WO2020135644A1 - 燃料电池气体采样系统及采样方法、燃料电池电流密度分布估计方法以及燃料电池内部状态模型的标定方法 - Google Patents

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Definitions

  • a fuel cell current density distribution estimation device comprising:
  • a sampling gas acquisition module for acquiring sampling gas information of a plurality of sampling points spaced along the flow direction of the cathode flow channel in multiple areas of the cathode plate of the fuel cell;
  • An oxygen concentration calculation module used to calculate the oxygen concentration change in each of the plurality of areas
  • the present disclosure provides a calibration method, device, and computer equipment for a fuel cell internal state model.
  • a fuel cell internal state model can be established for the heterogeneity of a large-area fuel cell, and then the quantity to be calibrated in the established model can be calibrated.
  • a group of steady-state gas sampling experiments may be used to complete the calibration of the quantity to be calibrated by measuring and analyzing the internal state of the fuel cell.
  • the accuracy of the fuel cell model after calibration is higher, which has certain significance and value for studying the heterogeneity within a single flow channel in a large-area multi-channel fuel cell monomer and the difference between different flow channels.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of distribution positions of sampling points in a cathode plate with parallel flow channels provided in an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 22 is a schematic structural diagram of a fuel cell gas sampling system provided in an embodiment of the present disclosure.
  • Fuel cell gas sampling system 100 is a fuel cell gas sampling system 100:
  • Fuel cell current density distribution estimation device 200 is
  • the step of setting the plurality of sampling points 40 specifically includes:
  • the fuel cell gas sampling method specifically includes preparatory work: supply air and hydrogen to the fuel cell, set the cathode humidification dew point temperature and air dry bulb temperature, and gradually increase the air flow and hydrogen flow, Increase the current load until the working state of the fuel cell reaches the preset value and run stably for 1h.
  • Fuel cell operating conditions can include: fuel cell operating current 120A; cathode air flow 12L ⁇ min-1, air intake dew point temperature 43°C; anode hydrogen flow 0.9L ⁇ min-1, intake without humidification; water cooling, cooling The water inlet temperature is 60°C.
  • Step (2) after sampling the first sampling point for a period of time, close the first N-port valve inlet 31, open the outlet of the gas cylinder 20 and the inlet of the four-way valve 30 communicating with the gas cylinder 20 , Purging the pipeline with helium for a period of time, closing the outlet of the gas cylinder 20 and the inlet of the four-way valve 30 communicating with the helium gas cylinder 20.
  • the sampling pipeline 41 is cleaned.
  • Sample device 10 is provided.
  • the sampling device 10 may be a mass spectrometer.
  • the sampling device 10 is calibrated using anode standard gas and cathode standard gas. Calibrating the sampling device 10 can ensure the accuracy of the sampling results.
  • Step 3 Close the anode standard gas cylinder outlet, connect the four-way valve inlet connected to the anode standard gas cylinder outlet to the cathode standard gas cylinder outlet, and connect the cathode standard gas to the sampling device for a period of time.
  • the sampling device 10 samples the cathode The gas is analyzed and sampled by a sampling device.
  • Step 4 Close the cathode standard gas cylinder outlet, connect the four-way valve inlet connected to the cathode standard gas cylinder outlet with the helium gas cylinder outlet, and lead the anode standard gas to the sampling device for a period of time.
  • the sampling device 10 samples the anode gas For analysis, purge the line with helium for a period of time.
  • the areas of the multiple first-type regions may be equal or unequal.
  • the areas of the plurality of second-type regions may be equal or unequal.
  • the set areas are not equal, and the density of the sampling points 40 is not completely the same, so that different areas of sampling detection can be realized.
  • the fuel cell gas sampling system 100 further includes a housing.
  • the housing is shown in Figure 2, but not labeled.
  • the housing is used to provide a storage cavity.
  • the storage cavity may be an existing battery housing or a battery module housing, which implements a fixed function during the entire sampling process.
  • k regions are defined in the cathode plate 60 of the fuel cell.
  • the cathode plate 60 has a cathode flow channel 61.
  • a plurality of sampling points 40 are arranged at intervals in the flow direction of the cathode flow channel 61 in each zone, and each sampling point 40 extends into the central area of the cross section of the flow channel.
  • the plurality of sampling points 40 includes sampling points provided at the cathode inlet 1, the anode outlet 3, the anode inlet 4, and the cathode outlet 6 of the fuel cell, and further includes the anode flow channel 51 And the sampling point 40 of the flow channel plate of the cathode flow channel 61.
  • the sampling points 40 provided on the flow channel plates of the anode flow channel 51 and the cathode flow channel 61 can acquire sample gas at different positions inside the fuel cell.
  • FIG. 23 is a schematic diagram of the distribution positions of the sampling points in the cathode plate of the serpentine flow channel.
  • Figure 24 is a schematic diagram of the distribution positions of the sampling points in the cathode plate of the interdigitated flow channel.
  • the plurality of sampling points 40 are arranged at equal intervals along the direction of the flow channel in the cathode flow channel 61 of the fuel cell.
  • the arrangement of the plurality of sampling points 40 may refer to the following drawings, as shown in FIGS. 3, 4, 6, 6, and 23 along the cathode flow channel 61 of the fuel cell
  • the plurality of sampling points 40 are arranged at equal intervals in the direction of the middle flow channel.
  • FIGS. 3 and 6 are the sampling points 40 which are distributed at equal intervals ignoring the structure of the flow channel curve.
  • Fig. 4, Fig. 7 and Fig. 23 are the sampling points 40 in consideration of the equidistant distribution of the bend structure of the flow channel.
  • the plurality of sampling points 40 are arranged at equal intervals along the direction of the flow channel in the fuel cell electrode plate to achieve sampling of the gas inside the fuel cell as a whole, and the sampling data is more comprehensive. For guidance The selection of the operating conditions of the fuel cell is more accurate.
  • the step of calculating the oxygen concentration in an area is simplified, and the amount of oxygen concentration change in each area is equal to the average oxygen concentration obtained by the multiple sampling points 40 of each area entering the boundary minus each area The average oxygen concentration obtained from the plurality of sampling points 40 flowing out of the boundary.
  • Step (2) Calculate the oxygen concentration of each sampling point 40 Where is equal to
  • Step (5) Use the formula Calculate the current value in the k-th region, where W is the volume flow of oxygen (measurable) and F is the Faraday constant (known amount).
  • Step (6) Calculate the current density J k in the k-th region: Where Sk is the area of the selected area. A known amount S k obtained when the cathode plate 60 of the regional division.
  • Step (3) Open the inlet of the N-port valve 31 and the second sampling point to sample the second sampling point. After the sampling of the second sampling point is finished, the sampling pipeline 41 is cleaned. Repeat step (1) to step (3), after cleaning the sampling pipeline 41 each time, switch to the next sampling point until all the sampling points 40 of the cathode plate 60 have been sampled. When the sampling results are used later, the reliable sampling results can be selected and used to guide the application of the fuel cell.
  • W 12 is the gas flow rate from the cathode inlet cavity to the cathode outlet cavity, which is expressed by equation (13) in the model.
  • W rm is the exhaust gas flow rate of the cathode tail, which is expressed by equation (14).
  • the partial pressure of oxygen at the cathode inlet is calculated by equation (6).
  • the partial pressure of oxygen in the oral cavity of the cathode is expressed by formula (11).
  • i out is the current density in the mouth of the cathode, which is obtained by solving (1) (2).
  • a fc,out is the active area of the cathode outlet, which is a known quantity.
  • p ca,out is the gas pressure at the outlet of the cathode, which can be expressed by formula (10).
  • p sat is a known quantity of saturated water vapor pressure.
  • the oxygen concentration in the mouth of the cathode can be calculated by equation (12).
  • W 12 and W rm in equations (13) and (14) are respectively measured by the flow sensors arranged at the cathode inlet and the cathode tail valve. versus It can be measured by multi-point gas sampling experiment, and can be calculated separately by formula (7)(12) versus versus It can be measured by multi-point gas sampling experiment.
  • p sat is a known quantity, and p rm can be directly measured, then p ca,in and p ca,out can be calculated by equations (5)(10).
  • Substituting p ca,in and p ca,out into equation (13) or equation (14) can obtain k ca. The average value is obtained through multiple experiments, and the calibration is completed.
  • the following steps can be used to determine whether to continue to obtain multiple or multiple sets of the quantity to be calibrated: obtain all the flow resistance coefficients in the previous step;
  • the flow resistance coefficient k ca is the flow resistance coefficient of the cathode cavity determined by the gas viscosity and the fuel cell cathode structural parameters (needs to be calibrated by experimental data). Repeat steps S031 and S041 several times until the flow resistance coefficient changes within ⁇ 0.0001, and the average value is taken as the calibration value of the flow resistance coefficient.
  • the value of the flow resistance coefficient is 3.457 ⁇ 10 -5 m 3 ⁇ S -1 ⁇ Pa -1 .
  • the value range of the flow resistance coefficient may be 1 ⁇ 10 -5 m 3 ⁇ S -1 ⁇ Pa -1 to 1 ⁇ 10 -4 m 3 ⁇ S -1 ⁇ Pa -1 .
  • the fuel cell is equivalent to a difference model between flow channels including multiple flow channels.
  • the fuel cell monolithic flow channel difference model provided in this step is shown in Figure 30. Three flow channels are illustrated in FIG. 30, and each flow channel illustrates three different chambers. It can be understood that, according to different design requirements, the number of flow channels that can be provided for each fuel cell can be further increased, and the number of chambers that can be set for each flow channel can be further increased.
  • a cathode exhaust flow model is established, the cathode exhaust flow model is an internal state process equation of the difference model between the flow channels,
  • the quantity to be calibrated in the cathode exhaust flow model is a data set composed of a linear parameter k and a reference quantity b.
  • the cathode exhaust flow model is:
  • W ca,out is the gas flow rate at the outlet of the different flow channels of the cathode
  • p ca,in is the gas pressure at the entrance of the different flow channels of the cathode, which can be measured.
  • p ca,out is the gas pressure at the outlet of the cathode in different channels, which can be measured.
  • k 1 is the known orifice flow coefficient of the flow channel.
  • k 2 is the known orifice flow coefficient of the exhaust manifold.
  • ⁇ 1 is the density of liquid water
  • ⁇ g is the density of exhaust gas
  • ⁇ g is a known quantity of gas viscosity.
  • the calculation parameters include a third calculation parameter, a fourth calculation parameter, and a fifth calculation parameter, obtaining the inlet gas pressure p ca,in of different cathode flow channels as the third calculation parameter, acquiring the outlet gas pressure of different cathode flow channels p ca,out is used as the fourth calculation parameter, and the distance x between the different flow channels and the initial flow channel is obtained as the fifth calculation parameter.
  • the specific calibration process in this embodiment includes: the parameters to be calibrated in this model are the linear coefficient k and the reference quantity b.
  • the sum in equation (15) can be actually measured and measured by a flow sensor arranged at the outlet of the flow channel. Except for the parameter to be calibrated, the remaining parameters are known.
  • the gas pressure p ca,in at the inlets of the different flow channels of the cathode and the distance x between the different flow channels and the initial flow channel are changed to solve different Gas flow rate at different outlets of the cathode
  • the square error r 2 of each group of data is solved until the square error r 2 is less than 0.001, the corresponding linear parameter k and the reference quantity b are determined to be the optimal solutions, and calibration is completed.
  • FIGS. 2-6 in a specific embodiment, a fuel cell multi-point gas sampling system and sampling method are provided.
  • a fuel cell gas multi-point sampling system includes: an anode plate 50, a membrane electrode 70, a cathode plate 60, a plurality of sampling points 40 and a sampling pipeline 41.
  • the anode plate 50 has an anode flow channel 51 that provides a channel for gas flow.
  • the membrane electrode 70 is disposed on the side of the anode plate 50 having the anode flow channel 51.
  • the cathode plate 60 is disposed on the side of the membrane electrode 70 away from the anode plate 50.
  • the cathode plate 60 has a cathode flow channel 61 that provides a channel for gas flow.
  • the anode flow channel 51 and the cathode flow channel 60 are not completely closed, and the flow channel is like a tank, in which gas flows.
  • the membrane electrode 70 includes a proton exchange membrane for exchange or recombination of protons (protons including electrons and holes) in the proton exchange membrane.
  • the membrane electrode 70 further includes an anode gas diffusion layer and an anode catalyst layer disposed on the first side of the proton exchange membrane.
  • the membrane electrode 70 further includes a cathode catalyst layer and a cathode gas diffusion layer disposed on the second side of the proton exchange membrane.
  • a plurality of sampling points 40 are provided in the anode flow channel 51 and the cathode flow channel 61 and extend into the central area of the flow channel cross section.
  • the sampling pipeline 41 is respectively connected to the plurality of sampling points 40, and is used to discharge the gas inside the fuel cell.
  • the sampling pipeline 41 is mainly a pipeline led out from a capillary inserted into the flow channel from the electrode plate.
  • the sampling pipeline 41 may use a stainless steel capillary.
  • the basic fuel cell structure will include an anode plate 50, a cathode plate 60, and a membrane electrode 70.
  • the anode flow channel 51 is provided on the anode plate 50.
