CN109065919A - 一种可自动检测性能的质子交换膜燃料电池结构 - Google Patents

一种可自动检测性能的质子交换膜燃料电池结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可自动检测性能的质子交换膜燃料电池结构，主要包括燃料电池和检测系统，所述燃料电池包括依次布置的阳极盖板、阳极流场板、催化板、质子交换膜、阴极流场板和阴极盖板，燃料电池的外部设有加热片；所述检测系统主要包括多个并列布置的微传感装置，以及依次与微传感装置连接的信号处理模块、数据采集模块和PC上位机数据处理模块。本发明的有益效果为：本发明利用微传感装置实时检测燃料电池内的温度和电压，并通过PC上位机数据处理模块对采集的数据进行处理并发送控制指令，利用单片机控制模块对输入燃料电池内的氢气流量和空气流量进行反馈控制，通过控制压电陶瓷片振动控制吸水芯吸水，调节电池内部含水量，保证了燃料电池的性能，保证燃料电池的安全高效运行。

Description

一种可自动检测性能的质子交换膜燃料电池结构
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，具体涉及一种可自动检测性能的质子交换膜燃料电池结构。
背景技术
传统电池是由化学能到热能再由热能转化为机械能，最后由机械能产生电能，效率低且复杂。燃料电池将化学能直接转化为电能，源源不断供给燃料就可以源源不断产生电能，这是与传统电池的关键性区别。燃料电池产生电流的大小与反应物、电极和电解质的接触面积成正比，燃料电池的面积增加一倍产生的电流大约也会增加一倍。
燃料电池的化学反应燃料电池的主要燃料是氢气和空气，产物是水。显然，氢气的流量、温度、湿度以及压强和空气的流量、温度、湿度以及压强将对燃料电池组的性能产生非常重要的影响。此外，燃料电池组本身的温度也将对它自身的性能产生非常重要的影响，燃料电池组受本身内阻抗及化学能难以100％转化为电能等因素的影响，电池组的温度无法保证一直处于期望值。通过测试控制平台对固定电堆的测试，并根据实验需要对各种参数进行修改，测试电堆的反应过程来控制氢气、氧气的温度、压力、湿度、流量以及控制冷却系统的冷却液的流量和温度，来改善燃料电池的性能，显得非常重要。
燃料电池通常是在催化剂的作用下直接将化学能转化成电能，理论上只要能够及时地为燃料电池补充燃料，那么其能量输出可以认为是无限的，因此燃料电池被视为现阶段化石燃料最理想的替代产品之一。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种低温燃料电池，由于其电解质是由质子(H+)导电聚合物构成而得其名，在原理上相当于水电解的“逆”装置。PEMFC的半电池反应和总反应可表示如下：
阳极反应为：H2→2H++2e-
阴极反应为：
总反应:
质子交换膜燃料电池性能优越，结构简单、燃料易得且便于储存、比能量密度高、燃料补充迅速。此外，还具备以下特点：工作温度低，在室温下可快速启动；可以氢气、天然气/甲醇重整气等为燃料，以空气为氧化剂；运行安静，污染排放低；功率密度高，机动性好，在催化剂的作用下与氧气快速反应放电。因此，质子交换膜燃料电池具有代替锂离子电池等可充电电源的巨大潜力。
如何进一步提高燃料电池的效率是当今研究的热点，提高PEMFC功率密度是PEMFC研究的重要目标。在PEMFC产生直流电的同时，水和热也会产生，且对PEMFC性能影响至关重要。研究表明，PEMFC的性能与PEMFC运行时操作参数密切相关，不合理的操作参数将导致PEM干涸或者水淹，导致PEMFC的电流分布不均和功率密度下降。因此，对操作参数的监测显得尤为重要，合适的传感器设计以及监测，对提高PEMFC的性能和寿命具有重要意义。
在PEMFC的工作过程中，电池内部子单元工作状态可分为正常/非正常工作状态。非正常工作状态受到的影响因素包括装配和操作方面的气体流量、温度、电池的温度、压力；结构方面的流场参数、膜电极活性面积；材料方面如双极板、扩散层、膜的材料等。这些影响因素在会使电流分布不均，进而导致电池局部高温，引起恶性循环，影响PEMFC的使用寿命。如果能实时监测PEMFC内部电流分布情况，便可以及时采取一定的应对措施，故实时监测电池内部电流密度分布情况对PEMFC的应用推广显得极为重要。
