CN109802159A - 燃料电池气体采样系统及采样方法 - Google Patents

燃料电池气体采样系统及采样方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109802159A
CN109802159A CN201811646079.XA CN201811646079A CN109802159A CN 109802159 A CN109802159 A CN 109802159A CN 201811646079 A CN201811646079 A CN 201811646079A CN 109802159 A CN109802159 A CN 109802159A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fuel cell
gas
sampling
sampled point
anode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201811646079.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN109802159B (zh
Inventor
李建秋
王清
徐梁飞
方川
欧阳明高
胡尊严
江宏亮
赵兴旺
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tsinghua University
Original Assignee
Tsinghua University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tsinghua University filed Critical Tsinghua University
Priority to CN201811646079.XA priority Critical patent/CN109802159B/zh
Publication of CN109802159A publication Critical patent/CN109802159A/zh
Priority to PCT/CN2019/128921 priority patent/WO2020135644A1/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109802159B publication Critical patent/CN109802159B/zh
Priority to US17/340,094 priority patent/US20210305597A1/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本申请涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池气体采样系统及采样方法。所述燃料电池气体采样方法中设置所述多个采样点分别获取燃料电池中不同位置的采样气体，以实现燃料电池内部多点气体的采样，实时监控到燃料电池内部不同位置气体含量。所述多个采样点伸入所述阳极流道和所述阴极流道横截面的中心区域，可以精确的获取流经流道的气体。通过在燃料电池的阳极板和阴极板的流道中设置多个所述采样点可以获取各点的采样气体，分析气体的含量及浓度可以帮助燃料电池获得更安全可靠的工作条件，有利于保证燃料电池的工作安全和工作寿命，保证燃料电池的利用率。

Description

燃料电池气体采样系统及采样方法
技术领域
本申请涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池气体采样系统及采样方法。
背景技术
燃料电池是一种电化学发电设备，其原理是：燃料(例如氢)和氧化剂(例如空气)通过膜电极发生电化学反应，产生电动势。质子交换膜燃料电池通常采用能够传递质子的聚合物膜作为电解质，反应过程中，质子通过膜从阳极传递到阴极，电子通过外接负载从阳极传递到阴极。燃料电池内部的气体浓度对于燃料电池的性能评价具有很重要的意义。因此，燃料电池系统内部气体采样的系统和方法变得十分重要。
目前针对燃料电池大单片、或者说不同类型的燃料电池单片内部气体采样的方法不是很成熟。传统的方案只是针对单流道的燃料电池小单片，采用单一的采样口实现采样。传统的方案并不能实现燃料电池内部多点气体的采样，无法监控到燃料电池内部不同位置的气体含量。
发明内容
基于此，有必要针对传统的方案并不能实现燃料电池内部多点气体的采样，无法监控到燃料电池内部不同位置气体含量的问题，提供一种燃料电池气体采样系统及采样方法。
一种燃料电池气体采样方法，包括：
设置采样管路和多个采样点，所述多个采样点设置于燃料电池的阴极入口、阳极出口、阳极入口、阴极出口以及阳极流道和阴极流道中，其中，设置于所述阳极流道和所述阴极流道中的采样点伸入流道横截面的中心区域；所述采样管路与所述多个采样点分别连接，用于实现燃料电池内部气体的导出；
向所述阴极入口和所述阳极入口分别通入反应气体，并在燃料电池的阳极板和阴极板之间加入电子负载；
获取经所述采样管路导出的所述多个采样点的采集气体，以完成对燃料电池气体的采样。
