CN110165258A - 能够监测电流分布的燃料电池堆及燃料电池堆系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能够监测电流分布的燃料电池堆及燃料电池堆系统，其中，燃料电池堆，包括依次设置的第一绝缘板、第一集流板、多节电池、第二集流板以及第二绝缘板，其中，第一集流板和/或第二集流板包括间隔设置的多个子集流板，每个子集流板能够收集每节电池与该子集流板对应区域的电流，燃料电池堆还包括多个导体柱，多个导体柱与多个子集流板一一对应地连接，第一绝缘板和/或第二绝缘板上设置有多个第一通孔，多个导体柱一一对应地穿设在多个第一通孔中。本申请的技术方案有效解决了现有技术中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，判断过程中无法获悉电堆内部具体性能分布的问题。

Description

能够监测电流分布的燃料电池堆及燃料电池堆系统

技术领域

本发明涉及电池领域，具体而言，涉及一种能够监测电流分布的燃料电池堆及具有其的燃料电池堆系统。

背景技术

在现有技术中，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，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，为燃料电池堆结构，由双极板B和膜电极20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，C1为阴极集流板(电池正极)，C2为阳极集流板(电池负极)。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。

在现有技术中，一般采用石墨雕刻加工的双极板，如图2所示，雕刻加工的石墨双极板截面结构图，其中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。

对于现有燃料电池堆的设计与操作，如图4所示，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，从而无法提出准确、高效的反馈控制策略。例如，当电堆电压或节电池电压下降，可能存在多种原因，比如：第一，电堆内部湿度过高，造成液态水堆积，阻碍反应气体传质，即水淹；第二，电堆内部过度干燥，造成膜内阻偏大，降低电压性能；第三，阴极或阳极的反应气体流量不足，造成反应物缺乏，降低电压性能。

如图5所示，为现有设计的燃料电池电堆节电池截面示意图，其中An为阳极部，20为膜电极，Ca为阴极部，D为冷却部，C1为阴极集流板，C2为阳极集流板，Tr1为阴极到阳极的水扩散行为，Tr2为阳极到阴极的水电迁移行为。箭头表示流体或者气体流动方向。冷却部从进口端57到出口端56经过流道，冷却部中的三角形代表温度变化从进口温度T上升至出口温度T+ΔT。显然，氢气从进口端31到出口端34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；对于空气从进口端43到出口端42经过流道也存在相同的问题；同时，通过质子交换膜，阴阳极之间存在复杂的水热交换过程(如Tr1与Tr2等过程)，造成内部反应条件参数分布的复杂性与不一致性。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不均，并造成各区域的寿命衰减不一致，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。

因此，在现有技术中，燃料电池的性能只通过电压来判断，无法获悉电堆内部具体性能分布，从而无法判断电堆内部真实反应条件，导致电堆在发电系统中的控制策略不准确、不及时，进而导致电堆性能的进一步恶化，从而降低系统效率，并引发电堆加速寿命衰减。

发明内容

本发明旨在提供一种能够监测电流分布的燃料电池堆及具有其的燃料电池堆系统，以解决现有技术中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，判断过程中无法获悉电堆内部具体性能分布的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种能够监测电流分布的燃料电池堆，包括依次设置的第一绝缘板、第一集流板、多节电池、第二集流板以及第二绝缘板，第一集流板装配在第一绝缘板上，第二集流板装配在第二绝缘板上，其中，第一集流板和/或第二集流板包括间隔设置的多个子集流板，每个子集流板能够收集每节电池与该子集流板对应区域的电流，燃料电池堆还包括多个导体柱，多个导体柱与多个子集流板一一对应地连接，第一绝缘板和/或第二绝缘板上设置有多个第一通孔，多个导体柱一一对应地穿设在多个第一通孔中。

进一步地，多个子集流板阵列设置，多个子集流板的行数和列数均大于等于三个。

进一步地，每个第一通孔包括第一孔段和和横截面面积小于第一孔段的第二孔段，多个子集流板一一对应地容纳在多个第一孔段内，每个导体柱穿出每个第二孔段。

进一步地，在朝向多节电池的方向上，每个子集流板的表面与第一绝缘板或第二绝缘板的表面共面。

进一步地，每节电池包括依次设置的阳极板、膜电极和阴极板；相邻的两节电池中，一节电池的阴极板与另一节电池的阳极板相邻接；阳极板的顶部设置有第一氢气进口和第一空气出口，阳极板的底部设置有第一氢气出口和第一空气进口，阳极板朝向膜电极的表面上设置有氢气导流槽；阴极板的顶部设置有第二氢气进口和第二空气出口，阴极板的底部设置有第二氢气出口和第二空气进口，阴极板朝向膜电极的表面上设置有空气导流槽。

