CN108562783A - 一种燃料电池冷启动电流密度和温度的分区测试系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池冷启动电流密度和温度的分区测试系统，所述的燃料电池系统包括燃料电池、热电偶、冰浴器、进气系统模块、高低温交变箱、冷却管、数据采集模块、数据处理模块、负载。所述的测试方法为电流密度测试板放置在阳极；阴极流场板和阴极端板均有插孔，热电偶放入到插孔中；冰浴器为热电偶提供冷端补偿；设定高低温交变箱内的温度为冷启动的环境温度；进气系统模块给燃料电池提供氧化剂和燃料，并连接上负载，使其正常工作；数据采集模块采集采样电阻的电压以及热电偶的热电势；数据处理模块将采集到的信号转化为燃料电池各时刻的电流密度分布图和温度分布图。与现有技术相比，本发明制作成本低、测量准确、结构简单等优点。

Description

一种燃料电池冷启动电流密度和温度的分区测试系统和方法

技术领域

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池冷启动电流密度和温度的分区测试系统和方法。

背景技术

能源是人类赖以生存的物质基础，同时也是经济增长的动力来源。目前人们对煤炭、石油、天然气等能源的利用方式中，绝大部分都存在着利用率低下和环境污染等问题。为了适应当今社会经济高速发展，开发清洁可持续的能源，提高能源的利用效率已经成为了当今社会迫切需要解决的问题。由于燃料电池本身具有对环境无污染、能量转换率高、可靠性高等优点，在新能源汽车行业、移动电源和中小型电站等方面具有广阔的发展前景。尽管全球都在积极推进燃料电池的发展和应用，但是仍然存在着大量的问题，例如可靠性、耐久性、冷启动问题等。燃料电池内的电流密度和温度的分布对电池的性能及可靠性有着极大的影响，也是进行有效热管理的重要依据。

因此设计开发一种有效的燃料电池电流密度和温度的分区测试系统，建立一种测量准确的燃料电池分区电流密度和温度的测量方法，对研究电池内部的传热传质和相变、提高电池性能、改进电池的结构等方面有重要的指导意义。

鉴于目前的分区测试系统和方法，大多结构复杂且不能准确反映电池内部的电流密度和温度分布，例如林瑞等人的《一种燃料电池内部性能实时检测系统及方法》(专利号：CN103576095A)，把电流密度采样电阻和热敏电阻埋入到电路板，然后把电路板放置在阳极测量燃料电池的电流密度和温度，但是现阶段国内外的埋阻技术还不太成熟，制作成本昂贵且埋阻阻值的精度难已控制，故此电路板另需电阻标定设备对分区测试板的埋入式电阻进行标定，加大了测量的难度，另一方面，电池温度的测量没有放置在阴极，电路板的材料环氧树脂导热系数仅为0.2103W/mK，且埋入式热敏电阻层和分区测试板上表面有一定的距离，这会导致无法准确测量电池内部的温度变化。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种燃料电池冷启动电流密度和温度的分区测试系统及方法，用于测试燃料电池各个分区的电流密度和温度，具有制作成本低、测量准确、结构简单等优点。

为达到上述目的，采用技术方案如下：

一种燃料电池冷启动电流密度和温度的分区测试系统，所述燃料电池包括阳极端板、电流密度测试板、膜电极组件、阴极流场板、阴极端板；所述的电流密度测试板放置在电池的阳极，并按照阳极端板、电流密度测试板、膜电极组件、阴极流场板、阴极端板的顺序组装成燃料电池；所述的阴极流场板和阴极端板均有插孔

所述测试系统包括上述燃料电池、采样电阻、热电偶、冰浴器、进气系统模块、高低温交变箱、冷却管、数据采集模块、数据处理模块、负载；

所述的电流密度测试板、采样电阻、数据采集模块与数据处理模块依次相连；所述的热电偶通过插孔插入到阴极流场板的内部，再与冰浴器、数据采集模块和数据处理模块依次相连；所述的进气系统模块、冷却管与燃料电池依次连接；所述的负载与燃料电池连接；

所述的电流密度测试板第一层分为若干个相互绝缘的镀金铜箔分区，镀金铜箔上刻有气体流道，每个分区岸上的铜箔收集膜电极中的电流，第二层铜箔通过金属孔把岸上铜箔的电流汇总，然后汇总电流通过导线和金属孔传递到电池外部的采样电阻，采样电阻的另一端与接线端连接，所述的采样电阻通过采样线与数据采集模块相连。

所述的阴极流场板虚分为若干个分区，在每个流场分区的后部皆有一个热电偶插孔，所述的热电偶包括热电偶丝、接线盒、引线三部分，所述的引线在冰浴器中与采样线连接在一起，然后与数据采集模块相连。