在一个实施例中，设置所述多个采样点的步骤具体包括：
沿燃料电池的所述阳极流道中流道的走向方向等间距的设置所述多个采样点；
沿燃料电池的所述阴极流道中流道的走向方向等间距的设置所述多个采样点。
在一个实施例中，燃料电池包括至少三条所述阳极流道和至少三条所述阴极流道，
设置所述多个采样点的步骤具体还包括：
在每间隔一条或者多条的所述阳极流道上设置所述多个采样点；
在每间隔一条或者多条的所述阴极流道上设置所述多个采样点。
在一个实施例中，设置所述多个采样点的步骤具体包括：
沿燃料电池内部的所述阳极流道中流道的走向方向划分多个区域，将所述多个采样点设置于区域边界，不同区域中所述采样点分布的密集度不完全相同；
沿燃料电池内部的所述阴极流道中流道的走向方向划分多个区域，不同区域中所述采样点分布的密集度不完全相同。
在一个实施例中，在向所述阴极入口和所述阳极入口分别通入反应气体，并在燃料电池的阳极板和阴极板之间加入电子负载的步骤之前，还包括：
向所述采样管路中通入惰性气体，以实现对所述多个采样点和所述采样管路的清扫。
在一个实施例中，在获取经所述采样管路导出的所述多个采样点的采集气体，以完成对燃料电池气体的采样的步骤之前，还包括：
提供采样装置；
向所述采样管路中通入阳极标准气，通过所述采样装置分析采样气体，以获得第一类采样结果；
向所述采样管路中通入阴极标准气，通过所述采样装置分析采样气体，以获得第二类采样结果；
重复上述两个步骤，获得多个所述第一类采样结果和多个所述第二类采样结果，对多个所述第一类采样结果和多个所述第二类采样结果进行分析计算，以获得所述采样装置的采样修正系数，完成对所述采样装置的标定。
一种燃料电池气体采样系统，包括：
阳极板，具有为气体流动提供通道的阳极流道；
膜电极，设置于所述阳极板具有所述阳极流道的一侧；
阴极板，设置于所述膜电极远离所述阳极板的一侧，所述阴极板具有为气体流动提供通道的阴极流道；
多个采样点，设置于所述阳极流道和所述阴极流道，并且伸入流道横截面的中心区域；以及
采样管路，与所述多个采样点分别连接，用于实现燃料电池内部气体的导出。
在一个实施例中，所述多个采样点沿所述阳极流道中流道的走向方向等间距的设置以及沿所述阴极流道中流道的走向方向等间距的设置。
在一个实施例中，燃料电池包括至少三条所述阳极流道和至少三条所述阴极流道，
所述多个采样点分别在每间隔一条或者多条的所述阳极流道的流道中和每间隔一条或者多条的所述阴极流道的流道中设置。
在一个实施例中，所述阳极流道中沿流道的走向方向具有多个第一类区域，所述阴极流道中沿流道的走向方向具有多个第二类区域，所述多个采样点分别设置于每一个第一类区域边界所在的流道和每一个第二类区域边界所在的流道，不同区域中所述采样点分布的密集度不完全相同。
本申请中提供的所述燃料电池气体采样方法，设置所述多个采样点分别获取燃料电池中不同位置的采样气体，以实现燃料电池内部多点气体的采样，实时监控到燃料电池内部不同位置气体含量。所述多个采样点伸入所述阳极流道和所述阴极流道横截面的中心区域，可以精确的获取流经流道的气体。通过在燃料电池的阳极板和阴极板的流道中设置多个所述采样点可以获取各点的采样气体，分析气体的含量及浓度可以帮助燃料电池获得更安全可靠的工作条件，有利于保证燃料电池的工作安全和工作寿命，保证燃料电池的利用率。
附图说明
图1为本申请一个实施例中提供的燃料电池气体采样方法流程图；
图2为本申请一个实施例中提供的燃料电池气体采样系统结构示意图；
图3为本申请一个实施例中提供的平行流道阳极板中采样点的分布位置示意图；
图4为本申请一个实施例中提供的平行流道阳极板中采样点的分布位置示意图；
图5为本申请一个实施例中提供的平行流道阳极板中采样点的分布位置示意图；
图6为本申请一个实施例中提供的平行流道阴极板中采样点的分布位置示意图；
图7为本申请一个实施例中提供的平行流道阴极板中采样点的分布位置示意图；
图8为本申请一个实施例中提供的平行流道阴极板中采样点的分布位置示意图；
图9为本申请一个实施例中提供的蛇形流道阳极板中采样点的分布位置示意图；
图10为本申请一个实施例中提供的蛇形流道阳极板中采样点的分布位置示意图；
图11为本申请一个实施例中提供的蛇形流道阳极板中采样点的分布位置示意图；
图12为本申请一个实施例中提供的蛇形流道阴极板中采样点的分布位置示意图；
图13为本申请一个实施例中提供的蛇形流道阴极板中采样点的分布位置示意图；
图14为本申请一个实施例中提供的蛇形流道阴极板中采样点的分布位置示意图；
图15为本申请一个实施例中提供的交指形流道阳极板中采样点的分布位置示意图；
图16为本申请一个实施例中提供的交指形流道阳极板中采样点的分布位置示意图；
图17为本申请一个实施例中提供的交指形流道阳极板流道气体流动示意图；
图18为本申请一个实施例中提供的交指形流道阴极板中采样点的分布位置示意图；
图19为本申请一个实施例中提供的交指形流道阴极板中采样点的分布位置示意图；
图20为本申请一个实施例中提供的交指形流道阴极板流道气体流动示意图。
附图标号说明：
燃料电池气体采样系统100：
1-阴极入口，2-水入口，3-阳极出口，4-阳极入口，5-水出口，
6-阴极出口，7-流道，8-阳极入口采样点，9-阳极出口采样点，
