专利名称：一种燃料电池电流分布测量方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于清洁能源质子交换膜燃料电池测试技术领域，特别涉及一种燃料 电池内部电流分布测量方法及装置，具体说涉及用磁场的方法对质子交换膜燃料 电池内部电流分布进行测量。
背景技术：
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将化学能直接转化为电能的装置。这里 结合附图对其结构和工作原理进行简要描述
如图1所示，质子交换膜燃料电池由膜电极和双极性集流板等部件组成。其 中膜电极包括质子交换膜101、阴极催化剂层102、阴极扩散层103、阳极催化剂 层105、阳极扩散层106;双极性集流板(简称双极板或集流板)则分别为阴极 集流板104和阳极集流板107，用于导电和导流。
燃料电池工作时由氢气入口 109向阳极供给燃料(氢气)，由空气入口 108 向阴极供给氧化剂(空气)。在Pt催化剂作用下，氢气分子在阳极催化剂层105 分解为氢离子(质子)与电子，氢离子通过质子交换膜101迁移到阴极侧，产生 电势。当外部负载电路接通时，电子则通过外部负载电路迁移到阴极，在阴极催 化剂的作用下，空气中的氧分子和抵达阴极的氢离子吸收电子，在阴极催化剂层 102反应生成水。 一系列的反应促使电子不断地流过外部电路而输出电能。
电化学反应在扩散层、催化剂层和质子交换膜的整个表面进行，因此质子迁 移在整个质子交换膜上均有发生，也就形成整个交换膜上均有电流穿透过去。在 此过程中，由于催化剂分布均匀程度、催化剂活性差异、流场及扩散层一致性引 起的反应气体浓度和压力分布差异、水热分布不均、各层间接触电阻分布不匀等 因素，均可影响质子交换膜两侧界面电化学反应的分布，也就影响电池内部各 部分的穿透电流密度(单位面积上单位时间内穿透的电荷数量)，也就是说燃料 电池的各个区域电流分布往往存在不均匀的现象。
电池的这种不均匀性，限制了燃料电池输出功率，严重的时候可能导致电池内产生局部的反向电流、局部温度过高(局部的热点)，质子交换膜穿透等问题。 因此，有必要研究电流密度分布的测量方法以及在线监测装置。
目前，质子交换膜燃料电池内部电流分布测量技术主要有以下几种
刘志祥等人使用了子电池法测量质子交换膜燃料电池内部电流分布。该技术 利用铜板、阳极碳纸等改造阳极流场板、阳极扩散层和催化剂层，并把膜电极与 具有子电池分割的阳极流场板和未分割的阴极流场板一起组装成单电池，进行电 流密度的相关测试。这种方法制作工艺复杂，加工难度大，制作成本高，使用不 方便，测量装置不能独立于原来的质子交换膜燃料电池。
Noponen等人采用了分割流道法来研究电流分布。这种技术是采用PVC塑 料作为流场基板，在塑料表面刻出沟槽并装入钢条收集电流。采用分割流道技术 的缺点是加工难度大，使用复杂，流道间相互串气，不能独立于质子交换膜燃 料电池本体。
Partridge等人利用设置在电池外部的红外传感器测量电池内部的温度场来间 接测量电流分布。因为电流存在热效应，所以电流分布不均匀会引起温度场的变 化。这种方法需要对电池的密封壳体进行改装，采用可透过红外辐射的材料，通 常是换成透过红外线的玻璃窗。此法存在若干缺点其一，玻璃的强度低、脆性 大，需要留意其安全性；其二，由于材料存在热惯性，电流到温度的响应速度很 慢，其延迟一般在秒级，难以反映瞬态变化的电流分布。对于在线监控，就不能 及时对于故障进行预防，往往产生破坏性故障的后果。
可见，上述这些分布电流测量方法的缺点主要包括
(1) 制作成本高，加工难度大；
(2) 使用不方便；
(3) 对质子交换膜燃料电池的电极进行改造；
(4) 测量部件不是一个独立于质子交换膜燃料电池的装置。
为了解决这些问题，作者提出了一种利用电流的磁效应测量质子交换膜燃料 电池内部电流分布的方法以及相应的测量装置。 发明内容本发明的目的是提出利用电流的磁效应测量质子交换膜燃料电池内部电流 分布的一种燃料电池内部电流分布测量方法及装置。其特征在于，所述燃料电池 内部电流分布测量方法是利用磁传感器来测量磁场和电流的分布情况；具体步骤 为
1) 确认燃料电池的封装没有用软磁材料、易磁化材料作为盖板；将多个磁传 感器布置于与燃料电池表面平行的某个平面内；
