[发明专利]一种燃料电池局部电流密度-温度分布测试装置及方法

说明书

本发明提供了一种燃料电池局部电流密度‑温度分布测试装置及方法，属于燃料电池技术领域，能够同时实现电池局部电流密度和温度实时在线测量。所述装置包括PCB基板和多个测量采集单元。每个测量采集单元包括顶层电流收集区、PCB基板绝缘区、底层电流导线、金属电流导通过孔、采样霍尔元件和温度测量通孔。利用霍尔效应在采样霍尔元件电路上将被测电流转化成电信号，对电信号采集、处理、分析得到对应区域的局部电流密度值；在温度测试孔中插入热电偶丝，利用数据采集卡将温度数据进行实时记录。与现有技术相比，本发明对电池影响小、可靠性高、响应速度快、测试范围宽，可同时对电池内部任意区域的电流密度与温度分布进行实时在线测量。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池局部电流密度-温度分布测试装置及方法。

背景技术

燃料电池作为一种高效、清洁、环保的发电方式，一致以来都受到各国政府、企业和研究人员的高度重视，更是被大多数国家和企业认为是最有希望的下一代汽车动力源。随着中国政府对节能减排力度的进一步加大，以及“碳中和”、“碳达峰”等目标的相继出台，使得燃料电池产业化得到了加速发展。但同时，燃料电池也存在成本、寿命等问题，阻碍了燃料电池大规模商业化的推广。在实际应用过程中由于燃料电池内部流场结构、电池操作参数、内部的水热管理等参数的差异，会造成电池内部电化学反应的不均匀，使得电池内部反应区域出现不均的电流密度和温度分布。燃料电池长期在这种工况下工作会导致膜电极的衰减率增大，甚至出现局部热点对膜电极组件造成不可逆的损害，对燃料电池的寿命、转换效率都有很大的影响。所以对局部电流密度-温度分布的实时在线监测对提升电池寿命，减少电池运行成本具有重要的意义。

此外，通过精确测定燃料电池中的局部电流密度-温度分布，我们可以了解电池内部水和反应物分布状况，为设计更加合理的流道结构、优化反应气体的供气速率和操作方式、优化催化剂的负载、更好的控制电池内的水分布，进而为增强电池性能、延长电池的使用寿命提供了基础。目前，针对燃料电池内部局部电流密度分布的监测，一般采用标准电阻法，通过测量电流在标准电阻上产生的电压降，再利用欧姆定律计算得出对应测试区域的电流。南方科技大学(申请号：201811125984.0)公布了一种燃料电池内部分区检测双极板，在两块印刷电路板的通孔内安装电阻，电流流过所述电阻两端时将产生电压差，利用欧姆定律计算出对应区域的电流值。电子科技大学(申请号：202011078944.2)也公开了一种燃料电池内部电流分布在线检测装置，也是通过在双面分区采集板中间设有金属化过孔连接的采样电阻，来进行局部电流密度的测量。虽然这种方法可以对电池局部区域的电流进行测量，但测试板中引入的外部电阻使得电池内部参数发生较大改变，尤其是电池的欧姆阻抗，从而会使得局部电流密度的测量与原有电池参数产生较大差异，使得测试电阻的测量的准确度还有待进一步提高。此外，对于局部大电流情况下的测试，利用电阻法会有严重的发热现象，可能产生测试板起火的风险，这对于使用氢气作为燃料的电池来说是不可接受的。而对于电池内部温度分布的监测，通常是在对应测试区域或测试板中预埋热敏电阻，在热敏电阻两端外接稳压电源，通过热敏电阻随温度变化特性得到测试区域得温度。同济大学的林瑞等人(申请号：201310123343.2)公开了一种燃料电池多功能在线测试印刷电路板，通过在温度测试层埋入若干各热敏电阻，依次串联在外接稳压电源两端，形成独立的闭合回路，通过热敏电阻的温度变化特性进行温度测量。但此方法需要设计较为复杂的测试电路，维护更换也较为困难。另外，测试板通常使用的基材导热效果较差，对于电池局部温度的变化测量具有一定的滞后性。

总之，现有公开的技术和装置对燃料电池原有参数或结构改变较大，在局部电流测量的范围和准确度方面存在一定的局限性；对于电池内部温度分布的测试，测试电路设计、维护和操作等方面较为复杂，且测试上存在一定的滞后性。而实际过程中，开发准确度高、响应速度快、操作方便的在线测试对于燃料电池开发应用更具意义。

发明内容

本发明的目的就是为了弥补上述技术缺陷而提供一种燃料电池局部电流密度-温度分布测试装置及方法，用于提高局部电流密度检测的准确性，降低测试过程对电池固有参数的影响，提高检测的可靠性。同时，降低局部温度测试过程的复杂性和滞后性。