CN113075444A - 一种燃料电池内部电流走线式分布在线检测装置 - Google Patents

一种燃料电池内部电流走线式分布在线检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种燃料电池内部电流走线式分布在线检测装置，包括双面分区采集板和上位机，双面分区采集板设置于任意相邻两片燃料电池单元之间，由多个采集单元组成，采集单元包括顶层敷铜镀金分区、顶层信号走线层、中间电阻走线层、底层信号走线层和底层敷铜镀金分区，相邻两层之间为绝缘材料，中间电阻走线层采用埋阻的方式设有走线式采样电阻，通过导线分别与顶层敷铜镀金分区、底层敷铜镀金分区的金属化过孔连接；信号处理模块对通过顶层走线层、底层走线层采集的采样电阻两端的电势差进行信号处理，再分析和实时显示。本发明通过采用电阻材料作为走线式采样电阻，利于控制走线式采样电阻的一致性，减小对电堆电流分布的影响。

Description

一种燃料电池内部电流走线式分布在线检测装置
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电流走线式分布在线检测装置。
背景技术
燃料电池因其高效率、低污染、无噪音等特点，受到世界各国的广泛重视。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、备用电源灯等领域。
目前质子交换膜燃料电池的寿命和性能是制约其发展的主要短板。质子交换膜燃料电池的寿命和性能受很多因素的影响，这些因素直接影响的是电池内部的电流密度分布。电流密度在活性反应区(MEA)的不均匀分布会导致内部电压的差异，进而产生面内电流，使反应物和电催化剂的利用率下降，降低电池效率，加速电池老化，最终导致电池的寿命下降。因此，需要设计一种能够获取燃料电池运行时内部电流分布变化的在线分区检测装置，实时监测电池的性能和预期寿命。
在专利号为CN 202011078944.2的中国专利中，殷聪等人发明了一种燃料电池内部电流分布在线检测装置，包括双面分区采集板，位于双面分区采集板两端的信号处理模块和上位机软件；其中，双面分区采集板为多层印刷电路板，通过采集采样电阻两端的微小电压，检测燃料电池内部的分区电流密度分布。然而该发明使用贴片电阻作为采样电阻，通过绝缘胶固定在挖空区域内，两端通过焊锡与敷铜镀金分区连接，由于采样电阻本身阻值极小，各通道焊锡等工艺的处理不一致会影响通道整体的电阻，造成各通道阻抗不一致，影响电流分布测量结果的真实性。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种燃料电池内部电流走线式分布在线检测装置，以解决现有装置中因焊锡连接工艺而存在的各分区通道阻抗不一致、测量精度不足的问题。
本发明具体技术方案如下：
一种燃料电池内部电流走线式分布在线检测装置，其特征在于，包括双面分区采集板和上位机，双面分区采集板的中间、与燃料电池电堆活性区域对应的区域为双面分区采集区，双面分区采集板的两端、延伸出燃料电池电堆的区域为信号处理模块；所述双面分区采集板为多层印刷电路板，设置于任意相邻两片燃料电池单元之间，用于在线检测燃料电池内部的分区电流密度分布；
所述双面分区采集区由多个阵列排布的采集单元组成，每个采集单元共有5层，包括自上而下依次设置的顶层敷铜镀金分区、顶层信号走线层、中间电阻走线层、底层信号走线层和底层敷铜镀金分区，采集单元中相邻两层之间为FR-4环氧玻璃纤维的绝缘材料；相邻采集单元的顶层敷铜镀金分区相互电气隔离，相邻采集单元的底层敷铜镀金分区相互电气隔离；
所述顶层敷铜镀金分区和底层敷铜镀金分区均设有金属化过孔，中间电阻走线层采用埋阻的方式设有走线式采样电阻，走线式采样电阻通过导线分别与顶层敷铜镀金分区、底层敷铜镀金分区的金属化过孔连接；
