CN101324641B - 一种燃料电池局部电流密度测量流场板 - Google Patents

Abstract

本发明属于燃料电池领域，主要涉及燃料电池内部电流测量领域，公开了一种燃料电池电流密度测量流场板。它包括PCB板(1)，在PCB板(1)上面刻有气体流道(2)，气体流道(2)之间的肋(3)上面设置有若干相互独立的金属镀层区(4)，金属镀层区(4)上设置有连接点(5)，PCB板(1)背面设置有导线(6)，导线(6)的一端通过连接点(5)与一个金属镀层区(4)实现电连接，该条导线(6)的另一端通过一个电阻(7)会聚到一个接线端(9)上。使用本发明的流场板测量燃料电池的局部电流，区域划分更加细化，可实现二维局部电流的测量，结构简单，使用方便，而且加工费用低廉。

Description

一种燃料电池局部电流密度测量流场板

技术领域

本发明属于燃料电池领域，主要涉及燃料电池内部电流测量领域，尤其是一种燃料电池局部电流密度测量流场板。

技术背景

质子交换膜燃料电池作为一种新型的发电装置，越来越受到各国的重视。质子交换膜燃料电池的结构包括：阴阳极流场板、密封垫片以及膜电极(MEA)。膜电极(MEA)有扩散层，催化层以及高分子聚合物膜组成，扩散层一般为碳纸或碳布，催化层为铂/碳颗粒。这种电池的燃料为氢气，氧化剂为氧气或空气，氢气在阳极催化层分解成质子和电子，质子通过质子交换膜到达阴极，电子通过外电路到达阴极，质子、电子以及阴极流道扩散过来的氧气在阴极催化层发生化合反应生成水，排出电池，而电子经由外电路产生电能。

质子交换膜燃料电池的局部电流密度受到诸多因素的影响，如气体浓度、液态水分布、接触电阻等。因而，该局部电流密度可以反映电池很多的信息，是研究者关注的热点之一。目前国际上使用的测量燃料电池局部电流密度的方法主要有以下几种：磁环组法、子电池法、流场分割法、分布测量垫片法、印刷电路板法等。用这些方法测量时需要对电极的结构进行改变，比如切割扩散层。西安交通大学多相流国家重点实验室研究成果，名称为《燃料电池内部电流密度分布测量点片》的专利申请(专利号为：200510041871.9)，虽然可以解决一些问题，但只能测量不同流道之间的一维电流分布，而且需要多路通道的设备来测量局部区域电流，对设备要求也比较高。

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)。这种技术首先将流场板进行分割，在印刷电路板上固定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出气体流道；每个铜块的背表面有印刷电路板上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。然后将扩散层(碳纸)进行分割，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，与分割的流场板一一对应。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、阳极扩散层、阳极催化剂层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。

由Cleghorn提出的这种方法和子电池法比较相近，都需要对电极进行分割。它也存在着一些缺点，首先是加工难度很大，需要在PCB板上固定铜块，然后在铜块上面加工出流道，而且还要保证所有的铜块端面在一个平面上。在整个流场板结构中PCB板只负责将独立铜块后面中的电流电压分区导出，即PCB板不与流场接触，两者相互独立，流道以及导电的肋都是加工在铜块上的，因此PCB板表面的导线和铜块的接触电阻会引起测量误差；二则，需要扩散层以及催化层进行分割，这样电极的结构就发生了变化，引入了测量误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池局部电流密度测量流场板，使用该流场板能够直接对燃料电池的局部电流密度进行测量，不需要对电极进行分割，而且能够获得燃料电池的二维电流密度分布。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案如下：一种燃料电池局部电流密度测量流场板，包括PCB板，在PCB板上面刻有气体流道，气体流道之间的肋上面设置有若干相互独立的金属镀层区，金属镀层区上设置有电连接点，PCB板背面设置有导线，导线的一端通过电连接点与一个金属镀层区实现电连接，该条导线的另一端通过一个电阻会聚到一个接线端上。

