本發(fā)明屬于燃料電池，涉及一種燃料電池多物理場在線測試裝置及方法。

背景技術：

1、質子交換膜燃料電池是一種極具發(fā)展前景的電化學能源轉換裝置，它可以通過電化學反應將儲存在燃料中的化學能直接轉化為電能。為了滿足輸出電壓和功率的需求，燃料電池通常由多節(jié)雙極板和膜電極交替串聯(lián)形成電堆，單節(jié)反應面積可達200-500cm2。燃料電池內部反應涉及溫度、濕度、電流密度等多種物理場，較大的反應面積常常引起電池內部各種物理場分布不均勻，進而引發(fā)堵水、干燥、陰陽極饑餓等問題；同時，電堆不同的單節(jié)電池之間也存在著性能差異，電堆在運行過程中可能出現(xiàn)某一節(jié)電池發(fā)生故障的情況，因此獲取燃料電池內部各節(jié)電池多物理場分布情況對于燃料電池性能分析和故障診斷具有重大指導意義。

2、燃料電池反應的均勻性與其內部溫度、濕度、電流密度、阻抗等多種物理場的分布密切相關。目前關于燃料電池內部多物理場分布的測量存在多種研究方法：通過有限元對燃料電池內部物理場分布進行分析需要龐大的算力支持，對模型要求較高，且計算效率慢；通過數(shù)據(jù)驅動的多物理場分布預測需要大量的燃料電池運行數(shù)據(jù)，且偶發(fā)性的故障仍難以準確預測；相比之下，采用嵌入式原位在線測量系統(tǒng)對燃料電池多物理場進行測量，結果更加可靠，更具有實踐價值。

3、中國專利cn110780213a公開了一種電流密度檢測復合板，測量物理量較為單一；中國專利cn109301289a和中國專利cn103245920a分別公開了針對溫度、壓力和針對電流密度、溫度、阻抗的測試裝置，但是裝置只應用于單節(jié)電池，與燃料電池多節(jié)電池串聯(lián)成堆的應用場景有較大差別；中國專利cn113030736a公開了一種針對溫度、電流密度、濕度、阻抗等多種物理量的集成式測量裝備，但是測試裝置與燃料電池端板相連，只適用于燃料電池電堆最外側的一節(jié)電池，對電堆中部的電池狀況則無法獲取。

4、此外，嵌入式測量板各類傳感器的測量位點與燃料電池膜電極部位的物理場分布存在差異，且測量板內部元件發(fā)熱引起局部熱點，影響電流密度等各物理量的測量精度。大面積燃料電池的物理場分布測量必然會存在大量的測量分區(qū)，每多測一個物理量所擁有的信號數(shù)量就多一倍，這對信號采集設備的采集能力提出了較高的要求，在信號采集設備通道數(shù)有限的條件下，如何利用現(xiàn)有信號采集設備實現(xiàn)大面積燃料電池多分區(qū)多物理場的同時測量是一個亟需解決的問題。

5、專利cn111308359a公開了一種面向大面積燃料電池的多功能在線測試系統(tǒng)，包括多功能測量板、第一數(shù)據(jù)采集模塊、激勵發(fā)生器、負載電路和計算機，多功能測量板作為陰極板或陽極板安裝在燃料電池上，負載電路分別連接多功能測量板和與多功能測量板對應的燃料電池的另一單極板，激勵發(fā)生器接于多功能測量板與單極板之間多功能測量板包括多個獨立測試分區(qū)，每一個獨立測試分區(qū)設有若干個傳感器測量孔，傳感器與第一數(shù)據(jù)采集模塊連接，獨立測試分區(qū)的極板與激勵發(fā)生器、負載電路分別連接，計算機與第一數(shù)據(jù)采集模塊、激勵發(fā)生器連接。但該專利的測試主體缺乏相關的冷卻水流道、電池電流被采集后無法繼續(xù)向下一節(jié)電池傳導，限制了測量板在大面積多節(jié)堆內的使用，而在pcb板上鉆孔嵌入傳感器的方式密封要求高、加工困難；同時該專利將阻抗與其他物理信號分開采集，并分別采用兩種開關來控制信號的采集與否，大大提高了系統(tǒng)的復雜度和控制難度。

