CN111525160B - 一种燃料电池电流密度分区测试系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池电流密度分区测试系统和方法，属于燃料电池原位检测技术领域。本发明所述系统包括供气模块、电子负载、信号放大模块、数据采集模块、数据处理模块和燃料电池电堆；供气模块为燃料电池电堆提供氧化剂和燃料，电子负载加载在燃料电池电堆上，信号放大模块对燃料电池电堆传出的信号进行放大，数据采集模块采集信号放大模块的输出信号，数据处理模块对数据采集模块采集的信号进行处理。本发明将采样电阻放置于分区镀金铜箔背部，保证了各分区阻抗的一致性；各分区阻抗具有一致性，使采样结果能真实反映实际电堆内部电流密度分布特性；本发明克服了采样电阻精度控制难和装置成本高的问题；能测量大量矩阵分区的电流密度分布。

Description

一种燃料电池电流密度分区测试系统和方法

技术领域

本发明属于燃料电池原位检测技术领域，具体涉及一种燃料电池电流密度分区测试系统和方法。

背景技术

能源是社会稳定发展的重要基础，同时也是经济增长的重要保障。目前人类社会绝大部分能源来自于化石燃料，而全球化石能源的储量有限，其与人类社会持续发展对能源的持续需求之间存在着天然的矛盾。为解决这一潜在矛盾，开发高效可持续的新型能源势在必行。燃料电池以其高效、无污染等特性，已成为全球各国研究的热点。随着燃料电池研究的日趋深入，其商业化的瓶颈也随之彰显，如可靠性、耐久性、冷启动等。目前对燃料电池性能的检测依据主要还是依靠单节电池的节电压，该方式比较原始粗糙，不能进一步分析电堆内部具体的运行状况，而燃料电池电流密度作为了解燃料电池内部特性的重要手段，是研究燃料电池性能的重要依据。

因此设计开发一种可靠的燃料电池电流密度分区测试系统，建立一种精确可信的燃料电池分区电流密度测试方法，对于研究电池内部水热特性、提升电池性能、改进电池结构等方面有重要的指导意义。

现有的电流密度分区测试系统和方法主要可分为两种类别：埋阻式及采样电阻外置式。埋阻式如公开号为CN103576095A、发明名称为“一种燃料电池内部特性实时检测系统及方法”的专利申请，将采样电阻埋入电路板，然后将该电路板放置在燃料电池阳极测量电流密度分布，但是目前国内埋阻技术不成熟，价格高昂且埋阻阻值的精度难以控制，因此需要另外的电阻标定设备对各分区采样电阻进行标定，加大了测量的难度；采样电阻外置式如公开号为CN108562783A、发明名称为“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”的专利申请，将采样电阻放置在电池外部，通过金属化过孔及信号线与电池内部分区金属铜箔相连，但是当分区数量增多后，由于设计、工艺等原因，该方式无法保证每个分区子部分阻抗保持一致，由每个分区阻抗的不一致将会导致燃料电池内部电流密度分布的改变，从而导致测量结果的不可信。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种燃料电池电流密度分区测试系统和方法。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：

一种燃料电池电流密度分区测试系统，包括供气模块、电子负载、信号放大模块、数据采集模块、数据处理模块和燃料电池电堆；

其中，供气模块为燃料电池电堆提供氧化剂和燃料，电子负载加载在燃料电池电堆上，信号放大模块对燃料电池电堆传出的信号进行放大，数据采集模块采集信号放大模块的输出信号，数据处理模块对数据采集模块采集的信号进行处理；

燃料电池电堆包括由上至下依次装配的阴极端板、阴极绝缘板、电流密度采集密封板、密封层、电流密度采集板、多节串联的燃料电池、阳极集流板、阳极绝缘板和阳极端板；

电流密度采集板为多层印刷电路板，由下至上依次为顶层、两个内部走线层和底层；顶层包括矩阵排列的相互电气隔离的分区镀金铜箔；底层包括采样电阻、底层覆铜区域和接线端；采样电阻与分区镀金铜箔一一对应；接线端位于燃料电池电堆外部，不与底层覆铜区域连接；采样电阻位于燃料电池电堆内部，只有一端与底层覆铜区域连接；第一内部走线层包括第一金属化过孔、第四金属化过孔和第一信号线；第二内部走线层包括第二金属化过孔、第三金属化过孔和第二信号线；

