CN103245920B - 一种燃料电池多功能在线测试印刷电路板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池多功能在线测试印刷电路板，在线测量燃料电池的分区电流密度分布、分区温度分布和分区交流阻抗，包括从上至下依次排列的分区流场层、温度测试层、阻抗测试层、电流密度测试层和电流收集及水流场层，所述的分区流场层与燃料电池连接，将燃料电池分割成若干个互相绝缘分区，所述的分区流场层、阻抗测试层、电流密度测试层、电流收集及水流场层、燃料电池依次连接，构成闭合回路。与现有技术相比，本发明通过测量燃料电池内部电流密度分布、温度分布、交流阻抗，能精确地反映燃料电池内部各分区的水热分布、电化学反应情况及传质传热现象，且集成化设计、完全独立于被测对象，结构简单，操作方便，全面反映电池分区性能。

Description

一种燃料电池多功能在线测试印刷电路板

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，尤其是涉及一种燃料电池多功能在线测试印刷电路板。

背景技术

燃料电池因具有高效、低污染等特点，已成为未来最具潜力的动力系统之一。随着各国政府和研究机构大量财力、物力的投入，燃料电池技术发展很快，在技术以及商业化进程方面取得一定的进展，但燃料电池依然存在许多例如成本高、稳定性和耐久性差等问题。因此测量与研究燃料电池内部分区性能参数，对理解燃料电池内部的传热传质现象，了解燃料电池的实际运行信息，优化燃料电池控制系统，提高燃料电池发电效率与运行寿命有着十分重要的意义。

燃料电池在实际运行过程中，由于传质、传热不均匀，使得局部反应进度不同，导致内部不同区域的电流密度分布、温度分布不均匀，而使得反应物及催化剂的利用率降低，电池效率降低，甚至引起电池内部腐蚀或出现反极现象，缩短电池寿命。因此测量燃料电池各分区的电流密度对于了解燃料电池内部的反应有很重要的作用。此外，燃料电池的交流阻抗是衡量电子和质子在电极内传输难易程度的主要标志，也是决定电池发电效率的关键参数。燃料电池的分区交流阻抗分布可以反映燃料电池内部湿度分布、推算水含量分布以及发电效率。

因此通过设计开发一种燃料电池多功能在线测试印刷电路板，建立一种燃料电池分区电流密度、温度及交流阻抗实时检测的方法，对于考察燃料电池内部水热分布、局部电化学反应情况、内部分区的一致性及优化燃料电池的水热操作条件等研究具有很大的指导意义。

近年来，燃料电池分区性能测量技术有了很大的发展。Wieser等人发明了一种用磁环法测量质子交换膜燃料电池内部电流密度分布。Stumper等人利用部分电极法(子电池法)及电流分布图来测量燃料电池电流密度分布。Cleghorn等人证明用印刷电路板技术来分割集流层和流场能够实现测试燃料电池分区电流密度。Geiger等人使用一种新的闭环磁环阵列霍尔传感器来测量质子交换膜燃料电池分区电流密度。Hakenjos等人发明了一种分割阳极流场方法来测量质子交换膜燃料电池分区电流密度。

已有的分区测试技术主要侧重测量分区电流密度的分布，且需要特殊设计的燃料电池或改变集流层电极，测试分区参数较少，无法使用同一装置同时测量燃料电池的电流密度、温度及交流阻抗的分布情况，无法精确反应燃料电池内部分区水热分布、电化学反应情况及传质传热现象。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种集成化程度高、可进行在线测试的燃料电池多功能在线测试印刷电路板，能在线测量燃料电池分区电流密度分布、分区温度分布和分区交流阻抗。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种燃料电池多功能在线测试印刷电路板，用于在线测量燃料电池的分区电流密度分布、分区温度分布和分区交流阻抗，所述的印刷电路板包括从上至下依次排列的分区流场层、温度测试层、阻抗测试层、电流密度测试层和电流收集及水流场层，所述的分区流场层与燃料电池连接，将将燃料电池分割成若干个互相绝缘分区，所述的分区流场层、阻抗测试层、电流密度测试层、电流收集及水流场层、燃料电池、分区流场层依次连接，构成闭合回路。

所述的分区流场层的上表面上设有将燃料电池的阳极分割成若干个互相绝缘的分区的阳极流场，所述的分区流场层、阻抗测试层、电流密度测试层、电流收集及水流场层通过连接孔实现同一分区上下层彼此连接。

所述的温度测试层由若干个埋入式热敏电阻组成，所述的若干个埋入式热敏电阻依次串联在外接稳压电源两端，形成独立的闭合回路。

所述的埋入式热敏电阻两端连接有数据采样线。

所述的阻抗测试层由数量与分区数相同的导线组成，各个分区通过导线与阻抗测试仪相连。

所述的电流密度测试层包括数量与分区数相同的埋入式定值电阻和数据采样线，所述的埋入式定值电阻连接在分区和电流收集及水流场层之间，所述的数据采样线连接在埋入式定值电阻两端。

