[发明专利]一种具有进出口空气湿度检测的空冷燃料电池电堆

说明书

本发明公开了一种具有进出口空气湿度检测的空冷燃料电池电堆,属于燃料电池领域。具有阴极侧电流分布实时监测功能以及空气进出口温湿度分布在线检测功能；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；结合空气进出口的温湿度检测以及反映电流分布，可获知电堆内部空气冷却散热效果的分布情况以，从而优化空冷电堆阴极流道的设计以及电堆外围空气导流的设计。同时，可优化定型电堆的操作条件，避免局部区域湿度过低、温度过高等，提高电堆使用寿命。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，特别是电池电堆技术。

背景技术

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，设计一种新型的空冷燃料电池阴极电流分布与阴极空气进出口温湿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。

本发明技术方案为一种具有进出口空气湿度检测的空冷燃料电池电堆，该空冷燃料电池电堆包括依次堆叠的：阳极端板、阳极绝缘板、阳极集流板、阳极极板、膜电极、阴极极板、阴极分区集流板、阴极绝缘板、阴极端板；在阴极端板和阳极端板上对应设置有紧固孔，采用螺栓螺帽使阴极端板和阳极端板之间的各器件贴紧；所述阳极绝缘板、阳极集流板、阳极极板、膜电极、阴极极板、阴极分区集流板的板面两侧位置对应设置有氢气进口和氢气出口；阳极端板、阳极绝缘板、阳极集流板、阳极极板、膜电极、阴极极板、阴极分区集流板上的氢气进口相互贯通，氢气出口也相互贯通；

所述阳极极板的氢气进口和氢气出口之间采用氢气流道连通,氢气流道设置于阳极极板紧贴于膜电极的一侧,该侧的外圈层设置有一圈阳极板密封槽,该阳极板密封槽包围氢气流道、氢气进口和氢气出口,用于放置密封项圈；阳极极板另一面的氢气进口和氢气出口外围设置有密封槽；

所述膜电极包括：边框、碳纸、催化层，所述边框中部设置催化层，催化层包括质子交换膜和涂敷于质子交换膜两侧的催化剂，所述碳纸的尺寸大于催化层，分别覆盖于催化层的两侧的表面；

所述阴极极板氢气进口、氢气出口的正面和背面都设置有密封槽用于放置密封项圈，阴极极板氢气进口与氢气出口之间，贴于空气电堆膜电极一侧并列设置多条直线型空气流道；