CN116736187A - 一种适用于电解堆的电磁原位诊断装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种适用于电解堆的电磁原位诊断装置，包括：空间定位器组合阵列：具有三维定位功能，用于定位电解堆和待测空间位点；底座：用于固定空间定位器组合阵列；电磁感应阵列：用于监测电磁场变化，安装在空间定位器组合阵列上，可实时连续检测三维磁场变化；解析模块：实时的电磁场信号通过该模块计算后用于诊断电解堆内部工装状态及潜在故障风险。本发明实时的电磁场信号通过解析模块计算后用于诊断电解堆内部工装状态及潜在故障风险。
Description
技术领域
本发明属于电解堆装置性能检测与故障诊断装置及其方法，特别适用于PEM电解堆与碱性电解堆等大功率直流电解装置在线性能诊断评估。
背景技术
电解系统作为氢能源制取的主要方式之一，在氢能技术领域中占据着举足轻重的作用。电解堆作为运行系统的核心，其自身运行状态直接决定和影响整个系统的运行性能与可使用寿命。因此对电解堆内部工作状态的检测至关重要。
然而，由于电解堆自身设计密封要求与金属端盖导电需求的限制，电堆内部运行状态很难直观进行精准故障定位与具体区域运行性能检测，通常只能通过整体电堆进出口整体参数推测整堆状态，或定期拆解观察部件状态。
现有技术如《Experimental characterization of inhomogeneity in currentdensity and temperature distribution along a single-channel PEM waterelectrolysis cell》、《Mass transport limitations in polymer electrolyte waterelectrolyzers using spatially-resolved current measurement》等文献中分别引用和验证了直接进行电解堆硬件分区(极板分区、集电板分区等)方式进行的测试结果。
然而，虽然上述现有技术可以实现较高的电流密度分布测量精度，但都需要对原电解堆进行改造，替换部件为分区部件，不同程度影响原电解堆性能与反应情况。
发明内容
针对电解堆自身设计特征与技术限制，其内部运行状态很难进行精准故障定位与具体区域运行性能检测的缺点，本发明提出一种适用于电解堆的电磁原位诊断装置，其技术方案如下：
一种适用于电解堆的电磁原位诊断装置，其特征在于，包括：
空间定位器组合阵列：具有三维定位功能，用于定位电解堆和待测空间位点；
底座：用于固定空间定位器组合阵列；
电磁感应阵列：用于监测电磁场变化，安装在空间定位器组合阵列上，实时连续检测三维磁场变化；
解析模块：实时电磁场信号通过该模块计算后用于诊断电解堆内部工装状态及潜在故障风险。
优选为：所述空间定位器组合阵列，包括空间定位器Ⅰ、空间定位器Ⅱ、空间定位器Ⅲ，三个空间定位器相互咬合形成三维可移动的定位组合装置。
优选为：所述电磁感应阵列包括电磁感应器Ⅰ、电磁感应器Ⅱ、电磁感应器Ⅲ，各自固定在对应空间定位器上单维往复运动，从而共同组成三维磁通量检测阵列。
优选为：所述解析模块内配置有XCOM软件和Matlab软件；其中，XCOM软件用于接收电磁感应器传输的磁场强度信息；所述Matlab软件用于根据磁场强度信息，计算得到待测电解堆的电流密度分布结果。
本发明公开一种适用于电解堆的电磁原位诊断方法，该方法基于上述的适用于电解堆的电磁原位诊断装置，其特征为：
步骤1：对电解堆进行外部尺寸测量，预估设备外周产生的磁场分布，借助空间定位器布置各电磁感应器；其中，至少应有一个电磁感应器与电解堆的膜电极反应层等高；
步骤2：通过电磁感应器获取电堆内的电流在电磁感应作用下生成的各处磁场强度，对已采集数据进行降噪处理，并持续移动空间定位器，获得更多电磁场数据，最终获得三维全周降噪后电磁场数据；
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，计算得到电磁场的电流密度分布结果；
步骤4：通过解析模块还原各处电流密度分布空间位置关系，形成电解堆内部三维成像原理图，实现堆内电流密度分布的示意性表达。
优选为：所述步骤1进一步包括如下内容：首先测量待测电解堆外部长宽高尺寸，对有异形结构或不规则凹凸进行修正处理，计算整堆空间尺寸中心与功率中心；然后将电解堆固定在空间定位器基座上，调整空间定位器分别向三个维度进行移动，直至至少有一个电磁感应器与电解堆的膜电极反应层等高；最后将空间定位器设定为锁定状态，在完成该空间点电磁场信号检测前保持静止。
优选为：所述步骤2进一步包括如下内容：利用获取的电解堆内的电流在每个磁场强度测点处产生的磁场强度，减去电解堆在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。
优选为：所述步骤3进一步包括如下内容：对电解堆的膜电极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，求解此方程组，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；
其中，电流元与磁场强度的线性关系如下：
式中，(Hx,1,…,Hx,j,…,Hx,n)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平面X轴方向的分量，n为磁场强度测点的个数；为系数矩阵，an,m为系数矩阵的元素；(I 1,…,I i,…,Im)为电解堆膜电极平面离散分区中的电流元矩阵，I i为利用磁场强度在膜电极平面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。
优选为：所述步骤4进一步包括如下内容：输入步骤1测量的电解堆外部几何参数和功率中心坐标，修正外部异形结构或不规则凹凸点，在计算机中进行三维模拟成像，并标注对应空间坐标尺；在完成各处电流密度分布测算与分析后，将各数值在三维模型中以不同颜色细线的形式表征出来，其中电流值的大小由颜色区别，电流传递方向由线段起止点表征。
本发明还公开一种PEM电解堆与碱性电解堆等大功率直流电解装置在线性能诊断评估方法，其特征为：该评估方法采用上述的电磁原位诊断方法。
本发明还公开一种电子装置，其特征在于，包含处理器和存储器；所述存储器中存储有计算机可读指令，所述处理器用于运行所述计算机可读指令，其中，所述计算机可读指令运行时执行权利要求5所述的方法本发明还公开一种PEM电解堆与碱性电解堆等大功率直流电解装置在线性能诊断评估方法，其特征为：该评估方法采用上述的电磁原位诊断方法。
本发明还公开一种非易失性存储介质，其特征在于，所述非易失性存储介质包括存储的程序，其中，所述程序运行时控制非易失性存储介质所在的设备执行上述的方法。
有益效果
本发明通过可三维方向移动与检测的空间定位器和电磁感应器组合，可实时捕获空间定位信号与特定位置的电磁场变化；通过配套解析模块可以得到电堆内部各处性能分布与潜在故障评价定位，其作用体现为：1.实时监测电堆内部各处运行状态；2.分析评估电堆内部功率分配不均匀性及潜在故障风险。
本发明通过不同维度方向单一布置的感应器可避免检测模块间的干扰影响，整体形成的非入侵式诊断装置可实现待检测电解堆整体完好和运行状态下的性能检测与故障诊断。
本发明可利用电堆运行期间直流电激发磁场原位观测堆内性能状态与潜在风险，不仅实现了电堆内部性能的精准表征，而且能够避免对电堆拆检的破坏。此外，此设备利用了电解堆运行原理的相似性，同时适用于两种类型电堆的性能监测。
附图说明
图1为本发明适用于电解堆的电磁原位诊断装置结构示意图。
具体实施方式
实施例1
一种适用于电解堆的电磁原位诊断装置，包括：
空间定位器组合阵列：具有三维定位功能，用于定位电解堆和待测空间位点；
底座：用于固定空间定位器组合阵列；
电磁感应阵列：用于监测电磁场变化，安装在空间定位器组合阵列上，可实时连续检测三维磁场变化；
解析模块：实时的电磁场信号通过该模块计算后用于诊断电解堆内部工装状态及潜在故障风险。所述空间定位器组合阵列，包括空间定位器1与空间定位器2、空间定位器3，三个空间定位器相互咬合形成三维可移动的定位组合装置。所述电磁感应阵列包括电磁感应器1、电磁感应器2、电磁感应器3，各自固定的定位器上单维往复运动，从而共同组成三维磁通量检测阵列。
相互垂直的两传感器获得的磁场信号相互垂直，磁场强度同时受感应电流强度与空间距离影响，两信号共用的同一电流即空间交叉定位处电流，第三维度上垂直于此平面的传感器感应的电流为该线电流上不同区域电流感应磁场的叠加。为三元多次方程，通过多点位反复测量可拆解计算。
实施例2
本发明公开一种适用于电解堆的电磁原位诊断方法，该方法基于上述的适用于电解堆的电磁原位诊断装置，其特征为：
步骤1：对电解堆进行外部尺寸测量，预估设备外周产生的磁场分布，借助空间定位器布置各电磁感应器；其中，至少应有一个电磁感应器与电解堆的膜电极反应层等高；首先测量待测电解堆外部长宽高尺寸，对有异形结构或不规则凹凸进行修正处理，计算整堆空间尺寸中心与功率中心；然后将电解堆固定在空间定位器基座上，调整空间定位器分别向三个维度进行移动，直至至少有一个电磁感应器与电解堆的膜电极反应层等高；最后将空间定位器设定为锁定状态，在完成该空间点电磁场信号检测前保持静止。
