金属泡沫流场燃料电池在线水分布可视图像识别的方法

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种对燃料电池可视化流场水分布图像识别的方法。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池能量转化效率高达60-80％，是一种绿色无污染的能量转换装置，对于环境污染的有效改善，燃料电池非常适合作为交通运输装置的电力来源。液态水是燃料电池的唯一产物，研究液态水在质子交换膜燃料电池(pemfc)内部的形成过程和传输规律，有助于探明燃料电池液态水的传输机理，对研发产品提供更全面的设计及优化思路。燃料电池流场的反应物分布在膜电极上，同时也对液态水的排出产生重要影响。近年来大量研究结果表明，金属泡沫流场展现出比传统流场更为优异的性能。因此开展金属泡沫流场的可视化研究，深入了解金属泡沫流场内液态水的形成过程，流动规律及分布状态对建立优化准则具有重要意义。然而，目前针对气液两相在金属泡沫流场的研究，通常需要添加染色剂以便于区分液态水与背景的差别，导致与真实的流动过程不一致，且无法进行在线可视化的测试。这一步的难度在于液态水在金属泡沫流场中不像传统沟脊结构流场的燃料电池具有明显的分界线，液态水会分布在金属泡沫流场的任意区域。并且由于金属泡沫材料不透光，当液态水附着或停滞在流场某一位置时，会发生明显的反光。可与低反射率黑色表面的气体扩散层产生明显区别，导致阈值化处理时难以清晰捕捉水的流动过程，因为该过程具有很强的随机性，难以量化分析。因此，建立一种能够对液态水在金属泡沫流场燃料电池内不同状态进行有效区分的图像识别方法，实现在不同工作条件下对液态水含量进行定量分析，对进一步优化燃料电池性能的具有重要意义。

技术实现思路

1、针对金属泡沫材料不透光，造成可视化拍摄金属泡沫真实水流动过程的图像，本发明建立了一种能够对液态水在金属泡沫流场燃料电池内不同状态进行有效区分的图像识别方法，可以对在不同工作条件下对液态水含量进行定量分析。

2、本发明采用的技术方案是：金属泡沫流场燃料电池在线水分布可视图像识别的方法，包括图像预处理、评分、以及分类三个过程，每个过程所含的步骤如下：

3、(1)图像预处理过程：首先将未运行状态下的燃料电池中无液态水的金属泡沫流场图像作为原始图像，通过阈值化处理得到金属泡沫韧带位置信息图像，并且将金属泡沫流场区分为韧带区域与孔隙区域。然后获取运行状态下的燃料电池液态水在金属泡沫流场流动过程中的图像，并以此作为工作图像。依据对燃料电池中金属泡沫流场的拍摄结果，将原始图像、韧带位置信息图像、以及工作图像进行图像分块。

4、(2)评分过程：基于液态水在韧带及孔隙中的位置，判断液态水存在于韧带区域或孔隙区域，由于气体扩散层和韧带反光程度不一致，对液态水在韧带区域或孔隙区域赋予不同的得分方式，根据液态水在金属泡沫内的反光点，判断液滴直径，反光中心点离韧带越远，说明液滴直径越大，填满孔的可能性越大，得分越高，通过非线性映射方式，将每个分块图像得分映射到0-100区间；

5、(3)分类过程：根据分块图像得分系数高低，将得分为0-19的图像分类为无水状态；将得分为20-79的图像分类为湿润状态；将得分为80-100的图像分类为水淹状态。

6、然后对以上每个过程的计算方法进行了详述，包括：韧带区域与孔隙区域具体的划分方法与步骤；图像分块方法的步骤；利用背景差分法识别液态水，根据液态水在韧带及孔隙中的位置，判断液态水存在于韧带区域或孔隙区域的方法步骤；针对液态水在金属泡沫内的反光点，判断液滴直径，通过非线性映射方式，将每个分块图像得分映射到0-100区间的方法步骤；针对分块图像得分结果进行状态分类的方法步骤，得到连续多张的工作图像中液态水的流动规律与分布状态信息。通过连续多张图像能够捕获到液态水在金属泡沫流场内的运行过程与分布规律。

