CN112212991A - 一种燃料电池端部温度分布在线检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池端部温度分布在线检测装置，包括端部温度检测装置、信号处理模块，端部温度检测装置设置于端部电池单元和阳极绝缘板之间；燃料电池电堆的反应区域面积小于200cm2时，端部温度检测装置包括走线层、敷铜镀金层和绝缘层，敷铜镀金层设有多个阵列排布的内部设有温度敏感元件的温度采集单元凹槽；反应区域面积大于等于200cm2时，端部温度检测装置包括挖孔集流板、绝缘层和走线层，挖孔集流板的孔内部、绝缘层上设有温度敏感元件；温度敏感元件的检测信号通过金属化过孔、走线层传输至信号处理模块进行信号处理，实时显示和分析；所得在线检测装置能精确检测端部电池单元靠近绝缘板侧的温度分布。

Description

一种燃料电池端部温度分布在线检测装置
技术领域
本发明属于燃料领域，具体涉及一种燃料电池端部温度分布在线检测装置。
背景技术
质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cells，PEMFC)具有能量转换效率高、响应速度快、低温启动性能好、无污染、低排放等特点,在固定发电站、备用电源、交通运输、航空航天和军工等领域有着非常广泛的应用前景。
众多因素影响着燃料电池的性能，温度是其中一个重要的方面。根据能斯特方程，在相同的气体压力下，燃料电池的电压与电池温度呈线性增长关系。实际上，随着温度升高，催化剂铂的活性提高，而且氢、氧反应气体的扩散速度也相应加大，因此电化学反应的速度增大。同时，高温有利于阴极反应生成的水排出，克服了电极淹没问题。质子交换膜内水的扩散加快，使水在质子交换膜内的分布趋于均匀，加快了质子的传导，同时电解质的欧姆阻抗降低，使电池内部电阻降低，从而增强了燃料电池的放电性能，提高化学能至电能的转化效率。因此，在质子交换膜的耐温范围内，燃料电池的温度越高，电池性能应当是越好的。
燃料电池可以使用单电池进行科学研究和验证工作，单电池测试装置的装配大体可以看做两块端板夹着一块单电池，探究电池单元的性能表现，单电池各处反应是否均匀，可以通过温度分布反映，节电压等电堆性能指标的变化，与温度也有很大的关联性。
实际应用中，为满足功率需求，燃料电池电堆多用多节燃料电池单元串联，在测试过程中，可以发现靠近阳极端板的燃料电池单元往往较中间电池单元性能衰减更快，为研究这种性能表现的差异的原因，结合前人的研究，我们推测这是由端部电池单元靠近阳极端板，散热更好，温度较中间电池单元低，且可能分布不均导致的。
传统的对运行中的燃料电池电堆测温手段有红外成像仪。通过对电堆整体或局部进行红外成像，通过屏幕显示的图像色彩和热点追踪显示，判断电堆的发热情况。然而，使用红外成像仪检测有诸多的弊端：红外焦平面阵列像元在均匀红外光入射条件下，其图像输出信号幅度不同，往往表现为固定图像的本底噪声和各像元相应率的不一致，即红外图像存在不均一性，会对分布均一性的研究造成干扰；红外成像的温度难以精确定位到端部电池单元、且难以保证每次成像仪摄像头与电堆的相对位置均完全相同，测量出的温度分布不一定准确反映端部电池单元靠近端板侧的温度分布。
基于上述需求，需要设计一种能够精确获取燃料电池运行时端部燃料电池单元各区域温度变化的在线检测装置。
发明内容
本发明提出了一种燃料电池端部温度分布在线检测装置，以监测燃料电池电堆运行过程中端部电池单元的温度分布。
本发明具体技术方案如下：
