本发明涉及氢燃料电池的领域，尤其涉及氢燃料电池的热量在线监测系统及方法。
背景技术：
1、氢燃料电池作为一种清洁能源，其具有发电效率高和可持续稳定工作的特点，其广泛用作电动汽车的额电池。氢燃料电池是将储氢容器输出的氢气与空气中的氧气进行反应，从而将反应生成的化学能转换为电能，为了保证能够提供足够多的电能，通常将多个氢燃料电池单体整合形成电池堆，再利用电池堆整体输出的电能进行供电。氢燃料电池是利用自身内部的质子交换膜来完成氢气和氧气的反应，在反应过程中会产生大量热量以及电池内部的压力也会增大，若不及时将热量发散出去和降低电池内部的压力，将导致电池过热和质子交换膜发生不可逆形变，从而降低氢燃料电池的工作安全性和可靠性。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供氢燃料电池的热量在线监测系统及方法，其获取和分析氢燃料电池堆下属所有氢燃料电池单体各自的质子交换膜所在区域的温度状态数据，预测所在区域的热量变化特征信息，以此判断所在区域是否处于热量持续累积状态，对电池单体反应过程中的热量生成情况进行量化确定；当所在区域处于热量持续累积状态，基于电池单体在电池堆内部的位置，确定电池堆内部的热量传输状态信息，以此调整对电池堆的散热操作状态，实现热量的快速发散；当所在区域不处于热量持续累积状态，获取和分析所在区域的压力状态数据，判断所在区域对应的质子交换膜是否存在变形风险，以此调整电池单体的气体供给状态，有效降低电池单体的内部压力，避免质子交换膜受压变形，提高氢燃料电池的工作安全性和可靠性。
2、本发明是通过以下技术方案实现：
3、氢燃料电池的热量在线监测系统，包括：
4、温度数据获取和分析模块，用于获取氢燃料电池堆下属所有氢燃料电池单体各自的质子交换膜所在区域的温度状态数据，对所述温度状态数据进行分析，预测所述所在区域的热量变化特征信息；
5、热量累积状态判断模块，用于基于所述热量变化特征信息，判断所述所在区域是否处于热量持续累积状态；
6、热量传输状态识别模块，用于当所述所在区域处于热量持续累积状态，则基于对应氢燃料电池单体在所述氢燃料电池堆内部的位置，确定所述氢燃料电池堆内部的热量传输状态信息；
7、散热调整模块，用于基于所述热量传输状态信息，调整散热设备对所述氢燃料电池堆的散热操作状态；
8、压力数据获取和分析模块，用于当所述所在区域不处于热量持续累积状态，则获取所述所在区域的压力状态数据，对所述压力状态数据进行分析，判断所述所在区域对应的质子交换膜是否存在变形风险；
9、气体供给调整模块，用于基于所述变形风险发生与否的判断结果，调整对相应氢燃料电池单体的气体供给状态。
10、可选地，所述温度数据获取和分析模块用于获取氢燃料电池堆下属所有氢燃料电池单体各自的质子交换膜所在区域的温度状态数据，对所述温度状态数据进行分析，预测所述所在区域的热量变化特征信息，包括：
11、对氢燃料电池堆下属所有氢燃料电池单体各自的质子交换膜所在区域的空间内部进行分布式检测，得到所述所在区域不同位置点的温度变化数据；
12、对所有位置点的温度变化数据进行分析，得到每个位置点的温度变化速率信息；再基于所有位置点的温度变化速率信息，对所述所在区域的空间内部进行热量场模拟预测处理，得到所述所在区域的热量向外扩散平均速率；
13、所述热量累积状态判断模块用于基于所述热量变化特征信息，判断所述所在区域是否处于热量持续累积状态，包括：
14、将所述热量向外扩散平均速率与预设反应热量生成速率进行对比，若所述热量向外扩散平均速率小于预设反应热量生成速率，则判断所述所在区域处于热量持续累积状态；否则，判断所述所在区域不处于热量持续累积状态。
15、可选地，所述热量传输状态识别模块用于当所述所在区域处于热量持续累积状态，则基于对应氢燃料电池单体在所述氢燃料电池堆内部的位置，确定所述氢燃料电池堆内部的热量传输状态信息，包括：
16、当所述所在区域处于热量持续累积状态，则基于处于热量持续累积状态的所有氢燃料电池单体各自在所述氢燃料电池堆内部的位置及其热量累积速率，确定所述氢燃料电池堆内部的热量传输路径分布信息和每个热量传输路径对应的热量传输速率信息；
17、所述散热调整模块用于基于所述热量传输状态信息，调整散热设备对所述氢燃料电池堆的散热操作状态，包括：
18、基于所述热量传输路径分布信息和所述热量传输速率信息，调整散热设备对所述氢燃料电池堆进行冷流散热操作过程中冷流的喷射方向和喷射速率。
19、可选地，所述压力数据获取和分析模块用于当所述所在区域不处于热量持续累积状态，则获取所述所在区域的压力状态数据，对所述压力状态数据进行分析，判断所述所在区域对应的质子交换膜是否存在变形风险，包括：
20、当所述所在区域不处于热量持续累积状态，则对所述所在区域的空间内部进行分布式检测，得到所述所在区域不同位置点的压力变化数据；
21、对所有位置点的压力变化数据进行分析，得到所述所在区域对应的质子交换膜的表面压力分布信息；基于所述表面压力分布信息，判断所述质子交换膜的两侧表面受到的压力作用是否平衡，若是，则判断所述质子交换膜不存在变形风险；若否，则判断所述质子交换膜存在变形风险；
22、所述气体供给调整模块用于基于所述变形风险发生与否的判断结果，调整对相应氢燃料电池单体的气体供给状态，包括：
23、当所述质子交换膜不存在变形风险，则保持当前对相应氢燃料电池单体的氢气和空气供给流量速率不变；当所述质子交换膜存在变形风险，则降低对相应氢燃料电池单体的氢气和空气供给流量速率。
24、氢燃料电池的热量在线监测方法，包括：
25、获取氢燃料电池堆下属所有氢燃料电池单体各自的质子交换膜所在区域的温度状态数据，对所述温度状态数据进行分析，预测所述所在区域的热量变化特征信息；基于所述热量变化特征信息，判断所述所在区域是否处于热量持续累积状态；
26、当所述所在区域处于热量持续累积状态，则基于对应氢燃料电池单体在所述氢燃料电池堆内部的位置，确定所述氢燃料电池堆内部的热量传输状态信息；基于所述热量传输状态信息，调整散热设备对所述氢燃料电池堆的散热操作状态；
27、当所述所在区域不处于热量持续累积状态，则获取所述所在区域的压力状态数据，对所述压力状态数据进行分析，判断所述所在区域对应的质子交换膜是否存在变形风险；并基于所述变形风险发生与否的判断结果，调整对相应氢燃料电池单体的气体供给状态。
28、可选地，获取氢燃料电池堆下属所有氢燃料电池单体各自的质子交换膜所在区域的温度状态数据，对所述温度状态数据进行分析，预测所述所在区域的热量变化特征信息；基于所述热量变化特征信息，判断所述所在区域是否处于热量持续累积状态，包括：
29、对氢燃料电池堆下属所有氢燃料电池单体各自的质子交换膜所在区域的空间内部进行分布式检测，得到所述所在区域不同位置点的温度变化数据；
30、对所有位置点的温度变化数据进行分析，得到每个位置点的温度变化速率信息；再基于所有位置点的温度变化速率信息，对所述所在区域的空间内部进行热量场模拟预测处理，得到所述所在区域的热量向外扩散平均速率；将所述热量向外扩散平均速率与预设反应热量生成速率进行对比，若所述热量向外扩散平均速率小于预设反应热量生成速率，则判断所述所在区域处于热量持续累积状态；否则，判断所述所在区域不处于热量持续累积状态。
31、可选地，基于所述热量变化特征信息，判断所述所在区域是否处于热量持续累积状态，包括：
32、步骤s1，设δh为氢气的焓值，ist表示质子交换膜所在区域电流的值，则所述质子交换膜所在区域氢气和氧气发生氧化还原反应释放的热量为：
33、
34、在上述公式(1)中，qf为所述质子交换膜所在区域氢气和氧气发生氧化还原反应释放的热量值，n为所述质子交换膜所在区域燃料电池单体数，f为法拉第常数；
35、步骤s2，设t0为所述质子交换膜所处的环境温度，t1为阳极气体的温度，t2为阴极气体的温度，n1为进入阳极的气体摩尔流量，n2为进入阴极的气体摩尔流量，则该质子交换膜周边反应气体带入的热量为：
36、qi＝(t1-t0)n1c1+(t2-t0)n2c2 (2)
37、在上述公式(2)中，qi为所述质子交换膜周边反应气体带入的热量值，c1为进入阳极气体的比热容，c2为进入阴极气体的比热容；
38、相应地，所述质子交换膜周边反应气体带出的热量为：
39、qo＝(tout-t0)noutcout (3)
40、在上述公式(3)中，qo为所述质子交换膜周边反应气体带出的热量值，tout为流出气体的温度，nout为流出气体的摩尔流量，cout为流出气体的比热容；
41、相应地，冷却液体带走的热量计算公式如下：
42、qs＝wsρscs(tsin-tsout) (4)
43、在上述公式(4)中，qs为冷却液体带走的热量值，ws为冷却液体的流量，ρs为冷却液体的密度，cs为冷却液体的比热容，tsin、tsout分别为冷却液体进入的温度和流出的温度；
44、所述质子交换膜周边热量向外界环境的释放的值计算公式如下：
45、ql＝hls(tl-t0) (5)
