CN114220998A - 电压巡检插件、带电压巡检部的单电池以及电压巡检装置 - Google Patents

Abstract

一种电压巡检插件、带电压巡检部的单电池以及电压巡检装置，能解决信号采集终端与双极板的虚接触问题，并能解决电堆的累积公差问题，同时能适用于不同功率的电堆。所述电压巡检插件是波形弹性预埋件，并被预先埋设并一体固定于所述单电池的双极板中任意一方的内部并且具有弹性，在所述单电池的所述双极板发生移位或是变形时，对所述电压巡检插件的弹性力的约束被至少部分地释放，以在双极板层叠方向上施加弹性力，来使所述电压巡检插件与发生了移位或是变形后的所述双极板接触。所述电压巡检装置采用针对规定数量的所述单电池使用一个电压巡检模组的模块化设计，根据所述燃料电池中的所述单电池的个数，将多个所述电压巡检模组并联使用。

Description

电压巡检插件、带电压巡检部的单电池以及电压巡检装置

技术领域

本发明涉及燃料电池的技术领域，更具体来说，涉及一种在对燃料电池的双极板电堆中的单电池的电压进行检测时使用的电压巡检插件、带电压巡检部的单电池以及电压巡检装置。

背景技术

质子交换膜燃料电池是当前有关燃料电池进行研发的众多技术路线中应用最为广泛的一种，其具有无污染、体积小、寿命长、能量转化效率高等特点，是电动汽车和家用分布式发电装置中理想的能量转换装置。

在质子交换膜燃料电池中，每两片接触的双极板(阳极板和阴极板)夹着一张膜电极组成一个单电池，而多个单电池串联并压装在一起后组成电堆。单个单电池的电压通常低于1V，因此，在实际应用中，根据功率需求，质子交换膜燃料电池会由几十至几百片双极板和膜电极相互叠加(成为几十至几百个单电池)并且压装而形成，许多个单电池的电压的累加即为整个电堆的总电压。

在组成电堆的多个单电池中，每个单电池的故障与否，甚至于每个单电池的输出均会影响到整个电堆的性能和使用，而在其中某一个单电池发生故障时，严重时甚至可能引起整个电堆的安全事故。

因此，对于燃料电池的电堆中的每个单电池的电压进行检测(电压巡检)可以说是必不可少的，而通过这种电压巡检，不仅可以在电池的使用过程中实时监控电池的健康状态，还可以在故障检修时特定出发生故障的具体的单电池。

以往，作为对燃料电池进行电压巡检的方法，常见的有利用胶体将巡检导线粘在双极板上的方式和使用弹性金属结构将巡检导线压装在双极板的外侧面上的方式。

但是，无论是利用胶体粘贴的方式，还是利用弹性金属构件压装的方式都更适用于实验室环境下的压力巡检，而不太适用于整体实际运行工况下的压力巡检，这是因为在整车实际运行工况下产生的振动以及温度冲击可能会使胶体开胶或是使弹性金属构件的压装松脱，使得巡检导线与双极板的接触不稳定，发生虚接触，影响电压信号的采集，最终使得电压的检测结果不可靠。

特别是石墨双极板，在整车实际运行工况下产生的振动。许多个单电池会在整个长度方向上产生多达十几毫米甚至几十毫米的累积公差(累积安装偏差)，极端的例子是所有公差(安装偏差)均是朝着一个方向。此时，无论是利用胶体粘贴的方式，还是利用弹性金属构件压装的方式，现有的电压巡检装置所具备的容差能力无法覆盖这么大的累积公差，使得现有的电压巡检装置中超出容差能力的巡检导线与双极板的接触断开，由此，燃料电池中相应的许多个单电池的电压不能被采集到，实现不了利用电压巡检来获知燃料电池及对应的各个单电池的健康状况的目的。

另外，即使朝着相反方向的公差(安装偏差)能相互抵消而使得长度方向上的累积公差不大，也可能出现在局部位置处产生的公差(安装偏差)朝着一个方向，使得现有的电压巡检装置中对应该局部位置的一根或多根巡检导线与双极板的接触断开，由此，燃料电池中相应的一个或多个单电池的电压不能被采集到，使得这一个或多个单电池的健康状况不能被及时获知。

因此，亟需用于电压巡检的设备，即使因整车实际运行工况下产生的振动以及温度冲击，也能与单电池的双极板可靠地接触，不会发生虚接触，确保每个单电池的电压信号都能被采集到。

发明内容

本发明为解决技术问题而作，其目的在于提供一种在单电池中使用的电压巡检插件以及带电压巡检部的单电池，即使因整车实际运行工况下产生的振动以及温度冲击，也能与单电池的双极板(的一方或两方)可靠地接触，不会发生虚接触。

此外，本发明的另一目的在于提供一种电压巡检装置，即使燃料电池的某些单电池因整车实际运行工况下产生的振动而产生了较大的累积公差(安装偏差)，也能避免信号线与这些单电池的双极板的接触断开，确保每个单电池的电压信号都能被采集到。

为了实现本发明的一个目的，本发明提供一种电压巡检插件，用于传输燃料电池中的单电池的双极板内的电压信息，其中，电压巡检插件是波形弹性预埋件，并被预先埋设并一体固定于单电池的双极板中任意一方的内部并且具有弹性，在单电池的双极板未发生移位和变形时，电压巡检插件的弹性力在设有电压巡检插件的一方的双极板的内部受到约束，在单电池的双极板发生移位或是变形时，对电压巡检插件的弹性力的约束被至少部分地释放，以在双极板层叠方向上施加弹性力，来使电压巡检插件与发生了移位或是变形后的双极板接触。

另外，本发明提供一种带电压巡检部的单电池，包括：作为双极板的阳极板和阴极板，一个单电池的阳极板和另一个单电池的阴极板相互连接；膜电极，所述膜电极夹设在阳极板与阴极板之间；前述的电压巡检插件，所述电压巡检插件作为电压巡检部被预先埋设并一体固定于单电池的阳极板的内部或是阴极板的内部。

由于不管是粘接方案，还是弹性线圈方案，都无法在振动(移位)和温度冲击(变形)的条件下提供可靠的接触，这意味着采集到的信号不可靠，甚至可能无法采集到信号，通过如上所述构成，利用被预先埋设并一体固定于单电池的双极板中一方内部或两方之间的波形弹性预埋件，其既是信号的采集终端，又能提供持久稳定的预紧力。

另外，波形弹性预埋件在经过热处理后拥有良好的抗蠕变性能，可以在全生命周期内提供稳定可靠的接触，由此，即使因整车实际运行工况下产生的振动以及温度冲击，电压巡检插件也能可靠地与单电池的双极板(的一方或两方)可靠地接触，不会发生虚接触，由此能可靠地实现对单电池的电压信号的采集，最终使得电压的检测结果准确。同时，当能可靠地检测到单个单电池的电压时，能通过所有单电池的总电压值，实时监控整个燃料电池的健康状态，并在燃料电池发生老化后，及时提醒使用者更换，另外，还能在故障检修时通过发现某个单电池的电压值的异常来特定出发生故障的具体的单电池。

为了实现本发明的另一个目的，本发明提供一种电压巡检装置，用于对燃料电池所具有的许多单电池中的每一个单电池的电压逐个进行检测，并采集每一个单电池的电压信号，其中，采用针对规定数量的单电池使用一个电压巡检模组的模块化设计，根据燃料电池中的单电池的个数，将多个电压巡检模组并联使用，电压巡检模组包括：一个信号采集装置，所述信号采集装置具有规定数量的插孔和信号线；以及规定数量的前述的带电压巡检部的单电池。

石墨双极板的电堆在长度方向上的累积公差往往在十余毫米的数量级，即使是金属双极板，其长度方向上的累积公差也在数毫米的数量级，这对电池巡检装置的容差能力提出了很高的要求，但根据如上所述构成，采用针对规定数量的单电池使用一个电压巡检模组的模块化设计，一个电压巡检模组的容差能力只需覆盖规定数量的单电池的公差(安装偏差)即可，无需像以往的电池巡检装置那样覆盖全部的单电池的公差(安装偏差)，即使燃料电池的某些单电池因整车实际运行工况下产生的振动而产生了较大的累积公差(安装偏差)，也能通过不同电压巡检模组之间的位置调整，大幅减小电堆在长度方向上的公差(安装偏差)，避免信号线与这些单电池的双极板的接触断开，确保每个单电池的电压信号都能被采集到。

另外，即使是一个系列的燃料电池产品，不同的功率也意味着燃料电池具有不同数量的单电池并具有不同的长度，通过采用针对规定数量的单电池使用一个电压巡检模组的模块化设计，可以确保一套模具就能匹配所有不同功率的产品，只需根据燃料电池中的单电池的数量(电堆)增减电压巡检模组的数量即可，能够缩短设计周期，实现快速响应，同时能够减少模具的开发成本。

附图说明

图1是表示本发明的电压巡检插件的示意图，其示出的是电压巡检插件未发生变形时的状态。

图2是表示本发明的电压巡检插件的示意图，其示出的是电压巡检插件(波形弹性预埋件)发生变形后的状态。

图3是以例示的方式示出电压巡检插件被以不同的方式设置于单电池的内部的示意图，其中，在左侧的单电池中，电压巡检插件被预先埋设并一体固定于单电池的阳极板内部以形成电压巡检部，在右侧的单电池中，电压巡检插件被预先埋设并一体固定于单电池的阴极板内部以形成电压巡检部。

图4是表示本发明的电压巡检装置所具有的多个电压巡检模组中的一个的示意图，该一个电压巡检模组包括一个信号采集装置、多个预先埋设并一体固定于单电池的双极板内部的电压巡检插件以及将电压巡检插件与信号采集装置连接的多个信号线。

图5是表示本发明的电压巡检部(电压巡检插件)与信号采集装置的信号线连接的示意图。

图6是表示信号采集装置的示意图。

(符号说明)

10 电压巡检模组；

100 单电池；

110 阳极板；

111 安装槽；

120 阴极板；

121 安装槽；

130 膜电极；

140 电压巡检插件；

141 主体部；

142 伸出部；

143 信号线连接部；

200 信号采集装置；

210 插孔；

220 信号线。

具体实施方式

首先，结合图3对本发明的带电压巡检部的单电池100进行说明。

如图3所示，本发明的单电池是带电压巡检部的单电池100，包括：作为双极板的阳极板110和阴极板120，一个单电池100的所述阳极板110与另一个单电池100所述阴极板120相互连接；膜电极130，所述膜电极130夹设在阳极板110与阴极板120之间；以及作为波形弹性预埋件的电压巡检插件140，所述电压巡检插件140被预先埋设并一体固定于单电池100的双极板的任一方的内部。

接着，结合图1至图3对本发明的作为波形弹性预埋件的电压巡检插件140进行说明。

在本实施方式中，作为波形弹性预埋件的电压巡检插件140例如是波形弹簧，该波形弹簧由导电金属制成，并经过热处理，能够用于传输双极板内的电压信息。作为波形弹性预埋件的电压巡检插件140能在单电池100的双极板未发生振动而移位且未受到温度冲击而变形时，如图1所示其弹性力在双极板中一方(图3中左侧的单电池100的阳极板110，或是图3中右侧的单电池的阴极板120)的内部受到约束。另外，作为波形弹性预埋件的电压巡检插件140在整车实际运行工况下单电池100的双极板发生振动而移位或是受到温度冲击而变形时，如图2所示双极板对其弹性力的约束被至少部分地释放，以使电压巡检插件140的弹性力能得以释放，该弹性力使得电压巡检插件140在单电池100的双极板发生了移位或是变形的情况下也能可靠地与单电池110的设有电压巡检插件140的那个双极板(图3中左侧的单电池100的阳极板110，或是图3中右侧的单电池的阴极板120)接触，防止虚接触而影响电压信号的采集。

在燃料电池中，多个(在图3中示出了两个)单电池100被串联并压装在一起后组成电堆。作为具体的制造工艺，首先，分别压制出作为双极板的阳极板110和阴极板120，接着，将膜电极130叠置在阳极板110与阴极板120之间以形成一个单电池，然后将两个相邻的单电池以一个单电池100的阳极板110与另一个单电池100的阴极板120面对面粘贴压牢的方式形成单电池组，反复进行上述叠置和粘贴压牢的步骤，直到达到需要的单电池个数。

另外，在图3中，以例示的方式示出电压巡检插件140被以不同的方式预先埋设并一体固定于单电池100的双极板中的阳极板110或阴极板120的内部。

在左侧的单电池100中，电压巡检插件140在阳极板110的压制过程中被预先压入材料中，由此被预先埋设于单电池100的阳极板110内部。

在右侧的单电池100中，电压巡检插件140在阴极板120的压制过程中被预先压入材料中，由此被预先埋设于单电池100的阴极板120内部。

电压巡检插件140在如图3所示的单电池100中那样被预先埋设于双极板(阳极板110或阴极板120)时，无需对双极板本身结构做任何设计上的改变，并且电压巡检插件140能够在双极板的压制过程中被压紧，使得其弹性力在双极板中一方的内部受到约束，当弹性力被至少部分地释放后，电压巡检插件140能可靠地与单电池的双极板的一方接触。

下面，结合图4至图6，对本发明的电压巡检装置进行说明。

本发明的电压巡检装置用于对燃料电池所具有的许多单电池100中的每一个单电池100的电压逐个进行检测(电压巡检)，并采集每一个单电池100的电压信号，通过所有单电池100的总电压值，能够实时监控整个燃料电池的健康状态，并且能通过单个单电池100的电压值，在故障检修时特定出发生故障的具体的单电池100。

本发明的电压巡检装置为了解决燃料电池中因振动而产生了超过容差能力的累积公差(安装偏差)的单电池的双极板与信号线的接触断开的问题，采用针对若干个(图4中示出为五个)单电池100使用一个电压巡检模组10的模块化设计，根据所要电压巡检的燃料电池中的单电池100的个数，将多个电压巡检模组10并联使用。

图4示出了一个电压巡检模组10的结构，该一个电压巡检模组10包括：一个信号采集装置200，所述信号采集装置200具有多个(图6中示出为五个)插孔210和多根(图4中示出为五根)信号线220；以及与插孔210及信号线220对应个数的多个(图4中示出为五个)带电压巡检部的单电池100。

如图5所示，单电池100的电压巡检部(电压巡检插件140)具有从电压巡检插件140的主体部141伸出的伸出部142，并且在该伸出部142处形成有用于与信号采集装置200的信号线220连接的信号线连接部143。

另外，信号线220外包裹有绝缘层，能够防止在振动过程中与相邻的信号线220产生接触导通。作为一个实例，将信号线220两端去漆皮后，一端通过例如焊接方式固定在电压巡检部(电压巡检插件140)的伸出部142，另一端被插入信号采集装置200的插孔210。

熟悉本领域的技术人员易于想到其它的优点和修改。因此，在其更宽泛的上来说，本发明并不局限于这里所示和所描述的具体细节和代表性实施例。因此，可以在不脱离如所附权利要求书及其等价物所限定的总体概念的精神或范围的前提下做出修改。

例如，在本发明的实施方式中，以作为波形弹性预埋件的电压巡检插件140是波形弹簧为例进行了说明，但本发明不局限于此，也可以说是波形板、波纹管等在双极板的层叠方向上施加弹性力而伸展的构件。

例如，在本发明的实施方式中，以信号线220的一端通过焊接方式固定在电压巡检部(电压巡检插件140)的伸出部142的情形为例进行了说明，但本发明不局限于此，信号线连接部143也可以形成为插槽，并将信号线220的一端插入该插槽，或者还可以形成为夹持部，利用该夹持部对信号线220的一端进行夹持，又或者还可以形成为棒体，用绝缘胶布等将信号线220的线芯直接绑在棒体上。此外，信号线连接部143可以形成为其他现有任意合适的连接结构，信号线220与信号线连接部143的连接可以采用其他现有任意合适的连接方式。