顶层与多节串联的燃料电池紧密接触，来自多节串联的燃料电池的电流依次流过分区镀金铜箔、第一金属化过孔、采样电阻最终汇集到底层覆铜区域上；采样电阻的未与底层覆铜区域连接的一端依次通过第一金属化过孔、第一信号线以及第四金属化过孔与接线端相连；采样电阻的与底层覆铜区域连接的一端依次通过第二金属化过孔、第二信号线以及第三金属化过孔与接线端相连；

接线端通过导线与信号放大模块相连；

电流密度采集密封板和密封层的结构相同，在采样电阻对应的区域设计成镂空区域；

电流密度采集密封板选取质地坚硬且绝缘的板材，使装配时的装配压力均匀分布；密封层选用质地相对柔软且能对反应气体进行密封的材料，在保证对反应气体的密封效果的前提下兼顾装配压力的均匀分布。

矩阵排列的分区镀金铜箔17的行数大于等于5，列数大于等于5。

采样电阻为高精度定值电阻，阻值范围5-50mΩ。

基于上述测试系统，本发明还提供了一种燃料电池电流密度分区测试方法，包括以下步骤：

步骤1.组装燃料电池电堆；

步骤2.将供气模块连接至燃料电池电堆，向电堆供应氧化剂与燃料，同时燃料电池电堆与电子负载连通，连接无误则运行燃料电池电堆；

步骤3.电流密度采集板将采样电阻两端的电压信号通过导线连接至信号放大模块，信号放大模块将输入端的电压信号放大后传递给信号采集模块；

步骤4.数据采集模块采集信号放大模块的输出信号后传递给数据处理模块；

步骤5.数据处理模块将由数据采集模块传递来的信号转化成燃料电池电堆内部的电流密度分布，并将结果数据保存到文件，同时显示电流密度分布图像；

步骤6.重复步骤2-步骤5直至燃料电池电堆运行结束。

步骤5中，燃料电池电堆内部的电流密度的计算方法为：

其中，A_i为第i个分区的电流密度，1≤i≤分区镀金铜箔的总个数，V_i为信号放大模块放大后的第i个分区的信号，n为信号放大模块的放大倍数，a_i为第i个分区的面积，R为采样电阻的阻值。

本发明的有益效果是：

本发明将采样电阻直接放置于分区镀金铜箔背部，尽可能减少了采样电阻两端的走线长度，保证了各分区阻抗的一致性；本发明中各分区阻抗具有一致性，同时电流密度采集板放置于燃料电池电堆阴极侧，未对燃料电池电堆结构产生破坏，因此使采样结果能真实反映实际燃料电池电堆的内部电流密度分布特性；本发明通过结合电流密度采集密封板和密封层，将电阻放置在电堆内部，利用了埋阻式印刷电路板设计简单结构紧凑的优点，同时克服了埋阻式因工艺而导致的电阻精度难以控制和价格高昂的问题；本发明能实现大量矩阵分区的电流密度分布测量。

附图说明

图1为本发明所述测试系统的结构组成示意图；

图2为燃料电池电堆的装配示意图；

图3为电流密度采集板的分层示意图，其中，(a)顶层，(b)底层，(c)第一内部走线层，(d)第二内部走线层；

图4为电流密度采集板的局部剖面示意图；

图5为电流密度采集密封板和密封层的结构示意图；

图6为本发明所述测试方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。

本实施例提供一种燃料电池电流密度分区测试系统，其结构组成示意图如图1所示，包括供气模块1、电子负载2、信号放大模块3、数据采集模块4、数据处理模块5和燃料电池电堆6；