进一步地，氢气导流槽包括沿阳极板的纵向布置的多条直流道，或者，氢气导流槽包括沿阳极板的纵向布置的多条弯曲流道，或者，氢气导流槽包括弯折迂回流道，并且弯折迂回流道的拐弯处位于阳极板的左右两侧，或者，氢气导流槽包括弯折迂回流道，并且弯折迂回流道的一部分拐弯处位于阳极板的左右两侧，另一部分拐弯处位于阳极板的中间；空气导流槽包括沿阴极板的纵向布置的多条直流道，或者，空气导流槽包括沿阴极板的纵向布置的多条弯曲流道，或者，空气导流槽包括弯折迂回流道，并且弯折迂回流道的一部分拐弯处位于阴极板的左右两侧，另一部分拐弯处位于阴极板的中间。

进一步地，氢气导流槽包括弯折迂回流道，并且氢气导流槽的弯折迂回流道的拐弯处位于阳极板的左右两侧；空气导流槽包括弯折迂回流道，空气导流槽的弯折迂回流道中的流道并行数量大于氢气导流槽的弯折迂回流道中的流道并行数量，或者，空气导流槽由多个阵列分布的凸起形成。

进一步地，燃料电池堆还包括位于第一绝缘板远离多节电池一侧的第一金属板和位于第二绝缘板远离多节电池另一侧的第二金属板，第一金属板和第二金属板之间设置有连接结构，以使第一绝缘板、第一集流板、多节电池、第二集流板、第二绝缘板夹设在第一金属板和第二金属板之间。

进一步地，第一金属板和/或第二金属板上设置有与多个第一通孔对应设置的多个第二通孔，多个导体柱一一对应地穿出多个第二通孔。

根据本发明的另一方面，提供了一种燃料电池堆系统，包括燃料电池堆和与燃料电池堆连接的检测电路，所述燃料电池堆为上述的燃料电池堆。

进一步地，燃料电池堆的第一集流板包括多个子集流板，燃料电池堆的第二集流板为一体结构，检测电路包括主路、与主路连接的多条支路及设置在主路上的负载，主路的第一端与第二集流板连接，每条支路的第一端与每个子集流板一一对应地连接，每条支路的第二端均与主路连接，燃料电池堆系统还包括多个第一传感器，每条支路上设置有一个第一传感器。

进一步地，燃料电池堆系统还包括第二传感器，第二传感器设置在主路上。

应用本发明的技术方案，燃料电池堆包括依次设置的第一绝缘板、第一集流板、多节电池、第二集流板以及第二绝缘板。第一集流板装配在第一绝缘板上，第二集流板装配在第二绝缘板上，在本申请中，第一集流板和/或第二集流板包括间隔设置的多个子集流板，多个子集流板将燃料电池堆分成多个集流区域，每个子集流板能够收集每节电池与该子集流板对应区域的电流，这样，在对燃料电池堆的性能进行检测的情况下，通过等电势的分区域集流设计，每个子集流板能够实时监测多节电池内部局部区域的实际反应性能分布，即电流密度。因此，本申请的技术方案能够解决现有技术中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，判断过程中无法获悉电堆内部具体性能分布的问题。此外，燃料电池堆还包括多个导体柱，多个导体柱与多个子集流板一一对应地连接，第一绝缘板和/或第二绝缘板上设置有多个第一通孔，多个导体柱一一对应地穿设在多个第一通孔中。这样，便于多个导体柱与燃料电池堆外部的导线进行连接。

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示出了现有技术中的燃料电池堆结构的分解示意图；

图2示出了图1的燃料电池堆结构的双极板剖视示意图；

图3示出了图1的燃料电池堆结构的膜电极剖视示意图；

图4示出了图1的燃料电池堆结构的单节电池的剖视示意图；

图5示出了图1的燃料电池堆结构的内部的水热平衡的示意图；

图6示出了根据本发明的燃料电池堆的实施例一的剖视示意图；

图7示出了图6的燃料电池堆的部分分解示意图；

图8示出了图6的燃料电池堆的第一绝缘板的侧视示意图；

图9示出了图6的燃料电池堆的子集流板的侧视示意图；

图10示出了图6的燃料电池堆的阳极板的侧视示意图；

图11示出了图6的燃料电池堆的阴极板的侧视示意图；

图12示出了根据本发明的燃料电池堆的实施例二的阳极板的侧视示意图；

图13示出了图12的燃料电池堆的阴极板的侧视示意图；

图14示出了根据本发明的燃料电池堆的实施例三的阳极板的侧视示意图；

图15示出了图14的燃料电池堆的阴极板的侧视示意图；

图16示出了根据本发明的燃料电池堆的实施例四的阳极板的侧视示意图；

图17示出了图16的燃料电池堆的阴极板的侧视示意图；

图18示出了根据本发明的燃料电池堆的实施例五的阳极板的侧视示意图；

图19示出了图18的燃料电池堆的阴极板的侧视示意图；

图20示出了根据本发明的燃料电池堆的实施例六的阳极板的侧视示意图；

图21示出了图20的燃料电池堆的阴极板的侧视示意图；

图22示出了根据本发明的燃料电池堆的实施例七的部分分解示意图；

图23示出了根据本发明的燃料电池堆的实施例八的部分分解示意图；

图24示出了根据本发明的燃料电池堆系统的实施例的系统简图；

图25示出了图24的燃料电池堆系统的内部的水热平衡的示意图；以及

图26示出了图24的燃料电池堆系统的燃料电池堆的电流分布的示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

