于接收数据传输模块2传输的磁场强度信息，Matlab软件，用于根据磁场强度信息，计算得到燃料电池4的电流密度分布结果。
本发明还提供了一种燃料电池电流密度分布无损检测方法，具体包括以下步骤：
步骤1、在燃料电池的周围布置若干磁场强度测点；其中，磁场强度测点与燃料电池的膜电极组件MEA同平面设置。
步骤2、获取燃料电池内的电流在每个磁场强度测点处产生的磁场强度，并进行降噪处理，得到降噪后的磁场强度；其中，降噪处理过程，具体为：
利用获取的燃料电池内的电流在每个磁场强度测点处产生的磁场强度，减去燃料电池电流为零的工况下对应磁场测点处的磁场强度，即得到每个磁场强度测点处降噪后的磁场强度。
步骤3、根据每个磁场强度测点处降噪后的磁场强度，利用电磁反演算法，计算得到燃料电池的电流密度分布结果；其中，电磁反演算法的计算过程，具体如下：
步骤31、对燃料电池的膜电极组件MEA平面进行离散化分区处理，得到若干离散分区。
步骤32、根据离散分区中的电流元与磁场强度测点处降噪后的磁场强度的线性关系，建立电流-磁场超定方程组；其中，电流-磁场超定方程组包括第一超定方程组及第二超定方程组。
其中，第一超定方程组的表达式为：
Figure GDA0003569203790000081
其中，(Hx,1,…,Hx,j,…,Hx,n)T为磁场强度测点处的磁场强度矩阵，Hx,j为第j个磁场强度测点处的磁场强度在膜电极组件MEA平面X轴方向的分量，n为磁场强度测点的个数；
Figure GDA0003569203790000091
为系数矩阵，an,m为系数矩阵的元素；(I1′,I2′,…,Ii′,…,Im′)T为燃料电池的膜电极组件MEA的平面离散分区中的电流元矩阵，Ii′为利用磁场强度在膜电极组件MEA平面X轴方向的分量求解的第i个离散分区的电流元大小，m为离散分区个数。
其中，第二超定方程组的表达式为：
Figure GDA0003569203790000092
其中，(Hy,1,…,Hy,j,…,Hy,n)T为磁场强度测点处的磁场强度矩阵，Hy,j为第j个磁场强度测点处的磁场强度在膜电极组件MEA平面Y轴方向的分量，n为磁场强度测点的个数；
Figure GDA0003569203790000093
为系数矩阵，bn,m为系数矩阵的元素；(I1″,I2″,…,Ii″,…,Im″)T为燃料电池的膜电极组件MEA的平面离散分区中的电流元矩阵，Ii′为利用磁场强度在膜电极组件MEA平面Y轴方向的分量求解的第i个离散分区的电流元大小。
步骤33、采用最小二乘法求解第一超定方程组及第二超定方程组，得到两个燃料电池的膜电极组件MEA的平面离散分区中的电流元矩阵；对两个燃料电池的膜电极组件MEA的平面离散分区中的电流元矩阵求和后，取均值，得到每个离散分区的电流元大小，即得到燃料电池的电流密度分布结果；本发明中，采用最小二乘法求解超定方程组时，当超定方程组的自变量个数较少或条件数较少时，采用改进平方根方法，求解其正则方程组ATAI＝ATH的最小二乘解；当超定方程组的自变量个数较大或条件数较多时，采用豪斯霍尔德变换的QR分解法进行求解。
本发明所述的燃料电池电流密度分布无损检测装置及方法，通过在燃料电池的两侧及端部分别设置磁场采集单元，利用磁场采集单元获取所在位置的磁场强度，之后利用计算机根据获取的磁场强度计算得到燃料电池的电流密度分布结果；检测装置结构建大，无需外接电源，无需对燃料电池进行改造，制作及使用方便，能够实现流水线作业及批量生产；利用电磁反演算法计算得到的电流密度分布结果精度较高。
工作及计算原理
本发明所述的燃料电池电流密度分布无损检测装置及方法，使用时，将磁场采集单元分别粘连固定在待测燃料电池的压板上，并靠近燃料电池的膜电极组件MEA设置；利用数据传输模块依次向磁场采集单元上的单轴磁场传感器发射测量质量，并反馈信息；单轴磁场传感器的信号，通过信号转换芯片转换为数字信号后，反馈至数据传输模块；数据传输模块搜集完本次测量轮次的所有单轴传感器的信号后，一次性打包全部发送至计算机进行计算处理。
