一种燃料电池水分布可视化在线检测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种燃料电池水分布可视化在线检测系统，包括主控制器、可视化燃料电池、湿度传感器、图像采集模块、图像处理模和分析诊断模块、终端显示设备、终端数据库；根据燃料电池特性，通过对燃料电池进行图像采集与处理，从而提取燃料电池液态水分布数据，再通过分析诊断模块对燃料电池液态水分布数据进行分析诊断，进而建立动态水分布图，以用于考察燃料电池的工作状态，实时表征显示燃料电池的水分布信息，分析影响燃料电池性能和寿命的关键因素，制定合理的燃料电池水管理策略。

A visual on-line detection system for water distribution of fuel cell

The invention discloses a fuel cell water distribution visualization online detection system, which comprises a main controller, visualization of fuel cell, humidity sensor, image acquisition module, image processing module and analysis module, terminal display device, terminal database; according to the characteristics of the fuel cell, through the image acquisition and processing of the fuel cell, and fuel cell extraction the liquid water distribution data, then analysis the diagnosis module of fuel cell water distribution data analysis and diagnosis, and then establish the dynamic water distribution map for investigation of fuel cell working state real time characterization shows that water distribution information of fuel cells, analysis of key factors influencing the performance of fuel cell and fuel cell life, making water management strategies reasonable.

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池水分布可视化在线检测系统
本专利技术属于图像采集与处理
，更为具体地讲，涉及一种燃料电池水分布可视化在线检测系统。
技术介绍
质子交换膜燃料电池(PEMFC)工作温度低、启动快、比功率高，结构简单、可靠性高、真正实现“零排放”，是目前公认的便携式电源、新能源汽车、固定发电站等的首选发电能源。燃料电池在工作过程中的主要产物是水，目前的研究表明，水在燃料电池电化学系统中的含量和分布是影响PEMFC输出功率、稳定性和寿命的主要因素之一。一方面，燃料电池的相对湿度分布情况直接影响到电池的活化程度，进而影响到电池的电流密度和工作效率；另一方面，质子交换膜若长时间工作在干燥或水淹的状态下，会导致反应物和催化剂的利用率下降，加速电池的老化，降低其使用寿命。因此，设计一种燃料电池水分布可视化在线检测系统，对于考察燃料电池的工作状态，实时表征显示燃料电池的水分布信息，分析影响燃料电池性能和寿命的关键因素，制定合理的燃料电池水管理策略，具有重要的指导意义。传统的燃料电池湿度检测方法，如：分区PCB检测，使用湿度传感器对燃料电池内部湿度分布情况进行检测，侧重于表征燃料电池局部湿度信息。考虑到湿度传感器的工作特性，其相对湿度测量范围为0-100％，对于局部相对湿度超过100％产生液态水的情况，无法准确检测其水淹程度，制定水管理策略。现有的部分水分布检测成像技术，如：中子成像技术、X光成像技术，对检测环境要求极高，目前仅适用于实验室检测。而现有的可视化水分布检测，多采用离线分析，且缺乏智能图像处理分析模块，以获取实时水分布信息。