CN110233273A - 一种pemfc流场板压降和流量均匀性测试系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于PEMFC流场板的压降和流量均匀性监测系统，包括若干监测组件，以及计算机系统；流场板设多个流道，每个流道配设至少两个监测组件，每个监测组件均分别与计算机系统相连；监测组件用于监测流道内的压力并将该压力信号发送至计算机系统，计算机系统用于接收流道内至少两个位置的压力信号，根据压降，通过流道流体压降与流量关系，计算各流道内的气体流量，获得流场板各流道内气体流量分布。本发明还提供了一种基于PEMFC流场板的压降和流量均匀性监测方法。本发明的有益效果为：本发明通过在流场板的每个流道内设压力传感器连接计算机系统，在反应过程中，通过压力传感器测量流场板内实际压力，再通过计算机系统分析计算得出流场板内气体的真实分布情况，对流场板结构优化具有重要意义。

Description

一种PEMFC流场板压降和流量均匀性测试系统及方法
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，具体涉及一种PEMFC流场板压降和流量均匀性测试系统及方法。
背景技术
由于环境污染以及能源短缺问题，人类目前致力于开发新能源。在众多新能源中，质子交换膜燃料电池因其能量转换效率高、寿命长、比功率高且环境友好等优点，成为新兴热门研究能源之一。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)在工作过程中，反应气通过流场板分配后扩散至催化层进行反应。但是，由于不合理流场板及流体分配区设计，导致反应气体分配不均，进而引起电流密度、温度等物理场分布不均，以及膜润湿状态不均，极易引起膜电极局部失效，直接影响电池堆的耐久性以及发电效率。此外，燃料电池在工作过程中，流场板局部发生堵塞、水淹等状况，也会影响燃料电池发电效率及损坏燃料电池寿命。因此，为保证燃料电池工作状态的稳定及工作寿命，有必要优化流场板结构，并能时刻监测燃料电池工作时内部参数如流场板压降和流量均匀性等。
发明内容
本发明目的在于，针对现有技术的不足，提供一种可得出流场板内气体的真实分布情况的PEMFC流场板压降和流量均匀性测试系统及方法。
本发明采用的技术方案为：一种基于PEMFC流场板的压降和流量均匀性监测系统，包括若干监测组件，以及计算机系统；流场板设多个流道，每个流道配设至少两个监测组件，每个监测组件均分别与计算机系统相连；监测组件用于监测流道内的压力并将该压力信号发送至计算机系统，计算机系统用于接收流道内至少两个位置的压力信号，并根据压降计算各流道内的气体流量，获得流场板各流道内气体流量分布。
按上述方案，每个流道的进口和出口处各配设一个监测组件；各流道监测组件的监测位置均对应相同。
按上述方案，所述监测组件包括气体转接头、监测管道和压力传感器，所述压力传感器与计算机系统相连；每个流道设一连通的引出通道，引出通道的出口通过气体转接头与监测管道的一端连通，监测管道内安装压力传感器。
按上述方案，所述引出通道的出口端设与气体转接头相适配的内螺纹，引出通道的出口与气体转接头螺纹连接。
按上述方案，所述引出通道与气体转接头的连接处密封处理。
按上述方案，所述压力传感器与监测管道的连接处密封处理。
本发明还公开了一种基于PEMFC流场板的压降和流量均匀性监测方法，该方法为：利用压力传感器测得流场板每个流道内至少两个位置的压力，并根据流道内的压力变化计算出各流道内气体流量，从而得出流场板内气体分布情况，由气体实际分布情况对流场板结构进行优化设计。
本发明的有益效果为：本发明通过在流场板的每个流道内设压力传感器连接计算机系统，在反应过程中，通过压力传感器测量流场板内实际压力，再通过计算机系统分析计算得出流场板内气体的真实分布情况，对流场板结构优化具有重要意义；同时，所述系统实现了对燃料电池运行状态的实时监测，以及时排除故障，避免流道水淹或堵塞，保证燃料电池的稳定运行，延长燃料电池电堆的工作寿命。
附图说明
图1为电堆、流场板及监测组件连接的纵轴剖截面图。
图2为电堆、流场板及监测组件连接的横轴剖截面图。
图3为一种Z型流场板的示意图。
图4为Z型流场板内各流道气体流量分布图。
其中：1、流场板；2、单流道；3、MEA；4、引出通道；5、气体转接头；6、监测管道；
