CN113030736A - 一种集成式燃料电池多功能在线测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集成式燃料电池多功能在线测试装置，包括依次层叠设置的第一测试板(1)、冷却板(2)、第二测试板(3)和第三测试板(4)，其中第一测试板(1)带有燃料电池的端部极板，第三测试板(4)贴合燃料电池堆的端板；在线测试燃料电池装配力、GDL压缩率、电流密度、阻抗、气体温湿度、积水分布。与现有技术相比，本发明实现燃料电池装配压力分布测试、GDL压缩率测试、电流密度分布测试、阻抗分布测试、气体温湿度分布测试和积水分布测试等多物理场的在同步线测试，测试装置体积小，集成度高，且操作简便，适用范围广。

Description

一种集成式燃料电池多功能在线测试装置

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，尤其是涉及一种集成设计的燃料电池多功能在线测试装置。

背景技术

能源是人类生存发展的物质基础，传统的化石燃料在使用过程中带来了大气污染、热污染等不利影响。氢能源是一种二次能源，具有燃烧热值高、清洁无污染的优点，被认为是二十一世纪最具发展潜力的清洁能源。

质子交换膜燃料电池是氢能的高效转换装置，由于其功率密度高、操作温度低、设计简单等特点，在汽车、固定电站等方面得到了一定应用。典型的单元质子交换膜燃料电池是由膜电极、双极板和密封元件组成。在实际应用中，为了满足用电设备对高功率、高电压的要求，通常会将多个单元电池串联起来，并由端板夹持成为电堆。

质子交换膜燃料电池具有多场耦合的工作特点，电池内部应力、电流、温度、湿度等的分布状态直接影响燃料电池输出性能。对于大面积燃料电池而言，装配时存在夹紧力分布不均匀的现象，工作时存在电、热、力、水分布不均匀的现象，导致在长久运行中局部区域率先出现性能衰减的现象，进而限制了电堆寿命的提升。因此，开发实时监测质子交换膜燃料电池内部多物理场分布的装置成为本领域亟需解决的难题。

中国发明专利CN103245920B公开了一种燃料电池多功能在线测试印刷电路板，包含温度测试层、阻抗测试层、电流密度测试层，成功测得燃料电池内部的温度、阻抗和电流密度分布。但缺少装配力和湿度分布的测试，装置的集成度也有待提高。中国发明专利CN104916855B公开了一种燃料电池测试装置，其在测试电流密度分布的基础上，在流道区域开设通孔，通过温湿度传感器成功测得不同反应区域的气体温湿度分布。但缺少装配力和阻抗分布的测试，且在流道区域开设通孔后需要设置额外的密封装置保证其密封性。中国发明专利CN109301289A公开了一种大面积燃料电池内部温度与压力分布的测试装置，通过温压一体传感器测得了燃料电池的温度与压力分布。但缺少电流密度、阻抗、湿度等的测试，且没有冷却装置。上述三种方法都实现了燃料电池内部多个物理量的测量，但测量的物理量不够全面，装置的集成度也有待提高。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种集成式燃料电池多功能在线测试装置，集成度高，且能够在线测试燃料电池装配力、GDL压缩率、电流密度、阻抗、气体温湿度、积水分布的装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种集成式燃料电池多功能在线测试装置，包括依次层叠设置的第一测试板、冷却板、第二测试板和第三测试板，其中第一测试板带有燃料电池的端部极板，第三测试板贴合燃料电池堆的端板；在线测试燃料电池装配力、GDL压缩率、电流密度、阻抗、气体温湿度、积水分布。

所述的第一测试板由分区流道层、电阻层和电流收集层组成，

所述的分区流道层为将燃料电池阴极板或阳极板的流道划分成若干个相互绝缘的区域，通过采集不同区域的电流、电压和气体温湿度信号获得燃料电池内部多物理量的分布状况；

所述的电阻层设置在分区流道层和电流收集层之间，电阻层通过局部铺铜的方式设置电阻；

所述电流收集层为铺满反应区的纯金镀层。

所述的一种集成式燃料电池多功能在线测试装置，其特征在于，所述的燃料电池一端为阴极板，该阴极板为第一测试板的分区流道层，燃料电池另一端为阳极板，所述的分区流道层和阳极板在部分流道底部对应位置均铺设镀金铜片，两者形成电容；