所述信号处理模块对通过顶层信号走线层、底层信号走线层采集的走线式采样电阻两端的电势差进行信号处理，再将处理后信号传输至上位机进行分析和实时显示。
进一步地，所述走线式采样电阻采用电阻材料，通过控制电阻材料走线的长度及横截面积，使得各采集单元中走线式采样电阻的阻值相等，均为10mΩ，精度为5％。
进一步地，各采集单元中用于连接走线式采样电阻与顶层敷铜镀金分区、底层敷铜镀金分区中间的金属化过孔的导线的阻抗相同。
进一步地，不同采集单元的顶层敷铜镀金分区和底层敷铜镀金分区的面积均相同。
进一步地，所述顶层敷铜镀金分区和底层敷铜镀金分区的厚度均为140～175μm。
进一步地，所述信号处理模块包括信号放大器、多通道模数转换器和微控制器；所述电势差经信号放大器放大后，通过多通道模数转换器传输至微控制器处理。
一种基于双面分区采集的燃料电池在线分区测试***，其特征在于，包括燃料电池电堆测试平台、双面分区采集板和上位机，双面分区采集板的中间、与燃料电池电堆活性区域对应的区域为双面分区采集区，双面分区采集板的两端、延伸出燃料电池电堆的区域为信号处理模块；所述燃料电池电堆测试平台包含多个串联的燃料电池单元，各燃料电池单元由依次叠加的阳极双极板、膜电极、阴极双极板组成；所述双面分区采集板为多层印刷电路板，设置于任意相邻两片燃料电池单元之间，用于在线检测燃料电池内部的分区电流密度分布。
本发明的有益效果为：
1、本发明提出的双面分区采集板可以设置于任意两片相邻燃料电池单元之间，在线检测电堆内部任意位置的电流密度分布情况，通过采用精度更高的电阻材料作为走线式采样电阻，有利于控制走线式采样电阻的一致性，减小对电堆电流分布的影响，从而提升电流分布检测的真实性和准确性；
2、采用电阻材料作为走线式采样电阻，相比于现有技术中贴片电阻与铜导线使用焊锡焊接，电阻材料与用于连接走线式采样电阻与顶层敷铜镀金分区、底层敷铜镀金分区中间的金属化过孔的导线可以在制板时直接相连，避免因焊锡量不可控而导致的各分区阻抗不一致问题；
3、本发明采用埋阻的方式设置走线式采样电阻，相比于现有技术中挖空填埋的方式，大大减小各采集单元占用的面积，可以在一定活性区域内划分更多采集单元，提高电流密度分布的分辨率；
4、本发明应用双面分区采集板构成三维立体的燃料电池在线分区测试***，真实检测整个燃料电池电堆的电流分布情况，提供探究电堆局部性能的更有效手段。
附图说明
图1为本发明实施例1提出的燃料电池内部电流走线式分布在线检测装置中单个采集单元的分层剖视图；
图2为本发明实施例1提出的燃料电池内部电流走线式分布在线检测装置中单个采集单元采集分区电流的原理图；
图3为本发明实施例1提出的燃料电池内部电流走线式分布在线检测装置中所有顶层敷铜镀金分区的俯视图；
图4为本发明实施例1提出的燃料电池内部电流走线式分布在线检测装置中所有中间电阻走线层的俯视图；
图5为本发明实施例2提出的应用燃料电池内部电流走线式分布在线检测装置的电堆中双面分区采集板的安装位置图；
图6为本发明实施例2提出的应用燃料电池内部电流走线式分布在线检测装置的电堆中双面分区采集板的层叠安装分解示意图。
附图包括以下附图标记：
1：双面分区采集板
2：燃料电池单元
3：信号处理模块
4：顶层信号走线层
5：中间电阻走线层
6：底层信号走线层
7：走线式采样电阻
CT：顶层敷铜镀金分区
CB：底层敷铜镀金分区
LT：顶层走线
LB：底层走线
T：金属化过孔
B1：阳极双极板
M：膜电极
B2：阴极双极板
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，结合以下具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步的说明。
