CN111540929B - 一种具有电流与温度矩阵分布在线检测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电流与温度矩阵分布在线检测的空冷燃料电池电堆，属于燃料电池领域。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；电流分布结合温度分布可以更加准确的判断质子交换膜在局部区域的干湿状况与导电状况；局部温度过高将导致电堆内部膜电极局部衰减加速，从而严重降低电池寿命，而该装置则可精确测量在各种工作条件下的局部温度，从而为冷却流场的设计与冷却条件的控制提供重要基础。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

一种具有电流与温度矩阵分布在线检测的空冷燃料电池电堆
技术领域
本发明属于燃料电池领域,特别是燃料电池的电堆中电流与温度的检测装置。
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，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。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，设计一种空冷燃料电池阴极电流分布与温度分布实时监测装置，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电流与温度矩阵分布在线检测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：阳极端板、阳极绝缘板、阳极集流板、阳极极板、膜电极、阴极极板、阴极电流分区采集板、阴极温度分区采集板、阴极绝缘板、阴极端板；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；所述阳极绝缘板、阳极集流板、阳极极板、膜电极、阴极极板、阴极电流分区采集板、阴极温度分区采集板的板面两侧位置对应设置有氢气进口和氢气出口；阳极端板、阳极绝缘板、阳极集流板、阳极极板、膜电极、阴极极板、阴极电流分区采集板、阴极温度分区采集板上的氢气进口相互贯通，氢气出口也相互贯通；
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膜电极的一侧,该侧的外圈层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；
所述阴极极板氢气进口、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；
所述阴极电流分区采集板包括正面和背面，正面为与阴极极板紧贴的一面，背面为与阴极绝缘板紧贴的一面；阴极电流分区采集板正面包括：阵列排布的多个正面分区集流铜层、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；所述各正面分区集流铜层组成的阵列的位置对应于阴极极板氢气流道的位置，各正面分区集流铜层紧贴于阴极电流分区采集板正面的表面，各正面分区集流铜层之间电隔离，各正面分区集流铜层的中心设置有矩形通孔，紧靠矩形通孔的位置设置有分区电流传导通孔，矩形通孔与分区电流传导通孔不连通；电流汇集极为直条状贴片；电压信号传导通孔的个数与正面分区集流铜层的个数相同，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，不与阴极电流分区采集板相邻的结构重叠；
所述阴极电流分区采集板背面包括：阵列设置的多个背面分区铜层、多条铜层导流线、多个电压信号引脚、接地引脚、背面电流汇集铜层、多个汇集极电流传导通孔，多个电流传感器，各背面分区铜层的中心设置有一个汇集极电流传导通孔，背面分区铜层紧靠矩形通孔设置，电流传感器的个数与背面分区铜层的个数相同；背面分区铜层、电压信号引脚、接地引脚、背面电流汇集铜层、汇集极电流传导通孔的位置分别与正面的正面分区集流铜层、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一一对应，所述铜层导流线的条数与背面分区铜层的个数相同，每条铜层导流线一端连接一个背面分区铜层，另一端连接一个电压信号引脚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接地引脚；所有电压信号引脚外侧设置一个外接插口；所有接地引脚外侧设置一个外接插口；
所述阴极温度分区采集板包括正面和背面，正面阴极电流分区采集板接触，阴极温度分区采集板的正面包括：对外输出温度信号引脚、温度传感器，对外输出温度信号引脚设置为一行，位于阴极温度分区采集板的正面的一侧；温度传感器为矩形，阵列与阴极温度分区采集板的正面，温度传感器的尺寸与阴极电流分区采集板上的矩形通孔一直，温度传感器阵列与矩形通孔阵列正好配合，使温度传感器卡合与矩形通孔内；阴极温度分区采集板背面包括：温度信号布线、温度传感器焊接孔、温度信号针头，每个温度传感器对应两个温度传感器焊接孔，每个温度传感器焊接孔对应一条温度信号布线，每条温度信号布线的末端连接温度信号针头；温度信号针头焊接端穿过阴极温度分区采集板形成正面的对外输出温度信号引脚；一行温度信号针头的外侧设置一个外接插口；该外接插口所在的一侧凸出于整个空冷燃料电池电堆。
