一种氢燃料电池、电池寿命预测系统及方法

本发明属于氢燃料电池应用，具体涉及一种氢燃料电池、电池寿命预测系统及方法。

背景技术：

1、氢燃料电池是一种通过氢氧电化学反应把化学能转化成电能的装置，其为了让电堆内拐角处氢气排出，封装结构内部电堆存在倾斜设置，但其运行可能会受到倾斜状态的影响，进而可能出现电堆阳极的水淹问题，导致氢燃料电池发动机的性能也可能受到影响。

2、如专利文献号为cn117638183a的发明专利提出一种燃料电池封装结构，通过在进风管内设置集流罩，通过气体会使得集流罩下降，随着集流罩下降的过程中，激发接触开关工作，将电机进行通电，电机带动齿轮转动，齿轮转动使得两个齿条在隔断板上相向运动，当齿条移动的过程中，带动连接板移动，使得滑头在隔断板既定的轨迹上下直线移动，将电堆基座边沿驱动扶正，将电堆基座封装壳之间形成阻碍通道打开，利于氢气的通过。

3、上述技术在实施时，还存在如下缺陷：1.通过在进风管内设置集流罩，通过风力驱动集流罩移动来启动接触开关，长期使用会造成进风管内输送气体的风机多余的能量损耗，影响使用寿命；2.通过在燃料电池封装结构内部设置接触开关、电机、齿轮以及齿条等传动部件，无疑增加燃料电池封装结构的整体重量，并且封装结构内部受燃料电池温度影响较大，对上述传动部件使用的耐久性存疑；3.本领域技术人员无法对上述封装结构下的燃料电池的寿命进行针对性预测。

技术实现思路

1、本发明的目的就在于提供一种氢燃料电池、电池寿命预测系统及方法，以解决背景技术中提出的问题。

2、本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

3、第一方面、本发明提出了一种氢燃料电池，包括侧直板和封装壳、及设于封装壳内的电堆本体、及设于侧直板且与电堆本体连通的排气口、及设于侧直板上的控制器模块，排气口内壁设有湿度传感器，电堆本体上设有温度传感器、角度传感器和计数器；

4、所述封装壳上设有环形腔，封装壳内部与其顶部的冷却液箱形成液冷通道，环形腔内活动设有圆环件，圆环件内侧通过井字架固定所述电堆本体、外侧通过定位件与所述环形腔间形成周向运动旷量，环形腔内壁设有配合所述定位件周向运动的定位腔，定位腔内填充有热膨胀物，定位腔与液冷通道的连接处设有电热板；

5、所述角度传感器用于实时检测所述圆环件内侧的电堆本体相对水平面的倾斜角度，所述计数器用于检测圆环件内侧的电堆本体倾斜状态至水平状态的复位次数；

6、所述控制器模块用于接收湿度传感器和温度传感器的实时数据后，控制电热板启动或关闭。

7、作为本发明的进一步优化方案，位于所述封装壳一侧的所述侧直板上设有空气口和氢气口、位于封装壳另一侧的侧直板上设有排水口，所述排水口与电堆本体上的公共流道连通。

8、作为本发明的进一步优化方案，所述液冷通道通过至少两根平行的连接管贯穿所述电堆本体，电堆本体与连接管连接处具体为软质伸缩管。

9、作为本发明的进一步优化方案，所述封装壳后侧内壁设有轴套，设于所述电堆本体后侧的阻尼转轴与所述轴套内侧壁转动连接。

10、作为本发明的进一步优化方案，所述定位件为突出于所述圆环件外周的圆弧型定位杆，圆弧型定位杆末端为与所述定位腔内壁适配的活塞状结构。

11、第二方面、本发明提出了一种电池寿命预测系统，应用于对上述氢燃料电池进行寿命预测，所述系统包括：

12、测试模块，用于按设定的寿命测试方式获取若干组来自所述控制器模块获取的电堆本体温度值、及所述排气口湿度值、及氢燃料电池电压值、及所述圆环件内侧的电堆本体相对水平面的倾斜角度、及圆环件内侧的电堆本体倾斜状态至水平状态的复位次数；

13、指标确定模块，用于对若干组所述电压值进行拟合后得到电压衰减率，将电压衰减率、电池堆平均温度值和排气口平均湿度值输入预先构建的性能仿真模型中，输出包含氢燃料电池预测电堆电压和预测窜漏量在内的第一指标集，再将所述电堆本体倾斜角度的均值和复位次数的均值构成第二指标集；

14、寿命预测模块，用于将所述第一指标集分别与预设的电压区间、窜漏量区间进行对比，以确定待测燃料电池的第一失效时间，再将所述第二指标集与预设的角度区间、复位次数区间进行对比，以确定待测燃料电池的第二失效时间，基于所述第一失效时间和所述第二失效时间的均值来确定寿命预测结果。

15、作为本发明的进一步优化方案，所述对若干组所述电压值进行拟合后得到电压衰减率包括：

16、选取拟合模型对多个平均电压值进行拟合处理，得到平均电压曲线；基于所述平均电压曲线的斜率确定平均电压衰减率。

17、作为本发明的进一步优化方案，所述预先构建的性能仿真模型包括：构建性能仿真模型架构，基于怠速工况和加速变载工况获得氢燃料电池的实验数据，基于所述实验数据对性能仿真模型架构进行标定，获得训练完成的性能仿真模型。

