CN102110818A - 一种测量电流分布的质子交换膜燃料电池分式端板结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池分式端板结构，包括绝缘母板和n个子集流块，n≥2的正整数，所述绝缘母板上设置有凹槽，子集流块镶嵌于绝缘母板的凹槽内，镶嵌了子集流块的绝缘母板的一侧表面整体铣平后，雕刻有正常的反应气流场；所述子集流块上设置有垂直穿过绝缘母板的导电金属集流棒；穿过绝缘母板的集流棒的一端与质子交换膜燃料电池的电流输出导线相连，导线上设置有电流互感元件。与现有技术相比，本发明最大的优点就是可通过循环水灵活控制电池温度，同时拉紧铣平后雕刻流场也保证了与正常流场板的相似度。总之，本端板设计在集流场板、冷却板以及集流板于一体的同时实现了分块结构，是一种新型的测量电流分布的分式端板结构。

Description

一种测量电流分布的质子交换膜燃料电池分式端板结构

技术领域

本发明涉及燃料电池电极结构，特别涉及一种用于在线监测质子交换膜燃料电池电流分布的分块端板结构。

背景技术

燃料电池是21世纪全新的高效、节能、环境友好的发电方式之一，它能将燃科和氧化剂中的化学能直接转化为电能，不受卡诺循环限制.能量转换效率高，对环境无污染。在各种燃料电池中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)有着广阔的应用前景，它具有低温启动，无电解质腐蚀与泄漏.结构简单、操作方便等优点；其中大功率的质子交换膜燃料电池已被公认为电动汽车、区域性电站、移动式电源、潜艇、航天器等的首选能源。然而车用质子交换膜燃料电池的寿命一直是困扰其商业化的主要因素，因此必须了解燃料电池内部反应和状态变化情况，对燃料电池进行结构改进，提高燃料电池的寿命和可靠性。

在大功率PEMFC需求中，燃料电池需要高电流输出。这势必要求燃料电池单体具有很大的面积，以减少并联的燃料电池组的个数.从而利于降低成本，便于电池组管理。但是，相同操作和工艺条件下，单体面积越大，电流密度的分布越不易均匀，电池的性能下降就越多。这是由于大面积单电池易产生电流密度分布不均所造成的。电极各处电流密度分布不均匀将导致反应物及催化剂利用率低，液态水在阴极的累积会导致电极“水淹”现象，增大扩散层、催化层的传质阻力同时使电解质膜局部溶涨，降低电池效率，甚至引起电池内部腐蚀或出现反极现象，缩短电池寿命。同时当局部工作电流密度过高时，若电池排热系统不能及时将产生的过量废热排出，将引起电极局部温度升高，出现热点，质子交换膜将会熔化击穿，最终导致燃料和氧化剂的混合，在电催化剂的引发下必将产生燃烧与爆炸。因此非常有必要对质子交换膜燃料电池电流密度分布进行研究，是解决保证大面积质子交换膜燃料电池(PEMFC)单体放大过程中电流密度均匀分布的基础，在此基础上可进而研究消除电池放大时的性能衰减措施，提高燃料电池寿命，加速燃料电池商业化进程。

国内外学者已经提出了很多PEM单池和电池组电流密度分布测试法。这些方法各具优缺点，如采用部分MEA方法测试电流密度分布不需要对电池结构作任何处理，易于实现，但分辨率低，实验数据相对误差较大，不能实现对电池的实时控制。目前测定电流密度分布实验方法主要针对流场/集流板进行处理，将流场或集流板分块保证相互绝缘，相应的电极也作块处理或不作调整，从而得到相对独立的若干分块电池。但是目前这种电池分块方法仍有以下技术缺陷：

(1)对燃料电池温度有一定要求，实际中采用分块集流板电池时，无法精确的控制电池温度，使燃料电池电流分布的测试结构易受温度分布不均的影响。

(2)对燃料电池紧固装配要求比较高，必须达到使分块集流板与电极上每个区域受到基本一致的紧固力。然而实际操作中往往会出现某个区域受到的紧固力较小，而某个区域受到的紧固力较大，而导致燃料电池电极与集流板接触电阻太大，或者导致极板变形和MEA碎裂。

(3)燃料电池装配的随机性较高，可重复操作性较差，与真实电池流场的相似度较差。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种测量燃料电池内部电流的结构紧凑的燃料电池分式端板结构。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种测量电流分布的质子交换膜燃料电池分式端板结构，包括绝缘母板和n个子集流块，n≥2的正整数，所述绝缘母板上设置有凹槽，子集流块镶嵌于绝缘母板的凹槽内，镶嵌了子集流块的绝缘母板的一侧表面整体铣平后，雕刻有正常的反应气流场；