11、第一绝缘板；G、第一通孔；G1、第一孔段；G2、第二孔段；Co、接线端；C2、第一集流板；A、电池；C1、第二集流板；13、第一金属板；14、第二金属板；15、第二绝缘板；16、连接结构；17、第二通孔；20、膜电极；31、第一氢气进口；32、第一空气出口；33、第一空气进口；34、第一氢气出口；35、氢气导流槽；36、第一出水口；37、第一进水口；B、双极板；B1、阳极板；B11、阳极反应区；B2、阴极板；B21、阴极反应区；B7、集流区域；41、第二氢气进口；42、第二空气出口；43、第二空气进口；44、第二氢气出口；45、空气导流槽；46、第二出水口；47、第二进水口；51、第三氢气进口；52、第三空气出口；53、第三空气进口；54、第三氢气出口；56、第三出水口；57、第三进水口；L1、主路；L2、支路；L、负载；S、第一传感器；S0、第二传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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他实施例，都属于本发明保护的范围。

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。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图6至图8所示，实施例一的能够监测电流分布的燃料电池堆包括依次设置的第一绝缘板11、第一集流板C2、多节电池A、第二集流板C1以及第二绝缘板15。第一集流板C2装配在第一绝缘板11上，第二集流板C1装配在第二绝缘板15上。其中，第一集流板C2包括间隔设置的二十四个子集流板CC11、CC12、CC13、CC14、CC15、CC16、CC21、CC22、CC23、CC24、CC25、CC26、CC31、CC32、CC33、CC34、CC35、CC36、CC41、CC42、CC43、CC44、CC45及CC46。每个子集流板能够收集每节电池A与该子集流板对应区域的电流。燃料电池堆还包括二十四个导体柱CCr，二十四个导体柱CCr与二十四个子集流板CC11、CC12、CC13、CC14、CC15、CC16、CC21、CC22、CC23、CC24、CC25、CC26、CC31、CC32、CC33、CC34、CC35、CC36、CC41、CC42、CC43、CC44、CC45、CC46一一对应地连接，第一绝缘板11上设置有二十四个第一通孔G，二十四个导体柱CCr一一对应地穿设在二十四个第一通孔G中。

应用本实施例一的技术方案，第一集流板C2包括间隔设置的二十四个子集流板，二十四个子集流板将燃料电池堆分成二十四个集流区域，每个子集流板能够收集每节电池A与该子集流板对应区域的电流，这样，在对燃料电池堆的性能进行检测的情况下，通过等电势的分区域集流设计，每个子集流板能够实时监测多节电池内部局部区域的实际反应性能分布，即电流密度。因此，本实施例一的技术方案能够解决现有技术中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，判断过程中无法获悉电堆内部具体性能分布的问题。此外，燃料电池堆还包括多个导体柱CCr，二十四个导体柱CCr与二十四个子集流板一一对应地连接，第一绝缘板11上设置有多个第一通孔G，二十四个导体柱CCr一一对应地穿设在二十四个第一通孔G中。这样，便于二十四个导体柱CCr与燃料电池堆外部的导线进行连接。因此，实施例一的技术方案能够为燃料电池发电系统及发动机的集成与控制方案提供更加充分、必要的实时监测信息，从而有目的性的优化电堆操作条件与控制策略，提高燃料电池输出性能与稳定性，并大幅降低燃料电池寿命衰减速率。

需要说明的是，实施例一的第一集流板C2为阳极集流板，第二集流板C1为阴极集流板。

图6和图7中示出在燃料电池堆内部的二维平面内排布若干独立的集流区域，该集流区域的区域面积相等，各集流区域形成矩形区域集流阵列。如图6所示，在X方向形成4个独立集流区域，在Y方向形成6个独立集流区域，各独立的子集流板标记为CCxy，x表示在X方向的位置，y表示在Y方向的位置。当然，在其他图中未示出的实施例中，实施例一的子集流板个数不局限于4×6个，个数可以为十四个、十五个、十六个、十八个，或者二十五个以上。这样，提高子集流板的数量，可提高电流分布测量的分辨率，从而给出更精细的局部电流细节。同时，提高子集流板数量，将增加电流监测通道数，增加信号监测硬件需求，降低多电流信号的动态监测响应频率。因此，子集流板个数可根据电池堆膜电极反应面积与电流分布测量的分辨率需求，进行不同设计。

如图6至图8所示，二十四个子集流板阵列设置，多个子集流板的行数和列数均大于等于三个。上述的排布方式一方面便于每个子集流板收集每节电池A与该子集流板对应区域的电流，另一方面便于每个子集流板与燃料电池堆的检测电路进行连接。