例如，在本发明的实施方式中，采用针对五个单电池100使用一个电压巡检模组10的模块化设计为例进行了说明，但是上述单电池100的个数不受限制，从安装的简便性，优选为三个以上。另外，若一个电压巡检模组10对应的单电池100的个数过多，则存在这些单电池100的累积公差超过单个电压巡检模组10的容差能力的情况，因此，优选为十个以下。

Claims (9)

1.一种电压巡检插件(140)，用于传输燃料电池中的单电池的双极板内的电压信息，其特征在于，

所述电压巡检插件(140)是波形弹性预埋件，并被预先埋设并一体固定于所述单电池(100)的双极板中任意一方的内部并且具有弹性，

在所述单电池(100)的所述双极板未发生移位和变形时，所述电压巡检插件(140)的弹性力在设有所述电压巡检插件(140)的一方的双极板的内部受到约束，

在所述单电池(100)的所述双极板发生移位或是变形时，对所述电压巡检插件(140)的弹性力的约束被至少部分地释放，以在双极板层叠方向上施加所述弹性力，来使所述电压巡检插件(140)与发生了移位或是变形后的所述双极板接触。

2.如权利要求1所述的电压巡检插件(140)，其特征在于，

所述电压巡检插件(140)在所述双极板中的任一方的压制过程中被预先压入材料中，由此被预先埋设于所述双极板中的任一方的内部。

3.如权利要求1所述的电压巡检插件(140)，其特征在于，

所述电压巡检插件(140)具有从所述电压巡检插件(140)的主体部(141)伸出的伸出部(142)，并且在所述伸出部(142)处形成有用于与外部装置的信号线(220)连接的信号线连接部(143)。

4.如权利要求3所述的电压巡检插件(140)，其特征在于，

所述信号线连接部(143)形成为插槽、夹持部或是棒体。

5.如权利要求1至4中任一项所述的电压巡检插件(140)，其特征在于，

所述电压巡检插件(140)是能在双极板的层叠方向上施加弹性力的波形弹簧、波形板或波纹管。

6.一种带电压巡检部的单电池(100)，其特征在于，包括：

作为双极板的阳极板(110)和阴极板(120)，一个所述单电池(100)的所述阳极板(110)和另一个所述单电池(100)的所述阴极板(120)相互连接；

膜电极(130)，所述膜电极(130)夹设在所述阳极板(110)与所述阴极板(120)之间；

权利要求1至5中任一项所述的电压巡检插件(140)，所述电压巡检插件(140)作为电压巡检部被预先埋设并一体固定于所述单电池(100)的所述阳极板(110)的内部或是所述阴极板(120)的内部。

7.一种电压巡检装置，用于对燃料电池所具有的许多单电池(100)中的每一个单电池(100)的电压逐个进行检测，并采集每一个所述单电池(100)的电压信号，其特征在于，

采用针对规定数量的所述单电池(100)使用一个电压巡检模组(10)的模块化设计，根据所述燃料电池中的所述单电池(100)的个数，将多个所述电压巡检模组(10)并联使用，

所述电压巡检模组(10)包括：一个信号采集装置(200)，所述信号采集装置(200)具有所述规定数量的插孔(210)和信号线(220)；以及

所述规定数量的权利要求6所述的带电压巡检部的单电池(100)。

8.如权利要求7所述的电压巡检装置，其特征在于，

所述信号线(220)外包裹有绝缘层，

所述信号线(220)两端去漆皮后，一端的线芯被固定在作为所述电压巡检部的所述电压巡检插件(140)的信号线连接部(143)，另一端的线芯被插入所述信号采集装置(200)的所述插孔(210)。

9.如权利要求8所述的电压巡检装置，其特征在于，

所述信号线(220)一端的所述线芯通过焊接固定在作为所述电压巡检部的所述电压巡检插件(140)的所述信号线连接部(143)，或是被所述信号线连接部(143)夹持，或是被直接绑在所述信号线连接部(143)上。

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