46、在上述公式(5)中，ql为所述质子交换膜周边热量向外界环境的释放的值，hl为所述质子交换膜周边与外界环境的传热系数，s为所述质子交换膜周边与外界环境的接触面积，tl为所述质子交换膜周边温度；
47、步骤s3，根据上述步骤s1和s2的计算结果，判断所述质子交换膜所在区域是否处于热量累计持续累计状态，
48、
49、其中，当f(q)为0，表示所述质子交换膜所在区域不处于热量累计持续累计状态，f(q)为1，表示所述质子交换膜所在区域处于热量累计持续累计状态；并且热量累计值q＝qf+qi-qs-ql-qo。
50、可选地，当所述所在区域处于热量持续累积状态，则基于对应氢燃料电池单体在所述氢燃料电池堆内部的位置，确定所述氢燃料电池堆内部的热量传输状态信息；基于所述热量传输状态信息，调整散热设备对所述氢燃料电池堆的散热操作状态，包括：
51、当所述所在区域处于热量持续累积状态，则基于处于热量持续累积状态的所有氢燃料电池单体各自在所述氢燃料电池堆内部的位置及其热量累积速率，确定所述氢燃料电池堆内部的热量传输路径分布信息和每个热量传输路径对应的热量传输速率信息；
52、再基于所述热量传输路径分布信息和所述热量传输速率信息，调整散热设备对所述氢燃料电池堆进行冷流散热操作过程中冷流的喷射方向和喷射速率。
53、可选地，当所述所在区域不处于热量持续累积状态，则获取所述所在区域的压力状态数据，对所述压力状态数据进行分析，判断所述所在区域对应的质子交换膜是否存在变形风险；并基于所述变形风险发生与否的判断结果，调整对相应氢燃料电池单体的气体供给状态，包括：
54、当所述所在区域不处于热量持续累积状态，则对所述所在区域的空间内部进行分布式检测，得到所述所在区域不同位置点的压力变化数据；
55、对所有位置点的压力变化数据进行分析，得到所述所在区域对应的质子交换膜的表面压力分布信息；基于所述表面压力分布信息，判断所述质子交换膜的两侧表面受到的压力作用是否平衡，若是，则判断所述质子交换膜不存在变形风险；若否，则判断所述质子交换膜存在变形风险；
56、当所述质子交换膜不存在变形风险，则保持当前对相应氢燃料电池单体的氢气和空气供给流量速率不变；当所述质子交换膜存在变形风险，则降低对相应氢燃料电池单体的氢气和空气供给流量速率。
57、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
58、本技术提供的氢燃料电池的热量在线监测系统及方法获取和分析氢燃料电池堆下属所有氢燃料电池单体各自的质子交换膜所在区域的温度状态数据，预测所在区域的热量变化特征信息，以此判断所在区域是否处于热量持续累积状态，对电池单体反应过程中的热量生成情况进行量化确定；当所在区域处于热量持续累积状态，基于电池单体在电池堆内部的位置，确定电池堆内部的热量传输状态信息，以此调整对电池堆的散热操作状态，实现热量的快速发散；当所在区域不处于热量持续累积状态，获取和分析所在区域的压力状态数据，判断所在区域对应的质子交换膜是否存在变形风险，以此调整电池单体的气体供给状态，有效降低电池单体的内部压力，避免质子交换膜受压变形，提高氢燃料电池的工作安全性和可靠性。
1.氢燃料电池的热量在线监测系统，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的氢燃料电池的热量在线监测系统，其特征在于：所述温度数据获取和分析模块用于获取氢燃料电池堆下属所有氢燃料电池单体各自的质子交换膜所在区域的温度状态数据，对所述温度状态数据进行分析，预测所述所在区域的热量变化特征信息，包括：
3.如权利要求1所述的氢燃料电池的热量在线监测系统，其特征在于：所述热量传输状态识别模块用于当所述所在区域处于热量持续累积状态，则基于对应氢燃料电池单体在所述氢燃料电池堆内部的位置，确定所述氢燃料电池堆内部的热量传输状态信息，包括：
4.如权利要求1所述的氢燃料电池的热量在线监测系统，其特征在于：所述压力数据获取和分析模块用于当所述所在区域不处于热量持续累积状态，则获取所述所在区域的压力状态数据，对所述压力状态数据进行分析，判断所述所在区域对应的质子交换膜是否存在变形风险，包括：
5.氢燃料电池的热量在线监测方法，其特征在于，包括：
6.如权利要求5所述的氢燃料电池的热量在线监测方法，其特征在于：
7.如权利要求5所述的氢燃料电池的热量在线监测方法，其特征在于：
8.如权利要求5所述的氢燃料电池的热量在线监测方法，其特征在于：
9.如权利要求5所述的氢燃料电池的热量在线监测方法，其特征在于：