如图8至图10所示，每个第一通孔G包括第一孔段G1和和横截面面积小于第一孔段G1的第二孔段G2，多个子集流板一一对应地容纳在多个第一孔段G1内，每个导体柱CCr穿出每个第二孔段G2。第一通孔G的设置一方面便于第一孔段G1安装子集流板，另一方面便于导体柱CCr穿过第二孔段G2，便于导体柱CCr接线。实施例一的第二孔段G2的内表面绝缘。

实施例一的导体柱CCr的数量不限于二十四个，导体柱CCr的数量可根据子集流板的数量来定。

如图8和图9所示，CCxy为子集流板，CCs为导体柱CCr内部的内螺纹孔，以便外部导线Conn上的外螺纹结构直接拧入内螺纹孔内，这样，各子集流板将燃料电池堆内部各集流区域的电流导出燃料电池堆外部。

如图6所示，在实施例一中，多节电池A包括位于两端的阳极端板B1和阴极端板B2。阳极端板B1内侧含有阳极导流槽的流道，阳极端板B1的端部外侧可选择性设计冷却流体腔，冷却流体腔类似于图2中的流道B5。阴极端板B2为的内侧含阴极导流槽的流道，阴极端板B2的端部外侧可选择性设计冷却流体腔。上述的“内侧”为朝向多节电池A中心的方向。“外侧”为远离多节电池A中心的方向。上述的冷却流体腔便于多节电池A内的冷却液体能够流通。

如图6和图8所示，在朝向多节电池A的方向上，每个子集流板的表面CCa与第一绝缘板11的表面共面。这样，每个子集流板与阳极端板B1远离多节电池A的平面能够贴合，便于每个子集流板能够顺利地收集电流。实施例一的CCa优选为电接触平面。

如图6、图8至图11所示，每节电池A包括依次设置的阳极板B1、膜电极20和阴极板B2；相邻的两节电池A中，一节电池A的阴极板B2与另一节电池A的阳极板B1相邻接；阳极板B1的顶部设置有第一氢气进口31和第一空气出口32，阳极板B1的底部设置有第一氢气出口33和第一空气进口34，阳极板B1朝向膜电极20的表面上设置有氢气导流槽35；阴极板B2的顶部设置有第二氢气进口41和第二空气出口42，阴极板B2的底部设置有第二氢气出口43和第二空气进口44，阴极板B2朝向膜电极20的表面上设置有空气导流槽45。

如图6、图8至图11所示，每节电池A包括依次设置的阳极板B1、膜电极20和阴极板B2。相邻的两节电池A中，一节电池A的阴极板B2与另一节电池A的阳极板B1相邻接。阳极板B1的顶部设置有第一氢气进口31和第一空气出口32，阳极板B1的底部设置有第一空气进口33和第一氢气出口34，阳极板B1朝向膜电极20的表面上设置有氢气导流槽35。氢气导流槽35的设置便于在阳极板B1上形成氢气流道，便于氢气流通。阴极板B2的顶部设置有第二氢气进口41和第二空气出口42，阴极板B2的底部设置有第二空气进口43和第二氢气出口44，阴极板B2朝向膜电极20的表面上设置有空气导流槽45。空气导流槽45的设置便于在阴极板B2上形成空气流道，便于空气流通。实施例一中的相邻阳极板B1和阴极板B2结合成一块双极板B。

如图10和图11所示，在实施例一中，虚线区域为与每个子集流板对应的集流区域B7。

在实施例一中，阳极板B1的顶部还设置有第一出水口36，阳极板B1的底部还设置有第一进水口37。阴极板B2的顶部还设置有第二出水口46，阴极板B2的底部还设置有第二进水口47。第一绝缘板11的顶部设置有第三氢气进口51、第三空气出口52和第三出水口56，第一绝缘板11的底部设置有第三空气进口53、第三氢气出口54和第三进水口57。

在实施例一中，每个第一氢气进口31、每个第二氢气进口41和每个第三氢气进口51相互贯通。每个第一空气出口32、每个第二空气出口42和每个第三空气出口52相互贯通。每个第一空气进口33、每个第二空气进口43和每个第三空气进口53相互贯通。每个第一氢气出口34、每个第二氢气出口44和每个第三氢气出口54相互贯通。每个第一出水口36、每个第二出水口46和每个第三出水口56相互贯通。每个第一进水口37、每个第二进水口47和每个第三进水口57相互贯通。

如图10和图11所示，在实施例一中，在阳极板B1上形成阳极反应区B11，在阴极板B2上形成阴极反应区B21。二十四个子集流板的设置将多节电池A分成二十四个集流区域B7。阳极反应区B11与阴极反应区B21反应后产生的电流被二十四个子集流板CC11、CC12、CC13、CC14、CC15、CC16、CC21、CC22、CC23、CC24、CC25、CC26、CC31、CC32、CC33、CC34、CC35、CC36、CC41、CC42、CC43、CC44、CC45、CC46收集。氢气从第一氢气进口31进入氢气导流槽35内经过阳极反应区B11，从第一氢气出口34排出。空气从第二空气进口43进入空气导流槽45内经过阴极反应区B21，从第二空气出口42排出。