10-采样装置，20-气瓶，30-四通阀，31-第一N通阀，32-第二N通阀，
40-采样点，41-采样管路，50-阳极板，51-阳极流道，
60-阴极板，61-阴极流道，70-膜电极，80-伴热带，
101-流道内其他采样点，111-入口流道其他采样点，112-出口流道其他采样点。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请燃料电池气体采样方法进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
请参阅图1-图3，本申请提供一种燃料电池气体采样方法，至少包括以下步骤：
S100，设置采样管路41和多个采样点40。所述多个采样点40设置于燃料电池的阴极入口1、阳极出口3、阳极入口4、阴极出口6以及阳极流道51和阴极流道61中。其中，设置于所述阳极流道51和所述阴极流道61中的采样点40伸入流道横截面的中心区域。所述采样管路41与所述多个采样点40分别连接，用于实现燃料电池内部气体的导出。
本步骤中，将采样点设置于流道横截面的中心区域可以理解为将所述采样管路41穿透所述阳极流道51和所述阴极流道61的流道板，所述采样管路41伸入流道内部的端点可以直接接触到燃料电池内部的气体，成为一个所述采样点40。另外请参阅图3，所述多个采样点40除了设置于燃料电池的所述阴极入口1、所述阳极出口3、所述阳极入口4和所述阴极出口6的采样点，还包括设置于所述阳极流道51和所述阴极流道61的流道板的所述采样点40。设置于所述阳极流道51和所述阴极流道61的流道板的所述采样点40可以获取燃料电池内部不同位置的采样气体。
S200，向所述阴极入口1和所述阳极入口4分别通入反应气体，并在燃料电池的阳极板50和阴极板60之间加入电子负载。
本步骤中，可以向所述阴极入口1和所述阳极入口4中分别通入阴极标准气体和阳极标准气体。通气之后在所述阴极板60和所述阳极板50之间加入一定的电子负载。比如，所述电子负载可以是设定燃料电池单片输出0A/cm2-2A/cm2的电流。
S300，获取经所述采样管路41导出的所述多个采样点40的采集气体，以完成对燃料电池气体的采样。
本步骤中，可以通过采样装置10获取经所述采样管路41导出的所述多个采样点40的采集气体。所述采样装置10可以对采集气体进行分析，得出分析结果，用以指导燃料电池的使用。
本实施例中，设置所述多个采样点40分别获取燃料电池中不同位置的采样气体，以实现燃料电池内部多点气体的采样，实时监控到燃料电池内部不同位置气体含量。所述多个采样点40伸入所述阳极流道51和所述阴极流道61横截面的中心区域，可以精确的获取流经流道的气体。通过在燃料电池的阳极板50和阴极板60的流道中设置多个所述采样点40可以获取各点的采样气体，分析气体的含量及浓度可以帮助燃料电池获得更安全可靠的工作条件，有利于保证燃料电池的工作安全和工作寿命，保证燃料电池的利用率。
本申请图3-图8，提供平行流道的双极板中采样点的分布位置示意图。本申请图9-图14，提供蛇形流道的双极板中采样点的分布位置示意图。本申请图15-图20，提供交指形流道的双极板中采样点的分布位置示意图。其中，所述多个采样点40包括阳极入口采样点8，阳极出口采样点9，流道内其他采样点101，入口流道其他采样点111以及出口流道其他采样点112。
在一个实施例中，设置所述多个采样点40的步骤具体包括：
S110，沿燃料电池的所述阳极流道51中流道的走向方向等间距的设置所述多个采样点40。S120，沿燃料电池的所述阴极流道61中流道的走向方向等间距的设置所述多个采样点40。
本实施例中，所述多个采样点40的布置方式可以参考下述附图，如图3、图4、图6和图7所示为平行流道的燃料电池，沿着流道的走向方向等间距的设置所述多个采样点40。其中，图3和图6忽略流道弯道结构的等间距的分布所述采样点40。图4和图7考虑流道弯道结构的等间距的分布所述采样点40。
如图9、图10、图12和图13所示为蛇形流道的燃料电池，沿着流道的走向方向等间距的设置所述多个采样点40。其中，图9和图12忽略流道弯道结构的等间距的分布所述采样点40。图10和图13考虑流道弯道结构的等间距的分布所述采样点40。
如图15和图18所示为交指形流道的燃料电池，沿着流道的走向方向等间距的设置所述多个采样点40。图17和图20分别表示了在交指形流道阴极板和交指形流道阳极板内部的采样点分布以及气体扩散流动方向。
本实施例中，沿着燃料电池极板中流道的走向方向等间距的设置所述多个采样点40可以从整体上实现所述燃料电池内部气体的采样，其采样的数据更全面，对于指导燃料电池的使用工况的选取更准确。
在一个实施例中，燃料电池包括至少三条所述阳极流道51和至少三条所述阴极流道61。本实施例中，设置所述多个采样点40的步骤具体还包括：在每间隔一条或者多条的所述阳极流道51上设置所述多个采样点40。在每间隔一条或者多条的所述阴极流道61上设置所述多个采样点40。