本发明还具有以下特点：

(1)PCB板背面设置有两个焊盘，所述小电阻点连接在两个焊盘之间。

(2)气体流道是直通道流场，或蛇行流场，或点状流场，或插指型流场。

(3)不同独立金属镀层区的面积相等。

采用本发明测量燃料电池局部电流密度，不需要对电极进行改造以及借助专门的仪器，只需要一个电子负载和一块数据采集卡即可实现测量，使燃料电池局部电流密度的测量方法大大简化，为进一步研究燃料电池的局部特性从而改进和优化燃料电池提供了方便条件，由于本发明采用PCB板作为流场板的基板，而且流场是直接加工在PCB板上面的，导电层也附在PCB板之上，所有的导线以及电气元件都可集成到PCB板上，因此，整个流场板结构简单，强度高，成本低，加工方便；同时本发明的气体流道可以设计成直通道流场、蛇行流场、点状流场、插指型流场等多种形式，局部区域划分的空间分辨率高，测量精度高。

附图说明

图1是本发明的流场板直通道流场正面示意图；

图2是本发明的流场板背面示意图；

图3是本发明的流场板的点状流场示意图；

图4是本发明的流场板的蛇形流场示意图；

图5是本发明的流场板的插指型流场示意图；

图6是使用本发明的流场板的电池装配截面图。

具体实施方式

参照图1，利用现有的PCB技术，直接在印刷电路板(PCB板1)上加工出气体流道2，流道之间的肋3上覆有独立金属镀层区4，在测量燃料电池局部电流密度时，反应气在气体流道2内流动，而肋3上面的金属镀层区4和膜电极紧密压接，负责将金属镀层区对应的膜电极区域的电流导出。金属镀层区4采用铜镀层，或银镀层。金属镀层区4上设置有电连接点5，电连接点5为金镀点。

参照图2，由金属镀层区4导出的电流通过电连接点5引到PCB背面的导线6并通过小电阻7，最后到达接线端9，接线端9外连接有电子负载对燃料电池进行放电。因此膜电极区域和PCB板1上的金属镀层区4以及电阻7一一对应。为了获得金属镀层区4上的局部电流，电阻7两端的焊盘8另外用导线接出，使用电压测量设备，如数据采集卡等测量电阻7两段电势差，从而获得不同电阻7两端的电压，而每个电阻7的阻值是已知的，根据欧姆定律可以间接获得通过电阻7的电流，即该电阻7对应的相应金属镀层区4的电流值，也即该镀层区4对应于膜电极区域的电流值。由于燃料电池单电池输出电压比较小，为了使测量结果不受影响，电阻7的阻值要尽可能小，阻 值的精度越高越好。

参照图3，图4，图5，本发明的气体流道还可以设计直通道流场，或蛇行流场，或点状流场，或插指型流场。

参照图6，在质子交换膜12的两侧依次压接催化层11、扩散层10和流场板13，各层之间衬加密封垫，构成燃料电池的主体。

测量燃料电池局部电流密度时，从阴、阳极流场板13上的金属镀层区4导出电流，在接线端9之间接入电子负载，测量电阻7两端的焊盘8间压降，可以获得燃料电池局部电流密度，从而获得二维电流密度分布。

Claims (3)

1.一种燃料电池局部电流密度测量流场板，其特征在于，包括PCB板(1)，在PCB板(1)上面刻有气体流道(2)，气体流道(2)之间的肋(3)上面设置有若干相互独立的金属镀层区(4)，金属镀层区(4)上设置有连接点(5)，PCB板(1)背面设置有导线(6)，导线(6)的一端通过连接点(5)与一个金属镀层区(4)实现电连接，该条导线(6)的另一端通过一个电阻(7)会聚到一个接线端(9)上；所述PCB板(1)背面设置有两个焊盘(8)，所述电阻(7)点连接在两个焊盘(8)之间。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池局部电流密度测量流场板，其特征在于，气体流道(2)是直道流场，或蛇行流场，或点状流场，或插指型流场。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池局部电流密度测量流场板，其特征在于，不同独立金属镀层区(4)的面积相等。

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