外部提供反应物的电化学装置的内部状态监测方法及装置与流程

1.本发明涉及电化学装置技术领域，尤其涉及一种外部提供反应物的电化学装置的内部状态监测方法及装置。


背景技术：

2.电化学装置近年来在新能源行业应用广泛，但由于电化学反应涉及到复杂的氧化还原反应，很难有效地监控其内部实时运行状态。一般情况下，电化学装置集成了外部辅助设备以确保电化学反应所需反应物传输及控制。外部辅助设备通常用作电化学装置的激励信号源，发出激励信号的同时采集电流电压反馈，对内部状态进行实时诊断及状态分析。
3.目前，现有技术主要通过施加电信号扰动对电化学装置的内部状态进行监测，借助外部辅助电力装置，如dc/dc转换器，通过控制dc/dc转换器施加扰动电流，采集检测电化学装置的输出电压、电流，分析电化学装置的内部状态信息，实现对电化学装置的实时监控诊断。
4.由于介质传输特征频率和电化学特征频率相近时，上述借助外部辅助电力装置的方法将无法将二者解耦，因此在低于1 hz扰动频率下无法提取有效的内部状态信息，包括阻抗信息。


技术实现要素：

5.鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种外部提供反应物的电化学装置的内部状态监测方法及装置，用以解决现有技术在介质传输特征频率和电化学特征频率相近时无法提取电化学装置的有效内部状态信息的问题。
6.一方面，本发明实施例提供了一种外部提供反应物的电化学装置的内部状态监测方法，包括如下步骤：识别待测电化学装置启动后，对待测电化学装置输入或输出的反应物介质施加压力扰动；在施加所述压力扰动的同时，检测待测电化学装置的至少一个工作状态参数；从上述工作状态参数中提取所述压力扰动对应的特征量；将上述特征量以及对应的扰动幅值和频率输入预设特征模型，得到待测电化学装置的内部状态监测指标。
7.在上述方法的基础上改进，所述待测电化学装置包括燃料电池电堆、电解制氢装置、氯碱工业装置、电解铝装置中的至少一种；所述反应物介质包括气体、液体、固体、等离子体、波色-爱因斯坦凝聚态介质、费米子凝聚态介质中的至少一种；所述工作状态参数包括实时输出电压信号，实时输出电流信号，实时供电电压信号，或者，实时供电电流信号；所述特征量包括幅值、频率、持续时间、变化以及变化系数中的至少一种；
所述内部状态监测指标包括电化学反应介质阻抗、阴极气体湿度、氧气在阴极催化层和气体扩散层的传递系数中的至少一种。
8.进一步，所述压力扰动为低频的多频率扰动、高频的多频率扰动、低频至高频的多频率压力扰动、高频至低频的多频率扰动中的一种。
9.进一步，对于包括燃料电池电堆的电化学装置，所述反应物介质包括空气或空气尾气；并且，所述压力扰动包括：控制空压器转速改变，对待测电化学装置的输入空气施加低频至高频的压力扰动；或者，控制与待测电化学装置的空气尾气出口连接的尾排阀的开启频率改变，对待测电化学装置的空气尾气施加低频至高频的压力扰动。
10.进一步，当采用控制空压器转速改变实现输入空气的压力扰动时，所述识别待测电化学装置启动后，对待测电化学装置输入或输出的反应物介质施加压力扰动的步骤，进一步包括：启动待测电化学装置，控制空压机向燃料电池电堆内通入空气；根据待测电化学装置的实时输出电压或电流信号识别该装置是否正常运行，如果正常运行，执行下一步，否则，继续下一时刻的所述识别；前n个采样周期内，每一周期内控制空压机目标转速或电机q轴电流改变一次，以实现入堆阴极气体压力的低频扰动；后n个采样周期内，每一周期内通过空压机控制器对空压机的驱动波形的驱动波形注入高频小信号谐波，以实现入堆阴极气体压力的高频扰动。
11.进一步，所述从上述工作状态参数中提取所述压力扰动对应的特征量的步骤，进一步包括：在待测电化学装置的供电输出端口设置锁相放大器；通过所述锁相放大器，在每一采样周期内从待测电化学装置的实时输出电压和电流信号中提取当前频率的压力扰动对应的电压支路信号和电流支路信号；在上述提取的时刻，同步采集施加扰动后的燃料电池电堆的空气入口和空气尾气出口处的气体压力；将上述燃料电池电堆的空气入口和空气尾气出口处的气体压力、所述电压支路信号和电流支路信号一起作为当前频率的压力扰动对应的特征量；重复上述步骤，依次获得低频至高频的各个压力扰动对应的所有特征量。
12.进一步，所述根据上述特征量以及对应的扰动幅值和频率得到待测电化学装置的内部状态监测指标的步骤进一步包括：将低频至高频的各压力扰动对应的所有特征量以及对应的扰动幅值和频率输入事先训练好的电化学反应介质阻抗模型、阴极气体湿度模型、传递系数模型中的至少一种，得出待测电化学装置的电化学反应介质阻抗、阴极气体湿度、氧气在阴极催化层和气体扩散层的传递系数中的至少一个。
13.进一步，所述电化学反应介质阻抗模型
其中其中其中式中，为电流信号角频率的无量纲化变量；为燃料电池电流密度的无量纲化变量；i为虚数单位；u为无纲定值常数；为无量纲化的气体扩散层厚度；为气体扩散层氧气扩散无量纲化系数；为阴极催化层氧浓度无量纲化变量；为氧气孔隙扩散无量纲化系数；为双曲正切函数；cosh（）为双曲余弦函数。
