[发明专利]一种具有电流与温度矩阵分布在线检测的空冷燃料电池电堆

说明书

该发明公开了一种具有电流与温度矩阵分布在线检测的空冷燃料电池电堆，属于燃料电池领域。电流分区沿着氢气流场呈矩阵分布，可精确测量出流场各个区域的电流分布，避免分区跨越流道的转弯区域带来数据分析困难；电流分布结合温度分布可以更加准确的判断质子交换膜在局部区域的干湿状况与导电状况；局部温度过高将导致电堆内部膜电极局部衰减加速，从而严重降低电池寿命，而该装置则可精确测量在各种工作条件下的局部温度，从而为冷却流场的设计与冷却条件的控制提供重要基础。该装置为空冷燃料电池电堆设计优化以及发电系统集成与控制方案提供更加充分、必要的实时监测信息，从而有目的性的优化电堆操作条件与控制策略，提高燃料电池输出性能与稳定性，并大幅降低燃料电池寿命衰减速率。

技术领域

本发明属于燃料电池领域,特别是燃料电池的电堆中电流与温度的检测装置。

背景技术

燃料电池是一种环境友好、高效、长寿命的发电装置。以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为例，燃料气体从阳极侧进入，氢原子在阳极失去电子变成质子，质子穿过质子交换膜到达阴极，电子同时经由外部回路也到达阴极，在阴极质子、电子与氧气结合生成水。燃料电池采用非燃烧的方式将化学能转化为电能，由于不受卡诺循环的限制其直接发电效率可高达45％。以电池堆为核心发电装置，燃料电池系统集成了电源管理，热管理等模块，具有热、电、水、气统筹管理的特征。燃料电池系统产品从固定式电站，到移动式电源；从电动汽车，到航天飞船；从军用装备，到民用产品有着广泛的应用空间。

空冷燃料电池的阳极燃料为氢气，阴极反应物为空气，且空气同时作为冷却介质，因此系统结构简洁，在备用电源、小型便携式电源以及小型动力电源等领域具有广泛的应用前景。尤其在工业无人机领域，空冷燃料电池能够大幅提升无人机续航时间至4小时以上。

在现有的燃料电池结构中，一般为双极板与膜电极依次叠合，形成多节甚至数十节的电池堆，从而形成功率较高的发电装置。对于现有空冷燃料电池堆的设计与操作，燃料电池的性能只能通过电池堆整体的电压来判断或者通过电池堆内每一节电池的电压判断，然而，当电池堆整体性能下降或者某一节电压下降时，却无法判断燃料电池某一节电池在具体哪个部位出现了故障，从而无法提出准确、高效的反馈控制策略。空冷电堆由于需要阴极空气冷却，空气过量系数较高(达到几十，而水冷电堆一般为2左右)，且其阳极一般采取出口闭端间歇排放操作，电堆长期运行于非稳态工况，造成电堆电压或节电池电压动态变化，并可能大幅下降。可能存在多种原因，(1)电堆内部过度干燥，造成膜内阻偏大，降低电压性能；(2)阳极闭端操作，导致阴极氮气通过膜渗透至阳极，降低阳极反应气体活性；(3)阴极或阳极的反应气体流量不足，造成反应物缺乏，降低电压性能。

氢气从进口端到出口端经过流道的输运与反应的消耗，氢气的浓度、湿度、温度等反应条件在整个膜电极反应区域是不可能完全一致的；对于空气端也存在相同的问题；同时，通过质子交换膜，阴阳极之间存在复杂的水热交换过程，造成内部反应条件参数分布的复杂性与不一致性。不一致的局部反应条件与膜电极工作环境，导致膜电极在不同区域的性能以及不同区域的性能不均，并造成各区域的寿命衰减不一致，而限制燃料电池性能与寿命的关键则是性能最低以及性能衰减最快的局部区域。

在现有技术中，只通过电压无法获悉电堆内部具体性能分布，从而无法判断空冷电堆内部真实反应条件，导致电堆可能存在设计缺陷，发电系统控制策略不准确、不及时，可能导致电堆性能的进一步恶化，从而降低系统效率，并引发电堆加速寿命衰减。

发明内容

本发明针对上述技术问题，设计一种空冷燃料电池阴极电流分布与温度分布实时监测装置，为空冷燃料电池电堆设计优化以及发电系统集成与控制方案提供更加充分、必要的实时监测信息，从而有目的性的优化电堆操作条件与控制策略，提高燃料电池输出性能与稳定性，并大幅降低燃料电池寿命衰减速率。