本实施例中提出的方法，能够合理的分配所述采样点40的个数。比如燃料电池有三条所述阳极流道51，可以在第一条阳极流道51和第三条阳极流道51上间隔设置所述采样点40，可以等间隔设置，也可以不等间隔设置，具体的设置方法可以根据实际的需求进行设计。另外考虑到所述采样点40密集度的问题，也可以每间隔两条流道、每间隔三条流道或者每间隔四条流道再设置所述采样点40。比如，燃料电池包括9条所述阴极流道61，在第一条所述阴极流道61等间距或者不等间距的设置多个所述采样点40。在第二条所述阴极流道61和第三条所述阴极流道61不设置所述采样点。在第四条所述阴极流道61等间距或者不等间距的设置多个所述采样点40。在第五条所述阴极流道61和第六条所述阴极流道61不设置所述采样点。在第七条所述阴极流道61等间距或者不等间距的设置多个所述采样点40。在第八条所述阴极流道61和第九条所述阴极流道61不设置所述采样点。本实施例中的设置方法在此不作进一步的限定。
在一个实施例中，设置所述多个采样点40的步骤具体包括：
沿燃料电池内部的所述阳极流道51中流道的走向方向划分多个区域，将所述多个采样点40设置于区域边界，不同区域中所述采样点40分布的密集度不完全相同。沿燃料电池内部的所述阴极流道61中流道的走向方向划分多个区域，不同区域中所述采样点40分布的密集度不完全相同。
本实施例中提供的所述采样点40的分布方法，可以参考图5、图8、图11、图14、图16、图19中示意的形式进行设置。其中，图5、图8、图11、图14、图16、图19均采用了非等间距的方式分布所述采样点40。具体的请参阅图8和图19，分别示出了区域Ⅰ、区域Ⅱ、区域Ⅲ、区域Ⅳ、区域Ⅴ、区域Ⅵ、区域Ⅶ、区域Ⅷ、区域Ⅸ、区域Ⅹ，在每一个区域的边界与流道交界的部分位置设置所述采样点40。图8提供了平行流道阴极板中采样点的分布位置示意图。图19提供了交指形流道阴极板中采样点的分布位置示意图。
本实施例中，所述采样点40的设置方法可以根据燃料电池流道内气体流动的经验值确定区域的划分，其中划分区域的面积可以相同，也可以不相同。燃料电池中气体的浓度可以认为是沿流道走向逐渐降低的。不同区域中所述采样点40分布的密集度不完全相同是指在不同区域的边界设置的所述采样点40的个数可以相同也可以不同。所述采样点40分布的密集度不完全相同，采集的燃料电池内部的气体含量也不相同。
在一个实施例中，在向所述阴极入口1和所述阳极入口4分别通入反应气体，并在燃料电池的阳极板50和阴极板60之间加入电子负载的步骤之前，还包括：向所述采样管路41中通入惰性气体，以实现对所述多个采样点40和所述采样管路41的清扫。
本实施例中，对所述燃料电池气体采样系统100进行清扫可以使得每个所述采样点40的采样结果更精确，避免在所述采样管路41中一些残留物质的存在。具体的在一个实施例中，在气体采样分析开始前，设定燃料电池的工作状态，使得采样分析符合采样的要求。如图2所示设定所述四通阀30与所述气瓶20相连通。打开所述气瓶20(所述气瓶20中装有压缩气体为氦气)的出口，关闭所述采样装置10的采样口。所述采样系统100内其余的所有出入口均打开，用氦气吹扫整个所述采样管路41，同时设定冷却液的温度和流量，吹扫过程结束，关闭氦气瓶20的出口。
在一个实施例中，所述燃料电池气体采样方法具体包括前期的准备工作：对燃料电池供应空气和氢气，设定阴极增湿露点温度和空气干球温度，逐步增大空气流量和氢气流量，增大电流负载，直至燃料电池工作状态达到预设值，并且稳定运行1h。燃料电池工作状态可以包括：燃料电池工作电流120A；阴极空气流量12L·min-1，空气进气露点温度43℃；阳极氢气流量0.9L·min-1，进气不增湿；采用水冷，冷却水入口温度为60℃。
打开所述采样装置10的采样口，打开所述气瓶20出口，用氦气吹扫管路，所述采样装置10的采样结果稳定一段时间后关闭所述气瓶20出口，关闭所述四通阀30与所述气瓶20相连的入口。此时吹扫所述采样管路41的步骤实施完毕。
步骤(1)：关闭所述第二N通阀32的所有出入口，关闭所述第一N通阀31(阳极处的)的其他口，仅打开所述第一N通阀31的出口以及所述第一N通阀31与第一采样点连通的入口，对第一采样点进行采样。
步骤(2)：对第一采样点采样一段时间后，关闭所述第一N通阀入口31，打开所述气瓶20的出口以及所述四通阀30与所述气瓶20连通的入口，用氦气吹扫管路一段时间，关闭所述气瓶20的出口以及所述四通阀30与所述氦气瓶20连通的入口。在第一次采样结束之后实现对所述采样管路41的清扫。
步骤(3)：打开第一N通阀31与第二采样点的入口，对第二采样点进行采样。在对第二采样点的采样结束之后，对所述采样管路41的清扫。重复步骤(1)至步骤(3)，在每一次清扫所述采样管路41之后切换至下一个采样点，直至所述阳极板50或者所述阴极板60的所有所述采样点40都采样完成。后续在使用所述采样结果时，可选取可靠的所述采样结果用于指导燃料电池的应用。
上述实施例中，所述采样装置10可以为质谱仪。质谱仪在实现对多个所述采样点40的采样需要是完成第一采样点之后，再对第二采样点进行采样。质谱仪决定了对每个所述采样点40的气体进行单独分析。如果所述采样装置10变化了，也可以实现多点同时采样和分析。即可以同时对第一采样点、第二采样点和第三采样点(多个采样点)进行采样。此时的所述第一N通阀31和所述第二N通阀32可以不再设置。
在一个实施例中，在获取经所述采样管路41导出的所述多个采样点40的采集气体，以完成对燃料电池气体的采样的步骤之前，还包括：