14.进一步，对于包括电解制氢装置的电化学装置，所述反应物介质包括液态水；当扰动采用液体压力扰动时，所述识别待测电化学装置启动后，对待测电化学装置输入或输出的反应物介质施加压力扰动的步骤，进一步包括：启动待测电化学装置，控制循环泵向电解制氢装置内通入液态水；根据电解制氢装置的实时输出气体组分，识别该装置是否正常运行，如果正常运行，执行下一步，否则，继续下一时刻的识别；前n个采样周期内，每一周期内控制循环泵目标转速或电机q轴电流改变一次，以实现进入电解制氢装置内液体压力的低频扰动；后n个采样周期内，每一周期内通过循环泵控制器对循环泵的驱动波形注入高频小信号谐波，以实现进入电解制氢装置内液体压力的高频扰动。
15.进一步，所述从上述工作状态参数中提取所述压力扰动对应的特征量的步骤，进
一步包括：在待测电化学装置的供电端口依次设置电流传感器、锁相放大器；通过所述锁相放大器，在每一采样周期内从待测电化学装置的实时供电电流信号中提取当前频率的压力扰动对应的电流支路信号；在上述提取的时刻，同步采集施加扰动后的电解制氢装置的电解槽水路入口、氢气路出口、氧气路出口压力处的压力和温度；将上述电解槽水路入口、氢气路出口、氧气路出口压力处的压力和温度、所述电流支路信号作为当前频率的压力扰动对应的特征量；重复上述步骤，依次获得低频至高频的各压力扰动对应的所有特征量。
16.进一步，所述根据上述特征量以及对应的扰动幅值和频率得到待测电化学装置的内部状态监测指标的步骤进一步包括：将低频至高频的各压力扰动对应的特征量以及对应的扰动幅值和频率输入事先训练好的电化学反应介质阻抗模型，得出待测电化学装置的电化学反应介质阻抗。
17.进一步，所述电化学反应介质阻抗模型包括深度学习神经网络。
18.另一方面，本发明实施例还提供了一种与上述方法对应的用于外部提供反应物的电化学装置的内部状态监测装置，包括待测电化学装置、反应物介质调控器和多合一控制器；其中，所述多合一控制器与待测电化学装置的供电电极或供电输出端连接，并与所述反应物介质调控器的控制端连接；所述多合一控制器，用于启动待测电化学装置，控制反应物介质调控器向待测电化学装置内通入反应物介质；以及，对待测电化学装置输入或输出的反应物介质施加压力扰动，同时检测待测电化学装置的至少一个工作状态参数；以及，从上述工作状态参数中提取所述压力扰动对应的特征量；以及，根据上述特征量以及对应的扰动幅值和频率，得到待测电化学装置的内部状态监测指标。
19.进一步，所述待测电化学装置包括燃料电池电堆、电解制氢装置、氯碱工业装置、电解铝装置中的至少一种；所述反应物介质包括气体、液体、固体、等离子体、波色-爱因斯坦凝聚态介质、费米子凝聚态介质中的至少一种；所述工作状态参数包括实时输出电压信号，实时输出电流信号，实时供电电压信号，或者，实时供电电流信号；所述特征量包括幅值、频率、持续时间、变化以及变化系数中的至少一种；所述内部状态监测指标包括电化学反应介质阻抗、阴极气体湿度、氧气在阴极催化层和气体扩散层的传递系数中的至少一种。
20.进一步，该装置还包括dc-dc转换器；其中，多合一控制器经所述dc-dc转换器与待测电化学装置的供电电极或供电输出端连接。
21.进一步，对于包括燃料电池电堆的待测电化学装置，所述反应物介质包括空气，所述反应物介质调控器包括空压机；并且，该内部状态监测装置还包括电控三通阀；其中，所述电控三通阀的输入端一与空压机的输出端连接，其输入端二与燃料电池电堆
的空气尾气出口连接，其输出端与燃料电池电堆的空气入口连接。
22.进一步，该内部状态监测装置还包括中冷器；其中，所述中冷器的气体输入端与空压机的输出端连接，其气体输出端与电控三通阀的输入端一连接。
23.进一步，该内部状态监测装置还包括气体压力-温度一体传感器；其中，所述气体压力-温度一体传感器分别设于燃料电池电堆的空气入口和空气尾气出口的管道内壁上，其输出端与多合一控制器的输入端连接，用于检测燃料电池电堆的入堆空气、出堆空气尾气压力，发送至多合一控制器。
24.进一步，还包括排气阀；其中，所述排气阀的输入端与燃料电池电堆的空气尾气出口连接，其输出端与电控三通阀的输入端二连接，其控制端与多合一控制器的输出端连接。
25.进一步，还包括用于监测燃料电池电堆的各个待测单片的输出电压的电压巡检装置；所述电压巡检装置的输入端与所述待测电化学装置的各个单片的电压测量端均连接，其输出端与所述多合一控制器的输入端连接，以使所述多合一控制器选定待测单片，并控制所述电压巡检装置实施采集。
26.进一步，所述多合一控制器执行如下程序对待测电化学装置输入或输出的反应物介质施加压力扰动：根据待测电化学装置的实时输出电压或电流信号识别该装置是否正常运行，如果正常运行，执行下一步，否则，继续下一时刻的识别；前n个采样周期内，每一周期内控制空压机目标转速或电机q轴电流改变一次，以实现入堆阴极气体压力的低频扰动；后n个采样周期内，每一周期内通过空压机控制器对空压机的驱动波形的驱动波形注入高频小信号谐波，以实现入堆阴极气体压力的高频扰动。