所述子集流块上设置有垂直穿过绝缘母板的导电金属集流棒；穿过绝缘母板的集流棒的一端与质子交换膜燃料电池的电流输出导线相连，导线上设置有电流互感元件。

于所述绝缘母板的另一侧设置有增强背板，增强背板与子集流块分别位于绝缘母板的两侧；子集流块通过在集流棒穿过绝缘母板的一端加装螺帽拉紧固定；在集流棒穿过绝缘母板的对应处的增强背板上开孔，在此开孔处集流棒与电流输出导线相连。

于安装增强背板的一侧绝缘母板上设置有定位突起，于增强背板上相对应的设有定位孔，定位突起与定位孔相配合组装，增强背板通过螺钉紧固于绝缘母板上。

于所述穿过绝缘母板的一段集流棒上设置有径向通孔，且在通孔的二侧设置有密封沟槽，密封沟槽内设置有密封槽O型密封圈；

于绝缘母板的侧壁上设置有贯穿绝缘母板相对两侧边的通孔，集流棒从绝缘母板的通孔中穿过；

利用该端板组装成电池，镶嵌子集流块的绝缘母板同时作为端板、流场板、集流板以及冷却板使用。

所述集流棒上设置径向通孔为缩径结构，通孔为2个或2个以上，且通孔分为二组相互垂直设置；

绝缘母板内部的通孔构成提供冷却的循环水流道，此循环水流道与集流棒上的径向通孔相通，通入的循环水同时流经集流棒的圆周壁面以及径向通孔。

子集流块由导电集流块、内嵌衬板)以及配套集流棒组装而成；

内嵌衬板镶嵌于导电集流块内部，内嵌衬板上设有小孔，集流棒(6)与内嵌衬板上的小孔螺纹连接。

本发明主要通过将多个子集流块镶嵌到一块绝缘母板上用导线单独引出进行集流，在镶嵌了子集流块的绝缘母板表面铣平后雕刻正常的反应气流场，同时将绝缘母板与配套集流棒结合构成用以调控温度的循环水道，利用该端板组装成电池后，用导线从子集流块单独引出进行集流，各子集流块导线上安装电流互感元件，测量电池运行过程中电池内部电流分布和变化。根据电池内部电流分布和变化情况，观察电池内部反应状况，发现问题，改进电池组结构，提高电池组的运行寿命和可靠性，促进燃料电池的商业化发展。

本发明主要解决了接触电阻高和散热不均匀的问题。具有以下特点：

(1)本发明的特点之一就是结合绝缘母板和配套集流棒组合构成循环水流道，用于电池温度的调控。

(2)本发明采用将子集流块紧固到绝缘母板上之后再进行整体铣平雕刻流场，保证了与正常流场板的高度相似性。

(3)本发明中子集流块的组合设计使其在材料选择上具有高度的灵活性，容易满足对子集流块耐蚀性及导电性的要求。

本发明可以直观地观察到电池内部电流分布和变化，有效的获悉电池内部反应情况，发现电池存在的问题，从而改进电池组结构，提高电池组的运行寿命和可靠性。本发明具有结构新颖、方法简单、经济实用等特点，并具有积极的社会效益和显著的经济效益

附图说明

图1为本发明中燃料电池端板装配示意图。

图2为本发明中燃料电池端板中子集流块意图。

图3为本发明中燃料电池端板装配体示意图。

图4为本发明中燃料电池端板流场面示意图。

图5为本发明型中燃料电池端板装配体循环水道剖面示意图。

具体实施方式

本发明端板主体由绝缘母板、子集流块以及增强背板所组成，该方法将多个子集流块镶嵌入绝缘母板，嵌入子集流块的绝缘母板表面铣平后雕刻正常的反应气流场，背面嵌入增强背板以增加端板整体强度，通过控制循环水温实现对端板整体尤其是各个子集流块温度的灵活调控，利用带子集流块的端板组装成电池，用导线从子集流块上单独集流达到测试电流分布的目的。本发明可以直观地观察到电池内部电流分布和变化，有效的获悉电池内部反应情况，为燃料电池系统的优化提供了依据。与现有技术相比，本发明最大的优点就是可通过循环水灵活控制电池温度，同时拉紧铣平后雕刻流场也保证了与正常流场板的相似度。总之，本端板设计在集流场板、冷却板以及集流板于一体的同时实现了分块结构，是一种新型的测量电流分布的分式端板结构。

下面将结合附图及具体实施对本发明做进一步说明。

本发明由绝缘母板1、子集流块2、增强背板3组成，如图1所示。其中绝缘母板采用430mm×120mm×50mm的聚甲醛加工而成，正面铣出镶嵌子集流块的凹槽(15个)，背面加工镶嵌增强背板3的突起，侧边加工用于构成循环水道的通孔7。增强背板3采用超硬铝材料，与绝缘母板按配合进行相应加工。