提供采样装置10。在一个实施例中，所述采样装置10可以是质谱仪。采用阳极标准气和阴极标准气对所述采样装置10进行标定。对所述采样装置10进行标定，可以保证采样结果的准确性。
对所述采样装置10进行标定的步骤具体包括：向所述采样管路41中通入阳极标准气，通过所述采样装置10分析采样气体，以获得第一类采样结果。向所述采样管路41中通入阴极标准气，通过所述采样装置10分析采样气体，以获得第二类采样结果。
重复上述两个步骤，获得多个所述第一类采样结果和多个所述第二类采样结果，对多个所述第一类采样结果和多个所述第二类采样结果进行分析计算，以获得所述采样装置10的采样修正系数，完成对所述采样装置10的标定。
参考图2，对所述采样装置10进行标定的步骤可以包括步骤1：打开连通氦气瓶20出口的四通阀30的入口，打开氦气瓶20的出口，打开四通阀30其他三个口，用氦气分别对毛细管、阳极流道51、阴极流道61以及采样管路(采样管路为毛细管与采样装置10连接的通气管路)进行吹扫，直至流道和管路内无其他残余气体。
步骤2：关闭氦气瓶20的出口，关闭四通阀30与阴阳极采样管路连接的两个口，将连通氦气瓶20出口的四通阀30的入口转至与阳极标准气瓶出口连通，将阳极标准气通向采样装置10。采样一段时间之后，采样装置10对采样气体进行采样分析。
步骤3：关闭阳极标准气瓶出口，将连通阳极标准气瓶出口的四通阀入口与阴极标准气瓶出口连通，将阴极标准气通向采样装置，采样一段时间，采样装置10对阴极的采样气体进行分析采样装置对其进行采样分析。
步骤4：关闭阴极标准气瓶出口，将连通阴极标准气瓶出口的四通阀入口与氦气瓶出口连通，将阳极标准气通向采样装置，采样一段时间，采样装置10对阳极的采样气体进行分析用氦气吹扫管路一段时间。
再重复步骤2至步骤4两到三次，得到多次综合结果，经分析得到采样装置的修正系数。以完成对所述采样装置10的标定。
请继续参考图2，本申请一个实施例中提供一种燃料电池气体采样系统100包括：阳极板50、膜电极70、阴极板60、多个采样点40以及采样管路41。
所述阳极板50具有为气体流动提供通道的阳极流道51。所述膜电极70设置于所述阳极板50具有所述阳极流道51的一侧。阴极板60设置于所述膜电极70远离所述阳极板50的一侧。所述阴极板60具有为气体流动提供通道的阴极流道61。所述阳极流道51和所述阴极流道60不是全封闭的，流道类似像槽一样，气体在槽里流动。
所述膜电极70包括质子交换膜用于实现质子(质子包括电子和空穴)在所述质子交换膜中的交换或者复合。所述膜电极70还包括阳极气体扩散层和阳极催化剂层设置于所述质子交换膜的第一侧。所述膜电极70还包括阴极催化剂层和阴极的气体扩散层设置于所述质子交换膜的第二侧。
多个采样点40设置于所述阳极流道51和所述阴极流道61，并且伸入流道横截面的中心区域。采样管路41与所述多个采样点40分别连接，用于实现燃料电池内部气体的导出。所述采样管路41主要是由从极板外插进流道内的毛细管引出来的管路。所述采样管路41可以采用不锈钢毛细管。
质子交换膜燃料电池，氢气和氧气发生电化学反应，生成水的同时输出电能。基本的燃料电池单体结构会包括阳极板50、阴极板60和膜电极70。其中在阳极板50上设置有阳极流道51。在阴极板60上设置有阴极流道61。膜电极70包括质子交换膜、催化层和扩散层，其中质子交换膜是能够传导质子的聚合物膜，催化剂层为有催化剂铂附着的碳载体，扩散层的成分主要是碳和聚四氟乙烯。质子交换膜、催化层和扩散层构成膜电极，为氢气和氧气的反应提供场所，并起到导电和传热传质的作用。双极板(所述阳极板50和所述阴极板60)一般由碳板或者金属板构成，在双极板上刻有供气体流动的流道。
在一个实施例中，所述多个采样点40沿所述阳极流道51中流道的走向方向等间距的设置以及沿所述阴极流道61中流道的走向方向等间距的设置。
如图9、图10、图12和图13所示为蛇形流道的燃料电池，沿着流道的走向方向等间距的设置所述多个采样点40。其中，图9和图12忽略流道弯道结构的等间距的分布所述采样点40。图10和图13考虑流道弯道结构的等间距的分布所述采样点40。
本实施例中，沿着燃料电池极板中流道的走向方向等间距的设置所述多个采样点40可以从整体上实现所述燃料电池内部气体的采样，其采样的数据更全面，对于指导燃料电池的使用工况的选取更准确。
在一个实施例中，燃料电池包括至少三条所述阳极流道51和至少三条所述阴极流道61。所述多个采样点40分别在每间隔一条或者多条的所述阳极流道51的流道中和每间隔一条或者多条的所述阴极流道61的流道中设置。
本实施例中，所述多个采样点40分别在每间隔一条或者多条的所述阳极流道51的流道中和每间隔一条或者多条的所述阴极流道61的流道中设置，能够合理的分配所述采样点40的个数。本实施例中，所述多个采样点40的设置方法可以参考上述方法中的设置方法。
在一个实施例中，所述阳极流道51中沿流道的走向方向具有多个第一类区域。所述阴极流道61中沿流道的走向方向具有多个第二类区域。所述多个采样点40分别设置于每一个第一类区域边界所在的流道和每一个第二类区域边界所在的流道，不同区域中所述采样点40分布的密集度不完全相同。具体的，所述多个采样点40可以参考图8和图19所示的设置方式。
本实施例中，所述多个第一类区域的面积可以相等也可以不相等。所述多个第二类区域的面积可以相等也可以不相等。本实施例中，设置的区域面积不相等，所述采样点40的密集程度不完全相同可以实现不同区域不同程度的采样检测。
