CN111540926B - 一种具有阳极侧电流分布监测功能的空冷燃料电池电堆 - Google Patents

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Abstract

该发明公开了一种具有阳极侧电流分布监测功能的空冷燃料电池电堆，属于燃料电池领域。具有阳极侧电流分布实时监测功能，电流分区沿着氢气流场呈矩阵分布，可精确测量出流场各个区域的电流分布，避免分区跨越流道的转弯区域带来数据分析困难；该装置为空冷燃料电池电堆设计优化以及发电系统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。

Description

一种具有阳极侧电流分布监测功能的空冷燃料电池电堆
技术领域
本发明属于电学领域，特别是燃料电池技术。
背景技术
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。
空冷燃料电池的阳极燃料为氢气，阴极反应物为空气，且空气同时作为冷却介质，因此系统结构简洁，在备用电源、小型便携式电源以及小型动力电源等领域具有广泛的应用前景。尤其在工业无人机领域，空冷燃料电池能够大幅提升无人机续航时间至4小时以上。
在现有的燃料电池结构中，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。对于现有空冷燃料电池堆的设计与操作，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。空冷电堆由于需要阴极空气冷却，空气过量系数较高(达到几十，而水冷电堆一般为2左右)，且其阳极一般采取出口闭端间歇排放操作，电堆长期运行于非稳态工况，造成电堆电压或节电池电压动态变化，并可能大幅下降。可能存在多种原因，(1)电堆内部过度干燥，造成膜内阻偏大，降低电压性能；(2)阳极闭端操作，导致阴极氮气通过膜渗透至阳极，降低阳极反应气体活性；(3)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。氢气从进口端到出口端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；对于空气端也存在相同的问题；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，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。在现有技术中，只通过电压无法获悉电堆内部具体性能分布，从而无法判断空冷电堆内部真实反应条件，导致电堆可能存在设计缺陷，发电系统控制策略不准确、不及时，可能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
本发明针对上述技术问题，设计一种新型的空冷燃料电池及其电流分布实时监测装置，为空冷燃料电池电堆设计优化以及发电系统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。
本发明技术方案为一种具有阳极侧电流分布监测功能的空冷燃料电池电堆，该空冷燃料电池电堆包括依次堆叠的：阴极端板、阴极绝缘板、阴极集流板、阴极极板、空气电堆膜电极、阳极极板、阳极分区集流板、阳极绝缘板、阳极端板；在阴极端板和阳极端板上对应设置有紧固孔，采用螺栓螺帽使阴极端板和阳极端板之间的各器件贴紧；所述阴极极板、空冷电堆膜、阳极极板、阳极分区集流板、阳极绝缘板、阳极端板的板面两侧位置对应设置有氢气进口和氢气出口；阴极极板、空冷电堆膜、阳极极板、阳极分区集流板、阳极绝缘板、阳极端板上的氢气进口相互贯通，氢气出口也相互贯通；
所述阴极极板氢气进口和氢气出口的正面和背面都设置有密封槽用于放置密封项圈，阴极极板氢气进口与氢气出口之间，贴于空气电堆膜电极一侧并列设置多条直线型空气流道；