6、專利cn117174963a公開了一種質子交換膜燃料電池多物理量原位監(jiān)測裝置，包括從左至右依次貼合裝配的陰極端板、陰極絕緣板、陰極測試板、膜電極組件、陽極測試板、陽極絕緣板和陽極端板；所述陰極端板和陽極端板用于對整個質子交換膜燃料電池進行固定和封裝；所述陰極絕緣板和陽極絕緣板用于避免端板與測試板的直接接觸，提高安全性；所述陰極測試板和陽極測試板均可以實現(xiàn)分區(qū)電流密度和溫濕度分布同時在線監(jiān)測。但該專利同樣缺乏冷卻和使電流向下一節(jié)電池傳導的手段，無法應用于多節(jié)電池串聯(lián)的電堆；該專利采用光纖來測量溫濕度，光纖布置需要在測量板上挖槽填埋，加工復雜，同時采用標準電阻作為電密測量元件，占用了大量板面積，結構不夠緊湊。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的至少一種缺陷而提供一種燃料電池多物理場在線測試裝置及方法，本發(fā)明可代替雙極板裝配于任一節(jié)電池處，對燃料電池電堆多物理場分布進行在線測量，測試靈活。

2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)：

3、本發(fā)明的技術方案之一在于，提供一種燃料電池多物理場在線測試裝置，該裝置包括依次層疊的電密阻抗測量板、隔板和多物理場測量板的主體，所述電密阻抗測量板和多物理場測量板上設置有水氣流場，所述電密阻抗測量板上設置有陣列的電阻，所述多物理場測量板上設置有陣列的傳感器，所述主體放置于電堆端部電池或中部任何一節(jié)電池，實現(xiàn)流道內部或膜電極處電流密度、溫度、濕度、阻抗等多物理場的測量；

4、所述電密阻抗測量板于板面方向上分設有陣列的多分區(qū)，于板厚方向上分設有不同功能的三層，其中上表層上設置有陰極氣體流場，該陰極氣體流場的流道脊上設置有彼此絕緣的第一導電金屬，中間層上設置有陣列的電阻，以及電阻的兩端連接的通道，下表層上設置有第二導電金屬；

5、所述電密阻抗測量板的單分區(qū)內上表層的陰極氣體流場的流道脊的第一導電金屬與下表層之間設置有第一電流通道，下表層上與第一電流通道的連接處不設置第二導電金屬進行絕緣，單分區(qū)內上表層的陰極氣體流場的流道槽與下表層的第二導電金屬之間設置有第二電流通道，所述第一電流通道和第二電流通道交錯布置且一端與導電金屬絕緣，所述電阻與第一電流通道和第二電流通道連接，使得電流依次經過第一導電金屬、第一電流通道、電阻、第二電流通道和第二導電金屬。

6、進一步地，所述電密阻抗測量板的各分區(qū)內各層上開設有對應于傳感器的氣孔，該氣孔的對應位置位于陰極氣體流場的流道槽；

7、所述隔板于板面方向上分設有陣列的多分區(qū)，導電，各分區(qū)內開設有對應于傳感器的安裝孔，該安裝孔的尺寸比傳感器大。

8、作為優(yōu)選的技術方案，所述電密阻抗測量板的外圍開設有密封槽，通過密封條填充于密封槽內與相鄰板密封連接。

9、作為優(yōu)選的技術方案，所述隔板的外圍開設有密封槽，通過密封條填充于密封槽內與相鄰板密封連接。

10、進一步地，所述多物理場測量板于板面方向上分設有陣列的多分區(qū)，于板厚方向上分設有不同功能的三層，其中上表層上設置有陣列的傳感器，以及第三導電金屬，中間層上設置有傳感器的兩端連接的通道，下表層上設置有冷卻水流場，該冷卻水流場的流道脊上設置有彼此絕緣的第四導電金屬。