  • a cathode flow channel 61 is provided on the cathode plate 60.
  • the membrane electrode 70 includes a proton exchange membrane, a catalytic layer and a diffusion layer, wherein the proton exchange membrane is a polymer membrane capable of conducting protons, the catalyst layer is a carbon carrier with catalyst platinum attached, and the components of the diffusion layer are mainly carbon and polytetrafluoroethylene .
  • the plurality of sampling points 40 are arranged at equal intervals along the direction of the flow channel in the anode channel 51 and at equal intervals along the direction of the flow channel in the cathode channel 61.
  • the fuel cell multi-point gas sampling method includes at least the following steps:
  • the part of the calibration method of the fuel cell internal state model related to the hardware structure specifically includes:
  • the fuel cell equivalent model determination unit is used to determine a model suitable for the fuel cell.
  • the fuel cell internal state process determination unit is used to establish the fuel cell internal state process equation and determine the quantity to be calibrated in combination with the fuel cell equivalent model and fuel cell operating conditions.
  • the operation parameter obtaining unit is used to obtain operation parameters in the fuel cell internal state process equation.
  • the operation parameter calculation unit is used to bring the operation parameter into the internal state process equation of the single-channel multi-cavity model to obtain one or a group of the target quantity to be calibrated.
  • the cycle judgment unit is used to judge whether to continue to acquire multiple or multiple groups of the quantified quantity to be calibrated. One or more groups of the quantification to be calibrated.

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Abstract

本公开涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池气体采样系统及采样方法、燃料电池电流密度分布估计方法以及燃料电池内部状态模型的标定方法、装置和计算机设备。所述燃料电池气体采样方法通过在燃料电池的阳极板和阴极板的流道中设置多个所述采样点可以获取各点的采样气体，分析气体的含量及浓度可以帮助燃料电池获得更安全可靠的工作条件，有利于保证燃料电池的工作安全和工作寿命，保证燃料电池的利用率。所述燃料电池电流密度分布估计方法，在不设置其他传感器或者传感垫片的条件下，通过多点采样的结果计算不同区域的电流密度，从而获得燃料电池单体的电流密度分布图。所述燃料电池内部状态模型的标定方法可以针对大面积燃料电池单体的不均一性可以建立燃料电池内部状态模型，然后对建立模型中的待标定量进行标定。标定后的所述燃料电池模型的准确度更高，对于研究大面积多流道燃料电池单体内单个流道内部的不均一性以及不同流道间的差异性具有一定的意义和价值。

Description

燃料电池气体采样系统及采样方法、燃料电池电流密度分布估计方法以及燃料电池内部状态模型的标定方法
相关申请
本公开要求2018年12月29日申请的，申请号为201811646079.X，名称为“燃料电池气体采样系统及采样方法”、2018年12月29日申请的，申请号为201811641176.X，名称为“燃料电池电流密度分布估计方法、装置及计算机存储介质”和2018年12月29日申请的，申请号为201811641141.6，名称为“燃料电池内部状态模型的标定方法、装置和计算机设备”的中国专利申请的优先权，在此将其全文引入作为参考。
技术领域
本公开涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池气体采样系统及采样方法、燃料电池电流密度分布估计方法以及燃料电池内部状态模型的标定方法。
背景技术
燃料电池是一种电化学发电设备，其原理是：燃料(例如氢)和氧化剂(例如空气)通过膜电极发生电化学反应，产生电动势。质子交换膜燃料电池通常采用能够传递质子的聚合物膜作为电解质，反应过程中，质子通过膜从阳极传递到阴极，电子通过外接负载从阳极传递到阴极。燃料电池内部的气体浓度对于燃料电池的性能评价具有很重要的意义。因此，燃料电池系统内部气体采样的系统和方法变得十分重要。
目前针对燃料电池大单片、或者说不同类型的燃料电池单片内部气体采样的方法不是很成熟。发明人所了解的方案只是针对单流道的燃料电池小单片，采用单一的采样口实现采样。发明人所了解的方案并不能实现燃料电池内部多点气体的采样，无法监控到燃料电池内部不同位置的气体含量。
发明内容
为了实现燃料电池内部多点气体的采样，无法监控到燃料电池内部不同位置气体含量的问题，提供一种燃料电池气体采样系统及采样方法。
一种燃料电池气体采样方法，包括：
设置采样管路和多个采样点，所述多个采样点设置于燃料电池的阴极入口、阳极出口、阳极入口、阴极出口以及阳极流道和阴极流道中，其中，设置于所述阳极流道和所述阴极流道中的采样点伸入流道横截面的中心区域；所述采样管路与所述多个采样点分别连接，用于实现燃料电池内部气体的导出；
向所述阴极入口和所述阳极入口分别通入反应气体，并在燃料电池的阳极板和阴极板之间加入电子负载；
获取经所述采样管路导出的所述多个采样点的采集气体，以完成对燃料电池气体的采样。
一种燃料电池气体采样系统，包括：
阳极板，具有为气体流动提供通道的阳极流道；
膜电极，设置于所述阳极板具有所述阳极流道的一侧；
阴极板，设置于所述膜电极远离所述阳极板的一侧，所述阴极板具有为气体流动提供 通道的阴极流道；
多个采样点，设置于所述阳极流道和所述阴极流道，并且伸入流道横截面的中心区域；以及
采样管路，与所述多个采样点分别连接，用于实现燃料电池内部气体的导出。
本公开中提供的所述燃料电池气体采样方法，设置所述多个采样点分别获取燃料电池中不同位置的采样气体，以实现燃料电池内部多点气体的采样，实时监控到燃料电池内部不同位置气体含量。所述多个采样点伸入所述阳极流道和所述阴极流道横截面的中心区域，可以精确的获取流经流道的气体。通过在燃料电池的阳极板和阴极板的流道中设置多个所述采样点可以获取各点的采样气体，分析气体的含量及浓度可以帮助燃料电池获得更安全可靠的工作条件，有利于保证燃料电池的工作安全和工作寿命，保证燃料电池的效率。
为了解决燃料电池内部设置传感器或者测量垫片的方案设计难度大，设计成本高的问题，提供一种燃料电池电流密度分布估计方法、装置及计算机存储介质。
一种燃料电池电流密度分布估计方法，包括：
在燃料电池的阴极板定义多个区域，所述阴极板具有阴极流道，每个分区内沿所述阴极流道流向方向间隔设置多个采样点，每一个采样点均伸入流道横截面的中心区域；
分别计算所述多个区域中每一个区域内的氧气浓度变化量；
根据法拉第定律计算并得出一个区域的电流值，一个区域的所述电流值等于一个区域内氧气浓度的变化量与氧气的体积流量以及四倍法拉第常数的乘积，分别获得所述多个区域内的电流值；
根据所述多个区域内每个区域的电流值与区域面积之比，分别得出所述多个区域的电流密度，并根据所述多个区域以及所述多个区域的电流密度生成燃料电池的电流密度分布图。
一种燃料电池电流密度分布估计装置，所述装置包括：
采样气体获取模块，用于获取燃料电池的阴极板多个区域内沿阴极流道流向方向间隔设置多个采样点的采样气体信息；
氧气浓度运算模块，用于计算所述多个区域中每一个区域内的氧气浓度变化量；
区域电流运算模块，用于计算得出一个区域的电流值；以及
电流密度分布图生成模块，用于生成燃料电池中所述多个区域的电流密度分布图。
本公开涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池电流密度分布估计方法、装置及计算机存储介质。本公开中提供的所述燃料电池电流密度分布估计方法，在不设置其他传感器或者传感垫片的条件下，通过多点采样的结果计算不同区域的电流密度，从而获得燃料电池的电流密度分布。本公开的燃料电池电流密度分布估计方法，对现有的燃料电池的设计改进点较小，改进的成本较低，能够准确得出燃料电池的电流密度分布图。
为了解决发明人一般认为燃料电池的状态是一致性的，未考虑到燃料电池单体的差异性的问题，提供一种燃料电池内部状态模型的标定方法、装置和计算机设备。
一种燃料电池内部状态模型的标定方法，包括：S01，确定燃料电池等效模型；
S02，结合所述燃料电池等效模型及燃料电池工作条件，建立燃料电池内部状态过程方程，并确定所述燃料电池等效模型的内部状态过程方程中的待标定量；
S03，通过燃料电池多点气体采样方法，获取所述燃料电池内部状态过程方程中的运算参数；
S04，将所述运算参数带入所述燃料电池等效模型的内部状态过程方程，求得一个或者一组所述待标定量；以及
S05，重复步骤S03和步骤S04，获取多个或多组所述待标定量，直至所述待标定量的变化范围在预设范围内，或者所述待标定量的误差平方和在预设范围内，则完成对所述待标定量的标定。
一种燃料电池内部状态模型的标定装置，包括：
燃料电池等效模型确定单元，用于确定燃料电池适用的模型；
燃料电池内部状态过程确定单元，用于结合所述燃料电池等效模型及燃料电池工作条件建立燃料电池内部状态过程方程，并确定待标定量；
运算参数获取单元，用于获取所述燃料电池内部状态过程方程中的运算参数；
运算参数计算单元，用于将所述运算参数带入所述单流道多腔模型的内部状态过程方程，求得一个或者一组所述待标定量；以及
循环判断单元，用于判断是否继续获取多个或多组所述待标定量，当所述待标定量的平均值或者所述待标定量的误差平方和在阈值范围内，则不再继续获取多个或多组所述待标定量。
本公开中提供一种燃料电池内部状态模型的标定方法、装置和计算机设备。本公开中可以针对大面积燃料电池单体的不均一性可以建立燃料电池内部状态模型，然后对建立模型中的待标定量进行标定。对所述待标定量进行标定的过程中，可以采用一组稳态气体采样实验，通过测定和分析燃料电池的内部状态，完成对所述待标定量的标定。标定后的所述燃料电池模型的准确度更高，对于研究大面积多流道燃料电池单体内单个流道内部的不均一性以及不同流道间的差异性具有一定的意义和价值。
附图说明
图1为本公开一个实施例中提供的燃料电池气体采样方法流程图；
图2为本公开一个实施例中提供的燃料电池气体采样系统结构示意图；
图3为本公开一个实施例中提供的平行流道阳极板中采样点的分布位置示意图；
图4为本公开一个实施例中提供的平行流道阳极板中采样点的分布位置示意图；
图5为本公开一个实施例中提供的平行流道阳极板中采样点的分布位置示意图；
图6为本公开一个实施例中提供的平行流道阴极板中采样点的分布位置示意图；
图7为本公开一个实施例中提供的平行流道阴极板中采样点的分布位置示意图；
图8为本公开一个实施例中提供的平行流道阴极板中采样点的分布位置示意图；
图9为本公开一个实施例中提供的蛇形流道阳极板中采样点的分布位置示意图；
图10为本公开一个实施例中提供的蛇形流道阳极板中采样点的分布位置示意图；
图11为本公开一个实施例中提供的蛇形流道阳极板中采样点的分布位置示意图；
图12为本公开一个实施例中提供的蛇形流道阴极板中采样点的分布位置示意图；