其中，供气模块1为燃料电池电堆6提供氧化剂和燃料，电子负载2加载在燃料电池电堆6上，信号放大模块对燃料电池电堆传出的信号进行放大，数据采集模块4采集信号放大模块3的输出信号，数据处理模块5对数据采集模块4采集的信号进行处理；

燃料电池电堆的装配示意图如图2所示，包括由上至下依次装配的阴极端板7、阴极绝缘板8、电流密度采集密封板9、密封层10、电流密度采集板11、多节串联的燃料电池12、阳极集流板13、阳极绝缘板14和阳极端板15；(电流密度采集板11放置在阴极侧)；

电流密度采集板为多层印刷电路板，其分层示意图如图3所示，局部剖面示意图如图4所示，由下至上依次为顶层、两个内部走线层和底层；(顶层朝向多节串联的燃料电池侧，底层朝向阴极绝缘板侧；)顶层包括矩阵排列的相互电气隔离的分区镀金铜箔17；底层包括采样电阻18、底层覆铜区域19和接线端16；采样电阻18与分区镀金铜箔17一一对应；接线端16位于燃料电池电堆6外部，不与底层覆铜区域19连接；采样电阻18位于燃料电池电堆6内部，只有一端与底层覆铜区域19连接；第一内部走线层包括第一金属化过孔201、第四金属化过孔204和第一信号线211；第二内部走线层包括第二金属化过孔202、第三金属化过孔203和第二信号线212；

顶层与多节串联的燃料电池12紧密接触，分区镀金铜箔17间的相互电气隔离设计防止了电流在不同分区之间的横向流动；来自多节串联的燃料电池12的电流依次流过分区镀金铜箔17、第一金属化过孔201、采样电阻18最终汇集到底层覆铜区域19上；采样电阻18的未与底层覆铜区域19连接的一端依次通过第一金属化过孔201、第一信号线211以及第四金属化过孔204与接线端16相连；采样电阻18的与底层覆铜区域19连接的一端依次通过第二金属化过孔202、第二信号线212以及第三金属化过孔203与接线端16相连；采样电阻18为高精度定值电阻，阻值范围5-50mΩ；

接线端16通过导线22与信号放大模块3相连；

电流密度采集密封板9和密封层10的结构依据电流密度采集板11底层采样电阻18的放置方式进行设计，采用相同的设计方案，其结构示意图如图5所示，在采样电阻18对应的区域设计成镂空区域23；电流密度采集密封板9和密封层10结构相同，但材料与功能有差异。电流密度采集密封板9选取质地坚硬且绝缘的板材，使装配时的装配压力均匀分布。密封层10则选用质地相对柔软且能对反应气体进行密封的材料，在保证对反应气体的密封效果的前提下兼顾装配压力的均匀分布。

矩阵排列的分区镀金铜箔17的行数大于等于5，列数大于等于5。

本实施例还提供了一种燃料电池电流密度分区测试系统，其流程示意图如图6所示，包括以下步骤：

步骤1.组装燃料电池电堆6；

步骤2.将供气模块1连接至燃料电池电堆6，向电堆供应氧化剂与燃料，同时燃料电池电堆6与电子负载2连通，连接无误则运行燃料电池电堆6；

步骤3.电流密度采集板11将采样电阻18两端的电压信号通过导线22连接至信号放大模块3，信号放大模块3将输入端的电压信号放大固定倍数后将放大结果传递给信号采集模块4；

步骤4.数据采集模块4采集信号放大模块3的输出信号然后将结果传递给数据处理模块5；

步骤5.数据处理模块5将由数据采集模块4传递来的信号转化成燃料电池电堆6内部的电流密度分布，并将结果数据保存到文件，同时显示电流密度分布图像；

步骤6.重复步骤2-步骤5直至燃料电池电堆6运行结束。

步骤5中，燃料电池电堆内部的电流密度的计算方法为：

其中，A_i为第i个分区的电流密度，1≤i≤分区镀金铜箔的总个数，V_i为信号放大模块放大后的第i个分区的信号，n为信号放大模块的放大倍数，a_i为第i个分区的面积，R为采样电阻的阻值。

