一种燃料电池装堆压紧力的实时监测方法及装置

技术领域

本申请涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种燃料电池装堆压紧力的实时监测方法及装置。

背景技术

燃料电池是一种高效、清洁的能源转换技术，已经被广泛应用于交通运输、住宅供暖、移动电源等领域。而燃料电池电堆则是燃料电池的核心部件，包括端板、绝缘板、集流板、双极板和MEA组成，将这些部件按照一定的顺序、方式组合在一起，使其形成一个整体，达到电堆的功能要求。组装的基本原理是通过施加一定的压紧力，使各个零部件之间形成紧密的接触，以达到良好的气体、液体、电子的传输，从而确保电堆的高效稳定运行。

在燃料电池装堆过程中，压紧力的大小以及压紧力在燃料电池电堆内部的均匀性十分重要，当压紧力过小时，则各个零部件之间的接触不够充分，会产生较大的接触电阻，影响电堆的性能；当压紧力过大时，则气体扩散层会产生过压的情况，其内部孔隙结构易发生坍塌，严重影响传质效果，并且机械强度也会大大降低，影响电堆的性能和寿命；当电堆内部压紧力不均匀时，则会发生局部接触不良、局部压缩过大导致的部分单电池性能异常，进而也会导致电堆的性能和寿命降低。所以，选择一个尽可能合适的压紧力以及可以即时的调整压紧力来保证压紧力尽可能的均匀性显得十分重要。但是，目前存在无法实时地监测装堆过程中各个区域的压力值及其一致性情况的问题。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种燃料电池装堆压紧力的实时监测方法及装置，通过在电堆中局部位置引入复合有压力传感器的假膜电极，来实时的监测和调整压紧力。

第一方面，本申请提供的一种燃料电池装堆压紧力的实时监测方法，所述方法包括以下步骤：

制备多个带有压力传感器的假膜电极，并且每个所述假膜电极带有多个所述压力传感器；

在燃料电池装堆过程中，分别将多个所述假膜电极放置在电堆的上下和中间位置，并按照预设的压紧力对所述电堆进行施压，且基于所述假膜电极实时监测燃料电池电堆内部各个区域的压力值。

在一种可能的实施方式中，通过如下方式制备带有压力传感器的假膜电极，包括以下步骤：

制备假催化剂涂覆膜；

将多个压力传感器的电极引线集成到边框上，并且将集成有所述电极引线的所述边框与所述假催化剂涂覆膜进行封装；

将多个金属电阻应变薄片布置在薄碳纸上；

将布置有所述金属电阻应变薄片的所述薄碳纸与封装有所述边框的所述假催化剂涂覆膜贴合在一起，制备出带有压力传感器的假膜电极。

在一种可能的实施方式中，所述边框预留有金属电阻应变薄片安装位，将布置有所述金属电阻应变薄片的所述薄碳纸与封装有所述边框的所述假催化剂涂覆膜贴合在一起时，多个所述金属电阻应变薄片分别对应安装在所述金属电阻应变薄片安装位上。

在一种可能的实施方式中，所述制备假催化剂涂覆膜，包括以下步骤：

按照设定的固含量配置碳粉浆料；

按照设定的厚度将所述碳粉浆料涂布在转印膜上；

采用热压转印工艺将所述碳粉浆料转印到质子交换膜的两侧，得到假催化剂涂覆膜。

在一种可能的实施方式中，所述将多个金属电阻应变薄片布置在薄碳纸上，包括以下步骤：

在多个金属电阻应变薄片的一侧涂布粘结剂；

将涂布有粘结剂的多个所述金属电阻应变薄片分别粘接在薄碳纸的各个指定位置；

在所述金属电阻应变薄片的另一侧涂布粘结剂，并贴合上一张同样尺寸的所述薄碳纸。

在一种可能的实施方式中，所述在燃料电池装堆过程中，分别将多个所述假膜电极放置在电堆的上下和中间位置，并按照预设的压紧力对所述电堆进行施压，包括以下步骤：

选取三个所述假膜电极；

将选取的三个所述假膜电极分别放置于上板组件与膜电极和双极板组件之间、下板组件与膜电极和双极板组件之间、以及膜电极和双极板组件的中部；其中，所述电堆包括上板组件、下板组件以及设置于所述上板组件与下板组件之间的膜电极和双极板组件；