在一个实施例中，所述燃料电池气体采样系统100还包括伴热带80。所述伴热带80围绕所述采样管路41的外侧壁设置。在一个实施例中，所述伴热带80可以是所述采样管路41保温为120℃。
在一个实施例中，所述燃料电池气体采样系统100还包括壳体。所述壳体在图2中有表示，但未标号。所述壳体用于提供收纳腔，在一个实施例中，所述收纳腔可以是现有的电池外壳或者是电池模组的外壳，在整个采样过程中实现固定的功能。
在一个实施例中，所述燃料电池气体采样系统100还包括：四通阀30。如图2所示的所述四通阀30用以切换清扫管路和采样管路。
在一个实施例中，所述燃料电池气体采样系统100还包括：多个N通阀。具体的所述多个N通阀可以是图2中所示的所述第一N通阀31和所述第二N通阀32。本实施例中，所述多个N通阀用以实现不同的管路的接通，当需要管路变化时，可以在不同的位置设置不同的所述N通阀。
在一个实施例中，为了避免采样气体中的水蒸气冷凝为液态水而堵塞管路，从而造成采样时间增加，影响采样结果，所述燃料电池气体采样系统100中的所述采样管路41均使用所述伴热带80缠绕，以使所述采样管路41保温为120℃。
在一个实施例中，为了避免采样时非指定流道气体的影响，所述燃料电池气体采样系统100中在所述采样管路41的端面与流道采样口的接触面采用O型密封圈压紧密封。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种燃料电池气体采样方法，其特征在于，包括：
设置采样管路(41)和多个采样点(40)，所述多个采样点(40)设置于燃料电池的阴极入口(1)、阳极出口(3)、阳极入口(4)、阴极出口(6)以及阳极流道(51)和阴极流道(61)中，其中，设置于所述阳极流道(51)和所述阴极流道(61)中的采样点(40)伸入流道横截面的中心区域；所述采样管路(41)与所述多个采样点(40)分别连接，用于实现燃料电池内部气体的导出；
向所述阴极入口(1)和所述阳极入口(4)分别通入反应气体，并在燃料电池的阳极板(50)和阴极板(60)之间加入电子负载；
获取经所述采样管路(41)导出的所述多个采样点(40)的采集气体，以完成对燃料电池气体的采样。
2.根据权利要求1所述的燃料电池气体采样方法，其特征在于，设置所述多个采样点(40)的步骤具体包括：
沿燃料电池的所述阳极流道(51)中流道的走向方向等间距的设置所述多个采样点(40)；
沿燃料电池的所述阴极流道(61)中流道的走向方向等间距的设置所述多个采样点(40)。
3.根据权利要求2所述的燃料电池气体采样方法，其特征在于，燃料电池包括至少三条所述阳极流道(51)和至少三条所述阴极流道(61)，
设置所述多个采样点(40)的步骤具体还包括：
在每间隔一条或者多条的所述阳极流道(51)上设置所述多个采样点(40)；
在每间隔一条或者多条的所述阴极流道(61)上设置所述多个采样点(40)。
4.根据权利要求1所述的燃料电池气体采样方法，其特征在于，设置所述多个采样点(40)的步骤具体包括：
沿燃料电池内部的所述阳极流道(51)中流道的走向方向划分多个区域，将所述多个采样点(40)设置于区域边界，不同区域中所述采样点(40)分布的密集度不完全相同；
沿燃料电池内部的所述阴极流道(61)中流道的走向方向划分多个区域，不同区域中所述采样点(40)分布的密集度不完全相同。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的燃料电池气体采样方法，其特征在于，在向所述阴极入口(1)和所述阳极入口(4)分别通入反应气体，并在燃料电池的阳极板(50)和阴极板(60)之间加入电子负载的步骤之前，还包括：
向所述采样管路(41)中通入惰性气体，以实现对所述多个采样点(40)和所述采样管路(41)的清扫。
6.根据权利要求1所述的燃料电池气体采样方法，其特征在于，在获取经所述采样管路(41)导出的所述多个采样点(40)的采集气体，以完成对燃料电池气体的采样的步骤之前，还包括：
提供采样装置(10)；
向所述采样管路(41)中通入阳极标准气，通过所述采样装置(10)分析采样气体，以获得第一类采样结果；
向所述采样管路(41)中通入阴极标准气，通过所述采样装置(10)分析采样气体，以获得第二类采样结果；
重复上述两个步骤，获得多个所述第一类采样结果和多个所述第二类采样结果，对多个所述第一类采样结果和多个所述第二类采样结果进行分析计算，以获得所述采样装置(10)的采样修正系数，完成对所述采样装置(10)的标定。
7.一种燃料电池气体采样系统，其特征在于，包括：
阳极板(50)，具有为气体流动提供通道的阳极流道(51)；
膜电极(70)，设置于所述阳极板(50)具有所述阳极流道(51)的一侧；
阴极板(60)，设置于所述膜电极(70)远离所述阳极板(50)的一侧，所述阴极板(60)具有为气体流动提供通道的阴极流道(61)；
多个采样点(40)，设置于所述阳极流道(51)和所述阴极流道(61)，并且伸入流道横截面的中心区域；以及
采样管路(41)，与所述多个采样点(40)分别连接，用于实现燃料电池内部气体的导出。