在实施例一中，沿氢气进口至氢气出口的直线方向上，多个子集流板CC11、CC12、CC13、CC14、CC15、CC16、CC21、CC22、CC23、CC24、CC25、CC26、CC31、CC32、CC33、CC34、CC35、CC36、CC41、CC42、CC43、CC44、CC45、CC46按二维阵列将多节电池A分成多个集流区域B7。

如图6所示，燃料电池堆还包括位于第一绝缘板11远离多节电池A一侧的第一金属板13和位于第二绝缘板15远离多节电池A另一侧的第二金属板14，第一金属板13和第二金属板14之间设置有连接结构16，以使第一绝缘板11、第一集流板C2、多节电池A、第二集流板C1、第二绝缘板15夹设在第一金属板13和第二金属板14之间。这样通过连接结构16使得多节电池A紧固于一体，进而，燃料电池堆的整体结构稳定。实施例一的连接结构16优选为拉杆及螺母。

如图6和图9所示，第一金属板13上设置有与多个第一通孔G对应设置的多个第二通孔17，多个导体柱CCr一一对应地穿出多个第二通孔17。第二通孔17的内表面绝缘，并便于导体柱CCr穿过。

如图10和图11所示，氢气导流槽35包括弯折迂回流道，并且弯折迂回流道的拐弯处位于阳极板B1的左右两侧，空气导流槽45包括沿阴极板B2的纵向布置的多条直流道。这样，氢气导流槽35的空气导流槽45的设计适用于交通领域商用车石墨板车用的燃料电池堆。需要说明的是，各集流区域B7的设计应避免跨越多个阳极流场的流道折弯处。

如图12和图13所示，在本申请的燃料电池堆的实施例二中，与实施例一的区别在于，阳极流场和阴极流场的形状。在实施例二中，氢气导流槽35包括沿阳极板B1的纵向布置的多条直流道。空气导流槽45包括沿阴极板B2的纵向布置的多条直流道。

如图14和图15所示，在本申请的燃料电池堆的实施例三中，与实施例一的区别在于，阳极流场和阴极流场的形状。在实施例三中，氢气导流槽35包括沿阳极板B1的纵向布置的多条弯曲流道。空气导流槽45包括沿阴极板B2的纵向布置的多条弯曲流道。实施例三中的氢气导流槽35的空气导流槽45的设计可适用于交通领域乘用车、金属板车用燃料电池堆。

如图16和图17所示，在本申请的燃料电池堆的实施例四中，与实施例一的区别在于，阳极流场和阴极流场的形状。在实施例四中，氢气导流槽35包括弯折迂回流道，并且弯折迂回流道的一部分拐弯处位于阳极板B1的左右两侧，另一部分拐弯处位于阳极板B1的中间。空气导流槽45包括弯折迂回流道，并且弯折迂回流道的拐弯处一部分位于阴极板B2的左右两侧，另一部分位于阴极板B2的中间。实施例四中的氢气导流槽35的空气导流槽45的设计使得该电堆流场设计可适用于发电领域与交通领域燃料电池堆。其中，需要说明的是，各集流区域的设计应避免跨越多个阳极流场的流道折弯处。

如图18和图19所示，在本申请的燃料电池堆的实施例五中，与实施例一的区别在于，阳极流场和阴极流场的形状。在实施例五中，进一步地，氢气导流槽35包括弯折迂回流道，并且氢气导流槽35的弯折迂回流道的拐弯处位于阳极板B1的左右两侧。为了降低阴极板上的空气的气体流通阻力，空气导流槽45包括弯折迂回流道，空气导流槽45的弯折迂回流道中的流道并行数量大于氢气导流槽35的弯折迂回流道中的流道并行数量。实施例五中的氢气导流槽35的空气导流槽45的设计使得该电堆流场设计可适用于发电领域与交通领域燃料电池堆。

如图20和图21所示，在本申请的燃料电池堆的实施例六中，与实施例一的区别在于，阳极流场和阴极流场的形状。在实施例六中，氢气导流槽35包括弯折迂回流道，并且氢气导流槽35的弯折迂回流道的拐弯处位于阳极板B1的左右两侧。为了极大地降低了阴极板上的空气的气体流通阻力，空气导流槽45由多个阵列分布的凸起形成。实施例六中的氢气导流槽35的空气导流槽45的设计使得该电堆流场设计可适用于发电领域与交通领域燃料电池堆。

如图22所示，在本申请的燃料电池堆的实施例七中，与实施例一的区别在于，第一集流板及第一绝缘板的结构、第二集流板及第二绝缘板的结构。在实施例七中，第一集流板C2为阳极集流板，第二集流板C1为阴极集流板。第二集流板为整块结构。第二集流板C1包括间隔设置的二十四个子集流板CC11、CC12、CC13、CC14、CC15、CC16、CC21、CC22、CC23、CC24、CC25、CC26、CC31、CC32、CC33、CC34、CC35、CC36、CC41、CC42、CC43、CC44、CC45、CC46。二十四个子集流板CC11、CC12、CC13、CC14、CC15、CC16、CC21、CC22、CC23、CC24、CC25、CC26、CC31、CC32、CC33、CC34、CC35、CC36、CC41、CC42、CC43、CC44、CC45、CC46将燃料电池堆分成二十四个集流区域，每个子集流板能够收集每节电池A与该子集流板对应区域的电流。这样，在对燃料电池堆的性能进行检测的情况下，通过等电势的分区域集流设计，每个子集流板能够实时监测多节电池A内部局部区域的实际反应性能分布，即电流密度。因此，本实施例七的技术方案能够解决现有技术中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，判断过程中无法获悉电堆内部具体性能分布的问题。

