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前言
氢燃料电池系统中，燃料电池电堆通常由数百个燃料电池发电小单元组成，单个车载燃料电池的活性面积一般在300~400cm2区间内。每个发电单元平面各局部区域物理参数的均匀性和一致性是燃料电池设计和开发的重要环节。如果电流密度分布差异过大，则活性面积各区域物理操作参数差异较大。短期内，局部电压差形成面内电流并导致电压损失，性能下降，反应气利用率低，从而导致低效率和高成本。长期来看，局部区域气体不足和高温会对电堆的耐久性造成威胁。因此，在极板结构仿真设计、机理诊断、电极梯度设计、操作工况设计优化等阶段，平面内物理参数的分布一致性都是控制的关键。
做分区电压、电流、温度采集分析有何作用？
提高功率密度，降低氢耗量：
电流密度分布的一致性，电流密度分布的高一致性，可提高电堆的峰值体积功率密度，降低燃料消耗。
衰减诊断：
整体或局部欠气一直是燃料电池控制领域的难题，尤其是阳极部分缺气。在反向电流机制下，阳极部分欠气可形成阴极的高电位，然后碳载体发生腐蚀。在常见的氢-空逆流进气结构下，阳极水管理备受关注。随着电化学反应的进行，从阳极活性区入口到活性区出口的氢气分压逐渐降低，水蒸气分压升高，出口区域“水淹”风险高，随时可能出现局部欠气。通过不同动态验证实验，控制反应的计量比和设计新型流道，改善极板碳腐蚀和水淹问题导致的反应欠气问题，可提升电堆的耐久性能。
不同区域电流温度分布测量图例
设计优化电堆运行条件：
燃料电池的输出性能受多种操作条件的影响，如气体压力、气体流量、气体湿度、氢空压差和电堆温度等。合理的操作工况，可以有效避免“水淹”和“膜干”状态，提高燃料电池运行的稳定性，提高氢利用率，降低辅助功耗。
质子膜膜电极含水量的诊断：
氢燃料电池电堆内部质子膜含水量分布间接反映了气体浓度的分布，对燃料电池的可靠运行和寿命有很大的影响。局部含水量过高，可能引发欠气导致催化层衰减；局部含水量过低，可能导致欧姆阻抗增加和质子膜衰减。含水量分布深受操作条件的影响，通过操作条件优化，毕竟含水量分布也是电堆前期开发阶段和后期设计验证的一项重要工作。
测试原理及技术
分区电压采集原理：
氢燃料电池由多个单电池串联组成，每个单电池的性能和状态对整个电池组的性能影响显著。采集板一般采用电阻分压法对分区电压进行采集。在单电池两端连接由高精度电阻组成的分压电路，根据欧姆定律，通过测量已知电阻上的电压，按比例推算出单电池的实际电压。为避免测量过程对电池组产生影响，通常会在分压电路后接入高输入阻抗的运算放大器，隔离采集电路与电池组，确保测量的准确性和稳定性。此外，借助模拟开关切换不同单电池的测量通道，实现对多个单电池电压的分时采集。
不同电流电压温度密度传感器分布采集板
分区电流采集原理：
当电流通过导体时，会在导体周围产生磁场，霍尔效应传感器能感应这一磁场，并产生与电流大小成正比的电压信号。在采集时，将霍尔效应传感器放置在氢燃料电池的供电回路上，就能准确测量回路中的电流。这种非接触式测量方式不会对电路造成额外损耗，且测量范围广、响应速度快。
分区温度采集原理：
热敏电阻是氢燃料电池分区温度采集的核心元件。热敏电阻的电阻值会随温度变化发生显著改变，根据这一特性，可将热敏电阻安装在氢燃料电池的关键部位，如电极、膜电极组件等。通过测量热敏电阻的电阻值，利用事先校准的电阻-温度曲线，就能得出对应位置的温度。此外，热电偶用于温度采集。热电偶由两种不同金属材料组成，当两端存在温度差时，依据产生热电势。通过测量热电势，就能计算出被测物体的温度。这种方法响应速度快、测量范围广，适用于高温环境下的温度测量。根据氢燃料电池分区电压、电流、温度采集原理，确保采集板准确获取电池运行参数，可为氢燃料电池的优化设计、高效运行及安全管理提供有力数据支持。
上海汽检氢能与燃料电池实验室为客户定制开发的分区电流和温度采集软件
结语
上海汽检氢能与燃料电池实验室在燃料电池分区电压、电流、温度测试领域，通过多次对比试验研究出符合客户定制开发要求的采集仪器，为客户提供更好的定制开发检测服务，同时与不同需求的客户共同开发和努力钻研，设备的稳定性和精确性也大幅提高，形成了国内领先的分析技术体系。未来，将继续钻研试验方法，改良试验设备，不断开发新型工具及测试方案，更为具体的对电堆状态进行描述，为客户提供更优更贴切的技术保障和支持。
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