CN103682398A - 模拟燃料电池中电池电压反转行为的电池组 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于模拟燃料电池中电池电压反转行为的电池组。该电池组被配置成具有如下结构：其中电池组中多个电池的部分电池的隔板具有氢气流场的进口，该进口被部分阻挡从而仅在该多个电池的部分电池中引发氢气不足。

Description

模拟燃料电池中电池电压反转行为的电池组
技术领域
本申请涉及一种用于模拟燃料电池中电池电压反转行为的电池组。更具体地，本发明涉及如下的用于模拟燃料电池中电池电压反转行为的电池组，其模拟仅在燃料电池组多个电池的部分电池中局部产生的电压反转行为。
背景技术
聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)技术被广泛地用作车辆的燃料电池。为使PEMFC在不同的车辆运行状态下适当实现至少几十千瓦的高功率性能，PEMFC需要在宽范围的电流密度下稳定运行。
众所周知，燃料电池实现为单元电池堆叠的电池组形式以满足相应的功率需求。膜电极组件(MEA)位于燃料电池组的单元电池的最里部分。MEA包括可以使氢离子移动的固体聚合物电解质膜，以及作为催化剂电极的阳极和阴极，其中通过在聚合物电解质膜的两面上涂覆催化剂而配置催化剂电极。另外，气体扩散层(GDL)和垫片布置在MEA的外部，即阳极和阴极的外部。并且，隔板(separator)或双极板布置在GDL外部从而提供流场用于供应反应气体和排除反应所产生的水。
在燃料电池产生电的反应中，在供应到阳极(在燃料电池中在此发生氧化)的氢气被分解成氢离子和电子之后，氢离子经聚合物电解质膜向发生还原的阴极移动，并且电子通过外部电路向阴极移动。并且，在阴极中，氧分子、氢离子和电子相互反应而产生电、热和副产物水。
如果在燃料电池中电化学反应产生适量的水，所生成的水可以为MEA高效运行维持适当的湿度。但是，如果水过量产生，且过量的水在高电流密度下未被移除，则可能发生溢流(flooding)。这种溢流可妨碍反应气体高效供应到燃料电池，从而进一步加重电压损耗。
由于各种因素比如燃料电池中的溢流、冬季结冰和反应气体供给装置异常等等，可能出现反应气体(即，在PEMFC中使用的阳极的氢气和阴极的氧气或空气)不足。特别地，已知阳极的氢燃料不足对燃料电池的性能有显著的决定性影响，因此其致使电池电压显著降低。
一般而言，氢燃料不足可以分为整体氢气不足，即遍及整个燃料电池氢气供应都不足，以及局部氢气不足，即，尽管有充足的氢气供应，但由于分布不均，导致局部氢气供应不足。在运行状态例如氢气的供应和分布不均、燃料电池负载需求突然增加、和/或燃料电池启动的状态下经常出现氢燃料不足。整体氢气不足可以相对容易地通过在燃料电池系统中使用传感器监测氢气供应而被检测到，而部分电池的局部氢气不足仅能通过使用电池组电压监测装置单独地对燃料电池组中的各电池进行准确监测来检测，这需要更大的努力和更复杂的控制系统。这里，电池组表示包括两个以上电池的燃料电池，且部分电池是指等于或少于电池组中电池总量的50％的一个或多个电池。
图1是示出在实际燃料电池车辆的电池组中产生的电池电压快速降低的视图。在图1所示的燃料电池组中，一个电池的电压在5分钟或更长的运行期间内快速降至0.1V。当出现电池电压快速降低时，需要停止汽车电池组的运行，以便使整个燃料电池不会受损，且随后需要更换或修复运行异常的电池。这种现象经常因为局部氢气不足而发生。当用户继续开车而没有修复电压降低的电池时，汽车可能很快进入电压低于0V的电池电压反转状态，加速MEA催化剂载体(support)即碳的腐蚀。
一般来说，在MEA催化剂载体中广泛使用的碳在PEMFC的运行状态下是热力学不稳定的，且可能按照下列化学反应式被氧化：
C+2H2O→CO2+4H++4e-(0.207V vs.RHE)
C+H2O→CO+2H++2e-(0.518V vs.RHE)
这里，RHE表示基准氢电极。一般来说，上述氧化反应缓慢进行，但是在燃料电池的高电压状态下可以快速进行。高电压状态通常是因氢气不足或燃料电池车辆起动/关闭引起。另外，当电池电压反转继续且随后达到约-2V的过度电压反转状态时，燃料电池产生的热量变得过多，损坏整体的MEA和气体扩散层，特别是造成在MEA中出现针孔(pin-hole)和电池电短路的严重情况。由此，燃料电池进入燃料电池不能再正常运行且必须完全更换的电池失效状态。