图13为本公开一个实施例中提供的蛇形流道阴极板中采样点的分布位置示意图；
图14为本公开一个实施例中提供的蛇形流道阴极板中采样点的分布位置示意图；
图15为本公开一个实施例中提供的交指形流道阳极板中采样点的分布位置示意图；
图16为本公开一个实施例中提供的交指形流道阳极板中采样点的分布位置示意图；
图17为本公开一个实施例中提供的交指形流道阳极板流道气体流动示意图；
图18为本公开一个实施例中提供的交指形流道阴极板中采样点的分布位置示意图；
图19为本公开一个实施例中提供的交指形流道阴极板中采样点的分布位置示意图；
图20为本公开一个实施例中提供的交指形流道阴极板流道气体流动示意图；
图21为本公开一个实施例中提供的燃料电池电流密度分布估计方法流程示意图；
图22为本公开一个实施例中提供的燃料电池气体采样系统结构示意图；
图23为本公开一个具体的实施例中提供的燃料电池电流密度分布估计方法流程示意图；
图24为本公开一个实施例中提供的阴极流道不同区域内的电流密度分布图；
图25为本公开一个实施例中提供的燃料电池电流密度分布估计装置的结构示意图；
图26为本公开一个实施例中提供的燃料电池内部状态模型的标定方法流程图；
图27为本公开一个实施例中提供的燃料电池内部状态模型的标定方法流程图；
图28为本公开一个实施例中提供的阴极进出口两腔模型示意图；
图29为本公开一个实施例中提供的燃料电池内部状态模型的标定方法流程图；
图30为本公开一个实施例中提供的燃料电池单片的流道间差异模型示意图；
图31为本公开一个实施例中提供的单流道多腔模型中标定后的流动阻力系数的验证结果示意图；
图32为本公开一个实施例中提供的流道间差异模型中标定后的线性参数和基准量的验证结果示意图。
燃料电池气体采样系统100：
1-阴极入口，2-水入口，3-阳极出口，4-阳极入口，5-水出口，
6-阴极出口，7-流道，8-阳极入口采样点，9-阳极出口采样点，
10-采样装置，20-气瓶，30-四通阀，31-第一N通阀，32-第二N通阀，
40-采样点，41-采样管路，50-阳极板，51-阳极流道，
60-阴极板，61-阴极流道，70-膜电极，80-伴热带，
101-流道内其他采样点，111-入口流道其他采样点，112-出口流道其他采样点。
燃料电池电流密度分布估计装置200：
采样气体获取模块210，氧气浓度运算模块220，
区域电流运算模块230，电流密度分布图生成模块240。
具体实施方式
为了便于理解本公开，下面将参照相关附图对本公开进行更全面的描述。附图中给出了本公开的较佳的实施例。但是，本公开可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本公开的公开内容的理解更加透彻全面。
在第一实施例中，本公开中有必要针对发明人所了解的方案并不能实现燃料电池内部多点气体的采样，无法监控到燃料电池内部不同位置气体含量的问题，提供一种燃料电池气体采样系统及采样方法。
请参阅图1-图3，本公开提供一种燃料电池气体采样方法，至少包括以下步骤：
S100，设置采样管路41和多个采样点40。所述多个采样点40设置于燃料电池的阴极入口1、阳极出口3、阳极入口4、阴极出口6以及阳极流道51和阴极流道61中。其中，设置于所述阳极流道51和所述阴极流道61中的采样点40伸入流道横截面的中心区域。所述采样管路41与所述多个采样点40分别连接，用于实现燃料电池内部气体的导出。
本步骤中，将采样点设置于流道横截面的中心区域可以理解为将所述采样管路41穿透所述阳极流道51和所述阴极流道61的流道板，所述采样管路41伸入流道内部的端点可以直接接触到燃料电池内部的气体，成为一个所述采样点40。另外请参阅图3，所述多个采样点40除了设置于燃料电池的所述阴极入口1、所述阳极出口3、所述阳极入口4和所述阴极出口6的采样点，还包括设置于所述阳极流道51和所述阴极流道61的流道板的所述采样点40。设置于所述阳极流道51和所述阴极流道61的流道板的所述采样点40可以获取燃料电池内部不同位置的采样气体。
S200，向所述阴极入口1和所述阳极入口4分别通入反应气体，并在燃料电池的阳极板50和阴极板60之间加入电子负载。
本步骤中，可以向所述阴极入口1和所述阳极入口4中分别通入阴极标准气体和阳极标准气体。通气之后在所述阴极板60和所述阳极板50之间加入一定的电子负载。比如，所述电子负载可以是设定燃料电池单片输出0A/cm2-2A/cm2的电流。
S300，获取经所述采样管路41导出的所述多个采样点40的采集气体，以完成对燃料电池气体的采样。
本步骤中，可以通过采样装置10获取经所述采样管路41导出的所述多个采样点40的采集气体。所述采样装置10可以对采集气体进行分析，得出分析结果，用以指导燃料电池的使用。
本实施例中，设置所述多个采样点40分别获取燃料电池中不同位置的采样气体，以实现燃料电池内部多点气体的采样，实时监控到燃料电池内部不同位置气体含量。所述多个采样点40伸入所述阳极流道51和所述阴极流道61横截面的中心区域，可以精确的获取流经流道的气体。通过在燃料电池的阳极板50和阴极板60的流道中设置多个所述采样点40可以获取各点的采样气体，分析气体的含量及浓度可以帮助燃料电池获得更安全可靠的工作条件，有利于保证燃料电池的工作安全和工作寿命，保证燃料电池的利用率。
本公开图3-图8，提供平行流道的双极板中采样点的分布位置示意图。本公开图9-图14，提供蛇形流道的双极板中采样点的分布位置示意图。本公开图15-图20，提供交指形流道的双极板中采样点的分布位置示意图。其中，所述多个采样点40包括阳极入口采样点8，阳极出口采样点9，流道内其他采样点101，入口流道其他采样点111以及出口流道其他采样点112。
在一个实施例中，设置所述多个采样点40的步骤具体包括：
S110，沿燃料电池的所述阳极流道51中流道的走向方向等间距的设置所述多个采样点40。S120，沿燃料电池的所述阴极流道61中流道的走向方向等间距的设置所述多个采样点40。本实施例中，所述多个采样点40分别在每间隔一条或者多条的所述阳极流道51的流道中和每间隔一条或者多条的所述阴极流道61的流道中设置，能够合理的分配所述采样点40的个数。本实施例中，所述多个采样点40的设置方法可以参考上述方法中的设置方法。
本实施例中，所述多个采样点40的布置方式可以参考下述附图，如图3、图4、图6和图7所示为平行流道的燃料电池，沿着流道的走向方向等间距的设置所述多个采样点40。其中，图3和图6忽略流道弯道结构的等间距的分布所述采样点40。图4和图7考虑流道弯道结构的等间距的分布所述采样点40。本实施例中，沿着燃料电池极板中流道的走向方向等间距的设置所述多个采样点40可以从整体上实现所述燃料电池内部气体的采样，其采样的数据更全面，对于指导燃料电池的使用工况的选取更准确。
如图9、图10、图12和图13所示为蛇形流道的燃料电池，沿着流道的走向方向等间距的设置所述多个采样点40。其中，图9和图12忽略流道弯道结构的等间距的分布所述采样点40。图10和图13考虑流道弯道结构的等间距的分布所述采样点40。
如图15和图18所示为交指形流道的燃料电池，沿着流道的走向方向等间距的设置所述多个采样点40。图17和图20分别表示了在交指形流道阴极板和交指形流道阳极板内部的采样点分布以及气体扩散流动方向。
本实施例中，沿着燃料电池极板中流道的走向方向等间距的设置所述多个采样点40可以从整体上实现所述燃料电池内部气体的采样，其采样的数据更全面，对于指导燃料电池的使用工况的选取更准确。
在一个实施例中，燃料电池包括至少三条所述阳极流道51和至少三条所述阴极流道61。本实施例中，设置所述多个采样点40的步骤具体还包括：在每间隔一条或者多条的所述阳极流道51上设置所述多个采样点40。在每间隔一条或者多条的所述阴极流道61上设置所述多个采样点40。
本实施例中提出的方法，能够合理的分配所述采样点40的个数。比如燃料电池有三条所述阳极流道51，可以在第一条阳极流道51和第三条阳极流道51上间隔设置所述采样点40，可以等间隔设置，也可以不等间隔设置，具体的设置方法可以根据实际的需求进行设计。另外考虑到所述采样点40密集度的问题，也可以每间隔两条流道、每间隔三条流道或者每间隔四条流道再设置所述采样点40。比如，燃料电池包括9条所述阴极流道61，在第一条所述阴极流道61等间距或者不等间距的设置多个所述采样点40。在第二条所述 阴极流道61和第三条所述阴极流道61不设置所述采样点。在第四条所述阴极流道61等间距或者不等间距的设置多个所述采样点40。在第五条所述阴极流道61和第六条所述阴极流道61不设置所述采样点。在第七条所述阴极流道61等间距或者不等间距的设置多个所述采样点40。在第八条所述阴极流道61和第九条所述阴极流道61不设置所述采样点。本实施例中的设置方法在此不作进一步的限定。
在一个实施例中，设置所述多个采样点40的步骤具体包括：
沿燃料电池内部的所述阳极流道51中流道的走向方向划分多个区域，将所述多个采样点40设置于区域边界，不同区域中所述采样点40分布的密集度不完全相同。沿燃料电池内部的所述阴极流道61中流道的走向方向划分多个区域，不同区域中所述采样点40分布的密集度不完全相同。
本实施例中提供的所述采样点40的分布方法，可以参考图5、图8、图11、图14、图16、图19中示意的形式进行设置。其中，图5、图8、图11、图14、图16、图19均采用了非等间距的方式分布所述采样点40。具体的请参阅图8和图19，分别示出了区域Ⅰ、区域Ⅱ、区域Ⅲ、区域Ⅳ、区域Ⅴ、区域Ⅵ、区域Ⅶ、区域Ⅷ、区域Ⅸ、区域Ⅹ，图12示出了区域Ⅰ、区域Ⅱ、区域Ⅲ、区域Ⅳ、区域Ⅴ。在每一个区域的边界与流道交界的部分位置设置所述采样点40。图8提供了平行流道阴极板中采样点的分布位置示意图。图12提供了蛇形流道阴极板中采样点的分布位置示意图。图19提供了交指形流道阴极板中采样点的分布位置示意图。
本实施例中，所述采样点40的设置方法可以根据燃料电池流道内气体流动的经验值确定区域的划分，其中划分区域的面积可以相同，也可以不相同。燃料电池中气体的浓度可以认为是沿流道走向逐渐降低的。不同区域中所述采样点40分布的密集度不完全相同是指在不同区域的边界设置的所述采样点40的个数可以相同也可以不同。所述采样点40分布的密集度不完全相同，采集的燃料电池内部的气体含量也不相同。
在一个实施例中，在向所述阴极入口1和所述阳极入口4分别通入反应气体，并在燃料电池的阳极板50和阴极板60之间加入电子负载的步骤之前，还包括：向所述采样管路41中通入惰性气体，以实现对所述多个采样点40和所述采样管路41的吹扫。
本实施例中，对所述燃料电池气体采样系统100进行吹扫可以使得每个所述采样点40的采样结果更精确，避免在所述采样管路41中一些残留物质的存在。具体的在一个实施例中，在气体采样分析开始前，设定燃料电池的工作状态，使得采样分析符合采样的要求。如图2所示设定所述四通阀30与所述气瓶20相连通。打开所述气瓶20(所述气瓶20中装有压缩气体为氦气)的出口，关闭所述采样装置10的采样口。所述采样系统100内其余的所有出入口均打开，用氦气吹扫整个所述采样管路41，同时设定冷却液的温度和流量，吹扫过程结束，关闭氦气瓶20的出口。
在一个实施例中，所述燃料电池气体采样方法具体包括前期的准备工作：对燃料电池供应空气和氢气，设定阴极增湿露点温度和空气干球温度，逐步增大空气流量和氢气流量，增大电流负载，直至燃料电池工作状态达到预设值，并且稳定运行1h。燃料电池工作状态可以包括：燃料电池工作电流120A；阴极空气流量12L·min-1，空气进气露点温度43℃；阳极氢气流量0.9L·min-1，进气不增湿；采用水冷，冷却水入口温度为60℃。
打开所述采样装置10的采样口，打开所述气瓶20出口，用氦气吹扫管路，所述采样装置10的采样结果稳定一段时间后关闭所述气瓶20出口，关闭所述四通阀30与所述气瓶20相连的入口。此时吹扫所述采样管路41的步骤实施完毕。
步骤(1)：关闭所述第二N通阀32的所有出入口，关闭所述第一N通阀31(阳极处的)的其他口，仅打开所述第一N通阀31的出口以及所述第一N通阀31与第一采样点连通的入口，对第一采样点进行采样。
步骤(2)：对第一采样点采样一段时间后，关闭所述第一N通阀入口31，打开所述气瓶20的出口以及所述四通阀30与所述气瓶20连通的入口，用氦气吹扫管路一段时间，关闭所述气瓶20的出口以及所述四通阀30与所述氦气瓶20连通的入口。在第一次采样结束之后实现对所述采样管路41的清扫。
步骤(3)：打开第一N通阀31与第二采样点的入口，对第二采样点进行采样。在对第二采样点的采样结束之后，对所述采样管路41的清扫。重复步骤(1)至步骤(3)，在每一次清扫所述采样管路41之后切换至下一个采样点，直至所述阳极板50或者所述阴极板60的所有所述采样点40都采样完成。后续在使用所述采样结果时，可选取可靠的所述采样结果用于指导燃料电池的应用。
上述实施例中，所述采样装置10可以为质谱仪。质谱仪在实现对多个所述采样点40的采样需要是完成第一采样点之后，再对第二采样点进行采样。质谱仪决定了对每个所述采样点40的气体进行单独分析。如果所述采样装置10变化了，也可以实现多点同时采样和分析。即可以同时对第一采样点、第二采样点和第三采样点(多个采样点)进行采样。此时的所述第一N通阀31和所述第二N通阀32可以不再设置。
在一个实施例中，在获取经所述采样管路41导出的所述多个采样点40的采集气体，以完成对燃料电池气体的采样的步骤之前，还包括：
提供采样装置10。在一个实施例中，所述采样装置10可以是质谱仪。采用阳极标准气和阴极标准气对所述采样装置10进行标定。对所述采样装置10进行标定，可以保证采样结果的准确性。
