專利名稱：一種燃料電池電流分布測量方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于清潔能源質(zhì)子交換膜燃料電池測試技術領域，特別涉及一種燃料 電池內(nèi)部電流分布測量方法及裝置，具體說涉及用磁場的方法對質(zhì)子交換膜燃料 電池內(nèi)部電流分布進行測量。
背景技術：
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種將化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。這里 結(jié)合附圖對其結(jié)構(gòu)和工作原理進行簡要描述
如圖1所示，質(zhì)子交換膜燃料電池由膜電極和雙極性集流板等部件組成。其 中膜電極包括質(zhì)子交換膜101、陰極催化劑層102、陰極擴散層103、陽極催化劑 層105、陽極擴散層106;雙極性集流板(簡稱雙極板或集流板)則分別為陰極 集流板104和陽極集流板107，用于導電和導流。
燃料電池工作時由氫氣入口 109向陽極供給燃料(氫氣)，由空氣入口 108 向陰極供給氧化劑(空氣)。在Pt催化劑作用下，氫氣分子在陽極催化劑層105 分解為氫離子(質(zhì)子)與電子，氫離子通過質(zhì)子交換膜101遷移到陰極側(cè)，產(chǎn)生 電勢。當外部負載電路接通時，電子則通過外部負載電路遷移到陰極，在陰極催 化劑的作用下，空氣中的氧分子和抵達陰極的氫離子吸收電子，在陰極催化劑層 102反應生成水。 一系列的反應促使電子不斷地流過外部電路而輸出電能。
電化學反應在擴散層、催化劑層和質(zhì)子交換膜的整個表面進行，因此質(zhì)子遷 移在整個質(zhì)子交換膜上均有發(fā)生，也就形成整個交換膜上均有電流穿透過去。在 此過程中，由于催化劑分布均勻程度、催化劑活性差異、流場及擴散層一致性引 起的反應氣體濃度和壓力分布差異、水熱分布不均、各層間接觸電阻分布不勻等 因素，均可影響質(zhì)子交換膜兩側(cè)界面電化學反應的分布，也就影響電池內(nèi)部各 部分的穿透電流密度(單位面積上單位時間內(nèi)穿透的電荷數(shù)量)，也就是說燃料 電池的各個區(qū)域電流分布往往存在不均勻的現(xiàn)象。
電池的這種不均勻性，限制了燃料電池輸出功率，嚴重的時候可能導致電池內(nèi)產(chǎn)生局部的反向電流、局部溫度過高(局部的熱點)，質(zhì)子交換膜穿透等問題。 因此，有必要研究電流密度分布的測量方法以及在線監(jiān)測裝置。
目前，質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部電流分布測量技術主要有以下幾種
劉志祥等人使用了子電池法測量質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部電流分布。該技術 利用銅板、陽極碳紙等改造陽極流場板、陽極擴散層和催化劑層，并把膜電極與 具有子電池分割的陽極流場板和未分割的陰極流場板一起組裝成單電池，進行電 流密度的相關測試。這種方法制作工藝復雜，加工難度大，制作成本高，使用不 方便，測量裝置不能獨立于原來的質(zhì)子交換膜燃料電池。
Noponen等人采用了分割流道法來研究電流分布。這種技術是采用PVC塑 料作為流場基板，在塑料表面刻出溝槽并裝入鋼條收集電流。采用分割流道技術 的缺點是加工難度大，使用復雜，流道間相互串氣，不能獨立于質(zhì)子交換膜燃 料電池本體。
Partridge等人利用設置在電池外部的紅外傳感器測量電池內(nèi)部的溫度場來間 接測量電流分布。因為電流存在熱效應，所以電流分布不均勻會引起溫度場的變 化。這種方法需要對電池的密封殼體進行改裝，采用可透過紅外輻射的材料，通 常是換成透過紅外線的玻璃窗。此法存在若干缺點其一，玻璃的強度低、脆性 大，需要留意其安全性；其二，由于材料存在熱慣性，電流到溫度的響應速度很 慢，其延遲一般在秒級，難以反映瞬態(tài)變化的電流分布。對于在線監(jiān)控，就不能 及時對于故障進行預防，往往產(chǎn)生破壞性故障的后果。
可見，上述這些分布電流測量方法的缺點主要包括
(1) 制作成本高，加工難度大；
(2) 使用不方便；
(3) 對質(zhì)子交換膜燃料電池的電極進行改造；
(4) 測量部件不是一個獨立于質(zhì)子交換膜燃料電池的裝置。
