CN100365424C - 燃料电池内部电流密度分布测量垫片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池内部电流密度分布测量垫片，是质子交换膜燃料电池内部电流密度分布的测量装置，它包括基片，在基片上设置有若干个漏缝，相邻的漏缝之间设置有筋，筋的整个面上镀有镀铜层，镀铜层延伸至基片的边缘，镀铜层上再镀上镀金层，镀层的末端均设置有接线端子。基片上所设置漏缝和筋与待测的质子交换膜燃料电池的流场板上的槽和筋的几何尺寸、几何形状相同，位置相对应。基片是一种绝缘薄片，基片的厚度为0.1-0.5mm。镀铜层的厚度10-40μm，镀金层的厚度是1-10μm。本发明的燃料电池内部电流密度分布测量垫片完全独立于被测量对象，结构十分简单，加工容易，成本低，使操作十分方便。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池内部电流密度分布测量装置，涉及燃料电池电流密度分布的测量，是质子交换膜燃料电池内部电流密度分布的测量，特别涉及一种电流分布测量垫片。
现有技术
现有的电流密度分布测试技术都需要对质子交换膜燃料电池本身结构(主要是电极)的改变。因此需要介绍质子交换膜燃料电池的组成结构：阴极流场板、阳极流场板、垫片和MEA膜。其中在阴极流场板和阳极流场板上刻有流场(是指在两个流场板上刻有通气槽，在槽和槽间形成筋)。MEA膜包含一层质子交换膜、两层催化剂层和两层扩散层(碳纸或碳布制成)。质子交换膜燃料电池的性能与其内部水分的含量、电池温度和反应气体含量息息相关。测量其内部电流密度的分布可以预测电池膜脱水、电极淹没和反应气体的分布。
国际上对质子交换膜燃料电池内电流密度分布的测量有如下几种技术：
Wieser等人发明了一种磁环组方法来测量质子交换膜燃料电池电流密度分布(Ch.Wieser，A.Helmbold and E.Guè Lzow，A new technique fortwo-dimensional current distribution measurements in electrochemical cells，Journal of Applied Electrochemistry 30(2000)：803-807)，这种技术通过电流在自身周围产生磁场效应来间接测量电流密度的大小。此技术是将质子交换膜燃料电池原本为一个整体的流场板被改造为三层结构：最下面一层是一整块流场板，起到电流收集的作用；最上面一层是开有流道的流场板，流场板被分割成几块相互绝缘的小流场板，每个小流场下面有一个突出的圆柱轴，圆柱轴底部与最下层的流场板相接触起到传导电流的作用；中间一层就是一组电流测试传感器，每个电流测试传感器由一个开口的环形软磁铁氧体和一个置于开口处的霍尔传感器组成，环形的电流测试传感器就套在小流场板突出的圆柱轴上，留下的空隙部分就用绝缘材料浇注填充以起到密封和绝缘作用。质子交换膜燃料电池的其他部件组装与普通的类似，当燃料电池运行对外供电时，就有电流通过分割的小流场板流过圆柱轴到达流场板进入外电路，而当电流通过小流场板的下端圆柱轴时，在圆柱轴周围就会产生磁场，某个位置的磁场强度与电流值成正比，与距离轴中心的半径成反比；对于位置确定的置于环形软磁体开口处的霍尔传感器来说，其距离轴中心的半径一定，因此此处的磁场强度就与通过圆柱轴的电流成正比一一对应的关系，而霍尔传感器能把磁场强度转化为电压信号，通过电压值就能反算出通过圆柱轴的电流值，即通过分割的小流场板的电流大小；通过测量不同位置上的电流传感器输出的电压信号，就能得出在不同分割流场板上的电流大小，即可以认为得到了质子交换膜燃料电池内部的电流分布。
利用磁环组法技术可以测量电流在质子交换膜燃料电池内部不同位置的分布，但该方法相当复杂，使用不方便，加工难度很大，而且制作成本高。同时这种技术需要改变质子交换膜燃料电池原来的结构。此外该技术的空间分辨率较低。