一种燃料电池端部温度分布在线检测装置，其特征在于，包括端部温度检测装置、上位机和位于端部温度检测装置两端的信号处理模块；所述端部温度检测装置设置于燃料电池电堆的端部电池单元和阳极绝缘板之间，用于在线检测端部电池单元靠近阳极绝缘板侧的温度分布；
当燃料电池电堆的反应区域面积小于200cm2时，所述端部温度检测装置为双层印刷电路板，包括靠近阳极绝缘板侧的走线层，靠近端部电池单元侧的敷铜镀金层，和设置于走线层、敷铜镀金层之间的绝缘层；所述敷铜镀金层作为燃料电池电堆的阳极集流板，设有多个阵列排布的温度采集单元凹槽，所述温度采集单元凹槽从敷铜镀金层延伸至绝缘层，在所述温度采集单元凹槽内部设有温度敏感元件，并将温度敏感元件的检测信号通过金属化过孔、走线层传输至信号处理模块进行信号处理，再将处理后温度信号传输至上位机进行实时显示和分析；
当燃料电池电堆的反应区域面积大于等于200cm2时，所述端部温度检测装置包括靠近端部电池单元侧的挖孔集流板和双层印刷电路板，所述双层印刷电路板包括靠近挖孔集流板的绝缘层和走线层；在所述绝缘层上、挖孔集流板的孔内部设有温度敏感元件，并将检测信号通过金属化过孔、走线层传输至信号处理模块进行信号处理，再将处理后温度信号传输至上位机进行实时显示和分析；所述挖孔集流板作为燃料电池电堆的阳极集流板。
进一步地，所述敷铜镀金层的厚度为140～175μm；反应区域面积小于200cm2时，绝缘层的厚度为3mm；反应区域面积大于等于200cm2时，绝缘层的厚度为2mm；所述挖孔集流板的厚度为2mm。
进一步地，所述挖孔集流板中孔的尺寸大于温度敏感元件的尺寸，以形成电气隔离区域。
进一步地，所述温度敏感元件为NPN三极管。
进一步地，所述信号处理模块包括信号放大器、多通道模数转换器和微控制器，所述检测信号经信号放大器放大后，通过多通道模数转换器传输至微控制器处理。
进一步地，所述双层印刷电路板上设置有USB接口，处理后温度信号经USB接口传输至上位机进行实时显示和分析。
一种应用燃料电池端部温度分布在线检测装置的电堆，其特征在于，包括燃料电池电堆、端部温度检测装置、信号处理模块和上位机；所述燃料电池电堆包含依次设置的阴极端板、阴极绝缘板、阴极集流板、多节串联燃料电池单元、阳极绝缘板和阳极端板，所述端部温度检测装置设置于多节串联燃料电池单元中端部电池单元的端部石墨板和阳极绝缘板之间，用于在线检测端部电池单元靠近阳极绝缘板侧的温度分布；
当燃料电池电堆的反应区域面积小于200cm2时，所述端部温度检测装置为双层印刷电路板，包括靠近阳极绝缘板侧的走线层，靠近端部电池单元侧的敷铜镀金层，和设置于走线层、敷铜镀金层之间的绝缘层；所述敷铜镀金层作为燃料电池电堆的阳极集流板，设有多个阵列排布的温度采集单元凹槽，所述温度采集单元凹槽从敷铜镀金层延伸至绝缘层，在所述温度采集单元凹槽内部设有温度敏感元件，并将温度敏感元件的检测信号通过金属化过孔、走线层传输至位于端部温度检测装置两端的信号处理模块进行信号处理，再将处理后温度信号传输至上位机进行实时显示和分析；
当燃料电池电堆的反应区域面积大于等于200cm2时，所述端部温度检测装置包括靠近端部电池单元侧的挖孔集流板和双层印刷电路板，所述双层印刷电路板包括靠近挖孔集流板的绝缘层和走线层；在所述绝缘层上、挖孔集流板的孔内部设有温度敏感元件，并将检测信号通过金属化过孔、走线层传输至位于端部温度检测装置两端的信号处理模块进行信号处理，再将处理后温度信号传输至上位机进行实时显示和分析；所述挖孔集流板作为燃料电池电堆的阳极集流板。