对所述采样装置10进行标定的步骤具体包括：向所述采样管路41中通入阳极标准气，通过所述采样装置10分析采样气体，以获得第一类采样结果。向所述采样管路41中通入阴极标准气，通过所述采样装置10分析采样气体，以获得第二类采样结果。
重复上述两个步骤，获得多个所述第一类采样结果和多个所述第二类采样结果，对多个所述第一类采样结果和多个所述第二类采样结果进行分析计算，以获得所述采样装置10的采样修正系数，完成对所述采样装置10的标定。
参考图2，对所述采样装置10进行标定的步骤可以包括步骤1：打开连通氦气瓶20出口的四通阀30的入口，打开氦气瓶20的出口，打开四通阀30其他三个口，用氦气分别对毛细管、阳极流道51、阴极流道61以及采样管路(采样管路为毛细管与采样装置10连接的通气管路)进行吹扫，直至流道和管路内无其他残余气体。
步骤2：关闭氦气瓶20的出口，关闭四通阀30与阴阳极采样管路连接的两个口，将连通氦气瓶20出口的四通阀30的入口转至与阳极标准气瓶出口连通，将阳极标准气通向采样装置10。采样一段时间之后，采样装置10对采样气体进行采样分析。
步骤3：关闭阳极标准气瓶出口，将连通阳极标准气瓶出口的四通阀入口与阴极标准气瓶出口连通，将阴极标准气通向采样装置，采样一段时间，采样装置10对阴极的采样气体进行分析采样装置对其进行采样分析。
步骤4：关闭阴极标准气瓶出口，将连通阴极标准气瓶出口的四通阀入口与氦气瓶出口连通，将阳极标准气通向采样装置，采样一段时间，采样装置10对阳极的采样气体进行分析用氦气吹扫管路一段时间。
再重复步骤2至步骤4两到三次，得到多次综合结果，经分析得到采样装置的修正系数。以完成对所述采样装置10的标定。
请继续参考图2，本公开一个实施例中提供一种燃料电池气体采样系统100包括：阳极板50、膜电极70、阴极板60、多个采样点40以及采样管路41。
所述阳极板50具有为气体流动提供通道的阳极流道51。所述膜电极70设置于所述阳极板50具有所述阳极流道51的一侧。阴极板60设置于所述膜电极70远离所述阳极板50的一侧。所述阴极板60具有为气体流动提供通道的阴极流道61。所述阳极流道51和所述阴极流道60不是全封闭的，流道类似像槽一样，气体在槽里流动。
所述膜电极70包括质子交换膜用于实现质子(质子包括电子和空穴)在所述质子交换膜中的交换或者复合。所述膜电极70还包括阳极气体扩散层和阳极催化剂层设置于所述质子交换膜的第一侧。所述膜电极70还包括阴极催化剂层和阴极的气体扩散层设置于所述质子交换膜的第二侧。
多个采样点40设置于所述阳极流道51和所述阴极流道61，并且伸入流道横截面的中心区域。采样管路41与所述多个采样点40分别连接，用于实现燃料电池内部气体的导出。所述采样管路41主要是由从极板外插进流道内的毛细管引出来的管路。所述采样管路41可以采用不锈钢毛细管。
质子交换膜燃料电池，氢气和氧气发生电化学反应，生成水的同时输出电能。基本的燃料电池单体结构会包括阳极板50、阴极板60和膜电极70。其中在阳极板50上设置有阳极流道51。在阴极板60上设置有阴极流道61。膜电极70包括质子交换膜、催化层和扩散层，其中质子交换膜是能够传导质子的聚合物膜，催化剂层为有催化剂铂附着的碳载体，扩散层的成分主要是碳和聚四氟乙烯。质子交换膜、催化层和扩散层构成膜电极，为氢气和氧气的反应提供场所，并起到导电和传热传质的作用。双极板(所述阳极板50和所述阴极板60)一般由碳板或者金属板构成，在双极板上刻有供气体流动的流道。
在一个实施例中，所述阳极流道51中沿流道的走向方向具有多个第一类区域。所述阴极流道61中沿流道的走向方向具有多个第二类区域。所述多个采样点40分别设置于每一个第一类区域边界所在的流道和每一个第二类区域边界所在的流道，不同区域中所述采样点40分布的密集度不完全相同。具体的，所述多个采样点40可以参考图8，图12和图19所示的设置方式。
本实施例中，所述多个第一类区域的面积可以相等也可以不相等。所述多个第二类区域的面积可以相等也可以不相等。本实施例中，设置的区域面积不相等，所述采样点40的密集程度不完全相同可以实现不同区域不同程度的采样检测。
在一个实施例中，所述燃料电池气体采样系统100还包括伴热带80。所述伴热带80围绕所述采样管路41的外侧壁设置。在一个实施例中，所述伴热带80可以是所述采样管路41保温为120℃。
在一个实施例中，所述燃料电池气体采样系统100还包括壳体。所述壳体在图2中有表示，但未标号。所述壳体用于提供收纳腔，在一个实施例中，所述收纳腔可以是现有的电池外壳或者是电池模组的外壳，在整个采样过程中实现固定的功能。
在一个实施例中，所述燃料电池气体采样系统100还包括：四通阀30。如图2所示的所述四通阀30用以切换清扫管路和采样管路。
在一个实施例中，所述燃料电池气体采样系统100还包括：多个N通阀。具体的所述多个N通阀可以是图2中所示的所述第一N通阀31和所述第二N通阀32。本实施例中，所述多个N通阀用以实现不同的管路的接通，当需要管路变化时，可以在不同的位置设置不同的所述N通阀。
在一个实施例中，为了避免采样气体中的水蒸气冷凝为液态水而堵塞管路，从而造成采样时间增加，影响采样结果，所述燃料电池气体采样系统100中的所述采样管路41均使用所述伴热带80缠绕，以使所述采样管路41保温为120℃。
在一个实施例中，为了避免采样时非指定流道气体的影响，所述燃料电池气体采样系统100中在所述采样管路41的端面与流道采样口的接触面采用O型密封圈压紧密封。
在第一实施例中，目前燃料电池利用分布式的参数测量数据可以验证模型仿真结果的可靠性，同时能够表征燃料电池运行过程中不同位置的状态，反映燃料电池的局部特性。燃料电池内部的电流密度是燃料电池的关键参数之一。
发明人所了解的方案采用子电池方法对质子交换膜燃料电池电流分布进行了测定。发明人所了解的方案分别考察了气体压力、气体流量、电池温度及不同放电电流密度等条件对燃料电池电流分布的影响。发明人所了解的方案，需要在燃料电池内部设置传感器或者 测量垫片，才能得出燃料电池不同区域的电流密度，从而获得燃料电池单体的电流密度分布。在燃料电池内部设置传感器或者测量垫片的方案设计难度大，设计成本高。
基于此，有必要针对发明人所了解的方案在燃料电池内部设置传感器或者测量垫片的方案设计难度大，设计成本高的问题，提供一种燃料电池电流密度分布估计方法、装置及计算机存储介质。
请参阅图21和图22，图21提供一种燃料电池电流密度分布估计方法。图22提供一种燃料电池电流密度分布估计方法的应用示意图。本公开一个实施例中，提供的所述方法包括：
S10，在燃料电池的阴极板60定义k个区域。所述阴极板60具有阴极流道61。每个分区内沿所述阴极流道61流向方向间隔设置多个采样点40，每一个采样点40均伸入流道横截面的中心区域。
本步骤中，每一个采样点40均伸入流道横截面的中心区域可以理解为将所述采样管路41穿透所述阳极流道51和所述阴极流道61的流道板。所述采样管路41伸入流道内部的端点可以直接接触到燃料电池内部的气体。另外请参阅图3-图5，图3图4和图5分别为平行流道阳极板中3种采样点的分布位置示意图。所述多个采样点40除了设置于燃料电池的所述阴极入口1、所述阳极出口3、所述阳极入口4和所述阴极出口6的采样点，还包括设置于所述阳极流道51和所述阴极流道61的流道板的所述采样点40。设置于所述阳极流道51和所述阴极流道61的流道板的所述采样点40可以获取燃料电池内部不同位置的采样气体。
请参阅图6-图8分别为平行流道阴极板中三种采样点的分布位置示意图。其中图8中给出了k个区域(k＝10)中采样点的分布示意。可以理解，所述采样点40的分布方式还可以有其他的多种。比如所述采样点40可以设置在每一个区域内的任意位置，所述采样点40也可以设置在每一个区域边界的位置。在设置所述采样点40的时候可以紧密设置、也可以每间隔一个流道设置一个间隔设置，或者是每间隔两个流道设置一个所述采样点40。
另外所述阳极板50和所述阴极板60中流道的排列方式可以有很多种，比如还可以是蛇形流道或者交指形流道。所述采样点40在所述阳极流道51和所述阴极流道61中设置的方式可以有很多种。如图23所示为蛇形流道阴极板中采样点的分布位置示意图。如图24所示为交指形流道阴极板中采样点的分布位置示意图。
S20，分别计算所述k个区域中每一个区域内的氧气浓度变化量。
每一个区域的氧气浓度变化量可以根据进入每一个区域的氧气浓度和流出每一个区域的氧气浓度之差进行确认。在另一个实施例中，也可以根据一定时间内每一个区域内的氧气浓度变化量，具体的可以是后一时间点的氧气浓度值减去前一时间段氧气浓度值得出。
S30，根据法拉第定律计算得出一个区域的电流值，所述电流值等于一个区域内氧气浓度的变化量与氧气的体积流量以及四倍法拉第常数的乘积，分别获得所述k个区域内的电流值。
本步骤中，结合法拉第定律计算得出一个区域的电流值，该运算过程是基于所述步骤S10获得的所述阴极流道61中气体浓度运算得到的。本实施例中，k个区域的电流值可能相同也可能不相同。其中的影响因素有很多，比如所述阴极流道61内的氧气气体浓度不同，k个区域设置的位置或者面积不同的情况都可能导致区域的电流值不同。
S40，根据所述k个区域内每个区域的电流值与区域面积之比，分别得出所述k个区域的电流密度，并根据所述k个区域以及所述k个区域的电流密度生成燃料电池的电流密度分布图。
本步骤中，可以准确的得出每个区域的电流密度，并绘制电流密度分布示意图。所述燃料电池的电流密度分布图可以指导燃料电池的使用。
本实施例中，所述燃料电池电流密度分布估计方法，在不设置其他传感器或者传感垫片的条件下，通过所述多个采样点40的采样结果计算不同区域的电流密度，从而获得燃料电池单体的电流密度分布。本公开的燃料电池电流密度分布估计方法，对现有的燃料电池的设计改进点较小，改进的成本较低，能够准确得出燃料电池的电流密度分布图。
在一个实施例中，在每一个区域内，沿燃料电池的所述阴极流道61中流道的走向方向等间距的设置所述多个采样点40。
本实施例中，所述多个采样点40的布置方式可以参考下述附图，如图3、图4、图6、图7和图23所示为沿燃料电池的所述阴极流道61中流道的走向方向等间距的设置所述多个采样点40。其中，图3和图6为忽略流道弯道结构的等间距的分布所述采样点40。图4、图7和图23为考虑流道弯道结构的等间距的分布所述采样点40。
本实施例中，沿着燃料电池极板中流道的走向方向等间距的设置所述多个采样点40可以从整体上实现所述燃料电池内部气体的采样，其采样的数据更全面，对于指导燃料电池的使用工况的选取更准确。
在一个实施例中，每一个区域内的氧气浓度变化量等于进入一个区域的氧气浓度与流出一个区域的氧气浓度之差。其中，进入一个区域的氧气浓度等于设置于一个区域进入边界的所述多个采样点40获得的平均氧气浓度。流出一个区域的氧气浓度等于设置于一个区域流出边界的所述多个采样点40获得的平均氧气浓度。
本实施例中，将计算一个区域内氧气浓度的步骤进行简化，每一个区域内的氧气浓度变化量等于每一个区域进入边界的所述多个采样点40获得的平均氧气浓度减去每一个区域流出边界的所述多个采样点40获得的平均氧气浓度。
在一个实施例中，一个所述采样点40的氧气浓度等于一个所述采样点40的氧气分压与一个所述采样点40的氮气分压的比值，再乘以一个所述采样点40的氮气浓度，其中，气体流经所述阴极流道61时，氮气浓度不发生变化。
在一个实施例中，结合法拉第定律：
Figure PCTCN2019128921-appb-000001
Q＝It以及
Figure PCTCN2019128921-appb-000002
推导得出
Figure PCTCN2019128921-appb-000003
其中，m为反应气体的质量，Q为反应过程中转移的电荷量，F为法拉第常数，M为反应气体的摩尔质量，z为每个反应气体分子所需要转移的电子数,n为反应气体的物质的量，I为电流值，t为时间；
结合n＝c×V,V＝W×t得出I＝c×W×F×z，其中，t为气体流过该部分流道所用的时间，c为反应气体的摩尔浓度，V为流过该部分流道的气体的体积，W为流过该部分流道的气体的流量，z为每个反应气体分子反应所需要转移的电子数；
结合I＝c×W×F×z，以及阴极反应气体氧气分子在反应过程中所需要转移的电子数为4，得出一个区域的电流值
Figure PCTCN2019128921-appb-000004
本实施例中，如果计算燃料电池阴极板60每一个区域的电流值，m为氧气的质量，Q为反应过程中转移的电荷量，F为法拉第常数，M为氧气的摩尔质量，z为每个氧气分子所需要转移的电子数,n为氧气的物质的量，I为电流值，t为时间。
请参阅图23，在一个具体的实施例中，通过计算燃料电池阴极板60气体浓度的变化，最终求得燃料电池内部电流密度的分布图。具体步骤包括：
步骤(1)：获得第k个区域边界中所有所述多个采样点40的氧气分压
Figure PCTCN2019128921-appb-000005
和氮气分 压
Figure PCTCN2019128921-appb-000006
其中k为小于等于N的正整数。本实施例中，可以通过如图2所示的所述采样装置10获得氧气分压和氮气分压。由于氮气相对稳定，因此不考虑氮气浓度
Figure PCTCN2019128921-appb-000007
的变化。
步骤(2)：计算每个所述采样点40的氧气浓度
Figure PCTCN2019128921-appb-000008
其中等于
Figure PCTCN2019128921-appb-000009
步骤(3)：计算第k个区域边界的氧气浓度值，所述第k个区域边界的氧气浓度值
Figure PCTCN2019128921-appb-000010