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面的理解本方明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
本实施例提供了一种燃料电池内部电流走线式分布在线检测装置，包括双面分区采集板1和上位机，双面分区采集板1的中间、与燃料电池电堆活性区域对应的区域为双面分区采集区，双面分区采集板1的两端、延伸出燃料电池电堆的区域为信号处理模块3；所述双面分区采集板1为多层印刷电路板，设置于任意相邻两片燃料电池单元2之间，用于在线检测燃料电池内部的分区电流密度分布；
所述双面分区采集区由33×12个阵列排布的采集单元组成，每个采集单元共有5层，如图1所示，包括自上而下依次设置的顶层敷铜镀金分区CT、顶层信号走线层4、中间电阻走线层5、底层信号走线层6和底层敷铜镀金分区CB，采集单元中相邻两层之间为FR-4环氧玻璃纤维的绝缘材料；相邻采集单元的顶层敷铜镀金分区CT相互电气隔离，相邻采集单元的底层敷铜镀金分区CB相互电气隔离；所述顶层敷铜镀金分区CT和底层敷铜镀金分区CB的长宽均为10mm×10mm，间距均为0.1mm；
所述顶层敷铜镀金分区CT和底层敷铜镀金分区CB均设有金属化过孔T，如图3收拾，中间电阻走线层5采用埋阻的方式设有走线式采样电阻7，如图4所示，走线式采样电阻7通过导线分别与顶层敷铜镀金分区CT、底层敷铜镀金分区CB的金属化过孔T连接，各采集单元中用于连接走线式采样电阻与顶层敷铜镀金分区、底层敷铜镀金分区中间的金属化过孔的导线的阻抗相同；如图2所示，来自上一片燃料电池单元中各采集单元的电流在流过本片燃料电池单元对应采集单元的顶层敷铜镀金分区CT后，经金属化过孔T、走线式采样电阻7、金属化过孔T，流至底层敷铜镀金分区CB并最终进入下一片燃料电池单元；其中，所述走线式采样电阻采用电阻材料，通过控制电阻材料走线的长度及横截面积，使得各采集单元中走线式采样电阻的阻值相等，均为10mΩ，精度为5％；
所述信号处理模块3对通过顶层信号走线层4、底层信号走线层6采集的走线式采样电阻7两端的电势差进行信号处理，再将处理后信号传输至上位机进行分析和实时显示。
进一步地，所述顶层敷铜镀金分区和底层敷铜镀金分区的厚度均为140μm。
进一步地，所述信号处理模块包括信号放大器、多通道模数转换器和微控制器；所述电势差经信号放大器放大后，通过多通道模数转换器传输至微控制器处理。
实施例2
本实施例提供了一种基于双面分区采集的燃料电池在线分区测试***，如图5所示，包括燃料电池电堆测试平台、双面分区采集板1和上位机，双面分区采集板的中间、与燃料电池电堆活性区域对应的区域为双面分区采集区，双面分区采集板的两端、延伸出燃料电池电堆的区域为信号处理模块；所述燃料电池电堆测试平台包含多个串联的燃料电池单元2，各燃料电池单元2由依次叠加的阳极双极板B1、膜电极M、阴极双极板B2组成；所述双面分区采集板1为多层印刷电路板，设置于任意相邻两片燃料电池单元2之间，如图6所示，用于在线检测燃料电池内部的分区电流密度分布；
所述双面分区采集区由33×12个阵列排布的采集单元组成，每个采集单元共有5层，如图1所示，包括自上而下依次设置的顶层敷铜镀金分区CT、顶层信号走线层4、中间电阻走线层5、底层信号走线层6和底层敷铜镀金分区CB，采集单元中相邻两层之间为FR-4环氧玻璃纤维的绝缘材料；相邻采集单元的顶层敷铜镀金分区CT相互电气隔离，相邻采集单元的底层敷铜镀金分区CB相互电气隔离；所述顶层敷铜镀金分区CT和底层敷铜镀金分区CB的长宽均为10mm×10mm，间距均为0.1mm；
