CN111289901B - 一种燃料电池电堆电压巡检结构和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料电池电堆电压巡检方法，所述步骤如下：不影响电堆正常工作的情况下，在双极板的边缘位置设置卡槽；将与所述卡槽相匹配的金属片插入异型卡槽的正上方；在垂直于金属片表面方向设置限位绝缘垫，用于金属片的固定以及相邻双极板之间的绝缘；将快插接头插接到金属片上，快插接头尾端带有耐高温导线；将高温导线与下位机PCB相连接，通过上位机显示PCB所收集到的电压实时数据。本发明结构简单可行，成本低廉。能够随时将下位机及连接导线与电堆分离、易于安装与拆卸。

Description

一种燃料电池电堆电压巡检结构和方法

技术领域

本发明涉及一种燃料电池电堆电压巡检结构和方法，属于燃料电池领域。

背景技术

燃料电池电堆由于是多节MEA串联在一起，每节MEA之间彼此绝缘且在实际使用中需要实时监测每节MEA上的电压数值及变化情况，因此对电堆每节MEA的电压巡检变得尤为重要。现有电压巡检技术主要有两种形式即插针式电压巡检装置及柔性电路板与电堆粘连形式。上述两种巡检方式其中插针式电堆电压巡检方式为使用探针对应每节MEA所对应的石墨/金属双极板，将探针的针头部位顶住石墨/金属双极板表面，同时在每节探针上有弹簧结构顶住探针，使探针针头能够紧密接触石墨双极板。但是由于石墨/金属刷双极板很薄，一般在1～3mm之间甚至更薄，因此要求探针针头更加细小。对探针顶住双极板力的控制尤为重要，力大容易划伤双极板表面、力小引起接触电阻增大。更加重要的是插针式电压巡检装置在沿着电堆长度方向不能够移动。因为甲醇燃料电池工作过程中有温度的变化，热胀冷缩导致电池在长度方向产生伸缩现象。插针巡检的方法不能够随着电堆长度的伸缩及时调整插针位置，容易造成错位现象导致电堆短路或巡检功能失效。此种巡检方法结构复杂稳定性较差。

柔性电路板粘连电堆巡检方式弊端在于材料的选用上面，燃料电池表面是高温强酸腐蚀的环境，一般的柔性材料很难能抵抗高温强酸的腐蚀，容易造成电堆MEA之间短路。且如何固定柔性电路板在电堆上也是个难以突破的障碍。

发明内容

由于电堆受热膨胀，会造成双极板长度方向的伸缩；本发明将巡检装置与电堆设计成一个整体结构，巡检的金属片本身固定在每一节双极板上，金属片能够随着双极板的伸缩而移动，避免了插针式巡检方法中错位的问题，且结构简单易实现，能够实现快速插拔将下位机PCB与电堆分离、可靠性高。

本发明一方面提供一种燃料电池电堆电压巡检方法，所述电堆由石墨双极板堆叠而成，电堆中每两片双极板之间有电势差形成电压，所述方法包括如下步骤，

(1)不影响电堆正常工作的情况下，在双极板的边缘位置设置卡槽；

(2)将与所述卡槽相匹配的金属片插入卡槽的正上方；

(3)在垂直于金属片表面方向设置限位绝缘垫，用于金属片的固定以及相邻双极板之间的绝缘；

(4)将快插接头插接到金属片上，快插接头尾端带有耐高温导线；

(5)将高温导线与下位机PCB相连接，通过上位机显示PCB所收集到的的电压实时数据。

基于以上技术方案，优选的，所述电堆为高温甲醇燃料电池电堆、直接醇类燃料电池电堆、氢氧燃料电池电堆。

基于以上技术方案，优选的，所述双极板为石墨双极板、金属双极板、或石墨/金属复合双极板。

本发明另一方面提供一种燃料电池电堆电压巡检结构，所述结构包括设置在双极板上的卡槽、与卡槽匹配的金属片、限位绝缘垫、快插接头；所述金属片固定于卡槽中，限位绝缘垫设置于垂直于金属片表面方向上，用于金属片的固定以及相邻双极板之间的绝缘；所述快插接头插接到金属片上，所述快插接头带有高压导线。优选的，所述结构还包括下位机PCB、上位机，高压温导线与下位机PCB连接，上位机显示PCB所收集到的电压实时数据。

