CN105161739B - 燃料电池装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种燃料电池装置。该装置包括依次贴合连接的阴极集流板、阴极组合式流场冷却板、膜电极组件、阳极组合式流场冷却板和阳极导电平板，其中，膜电极组件包括交换膜，多个阴极催化剂层和多个阴极气体扩散层，以及多个阳极催化剂层和多个阳极气体扩散层；阴极集流板包括绝缘基体多个导电层，每个导电层通过导线与集流端子连接，且每个导电层与集流端子之间的导线上串联有电流传感器；阴极组合式流场冷却板和阳极组合式流场冷却板均由多个依次排列的导电区域模块和设置于相邻导电区域模块之间的绝缘区域模块组成。该装置能实时监测电池内部各局部区域的实际反应性能分布及反应条件分布。
Description
技术领域
本发明涉及电池领域，具体而言，涉及一种燃料电池装置。
背景技术
燃料电池是一种环境友好、高效、长寿命的发电装置。以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为例，燃料气体从阳极侧进入，氢原子在阳极失去电子变成质子，质子穿过质子交换膜到达阴极，电子同时经由外部回路也到达阴极，而在阴极质子、电子与氧气结合生成水。燃料电池采用非燃烧的方式将化学能转化为电能，由于不受卡诺循环的限制其直接发电效率可高达45％。以电池堆为核心发电装置，燃料电池系统集成了电源管理，热管理等模块，具有热、电、水、气统筹管理的特征。燃料电池系统产品从固定式电站，到移动式电源；从电动汽车，到航天飞船；从军用装备，到民用产品有着广泛的应用空间。
在现有的燃料电池结构中，一般为双极板与膜电极依次叠合，形成多节甚至数十节的电池堆，从而形成功率较高的发电装置。如图1所示，燃料电池结构由双极板B和膜电极MEA叠放而成，其中双极板的上表面为阳极，下表面为阴极，膜电极的上表面为阴极，膜电极的下表面为阳极，在电池堆的两端通过集流板C1与C2实现电池堆整体电流的收集。其中，膜电极为电化学反应发生的场所，由催化剂(一般为Pt/C)和质子交换膜组成。其中，双极板上刻有流道，以均匀分配反应气体。
现有的设计中，一般采用石墨雕刻加工的双极板，如图2所示，B1为阳极板，B2为阴极板，B3为阳极板的流道以供燃料氢气的流通，B4为阴极板的流道以供氧化剂气体(空气或氧气)的流通，B5为阴极板另一侧的流道以供冷却液(去离子水)的流通。图3为燃料电池膜电极截面结构。其中M1为阳极气体扩散层，M2为阳极催化剂层，M3为质子交换膜，M4为阴极催化剂层，M5为阴极气体扩散层。图4为现有燃料电池电堆截面结构，其中，MEA为膜电极，B1为阳极板，B2为阴极板。
对于现有燃料电池堆的设计与操作，燃料电池的性能只能通过电池堆整体的电压来判断或者通过电池堆内每一节电池的电压判断。然而，当电池堆整体性能下降或者某一节电压下降时，却无法判断燃料电池某一节电池在具体哪个部位出现了故障，从而无法针对现有设计进行优化与改进。如图5所示，为现有设计较为常见的燃料电池的双极板的阳极端正面图，其中虚线区域为膜电极反应区，而显然，氢气从氢气进口到氢气出口的过程中经过流道的输运与反应的消耗，氢气的浓度、湿度、温度等反应条件在整个膜电极反应区域是不可能完全一致的；对于空气端也存在相同的问题，空气从空气进口到空气出口的过程中经过流道的输运不可能完全一致；对于冷却水也存在相同的问题，冷却水从冷却水进口到冷却水出口的过程中经过流道的输运不可能完全一致。不一致的局部反应条件与膜电极工作环境，导致膜电极在不同区域的性能以及不同区域的性能衰减分布不均，而限制燃料电池性能与寿命的关键则是性能最低以及性能衰减最快的局部区域。
如图6所示为燃料电池双极板正面图(没有显示流道)，将虚线膜电极反应区域划分为从R1到R16的不同区域，以该图为例进行定性分析，在燃料电池不加湿操作的条件下，进口处R1的相对湿度最低，而出口处R16的相对湿度则最高，因此R1处的质子交换膜最干燥，电池内阻最大，导致该区域的性能最低，衰减也最为迅速；在大电流密度操作条件下，由于生成水的增加，R16区域的相对湿度往往超过100％，造成液态水在流道中的堆积，从而导致气体无法输送至反应电极的表面，加速膜电极的性能衰减。
燃料电池的性能下降与寿命衰减，一般最先发生在某些局部区域(如上述定性分析，不局限于上述分析)，而其他大部分区域则保持良好的性能与使用寿命，然而，这些现象在现有燃料电池装置条件下无法实验定量测出(现有燃料电池只能测出电池在给定电流条件下的整体输出电压)，从而无法通过目的性的改善局部区域的反应条件与性能，而大幅提高燃料电池性能与寿命。
