氢气压差检测装置及氢气压差传感器的制作方法

本实用新型涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种氢气压差检测装置及氢气压差传感器。

背景技术：

水管理是质子交换膜燃料电池中一项非常重要的内容。膜电极两侧适当的含水量是维持电池性能的必要条件，水过多或过少都将造成电池性能下降。燃料电池同侧气体进出口压力差值(压差)是反应电池内部含水量的指标之一。由于氢气侧含水量少且氢气流速较低，所以氢气压降对于氢气侧流道含水量多少的感知尤为敏感。因此，在质子交换膜燃料电池的水管理中，氢气压降是比较重要的一个监测量。

其中，氢气压降的数值可以通过进出口压力的差值获得。但是，由于进出口压力波动较大，且氢气压差一般仅仅是十几千帕甚至是五千帕以内的一个较小值，所以用做差的方法来体现氢压降值不甚准确。

相关技术中，一般通过氢压差传感器来直接获得氢压差值。用于工业控制领域的压差传感器通常采用压敏元件来感知两侧气压的差值。常见的有压阻式和电容式两种压差传感器。压阻式传感器利用半导体的电阻率应力变化输出电信号。常见的是用弹性硅膜片感受两侧压力，不同的压力使集成在硅膜片上的电桥产生不同程度的不平衡，从而输出不同的电信号。电容式传感器将压差变化转换为电容量的变化。与压阻式相比，电容式的动态响应更好。常见的形式是一个中央压敏膜片与两侧两个隔离膜片分别构成两个串联电容。压差的变化使压敏膜片发生形变，从而两电容器容量不再均等，由此输出电信号。

然而，外界温度直接影响压阻式传感器中电桥的电阻率，也会影响电容式传感器的内部几何尺寸和零件的空间位置。因此，温度会给两种传感器的测量带来误差，最后需要进行温度补偿。温度补偿一般是在信号调制模块进行不同温度对应不同电信号的软件标定，但是在补偿之前需要在传感器内部装设温度传感器。

因此，用于工控领域的压差传感器通常体积庞大、笨重、成本高，且单个传感器的量程范围有限，导致降低燃料电池系统的适用性。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本实用新型的一个目的在于提出一种氢气压差检测装置，该装置可以降低燃料电池系统的体积和成本，提高燃料电池系统的实用性和适用性。

本实用新型的另一个目的在于提出一种氢气压差传感器。

为达到上述目的，本实用新型一方面提出了一种氢气压差检测装置，包括：采集模块，用于采集氢气压力、电池堆温度和增湿温度；第一计算模块，用于根据所述增湿温度获取对应于所述增湿温度的第一饱和压力，并且根据所述电池堆温度获取对应于所述电池堆温度的第二饱和压力；第二计算模块，用于根据所述第一饱和压力和所述第二饱和压力得到进气相对湿度；获取模块，用于根据燃料电池的阳极和阴极之间的电势差获取输出电压；第三计算模块，用于根据所述氢气压力、所述进气相对湿度、所述第二饱和压力和所述电池堆温度得到氢气压差。

本实用新型的氢气压差检测装置，通过燃料电池系统已有的氢气压力、电池堆温度、进气相对湿度，从而可以根据燃料电池的阳极和阴极之间的电势差确定氢气压差，降低燃料电池系统的体积和成本，提高燃料电池系统的实用性和适用性，简单易实现。

进一步地，所述第一饱和压力通过以下公式得到：

所述第二饱和压力通过以下公式得到：

其中，p_sat,hum为所述第一饱和压力，T_hum为所述增湿温度，g为常数，p_sat,stack为第二饱和压力，T_stack为所述电池堆温度。

进一步地，所述进气相对湿度通过以下公式得到：

进一步地，所述氢气压差通过以下公式得到：

或者

其中，A为放大器放大倍数，F为法拉第常数，R为气体常数。

为达到上述目的，本实用新型另一方面提出了一种氢气压差传感器，包括：第一氢气入口；与所述第一氢气入口相连的第一集电板，以获取第一氢气；第二侧氢气入口；与第二氢气入口相连的第二集电板，以获取第二氢气，其中，所述第一氢气与所述第二氢气的压力不同；质子交换膜膜电极组件，所述质子交换膜膜电极组件分别与所述第一集电板和所述第二集电板相连，用于根据所述第一氢气和所述第二氢气得到燃料电池的阳极和阴极之间的电势差，并通过信号放大装置输出；上述的氢气压差检测装置。