基于以上技术方案，优选的，所述卡槽为长方形限位槽，所述长方形限位槽一侧突出；所述金属片为长方形金属片，长边一侧带有配合长方形限位卡槽的凸起，限制金属片在沿着长方形卡槽长边方向的位移，防止金属片脱落。

基于以上技术方案，优选的，所述金属片为镀金铜片、镀金不锈钢片、镀碳铜片及镀碳不锈钢片，更为优选的为镀金铜片，铜片镀金增强导电性能，同时由于燃料电池多为高温、强酸环境，铜在这种环境下工作容易造成氧化导致接触电阻变大，镀金后能够明显改善。

基于以上技术方案，优选的，所述绝缘垫的热膨胀率为0.5-3％。由于在电堆工作过程中电堆中用于密封的材料为氟橡胶垫，温度从室温到燃料电池正常工作的高温环境变化过程中密封材料氟橡胶垫由于受热膨胀会使电堆整体伸长0.5％～3％左右，因此电堆中每两节双极板之间受热膨胀率在0.5％～3％左右。因此需要用与密封材料同种膨胀系数的材料作为绝缘垫从而保证金属片不易脱落。

基于以上技术方案，进一步优选的，所述绝缘垫为氟胶垫。

有益效果

此发明结构简单可行，成本低廉。能够随时将下位机及连接导线与电堆分离、易于安装与拆卸。由于氟胶具有受热膨胀的特性，在电堆由常温到工作温度过程中，限位氟橡胶垫膨胀使镀金铜片更加密地贴在双极板限位卡槽内，有效减小接触电阻，使下位机收集到的数据更加准确。同时镀金铜片有效减弱强酸高温环境对铜片的腐蚀氧化破坏。

附图说明

图1为设置有限位槽的双极板结构图。

图2为镀金铜片结构图。

图3为镀金铜片与限位卡槽配合图。

图4为快插接头与镀金铜片连接方式图。

图5为快插接头带高温导线图。

图6为限位氟胶垫及安装位置图。

具体实施方式

本发明设计的电堆双极板以及电压巡检结构，包括镀金铜片、限位氟胶垫、快插接头、高温导线、下位机、上位机，通过各部件的组装实现对电堆正常工作过程中每节MEA之间的电压值进行实时动态监测、为评判电堆性能、电堆寿命衰减速率提供数据支持。所述电堆可以是高温甲醇燃料电池石墨双极板电堆、直接醇类燃料电池石墨双极板电堆、氢氧燃料电池金属双极板电堆等具有一定厚度的双极板组成的电池堆。

双极板在不影响电堆正常工作的边缘位置设计放置镀金铜片的异型卡槽，卡槽形状为方形带侧面限位槽，限制镀金铜片在沿着长方形卡槽长边方向的位移,限位槽在双极板两侧且突出较短的长度，不影响电堆的正常工作，限位槽为异型结构，带有限制镀金铜片滑落的限位功能；所述镀金铜片为异型加工件，铜片镀金增强导电性能，同时由于燃料电池多为高温、强酸环境，铜在这种环境下工作容易造成氧化导致接触电阻变大，镀金后能够明显改善；采用纯铜镀金方式既能增强导电性又能承受电堆高温强酸的腐蚀环境，使铜片能够稳定工作。且镀金铜片形状与限位槽形状相匹配两者确保能够安装。异形镀金铜片为长方形薄片，厚度0.5～1mm保证带有一定强度能够与快插接头连接。长方形镀金铜片在长边一侧带有配合双极板上异形卡槽的凸起，限制镀金铜片在沿着长方形卡槽长边方向的位移；镀金铜片长边凸起端与限位卡槽长边凹处相配合，使能够对镀金铜片起到限位作用，将镀金铜片底面整个表面与石墨双极板限位槽紧密接触。由于电堆双极板之间有MEA，MEA具有一定厚度导致双极板之间有一定距离，一般在0.4～0.6mm之间。因此当镀金铜片嵌入到限位卡槽后，虽然镀金铜片上的异形凸起限制了铜片在沿着其长边方向的位移，由于铜片嵌入到限位卡槽后卡槽深度大于镀金铜片厚度，为防止镀金铜片在垂直方向上的移动，因此在垂直于铜片表面方向需要限位氟胶垫来对铜片进行固定，此设计的目的是为了更好的固定铜片不从双极板上脱落同时，达到电堆中每片双极板之间有绝缘的要求，因此应尽量使镀金铜片嵌入到石墨双极板后远离其相邻的双极板以免造成短路。将快插接头用来与安装到每一节双极板上的镀金铜片插接，快插街头为铝质母头结构配合镀金铜片短边的尺寸实现快速插接；快插接头尾端带有耐高温导线，选用导线耐热成度取决于电堆实际工作时的温度通过导线将每节双极板与下位机PCB相连接，通过上位机显示PCB所收集到的每节MEA的电压实时数据。