进一步地，所述敷铜镀金层的厚度为140～175μm；反应区域面积小于200cm2时，绝缘层的厚度为3mm；反应区域面积大于等于200cm2时，绝缘层的厚度为2mm；所述挖孔集流板的厚度为2mm。
进一步地，所述挖孔集流板中孔的尺寸大于温度敏感元件的尺寸，以形成电气隔离区域。
进一步地，所述温度敏感元件为NPN三极管。
进一步地，所述信号处理模块包括信号放大器、多通道模数转换器和微控制器，所述检测信号经信号放大器放大后，通过多通道模数转换器传输至微控制器处理。
进一步地，所述双层印刷电路板上设置有USB接口，处理后温度信号经USB接口传输至上位机进行实时显示和分析。
本发明的有益效果为：
1、本发明提出的燃料电池端部温度分布在线检测装置设置于燃料电池电堆端部电池单元和绝缘板之间，能够实时、精确的检测燃料电池电堆端部电池单元靠近绝缘板侧的温度分布，为燃料电池端部电池单元性能衰减的研究提供实验载体，对于电堆设计的优化具有很高的参考意义；
2、当燃料电池电堆横截面积小于200cm2时，本发明采用端部温度检测装置中的敷铜镀金层取代集流板，在检测燃料电池电堆端部电池单元靠近绝缘板侧的温度分布的同时简化燃料电池电堆结构。
附图说明
图1为本发明实施例1提出的燃料电池端部温度分布在线检测装置中端部温度检测装置的分层剖视图；
图2为本发明实施例1提出的燃料电池端部温度分布在线检测装置中走线层的布线示意图；
图3为本发明实施例1提出的燃料电池端部温度分布在线检测装置中信号处理模块连接NPN三极管的结构图；
图4为本发明实施例3提出的应用燃料电池端部温度分布在线检测装置的电堆中端部温度检测装置的安装位置图；
图5为本发明实施例2提出的燃料电池端部温度分布在线检测装置中端部温度检测装置的分层剖视图；
图6为本发明实施例2提出的燃料电池端部温度分布在线检测装置中走线层的布线示意图；
图7为本发明实施例2提出的燃料电池端部温度分布在线检测装置中信号处理模块连接NPN三极管的结构图；
图8为本发明实施例4提出的应用燃料电池端部温度分布在线检测装置的电堆中端部温度检测装置的安装位置图。
附图包括以下附图标记：
1：信号处理模块
2：挖孔集流板
3：端部石墨板
L1：实施例1、3中的走线层
L2：实施例2、4中的走线层
G1：实施例1、3中的绝缘层
G2：实施例2、4中的绝缘层
T1：实施例1、3中的NPN三极管
T2：实施例2、4中的NPN三极管
CU：敷铜镀金层
B1：阳极双极板
B2：阴极双极板
M1：阳极气体扩散层
M2：阳极催化剂层
M3：质子交换膜
M4：阴极催化剂层
M5：阴极气体扩散层
F1：氢气流道
F2：氧化剂流道
F3：冷却液流道
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，结合以下具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步的说明。
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面的理解本方明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
本实施例提供了一种燃料电池端部温度分布在线检测装置，包括端部温度检测装置、上位机和位于端部温度检测装置两端的信号处理模块1；所述端部温度检测装置设置于燃料电池电堆的端部电池单元和阳极绝缘板之间，用于在线检测燃料电池电堆端部电池单元靠近阳极绝缘板侧的温度分布；