因此，在出现电压反转之前通过适当控制燃料电池车辆以使燃料电池车辆稳定运行以及开发耐用性优良的可以承受电压反转的燃料电池部件和系统是很重要的。然而，因为难以在运行燃料电池车辆之前检测到前述的由局部氢气不足引起的电池电压反转，所以应当在车辆开始运行之前获得可以可重现模拟这种现象的标准诊断技术。
作为典型的广泛用于模拟电池电压反转的方法，多种方法向阳极供应氮气替代氢气或通过降低阳极的化学计量比(S.R.)来降低总的氢气供应。但是，在这些方法中，可重现地模拟由于实际燃料电池车辆电池组的数百个电池中的一些电池出现局部氢气不足而引起的电池性能快速降低和电压反转是非常困难的。
因此，由于没有合适的方法用于模拟燃料电池中局部电池电压反转，开发燃料电池车辆控制方法或就电压反转而言具有优异的耐用性的燃料电池部件是困难的。
而且，模拟燃料电池中电池电压反转的典型方法可以使用单个电池或含有两个以上电池的电池组。举例来说，图2示出了用于燃料电池中电池电压反转模拟的常规单电池4，其中电池3布置在两个端板1与2之间。前述电压反转模拟方法是用于模拟氢气显著不足或氢气供应完全停止的严重情形。通过向燃料电池的电池阳极供应氮气替代停止氢气供应而运行燃料电池来引发电压反转。这种典型的模拟方法可以模拟在电池的氢气供应停止的恶劣情形下整个燃料电池组所产生的电压反转。然而，很难模拟局部电压反转发生，在局部电压反转中，数百个电池比如燃料电池车辆的电池组中仅有一些电池出现电压迅速降低。而且，据报告，在将氮气替代氢气供应给阳极之后典型的模拟方法仅能在低电流密度范围内工作，如从40mA/cm2到200mA/cm2。
上述在该背景技术部分公开的信息仅用于增强对本发明背景的理解，因此其可能含有不构成该国本领域中普通技术人员已经知晓的现有技术的信息。
发明内容
本发明提供用于模拟燃料电池中的电池电压反转行为的电池组，其可以利用安装到燃料电池组一些电池的隔板上的阻挡件，通过部分阻挡流场进口来阻碍局部氢气供应，从而准确模拟在实际燃料电池车辆电池组的一些电池中产生的局部电压反转，其中经氢气进口引入的氢气经由流场进口而流动。
一方面，本发明提供一种用于模拟燃料电池中的电池电压反转行为的电池组，其被配置为具有如下结构：其中电池组多个电池中的部分电池的隔板包括氢气流场的进口，该进口被部分阻挡从而仅在多个电池的部分电池中引发氢气不足。
在一个示例性实施方式中，电池组可以在氢气流场进口的前端包括有阻挡件，用以阻挡经氢气供应口的氢气供应。该阻挡件可以阻挡隔板的氢气流场的进口总面积的约70％至约95％。另外，阻挡件可以由聚合物或金属材料形成。
在另一个示例性实施方式中，电池组可以在约200mA/cm2至约1000mA/cm2的电流密度下工作。氢气流场进口被阻挡的电池数量可以在一个至电池组中电池总量的一半的范围内。
附图说明
现在将参考在附图中图示的某些示例性实施方式对本发明的以上和其它特征进行详细说明，下文给出的这些实施方式仅仅用于示例说明，因此不是对本发明的限制，其中：
图1是示出在常规燃料电池车辆的电池组中产生的电池电压快速降低的视图；
图2是示出根据比较例用于在常规燃料电池中进行电池电压反转模拟的单电池的视图；
图3是示出根据本发明示例性实施方式的燃料电池的电池电压反转模拟电池组的视图；
图4是示出根据本发明示例性实施方式的隔板的阻挡件的安装结构的视图；
图5是示出根据比较例在氢气严重不足的状态下的电池电压行为模拟结果的图，其中氮气替代氢气被供给到燃料电池的阳极；
图6是示出根据本发明的示例性实施方式进行模拟的由于燃料电池组中局部氢气不足而导致电压反转发生的图；
图7是示出根据本发明示例性实施方式的电池组在约480mA/cm2的电流密度下在局部氢气不足模拟的起始点(0秒)和结束点(700秒)处的电池电压的图；
图8是示出根据本发明示例性实施方式的电池组的第三电池在局部氢气不足的电压反转模拟之前和之后的I-V电池性能比较的图；
图9A-9C是示出根据本发明的示例性实施方式在电压反转模拟之前(图9A)和之后(图9B和9C)的MEA阳极催化剂层表面的SEM图像；且