所述空气电堆膜电极，包括：边框、碳纸、催化层，所述边框中部设置催化层，催化层包括质子交换膜和涂敷于质子交换膜两侧的催化剂，所述碳纸的尺寸大于催化层，分别覆盖于催化层的两侧的表面；
所述阳极极板的氢气进口和氢气出口之间采用氢气流道连通,氢气流道设置于阳极极板紧贴于空气电堆膜电极的一侧,该侧的外侧设置有一圈阳极板密封槽,该阳极板密封槽包围氢气流道、氢气进口和氢气出口,用于放置密封项圈；阳极极板另一面的氢气进口和氢气出口外围设置有密封槽；
所述阳极分区集流板包括正面和背面，正面为与阳极极板紧贴的一面，背面为与阳极绝缘板紧贴的一面，阳极分区集流板正面包括：阵列排布的多个分区集流层、多个电压信号传导通孔、电压信号接地通孔、电流汇集极、多个汇集极电流传导通孔；所述各分区集流层组成的阵列的位置对应于阳极极板氢气流道的位置，各分区集流层紧贴于阳极分区集流板正面的表面，各分区集流层之间电隔离，各分区集流层的中心设置有集流层电流传导通孔；电流汇集极为直条状贴片；电压信号传导通孔的个数与分区集流层的个数相同，设置为一行，与电流汇集极平行；多个汇集极电流传导通孔依次均匀排列与电流汇集极内，电压信号接地通孔设置于电流汇集极的末端；电压信号传导通孔和电流汇集极凸出于空冷燃料电池电堆，不与阳极分区集流板相邻的结构重叠；
所述阳极分区集流板背面包括：阵列设置的多个分区铜层、多条铜层导流线、多个电压信号传导通孔、电压信号接地通孔、电流汇集极、多个汇集极电流传导通孔，多个电流传感器，各分区铜层的中心设置有一个汇集极电流传导通孔，电流传感器的个数与分区铜层的个数相同；背面的分区铜层、电压信号传导通孔、电压信号接地通孔、电流汇集极、汇集极电流传导通孔的位置与分别与正面的分区集流层、电压信号传导通孔、电压信号接地通孔、电流汇集极、汇集极电流传导通孔的位置一一对应，所述铜层导流线的条数与分区铜层的个数相同，每条铜层导流线一端连接一个分区铜层，另一端连接一个电压信号传导通孔并继续延伸一段距离，末端设置铜层引脚；每个铜层引脚对应连接一个电流传感器的一端，该电流传感器的另一端连接电压信号接地通孔；所述每个电压信号接地通孔对应设置一接地引脚，所有引脚外侧设置有外接插口；每个电压信号传导通孔设置一电压信号引脚，所有引脚外侧设置有外接插口。
进一步的，阳极极板中的氢气进口和氢气出口分别位于该阳极极板的对角上，采用双氢气流道连通氢气进口和氢气出口，从氢气进口开始将氢气分为两路氢气流道，这两路氢气流道并行传输，并进行4次180°的迂回传输至氢气出口，迂回后形成的10条氢气流道的间隔距离相等；所述分区集流层包括五行，每一行的位置对应阳极极板中相邻的两条流向一致的氢气流道，所述集流层电流传导通孔的位置对应阳极极板中相邻的两条流向一致的氢气流道之间的流道脊。
本发明设计一种新型的空冷燃料电池及其电流分布实时监测装置，具有阳极侧电流分布实时监测功能，电流分区沿着氢气流场呈矩阵分布，可精确测量出流场各个区域的电流分布，避免分区跨越流道的转弯区域带来数据分析困难；该装置为空冷燃料电池电堆设计优化以及发电系统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。
附图说明
图1为具有阳极侧电流分布监测功能的空冷燃料电池装置示意图，其中图1-1和图1-2为两个不同角度的视图。
图2为具有阳极侧电流分布监测功能的空冷燃料电池装置正向展开图。
图3为具有阳极侧电流分布监测功能的空冷燃料电池装置背向展开图。
图4为本发明中阳极极板示意图。
图5为本发明中阴极极板示意图。
图6为本发明空气电堆膜电极示意图。
图7为本发明中阳极分区集流板正面示意图，其中图7-1为阳极分区集流板正面平面视图，图7-2为阳极分区集流板正面立体视图。
图8为本发明中阳极分区集流板背面示意图，其中图8-1为阳极分区集流板背面平面视图，图8-2为阳极分区集流板背面立体视图。