因此，如何实时监测电池内部各局部区域的实际反应性能分布及反应条件分布等，从而有目的性的改善电池的设计与操作参数，优化燃料电池性能与寿命，并大幅提高燃料电池研发效率，成为本领域亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种燃料电池装置，以实时监测电池内部各局部区域的实际反应性能分布及反应条件分布。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种燃料电池装置，包括依次贴合连接的阴极集流板、阴极组合式流场冷却板、膜电极组件、阳极组合式流场冷却板和阳极导电平板，其中，膜电极组件包括交换膜，位于交换膜靠近阴极流场板的表面上的多个阴极催化剂层和多个阴极气体扩散层，以及位于交换膜靠近阳极流场板的表面上的多个阳极催化剂层和多个阳极气体扩散层；阴极集流板包括绝缘基体，位于绝缘基体远离阴极冷却板的表面上的多个导电层，每个导电层通过导线与集流端子连接，且每个导电层与集流端子之间的导线上串联有电流传感器；阴极组合式流场冷却板和阳极组合式流场冷却板均由多个依次排列的导电区域模块和设置于相邻导电区域模块之间的绝缘区域模块组成，且导电区域模块靠近膜电极组件的表面上设置有多条并行的气体流道，阳极组合式流场冷却板的内部均设置有多条并行的冷却液体流道。
进一步地，各阴极催化剂层和各阳极催化剂层在同一方向上以相同间隔依次排列，且多个阴极催化剂层的位置与各阳极催化剂层的位置一一对应。
进一步地，各阴极催化剂层和各阳极催化剂层具有相同的形状和尺寸。
进一步地，膜电极组件还包括：覆盖于阴极催化剂层和阴极气体扩散层上的阴极密封垫片，以及覆盖于阳极催化剂层和阳极气体扩散层上的阳极密封垫，且阴极密封垫片具有面积和形状与阴极催化剂层相一致的中空区域，阳极密封垫片具有面积和形状与阳极催化剂层相一致的中空区域。
进一步地，各导电层的位置与阴极催化剂层的位置一一对应。
进一步地，各导电层与各阴极催化剂层具有相同的形状和尺寸。
进一步地，绝缘区域模块靠近膜电极组件的表面上设置有与气体流道相连的沟槽，沟槽中设置有温湿度传感器，导电区域模块中设置有与冷却液体流道相连的通孔。
进一步地，气体流道的深度小于1mm，沟槽的深度均小于1mm，冷却液体流道的深度小于1mm。
进一步地，各沟槽的位置与阴极催化剂层的位置一一对应。
进一步地，燃料电池装置还包括依次贴合于阴极集流板上的阴极绝缘板和阴极端板，以及依次贴合于阳极导电平板上的阳极绝缘板和阳极端板，且燃料电池装置的所有部件通过螺栓紧固集成于一体。
应用本发明的技术方案，本发明通过提供一种新型的燃料电池分区电池装置及其内部性能表征部件设计，可实时监测电池内部各局部区域的实际反应性能分布及反应条件分布等，从而有目的性的改善电池的设计与操作参数，优化燃料电池性能与寿命，并大幅提高燃料电池研发效率。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了现有燃料电池堆的装配结构示意图；
图2示出了现有燃料电池堆中双极板的截面结构示意图；
图3示出了现有燃料电池堆中膜电极的截面结构示意图；
图4示出了现有燃料电池堆的堆叠结构示意图；
图5示出了现有燃料电池堆中双极板的阳极端的正面视图；
图6示出了现有燃料电池堆中双极板的正面视图；
图7示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置的装配结构图；
图8示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置的透视装配结构图；
图9(a)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中膜电极组件的装配图；
图9(b)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中一体化后的膜电极组件的结构图；
图10示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阴极组合式流场冷却板的结构示意图；
图11示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阳极组合式流场冷却板的结构示意图；
图12(a)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阴极组合式流场冷却板中，中间导电区域模块和绝缘区域模块的组装后部件的结构示意图；
图12(b)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阴极组合式流场冷却板中，中间导电区域模块和绝缘区域模块的装配示意图；
图12(c)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阴极组合式流场冷却板中，中间导电区域模块的背面结构示意图；
图13(a)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阴极组合式流场冷却板中，进出口导电区域模块导电区域模块和绝缘区域模块的组装后部件的结构示意图；