按照预设的压紧力对所述电堆施压。

在一种可能的实施方式中，所述基于所述假膜电极实时监测燃料电池电堆内部各个区域的压力值，包括以下步骤：

获取每个所述假膜电极中多个所述压力传感器实时监测的压力值，以根据每个所述假膜电极测得的多个压力值，判断该区域各个位置的压力是否一致；

计算多个所述压力传感器实时监测到的压力值的平均值，并将其作为对应所述假膜电极测得有效压力值，以根据三个所述假膜电极测得的所述效压力值，判断各个区域的压力是否一致。

第二方面，本申请提供的一种燃料电池装堆压紧力的实时监测装置，所述装置包括：

制备模块，用于制备多个带有压力传感器的假膜电极，并且每个所述假膜电极带有多个所述压力传感器；

监测模块，用于在燃料电池装堆过程中，分别将多个所述假膜电极放置在电堆的上下和中间位置，并按照预设的压紧力对所述电堆进行施压，且基于所述假膜电极实时监测燃料电池电堆内部各个区域的压力值。

第三方面，本申请提供的一种电子设备，包括：处理器、存储器和总线，所述存储器存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当电子设备运行时，所述处理器与所述存储器之间通过总线通信，所述机器可读指令被所述处理器执行时执行如第一方面所述的燃料电池装堆压紧力的实时监测方法的步骤。

第四方面，本申请提供的一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行如第一方面所述的燃料电池装堆压紧力的实时监测方法的步骤。

本实施例提供的一种燃料电池装堆压紧力的实时监测方法及装置，制备多个带有压力传感器的假膜电极，并且每个所述假膜电极带有多个所述压力传感器；在燃料电池装堆过程中，分别将多个所述假膜电极放置在电堆的上下和中间位置，并按照预设的压紧力对所述电堆进行施压，且基于所述假膜电极实时监测燃料电池电堆内部各个区域的压力值。从而达到实时监测燃料电池电堆内部各个区域实际装堆力、以及压力均匀一致性的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请一实施例中所述燃料电池装堆压紧力的实时监测方法的流程图；

图2为本申请一实施例中制备带有压力传感器的假膜电极的流程图；

图3为本申请一实施例中将多个压力传感器的电极引线集成到边框上的结构示意图；

图4为本申请一实施例中将多个金属电阻应变薄片布置在薄碳纸上的结构示意图；

图5为本申请一实施例中按照预设的压紧力对所述电堆进行施压的流程图；

图6为本申请一实施例中将多个假膜电极放置在电堆中的位置结构示意图；

图7为本申请一实施例中所述燃料电池装堆压紧力的实时监测装置的结构框图；

图8为本申请一实施例中所述的电子设备的结构框图。

主要元件符号说明：

21-下端板，22-下绝缘板，23-下集流板，24-第一双极板，25-第一假膜电极，26-膜电极和双极板组件，27-上端板，28-上绝缘板，29-上集流板，30-第二双极板，31-第二假膜电极，32-第三假膜电极，33-下底座，34-下支撑座，35-施压设施。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，本申请中附图仅起到说明和描述的目的，并不用于限定本申请的保护范围。另外，应当理解，示意性的附图并未按实物比例绘制。本申请中使用的流程图示出了根据本申请的一些实施例实现的操作。应该理解，流程图的操作可以不按顺序实现，没有逻辑的上下文关系的步骤可以反转顺序或者同时实施。此外，本领域技术人员在本申请内容的指引下，可以向流程图添加一个或多个其他操作，也可以从流程图中移除一个或多个操作。

另外，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和标出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请实施例中将会用到术语“包括”，用于指出其后所声明的特征的存在，但并不排除增加其它的特征。

鉴于背景技术所提出的技术问题，本申请提供一种燃料电池装堆压紧力的实时监测方法及装置，能够实时监测装堆过程中各个区域的压力值及其一致性的情况。

参见说明书附图1，在一实施例中，本申请提供的一种燃料电池装堆压紧力的实时监测方法，所述方法包括以下步骤：

S1、制备多个带有压力传感器的假膜电极，并且每个所述假膜电极带有多个所述压力传感器；

S2、在燃料电池装堆过程中，分别将多个所述假膜电极放置在电堆的上下和中间位置，并按照预设的压紧力对所述电堆进行施压，且基于所述假膜电极实时监测燃料电池电堆内部各个区域的压力值。