Cleghorn等人发明了一种印刷电路板方法来测量质子交换膜燃料电池的电流密度分布(S.J.C.Cleghorn，C.R.Derouin，M.S.Wilson，S.Gottesfeld，Aprinted circuit board approach to measuring current distribution in a fuel cell，Journal of Applied Electrochemistry 28(1998)663-672)。这种技术是把阳极流场板、阳极扩散层和阳极催化剂层均进行分割，然后测试各个分割块上的电流大小。首先在印刷电路板上制备所需数目和尺寸的彼此绝缘的薄铜块，在铜块上镀金，然后在铜块的表面加工气体流道；在每个铜块的下表面的印刷电路板上有和铜块相连的两根导线，分别用来导出电压信号和电流信号，这个部分一起构成分割的流场板/流场板。第二个部分是扩散层(碳纸)的分割，在绝缘硅密封垫片上切割出与分割流场数量和尺寸相当的空格，在每个格里装入碳纸，与分割的流场板/流场板一一对应，从而构成扩散层的分割。第三部分是阳极催化剂层的分割，先用蚀刻法把制得的阳极催化剂层分割成与分割流场数量和尺寸相对应的相互绝缘的部分；再通过热压的方法与质子交换膜和阴极催化剂层一起制备成膜电极(MEA)。把分割的阳极流场板、分割的阳极扩散层、分割阳极催化剂层的膜电极与未分割的阴极扩散层、催化剂层一起组装成一个单电池，通过相应的测试设备就可以测试出在不同分割块上的电流大小。
Cleghorn等人开发的这种技术也存在一些不足：制备工艺太复杂，把铜块固定在印刷电路板基板上，然后在铜块上加工流场难度很大，需要有特殊的精密加工设备才行；对阳极催化剂层的分割也比较复杂，而且先分割催化剂层再将其热压很可能会导致分割情况下的性能，如气体的扩散等与未分割的情况有所不同。此外技方法结构复杂，使用不方便，制作成本高，需要改变质子交换膜燃料电池原来的结构。
Zhixiang Liu等人使用了子电池法测量质子交换膜燃料电池的电流密度分布(Zhixiang Liu，Zongqiang Mao，Bing Wu，Lisheng Wang，Volkmar M.Schmidt，Current density distribution in PEFC，Journal of Power Sources，141(2005)：205-210)。这种技术使用了一块20mm厚铜板作为底板，在铜板一定位置上钻了12个一定尺寸的圆形通孔，然后把相应的铜圆销填充到台阶孔中，并利用绝缘垫片使铜圆销和铜底板之间保持绝缘。将填上铜圆销的铜底板表面磨平，然后在其表面上加工气体流道，这样就制成了利用子电池法的阳极流场板。接着在镀有催化剂的阳极碳纸上裁出12个与铜圆销相对应的圆片，作为子电池的阳极扩散层和催化剂层，再把裁下来的圆片稍微裁小一些，然后把圆片放回其在阳极碳纸上原来的位置，最后与质子交换膜和镀有催化剂的阴极碳纸热压在一起，制成阳极侧被分割为子电池的MEA。把MEA与具有子电池分割的阳极流场板和未分割的阴极流场板一起组装成单电池，即可进行电流密度分布的相关测试。
这种技术的缺点是：制作工艺复杂；加工难度大；制作成本高；使用不方便；测量装置不能独立于原来的质子交换膜燃料电池。
Noponen等人采用了分割流道法来研究电流密度的分布情况(MattiNoponen，Tuomas Mennola，Mikko Mikkola，Tero Hottinen，Peter Lund，Measurement of current distribution in a free-breathing PEMFC Journal of PowerSources 106(2002)304-312)。这种技术是采用PVC塑料作为流场基板，在PVC塑料表面上刻出12条沟槽，在每条槽里插入4根长12mm、宽和厚都为1mm的镀金不锈钢条收集电流，每个槽里首尾相连的两根集电不锈钢条间相距0.7mm，起到相互绝缘作用，相邻沟槽的间距为3mm，形成流道，因此相邻沟槽的集电不锈钢条也是绝缘的。在每根集电不锈钢条的背面都连有导线以导出电流，并通过PVC刻槽内的孔接出；每根集电不锈钢条背部还各有两个高度调节螺钉以调节集电不锈钢条的高度使被分割的集电条保持平整。这样就形成了流道分割的流场板，为了防止PVC塑料在燃料电池组装时发生变形，还采用了铝板对其进行加固。
采用分割流道法技术测量电流密度的分布，也有其缺点：加工难度大；使用复杂，不方便；流道间相互串气；不能独立于质子交换膜燃料电池本体。
从上述可以看出，这些质子交换膜燃料电池电流密度分布测量方法的缺点有：
1)制作成本高，加工难度大；
2)对质子交换膜燃料电池的电极进行改造；
3)为测量电流分布专门制造一种特殊的质子交换膜燃料电池；
4)使用不方便；
5)测量部件不是一个独立于质子交换膜燃料电池的装置；