11、進一步地，所述多物理場測量板的單分區(qū)內上表層與下表層的冷卻水流場的流道槽之間設置有信號通道，上表層上與信號通道的連接處不設置第三導電金屬進行絕緣，單分區(qū)內上表層的第三導電金屬與下表層的冷卻水流場的流道脊的第四導電金屬之間設置有第三電流通道，所述信號通道和第三電流通道隔絕布置，所述信號通道兩端與導電金屬絕緣，與傳感器連接，使得傳感器通過周圍的信號通道將測量信號傳遞至中間層輸出、第三導電金屬和第四導電金屬之間通過第三電流通道傳遞電流。

12、進一步地，所述裝置用于電堆中部電池時，依次層疊的電密阻抗測量板、隔板、多物理場測量板和單極板構成主體，該主體代替雙極板放置于一對膜電極之間，所述膜電極于主體的另一側放置雙極板；

13、所述裝置用于電堆端部電池時，依次層疊的電密阻抗測量板、隔板和多物理場測量板構成主體，該主體代替雙極板放置于膜電極和集流板之間，所述膜電極于主體的另一側放置雙極板。

14、進一步地，所述單極板導電，兩側分別設置有冷卻水流場和陽極氣體流場。

15、作為優(yōu)選的技術方案，所述單極板的外圍開設有密封槽，通過密封條填充于密封槽內與相鄰板密封連接。

16、作為優(yōu)選的技術方案，所述電流密度測量板和多物理場測量板采用多層pcb板，所述導電金屬采用表面鋪銅，所述電流通道和信號通道采用通孔，所述隔板和單極板采用具有較好導電性的石墨板或金屬板通過機加工制成。

17、作為優(yōu)選的技術方案，所述傳感器選自溫濕度傳感器、氧濃度傳感器、內窺鏡中的一種或多種針對燃料電池多物理場的傳感器。

18、所述裝置用于電堆中部電池時，電池電流會依次流過膜電極、電密阻抗測量板上表層的第一導電金屬、第一電流通道、電阻、第二電流通道、下表層的第二導電金屬、隔板、多物理場測量板上表層的第三導電金屬、第三電流通道、下表層的第四導電金屬、單極板，進而到達下一片膜電極；

19、所述裝置用于電堆端部電池時，電池電流會依次流過膜電極、電密阻抗測量板上表層的第一導電金屬、第一電流通道、電阻、第二電流通道、下表層的第二導電金屬、隔板、多物理場測量板上表層的第三導電金屬、第三電流通道、下表層的第四導電金屬后，直接進入集流板。

20、所述裝置內含有水氣流場，保證了電池的正常水氣供給。

21、所述主體內部設置有陰極氣體流場、冷卻水流場和陽極氣體流場以及結合流場的電流傳導路徑，在實施多物理場測量的同時，滿足了電堆內部電流傳導和水氣供給的運行需求，確保了裝置可以對電堆內部或端部任意一節(jié)電池進行測量。

22、進一步地，所述水氣流場的進出口結構與普通極板流場不同，所述裝置的引入會改變水氣在該節(jié)電池的分配，所述裝置根據(jù)測量板上水氣流場較正常極板流阻的變化情況選擇入口形式，包括階躍結構或分配區(qū)流道，并調整階躍入口或分配區(qū)的幾何尺寸，以減小裝置對水氣流場與兩極氣體和冷卻水分配的影響，避免主體嵌入帶來的水氣分配不均勻的問題。

23、作為優(yōu)選的技術方案，由于實際雙極板流場存在拔模角，雙極板流場的流阻比測量板流場更小，為了彌補測量板流阻較大的影響，所述陰極氣體流場、冷卻水流場和陽極氣體流場的進出口結構取消了入口階躍結構而采用平面式矩形分配區(qū)流道，以減小裝置造成的電堆流阻改變和對電池內部陰極氣體、冷卻水和陽極氣體分配的影響。