由于燃料电池本身是一个非常复杂的物理化学过程的系统，其输入输出也是不同类型的物理量(反应物的组分浓度、气体压力、温度和湿度以及输出的电压和电流密度)，因此，一个实用的燃料电池测试装置必须具备精确检测这些物理量的性能。PEMFC检测在研发阶段十分重要，而且在投入使用之后对于维持燃料电池的正常工作也极为重要，通过检测程序，能够知晓电池的运行工况。PEMFC测试的关键在于精确测量温湿度、压力、流量、电压电流分布，为提高燃料电池的性能提供正确的操作参数指导。燃料电池需要在一定的温度和湿度下工作，通过控制和调节燃料的温度以及湿度使燃料电池的性能达到最佳，从而提高燃料电池的运行效率，加湿以及加热氢气到指定温度和湿度，提高燃料电池的启动速度、保证定量供给燃料到电池阳极。在电池运行时，温度和水淹现象十分影响质子交换膜燃料电池的性能。燃料电池内不存在均匀的变化条件，已有对这些条件的研究都是在mm级且用的是破坏性的或者仿真的方法，均未能获得电池内部的数据。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种可检测自身性能并反馈控制的灵敏度高的可自动检测性能的质子交换膜燃料电池结构。
本发明采用的技术方案为：一种可自动检测性能的质子交换膜燃料电池结构，主要包括燃料电池和检测系统，所述燃料电池包括依次布置的阳极盖板、阳极流场板、催化板、质子交换膜、阴极流场板和阴极盖板，燃料电池的外部设有加热片；所述检测系统主要包括多个并列布置的微传感装置，以及依次与微传感装置连接的信号处理模块、数据采集模块和PC上位机数据处理模块，所述微传感装置分别设于阳极流场板和阴极流场板内，用于监测燃料电池内的温湿度信号和电压信号，并将温湿度信号和电压信号发送至信号处理模块，信号处理模块接收温湿度信号和电压信号并处理成数据采集模块可识别的温湿度信号和电压信号；数据采集模块采集温湿度信号和电压信号，并发送至PC上位机数据处理模块；PC上位机数据处理模块与加热片相连，接收并分析处理温湿度和电压信号，根据分析处理的结果发送控制信号，控制加热片的加热温度。
按上述方案，所述检测系统还包括单片机控制模块和D/A转换器，所述单片机控制模块的输入端与PC上位机数据处理模块相连，单片机控制模块的输出端与D/A转换器的输入端相连，D/A转换器的输出端分别与第一电磁阀和第二电磁阀相连，所述第一电磁阀设于氢气罐与燃料电池的阳极端的连通管道上，所述第二电磁阀设于空气罐与燃料电池的阴极端的连通管道上；所述D/A转换器用于将单片机控制模块发送的数字信号转换为第一电磁阀和第二电磁阀可识别的模拟信号；单片机控制模块用于接收PC上位机数据处理模块发送的控制信号，并通过D/A转换器转换成第一电磁阀和第二电磁阀可识别的信号作用于第一电磁阀和第二电磁阀。
按上述方案，所述阴极流场板内开设有吸水通孔，吸水通孔内填充有吸水芯柱，吸水芯柱的底部连接吸水芯夹层，在吸水芯夹层的外侧安装压电陶瓷片，压电陶瓷片与D/A转换器相连。
按上述方案，所述微传感装置包括分别安设于燃料电池的流道场内的微温湿度传感器和微电压传感器。
按上述方案，所述微传感装置与阴极流场板/阳极流场板为一体化结构。
按上述方案，所述微温湿度传感器为正温度系数的电阻温度检测器。
本发明的有益效果为：
1、本发明利用微传感装置实时检测燃料电池内的温度、湿度和电压，并通过PC上位机数据处理模块对采集的数据进行处理并发送控制指令，利用单片机控制模块对输入燃料电池内的氢气流量和空气流量进行反馈控制，同时控制电池外部加热片加热功率以及压电陶瓷振动频率用以控制吸水芯对阴极流场进行排水速度控制，由此保证了燃料电池的性能，保证燃料电池的安全高效运行；
2、本发明利用信号调理模块将微传感装置微弱的信号放大，提升了微传感器检测范围和精度；利用采集卡对数据的采集传输，实时性好；利用单片机控制模块能够实现电池异常停机保护，控制电池温度、负载在正常范围；