所述燃料电池电堆的反应区域面积为110cm2，所述端部温度检测装置为双层印刷电路板，如图1所示，包括靠近阳极绝缘板侧的走线层L1，靠近端部电池单元侧的敷铜镀金层CU，和设置于走线层L1、敷铜镀金层CU之间的绝缘层G1，走线层L1的布线示意图如图2所示；所述敷铜镀金层CU作为燃料电池电堆的阳极集流板，设有5×8个阵列排布的温度采集单元凹槽，所述温度采集单元凹槽从敷铜镀金层延伸至绝缘层，在所述温度采集单元凹槽内部设有NPN三极管T1，当NPN三极管T1暴露在不同环境温度下时，其输出的电压呈线性变化，然后将NPN三极管T1的电压信号通过金属化过孔、走线层L1传输至信号处理模块1进行信号处理，如图3所示，再将处理后温度信号传输至上位机进行实时显示和分析；
进一步地，所述敷铜镀金层的厚度为140μm；绝缘层的厚度为3mm。
进一步地，所述信号处理模块1包括信号放大器、多通道模数转换器和微控制器，所述检测信号经信号放大器放大后，通过多通道模数转换器传输至微控制器处理。
进一步地，所述双层印刷电路板上设置有USB接口，处理后温度信号经USB接口传输至上位机进行实时显示和分析。
实施例2
本实施例提供了一种燃料电池端部温度分布在线检测装置，包括端部温度检测装置、上位机和位于端部温度检测装置两端的信号处理模块1；所述端部温度检测装置设置于燃料电池电堆的端部电池单元和阳极绝缘板之间，用于在线检测燃料电池电堆端部电池单元靠近阳极绝缘板侧的温度分布；
所述燃料电池电堆的反应区域面积为400cm2时，所述端部温度检测装置包括靠近端部电池单元侧的挖孔集流板2和双层印刷电路板，所述双层印刷电路板包括靠近挖孔集流板2的绝缘层G2和走线层L2，走线层L2的布线示意图如图6所示；在所述挖孔集流板2的孔内部、绝缘层G2上设有NPN三极管T2，如图5所示，所述挖孔集流板2中孔的尺寸大于NPN三极管T2的尺寸，以形成电气隔离区域；当NPN三极管T2暴露在不同环境温度下时，其输出的电压呈线性变化，然后将NPN三极管T2的电压信号通过金属化过孔、走线层L2传输至信号处理模块1进行信号处理，如图7所示，再将处理后温度信号传输至上位机进行实时显示和分析；将所述挖孔集流板作为燃料电池电堆的阳极集流板。
进一步地，所述绝缘层的厚度为2mm；所述挖孔集流板的厚度为2mm。
进一步地，所述信号处理模块1包括信号放大器、多通道模数转换器和微控制器，所述检测信号经信号放大器放大后，通过多通道模数转换器传输至微控制器处理。
进一步地，所述双层印刷电路板上设置有USB接口，处理后温度信号经USB接口传输至上位机进行实时显示和分析。
实施例3
本实施例提供了一种应用燃料电池端部温度分布在线检测装置的电堆，包括反应区域面积为110cm2的燃料电池电堆、端部温度检测装置、信号处理模块1和上位机；所述燃料电池电堆包含依次设置的阴极端板、阴极绝缘板、阴极集流板、多节串联燃料电池单元、阳极绝缘板和阳极端板，所述端部温度检测装置设置于多节串联燃料电池单元中端部电池单元的端部石墨板3和阳极绝缘板之间，用于在线检测端部电池单元靠近阳极绝缘板侧的温度分布；
所述端部温度检测装置为双层印刷电路板，包括靠近阳极绝缘板侧的走线层L1，靠近端部电池单元侧的敷铜镀金层CU，和设置于走线层L1、敷铜镀金层CU之间的绝缘层G1；所述敷铜镀金层CU作为燃料电池电堆的阳极集流板，设有5×8个阵列排布的温度采集单元凹槽，所述温度采集单元凹槽从敷铜镀金层延伸至绝缘层，在所述温度采集单元凹槽内部设有NPN三极管T1，当NPN三极管T1暴露在不同环境温度下时，其输出的电压呈线性变化，然后将NPN三极管T1的电压信号通过金属化过孔、走线层L1传输至位于端部温度检测装置两端的信号处理模块1进行信号处理，再将处理后温度信号传输至上位机进行实时显示和分析。