图13(b)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阴极组合式流场冷却板中，进出口导电区域模块导电区域模块和绝缘区域模块的装配示意图；
图13(c)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阴极组合式流场冷却板中，进出口导电区域模块导电区域模块的背面结构示意图；
图14(a)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阴极绝缘板的结构示意图；
图14(b)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阳极绝缘板的结构示意图；
图15(a)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阴极集流板的结构示意图；
图15(b)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阳极集流板的结构示意图；
图16(a)示出了仅集流装置采用分区设计时燃料电池装置的截面示意图；
图16(b)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置的截面示意图；以及
图17示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置的堆叠结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
本发明提供了一种新型的燃料电池组合式分区电池装置及其内部性能表征部件，可实时监测电池内部各局部区域的实际反应电流密度分布，判断各种操作条件下燃料电池内部不同区域的反应性能及其性能衰减分布情况，同时通过内部设计的嵌入式温湿度传感器，测量出电池内部不同区域的温度与湿度分布，从而有目的性的改善电池的设计与操作参数，优化燃料电池性能与寿命，并大幅提高燃料电池研发效率。
该燃料电池装置包括依次贴合连接的阴极集流板、阴极组合式流场冷却板、膜电极组件、阳极组合式流场冷却板和阳极导电平板，其中，膜电极组件包括交换膜，位于交换膜靠近阴极流场板的表面上的多个阴极催化剂层和多个阴极气体扩散层，以及位于交换膜靠近阳极流场板的表面上的多个阳极催化剂层和多个阳极气体扩散层；阴极集流板包括绝缘基体，位于绝缘基体远离阴极冷却板的表面上的多个导电层，每个导电层通过导线与集流端子连接，且每个导电层与集流端子之间的导线上串联有电流传感器；阴极组合式流场冷却板和阳极组合式流场冷却板均由多个依次排列的导电区域模块和设置于相邻导电区域模块之间的绝缘区域模块组成，且导电区域模块靠近膜电极组件的表面上设置有多条并行的气体流道，阳极组合式流场冷却板的内部均设置有多条并行的冷却液体流道。
上述燃料电池装置中，优选地，进一步地，各阴极催化剂层和各阳极催化剂层在同一方向上以相同间隔依次排列，且多个阴极催化剂层的位置与各阳极催化剂层的位置一一对应。更优选地，各阴极催化剂层和各阳极催化剂层具有相同的形状和尺寸。
上述膜电极组件还包括：覆盖于阴极催化剂层和阴极气体扩散层上的阴极密封垫片，以及覆盖于阳极催化剂层和阳极气体扩散层上的阳极密封垫，且阴极密封垫片具有面积和形状与阴极催化剂层相一致的中空区域，阳极密封垫片具有面积和形状与阳极催化剂层相一致的中空区域。
上述燃料电池装置中，优选地，各导电层的位置与阴极催化剂层的位置一一对应。更为优选地，各导电层与各阴极催化剂层具有相同的形状和尺寸。
绝缘区域模块靠近膜电极组件的表面上设置有与气体流道相连的沟槽，沟槽中设置有温湿度传感器，导电区域模块中设置有与冷却液体流道相连的通孔。优选地，气体流道的深度小于1mm，沟槽的深度均小于1mm，冷却液体流道的深度小于1mm。更优选地，各沟槽的位置与阴极催化剂层的位置一一对应。
进一步地，燃料电池装置还包括依次贴合于阴极集流板上的阴极绝缘板和阴极端板，以及依次贴合于阳极导电平板上的阳极绝缘板和阳极端板，且燃料电池装置的所有部件通过螺栓紧固集成于一体。
本发明设计的燃料电池装置适用于质子交换膜燃料电池，也可适用于甲醇燃料电池、碱性燃料电池等。下面将以质子交换膜燃料电池(氢氧燃料电池)为例，并结合附图进一步说明本发明实施方式所提供的燃料电池装置。
图7示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置的装配结构图。其中，SS1，SS2分别为阴极端板和与阳极端板，通过端部螺栓的紧固将电池的所有部件装配集成于一体；PSF1，PSF2分别为阴极绝缘板和阳极绝缘板，实现端部的电绝缘功能，同时提供氢气、空气以及冷却水的进出口设计；PCB为阴极集流板(即阴极的电流分区集流装置)，可通过印刷电路板实现；CC为阳极集流板)；SP1为阴极组合式流场冷却板，其中设计有供空气流通的气体流道以及供冷却水流通的液体流道，在该图中SP1由导电材料部件与绝缘材料部件相互间隔的构成十块分区模块，且每块分区之间由绝缘材料部件实现电绝缘；SP2为阳极组合式流场冷却板，也性能十块相互电绝缘的分区模块；MEA为分区设计的膜电极组件，由质子交换膜、阴阳极催化剂层、阴阳极气体扩散层以及阴阳极密封垫片组成。