图9为本发明中阳极分区集流板背面各器件分布示意图，其中图9-1为阳极分区集流板背面各器件分布平面图，图9-2为阳极分区集流板背面各器件分布立体图。
图10为本发明具有阳极侧电流分布监测的空冷燃料电池装置平行于空气流道方向的截面图；其中，×和·均代表每条氢气流道内部的氢气流动方向，×代表垂直于纸面向里的方向，·代表垂直于纸面向外的方向。
图11为本发明空冷燃料电池电流密度分布示意图。
图中，1.氢气进口，2.氢气出口，3.阴极集流板，4.阳极分区集流板，5.阳极极板，5-1.阳极极板密封槽，5-2.氢气流道，5-3.氢气流道脊，6.阴极极板，6-1.阴极氢气进口密封槽，6-2.阴极极板氢气出口密封槽，6-3.空气流道，6-4.空气流道脊，7.紧固螺栓，8.阴极端板，9.阴极绝缘板，10.空气电堆膜电极，10-1.膜电极边框，10-2.催化层，10-3.气体扩散碳纸覆盖区域，11.阳极绝缘板，12.阳极端板，13.电流汇集极，14.汇集极电流传导通孔，15.电压信号传导通孔，16.电压信号接地通孔,17.分区集流层，18.集流层电流传导通孔，19.电流汇集层，20.电流传感器，20-1.电流传感器一端引脚，20-2.电流传感器另一端引脚，20-3.电流传感器外接插口，20-4.电压信号引脚，20-5.电压信号外接插口，21.分区层，22.铜层导流线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明技术方案进行说明。本发明设计一种新型的具有阳极电流分布检测的空冷燃料电池装置。图1为具有阳极侧电流分布监测功能的空冷燃料电池装置，图2与图3为具有阳极侧电流分布监测功能的空冷燃料电池装置展开图。其中，紧固螺栓(7)用于整个电池装置的紧固；阳极绝缘板(11)与阴极侧绝缘板(9)用于导电部件与端板紧固件之间的绝缘；阴极集流板(3)为铜板用于阴极侧电流的收集；阳极分区集流板(4)是基于印制电路板设计的分区集流装置，用于阳极侧电流分布的检测；阳极极板(5)与阴极侧的极板(6)为石墨板，其上分别设计阳极氢气流道与阴极空气流道；空冷电堆膜电极部件(10)为质子交换膜两侧涂布阳极与阴极催化剂，并在催化层上覆盖气体扩散碳纸。按图2与图3中部件装配关系，通过7紧固所有部件，形成具有阳极电流分布检测的空冷燃料电池装置，绝缘板上设置有阳极氢气的进口(1)与出口(2)。
图4为空冷电堆阳极的极板(5)。其中，阳极极板的密封槽(5-1)用于密封阳极侧氢气；阳极侧氢气流道(5-2)与流道脊(5-3)，氢气通过并行曲折流道(5-2)，由进口流至出口，以供应反应区所需燃料。
图5为空冷电堆阴极的极板(6)。其中，阴极极板的氢气进出口密封槽(6-1、6-2)，用于氢气进口(1)与出口(2)位置的密封；空气通过并行直流道(6-4)由电池一侧流至另一侧，方向如图中箭头所示，空气不仅提供阴极反应所需氧气，同时提供强制对流散热所需的冷却空气。
图6为空冷燃料电池膜电极(10)；其中，催化层(10-2)，阳极和阴极的催化剂涂布于质子交换膜的两侧，形成微米级厚度的催化层；虚线方框为气体扩散碳纸覆盖区域(10-3)，在阳极与阴极催化层的外侧分别覆盖阳极与阴极气体扩散层；膜电极外围的边框(10-1)，为PET塑料膜材料，用于膜电极的封装与边缘密封。
图7为空冷燃料电池阳极侧电流分布监测板(正面，即与空冷电堆阳极的极板(5)相贴合的面，以收集反应电流)。其中，阳极氢气的进口(1)与出口(2)；虚线为氢气的流动方向，与阳极板中的流道(5-2)所示流动路径一致；相互电隔离的分区集流铜层(17)，沿着氢气流道方向排布成集流矩阵，X方向为12个分区，Y方向为5个分区，二维平面上一共为60个分区，每个分区17可标记为CC(X,Y)(其中，X与Y分别为X方向和Y方向的标号)；每个分区中心位置的电流传导通孔(18)(通孔内壁含铜，具备PCB板两侧的电导通功能)，以将收集的电流导至PCB板的背面；PCB板正面的电流汇集铜层(13)；电流传导通孔(14)(通孔内壁含铜，具备PCB板两侧的电导通功能)，以导通正面电流汇集铜层13与背面电流汇集铜层(19)；电压信号传导通孔(15)，以连接电流传感器(20)(一般为定值的精密电阻：1～10毫欧)一端的电压信号引脚；电压信号传导通孔(16)，作为接地端并连接电流传感器(20)的另一端电压信号。
