CN116799259A - 一种基于多功能端部总成的燃料电池电堆测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于多功能端部总成的燃料电池电堆测量装置，所述测量装置包括多单体组件总成，以及分别设置在所述多单体组件总成两端的多功能端部总成，所述多功能端部总成据所属电极分为阳极多功能端部总成和阴极多功能端部总成；所述多功能端部总成包括自所述多单体组件总成往端部方向依次设置的多功能PCB传感器，用于进行PCB传感器非平坦面安装的专用集流体，以及端板；所述多功能PCB传感器内集成有端部气体流道和端部冷却液流道。与现有技术相比，本发明利用多功能PCB传感器消除端部侧向电流，具有测量精度高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池在线测量领域，尤其是涉及一种基于多功能端部总成的燃料电池电堆测量装置。
背景技术
质子交换膜燃料电池电堆作为能量转换装置，具有发电效率高，零污染等优点，在新能源领域有着广泛的应用前景。但电堆在商业应用中却面临着单体性能不一致性的挑战。电堆是由多个单体串联组成的，电堆两端的单体由于布置在电堆的端部位置，较易产生流体分配不一致、水淹等问题。因此，电堆端部平面内信息的在线原位检测对于维持电堆单体之间性能的一致性以及提升电堆的寿命具有重要的意义。
由于电流在电堆的结构部件中不仅在贯穿平面方向传递，在平面内方向也存在电导率，因此会有侧向电流的产生。侧向电流会使平面内电流密度分布均匀化，以影响平面分区测量的精度。催化剂层、气体扩散层部件的厚度均为薄片形态，电流主传递方向的路径较短，相应的电阻较小，侧向电流的影响不大。但是端部极板和冷却板的厚度却不能忽略，有必要考虑其产生的侧向电流对测量精度的影响。
燃料电池中良好的流体分配和冷却液循环控制对于燃料电池高性能的运行是至关重要的。因此，端部单极流道板和冷却液流道板是电堆中两个关键性组件。为了避免他们所产生的侧向电流影响，以实现质子交换膜上电流分布的直接测量是一件不太容易的事情。这给燃料电池内部原位在线检测技术提出艰巨的挑战。
自1998年Cleghorn等人将PCB技术引入燃料电池测量中以来，出现了多种类型的PCB传感器用于平面内分布信息的分区测量。这些研究促进了燃料电池内部探测技术的发展。设计特征大多数采用了双面平坦结构，利用PCB埋阻工艺，形成了厚度较薄的紧凑型结构，以便于在燃料电池内部的灵活布置和紧凑安装。但是PCB埋阻工艺需要较高的制作水平和生产成本，不利于燃料电池的商业应用；同时PCB埋阻工艺可维修性能较差，某一个分区采样电阻出现故障将无法更换，会导致此类PCB传感器的功能失效；此外，燃料电池电堆在工作中会有大电流的产生，而此类PCB传感器分区信号较小，难以抵抗大电流的干扰。同时会存在小信号的传输损耗问题。因此，双面平坦的结构限制了PCB集成电路的功能扩展，这也使得此类型传感器的功能较为单一，应用范围受到了很大的限制。
现有的PCB技术已经发展到了很高的水平，但是在燃料电池电堆中的应用程度却非常有限。其中一个重要的原因在于PCB环氧树脂基材的导热性能较差，无法与具有良好导热性能的石墨和金属相比。另外，PCB分区在线测量技术是检测平面内不同区域之间的性能差异。分区数量是影响测量分辨率的一个重要因素，分区数量越高分辨率也会越高。较多的分区数量会对应较多的分区测量信号，分区信号的同步采集和测量给线束连接带来较大的压力。
综上，传统燃料电池电堆A在测量工作期间存在以下问题：
1)端部单体比内部多片单体性能衰减较快；
2)电堆大电流产生的信号干扰和热量聚集；
3)电堆封闭结构导致电池内部信息测量困难；
4)侧向电流使平面内电流均一化，影响测量精度。