图8示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置的透视装配结构图。其中，D1标注的箭头方向为空气的流通路径。D2标注的箭头方向为氢气的流通路径。D3标注的虚线箭头方向为冷却水的流通路径。注意，此处标注的氢气、空气与冷却水的流动方式，只是可行的流动方式的一种实例，并不局限于此种流动方式。氢气、空气与冷却水在电池中的流动方向可以是一致的，也可以是不一致的，如果变动流动方式只需要改变PSF1与PSF2部件的相应进出口位置即可。
图9(a)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中膜电极组件的装配图；图9(b)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中一体化后的膜电极组件的结构图。M为交换膜，M001为定位孔，M002为通孔以供冷却水穿过。在M的两侧分别涂有阴阳极催化剂，形成面积相等的区域(图中显示了十块区域)，由M003表示，在每个催化剂区域外侧覆盖有与催化剂区域面积相等的气体扩散层(图中没有单独标出)。G1与G2分别为阴极密封垫片和阳极密封垫片，G001为定位孔，G002为通孔以供冷却水穿过，G003为中空区域，其面积及形状与催化剂涂覆区域M003一致。
图10示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阴极组合式流场冷却板的结构示意图SP1，该部件能实现以下几个功能：(1)由绝缘部件隔绝为十块相对独立的电池区域，以更为精确的测量不同区域的反应电流密度(隔绝相邻电池区域之间的横向电流)；(2)流场结构分为两个部分，以图10为例，上层供空气流通，内部流场供冷却水流通；(3)冷却水的流动速率调节，实现可控的温度梯度；(4)绝缘部件表面设计沟槽，可嵌入温湿度传感器，以测量电池内部的温度与湿度分布。
其中，SP002为通孔以供冷却水穿过，SP003为通孔以供空气进入/流出，SP004为空气导流的沟槽，其深度为0～1mm之间。阴极组合式分区流场板SP1主要分为三种不同的结构模块：进出口导电区域模块S001，中间导电区域模块S002，以及绝缘区域模块S003。其相对位置结构如图10所示，S001与S002一般由石墨导电材料构成，S003则一般为绝缘塑料部件，两个S001部件构成进口与出口分区，八个S002构成中间的八个分区，九个S003部件置于相邻的导电部件之间实现电绝缘从而隔绝相邻分区电池之间的横向导通电流，大幅提高电流密度分布的测量精度。
图11示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阳极组合式流场冷却板SP2的结构示意图。阳极组合式流场冷却板SP2与阴极组合式流场冷却板SP1主要的区别在于气体导流沟槽SP004，两者以中心线为轴互为对称。
图12(a)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阴极组合式流场冷却板中，中间导电区域模块和绝缘区域模块的组装后部件的结构示意图；图12(b)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阴极组合式流场冷却板中，中间导电区域模块和绝缘区域模块的装配示意图；图12(c)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阴极组合式流场冷却板中，中间导电区域模块的背面结构示意图。其中，S003为电绝缘部件；S0031为温湿度传感器，S0032为S003上设计的沟槽结构以放置S0031传感器；S0035为S003上设计的小孔结构以供传感器的信号线接出电池以外测量，信号线接出之后用高分子粘结剂将S0035孔密封；S0033为S003上设计的导流流道，且S0033流道与S002上的流道设计结构一致，以保证气体流动的连续性；S0034为S003内部设计的凹陷结构，以供S002部件插入。其中，S002为分区设计的导电流场部件，由两个导电部件S002A与S002B贴合构成(一般为石墨板部件)；S0021为气体流道结构；S0022与S0023为凸出结构，两者贴合装配后正好嵌入S0034凹陷结构中；S0024与S0025为供冷却水流动的流道结构；AS1为S002A与S002B部件之间的装配关系；AS2为S002与S003之间的装配关系。