27.进一步，所述多合一控制器执行如下程序完成从上述工作状态参数中提取所述压力扰动对应的特征量：在待测电化学装置的供电输出端口设置锁相放大器；通过所述锁相放大器，在每一采样周期内从待测电化学装置的实时输出电压和电流信号中提取当前频率的压力扰动对应的电压支路信号和电流支路信号；在上述提取的时刻，同步采集施加扰动后的燃料电池电堆的空气入口和空气尾气出口处的气体压力；将上述燃料电池电堆的空气入口和空气尾气出口处的气体压力、所述电压支路信号和电流支路信号一起作为当前频率的压力扰动对应的特征量；重复上述步骤，依次获得低频至高频的各个压力扰动对应的所有特征量。
28.进一步，所述多合一控制器执行如下程序完成根据上述特征量以及对应的扰动幅值和频率，得到待测电化学装置的内部状态监测指标：将低频至高频的各压力扰动对应的特征量以及对应的扰动幅值和频率输入事先训练好的电化学反应介质阻抗模型、阴极气体湿度模型、传递系数模型中的至少一种，得出待测电化学装置的电化学反应介质阻抗、阴极气体湿度、氧气在阴极催化层和气体扩散层
的传递系数中的至少一个。
29.进一步，所述电化学反应介质阻抗模型其中其中其中式中，为电流信号角频率的无量纲化变量；为燃料电池电流密度的无量纲化变量；i为虚数单位；u为无纲定值常数；为无量纲化的气体扩散层厚度；为气体扩散层氧气扩散无量纲化系数；为阴极催化层氧浓度无量纲化变量；为氧气孔隙扩散无量纲化系数；为双曲正切函数；cosh（）为双曲余弦函数。
30.进一步，对于包括电解制氢装置的待测电化学装置，所述反应物介质包括液态水，所述反应物介质调控器包括循环泵；并且，该电化学反应介质阻抗测控装置还包括氢气罐、氧气罐、氢气侧气液分离器、氧气侧气液分离器和补水槽；其中，所述氢气侧气液分离器的输入端与电解制氢装置的氢气路尾气出口连接，其气体输出端与氢气罐的进气口连接，其液体输出端经循环泵与电解制氢装置的水路入口连接；所述氧气侧气液分离器的输入端与电解制氢装置的氧气路尾气出口连接，其气体输出端与氧气罐的进气口连接，其液体输出端与所述补水槽的注水口连接。
31.进一步，该内部状态监测装置还包括散热器；其中，所述散热器的液体输入端与氢气侧气液分离器的液体输出端连接，其液体输出端
经循环泵与电解制氢装置的水路入口连接。
32.进一步，该内部状态监测装置还包括压力-温度一体传感器；其中，所述压力-温度一体传感器分别设于电解制氢装置的氢气路尾气出口、氧气路尾气出口、水路入口的管道内壁上，其输出端分别与多合一控制器的输入端连接。
33.进一步，该内部状态监测装置还包括用于分析输入气体的气体成分的气体分析仪；所述气体分析仪的输入端一与氢气侧气液分离器的气体输出端连接，其输入端二与氧气侧气液分离器的气体输出端连接，输出端与多合一控制器的输入端连接。
34.进一步，该内部状态监测装置还包括依次连接的电流传感器、用于对待测电化学装置的供电电流进行锁相放大的锁相放大器；其中，所述电流传感器的一端与待测电化学装置的供电电极连接，另一端与锁相放大器的信号输入端连接；所述锁相放大器的信号输出端与多合一控制器的输入端连接。
35.进一步，所述多合一控制器执行如下程序对待测电化学装置输入或输出的反应物介质施加压力扰动：启动待测电化学装置，控制循环泵向电解制氢装置内通入液态水；根据电解制氢装置的实时输出气体组分，识别该装置是否正常运行，如果正常运行，执行下一步，否则，继续下一时刻的识别；前n个采样周期内，每一周期内控制循环泵目标转速或电机q轴电流改变一次，以实现进入电解制氢装置内液体压力的低频扰动；后n个采样周期内，每一周期内通过循环泵控制器对循环泵的驱动波形注入高频小信号谐波，以实现进入电解制氢装置内液体压力的高频扰动。
36.进一步，所述多合一控制器执行如下程序实现从上述工作状态参数中提取所述压力扰动对应的特征量：通过所述锁相放大器，在每一采样周期内从待测电化学装置的实时供电电流信号中提取当前频率的压力扰动对应的电流支路信号；在上述提取的时刻，同步采集施加扰动后的电解制氢装置的电解槽水路入口、氢气路出口、氧气路出口压力处的压力和温度；将上述电解槽水路入口、氢气路出口、氧气路出口压力处的压力和温度、所述电流支路信号作为当前频率的压力扰动对应的特征量；重复上述步骤，依次获得低频至高频的各压力扰动对应的所有特征量。
37.进一步，所述多合一控制器执行如下程序实现根据上述特征量以及对应的扰动幅值和频率得到待测电化学装置的内部状态监测指标：将低频至高频的各压力扰动对应的特征量以及对应的扰动幅值和频率输入事先训练好的电化学反应介质阻抗模型，得出待测电化学装置的电化学反应介质阻抗。
38.进一步，所述电化学反应介质阻抗模型包括深度学习神经网络。
39.与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：1、针对由循环泵/空压机等电机提供反应物介质驱动力的电化学装置，例如，对于燃料电池电堆，可在电堆的氧气侧，直接控制空压机目标转速或电机的q轴电流实现低频扰