此外，燃料电池堆还包括二十四个导体柱，二十四个导体柱与多个子集流板一一对应地连接，第二绝缘板15上设置有多个第一通孔，二十四个导体柱一一对应地穿设在多个第一通孔中。这样，便于二十四个导体柱与燃料电池堆外部的导线进行连接。第二金属板上设置有与多个第一通孔对应设置的多个第二通孔，多个导体柱一一对应地穿出多个第二通孔。第二通孔的内表面绝缘，便于导体柱穿过。

如图23所示，在本申请的燃料电池堆的实施例八中，第一集流板C2为阳极集流板，第二集流板C1为阴极集流板。在实施例八中，第二集流板C1包括间隔设置的二十四个子集流板CC11、CC12、CC13、CC14、CC15、CC16、CC21、CC22、CC23、CC24、CC25、CC26、CC31、CC32、CC33、CC34、CC35、CC36、CC41、CC42、CC43、CC44、CC45、CC46。第一集流板C2包括间隔设置的二十四个子集流板CC11’、CC12’、CC13’、CC14’、CC15’、CC16’、CC21’、CC22’、CC23’、CC24’、CC25’、CC26’、CC31’、CC32’、CC33’、CC34’、CC35’、CC36’、CC41’、CC42’、CC43’、CC44’、CC45’、CC46’。二十四个子集流板CC11～CC41、CC12～CC42、CC13～CC43、CC14～CC44、CC15～CC45、CC16～CC46与二十四个子集流板CC11’～CC41’、CC12’～CC42’、CC13’～CC43’、CC14’～CC44’、CC15’～CC45’、CC16’～CC46’共同将燃料电池堆分成二十四个集流区域。每个子集流板能够收集每节电池A与该子集流板对应区域的电流。这样，在对燃料电池堆的性能进行检测的情况下，通过等电势的分区域集流设计，每个子集流板能够实时监测多节电池A内部局部区域的实际反应性能分布，即电流密度。因此，本实施例八的技术方案能够解决现有技术中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，判断过程中无法获悉电堆内部具体性能分布的问题。

此外，燃料电池堆还包括二十四个导体柱，二十四个导体柱与多个子集流板一一对应地连接，第一绝缘板11上设置有多个第一通孔，第二绝缘板15上设置有多个第一通孔，二十四个导体柱一一对应地穿设在多个第一通孔中。这样，便于二十四个导体柱与燃料电池堆外部的导线进行连接。如图6和图9所示，第一金属板和第二金属板上均设置有与多个第一通孔对应设置的多个第二通孔，多个导体柱一一对应地穿出多个第二通孔。第二通孔的内表面绝缘，便于导体柱穿过。

由图7、图22和图23可知，图7的实施例一的燃料电池堆为仅在阳极集流板上分成多个集流区域，图22的实施例七的燃料电池堆为仅在阴极集流板上分成多个集流区域，图23的燃料电池堆的实施例八为同时在阴极集流板和阳极极集流板上分成多个集流区域。其中，实施例一和实施例七均为在燃料电池堆的单侧进行分区集流；实施例八为在燃料电池堆的阴极集流板、阳极集流板两侧同时进行分区集流。

在实施例八中，在相对应的局部集流区域内，阴极集流板和阳极集流板分别收集的电流可能存在差异，如子集流板CCxy与子集流板CCxy’收集的电流不一定完全一致。为燃料电池堆的控制策略优化提供支撑，可进行以下两种分析：第一，比较阴极集流板和阳极集流板两侧的电流分布差异，即通过子集流板CCxy与子集流板CCxy’对应分区间的电流差异，评估多节电池及阴极集流板和阳极集流板两侧之间的不一致性；第二，通过阴极集流板、阳极集流板两侧子集流板CCxy与子集流板CCxy’对应分区间的电流分布求取平均，得到更为可靠的燃料电池堆内部电流分布信息，从而提高控制策略的准确性。

本申请还提供了一种燃料电池堆系统，如图24至图26所示，提供了一种燃料电池堆系统，包括燃料电池堆和与燃料电池堆连接的检测电路，所述燃料电池堆为上述的燃料电池堆。本实施例的燃料电池堆系统能够解决现有技术中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，判断过程中无法获悉电堆内部具体性能分布的问题。