计算机进行计算时，根据获取的燃料电池内的电流在每个磁场强度测点处产生的磁场强度，并进行降噪处理，之后利用电磁反演算法，根据磁场强度信息，计算得到燃料电池的电流密度分布结果；其中，电磁反演算法计算过程，具体如下：
如附图6所示，以燃料电池的膜电极组件MEA平面为坐标平面，膜电极组件MEA平面的左下角为坐标原点，沿膜电极组件MEA平面的宽度方向为X轴，沿膜电极组件MEA平面的长度方向为Y轴，建立平面坐标系。
在平面坐标系中，对燃料电池的膜电极组件MEA平面进行离散化分区处理，得到若干离散分区；其中，在平面坐标系中，对于第j个磁场强度测点的坐标可以表示为：(xj,yj)，第i个离散分区的坐标可以表示为：(xi,yi)；第j个磁场强度测点与第i个离散分区的坐标差可以表示为：(Δxi,j,Δyi,j)。
其中，Δxi,j＝xj-xi，Δyi,j＝yi-yj；即，Δxi,j为磁场强度测点的X轴坐标与离散分区的X轴坐标之差；Δyi,j为磁场强度测点的Y轴坐标与离散分区的Y轴坐标之差。
第i个离散分区的电流元Ii在第j个磁场强度测点位置处产生的X轴方向的磁场强度表示为
Figure GDA0003569203790000111
其中，
Figure GDA0003569203790000112
的表达式为：
Figure GDA0003569203790000113
第i个离散分区的电流元在第j个磁场强度测点位置处产生的Y轴方向的磁场强度表示为
Figure GDA0003569203790000114
其中，
Figure GDA0003569203790000115
的表达式为：
Figure GDA0003569203790000116
对于燃料电池的膜电极组件MEA平面周围的某一个磁场测量点的位置处的磁场强度，由所有离散分区中的电流元在该位置产生的磁场累加得到；
即，燃料电池的内部电流在第j个磁场强度测点位置处产生的X轴方向的磁场强度可以表示为：Hx,j，其中，Hx,j的表达式为：
Figure GDA0003569203790000119
燃料电池的内部电流在第j个磁场强度测点位置处产生的Y轴方向的磁场强度可以表示为：Hx,j，其中，Hx,j的表达式为：
Figure GDA0003569203790000117
在已知空间中，电流密度分布和磁导率分布的情况下，任意电流元Idl在空间中任一点P处产生的磁场感应强度为
Figure GDA0003569203790000118
本发明中，将燃料电池的膜电极组件MEA所在区域的平面离散为m个相同的离散分区，每个离散分区内的电流元在对应磁场强度测点处均产生磁场强度。
因此，n个磁场强度测点的磁场强度与m个相同的离散分区的电流元之间的关系，可以整理成形如H＝AI的电流-磁场超定方程组；其中，系数矩阵A的每一项仅仅是离散分区电流元和测点位置坐标的函数，其在磁场强度测点布置完成后，即可求解得到；在已知磁场强度的分布前提下，利用I＝A-1H即可求解燃料电池内部膜电极组件MEA上的电流密度分布。
其中，电流-磁场超定方程组包括第一超定方程组及第二超定方程组。
其中，第一超定方程组的表达式为：
Figure GDA0003569203790000121
其中，(Hx,1,…,Hx,j,…,Hx,n)T为磁场强度测点处的磁场强度矩阵，Hx,j为第j个磁场强度测点处的磁场强度在膜电极组件MEA平面X轴方向的分量，n为磁场强度测点的个数；
Figure GDA0003569203790000122
为系数矩阵，an,m为系数矩阵的元素；(I1′,I2′,…,Ii′,…,Im′)T为燃料电池的膜电极组件MEA的平面离散分区中的电流元矩阵，Ii′为利用磁场强度在膜电极组件MEA平面X轴方向的分量求解的第i个离散分区的电流元大小，m为离散分区个数。
其中，第二超定方程组的表达式为：
Figure GDA0003569203790000123