Claims (6)

1.一种燃料电池电流密度分区测试系统，其特征在于，包括供气模块、电子负载、信号放大模块、数据采集模块、数据处理模块和燃料电池电堆；

其中，供气模块为燃料电池电堆提供氧化剂和燃料，电子负载加载在燃料电池电堆上，信号放大模块对燃料电池电堆传出的信号进行放大，数据采集模块采集信号放大模块的输出信号，数据处理模块对数据采集模块采集的信号进行处理；

燃料电池电堆包括由上至下依次装配的阴极端板、阴极绝缘板、电流密度采集密封板、密封层、电流密度采集板、多节串联的燃料电池、阳极集流板、阳极绝缘板和阳极端板；

电流密度采集板为多层印刷电路板，由下至上依次为顶层、两个内部走线层和底层；顶层包括矩阵排列的相互电气隔离的分区镀金铜箔；底层包括采样电阻、底层覆铜区域和接线端；采样电阻与分区镀金铜箔一一对应；接线端位于燃料电池电堆外部，不与底层覆铜区域连接；采样电阻位于燃料电池电堆内部，只有一端与底层覆铜区域连接；第一内部走线层包括第一金属化过孔、第四金属化过孔和第一信号线；第二内部走线层包括第二金属化过孔、第三金属化过孔和第二信号线；

顶层与多节串联的燃料电池紧密接触，来自多节串联的燃料电池的电流依次流过分区镀金铜箔、第一金属化过孔、采样电阻最终汇集到底层覆铜区域上；采样电阻的未与底层覆铜区域连接的一端依次通过第一金属化过孔、第一信号线以及第四金属化过孔与接线端相连；采样电阻的与底层覆铜区域连接的一端依次通过第二金属化过孔、第二信号线以及第三金属化过孔与接线端相连；

接线端通过导线与信号放大模块相连；

电流密度采集密封板和密封层的结构相同，在采样电阻对应的区域设计成镂空区域。

2.根据权利要求1所述的燃料电池电流密度分区测试系统，其特征在于，电流密度采集密封板选取质地坚硬且绝缘的板材，密封层选用质地柔软且能对反应气体进行密封的材料。

3.根据权利要求1所述的燃料电池电流密度分区测试系统，其特征在于，矩阵排列的分区镀金铜箔的行数大于等于5，列数大于等于5。

4.根据权利要求1所述的燃料电池电流密度分区测试系统，其特征在于，采样电阻为高精度定值电阻，阻值范围5-50mΩ。

5.一种燃料电池电流密度分区测试方法，基于权利要求1所述测试系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.组装燃料电池电堆；

步骤2.将供气模块连接至燃料电池电堆，向电堆供应氧化剂与燃料，同时燃料电池电堆与电子负载连通，连接无误则运行燃料电池电堆；

步骤3.电流密度采集板将采样电阻两端的电压信号通过导线连接至信号放大模块，信号放大模块将输入端的电压信号放大后传递给信号采集模块；

步骤4.数据采集模块采集信号放大模块的输出信号后传递给数据处理模块；

步骤5.数据处理模块将由数据采集模块传递来的信号转化成燃料电池电堆内部的电流密度分布，并将结果数据保存到文件，同时显示电流密度分布图像；

步骤6.重复步骤2-步骤5直至燃料电池电堆运行结束。

6.根据权利要求5所述的燃料电池电流密度分区测试方法，其特征在于，步骤5中，燃料电池电堆内部的电流密度的计算方法为：

其中，A_i为第i个分区的电流密度，1≤i≤分区镀金铜箔的总个数，V_i为信号放大模块放大后的第i个分区的信号，n为信号放大模块的放大倍数，a_i为第i个分区的面积，R为采样电阻的阻值。

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