CN103576095A

CN103576095A - 一种燃料电池内部性能实时检测系统及方法

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Publication number: CN103576095A
Application number: CN201210274362.0A
Authority: CN
Inventors: 林瑞; 俞佳伟; 唐文超; 张轶之; 曹春晖; 杨代军
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2012-08-02
Filing date: 2012-08-02
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2032-08-02
Also published as: CN103576095B

Abstract

本发明涉及一种燃料电池检测系统及方法，其系统包括计算机、分区性能检测PCB板、信号放大模块、数据采集模块和通用接口总线，计算机通过通用接口总线检测、运算并记录分区性能检测PCB板所测得数据，并根据算法处理成二维分布图像。与现有技术相比，本发明建立了一种研究燃料电池膜电极活性区域上非均匀电化学反应的原位诊断系统，实现对燃料电池电流密度和局部温度分布的同步测量，不干扰反应过程，克服了传统无二维可视化图像的缺陷，对于燃料电池各局部分区的故障诊断、了解燃料电池动态响应规律及电化学反应机理、研究车载燃料电池的耐久性和衰减规律及寿命预测，具有一定的理论和应用价值。

Description

一种燃料电池内部性能实时检测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种燃料电池检测系统及方法，尤其是涉及一种无干扰的燃料电池内部性能实时检测系统及方法。

背景技术

随着燃料电池事业的发展和对其商业化要求的推进，如何提高燃料电池的寿命和可靠性成为目前必须攻克的一大关键。而质子交换膜的寿命和性能受到诸多因素的影响，而这些因素的影响，直接体现在燃料电池内部电流密度、温度的分布上。电流密度分布是质子交换膜燃料电池中反应物、温度和水分布的综合体现。电流密度在活性面积区域的不均匀分布会产生内部电压的差异及面内电流，导致反应物和电催化剂的利用率下降，降低电池效率并加速其老化，最终导致电池寿命的下降。研究燃料电池内部电流密度分布以及温度的分布，有助于理解燃料电池中传热传质现象及优化电池结构与操作参数，从而改进燃料电池的设计和提高电池的性能。

因此建立一种不干扰燃料电池内部反应过程的实时检测系统，对于考察燃料电池内部物质传递与局部电化学反应耦合的变化规律、考察燃料电池局部分区的温度分布受增湿程度影响的变化规律以及考察燃料电池内部分区的弛豫特性和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。

鉴于现有方法大多数只能测量燃料电池电源整体的输出性能，无法确切了解到内部实时的电流密度分布和温度分布，且参考价值有限。然而对燃料电池内部分区的电流密度分布及温度分布检测仍旧是一个少有涉足的领域，即使采用郭烈锦等人发明的《燃料电池内部电流密度分布测量垫片》(专利号：CN 200510041871.9)，将分区电流通过与流场板的筋完全重合的电流密度分布测量垫片的筋引向外电路，再进行测量，该方法也仅能够获得燃料电池内部一维的综合电流分布，所获得的数据不够全面，且没有采用绘制二维图像的方式，无法直观并实时地表现燃料电池内部二维的电流密度分布及温度分布，不便于了解和考察燃料电池某些规律性特性。

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测量精度高、测量结果显示直观的燃料电池内部性能实时检测系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种燃料电池内部性能实时检测系统，其特征在于，包括分区性能检测PCB板、信号放大模块、数据采集模块、通用接口总线(GPIB，General-Purpose InterfaceBus)和计算机，所述的分区性能检测PCB板、信号放大模块和数据采集模块依次连接，数据采集模块通过通用接口总线与计算机连接，其中

所述的分区性能检测PCB板设在燃料电池内部，与燃料电池内部的反应层紧密贴合，分区性能检测PCB板包括多个独立的检测分区，每个检测分区内均设有电流传感电阻和温度传感电阻。