其中，(Hy,1,…,Hy,j,…,Hy,n)T为磁场强度测点处的磁场强度矩阵，Hy,j为第j个磁场强度测点处的磁场强度在膜电极组件MEA平面Y轴方向的分量，n为磁场强度测点的个数；
Figure GDA0003569203790000131
为系数矩阵，bn,m为系数矩阵的元素；(I1″,I2″,…,Ii″,…,Im″)T为燃料电池的膜电极组件MEA的平面离散分区中的电流元矩阵，Ii′为利用磁场强度在膜电极组件MEA平面Y轴方向的分量求解的第i个离散分区的电流元大小。
根据上述，本发明求解燃料电池电流密度分布的过程，即转换为求解逆矩阵的过程；而求解逆矩阵的方法有很多，本发明中采用最小二乘法进行求解；其中，当超定方程组的自变量个数较少或条件数较少时，采用改进平方根方法，求解其正则方程组ATAI＝ATH的最小二乘解；当超定方程组的自变量个数较大或条件数较多时，采用豪斯霍尔德变换的QR分解法进行求解。
以下对某质子交换膜燃料电池的电流密度分布检测过程为例，对本发明进行详细说明。
所述质子交换膜燃料电池包括依次固定连接的阳极压板41、阳极集流板42、阳极流场板43、膜电极组件MEA44、阴极流场板45、阴极集流板46及阴极压板47，用于将氢气的化学能转换为电能。
利用本发明所述的燃料电池电流密度分布无损检测装置，将三个磁场采集单元1的输出端分别与数据传输模块2的一端连接，数据传输模块2的另一端与计算机3连接；三个磁场采集单元1均与燃料电池4的膜电极组件MEA44同平面设置，其中两个磁场采集单元1分别设置在燃料电池4的两侧；剩余一个磁场采集单元1设置在燃料电池4的端部，且远离燃料电池4的进气端设置。
其中，每个磁场采集单元1包括PCB板及10个采集模块，PCB板11沿燃料电池4的压板的长度或宽度方向设置，并与燃料电池4的压板粘连固定；若干采集模块沿PCB板11的轴线方向均匀布设，每个采集模块作为一个磁场强度测点，用于采集所在位置处由燃料电池4的内部电流在该位置处产生的磁场强度；即每个磁场采集单元1上设置有10个第一单轴磁场传感器、10个第二单轴磁场传感器及10个信号转换芯片；一个第一单轴磁场传感器及一个第二单轴磁场传感器作为一个磁场强度测点，并共用一个信号转换芯片，分别对该磁场强度测点位置处的X轴方向及Y轴方向的磁场强度进行采集。
磁场采集模块上集成多个单轴磁场传感器，接受数据传输模块的指令测量磁场信号，并将测量得到的磁场强度信息发送回数据传输模块；数据传输模块能够控制启动单个单轴磁场传感器并收集反馈的磁场数据，待单轮所有数据收集完成后，一次性发送通过转接头发送到计算机；磁场采集模块与待测燃料电池的压板粘连固定，用于获取所在位置的磁场强度信息。
将两个单轴磁场传感器的敏感轴互相垂直，固定形成传感器组，传感器组共用同一个信号转换芯片，形成磁场强度测点，将内部的磁场信号转换为数字信号反馈给数据传输模块；采用将两个单轴磁场传感器直角排布有利于密集布置。
磁场采集模块中的PCB板通过数据排线与数据传输模块连接；其中，单轴磁场传感器采用PNI公司的工业级地磁传感器，并采用ST公司的工业级芯片设计而成；数据传输模块与计算机之间采用数据转换头连接。
对该质子交换膜燃料电池进行测量时，通过计算机上的XCOM软件获取单轴磁场传感器的实时数据，通过将数据导入电流-磁场超定方程组中，最小二乘法计算出燃料电池的电流密度分布结果；以下对采用豪斯霍尔德变换的QR分解方法求解电流-磁场超定方程组的过程进行说明；本实例中，共设置30个磁场强度测量点，即n＝30；将燃料电池的膜电极组件MEA平面离散处分区处理，得到25个离散分区，即m＝25；因此，系数矩阵
Figure GDA0003569203790000141
及系数矩阵
Figure GDA0003569203790000142
均为30×25的矩阵。