3、本发明中运用微机电系统将微电压传感器和微温度传感器集成一体，微传感装置集中且体积很小，降低微传感装置对燃料电池性能的影响；
4、本发明在PCB板上加工蛇形的流场板和微传感装置，能够使流道场和微传感装置结合为一体，采用PCB加工阴阳极流场板并内部布线，在不影响燃料电池性能的前提下，对燃料电池内部的温度、湿度和压力进行在线检测；
5、本发明结构设计合理，可行性好，可靠性高。
附图说明
图1为本发明一个具体实施例的结构示意图。
图2为本实施例中的检测原理图。
图3为本实施例中电压放大模块的电路图。
图4为本实施例中微传感装置在蛇形流道中的分布图。
图5为本实施例中微传感装置的结构示意图。
图6为本实施例中电流放大模块的电路图。
图7为本实施例中微传感装置的加工布置示意图。
图8为本实施例中微传感装置的布线检测三维图。
图9为本实施例中燃料电池的三维结构图。
其中：1、传感器；1.1、微电压传感器；1.2、微温湿度传感器；2、信号调理模块；2.1、电压放大电路；2.1.1电压信号接口；2.1.2、可调电阻R1；2.1.3、大电阻R2；2.1.4、可调电阻R3；2.1.5、大电阻R4；2.1.6、电压表A；2.1.7、接地端A；2.1.8、集成运放A；2.1.9、接地端B；2.1.10、接地端C；2.1.11、电压表B；2.1.12、集成运放B；2.1.13、接地端D；2.2、电流放大模块；2.2.1、输入电压；2.2.2、电流表A；2.2.3、电流放大电阻R1；2.2.4、电流放大电阻R2；2.2.5、电流放大电阻R4；2.2.6、电流放大电阻R3；2.2.7、电流放大接地端A；2.2.8、电流放大接地端B；2.2.9、电流表B；2.2.10、集成运放C；2.2.11、电流放大接地端C；2.3、电源；3、数据采集模块；4、PC上位机数据处理模块；5、单片机控制模块；6、D/A转换器；7、阴极流场板；8、第一电磁阀；9、第二电磁阀；10、燃料电池；11、阳极端；12、阴极端；13、氢气罐；14、空气罐；15、流场气体入口；16、吸水芯夹层；17、压电陶瓷片；18、吸水通孔；19传感器布线孔；20、阳极流场板。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
如图1和图2所示的一种可自动检测性能的质子交换膜燃料电池结构，主要包括燃料电池10和检测系统，所述燃料电池10包括依次布置的阳极盖板、阳极流场板20、催化板、质子交换膜、阴极流场板7和阴极盖板，燃料电池10的外部设有加热片；所述检测系统主要包括多个并列布置的微传感装置1，以及依次与微传感装置1连接的信号处理模块2、数据采集模块3和PC上位机数据处理模块4，所述微传感装置1分别设于阳极流场板20和阴极流场板7内，用于监测燃料电池10内的温湿度信号和电压信号，并将温湿度信号和电压信号发送至信号处理模块2，信号处理模块2接收微传感装置1发送的温湿度信号和电压信号并处理成数据采集模块3可识别的温湿度信号和电压信号；数据采集模块3采集温湿度信号和电压信号，并发送至PC上位机数据处理模块4；PC上位机数据处理模块4与加热片相连，接收并分析处理温湿度和电压信号，根据分析处理的结果发送控制信号，控制加热片的加热温度来控制燃料电池10温度。
优选地，所述检测系统还包括单片机控制模块5和D/A转换器6，所述单片机控制模块5的输入端与PC上位机数据处理模块4相连，单片机控制模块5的输出端与D/A转换器6的输入端相连，D/A转换器6的输出端分别与第一电磁阀8和第二电磁阀9相连，所述第一电磁阀8设于氢气罐13与燃料电池10的阳极端11的连通管道上，所述第二电磁阀9设于空气罐14与燃料电池10的阴极端12的连通管道上；所述D/A转换器6用于将单片机控制模块5发送的数字信号转换为第一电磁阀8和第二电磁阀9可识别的模拟信号；单片机控制模块5用于接收PC上位机数据处理模块4发送的控制信号，并通过D/A转换器6转换成第一电磁阀8和第二电磁阀9可识别的信号作用于第一电磁阀8和第二电磁阀9，控制第一电磁阀8和第二电磁阀9的开度，以调节氢气罐13和空气罐14输出气体流量大小，最终达到控制燃料电池10的电压分布以及控制燃料电池10内部温度和燃料电池负载大小的目的。
