燃料電池電流測量電路的製作方法

2023-05-18 11:48:21 1

專利名稱：燃料電池電流測量電路的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及測量領域，尤其涉及一種燃料電池電流測量電^各。
技術背景燃料電池是由燃料和氧化劑發生化學反應產生電能的裝置，大功率PEM燃 料電池(質子交換膜燃料電池)要輸出較大的電流，勢必要求燃料電池的單 電池具有很大的面積。但是在相同生產工藝條件下，單體面積越大，電流密 度分布越不易均勻，燃料電池的性能下降也越多。因此需要使用PEM燃料電池 電流密度分布測量裝置來研究大面積PEM燃料電池單體放電過程中的電流密 度分布情況，在此基礎上才能研究解決電池性能衰減問題以及尋求能提高電 流密度分布均勻程度的電池生產製作工藝。現有技術的燃料電池電流分布測量電路一般是將燃料電池某一極分割為 多個區域。如圖1所示，將燃料電池陽極分割成第一陽極區域ll、第二陽極區 域12和第三陽極區域13，第一陽極區域ll通過導線連接用於電流測量的負載 模塊21形成第一支路，第二陽極區域12通過導線連接用於電流測量的負載模 塊22形成第二支路，第三陽極區域13通過導線連接用於電流測量的負載模塊 23形成第三支路。上述負載模塊21、負載模塊22和/或負載模塊23可以是獨立 負載，也可以是待測燃料電池的內阻。各負載模塊另一端並聯後連接可調負 載模塊31，可調負載模塊31再連接燃料電池的陰極構成放電迴路，調節可調 負載模塊31大小即可控制燃料電池放電電流及放電電壓。測量設備4 0用於測 量各陽極區域的放電電流以及放電電壓，以此獲取燃料電池在不同放電電壓 值下各陽極區域的電流分布，再根據各陽極區域的面積可以計算出各陽極區 域的電流密度。使用現有技術測量燃料電池的電流分布，由於各支路的負載 模塊或待測燃料電池的內阻的影響，使得各支路燃料電池的放電電壓可能不 相同，而各支路的負載模塊只能通過可調負載模塊31統一調節，無法分別調 節各支路燃料電池的放電電壓，此時測得的各支路的電流是基於不同的放電 電壓，使測量產生了較大的偏差。發明內容本實用新型提供一種燃料電池電流測量電路，能夠更精確的測量燃料電 池的電流進而測量電流密度。本實用新型提供一種燃料電池電流測量電路，測量燃料電池的電流，包 括測量裝置和負載模塊，上述燃料電池的一極分為至少兩個相互絕緣的區域， 上述至少兩個區域分別與 一 負載模塊相連接形成至少兩支路，上述至少兩支 路的放電電壓分別可調，上述測量裝置分別測量上述至少兩支路的放電電流。優選地，上述測量裝置分別與至少兩個區域連接，同時測量裝置與燃料 電池的另一極相連接。優選地，上述負載才莫塊採用可調負載。優選地，上述負載才莫塊採用滑動變阻器。優選地，上述負載模塊採用電子負載電路實現。優選地，上述電子負載電3各採用LM324運算放大器和/或IRFP460場效應管。優選地，上述燃料電池電流測量電路，還包括負載控制器，負載控制器 連接在測量裝置和負載模塊之間，根據放電電壓調節負載模塊。 優選地，上述燃料電池電流測量電路，還包括升壓直流電源。本實用新型採用多路可調負載，使燃料電池各區域工作在相同電位，採 用本實用新型測量的燃料電池電流及得到的燃料電池電流密度分布具有較高的真實性。

圖l是本實用新型現有技術的電路結構示意圖；圖2是本實用新型第 一 實施例的電路結構示意圖；圖3是本實用新型第二實施例的電路結構示意圖；圖4是本實用新型第三實施例的電路結構示意圖；圖5是本實用新型第三實施例中電子負載的電路示意圖。本實用新型目的的實現、功能特點及優點將結合實施例，參照附圖做進 一步說明。
具體實施方式
參照圖2，示出本實用新型第一實施例的電路結構示意圖。燃料電池電流 測量電路包括燃料電池IOO、負載模塊和測量裝置300。燃料電池100的陽極分 割成3個相互絕緣的區域，每一個區域與一負載模塊連接組成一支路，如圖2 所示，第一陽極區域101與第一負載模塊201連接組成第一支路，第二陽極區 域102與第二負載模塊202連接組成第二支路，第三陽極區域103與第三負載模塊203連接組成第三支路。第一負載模塊201的另一端、第二負載模塊202的另 一端和第三負載模塊203的另一端相互並聯，且都與燃料電池100的陰極連接 形成迴路。