2) 传感器及燃料电池进入工作状态，测量燃料电池表面的磁场分布；
3) 根据磁场的分布，解算燃料电池表面的电流分布；
所述传感器及燃料电池进入工作状态是开启激励源，将激励源输出激励正弦 励磁电流加到磁传感器的磁环励磁线圈上，在磁环中产生使之饱和的交变磁场； 燃料电池在工作状态下，燃料电池内部的分布电流产生的磁场叠加到磁环励磁线 圈上，影响磁环的饱和程度，引起测量线圈中的感生电动势的波形及谐波产生变 化，
所述测量线圈中的感生电动势由磁环的测量线圈送到数据采集处理系统进行 处理，按任意电流元M在P点处产生的磁感应强度
<formula>formula see original document page 6</formula>
则通有电流/ 、长度为丄的载流直导线在P点处产生的磁感应强度5为
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中//。为真空磁导率，A为磁介质的相对磁导率。 解调出磁环对应区域的电流大小。
所述燃料电池电流分布测量装置包括在测量控制板4上分布有磁传感器1， 测量控制板4放置在燃料电池7外部顶面，燃料电池7的电极6上连接负载5， 磁传感器1的励磁线圈连接激励源2，磁传感器1的测量线圈连接数据采集处理 3的模拟数字转换模块。
所述数据采集处理3由模拟数字转换模块、微处理器、数字模拟转换和驱动 器构成；所述磁传感器1的磁环上绕制一组测量线圈，用来测量动态情况下燃料电池 电流的分布，此时，如果需测量静态的电流分布，则需要对燃料电池负载电流进 行调制或者叠加交流分量；
所述磁传感器1的磁环上绕制两组线圈， 一组为励磁线圈， 一组为测量线圈， 激励线圈采用交流励磁到达饱和，如果磁环中叠加了外部磁场的时候，就会使励 磁的饱和状态的磁场交流分量的波形及谐波发生变化，通过测量线圈测量此变化 即可测得叠加的外部磁场，也就是说测得了电池分布电流产生的恒定或者变化磁 场。
本发明的有益效果是无需对质子交换膜燃料电池原来的结构进行改造，即 可方便地测量燃料电池内部的电流分布。由此可以做到
(1) 在燃料电池研制过程中，可用于检测和研究局部缺气、水热分布不均、 接触不良、催化剂分布不均匀、流失是否均匀等问题；
(2) 在燃料电池生产制造过程中，可用以发现是否存在局部堵塞引起的局部 缺气、是否存在水热分布不均、是否存在接触不良，以免将局部不良的单片电池 误认为是正常单片装入电堆，导致整个燃料电池系统性能下降。
(3) 在燃料电池运行过程中，可用于在线监测是否存在局部的不良变化，防 止总电流正常范围情况下，由于局部电流密度过大引起的故障、危险。
同时，本测量装置具有结构简单、成本低、易于制作的特点。本发明着眼于 在线监测，以便及时对故障进行预防，具有很高的实用价值。
图1为质子交换膜燃料电池结构示意图。
图2为质子交换膜燃料电池内部电流分布情况及流向示意图。
图3为在电池外部放置磁传感器测量电池内部电流分布与磁场数学模型示意图。
图4为在磁环中磁场方向示意图。
图5为电池电流在磁环中心产生的磁场方向示意图。
图6为电池电流在磁环中产生的磁场方向示意图。图7为电池电流在磁环轴线上感生的磁场方向示意图。 图8为燃料电池电流分布测量装置示意图。
具体实施例方式
本发明提出了利用电流的磁效应测量质子交换膜燃料电池内部电流分布的一 种燃料电池内部电流分布测量方法及装置。在图8所示的燃料电池电流分布测量 装置示意图中，在测量控制板4上分布有磁传感器1，测量控制板4放置在燃料 电池7外部顶面，燃料电池7的电极6上连接负载5，磁传感器l的励磁线圈连 接激励源2，磁传感器1的测量线圈连接数据采集处理3的数字转换模块。所述 数据釆集处理3由模拟数字转换模块、微处理器、数字模拟转换和驱动器构成；
利用燃料电池电流分布测量装置测量燃料电池内部的电流分布的原理如下，
本发明利用电流的磁效应来测量燃料电池内部的电流分布。我们知道，电流 在其周围产生磁场，因此燃料电池内部的电流分布，可以通过在电池外部按照一 定规律设置若干磁传感器来测量。