图13(a)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阴极组合式流场冷却板中，进出口导电区域模块导电区域模块和绝缘区域模块的组装后部件的结构示意图；图13(b)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阴极组合式流场冷却板中，进出口导电区域模块导电区域模块和绝缘区域模块的装配示意图；图13(c)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阴极组合式流场冷却板中，进出口导电区域模块导电区域模块的背面结构示意图。其中，SP001为定位孔，SP002为通孔以供冷却水穿过，SP003为通孔以供空气进入/流出，S003为电绝缘部件；S001为分区设计的进出口部位导电流场部件，由两个导电部件S001A与S001B贴合构成(一般为石墨板部件)；S0011为气体流道结构；S0012为分配气体的导流槽结构；S0013与S0014为凸出结构，两者贴合装配后正好嵌入凹陷结构中；S0015、S0016与S0017为供冷却水流动的流道结构，S0017为分配冷却水的导流槽结构，S0016为冷却水流道；AS3为S001A与S001B部件之间的装配关系；AS4为S001与S003之间的装配关系。
图14(a)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阴极绝缘板PSF1的结构示意图；图14(b)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阳极绝缘板PSF2的结构示意图。其中，PSF101为定位孔，PSF102为空气进口，PSF104为空气出口，PSF103为冷却水出口；PSF201为定位孔，PSF202为冷却水进口，PSF204为氢气进口，PSF203为氢气出口。
图15(a)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阴极集流板PCB的结构示意图；图15(b)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阳极集流板CC的结构示意图。其中，阴极集流板PCB为分区集流装置，能够同时独立地收集不同膜电极反应区域产生的电流，并通过PCB装置上集成的电流传感器，实时监测不同膜电极反应区域的具体电流值。PCB001为定位孔，PCB002与PCB003为通孔以供冷却水穿过，PCB004与PCB005为通孔以供空气穿过。PCB装置的基体为绝缘体，在其上覆盖有一定厚度的导电层(可以为铜导电层)，其中，PCB01为方形的导电层，一共设计有十块，分别对应十块膜电极反应区域的形状与面积；PCB02为导电线路，分别将十块PCB01收集到的电流，导通至集流端子PCB04，供电池整体电流的输出；在每一条导电线路PCB02上，分别设计一个电流传感器PCB03，一般为定值的精密电阻(1～10毫欧)，由于电流的通过将在精密电阻两端产生电压差，并实时采集该电压值，从而将收集的十块分区的电流信号转化为可实时监测读取的电压信号，最终实现燃料电池分区集流与监测功能。
其中，阳极集流板CC为整体集流，为铜、不锈钢等导电金属材料构成的整块导电平板结构。CC001为定位孔，CC002与CC003为通孔以供冷却水穿过，CC004与CC005为通孔以供氢气穿过，CC006为集流区域以供集流导线的连接。
图16(a)示出了仅集流装置采用分区设计时燃料电池装置的截面示意图；图16(b)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置的截面示意图，以两个分区为例。其中，图16(a)为流场板与冷却板没有进行分区的设计，该电池中仅有集流装置采用分区设计，CC为阳极集流板；MEA为膜电极；PCB01为分区的导电层，分别对应于膜电极反应分区的形状与面积；PCB02为导电线路，PCB03为电流传感器；BP1与CP1分别为阴极流场板与阴极流场板；BP2与CP2分别为阳极流场板与阳极流场板；由于BP1、CP1、BP2、CP2为良导体，当两块分区收集的电流不一致时，会产生分区之间的横向漏电流CL(黑色箭头表示，在BP1、CP1、BP2、CP2的平面方向上)，增加了PCB01分区集流装置收集的电流误差。因此，本发明中采用了图16(b)的设计，针对气体流场板与冷却水流场板进行分区设计，实现相邻分区之间的电绝缘。其中，CC为阳极集流板；MEA为膜电极，PCB01为分区的导电层，分别对应于膜电极反应分区的形状与面积；PCB02为导电线路，PCB03为电流传感器，S002A为气体流场分区；S002B为冷却水流场分区；S003为绝缘结构件；S0031为温湿度传感器，嵌于S003内设计的沟槽中。(b)设计隔绝了分区之间的横向漏电流CL，大幅提高了分区电流测量的精确性。
图17示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置的堆叠结构示意图，其中主要显示了气体流场板S002A、冷却板S002B、端部气体流场板S001A、端部冷却板S001B、绝缘结构件S003、分区膜电极MEA、阳极集流板CC等部件，在装配时各部位之间的位置对应关系。其中，膜电极的每个分区与PCB集流板的每个分区分别一一对应，以保证电流的准确收集与测量。图中，PCB01为方形的导电层，,PCB02为导电线路，PCB03为电流传感器，S0031为温湿度传感器。