7、压力传感器。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
PEM燃料单电池包括膜电极(也即MEA3)，以及设于膜电极两侧的阴极流场板1和阳极流场板1；工作时阴极气体和阳极气体分别由进口引入，经主通道分配至流场板1，经流场板1各流道2导流均匀分配至电极，通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。
如图1所示的一种基于PEMFC流场板的压降和流量均匀性监测系统，包括若干监测组件，以及计算机系统；流场板1设多个流道2，每个流道2配设至少两个监测组件，每个监测组件均分别与计算机系统相连；监测组件用于监测流道2内的压力并将该压力信号发送至计算机系统，计算机系统用于接收流道2内至少两个位置的压力信号，并根据压降计算各流道2内的气体流量，获得流场板1各流道2内气体流量分布。本实施例中，所述计算机系统内置有流体力学公式编程，利用流道2压降计算出各流道2内气体的流量并反馈调节电堆。
本发明中，每个流道2的进口和出口处各配设一个监测组件；各流道2监测组件的监测位置均对应相同。
优选地，如图1～2所示，所述监测组件包括气体转接头5、监测管道6和压力传感器7，所述压力传感器7与计算机系统相连；每个流道2设一连通的引出通道4，引出通道4的出口通过气体转接头5与监测管道6的一端连通，监测管道6内安装压力传感器7。本实施例中，对监测管道6的长度对流量计算无影响，与监测管道6相接的是压力传感器7，当反应气通过流场板分配后，流道内气体会流入监测管道6，然后由压力传感器7测量压力。管道长度越长阻力越大，是对流场板内各流道动态气体而言，当气体分配达到平衡时，监测管道6内的气体是静态的，所以管道长度不会影响压力的测量(与毕托管测压力是一个原理)，从而也不会影响流量的计算。监测管道6的长度会影响动态响应过程，例如流场板本是正常工作，压力示数也是正常显示，若此时某流道发生堵塞，压力会发生相应变化，在达到下一次平衡时，压力传感器7才会显示准确示数，这时监测管道6的长度越长，气体压力传递到压力传感器7的时间越长，这个时间即为响应时间。因此在满足测量要求的条件下，监测管道6的长度还是要求尽可能短。
本发明中，所述引出通道4的出口端设与气体转接头5相适配的内螺纹，引出通道4的出口与气体转接头5螺纹连接。
优选地，所述引出通道4与气体转接头5的连接处密封处理；所述压力传感器7与监测管道6的连接处密封处理。
优选地，所述流道的宽度为0.1～1mm，深度0.3～0.5mm。可采用如下公式计算流体流量：
f＝0.14Re -0.18 (2)
以上公式中，上式中，L——流道2长度/(mm)；Dh——流道2当量直径/(mm)；A——流道2截面积/(mm2)；ρ——气体密度/(g/cm3)；f——压力损失系数、QV——流量(m3/s)、ΔP——压降(Pa)。
本发明中，流场板1内各流道2结构尺寸均相同，各流道2对应的引出通道4其尺寸也均相同，且引出通道4的尺寸以不影响PEMFC流场板1内部反应气体的流动及反应为准。所述测试系统各组件相配套，能够保证气密性：气体转接头5与流场板1进出气口及各流道2对应处的螺纹孔相配套，并紧密相连接；引出通道4与气体转接头5相连，保证密封；压力传感器7与监测管道6相连，保证密封。
一种基于PEMFC流场板的压降和流量均匀性监测方法，该方法为：利用压力传感器7测得流场板1内各流道2至少两个位置的压力，并根据流道2内的压力变化计算出各流道2内气体流量，从而得出流场板1内气体分布情况，由气体实际分布情况对流场板1结构进行优化设计。具体为，当电堆处于工作状态时，反应气体在流场板1内分配，气体在MEA3中参与反应，反应气体通过进入流道2后经引出通道4、气体转接头5以及监测管道6流经压力传感器7中；压力传感器7测得流道2内压力，并将压力信号发送至计算机系统，由计算机系统内置程序分析压力信号，通过流体力学公式编程，由流道2压降计算出各流道2内气体流量，从而得出流场板1内气体分布情况，由气体实际分布情况对流场板1结构进行优化设计，以达到流场板1内气体均匀分布的目的，同时也可对燃料电池工作时的运行状态进行监测。工作时，反应气体在流场板1内分配之后通过扩散层进入催化层进行反应，工作状况达到稳定之后，进出口压力及各流道2内压力会在稳定范围中。若流场板1中某一流道2发生堵塞，该流道2压力就会产生变化，压力信号的改变通过计算机监测系统发出警告，从而及时发现并排除故障，保证燃料电池工作时的正常运行状态。