所述顶层敷铜镀金分区CT和底层敷铜镀金分区CB均设有金属化过孔T，如图3收拾，中间电阻走线层5采用埋阻的方式设有走线式采样电阻7，如图4所示，走线式采样电阻7通过导线分别与顶层敷铜镀金分区CT、底层敷铜镀金分区CB的金属化过孔T连接，各采集单元中用于连接走线式采样电阻与顶层敷铜镀金分区、底层敷铜镀金分区中间的金属化过孔的导线的阻抗相同；如图2所示，来自上一片燃料电池单元中各采集单元的电流在流过本片燃料电池单元对应采集单元的顶层敷铜镀金分区CT后，经金属化过孔T、走线式采样电阻7、金属化过孔T，流至底层敷铜镀金分区CB并最终进入下一片燃料电池单元；其中，所述走线式采样电阻采用电阻材料，通过控制电阻材料走线的长度及横截面积，使得各采集单元中走线式采样电阻的阻值相等，均为10mΩ，精度为5％；
所述信号处理模块3对通过顶层信号走线层4、底层信号走线层6采集的走线式采样电阻7两端的电势差进行信号处理，再将处理后信号传输至上位机进行分析和实时显示。
进一步地，所述顶层敷铜镀金分区和底层敷铜镀金分区的厚度均为140μm。
进一步地，所述信号处理模块包括信号放大器、多通道模数转换器和微控制器；所述电势差经信号放大器放大后，通过多通道模数转换器传输至微控制器处理。

Claims (7)

1.一种燃料电池内部电流走线式分布在线检测装置，其特征在于，包括双面分区采集板和上位机，双面分区采集板的中间、与燃料电池电堆活性区域对应的区域为双面分区采集区，双面分区采集板的两端、延伸出燃料电池电堆的区域为信号处理模块；所述双面分区采集板设置于任意相邻两片燃料电池单元之间；
所述双面分区采集区由多个阵列排布的采集单元组成，包括自上而下依次设置的顶层敷铜镀金分区、顶层信号走线层、中间电阻走线层、底层信号走线层和底层敷铜镀金分区，采集单元中相邻两层之间为绝缘材料；相邻采集单元的顶层敷铜镀金分区相互电气隔离，相邻采集单元的底层敷铜镀金分区相互电气隔离；
所述顶层敷铜镀金分区和底层敷铜镀金分区均设有金属化过孔，中间电阻走线层采用埋阻的方式设有走线式采样电阻，走线式采样电阻通过导线分别与顶层敷铜镀金分区、底层敷铜镀金分区的金属化过孔连接；
所述信号处理模块对通过顶层信号走线层、底层信号走线层采集的走线式采样电阻两端的电势差进行信号处理，将处理后信号传输至上位机进行分析和实时显示。
2.根据权利要求1所述燃料电池内部电流走线式分布在线检测装置，其特征在于，所述走线式采样电阻采用电阻材料，通过控制电阻材料走线的长度及横截面积，使得各采集单元中走线式采样电阻的阻值相等，均为10mΩ，精度为5％。
3.根据权利要求1所述燃料电池内部电流走线式分布在线检测装置，其特征在于，各采集单元中用于连接走线式采样电阻与顶层敷铜镀金分区、底层敷铜镀金分区中间的金属化过孔的导线的阻抗相同。
4.根据权利要求1所述燃料电池内部电流走线式分布在线检测装置，其特征在于，不同采集单元的顶层敷铜镀金分区和底层敷铜镀金分区的面积均相同。
5.根据权利要求1所述燃料电池内部电流走线式分布在线检测装置，其特征在于，所述顶层敷铜镀金分区和底层敷铜镀金分区的厚度均为140～175μm。
6.根据权利要求1所述燃料电池内部电流走线式分布在线检测装置，其特征在于，所述信号处理模块包括信号放大器、多通道模数转换器和微控制器；所述电势差经信号放大器放大后，通过多通道模数转换器传输至微控制器处理。
7.一种基于双面分区采集的燃料电池在线分区测试***，其特征在于，包括燃料电池电堆测试平台、双面分区采集板和上位机，双面分区采集板的中间、与燃料电池电堆活性区域对应的区域为双面分区采集区，双面分区采集板的两端、延伸出燃料电池电堆的区域为信号处理模块；所述燃料电池电堆测试平台包含多个串联的燃料电池单元，各燃料电池单元由依次叠加的阳极双极板、膜电极、阴极双极板组成；所述双面分区采集板设置于任意相邻两片燃料电池单元之间。
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