CN110137544A - 质子交换膜燃料电池电堆反应状态在线检测系统及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及质子交换膜燃料电池电堆反应状态在线检测系统及其应用，检测系统包括测量模块、运动控制模块、斜Y型三通管接头以及信号接收模块，测量模块包括测量探针以及与之相连的传感器组件和微型摄像头，运动控制模块包含夹持机构和驱动装置，斜Y型三通管接头连接在电池电堆的电堆端板的进口及出口上，测量探针通过Y型三通管接头插入电堆端板，信号接收模块与所述传感器组件信号连接。与现有技术相比，本发明可以实现燃料电池工作状态的在线检测，在实际应用中，可以根据该系统诊断结果实时调整电池运行策略，提高燃料电池效率和寿命。

Description

质子交换膜燃料电池电堆反应状态在线检测系统及其应用
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，尤其是涉及一种质子交换膜燃料电池电堆反应状态在线检测系统及其应用。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将原料中的化学能直接转变成电能的“化学能发电”装置，其能量转换效率不受卡诺循环的限制，电池组的发电效率可达50％以上，PEMFC具有环境友好、启动特性优良和能量转换效率高等特征，可望在诸多领域得到应用。
质子交换膜燃料电池单电池是由膜电极和位于膜电极两侧的双极板构成，而质子交换膜燃料电池电堆是由数十节甚至数百节单电池串联在一起组成，理想情况下每节单电池的输出性能一致。然而，由于燃料电池电堆总管内反应气体和冷却水分配的不均匀，使得不同单电池的反应状态和排水能力不一致，从而影响整个电堆的输出性能，甚至在燃料电池运行过程中常常会由于单节电池性能偏低，降低整个电池的使用寿命。因此，设计一种能够在线检测燃料电池电堆每节单电池的气体和冷却水的分布情况以及反应状况的装置具有重要意义。
经对现有技术的文献检索发现，针对质子交换膜燃料电池电堆反应状态的在线检测方法及装置较少，中国专利CN 105789660 A公开的质子交换膜燃料电池电堆一致性的检测方法及检测装置,需要在质子交换膜燃料电池电堆阳极入口或阴极入口通入氢气与惰性气体的混合气，并在各单电池两极间施加用于氢气氧化的电压，通过比较各单电池的氧化电流一致性来判断质子交换膜燃料电池电堆流体分配的一致性，然而该方法并不能实现电池工作中的在线测试。中国专利CN109167083A公开了一种双极板及包含该双极板的膜电极检漏装置，其中双极板的阴极面及阳极面的上进气孔及出气孔分别通过一个于双极板侧面开设的通气孔进气或出气；膜电极检漏装置包括固定装置和通气检测管路；所述固定装置包括压力装置、上压板、下底板、若干固定安装于所述下底板上的定位柱及若干所述双极板；所述上压板、下底板用于在压力装置的压力作用下将一块以上膜电极密封夹紧，所述定位柱用于上压板、双极板及膜电极的定位导向。该方法仅适用于特定结构的极板和膜电极气密性检测，并不能应用于燃料电池电堆反应状态的检测。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种质子交换膜燃料电池电堆反应状态在线检测系统及其应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
质子交换膜燃料电池电堆反应状态的在线检测系统，用于在电堆实际工作状态下实时检测电堆内反应状态，包括电堆反应气体和冷却水分配均匀性、每节单电池进出口的温度和湿度以及电堆总管内的积水情况。检测系统包括测量模块、运动控制模块、斜Y型三通管接头以及信号接收模块。