在步骤S1中，参见说明书附图2，制备带有压力传感器的假膜电极，包括以下步骤：

S101、制备假催化剂涂覆膜；

S102、将多个压力传感器的电极引线集成到边框上，并且将集成有所述电极引线的所述边框与所述假催化剂涂覆膜进行封装；

S103、将多个金属电阻应变薄片布置在薄碳纸上；

S104、将布置有所述金属电阻应变薄片的所述薄碳纸与封装有所述边框的所述假催化剂涂覆膜贴合在一起，制备出带有压力传感器的假膜电极。

具体的，在步骤S101中，在制备假催化剂涂覆膜时，先配置一定固含量的碳粉浆料，所述固含量是乳液或涂料在规定条件下烘干后剩余部分占总量的质量百分数，在一实施例中，先配置大于或等于70％固含量的碳粉浆料；然后将配制好的碳粉浆料以一定的厚度涂布在PTFE(细粉末树脂)转印膜上，所述涂布方式可以是刮涂、狭缝挤出涂布或者喷涂等涂布方式；最后利用热压转印工艺，将碳粉浆料转印到质子交换膜的两侧，得到假催化剂涂覆膜；

在步骤S102中，将多个压力传感器的电极引线集成到边框上的结构示意图可以参见说明书附图3，在该实施例中，所要制备的假膜电极带有六个压力传感器，所以有六组电极引线需要集成到边框上，具体的，在所述边框的两端分别集成三组电机引线，并且所述边框在其中部预留有六个金属电阻应变薄片安装位，每个所述金属电阻应变薄片安装位对应一组电极引线；

在步骤S103中，将多个金属电阻应变薄片布置在薄碳纸上时，先在多个金属电阻应变薄片的一侧四周涂布少量的粘结剂；然后将涂布有粘结剂的多个所述金属电阻应变薄片分别粘接在薄碳纸的各个指定位置；接着在所述金属电阻应变薄片的另一侧涂布少量的粘结剂；最后再选取一片同样尺寸大小的薄碳纸，将其与贴合好的所述金属电阻应变薄片进行贴合。其中，将多个金属电阻应变薄片布置在薄碳纸上的结构示意图可以参见说明书附图4；

在步骤S104中，即，将复合好所述金属电阻应变薄片的薄碳纸与带边框的假催化剂涂覆膜进行热压贴合封装，并且多个所述金属电阻应变薄片分别对应安装在所述金属电阻应变薄片安装位上，最终得到带有多个压力传感器的假膜电极。

在制备好多个所述假膜电极之后，即可将其布置于燃料电池电堆中的局部位置，进而实时监测在装堆过程中，各个所述假膜电极传输出来的电信号，并转换成数显压力值，以调整压紧力。

参见说明书附图5，在步骤S2中，所述在燃料电池装堆过程中，分别将多个所述假膜电极放置在电堆的上下和中间位置，并按照预设的压紧力对所述电堆进行施压，包括以下步骤：

S201、选取三个所述假膜电极；

S202、将选取的三个所述假膜电极分别放置于上板组件与膜电极和双极板组件之间、下板组件与膜电极和双极板组件之间、以及膜电极和双极板组件的中部；其中，所述电堆包括上板组件、下板组件以及设置于所述上板组件与下板组件之间的膜电极和双极板组件；

S203、按照预设的压紧力对所述电堆施压。

具体的，参见说明书附图6，所述燃料电池电堆包括上板组件、下板组件以及设置于所述上板组件与下板组件之间的膜电极和双极板组件26，其中，所述上板组件从上至下依次包括上端板27、上绝缘板28、上集流板29和双极板30，所述下板组价从下至上依次包括下端板21、下绝缘板22、下集流板23和双极板24；在燃料电池装堆过程中，所述下端板21放置于下底座33的下支撑座上，所述上端板27接受施压设施35施加的压力。