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；所述正面分区集流铜层包括五行，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。
进一步的，所述阳极集流板材料为铜板，阳极极板与阴极极板材料为石墨。
本发明一种具有电流与温度矩阵分布在线检测的空冷燃料电池电堆，具有阴极侧内部电流分布与内部温度分布的实时监测功能。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；电流分布结合温度分布可以更加准确的判断质子交换膜在局部区域的干湿状况与导电状况；局部温度过高将导致电堆内部膜电极局部衰减加速，从而严重降低电池寿命，而该装置则可精确测量在各种工作条件下的局部温度，从而为冷却流场的设计与冷却条件的控制提供重要基础。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为本发明具有阴极侧电流与温度矩阵分布监测功能的空冷燃料电池装置示意图。
图2为本发明具有阴极侧电流与温度矩阵分布监测功能的空冷燃料电池装置示意图。
图3为本发明具有阴极侧电流与温度矩阵分布监测功能的空冷燃料电池装置展开图。
图4为本发明具有阴极侧电流与温度矩阵分布监测功能的空冷燃料电池装置展开图。
图5为本发明空冷电堆阳极的极板示意图。
图6为本发明空冷燃料电池阴极板示意图。
图7为本发明空冷燃料电池膜电极示意图。
图8为本发明空冷燃料电池阴极电流分区采集板正面示意图，其中图8-1为平面图，图8-2为立体图。
图9为本发明空冷燃料电池阴极电流分区采集板背面示意图，其中图9-1为平面图，图9-2为立体图。
图10为本发明空冷燃料电池阴极温度分区采集板正面示意图。
图11为本发明空冷燃料电池阴极温度分区采集板背面示意图。
图12为本发明空冷燃料电池阴极温度分区采集板装配图。
图13为本发明具有阴极侧电流与温度分布监测板的空冷燃料电池装置截面图示意图。
图14燃料电池电流密度与温度分布图。
图中，1.阳极端板,2.阳极绝缘板,3.阳极集流板,4.阳极极板,4-1.阳极极板密封槽,4-2.氢气流道脊,4-3.氢气流道,5.膜电极,5-1.膜电极外围的边框,5-2.催化层,5-3.碳纸覆盖区域,6.阴极极板,6-1.阴极极板密封槽,6-2.阴极极板密封槽,6-3.空气流道脊,6-4.空气流道,7.阴极电流分区采集板,7-1.电流汇集极,7-2.汇集极电流传导通孔,7-3.电压信号接地通孔,7-4.电压信号传导通孔,7-5.正面分区集流铜层,7-6.分区电流传导通孔,7-7.矩形通孔,7-8.背面电流汇集铜层,7-9.背面分区铜层,7-10.铜层导流线,7-11.电流传感器,7-12.电压信号引脚的外接插口,7-13.电压信号引脚,7-14.接地引脚的外接插口,7-15.接地引脚,7-16.对外输出温度信号的引脚,7-17.温度传感器信号通过引脚,7-18.温度传感器,8.阴极温度分区采集板,8-1.针头阵列的外接插口,8-2.温度信号针头,8-3.温度信号布线,8-4.监测板上的温度传感器焊接孔,9.阴极绝缘板,10.阴极端板,11.氢气出口,12.氢气进口,13.紧固螺栓,14.氢气的流动方向,15.负极电流输出端子,16.正极电流输出端子。
具体实施方式
结合附图对本发明具体实施方式进行说明
图1与图2为具有阴极侧电流与温度矩阵式分布监测功能的空冷燃料电池装置，图3与图4为该燃料电池装置展开图。其中，紧固螺栓(13)用于整个电池装置的紧固；阳极绝缘板(2)与阴极侧的绝缘板(9)，用于导电部件与端板紧固件之间的绝缘；阳极侧集流板(3)为铜板，用于阳极侧电流的收集；阴极侧电流分区采集板(7)是基于印制电路板设计的分区集流装置，用于阴极侧电流分布的检测；阴极侧温度分区采集板(8)是基于印制电路板设计的分区温度检测装置，用于阴极侧温度分布的检测；阳极极板(4)与阴极极板(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(5)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3与图4中部件装配关系。
图5为空冷电堆阳极极板(4)。其中，阳极极板的密封槽(4-1)用于密封阳极侧氢气；阳极极板上设置有阳极侧氢气流道(4-3)与流道脊(4-2)，氢气通过并行氢气流道(4-3)，由进口流至出口，以供应反应区所需燃料。
图6为空冷电堆阴极极板(6)。其中，设置有阴极极板密封槽(6-1、6-2)，用于氢气进口(12)与氢气出口(11)位置的密封；阴极侧空气流道(6-4)与流道脊(6-3中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7为空冷燃料电池膜电极(5)。其中，催化层(5-2)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(5-3)为气体扩散碳纸覆盖区域，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(5-1)，一般为PET塑料膜材料，用于膜电极的封装与边缘密封。