按上述方案，所述的高低温交变箱为燃料电池提供冷启动温度环境；所述的燃料电池、热电偶和冷却管放置在高低温交变箱内，所述的进气系统模块通过冷却管向燃料电池提供氧化剂和燃料，所述的冷却管降低氧化剂和燃料的温度；

按上述方案，所述的采样电阻阻值范围为0.001-0.1Ω。

燃料电池冷启动电流密度和温度的分区测试方法，包括以下步骤：

1)电流密度测试板放置在阳极，然后将燃料电池组装起来，最后将热电偶放入到阴极流场板和端板的插孔中；

2)设定冰浴器的温度为0℃，为热电偶提供冷端补偿；

3)设定高低温箱内的温度为冷启动的环境温度，并使温度到达设定的温度；

4)进气系统模块通过冷却管向燃料电池提供氧化剂和燃料，燃料电池连接负载单元，正常工作；

5)数据采集模块采集采样电阻的电压以及热电偶的热电势，并将信号传送到数据处理模块。

6)数据处理模块将采集到的信号转化为燃料电池各时刻的电流密度分布图和温度分布图。

按上述方案，所述的燃料电池各分区电流密度根据测量各分区采样电阻的电压，然后根据欧姆定律得到分区的电流大小，进而求得电流密度。

按上述方案，所述的燃料电池内部各分区温度根据测量热电偶的热电势信号，然后根据热电偶分度表得到温度值。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

电流密度测试板放置在阳极，热电偶放置在阴极且不破坏燃料电池的结构，更合理的实现对燃料电池温度内部的测量。

电流测试板上的采样电阻阻值精确，且不需要阻值标定，操作步骤得到简化。

热电偶的测量端与膜电极距离较近且响应速度快，更适用于测量燃料电池冷启动中的温度变化。

附图说明

图1：燃料电池电流密度和温度的分区测试系统的示意图；

图2：电流密度测试板上表面示意图；

图3：电流密度测试板内部原理示意图；

图4：热电偶的安装方法示意图。

其中，1-阳极端板；2-电流密度测试板；3-膜电极组件；4-阴极流场板；5-阴极端板；6-燃料电池7-热电偶；8-冰浴器；9-进气系统模块；10-高低温交变箱；11-冷却管；12-数据采集模块；13-数据分析模块；14-负载；15-采样电阻；16-采样线；17-引线；18-接线端；19-金属孔。

具体实施方式

以下实施例进一步阐释本发明技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，一种燃料电池冷启动电流密度和温度的分区测试系统，所述的燃料电池6包括阳极端板1、电流密度测试板2、膜电极组件3、阴极流场板4、阴极端板5，所述的电流密度测试板2放置在电池的阳极，并按照阳极端板1、电流密度测试板2、膜电极组件3、阴极流场板4、阴极端板5的顺序组装成燃料电池6，所述的阴极流场板4和阴极端板5均有插孔，所述的测试系统包括燃料电池6、热电偶7、冰浴器8、进气系统模块9、高低温冷变箱10、冷却管11、数据采集模块12、数据处理模块13、负载14。所述的燃料电池6、热电偶7、冷却管11放置在高低温冷变箱10中，所述的电流密度测试板2、采样电阻15、数据采集模块12、数据处理模块13相连，所述的热电偶7依次与冰浴器8、数据采集模块12、数据处理模块13相连，所述的进气系统模块9、冷却管11与燃料电池6依次连接，所述的负载14与燃料电池6连接。

所述的高低温冷变箱10用于模拟燃料电池运行的低温环境。

所述的进气系统模块9通过冷却管11向燃料电池6提供氧化剂和燃料，所述的冷却管11降低氧化剂和燃料的温度。

所述的热电偶7包括热电偶丝、接线盒、引线17三部分，所述的引线17在冰浴器8中与采样线16连接在一起，然后与数据采集模块12相连。所述的冰浴器8为热电偶7提供冷端补偿，温度设置为0℃。

如图2所示，所述的电流密度测试板2，利用PCB加工技术，在电路板的第一层覆有若干个相互绝缘的镀金铜箔分区，使得分区之间电流不会横向流动，然后在镀金铜箔分区上加工出气体流道，在测量燃料电池分区电流密度时，气体在流道内流动，岸上的镀金铜箔与膜电极紧密接触，负责把分区所对应膜电极中的电流传导出来。电流密度测试板2的上部有采样电阻15和接线端18。

如图3所示，第一层铜箔收集膜电极中的电流，第二层铜箔通过金属孔19汇总分区的电流，然后汇总电流通过导线和金属孔19传递电池外部的采样电阻15，采样电阻15的另一端与接线端18连接。采样电阻15的两侧通过采样线16与数据采集模块12连接。采样电阻15阻值范围为0.001-0.1Ω，且阻值精确。