动，通过伺服电机控制器对电机的驱动波形注入高频小信号谐波实现高频扰动，从而进行待测电化学装置的电阻检测。
40.2、设置了锁相放大器，施加的扰动信号可采用较小的扰动信号，使用锁相放大的方式用较小的扰动实现足够好的检测效果。
41.提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。
附图说明
42.通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
43.图1示出了实施例4电化学装置的内部状态监测装置组成一示意图；图2示出了实施例4电化学装置的内部状态监测装置组成二示意图；图3示出了实施例5包括燃料电池电堆的电化学装置的内部状态监测装置的基本结构示意图；图4示出了实施例5电信号采集示意图；图5示出了实施例6包括电解制氢装置的电化学装置的内部状态监测装置的基本结构示意图。
44.附图标记：10
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多合一控制器，包含燃料电池系统控制、dc/dc控制及空压机控制等；20
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dc-dc转换器；30
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电压巡检装置（cvm）；41-设于燃料电池电堆的空气入口的气体压力-温度一体传感器；42
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设于燃料电池电堆的空气尾气出口的压力-温度一体传感器；50
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电控三通阀；60
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排气阀；70
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中冷器；81
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空压机的永磁同步电机；82
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空压机气腔构成的离心式空压机；90
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燃料电池电堆；10-电解制氢装置（电解槽）；21-氧气侧气液分离器；22-氢气侧气液分离器； 30-循环泵；40
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多合一控制器；41
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电流传感器；42
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氢气路压力-温度一体传感器；43
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氧气路压力-温度一体传感器；44-设于电解制氢装置的入水口的压力-温度一体传感器；50
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散热装置；60
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补水槽；80-气体分析仪；91
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氢气罐；92
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氧气罐。
具体实施方式
45.下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
46.在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
47.实施例1本发明的一个实施例，公开了一种外部提供反应物的电化学装置的内部状态监测方法，包括如下步骤：s1.识别待测电化学装置启动后，对待测电化学装置输入或输出的反应物介质施加压力扰动；s2.在施加所述压力扰动的同时，检测待测电化学装置的至少一个工作状态参数；s3.从上述工作状态参数中提取所述压力扰动对应的特征量；s4.将上述特征量以及对应的扰动幅值和频率输入预设特征模型，得到待测电化学装置的内部状态监测指标。
48.可选地，压力扰动包括直接施加低频、直接施加高频、先高频后低频、先低频后高频的扰动。注入空气动力学阻抗扰动的高低频无顺序需求，都可以达到测量目的。