所述的电流收集层将电流收集后接地以形成闭合回路。

所述的分区流道层在流道侧壁成对安装表面绝缘处理的导电片，形成电容。

所述的第一测试板上设置有若干通孔，通孔设置在每一分区中心的槽道处，且在槽道表面铺有透气隔水薄膜。

所述的第一测试板在测试阻抗分布时通过对阴阳极集流板施加正弦波电流，通过测量所述的电阻层与另一侧集流板之间的电压响应以计算燃料电池阻抗。

所述的冷却板由绝缘且导热性差的基体材料镶嵌若干导热块制成，各导热块上设有冷却流道，基体材料上表面设有冷却板通孔，冷却板通孔位置与第一测试板的通孔对齐。

所述的冷却流道等间距分布，采用空气冷或水冷，冷却流道与冷却板通孔交错排布，互不干涉；

所述的基体材料两面设有密封槽，密封槽用于放置密封元件，防止气体泄漏，密封元件厚度大于密封槽深度。

所述的第二测试板为双层结构的温湿度分布测试PCB板，其表面安装有温湿度传感器，双层结构内部均布置线路用于温湿度传感器的工作与信号传递。

所述的第三测试板由片式压力传感器和用于传递信号的PCB板组成。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明测试装置包括第一测试板1、冷却板2、第二测试板3和第三测试板4。所述的第一测试板用于电流密度、阻抗、GDL压缩率和积水分布的集成测试。所述的冷却板用于散热并传递反应气体。所述的第二测试板用于检测反应气体温湿度。所述的第三测试板用于检测装配压力大小及其分布均匀性；

整个测试装置不仅能在线测试燃料电池内部GDL压缩率、电流密度、阻抗、气体温湿度、积水分布，而且通过由压力传感器组成的第三测试板，实现了装配压力及其分布均匀性的测试，更全面地反映燃料电池的工作状态。

2.本发明中的第一测试板由分区流道层、电阻层和电流收集层组成，其分区流道层兼容电流采集和GDL压缩率的测试，其流道侧壁成对安装的表面绝缘处理的导电片用于监测有无积水，其电阻层和电流收集层兼容电流密度和阻抗分布的测试，装置集成度高。

3.本发明中的冷却板在实现冷却功能的同时，还通过设置通孔为温湿度传感器的安装预留空间。且冷却流道和通孔交错排布，互不干扰，实现了一板多用，集成化程度更高。

附图说明

图1为本发明集成设计的燃料电池多功能在线测试装置装配示意图；

图2为本发明集成设计的燃料电池多功能在线测试装置中第一测试板的区域划分示意图；

图3为本发明集成设计的燃料电池多功能在线测试装置中第一测试板某一分区的结构示意图；

图4为本发明集成设计的燃料电池多功能在线测试装置中冷却板的结构示意图；

图5为本发明集成设计的燃料电池多功能在线测试装置中第二测试板装配温湿度传感器的结构示意图；

图6为本发明集成设计的燃料电池多功能在线测试装置中第三测试板装配整体片式压力传感器的结构示意图；

图7为本发明集成设计的燃料电池多功能在线测试装置中第三测试板装配分区片式压力传感器的结构示意图；

图8为本发明集成设计的燃料电池多功能在线测试装置测试的分区交流阻抗结果。

图中标号所示：

1、第一测试板，2、冷却板，3、第二测试板，4、第三测试板，5、分区流道层，6、电阻层，7、电阻，8、电流收集层，9、镀金铜片，10、表面绝缘处理的导电片，11、通孔，12、透气隔水薄膜，13、过孔，14、导热块，15、绝缘且导热性差的基体材料，16、冷却流道，17、冷却板通孔，18、密封槽，19、温湿度传感器，20、温湿度分布测试PCB板，21、整体片式压力传感器，22、装配压力分布测试PCB板，23、分区片式压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例在发明内容的基础上给出了详细的实施过程。显然，本发明的保护范围不限于本实施例，本领域技术人员没有创造性劳动的前提下获得的实施例都属于本发明的保护范围。

本发明采用的各组件，如无特殊说明均为本领域的常规市售组件。如；

透气隔水薄膜可选用ePTFE膜；

导热块可选用导热性良好的铜块；

绝缘且导热性差的基体材料可选用高分子材料或硅胶；

温湿度传感器可选用SENSIRION的Datasheet SHT3x-ARP；

整体片式压力传感器可选用LEGACT的矩阵压力传感器；

分区片式压力传感器可选用LEGACT的RP-S40；

PCB板可选用嘉立创公司制作。

实施例1

一种集成设计的燃料电池多功能在线测试装置，在线测试燃料电池装配压力分布、GDL压缩率分布、电流密度分布、阻抗分布、气体温湿度分布和积水分布。如图1所示，该测试装置包括从右至左排列的第一测试板1、冷却板2、第二测试板3和第三测试板4。使用时，将测试装置安装在燃料电池堆两侧，夹设在端板内，其中第一测试板1带有燃料电池堆的端部极板，第三测试板4贴合燃料电池堆的端板。

