[发明专利]一种燃料电池内部温度分布在线检测装置及其电堆

说明书

本发明提供的一种燃料电池内部温度分布在线检测装置，包括双面温度采集板、信号处理模块和上位机；双面温度采集板设置于任意两片相邻燃料电池单元之间，包括自上而下依次设置的顶层敷铜镀金层、顶层PCB绝缘材质层、顶层走线层、中间PCB绝缘材质层、底层走线层、底层PCB绝缘材质层、底层敷铜镀金层；顶层敷铜镀金层和底层敷铜镀金层对应设有多个阵列排布的温度采集单元凹槽，温度采集单元凹槽内部设有温度敏感元件，其检测信号经顶层走线层或底层走线层传输至信号处理模块进行信号处理，实时显示和分析；本发明还将所述在线检测装置应用于燃料电池电堆，通过设计不同结构的双极板，实现电堆阴极侧及阳极侧的产热精确检测。

技术领域

本发明属于燃料领域，具体涉及一种燃料电池内部温度分布在线检测装置及其电堆。

背景技术

燃料电池因为其高效率、低污染、无噪音等特点，受到世界各国的普遍重视。其中，质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cells，PEMFC)还具备在室温下能快速启动、无电解液流失、排水容易、寿命长、功率比和能量比高等优点，已逐步应用在航天船舶，汽车，备用电源灯领域。

在影响PEMFC性能表现的参数中，温度的影响十分显著。根据能斯特方程，在相同的气体压力下，燃料电池的电压与电池温度呈线性增长关系。实际上，随着温度升高，催化剂铂的活性提高，而且氢、氧反应气体的扩散速度也相应加大，因此电化学反应的速度增大。同时，高温有利于阴极反应生成的水排出，克服了电极淹没问题。质子交换膜内水的扩散加快，使水在质子交换膜内的分布趋于均匀，加快了质子的传导，同时电解质的欧姆阻抗降低，使电池内部电阻降低，从而增强了燃料电池的放电性能，提高化学能至电能的转化效率，理论上讲，质子交换膜燃料电池电堆的温度是越高越好的。

但是，目前PEMFC广泛采用的质子交换膜耐温程度有限，超过一定温度，膜的稳定性和质子传导性能严重下降，对燃料电池的性能有很大的影响。此外，温度升高会影响燃料电池内部的湿度，温度过高会造成膜脱水，导致质子交换膜的湿度不够，从而使质子交换膜的传导率降低。因此应该根据实际情况严格控制PEMFC的温度在正常范围之内，在正常范围之内再找到合适的温度工作点，使PEMFC的性能达到最佳。

此外，若单片电池内的温差过大，会导致膜的受热不均匀，从而降低电池的寿命；若电堆内各单电池之间的温差过大，此时电堆的工作温度难以控制，会造成各单电池的均一性下降，使电堆的输出性能降低。

传统的对运行中的燃料电池电堆测温手段有红外成像仪。通过对电堆整体或局部进行红外成像，通过屏幕显示的图像色彩和热点追踪显示，判断电堆的发热情况。然而，使用红外成像仪检测电堆温度有诸多的弊端：一是红外成像因为由于制作材料和生产工艺过程控制的不稳定等，会存在一少部分不正常的感光单元即坏点；红外焦平面阵列像元在均匀红外光入射条件下，其图像输出信号幅度不同，往往表现为固定图像的本底噪声和各像元相应率的不一致，即红外图像存在不均一性；红外成像的温度难以精确定位到某一电池单元、电池单元的阴极侧还是阳极侧，难以探究电堆具体位置的温度分布。

目前有相关理论研究表明，燃料电池膜电极的阴极侧产热是多于阳极侧的，但是阴极侧及阳极侧的产热在电堆内部的具体分布状况，及不同分布状况对于电堆性能、电流分布的影响确鲜有研究。

发明内容

本发明提出了一种燃料电池内部温度分布在线检测装置及其电堆，以监测燃料电池电堆反应产热导致的燃料电池单元阴阳极侧温度差异与电堆横截面各处温度差异。

本发明具体技术方案如下：

一种燃料电池内部温度分布在线检测装置，其特征在于，包括双面温度采集板、上位机和位于双面温度采集板两端的信号处理模块；所述双面温度采集板为多层印刷电路板，设置于任意两片相邻燃料电池单元之间，用于在线检测燃料电池内部的分区温度分布；