图8为空冷燃料电池阴极侧电流分布监测板正面，即与空冷电堆阴极的极板(6)相贴合的面，以收集反应电流。该部件通过印刷电路板(PCB)工艺制备。虚线(14)为氢气的流动方向，与阳极板中的流道(4-3)所示流动路径一致；相互电隔离的分区集流铜层(7-5)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；每个分区内部的电流传导通孔(7-6)(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；每个分区中心位置的矩形通孔(7-7)(通孔内壁不含铜)，该矩形通孔主要用途在于，当阴极电流分区采集板(7)与阴极温度分区采集板(8)装配叠置时，所有的温度传感器恰好位于矩形通孔内部，矩形尺寸大于温度传感器的外围尺寸，并设计一定的富裕量以供装配与加工偏差；PCB板正面的电流汇集铜层(7-1)；电流传导通孔(7-2)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(7-1)与背面电流汇集铜层(7-8)(图9)；电压信号传导通孔(7-4)以连接电流传感器(7-11)(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(7-3)作为接地端并连接电流传感器(7-11)的另一端电压信号。
图9为空冷燃料电池阴极侧电流分布监测板(背面)。相互电隔离的背面分区铜层(7-9)，其相对位置与PCB板正面的分区集流铜层(7-5)一一对应，并分别通过每个分区内部的电流传导通孔(7-6)导通正面分区集流铜层(7-5)与背面分区铜层(7-9)；每个分区中心位置的矩形通孔(7-7)(通孔内壁不含铜)，以内置温度传感器；铜层铜层导流线(7-10)将每个分区的收集的电流导流至背面的电流汇集铜层(7-8)；电流传感器(7-11)的一端焊接于铜层铜层导流线的端部铜层引脚，另一端焊接于电流汇集铜层(7-8)；每一个电流传感器(7-11)对应一个电流铜层导流线(7-10)，对应于一个电流分区。
因此，每个分区的电流由阴极电流分区采集板(7)正面的分区收集，再通过电流传导通孔导通至背面的背面分区铜层(7-9)，再经过对应的铜层导流线(7-10)至电流传感器汇流至背面电流汇集铜层(7-8)，再通过外电路导线螺丝固定连接于汇集电流传导通孔(7-2)，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。电流传感器一侧的电压信号接地引脚(7-15)，其接地引脚的外接插口(7-14)；电流传感器另一侧的电压信号引脚(7-13)(每一个引脚对应一个电流采集分区)，外侧电压信号引脚的外接插口(7-12)。
图10与图11为空冷燃料电池阴极侧温度分布监测板(8)。在正面，PCB-T为温度传感器，其数量与电流分区数量一致，每一个温度传感器对应于一个电流分区，其信号引脚分别焊接于监测板上的引脚PCB-TT2；对外输出温度信号的引脚(7-16)在背面，温度传感器信号通过引脚PCB-TT2，传输至背面，再通过信号布线(8-3)，传输至对外信号输出引脚(7-16)；焊接于对外输出温度信号的引脚上的温度信号信号针头阵列(8-2)针头阵列外侧设置的外接插口。
图12为空冷燃料电池阴极侧电流与温度分布监测板装配关系图。其中，图12-1为装配之前的相对位置关系：阴极电流分布采集板7叠置于阴极温度采集板(8)之上，两者之间通过橡胶密封垫片密封氢气进出口(12与11)，以保证整个装置的阳极氢气的气密性；此处与前述图一致，定义阴极电流分区采集板的正面为含有分区集流铜层(7-5)的面，反之为其背面；定义阴极温度分区采集板的正面为含有温度传感器PCB-T的面，反之为背面；阴极电流分区采集板(7)的正面贴合阴极石墨板，以收集电流，其背面贴合8的正面，且每个通孔(7-7)的位置与相应位置的温度传感器PCB-T一一对应。图12-2为装配之后的相对位置关系，其中，温度传感器PCB-T的上表面(即传感器的温度探测区)与正面分区集流铜层(7-5)的上表面(即电流收集区)尽量一致，以提高温度采集精度，但PCB-T的上表面不能超过正面分区集流铜层(7-5)的上表面(将导致无法装配：正面分区集流铜层(7-5)的上表面因温度传感器凸起而无法与阴极极板(6)完全贴合)；可通过7采集板的厚度、阴极电流分区采集板与阴极温度分区采集板间密封垫的厚度以及PCB-T的高度三者之间的关系进行优化设计，设计正面分区集流铜层(7-5)的上表面高于PCB-T的上表面0.1～0.5mm。Zone-I为电流分布信号处理区，Zone-T为温度分布信号处理区，两者在设计上保证位置错开，从而保证电流信号与温度信号接插件能够在空间上错开。图12-2为阴极电流分区采集板与阴极温度分区采集板装配后的正视图，含有被隐藏线条(虚线部分)，通过虚线部分可以看到阴极电流分区采集板与阴极温度分区采集板的背面电流与温度的信号走线及其相对位置关系，以保证合理的走线布局。
图13为具有阴极侧电流与温度分布监测板的空冷燃料电池装置截面图示意图。该截面平行于空气流道方向。其中，阳极铜集流板(3)，接通负极电流输出端子(15)；每个分区收集的电流经电流传感器(7-11)产生电压信号，再通过阴极电流分区采集板(7)背面设计的电流导通铜层路径(7-10)，汇集至正极电流输出端子(16)；温度传感器通过温度信号布线(8-3)，传输至对外信号输出引脚(7-16)；×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14为例，为基于本发明分区电池测试的典型电流与温度分布图。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。在检测电流分布的同时，本发明在各个分区在线检测温度分布，电流分布结合温度分布可以更加准确的判断质子交换膜在局部区域的干湿状况与导电状况；另外，局部温度过高将导致电堆内部膜电极局部衰减加速，从而严重降低电池寿命，而该装置则可精确测量在各种工作条件下的局部温度，从而为冷却流场的设计与冷却条件的控制提供重要基础。