如图2所示，所述的第一测试板1的上表面为分区流道层5，可作为燃料电池的阴极板或阳极板，通过在PCB绝缘基板上局部铺铜的方式划分为40个相互绝缘的区域(第一测试板是多层PCB板，在绝缘基板上通过局部铺铜的方式设置多个相互绝缘独立的区域，然后将PCB板铣削加工出流道)，通过采集不同区域的电流、电压和气体温湿度信号获得燃料电池内部多物理量的分布状况。

如图3所示，所述的第一测试板1的每一分区都是三层结构，其第一层为分区流道层5，其顶部铺有镀金铜片，用以采集不同分区的电流信号。其第二层为电阻层6，通过局部铺铜的方式设置电阻7(电阻7两端连接一电压表V，每一分区采集的电流均会经由过孔13，由左至右穿过电阻层7，通过PCB板线路布置测得电阻区左端和右端的电势差，再除以电阻区阻值即可计算出该分区的电流)。其第三层为电流收集层8，将电流收集后接地以形成闭合回路。所述的三层在中心位置处均设有通孔11以传递反应气体，且分区流道层5的通孔11在流道表面侧覆盖有透气隔水薄膜12，防止反应产物水阻塞通孔。

所述的燃料电池一端为阴极板，该阴极板为第一测试板的分区流道层，燃料电池另一端为阳极板，所述的分区流道层和阳极板在部分流道底部对应位置均铺设镀金铜片9，两者形成电容C1。在燃料电池装配压缩前，将电容C1两端通过其下的过孔和线路连接至电源进行充电，充满电后断开电源，压缩过程中实时监测电容电压信号。根据电容计算公式C＝(ε_r S)/4πkd＝Q/U，随着压缩过程的进行，阴阳极的镀金铜片间距不断减小，电容A增大，电压降低。根据具体电压数值可计算得到压缩位移，进而计算出GDL的分区压缩率。也可采用不断开电源，监测极板间电流变化的方式计算GDL压缩率，此处不再详细展开。

所述的分区流道层5在流道侧壁成对安装表面绝缘处理的导电片10，组成电容C2，并通过导电盲孔(图中未显示)与电源连接。测试前先对该电容C2充电，充满电后断开电源，测试过程中实时监测电容电压信号。根据电容计算公式C＝(ε_r S)/4πkd＝Q/U，测试过程中如果流道中产生积水，由于气体和水的介电常数不同，电压会发生变化，进而判断该区域是否产生积水现象，进而获得燃料电池的内部积水分布。也可采用不断开电源，监测电流变化的方式监测是否产生积水，此处不再详细展开。

第一测试板1的每个分区中，分区流道层5均设有与电阻7连通的过孔13，电流收集层8也设有与电阻7连通的过孔，电流密度分布测试时，每一分区采集的电流通过过孔13传递到电阻7区，然后通过另一侧的过孔传递到电流收集层8。电阻区通过布置线路采集电阻区的电势差，并由电阻区阻值可计算分区电流大小，进而获得电流密度分布。阻抗分布测试时，在电流收集层8和膜电极另一侧的集流板输入正弦波电流，通过测量电阻7与另一侧集流板之间的电压响应计算燃料电池每一分区的阻抗。可见，电阻层和电流收集层兼容分区电流密度和阻抗的测试，提高了装置的集成度。

如图4所示，所述的冷却板2由导热块14和绝缘且导热性差的基体材料15组成。多个导热块14镶嵌在基体材料15内，各导热块14上设有冷却流道16，燃料电池工作时热量经由导热块14传递，由冷却流道16内的冷却液带走。冷却板2正面设有冷却板通孔17，用以传递反应气体，同时为温湿度传感器的安装预留空间。为保证装置的密封性，冷却板2正反面均设有密封槽18或其他的密封结构。为防止冷却液对电流和反应气体温湿度的检测带来影响，冷却流道16和冷却板通孔17交错排布，互不干扰，且所述的冷却板基体材料15选用绝缘且导热性差的材料。冷却流道的排布方式包括但不限于图4所示的并行直流道方式。

