CN102222796A - 一种测量氧气浓度分布的质子交换膜燃料电池结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量氧气浓度分布的质子交换膜燃料电池结构，其包括带有n(n≥2)个子集流块的阴极端板、在子集流块相对应位置处的阴极分割出n(n≥2)个子阴极的膜电极组件(MEA)和普通的阳极端板。在此电池内形成了n(n≥2)个子电池，子电池在主体电池运行时不参与放电，通过测量子电池的开路电压来反映氧气的浓度。采用此种结构的质子交换膜燃料电池，可以对燃料电池内部的氧气浓度分布进行测量，有助于分析燃料电池的衰减原因，从而提高燃料电池的寿命。

Description

一种测量氧气浓度分布的质子交换膜燃料电池结构

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体为一种新型的测量氧气浓度分布的质子交换膜燃料电池结构。

背景技术

质子交换膜燃料电池以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，铂/炭或铂-钌/炭为电催化剂，氢或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属板为双极板。阳极内氢气电极反应生成的电子经外电路到达阴极，氢离子则经质子交换膜到达阴极，在阴极内氧气与氢离子及电子反应生成水。质子交换膜燃料电池具有室温快速启动、高效、环境有好、结构紧凑、操作简单、水易排出、寿命长、比功率与比能量高等突出特点，所以不仅可用于建设分散电站，也特别适宜于用作可移动动力源，是电动车的理想候选电源之一。

由于车用质子交换膜燃料电池往往需要具有较大的功率，所以要求燃料电池单体具有很大的面积，以减少并联电池组的个数，从而便于电池组管理和系统优化。对于大面积质子交换膜燃料电池，沿着流道方向，由于反应气不断消耗，导致电池内不同位置处的反应气浓度并不相同。而且在动态操作时，尤其在加载瞬间，由于气体响应速率滞后于加载速率，电池局部位置会发生燃料和氧化剂欠气，这就使得在加载瞬间燃料电池内部反应气的浓度分布更加不均匀。反应气分布不均匀会导致电流、电势、温度和湿度等参数的分布也极不均匀，严重时会使得局部位置出现电流过大、电势过高、温度过高和湿度过低等现象，引起膜、催化剂等的局部提前衰减，导致燃料电池局部失效。局部失效影响了燃料电池的正常运行，导致燃料电池的整体寿命缩短，而目前燃料电池的寿命较短是制约其商业化的一个主要因素。

燃料电池反应气分布不均匀的现象在阴极以空气为氧化剂时表现的最为明显。所以需要对采用空气作为氧化剂时，燃料电池阴极内部的氧气浓度分布进行测量，从而为研究燃料电池的衰减行为提供依据。然而由于燃料电池内部的尺寸限制，对其氧气浓度分布的在线测量非常困难，目前很少有学者对此进行报道。

对于质子交换膜燃料电池，总反应方程式为：

H₂+1/2O₂→H₂O

其电池标准电动势

其中，T为温度；ΔS⁰为反应的标准熵变，即：-163.161J·mol^-1·K^-1；ΔH⁰为反应的标准焓变，即：-285.838kJ·mol^-1；F为法拉第常数，即：96493C。

因此，在标准状态下(T＝298K，101325Pa)，可以计算出电池的标准电动势E⁰＝1.229V，然而电池的运行条件一般均偏离标准状态。

根据Nernst方程，在不同条件下：

电池电动势

假设电池生成水为液态，H₂与O₂均为理想气体，则

若以标准大气压作为压力的单位，则P⁰＝1；假设阴极和阳极压力相同，均为P，由于阳极采用的是纯氢，则

设阴极氧气摩尔浓度为

则

因此，Nernst方程可写为：

在上式中，ΔS⁰、ΔH⁰、F、R均为已知常数，所以电池电动势E为温度、压力和氧气浓度的函数，即

对于质子交换膜燃料电池，其开路电压一般要低于电池电动势。一方面是由于氧气在电极材料上的交换电流密度非常小，往往小于某些杂质的交换电流密度，所以在电极上建立的电位往往不是氧气还原反应的平衡电位，而是受到杂质反应的影响，建立起了一个杂质与氧气共同的稳定电位。另一个方面的原因是，电池中存在氢气透过膜从阳极到阴极的渗透，这样即使外部电路处于开路状态，电池也有内部电流的存在，而使电池处于非平衡状态。开路电压与电池电动势的差值称为开路极化。假设开路极化为常数K，则