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了一种可消除端部侧向电流、实现在线原位信号放大检测、传输损耗低、抗干扰能力强、散热能力强的基于多功能端部总成的燃料电池电堆测量装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明给出了一种基于多功能端部总成的燃料电池电堆测量装置，所述测量装置包括多单体组件总成，以及分别设置在所述多单体组件总成两端的多功能端部总成，所述多功能端部总成据所属电极分为阳极多功能端部总成和阴极多功能端部总成；
所述多功能端部总成包括自所述多单体组件总成往端部方向依次设置的多功能PCB传感器，用于进行PCB传感器非平坦面安装的专用集流体，以及端板；所述多功能PCB传感器内集成有端部气体流道和端部冷却液流道。
优选地，所述多功能PCB传感器为多层刚性层叠结构，包括设置在底层的元器件贴片层，设置在中间层的线路层和端部冷却液流道，以及设置在顶层的电流分区和端部气体流道。
优选地，所述端部气体流道具体为：利用PCB制造技术在多功能PCB传感器的顶层形成气体流道，并在流道的脊背上形成电流导流；通过所述端部气体流道，所述多功能PCB传感器顶层与气体扩散层GDL直接接触，以消除阴极板侧向电流。
优选地，所述端部冷却液流道利用PCB制造技术布置在端部气体流道和电子元器件之间，通过在膜电极热源和电子元器件之间建立了空间隔离区域，实现端部的冷却液温度循环控制，并消除冷却液流道板产生的侧向电流
优选地，所述电流分区中设置有：
分区信号即时放大模块，用于将电堆端部平面内的信号，在分区位置进行原位在线放大后传输；
分区信号在线采集模块，用于对电堆端部平面内信号进行在线原位监测。
优选地，所述多功能PCB传感器通过底层的元器件贴片层，进行采样电阻和放大器组件在分区位置的紧凑型集成。
优选地，所述多功能PCB传感器采用总线传输技术实现分区放大信号的同步采集和传输。
优选地，所述阳极多功能端部总成和阴极多功能端部总成为整体功能和结构对称的总成结构，局部结构根据两极特征需求进行相应调整。
优选地，所述多功能PCB传感器采用部分铝基板材料。
优选地，所述专用集流体采用CNC加铣技术进行结构避让，用于实现PCB传感器非平坦面的紧凑安装。
与现有技术相比，本发明综合评估了传统电堆在工作期间存在的相关问题，结合燃料电池现有平面内PCB传感器的内部检测技术存在的局限，针对性的给出了燃料电池端部平面内信息在线原位测量的具体解决方案，具有以下优点：
1)本发明在多功能PCB传感器内部集成了端部气体流道以消除端部单极流道板产生的侧向电流；在多功能PCB传感器内部集成了冷却液流道以实现端部的冷却液循环控制和消除冷却液流道板产生的侧向电流，同时也在膜电极和电子元器件之间形成了冷却液流道的空间隔离区域。
2)本发明采用PCB分区测量技术，实现燃料电池电堆端部质子交换膜上分区信号的在线原位信号放大后再测量和传输，避免传输损耗和抵抗大电流干扰，避免端部单极流道板和冷却液流道板所产生的侧向电流影响。
3)本发明采用PCB集成制造技术，实现了端部气体流道、端部冷却液流道、分区信号放大采集放大等多层刚性层叠结构的集成。
4)多功能PCB传感器实现电堆端部平面内分区信号的即时放大、在线和原位检测，增强了信号的抗干扰能力，能够抵抗小信号传输损耗和电堆大电流干扰。
5)本发明多功能PCB传感器顶层集成了分区焊盘和端部气体流道，采用PCB技术和喷涂等工艺实现防水防氧化，并保持PAD分区良好的导电性能。
6)本发明选用具有良好散热能力的铝基板/铜基板等材料，并且采用端部冷却液流道隔离热源和PCB电子元器件的布置方式，实现电堆端部的冷却液温度循环控制。
7)多功能端部总成采用专用集流体，解决了PCB传感器非平坦面的安装问题，避免了双平坦面PCB传感器的埋阻工艺，使PCB技术卓越的集成性能得以扩展。
8)本发明考虑了分区数量带来的较多信号同步采集的需求，采用了总线传输技术完成分区放大信号的同步采集和传输。
附图说明
图1为本发明燃料电池传统电堆和新型电堆框图；
图2为本发明新型电堆组件布置示意图；
图3为本发明多功能PCB传感器正面图；