7、本发明的特点及产生的有益效果是：

8、(1)通过对韧带区域与孔隙区域工作图像与原始图像进行阈值化图像处理，有助于捕捉到液态水在金属泡沫流场内精确的流动过程。

9、(2)通过对金属泡沫流场液态水含量进行定量分析，有助于更深入的对金属泡沫流场水管理进行研究，进一步优化泡沫流场结构设计方案并制定相应的水管理策略。

10、(3)该识别方法不需要增添染色剂对液态水与韧带及气体扩散层背景进行区分，可维持真实的气液两相传输过程，提供了对在线金属泡沫流场燃料电池可视化结果进行分析的能力。

技术特征：

1.金属泡沫流场燃料电池在线水分布可视图像识别的方法，其特征在于：识别的方法包括图像预处理、评分、以及分类三个过程，每个过程所含的步骤如下：

2.根据权利要求1所述的金属泡沫流场燃料电池在线水分布可视图像识别的方法，其特征在于：所述通过阈值化处理将金属泡沫流场区划分为韧带区域与孔隙区域，具体划分步骤包括：

3.根据权利要求1所述的金属泡沫流场燃料电池在线水分布可视图像识别的方法，其特征在于：对所述原始图像、韧带位置信息图像和工作图像进行图像分块，以提高算法的效率和计算精度，具体步骤包括：

4.根据权利要求1所述的金属泡沫流场燃料电池在线水分布可视图像识别的方法，其特征在于：针对液态水在韧带及孔隙中的位置，判断所述液态水存在于韧带区域或孔隙区域，具体步骤包括：

5.根据权利要求1所述的金属泡沫流场燃料电池在线水分布可视图像识别的方法，其特征在于：针对所述液态水在金属泡沫内的反光点，判断液滴直径，通过非线性映射方式，将每个分块图像得分映射到0-100区间的步骤包括：

6.根据权利要求1所述的金属泡沫流场燃料电池在线水分布可视图像识别的方法，其特征在于：针对所述分块图像得分结果进行状态分类的步骤包括：

7.根据权利要求1所述的金属泡沫流场燃料电池在线水分布可视图像识别的方法，其特征在于：对所述一张工作图像的所有分块图像进行权利要求2至权利要求6中所述的步骤，可得到这一张工作图像上液态水的状态分布信息。

8.根据权利要求1所述的金属泡沫流场燃料电池在线水分布可视图像识别的方法，其特征在于：对连续多张的工作图像进行权利要求2至权利要求7中所述的步骤，可得到连续多张的工作图像中液态水的流动规律与分布状态信息。

9.根据权利要求1所述的金属泡沫流场燃料电池在线水分布可视图像识别的方法，其特征在于：所述分块图像的维度决定工作图像液态水的识别精度，需保证分块图像能清晰的显示出所述韧带与孔隙的位置关系，通过连续多张图像能够捕获到液态水在所述金属泡沫流场内的运行过程与分布规律。

技术总结
本发明公开了一种金属泡沫流场燃料电池在线水分布可视图像识别的方法，其技术方法包括图像预处理、评分、以及分类三个过程。然后对以上每个过程的计算方法进行了详述。包括：韧带与孔隙区域的划分；图像分块机制；利用背景差分法识别液态水，根据液态水的位置判断其在韧带或孔隙区域。通过判断液滴直径，将每个分块图像得分映射到0‑100区间，依据得分结果进行状态分类，由此得到连续多张工作图像中液态水的流动规律与分布状态信息。本发明不需增添染色剂对液态水与韧带及扩散层背景进行区分，可维持真实的气液传输过程，提供了对在线金属泡沫流场燃料电池可视化结果进行分析的能力。有助于优化泡沫流场结构设计并制定相应的水管理策略。

技术研发人员：王天友,李启锋,孙凯
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/7