49.优选地，待测电化学装置包括燃料电池电堆、电解制氢装置、氯碱工业装置、电解铝装置中的至少一种。
50.优选地，反应物介质包括气体、液体、固体、等离子体、波色-爱因斯坦凝聚态介质、费米子凝聚态介质中的至少一种。
51.优选地，工作状态参数包括实时输出电压信号，实时输出电流信号，实时供电电压信号，或者，实时供电电流信号；优选地，特征量包括幅值、频率、持续时间、变化以及变化系数中的至少一种。
52.优选地，内部状态监测指标包括电化学反应介质阻抗、阴极气体湿度、氧气在阴极催化层和气体扩散层的传递系数中的至少一种。
53.需注意的是，电化学反应介质阻抗不同于交流阻抗，通过对介质压力、流量施加目标扰动，并同步采集实际扰动幅值频率，电化学装置的电流、电压，根据上述采集值，得出电化学反应介质阻抗，进而估计电化学装置的状态信息。
54.值得说明的是，步骤s4中的特征量不一定是一个值，可以是一列数或者多列数组成的特征矩阵，本领域技术人员可以理解。
55.可选地，预设特征模型可以是通过试验总结参数变化规律标定系数的其他模型，例如实施例2所述的电化学反应介质阻抗模型，或者，也可以是事先训练好的深度学习网络，例如实施例3所述的电化学反应介质阻抗模型，训练数据通过标定获得，本领域技术人员能够理解。
56.上述电化学装置的内部状态监测方法，可应用在不同领域，例如sofc/mcfc/pfc/mfc(甲醇燃料电池)/pemfc/afc等各种燃料电池、制氢、氯碱工业、电解铝等。
57.优选地，所述压力扰动为低频的多频率扰动、高频的多频率扰动、低频至高频的多频率压力扰动、高频至低频的多频率扰动中的一种。信号测量的准确性与压力扰动的频率存在一定的关系。频率较低，会损失特征，频率较高时当介质传输特征频率和电化学特征频率相近，信号将无法解耦，出现较大偏差。经试验验证，采集低频至高频的多频率压力扰动能够最大程度地避免该监测方法损失特征信息，有利于提高内部状态监测结果的准确性。
58.本发明之所以通过对待测电化学装置输入或输出的反应物介质施加压力扰动而获得其内部状态监测指标，是因为：通过电化学装置的反应物介质施加压力扰动的方式施加激励，测量电化学装置的工作状态参数的响应，可以实现覆盖频率更广的状态估计，同时
相比现有技术的点扰动对整个系统工作状态的影响较小。
59.与现有技术相比，本实施例提供的内部状态监测方法通过对反应物介质施加压力、压力扰动的方式对待测电化学装置的内部状态（例如，电化学反应介质阻抗）进行测定。该方法过程简单，克服了现有技术在介质传输特征频率和电化学特征频率相近时无法提取电化学装置的有效内部状态信息的问题，使得测定过程对系统寿命影响较小，并提高了系统可靠性，能够实现覆盖频率更广的状态估计。
60.实施例2在实施例1的基础上进行改进，对于包括燃料电池电堆的电化学装置，反应物介质包括空气或空气尾气。并且，压力扰动包括：控制空压器转速改变，对待测电化学装置的输入空气施加低频至高频的压力扰动；或者，控制与待测电化学装置的空气尾气出口连接的尾排阀的开启频率改变，对待测电化学装置的空气尾气施加低频至高频的压力扰动。
61.优选地，当采用控制空压器转速改变实现输入空气的压力扰动时，步骤s1进一步包括：s11.启动待测电化学装置，控制空压机向燃料电池电堆内通入空气；s12.根据待测电化学装置的实时输出电压或电流信号识别该装置是否正常运行，如果正常运行，执行下一步，否则，继续下一时刻的所述识别；s13.前n个采样周期内，每一周期内控制空压机目标转速或电机q轴电流改变一次，以实现入堆阴极气体压力的低频扰动；例如，
±
60pa，20hz扰动；s14.后n个采样周期内，每一周期内通过空压机控制器对空压机的驱动波形的驱动波形注入高频小信号谐波，以实现入堆阴极气体压力的高频扰动。例如，
±
60pa，100000hz扰动。
62.为了将压力扰动对系统的影响降到最小，压力扰动信号可由幅值较小的扰动信号替代，压力及电流电压响应信号可以通过锁相放大，极大降低噪声的干扰，用很小的扰动产生信噪比足够好的探测信号。
63.待起始低频扰动信号稳定后，一直变换至最高频率，通过步骤s2同步测量待测电化学装置的实时输出电压和电流信号。
64.优选地，步骤s3进一步包括：s31.在待测电化学装置的供电输出端口设置锁相放大器；s32.通过所述锁相放大器，在每一采样周期内从待测电化学装置的实时输出电压和电流信号中提取当前频率的压力扰动对应的电压支路信号和电流支路信号；s33.在上述提取的时刻，同步采集施加扰动后的燃料电池电堆的空气入口和空气尾气出口处的气体压力；s34.将上述燃料电池电堆的空气入口和空气尾气出口处的气体压力、所述电压支路信号和电流支路信号一起作为当前频率的压力扰动对应的特征量；s35.重复上述步骤，依次获得低频至高频的各个压力扰动对应的所有特征量。
65.优选地，步骤s4进一步包括：s41.将低频至高频的各压力扰动对应的特征量以及对应的扰动幅值和频率输入事先训练好的电化学反应介质阻抗模型中，得出待测电化学装置的电化学反应介质阻抗。