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种燃料电池水分布可视化在线检测系统，根据燃料电池特性，通过图像采集与处理，提取燃料电池液态水分布数据，进而建立动态水分布图，实现燃料电池水分布可视化在线检测。为实现上述专利技术目的，本专利技术为一种燃料电池水分布可视化在线检测系统，其特征在于，包括：一主控制器，作为系统的核心控制单元，通过输出控制指令来控制各模块的正常运行，同时用于接收湿度传感器采集的湿度分布信息；一可视化燃料电池，采用阴极可视化电堆，其阴极端部流道为镂空流道，外侧端板使用实心聚碳酸酯(PC)透明板，便于采集阴极端部流道内的液态水信息，在各节电池的阴极/阳极流道内均匀嵌入湿度传感器，用于采集各节电池的湿度分布信息；可视化燃料电池通过湿度传感器，采集各节电池的湿度分布信息，并传输给主控制器，主控制器判断电堆相对湿度达到90％的时刻时，控制器输出上传指令，启动高速摄像机开始无线上传拍摄的视频信息给主控制器；一图像采集模块，包括CPL偏振镜、高速摄像机、图传发射器、图传接收器；利用CPL偏振镜对部分反射光线进行过滤后，再通过高速摄像机实时拍摄到可视化燃料电池阴极端部流道内的液态水分布，并将视频信息记录在摄像机存储卡内，当高速摄像机收到上传指令后，高速摄像机通过AV输出线，将采集的视频传输给图传发射器，再通过WHDI的无线通信方式传输至图传接收器，图传接收器再分帧上传到图像处理模块和终端显示设备；一图像处理模块，包括背景建模、灰度处理、图像去噪、二值化处理、液态水信息提取；图像处理模块以接收到的首帧图像作为原始背景，进行背景建模，作为后续去噪处理的参考；其他帧图像经过灰度处理和去噪后，再进行二值化处理，以凸显不同形态下的液态水轮廓信息，同时提取液态水面积信息；一分析诊断模块，结合电堆的工作特性将提取的液态水面积信息进行分类，再通过设定的阈值，提取不同类型的液态水面积信息，结合流道特性计算出液态水含量，并绘制成液态水信息实时数据表或分布图，实时显示在终端设备上，同时录入终端数据库。本专利技术的专利技术目的是这样实现的：本专利技术一种燃料电池水分布可视化在线检测系统，包括主控制器、可视化燃料电池、湿度传感器、图像采集模块、图像处理模和分析诊断模块、终端显示设备、终端数据库；根据燃料电池特性，通过对燃料电池进行图像采集与处理，从而提取燃料电池液态水分布数据，再通过分析诊断模块对燃料电池液态水分布数据进行分析诊断，进而建立动态水分布图，以用于考察燃料电池的工作状态，实时表征显示燃料电池的水分布信息，分析影响燃料电池性能和寿命的关键因素，制定合理的燃料电池水管理策略。同时，本专利技术一种燃料电池水分布可视化在线检测系统还具有以下有益效果：(1)、实现了可视化燃料电池水信息的在线采集和实时显示。(2)、图像采集模块的无线传输功能，使采集的图像可实现异地处理，精简了整个水分布检测系统的体积，扩大了该系统的应用范围，如：车用燃料电池电堆。(3)、将电堆运行初期的首帧图像作为建模背景，进行降噪处理，同时结合自适应阈值二值化算法，提高了后续图像处理的有效性、可靠性。(4)、借助计算机可实现自动采集记录电堆水分布信息，描述电堆水分布状态。附图说明图1是本专利技术一种燃料电池水分布可视化在线检测系统原理框图；图2是可视化燃料电池图像采集装置结构示意图；图3是图像采集模块结构框图；图4是图像处理模块结构框图；图5是背景建模——流道原始图和二值化图对比；图6是流道水雾状态下的原始图、二值化图、背景去噪水雾二值化图对比；图7是流道水雾+水滴状态下的原始图、二值化图、背景去噪水雾二值化图、背景去噪水滴二值化图对比；图8是流道水雾+水滴+水柱状态下的原始图、二值化图、背景去噪水雾二值化图、背景去噪水滴二值化图、背景去噪水柱二值化图对比；图9是局部流道不同水状态的液态水含量统计图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本专利技术。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本专利技术的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。实施例图1是本专利技术一种燃料电池水分布可视化在线检测系统原理框图。