在步骤S201-步骤S203中，先选取三个制备好的且均带有六个压力传感器的假膜电极，在该实施例中分别为第一假膜电极25、第二假膜电极31和第三假膜电极32，然后将所述第一假膜电极25夹设于所述膜电极和双极板组件26底部和所述第一双极板24顶部之间；将所述第三假膜电极32夹设于所述膜电极和双极板26的中部，将所述第二假膜电极31夹设于所述膜电极和双极板26顶端和所述第二双极板30底端之间，然后按照预设的压紧力通过所述施压设施35对所述上端板27施压，同时观察三个假膜电极所输出的能反应燃料电池电堆内部各个区域的压力值，以调整所述施压设施35对所述上端板27施加的压力值，以及判断燃料电池电堆内部各个区域的压力值是否均匀、同一区域不同位置的压力值是否均匀。

例如，在一实施例中，所述第一假膜电极25输出的六个压力值分别为A1、A2、A3、A4、A5和A6，所述第二假膜电极31输出的六个压力值分别为B1、B2、B3、B4、B5和B6，所述第三假膜电极32输出的六个压力值分别为C1、C2、C3、C4、C5和C6，则针对每个假膜电极分别求取其测得的六个压力值的平均值A0、B0和C0，并将A0、B0和C0分别作为所述第一假膜电极25、所述第二假膜电极31和所述第三假膜电极32对应区域的有效压紧力，并且若A0、B0和C0任意两个数值之间的差值大于设定的第一阈值，则判断燃料电池电堆内部各个区域的压力值不均匀，缺乏一致性；若A0、B0和C0任意两个数值之间的差值均小于或等于设定的第一阈值，则判断燃料电池电堆内部各个区域的压力值均匀，具备一致性；

进一步的，由于每个假膜电极均设置有六个压力传感器，并且六个压力传感器布置在该区域不同的位置，所以六个压力传感器测得的六个压力值若任意两个数值之间的差值大于设定的第二阈值，则判断燃料电池电堆在该区域不同位置的压力值不均匀，缺乏一致性；若任意两个数值之间的差值均小于或等于设定的第二阈值，则判断燃料电池电堆在该区域不同位置的压力值均匀，具备一致性。

在其他实施例中，假膜电极的个数、夹设区域、带有的压力传感器数量以及判断压力值均匀的算法均可以根据具体需求进行设置，本申请并不对此进行限制和固定。

本申请提供的一种燃料电池装堆压紧力的实时监测方法，通过制备带有多个压力传感器的假膜电极，并将制备的多个所述假膜电极放置在燃料电池电堆的上下和中间位置，以在燃料电池装堆过程中实时监测燃料电池电堆内部各个区域的压力值，并判断燃料电池电堆内部各个区域的压力值是否均匀以及同一区域不同位置的压力值是否均匀，从而实时调整施压设施的施加力。

基于同一发明构思，本申请实施例中还提供了一种燃料电池装堆压紧力的实时监测装置，由于本申请实施例中的装置解决问题的原理与本申请实施例上述一种燃料电池装堆压紧力的实时监测方法相似，因此装置的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。

如说明书附图7所示，本申请还提供了一种燃料电池装堆压紧力的实时监测装置，所述装置包括：

制备模块701，用于制备多个带有压力传感器的假膜电极，并且每个所述假膜电极带有多个所述压力传感器；

监测模块702，用于在燃料电池装堆过程中，分别将多个所述假膜电极放置在电堆的上下和中间位置，并按照预设的压紧力对所述电堆进行施压，且基于所述假膜电极实时监测燃料电池电堆内部各个区域的压力值。

在一些实施方式中，所述制备模块701制备多个带有压力传感器的假膜电极，包括：

制备假催化剂涂覆膜；

将多个压力传感器的电极引线集成到边框上，并且将集成有所述电极引线的所述边框与所述假催化剂涂覆膜进行封装；

将多个金属电阻应变薄片布置在薄碳纸上；

将布置有所述金属电阻应变薄片的所述薄碳纸与封装有所述边框的所述假催化剂涂覆膜贴合在一起，制备出带有压力传感器的假膜电极。

在一些实施方式中，所述边框预留有金属电阻应变薄片安装位，所述制备模块701将布置有所述金属电阻应变薄片的所述薄碳纸与封装有所述边框的所述假催化剂涂覆膜贴合在一起时，多个所述金属电阻应变薄片分别对应安装在所述金属电阻应变薄片安装位上。