进一步地，所述敷铜镀金层的厚度为175μm；绝缘层的厚度为3mm。
进一步地，所述信号处理模块1包括信号放大器、多通道模数转换器和微控制器，所述检测信号经信号放大器放大后，通过多通道模数转换器传输至微控制器处理。
进一步地，所述双层印刷电路板上设置有USB接口，处理后温度信号经USB接口传输至上位机进行实时显示和分析。
图4为本实施例所述端部温度检测装置的安装位置图，端部温度检测装置的敷铜镀金层CU紧贴端部石墨板3的一侧，端部石墨板3的另一侧紧贴端部电池单元的阳极双极板B1，之后依次为阳极气体扩散层M1、阳极催化剂层M2、质子交换膜M3、阴极催化剂层M4、阴极气体扩散层M5、阴极双极板B2，其中阳极双极板B1靠近端部石墨板5的一侧设有冷却液流道F3，另一侧设有氢气流道F1，阴极双极板B2靠近阴极气体扩散层M5的一侧设有氧化剂流道F2。
实施例4
本实施例提供了一种应用燃料电池端部温度分布在线检测装置的电堆，包括反应区域面积为400cm2的燃料电池电堆、端部温度检测装置、信号处理模块1和上位机；所述燃料电池电堆包含依次设置的阴极端板、阴极绝缘板、阴极集流板、多节串联燃料电池单元、阳极绝缘板和阳极端板，所述端部温度检测装置设置于多节串联燃料电池单元中端部电池单元的端部石墨板3和阳极绝缘板之间，用于在线检测端部电池单元靠近阳极绝缘板侧的温度分布；
所述端部温度检测装置包括靠近端部电池单元侧的挖孔集流板2和双层印刷电路板，所述双层印刷电路板包括靠近挖孔集流板2的绝缘层G2和走线层L2；在所述挖孔集流板2的孔内部、绝缘层G2上设有NPN三极管T2，所述挖孔集流板2中孔的尺寸大于NPN三极管T2的尺寸，以形成电气隔离区域；当NPN三极管T2暴露在不同环境温度下时，其输出的电压呈线性变化，然后将NPN三极管T2的电压信号通过金属化过孔、走线层L2传输至位于端部温度检测装置两端的信号处理模块1进行信号处理，再将处理后温度信号传输至上位机进行实时显示和分析；将所述挖孔集流板作为燃料电池电堆的阳极集流板。
进一步地，所述绝缘层的厚度为2mm；所述挖孔集流板的厚度为2mm。
进一步地，所述信号处理模块1包括信号放大器、多通道模数转换器和微控制器，所述检测信号经信号放大器放大后，通过多通道模数转换器传输至微控制器处理。
进一步地，所述双层印刷电路板上设置有USB接口，处理后温度信号经USB接口传输至上位机进行实时显示和分析。
图8为本实施例所述端部温度检测装置的安装位置图，端部温度检测装置的挖孔集流板2紧贴端部石墨板3的一侧，端部石墨板3的另一侧紧贴端部电池单元的阳极双极板B1，之后依次为阳极气体扩散层M1、阳极催化剂层M2、质子交换膜M3、阴极催化剂层M4、阴极气体扩散层M5、阴极双极板B2，其中阳极双极板B1靠近端部石墨板5的一侧设有冷却液流道F3，另一侧设有氢气流道F1，阴极双极板B2靠近阴极气体扩散层M5的一侧设有氧化剂流道F2。

Claims (10)

1.一种燃料电池端部温度分布在线检测装置，其特征在于，包括端部温度检测装置、上位机和位于端部温度检测装置两端的信号处理模块；所述端部温度检测装置设置于燃料电池电堆的端部电池单元和阳极绝缘板之间；
当燃料电池电堆的反应区域面积<200cm2时，所述端部温度检测装置包括靠近阳极绝缘板侧的走线层，靠近端部电池单元侧的敷铜镀金层，和设置于走线层、敷铜镀金层之间的绝缘层；所述敷铜镀金层设有多个阵列排布、延伸至绝缘层的温度采集单元凹槽，在所述温度采集单元凹槽内部设有温度敏感元件，并将检测信号通过金属化过孔、走线层传输至信号处理模块进行信号处理，再将处理后温度信号传输至上位机进行实时显示和分析；
