一种检测燃料电池电流和温度分布的分区测试系统

技术领域

本发明属于燃料电池测试领域，特别是对燃料电池电堆的电流和温度分布的测试领域。

背景技术

随着人们对环境问题的日渐关注，新型环保能源逐渐走进人们的研究视野。燃料电池作为一种高效清洁的新能源装置，已经逐渐应用在航天，船舶，汽车，备用电源等领域。其中，质子交换膜燃料电池由于其能量转换效率高，工作温度低，启动时间短，功率密度高等特点，被认为是未来新能源的重要发展方向。质子交换膜燃料电池寿命和性能受很多因素的影响，这些因素的影响直接体现在电池内部的电流分布和温度分布上。电流在活性反应区的不均匀分布会产生内部电压的差异及面内电流，导致反应物和电催化剂利用率下降，降低电池效率加速电池老化，最终导致电池的寿命下降。故电流分布是表征燃料电池中反应物分布，电池状态等性质的重要参数。在电池运行过程中，温度对燃料电池电池性能有很重要影响。燃料电池的性能对温度敏感，由于燃料电池结构紧凑，导致内部温度场分布不均，容易影响到电化学反应的进行，不适宜的温度将导致电池性能下降。实时的温度检测能探究电流分布和温度分布的关系，给燃料系统电池控制提供依据，确保系统正常高效工作。

因此需设计一种能够获取燃料电池内部电流和温度分布的分区检测系统，对研究燃料电池内部的电流和温度分布情况，提高电堆性能，优化电堆设计和结构等方面有重要的意义。

目前，分区检测技术按照测试机理进行分类，主要有三种类型：电阻网络技术，电磁感应测试技术，印刷电路板技术。其中电阻网络技术和电磁式感应测试技术实现困难，技术复杂，会破坏电池结构，应用较少。印刷电路板技术成本低，实现简单，被广泛使用。根据采样电阻放置方式可分为埋阻式和外置电阻式。埋阻式是指将电阻介质埋入分区测试板中，通过引出信号线到外部信号采集设备，测试时将燃料电池的阴极板替换为该分区测试板以获得电流分布。然而，目前埋阻技术工艺成本较高，在国内不成熟，导致埋阻工艺电阻精度无法控制，需进行额外电阻标定，增加测试难度。外置电阻采用的是将采样电阻放置在电路板外侧，通过铜箔连接测试分区和采样电阻。虽然结构简单，但是由于设计和工艺的限制，导致各子分区之间的阻抗不同，严重时影响电流分和测量。

对于温度测量，传统方法是将微型温度传感器，热电偶，热电阻等原件埋入燃料电池流道中，或与燃料电池的膜电极热压在一起，这些方法不仅工艺困难，而且随着这些原件的植入破坏了电池的整体结构，可能导致降低电池气密性，减少膜电极的活性面积，进而影响燃料电池的性能。

为了直观表示燃料电池内部化学反应情况，需要对各分区数据进行实时图像化处理。现在普遍的的做法为将采集数据直接在同一台计算机上处理，然后生成图像。然而实时数据处理和图像生成是需要消耗大量计算机内存和处理器资源，特别是在面对高密度分区场景时，这样的做法可能导致本台计算机出现卡顿，严重时造成上位机崩溃，造成系统不可控，发生事故，因此可考虑在局域网内共享数据，由专门的服务器进行数据及可视化处理。

发明内容

本发明针对现有的埋阻技术工艺成本较高，技术不成熟的问题，改进设计了一种结构简单，工艺成熟的检测燃料电池电流和温度分布的采集板。

本发明通过检测燃料电池电堆不同分区的温度和电流，然后将各分区的电流和温度分别进行数据采集，用于后续的采集数据的处理。因而本发明技术方案为：一种检测燃料电池电流和温度分布的分区测试系统，该分区测试系统包括：采集板、信号放大模块、数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块，所述采集板设置于待检测的燃料电池的内部，并采集燃料电池内部的温度和电流信息传输给信号放大模块，数据采集模块同时接收信号放大模块的输出信号和采集板的输出信号，数据采集模块的输出信号经过数据处理模块后在数据显示模块上显示；其特征在于，所述采集板为具有多层结构的印刷电路板，该印刷电路板由电堆内部部分和电堆外部部分组成；所述电堆内部部分的上表面阵列设置有覆铜镀金分区，每个覆铜镀金分区为凹型片状结构，贴附于印刷电路板上表面；各覆铜镀金分区所在位置设置有一个金属化通孔，该金属化通孔贯通整个印刷电路板的多层结构；将所有的覆铜镀金分区分为多个部分，每一部分对应多层印刷电路板中的一个夹层，各部分覆铜镀金分区通过其各自的金属化通孔连接到对应的多层印刷电路板中的夹层，每一个覆铜镀金分区在夹层内对应设置有一根等阻抗布线；所有等阻抗布线的输出端设置在印刷电路板的电堆外部部分；印刷电路板的电堆外部部分每根等阻抗布线都对应设置有4个金属化通孔，分别为：第一采样电阻金属化通孔、第二采样电阻金属化通孔、第一信号接线端子金属化通孔、第二信号接线端子金属化通孔，这些金属化通孔贯穿整个多层印刷电路板；各夹层等阻抗布线的输出端在其所在夹层内连接第一采样电阻金属化通孔，并通过微带线将第一采样电阻金属化通孔和第二信号接线端子金属化通孔连接，第二采样电阻金属化通孔和第一信号接线端子金属化通孔连接；印刷电路板位于电堆外部部分的上表面设置有多个采样电阻和多个信号接线端子，每根等阻抗布线对应一个采样电阻和一个信号接线端子，各采样电阻一端连接其对应的第一采样电阻金属化通孔，另一端连接其对应的第二采样电阻金属化通孔；各信号接线端子的一端连接其对应的第一信号接线端子金属化通孔，另一端连接其对应的第二信号接线端子金属化通孔；所述第二采样电阻金属化通孔同时连接位于印刷电路板位于电堆外部部分上表面的覆铜集流区；

