CN113644298A - 一种模拟燃料电池气体扩散层内部水驱的试验装置及控制方法 - Google Patents

一种模拟燃料电池气体扩散层内部水驱的试验装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种模拟燃料电池气体扩散层内部水驱的试验装置及控制方法，包括控制器、注射泵、非润湿液体、管路、压力传感器、透明燃料电池室、加热垫片和温度传感器；所述的透明燃料电池室内包含液体进口、催化层、微孔层、气体扩散层、孔隙填充液和液体突破层。控制器控制注射泵调节非润湿液体注射速度，真实模拟燃料电池不同工况下的气体扩散层内部水驱现象。本发明对于考察质子交换膜燃料电池气体扩散层内部的水驱现象，分析影响气体扩散层中指数和液态水分支等物理行为的关键因素，研究气体扩散层内部毛细指进机制，具有重要的指导意义。

Description

一种模拟燃料电池气体扩散层内部水驱的试验装置及控制 方法
技术领域
本发明涉及燃料电池水管理技术领域，特别涉及一种模拟燃料电池气体扩散层内部水驱的试验装置及控制方法。
背景技术
近几十年，以煤炭、石油为主的传统能源被大量使用，造成严重的环境污染和自然资源的日益枯竭。因此我们急切渴望一种高效节能，具有低污染、低排放的清洁新能源。随着现代技术的日益成熟，人们把研究重心和精力投入到对燃料电池的研究，燃料电池作为一种能量转换装置具有很高的转换效率，被誉为未来理想的电能来源。质子交换膜燃料电池是燃料电池中最常见、应用最多的类型，以工作温度低、功率密度高、启动快、动态响应快等优点，近年来备受关注。
燃料电池在工作过程中的主要产物是水，水的存在是保持膜水合和离子导电性的必要条件。然而，质子交换膜燃料电池中组件催化层、气体扩散层和气体通道中过量的液态水导致电池内存“水淹”现象。水淹是电池阴极侧产生液态水而没有适当排出的结果，影响反应物在燃料电池内流动，降低电池性能。
由于气体扩散层所用的材料的不透明性质以及气体扩散层内部液体水运输的微观尺度，对气体扩散层中液态水动力学行为的详细分析是不可行的。因此，设计一种模拟燃料电池气体扩散层内部水驱的实验装置，采用宏观尺度上的透明多孔层来考察燃料电池气体扩散层内部的水驱现象，分析影响气体扩散层中指数和液态水分支等物理行为的关键因素，研究气体扩散层内部毛细指进机制，具有重要的指导意义。
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了一种模拟燃料电池气体扩散层内部水驱的试验装置及控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种模拟燃料电池气体扩散层内部水驱的试验装置，包括透明燃料电池室、非润湿液体注入单元、信息采集单元和控制器；在透明燃料电池室内部自下往上设为催化层、微孔层、气体扩散层和液体突破层；将玻璃纤维布作为催化层，在玻璃纤维布上表面浇注尺寸均匀的玻璃珠，形成微孔层；在微孔层的上部填充水凝胶珠形成气体扩散层；将珍珠或玻璃球填充在气体扩散层的顶部作为液体突破层；且透明燃料电池室内用蒸馏水作为孔隙填充液；
信息采集单元包括压力传感器和温度传感器，信息采集单元信号连接控制器，将采集试验过程中的压力信息和温度信息输入控制器；
非润湿液体注入单元包括输入管路及非润湿液体，通过输入管路连接透明燃料电池室，将非润湿液体注入透明燃料电池室内。
进一步，输入管路包括管路和注射泵，管路的一端连接透明燃料电池室的液体进口，另一端连接注射泵，在注射泵内储存有非润湿液体，注射泵电信号连接控制器，由控制器控制注射泵的工作启停，进而实现对透明燃料电池室内注入非润湿液体的启停。
进一步，在管路和液体进口处设置第一压力传感器，用于采集注射泵出口和液体进口两端的压差参数。在液体进口、液体突破层处设置第二压力传感器，用于采集液体进口和液体突破层两端的压差参数。
进一步，在透明燃料电池室内设置加热垫片，用于对透明燃料电池室内部进行加热模拟工作时的温度；在透明燃料电池室内部设置温度传感器，利用温度传感器采集透明燃料电池室内的温度。
进一步，采用大豆油和四氯化碳的染色混合物作为非润湿液体。
进一步，为了制备疏水性气体扩散层，水凝胶珠须在蒸馏水中停留5h；当饱和水凝胶珠直径为1cm时，随机加入透明燃料电池室。
一种模拟燃料电池气体扩散层内部水驱的控制方法，包括如下步骤：