$\mathrm{Eoc}=E-K=f(T,P,X_{O_2})-K$

由上式可知，在温度、压力和开路极化一定的情况下，电池开路电压与氧气浓度具有一定的函数关系。正是基于开路电压与氧气浓度之间的函数关系，本发明提供了一种可测量阴极氧气浓度分布的质子交换膜燃料电池结构。

发明内容

本发明的目的就是针对燃料电池内部反应气分布不均匀的现象而提供一种新型的在线测量氧气浓度分布的质子交换膜燃料电池结构。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种测量氧气浓度分布的质子交换膜燃料电池结构，包括带有n(n≥2)个子集流块的阴极端板、在子集流块相对应位置处的阴极分割出n(n≥2)个子阴极的膜电极组件(MEA)和普通的阳极端板。

所述阴极端板上设置有n(n≥2)个独立的、与阴极端板绝缘的子集流块，子集流块与阴极端板之间用绝缘胶进行绝缘和密封，镶嵌子集流块的阴极端板的一侧表面整体铣平后，雕刻有正常的反应气流场。

所述MEA在阴极侧与子集流块相对应的位置处分割出n(n≥2)个独立的、与阴极绝缘的子阴极，子阴极通过聚酯塑料薄膜与阴极绝缘，聚酯塑料薄膜的厚度与阴极厚度相近。MEA阳极侧仍为普通电极，未做特殊处理。子集流块、子阴极、MEA中的膜和阳极、阳极端板依次叠加构成了子电池。

所述阴极端板上的子集流块与阴极端板之间用绝缘胶进行绝缘和密封，镶嵌子集流块的阴极端板的一侧表面整体铣平后，雕刻有与阴极端板上的流场相连通反应气流场。所述MEA阴极侧的子阴极通过聚酯塑料薄膜与阴极绝缘，聚酯塑料薄膜的厚度与阴极厚度相当。

所述子电池中子阴极的面积可以小至电池面积的千分之一甚至万分之一，只要加工精度允许，子电池的面积最大不应超过电池面积的十分之一，以反映局部的氧气浓度；即子电池中子阴极的面积为燃料电池阴极面积的万分之一到十分之一。

所述子电池的个数n最好大于等于5，并且子电池应在电池平面内均匀分布，以尽可能反映氧气浓度的分布情况，子电池的个数n不应大于200，以避免可能对电池性能造成的影响，子电池的个数n最好在10-30之间；

在测量某一子电池的开路电压时，其余未被测量的子电池的子集流块最好与燃料电池阴极端板相连，以尽可能减小对电池性能的影响。

本发明具有以下特点：

(1)本发明能够快速有效地测量质子交换膜燃料电池内部的氧气浓度，通过在多个位置上镶嵌子电池的方法，可以测量到氧气浓度在阴极平面内的分布情况。

(2)本发明将子集流块镶嵌到阴极端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)本发明采用与阴极厚度相近的聚酯塑料薄膜将子阴极与阴极绝缘，尽量避免了分割子阴极对氧气浓度分布可能产生的影响。

附图说明

图1为本发明中燃料电池阴极端板示意图。

图2为图1燃料电池阴极端板A-A剖面示意图。

图3为本发明中燃料电池阴极端板剖面局部放大示意图。

图4为本发明中燃料电池MEA的阴极侧示意图。

图5为在电池运行过程中，减小空气流量直至0时，阴极进口处子电池7、中间子电池8和出口处子电池9的开路电压的变化情况。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

实施例

本发明所述阴极端板由子集流块1、绝缘胶2和阴极端板3组成，如图1所示。子集流块为直径8mm的硬质石墨圆柱，绝缘胶的厚度为2mm，阴极端板为410mm×100mm×20mm的硬质石墨板。在阴极平面内一共分布着15个子集流块，如图1所示。子集流块镶嵌到阴极端板上之后，将一侧表面整体铣平，雕刻正常的与阴极端板上的流场相连通反应气流场。

图2为本发明所述阴极端板的剖面图，子集流块的高度为40mm，为端板高度的2倍，以方便测量子集流块的电压。

将子集流块附近区域局部放大，如图3所示。在子集流块与主体端板之间填充有绝缘胶，厚度为2mm，以使子集流块与主体端板绝缘并使端板密封。子集流块上部雕刻有凹槽，以便连接电压导线。