燃料电池内部的电流分布情况及流向如图2所示，如果某一区域的电流密度 大，局部区域的磁场也应该较大。可以考虑通过局部磁场强弱的测量来测量局部 电流的大小。将燃料电池划分为若干小区域，穿过每个小区域的电流可以简化为 通过该小区域轴心的载流直导线的电流；极板中到外部引出电极的电流简化横向 的载流直导线。整个电池中的电流分布，则可简化为若干具有直角转弯的载流直 导线，只要区域足够小，则可以精确逼近实际电流的分布情况。
在小区域对应的位置布置磁场传感器，根据磁场传感器的输出信号的大小， 就可间接确定该小区域的电流大小。利用磁场传感器在多处测量其对应小区域的 电流，便可得知燃料电池内部电流分布的整体情况。
如图3所示，在电池外部放置磁传感器测量电池内部电流分布与磁场数学模 型示意图中，根据电磁学知识可知，任意电流元M在P点处产生的磁感应强度M 为
必=^ ^ 斗;r r则通有电流/、长度为Z的载流直导线在P点处产生的磁感应强度S为
B",。 =^^(cos《-cos《) 4;zr
其中//。为真空磁导率，^为磁介质的相对磁导率。
磁传感器1是一种采用绕有线圈的磁环，如图2所示的燃料电池内部的电流 分布情况，可以简化为一系列具有直角转弯的载流导线；故在电池外部放置磁传 感器(如图3、 5、 6、 7所示)。
磁环所覆盖内部区域的电流可简化抽象为与磁环同轴的载流导线，以及两根 垂直磁环轴线的载流导线(对应于通往引出端的电流，平行于双极板表面)。与 磁环同轴的载流导线，会在磁环中激起环形磁场，如果这个磁场变化，磁环上的 线圈就会产生感生电动势。当电池面积较大，测量线圈尺寸相对较小，则两根垂 直于磁环轴线的载流导线在磁环中激起的磁场近似看作为两根无限长的导线(从 磁环轴线出发直到无穷远)， 一个距离磁环较远， 一个距离磁环较近。据此，可 以近似得到磁环P点处磁感应强度大小为
4 r
A(cos《-COS《)+ (^" + ^)
, 尸2r3 .
关于简化得到的同轴载流导线和垂直载流导线对磁场测量的影响，有如下讨论
(1) 如图4，垂直于磁环轴线(平行与磁环端面)的载流导线601在磁环602 中激起的磁场S是反向对称的，磁场方向一进一出，区域603垂直纸面向里，区 域604垂直纸面向外，如果磁环上的线圈单向均匀绕制，则该导线电流变化在线 圈中引起的感生电动势可以基本相互抵消；另外磁场方向与磁环的闭合回路方向 垂直，故在磁环中激起的磁场也非常小，基于这两个原因，故可以认为该平行导 线在磁环上单向绕组中的感生电动势可以忽略。
(2) 如图5所示，如果电池电流引出端704配置在相同一侧(关于膜电极701 对称)，则电流方向相反，两横向电流(平行于磁环端面、垂直于磁环轴线)在
9电池上方的磁环处产生的磁场B还可互相抵消掉一部分；
如图6所示，如果电池电流引出端804配置在相反一侧(关于膜电极801反 对称)，虽然电流是同向的，但由(1)所述，每段横向等效载流导线在磁环中激 起的磁场都是反对称的，故也可忽略其影响。同侧配置燃料电池电流端子也具有
同样的效应，故其中横向电流感生的磁场作用更明显。
(3)如图7所示，磁环901所覆盖区域外部的分布电流，所占面积较大，可简 化为无限大，故进一步认为统计意义上电流分布基本对称(特别是对于位于中部 的磁环)，因此在磁环轴线上感生的磁场对称但是方向相反(903产生的磁场在轴 线处垂直纸面向里，904产生的磁场在轴线处垂直纸面向外)，可以认为基本上抵 消；对应的电池表面的电流，依据上面的分析，易知基本对称，且方向相反，故 也可大致抵消。
必要时，可以在磁环外部增加磁屏蔽装置以进一步屏蔽磁环区域外的电流的 影响。
综上所述，可以大致得到结论磁环中所感生的磁场，主要与磁环所覆盖区 域的穿透电流有关，其它区域的电流影响较小，粗略测量分析中可以考虑忽略不计。
当然，在实际测量中，磁环中的磁场与所覆盖区域的电流有关的同时，还是 受到其它区域电流分布的影响的。若要获得更为准确的结果，我们可以进行定标 以进一步消除其它区域分布电流对磁环测量的影响。
从上述原理介绍可以看出，该测量方法的核心是电流与磁场间的对应关系， 而电流到磁场基本是同步变化，故响应速度可以很快。另外，电流和磁感应强度 直接的线性关系，不像电流到红外辐射之间非线性的影响关系那样复杂，故测量 有可能做到更准确。可见，本方法的优点是十分明显的。 实施例
测量燃料电池内部的电流分布的测试过程为