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，检测出的电流分布与湿度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与湿度分布检测，对电堆的阳极氢气流场设计优化提供优化基础。
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。

Claims (3)

1.一种具有电流与温度矩阵分布在线检测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：阳极端板、阳极绝缘板、阳极集流板、阳极极板、膜电极、阴极极板、阴极电流分区采集板、阴极温度分区采集板、阴极绝缘板、阴极端板；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；所述阳极绝缘板、阳极集流板、阳极极板、膜电极、阴极极板、阴极电流分区采集板、阴极温度分区采集板的板面两侧位置对应设置有氢气进口和氢气出口；阳极端板、阳极绝缘板、阳极集流板、阳极极板、膜电极、阴极极板、阴极电流分区采集板、阴极温度分区采集板上的氢气进口相互贯通，氢气出口也相互贯通；
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膜电极的一侧,该侧的外圈层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；
所述阴极极板氢气进口、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；
所述阴极电流分区采集板包括正面和背面，正面为与阴极极板紧贴的一面，背面为与阴极绝缘板紧贴的一面；阴极电流分区采集板正面包括：阵列排布的多个正面分区集流铜层、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；所述各正面分区集流铜层组成的阵列的位置对应于阴极极板氢气流道的位置，各正面分区集流铜层紧贴于阴极电流分区采集板正面的表面，各正面分区集流铜层之间电隔离，各正面分区集流铜层的中心设置有矩形通孔，紧靠矩形通孔的位置设置有分区电流传导通孔，矩形通孔与分区电流传导通孔不连通；电流汇集极为直条状贴片；电压信号传导通孔的个数与正面分区集流铜层的个数相同，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，不与阴极电流分区采集板相邻的结构重叠；
所述阴极电流分区采集板背面包括：阵列设置的多个背面分区铜层、多条铜层导流线、多个电压信号引脚、接地引脚、背面电流汇集铜层、多个汇集极电流传导通孔，多个电流传感器，各背面分区铜层的中心设置有一个汇集极电流传导通孔，背面分区铜层紧靠矩形通孔设置，电流传感器的个数与背面分区铜层的个数相同；背面分区铜层、电压信号引脚、接地引脚、背面电流汇集铜层、汇集极电流传导通孔的位置分别与正面的正面分区集流铜层、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一一对应，所述铜层导流线的条数与背面分区铜层的个数相同，每条铜层导流线一端连接一个背面分区铜层，另一端连接一个电压信号引脚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接地引脚；所有电压信号引脚外侧设置一个外接插口；所有接地引脚外侧设置一个外接插口；
所述阴极温度分区采集板包括正面和背面，正面阴极电流分区采集板接触，阴极温度分区采集板的正面包括：对外输出温度信号引脚、温度传感器，对外输出温度信号引脚设置为一行，位于阴极温度分区采集板的正面的一侧；温度传感器为矩形，阵列与阴极温度分区采集板的正面，温度传感器的尺寸与阴极电流分区采集板上的矩形通孔一直，温度传感器阵列与矩形通孔阵列正好配合，使温度传感器卡合与矩形通孔内；阴极温度分区采集板背面包括：温度信号布线、温度传感器焊接孔、温度信号针头，每个温度传感器对应两个温度传感器焊接孔，每个温度传感器焊接孔对应一条温度信号布线，每条温度信号布线的末端连接温度信号针头；温度信号针头焊接端穿过阴极温度分区采集板形成正面的对外输出温度信号引脚；一行温度信号针头的外侧设置一个外接插口；该外接插口所在的一侧凸出于整个空冷燃料电池电堆。
2.如权利要求 1所述的一种具有电流与温度矩阵分布在线检测的空冷燃料电池电堆，其特征在于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；所述正面分区集流铜层包括五行，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。
3.如权利要求 1所述的一种具有电流与温度矩阵分布在线检测的空冷燃料电池电堆，其特征在于所述阳极集流板材料为铜板，阳极极板与阴极极板材料为石墨。
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