当燃料电池电堆的反应区域面积≥200cm2时，所述端部温度检测装置包括依次设置的挖孔集流板、绝缘层和走线层，所述挖孔集流板朝向端部电池单元侧；在所述绝缘层上、挖孔集流板的孔内部设有温度敏感元件，并将检测信号通过金属化过孔、走线层传输至信号处理模块进行信号处理，再将处理后温度信号传输至上位机进行实时显示和分析。
2.根据权利要求1所述燃料电池端部温度分布在线检测装置，其特征在于，所述挖孔集流板中孔的尺寸大于温度敏感元件的尺寸，以形成电气隔离区域。
3.根据权利要求1所述燃料电池端部温度分布在线检测装置，其特征在于，所述温度敏感元件为NPN三极管。
4.根据权利要求1所述燃料电池端部温度分布在线检测装置，其特征在于，所述信号处理模块包括信号放大器、多通道模数转换器和微控制器，所述检测信号经信号放大器放大后，通过多通道模数转换器传输至微控制器处理。
5.根据权利要求1所述燃料电池端部温度分布在线检测装置，其特征在于，所述敷铜镀金层的厚度为140～175μm；反应区域面积<200cm2时，绝缘层的厚度为3mm；反应区域面积≥200cm2时，绝缘层的厚度为2mm；所述挖孔集流板的厚度为2mm。
6.一种应用燃料电池端部温度分布在线检测装置的电堆，其特征在于，包括燃料电池电堆、端部温度检测装置、信号处理模块和上位机；所述燃料电池电堆包含依次设置的阴极端板、阴极绝缘板、阴极集流板、多节串联燃料电池单元、阳极绝缘板和阳极端板，所述端部温度检测装置设置于多节串联燃料电池单元中端部电池单元的端部石墨板和阳极绝缘板之间；
当燃料电池电堆的反应区域面积<200cm2时，所述端部温度检测装置包括靠近阳极绝缘板侧的走线层，靠近端部电池单元侧的敷铜镀金层，和设置于走线层、敷铜镀金层之间的绝缘层；所述敷铜镀金层设有多个阵列排布、延伸至绝缘层的温度采集单元凹槽，在所述温度采集单元凹槽内部设有温度敏感元件，并将检测信号通过金属化过孔、走线层传输至信号处理模块进行信号处理，再将处理后温度信号传输至上位机进行实时显示和分析；
当燃料电池电堆的反应区域面积≥200cm2时，所述端部温度检测装置包括依次设置的挖孔集流板、绝缘层和走线层，所述挖孔集流板朝向端部电池单元侧；在所述绝缘层上、挖孔集流板的孔内部设有温度敏感元件，并将检测信号通过金属化过孔、走线层传输至信号处理模块进行信号处理，再将处理后温度信号传输至上位机进行实时显示和分析。
7.根据权利要求6所述应用燃料电池端部温度分布在线检测装置的电堆，其特征在于，所述挖孔集流板中孔的尺寸大于温度敏感元件的尺寸，以形成电气隔离区域。
8.根据权利要求6所述应用燃料电池端部温度分布在线检测装置的电堆，其特征在于，所述温度敏感元件为NPN三极管。
9.根据权利要求6所述应用燃料电池端部温度分布在线检测装置的电堆，其特征在于，所述信号处理模块包括信号放大器、多通道模数转换器和微控制器，所述检测信号经信号放大器放大后，通过多通道模数转换器传输至微控制器处理。
10.根据权利要求6所述应用燃料电池端部温度分布在线检测装置的电堆，其特征在于，所述敷铜镀金层的厚度为140～175μm；反应区域面积<200cm2时，绝缘层的厚度为3mm；反应区域面积≥200cm2时，绝缘层的厚度为2mm；所述挖孔集流板的厚度为2mm。
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