CN109301289B - 一种大面积燃料电池内部温度与压力分布的测试装置 - Google Patents

一种大面积燃料电池内部温度与压力分布的测试装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种大面积燃料电池内部温度与压力分布的测试装置，包括实心端板、实心极板、膜电极、镂空极板、镂空端板、温压一体传感器与数据采集装置，所述实心端板、实心极板、膜电极、镂空极板与镂空端板依次排列组装后通过紧固螺丝固定形成被测燃料电池，所述温压一体传感器固定设置在镂空极板上，所述温压一体传感器与数据采集装置通信连接。本发明中温压一体传感器安装在极板一侧，便于密封，且不会对膜电极造成损伤，本装置可以在燃料电池稳态运行或动态变载过程中同时在线测试电池内部的温度分布与压力分布。

Description

一种大面积燃料电池内部温度与压力分布的测试装置
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体为质子交换膜燃料电池内部温度与压力的测试装置。
背景技术
燃料电池是将燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，由于不受卡诺循环的限制，其与传统内燃机相比具有转化效率高、清洁无污染等特点。在能源问题与环境问题日益严峻的今天，燃料电池逐渐成为了全球的研究热点。尤其是质子交换膜燃料电池在电动汽车上的应用，成为了下一代洁净能源汽车的发展方向，目前国际上的各大汽车公司已经推出了量产的燃料电池汽车，燃料电池已经进入了商业化的初级阶段。
随着燃料电池技术与产业化的不断深入，燃料电池的寿命与稳定性成为了关键问题。目前对于燃料电池系统功率的需要日益增加，也要求燃料电池电堆的功率越来越高，因此燃料电池的单片面积逐渐增加。对于大面积燃料电池，由于沿着流道方向反应气体的分布不均匀，所以在电池平面内电流、电势、温度、压力等参数的分布也不均匀，这就会导致燃料电池的局部存在着电流过大、电势过高、局部热点等现象，这将会引起质子交换膜、催化剂或碳载体的加速衰减，降低燃料电池的寿命或使燃料电池局部失效。此外，对于车用的燃料电池，频繁的动态变载会加剧大面积燃料电池内部的参数分布不均，有文献指出在加载瞬间，阴极侧入口的局部电流是瞬间增加，导致温度远远高于出口处，其温差可达20℃。因此，想要提高燃料电池的寿命与可靠性，必须了解燃料电池内部的参数分布特性，了解燃料电池内部发生的传质、传热、反应等过程，进而对燃料电池进行结构改进。
目前，对于燃料电池内部参数分布的测试装置以内部温度测量装置为主，中国专利CN 101158607中采用微型热电偶安装在燃料电池内部的MEA表面，在线测量内部的温度分布，该方法制作简单、经济实用，但是将热电偶分布在MEA表面可能损伤MEA，导致测试结果不准确。中国专利CN 102157743中在石墨流场上相邻的流道之间设有薄膜热电偶插片来检测内部的温度分布，该方法可以对内部的温度进行实时测量，且对整体性能影响不大，但是该热电偶插片与电池之间不易密封，并且上述专利中仅能测试温度分布，无法获取其他参数信息，为了解决这一问题，本发明提供了以下技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大面积燃料电池内部温度与压力分布的测试装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种大面积燃料电池内部温度与压力分布的测试装置，包括实心端板、实心极板、膜电极、镂空极板、镂空端板、温压一体传感器与数据采集装置，所述实心端板、实心极板、膜电极、镂空极板与镂空端板依次排列组装后通过紧固螺丝固定形成被测燃料电池，所述温压一体传感器固定设置在镂空极板上，所述温压一体传感器与数据采集装置通信连接；
所述实心端板靠近实心极板的一面的边沿设置有胶线槽，所述胶线槽为深度为0.1～0.5mm的凹槽，胶线槽内填充有密封垫形成胶线，所述实心端板的材料为不锈钢、铝合金、石墨、树脂基复合材料中的一种；
所述实心极板连接有接线端子，实心极板靠近实心端板的一面设置有胶线槽与循环水流场，所述实心端板与实心极板通过胶线密封连接，所述实心极板靠近膜电极的一面设置有胶线槽与气体流场，所述实心极板与膜电极通过胶线密封，所述实心极板的材料为不锈钢或石墨；