其中，各凹型片状覆铜镀金分区的凹部内，设置有一个温敏电阻，所有的温敏电阻串联；整个温敏电阻串联电路的输入端和输出端设置在印刷电路板电堆外部部分的上表面，每个温敏电阻都通过单独的布线采样个温敏电阻的电压；各温敏电阻采样电压的输出端同样设置在印刷电路板电堆外部部分的上表面；因为电流从覆铜镀金分区出流过，所以在凹槽内设置温敏电阻能够使金属温敏电阻的测量更加精确，响应更快；

采用该采集板替换燃料电池电堆中的阴极集流板，将该采样板设置有覆铜镀金分区的一侧贴附于燃料电池的膜电极上，从而检测该燃料电池工作时不同分区的电流和温度。

进一步的，设置在多层结构印刷电路板夹层中的等阻抗布线采用等宽度等长度的布线方式。

进一步的，每个覆铜镀金分区位置处设置两个金属化通孔，金属化通孔的直径为0.7mm，两个金属化通孔延伸到该覆铜镀金分区对应的印刷电路板的夹层后再通过微带线连接两个金属化通孔，从连接两个金属化通孔的微带线中点引出等阻抗布线。一个分区对应两个金属化通孔，可以对流过分区的电流进行分流，增加对电流的承载能力。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)采集板采用等阻抗布线方式使各分区到采样电阻之间的阻抗尽可能一致；

2)采样电阻布置在采集板外侧，无需埋阻工艺，成本低且实现简单；

3)温敏电阻放置在印刷电路板上，而不是埋在流道中，消除了测温元件对燃料电池结构的破坏，不影响电池中的反应；

4)可实现在线高密度矩阵式分区电流和温度分布测量，对数据进行实时图像化，直观显示分区电流分布和温度特性；

5)本发明可用于高速采集场景，对于研究燃料电池动态特性有重要意义。

附图说明

图1为燃料电池分区测试系统框图。

图2为燃料电池电堆装配示意图。

图3为电流及温度分布采集板顶层示意图。

图4为电流及温度分布采集板底层示意图。

图5为中间层蛇形布线方案示意图。

图6为中间层不同宽度穿度布线方案示意图。

图7为电流及温度分布采集板侧抛面示意图。

图8为温敏电阻电路原理图。

图9为高密度分区数据图像化方案示意图。

图10为燃料电池实时检测的具体方法的流程图。

图中：1、燃料电池电堆；2、电流及温度分布采集板；3、信号放大模块；4、数据采集模块；5、数据处理模块；6、数据显示模块；7、电子负载；8、本地服务器；9、阴极端部板；10、阴极绝缘板；11：采样电阻；12、温敏电阻；13、阳极集流板；14、阳极绝缘板；15、阳极端部板；16、多节串联燃料电池；17、镂空区；18、覆铜镀金分区；19、金属化过孔；20、采样电阻；21、覆铜集流区；22、信号接线端子；23、等阻抗布线；24、内部走线层；25、电流入口；26、电流出口；27、内部导线

具体实施方式

本发明针对功率为10kw的燃料电池；覆铜镀金分区的阻抗为3毫欧～5毫欧以下，尺寸为12mm*8mm，预留矩形大小为4mm*3mm，相邻覆铜镀金分区的间隔距离为5mm；温敏电阻的尺寸小于2mm*1.5mm，阻抗为10K；采用三层结构的印刷电路板，包括两个夹层，将所有覆铜镀金分区分为两部分，其中一部分的等阻抗布线设置于第一个夹层，另一部分的等阻抗布线设置于另一个夹层；采用等宽度等距离的等阻抗布线方式，等阻抗布线的宽度为0.25mm，长度为122mm,实现的阻抗为10毫欧以下。