图8为空冷燃料电池阳极侧电流分布监测板(背面)。相互电隔离的分区铜层(21)，其相对位置与PCB板正面的分区集流铜层(17)一一对应，并分别通过每个分区中心位置的电流传导通孔(18)导通正面的分区集流铜层(17)与分区铜层(21)；铜层导流路径(22)，将每个分区的收集的电流导流至背面的电流汇集铜层(19)；电流传感器(20)的一端焊接于铜层引脚(20-1)，另一端焊接于电流汇集铜层(19)。
因此，每个分区的电流由阳极分区集流板(4)正面的分区(17)收集，再通过电流传导通孔(18)导通至背面的分区铜层(21)，再经过对应的22铜层导流路径至铜层引脚(20-1)，再经过电流传感器(20)汇流至电流汇集层(19)，再通过外电路导线螺丝固定连接于(14)，从而连接到电子负载，形成外部电流回路。其中，由于电流的通过将在电流传感器(20)两端产生电压差，实时采集该电压值，从而将收集的各个分区的电流信号转化为可实时监测读取的电压信号，并通过一定的信号放大电路，从而实现燃料电池各分区电流的精确实时监测。
图9为空冷燃料电池阳极侧电流分布监测板(集成电流传感器与信号接插口，背面)。其中，电流传感器(20)，一端焊接于铜层引脚(20-1)，另一端焊接于电流汇集铜层(19)；电流传感器一侧的电压信号接地引脚(20-2)，其接地引脚的外接插口(20-3)；电流传感器另一侧的电压信号引脚(20-4)(每一个引脚对应一个电流采集分区)，其电压信号引脚的外接插口(20-5)；
图9空冷燃料电池阳极侧电流分布监测板(集成电流传感器与信号接插口，背面)。
图10为具有阳极侧电流分布监测的空冷燃料电池装置截面示意图，该截面平行于空气流道方向。其中，×和·均代表每条氢气流道内部的氢气流动方向，×代表垂直于纸面向里的方向，·代表垂直于纸面向外的方向。
以图11为例，为基于本发明分区电池测试的典型电流分布图。其中，横轴Seg(X,Y)表示分区的编号，纵轴I(X,Y)为分区集流的电流值，AnF标记的虚线为氢气流动路径，CaF标记的虚线为空气流动路径。如图所示，电池堆各局部区域的反应性能并非完全一致，且可能相差极大。在电堆额定工作电流下，阴极空气进口端湿度较低(由于空气过量系数较高，且电堆温度高于室温十度至几十度)，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I(1，5)～I(12，5)电流值较低；而阴极空气出口端湿度较高(由于阴极生成水的逐渐累积)，空气出口处的质子交换膜含水量较高，呈现较高质子导电率，导致I(1，1)～I(12，1)电流值较高。
环境温度、环境湿度、工作温度、工作电流、空气流量等参数均将影响燃料电池电堆电压及电流分布。此外，局部电流过低必然提高其他区域的电流负荷，从而增加其他区域的电化学反应极化，最终体现为电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，则电堆性能不佳且寿命下降。本发明提供的分区电流采集装置，可通过电流分布均一性作为评价指标，优化电堆操作参数与控制策略。
由于本发明的分区设计沿着阳极氢气流道路径进行设计，因此，检测出的电流分布也包含了氢气流场带来的影响因素(氢气沿着阳极流道流动，变化量包括：1.氢气逐渐消耗，氢气浓度降低；2.阴极生成水背扩散至阳极，形成阳极流道内部水含量的积累，提高了水浓度，并可能在某些局部位置甚至形成液态水；3.阳极气体压力随着反应的进行与气体沿流道的压力损耗，沿流道逐渐降低，略微影响电池平衡电位Nernst电压以及多孔介质扩散传质过程；)，这些因素将与膜电极对面的阴极空气流道设计与空气流动控制方案形成耦合，共同确定电池总体的性能输出与电流分布。研发设计人员可基于电流分布检测，对电堆的阳极氢气流场设计优化提供优化基础。