本实用新型的氢气压差传感器，通过燃料电池系统已有的氢气压力、电池堆温度、进气相对湿度，从而可以根据燃料电池的阳极和阴极之间的电势差确定氢气压差，降低燃料电池系统的体积和成本，提高燃料电池系统的实用性和适用性，简单易实现。

可选地，所述第一集电板和所述第二集电板可以为中央开孔的电导率集电薄板。

本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本实用新型一个实施例的氢气压差检测方法的流程图；

图2为根据本实用新型一个实施例的氢气压差检测装置的结构示意图；

图3为根据本实用新型一个实施例的燃料电池系统的结构示意图；

图4为根据本实用新型一个实施例的氢气压差传感器的结构示意图；

图5为根据本实用新型一个实施例的不同温度下的压差-电压数据的示意图；

图6为根据本实用新型一个实施例的不同进气相对湿度下的压差-电压数据的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

下面参照附图描述根据本实用新型实施例提出的氢气压差检测方法、检测装置及氢气压差传感器，首先将参照附图描述根据本实用新型实施例提出的氢气压差检测方法的流程图。

图1是本实用新型一个实施例的氢气压差检测方法的流程图。

如图1所示，该氢气压差检测方法包括以下步骤：

在步骤S101中，采集氢气压力、电池堆温度和增湿温度。

需要说明的是，氢气压力可以为氢气进口压力p_in或出口压力p_out中的一个。

在步骤S102中，根据增湿温度获取对应于增湿温度的第一饱和压力，并且根据电池堆温度获取对应于电池堆温度的第二饱和压力。

进一步地，在本实用新型的一个实施例中，第一饱和压力通过以下公式得到：

第二饱和压力通过以下公式得到：

其中，p_sat,hum为第一饱和压力，T_hum为增湿温度，g为常数，p_sat,stack为第二饱和压力，T_stack为电池堆温度。

在步骤S103中，根据第一饱和压力和第二饱和压力得到进气相对湿度。

进一步地，在本实用新型的一个实施例中，进气相对湿度通过以下公式得到：

在步骤S104中，根据燃料电池的阳极和阴极之间的电势差获取输出电压。

举例而言，本实用新型实施例的方法可以利用阴阳极不同压力的氢气会在质子交换膜燃料电池上产生出电势差这一原理确定氢气压差。其中，膜电极两侧产生的电势差经中央开孔的高电导率集电薄板送到信号放大模块进行电压放大后输出，从而只需利用燃料电池系统已有的氢气压力、电堆温度、氢气进气湿度以及所述装置测到的电压即可确定氢气压差，使得整个装置具有结构简单、体积小、成本低等优点，有助于燃料电池系统的商业化。

在步骤S105中，根据氢气压力、进气相对湿度、第二饱和压力和电池堆温度得到氢气压差。

进一步地，在本实用新型的一个实施例中，氢气压差通过以下公式得到：

或者

其中，A为放大器放大倍数，F为法拉第常数，R为气体常数。

可以理解的是，考虑到燃料电池系统自带气体进口温度和湿度等各种传感器，因此可以将这些已有参数利用起来，从而最大程度减轻传感器质量、体积与成本，例如，包括以下步骤：

步骤S1，至少测到燃料电池系统中的如下工况参数：氢气进口压力p_in或出口压力p_out中的一个、燃料电池堆的温度T_stack、氢气进气的相对湿度RH_in以及氢压差传感器的输出电压U；

步骤S2，进气相对湿度可以通过测进气的增湿温度T_hum得到，也可以通过其它方式得到。若是前者，则顺序执行步骤S3至步骤S6；若是后者，则执行步骤S4至步骤S6；

步骤S3，计算增湿温度T_hum对应的饱和压力p_sat,hum：

步骤S4，计算电堆温度T_stack对应的饱和压力p_sat,stack：

g₀＝-0.29912729×10⁴；g₁＝-0.60170128×10⁴；g₂＝0.1887643854×10²；g₃＝-0.28354721×10^-1；g₄＝0.17838301×10^-4；g₅＝-0.84150417×10^-9；g₆＝0.44412543×10^-12；g₇＝0.2858487×10；