所述的分区性能检测PCB板采用多层印刷。

所述的数据采集模块具有多个数据采集通道，可同时扫描分区性能检测PCB板的各个检测分区输出的信号。

所述的通用接口总线一端与数据采集模块相连，另一端通过USB端口与计算机相连。

一种应用上述系统的燃料电池内部性能实时检测方法，包括以下步骤：

1)分区性能检测PCB板检测各个检测分区中电流传感电阻和温度传感电阻两端的电势差信号，并发送至信号放大模块；

2)信号放大模块对接收到的电势差信号进行放大，并发送至数据采集模块；

3)数据采集模块同时扫描由各个检测分区输出的电势差信号，转换成数字信号后，通过通用接口总线发送至计算机；

4)计算机对接收到的信号进行处理，获取燃料电池内部与检测分区对应的各个区域的电流密度值和温度值，并根据所述的电流密度值和温度值生成各个区域电流密度和温度的分布图像，记录于文件内。

步骤4)中计算机通过读取分区性能检测PCB板的预设参数，并根据该预设参数以及由数据采集模块接收到的信号计算获得燃料电池内部与检测分区对应的各个区域的电流密度值和温度值，所述的预设参数包括各个检测分区的面积，电流传感电阻和温度传感电阻的初始阻值、温度系数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、系统部件少，连接方便，无多余中间环节，且采用毫欧级传感电阻进行测量，故电流密度及温度分布图像可靠性高。

2、借助计算机自动采集扫描并记录，可长时间在无人值守情况下检测记录实验数据，并可进行回放。

3、根据不同分区数量及分区大小的分区性能检测PCB板的预设参数，计算机系统可灵活对不同规模的燃料电池内部性能进行检测。

4、能够在不影响燃料电池内部工作的情况下提供可靠的在线测量，有助于理解燃料电池内部发生的电化学反应，寻找到燃料电池局部差异性的内在电化学机理，提高燃料电池的可靠性、稳定性以及应对故障发生的应变性，为燃料电池结构和操作参数优化提供解决方案。

附图说明

图1为本发明的系统结构框图；

图2应用本发明的系统对燃料电池内部性能实时检测的具体方法的流程图；

图3为3×3个方形检测分区的示意图；

图4采用本系统经计算机处理得到的各检测分区的电流密度分布图；

图5采用本系统经计算机处理得到的各检测分区的温度分布图。

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。

实施例1

如图1所示，一种燃料电池内部性能实时检测系统，包括分区性能检测PCB板1、信号放大模块2、数据采集模块3、通用接口总线4和计算机5，分区性能检测PCB板1、信号放大模块2和数据采集模块3依次连接，数据采集模块3通过通用接口总线4与计算机5连接。

其中，分区性能检测PCB板1设在燃料电池内部，与燃料电池内部的反应层紧密贴合，分区性能检测PCB板1采用多层印刷技术，划分出多个独立的检测分区，每个检测分区内均设有电流传感电阻和温度传感电阻，根据电阻两端的电势差产生信号。数据采集模块3具有多个数据采集通道，可同时扫描分区性能检测PCB板的各个检测分区输出的信号。通用接口总线4的一端与数据采集模块相连，另一端通过USB端口与计算机5相连，对传输的信息进行发送和接收。

图2为应用上述系统对燃料电池内部性能实时检测的具体方法的流程图，具体包括以下步骤：

1、启动燃料电池内部性能实时检测系统，计算机读取对应分区性能检测PCB板的预设参数。

2、分区性能检测PCB板安装于燃料电池内部，并检测各个分区中电流传感电阻和温度传感电阻两端的电势差信号，并发送至信号放大模块。

3、信号放大模块对分区性能检测PCB板采集到的信号进行放大处理，并发送至多通道数据采集模块；

4、多通道数据采集模块将电信号转换成数字信号并通过通用接口总线传输至计算机。

5、计算机对接收到的信号进行处理，获取燃料电池内部与检测分区对应的各个区域的电流密度值和温度值，并根据所述的电流密度值和温度值生成各个区域电流密度和温度的分布图像，记录于文件内。

其中，电流密度的计算公式为：

i = \frac{Δ V_{1}}{r_{1} A}

i为检测分区的电流密度值，ΔV₁为检测分区的电流传感电阻两端的电势差，r₁为电流传感电阻的阻值，A为检测分区的面积；

温度的计算公式为：

t = \frac{\frac{Δ V_{2}}{I} - r_{2}}{r_{2} \cdot ϵ} + T

t为检测分区的温度值，ΔV₂为测温电阻两端电势差，I为已知恒定电流，r₂为温度传感电阻初始阻值，ε为温度传感电阻的温度系数，T为环境温度。

分布图像为二维分层设色图像，其生成主要根据以下方法：

以如图3所示的3×3个方形检测分区为例，行号为A～C，列号为01～03，则检测区域的编号为A01～C03。假定每个检测分区为正方形，设色彩分辨率为8，且检测值均匀减小，选取其中心点坐标为计算起点，与其周围的数据进行线性插值运算，获得9个数据值为12的点，并依次连接，形成一条等值线。依次类推可获得另一条数据值为4的等值线。计算完成后，3×3个方形分区被分为3块区域，0～4、4～12和12～20，按照计算机系统预设参数进行分层设色后即可获得燃料电池内部分区电流密度分布及温度分布图像。