18、第三方面、本发明提出了一种电池寿命预测方法，基于上述寿命预测系统进行寿命预测，所述方法包括：

19、s1、按设定的寿命测试方式获取若干组来自所述控制器模块获取的电堆本体温度值、及所述排气口湿度值、及氢燃料电池电压值、及所述圆环件内侧的电堆本体相对水平面的倾斜角度、及圆环件内侧的电堆本体倾斜状态至水平状态的复位次数；

20、s2、对若干组所述电压值进行拟合后得到电压衰减率，将电压衰减率、电池堆平均温度值和排气口平均湿度值输入预先构建的性能仿真模型中，输出包含氢燃料电池预测电堆电压和预测窜漏量在内的第一指标集，再将所述电堆本体倾斜角度的均值和复位次数的均值构成第二指标集；

21、s3、将所述第一指标集分别与预设的电压区间、窜漏量区间进行对比，以确定待测燃料电池的第一失效时间，再将所述第二指标集与预设的角度区间、复位次数区间进行对比，以确定待测燃料电池的第二失效时间，基于所述第一失效时间和所述第二失效时间的均值来确定寿命预测结果。

22、本发明的有益效果在于：

23、本发明通过湿度传感器和温度传感器的实时数据可自适应控制电热板启动或关闭，实现了电堆本体内部自适应排水，且电堆本体在这过程中自适应实现水平和倾斜的姿态变换，有利于电堆本体倾斜状态下拐角处的氢气排出。

24、本发明通过监测排气口湿度来启动或关闭电热板，通过热膨胀物的膨胀作为驱动力，来驱动电堆本体倾斜姿态的变换，相对于现有技术采用电机及其各传动部件的方案，该封装结构重量更低，且能耗更低，还能更加合理的利用燃料电池内部的热量。

25、本发明针对上述封装结构下的氢燃料电池，通过将电堆本体在寿命测试中获取若干组倾斜角度和复位次数，引入第二失效时间来更加精确的确定上述封装结构下的氢燃料电池的剩余使用寿命，预测针对性更好，预测结果更加精确。

技术特征：

1.一种氢燃料电池，其特征在于，包括侧直板（1）和封装壳（2）、及设于封装壳（2）内的电堆本体（9）、及设于侧直板（1）且与电堆本体（9）连通的排气口（5）、及设于侧直板（1）上的控制器模块（11），排气口（5）内壁设有湿度传感器（51），电堆本体（9）上设有温度传感器（83）、角度传感器（84）和计数器（85）；

2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池，其特征在于：位于所述封装壳（2）一侧的所述侧直板（1）上设有空气口（3）和氢气口（4）、位于封装壳（2）另一侧的侧直板（1）上设有排水口（6），所述排水口（6）与电堆本体（9）上的公共流道连通。

3.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池，其特征在于：所述液冷通道通过至少两根平行的连接管（24）贯穿所述电堆本体（9），电堆本体（9）与连接管（24）连接处具体为软质伸缩管（10）。

4.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池，其特征在于：所述封装壳（2）后侧内壁设有轴套（25），设于所述电堆本体（9）后侧的阻尼转轴与所述轴套（25）内侧壁转动连接。

5.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池，其特征在于：所述定位件（81）为突出于所述圆环件（8）外周的圆弧型定位杆，圆弧型定位杆末端为与所述定位腔（22）内壁适配的活塞状结构。

6.一种电池寿命预测系统，应用于对权利要求1所述的氢燃料电池进行寿命预测，其特征在于，所述系统包括：

7.根据权利要求6所述的一种电池寿命预测系统，其特征在于：所述对若干组所述电压值进行拟合后得到电压衰减率包括：

8.根据权利要求6所述的一种电池寿命预测系统，其特征在于：所述预先构建的性能仿真模型包括：构建性能仿真模型架构，基于怠速工况和加速变载工况获得氢燃料电池的实验数据，基于所述实验数据对性能仿真模型架构进行标定，获得训练完成的性能仿真模型。

9.一种电池寿命预测方法，基于权利要求6所述的寿命预测系统进行寿命预测，其特征在于，所述方法包括：

技术总结本发明属于氢燃料电池应用技术领域，具体涉及一种氢燃料电池、电池寿命预测系统及方法；氢燃料电池包括设于封装壳内的电堆本体、设于侧直板且与电堆本体连通的排气口、设于侧直板上的控制器模块，排气口内壁设有湿度传感器；封装壳内部与其顶部的冷却液箱形成液冷通道，环形腔内活动设有圆环件，圆环件内侧通过井字架固定电堆本体、外侧通过定位件与环形腔间形成周向运动旷量；本发明针对上述封装结构下的氢燃料电池，通过将电堆本体在寿命测试中获取若干组倾斜角度和复位次数，引入第二失效时间来更加精确的确定上述封装结构下的氢燃料电池的剩余使用寿命，预测针对性更好，预测结果更加精确。技术研发人员：王丽,郭振洋,谭长鹏,武骥,吴慕遥受保护的技术使用者：合肥工业大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29