24、進一步地，所述裝置還包括數(shù)據(jù)采集模塊、計算機、負載和激勵發(fā)生器的外圍設備，將電密阻抗測量板和多物理場測量板的測量信號導入數(shù)據(jù)采集模塊，最終上傳至計算機，并將負載和激勵發(fā)生器連接于電堆的兩端，所述計算機處理測量信號、控制負載狀態(tài)、控制激勵發(fā)生器的擾動輸入，所述外圍設備可以對主體獲得的多物理場測試信號進行修正，從而獲得膜電極區(qū)域的多物理場真實分布；

25、所述裝置還包括信號控制開關的外圍設備，所述信號控制開關設置于主體和數(shù)據(jù)采集模塊之間，受計算機控制，將電密阻抗測量板和多物理場測量板的測量信號通過信號控制開關導入數(shù)據(jù)采集模塊，所述計算機操控信號控制開關的開閉，所述外圍設備可以實現(xiàn)對流場不同區(qū)域的分區(qū)或不同物理場進行先后數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)大面積多物理場的快速測量。

26、所述數(shù)據(jù)采集模塊分別采集電密阻抗測量板各分區(qū)內電阻兩端的電壓降、多物理場測量板各分區(qū)內傳感器檢測的經過電密阻抗測量板的氣孔和隔板的安裝孔的反應氣體的溫濕度，將電壓降和溫濕度上傳給計算機進行修正和圖像化處理獲得電流密度、溫度、濕度分布情況。

27、所述數(shù)據(jù)采集模塊采集激勵發(fā)生器輸入擾動時各分區(qū)內第一電流通道和電密阻抗測量板一側的膜電極另一側的雙極板的陽極之間的電壓響應，將電壓響應傳遞給計算機進行處理獲得分區(qū)阻抗分布情況。

28、所述計算機根據(jù)所測物理場分布情況自動調整負載的工作狀態(tài)。

29、所述主體所測信號經過信號控制開關后被數(shù)據(jù)采集模塊采集并上傳至計算機，經過計算、修正、圖像化之后呈現(xiàn)給用戶，同時計算機根據(jù)測量結果對電堆的負載進行適當調整以適應電堆當前工作狀況。

30、所述計算機根據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊上傳的電壓降計算分區(qū)電流密度，根據(jù)響應信號計算分區(qū)阻抗，并將測試位點溫濕度測量結果修正為膜電極處溫濕度，最后將測試結果圖像化呈現(xiàn)給用戶。

31、本發(fā)明的技術方案之一在于，提供一種燃料電池多物理場在線測試方法，該方法使用所述的燃料電池多物理場在線測試裝置進行測試，所述方法包括以下步驟：

32、計算機分別對所測高溫下電阻的電流密度信號和傳感器的溫度信號進行修正，以減小電阻發(fā)熱對電流密度測量的影響、傳感器安裝部位對溫度測量的影響，獲得膜電極反應區(qū)的電流密度和溫度分布，修正關系來自實驗標定、解析模型計算；

33、電流密度測試，由于電阻存在熱效應，測量時電阻的實際溫度高于燃料電池內部的反應溫度；計算機經過有限元計算得到特定電池反應溫度和冷卻水溫度條件下流經電阻的電流密度和電阻實際溫度的對應關系，進一步得到電阻兩端電壓降和電阻實際阻值的對應關系，從而計算各分區(qū)內電阻的電流密度；

34、溫度測試，由于傳感器的安裝部位與膜電極之間存在距離，到達測量位點的氣體溫度與膜電極的溫度存在差異；計算機經過有限元計算得到電池膜電極溫度t0、溫濕度傳感器測量溫度t1、冷卻水溫度t2之間的關系，根據(jù)溫濕度傳感器測量溫度t1和冷卻水溫度t2，計算得到各分區(qū)內膜電極溫度t0；