如图24至图26所示，燃料电池堆的第一集流板C2包括多个子集流板CC11、CC12、CC13、CC14、CC15、CC16、CC21、CC22、CC23、CC24、CC25、CC26、CC31、CC32、CC33、CC34、CC35、CC36、CC41、CC42、CC43、CC44、CC45、CC46，燃料电池堆的第二集流板C1为一体结构，检测电路包括主路L1、与主路L1连接的多条支路L2及设置在主路L1上的负载L。主路L1的第一端与第二集流板C1连接，每条支路L2的第一端与每个子集流板一一对应地连接，每条支路L2的第二端均与主路L1连接，燃料电池堆系统还包括多个第一传感器S，每条支路L2上设置有一个第一传感器S。上述的一体结构为整块结构。

如图24所示，具体地，各条支路L2上的电流通过精密电阻两端时会产生电压差，这样各第一传感器S能够实时采集该电压值，将收集的各个子集流板的电流信号转化为可实时监测读取的电压信号。这样，从而实现对燃料电池堆的二十四个集流区域及二十四个集流区域上的电流I11～I41、I12～I42、I13～I43、I14～I44、I15～I45、I16～I46进行的实时监测。图24中的A-1为第一节电池，A-N为第N节电池。主路L1为各个集流区域的电流汇总之后的导电母线，电流传感器一般为定值的精密电阻，电阻值优选为1毫欧～10毫欧。

如图24所示，燃料电池堆系统还包括第二传感器S0，第二传感器S0设置在主路L1上。多个子集流板上的电流经过各条支路L2汇总后形成的总电流，第二传感器S0为能够对总电流进行检测的电流的传感器。

如图24和图25所示，再结合图5可知，燃料电池堆在各种外部操作条件下，多节电池A最终将呈现一定的性能，性能通过每条支路L2上的电流经过的输出电压体现。燃料电池堆对从氢气进口31到氢气出口34或者从空气出口42到空气进口43的电流分布进行实时监测，在整个膜电极反应区平面的二维电流分布，得到不同区域的反应特性，这样，能够为燃料电池堆的控制策略优化提供数据支撑。其中，二维排布的集流区域将提供更为精细的局部电流分布信息。上述的外部操作条件包括：加载电流、空气流速、氢气流速、冷却水进口温度、冷却水流速、氢气进口湿度、空气进口湿度、氢气出口压强、空气出口压强等等。

图26具体为本实施例阴极板上的空气进口湿度较低条件下的典型电流分布图。在图26中，横轴CCn表示集流区域的编号，纵轴In为集流区域的电流值，以及空气进口43、空气出口42、氢气进口31和氢气出口34。在本实施例中，燃烧电池堆中各局部集流区域的反应性能并非完全一致，且可能相差极大。

具体地，针对相同的加载电流，若阴极板上的空气进口湿度过低，则空气进口处的质子交换膜含水量较低，呈现较高质子导电内阻，导致I16～I46大幅降低，必然提高其他集流区域的电流负荷，从而增加其他集流区域的电化学反应极化，最终体现为燃烧电池堆整体输出电压下降，膜电极内部干湿区域极度不一致，长期工作于此条件下，则燃烧电池堆性能不佳且寿命下降；若阴极板上的空气进口湿度过高，且工作电流较大，则燃烧电池堆的内部质子交换膜含水量较高，呈现较低质子导电内阻，提高I16～I46、I15、I45等电流性能，然而CC11～CC41、CC12～CC42与CC13～CC43等集流区域则由于反应产水的积累，导致空气出口及其附近集流区域的液态水含量大幅增加，从而形成液态水积累无法及时排除，造成局部“水淹”现象，导致该局部集流区域的电流性能下降且不稳定，最终体现为燃烧电池堆的整体输出电压下降且不能保持稳定，燃烧电池堆的多孔电极内部液态水含量堵塞，长期工作于此条件下，则燃烧电池堆的性能不稳定且寿命衰减严重。其中，CCx1两个集流区域之间可能存在一定的电流值分布差异，将为燃烧电池堆内部电流的均一性提供更为精确的评估。类似的情况也发生在CCx2集流区域系列、CCx3集流区域系列、CCx4集流区域系列、CCx5集流区域系列以及CCx6集流区域系列。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

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。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述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 (12)

1.一种能够监测电流分布的燃料电池堆，其特征在于，包括依次设置的第一绝缘板(11)、第一集流板(C2)、多节电池(A)、第二集流板(C1)以及第二绝缘板(15)，所述第一集流板(C2)装配在所述第一绝缘板(11)上，所述第二集流板(C1)装配在所述第二绝缘板(15)上，其中，所述第一集流板(C2)和/或所述第二集流板(C1)包括间隔设置的多个子集流板，每个所述子集流板能够收集每节所述电池(A)与该子集流板对应区域的电流，所述燃料电池堆还包括多个导体柱(CCr)，多个所述导体柱(CCr)与多个所述子集流板一一对应地连接，所述第一绝缘板(11)和/或所述第二绝缘板(15)上设置有多个第一通孔(G)，多个所述导体柱(CCr)一一对应地穿设在多个所述第一通孔(G)中。

2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，多个所述子集流板阵列设置，多个所述子集流板的行数和列数均大于等于三个。