8.根据权利要求7所述的燃料电池气体采样系统，其特征在于，所述多个采样点(40)沿所述阳极流道(51)中流道的走向方向等间距的设置以及沿所述阴极流道(61)中流道的走向方向等间距的设置。
9.根据权利要求8所述的燃料电池气体采样系统，其特征在于，燃料电池包括至少三条所述阳极流道(51)和至少三条所述阴极流道(61)，
所述多个采样点(40)分别在每间隔一条或者多条的所述阳极流道(51)的流道中和每间隔一条或者多条的所述阴极流道(61)的流道中设置。
10.根据权利要求7所述的燃料电池气体采样系统，其特征在于，所述阳极流道(51)中沿流道的走向方向具有多个第一类区域，所述阴极流道(61)中沿流道的走向方向具有多个第二类区域，所述多个采样点(40)分别设置于每一个第一类区域边界所在的流道和每一个第二类区域边界所在的流道，不同区域中所述采样点(40)分布的密集度不完全相同。
CN201811646079.XA 2018-12-29 2018-12-29 燃料电池气体采样系统及采样方法 Active CN109802159B (zh)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811646079.XA CN109802159B (zh) 2018-12-29 2018-12-29 燃料电池气体采样系统及采样方法
PCT/CN2019/128921 WO2020135644A1 (zh) 2018-12-29 2019-12-27 燃料电池气体采样系统及采样方法、燃料电池电流密度分布估计方法以及燃料电池内部状态模型的标定方法
US17/340,094 US20210305597A1 (en) 2018-12-29 2021-06-07 Gas sampling system and gas sampling method for fuel cell, current density distribution estimation method for fuel cell, and calibration method for internal state model of fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811646079.XA CN109802159B (zh) 2018-12-29 2018-12-29 燃料电池气体采样系统及采样方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109802159A true CN109802159A (zh) 2019-05-24
CN109802159B CN109802159B (zh) 2020-01-21

Family

ID=66558353

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811646079.XA Active CN109802159B (zh) 2018-12-29 2018-12-29 燃料电池气体采样系统及采样方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109802159B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111162297A (zh) * 2019-12-31 2020-05-15 清华大学 质子交换膜燃料电池单片及电池堆工作条件选择量化方法
WO2020135644A1 (zh) * 2018-12-29 2020-07-02 清华大学 燃料电池气体采样系统及采样方法、燃料电池电流密度分布估计方法以及燃料电池内部状态模型的标定方法
CN113009350A (zh) * 2021-02-24 2021-06-22 清华大学 分析电池内部气体对热失控影响的方法及电池内部气体采样装置

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007052988A (ja) * 2005-08-17 2007-03-01 Nippon Soken Inc 燃料電池システム
DE102014013197A1 (de) * 2014-09-06 2016-03-10 Otto-Von-Guericke-Universität Magdeburg Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Bewertung des Zustands des Wasserhaushalts

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007052988A (ja) * 2005-08-17 2007-03-01 Nippon Soken Inc 燃料電池システム
DE102014013197A1 (de) * 2014-09-06 2016-03-10 Otto-Von-Guericke-Universität Magdeburg Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Bewertung des Zustands des Wasserhaushalts