为第k个区域边界处所有所述采样点40的氧气浓度的平均值。
步骤(4)：计算第k个区域内氧气浓度的变化量
Figure PCTCN2019128921-appb-000011
所述第k个区域内氧气浓度的变化量
Figure PCTCN2019128921-appb-000012
等于进入第k个区域界面的氧气浓度-导出第k个区域界面的氧气浓度。
步骤(5)：采用公式
Figure PCTCN2019128921-appb-000013
计算第k个区域的电流值，其中W为氧气的体积流量(可测得)，F为法拉第常数(已知量)。
步骤(6)：计算第k个区域的电流密度J k：
Figure PCTCN2019128921-appb-000014
其中，S k为所选区域的面积。S k在对所述阴极板60进行区域划分时获得的已知量。
循环上述步骤(1)至步骤(6)，分别计算出如图8、图23和图24所示的区域Ⅰ、区域Ⅱ、区域Ⅲ、区域Ⅳ、区域Ⅴ、区域Ⅵ、区域Ⅶ、区域Ⅷ、区域Ⅸ、区域Ⅹ的电流密度。根据不同区域的电流密度值，生成燃料电池的电流密度分布图。
本实施例中，所述燃料电池电流密度分布估计方法，在不设置其他传感器或者传感垫片的条件下，通过多点采样的结果计算不同区域的电流密度，从而获得燃料电池单体的电流密度分布。本公开的燃料电池电流密度分布估计方法，对现有的燃料电池的设计改进点较小，改进的成本较低，能够准确得出燃料电池的电流密度分布图如图24所示。
在一个具体的实施例中，所述燃料电池气体采样过程具体包括前期的准备工作：对燃料电池供应空气和氢气，设定阴极增湿露点温度和空气干球温度，逐步增大空气流量和氢气流量，增大电流负载，直至燃料电池工作状态达到预设值，并且稳定运行1h。燃料电池工作状态可以包括：燃料电池工作电流120A；阴极空气流量12L·min -1，空气进气露点温度43℃；阳极氢气流量0.9L·min -1，进气不增湿；采用水冷，冷却水入口温度为60℃。
打开所述采样装置10的采样口，打开所述气瓶20出口，用氦气吹扫管路，所述采样装置10的采样结果稳定一段时间后关闭所述气瓶20出口，关闭所述三通阀30与所述气瓶20相连的入口。此时吹扫所述采样管路41的步骤实施完毕。
步骤(1)：关闭所述N通阀31(阳极处的)的其他口，仅打开所述N通阀31的出口以及所述N通阀31与第一采样点连通的入口，对第一采样点进行采样。
步骤(2)：对第一采样点采样一段时间后，关闭所述N通阀31的入口，打开所述气瓶20的出口以及所述三通阀30与所述气瓶20连通的入口，用氦气吹扫管路一段时间，关闭所述气瓶20的出口以及所述三通阀30与所述氦气瓶20连通的入口。在第一次采样 结束之后实现对所述采样管路41的清扫。
步骤(3)：打开N通阀31与第二采样点的入口，对第二采样点进行采样。在对第二采样点的采样结束之后，对所述采样管路41的清扫。重复步骤(1)至步骤(3)，在每一次清扫所述采样管路41之后切换至下一个采样点，直至所述阴极板60的所有所述采样点40都采样完成。后续在使用所述采样结果时，可选取可靠的所述采样结果用于指导燃料电池的应用。
上述实施例中，所述采样装置10可以为质谱仪。质谱仪在实现对多个所述采样点40的采样需要是完成第一采样点之后，再对第二采样点进行采样。质谱仪决定了对每个所述采样点40的气体进行单独分析。如果所述采样装置10变化了，也可以实现多点同时采样和分析。即可以同时对第一采样点、第二采样点和第三采样点(多个采样点)进行采样。
在一个实施例中，所述采样装置10可以是质谱仪。采用阳极标准气和阴极标准气对所述采样装置10进行标定。对所述采样装置10进行标定，可以保证采样结果的准确性。
对所述采样装置10进行标定的步骤具体包括：向所述采样管路41中通入阳极标准气，通过所述采样装置10分析采样气体，以获得第一类采样结果。向所述采样管路41中通入阴极标准气，通过所述采样装置10分析采样气体，以获得第二类采样结果。
重复上述两个步骤，获得多个所述第一类采样结果和多个所述第二类采样结果，对多个所述第一类采样结果和多个所述第二类采样结果进行分析计算，以获得所述采样装置10的采样修正系数，完成对所述采样装置10的标定。
请继续参考图22，本公开一个实施例中提供一种燃料电池气体采样系统包括：阳极板50、膜电极70、阴极板60、多个采样点40以及采样管路41。
所述阳极板50具有为气体流动提供通道的阳极流道51。所述膜电极70设置于所述阳极板50具有所述阳极流道51的一侧。阴极板60设置于所述膜电极70远离所述阳极板50的一侧。所述阴极板60具有为气体流动提供通道的阴极流道61。所述阳极流道51和所述阴极流道60不是全封闭的，流道类似像槽一样，气体在槽里流动。
所述膜电极70包括质子交换膜用于实现质子(质子包括电子和空穴)在所述质子交换膜中的交换或者复合。所述膜电极70还包括阳极气体扩散层和阳极催化剂层设置于所述质子交换膜的第一侧。所述膜电极70还包括阴极催化剂层和阴极的气体扩散层设置于所述质子交换膜的第二侧。
多个采样点40设置于所述阳极流道51和所述阴极流道61，并且伸入流道横截面的中心区域。采样管路41与所述多个采样点40分别连接，用于实现燃料电池内部气体的导出。所述采样管路41主要是由从极板外插进流道内的毛细管引出来的管路。所述采样管路41可以采用不锈钢毛细管。
质子交换膜燃料电池，氢气和氧气发生电化学反应，生成水的同时输出电能。基本的燃料电池单体结构会包括阳极板50、阴极板60和膜电极70。其中在阳极板50上设置有阳极流道51。在阴极板60上设置有阴极流道61。膜电极70包括质子交换膜、催化层和扩散层，其中质子交换膜是能够传导质子的聚合物膜，催化剂层为有催化剂铂附着的碳载体，扩散层的成分主要是碳和聚四氟乙烯。质子交换膜、催化层和扩散层构成膜电极，为氢气和氧气的反应提供场所，并起到导电和传热传质的作用。双极板(所述阳极板50和所述阴极板60)一般由碳板或者金属板构成，在双极板上刻有供气体流动的流道。
请再次参阅图2，在一个实施例中，在实时阴极气体采样的过程中还可以设置伴热带80。所述伴热带80围绕所述采样管路41的外侧壁设置。在一个实施例中，所述伴热带80可以是所述采样管路41保温为120℃。
在一个实施例中，所述燃料电池中可以包括燃料电池单片串联形成的电池堆，每个电池对中包括多个燃料电池单片。在另一个实施例中，燃料电池还包括壳体，设置于所述电池堆的外侧，用于保护所述电池堆。所述壳体在图2中有表示，但未标号。所述壳体用于提供收纳腔，在一个实施例中，所述收纳腔可以是现有的电池外壳或者是电池模组的外壳， 在整个采样过程中实现固定的功能。
在一个实施例中，所述燃料电池气体采样过程中还可以包括：N通阀31。具体的所述N通阀31可以是图2中所示的所述N通阀31。在另一个实施例中，可以进一步设置多个N通阀，比如可以设置第一N通阀、第二N通阀或者其他的阀门。本实施例中，所述多个N通阀用以实现不同的管路的接通，当需要管路变化时，可以在不同的位置设置不同的所述N通阀。
在一个实施例中，为了避免采样气体中的水蒸气冷凝为液态水而堵塞管路，从而造成采样时间增加，影响采样结果，可以在采用所述伴热带80缠绕所述采样管路41，使所述采样管路41保温为120℃。
在一个实施例中，为了避免采样时非指定流道气体的影响，可以在所述采样管路41的端面与流道采样口的接触面采用O型密封圈压紧密封。
请参阅图25，在本公开一个实施例中提供一种燃料电池电流密度分布估计装置200，包括：采样气体获取模块210、氧气浓度运算模块220、区域电流运算模块230以及电流密度分布图生成模块240。
所述采样气体获取模块210，用于获取燃料电池的阴极板60k个区域内沿阴极流道61流向方向间隔设置多个采样点40的采样气体信息。所述氧气浓度运算模块220，用于计算所述k个区域中每一个区域内的氧气浓度变化量。所述区域电流运算模块230，用于计算得出一个区域的电流值。所述电流密度分布图生成模块240，用于生成燃料电池中所述k个区域的电流密度分布图。
本公开一个实施例中提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一实施例中所述方法的步骤。
本公开一个实施例中提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序。所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一实施例中所述方法的步骤。
在第三实施例中，燃料电池在运行过程中各单片的物质组分状态呈现出不一致性，这主要是由于配气不均匀性与单片的个体差异造成的。燃料电池单片对于整个电堆的寿命具有极大的影响。为此，在燃料电池建模过程中，应该考虑到燃料电池单片内部状态沿流道方向的不均一性以及流道之间的差异性。
燃料电池数值模型可以较为详细地反映燃料电池内部各物质组分的传递过程、电化学过程以及传热过程。发明人所了解的方案，包括质子交换膜燃料电池模型优化处理方法，认为燃料电池的状态是一致性的，未考虑到燃料电池单体的差异性。
有必要针对发明人所了解的方案认为燃料电池的状态是一致性的，未考虑到燃料电池单体的差异性的问题，提供一种燃料电池内部状态模型的标定方法、装置和计算机设备。
请参阅图26，本公开一个实施例中提供一种燃料电池内部状态模型的标定方法，包括：
S01，确定燃料电池等效模型。本步骤中，基于不同的参数设定或者是不同的研究角度，可以得出不同的燃料电池的等效模型。比如，本公开中，燃料电池模型可以为单流道多腔模型和多个流道的流道间差异模型。再比如还可以建立燃料电池单向流模型和M维N相多组分的燃料电池单体模型。
S02，结合所述燃料电池等效模型及燃料电池工作条件，建立燃料电池内部状态过程方程，并确定所述燃料电池等效模型的内部状态过程方程中的待标定量。
本步骤中，可以根据燃料电池的电压条件或者电流条件确定所述燃料电池的内部状态方程。寻找内部状态过程方程中的待标定量，所述待标定量可以是一个也可以是多个，在此不作限定。
S03，通过燃料电池多点气体采样方法，获取所述燃料电池内部状态过程方程中的运算参数。本步骤中的运算参数，可以是通过燃料电池气体的多点采样系统获得的数据。比如所述运算参数可以是从阴极进口腔进入到阴极出口腔的气体流量，可以是阴极出口腔排气流量，可以是阴极不同流道入口气体压力，可以是阴极不同流道出口气体压力，还可以 是不同流道与初始流道间距中的一种或多种。
S04，将所述运算参数带入所述燃料电池等效模型的内部状态过程方程，求得一个或者一组所述待标定量。本步骤中的计算过程可以结合模块或者计算机程序实现。
S05，重复步骤S03和步骤S04，获取多个或多组所述待标定量，直至所述待标定量的变化范围在预设范围内，或者所述待标定量的误差平方和在预设范围内，则完成对所述待标定量的标定。
本实施例中提供的所述燃料电池内部状态模型的标定方法包括确定燃料电池等效模型。结合所述燃料电池等效模型及燃料电池工作条件，建立燃料电池内部状态过程方程，并确定所述燃料电池等效模型的内部状态过程方程中的待标定量。获取所述燃料电池内部状态过程方程中的运算参数。将所述运算参数带入所述燃料电池等效模型的内部状态过程方程，求得一个或者一组所述待标定量。重复获取多个或多组所述待标定量，直至所述待标定量的变化范围在预设范围内，或者所述待标定量的误差平方和在预设范围内，则完成对所述待标定量的标定。
本实施例中，提出了一种针对大面积燃料电池单体不均一性及差异性模型的内部状态标定方法，采用一组稳态气体采样实验，通过测定和分析燃料电池的内部状态，标定了燃料电池的单体模型，对于研究大面积多流道燃料电池单体内单个流道内部的不均一性以及不同流道间的差异性具有一定的意义和价值。
请参阅图27，在一个实施例中，所述燃料电池内部状态模型的标定方法包括：
S011，将燃料电池等效为至少包括阴极进口腔和阴极出口腔的单流道多腔模型。本步骤中提供的燃料电池单片的单流道多腔模型如图28所示。图28中示意了将一个燃料电池单片等效为单流道，多个腔室的结构。图28中仅示意了阴极进口单片和阴极出口单片两个腔室，在阴极进口单片和阴极出口单片的两个腔室之间还包括另外的腔室。可以理解，根据设计需求的不同，每个燃料电池单片设置的腔室数量可以自行增减。
S021，结合燃料电池阴极腔室的工作电流条件和工作电压条件，建立所述单流道多腔模型的内部状态过程方程，所述单流道多腔模型的内部状态过程方程中待标定量为流动阻力系数。
在本步骤中的一个实施例中，提供的所述工作电流条件为：
i inA fc,in+i outA fc,out＝I load       式(1)
其中，A fc,in为燃料电池进口腔的活性面积是已知量。A fc,out为燃料电池出口腔的活性面积，I load为负载电流是已知量。i in为阴极进口腔内的电流密度，i out为阴极出口腔内的电流密度。
所述工作电压条件为：
Figure PCTCN2019128921-appb-000015
其中，R为理想气体常数，F为法拉第常数，T为燃料电池内部温度，L gdl为气体扩散层厚度，α c为阴极反应传递系数，s stop为燃料电池受水淹影响停止工作时的液态水饱和度，s in为阴极进口处的液态水饱和度，s out为阴极出口处的液态水饱和度，a为水活度。所述水活度a等于气态水饱和度与当前温度下饱和水蒸气浓度之比。
Figure PCTCN2019128921-appb-000016
为参考电流密度，
Figure PCTCN2019128921-appb-000017
为氧气对流传质系数。所述氧气对流传质系数
Figure PCTCN2019128921-appb-000018
与气体流量有关。R in为进口腔欧姆电阻，R out为出口腔欧姆电阻，
Figure PCTCN2019128921-appb-000019
为氧气的有效扩散系数。
Figure PCTCN2019128921-appb-000020
为氧气的参考浓度，以上参数值在所述单流道多腔模型中均为已知量。
Figure PCTCN2019128921-appb-000021
为阴极进口腔内的氧气浓度(可由
Figure PCTCN2019128921-appb-000022
计算得到)，
Figure PCTCN2019128921-appb-000023
为阴极出口腔内的氧气浓度(可由
Figure PCTCN2019128921-appb-000024
计算得到)。i in为阴极进口腔内的电流密度，i out为阴极出口腔内的电流密度，可通过式(1)和式(2)联立求解得到。
在本步骤中的一个实施例中，所述单流道多腔模型的内部状态过程方程包括：阴极进口腔气体动态过程模型和阴极出口腔气体动态过程模型；
所述阴极进口腔气体动态过程模型为：
Figure PCTCN2019128921-appb-000025
和
Figure PCTCN2019128921-appb-000026
另外结合以下公式(5)至公式(7)：
Figure PCTCN2019128921-appb-000027
Figure PCTCN2019128921-appb-000028
Figure PCTCN2019128921-appb-000029
其中，
Figure PCTCN2019128921-appb-000030
为阴极进口腔内氮气的压力变化率，
Figure PCTCN2019128921-appb-000031
为阴极进口腔内氧气的压力变化率，由式(3)(4)(5)(6)(13)联立可以计算出
Figure PCTCN2019128921-appb-000032
为阴极进口腔内氮气的压力，
Figure PCTCN2019128921-appb-000033
为阴极进口腔内氧气的压力，进而代入式(7)可以得到
Figure PCTCN2019128921-appb-000034
为阴极进口腔内的氧气浓度，R为理想气体常数，T fc为燃料电池内部温度，可直接测得。V ca为阴极控制体体积为设定值)，W air为干空气进气流量，可由空压机前端的气体流量传感器直接测得。
Figure PCTCN2019128921-appb-000035
为入口干空气内氧气的体积分数，可以通过经验值得到。W 12为从阴极进口腔进入到阴极出口腔的气体流量，通过下述公式(12)来计算，
Figure PCTCN2019128921-appb-000036
为阴极入口的氧气分压，通过下述式(8)来表示。
Figure PCTCN2019128921-appb-000037
为设定的阴极入口供气中氧气的分压是已知量。i in为阴极进口腔内的电流密度(通过联立(1)(2)求解)，A fc,in为阴极进口腔的活性面积，为已知量。p ca,in为阴极进口气体压力(通过式(5)计算)，p sat为饱和水蒸气压力是已知量。
Figure PCTCN2019128921-appb-000038
为阴极进口腔内的氧气浓度(由式(7)计算得到)。
所述阴极出口腔气体动态过程模型为：
Figure PCTCN2019128921-appb-000039
Figure PCTCN2019128921-appb-000040
另外结合以下公式(10)至公式(14)：
Figure PCTCN2019128921-appb-000041
Figure PCTCN2019128921-appb-000042
Figure PCTCN2019128921-appb-000043
Figure PCTCN2019128921-appb-000044
Figure PCTCN2019128921-appb-000045
其中，
Figure PCTCN2019128921-appb-000046
为阴极出口腔内氮气的压力变化率，
Figure PCTCN2019128921-appb-000047
为阴极出口腔内氧气的压力变化率，由式(8)(9)(10)(11)(12)(13)(14)联立可以计算出
Figure PCTCN2019128921-appb-000048
为阴极出口腔内氮气的压力，
Figure PCTCN2019128921-appb-000049
为阴极出口腔内氧气的压力，代入式(12)可得
Figure PCTCN2019128921-appb-000050
为阴极出口腔内的氧气浓度。R为理想气体常数，T fc为燃料电池内部温度，可直接测得。V ca为阴极控制体体积可以是一种设定值。W 12为从阴极进口腔进入到阴极出口腔的气体流量，模型中通过式(13)来表示。W rm为阴极尾排气体流量，通过式(14)来表示。
Figure PCTCN2019128921-appb-000051
为阴极入口的氧气分压，通过式(6)来计算。
Figure PCTCN2019128921-appb-000052
为阴极出口腔氧气的分压，通过式(11)来表示。i out为阴极出口腔内的电流密度，通过联立(1)(2)求解得出。A fc,out为阴极出口腔的活性面积，为已知量。p ca,out为阴极出口腔的气体压力，可以通过式(10)表示。p sat为饱和水蒸气压力是已知量。
Figure PCTCN2019128921-appb-000053
为阴极出口腔内的氧气浓度，可以由式(12)计算得到。
S031，所述运算参数包括第一运算参数和第二运算参数，获取从阴极进口腔进入到阴极出口腔的气体流量W 12作为所述第一运算参数，获取阴极出口腔排气流量W rm作为所述第二运算参数。
S041，将所述第一运算参数和所述第二运算参数带入所述单流道多腔模型的内部状态过程方程，求得一个燃料电池阴极的流动阻力系数k ca。
S051，重复步骤S031和步骤S041，获取多个所述流动阻力系数k ca，直至所述待标定量的变化范围在预设范围内，则完成对所述流动阻力系数k ca的标定。
本实施例中，在标定过程中，式(13)与(14)中的W 12与W rm分别通过布置在阴极进口处及阴极尾排阀处的流量传感器测得。
Figure PCTCN2019128921-appb-000054
与
Figure PCTCN2019128921-appb-000055
可由多点气体采样实验测得，进而由式(7)(12)可分别计算出
Figure PCTCN2019128921-appb-000056
与
Figure PCTCN2019128921-appb-000057
与
Figure PCTCN2019128921-appb-000058
可由多点气体采样实验测得。p sat为已知量，p rm可直接测得，则由式(5)(10)可以计算出p ca,in与p ca,out。将p ca,in与p ca,out代入式(13)或式(14)可以求得k ca。多次实验求平均值，标定完成。
更广泛地，对于单流道多腔模型与单流道两腔模型类似，主要是考虑物质在流道内分 布的不均匀性，沿气体流动方向将流道分为多个腔，从而建立单流道多腔模型，具体的标定方法可与步骤S011-步骤S051的方法类似。
本实施例中，提供了一种基于单流道多腔模型，建立所述单流道多腔模型的内部状态过程方程。并实现对所述单流道多腔模型的内部状态过程方程中待标定量的标定过程。所述模型中的待标定量是流动组里系数。本实施例中可以获取多个所述流动阻力系数，直至所述待标定量的变化范围在预设范围内，则完成对所述流动阻力系数的标定。本公开中主要通过燃料电池多点气体采样方法和装置来实现对燃料电池单体模型的标定。具体的燃料电池多点气体采样方法在后续结合图2-图6进行整体介绍。
在一个实施例中，可以通以下步骤判断是否继续获取多个或多组所述待标定量：获取在前步骤中的所有所述流动阻力系数；
按照时间前后进行排列，用后一状态的所述流动阻力系数减去前一状态的所述流动阻力系数，获得所述流动阻力系数的变化量；
判断所述流动阻力系数的变化量是否在一个预设的范围内；
若所述流动阻力系数的变化量在±0.0001的范围内，则取平均值作为所述流动阻力系数的标定值。
具体的，所述流动阻力系数k ca是由气体粘度和燃料电池阴极结构参数决定的阴极腔流动阻力系数(需要通过实验数据标定)。多次重复步骤S031和步骤S041，直到所述流动阻力系数的变化范围在±0.0001，取平均值作为所述流动阻力系数的标定值。在一个实施例中，所述流动阻力系数的取值为3.457×10 -5m 3·S -1·Pa -1。在其他的实施例中，所述流动阻力系数的取值范围可以是1×10 -5m 3·S -1·Pa -1到1×10 -4m 3·S -1·Pa -1。
请参阅图29，在一个实施例中，所述燃料电池内部状态模型的标定方法包括：
S012，将燃料电池等效为包括多个流道的流道间差异模型。本步骤中提供的燃料电池单片的流道间差异模型如图30所示。图30中示意了三个流道，每个流道示意了三个不同的腔。可以理解，根据设计需求的不同，每个燃料电池单片可设置的流道可以进一步增多，并且每个流道可设置的腔室还可以进一步增多。
S022，结合燃料电池排气管路中液态水饱和度在重力方向上线性分布关系，建立阴极排气流量模型，所述阴极排气流量模型为所述流道间差异模型的内部状态过程方程，所述阴极排气流量模型中待标定量为线性参数k和基准量b组成的数据组。
在一个实施例中，所述阴极排气流量模型为：
Figure PCTCN2019128921-appb-000059
结合以下的式(16)：
s＝kx+b          式(16)
其中，W ca,out为阴极不同流道出口的气体流量，p ca,in为阴极不同流道入口的气体压力，可测得。p ca,out为阴极不同流道出口的气体压力，可测得。k 1为流道的孔口流量系数是已知量。k 2为排气歧管的孔口流量系数是已知量。ρ 1为液态水密度，ρ g为排气气体密度，μ g为气体粘度是已知量。s为不同流道的液态水饱和度，假设不同流道的液态水饱和度按照线性分布，并且满足s＝kx+b，x为不同流道与初始流道的间距，可测得。k为线性参数， 需要实验数据标定。b为基准量，需要实验数据标定。
S032，所述运算参数包括第三运算参数、第四运算参数和第五运算参数，获取阴极不同流道入口气体压力p ca,in作为所述第三运算参数，获取阴极不同流道出口气体压力p ca,out作为所述第四运算参数，获取不同流道与初始流道间距x作为所述第五运算参数。
S042，将所述第三运算参数、所述第四运算参数和所述第五运算参数带入所述阴极排气流量模型，求得一组所述数据组。
S052，重复步骤S032和步骤S042，获取多组所述数据组，直至所述线性参数和所述基准量的误差平方和在预设范围内，则完成对所述线性参数k和所述基准量b的标定。
本实施例中的具体标定过程包括：本模型中需要标定的参数为线性系数k和基准量b。标定实验中，式(15)中的与可以通过实际测得，通过布置在流道出口的流量传感器测得，除要标定的参数外，其余参数均已知。通过估计一组k和b的初始值，改变和x的值，代入求解相应的，直到计算出的与实际测量的的标准差最小。
在一个实施例中，可以通过一下步骤判断是否继续获取多个或多组所述待标定量：
通过估计不同的所述线性参数k和所述基准量b的值，改变所述阴极不同流道入口的气体压力p ca,in和所述不同流道与初始流道的间距x，求解不同的所述阴极不同流道出口的气体流量
Figure PCTCN2019128921-appb-000060
根据计算出的所述阴极不同流道出口的气体流量
Figure PCTCN2019128921-appb-000061
与实际测量的所述阴极不同流道出口的气体流量
Figure PCTCN2019128921-appb-000062
带入公式(17)：
Figure PCTCN2019128921-appb-000063
求解每组数据的误差平方和r 2，直至所述误差平方和r 2小于0.001，确定对应的所述线性参数k和所述基准量b为最优解，完成标定。在一个实施例中，所述线性参数k和所述基准量b的取值可以为：k＝0.012，b＝0.531。
请参阅图2-图6，在一个具体的实施例中提供燃料电池多点气体采样系统及采样方法。
如图2所示一种燃料电池气体多点采样系统包括：阳极板50、膜电极70、阴极板60、多个采样点40以及采样管路41。
所述阳极板50具有为气体流动提供通道的阳极流道51。所述膜电极70设置于所述阳极板50具有所述阳极流道51的一侧。阴极板60设置于所述膜电极70远离所述阳极板50的一侧。所述阴极板60具有为气体流动提供通道的阴极流道61。所述阳极流道51和所述阴极流道60不是全封闭的，流道类似像槽一样，气体在槽里流动。
所述膜电极70包括质子交换膜用于实现质子(质子包括电子和空穴)在所述质子交换膜中的交换或者复合。所述膜电极70还包括阳极气体扩散层和阳极催化剂层设置于所述质子交换膜的第一侧。所述膜电极70还包括阴极催化剂层和阴极的气体扩散层设置于所述质子交换膜的第二侧。
多个采样点40设置于所述阳极流道51和所述阴极流道61，并且伸入流道横截面的中心区域。采样管路41与所述多个采样点40分别连接，用于实现燃料电池内部气体的导出。所述采样管路41主要是由从极板外插进流道内的毛细管引出来的管路。所述采样管路41可以采用不锈钢毛细管。