為了解決這些問題，作者提出了一種利用電流的磁效應測量質(zhì)子交換膜燃料 電池內(nèi)部電流分布的方法以及相應的測量裝置。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提出利用電流的磁效應測量質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部電流 分布的一種燃料電池內(nèi)部電流分布測量方法及裝置。其特征在于，所述燃料電池 內(nèi)部電流分布測量方法是利用磁傳感器來測量磁場和電流的分布情況；具體步驟 為
1) 確認燃料電池的封裝沒有用軟磁材料、易磁化材料作為蓋板；將多個磁傳 感器布置于與燃料電池表面平行的某個平面內(nèi)；
2) 傳感器及燃料電池進入工作狀態(tài)，測量燃料電池表面的磁場分布；
3) 根據(jù)磁場的分布，解算燃料電池表面的電流分布；
所述傳感器及燃料電池進入工作狀態(tài)是開啟激勵源，將激勵源輸出激勵正弦 勵磁電流加到磁傳感器的磁環(huán)勵磁線圈上，在磁環(huán)中產(chǎn)生使之飽和的交變磁場； 燃料電池在工作狀態(tài)下，燃料電池內(nèi)部的分布電流產(chǎn)生的磁場疊加到磁環(huán)勵磁線 圈上，影響磁環(huán)的飽和程度，引起測量線圈中的感生電動勢的波形及諧波產(chǎn)生變 化，
所述測量線圈中的感生電動勢由磁環(huán)的測量線圈送到數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)進行 處理，按任意電流元M在P點處產(chǎn)生的磁感應強度
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則通有電流/ 、長度為丄的載流直導線在P點處產(chǎn)生的磁感應強度5為
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其中//。為真空磁導率，A為磁介質(zhì)的相對磁導率。 解調(diào)出磁環(huán)對應區(qū)域的電流大小。
所述燃料電池電流分布測量裝置包括在測量控制板4上分布有磁傳感器1， 測量控制板4放置在燃料電池7外部頂面，燃料電池7的電極6上連接負載5， 磁傳感器1的勵磁線圈連接激勵源2，磁傳感器1的測量線圈連接數(shù)據(jù)采集處理 3的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊。
所述數(shù)據(jù)采集處理3由模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊、微處理器、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換和驅(qū)動 器構(gòu)成；所述磁傳感器1的磁環(huán)上繞制一組測量線圈，用來測量動態(tài)情況下燃料電池 電流的分布，此時，如果需測量靜態(tài)的電流分布，則需要對燃料電池負載電流進 行調(diào)制或者疊加交流分量；
所述磁傳感器1的磁環(huán)上繞制兩組線圈， 一組為勵磁線圈， 一組為測量線圈， 激勵線圈采用交流勵磁到達飽和，如果磁環(huán)中疊加了外部磁場的時候，就會使勵 磁的飽和狀態(tài)的磁場交流分量的波形及諧波發(fā)生變化，通過測量線圈測量此變化 即可測得疊加的外部磁場，也就是說測得了電池分布電流產(chǎn)生的恒定或者變化磁 場。
本發(fā)明的有益效果是無需對質(zhì)子交換膜燃料電池原來的結(jié)構(gòu)進行改造，即 可方便地測量燃料電池內(nèi)部的電流分布。由此可以做到
(1) 在燃料電池研制過程中，可用于檢測和研究局部缺氣、水熱分布不均、 接觸不良、催化劑分布不均勻、流失是否均勻等問題；
(2) 在燃料電池生產(chǎn)制造過程中，可用以發(fā)現(xiàn)是否存在局部堵塞引起的局部 缺氣、是否存在水熱分布不均、是否存在接觸不良，以免將局部不良的單片電池 誤認為是正常單片裝入電堆，導致整個燃料電池系統(tǒng)性能下降。
(3) 在燃料電池運行過程中，可用于在線監(jiān)測是否存在局部的不良變化，防 止總電流正常范圍情況下，由于局部電流密度過大引起的故障、危險。
同時，本測量裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于制作的特點。本發(fā)明著眼于 在線監(jiān)測，以便及時對故障進行預防，具有很高的實用價值。