安装步骤为首先将双极板、MEA等构成的电堆集成，然后将镀金铜片通过每两层双极板之间的缝隙插入到限位卡槽的正上方，将镀金铜片上的异型凸起对正限位卡槽上的侧面限位槽后将镀金铜片挤压进限位卡槽，此时限制了镀金铜片长边方向的位移。最后利用限位氟橡胶垫的弹性特性，将氟橡胶垫分别塞进每两片双极板之间形成的缝隙中用于限制垂直于镀金铜片方向上的位移同时起到将镀金铜片与相邻的双极板绝缘的作用，选用能够承受超过电堆工作温度且能够耐强酸环境的氟橡胶垫安装在镀金铜片上方，氟胶垫位置在两块石墨双极板之间填充镀金铜片上表面与上一片石墨双极板之间留有的缝隙。由于氟橡胶为柔性物质且为绝缘材料，因此能够将镀金铜片紧固在两块石墨双极板之间且不会使电堆短路。

Claims (6)

1.一种燃料电池电堆电压巡检方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤，

(1)不影响电堆正常工作的情况下，在双极板的边缘位置设置卡槽；

(2)将与所述卡槽相匹配的金属片插入卡槽的正上方；

(3)在垂直于金属片表面方向设置限位绝缘垫，用于金属片的固定以及相邻双极板之间的绝缘；

(4)将快插接头插接到金属片上，快插接头尾端带有耐高温导线；

(5)将耐 高温导线与下位机PCB相连接，通过上位机显示PCB所收集到的电压实时数据；

所述绝缘垫的热膨胀率为0.5-3％；所述绝缘垫为氟胶垫。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电堆为高温甲醇燃料电池电堆、直接醇类燃料电池电堆、氢氧燃料电池电堆。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述双极板为石墨双极板、金属双极板、或石墨/金属复合双极板。

4.一种燃料电池电堆巡检结构，其特征在于，不影响电堆正常工作的情况下，所述结构包括设置在双极板边缘位置的卡槽、与卡槽匹配的金属片、限位绝缘垫、快插接头；所述金属片固定于卡槽中，限位绝缘垫设置于垂直于金属片表面方向上，用于金属片的固定以及相邻双极板之间的绝缘；所述快插接头插接到金属片上，所述快插接头连接有耐 高温导线；

所述绝缘垫的热膨胀率为0.5-3％；所述绝缘垫为氟胶垫。

5.根据权利要求4所述的结构，其特征在于，所述卡槽为长方形限位槽，所述长方形限位槽一侧突出；所述金属片为长方形金属片，长边一侧带有配合长方形限位槽的凸起，限制金属片在沿着长方形卡槽长边方向的位移，防止金属片脱落。

6.根据权利要求4所述的结构，其特征在于，所述金属片为镀金铜片、镀金不锈钢片、镀碳铜片及镀碳不锈钢片。

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