本发明中，流场板1，每片单电池都具有的重复结构，用于分配反应气体；气体流道2贯穿于整个电堆，用于导入和导出反应气体；MEA3，流道2内气体扩散至MEA3并在催化剂作用下发生反应；引出通道4，各流道2一段相等距离之间有若干引出通道4(至少两个)，用于导出反应气体监测压力；气体转接头5，每个气体转接头5与一个引出通道4相接；监测管道6，与气体转接头5相接，并将气体传输至压力传感器7内；压力传感器7，测量各引出通道4所连通的流道2内反应气体的压力，并将信号导入计算机系统中；电堆，若干单片燃料电池组装的发电装置；计算机系统，分析压力信号，得出流场板1内压降及流量分布情况并监测电堆运行状态。
实施例
如图3所示的一种Z型流场板1，其共有依次的32条气体流道2，往流场板1内通入一定量的反应气体，在每条流道2上开两个引出通道4，通过气体转接头5与压力传感器7相连接，测得数据后，通过计算机系统分析流量分布情况。该流场板1反应区为直流道2通道，由公式(1)、(2)、(3)测得该流场板1各流道2的压降数据如表1：
表1
流道 1 2 3 4 5 6 7 8
压降/(cm水柱) 14 10.3 11.6 5.4 7 5.5 5.5 5
流道2 9 10 11 12 13 14 15 16
压降/(cm水柱) 5.7 6 5 4.5 3.5 4.4 4.4 4.5
流道 17 18 19 20 21 22 23 24
压降/(cm水柱) 4.3 4 5 4.1 4.2 3.8 5.5 5.5
流道 25 26 27 28 29 30 31 32
压降/(cm水柱) 5.3 3.7 5 4.8 7 5.7 7.5 5.3
通过计算机分析得出流场板1内流量分布情况如图4所示：
利用该测试系统所测出的流场板1流量分布情况如4图所示，可以看出该流场板1中间部分流道2流量分布较为均匀，在流场板1两侧流量分布偏大，所以该类型流场板1结构仍有进一步优化的空间。
对于稳定运行的电堆设备，在工作过程中，利用该测试系统可以测出流场板1内压降的区间范围，对于发生堵塞、水淹的流道2，压降会大大增大。利用计算机系统监测，对于压降数据发生异动的情况，则可快速识别出流场板1发生故障部位，对于恢复及维持电堆正常运行有很大帮助，同时利于提升燃料电池堆寿命。

Claims (7)

1.一种基于PEMFC流场板的压降和流量均匀性监测系统，其特征在于，包括若干监测组件，以及计算机系统；流场板设多个流道，每个流道配设至少两个监测组件，每个监测组件均分别与计算机系统相连；监测组件用于监测流道内的压力并将该压力信号发送至计算机系统，计算机系统用于接收流道内至少两个位置的压力信号，并根据压降计算各流道内的气体流量，获得流场板各流道内气体流量分布。
2.如权利要求1所述的基于PEMFC流场板的压降和流量均匀性监测系统，其特征在于，每个流道的进口和出口处各配设一个监测组件；各流道监测组件的监测位置均对应相同。
3.如权利要求1所述的基于PEMFC流场板的压降和流量均匀性监测系统，其特征在于，所述监测组件包括气体转接头、监测管道和压力传感器，所述压力传感器与计算机系统相连；每个流道设一连通的引出通道，引出通道的出口通过气体转接头与监测管道的一端连通，监测管道内安装压力传感器。
4.如权利要求3所述的基于PEMFC流场板的压降和流量均匀性监测系统，其特征在于，所述引出通道的出口端设与气体转接头相适配的内螺纹，引出通道的出口与气体转接头螺纹连接。
5.如权利要求3所述的基于PEMFC流场板的压降和流量均匀性监测系统，其特征在于，所述引出通道与气体转接头的连接处密封处理。
6.如权利要求3所述的基于PEMFC流场板的压降和流量均匀性监测系统，其特征在于，所述压力传感器与监测管道的连接处密封处理。
7.一种基于PEMFC流场板的压降和流量均匀性监测方法，其特征在于，该方法为：利用压力传感器测得流场板每个流道内至少两个位置的压力，并根据流道内的压力变化计算出各流道内气体流量，从而得出流场板内气体分布情况，由气体实际分布情况对流场板结构进行优化设计。
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