图10A和10B是示出根据本发明示例性实施方式的关于MEA阳极催化剂层表面(图9B的区域1)和附着在针孔(图9B的区域2)附近的杂质的能量色散X射线光谱仪(EDX)的分析结果的图。
在附图中提及的附图标记包括对以下在下文中进一步讨论的元件的参照：
10：电池组(电池电压反转模拟电池组)
11：第一电池
12：第二电池
13：第三电池
14：第四电池
15：第五电池
20：第三电池的隔板
21：第三电池隔板的氢气供应口
22：第三电池隔板的氢气排放口
23：第三电池隔板的空气供应口
24：第三电池隔板的空气排放口
25：第三电池隔板的氢气流场
26：阻挡件
应当理解，所附的附图并非必然是按比例的，而只是呈现说明本发明的基本原理的各种优选特征的一定程度的简化表示。本文公开的本发明的具体设计特征，包括，例如，具体尺寸、方向、位置和形状将部分取决于特定的既定用途和使用环境。
在附图中，附图标记在附图的几张图中通篇指代本发明的相同或等同部件。
具体实施方式
下面将详细地参照本发明的各个实施方式，其实施例在附图中图示，并在下文加以描述。尽管将结合示例性实施方式描述本发明，但应当理解，本说明书无意于将本发明局限于这些示例性实施方式。相反，本发明不仅要涵盖这些示例性实施方式，还要涵盖由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的各种替代形式、修改、等效形式和其它实施方式。
应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括通常的机动车，例如，包括多功能运动车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢动力车和其它代用燃料车(例如，来源于石油以外的资源的燃料)。如本文所提到的，混合动力车是具有两种或多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。
本文使用的术语仅仅是为了说明具体实施方式，而不是意在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一个、一种、该(a、an、the)”也意在包括复数形式，除非上下文中另外清楚指明。还应当理解的是，在说明书中使用的术语“包括(comprises和/或comprising)”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项的任何和所有组合。
除非具体说明或从上下文明显得到，否则本文所用的术语“约”理解为在本领域的正常容许范围内，例如在均值的2个标准差范围内。“约”可以理解为在所述数值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非另外从上下文清楚得到，否则本文提供的所有数值都由术语“约”修饰。
下面讨论本发明的前述和其它特征。
下文中，将参照附图对本发明的示例性实施方式进行详细描述，以便使本领域的技术人员可以容易地实施本发明。
本发明涉及用于模拟燃料电池的电池电压反转的电池组，其可以准确地模拟如下情形的局部电池电压反转，即在实际燃料电池车辆的电池组的多个电池中仅有部分电池发生电压快速降低，该电池组的特征在于通过仅在特定电池中引发局部氢气不足来模拟电池电压反转行为。
因此，本发明提供一种电池电压反转模拟电池组，其中氢气被正常供应到燃料电池组的整个阳极，但是通过局部地将特定电池的隔板的氢气供应口阻挡(约70％至约95％)，使得电压反转在高于0V下在运行开始约5分钟以上之后仅在特定的电池中发生。
在本发明的实施方式中，从隔板(图4中的20)向包括五个堆叠在其中的电池(11～15)的电池组(图3中的10)中的仅一个电池13的氢气供应可以被部分阻挡，从而在电池组10中实现局部氢气不足，并模拟像实际燃料电池车辆中那样的局部电池电压反转行为。根据本发明的示例性实施方式，在用于模拟电池电压反转行为的电池组10中，氢气可以通过各个电池11至15的氢气供应口被正常供给到整个电池组阳极，但是仅有布置在电池组10中间的第三电池13的氢气供应被部分阻断，从而仅在第三电池13中引发局部氢气不足。由此，在燃料电池车辆启动后在0V以上的电压下在正常运行约5分钟以上的期间内意外产生的局部电池电压反转行为可以被模拟(像在实际燃料电池车辆的电池组中那样)。