圖1為質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部電流分布情況及流向示意圖。
圖3為在電池外部放置磁傳感器測量電池內(nèi)部電流分布與磁場數(shù)學模型示意圖。
圖4為在磁環(huán)中磁場方向示意圖。
圖5為電池電流在磁環(huán)中心產(chǎn)生的磁場方向示意圖。
圖6為電池電流在磁環(huán)中產(chǎn)生的磁場方向示意圖。圖7為電池電流在磁環(huán)軸線上感生的磁場方向示意圖。 圖8為燃料電池電流分布測量裝置示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提出了利用電流的磁效應測量質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部電流分布的一 種燃料電池內(nèi)部電流分布測量方法及裝置。在圖8所示的燃料電池電流分布測量 裝置示意圖中，在測量控制板4上分布有磁傳感器1，測量控制板4放置在燃料 電池7外部頂面，燃料電池7的電極6上連接負載5，磁傳感器l的勵磁線圈連 接激勵源2，磁傳感器1的測量線圈連接數(shù)據(jù)采集處理3的數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊。所述 數(shù)據(jù)釆集處理3由模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊、微處理器、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換和驅(qū)動器構(gòu)成；
利用燃料電池電流分布測量裝置測量燃料電池內(nèi)部的電流分布的原理如下，
本發(fā)明利用電流的磁效應來測量燃料電池內(nèi)部的電流分布。我們知道，電流 在其周圍產(chǎn)生磁場，因此燃料電池內(nèi)部的電流分布，可以通過在電池外部按照一 定規(guī)律設置若干磁傳感器來測量。
燃料電池內(nèi)部的電流分布情況及流向如圖2所示，如果某一區(qū)域的電流密度 大，局部區(qū)域的磁場也應該較大。可以考慮通過局部磁場強弱的測量來測量局部 電流的大小。將燃料電池劃分為若干小區(qū)域，穿過每個小區(qū)域的電流可以簡化為 通過該小區(qū)域軸心的載流直導線的電流；極板中到外部引出電極的電流簡化橫向 的載流直導線。整個電池中的電流分布，則可簡化為若干具有直角轉(zhuǎn)彎的載流直 導線，只要區(qū)域足夠小，則可以精確逼近實際電流的分布情況。
在小區(qū)域?qū)奈恢貌贾么艌鰝鞲衅?，根?jù)磁場傳感器的輸出信號的大小， 就可間接確定該小區(qū)域的電流大小。利用磁場傳感器在多處測量其對應小區(qū)域的 電流，便可得知燃料電池內(nèi)部電流分布的整體情況。
如圖3所示，在電池外部放置磁傳感器測量電池內(nèi)部電流分布與磁場數(shù)學模 型示意圖中，根據(jù)電磁學知識可知，任意電流元M在P點處產(chǎn)生的磁感應強度M 為
必=^ ^ 斗;r r則通有電流/、長度為Z的載流直導線在P點處產(chǎn)生的磁感應強度S為
B",。 =^^(cos《-cos《) 4;zr
其中//。為真空磁導率，^為磁介質(zhì)的相對磁導率。
磁傳感器1是一種采用繞有線圈的磁環(huán)，如圖2所示的燃料電池內(nèi)部的電流 分布情況，可以簡化為一系列具有直角轉(zhuǎn)彎的載流導線；故在電池外部放置磁傳 感器(如圖3、 5、 6、 7所示)。
磁環(huán)所覆蓋內(nèi)部區(qū)域的電流可簡化抽象為與磁環(huán)同軸的載流導線，以及兩根 垂直磁環(huán)軸線的載流導線(對應于通往引出端的電流，平行于雙極板表面)。與 磁環(huán)同軸的載流導線，會在磁環(huán)中激起環(huán)形磁場，如果這個磁場變化，磁環(huán)上的 線圈就會產(chǎn)生感生電動勢。當電池面積較大，測量線圈尺寸相對較小，則兩根垂 直于磁環(huán)軸線的載流導線在磁環(huán)中激起的磁場近似看作為兩根無限長的導線(從 磁環(huán)軸線出發(fā)直到無窮遠)， 一個距離磁環(huán)較遠， 一個距離磁環(huán)較近。據(jù)此，可 以近似得到磁環(huán)P點處磁感應強度大小為
4 r
A(cos《-COS《)+ (^" + ^)
, 尸2r3 .
