基于PCB技术的燃料电池在线诊断系统开发

李乐天 何奔洋 邹砚文

Li Letian He Benyang Zou Yanwen

上海交通大学 机械工程

1.设计目的

质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）将氢气和氧气的化学能转化为电能，具有高功率密度、高效率、零污染排放等优点，在交通运输、固定式电站和便携式电源等方面取得了长足的发展。为了满足实际电压和功率的需求，目前燃料电池通常由多节单电池串联叠装，单节电池的活性面积达到 200~500 cm ² 。这种大面积的燃料电池内部温度、湿度、电流密度等多种物理场难以均匀分布，在启停、变载的过程中通常会出现积水、局部过热的现象，导致燃料电池的偶发性停机。为了探究燃料电池运行过程中的故障机制和预防策略，本课题构建了一种电池内部多物理场分布测试的诊断系统，实现对燃料电池内部电流密度、温度、湿度和阻抗分布的在线测量，对燃料电池故障进行了分析诊断。

2.基本原理及方法

本课题选择以PCB（印刷电路板）为集成平台，利用分段电池技术对燃料电池的反应面积进行区域划分，采用电阻阵列法和微型传感器法，设计了“电流密度测量板-隔板-温湿度测量板-流场板”的四层结构，完成了信号测量模块的结构设计，在保证燃料电池正常工作的同时实现了对燃料电池内部各分区多种物理场分布状况的在线测量。

通过Abaqus和ANSYS建立热-力-电耦合模型，开展联合仿真，探明测量板所测物理数据与原位点的真实物理量之间的数量关系，提高测试系统的准确性；通过仿真模型分析在线测试系统的引入对燃料电池反应性能的影响，通过建立相关函数关系来开展测量板的最优设计方案。

以LabView为基础平台，通过处理数据与写入文件并行的编程方式快速处理庞大的测量数据流，基于热力学和电化学方程建立了燃料电池故障分析模型，结合Python对系统的测量结果进行可视化处理，同时使系统具备故障诊断功能。

3.主要设计过程或试验过程

本课题主要从以下三个方面开展PEMFC多物理场在线诊断系统的研究。

1）在线测试方法选择与测试系统结构设计

本课题针对大面积PEMFC内部的温度、湿度、电密密度等多物理场分布在线测量的需求，选择PCB作为整个测试系统的集成平台，通过铜线电阻阵列法作为电密的测量方法，通过微型温湿传感器来同时测量温湿度分布。为了满足电堆本身的导电需求和水气分配的需要，在多级测量板内部通过错位铺铜束来实现板层之间的导电，同时在特定板层内部设置翻转式水气流场来实现水气流动。

2）测试系统多物理场模型仿真

建立单个分区的力-电-热耦合预测模型，通过ABAQUS仿真拟合分区内铜电阻两端压降与实际电密的函数关系，电密测量误差控制在 4.7%。基于建立的单个分区的力-电-热耦合预测模型，在 6 条流场上分别均匀选取 8 个点，将这 48 个点的电势标准差作为电势均匀性的评测指标，分析了GDL表面电势均匀性的影响因素，并进行优化设计，使GDL电势不均匀程度下降 44.14%。针对温度测量原理建立相关模型，利用Fluent对测点温度与反应位点的实际温度进行仿真，提出了对应的校正方法，使温度测量精度平均提升 10.08%。

3）在线测试系统软件设计与故障诊断

基于燃料电池电化学反应的基本方程，建立了基于多分区物理量数据与燃料电池活化损失、欧姆损失、浓差损失的关系，对水淹、膜干、缺气三种典型故障的发生原因及判断指标进行了讨论，指出湿度、电密、活化损失、浓差损失和欧姆损失的标准差及绝对值大小是判断电堆故障的重要标准。基于LabView编写了燃料电池在线诊断系统软件，提出优化的并行数据处理算法使系统能够满足燃料电池温、湿、电密和阻抗测试的需求，运行效率达到 10 ms量级，建立了实现燃料电池多物理场数据可视化的方法，基于分区极化损失解析模型编写了软件算法及相应的故障判断方法。

4.结论

（1）完成测量板结构设计，通过铜线错层布置与翻越式流场，兼顾了电流的导通与电阻测试，实现了水汽分配流通，确保了电堆正常运行。电密测量精度为±0.05 A/ cm ² ，温度测量精度为+0.4 ℃，湿度测量精度达到+0.5%。

（2）建立独立分区的力-电-热耦合预测模型，通过Abaqus仿真建立分区内铜电阻两端压降与实际电密的函数关系，电密测量误差控制在 4.7%。采用Fluent分析开展温度测试建模与分析，有效提高了温度测量精度。

（3）完成诊断系统软件设计，通过并行算法使程序效率提升 27%。基于故障诊断模型编写极化损失算法，以热力图、云图形式显示电堆全生命周期多物理场数据，系统被实际应用于电堆测试中。

5.创新点

（1）通过分区铜线错层和翻阅流场的结构设计，满足燃料电池运行需求，实现了对PEMFC内部温度、湿度、电流密度等多个物理场的同时在线测量。

（2）建立了考虑热-力-电耦合的在线系统电密测试和温度测试的分析模型，构建了测试数据与反应位点的映射关系，大幅提升了测量精度。

（3）基于热力学和电化学反应，建立了燃料电池故障分析方法，通过数据处理和写入文件并行的方式，大幅缩短了系统的响应时间，确保了实时测试和故障分析的顺利进行。

6.设计图或作品实物图

本课题在线诊断系统结构如图 1 所示，实物测试如图 2 所示，测试系统界面如图 3 所示。

高校指导教师：邱殿凯；企业指导教师：邵 恒 /bwvow7YiV4Dm7sjLlRo+luR7zTp/G/iRg0HZbaocDFyUPDjJvdnLtQr6XIPw3w3