研究概述

質子交換膜燃料電池中電流密度分布不一致是一種常見現象。本研究開發了一種具有信號原位放大功能的新型高集成度傳感器，用于測量面內電流密度分布。傳感器的精度和準確性直接影響到測量結果的可靠性。因此，在傳感器測量應用之前進行標定驗證是必要的。本研究在分區標定測試系統的基礎上，基于單點校準方法對傳感器精度進行定量評估。在燃料電池臺架測試系統的基礎上，引入校準分區平均放大因子，對測試臺中回路電流的測量精度進行驗證。結果表明，傳感器信號原位放大功能可以有效地承受信號傳輸損耗和干擾。在標準運行中，傳感器的測量精度在小電流范圍內控制在97%以內，在非小電流范圍控制在98%以內。這項工作為平面內電流密度的原位測量提供了一種可行的解決方案，在現有技術研究的基礎上，針對信號采集、結構匹配和制造工藝等方面做了一定的改進。

分區標定測試系統和精度定義

傳感器的九個分區設計保持一致，可以認為每個分區是相同的獨立回路。由于制造工藝和組件的固有誤差存在差異，分區回路需要獨立校準，以減少對誤差控制的影響[1-2]。分區標定測試系統主要由PCB傳感器、精密萬用表、供電電源、驅動電源、數據采集裝置和LabView顯示器等組成。圖1展示了 PCB傳感器分區標定測試系統框圖。分區預設電流參考燃料電池臺架的工作電流范圍，對應了16個測試點。在預設回路電流過程中，需要對電源的輸出電流進行微調，以便在高精度萬用表上穩定顯示。這些預設電流通過單點測試方法精確控制和靈活切換，依次完成所有分區分別在測試點的測量。

圖1?PCB傳感器分區標定測試系統框圖

傳感器測量精度的定義過程主要包括精度計算和精度評估兩部分。根據校準實驗中采集到的分區放大電壓數據，可利用電壓、電流和放大系數之間的關系式（1）和（2）計算出分區測量精度，如圖 2(a) 所示。整個電流測試范圍的結果表明，小電流范圍的測量精度波動較大，而非小電流范圍的測量精度相對穩定。可以發現，在小電流范圍（<）內，所有分區的測量精度有一定的波動，向下波動到 97.25%，而在非小電流范圍（>）內，分區測量精度趨于穩定，在 98.25%以上。因此，選擇非小電流范圍內的測量結果來定義分區放大系數相對可靠。

分區平均放大系數受放大器實際放大倍數和電路制造工藝等因素的影響，它反映了放大器在實際工作條件下的性能。考慮計算的準確性，有必要選擇穩定性較好的非小電流范圍的測試結果作為評估分區平均放大系數的數據源。傳感器的分區平均放大系數的變化趨勢如圖2(b)所示。可以看出，實際放大系數偏離理論值，范圍在 2% 左右。對于這一計算結果的可靠性通過引入均方根誤差 (RMSE)進行進一步的評估。評估結果如圖2(c)所示，圖中顯示了數據在引入分區平均放大系數后的分布狀態。

具體來說，九條曲線分別代表在測試點的分區RMSE 分布。可以看出，小電流范圍內的 RMSE 小于 3.57mA，略高于非小電流范圍內的 RMSE 3.13mA。這表明傳感器的測量值在 4mA 范圍內波動。此外，通過使用非小電流穩定范圍的分區平均放大系數，可以說明 RMSE 具有一定的穩定性。因此，均方根誤差評估結果表明，采用分區平均放大系數的方法是可靠的。引入平均放大系數可以重新計算分區測量精度，圖 2(d)顯示了測量精度整體趨勢接近 100%。在小電流范圍內存在一定偏差，這主要是由小電流范圍的波動造成的。結果與實際情況相符。從另一個角度進一步說明了校準方法的有效性。