測量裝置300與燃料電池100的陽極的每一個區域連接，同時測量 裝置300還與燃料電池100的陰極連接。測量裝置300測量陽極各區域的電位和 放電電流。第一負載模塊201、第二負載模塊202和第三負載模塊203採用可調 負載，優選地，可調負載採用滑動變阻器。測量裝置可採用電壓表以獲取電 位值；通過在各放電支路配置採樣電阻或霍爾傳感器以獲取電流值。測量過程如下預設一放電電壓值，測量燃料電池100在該放電電壓下的 電流。粗調第一負載模塊201、第二負載模塊202和第三負載模塊203,使燃料 電池100第一陽極區域101與陰極之間的放電電壓、第二陽極區域102與陰極之 間的放電電壓和第三陽極區域103與陰極之間的放電電壓調節到預設放電電 壓值附近。再細調第一負載模塊201、第二負載模塊202和第三負載模塊203， 使測量裝置3 0 O分別與燃料電池10 0的陽極三個區域的連接點處的電位都相等 (即燃料電池100陽極上各區域的電位相等)。再通過測量裝置300測量第一陽 極區域101所在的支路的電流I1，第二陽極區域102所在的支路的電流I2,第 三陽極區域103所在的支路的電流I3;設第一陽極區域101的面積為S1，第二 陽極區域102的面積為S2，第三陽極區域103的面積為S3，則在當前的放電電 壓值下，第一陽極區域101的電流密度為I1/S1，第二陽極區域102的電流密度 為I2/S2，第三陽極區域103的電流密度為I3/S3。重複上述的操作，選取其他 放電電壓值，分別測量燃料電池在其他放電電壓值時的電流，結合各陽極區 域的面積分別計算出電流密度，進而得出燃料電池電流密度分布結果。上述預設放電電壓是根據燃料電池100的工作電壓選取的，燃料電池IOO 的工作電壓區間通常為O. 2V-0. 8V,預詔:;改電電壓也就在O. 2V-0. 8V區間選取。參照圖3，示出本實用新型第二實施例的電路結構示意圖。燃料電池電流 測量電i 各還包括負載控制器400，負載控制器400分別與測量裝置300和三個負 載模塊連接，根據測量裝置300測量陽極各區域的電位和放電電流，調節相應 支路上的負載模塊。測量前預設一放電電壓值，測量燃料電池100在該放電電 壓下的電流密度。當測量裝置300測得燃料電池100陽極區域與陰極間的放電 電壓大於預設的放電電壓值時，負載控制器400減小該陽極區域所在支路上的 負載模塊的阻值使放電電壓減小，反之當燃料電池100陽極區域與陰極間的放 電電壓小於預設的放電電壓值時，負載控制器400增大該陽極區域所在支路上 的負載阻值使放電電壓增大。負載控制器400調整負載阻值會使放電電壓產生 變化，放電電壓產生變化又會使負載控制器400根據測量裝置300的反饋自動 重新調整負載阻值，當調整到測量裝置300分別與燃料電池100的陽極三個區域的連接點處的電位都相等時(即燃料電池各區域的放電電壓都等於預設的放電電壓值時)，燃料電池電流測量電路達到動態平衡。此時通過測量裝置300 測量第一陽極區域101所在的支路的電流I1，第二陽極區域102所在的支路的 電流12，第三陽極區域103所在的支路的電流I3。設第一陽極區域101的面積 為S1，第二陽極區域102的面積為S2，第三陽;f及區域103的面積為S3，分別得 到第一陽極區域101電流密度為I1/S1、第二陽極區域102電流密度為I2/S2， 第三陽極區域103電流密度為I3/S3。重複上述的操作，分別測量燃料電池在 其他放電電壓值時的電流，結合各陽極區域的面積分別計算出電流密度，進 而形成燃料電池電流密度分布結果。上述預設放電電壓的選取與第一實施例類似，故不贅述。參照圖4，示出了本實施例第三實施例的電if各結構示意圖，本實施例在第 二實施例的基礎上採用電子負載電路實現負載模塊，採用微處理器實現負載 控制器400及測試裝置300。圖5示出 一種電子負載電路的電路結構，微處理器通過Vref接口與運算放 大器U1的反相輸入端相連接，為電子負載電路提供電壓控制信號Vref;微處 理器還通過Current接口與電子負載的Current接口相連接，測量每一支路的 電流。該電子負載電路為恆壓電子負載，根據負載控制器400的電壓控制信號 Vref自動工作在設定電壓值上，負載控制器400將不幹預恆壓電子負載的調整 過程。由於燃料電池100的單電池輸出電壓較低，開路時為1V左右，工作電壓 區間通常為O. 2V-0. 