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
方川等: "大活性面积燃料电池多通道气体在线采样系统", 《实验技术与管理》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020135644A1 (zh) * 2018-12-29 2020-07-02 清华大学 燃料电池气体采样系统及采样方法、燃料电池电流密度分布估计方法以及燃料电池内部状态模型的标定方法
CN111162297A (zh) * 2019-12-31 2020-05-15 清华大学 质子交换膜燃料电池单片及电池堆工作条件选择量化方法
CN113009350A (zh) * 2021-02-24 2021-06-22 清华大学 分析电池内部气体对热失控影响的方法及电池内部气体采样装置
CN113009350B (zh) * 2021-02-24 2022-02-11 清华大学 分析电池内部气体对热失控影响的方法及气体采样装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN109802159B (zh) 2020-01-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109802159A (zh) 燃料电池气体采样系统及采样方法
US7803499B2 (en) Super-hydrophobic composite bipolar plate
US8126666B2 (en) Fuel cell evaluation method and fuel cell evaluation apparatus
US20210305597A1 (en) Gas sampling system and gas sampling method for fuel cell, current density distribution estimation method for fuel cell, and calibration method for internal state model of fuel cell
CN110320476B (zh) 用于原位检测液态电池产气的模拟电池装置
CN101009385B (zh) 用于pem燃料电池的超亲水微孔导电涂层
US10333162B2 (en) Methods and systems for detecting leaks in a fuel cell stack
US8105720B2 (en) Humidity sensing device for use in fuel cell systems
US7531100B2 (en) Method of making a fuel cell component using an easily removed mask
TWI427308B (zh) 多功能固態氧化物燃料電池檢測裝置
US20080311437A1 (en) Method for fuel cell start-up with uniform hydrogen flow
CN109818015A (zh) 燃料电池电流密度分布估计方法、装置及计算机存储介质
US8007944B2 (en) Active test fuel cell for characterizing and qualifying cell-internal fuel cell components
CN109815554B (zh) 燃料电池内部状态模型的标定方法、装置和计算机设备
US20130057295A1 (en) Modular device to measure ionic, electronic and mixed conductivity in polymeric and ceramic membranes
CN115207417A (zh) 一种大面积燃料电池电流密度分布计算方法
JP6611819B2 (ja) ガス分析用セル及びガス分析システム
CN113937322A (zh) 一种多功能固体氧化物燃料电池电堆测试系统及其运行方法
CN110649294A (zh) 表征燃料电池用Pt/C催化剂表面聚合物电解质覆盖度的方法
JP2005276729A (ja) 固体高分子型燃料電池セルの性能検査方法
CN113933366A (zh) 一种燃料电池双极板电化学测试装置
US8834692B2 (en) Dissolved oxygen measurement system
CN220821641U (zh) 一种固体氧化物燃料电池及其材料的综合测试平台
US8771900B2 (en) Super-hydrophobic composite bipolar plate including a porous surface layer
CN116565265A (zh) 一种用于恒电压测试的多通道电池测试装置及方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant