[发明专利]用于收集和传输燃料电池堆中的测量数据的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池堆的监测系统，更具体地，涉及一种用于燃料电池堆的监测系统，该监测系统使用聚集装置来收集表示电池堆中的每个燃料电池或燃料电池组的测量参数的光信号。

背景技术

氢之所以是一种很受欢迎的燃料，是因为它清洁并且能够用于在燃料电池中有效地产生电能。氢燃料电池是包括阳极和阴极并在其之间具有电解质的电化学装置。阳极接收氢气，阴极接收氧气或空气。在阳极侧的催化剂中离解氢气以产生自由质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子在阴极侧的催化剂中与氧气和电子进行反应从而产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，从而在送至阴极前被引导通过负载来做功。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是广受欢迎的用于车辆的燃料电池。该PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极电极(催化剂层)通常包括支撑于碳颗粒上并与离子聚合物混合的细分催化颗粒，通常为铂(Pt)。该催化混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。每个MEA通常夹在两片多孔材料之间，气体扩散层(GDL)保护了膜的机械完整性并且有助于使反应物和湿度均匀地分布。MEA中分开阳极和阴极流的部分被称为有源区，且水蒸气只有在这个区域才能够在阳极和阴极之间进行自由地交换。MEA的制造相当昂贵且为了使其有效工作要求一定的湿度条件。

通常地是将若干燃料电池组合成每个燃料电池堆以产生所需的能量。例如，用于车辆的典型的燃料电池堆可具有两百或更多的堆叠的燃料电池。该燃料电池堆接收阴极输入反应气体，通常为被压缩器迫使穿过电池堆的空气流。并非所有的氧气都被电池堆消耗，一部分空气作为阴极废气排出，废气中可以含有作为反应副产物的水。燃料电池堆还接收流入电池堆阳极侧的阳极氢气反应气体。电池堆还包括冷却流体流过的流动通道。

燃料电池堆包括一系列双极板(隔板)，该双极板位于电池堆中的若干MEA之间，其中双极板和MEA位于两个端板之间。双极板包括用于电池堆中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧流动分配器(流场)。在双极板的阳极侧上设置阳极气体流动通道，使阳极反应气体流至相应的MEA。在双极板的阴极侧设置阴极气体流动通道，使阴极反应气体流至相应的MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，且另一个端板包括阴极气体流动通道。该双极板和端板用导电材料制成，如不锈钢或导电合成材料。在堆叠完成后，这些部件通常置于压力下以最小化电接触阻力并封闭密封件。端板从电池堆中导出燃料电池产生的电能。双极板还包括冷却流体所流过的流动通道。

高频电阻(HFR)是燃料电池公知的属性，且和燃料电池膜的欧姆电阻或膜质子电阻紧密相关。欧姆电阻本身是燃料电池膜湿度的函数。因此，通过在激励电流频率的特定频带内测量燃料电池堆的燃料电池膜的HFR，可确定燃料电池膜的湿度。这种HFR的测量允许单独测量燃料电池膜的湿度，从而消除对RH传感器的需求。

通常地，对燃料电池堆中的每个燃料电池的电压输出和可能的高频电阻(HFR)进行监测，使得系统知道燃料电池电压或燃料电池HFR是否超出所希望的范围，从而指示可能出现故障。如在本领域中应理解的，由于所有的燃料电池是串联地电耦合的，如果电池堆中的一个燃料电池出现故障，则整个电池堆都会出现故障。作为临时解决方案，对出现故障的燃料电池采取一定的补救措施，直到该燃料电池车辆得以维修。这种补救措施包括增加氢气流和/或增加阴极化学计量。

通常通过监测子系统来测量燃料电池电压和燃料电池的HFR，该子系统包括与电池堆中的每个双极板和电池堆中的端板连接的导线。因此，400电池堆包括与电池堆连接的401个导线。由于零件的尺寸、零件的公差、零件的数量等原因，为使用如此多的燃料电池将电池堆中的每个双极板提供物理连接是不现实的。因此，本领域中需要一种无需用导线连接每个双极板，就能测量电池电压和HFR的系统和方法。

发明内容

根据本发明的教导，公开了一种从燃料电池堆中的每个燃料电池或燃料电池组传输测量数据的系统。该电池堆包括多个叠置板，其中在每个燃料电池之间以及在电池堆的每个端部上有一个叠置板。该系统包括多个嵌入智能板，其中每个嵌入智能板与多个叠置板中的至少一个机电耦合，并且其中每个嵌入智能板包括位于智能板的顶侧和底侧上的光收发器。该系统进一步包括至少一个聚合器装置，该聚合器装置具有至少一个光收发器以在嵌入智能板之间开始一系列通信，从而确定通过每个智能板收集的位置和数据。

本发明提供以下技术方案：