优选地，所述阴极流场板7内开设有吸水通孔18，吸水通孔18内填充有吸水芯柱，吸水芯柱的底部连接吸水芯夹层16，在吸水芯夹层16的外侧安装压电陶瓷片17，压电陶瓷片17与D/A转换器6相连。吸水芯夹层16吸水的原理在于，PLC上位机数据处理模块4控制压电陶瓷片17的振动频率与振幅，通过压电陶瓷片17振动压缩吸水芯夹层16变形，当吸水芯夹层17扩张时将燃料电池10内部水吸走，当压缩吸水芯夹层16时，由于燃料电池内部压力大于空气压力，吸水芯夹层16内部压缩出来的水会排至燃料电池10的外部，不会回流；通过压电陶瓷片17不断压缩扩张，达到吸水芯夹层16不断吸水排水的目的。
优选地，如图4、图5和图7所示，所述微传感装置1包括分别安设于燃料电池10的阴极流道板7和阳极流场板20内的微温湿度传感器1.2和微电压传感器1.1；本发明中，所述阴极流场板7和阳极流场板20均为蛇形流道场，其均匀划分成十六个区域，每个区域开孔安置各传感器以及信号传输线，对流道结构无影响，通过检测每个片区达到可同时检测整个阴极流道场7和阳极流场板20的内部温度湿度和电压分布；具体操作时，可在PCB板(印刷电路板)上加工蛇形的流场板15和微传感装置1，使阴极流场板7与微传感装置1结合为一体，不影响燃料电池10的性能。本实施例中，微传感装置1的制作过程为：在聚酰亚胺箔片渡金和铬，然后铺上保护层，再利用光刻技术刻蚀，加工出微传感器；最后制作保护绝缘层，只保留传感器检测区域。在阴极流场板7和阳极流场板20开孔采用内部走线，外敷绝缘层，避免了繁杂的外部开孔以及对电池结构的破坏。
本发明中，所述微温湿度传感器1.2为正温度系数的电阻温度检测器，其整体呈蛇形结构，主要温度传感区域为400μm×400μm，最小的线性宽度是10μm；温度湿度传感结构1.2的感应原理为：当环境温度升高时，由于正温度系数的特性，电阻温度检测器(RTD)电阻增加；环境温度变化和测量电阻之间的关系如公式所示：
Rt＝Rr(1+αΔT)
上式中，Rt为在t℃时的电阻，Rr为在参考温度时的电阻，α为温度电阻系数，ΔT为温度差。
本发明中，所述微电压传感器1.1为一种延长的细导线，可集成在厚度为50mm的聚酰亚胺箔上，能够适应高温的电化学环境。微电压传感器1.1前端的感应区域是200μm×200μm暴露在外面，导线的其余部分由绝缘层隔离，确保燃料电池10内的片状探针的感测电压来自局部区域。
本发明中，所述信号调理模块2包括电压放大电路2.1和电流放大电路2.2，如图3和图6所示；电压放大电路2.1包括电压信号接口2.1.1接入微电压传感器1.1所测得电压信号，之后接入可调电阻R12.1.2、大电阻R22.1.3和集成运放B2.1.12以及接地端D 2.1.13组成第一级放大电压电路，同时电压表B 2.1.11和接地端C 2.1.10组成第一级电压放大显示部分，显示放大后的电压值；一级放大后的电压输入由可调电阻R32.1.4、大电阻R42.1.5、集成运放A 2.1.8和接地端B 2.1.9组成的第二级放大电路，放大后的电压值输出至数据采集模块3，同时电压表A 2.1.6和接地端A2.1.7组成第二级放大电压显示部分，显示二级放大后的电压值；电流放大电路2.2包括输入电压2.2.1接入微温湿度传感器1.2输入信号，之后接入电流表A 2.2.2显示接入电流，接着接入由电流放大电阻R12.2.3、电流放大电阻R22.2.4、电流放大电阻R42.2.5、电流放大电阻R32.2.6、电流放大接地端A 2.2.7、集成运放C 2.2.10和电流放大接地端C 2.2.11组成电流放大电路，之后将放大信号传输至数据采集模块3采集，同时电流放大接地端B 2.2.8和电流表B 2.2.9组成放大电流显示端。