优选地，所述的测量模块包括测量探针以及与之相连的传感器组件和微型摄像头。为了防止触电，所述的测量探针可以使用塑料、陶瓷等绝缘材料制造；为了尽可能减小测量探针对电堆内反应气体总管和冷却水总管内流体行为的影响，测量探针的外径应小于10mm；测量探针前端内置微型温湿度传感器和微型摄像头，用于监测温湿度变化和实时观测电堆总管内液态水累积情况；其中测量探针前端可以采用柔性材料制造，可以360°旋转，以便可以观测不同位置的液态水累积情况；可以直接在测量探针前端内置微型压力传感器或者在测量探针中内置微孔道，微孔道一端经测量探针前端与燃料电池三腔总管内相通，并且其开口方向随测量探针前端旋转方向而定，另一端与电堆外部的压力传感器相连。
优选地，所述的运动控制模块包含夹持机构和驱动装置，其中夹持机构可以同步控制所有测量探针的上下抽拉运动，驱动装置可以是脉冲步进电机或基于可编程逻辑控制器的运动装置，其运动精度应控制在1mm以下，从而保证可以检测到每一节电池两端的压降及温湿度情况。
优选地，所述的斜Y型三通管接头一端安装在电堆端板的阴极气体、阳极气体、冷却水进出口上，一端作为反应气体或冷却水的进出口，一端安装可以采集电堆内反应气体总管内压力、温湿度、积水情况信号的测量探针；测压探针穿过端口的中心线应平行于电堆三腔总管的中心线，以保证测量探针始终在总管内的中心线上运动，不发生偏离；流体进入端口的中心线与电堆阴极气体、阳极气体、冷却水进出口总管中心线的夹角应小于45°，以保证流体变向时产生尽可能小的局部损失和紊流；为了保证进入到电堆内的流体为充分发展流动，流体进入端口的中心线与测压探针穿过端口的中心线交点距电堆端板距离应大于50mm。
优选地，所述的斜Y型三通管接头的测压探针穿过端口包含测量探针的密封和定向结构；管螺纹堵头和硅胶垫片配合保证测量探针与三通管接头的密封；硅胶垫片下方包含一段内径与测量探针外径相同的小孔，其长度大于10mm，保证测量探针只能轴向运动。
优选地，所述的信号接收模块为基于计算机、单片机或可编程控制器等具有数字信号输入和分析功能的硬件平台，其收发通道数大于等于12。
本发明通过以下方式进行检测：
质子交换膜燃料电池包含阴极气体、阳极气体、冷却水进口和阴极气体、阳极气体、冷却水出口，质子交换膜燃料电池电堆由一节或多节单电池对齐叠加组成。检测时在电堆端板上的阴极气体、阳极气体、冷却水进出口上安装斜Y型三通管接头，斜Y型三通管接头一端安装在端板上，一端作为反应气体或冷却水的进出口，一端安装采集电堆内反应气体总管内压力、温湿度、积水情况信号的测量探针；将测量探针经过电堆端板上的斜Y型三通管接头伸入到电堆阴极、阳极和冷却水进口总管和出口总管内，电堆内反应气体和冷却水总管的内部深度位置与单电池节数一一对应，在电池工作过程中，通过运动控制模块实时调节测量探针伸入到电堆总管内的深度来测量不同单电池两侧的压降及温湿度。由于单电池内部流动一般为层流，层流时压降和流量呈近似正比关系，因此可以根据单电池两侧的压降、温湿度和积水情况来判断质子交换膜燃料电池电堆工作过程中的气体分配均匀性、反应均匀性和内部积水情况。
与现有技术相比，本发明可以实现燃料电池工作状态的在线检测，在实际应用中，可以根据该系统诊断结果实时调整电池运行策略，提高燃料电池效率和寿命，具有以下优点：
1)电池工作状态下实时得到电堆内反应气体和冷却水进出口总管内的压力分布，从而判断出反应气体和冷却水分配均匀性；
2)电池工作状态下实时得到电堆内反应气体和冷却水进出口总管内的温度分布以及反应气体进出口总管内的湿度分布，从而判断出各个单电池内部的反应情况和积水情况；
3)电池工作状态下实时观测到电堆内反应气体总管内的液态水累积情况；
4)用于研究电池操作条件对于电堆内部气体分配均匀性和各个单电池反应的影响规律。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为质子交换膜燃料电池的结构示意图；
图3为质子交换膜燃料电池电堆的结构示意图；
图4为斜Y型三通管接头结构示意图。
