[发明专利]燃料电池堆内部电流密度及气体压强分布在线测量装置

说明书

本发明属于燃料电池测量技术领域，涉及燃料电池堆内部电流密度及气体压强分布在线测量装置。针对燃料电池电堆内部堆叠的单电池或膜电极，采用测量极板替代阳极板或阴极板，根据需求将测量极板置于电堆中的不同位置，实现对电堆内电流密度与压强分布的在线监测。导电片的外侧面开设有流道，对电堆的结构不产生影响。测量极板具有矩阵分布的分区，分区对应设有测量单元，第一绝缘件使测量单元相互绝缘。每个测量单元中，两个导电片之间设有第二绝缘件，标准电阻两端连接于两个导电片，气体压强传感器穿设于导电片，结构紧凑。控制器测量标准电阻两端的电压降，结合标准电阻与导电片面积，换算得到电流密度。控制器通过气体压强传感器获得气体压强。

技术领域

本发明属于燃料电池测量技术领域，更具体地说，是涉及燃料电池堆内部电流密度及气体压强分布在线测量装置。

背景技术

燃料电池是一种将外部供应的氢气和氧气中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置，具有效率高、无污染和噪声低等优点，被认为是未来解决能源危机的重要途经之一。在环境与能源问题备受关注的今天，燃料电池技术越来越受到各国政府与科技人员的重视，在技术以及商业化进程方面取得了一定的进展，但仍然存在成本高、稳定性和耐久性差等诸多问题亟待解决。

燃料电池内部“气-水-电-热-力”分布状况及耦合机制是决定其性能和寿命的关键。燃料电池系统中存在燃料、氧化剂和水等物质在微孔扩散层中的传质过程，燃料和氧化剂在纳米电极材料界面的反应过程和电荷转移过程，以及反应过程生成的热透过扩散层传递到极板的传热过程等，涉及多个物理量的耦合输运。特别是在沿流场方向上，随着燃料及氧化剂气体参与电化学反应逐步消耗，电池内部不同位置的气体成分、压强产生较大差异。根据能斯特公式，燃料电池内部气体成分及分压是影响性能的最直接因素，气体在活性电极平面的分布状况决定了其极化、电流密度等局部电化学性能分布。燃料电池内部的电极极化、电流密度以及温度的分布存在不均匀性，并且当负荷电流增加，局部液态水的产生会进一步加剧各个操作状态参数及性能分布的差异。在燃料电池运行过程中在线监测内部气体成分、气体压强、温湿度、电流密度等关键状态及性能分布，对于进一步优化结构设计和操作策略、控制其高效运行、研究燃料电池衰减机制、实现长寿命发电等具有十分重要的意义。

针对燃料电池内部电流密度分布的监测，在单电池层面已经有若干在线测量技术。目前主要通过对集流板或端板分区来测量电流密度分布，电流收集一般采用标准电阻法、霍尔效应法或印刷电路板法。其中，标准电阻法简单可靠，适用于单电池端板外部进行测量，由于燃料电池电堆整体结构的精密和紧凑性，集流板或端板标准电阻法尚无法用于测量电堆内部各电池的电流密度分布。印刷电路板法测量方便、厚度尺寸较小，相比电阻法可适用于测量电堆内部电流密度，但该方法印刷金属线路厚度太薄线宽较小，导致本身包含较大横向电阻，从而区别于真实双极板的情况，各分区之间横向电势差的影响较大，为减小测量误差需要严格控制各区域电势同步使复杂度大大增加。霍尔效应法测量由于元件体积较大的原因也只适用于在电池外部，即只适用于单电池而不能进行电堆内部的电流密度分布测量。另外，也有采用子电池法测量电流密度分布，其各电池子区包含MEA是完全分立的，并不是一个整体，因此不能逼真模拟实际运行的电池，而且每个空腔分别密封操作复杂、容易漏气，每个腔之间联通气路的流场设计与实际情况也差别很大。对于燃料电池内部气体压强的原位测量目前尚没有较适用的监测方法，一般只在电堆外部进气口与出气口的气体管路处测量，并没有涉及到电池内部活性区的气体压强分布在线测量。

总之，现有公开的技术和装置只能用于燃料电池单电池的参量分布测试，不能用于燃料电池堆内部各个电池各不同位置的在线分布测试。而实际上，电堆层面的在线测试对于燃料电池开发应用更具意义、必不可少，要求对不同单电池以及同一单电池不同位置进行全方位检测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池堆内部电流密度及气体压强分布在线测量装置，以解决现有技术无法测量电堆内部各电池的电流密度分布、为严格控制各区域电势同步使复杂度增大、对每个空腔分别密封操作复杂且容易漏气、难以对燃料电池内部气体压强原位测量的技术问题。