所述的电流收集及水流场层包括电流收集层和刻在电流收集层上的水流场层，所述的水流场层与安装在燃料电池上的绝缘板形成电池加热水的水流道。

所述的电流收集层由数量与分区数相同且互相绝缘的镀金金属片组成，收集每个分区产生的电流。

该印刷电路板两端设有数据采集端口，所述的数据采样线通过该数据采集端口与数据采集和分析模块连接。

该印刷电路板两端设有阻抗测试端口，印刷电路板通过该阻抗测试端口与阻抗测试仪连接。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明是一种多层印刷电路板，集成化程度高，实现一块印刷电路板测量燃料电池的多个工作参数，全面反映燃料电池分区性能。

2、本发明的印刷电路板直接安装在燃料电池阳极处，不需要改变电池的结构，在不影响燃料电池反应的前提下，对燃料电池进行在线测试，完全独立于被测对象，结构简单，操作方便。

3、本发明配合数据采集和分析模块，实现所测数据的二维图显示，直观展现分区的性能。

附图说明

图1为本发明印刷电路板的分层结构图；

图2为本发明印刷电路板的电流密度测试层的电路原理图；

图3为本发明印刷电路板的温度测试层的原理图；

图4为本发明印刷电路板的阻抗测试层的原理图；

图5为本发明印刷电路板的水流场层的原理示意图；

图6本发明印刷电路板测试的燃料电池在工作电流为25A时分区电流密度分布二维图；

图7本发明印刷电路板测试的燃料电池在工作电流为25A时分区温度分布二维图；

图8本发明印刷电路板测试的三个分区的交流阻抗。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

一种燃料电池多功能在线测试印刷电路板，该印刷电路板配合数据采集和分析模块，可用于在线测量燃料电池分区电流密度分布、分区温度分布和分区交流阻抗，燃料电池包括阳极板、阴极板、MEA膜和氢气流道。如图1所示，所述的印刷电路板包括从上至下依次排列的分区流场层1、温度测试层2、阻抗测试层3、电流密度测试层4和电流收集及水流场层5，所述的分区流场层1、阻抗测试层3、电流密度测试层4、电流收集及水流场层5、燃料电池依次连接，构成闭合回路。

分区流场层1的上表面上设有将燃料电池的阳极分割成若干个互相绝缘的分区的阳极流场，防止各分区产生的电流横向传导。所述的分区流场层、阻抗测试层、电流密度测试层、电流收集及水流场层通过连接孔实现同一分区上下层彼此连接。

如图2所示，所述的电流密度测试层4包括数量与分区数相同的埋入式定值电阻41和数据采样线42，所述的埋入式定值电阻41连接在分区和电流收集及水流场层5之间，所述的数据采样线连接在埋入式定值电阻41两端。燃料电池每个分区产生的电流(I₁～I₄₉)，通过分区流场层上互相绝缘的分区，流经电流密度测试层的埋入式定值电阻(R₁～R₄₉)产生压降。埋入式定值电阻两端有数据采样线42，数据采集和分析模块通过数据采样线测量埋入式定值电阻两端的压降，根据欧姆定律，得出该分区产生的电流大小。燃料电池各分区产生的电流最终通过电流收集及水流场层5流向外电路。

如图3所示，所述的温度测试层2由若干个埋入式热敏电阻22组成，所述的若干个埋入式热敏电阻22依次串联在外接稳压电源21两端，形成独立的闭合回路，所述的外接稳压电源21向该电路提供已知的恒定电流。所述的埋入式热敏电阻22两端连接有数据采样线23，在线测量燃料电池的温度分布。通过测量埋入式热敏电阻(R_t1～R_t6)两端的压降，从而得出热敏电阻的阻值大小。根据热敏电阻的热系数，通过计算得出热敏电阻所在区域燃料电池的温度。

所述的阻抗测试层3由数量与分区数相同的导线组成，各个分区通过导线与阻抗测试仪相连。如图4所示，本实施例印刷电路板6与MEA膜7紧密贴合，将燃料电池分割成互相绝缘的若干个分区。将阻抗测试仪连接在印刷电路板6和阴极板8两端，从而实现燃料电池分区交流阻抗的测量。

所述的电流收集及水流场层5包括电流收集层和刻在电流收集层上的水流场层，所述的水流场层与安装在燃料电池上的绝缘板形成电池加热水的水流道。所述的电流收集层由数量与分区数相同且互相绝缘的镀金金属片组成，收集每个分区产生的电流。如图5所示为印刷电路板的水流场原理示意图。安装在燃料电池的阳极板9上的、带有凹槽的绝缘板10与印刷电路板6背部的水流场层形成电池加热水的水流道11。由于绝缘板10和印刷电路板6均为绝缘材料，故在电池加热水流动的过程中，水不会作为导体，传导各分区产生的电流。图中所示，7为MEA膜，8为阴极板，12为氢气流道。

该印刷电路板两端设有数据采集端口，所述的数据采样线通过该数据采集端口与数据采集和分析模块连接。该印刷电路板两端还设有阻抗测试端口，印刷电路板通过该阻抗测试端口与阻抗测试仪连接。