關于簡化得到的同軸載流導線和垂直載流導線對磁場測量的影響，有如下討論
(1) 如圖4，垂直于磁環(huán)軸線(平行與磁環(huán)端面)的載流導線601在磁環(huán)602 中激起的磁場S是反向?qū)ΨQ的，磁場方向一進一出，區(qū)域603垂直紙面向里，區(qū) 域604垂直紙面向外，如果磁環(huán)上的線圈單向均勻繞制，則該導線電流變化在線 圈中引起的感生電動勢可以基本相互抵消；另外磁場方向與磁環(huán)的閉合回路方向 垂直，故在磁環(huán)中激起的磁場也非常小，基于這兩個原因，故可以認為該平行導 線在磁環(huán)上單向繞組中的感生電動勢可以忽略。
(2) 如圖5所示，如果電池電流引出端704配置在相同一側(cè)(關于膜電極701 對稱)，則電流方向相反，兩橫向電流(平行于磁環(huán)端面、垂直于磁環(huán)軸線)在
9電池上方的磁環(huán)處產(chǎn)生的磁場B還可互相抵消掉一部分；
如圖6所示，如果電池電流引出端804配置在相反一側(cè)(關于膜電極801反 對稱)，雖然電流是同向的，但由(1)所述，每段橫向等效載流導線在磁環(huán)中激 起的磁場都是反對稱的，故也可忽略其影響。同側(cè)配置燃料電池電流端子也具有
同樣的效應，故其中橫向電流感生的磁場作用更明顯。
(3)如圖7所示，磁環(huán)901所覆蓋區(qū)域外部的分布電流，所占面積較大，可簡 化為無限大，故進一步認為統(tǒng)計意義上電流分布基本對稱(特別是對于位于中部 的磁環(huán))，因此在磁環(huán)軸線上感生的磁場對稱但是方向相反(903產(chǎn)生的磁場在軸 線處垂直紙面向里，904產(chǎn)生的磁場在軸線處垂直紙面向外)，可以認為基本上抵 消；對應的電池表面的電流，依據(jù)上面的分析，易知基本對稱，且方向相反，故 也可大致抵消。
必要時，可以在磁環(huán)外部增加磁屏蔽裝置以進一步屏蔽磁環(huán)區(qū)域外的電流的 影響。
綜上所述，可以大致得到結(jié)論磁環(huán)中所感生的磁場，主要與磁環(huán)所覆蓋區(qū) 域的穿透電流有關，其它區(qū)域的電流影響較小，粗略測量分析中可以考慮忽略不計。
當然，在實際測量中，磁環(huán)中的磁場與所覆蓋區(qū)域的電流有關的同時，還是 受到其它區(qū)域電流分布的影響的。若要獲得更為準確的結(jié)果，我們可以進行定標 以進一步消除其它區(qū)域分布電流對磁環(huán)測量的影響。
從上述原理介紹可以看出，該測量方法的核心是電流與磁場間的對應關系， 而電流到磁場基本是同步變化，故響應速度可以很快。另外，電流和磁感應強度 直接的線性關系，不像電流到紅外輻射之間非線性的影響關系那樣復雜，故測量 有可能做到更準確。可見，本方法的優(yōu)點是十分明顯的。 實施例
測量燃料電池內(nèi)部的電流分布的測試過程為
確認燃料電池7的封裝沒有用軟磁材料、易磁化材料作為蓋板；
測量燃料電池的電流分布的時候，將測量控制板4固定在燃料電池7的表面；測量時，激勵源2輸出激勵正弦勵磁電流加到磁環(huán)的勵磁線圈上，在磁環(huán)中 產(chǎn)生使之飽和的交變磁場，燃料電池內(nèi)部分布電流產(chǎn)生的磁場疊加到磁環(huán)上，影 響磁環(huán)的飽和程度，影響測量線圈中的感生電動勢的波形及諧波。
測量線圈中的感生電動勢送到數(shù)據(jù)采集處理3中，進行處理；
解調(diào)出磁環(huán)對應區(qū)域的電流大小。
所述磁傳感器1的磁環(huán)上繞制一組測量線圈，用來測量動態(tài)情況下燃料電池 電流的分布，此時，如果需測量靜態(tài)的電流分布，則需要對燃料電池負載電流進 行調(diào)制或者疊加交流分量；
所述磁傳感器l的磁環(huán)上繞制兩組線圈， 一組為勵磁線圈， 一組為測量線圈，激 勵線圈采用交流勵磁到達飽和，如果磁環(huán)中疊加了外部磁場的時候，就會使勵磁 的飽和狀態(tài)的磁場交流分量的波形及諧波發(fā)生變化，通過測量線圈測量此變化即 可測得疊加的外部磁場，也就是說測得了電池分布電流產(chǎn)生的恒定或者變化磁 場，然后利用上述測量原理中的公式解調(diào)出磁環(huán)對應區(qū)域的電流大小。
權(quán)利要求
