[发明专利]一种燃料电池内部温度分布式测控装置及其电堆

说明书

本发明提供了一种燃料电池内部温度分布式测控装置，包括双面温度测控板和上位机；双面温度测控板设置于任意两片相邻燃料电池单元之间，由多个阵列排布的测控单元组成，测控单元包括顶层敷铜镀金分区、顶层走线层、顶层电源层、通断控制层、埋阻层、底层电源层、底层走线层和底层敷铜镀金分区；顶层敷铜镀金分区和底层敷铜镀金分区对应设有金属化过孔和内部设有温度敏感元件的温度采集单元凹槽，检测信号通过对应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；顶层电源层和底层电源层之间设有由PMOS管和热电阻组成的加热支路，栅极根据信号处理模块的电压控制信号控制PMOS管的导通或截止，实现热电阻的温度补偿。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池内部温度分布式测控装置及其电堆。

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。同时，这种温度的不均匀分布又会影响膜电极上酶的活性，反映在反应的强弱分布不均；电堆不同区域反应程度的不同又会进一步加剧温度不均一。为避免这种正反馈关系导致电堆性能的均一性越来越差，也方便在研究过程中最小化温度因素对电池不同区域的影响，需要设计一种能够主动控温的在线分区检测装置。

发明内容

针对上述现有技术中的问题，本发明提出了一种燃料电池内部温度分布式测控装置及其电堆，在监测燃料电池电堆内部各分区温度分布的同时，通过温度补偿动态调整各分区温度分布，使其一致。

本发明具体技术方案如下：

一种燃料电池内部温度分布式测控装置，其特征在于，包括双面温度测控板和上位机，双面温度测控板的中间、与燃料电池膜电极对应的区域为双面温度测控区，双面温度测控板的两端、延伸出燃料电池电堆的区域为信号处理模块；所述双面温度测控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和温度补偿；

所述双面温度测控区由多个阵列排布的测控单元组成，每个测控单元包括自上而下依次设置的顶层敷铜镀金分区、顶层走线层、顶层电源层、通断控制层、埋阻层、底层电源层、底层走线层和底层敷铜镀金分区；相邻测控单元的顶层敷铜镀金分区相互电气隔离，相邻测控单元的底层敷铜镀金分区相互电气隔离；