所述镂空极板连接有接线端子，镂空极板在靠近膜电极的一面设置有胶线槽与气体流场，镂空极板与膜电极通过胶线密封，镂空极板在靠近镂空端板的一面设置有胶线槽，镂空端板与镂空极板通过胶线密封，所述镂空极板上均匀开设有若干固定孔，所述温压一体传感器通过固定孔螺纹密封固定安装在镂空极板上，镂空极板的材料为不锈钢或石墨；
所述实心端板、实心极板、膜电极、镂空极板与镂空端板的一端均对应开有空气进气开孔、冷却剂进口开孔与氢气进气开孔，实心端板、实心极板、膜电极、镂空极板与镂空端板的另一端均对应开有空气出气开孔、冷却剂出口开孔与氢气出气开孔，实心端板、实心极板、膜电极、镂空极板与镂空端板固定后，五个空气进气开孔组合形成空气入口，五个冷却剂进口开孔组合形成冷却剂入口，五个氢气进气开孔组合形成氢气入口，五个空气出气开孔组合形成空气出气口，五个冷却剂出口开孔组合形成冷却剂出口，五个氢气出气开孔组合形成氢气出气口，所述空气入口、氢气入口、空气出气口与氢气出气口均与气体流场接通，所述冷却剂入口与所述冷却剂出口均与循环水流场接通。
作为本发明的进一步方案，所述膜电极由电解质膜、电催化剂、扩散层与封装材料加工制成，其中电解质膜为均质Nafion膜或增强复合膜，电催化剂为铂基催化剂或非铂催化剂，扩散层为炭纸基扩散层或碳布基扩散层。
作为本发明的进一步方案，所述温压一体传感器对被测燃料电池进行温度与压力的在线测量，温压一体传感器的输出信号为模拟量4～20mA、0～5VDC或数字量RS485、RS232，温压一体传感器的输出信号由所述数据采集装置进行采集分析。
本发明的有益效果:
1、本发明中温压一体传感器安装在极板一侧，便于密封，且不会对膜电极造成损伤；
2、本发明能够在燃料电池稳态运行或动态变载过程中同时在线测试电池内部的温度分布与压力分布。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明的侧视图；
图2是本发明的局部结构爆炸图；
图3是镂空极板的结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种大面积燃料电池内部温度与压力分布的测试装置，如图1-3所示，包括实心端板1、实心极板2、膜电极3、镂空极板4、镂空端板5、温压一体传感器6与数据采集装置7，所述实心端板1、实心极板2、膜电极3、镂空极板4与镂空端板5依次排列组装后通过紧固螺丝8固定形成被测燃料电池，所述温压一体传感器6固定设置在镂空极板4上，所述温压一体传感器6与数据采集装置通信连接；
所述实心端板1靠近实心极板2的一面的边沿设置有胶线槽，所述胶线槽为深度为0.1～0.5mm的凹槽，胶线槽内填充有密封垫形成胶线，起到密封的效果，所述实心端板1的材料为不锈钢、铝合金、石墨、树脂基复合材料中的一种；
所述实心极板2连接有接线端子9，实心极板2靠近实心端板1的一面设置有胶线槽与循环水流场，所述实心端板1与实心极板2通过胶线密封连接，所述实心极板2靠近膜电极3的一面设置有胶线槽与气体流场，所述实心极板2与膜电极3通过胶线密封，所述实心极板2的材料为不锈钢或石墨；
所述膜电极3由电解质膜、电催化剂、扩散层与封装材料组成，其中电解质膜为均质Nafion膜或增强复合膜，电催化剂为铂基催化剂或非铂催化剂，扩散层为炭纸基扩散层或碳布基扩散层；
所述镂空极板4连接有接线端子9，镂空极板4在靠近膜电极3的一面设置有胶线槽与气体流场，镂空极板4与膜电极3通过胶线密封，镂空极板4在靠近镂空端板5的一面设置有胶线槽，镂空端板5与镂空极板4通过胶线密封，所述镂空极板4上均匀开设有若干固定孔46，固定孔46开设的数量与固定孔之间的距离根据所测燃料电池的有效面积进行确定，所述温压一体传感器6通过固定孔46螺纹密封固定安装在镂空极板4上，镂空极板4的材料为不锈钢或石墨；
所述温压一体传感器6用于对被测燃料电池进行温度与压力的在线测量，温压一体传感器6的输出信号为模拟量4～20mA、0～5VDC或数字量RS485、RS232，其输出信号由所述数据采集装置7进行采集分析，其中温压一体传感器6为深圳市尔达盛传感科技有限公司所生产的TPT706型号，数据采集装置7为National Instruments(NI公司)所生产的PXI-6229型号。