图4示出电池组中引发局部氢气不足的结构。参照图4，可设置有第三电池13的隔板20。该隔板20可以包括连接氢气供应口21、氢气排放口22、空气供应口23和空气排放口24的流场。流场可以被布置成分别独立地连接氢气供应口21、氢气排放口22、空气供应口23和空气排放口24。然而在图4中，流场示为直线。为了阐明下面描述的阻挡件26的安装位置，图4中示出了连接氢气供应口21和氢气排放口22的氢气流场25。
如图4所示，氢气供应口21和氢气排放口22可布置在第三电池13的隔板20的两端。氢气流场25可布置在氢气供应口21与氢气排放口22之间，以允许从氢气供应口21引入的氢气移动穿过电池。阻挡件26可布置在氢气供应口21与氢气流场25之间。
阻挡件26可安装在布置有该氢气流场25的隔板20的一面。阻挡件26可安装到氢气流场进口的前端，以通过阻挡氢气供应通道引起第三电池13的氢气供应不足。结果，阻挡件26可以仅对第三电池13造成氢气供应缺乏而不影响其它电池的氢气供应通路。
当流入氢气供给歧管(参见图3，堆叠的电池11至15的氢气供应口相互连接)的氢气被平稳地供应给第一电池11、第二电池12、第四电池14和第五电池15而没有供应不足时，对第三电池13的氢气供应可被阻挡件26阻挡，由此引起氢气供应不足。
为了模拟由于在供应氢气的电池组10的一个电池中出现局部氢气不足而引起的电池电压反转行为，阻挡件26可具有由硬度优异的聚合物或金属材料形成的膜或片材，以阻挡氢气供应。当阻挡件26布置在氢气进口21与隔板20的氢气流场25之间时，隔板20的氢气流场25可被阻挡约70％至约95％。换句话说，阻挡件26可以安装在氢气流场的进口处以阻挡氢气流场25的进口总面积的约70％至约95％。
当氢气流场的进口被阻挡少于约70％时，由局部氢气不足导致的电压反转在给定的运行条件下可能不发生，致使难以模拟电池电压反转行为。另一方面，当氢气流场的进口被阻挡多于约95％时，由于氢气过度不足而可能使电压反转发生太快，导致难以模拟在正常运行期间由于一些电池的性能快速降低而引起的电压反转(如在实际燃料电池车辆中那样)。
此外，为了模拟电压反转甚至是在高速运行范围下的电压反转(像在实际燃料电池车辆中那样)，相比于典型的约200mA/cm2的电流密度，燃料电池组需要在较高的恒定电流密度下运行。然而，当恒定电流密度等于或大于约1000mA/cm2时，电压反转会由于氢气过度不足而发生太快。因此，电池组运行的恒定电流密度可以在约200mA/cm2到约1000mA/cm2的范围内。
在这个实施方式中，描述为阻挡件26仅安装到第三电池13的隔板20以造成氢气不足，但是其它的实施方式并不局限于此。即，电池电压反转模拟电池组可以被实施为，可以在构成电池组的电池总量的50％或更少的电池中引发氢气缺乏。例如，在如图3所示的电池组10含有5个电池11至15的情形中，阻挡件可以安装到在第一至第五电池11至15中随机选择的两个电池，以此来配置电池电压反转模拟电池组。
在隔板20的两端，空气排放口24可以布置在氢气供应口21的下方，且空气供应口23可以布置在氢气排放口22的上方。
下文中，将根据本发明的示例性实施方式通过电池组来模拟电池电压反转行为。
作为比较例，制造出包括单电池的电池电压反转模拟电池组(参见图2)。氮气替代氢气被供给到阳极，并在约200mA/cm2的恒定电流密度下进行运转。
作为示例性实施方式，制造出包括五个电池的电池组。由聚酰亚胺制成的膜(阻挡件)布置在位于电池组中间的一个电池的氢气供应口与隔板的氢气流场之间，以将氢气供给阻挡约83％。这样，允许氢气以约1.5的正常运行化学计量比(S.R.)供给到氢气供应歧管(或电池组的整个阳极)。另一方面，仅允许在安装有阻挡件的电池中发生氢气不足。在正常的运行状态下，氢气以约1.5的S.R.供给到电池组的阳极，且空气以约2.0的S.R.供给到电池组的阴极。
氢气正常供给到整个电池组的阳极(或氢气供应口)，并施加约480mA/cm2的中等电流密度以进行运转。另一方面，布置在电池组中间的一个电池的部分氢气流场的进口被阻挡件阻挡，从而仅在这个电池中造成局部氢气不足。由此可以观察各个电池的电压情况。
