[發明專利]一種燃料電池電堆的在線分區檢測系統及檢測方法

有效

• 申請號: 201210365140.X
• 申請日: 2012-09-26
• 公開（公告）號: CN103675694B
• 公開（公告）日: 2016-11-02
• 發明（設計）人: 林瑞;翁元明;張軼之;胡純;李冰;汪飛杰;俞佳偉;劉金玲
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G01R31/36
• 分類號: G01R31/36
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 趙繼明

技術領域

本發明涉及一種燃料電池領域的性能檢測系統和方法，尤其是涉及一種燃料電池電堆的在線分區檢測系統及檢測方法。

背景技術

燃料電池(PEMFC)因具有高功率密度、環境友好、啟動迅速等優良特性，被視為內燃機的最佳替代者并受到各國政府和汽車制造商的極大重視。但燃料電池電堆的壽命及穩定性仍是一大難題，其性能受到諸多因素的影響，如溫度、濕度、流場形狀等。而這些因素的影響，直接體現在燃料電池內部電流密度、溫度的分布上。因此，使用檢測燃料電池分區性能的PCB板檢測燃料電池電堆內部分區電流密度、溫度的分布和單體電壓，對燃料電池的研究有著重大的意義。

燃料電池電堆是由多個燃料電池單體串聯而成，對燃料電池電堆中單體的分區性能參數的檢測是燃料電池電堆運行時必要環節，因為燃料電池電堆操作參數變化都反映在單體分區性能上。只要有一個單體分區性能不均勻甚至不導通就會造成整個電堆的崩潰，因此電堆各種故障前兆首先反應在電堆內部單體分區性能參數上。在電堆穩定運行時，檢測電堆各處單體分區性能參數，并依據電堆在穩定功率輸出時分區性能參數變化并分析引起這種變化原因，在電堆故障發生前提示操作者排除故障，使電堆恢復到正常工作狀態，對電堆的正常工作有重要意義。目前有關燃料電池在線分布檢測的有以下幾種：磁環組法、子電池法、流場分割法、分布測量墊片法、印刷電路板法等。其中大多側重單電池的檢測，加工難度大，結構復雜，且破壞電池結構，對電堆在線檢測研究較少。

曾潔等人發明一種燃料電池電堆的單體電池電壓測量電路(CN?101806866A)，它包括單體電池取樣開關控制網絡、低通濾波器、參考基準電壓源、兩路AD轉換器及微控制器，測量系統與被測量電池組不共地，連接微控制器兩個AD轉換器通道的是一節單體電池的兩個電極端，被取樣的單體電池的任意一個電極端與測量系統的參考基準電壓源連接，然后該連接點與微控制器的一個AD轉換器通道口相連。它是一種簡潔實用、低成本的單體燃料電池電壓測量電路，測量精度可以滿足要求。然而該發明僅能夠獲得燃料電池內部單池的電壓，對電堆各處分區性能參數觀測不夠多方面，且沒有采用繪制分層設色圖像的方式，無法直觀并實時地表現燃料電池電堆內部電化學反應情況，不便于了解和考察燃料電池某些規律性的特性。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種基本不改變電堆結構、檢測性能參數多、測量結果顯示直觀的燃料電池電堆的在線分區檢測系統及檢測方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種燃料電池電堆的在線分區檢測系統，所述的電堆由多個電堆單體組成，所述的電堆單體包括依次貼合的單體陽極板、膜電極和單體陰極板，所述的檢測系統包括電堆、PCB板、數據采集裝置和計算機，所述的PCB板替代需檢測處電堆單體的單體陽極板，所述的數據采集裝置的輸入端與PCB板連接，輸出端與計算機連接，數據采集裝置在線采集與其相連的PCB板上的信號，傳入計算機，計算機對接收到的信號進行檢測處理并顯示處理結果。

所述的PCB板為可檢測電堆分區性能的多層電路板，所述的PCB板的上表面刻有氫氣導流槽，上表面中間設置有若干個獨立分區，所述的各獨立分區下內置有埋入式電阻，所述的PCB板的下表面為平整金屬板，所述的PCB板的上下兩側設置有電堆公共流道和密封槽，左右兩側設有數據采集口，所述的數據采集口分別與埋入式電阻和數據采集裝置連接。

所述的電堆公共流道包括氫氣公共流道、水流道和空氣公共流道。

所述的在線采集的PCB板上的信號包括PCB板上每個獨立分區的電流密度信號、溫度信號和單體電壓信號。

一種燃料電池電堆的在線分區檢測方法，包括以下步驟：

1)采用多塊PCB板替代在需檢測的電堆單體中的單體陽極板，通過密封圈和PCB板上的密封槽密封好；

2)向電堆中通入氫氣、空氣和水，使其正常工作；

3)穩定工作后通過數據采集系統采集PCB板測得的電流密度信號、溫度信號和單體電壓信號，并將數據處理結果傳入計算機；

4)計算機將接收到的數據轉化為二維分布圖并進行顯示，從而在線檢測電堆分區性能，當分區電流密度出現負值、溫度最大值大于設定安全值、單電池電壓出現負值或單電池電壓低于正常工作電壓時，顯示故障提示。

與現有技術相比，本發明具有以下優點：

1)本發明使用分區測試技術，通過檢測分區性能的PCB板在線檢測電堆內部單體各個分區電流密度和溫度分布，在線檢測電堆分區性能，對電堆運行過程中的錯誤進行預檢、在線跟蹤及現場優化控制。