3.根据权利要求2所述的燃料电池堆，其特征在于，每个所述第一通孔(G)包括第一孔段(G1)和和横截面面积小于所述第一孔段(G1)的第二孔段(G2)，多个所述子集流板一一对应地容纳在多个所述第一孔段(G1)内，每个所述导体柱(CCr)穿出每个所述第二孔段(G2)。

4.根据权利要求3所述的燃料电池堆，其特征在于，在朝向多节所述电池(A)的方向上，每个所述子集流板的表面与所述第一绝缘板(11)或所述第二绝缘板(15)的表面共面。

5.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，每节所述电池(A)包括依次设置的阳极板(B1)、膜电极(20)和阴极板(B2)；相邻的两节所述电池(A)中，一节所述电池(A)的所述阴极板(B2)与另一节所述电池(A)的所述阳极板(B1)相邻接；

所述阳极板(B1)的顶部设置有第一氢气进口(31)和第一空气出口(32)，所述阳极板(B1)的底部设置有第一空气进口(33)和第一氢气出口(34)，所述阳极板(B1)朝向所述膜电极(20)的表面上设置有氢气导流槽(35)；

所述阴极板(B2)的顶部设置有第二氢气进口(41)和第二空气出口(42)，所述阴极板(B2)的底部设置有第二空气进口(43)和第二氢气出口(44)，所述阴极板(B2)朝向所述膜电极(20)的表面上设置有空气导流槽(45)。

6.根据权利要求5所述的燃料电池堆，其特征在于，

所述氢气导流槽(35)包括沿所述阳极板(B1)的纵向布置的多条直流道，或者，所述氢气导流槽(35)包括沿所述阳极板(B1)的纵向布置的多条弯曲流道，或者，所述氢气导流槽(35)包括弯折迂回流道，并且所述弯折迂回流道的拐弯处位于所述阳极板(B1)的左右两侧，或者，所述氢气导流槽(35)包括弯折迂回流道，并且所述弯折迂回流道的一部分拐弯处位于所述阳极板(B1)的左右两侧，另一部分拐弯处位于所述阳极板(B1)的中间；

所述空气导流槽(45)包括沿所述阴极板(B2)的纵向布置的多条直流道，或者，所述空气导流槽(45)包括沿所述阴极板(B2)的纵向布置的多条弯曲流道，或者，所述空气导流槽(45)包括弯折迂回流道，并且所述弯折迂回流道的一部分拐弯处位于所述阴极板(B2)的左右两侧，另一部分拐弯处位于所述阴极板(B2)的中间。

7.根据权利要求6所述的燃料电池堆，其特征在于，

所述氢气导流槽(35)包括弯折迂回流道，并且所述氢气导流槽(35)的弯折迂回流道的拐弯处位于所述阳极板(B1)的左右两侧；

所述空气导流槽(45)包括弯折迂回流道，所述空气导流槽(45)的弯折迂回流道中的流道并行数量大于所述氢气导流槽(35)的弯折迂回流道中的流道并行数量，或者，所述空气导流槽(45)由多个阵列分布的凸起形成。

8.根据权利要求6所述的燃料电池堆，其特征在于，所述燃料电池堆还包括位于所述第一绝缘板(11)远离多节所述电池(A)一侧的第一金属板(13)和位于所述第二绝缘板(15)远离多节所述电池(A)另一侧的第二金属板(14)，所述第一金属板(13)和所述第二金属板(14)之间设置有连接结构(16)，以使所述第一绝缘板(11)、所述第一集流板(C2)、多节所述电池(A)、所述第二集流板(C1)、所述第二绝缘板(15)夹设在所述第一金属板(13)和所述第二金属板(14)之间。

9.根据权利要求8所述的燃料电池堆，其特征在于，所述第一金属板(13)和/或所述第二金属板(14)上设置有与多个所述第一通孔(G)对应设置的多个第二通孔(17)，多个所述导体柱(CCr)一一对应地穿出多个所述第二通孔(17)。

10.一种燃料电池堆系统，其特征在于，包括燃料电池堆和与所述燃料电池堆连接的检测电路，所述燃料电池堆为权利要求1至9中任一项所述的燃料电池堆。

11.根据权利要求10所述的燃料电池堆系统，其特征在于，所述燃料电池堆的第一集流板(C2)包括多个所述子集流板，所述燃料电池堆的第二集流板(C1)为一体结构，所述检测电路包括主路(L1)、与所述主路(L1)连接的多条支路(L2)及设置在所述主路(L1)上的负载(L)，所述主路(L1)的第一端与所述第二集流板(C1)连接，每条所述支路(L2)的第一端与每个所述子集流板一一对应地连接，每条所述支路(L2)的第二端均与所述主路(L1)连接，所述燃料电池堆系统还包括多个第一传感器(S)，每条所述支路(L2)上设置有一个所述第一传感器(S)。

12.根据权利要求11所述的燃料电池堆系统，其特征在于，所述燃料电池堆系统还包括第二传感器(S0)，所述第二传感器(S0)设置在所述主路(L1)上。