图中，1-测量探针前端、2-阴极气体或者阳极气体或冷却水流动方向、3-电堆阴极或阳极或冷却水出口总管、4-斜Y型三通管接头、5-测量探针、6-夹持机构、7-显示器、8-驱动装置、9-信号接收模块、10-传感器组件与微型摄像头、11-电堆端板、12-质子交换膜燃料电池、13-电堆阴极或阳极或冷却水进口总管、14-阳极进口、15-冷却水进口、16-阴极进口、17-阴极出口、18-冷却水出口、19-阳极出口、20-反应气体或冷却水流场区域、21-测量探针穿过端口、22-导向段、23-硅胶垫片、24-管螺纹堵头、25-反应气或冷却水进入端口、θ-反应气或冷却水进口端中心线与测量探针穿过端口中心线夹角。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例
一种质子交换膜燃料电池电堆反应状态的在线检测系统，如图1所示，该系统包括测量模块、信号接收模块、运动控制模块以及斜Y型三通管接头。
测量模块主要包括通过斜Y型三通管接头4伸入到电堆阴极或阳极或冷却水出口总管3以及电堆阴极或阳极或冷却水进口总管13内的6根测量探针5以及与之相连的传感器组件与微型摄像头10。其中测量探针5采用外径为2.5mm的绝缘材料制造，并且测量探针前端1采用柔性材料制造，以便可以360°旋转。传感器组件包括6个微压差传感器和6个微型温湿度传感器，微型温湿度传感器和微型摄像头内置在测量探针前端1，用于监测温湿度变化和实时观测电堆总管内液态水累积情况，测量探针内置微孔道，微孔道一端经测量探针前端1与燃料电池三腔总管内相通，并且其开口方向随测量探针前端旋转方向而定，另一端连接电堆外部的微压差传感器。信号接收模块9为基于可编程控制器的硬件平台，其收发通道数等于24，结果可以显示在显示器7上。运动控制模块包括夹持机构6、驱动装置8，夹持机构6可以同步控制所有测量探针的上下抽拉运动，驱动装置8可以是脉冲步进电机或基于可编程逻辑控制器的运动装置，其运动精度应控制在1mm以下，从而保证可以检测到每一节电池两端的压降及温湿度情况。斜Y型三通管接头4连接在电堆阴极或阳极或冷却水出口总管3以及电堆阴极或阳极或冷却水进口总管13内上，测量探针5穿过测量探针穿过端口21，测量探针5的中心线平行于电堆阴极、阳极和冷却水进出口总管的中心线，与阴极气体或者阳极气体或冷却水流动方向2相平行。反应气或冷却水进口端中心线与测量探针穿过端口中心线夹角θ为20°，气体进入端口的中心线与测压探针穿过端口的中心线交点距电堆上端板距离等于50mm。
质子交换膜燃料电池12的结构如图2所示，极板包含阳极进口14、冷却水进口15、阴极进口16、阴极出口17、冷却水出口18、阳极出口19，以及中间的反应气体或冷却水流场区域20。质子交换膜燃料电池电堆由一节或多节单电池对齐叠加组成，如图3所示。该电堆由10节质子交换膜燃料电池12对齐叠加组成且阴极、阳极、冷却水进出口分别串联形成燃料电池电堆阴极、阳极、冷却水进出口总管，底部设有电堆端板11。燃料电池电堆上端板对应阴极、阳极、冷却水进出口的位置上分别安装有斜Y型三通管接头，测量探针通过斜Y型三通管接头的竖直方向接口伸入到燃料电池电堆阴极、阳极、冷却水进出口总管中去。
图4为斜Y型三通管接头4结构示意图，斜Y型三通管接头4的测压探针穿过端口包含测量探针的密封和定向结构，本实施例中采用的是管螺纹堵头24和硅胶垫片23配合保证测量探针与三通管接头的密封，硅胶垫片23下方包含导向段22，在导向段的中心设有一段内径与测量探针外径相同的小孔，其长度为20mm，保证测量探针的轴向运动，不发生偏斜，反应气或冷却水进入端口25与测量探针穿过端口21之间形成的反应气或冷却水进口端中心线与测量探针穿过端口中心线夹角θ小于45°，本实施例为20°。管螺纹堵头、硅胶垫片和导向段的小孔同心，通过管螺纹堵头挤压硅胶垫片，进而使硅胶垫片与测量探针贴合紧密，保证密封。
本发明的工作过程如下：