豪斯霍尔德变换的QR分解常用于方程组数目大于所需求解的变量的数目的情况，其最终目的是，将给定一个m行n列且m≥n阶的矩阵化成矩阵Q与矩阵R的乘积；其中矩阵Q是m×n的列正交矩阵；矩阵R是n×n大小的上三角阵，矩阵R剩下的m-n行全为0；构建方法是，从系数矩阵的n个列向量中中构建互相正交的基，先选定第一列为第一个基，然后把第二列减去平行于第一列的部分，剩下的垂直于第一列的部分作为下一个基，以此类推，直到生成了n个基。
以下是用豪斯霍尔德变换的QR分解来求解，其伪代码如下所示：
Figure GDA0003569203790000151
结合伪代码来看，在给定了矩阵A1之后，从矩阵A1的第一个列向量v1开始，先对第一个列向量v1进行归一化，归一化系数是r1,1，得到矩阵Q的第一个列向量q1，然后对矩阵A1从第二个列向量开始，乘以第一个列向量q1，可得到r1,2及r2,2的系数，即(v1-r1,1×q1)的模；q2＝(A1-r1,1×q1)/||A1-r1,1×q1||，以此类推，即可得到矩阵Q和矩阵R。
本发明中，将燃料电池的膜电极组件MEA平面进行离散化分区后，通过测量的磁场强度求解逆矩阵，即可求得燃料电池内部的电流分布，从而判断电池运行状态；在测量时，将磁场采集单元燃料电池中膜电极组件与流场板之间，且确保单轴磁场传感器的正面尽量平行贴近膜电极组件MEA所在平面，以消除外杂散磁场的干扰。
上述实施例仅仅是能够实现本发明技术方案的实施方式之一，本发明所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制，还包括在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。

Claims (9)

1.一种燃料电池电流密度分布无损检测装置，其特征在于，包括三个磁场采集单元(1)、数据传输模块(2)及计算机(3)；三个磁场采集单元(1)的输出端均与数据传输模块(2)的一端连接，数据传输模块(2)的另一端与计算机(3)连接；
三个磁场采集单元(1)均与燃料电池(4)的膜电极组件MEA(44)同平面设置，其中两个磁场采集单元(1)分别设置在燃料电池(4)的两侧；剩余一个磁场采集单元(1)设置在燃料电池(4)的端部，且远离燃料电池(4)的进气端设置；
磁场采集单元(1)，用于采集燃料电池内的电流在磁场采集单元所在位置处产生的磁场强度，并将采集的磁场强度通过数据传输模块(2)传输至计算机(3)；计算机(3)，用于根据获取的磁场强度，计算得到燃料电池(4)的电流密度分布结果；
磁场采集单元(1)包括PCB板(11)及若干采集模块；PCB板(11)沿燃料电池(4)的压板的长度或宽度方向设置，并与燃料电池(4)的压板粘连固定；若干采集模块沿PCB板(11)的轴线方向均匀布设；
每个采集模块包括第一单轴磁场传感器(12)、第二单轴磁场传感器(13)及信号转换芯片(14)，第一单轴磁场传感器(12)靠近燃料电池(4)的膜电极组件MEA(44)一侧设置；第一单轴磁场传感器(12)的敏感轴与膜电极组件MEA(44)的长度或宽度方向平行设置；第二单轴磁场传感器(13)远离燃料电池(4)的膜电极组件MEA(44)一侧设置，第二单轴磁场传感器(13)的敏感轴与第一单轴磁场传感器(12)的敏感轴垂直设置；第一单轴磁场传感器(12)及第二单轴磁场传感器(13)的输出端均与信号转换芯片(14)连接，信号转换芯片(14)与数据传输模块(2)相连。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池电流密度分布无损检测装置，其特征在于，第一单轴磁场传感器(12)及第二单轴磁场传感器(13)均为地磁传感器，地磁传感器的测量量程为±800uT。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池电流密度分布无损检测装置，其特征在于，PCB板(11)通过数据排线与数据传输模块(2)相连。