质子交换膜燃料电池，氢气和氧气发生电化学反应，生成水的同时输出电能。基本的燃料电池单体结构会包括阳极板50、阴极板60和膜电极70。其中在阳极板50上设置有阳极流道51。在阴极板60上设置有阴极流道61。膜电极70包括质子交换膜、催化层和 扩散层，其中质子交换膜是能够传导质子的聚合物膜，催化剂层为有催化剂铂附着的碳载体，扩散层的成分主要是碳和聚四氟乙烯。质子交换膜、催化层和扩散层构成膜电极，为氢气和氧气的反应提供场所，并起到导电和传热传质的作用。双极板(所述阳极板50和所述阴极板60)一般由碳板或者金属板构成，在双极板上刻有供气体和冷却液流动的流道。
图3和图6中从另外的剖面示出了：水出口5，6-阴极出口，流道7，阳极入口采样点8，阳极出口采样点9以及流道内其他采样点101。
在一个实施例中，所述多个采样点40沿所述阳极流道51中流道的走向方向等间距的设置以及沿所述阴极流道61中流道的走向方向等间距的设置。
在一个实施例中，燃料电池包括至少三条所述阳极流道51和至少三条所述阴极流道61。所述多个采样点40分别在每间隔一条或者多条的所述阳极流道51的流道中和每间隔一条或者多条的所述阴极流道61的流道中设置。
请结合图2-图6，所述燃料电池多点气体采样方法至少包括以下步骤：
S10，设置采样管路41和多个采样点40。所述多个采样点40设置于燃料电池的阴极入口1、阳极出口3、阳极入口4、阴极出口6以及阳极流道51和阴极流道61中。其中，设置于所述阳极流道51和所述阴极流道61中的采样点40伸入流道横截面的中心区域。所述采样管路41与所述多个采样点40分别连接，用于实现燃料电池内部气体的导出。
本步骤中，将采样点设置于流道横截面的中心区域可以理解为将所述采样管路41穿透所述阳极流道51和所述阴极流道61的流道板，所述采样管路41伸入流道内部的端点可以直接接触到燃料电池内部的气体，成为一个所述采样点40。另外请参阅图3-图6，所述多个采样点40除了设置于燃料电池的所述阴极入口1、所述阳极出口3、所述阳极入口4和所述阴极出口6的采样点，还包括设置于所述阳极流道51和所述阴极流道61的流道板的所述采样点40。设置于所述阳极流道51和所述阴极流道61的流道板的所述采样点40可以获取燃料电池内部不同位置的采样气体。
S20，向所述阴极入口1和所述阳极入口4分别通入反应气体，并在燃料电池的阳极板50和阴极板60之间加入电子负载。
本步骤中，可以向所述阴极入口1和所述阳极入口4中分别通入阴极标准气体和阳极标准气体。通气之后在所述阴极板60和所述阳极板50之间加入一定的电子负载。比如，所述电子负载可以是设定燃料电池单片输出0A/cm 2-2A/cm 2的电流。
S30，获取经所述采样管路41导出的所述多个采样点40的采集气体，以完成对燃料电池气体的采样。
本步骤中，可以通过采样装置10获取经所述采样管路41导出的所述多个采样点40的采集气体。所述采样装置10可以对采集气体进行分析，得出分析结果，用以指导燃料电池的使用。
本实施例中，设置所述多个采样点40分别获取燃料电池中不同位置的采样气体，以实现燃料电池内部多点气体的采样，实时监控到燃料电池内部不同位置气体含量。所述多个采样点40伸入所述阳极流道51和所述阴极流道61横截面的中心区域，可以精确的获取流经流道的气体。通过在燃料电池的阳极板50和阴极板60的流道中设置多个所述采样点40可以获取各点的采样气体，分析气体的含量及浓度可以帮助燃料电池获得更安全可靠的工作条件，有利于保证燃料电池的工作安全和工作寿命，保证燃料电池的利用率。
本公开一个实施例中，与硬件结构相关的燃料电池内部状态模型的标定方法的部分具体包括：
第一，设计实验条件的各种参数。实验条件的各种参数分别包括：阴极流量(标准状态)5.16L/min；阴极入口露点温度60℃；干球温度65℃；电流40A；冷却液入口温度59℃。
第二，设计的实验步骤：
(1)对燃料电池进行氦气吹扫，设定冷却液温度和流量。
(2)停止吹扫并供应空气和氢气，设定阴极增湿露点温度和空气干球温度，逐步增 大空气流量和氢气流量。同时逐步增大电流负载，直至气体流量和电流达到设定值，并且稳定运行一段时间。
(3)打开所述采样装置10的采样口，打开所述气瓶20的出口，用氦气吹扫管路。所述采样装置10为质谱仪，待所述质谱仪的采样结果稳定一段时间后关闭氦气瓶出口，关闭四通阀与之相连的入口。
(4)关闭所述第二N通阀32的所有出入口，关闭所述第一N通阀31(阳极处的)的其他口，仅打开所述第一N通阀31的出口以及与第一采样点连通的入口，对第一采样点进行采样。
(5)对第一采样点采样一段时间后，关闭所述第一N通阀31入口，打开所述气瓶20(此时所述气瓶20为氦气瓶)出口以及所述四通阀30与之连通的入口，用氦气吹扫管路一段时间，关闭氦气瓶出口以及所述四通阀30与之连通的入口。
(6)打开所述第一N通阀31与第二采样点的入口，对第二采样点进行采样。
(7)类似地，采样结束后，吹扫，之后切换至下一个采样点，直至所述阳极板50所有采样点采样完成。
(8)氦气吹扫所述采样管路41。打开所述第二N通阀32(阴极板处的)的出口与所述阴极板60的第一采样点连通的入口，开始采样。
(9)重复步骤(5)至步骤(7)，直至所述阴极板60所有采样点采样完成。
第三，在获得所述运算参数之后，对进行标定：
运用上述采样结果对模型进行标定，将采样结果代入单流道多腔模型或者流道间差异模型，反推出所需要标定的参数值，即可得到较为准确的燃料电池单体的单流道多腔模型和流道间差异模型。
第四，对标定参数进行验证：
运用标定后的单流道多腔模型和流道间差异模型进行验证。具体方法为在模型分析软件中对模型设定与实际实验相同的工作条件，比较模型结果与实验结果。若结果比较吻合，则证明标定的模型有效。否则，需要重新修改模型。标定结果如图31和图32所示。
本公开的另一个实施例提供一种燃料电池内部状态模型的标定装置，包括：燃料电池等效模型确定单元、燃料电池内部状态过程确定单元、运算参数获取单元、运算参数计算单元以及循环判断单元。
所述燃料电池等效模型确定单元用于确定燃料电池适用的模型。所述燃料电池内部状态过程确定单元用于结合所述燃料电池等效模型及燃料电池工作条件建立燃料电池内部状态过程方程并确定待标定量。所述运算参数获取单元用于获取所述燃料电池内部状态过程方程中的运算参数。所述运算参数计算单元用于将所述运算参数带入所述单流道多腔模型的内部状态过程方程求得一个或者一组所述待标定量。所述循环判断单元用于判断是否继续获取多个或多组所述待标定量当所述待标定量的平均值或者所述待标定量的误差平方和在阈值范围内则不再继续获取多个或多组所述待标定量。
本实施例中所述燃料电池内部状态模型的标定装置实现燃料电池内部状态模型参数标定的具体步骤可以参考上述的燃料电池内部状态模型的标定方法，在此不再赘述。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序。所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述的方法的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本公开所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM (PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本公开的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本公开构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本公开的保护范围。因此，本公开专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (28)

  1. 一种燃料电池气体采样方法，其特征在于，包括：
    设置采样管路(41)和多个采样点(40)，所述多个采样点(40)设置于燃料电池的阴极入口(1)、阳极出口(3)、阳极入口(4)、阴极出口(6)以及阳极流道(51)和阴极流道(61)中，其中，设置于所述阳极流道(51)和所述阴极流道(61)中的采样点(40)伸入流道横截面的中心区域；所述采样管路(41)与所述多个采样点(40)分别连接，用于实现燃料电池内部气体的导出；
    向所述阴极入口(1)和所述阳极入口(4)分别通入反应气体，并在燃料电池的阳极板(50)和阴极板(60)之间加入电子负载；
    获取经所述采样管路(41)导出的所述多个采样点(40)的采集气体，以完成对燃料电池气体的采样。
  2. 根据权利要求1所述的燃料电池气体采样方法，其特征在于，设置所述多个采样点(40)的步骤具体包括：
    沿燃料电池的所述阳极流道(51)中流道的走向方向等间距的设置所述多个采样点(40)；
    沿燃料电池的所述阴极流道(61)中流道的走向方向等间距的设置所述多个采样点(40)。
  3. 根据权利要求2所述的燃料电池气体采样方法，其特征在于，燃料电池包括至少三条所述阳极流道(51)和至少三条所述阴极流道(61)，
    设置所述多个采样点(40)的步骤具体还包括：
    在每间隔一条或者多条的所述阳极流道(51)上设置所述多个采样点(40)；
    在每间隔一条或者多条的所述阴极流道(61)上设置所述多个采样点(40)。
  4. 根据权利要求1所述的燃料电池气体采样方法，其特征在于，设置所述多个采样点(40)的步骤具体包括：
    沿燃料电池内部的所述阳极流道(51)中流道的走向方向划分多个区域，将所述多个采样点(40)设置于区域边界，不同区域中所述采样点(40)分布的密集度不完全相同；
    沿燃料电池内部的所述阴极流道(61)中流道的走向方向划分多个区域，不同区域中所述采样点(40)分布的密集度不完全相同。
  5. 根据权利要求1-4中任一项所述的燃料电池气体采样方法，其特征在于，在向所述阴极入口(1)和所述阳极入口(4)分别通入反应气体，并在燃料电池的阳极板(50)和阴极板(60)之间加入电子负载的步骤之前，还包括：
    向所述采样管路(41)中通入惰性气体，以实现对所述多个采样点(40)和所述采样管路(41)的清扫。
  6. 根据权利要求1所述的燃料电池气体采样方法，其特征在于，在获取经所述采样管路(41)导出的所述多个采样点(40)的采集气体，以完成对燃料电池气体的采样的步骤之前，还包括：
    提供采样装置(10)；
    向所述采样管路(41)中通入阳极标准气，通过所述采样装置(10)分析采样气体，以获得第一类采样结果；
    向所述采样管路(41)中通入阴极标准气，通过所述采样装置(10)分析采样气体，以获得第二类采样结果；
    重复上述两个步骤，获得多个所述第一类采样结果和多个所述第二类采样结果，对多个所述第一类采样结果和多个所述第二类采样结果进行分析计算，以获得所述采样装置(10)的采样修正系数，完成对所述采样装置(10)的标定。
  7. 一种燃料电池气体采样系统，其特征在于，包括：
    阳极板(50)，具有为气体流动提供通道的阳极流道(51)；
    膜电极(70)，设置于所述阳极板(50)具有所述阳极流道(51)的一侧；
    阴极板(60)，设置于所述膜电极(70)远离所述阳极板(50)的一侧，所述阴极板(60)具有为气体流动提供通道的阴极流道(61)；
    多个采样点(40)，设置于所述阳极流道(51)和所述阴极流道(61)，并且伸入流道横截面的中心区域；以及
    采样管路(41)，与所述多个采样点(40)分别连接，用于实现燃料电池内部气体的导出。
  8. 根据权利要求7所述的燃料电池气体采样系统，其特征在于，所述多个采样点(40)沿所述阳极流道(51)中流道的走向方向等间距的设置以及沿所述阴极流道(61)中流道的走向方向等间距的设置。
  9. 根据权利要求8所述的燃料电池气体采样系统，其特征在于，燃料电池包括至少三条所述阳极流道(51)和至少三条所述阴极流道(61)，
    所述多个采样点(40)分别在每间隔一条或者多条的所述阳极流道(51)的流道中和每间隔一条或者多条的所述阴极流道(61)的流道中设置。
  10. 根据权利要求7所述的燃料电池气体采样系统，其特征在于，所述阳极流道(51)中沿流道的走向方向具有多个第一类区域，所述阴极流道(61)中沿流道的走向方向具有 多个第二类区域，所述多个采样点(40)分别设置于每一个第一类区域边界所在的流道和每一个第二类区域边界所在的流道，不同区域中所述采样点(40)分布的密集度不完全相同。
  11. 一种燃料电池电流密度分布估计方法，其特征在于，包括：
    在燃料电池的阴极板(60)定义多个区域，所述阴极板(60)具有阴极流道(61)，每个分区内沿所述阴极流道(61)流向方向间隔设置多个采样点(40)，每一个采样点(40)均伸入流道横截面的中心区域；
    分别计算所述多个区域中每一个区域内的氧气浓度变化量；
    根据法拉第定律计算得出一个区域的电流值，所述电流值等于一个区域内氧气浓度的变化量与氧气的体积流量以及四倍法拉第常数的乘积，分别获得所述多个区域内的电流值；
    根据所述多个区域内每个区域的电流值与区域面积之比，分别得出所述多个区域的电流密度，并根据所述多个区域以及所述多个区域的电流密度生成燃料电池的电流密度分布图。
  12. 如权利要求11所述的燃料电池电流密度分布估计方法，其特征在于，在每一个区域内，沿燃料电池的所述阴极流道(61)中流道的走向方向等间距的设置所述多个采样点(40)。
  13. 如权利要求11所述的燃料电池电流密度分布估计方法，其特征在于，燃料电池包括至少三条所述阴极流道(61)，在每间隔一条或者多条的所述阴极流道(61)上设置所述多个采样点(40)。