如图1所示，一种燃料电池多功能分区测试系统，所述的测试系统包括燃料电池电堆1，电流及温度分布采集板2，信号放大模块3，数据采集模块4，数据处理模块5，电子负载7，本地服务器8。燃料电池电堆1与电子负载7通过电力线相连。电流及温度分布采集板2作为阴极集流板转配到燃料电池电堆1中。输出信号通过导线连接信号放大模块3发到数据采集模块4，然后在数据处理模块5中处理，经由数据显示模块6得到实时图像。

如图2所示，为燃料电池电堆装配示意图。所述的燃料电池包括依次装配的阳极端部板15，阳极绝缘板14，阳极集流板13，多节串联燃料电池16，电流及温度分布采集板2，阴极绝缘板10，阴极端部板9。其中，电流及温度分布采集板2作为电堆的阴极集流板。采样电阻11放置在电流及温度分布采集板8正面，温敏电阻12放置在每个分区预留区。

图3和图4所示为电流及温度分布采集板示意图。顶层为相互电器隔离的覆铜镀金分区18，每个分区的预留位置放置一个温敏电阻12，各个分区对应一个采样电阻20，所有采样电阻20远端接到覆铜集流区21集流，工作时作为电池的正极与电子负载7相连。底层放置信号接线端子22。采样电阻20两端引出信号线到接线端子22，与信号放大模块3相连接，然后输入数据采集模块5，所有温敏电阻12都串联到同一个电流源，它们两端的信号直接由信号线接入数据采集模块5。

图5和图6为电流及温度分布采集板内部分层示意图。由于电流及温度分布采集板2为多层印刷电路板，内部为多层结构。内层用来布线，使覆铜镀金分区18到采样电阻20之间阻抗保持一致，以此获得等阻抗布线23，具体有两个实施例：1)等长布线，通过蛇形布线方式使各条走线的长度相等；2)不同宽度和长度布线，使所有布线满足R＝ρL/A。其中R为阻抗值，ρ为铜线的电阻率，L为铜线长度，A为铜线横截面积，高度相同时，横截面积只与宽度有关。其中内部电流经过覆铜镀金分区18上的金属化过孔19，流经等阻抗布线23到达采样电阻20的近端。采样电阻20和温敏电阻12两端的电信号通过内部信号线导出到接线端子22，供到放大模块3和数据采集模块4。如图5的(a)和图6的(a)所示，当前布线层已经不能再布线时，就到新的层开始布线。

图7为电流及温度分布采集板侧抛面示意图。所述的电流及温度分布采集板2为多层印刷电路板。其中，顶层为相互电器隔离的覆铜镀金分区18，各分区之间相互绝缘，电流不能横向传导。正常工作时，顶层与多节串联燃料电池16紧密接触，电流到达覆铜镀金分区18，经过金属化过孔19到达内部走线层24，在内部走线层24中，通过等阻抗布线的方式使每根从覆铜镀金分区18到达采样电阻20近端的导线阻抗一致，以此获得等阻抗布线23。分区电流经过等阻抗布线23后汇集到采样电阻20的远端并接在覆铜集流区21上进行集流。每个采样电阻20和温敏电阻12的两端接有信号线，输出到接线端子22，可通过外接导线输入信号放大模块3和数据采集模块4。

图8为温敏电阻的电路图。工作时，所有温敏电阻12串联，输入外接的恒流源。每个温敏电阻12两端都有一对信号线引出到接线端子22。温度计算方法为根据温敏电阻两端的电压，计算出当前时刻的阻值，通过程序查询数据表的方式获取当前阻值对应的温度。

其中，覆铜镀金分区18数量与采样电阻20，温敏电阻12的数量相同，且位置一一对应。

其中，覆铜镀金分区18的行数行数大于5，列数大于5。

图9为高密度分区数据图像化方案示意图。在高密度分区场景时，大量的电流和电压信号处理以及图像化往往需要消耗大量计算资源而导致上位机崩溃。将数据采集模块4采集的数据经过局域网发到本地服务器8，在数据处理模块5中处理，最后由数据显示模块6进行图像显现化。

图10为燃料电池实时分区检测的具体方法的流程图，其具体步骤如下：

1)按照顺序装配燃料电池电堆1，将阴极集流板替换为电流及温度分布采集板2，装配时需保证气密性和装配压力均一；

2)燃料电池1组装完成后，进行气密性进行检查，如果通过各到第三步，否则回第一步；

3)将电子负载7，信号放大模块3，数据采集模块4，数据处理模块5，连接到燃料电池电堆1上，构成测试系统；

4)供给氢气，空气和水，运行系统软件，使测试系统正常工作；

5)电流及温度分布采集板2将采集的采样电阻20，温敏电阻12两端的电压信号输入至信号放大模块3和数据采集模块4。

6)数据处理模块5对数据采集模块4发来的信号进行处理，数据显示模块6显示实时电流分布和温度，显示图像，并记录数据

重复步骤2)和步骤6)，直到任务结束。