本发明的示例性实施方式模拟如下的情形，其中隔板的氢气供应口可能被过量的水、冰或其它杂质局部阻挡，同时氢的S.R.在正常运行状态下被保持。在这种情况下，发生局部氢气不足的电池可能与其它正常运行的燃料电池一样正常运行数分钟，随后可能发生电池电压反转。因此，可以准确模拟实际燃料电池车辆在正常运行状态下在单个或数个电池中迅速发生的局部电池电压反转。
通常，燃料电池反应气体的正常供应状态为，阳极的氢气S.R.在约1.3至约1.8的范围内，且阴极的空气S.R.在约1.6至约2.5的范围内。当氢气和空气S.R.分别少于约1.3和1.6时，反应气体的供应可能变得非常缺乏。另一方面，当氢气和空气S.R.分别多于约1.8和约2.5时，反应气体的供应可能变得过量，使反应气体的不必要损失增加。因此，对燃料电池车辆启动之后在0V以上的电压下在正常运行5分钟以上的期间内意外出现的单电池局部电池电压反转行为进行模拟。
此处，对于进行电池电压反转行为评估的状态，电池温度被设定在约65℃，且阳极和阴极的相对湿度分别被设定在约50％。
图5是示出根据比较例在严重的氢气不足状态下的电池电压行为模拟结果的图，其中氮气替代氢气被供给到燃料电池的阳极。如图5所示，在比较例状态下，由于燃料电池正常运行的时间非常短，即使是在约200mA/cm2的低电流密度下，电池电压也在约2秒之后迅速降低到低于0V，产生电压反转。并且，电池电压在约50秒之后迅速降低至约-2.4V。因此，在与比较例相似的常规方法中，很难模拟在约五分钟以上的正常运行之后在一些电池中局部突然出现的电池电压反转(像在实际燃料电池车辆的电池组中那样)。
图6是示出根据本发明的示例性实施方式模拟的由于燃料电池组局部氢气不足而致使电压反转发生的图。如图6所示，电池组中被有意引发局部氢气不足的中间电池(第三电池)可以像其它电池(第一电池、第二电池、第四电池和第五电池)那样在高于0V的电压下正常运行约400秒。之后，在约664秒之后，电池电压持续降低，达到低于0V的电池电压反转状态，并随后在约700秒之后达到约-2.2V，结果，进入电池失效状态。
图7是示出根据本发明实施方式的电池组在约480mA/cm2的电流密度下在局部氢气不足模拟的起始点(0秒)和结束点(约700秒)处的电池电压的图。如图7所示，在恒定的电流密度条件下，正常电池如第一电池、第二电池、第四电池和第五电池的电池电压没有明显变化，而有意模拟局部氢气供应不足的第三电池的电压显著降低，显示出明显的电压反转。
根据本发明示例性实施方式的电池电压反转模拟电池组能够对如下情形中的实际燃料电池车辆中的电池组进行适当模拟，即，当在正常运行状态期间S.R.为1.5的氢气被整体供应时，因意外原因在单个电池内出现局部氢气不足，使得电压反转仅在电池组的一些电池中发生。
具体而言，比较例的电池组具有如下的局限性，即，由于电池电压即使是在约200mA/cm2的低电流密度下也会降低，且达到电压反转的时间太短，因而仅能够模拟实际燃料电池汽车的低速状态。但是，即使是在约480mA/cm2的中等电流密度下，根据本发明示例性实施方式的电池组在正常运行5分钟以上之后达到电压反转，因而还能够模拟燃料电池车辆的其它速度状态。
图8是示出就本发明实施方式的电池组的第三电池局部氢气不足而言的电压反转模拟之前和之后的I-V电池性能比较结果的图。使用典型的市售装置(如1KW测试站，韩国Won-ATech Co.)在如下的运行条件下来测量I-V电池性能：燃料电池的电池进口温度为约65℃。气体压强接近环境压力。阳极(氢气)/阴极(空气)的相对湿度(R.H.)为约50％/50％。阳极(氢气)/阴极(空气)的S.R.是约1.5/2.0。
如图8所示，由于发生电压反转，第三电池的I-V电池性能在所有的电流密度下都降低。开路电压(OCV)从电压反转评估前的约1.007V降低到电压反转评估后的约0.952V，降了约5.5％，且在约1500mA/cm2的高电流密度下，电池电压从电压反转评估前的约0.555V降低到电压反转评估后的约0.533V，降了约4.0％。