本发明所示MEA阴极侧由子阴极4、聚酯塑料薄膜5和阴极6组成，如图4所示。子阴极的位置与阴极端板上的子集流块相对应。子阴极的直径同样为8mm，聚酯塑料薄膜为内径8mm外径10mm的圆环。聚酯塑料薄膜的厚度与阴极厚度相近，以减小分割子阴极对氧气浓度分布可能产生的影响。

子集流块与子阴极均与主体电池绝缘，因此在燃料电池内部构成了子电池。在燃料电池运行时，子电池不参与放电。

采用本发明所示的燃料电池结构测量氧气浓度分布的步骤为：(1)首先在实际燃料电池开路状态下，测量电池温度、压力和氧气浓度，然后通过关系式

计算出开路极化；(2)当电池运行时，已知开路极化、电池温度和压力，通过测量子电池的开路电压就可以计算出相应位置的氧气浓度；(3)通过测量15个子电池的开路电压并计算相应的氧气浓度，即可反映出阴极氧气浓度的分布情况。

应用例

采用本发明中所示的电池结构，对燃料电池运行时阴极氧气浓度的分布情况进行了实验。图5为在电池运行过程中，减小空气流量直至0时，阴极进口处子电池7、中间子电池8和出口处子电池9的开路电压的变化情况。从图5中可以看到，当空气流量减小时，出口处子电池9的开路电压首先降低，随后是中间的子电池8。说明空气流量减小时，由于电池仍处于放电状态，出口处的氧气浓度首先降低，随后中间的降低。由于空气流量未减小至0，进口处仍有空气存在，所以进口处子电池7的开路电压一直维持在较高数值。当空气流量减小至0时，进口处子电池7的开路电压才开始下降。当重新通入空气后，阴极进口处子电池7、中间子电池8和出口处子电池9的开路电压随即迅速升高。

通过实例可知，采用本发明所示的电池结构可以有效地反映阴极氧气浓度的分布情况。

Claims (8)

1.一种测量氧气浓度分布的质子交换膜燃料电池结构，其特征在于：在燃料电池内部镶嵌n个子电池，n≥2，子电池在燃料电池运行时不参与放电，通过测量子电池的开路电压来反映各个子电池位置处的氧气浓度，进而反映燃料电池内氧气浓度的分布情况，从而为研究燃料电池的衰减行为提供依据。

2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池结构，包括依次叠加的阴极端板、膜电极组件MEA和阳极端板，其特性在于：所述阴极端板上设置有n个独立的、与阴极端板绝缘的子集流块，且在所述MEA的阴极上、子集流块相对应的位置处分割出n个独立的、与阴极绝缘的子阴极，n≥2；子集流块、子阴极、MEA中的膜和阳极、阳极端板依次叠加构成了子电池。

3.根据权利要求2所述的电池结构，其特征在于：所述阴极端板上的子集流块(1)与阴极端板(3)之间用绝缘胶(2)进行绝缘和密封，镶嵌子集流块的阴极端板的一侧表面整体铣平后，雕刻有与阴极端板上的流场相连通反应气流场。

4.根据权利要求2所述的电池结构，其特征在于：所述MEA阴极侧的子阴极(4)通过聚酯塑料薄膜(5)与阴极(6)绝缘，聚酯塑料薄膜(5)的厚度与阴极厚度相当。

5.根据权利要求2所述的电池结构，其特征在于：所述子电池中子阴极的面积可以小至电池面积的千分之一甚至万分之一，只要加工精度允许，子电池的面积最大不应超过电池面积的十分之一，以反映局部的氧气浓度；即子电池中子阴极的面积为燃料电池阴极面积的万分之一到十分之一。

6.根据权利要求1或2所述的电池结构，其特征在于：

所述子电池的个数n最好大于等于5，并且子电池应在电池平面内均匀分布，以尽可能反映氧气浓度的分布情况，子电池的个数n不应大于200，以避免可能对电池性能造成的影响，即子电池的个数n最好在5-200之间。

7.根据权利要求6所述的电池结构，其特征在于：子电池的个数n最好在10-30之间。

8.根据权利要求2所述的电池结构，其特征在于：在测量某一子电池的开路电压时，其余未被测量的子电池的子集流块最好与燃料电池阴极端板相连，以尽可能减小对电池性能的影响。

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