[發(fā)明專利]一種燃料電池內(nèi)部溫度和濕度在線測量系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810373653.2
• 申請日: 2018-04-24
• 公開（公告）號: CN108736049B
• 公開（公告）日: 2021-08-13
• 發(fā)明（設計）人: 邵恒;邱殿凱;彭林法;易培云;來新民
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01M8/04313
• 分類號: H01M8/04313;H01M8/0432;H01M8/04492;H01M8/2465;H01M8/04291
• 代理公司: 上?？剖⒅R產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 陳亮

本發(fā)明涉及一種燃料電池內(nèi)部溫度和濕度在線測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括與燃料電池連接的信號收發(fā)模塊、與所述信號收發(fā)模塊連接的直流電源、信號轉(zhuǎn)換記錄模塊，檢測燃料電池內(nèi)部陰極和陽極反應氣體的溫度和濕度信息的傳感器組件。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明能夠在線檢測燃料電池內(nèi)部溫度和濕度參數(shù)，實時分析燃料電池內(nèi)部水汽含量。在實際應用中，能夠根據(jù)該系統(tǒng)診斷結(jié)果實時調(diào)整電池控制策略，提高燃料電池效率和壽命。

技術領域

本發(fā)明屬于燃料電池技術領域，尤其是涉及一種燃料電池內(nèi)部溫度和濕度在線測量系統(tǒng)。

背景技術

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種將氫氣中的化學能直接轉(zhuǎn)變成電能的發(fā)電裝置，其發(fā)電效率可達50％以上。質(zhì)子交換膜燃料電池運行過程中的唯一產(chǎn)物是水，對環(huán)境十分友好，同時具有啟動快、工作溫度低、噪聲小等特點，是未來汽車、無人機等的理想動力源。

質(zhì)子交換膜燃料電池在發(fā)電過程中的產(chǎn)物是水。研究表明，燃料電池內(nèi)部水的含量和分布直接影響燃料電池工作效率、穩(wěn)定性和壽命。一方面，燃料電池中的質(zhì)子交換膜需要在足夠的潤濕條件下才能保證較高的質(zhì)子傳導率。另一方面，燃料電池生成的水若不能及時排除會造成催化層和氣體擴散層中的微孔水淹堵塞，阻礙反應氣體供應。電池長時間工作在干燥或水淹的狀態(tài)下，會導致反應物和催化劑的利用率下降，性能衰減加速，使用壽命降低。另外，燃料電池的運行溫度通常為60～80℃，過高或過低的溫度都會影響電池內(nèi)部催化劑的活性，同時影響電池內(nèi)部水汽比例和電池內(nèi)部水分排出速率。因此，燃料電池運行過程中需要對反應氣體的濕度和濕度進行監(jiān)測和控制，維持合理的水熱平衡。

從以上可以看出，設計一種燃料電池內(nèi)部溫度和濕度在線測量系統(tǒng)及方法，對于考察燃料電池的工作狀態(tài)，實時表征顯示燃料電池的水熱分布信息，分析影響燃料電池性能和壽命的關鍵因素，制定合理的燃料電池水熱管理策略，具有重要的指導意義。

現(xiàn)有的技術多采用可見光觀測方法定性判斷燃料電池反應氣體通道內(nèi)的含水量狀態(tài)，然而可見光觀測方法需要在被測量燃料電池上設置透明的觀察窗，對于燃料電池輸出功率影響較大，且不能定量測量水汽含量。此外還有中子成像、X射線成像和核磁共振成像等方法探測燃料電池內(nèi)部水含量，這種成像方法所使用的設備復雜，成本較高，占用體積極大，無法適用于測量在車載等實際工況下運行的燃料電池。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種實時監(jiān)燃料電池內(nèi)部溫度和濕度參數(shù)，實時分析燃料電池內(nèi)部水汽含量，并根據(jù)診斷結(jié)果實時調(diào)整電池控制策略的燃料電池內(nèi)部溫度和濕度在線測量系統(tǒng)。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)：

一種燃料電池內(nèi)部溫度和濕度在線測量系統(tǒng)，用于采集嵌入溫濕度傳感器的燃料電池運行狀態(tài)下陰極和陽極反應氣體流場中多個位置的氣體溫度和濕度數(shù)值，包括與燃料電池連接的信號收發(fā)模塊、與所述信號收發(fā)模塊連接的直流電源、信號轉(zhuǎn)換記錄模塊，檢測燃料電池內(nèi)部陰極和陽極反應氣體的溫度和濕度信息的傳感器組件。燃料電池內(nèi)部陰極和陽極反應氣體的溫度和濕度信息由傳感器組件轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)由信號收發(fā)模塊和信號轉(zhuǎn)換記錄模塊處理并分別顯示溫度和濕度分布。

所述的燃料電池內(nèi)部溫度和濕度在線測量系統(tǒng)及方法，其特征在于，所述的燃料電池由膜電極組件(MEA)、金屬或石墨雙極板、集流板、絕緣板、端板等構(gòu)成。

優(yōu)選地，所述的信號收發(fā)模塊由一個或幾個多路數(shù)字信號收發(fā)器組成，每個信號收發(fā)器能夠連接至少8個傳感器組件。信號收發(fā)模塊能夠向濕度傳感器發(fā)送測量命令，傳感器在收到測量命令之后進行測量，并將測量電信號返回給信號收發(fā)器。所有數(shù)字收發(fā)器共同連接至一條串行總線上，所述串行總線上的信號通過有線或無線路徑傳輸至所述的信號轉(zhuǎn)換和記錄模塊。無線傳輸路徑可以選用Wifi或Bluetooth協(xié)議。