66.s42.将低频至高频的各压力扰动对应的特征量以及对应的扰动幅值和频率输入
事先训练好的阴极气体湿度模型中，获得待测电化学装置的阴极气体湿度；s43.将低频至高频的各压力扰动对应的特征量以及对应的扰动幅值和频率输入事先训练好的传递系数模型中，获得待测电化学装置的氧气在阴极催化层和气体扩散层的传递系数。
67.优选地，步骤s41中电化学反应介质阻抗模型为其中其中其中式中，为电流信号角频率的无量纲化变量（可通过电流支路信号获得）；为燃料电池电流密度的无量纲化变量（可通过电流支路信号获得）；i为虚数单位；u为无纲定值常数（标定获得）；为无量纲化的气体扩散层厚度（标定获得）；为气体扩散层氧气扩散无量纲化系数（标定获得）；为阴极催化层氧浓度无量纲化变量（通过扰动幅值和频率标定获得）；为氧气孔隙扩散无量纲化系数（标定获得）；为双曲正切函数；cosh（）为双曲余弦函数。
68.也称阴极浓度阻抗计算的方法，下角标 h代表阴极通道。
69.与实施例1相比，本实施例提供的方法具有如下有益效果：
1.针对由空压机提供反应物介质驱动力的电化学装置，例如，对于燃料电池电堆，可在燃料电池电堆的氧气侧，直接控制空压机目标转速或电机的q轴电流实现低频扰动，通过伺服电机控制器对电机的驱动波形注入高频小信号谐波实现高频扰动，从而进行待测电化学装置的电阻或其他内部状态参数检测。
70.2.设置了锁相放大器，施加的扰动信号可采用较小的扰动信号，使用锁相放大的方式用较小的扰动实现足够好的检测效果。
71.实施例3在实施例1的基础上进行改进，对于包括电解制氢装置的电化学装置，所述反应物介质包括液态水。
72.当扰动采用液体压力扰动时，步骤s1进一步包括：s11’.启动待测电化学装置，控制循环泵向电解制氢装置内通入液态水；s12’.根据电解制氢装置的实时输出气体组分，识别该装置是否正常运行，如果正常运行，执行下一步，否则，继续下一时刻的识别；s13’.前n个采样周期内，每一周期内控制循环泵目标转速或电机q轴电流改变一次（幅值较大），以实现进入电解制氢装置内液体压力的低频扰动；s14’.后n个采样周期内，每一周期内通过循环泵控制器对循环泵的驱动波形注入高频小信号谐波，以实现进入电解制氢装置内液体压力的高频扰动。
73.待起始低频扰动信号稳定后，一直变换至最高频率，通过步骤s2同步测量待测电化学装置的供电端（电极）的电压和电流信号。
74.优选地，步骤s3进一步包括：s31’.在待测电化学装置的供电端口依次设置电流传感器、锁相放大器；s32’.通过所述锁相放大器，在每一采样周期内从待测电化学装置的实时供电电流信号中提取当前频率的压力扰动对应的电流支路信号；s33’.在上述提取的时刻，同步采集施加扰动后的电解制氢装置的电解槽水路入口、氢气路出口、氧气路出口压力处的压力和温度；s34’.将上述电解槽水路入口、氢气路出口、氧气路出口压力处的压力和温度、所述电流支路信号作为当前频率的压力扰动对应的特征量；s35’.重复上述步骤，依次获得低频至高频的各压力扰动对应的所有特征量。
75.优选地，步骤s4进一步包括：s41’.将低频至高频的各压力扰动对应的特征量以及对应的扰动幅值和频率输入事先训练好的电化学反应介质阻抗模型，得出待测电化学装置的电化学反应介质阻抗。
76.优选地，所述电化学反应介质阻抗模型可采用深度学习神经网络或者其他现有模型。
77.需说明的是，步骤s41’中的电化学反应介质阻抗模型与实施例2中的电化学阻抗模型存在实质不同，因为其反应过程不同，其输入特征量也不相同，本实施例中的电化学反应介质阻抗模型的具体变化规律较为复杂，在结果精度要求不高的前提下，可采用事先训练好的电化学反应介质阻抗模型。训练数据中的电化学反应介质阻抗可通过标定获得，例如，参见cn202011407054.1。本领域技术人员能够理解，此处不再赘述。
78.与实施例1相比，本实施例提供的方法具有如下有益效果：
1.针对由循环泵提供反应物介质驱动力的电化学装置，例如，对于电解制氢装置，直接控制循环泵目标转速或电机的q轴电流实现低频扰动，通过循环泵控制器对电机的驱动波形注入高频小信号谐波实现高频扰动，从而进行待测电化学装置的电阻或其他内部状态参数检测。
79.2.设置了锁相放大器，施加的扰动信号可采用较小的扰动信号，使用锁相放大的方式用较小的扰动实现足够好的检测效果。
80.实施例4本发明的另一个实施例，公开了一种实施例1方法对应的电化学装置的内部状态监测装置，包括待测电化学装置、反应物介质调控器和多合一控制器，如图1所示。
81.多合一控制器与待测电化学装置的电极或供电输出端连接，并与所述反应物介质调控器的控制端连接。
82.反应物介质调控器的输出端与待测电化学装置的反应物入口连接。
83.多合一控制器，用于启动待测电化学装置，控制反应物介质调控器向待测电化学装置内通入反应物介质；以及，对待测电化学装置输入或输出的反应物介质施加压力扰动，同时检测待测电化学装置的至少一个工作状态参数；以及，从上述工作状态参数中提取所述压力扰动对应的特征量；以及，根据上述特征量以及对应的扰动幅值和频率，得到待测电化学装置的内部状态监测指标。