6)测量出来的电流密度分布不能和同类型的普通质子交换膜燃料电池的电流密度分布做比较。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池内部电流密度分布测量垫片，它是一种结构简单、低成本、易加工、使用方便、无需对质子交换膜燃料电池原来结构进行任何改造的电流密度分布测量装置。
本发明的技术方案是这样实现的：燃料电池内部电流密度分布测量垫片，包括基片，基片上设置有若干个漏缝，相邻的漏缝之间设置有筋，筋的整个面上镀有镀铜层，镀铜层延伸至基片的边缘，镀铜层上再镀上镀金层，镀层的末端均设置有接线端子。
基片上所设置漏缝和筋与待测的质子交换膜燃料电池的流场板上的槽和筋的几何尺寸、几何形状相同，位置相对应。
基片是一种绝缘薄片，基片的厚度为0.1-0.5mm。
有镀铜层的厚度10-40μm，镀金层的厚度是1-10μm。
本发明由于使用一个绝缘的基片，基片将原本相连的流场板和MEA膜隔离，使二者绝缘。
在基片上设置有和质子交换膜燃料电池流场板上流场一样的漏缝和筋，由于漏缝的宽度和长度与流场板上槽的宽度和长度一样，基片安装好后，漏缝和槽对应，反应气体可以通过漏缝向MEA膜内扩散。节省了在分割的小流场板上加工流场。
在基片的筋上有镀铜层和镀金层，镀层替代流场板上的筋收集电流。避免了现有技术将质子交换膜燃料电池流场板分成许多小块、或分割流场板上的流场、或在流场板上设置子电池等复杂工艺和高昂的成本。
在镀层的末端设置有接线端子，通过接线端子将该镀层收集到的电流导向外电路。避免了现有技术的在质子交换膜燃料电池流场板上开许多小孔来导出电流。
采用本发明的电流密度分布测量技术测量质子交换膜燃料电池的电流分布：可以使测量电流密度分布的装置独立于被测量的质子交换膜燃料电池；本发明的燃料电池内部电流密度分布测量垫片结构十分简单，大大降低加工难度和加工成本；同时也使电流密度分布测量变得十分方便。
附图说明
图1是燃料电池内部电流密度分布测量垫片示意主视图；
图2是燃料电池内部电流密度分布测量垫片截面图；
图3是燃料电池内部电流密度分布测量垫片和燃料电池装配图；
图4是局部性能特性曲线，其中，横坐标表示电流，纵坐标表示电压；
图5是不同电压下各局部区域电流密度分布；其中，横坐标表示局部区域编号，纵坐标表示电流；
图6是电压为0.3V时，不同加湿温度下各局部区域电流密度分布，其中，横坐标表示局部区域编号，纵坐标表示电流。
具体实施方式
附图是本发明的具体实施例；
下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明：
参照图1、图2所示，本发明包括基片1，在基片1上设置有若干个漏缝5，在相邻的漏缝5之间设置有筋2，在筋2的整个面上镀有镀铜层3，镀铜层3延伸至基片1的边缘，同时在镀铜层3的整个面上再镀上镀金层4，在镀层的末端均设置有接线端子6。
基片1是一种绝缘薄片，由玻璃毡(芯)-玻璃布(面)-环氧树脂或玻璃纤维(芯)-玻璃布(面)-聚酯树脂制成。在基片上加工了蛇形的漏缝5，漏缝5的位置和形状与电极流场板上槽的位置和形状相同，漏缝5的宽度和质子交换膜燃料电池流场板上槽的宽度一样。在相邻的漏缝5之间有筋2，筋2的宽度和长度与质子交换膜燃料电池流场板上筋的宽度和长度一致。镀金层长度和镀铜层一样。镀铜层3的厚度10-40μm，镀金层4的厚度是1-10μm。在镀铜层3和镀金层4的末端，即基片1的边缘加工有接线端子6。
参照图3所示，燃料电池内部电流密度分布测量垫片夹装在质子交换膜燃料电池流场板7和MEA膜之间，燃料电池内部电流密度分布测量垫片的筋2和流场板7上的筋8完全重合，燃料电池内部电流密度分布测量垫片上的镀铜层3和镀金层4面向MEA膜的气体扩散层9。10是催化剂层，11是质子交换膜，12是质子交换膜燃料电池的另外一个电极。13是流场板上的气体通道，即槽。
电流密度分布测量实施中质子交换膜燃料电池的基本参数见表一。
表一质子交换膜燃料电池的基本参数
| 有效活性面积，cm<sup>2</sup>质子交换膜的厚度，mm气体通道的宽度，mm流场板上筋的数目，条气体通道总长度，mm | 160.0530.75231000 | 催化剂层的厚度，mm扩散层的厚度，mm气体通道的深度，mm流场板上筋的宽度，mm催化剂载量，mg/cm<sup>2</sup> | 0.01290.2751.00.920.4 |