如图6所示为本发明印刷电路板测试的燃料电池在工作电流为25A时分区电流密度分布二维图。其中燃料电池反应面积为25cm²，分割成49个分区，平均电流密度为1000mA/cm²。由电流密度分布图可以看出燃料电池内部电流密度分布不均匀，最大分区电流密度约为1350mA/cm²，最大分区电流密度约为750mA/cm²。靠近入口区域的分区电流密度较大，这主要是由于入口区反应物质浓度较大，水热分布较好；而第五排第二列分区附近性能最差，这主要是因为出现“水淹”现象；出口区域附近性能较进口差约为500mA/cm²，这主要是由于出口处水较多，同时反应物质浓度较低。通过上述分析可以得出，测量分区电流密度分布对考察燃料电池内部电化学反应及分区性能非常重要。

如图7所示为本发明印刷电路板测试的燃料电池在工作电流为25A时温度分布二维图。其中燃料电池设置电池温度为70℃，但由印刷电路板所测量的分区温度分布可以看出燃料电池内部温度分布并不均匀，最大的温度为70.7℃，最小温度为67.6℃。入口区域温度低主要是因为进气流速较大，使得入口区散热较快；而中间温度最大，这主要是由中间散热不方便、中间电化学反应放热等原因所导致；出口处温度也低，这主要是由于出口处反应物质浓度小，反应放热较少。通过上述分析可以得出分区温度分布对燃料电池分区性能影响很大，是重要的分区性能参数之一。

如图8所示为本发明印刷电路板测试的分区交流阻抗，图8中，横坐标表示阻抗Z的实部Rz(Z)，单位为ohm(欧姆)，横坐标表示阻抗Z的虚部-Im(Z)。由分区阻抗图谱可以看出每个燃料电池分区交流阻抗值不同，其中分区交流阻抗实部起始位置约为0.25ohm，即燃料电池的欧姆阻抗，所选取的三个典型分区欧姆阻抗没有太大差别。而三个分区圆弧中间横坐标距离即燃料电池阳极和阴极交流阻抗不同，大约在0.3～0.4ohm左右，进口区域最小，而中间区域最大。这可能是由于中间水含量较大，淹没了部分扩散层使得燃料及氧气到达反应区域物质的量变少，而且实验证明燃料电池中间容易产生水淹，降低燃料电池的性能。由此可以看出研究燃料电池内部交流阻抗分布对理解燃料电池中传热传质现象，了解电池实际运行信息，优化燃料电池控制系统，提高燃料电池发电效率与运行寿命十分重要。

Claims (9)

1.一种燃料电池多功能在线测试印刷电路板，用于在线测量燃料电池的分区电流密度分布、分区温度分布和分区交流阻抗，其特征在于，所述的印刷电路板包括从上至下依次排列的分区流场层、温度测试层、阻抗测试层、电流密度测试层和电流收集及水流场层，所述的分区流场层与燃料电池连接，将燃料电池分割成若干个互相绝缘分区，所述的分区流场层、阻抗测试层、电流密度测试层、电流收集及水流场层、燃料电池、分区流场层依次连接，构成闭合回路；

所述的分区流场层的上表面上设有将燃料电池的阳极分割成若干个互相绝缘的分区的阳极流场，所述的分区流场层、阻抗测试层、电流密度测试层、电流收集及水流场层通过连接孔实现同一分区上下层彼此连接。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池多功能在线测试印刷电路板，其特征在于，所述的温度测试层由若干个埋入式热敏电阻组成，所述的若干个埋入式热敏电阻依次串联在外接稳压电源两端，形成独立的闭合回路。

3.根据权利要求2所述的一种燃料电池多功能在线测试印刷电路板，其特征在于，所述的埋入式热敏电阻两端连接有数据采样线。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池多功能在线测试印刷电路板，其特征在于，所述的阻抗测试层由数量与分区数相同的导线组成，各个分区通过导线与阻抗测试仪相连。

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池多功能在线测试印刷电路板，其特征在于，所述的电流密度测试层包括数量与分区数相同的埋入式定值电阻和数据采样线，所述的埋入式定值电阻连接在分区和电流收集及水流场层之间，所述的数据采样线连接在埋入式定值电阻两端。

6.根据权利要求1所述的一种燃料电池多功能在线测试印刷电路板，其特征在于，所述的电流收集及水流场层包括电流收集层和刻在电流收集层上的水流场层，所述的水流场层与安装在燃料电池上的绝缘板形成电池加热水的水流道。

7.根据权利要求6所述的一种燃料电池多功能在线测试印刷电路板，其特征在于，所述的电流收集层由数量与分区数相同且互相绝缘的镀金金属片组成，收集每个分区产生的电流。

8.根据权利要求2所述的一种燃料电池多功能在线测试印刷电路板，其特征在于，该印刷电路板两端设有数据采集端口，所述的数据采样线通过该数据采集端口与数据采集和分析模块连接。

9.根据权利要求4所述的一种燃料电池多功能在线测试印刷电路板，其特征在于，该印刷电路板两端设有阻抗测试端口，印刷电路板通过该阻抗测试端口与阻抗测试仪连接。