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池电流密度分布无损检测装置，其特征在于，数据传输模块(2)与计算机(4)之间采用数据转换头连接；其中，数据转换头的型号为LX08V USB转RS485/232。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池电流密度分布无损检测装置，其特征在于，计算机(3)中配置有XCOM软件和Matlab软件；其中，XCOM软件，用于接收数据传输模块(2)传输的磁场强度信息；Matlab软件，用于根据磁场强度信息，计算得到燃料电池(4)的电流密度分布结果。
6.一种燃料电池电流密度分布无损检测方法，其特征在于，利用权利要求1-5任意一项所述的一种燃料电池电流密度分布无损检测装置，具体包括以下步骤：
在燃料电池的周围布置若干磁场强度测点；其中，磁场强度测点与燃料电池的膜电极组件MEA同平面设置；
获取燃料电池内的电流在每个磁场强度测点处产生的磁场强度，并进行降噪处理，得到降噪后的磁场强度；
根据每个磁场强度测点处降噪后的磁场强度，利用电磁反演算法，计算得到燃料电池的电流密度分布结果。
7.根据权利要求6所述的一种燃料电池电流密度分布无损检测方法，其特征在于，对每个磁场强度测点处的磁场强度进行降噪处理过程，具体为：
利用获取的燃料电池内的电流在每个磁场强度测点处产生的磁场强度，减去燃料电池电流为零的工况下对应磁场测点处的磁场强度，即得到每个磁场强度测点处降噪后的磁场强度。
8.根据权利要求6所述的一种燃料电池电流密度分布无损检测方法，其特征在于，根据每个磁场强度测点处降噪后的磁场强度，利用电磁反演算法，计算得到燃料电池的电流密度分布结果的过程，具体如下：
对燃料电池的膜电极组件MEA平面进行离散处分区处理，得到若干离散分区；
根据离散分区中的电流元与磁场强度测点处降噪后的磁场强度的线性关系，建立电流-磁场超定方程组；
求解电流-磁场超定方程组，得到每个离散分区的电流元大小，即得到燃料电池的电流密度分布结果。
9.根据权利要求8所述的一种燃料电池电流密度分布无损检测方法，其特征在于，电流-磁场超定方程组包括第一超定方程组及第二超定方程组；采用最小二乘法求解第一超定方程组及第二超定方程组，得到两个燃料电池的膜电极组件MEA的平面离散分区中的电流元矩阵；对两个燃料电池的膜电极组件MEA的平面离散分区中的电流元矩阵求和后，取均值，得到每个离散分区的电流元大小，即得到燃料电池的电流密度分布结果；
其中，第一超定方程组的表达式为：
Figure FDA0003569203780000031
其中，(Hx,1,…,Hx,j,…,Hx,n)T为磁场强度测点处的磁场强度矩阵，Hx,j为第j个磁场强度测点处的磁场强度在膜电极组件MEA平面X轴方向的分量，n为磁场强度测点的个数；
Figure FDA0003569203780000032
为系数矩阵，an,m为系数矩阵的元素；(I1′,I2′,…,Ii′,…,Im′)T为燃料电池的膜电极组件MEA的平面离散分区中的电流元矩阵，Ii′为利用磁场强度在膜电极组件MEA平面X轴方向的分量求解的第i个离散分区的电流元大小，m为离散分区个数；
第二超定方程组的表达式为：
Figure FDA0003569203780000041
其中，(Hy,1,…,Hy,j,…,Hy,n)T为磁场强度测点处的磁场强度矩阵，Hy,j为第j个磁场强度测点处的磁场强度在膜电极组件MEA平面Y轴方向的分量，n为磁场强度测点的个数；
Figure FDA0003569203780000042
为系数矩阵，bn,m为系数矩阵的元素；(I1″,I2″,…,Ii″,…,Im″)T为燃料电池的膜电极组件MEA的平面离散分区中的电流元矩阵，Ii ″ 为利用磁场强度在膜电极组件MEA平面Y轴方向的分量求解的第i个离散分区的电流元大小。
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