如图4所示，所述的热电偶7放入到阴极流场板4和阴极端板5的插孔中测试电池内的温度分布。

所述的插孔个数、热电偶个数、采样电阻个数和分区个数相同，均为n。

一种燃料电池冷启动电流密度和温度的分区测试方法，包括以下步骤：

(1)电流密度测试板2放置在阳极，然后将燃料电池6组装起来，最后将热电偶7放入到阴极流场板4和阴极端板5的插孔中；

(2)设定冰浴器8的温度为0℃，为热电偶7提供冷端补偿；

(3)设定高低温箱10内的温度为冷启动的环境温度，并使温度到达设定的温度；

(4)进气系统模块9通过冷却管11向燃料电池提供氧化剂和燃料，燃料电池6连接负载单元14，正常工作；

(5)数据采集模块12采集采样电阻15的电压以及热电偶7的热电势，并将信号传送到数据处理模块13。

(6)数据处理模块13将采集到的信号转化为燃料电池各时刻的电流密度分布图和温度分布图。

所述的分区电流密度通过测量各分区采样电阻15的电压，由于已知采样电阻15的阻值，然后根据欧姆定律得到分区的电流密度。

所述的分区温度通过测量热电偶7的热电势信号，然后根据热电偶分度表得到分区的温度。

Claims (6)

1.一种燃料电池冷启动电流密度和温度的分区测试系统，其特征在于所述燃料电池包括阳极端板、电流密度测试板、膜电极组件、阴极流场板、阴极端板；所述的电流密度测试板放置在电池的阳极，并按照阳极端板、电流密度测试板、膜电极组件、阴极流场板、阴极端板的顺序组装成燃料电池；所述的阴极流场板和阴极端板均有插孔

所述测试系统包括上述燃料电池、采样电阻、热电偶、冰浴器、进气系统模块、高低温交变箱、冷却管、数据采集模块、数据处理模块、负载；

所述的电流密度测试板、采样电阻、数据采集模块与数据处理模块依次相连；所述的热电偶通过插孔插入到阴极流场板的内部，再与冰浴器、数据采集模块和数据处理模块依次相连；所述的进气系统模块、冷却管与燃料电池依次连接；所述的负载与燃料电池连接；

所述的电流密度测试板第一层分为若干个相互绝缘的镀金铜箔分区，镀金铜箔上刻有气体流道，每个分区岸上的铜箔收集膜电极中的电流，第二层铜箔通过金属孔把岸上铜箔的电流汇总，然后汇总电流通过导线和金属孔传递到电池外部的采样电阻，采样电阻的另一端与接线端连接，所述的采样电阻通过采样线与数据采集模块相连。

所述的阴极流场板虚分为若干个分区，在每个流场分区的后部皆有一个热电偶插孔，所述的热电偶包括热电偶丝、接线盒、引线三部分，所述的引线在冰浴器中与采样线连接在一起，然后与数据采集模块相连。

2.如权利要求1所述燃料电池冷启动电流密度和温度的分区测试系统，其特征在于所述的高低温交变箱为燃料电池提供冷启动温度环境；所述的燃料电池、热电偶和冷却管放置在高低温交变箱内，所述的进气系统模块通过冷却管向燃料电池提供氧化剂和燃料，所述的冷却管降低氧化剂和燃料的温度。

3.如权利要求1所述燃料电池冷启动电流密度和温度的分区测试系统，其特征在于所述的采样电阻阻值范围为0.001-0.1Ω。

4.利用权利要求1所述测试系统的燃料电池冷启动电流密度和温度的分区测试方法，其特征在于包括以下步骤：

1)电流密度测试板放置在阳极，然后将燃料电池组装起来，最后将热电偶放入到阴极流场板和端板的插孔中；

2)设定冰浴器的温度为0℃，为热电偶提供冷端补偿；

3)设定高低温箱内的温度为冷启动的环境温度，并使温度到达设定的温度；

4)进气系统模块通过冷却管向燃料电池提供氧化剂和燃料，燃料电池连接负载单元，正常工作；

5)数据采集模块采集采样电阻的电压以及热电偶的热电势，并将信号传送到数据处理模块。

6)数据处理模块将采集到的信号转化为燃料电池各时刻的电流密度分布图和温度分布图。

5.如权利要求4所述燃料电池冷启动电流密度和温度的分区测试方法，其特征在于燃料电池各分区电流密度根据测量各分区采样电阻的电压，然后根据欧姆定律得到分区的电流大小，进而求得电流密度。

6.如权利要求4所述燃料电池冷启动电流密度和温度的分区测试方法，其特征在于燃料电池内部各分区温度根据测量热电偶的热电势信号，然后根据热电偶分度表得到温度值。