其工作原理为：如图17所示氢气从阳极侧进入，氢原子在阳极失去电子变成质子，质子穿过质子交换膜到达阴极，电子同时经由外部回路也到达阴极，而在阴极质子、电子与如图17所示的氧气结合生成水。在此过程中，阳极和阴极均通入冷却水(如图17所示)。
从以上实施例可以看出，本发明上述的实例实现了如下技术效果：本发明通过提供一种新型的燃料电池分区电池装置及其内部性能表征部件设计，可实时监测电池内部各局部区域的实际反应性能分布及反应条件分布等，从而有目的性的改善电池的设计与操作参数，优化燃料电池性能与寿命，并大幅提高燃料电池研发效率。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种燃料电池装置，其特征在于，包括依次贴合连接的阴极集流板、阴极组合式流场冷却板、膜电极组件、阳极组合式流场冷却板和阳极导电平板，其中，
所述膜电极组件包括交换膜，位于所述交换膜靠近所述阴极流场板的表面上的多个阴极催化剂层和多个阴极气体扩散层，以及位于所述交换膜靠近所述阳极流场板的表面上的多个阳极催化剂层和多个阳极气体扩散层；
所述阴极集流板包括绝缘基体，位于所述绝缘基体远离所述阴极冷却板的表面上的多个导电层，每个所述导电层通过导线与集流端子连接，且每个所述导电层与所述集流端子之间的导线上串联有电流传感器；
所述阴极组合式流场冷却板和所述阳极组合式流场冷却板均由多个依次排列的导电区域模块和设置于相邻所述导电区域模块之间的绝缘区域模块组成，且所述导电区域模块靠近所述膜电极组件的表面上设置有多条并行的气体流道，所述阳极组合式流场冷却板的内部均设置有多条并行的冷却液体流道。
2.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于，各所述阴极催化剂层和各所述阳极催化剂层在同一方向上以相同间隔依次排列，且所述多个阴极催化剂层的位置与各所述阳极催化剂层的位置一一对应。
3.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于，各所述阴极催化剂层和各所述阳极催化剂层具有相同的形状和尺寸。
4.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于，所述膜电极组件还包括：覆盖于所述阴极催化剂层和所述阴极气体扩散层上的阴极密封垫片，以及覆盖于所述阳极催化剂层和所述阳极气体扩散层上的阳极密封垫片，且所述阴极密封垫片具有面积和形状与所述阴极催化剂层相一致的中空区域，所述阳极密封垫片具有面积和形状与所述阳极催化剂层相一致的中空区域。
5.根据权利要求2所述的燃料电池装置，其特征在于，各所述导电层的位置与所述阴极催化剂层的位置一一对应。
6.根据权利要求3所述的燃料电池装置，其特征在于，各所述导电层与各所述阴极催化剂层具有相同的形状和尺寸。
7.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于，所述绝缘区域模块靠近所述膜电极组件的表面上设置有与所述气体流道相连的沟槽，所述沟槽中设置有温湿度传感器，所述导电区域模块中设置有与所述冷却液体流道相连的通孔。
8.根据权利要求7所述的燃料电池装置，其特征在于，所述气体流道的深度小于1mm，所述沟槽的深度均小于1mm，所述冷却液体流道的深度小于1mm。
9.根据权利要求7所述的燃料电池装置，其特征在于，各所述沟槽的位置与所述阴极催化剂层的位置一一对应。
10.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于，所述燃料电池装置还包括依次贴合于所述阴极集流板上的阴极绝缘板和阴极端板，以及依次贴合于所述阳极导电平板上的阳极绝缘板和阳极端板，且所述燃料电池装置的所有部件通过螺栓紧固集成于一体。
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Citations (3)
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Patent Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
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| CN103413957A (zh) * | 2013-08-26 | 2013-11-27 | 中国东方电气集团有限公司 | 燃料电池系统 |
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