8V，無法使由電晶體構成的電子負載工作，所以本實施例 還包括與燃料電池100的陰極串聯的升壓直流電源500。升壓直流電源500提高 了整個燃料電池電流測量電路的電位，確保電子負載電路能夠正常工作。電子負載電路的工作原理如下電晶體Q1的柵極通過電阻連接至運算放 大器U1的輸出端，即電晶體Q1由運算放大器U1驅動，其導通電阻取決於運算 放大器U1的輸出電壓。運算放大器U1作為電壓比較器使用，其反相輸入端連 接微處理器的電壓控制信號Vref,同相輸入端連接燃料電池100的放電電壓， 形成反饋通路，當燃料電池100的放電電壓較高時，通常將燃料電池100的放 電電壓通過電阻R1和R6進行分壓後輸入至運算》文大器。測量時選取一》文電電 壓值Vref，測量當前燃料電池100的各區域的放電電壓，如果當前放電電壓大 於Vref，則運算放大器Ul輸出高電平，電晶體Q1導通，即負載電阻減小，放 電電流增大，燃料電池100放電電壓將減小；如果當前燃料電池100的放電電 壓小於Vref，則運算放大器U1輸出低電平，電晶體Q1截至，即負載電阻增大， 放電電流減小，燃料電池100放電電壓將增大。經過多次比較，作為反饋信號 的陽極各區域的放電電壓信號最後穩定在Vref處，由此實現恆壓》文電。通過調整Vref的大小，即可在不同放電電壓值下對放電電流進行測量。微處理器 通過測量電子負載的Current接口的電流得到各支路的電流，並通過預先存儲 的各陽極區域面積，計算出燃料電池電流密度，進而形成燃料電池電流密度 分布結果。本實施例的微處理器採用C8051F005,運算放大器U1選用LM324,電晶體Q1 選用功率場效應管IRFP460。在使用電子負載電路時， 一般放電電流通過串聯 0. 1歐姆的電流採樣電阻R7進行測量。本實用新型第四實施例中還可以對燃料電池100的陰極進行分割，形成多 個相互絕緣的陰極區域，燃料電池電流測量電路及測量原理同前述實施例相 似，故不贅述。以上所述僅為本實用新型的優選實施例，並非因此限制本實用新型的專 利範圍，凡是利用本實用新型說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程 變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本實用新型 的專利保護範圍內。
權利要求1.一種燃料電池電流測量電路，測量燃料電池的電流，包括測量裝置和負載模塊，所述燃料電池的一極分為至少兩個相互絕緣的區域，所述至少兩個區域分別與一負載模塊相連接形成至少兩支路，所述至少兩支路的放電電壓分別為可調，所述測量裝置分別測量所述至少兩支路的放電電流。
2. 根據權利要求1所述的燃料電池電流測量電路，其特徵在於，所述測 量裝置分別與至少兩個區域連接，所述測量裝置與燃料電池的另 一極相連接。
3. 根據權利要求1或2所述的燃料電池電流測量電路，其特徵在於，所 述負載模塊採用可調負載。
4. 根據權利要求3所述的燃料電池電流測量電路，其特徵在於，所述負 載模塊採用滑動變阻器。
5. 根據權利要求1或2所述的燃料電池電流測量電路，其特徵在於，所 述負載模塊採用電子負載電路實現。
6. 根據權利要求5所述的燃料電池電流測量電路，其特徵在於，所述電 子負載電路採用LM324運算放大器和/或IRFP460場效應管。
7. 根據權利要求3所述的燃料電池電流測量電路，其特徵在於，還包括 負載控制器，負載控制器連接在測量裝置和負載模塊之間，根據放電電壓調 節負載模塊。
8. 根據權利要求3所述的燃料電池電流測量電路，其特徵在於，還包括 升壓直流電源。
專利摘要本實用新型提供一種燃料電池電流測量電路，測量燃料電池的電流，包括測量裝置和負載模塊，所述燃料電池的一極分為至少兩個相互絕緣的區域，所述至少兩個區域分別與一負載模塊相連接形成至少兩支路，所述至少兩支路的放電電壓分別為可調，所述測量裝置分別測量所述至少兩支路的放電電流。本實用新型採用多路可調負載，使燃料電池各區域工作在相同電位，此時測量的電流及得到的燃料電池電流密度分布具有較高的真實性。
文檔編號G01R31/36GK201096875SQ20072017672
公開日2008年8月6日 申請日期2007年9月18日 優先權日2007年9月18日
發明者振 張, 易雙武, 王華傑 申請人:比亞迪股份有限公司