由于燃料电池内部电流密度分布测量垫片上的筋2和漏缝5与流场板7上的槽13和筋8的尺寸和位置一样，因此按照表一的参数可知，质子交换膜燃料电池被电流密度分布测量垫片分为和筋一样多数目的区域，每个区域上的电流由对应的燃料电池内部电流密度分布测量垫片上筋表面的镀金层4和镀铜层3收集，并通过各条镀金层4和镀铜层3末端的接线端子6输出到多通道恒电流/恒电压测试仪上，由控制计算机收集和储存测量数据。得到每个局部区域上的伏安特性曲线。由于很难在同一个图上将所有特性曲线表达出来，因此在描述伏安曲线时，图上只选用一些代表性区域上伏安曲线。燃料电池局部区域1对应反应气体的入口，本实施例中最大编号对应反应气体出口。
没有安装燃料电池内部电流密度分布测量垫片的燃料电池工作时，在MEA膜上生成的电流由流场板上的筋来收集，然后经过流场板向外电路输送。在某一流场板和MEA膜之间夹装燃料电池内部电流密度分布测量垫片后，基片1将MEA膜和流场板隔离，基片1的筋2上和MEA膜接触的镀金层4和镀铜层3取代流场板上的筋8，收集电流。由于燃料电池内部电流密度分布测量垫片上任意两条筋2上的镀金层4和镀铜层3都是绝缘的，每个镀层上收集到的电流通过接线端子6和多通道恒电流/恒电压测试仪相连，形成一个小的局部电流回路。
参照图4所示，是质子交换膜燃料电池的局部性能特性曲线。实验的已知条件是：阳极氢气的加湿温度是323.15K，阴极空气的加湿温度为323.15K，燃料电池的加热温度为343.15K，电池的背压为0.1MPa，氢气流量为150sccm，空气的流量为200sccm。图中显示从反应气体入口到出口，质子交换膜燃料电池的局部性能逐步变好，在第14个区域最好，随后开始下降。
参照图5所示，是质子交换膜燃料电池在不同电压下局部电流密度分布，实验条件和图4一样。图中可以看出，从第1个区域到第23个区域，局部电流由小到大，然后由大变小；在中间局部区域出现了一个电流峰值；随着电压的变小，电流峰值有向反应气体出口方向移动的趋势。
参照图6所示，是不同加湿温度条件下，当电压为0.3V时，质子交换膜燃料电池局部电流密度的分布。实验已知条件是：电池的阴极和阳极的加湿温度相同，电池的加热温度为343.15K，电池两个电极的的背压均为0.1MPa，氢气的流量为150sccm，空气的流量为sccm，电池的电压0.3V。图中显示，当阳极和阴极的加湿温度为313.15K时，在反应气体出口处电流最大；当阳极和阴极加湿温度为353.15K时，在反应气体入口处的电流最大；随着阳极和阴极的加湿温度升高，电流分布峰值从反应气体出口处向入口处移动。
试验时将燃料电池内部电流密度分布测量垫片夹装在质子交换膜燃料电池任意一个电极的流场板7和MEA之间，镀金面4向着MEA膜，基片1的背面(既绝缘面)向着流场板。夹装燃料电池内部电流密度分布测量垫片前的质子交换膜燃料电池由石墨流场板上的筋来收集电流，通过石墨板和终端金属夹板输出。夹装燃料电池内部电流密度分布测量垫片后，质子交换膜燃料电池中的电流由燃料电池内部电流密度分布测量垫片上的镀铜层3和镀金层4来收集，并通过接线端子6输出。
本发明是通过在燃料电池质子交换膜任意一个流场板7和MEA膜之间夹装一块薄薄的燃料电池内部电流密度分布测量垫片来测量电流分布。这种测量技术使电流密度分布测量装置和质子交换膜燃料电池完全脱离开来，无需对原来的质子交换膜燃料电池的结构做任何改动；因而使用十分方便；而且这种燃料电池内部电流密度分布测量垫片结构简单、加工容易、制作成本很低。
Claims (4)
1.燃料电池内部电流密度分布测量垫片，包括基片(1)，其特征在于，基片(1)上设置有若干个漏缝(5)，相邻的漏缝(5)之间设置有筋(2)，筋(2)的整个面上镀有镀铜层(3)，镀铜层(3)延伸至基片(1)的边缘，镀铜层(3)的整个面上再镀上镀金层(4)，镀铜层(3)和镀金层(4)的末端均设置有接线端子(6)。
2.根据权利要求1所述的燃料电池内部电流密度分布测量垫片，其特征在于，基片(1)上所设置漏缝(5)和筋(2)与待测的质子交换膜燃料电池的流场板(7)上的槽(13)和筋(8)的几何尺寸、几何形状相同，位置相对应。
3.根据权利要求1所述的燃料电池内部电流密度分布测量垫片，其特征在于，基片(1)是一种绝缘薄片，基片(1)的厚度为0.1-0.5mm。
4.根据权利要求1所述的燃料电池内部电流密度分布测量垫片，其特征在于，镀铜层(3)的厚度为10-40μm，镀金层(4)的厚度为1-10μm。
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