1. 一種燃料電池內(nèi)部電流分布測量方法，其特征在于，該測量方法是利用磁傳感器來測量磁場和電流的分布情況；具體步驟為1)將多個磁傳感器布置于與燃料電池表面平行的某個平面內(nèi)；2)傳感器及燃料電池進入工作狀態(tài)，測量燃料電池表面的磁場分布；3)根據(jù)磁場的強弱分布解算燃料電池表面/內(nèi)部的電流分布。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述燃料電池內(nèi)部電流分布測量方法，其特征在于，所述傳感器及燃料電池進入工作狀態(tài)是開啟激勵源，將激勵源輸出激勵正弦勵磁電流加到磁傳感器的磁環(huán)勵磁線圈上，在磁環(huán)中產(chǎn)生使之飽和的交變磁場；燃料電池在工作狀態(tài)下，燃料電池內(nèi)部的分布電流產(chǎn)生的磁場疊加到磁環(huán)勵磁線圈上，影響磁環(huán)的飽和程度，引起測量線圈中的感生電動勢的波形及諧波產(chǎn)生變化。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述燃料電池內(nèi)部電流分布測量方法，其特征在于，所述測量線圈中的感生電動勢由磁環(huán)的測量線圈送到數(shù)據(jù)釆集處理系統(tǒng)進行處理，根據(jù)燃料電池平面局部的垂直的電流元在局部產(chǎn)生相對較強的磁場的原理，解調(diào)出磁環(huán)對應區(qū)域的電流大小。
4. 一種燃料電池電流分布測量裝置，其特征在于，該測量裝置包括在測量控制板(4)上分布有磁傳感器(1)，測量控制板(4)放置在燃料電池(7)外部頂面，燃料電池(7)的電極(6)上連接負載(5)，磁傳感器(1)的勵磁線圈連接激勵源(2)，磁傳感器(1)的測量線圈連接數(shù)據(jù)采集處理(3)的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述燃料電池內(nèi)部電流分布測量裝置，其特征在于，所述磁傳感器的磁環(huán)上繞制一組測量線圈，用來測量動態(tài)情況下燃料電池電流的分布，此時，如果需測量靜態(tài)的電流分布，則需要對燃料電池負載電流進行調(diào)制或者疊加交流分量。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述燃料電池內(nèi)部電流分布測量裝置，其特征在于，所述磁傳感器的磁環(huán)上繞制兩組線圈， 一組為勵磁線圈， 一組為測量線圈，激勵線圈采用交流勵磁到達飽和，如果磁環(huán)中疊加了外部磁場的時候，就會使勵磁的飽和狀態(tài)的磁場交流分量的波形及諧波發(fā)生變化，通過線圈測量此變化即可測得疊加 的外部磁場，也就是說可測得電池分布電流產(chǎn)生的恒定或者變化磁場。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于清潔能源質(zhì)子交換膜燃料電池測試技術領域的涉及一種燃料電池內(nèi)部電流分布測量方法及裝置。在測量燃料電池的電流分布的時候，將測量控制板固定在燃料電池的表面；激勵源輸出激勵正弦勵磁電流加到磁環(huán)的勵磁線圈上，在磁環(huán)中產(chǎn)生飽和的交變磁場；燃料電池內(nèi)部分布電流產(chǎn)生的磁場疊加到磁環(huán)上，使勵磁的飽和狀態(tài)的磁場交流分量的波形及諧波發(fā)生變化，通過線圈測量此變化即可測得疊加的外部磁場，然后利用測量原理中的公式解調(diào)出磁環(huán)對應區(qū)域的電流大小。可用于在線監(jiān)測是否存在局部的不良變化，防止總電流正常范圍情況下，由于局部電流密度過大引起的故障、危險。本測量裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于制作的特點。
文檔編號G01R31/36GK101482599SQ20081011616
公開日2009年7月15日 申請日期2008年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月4日
發(fā)明者猛 仝, 磊 包, 盧蘭光, 吳永平, 李建秋, 楊福源, 歐陽明高, 丹 殷, 裴普成, 偉 趙, 郭軍杰, 毅 韓, 黃海燕 申請人:清華大學