I-V电池性能降低可能表明，MEA和气体扩散层由于在电压反转状态下产生的过度热量而严重受损，且根据实施方式的模拟方法以相同或相似的方式模拟了由电压反转引起的电池受损。
为了从形态上观察因发生电压反转而引起的MEA受损的程度，使用扫描电镜(如SEM；美国InspectTM，FEI Co.)对电压反转模拟之前和之后的MEA阳极催化剂层的表面进行观察。观察结果如图9所示。
通常，MEA中因电压反转引起的过量热量而产生的针孔的长×宽可以是至少0.2mm×0.2mm。当暴露在严重的电压反转状态下时，其大小可能比几毫米×几毫米更大。
图9A是示出电压反转模拟之前新MEA的阳极表面的50倍放大照片，而图9B和9C分别是在电压反转模拟之后第三电池的MEA阳极表面的50倍和100倍的放大照片。
如图9B和9C所示，由于在电压反转状态下生成的热量，在MEA阳极的表面形成大小为约0.7mm×约0.5mm(如，长×宽)的针孔，这说明示例性实施方式的情形也适当地模拟了在电压反转时出现的针孔产生现象。此外，可以观察到在针孔附近可能附着有杂质比如从气体扩散层脱离的微孔层。
为了更加具体地分析杂质，使用能量色散X射线光谱仪(如EDX；System-6，美国Thermo Noran Inc.)来进行元素分析。
图10A和10B是示出根据本发明示例性实施方式的对于MEA阳极催化剂层表面(图9B的区域1)和附着在针孔附近的杂质(图9B的区域2)的EDX分析结果的图。在MEA阳极催化剂层的情形中，如图10A所示，检测到MEA催化剂层的典型元素比如铂(Pt)和氟(F)。但是在附着于针孔附近的杂质的情形中，如图10B所示，检测到过量的碳和一些氟，这与气体扩散层的微孔层的典型元素相对应。
由此可见，由于在示例性实施方式的电压反转情形中生成的热量，导致在MEA中形成针孔，并且气体扩散层的微孔层附着在针孔附近。在实施方式的电压反转模拟情形中，因在实际燃料电池车辆中出现的局部氢气不足而引起的MEA和气体扩散层形态受损现象以及一些电池的电压反转行为可以被适当地模拟。
根据本发明的示例性实施方式，即使是在约200mA/cm2至约1000mA/cm2的中等电流密度范围内，也可以重现并准确模拟在实际燃料电池车辆的电池组中局部产生的电压反转，并且还可以适当地模拟MEA中出现针孔和气体扩散层的破损。
已经参考本发明的示例性实施方式详细描述本发明。然而，本领域的技术人员能够理解，可以在不偏离本发明的原理和精神的情况下对这些实施方式做出改变，本发明的范围由所附的权利要求及其等同方式限定。

Claims (6)

1.一种用于模拟燃料电池中电池电压反转行为的电池组，被配置为具有如下结构，其中所述电池组中多个电池的部分电池的隔板具有氢气流场的进口，所述进口被部分阻挡从而仅在所述多个电池的部分电池中引起氢气不足。
2.如权利要求1所述的电池组，其在所述氢气流场的进口的前端包括有阻挡件，用以阻挡经氢气供应口的氢气供应。
3.如权利要求2所述的电池组，其中所述阻挡件阻挡所述隔板的氢气流场的进口的总面积的约70％至约95％。
4.如权利要求2所述的电池组，其中所述阻挡件由聚合物或金属材料形成。
5.如权利要求1所述的电池组，其中所述电池组在约200mA/cm2至约1000mA/cm2的电流密度下运行。
6.如权利要求1所述的电池组，其中所述氢气流场的进口被阻挡的电池的数量在一个到所述电池组中电池总数量的一半的范围内。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115616419A (zh) * 2022-12-21 2023-01-17 武汉氢能与燃料电池产业技术研究院有限公司 燃料电池反极电压分布测试装置及测试方法

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102664091B1 (ko) 2018-09-18 2024-05-07 현대자동차주식회사 산소 센서를 구비한 연료전지 시스템 및 그 제어 방법
KR20210062192A (ko) 2019-11-21 2021-05-31 현대자동차주식회사 역전압을 완화시킬 수 있는 고내구성 연료전지 시스템
KR102516958B1 (ko) * 2020-11-24 2023-04-03 테라릭스 주식회사 연료전지 애노드 분리판