子集流块2为导电碳块4(导电集流块)、内嵌铜板5(内嵌衬板)以及配套铜棒6(配套集流棒)组合结构，如图2所示。将带螺纹孔的内嵌铜板穿入导电碳块，在导电碳块相应位置打孔使得配套铜棒与内嵌铜板以螺纹连接，这样便组成了子集流块。子集流块的导电碳块规格为64mm×24mm×15mm。配套铜棒选用Φ10mm×60mm的紫铜棒进行加工，一端加工成与内嵌铜板相对应的外螺纹，用以与内嵌铜板连接。AB段被车细，直径为8mm，其间加工相互垂直的6个通孔9，同时AB段外加工两个相同的O型密封圈沟槽10。

将组装好的15个子集流块3嵌入已经按配合预先加工好的绝缘母板1中，将配套铜棒6穿过绝缘母板1的一端用螺帽8背紧，将所有子集流块完全固定，然后将绝缘母板嵌入超硬铝增强背板，并以螺丝钉固定，如图3所示。集流棒6穿过绝缘母板1的一端与质子交换膜燃料电池的电流输出导线相连，导线上设置有电流互感元件，用于测试燃料电池内部电流大小和变化。

将组装好的镶嵌了子集流块的绝缘母板表面a整体铣平，然后雕刻正常的反应气流场，就构成了15个分块电池，如附图4所示。

子集流块嵌入绝缘母板后，形成了完整的循环水流道，如图5所示(图5为任意通孔7中轴位置的截面图)。循环水自绝缘母板一侧的进水孔流入，流经配套铜棒6的外沿以及内孔9，最后由绝缘母板另一侧出水孔流出，这样循环水可以对配套铜棒实现精确温度控制，由于子集流块各部件均具有极高的热导率，这样也就实现了对所有子集流块以及整个端板的精确温度控制。

Claims (6)

1.一种测量电流分布的质子交换膜燃料电池分式端板结构，包括绝缘母板(1)和n个子集流块(2)，n≥2的正整数，其特征在于：

所述绝缘母板(1)上设置有凹槽，子集流块(2)镶嵌于绝缘母板(1)的凹槽内，镶嵌了子集流块(2)的绝缘母板(1)的一侧表面整体铣平后，雕刻有正常的反应气流场；

所述子集流块(2)上设置有垂直穿过绝缘母板(1)的导电金属集流棒(6)；穿过绝缘母板(1)的集流棒(6)的一端与质子交换膜燃料电池的电流输出导线相连，导线上设置有电流互感元件。

2.根据权利要求1所述的分式端板结构，其特征在于：于所述绝缘母板(1)的另一侧设置有增强背板(3)，增强背板(3)与子集流块(2)分别位于绝缘母板(1)的两侧；

子集流块(2)通过在集流棒(6)穿过绝缘母板(1)的一端加装螺帽拉紧固定；在集流棒(6)穿过绝缘母板(1)的对应处的增强背板(3)上开孔，在此开孔处集流棒(6)与电流输出导线相连。

3.根据权利要求2所述的分式端板结构，其特征在于：

于安装增强背板(3)的一侧绝缘母板(1)上设置有定位突起，于增强背板(3)上相对应的设有定位孔，定位突起与定位孔相配合组装，增强背板(3)通过螺钉紧固于绝缘母板(1)上。

4.根据权利要求1所述的分式端板结构，其特征在于：

于所述穿过绝缘母板(1)的一段集流棒(6)上设置有径向通孔，且在通孔的二侧设置有密封沟槽，密封沟槽内设置有密封槽O型密封圈；

于绝缘母板(1)的侧壁上设置有贯穿绝缘母板(1)相对两侧边的通孔，集流棒(6)从绝缘母板(1)的通孔中穿过；

利用该端板组装成电池，镶嵌子集流块(2)的绝缘母板(1)同时作为端板、流场板、集流板以及冷却板使用。

5.根据权利要求1所述的分式端板结构，其特征在于：

所述集流棒(6)上设置径向通孔段为缩径结构，通孔为2个或2个以上，且通孔分为二组相互垂直设置；

绝缘母板内部的通孔构成提供冷却的循环水流道，此循环水流道与集流棒上的径向通孔相通，通入的循环水同时流经集流棒的圆周壁面以及径向通孔。

6.根据权利要求1所述的分式端板结构，其特征在于：子集流块(2)由导电集流块(4)、内嵌衬板(5)以及配套集流棒(6)组装而成；

内嵌衬板(5)镶嵌于导电集流块(4)内部，内嵌衬板(5)上设有小孔，集流棒(6)与内嵌衬板(5)上的小孔螺纹连接。

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