步骤2：通过电磁感应器获取电堆内的电流在电磁感应作用下生成的各处磁场强度，对已采集数据进行降噪处理，并持续移动空间定位器，获得更多电磁场数据，最终获得三维全周降噪后电磁场数据；利用获取的电解堆内的电流在每个磁场强度测点处产生的磁场强度，减去电解堆在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，计算得到电磁场的电流密度分布结果；对电解堆的膜电极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，求解此方程组，就能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，电流元与磁场强度的线性关系如下：
式中，(Hx,1,…,Hx,j,…,Hx,n)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平面X轴方向的分量，n为磁场强度测点的个数；为系数矩阵，an,m为系数矩阵的元素；(I 1,…,I i,…,Im)为电解堆膜电极平面离散分区中的电流元矩阵，I i为利用磁场强度在膜电极平面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；
步骤4：通过解析模块还原各处电流密度分布空间位置关系，形成电解堆内部三维成像原理图，实现堆内电流密度分布的示意性表达；输入步骤1测量的电解堆外部几何参数和功率中心坐标，修正外部异形结构或不规则凹凸点，在计算机中进行三维模拟成像，并标注对应空间坐标尺；在完成各处电流密度分布测算与分析后，将各数值在三维模型中以不同颜色细线的形式表征出来，其中电流值的大小由颜色区别，电流传递方向由线段起止点表征。
实施例3
PEM电解堆与碱性电解堆等大功率直流电解装置在线性能诊断评估方法，其特征为：该评估方法采用实施例2所述的电磁原位诊断方法。
实施例4
一种非易失性存储介质，其特征在于，所述非易失性存储介质包括存储的程序，其中，所述程序运行时控制非易失性存储介质所在的设备执行实施例2所述的电磁原位诊断方法。
实施例5
一种电子装置，其特征在于，包含处理器和存储器；所述存储器中存储有计算机可读指令，所述处理器用于运行所述计算机可读指令，其中，所述计算机可读指令运行时执行实施例2所述的电磁原位诊断方法。
本发明利用电解堆在运行期间流通直流电，从而产生与运行状态相对应的感应磁场的特征。通过带空间定位信号记录的空间定位器组合与三维方向可捕捉记录特定位置电磁场变化的电磁感应器组合，基于算法解析以上数据从而实时检测电解堆内部各处性能分布与潜在故障评价定位。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (12)
1.一种适用于电解堆的电磁原位诊断装置，其特征在于，包括：
空间定位器组合阵列：具有三维定位功能，用于定位电解堆和待测空间位点；
底座：用于固定空间定位器组合阵列；
电磁感应阵列：用于监测电磁场变化，安装在空间定位器组合阵列上，实时连续检测三维磁场变化；
解析模块：实时电磁场信号通过该模块计算后用于诊断电解堆内部工装状态及潜在故障风险。
2.根据权利要求1所述的适用于电解堆的电磁原位诊断装置，其特征在于，所述空间定位器组合阵列，包括空间定位器I、空间定位器II、空间定位器III，三个空间定位器相互咬合形成三维可移动的定位组合装置。
3.根据权利要求2所述的适用于电解堆的电磁原位诊断装置，其特征在于，所述电磁感应阵列包括电磁感应器I、电磁感应器II、电磁感应器III，各自固定在对应空间定位器上单维往复运动，从而共同组成三维磁通量检测阵列。
4.根据权利要求1所述的适用于电解堆的电磁原位诊断装置，其特征在于，所述解析模块内配置有XCOM软件和Matlab软件；其中，XCOM软件用于接收电磁感应器传输的磁场强度信息；所述Matlab软件用于根据磁场强度信息，计算得到待测电解堆的电流密度分布结果。
5.适用于电解堆的电磁原位诊断方法，该方法基于权利要求1-4任一所述的适用于电解堆的电磁原位诊断装置，其特征为：
步骤1：对电解堆进行外部尺寸测量，预估设备外周产生的磁场分布，借助空间定位器布置各电磁感应器；其中，至少应有一个电磁感应器与电解堆的膜电极反应层等高；
步骤2：通过电磁感应器获取电堆内的电流在电磁感应作用下生成的各处磁场强度，对已采集数据进行降噪处理，并持续移动空间定位器，获得更多电磁场数据，最终获得三维全周降噪后电磁场数据；
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，计算得到电磁场的电流密度分布结果；
步骤4：通过解析模块还原各处电流密度分布空间位置关系，形成电解堆内部三维成像原理图，实现堆内电流密度分布的示意性表达。