圖2?PCB傳感器測量精度的定義：（a）分區測量精度；（b） 分區平均放大系數；（c） 均方根誤差；（d） 分區測量精度修正。

通過上述標定實驗，評估和檢驗了傳感器的分區測量精度。然而，確定測量裝置實際應用的檢測水平，還需要通過傳感器在燃料電池臺架實驗中的實際表現，來驗證傳感器分區同步運行下的測量精度。同時觀測不同運行工況下平面內電流密度的放大分布情況。

?燃料電池臺架測試系統和運行工況

校準實驗的結果確定了分區放大系數。分區放大系數的引入可以在很大程度上消除傳感器測量精度本身對臺架實驗的影響。可以更準確地展示質子交換膜平面內產生的電流分布狀態。在臺架實驗中，流入傳感器分區位置的電流是未知參數，因此臺架回路電流的測量精度可以通過總電路電流進行比較。

分布式原位信號放大傳感器臺架測試系統主要由Scribner 850e試驗臺、單池組裝體、分流器、驅動電源、數據采集裝置和LabView顯示等組成，如圖3展示。試驗臺用于氣體供應和在線運行參數的控制與監測，并提供實驗反應氣體的供應、流量控制、入口壓力調節、溫度和濕度控制[3]。單池組裝體內部集成了傳感器和專用陰極集流體。傳感器具有原位信號放大功能，布置在陰極側的石墨極板和集流體之間。陰極集流體的設計可以實現傳感器的非平面緊湊地安裝。分流器的引入實現了數據采集裝置對單池和分區信號的同步采集。

圖3. 分布式原位信號放大傳感器臺架測試系統

臺架測試是根據預設的分區實驗運行工況下逐步調整負載參數，并獲取面內分區放大電壓數據。通過計算可以觀察到平面內原位放大電流密度分布。表 5 列出了分區實驗運行工況。

精度驗證

臺架測試可以觀察到不同工作條件下的面內原位分區放大電壓。圖4(a）在不同負載下的平面內分區放大電壓值在入口區有較大波動，而在出口區有一定波動。這種波動現象隨著負載電流的增加而加劇。圖4(b）展示了電流的三種表達形式：臺架電路電流、未引入校準放大系數的分段電流之和、引入校準放大系數的分段電流之和。三種形式的電路電流之間存在差異，但差異不大。

因此，這三組電路電流通過除以工作臺預設負載電流?Im?進行歸一化，以便清楚地顯示出差異，圖4(c）所示。傳感器的測量精度以臺架電流為基礎進行計算，圖4（d）展示了引入和不引入放大系數兩種情況下的測量精度，可以驗證得到，小電流范圍內的測量精度控制在 97% 以內，非小電流范圍內的測量精度控制在 98% 以內。此外，圖 7（e-f）展示了傳感器測量精度在可變參數條件下保持一定的穩定性。

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圖 4. 臺架測試分析結果顯示：（a）平面內分區放大電壓測量結果；（b）引入校準放大系數前后臺架電路電流的比較；（c）歸一化臺架電路電流的比較；（d）引入校準放大系數前后臺架測試測量精度的比較。(e) 可變參數工作條件精度測量； (f) 動態工作條件精度測量。

圖5:?不同運行條件下的平面內分布式電流密度

不同操作條件下的平面分區電流密度分布可以通過分區電壓計算，如圖5展示了平面內電流密度的分布不一致性。可以發現，入口電流密度高，出口電流密度低，隨著負載增大，入口和出口電流密度之間的差異就更為明顯。由于流入口處的高反應物濃度，電流密度在流入口附近最高。電流密度通常在流向流道出口的方向上減小。

總結

本文詳細介紹了 PCB 傳感器的標定和應用。通過分區標定實驗和臺架實驗，對傳感器的測量精度進行了定義和驗證。此外，利用集成了傳感器的燃料電池測試系統，觀察到了不同工作條件下平面內原位放大的電流密度分布。燃料電池內部測量技術的研究對于燃料電池的性能評估和優化是非常重要的。單池的PCB 傳感器的測量應用仍需要在商用電堆中進一步擴展，以便于優化燃料電池的運行參數，實現電堆在應用中的精確控制。

審核編輯：劉清