  14. 根据权利要求11-13中任一项所述的燃料电池电流密度分布估计方法，其特征在于，每一个区域内，所述多个采样点(40)均设置于区域边界，不同区域中所述采样点(40)分布的密集度不完全相同。
  15. 根据权利要求14所述的燃料电池电流密度分布估计方法，其特征在于，每一个区域内的氧气浓度变化量等于进入一个区域的氧气浓度与流出一个区域的氧气浓度之差；
    其中，进入一个区域的氧气浓度等于设置于一个区域进入边界的所述多个采样点(40)获得的平均氧气浓度，流出一个区域的氧气浓度等于设置于一个区域流出边界的所述多个采样点(40)获得的平均氧气浓度。
  16. 根据权利要求15所述的燃料电池电流密度分布估计方法，其特征在于，一个所述采样点(40)的氧气浓度等于一个所述采样点(40)的氧气分压与一个所述采样点(40)的氮气分压的比值，再乘以一个所述采样点(40)的氮气浓度，其中，气体流经所述阴极 流道(61)时，氮气浓度不发生变化。
  17. 根据权利要求15所述的燃料电池电流密度分布估计方法，其特征在于，所述根据法拉第定律计算得出一个区域的电流值的具体方法包括：
    结合法拉第定律：m＝Q/F×M/z、Q＝It以及n＝m/M，推导得出I＝(n×F×z)/t，其中，m为反应气体的质量，Q为反应过程中转移的电荷量，F为法拉第常数，M为反应气体的摩尔质量，z为每个反应气体分子所需要转移的电子数,n为反应气体的物质的量，I为电流值，t为时间；
    结合n＝c×V,V＝W×t得出I＝c×W×F×z，其中，t为气体流过该部分流道所用的时间，c为反应气体的摩尔浓度，V为流过该部分流道的气体的体积，W为流过该部分流道的气体的流量，z为每个反应气体分子反应所需要转移的电子数；
    结合I＝c×W×F×z，以及阴极反应气体氧气分子在反应过程中所需要转移的电子数为4，得出一个区域的电流值I_k＝ΔC_(O_2)^k×W×4F。
  18. 一种燃料电池电流密度分布估计装置，其特征在于，所述装置包括：
    采样气体获取模块(210)，用于获取燃料电池的阴极板(60)多个区域内沿阴极流道(61)流向方向间隔设置多个采样点(40)的采样气体信息；
    氧气浓度运算模块(220)，用于计算所述多个区域中每一个区域内的氧气浓度变化量；
    区域电流运算模块(230)，用于计算得出一个区域的电流值；以及
    电流密度分布图生成模块(240)，用于生成燃料电池中所述多个区域的电流密度分布图。
  19. 一种燃料电池内部状态模型的标定方法，其特征在于，包括：
    S01，确定燃料电池等效模型；
    S02，结合所述燃料电池等效模型及燃料电池工作条件，建立燃料电池内部状态过程方程，并确定所述燃料电池等效模型的内部状态过程方程中的待标定量；
    S03，通过燃料电池多点气体采样方法，获取所述燃料电池内部状态过程方程中的运算参数；
    S04，将所述运算参数带入所述燃料电池等效模型的内部状态过程方程，求得一个或者一组所述待标定量；以及
    S05，重复步骤S03和步骤S04，获取多个或多组所述待标定量，直至所述待标定量的变化范围在预设范围内，或者所述待标定量的误差平方和在预设范围内，则完成对所述待标定量的标定。
  20. 根据权利要求19所述的燃料电池内部状态模型的标定方法，其特征在于，
    S011，将燃料电池等效为至少包括阴极进口腔和阴极出口腔的单流道多腔模型；
    S021，结合燃料电池阴极腔室的工作电流条件和工作电压条件，建立所述单流道多腔模型的内部状态过程方程，所述单流道多腔模型的内部状态过程方程中待标定量为流动阻力系数；
    S031，所述运算参数包括第一运算参数和第二运算参数，获取从阴极进口腔进入到阴极出口腔的气体流量作为所述第一运算参数，获取阴极出口腔排气流量作为所述第二运算参数；
    S041，将所述第一运算参数和所述第二运算参数带入所述单流道多腔模型的内部状态过程方程，求得一个燃料电池阴极的流动阻力系数；
    S051，重复步骤S031和步骤S041，获取多个所述流动阻力系数，直至所述待标定量的变化范围在预设范围内，则完成对所述流动阻力系数的标定。
  21. 根据权利要求20所述的燃料电池内部状态模型的标定方法，其特征在于，
    所述工作电流条件为i inA fc,in+i outA fc,out＝I load，其中，A fc,in为燃料电池进口腔的活性面积，A fc,out为燃料电池出口腔的活性面积，I load为负载电流，i in为阴极进口腔内的电流密度，i out为阴极出口腔内的电流密度；
    所述工作电压条件为：
    Figure PCTCN2019128921-appb-100001
    其中，R为理想气体常数，F为法拉第常数，T为燃料电池内部温度，L gdl为气体扩散层厚度，α c为阴极反应传递系数，s stop为燃料电池受水淹影响停止工作时的液态水饱和度，s in为阴极进口处的液态水饱和度，s out为阴极出口处的液态水饱和度，a为水活度，
    Figure PCTCN2019128921-appb-100002
    为参考电流密度，
    Figure PCTCN2019128921-appb-100003
    为氧气对流传质系数，R in为进口腔欧姆电阻，R out为出口腔欧姆电阻，
    Figure PCTCN2019128921-appb-100004
    为氧气的有效扩散系数，
    Figure PCTCN2019128921-appb-100005
    为氧气的参考浓度，
    Figure PCTCN2019128921-appb-100006
    为阴极进口腔内的氧气浓度，
    Figure PCTCN2019128921-appb-100007
    为阴极出口腔内的氧气浓度，i in为阴极进口腔内的电流密度，i out为阴极出口腔内的电流密度。
  22. 根据权利要求20所述的燃料电池内部状态模型的标定方法，其特征在于，
    所述单流道多腔模型的内部状态过程方程包括：阴极进口腔气体动态过程模型和阴极出口腔气体动态过程模型；
    所述阴极进口腔气体动态过程模型为：
    Figure PCTCN2019128921-appb-100008
    和
    Figure PCTCN2019128921-appb-100009
    其中，
    Figure PCTCN2019128921-appb-100010
    为阴极进口腔内氮气的压力变化率，
    Figure PCTCN2019128921-appb-100011
    为阴极进口腔内氧气的压力变化率，
    Figure PCTCN2019128921-appb-100012
    为阴极进口腔内氮气的压力，
    Figure PCTCN2019128921-appb-100013
    为阴极进口腔内氧气的压力，
    Figure PCTCN2019128921-appb-100014
    为阴极进口腔内的氧气浓度，R为理想气体常数，T fc为燃料电池内部温度，V ca为阴极控制体体积，W air为干空气进气流量，
    Figure PCTCN2019128921-appb-100015
    为入口干空气内氧气的体积分数，W 12为从阴极进口腔进入到阴极出口腔的气体流量，
    Figure PCTCN2019128921-appb-100016
    为阴极入口的氧气分压，
    Figure PCTCN2019128921-appb-100017
    为设定的阴极入口供气中氧气的分压，i in为阴极进口腔内的电流密度，A fc,in为阴极进口腔的活性面积；
    所述阴极出口腔气体动态过程模型为：
    Figure PCTCN2019128921-appb-100018
    和
    Figure PCTCN2019128921-appb-100019
    其中，
    Figure PCTCN2019128921-appb-100020
    为阴极出口腔内氮气的压力变化率，
    Figure PCTCN2019128921-appb-100021
    为阴极出口腔内氧气的压力变化率，
    Figure PCTCN2019128921-appb-100022
    为阴极出口腔内氮气的压力，
    Figure PCTCN2019128921-appb-100023
    为阴极出口腔内氧气的压力，
    Figure PCTCN2019128921-appb-100024
    为阴极出口腔内的氧气浓度，
    Figure PCTCN2019128921-appb-100025
    为阴极入口的氧气分压，
    Figure PCTCN2019128921-appb-100026
    为阴极出口腔氧气的分压，i out为阴极出口腔内的电流密度，A fc,out为阴极出口腔的活性面积，W 12为从阴极进口腔进入到阴极出口腔的气体流量，W rm为阴极尾排气 体流量；其中，
    Figure PCTCN2019128921-appb-100027
    k ca表示燃料电池阴极腔的流动阻力系数，k ca为所述燃料电池等效模型的内部状态过程方程中的所述待标定量，p ca，in为阴极入口腔的气体压力，p ca,out为阴极出口腔的气体压力，p sat为饱和水蒸气压力，p rm为尾排气体压力。
  23. 根据权利要求19所述的燃料电池内部状态模型的标定方法，其特征在于，
    S012，将燃料电池等效为包括多个流道的流道间差异模型；
    S022，结合燃料电池排气管路中液态水饱和度在重力方向上线性分布关系，建立阴极排气流量模型，所述阴极排气流量模型为所述流道间差异模型的内部状态过程方程，所述阴极排气流量模型中待标定量为线性参数和基准量组成的数据组；
    S032，所述运算参数包括第三运算参数、第四运算参数和第五运算参数，获取阴极不同流道入口气体压力作为所述第三运算参数，获取阴极不同流道出口气体压力作为所述第四运算参数，获取不同流道与初始流道间距作为所述第五运算参数；
    S042，将所述第三运算参数、所述第四运算参数和所述第五运算参数带入所述阴极排气流量模型，求得一组所述数据组；
    S052，重复步骤S032和步骤S042，获取多组所述数据组，直至所述线性参数和所述基准量的误差平方和在预设范围内，则完成对所述线性参数和所述基准量的标定。
  24. 根据权利要求23所述的燃料电池内部状态模型的标定方法，其特征在于，所述阴极排气流量模型为：
    Figure PCTCN2019128921-appb-100028
    其中，W ca,out为阴极不同流道出口的气体流量，p ca,in为阴极不同流道入口的气体压力，p ca,out为阴极不同流道出口的气体压力，k 1为流道的孔口流量系数，k 2为排气歧管的孔口流量系数，ρ 1为液态水密度，ρ g为排气气体密度，μ g为气体粘度，s为不同流道的液态水饱和度，假设不同流道的液态水饱和度按照线性分布，并且满足s＝kx+b，x为不同流道与初始流道的间距，k为线性参数，b为基准量。
  25. 根据权利要求24所述的燃料电池内部状态模型的标定方法，其特征在于，
    通过估计不同的所述线性参数和所述基准量的值，改变所述阴极不同流道入口的气体压力p ca,in和所述不同流道与初始流道的间距x，求解不同的所述阴极不同流道出口的气体 流量
    Figure PCTCN2019128921-appb-100029
    根据计算出的所述阴极不同流道出口的气体流量
    Figure PCTCN2019128921-appb-100030
    与实际测量的所述阴极不同流道出口的气体流量
    Figure PCTCN2019128921-appb-100031
    带入公式
    Figure PCTCN2019128921-appb-100032
    求解每组数据的误差平方和r 2，直至所述误差平方和r 2小于0.001，确定对应的所述线性参数和所述基准量为最优解，完成标定。
  26. 一种燃料电池内部状态模型的标定装置，其特征在于，包括：
    燃料电池等效模型确定单元，用于确定燃料电池适用的模型；
    燃料电池内部状态过程确定单元，用于结合所述燃料电池等效模型及燃料电池工作条件建立燃料电池内部状态过程方程，并确定待标定量；
    运算参数获取单元，用于获取所述燃料电池内部状态过程方程中的运算参数；
    运算参数计算单元，用于将所述运算参数带入所述单流道多腔模型的内部状态过程方程，求得一个或者一组所述待标定量；以及
    循环判断单元，用于判断是否继续获取多个或多组所述待标定量，当所述待标定量的平均值或者所述待标定量的误差平方和在阈值范围内，则不再继续获取多个或多组所述待标定量。
  27. 一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求11至17中任一项或者权利要求19至25中任一项所述方法的步骤。
  28. 一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求11至17中任一项或者权利要求19至25中任一项所述的方法的步骤。
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