在一些实施方式中，所述制备模块701制备假催化剂涂覆膜，包括：

按照设定的固含量配置碳粉浆料；

按照设定的厚度将所述碳粉浆料涂布在转印膜上；

采用热压转印工艺将所述碳粉浆料转印到质子交换膜的两侧，得到假催化剂涂覆膜。

在一些实施方式中，所述制备模块701将多个金属电阻应变薄片布置在薄碳纸上，包括：

在多个金属电阻应变薄片的一侧涂布粘结剂；

将涂布有粘结剂的多个所述金属电阻应变薄片分别粘接在薄碳纸的各个指定位置；

在所述金属电阻应变薄片的另一侧涂布粘结剂，并贴合上一张同样尺寸的所述薄碳纸。

在一些实施方式中，所述监测模块702在燃料电池装堆过程中，分别将多个所述假膜电极放置在电堆的上下和中间位置，并按照预设的压紧力对所述电堆进行施压，包括：

选取三个所述假膜电极；

将选取的三个所述假膜电极分别放置于上板组件与膜电极和双极板组件之间、下板组件与膜电极和双极板组件之间、以及膜电极和双极板组件的中部；其中，所述电堆包括上板组件、下板组件以及设置于所述上板组件与下板组件之间的膜电极和双极板组件，

按照预设的压紧力对所述电堆施压。

在一些实施方式中，所述监测模块702基于所述假膜电极实时监测燃料电池电堆内部各个区域的压力值，包括：

获取每个所述假膜电极中多个所述压力传感器实时监测的压力值，以根据每个所述假膜电极测得的多个压力值，判断该区域各个位置的压力是否一致；

计算多个所述压力传感器实时监测到的压力值的平均值，并将其作为对应所述假膜电极测得有效压力值，以根据三个所述假膜电极测得的所述效压力值，判断各个区域的压力是否一致。

本申请所提供的一种燃料电池装堆压紧力的实时监测装置，通过制备模块制备多个带有压力传感器的假膜电极，并且每个所述假膜电极带有多个所述压力传感器；通过监测模块在燃料电池装堆过程中，分别将多个所述假膜电极放置在电堆的上下和中间位置，并按照预设的压紧力对所述电堆进行施压，且基于所述假膜电极实时监测燃料电池电堆内部各个区域的压力值。从而达到实时监测燃料电池电堆内部各个区域实际装堆力、以及压力均匀一致性的目的。

基于本发明的同一构思，说明书附图8所示，本申请实施例提供的一种电子设备800的结构，该电子设备800包括：至少一个处理器801，至少一个网络接口804或者其他用户接口803，存储器805，至少一个通信总线802。通信总线802用于实现这些组件之间的连接通信。该电子设备800可选的包含用户接口803，包括显示器(例如，触摸屏、LCD、CRT、全息成像(Holographic)或者投影(Projector)等)，键盘或者点击设备(例如，鼠标，轨迹球(trackball)，触感板或者触摸屏等)。

存储器805可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器801提供指令和数据。存储器805的一部分还可以包括非易失性随机存取存储器(NVRAM)。

在一些实施方式中，存储器805存储了如下的元素，可保护模块或者数据结构，或者他们的子集，或者他们的扩展集：

操作系统8051，包含各种系统程序，用于实现各种基础业务以及处理基于硬件的任务；

应用程序模块8052，包含各种应用程序，例如桌面(launcher)、媒体播放器(MediaPlayer)、浏览器(Browser)等，用于实现各种应用业务。

在本申请实施例中，通过调用存储器805存储的程序或指令，处理器801用于执行如一种燃料电池装堆压紧力的实时监测方法中的步骤，能够实时监测燃料电池电堆内部各个区域实际装堆力、以及压力均匀一致性。

本申请还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行如燃料电池装堆压紧力的实时监测方法中的步骤。

具体地，该存储介质能够为通用的存储介质，如移动磁盘、硬盘等，该存储介质上的计算机程序被运行时，能够执行上述燃料电池装堆压紧力的实时监测方法。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请提供的实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。