在本实施例中，如图1所示，本专利技术一种燃料电池水分布可视化在线检测系统，其特征在于，包括：主控制器、可视化燃料电池、湿度传感器、图像采集模块、图像处理模和分析诊断模块、终端显示设备、终端数据库；主控制器作为系统的核心控制单元，通过输出控制指令来控制各模块的正常运行，同时用于接收湿度传感器采集的湿度分布信息；可视化燃料电池是在传统的质子交换膜燃料电池PEMFC的基础上改进得到，如图2所示，由于燃料电池的水在阴极产生，因此在本专利技术中，燃料电池采用阴极可视化电堆，其阴极端部流道为镂空流道，外侧端板使用实心聚碳酸酯(PC)透明板，便于采集阴极端部流道内的液态水信息，在各节电池的阴极/阳极流道内均匀嵌入湿度传感器，用于采集各节电池的湿度分布信息；湿度传感器的探头实时检测流道内湿度情况，通过外置电路，将输出的电信号经整流放大后，输入至主控制器，再经线性转化处理后，得到对应的相对湿度，当主控制器判断电堆相对湿度达到90％的时刻时，控制器输出上传指令，启动高速摄像机开始无线上传拍摄的视频信息给主控制器；图像采集模块，如图3所示包括圆偏光镜(CPL偏振镜)、高速摄像机、图传发射器、图传接收器；由于可视化燃料电池阴极端部采用镂空金属流道，摄像机直接拍摄会产生反光，因此采用CPL偏振镜，对部分反射光线进行过滤，高速摄像机就可以实时拍摄到可视化燃料电池阴极端部流道内的液态水分布，并将视频信息记录在摄像机存本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池水分布可视化在线检测系统，其特征在于，包括：一主控制器，作为系统的核心控制单元，通过输出控制指令来控制各模块的正常运行，同时用于接收湿度传感器采集的湿度分布信息；一可视化燃料电池，采用阴极可视化电堆，其阴极端部流道为镂空流道，外侧端板使用实心聚碳酸酯(PC)透明板，便于采集阴极端部流道内的液态水信息，在各节电池的阴极/阳极流道内均匀嵌入湿度传感器，用于采集各节电池的湿度分布信息；可视化燃料电池通过湿度传感器，采集各节电池的湿度分布信息，并传输给主控制器，主控制器判断电堆相对湿度达到90％的时刻时，控制器输出上传指令，启动高速摄像机开始无线上传拍摄的视频信息给主控制器；一图像采集模块，包括CPL偏振镜、高速摄像机、图传发射器、图传接收器；利用CPL偏振镜对部分反射光线进行过滤后，再通过高速摄像机实时拍摄到可视化燃料电池阴极端部流道内的液态水分布，并将视频信息记录在摄像机存储卡内，当高速摄像机收到上传上传指令后，高速摄像机通过AV输出线，将采集的视频传输给图传发射器，再通过WHDI的无线通信方式传输至图传接收器，图传接收器再分帧上传到图像处理模块和终端显示设备；一图像处理模块，包括背景建模、灰度处理、图像去噪、二值化处理、液态水信息提取；图像处理模块以接收到的首帧图像作为原始背景，进行背景建模，作为后续去噪处理的参考；其他帧图像经过灰度处理和去噪后，再进行二值化处理，以凸显不同形态下的液态水轮廓信息，同时提取液态水面积信息；一分析诊断模块，结合电堆的工作特性将提取的液态水面积信息进行分类，再通过设定的阈值，提取不同类型的液态水面积信息，结合流道特性计算出液态水含量，并绘制成液态水信息实时数据表或分布图，实时显示在终端设备上，同时录入终端数据库。...

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池水分布可视化在线检测系统，其特征在于，包括：一主控制器，作为系统的核心控制单元，通过输出控制指令来控制各模块的正常运行，同时用于接收湿度传感器采集的湿度分布信息；一可视化燃料电池，采用阴极可视化电堆，其阴极端部流道为镂空流道，外侧端板使用实心聚碳酸酯(PC)透明板，便于采集阴极端部流道内的液态水信息，在各节电池的阴极/阳极流道内均匀嵌入湿度传感器，用于采集各节电池的湿度分布信息；可视化燃料电池通过湿度传感器，采集各节电池的湿度分布信息，并传输给主控制器，主控制器判断电堆相对湿度达到90％的时刻时，控制器输出上传指令，启动高速摄像机开始无线上传拍摄的视频信息给主控制器；一图像采集模块，包括CPL偏振镜、高速摄像机、图传发射器、图传接收器；利用CPL偏振镜对部分反射光线进行过滤后，再通过高速摄像机实时拍摄到可视化燃料电池阴极端部流道内的液态水分布，并将视频信息记录在摄像机存储卡内，当高速摄像机收到上传上传指令后，高速摄像机通过AV输出线，将采集的视频传输给图传发射器，再通过WHDI的无线通信方式传输至图传接收器，图传接收器再分帧上传到图像处理模块和终端显示设备；一图像处理模块，包括背景建模、灰度处理、图像去噪、二值化处理、液态水信息提取；图像处理模块以接收到的首帧图像作为原始背景，进行背景建模，作为后续去噪处理的参考；其他帧图像经过灰度处理和去噪后，再进行二值化处理，以凸显不同形态下的液态水轮廓信息，同时提取液态水面积信息；一分析诊断模...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹见效，蔡璐瑶，彭超，李立英，曹继申，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51