步骤S5，计算进气相对湿度RH_in：

其中，p_sat,hum为增湿水温度对应的饱和压力，p_sat,stack为电堆温度对应的饱和压力；

另外，p_sat,hum可以由下式确定：

并且p_sat,stack可以由下式确定：

其中，上面两式中的g_i为：

g₀＝-0.29912729×10⁴；g₁＝-0.60170128×10⁴；g₂＝0.1887643854×10²；

g₃＝-0.28354721×10^-1；g₄＝0.17838301×10^-4；g₅＝-0.84150417×10^-9；

g₆＝0.44412543×10^-12；g₇＝0.2858487×10。

步骤S6，计算氢气压差氢气Δp：

或者，

其中，A为放大器放大倍数，F为法拉第常数，R为气体常数。

在本实用新型的实施例中，燃料电池系统可以测到氢气进口或出口压力、燃料电池堆的温度以及氢气进气相对湿度，例如氢气进口或出口压力可以通过在氢气管路进口或出口装设气体压力传感器测得，并且燃料电池堆温度可以通过在冷却介质流经电堆的进口或出口装设温度传感器测得。

根据本实用新型实施例的氢气压差检测方法，通过燃料电池系统已有的氢气压力、电池堆温度、进气相对湿度，从而可以根据燃料电池的阳极和阴极之间的电势差确定氢气压差，降低燃料电池系统的体积和成本，提高燃料电池系统的实用性和适用性，简单易实现。

其次参照附图描述根据本实用新型实施例提出的氢气压差检测装置。

图2是本实用新型一个实施例的氢气压差检测装置的结构示意图。

如图2所示，该氢气压差检测装置100包括：采集模块101、第一计算模块102、第二计算模块103、获取模块104和第三计算模块105。

其中，采集模块101用于采集氢气压力、电池堆温度和增湿温度。第一计算模块102用于根据增湿温度获取对应于增湿温度的第一饱和压力，并且根据电池堆温度获取对应于电池堆温度的第二饱和压力。第二计算模块103用于根据第一饱和压力和第二饱和压力得到进气相对湿度。获取模块104用于根据燃料电池的阳极和阴极之间的电势差获取输出电压。第三计算模块105用于根据氢气压力、进气相对湿度、第二饱和压力和电池堆温度得到氢气压差。本实用新型实施例的装置100可以根据燃料电池的阳极和阴极之间的电势差确定氢气压差，降低燃料电池系统的体积和成本，提高燃料电池系统的实用性和适用性，简单易实现。

进一步地，在本实用新型的一个实施例中，第一饱和压力通过以下公式得到：

第二饱和压力通过以下公式得到：

其中，p_sat,hum为第一饱和压力，T_hum为增湿温度，g为常数，p_sat,stack为第二饱和压力，T_stack为电池堆温度。

进一步地，在本实用新型的一个实施例中，进气相对湿度通过以下公式得到：

进一步地，在本实用新型的一个实施例中，氢气压差通过以下公式得到：

或者

其中，A为放大器放大倍数，F为法拉第常数，R为气体常数。

需要说明的是，前述对氢气压差检测方法实施例的解释说明也适用于该实施例的氢气压差检测装置，此处不再赘述。

根据本实用新型实施例的氢气压差检测装置，通过燃料电池系统已有的氢气压力、电池堆温度、进气相对湿度，从而可以根据燃料电池的阳极和阴极之间的电势差确定氢气压差，降低燃料电池系统的体积和成本，提高燃料电池系统的实用性和适用性，简单易实现。

最后描述根据本实用新型实施例提出的氢气压差传感器，其包括：第一氢气入口、第一集电板、第二侧氢气入口、第二集电板、质子交换膜膜电极组件和上述的氢气压差检测装置。

其中，第一集电板与第一氢气入口相连，以获取第一氢气。第二集电板与第二氢气入口相连，以获取第二氢气，其中，第一氢气与第二氢气的压力不同。质子交换膜膜电极组件分别与第一集电板和第二集电板相连，质子交换膜膜电极组件用于根据第一氢气和第二氢气得到燃料电池的阳极和阴极之间的电势差，并通过信号放大装置输出。

可选地，在本实用新型的一个实施例中，第一集电板和第二集电板可以为中央开孔的电导率集电薄板。即言，高压侧集电板和低压侧集电板为中央开孔的电导率集电薄板，进而氢压差传感器连接于燃料电池系统氢气管路的进口和出口之间，用来检测燃料电池氢气进口和出口之间的压力差。