本发明中，温度控制通过单片机模块5控制加热片的通断及加热功率，以达到控制电池温度的目的，如图8所示，燃料电池10的反应气体有流场气体入口15进入，燃料电池10在工作过程中会产生水，过量的水可以从流场出口排出，由于实际工作中各种因素的影响，水会积累。布置于阴极流场板7后的吸水芯夹层16工作，吸水芯不仅布置在吸水芯夹层16，同时也布置在吸水芯吸水通孔18中，这样既可以吸水又可以保证流场板内部的密闭性，保证反应气体不会外泄；通过压电陶瓷片17振动压缩吸水芯夹层16吸水，控制压电陶瓷片17振动频率达到控制电池阴极流场板7内部含水量；图8中传感器布线孔19为横向通孔，位于阴极流场板7的内部，用于将信号传输铜线连接至微传感器，将微传感器信号传输至电池外接设备。
燃料电池10工作时，通过微传感装置1中的微温度湿度传感器1.2和微电压传感器1.1将检测到的温度信号和电压信号由外接电路送至信号调理模块2，调理后的温度湿度信号和电压信号由数据采集模块3采集，并传输至PC上位机数据处理模块4，PC上位机数据处理模块4将信号储存成文本文件，以便于进一步对数据分析处理，同时根据采集数据判断燃料电池10的工作状态是否正常，当需要调整燃料电池10的操作参数(包括进气流量、进气气体湿度和温度等)时，PC上位机数据处理模块4发出相应指令传输给单片机控制模块5，单片机控制模块5通过D/A转换器6转换信号后控制第一电磁阀8和第二电磁阀9的开度，进而调节氢气罐13和空气罐14输送气体流量的大小、电池负载大小以及电池温度湿度等参数，单片机控制模块5通过控制压电陶瓷片17控制吸水芯夹层16吸水，控制电池阴极流场板7内部含水量，实现燃料电池10的实时控制与检测，保证燃料电池10在安全高效的工况下工作，使燃料电池10的工作性能达到最佳。
最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种可自动检测性能的质子交换膜燃料电池结构，其特征在于，主要包括燃料电池和检测系统，所述燃料电池包括依次布置的阳极盖板、阳极流场板、催化板、质子交换膜、阴极流场板和阴极盖板，燃料电池的外部设有加热片；所述检测系统主要包括多个并列布置的微传感装置，以及依次与微传感装置连接的信号处理模块、数据采集模块和PC上位机数据处理模块，所述微传感装置分别设于阳极流场板和阴极流场板内，用于监测燃料电池内的温湿度信号和电压信号，并将温湿度信号和电压信号发送至信号处理模块，信号处理模块接收温湿度信号和电压信号并处理成数据采集模块可识别的温湿度信号和电压信号；数据采集模块采集温湿度信号和电压信号，并发送至PC上位机数据处理模块；PC上位机数据处理模块与加热片相连，接收并分析处理温湿度和电压信号，根据分析处理的结果发送控制信号，控制加热片的加热温度。
2.如权利要求1所述的可自动检测性能的质子交换膜燃料电池结构，其特征在于，所述检测系统还包括单片机控制模块和D/A转换器，所述单片机控制模块的输入端与PC上位机数据处理模块相连，单片机控制模块的输出端与D/A转换器的输入端相连，D/A转换器的输出端分别与第一电磁阀和第二电磁阀相连，所述第一电磁阀设于氢气罐与燃料电池的阳极端的连通管道上，所述第二电磁阀设于空气罐与燃料电池的阴极端的连通管道上；所述D/A转换器用于将单片机控制模块发送的数字信号转换为第一电磁阀和第二电磁阀可识别的模拟信号；单片机控制模块用于接收PC上位机数据处理模块发送的控制信号，并通过D/A转换器转换成第一电磁阀和第二电磁阀可识别的信号作用于第一电磁阀和第二电磁阀。
3.如权利要求2所述的可自动检测性能的质子交换膜燃料电池结构，其特征在于，所述阴极流场板内开设有吸水通孔，吸水通孔内填充有吸水芯柱，吸水芯柱的底部连接吸水芯夹层，在吸水芯夹层的外侧安装压电陶瓷片，压电陶瓷片与D/A转换器相连。
4.如权利要求1所述的可自动检测性能的质子交换膜燃料电池结构，其特征在于，所述微传感装置包括分别安设于燃料电池的流道场内的微温湿度传感器和微电压传感器。
5.如权利要求1所述的可自动检测性能的质子交换膜燃料电池结构，其特征在于，所述微传感装置与阴极流场板/阳极流场板为一体化结构。
6.如权利要求1所述的可自动检测性能的质子交换膜燃料电池结构，其特征在于，所述微温湿度传感器为正温度系数的电阻温度检测器。
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