6.根据权利要求5所述的用于电解堆的电磁原位诊断方法，其特征为：所述步骤1进一步包括如下内容：首先测量待测电解堆外部长宽高尺寸，对有异形结构或不规则凹凸进行修正处理，计算整堆空间尺寸中心与功率中心；然后将电解堆固定在空间定位器基座上，调整空间定位器分别向三个维度进行移动，直至至少有一个电磁感应器与电解堆的膜电极反应层等高；最后将空间定位器设定为锁定状态，在完成该空间点电磁场信号检测前保持静止。
7.根据权利要求5所述的用于电解堆的电磁原位诊断方法，其特征为：所述步骤2进一步包括如下内容：利用获取的电解堆内的电流在每个磁场强度测点处产生的磁场强度，减去电解堆在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5所述的用于电解堆的电磁原位诊断方法，其特征为：所述步骤3进一步包括如下内容：对电解堆的膜电极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，求解此方程组，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；
其中，电流元与磁场强度的线性关系如下：
式中，(Hx，1，…，Hx，j，…，Hx，n)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平面X轴方向的分量，n为磁场强度测点的个数；为系数矩阵，an，m为系数矩阵的元素；(I1，…，Ii，…，Im)为电解堆膜电极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。
9.根据权利要求5所述的用于电解堆的电磁原位诊断方法，其特征为：所述步骤4进一步包括如下内容：输入步骤1测量的电解堆外部几何参数和功率中心坐标，修正外部异形结构或不规则凹凸点，在计算机中进行三维模拟成像，并标注对应空间坐标尺；在完成各处电流密度分布测算与分析后，将各数值在三维模型中以不同颜色细线的形式表征出来，其中电流值的大小由颜色区别，电流传递方向由线段起止点表征。
10.PEM电解堆与碱性电解堆等大功率直流电解装置在线性能诊断评估方法，其特征为：该评估方法采用权利要求5所述的电磁原位诊断方法。
11.一种非易失性存储介质，其特征在于，所述非易失性存储介质包括存储的程序，其中，所述程序运行时控制非易失性存储介质所在的设备执行权利要求5所述的方法。
12.一种电子装置，其特征在于，包含处理器和存储器；所述存储器中存储有计算机可读指令，所述处理器用于运行所述计算机可读指令，其中，所述计算机可读指令运行时执行权利要求5所述的方法。
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|---|---|---|---|
| CN202310250084.3A CN116736187A (zh) | 2023-03-13 | 2023-03-13 | 一种适用于电解堆的电磁原位诊断装置及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| CN202310250084.3A CN116736187A (zh) | 2023-03-13 | 2023-03-13 | 一种适用于电解堆的电磁原位诊断装置及方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN116736187A true CN116736187A (zh) | 2023-09-12 |
Family
ID=87910306
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202310250084.3A Pending CN116736187A (zh) | 2023-03-13 | 2023-03-13 | 一种适用于电解堆的电磁原位诊断装置及方法 |
Country Status (1)
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| CN (1) | CN116736187A (zh) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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-
2023
- 2023-03-13 CN CN202310250084.3A patent/CN116736187A/zh active Pending
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