[发明专利]一种燃料电池内部温度和湿度在线测量系统

说明书

本发明涉及一种燃料电池内部温度和湿度在线测量系统，该系统包括与燃料电池连接的信号收发模块、与所述信号收发模块连接的直流电源、信号转换记录模块，检测燃料电池内部阴极和阳极反应气体的温度和湿度信息的传感器组件。与现有技术相比，本发明能够在线检测燃料电池内部温度和湿度参数，实时分析燃料电池内部水汽含量。在实际应用中，能够根据该系统诊断结果实时调整电池控制策略，提高燃料电池效率和寿命。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池内部温度和湿度在线测量系统。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将氢气中的化学能直接转变成电能的发电装置，其发电效率可达50％以上。质子交换膜燃料电池运行过程中的唯一产物是水，对环境十分友好，同时具有启动快、工作温度低、噪声小等特点，是未来汽车、无人机等的理想动力源。

质子交换膜燃料电池在发电过程中的产物是水。研究表明，燃料电池内部水的含量和分布直接影响燃料电池工作效率、稳定性和寿命。一方面，燃料电池中的质子交换膜需要在足够的润湿条件下才能保证较高的质子传导率。另一方面，燃料电池生成的水若不能及时排除会造成催化层和气体扩散层中的微孔水淹堵塞，阻碍反应气体供应。电池长时间工作在干燥或水淹的状态下，会导致反应物和催化剂的利用率下降，性能衰减加速，使用寿命降低。另外，燃料电池的运行温度通常为60～80℃，过高或过低的温度都会影响电池内部催化剂的活性，同时影响电池内部水汽比例和电池内部水分排出速率。因此，燃料电池运行过程中需要对反应气体的湿度和湿度进行监测和控制，维持合理的水热平衡。

从以上可以看出，设计一种燃料电池内部温度和湿度在线测量系统及方法，对于考察燃料电池的工作状态，实时表征显示燃料电池的水热分布信息，分析影响燃料电池性能和寿命的关键因素，制定合理的燃料电池水热管理策略，具有重要的指导意义。

现有的技术多采用可见光观测方法定性判断燃料电池反应气体通道内的含水量状态，然而可见光观测方法需要在被测量燃料电池上设置透明的观察窗，对于燃料电池输出功率影响较大，且不能定量测量水汽含量。此外还有中子成像、X射线成像和核磁共振成像等方法探测燃料电池内部水含量，这种成像方法所使用的设备复杂，成本较高，占用体积极大，无法适用于测量在车载等实际工况下运行的燃料电池。

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一种实时监燃料电池内部温度和湿度参数，实时分析燃料电池内部水汽含量，并根据诊断结果实时调整电池控制策略的燃料电池内部温度和湿度在线测量系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种燃料电池内部温度和湿度在线测量系统，用于采集嵌入温湿度传感器的燃料电池运行状态下阴极和阳极反应气体流场中多个位置的气体温度和湿度数值，包括与燃料电池连接的信号收发模块、与所述信号收发模块连接的直流电源、信号转换记录模块，检测燃料电池内部阴极和阳极反应气体的温度和湿度信息的传感器组件。燃料电池内部阴极和阳极反应气体的温度和湿度信息由传感器组件转换为电信号，经由信号收发模块和信号转换记录模块处理并分别显示温度和湿度分布。

所述的燃料电池内部温度和湿度在线测量系统及方法，其特征在于，所述的燃料电池由膜电极组件(MEA)、金属或石墨双极板、集流板、绝缘板、端板等构成。

优选地，所述的信号收发模块由一个或几个多路数字信号收发器组成，每个信号收发器能够连接至少8个传感器组件。信号收发模块能够向湿度传感器发送测量命令，传感器在收到测量命令之后进行测量，并将测量电信号返回给信号收发器。所有数字收发器共同连接至一条串行总线上，所述串行总线上的信号通过有线或无线路径传输至所述的信号转换和记录模块。无线传输路径可以选用Wifi或Bluetooth协议。