CN113161583B (zh) * 2021-03-30 2022-06-10 中通客车股份有限公司 一种燃料电池汽水分离器性能评价方法及系统
CN114657583B (zh) * 2022-04-11 2023-12-05 佛山仙湖实验室 一种双极板及水电解槽
CN115000464B (zh) * 2022-08-02 2022-10-25 中车工业研究院(青岛)有限公司 一种pemfc的参数调控方法、装置、设备及介质

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050255366A1 (en) * 2004-05-11 2005-11-17 Tighe Thomas W Variable active area for fuel cell
CN1744366A (zh) * 2004-08-30 2006-03-08 卡西欧计算机株式会社 燃料电池和燃料电池系统
KR20090084297A (ko) * 2008-01-31 2009-08-05 엘지전자 주식회사 단일셀 및 이를 복수개 구비한 연료전지

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3413524B2 (ja) 1991-11-01 2003-06-03 石川島播磨重工業株式会社 模擬燃料電池
JP2005093111A (ja) 2003-09-12 2005-04-07 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システムの制御装置
KR101126206B1 (ko) 2005-02-02 2012-03-23 삼성에스디아이 주식회사 연료전지 시스템
JP2008027813A (ja) 2006-07-24 2008-02-07 Gyoseiin Genshino Iinkai Kakuno Kenkyusho 燃料電池の燃料気体の反応制御模擬装置
JP2008034136A (ja) * 2006-07-26 2008-02-14 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2008140662A (ja) 2006-12-01 2008-06-19 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
KR20090053197A (ko) 2007-11-22 2009-05-27 엘지전자 주식회사 연료전지 시스템의 정지 장치 및 그 방법
KR101189000B1 (ko) * 2010-07-27 2012-10-08 삼성에스디아이 주식회사 고체산화물 연료전지 스택
KR101180157B1 (ko) * 2010-12-28 2012-09-05 주식회사 포스코 고체 산화물 연료전지의 불량 단위전지 처리장치 및 이의 설치 방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050255366A1 (en) * 2004-05-11 2005-11-17 Tighe Thomas W Variable active area for fuel cell
CN1744366A (zh) * 2004-08-30 2006-03-08 卡西欧计算机株式会社 燃料电池和燃料电池系统
KR20090084297A (ko) * 2008-01-31 2009-08-05 엘지전자 주식회사 단일셀 및 이를 복수개 구비한 연료전지

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115616419A (zh) * 2022-12-21 2023-01-17 武汉氢能与燃料电池产业技术研究院有限公司 燃料电池反极电压分布测试装置及测试方法

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