如图5所示，所述的第二测试板3表面通过焊接或粘接等方式安装有温湿度传感器19，第二测试板3为双层结构的温湿度分布测试PCB板20，其内部均布置线路用于温湿度传感器19的工作与信号传递。

如图6所示，所述的第三测试板4由整体片式压力传感器21和装配压力分布测试PCB板22组成，用以检测装配压力大小及分布均匀性。也可采用如图7所示的分区片式压力传感器23。

如图8所示为本发明装置测试的在2000mA/cm²电流密度下燃料电池的分区交流阻抗图。图8中横坐标为阻抗实部，纵坐标为阻抗虚部。Pad_A3表示标号为A3的分区，以此类推，Pad_All表示所有分区阻抗平均值。可以看出不同位置的分区其交流阻抗不同，且在出口位置附近传质阻抗大。说明出口位置容易产生水淹现象，导致到达反应区的反应气体减少，降低燃料电池的性能。由此可见本发明装置对燃料电池阻抗分布的监测功能有助于了解燃料电池内部传质行为，对指导流场设计具有重要意义。

Claims (10)

1.一种集成式燃料电池多功能在线测试装置，其特征在于，包括依次层叠设置的第一测试板(1)、冷却板(2)、第二测试板(3)和第三测试板(4)，其中第一测试板(1)带有燃料电池的端部极板，第三测试板(4)贴合燃料电池堆的端板；在线测试燃料电池装配力、GDL压缩率、电流密度、阻抗、气体温湿度、积水分布。

2.根据权利要求1所述的一种集成式燃料电池多功能在线测试装置，其特征在于，所述的第一测试板(1)由分区流道层(5)、电阻层(6)和电流收集层(8)组成；

所述的分区流道层(5)为将燃料电池阴极板或阳极板的流道划分成若干个相互绝缘的区域，通过采集不同区域的电流、电压和气体温湿度信号获得燃料电池内部多物理量的分布状况；

所述的电阻层(6)设置在分区流道层(5)和电流收集层(8)之间，电阻层(6)通过局部铺铜的方式设置电阻；

所述电流收集层(8)为铺满反应区的纯金镀层。

3.根据权利要求2所述的一种集成式燃料电池多功能在线测试装置，其特征在于，所述的燃料电池一端为阴极板，该阴极板为第一测试板(1)的分区流道层(5)，燃料电池另一端为阳极板，所述的分区流道层(5)和阳极板在部分流道底部对应位置均铺设镀金铜片(9)，两者形成电容；

所述的电流收集层(8)将电流收集后接地以形成闭合回路。

4.根据权利要求2所述的一种集成式燃料电池多功能在线测试装置，其特征在于，所述的分区流道层(5)在流道侧壁成对安装表面绝缘处理的导电片(10)，形成电容。

5.根据权利要求1所述的一种集成式燃料电池多功能在线测试装置，其特征在于，所述的第一测试板(1)上设置有若干通孔(11)，通孔(11)设置在每一分区中心的槽道处，且在槽道表面铺有透气隔水薄膜(12)。

6.根据权利要求2所述的一种集成式燃料电池多功能在线测试装置，其特征在于，所述的第一测试板(1)在测试阻抗分布时通过对阴阳极集流板施加正弦波电流，通过测量所述的电阻层(6)与另一侧集流板之间的电压响应以计算燃料电池阻抗。

7.根据权利要求1或5所述的一种集成式燃料电池多功能在线测试装置，其特征在于，所述的冷却板(2)由绝缘且导热性差的基体材料(15)镶嵌若干导热块(14)制成，各导热块(14)上设有冷却流道(16)，基体材料(15)上表面设有冷却板通孔(17)，冷却板通孔(17)位置与第一测试板(1)的通孔(11)对齐。

8.根据权利要求7所述的一种集成式燃料电池多功能在线测试装置，其特征在于，所述的冷却流道(16)等间距分布，采用空气冷或水冷，冷却流道(16)与冷却板通孔(17)交错排布，互不干涉；

所述的基体材料(15)两面设有密封槽(18)，密封槽(18)用于放置密封元件，防止气体泄漏，密封元件厚度大于密封槽深度。

9.根据权利要求1所述的一种集成式燃料电池多功能在线测试装置，其特征在于，所述的第二测试板(3)为双层结构的温湿度分布测试PCB板(20)，其表面安装有温湿度传感器(19)，双层结构内部均布置线路用于温湿度传感器的工作与信号传递。

10.根据权利要求1所述的一种集成式燃料电池多功能在线测试装置，其特征在于，所述的第三测试板(4)由片式压力传感器和用于传递信号的PCB板组成。

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