将燃料电池测试系统的气体供给管和冷却水供给管分别接在燃料电池电堆气体入口和冷却水入口上的斜Y型管接头气体进口端和冷却水进口端，将燃料电池测试系统的气体回流管和冷却水回流管分别接在燃料电池电堆气体出口和冷却水出口上的斜Y型管接头气体出口端和冷却水出口端，反应产生的电流通过燃料电池电堆集流板引出供给外部负载。将测量探针经过电堆端板上的斜Y型三通管接头伸入到电堆阴极、阳极和冷却水进口总管和出口总管内，在电池工作过程中，通过运动控制模块实时调节测量探针伸入电堆总管内的深度来测量不同单电池两侧的压降及温湿度，根据单电池两侧的压降及温湿度和积水情况来判断质子交换膜燃料电池电堆工作过程中的气体分配均匀性及内部积水和反应情况。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.质子交换膜燃料电池电堆反应状态在线检测系统，其特征在于，该检测系统包括测量模块、运动控制模块、斜Y型三通管接头以及信号接收模块，
所述测量模块包括测量探针以及与之相连的传感器组件和微型摄像头，
所述运动控制模块包含夹持机构和驱动装置，所述夹持机构连接测量探针，所述驱动装置连接夹持机构，驱动夹持机构升降，
所述斜Y型三通管接头连接在电池电堆非电堆端板的阴极气体、阳极气体、冷却水的进口及出口上，所述测量探针通过Y型三通管接头插入电堆端板，
所述信号接收模块与所述传感器组件信号连接。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池电堆反应状态在线检测系统，其特征在于，所述测量探针内置微孔道，该微孔道前端内置微型温湿度传感器和微型摄像头，后端与所述传感器组件相连。
3.根据权利要求1或2所述的质子交换膜燃料电池电堆反应状态在线检测系统，其特征在于，所述传感器组件为压力传感器。
4.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池电堆反应状态在线检测系统，其特征在于，所述夹持机构夹住所述测量探针的上部，控制各测量探针的同步上下运动。
5.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池电堆反应状态在线检测系统，其特征在于，所述测量探针的前端采用柔性材料制作得到。
6.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池电堆反应状态在线检测系统，其特征在于，所述驱动装置为脉冲步进电机或基于可编程逻辑控制器的运动装置，运动精度控制在1mm以内。
7.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池电堆反应状态在线检测系统，其特征在于，所述测量探针穿过斜Y型三通管的一个端口，测量探针的中心线平行于电堆阴极、阳极和冷却水进出口总管的中心线，另一个端口与该端口的夹角小于45°，该端口的中心线与测探探针中心线的交点距电堆上端板距离大于50mm。
8.根据权利要求7所述的质子交换膜燃料电池电堆反应状态在线检测系统，其特征在于，所述测量探针穿过的端口带有管螺纹堵头、硅胶垫片，所述管螺纹堵头及所述硅胶垫片内设有内径与测量探针外径相同的小孔，硅胶垫片下方设有测量探针导向段，导向段设有内径与测量探针外径相同的小孔，其长度应大于10mm，保证测量探针只能轴向运动，不发生偏斜，所述的管螺纹堵头、硅胶垫片和导向段的小孔同心，通过管螺纹堵头挤压硅胶垫片，进而使硅胶垫片与测量探针贴合紧密，保证密封。
9.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池电堆反应状态在线检测系统，其特征在于，所述信号接收模块为基于计算机、单片机或可编程控制器等具有数字信号输入和分析功能的硬件平台，其收发通道数大于等于12。
10.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池电堆反应状态在线检测系统的应用，其特征在于，将测量探针经过电堆端板上的Y型三通管接头伸入到电堆阴极、阳极和冷却水进口总管和出口总管内，在电池工作过程中，通过运动控制模块实时调节测量探针伸入电堆总管内的深度来测量不同单电池两侧的压降及温湿度，根据单电池两侧的压降、温湿度和积水情况来判断质子交换膜燃料电池电堆工作过程中的气体分配均匀性、反应均匀性和内部积水情况。
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