[发明专利]一种燃料电池堆内部电流高分辨率分区检测系统

说明书

本发明提供一种燃料电池堆内部电流高分辨率分区检测系统，包括高分辨率分区电流采集板、分区镂空集流板、多通道信号放大装置、模数转换模块、CPU和上位机；高分辨率分区电流采集板设置于任意相邻两片燃料电池单元之间和阴/阳极端部，由多个采集单元组成，采集单元包括依次设置的敷铜镀金分区顶层、走线层和高精度采样电阻底层，还有两个贯穿其中的电流采集过孔；高精度采样电阻底层的下表面设有采样电阻，与两个电流采集过孔共同构成电阻区域，位于高精度采样电阻底层一侧的分区镂空集流板上与电阻区域对应的区域为镂空区域。本发明在不改变电堆结构和不影响电堆内部参数分布的前提下，实时采集电堆内部各个点位的电流密度。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池堆内部电流高分辨率分区检测系统。

背景技术

在过去的几十年中，随着工业化的进一步发展，内燃机已被广泛用作陆地车辆、商用船和固定式发电厂的动力源，但大量使用的化石燃料引起了一系列环境问题和能源危机。世界各地研究人员一直在努力开发新的清洁能源，以取代传统的化石能源，解决能源危机和环境污染问题。其中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于具有低污染、高功率密度和高效率等优点被认为是新能源汽车应用中最具前景的解决方案。特别是在丰田Mirai和本田Clarity发布之后，车用质子交换膜燃料电池的研究获得了政府和企业的大力支持。然而，阻碍质子交换膜燃料电池大规模商业化的两个主要因素是电池寿命和性能衰减速率。这两个主要因素的影响直接体现在电池内部的电流分布和温度分布上。其中，电流在活性反应区的不均匀分布会产生内部电压差及面内电流，导致反应物和电催化剂利用率下降，降低电池效率，加速电池老化，最终导致电池的寿命下降。故电流分布是表征车用燃料电池电堆中反应物分布、电堆状态等性质的重要参数。

因此需设计一种能够实时在线获取大面积车用燃料电池电堆内部电流分布的在线分区检测系统，对大面积燃料电池电堆的内部电流分布情况进行研究，对提高电堆性能，优化电堆设计和优化控制策略等方面有重要的意义。

目前，在线分区检测技术主要分为非侵入式和侵入式两大类。侵入式在线分区检测技术中的印刷电路板技术因成本低，实现简单，被广泛使用，其主要思想是通过在电堆中加装集成有传感器的印刷电路板，对内部电流密度分布、热量分布和湿度分布等参数进行测量，集成度高，加装结构简单，易于安装和调试，在实验室甚至燃料电池电堆实际工况下都具有很大优势。印刷电路板技术根据采样电阻放置方式可分为埋阻式和外置电阻式。埋阻式是指将电阻介质埋入分区测试板中，通过引出信号线到外部信号采集设备，测试时将燃料电池的阴极板或阳极板替换为该分区测试板以获得电流分布。目前埋阻技术工艺成本较高，在国内不成熟，导致埋阻工艺电阻精度无法控制，需进行额外电阻标定，增加测试难度，并且在使用过程中不易调试电阻。外置电阻式是将采样电阻放置在电路板外侧，通过铜箔连接测试分区和采样电阻。外置电阻式成本低，实现简单，无需进行额外电阻标定。

在目前的大面积车用燃料电池电堆内部电流分布的在线分区检测系统中，外置电阻式的印刷电路板技术设置的分区数较少，不能更具体的表征电堆内部各个部分的反应情况。而且，大多数采用导线在敷铜镀金分区与采集电阻之间进行导流，分区数较多时会导致电信号在传输过程由于发热或者其他功率损耗而增加测量误差，不适用于大面积车用燃料电池电堆的研究。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种燃料电池堆内部电流高分辨率分区检测系统，在不改变电堆结构和不影响电堆内部参数分布的前提下，设置在大面积燃料电池电堆的阳极端部、阴极端部或中间双极板之间，实时采集电堆内部各个点位的电流密度。

本发明具体技术方案如下：