图4为本发明多功能PCB传感器反面图；
图5为本发明专用集流体结构示意图；
图6为本发明新型电堆多功能端部总成流道集成示意图；
图7为本发明多功能PCB传感器内部设计示意图；
图8为本发明新型电堆多功能端部总成测量技术示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
本实施例针对现有燃料电池电堆商业应用和测量中存在的问题，在不改变燃料电池电堆中部的多单体组件总成结构下，设计了一种基于多功能端部总成的燃料电池电堆测量装置，该燃料电池电堆包括多单体组件总成，以及分别设置在多单体组件总成两端的多功能端部总成，多功能端部总成据所属电极分为阳极多功能端部总成和阴极多功能端部总成；
多功能端部总成包括自所述多单体组件总成往端部方向依次设置的多功能PCB传感器，用于进行PCB传感器非平坦面安装的专用集流体，以及端板；所述多功能PCB传感器内集成有端部气体流道和端部冷却液流道。
接下来，对本实施例设计的燃料电池电堆进行详细介绍。
如图1所示，传统电堆A端部单极流道板①⑤、端部冷却液流道板②⑥、集流体③⑦等组件的结构进行了专用性调整，并将端部单极流道板和端部冷却液流道板的功能集成到了多功能PCB传感器⑩内部。
本发明的新型电堆B的阴极侧端部总成包括多功能PCB传感器⑩、专用集流体和端板④等部件；阳极侧端部总成包括多功能PCB传感器/>专用集流体/>和端板⑧等部件。即本发明在传统电堆A结构的基础上，在不改变电堆内部多单体组件总成⑨结构的情况下，开发了具有多功能端部总成测量技术的新型电堆B。图2给出了新型电堆组件布置示意图。
具体地，如图6和7所示，多功能PCB传感器为多层刚性层叠结构，包括设置在底层的元器件贴片层，设置在中间层的线路层和端部冷却液流道，以及设置在顶层的电流分区和端部气体流道。利用PCB制造技术在多功能PCB传感器的顶层形成气体流道，并在流道的脊背上形成电流导流，作为端部气体流道，以消除端部单极流道板产生的侧向电流；通过端部气体流道，多功能PCB传感器顶层与气体扩散层GDL直接接触。
端部冷却液流道，利用PCB制造技术布置在端部气体流道和电子元器件之间，通过在膜电极热源和电子元器件之间建立了空间隔离区域，利用端部的冷却液循环控制消除冷却液流道板产生的侧向电流。
多功能PCB传感器的正反面示意图如图3和图4所示。
本实施例中，多功能PCB传感器部分采用了良好散热能力的铝基板或铜基板等材料。
多功能PCB传感器集成有电流分区，电流分区中设置有：
分区信号即时放大模块，用于将电堆端部平面内的信号，在分区位置进行原位在线放大后传输，避免信号传输损耗和抵抗大电流干扰；
分区信号在线采集模块，用于对电堆端部平面内信号进行在线原位监测。
多功能PCB传感器采用成熟的PCB贴片技术，避免了PCB埋阻工艺，实现了采样电阻和放大器组件在分区位置的紧凑型集成。
多功能PCB传感器采用总线传输技术实现分区放大信号的同步采集和传输。
阳极多功能端部总成和阴极多功能端部总成为整体功能和结构对称的总成结构，局部结构根据两极特征需求进行相应调整。
多功能PCB传感器部分采用了良好散热能力的铝基板或铜基板等材料。
如图5所示，专用集流体采用CNC加铣技术进行结构避让，用于实现PCB传感器非平坦面的紧凑安装，以满足PCB传感器放大功能扩展所需要的结构空间。
本发明设计的新型电堆多功能端部总成测量技术示意图如图8所示。
本发明将有助于推动燃料电池内部在线探测技术的发展，以及智能化燃料电池的工程应用。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于多功能端部总成的燃料电池电堆测量装置，其特征在于，所述测量装置包括多单体组件总成，以及分别设置在所述多单体组件总成两端的多功能端部总成，所述多功能端部总成据所属电极分为阳极多功能端部总成和阴极多功能端部总成；
所述多功能端部总成包括自所述多单体组件总成往端部方向依次设置的多功能PCB传感器，用于进行PCB传感器非平坦面安装的专用集流体，以及端板；所述多功能PCB传感器内集成有端部气体流道和端部冷却液流道。
2.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池电堆的多功能端部总成测量装置，其特征在于，所述多功能PCB传感器为多层刚性层叠结构，包括设置在底层的元器件贴片层，设置在中间层的线路层和端部冷却液流道，以及设置在顶层的电流分区和端部气体流道。
3.根据权利要求2所述的一种用于燃料电池电堆的多功能端部总成测量装置，其特征在于，所述端部气体流道具体为：利用PCB制造技术在多功能PCB传感器的顶层形成气体流道，并在流道的脊背上形成电流导流；通过所述端部气体流道，所述多功能PCB传感器顶层与气体扩散层GDL直接接触，以消除阴极板侧向电流。
4.根据权利要求2所述的一种用于燃料电池电堆的多功能端部总成测量装置，其特征在于，所述端部冷却液流道利用PCB制造技术布置在端部气体流道和电子元器件之间，通过在膜电极热源和电子元器件之间建立了空间隔离区域，实现端部的冷却液温度循环控制，并消除冷却液流道板产生的侧向电流。
5.根据权利要求2所述的一种用于燃料电池电堆的多功能端部总成测量装置，其特征在于，所述电流分区中设置有：
分区信号即时放大模块，用于将电堆端部平面内的信号，在分区位置进行原位在线放大后传输；
分区信号在线采集模块，用于对电堆端部平面内信号进行在线原位监测。
6.根据权利要求5所述的一种用于燃料电池电堆的多功能端部总成测量装置，其特征在于，所述多功能PCB传感器通过底层的元器件贴片层，进行采样电阻和放大器组件在分区位置的紧凑型集成。
7.根据权利要求5所述的一种用于燃料电池电堆的多功能端部总成测量装置，其特征在于，所述多功能PCB传感器采用总线传输技术实现分区放大信号的同步采集和传输。
8.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池电堆的多功能端部总成测量装置，其特征在于，所述阳极多功能端部总成和阴极多功能端部总成为整体功能和结构对称的总成结构，局部结构根据两极特征需求进行相应调整。
9.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池电堆的多功能端部总成测量装置，其特征在于，所述多功能PCB传感器采用部分铝基板材料。
10.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池电堆的多功能端部总成测量装置，其特征在于，所述专用集流体采用CNC加铣技术进行结构避让，用于实现PCB传感器非平坦面的紧凑安装。
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| CN202310674373.6A CN116799259A (zh) | 2023-06-08 | 2023-06-08 | 一种基于多功能端部总成的燃料电池电堆测量装置 |
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| CN202310674373.6A CN116799259A (zh) | 2023-06-08 | 2023-06-08 | 一种基于多功能端部总成的燃料电池电堆测量装置 |
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Family Applications (1)
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2023
- 2023-06-08 CN CN202310674373.6A patent/CN116799259A/zh active Pending
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