Claims (2)

1.一种具有阳极侧电流分布监测功能的空冷燃料电池电堆，该空冷燃料电池电堆包括依次堆叠的：阴极端板、阴极绝缘板、阴极集流板、阴极极板、空气电堆膜电极、阳极极板、阳极分区集流板、阳极绝缘板、阳极端板；在阴极端板和阳极端板上对应设置有紧固孔，采用螺栓螺帽使阴极端板和阳极端板之间的各器件贴紧；所述阴极极板、空冷电堆膜、阳极极板、阳极分区集流板、阳极绝缘板、阳极端板的板面两侧位置对应设置有氢气进口和氢气出口；阴极极板、空冷电堆膜、阳极极板、阳极分区集流板、阳极绝缘板、阳极端板上的氢气进口相互贯通，氢气出口也相互贯通；
所述阴极极板氢气进口和氢气出口的正面和背面都设置有密封槽用于放置密封项圈，阴极极板氢气进口与氢气出口之间，贴于空气电堆膜电极一侧并列设置多条直线型空气流道；
所述空气电堆膜电极，包括：边框、碳纸、催化层，所述边框中部设置催化层，催化层包括质子交换膜和涂敷于质子交换膜两侧的催化剂，所述碳纸的尺寸大于催化层，分别覆盖于催化层的两侧的表面；
所述阳极极板的氢气进口和氢气出口之间采用氢气流道连通,氢气流道设置于阳极极板紧贴于空气电堆膜电极的一侧,该侧的外侧设置有一圈阳极板密封槽,该阳极板密封槽包围氢气流道、氢气进口和氢气出口,用于放置密封项圈；阳极极板另一面的氢气进口和氢气出口外围设置有密封槽；
所述阳极分区集流板包括正面和背面，正面为与阳极极板紧贴的一面，背面为与阳极绝缘板紧贴的一面，阳极分区集流板正面包括：阵列排布的多个分区集流层、多个电压信号传导通孔、电压信号接地通孔、电流汇集极、多个汇集极电流传导通孔；所述各分区集流层组成的阵列的位置对应于阳极极板氢气流道的位置，各分区集流层紧贴于阳极分区集流板正面的表面，各分区集流层之间电隔离，各分区集流层的中心设置有集流层电流传导通孔；电流汇集极为直条状贴片；电压信号传导通孔的个数与分区集流层的个数相同，设置为一行，与电流汇集极平行；多个汇集极电流传导通孔依次均匀排列与电流汇集极内，电压信号接地通孔设置于电流汇集极的末端；电压信号传导通孔和电流汇集极凸出于空冷燃料电池电堆，不与阳极分区集流板相邻的结构重叠；
所述阳极分区集流板背面包括：阵列设置的多个分区铜层、多条铜层导流线、多个电压信号传导通孔、电压信号接地通孔、电流汇集极、多个汇集极电流传导通孔，多个电流传感器，各分区铜层的中心设置有一个汇集极电流传导通孔，电流传感器的个数与分区铜层的个数相同；背面的分区铜层、电压信号传导通孔、电压信号接地通孔、电流汇集极、汇集极电流传导通孔的位置与分别与正面的分区集流层、电压信号传导通孔、电压信号接地通孔、电流汇集极、汇集极电流传导通孔的位置一一对应，所述铜层导流线的条数与分区铜层的个数相同，每条铜层导流线一端连接一个分区铜层，另一端连接一个电压信号传导通孔并继续延伸一段距离，末端设置铜层引脚；每个铜层引脚对应连接一个电流传感器的一端，该电流传感器的另一端连接电压信号接地通孔；每个电压信号接地通孔对应设置一接地引脚，所有引脚外侧设置有外接插口；每个电压信号传导通孔设置一电压信号引脚，所有引脚外侧设置有外接插口。
2.如权利要求1所述的一种具有阳极侧电流分布监测功能的空冷燃料电池电堆，其特征在于所述阳极极板中的氢气进口和氢气出口分别位于该阳极极板的对角上，采用双氢气流道连通氢气进口和氢气出口，从氢气进口开始将氢气分为两路氢气流道，这两路氢气流道并行传输，并进行4次180°的迂回传输至氢气出口，迂回后形成的10条氢气流道的间隔距离相等；所述分区集流层包括五行，每一行的位置对应阳极极板中相邻的两条流向一致的氢气流道，所述集流层电流传导通孔的位置对应阳极极板中相邻的两条流向一致的氢气流道之间的流道脊。
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