84.优选地，该装置还包括dc-dc转换器，如图2所示。其中，多合一控制器经所述dc-dc转换器与待测电化学装置的供电电极或供电输出端连接。
85.多合一控制器，包含燃料电池系统控制、dc/dc控制及空压机控制等控制于一体。
86.优选地，待测电化学装置可以是燃料电池电堆、电解制氢装置、氯碱工业装置、电解铝装置中的至少一种。
87.优选地，反应物介质可以是气体、液体、固体、等离子体、波色-爱因斯坦凝聚态介质、费米子凝聚态介质中的至少一种。
88.优选地，内部状态监测指标可以是电化学反应介质阻抗、阴极气体湿度、氧气在阴极催化层和气体扩散层的传递系数中的至少一种。
89.与现有技术相比，本实施例提供的内部状态监测装置通过设置外部辅助设备（反应物介质调控器）对反应物介质施加压力、压力扰动的方式对待测电化学装置的阻抗进行测定。该测定装置结构简单，克服了现有技术在介质传输特征频率和电化学特征频率相近时无法提取电化学装置的有效内部状态信息的问题，使得测定过程对系统寿命影响较小，并提高了系统可靠性，能够实现覆盖频率更广的状态估计。
90.实施例5在实施例4的基础上进行改进，公开了一种实施例2方法对应的装置。待测电化学装置包括燃料电池电堆，还可以包括其他部件，实现更多的功能。
91.优选地，所述反应物介质包括空气。所述反应物介质调控器包括空压机。
92.优选地，该内部状态监测装置还包括电控三通阀、中冷器。其中，所述电控三通阀的输入端一经所述中冷器与空压机的输出端连接，其输入端二与燃料电池电堆的空气尾气出口连接，其输出端与燃料电池电堆的空气入口连接。对待测电化学装置的其他结构进行省略后保证电化学反应介质阻抗测控的基本结构如图3所示。
93.优选地，该内部状态监测装置还包括气体压力-温度一体传感器；其中，气体压力-温度一体传感器分别设于燃料电池电堆的空气入口和空气尾气出口的管道内壁上，其输出端与多合一控制器的输入端连接，用于检测燃料电池电堆的入堆空气、出堆空气尾气压力，发送至多合一控制器。
94.优选地，该内部状态监测装置还包括排气阀。其中，所述排气阀的输入端与燃料电池电堆的空气尾气出口连接，其输出端与电控三通阀的输入端二连接，其控制端与多合一控制器的输出端连接。
95.优选地，该内部状态监测装置还包括用于监测燃料电池电堆的各个待测单片的输出电压的电压巡检装置。其中，电压巡检装置的输入端与所述待测电化学装置的各个单片的电压测量端均连接，其输出端与所述多合一控制器的输入端连接，以使所述多合一控制器选定待测单片，并控制所述电压巡检装置实施采集。
96.优选地，多合一控制器执行如下程序对待测电化学装置输入或输出的反应物介质施加压力扰动：ss1.根据待测电化学装置的实时输出电压或电流信号识别该装置是否正常运行，如果正常运行，执行下一步，否则，继续下一时刻的识别；ss2.前n个采样周期内，每一周期内控制空压机目标转速或电机q轴电流改变一次，以实现入堆阴极气体压力的低频扰动；ss3.后n个采样周期内，每一周期内通过空压机控制器对空压机的驱动波形的驱动波形注入高频小信号谐波，以实现入堆阴极气体压力的高频扰动。
97.待起始低频扰动信号稳定后，一直变换至最高频率，多合一控制器通过步骤s2同步测量待测电化学装置的实时输出电压和电流信号，即同步测量对应单片电压信号（cvm）、电流信号（dc/dc），采集过程如图4所示。
98.优选地，所述多合一控制器执行如下程序完成从上述工作状态参数中提取所述压力扰动对应的特征量：ss4.在待测电化学装置的供电输出端口设置锁相放大器；ss5.通过所述锁相放大器，在每一采样周期内从待测电化学装置的实时输出电压和电流信号中提取当前频率的压力扰动对应的电压支路信号和电流支路信号；ss6.在上述提取的时刻，同步采集施加扰动后的燃料电池电堆的空气入口和空气尾气出口处的气体压力；ss7.将上述燃料电池电堆的空气入口和空气尾气出口处的气体压力、所述电压支路信号和电流支路信号一起作为当前频率的压力扰动对应的特征量；ss8.重复上述步骤，依次获得低频至高频的各个压力扰动对应的所有特征量。
99.优选地，所述多合一控制器执行如下程序完成根据上述特征量以及对应的扰动幅值和频率，得到待测电化学装置的内部状态监测指标：ss9.将低频至高频的各压力扰动对应的特征量以及对应的扰动幅值和频率输入事先训练好的电化学反应介质阻抗模型、阴极气体湿度模型、传递系数模型中的至少一种，得出待测电化学装置的电化学反应介质阻抗、阴极气体湿度、氧气在阴极催化层和气体扩散层的传递系数中的至少一个。根据计算结果控制燃料电池电堆工作参数及状态。
100.优选地，ss9中的所述电化学反应介质阻抗模型
其中其中其中式中，为电流信号角频率的无量纲化变量；为燃料电池电流密度的无量纲化变量；i为虚数单位；u为无纲定值常数；为无量纲化的气体扩散层厚度；为气体扩散层氧气扩散无量纲化系数；为阴极催化层氧浓度无量纲化变量；为氧气孔隙扩散无量纲化系数；为双曲正切函数；cosh（）为双曲余弦函数。