35、分區(qū)阻抗測試，通過激勵發(fā)生器對燃料電池每個測試分區(qū)施加正弦微干擾，數(shù)據(jù)采集模塊實時采集各個分區(qū)頻率響應信號，計算機根據(jù)響應信號計算得到每個分區(qū)的交流阻抗。

36、進一步地，當采集通道數(shù)量不足時，令各分區(qū)內的測量信號共用一個采集通道，用戶根據(jù)需求通過計算機控制各種物理量的信號控制開關的開閉，以實現(xiàn)對某種物理量的測量；或者，通過計算機調節(jié)信號控制開關的開閉順序和交替頻率，以實現(xiàn)對流場不同區(qū)域多物理場的先后測量，最終完成整個流場測試，同時調整分布圖像的刷新頻率。

37、作為優(yōu)選的技術方案，當所測物理量信號少于數(shù)據(jù)采集模塊的通道數(shù)量時，信號控制開關全部閉合；當所測物理量信號多于數(shù)據(jù)采集模塊的通道數(shù)量時，一個采集通道連接多個測量信號，用戶通過計算機控制信號控制開關的開閉，以實現(xiàn)對特定分區(qū)特定物理量信號的采集測量，或者，通過調整信號控制開關循環(huán)打開和閉合，以實現(xiàn)對電堆所有多物理場的同時測量。

38、作為優(yōu)選的技術方案，數(shù)據(jù)采集模塊的通道數(shù)量為m，分區(qū)數(shù)量為n；當m>＝4n時，信號控制開關全部閉合，此時裝置同時測試電堆所有分區(qū)的電流密度、溫度、濕度、阻抗分布；當m<4n時，一個采集通道連接多個測量信號，用戶通過計算機自由調整信號控制開關的閉合，控制數(shù)據(jù)采集模塊采集的分區(qū)數(shù)和物理量類型，或者，通過調整信號控制開關的開閉順序和切換頻率，控制多物理場可視化窗口的更新順序和刷新頻率。

39、本發(fā)明提供一種燃料電池多物理場在線測試裝置，能夠實現(xiàn)針對大面積燃料電池電堆內部電流密度、溫度、濕度、高頻阻抗等多物理場的不均勻分布進行在線測量，通過流場、電流通道和導電金屬的結合配置以確保裝置嵌入的同時不會對原電堆的功能產生影響；通過計算機修正計算以減小測量位點偏差與發(fā)熱引起的系統(tǒng)誤差；同時通過計算機控制信號控制開關的閉合來實現(xiàn)有限數(shù)據(jù)采集通道的情況下的大面積燃料電池多分區(qū)多物理量的同時測量。

40、本發(fā)明通過結合水氣流場對電流通道和導電金屬進行交錯分布的方式，可對電堆內部任一一節(jié)單電池的反應狀態(tài)進行分區(qū)測量，突破了現(xiàn)有測試裝置只能放置于電堆端部電池的位置限制；同時對測試裝置的流場結構和測試數(shù)據(jù)進行修正，可獲得膜電極反應狀態(tài)，提高了測試結果準確性。本發(fā)明提出的燃料電池多物理場在線測試裝置集成度高、測試位點靈活、對電堆影響小、操作簡單。

41、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

42、(1)本發(fā)明采用了結合流場的電池電流傳導路徑設計，可代替雙極板裝配于任一節(jié)電池處，對燃料電池電堆多物理場分布進行在線測量，測試靈活；同時考慮了嵌入式測量板對電堆水氣分配的影響，對流場進出口做出調整；

43、(2)本發(fā)明采用了計算機調控信號控制開關的多通道信號采集方式，以調整采集信號的變化，可以滿足信號采集設備通道較少情況下的多分區(qū)多物理場信號采集需求；同時經過計算機計算分析，修正了電阻發(fā)熱造成的電流密度測量誤差和傳感器位點造成的溫度測量誤差，提高了測量精度。