确认燃料电池7的封装没有用软磁材料、易磁化材料作为盖板；
测量燃料电池的电流分布的时候，将测量控制板4固定在燃料电池7的表面；测量时，激励源2输出激励正弦励磁电流加到磁环的励磁线圈上，在磁环中 产生使之饱和的交变磁场，燃料电池内部分布电流产生的磁场叠加到磁环上，影 响磁环的饱和程度，影响测量线圈中的感生电动势的波形及谐波。
测量线圈中的感生电动势送到数据采集处理3中，进行处理；
解调出磁环对应区域的电流大小。
所述磁传感器1的磁环上绕制一组测量线圈，用来测量动态情况下燃料电池 电流的分布，此时，如果需测量静态的电流分布，则需要对燃料电池负载电流进 行调制或者叠加交流分量；
所述磁传感器l的磁环上绕制两组线圈， 一组为励磁线圈， 一组为测量线圈，激 励线圈采用交流励磁到达饱和，如果磁环中叠加了外部磁场的时候，就会使励磁 的饱和状态的磁场交流分量的波形及谐波发生变化，通过测量线圈测量此变化即 可测得叠加的外部磁场，也就是说测得了电池分布电流产生的恒定或者变化磁 场，然后利用上述测量原理中的公式解调出磁环对应区域的电流大小。
权利要求
1. 一种燃料电池内部电流分布测量方法，其特征在于，该测量方法是利用磁传感器来测量磁场和电流的分布情况；具体步骤为1)将多个磁传感器布置于与燃料电池表面平行的某个平面内；2)传感器及燃料电池进入工作状态，测量燃料电池表面的磁场分布；3)根据磁场的强弱分布解算燃料电池表面/内部的电流分布。
2. 根据权利要求1所述燃料电池内部电流分布测量方法，其特征在于，所述传感器及燃料电池进入工作状态是开启激励源，将激励源输出激励正弦励磁电流加到磁传感器的磁环励磁线圈上，在磁环中产生使之饱和的交变磁场；燃料电池在工作状态下，燃料电池内部的分布电流产生的磁场叠加到磁环励磁线圈上，影响磁环的饱和程度，引起测量线圈中的感生电动势的波形及谐波产生变化。
3. 根据权利要求1所述燃料电池内部电流分布测量方法，其特征在于，所述测量线圈中的感生电动势由磁环的测量线圈送到数据釆集处理系统进行处理，根据燃料电池平面局部的垂直的电流元在局部产生相对较强的磁场的原理，解调出磁环对应区域的电流大小。
4. 一种燃料电池电流分布测量装置，其特征在于，该测量装置包括在测量控制板(4)上分布有磁传感器(1)，测量控制板(4)放置在燃料电池(7)外部顶面，燃料电池(7)的电极(6)上连接负载(5)，磁传感器(1)的励磁线圈连接激励源(2)，磁传感器(1)的测量线圈连接数据采集处理(3)的模拟数字转换模块。
5. 根据权利要求4所述燃料电池内部电流分布测量装置，其特征在于，所述磁传感器的磁环上绕制一组测量线圈，用来测量动态情况下燃料电池电流的分布，此时，如果需测量静态的电流分布，则需要对燃料电池负载电流进行调制或者叠加交流分量。
6. 根据权利要求4所述燃料电池内部电流分布测量装置，其特征在于，所述磁传感器的磁环上绕制两组线圈， 一组为励磁线圈， 一组为测量线圈，激励线圈采用交流励磁到达饱和，如果磁环中叠加了外部磁场的时候，就会使励磁的饱和状态的磁场交流分量的波形及谐波发生变化，通过线圈测量此变化即可测得叠加 的外部磁场，也就是说可测得电池分布电流产生的恒定或者变化磁场。
全文摘要
本发明公开了属于清洁能源质子交换膜燃料电池测试技术领域的涉及一种燃料电池内部电流分布测量方法及装置。在测量燃料电池的电流分布的时候，将测量控制板固定在燃料电池的表面；激励源输出激励正弦励磁电流加到磁环的励磁线圈上，在磁环中产生饱和的交变磁场；燃料电池内部分布电流产生的磁场叠加到磁环上，使励磁的饱和状态的磁场交流分量的波形及谐波发生变化，通过线圈测量此变化即可测得叠加的外部磁场，然后利用测量原理中的公式解调出磁环对应区域的电流大小。可用于在线监测是否存在局部的不良变化，防止总电流正常范围情况下，由于局部电流密度过大引起的故障、危险。本测量装置具有结构简单、成本低、易于制作的特点。
文档编号G01R31/36GK101482599SQ20081011616
公开日2009年7月15日 申请日期2008年7月4日 优先权日2008年7月4日
发明者猛 仝, 磊 包, 卢兰光, 吴永平, 李建秋, 杨福源, 欧阳明高, 丹 殷, 裴普成, 伟 赵, 郭军杰, 毅 韩, 黄海燕 申请人:清华大学