101.与实施例4相比，本实施例提供的装置具有如下有益效果：1.针对由空压机提供反应物介质驱动力的电化学装置，例如，对于燃料电池电堆，可在燃料电池电堆的氧气侧，直接控制空压机目标转速或电机的q轴电流实现低频扰动，通过伺服电机控制器对电机的驱动波形注入高频小信号谐波实现高频扰动，从而进行待测电化学装置的电阻或其他内部状态参数检测。
102.2.设置了锁相放大器，施加的扰动信号可采用较小的扰动信号，使用锁相放大的方式用较小的扰动实现足够好的检测效果。
103.实施例6在实施例4的基础上进行改进，对于包括电解制氢装置的待测电化学装置，所述反应物介质包括液态水，所述反应物介质调控器包括循环泵。并且，该内部状态监测装置还包括氢气罐、氧气罐、氢气侧气液分离器、氧气侧气液分离器和补水槽。
104.氢气侧气液分离器的输入端与电解制氢装置的氢气路尾气出口连接，其气体输出端与氢气罐的进气口连接，其液体输出端经循环泵与电解制氢装置的水路入口连接。
105.氧气侧气液分离器的输入端与电解制氢装置的氧气路尾气出口连接，其气体输出端与氧气罐的进气口连接，其液体输出端与所述补水槽的注水口连接。
106.优选地，该内部状态监测装置还包括散热器、压力-温度一体传感器。其中，所述散热器的液体输入端与氢气侧气液分离器的液体输出端连接，其液体输出端经循环泵与电解制氢装置的水路入口连接；压力-温度一体传感器分别设于电解制氢装置的氢气路尾气出口、氧气路尾气出口、水路入口的管道内壁上，其输出端分别与多合一控制器的输入端连接。
107.优选地，该内部状态监测装置还包括用于分析输入气体的气体成分的气体分析仪。其中，所述气体分析仪的输入端一与氢气侧气液分离器的气体输出端连接，其输入端二与氧气侧气液分离器的气体输出端连接，输出端与多合一控制器的输入端连接。
108.优选地，该内部状态监测装置还包括依次连接的电流传感器、用于对待测电化学装置的供电电流进行锁相放大的锁相放大器。其中，电流传感器的一端与待测电化学装置的供电电极连接，另一端与锁相放大器的信号输入端连接；锁相放大器的信号输出端与多合一控制器的输入端连接用于对待测电化学装置的输出电压和电流进行锁相放大的锁相放大器。通过设置锁相放大器，使得施加的扰动信号可以采用较小的扰动信号，通过锁相放大的方式实现较小的扰动产生足够清晰的检测信号，对系统寿命影响降到最低，提高系统可靠性。
109.对其他结构进行省略保证电化学反应介质阻抗测控功能的基本结构如图4所示。
110.需说明的是，待测电化学装置还可以同时包括燃料电池电堆、电解制氢装置等，通过上述方案可同时获得燃料电池电堆、电解制氢装置各自的阻抗。
111.优选地，多合一控制器执行如下程序对待测电化学装置输入或输出的反应物介质施加压力扰动：sss1.启动待测电化学装置，控制循环泵向电解制氢装置内通入液态水；sss2.根据电解制氢装置的实时输出气体组分，识别该装置是否正常运行，如果正常运行，执行下一步，否则，继续下一时刻的识别；sss3.前n个采样周期内，每一周期内控制循环泵目标转速或电机q轴电流改变一次，以实现进入电解制氢装置内液体压力的低频扰动；sss4.后n个采样周期内，每一周期内通过循环泵控制器对循环泵的驱动波形注入高频小信号谐波，以实现进入电解制氢装置内液体压力的高频扰动。
112.优选地，所述多合一控制器执行如下程序实现从上述工作状态参数中提取所述压力扰动对应的特征量：sss5.通过所述锁相放大器，在每一采样周期内从待测电化学装置的实时供电电流信号中提取当前频率的压力扰动对应的电流支路信号；sss6.在上述提取的时刻，同步采集施加扰动后的电解制氢装置的电解槽水路入口、氢气路出口、氧气路出口压力处的压力和温度；sss7.将上述电解槽水路入口、氢气路出口、氧气路出口压力处的压力和温度、所述电流支路信号作为当前频率的压力扰动对应的特征量；
sss8.重复上述步骤，依次获得低频至高频的各压力扰动对应的所有特征量。
113.优选地，所述多合一控制器执行如下程序实现根据上述特征量以及对应的扰动幅值和频率得到待测电化学装置的内部状态监测指标：sss9.将低频至高频的各压力扰动对应的特征量以及对应的扰动幅值和频率输入事先训练好的电化学反应介质阻抗模型，得出待测电化学装置的电化学反应介质阻抗。
114.优选地，所述电化学反应介质阻抗模型包括深度学习神经网络。
115.与实施例4相比，本实施例提供的装置具有如下有益效果：1.针对由循环泵提供反应物介质驱动力的电化学装置，例如，对于电解制氢装置，直接控制循环泵目标转速或电机的q轴电流实现低频扰动，通过循环泵控制器对电机的驱动波形注入高频小信号谐波实现高频扰动，从而进行待测电化学装置的电阻或其他内部状态参数检测。
116.2.设置了锁相放大器，施加的扰动信号可采用较小的扰动信号，使用锁相放大的方式用较小的扰动实现足够好的检测效果。
117.以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。