6、在采集周期内如此循环步骤2～步骤5，可获得一系列分区电流密度和局部温度数据，根据这些数据生成及分布图，并通过显示屏输出。实际输出时，分布图像和实际检测值分别分布在屏幕左右两侧，可随时在局部温度检测和电流密度检测间切换观察。并可根据所记录的实时数据进行图像回放。

通过观察燃料电池内部总体的电流密度分布及温度分布的图像和数据，可精确定位故障发生区域、异常区域。通过与理论值数据进行误差分析，发现燃料电池内部的温度和电流密度分布的区域性差异、分布规律。通过数据和图像的变化趋势研究燃料电池性能的衰减规律，并根据大量实验变化趋势预测燃料电池寿命。

采用本系统对7x7个检测分区的电池进行检测，计算机处理得到的电流密度和温度数据分别如表1和表2所示，A01～G07为7x7检测分区的编号，r-ave和c-ave分别表示行平均值和列平均值，表1中电流密度的单位分别为mA/cm²，表2中温度的单位为℃。

表1(单位mA/cm²)

r\c	A	B	C	D	E	F	G	r-ave
									01	4	7	5	10	12	15	20	10
02	6	10	9	10	9	11	19	11
									03	2	7	7	7	9	9	20	9
04	2	9	3	7	5	7	16	7
									05	1	8	7	9	7	9	17	8
06	1	8	9	8	7	11	18	9
									07	1	9	0	4	4	6	5	3
c-ave	2	8	5	8	8	10	16	8

表2(单位℃)

r\c	A	B	C	D	E	F	G	r-ave
									01	55.6	55.6	55.6	55.0	54.0	54.0	54.0	54.8
02	55.6	55.6	55.7	55.2	54.6	54.0	54.0	55.0
									03	55.7	55.8	55.9	55.9	55.3	54.6	54.3	55.4
04	55.3	55.7	55.9	55.6	55.3	54.8	54.6	55.3
									05	54.3	54.8	55.2	55.3	55.3	54.8	54.6	54.9
06	54.3	54.3	54.6	54.7	54.6	54.2	54.2	54.4
									07	54.3	54.3	54.3	54.5	54.2	54.2	54.2	54.3
c-ave	55.0	55.2	55.3	55.2	54.8	54.4	54.3	54.9

由根据本发明中的图像生成方法分别生成二维分层设色图像，实际显示时的图像如图4和图5所示，左侧为分布图像，右侧为实际检测值。

Claims

1.一种燃料电池内部性能实时检测系统，其特征在于，包括分区性能检测PCB板、信号放大模块、数据采集模块、通用接口总线和计算机，所述的分区性能检测PCB板、信号放大模块和数据采集模块依次连接，数据采集模块通过通用接口总线与计算机连接，其中

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池内部性能实时检测系统，其特征在于，所述的分区性能检测PCB板采用多层印刷。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池内部性能实时检测系统，其特征在于，所述的数据采集模块具有多个数据采集通道，可同时扫描分区性能检测PCB板的各个检测分区输出的信号。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池内部性能实时检测系统，其特征在于，所述的通用接口总线一端与数据采集模块相连，另一端通过USB端口与计算机相连。

5.一种应用如权利要求1所述系统的燃料电池内部性能实时检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的燃料电池内部性能实时检测方法，其特征在于，步骤4)中计算机通过读取分区性能检测PCB板的预设参数，并根据该预设参数以及由数据采集模块接收到的信号计算获得燃料电池内部与检测分区对应的各个区域的电流密度值和温度值，所述的预设参数包括各个检测分区的面积，电流传感电阻和温度传感电阻的初始阻值、温度系数。