所述实心端板1、实心极板2、膜电极3、镂空极板4与镂空端板5的一端均对应开有空气进气开孔11、冷却剂进口开孔12与氢气进气开孔13，实心端板1、实心极板2、膜电极3、镂空极板4与镂空端板5的另一端均对应开有空气出气开孔14、冷却剂出口开孔15与氢气出气开孔16，实心端板1、实心极板2、膜电极3、镂空极板4与镂空端板5固定后，五个空气进气开孔11组合形成空气入口，五个冷却剂进口开孔12组合形成冷却剂入口，五个氢气进气开孔13组合形成氢气入口，五个空气出气开孔14组合形成空气出气口，五个冷却剂出口开孔15组合形成冷却剂出口，五个氢气出气开孔16组合形成氢气出气口，所述空气入口、氢气入口、空气出气口与氢气出气口均与气体流场接通，所述冷却剂入口与所述冷却剂出口均与循环水流场接通。
通过本发明所述测试装置测试大面积燃料电池阳极侧的温度分布与压力分布的方法为，首先在石墨阳极板上均匀开若干孔，通过所开孔分别安装温压一体传感器6，将燃料电池组装好，其中燃料电池的燃料气、氧化剂、循环水的进出口与燃料电池评价装置相连接，燃料电池上的接线端子9与电子负载相连接，温压一体传感器的电信号与数据采集装置相连接。将燃料电池开机活化后，进行变载操作或稳定运行，可以在数据采集装置测量阳极侧在动态运行或稳定运行过程中的温度与压力分布与变化，进而对电池结构以及动态过程中的控制策略进行优化。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种大面积燃料电池内部温度与压力分布的测试装置，其特征在于，包括实心端板(1)、实心极板(2)、膜电极(3)、镂空极板(4)、镂空端板(5)、温压一体传感器(6)与数据采集装置(7)，所述实心端板(1)、实心极板(2)、膜电极(3)、镂空极板(4)与镂空端板(5)依次排列组装后通过紧固螺丝(8)固定形成被测燃料电池，所述温压一体传感器(6)固定设置在镂空极板(4)上，所述温压一体传感器(6)与数据采集装置通信连接；
所述实心端板(1)靠近实心极板(2)的一面的边沿设置有胶线槽，所述胶线槽为深度为0.1~0.5mm的凹槽，胶线槽内填充有密封垫形成胶线，所述实心端板(1)的材料为不锈钢、铝合金、石墨、树脂基复合材料中的一种；
所述实心极板(2)连接有接线端子(9)，实心极板(2)靠近实心端板(1)的一面设置有胶线槽与循环水流场，所述实心端板(1)与实心极板(2)通过胶线密封连接，所述实心极板(2)靠近膜电极(3)的一面设置有胶线槽与气体流场，所述实心极板(2)与膜电极(3)通过胶线密封，所述实心极板(2)的材料为不锈钢或石墨；
所述镂空极板(4)连接有接线端子(9)，镂空极板(4)在靠近膜电极(3)的一面设置有胶线槽与气体流场，镂空极板(4)与膜电极(3)通过胶线密封，镂空极板(4)在靠近镂空端板(5)的一面设置有胶线槽，镂空端板(5)与镂空极板(4)通过胶线密封，所述镂空极板(4)上均匀开设有若干固定孔(46)，所述温压一体传感器(6)通过固定孔(46)螺纹密封固定安装在镂空极板(4)上，镂空极板(4)的材料为不锈钢或石墨；
所述实心端板(1)、实心极板(2)、膜电极(3)、镂空极板(4)与镂空端板(5)的一端均对应开有空气进气开孔(11)、冷却剂进口开孔(12)与氢气进气开孔(13)，实心端板(1)、实心极板(2)、膜电极(3)、镂空极板(4)与镂空端板(5)的另一端均对应开有空气出气开孔(14)、冷却剂出口开孔(15)与氢气出气开孔(16)，实心端板(1)、实心极板(2)、膜电极(3)、镂空极板(4)与镂空端板(5)固定后，五个空气进气开孔(11)组合形成空气入口，五个冷却剂进口开孔(12)组合形成冷却剂入口，五个氢气进气开孔(13)组合形成氢气入口，五个空气出气开孔(14)组合形成空气出气口，五个冷却剂出口开孔(15)组合形成冷却剂出口，五个氢气出气开孔(16)组合形成氢气出气口，所述空气入口、氢气入口、空气出气口与氢气出气口均与气体流场接通，所述冷却剂入口与所述冷却剂出口均与循环水流场接通；
所述膜电极(3)由电解质膜、电催化剂、扩散层与封装材料加工制成，其中电解质膜为均质Nafion膜或增强复合膜，电催化剂为铂基催化剂或非铂催化剂，扩散层为炭纸基扩散层或碳布基扩散层；
所述温压一体传感器(6)对被测燃料电池进行温度与压力的在线测量，温压一体传感器(6)的输出信号为模拟量4~20mA、0~5VDC或数字量RS485、RS232，温压一体传感器(6)的输出信号由所述数据采集装置(7)进行采集分析。
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