具体地，本实用新型实施例的氢压差传感器利用阴阳极不同压力的氢气会在质子交换膜燃料电池上产生出电势差这一原理所确定，其由高压侧氢气入口、高压侧集电板、质子交换膜膜电极组件、低压侧集电板、低压侧氢气入口、信号放大装置等构成，其中，两块集电板兼为中央开孔的高电导率材料薄片，两侧气体分别通过该孔到达膜电极，分布于膜电极两侧，从而膜电极两侧的电势差从两块集电板上采集，并送到电压放大装置进行信号放大。另外，高压侧为负极，低压侧为正极。

可以理解的是，采集氢气进口或出口压力(p_in或p_out)、电堆温度T_stack、氢气进气相对湿度RH_in以及饱和压力p_sat,stack。氢气出口处的相对湿度一般为1。

若氢气压力只在出口处采集，按照如下公式计算氢气进出口压差：

若氢气压力只在进口处采集，按照如下公式计算氢气进出口压差：

其中，Δp为氢气进出口压差，U为信号放大后的电压，A为放大倍数，F为法拉第常数，R为气体常数8.314J/(mol·K)。

本实用新型实施例的氢气压差传感器虽然用到了价格昂贵的质子交换膜膜电极组件，但是该膜电极的尺寸可以小到10mm级，并且需要的压力、温度、湿度等物理量，一般燃料电池系统都会采集，具有结构简单、体积小、成本低的优点。

另外，在氢压差计算公式包括了普通压差传感器的温度补偿功能，因此压差计算更加准确。

举例而言，如图3所示，图3描述了实施本实用新型所需的燃料电池最小系统。其中，最小系统应能提供压差传感器正常工作所需的物理量：氢气进气压力、电堆温度、进气相对湿度等。它们分别由进气压力传感器5、冷却水进口温度传感器14以及增湿水温度传感器3所提供。本实用新型实施例的氢气压差传感器6接在燃料电池堆10氢气管路的进口7和出口8之间。氢气源1中的高压氢气经过减压阀2减压和增湿器4增湿后进入电堆，进气压力由出口管路上的背压阀9调节。冷却水经散热器11、循环泵12和加热器13后重新进入电堆。

如图4所示，图4是本实用新型实施例的氢压差传感器6的结构。电堆入口7处的氢气与压差传感器高压侧入口19相连，电堆出口8处的氢气与压差传感器低压侧入口15相连。18和16均为中央开小孔的高电导率薄片，它们分别为压差传感器高压侧和低压侧的集电板。17为一尺寸很小的质子交换膜膜电极组件。由于膜电极尺寸小，整个装置6不单独设气体流道，转由集电板18和集电板16的中央小孔提供气体通道。质子交换膜膜电极组件17两侧的电势差经一具有放大倍数A的电压放大装置20放大后输出。

进而，氢压差的具体计算步骤可以为：

步骤S1，由增湿水温度传感器3采到的增湿温度T_hum计算该温度下的饱和压力p_sat,hum：

步骤S2，由冷却水进口温度传感器14采到的电堆温度T_stack计算该温度下的饱和压力p_sat,stack：

步骤S3，计算进气相对湿度RH_in：RH_in＝p_sat,hum/p_sat,stack；

步骤S4，借助采到的T_stack、p_in、电压U以及计算到的RH_in获得氢气压差Δp：

进一步地，图5和图6分别为不同堆温和不同进气湿度时的压差随膜电极两侧电势差的变化关系。线段为由上式得到的理论曲线，离散点为不同电势差下的压差实测值。该压差由精度1‰的压阻式压差传感器测得。可以看出，实测值与理论值完全吻合。通常实际燃料电池的阳极进出口压差在5kPa以内，该区段内的实测压差与理论值也吻合。说明本实用新型实施例的传感器可以应用在燃料电池系统上。

需要说明的是，前述对氢气压差检测装置实施例的解释说明也适用于该实施例的氢气压差传感器，为减少冗余，此处不再赘述。

根据本实用新型实施例的氢气压差传感器，通过燃料电池系统已有的氢气压力、电池堆温度、进气相对湿度，从而可以根据燃料电池的阳极和阴极之间的电势差确定氢气压差，降低燃料电池系统的体积和成本，提高燃料电池系统的实用性和适用性，简单易实现。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。