S1，采集透明燃料电池室内的温度信号；
S2，将所采集的透明燃料电池室内的温度信号与燃料电池温度阈值进行比较，当透明燃料电池室内的温度低于温度阈值，则需要对透明燃料电池室进行加热，否者不加热；
S3，控制器中选取模拟工况，控制器根据相应的模拟工况发出控制信号给注射泵控制注射流量速度，观察透明燃料电池室内部水驱现象，并且控制器持续收集第二压力传感器反馈的压降信号。当非润湿液体注射总量为200ml，控制结束。
进一步，所述燃料电池温度阈值设置为75℃。
进一步，所述模拟工况包括燃料电池中电流密度工况、出燃料电池中电流密度工况和燃料电池低电流密度工况，各工况所对应的注射速率关系为：
当控制器给出燃料电池高电流密度工况下，注射泵的注射速率为高速率档位，恒定流速为80ml/h。
当控制器给出燃料电池中电流密度工况下，注射泵的注射速率为中速率档位，恒定流速为40ml/h。
当控制器给出燃料电池低电流密度工况下，注射泵的注射速率为低速率档位，恒定流速为10ml/h。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明对于考察质子交换膜燃料电池气体扩散层内部的水驱现象，分析影响气体扩散层中指数和液态水分支等物理行为的关键因素，研究气体扩散层内部毛细指进机制，具有重要的指导意义。
(2)本发明采用了透明燃料电池室的设计，因此可以从试验开始到结束，全程动态实时观察气体扩散层内部水驱现象，包括非润湿液体流道指数、形貌等。
(3)本发明采用控制器控制注射泵，因此可以真实模拟燃料电池不同工况下的气体扩散层内部水驱现象。
附图说明
图1为本发明模拟燃料电池气体扩散层内部水驱的试验装置的整体结构示意图；
图2为本发明模拟燃料电池气体扩散层内部水驱的试验装置的透明燃料电池室内部结构示意图。
图3为本发明的控制策略图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
实施例
如图1～图2所示，一种模拟燃料电池气体扩散层内部水驱的试验装置，包括透明燃料电池室6、非润湿液体注入单元、信息采集单元和控制器1；在透明燃料电池室6内部自下往上设为催化层10、微孔层11、气体扩散层12和液体突破层14；具体地，将玻璃纤维布作为催化层10，且利用玻璃纤维布，可以得到均匀注入的透明燃料电池室6的非润湿流体3。在玻璃纤维布上表面浇注了小尺寸(透明且玻璃珠尺寸范围在2-4mm)玻璃珠，形成微孔层11。在微孔层11的上部填充水凝胶珠形成气体扩散层12；将珍珠或玻璃球等材料填充在气体扩散层12的顶部作为液体突破层14，起固定作用并固定于水凝胶层顶部，模拟真实燃料电池的液态水突破孔隙形成液滴。且透明燃料电池室6内用蒸馏水作为孔隙填充液13，用于填充透明燃料电池室6内的孔隙。
信息采集单元包括压力传感器和温度传感器8，且压力传感器和温度传感器置于透明燃料电池室6内；信息采集单元信号连接控制器1，将采集试验过程中的压力信息和温度信息输入控制器1。具体地，在管路4和液体进口9处设置第一压力传感器5，用于采集注射泵2出口和液体进口9两端的压差参数。在液体进口9、液体突破层14处设置第二压力传感器15，用于采集液体进口9和液体突破层14两端的压差参数。在透明燃料电池室6内设置加热垫片7，用于对透明燃料电池室6内部进行加热模拟工作时的温度。在透明燃料电池室6内部设置温度传感器8，利用温度传感器8采集透明燃料电池室6内的温度。
非润湿液体注入单元包括输入管路及非润湿液体，通过输入管路连接透明燃料电池室6，将非润湿液体注入透明燃料电池室6内。
在本实施例中，输入管路包括管路4和注射泵2，管路4的一端连接透明燃料电池室6的液体进口9，另一端连接注射泵2，在注射泵2内储存有非润湿液体3，注射泵2电信号连接控制器1，由控制器1控制注射泵2的工作启停，进而实现对透明燃料电池室6内注入非润湿液体3的启停。
在本实施例中，采用大豆油和四氯化碳的染色混合物(大豆油与四氯化碳的质量比约为8:2，混合物的密度为1027kg/m3，粘度为0.033Pa s)作为非润湿液体3注入注射泵2内，需要说明的是在试验前需要对液态水中非润湿液体的浮力行为进行观察，控制混合物(非润湿液体)的密度。用比重计测量非润湿液体的密度，指数的运动和形成不应因为密度的差异，控制非润湿液体的密度为1027kg/m3，误差在2kg/m3。用比重计测量非润湿液体的密度，确保密度的差异不影响指数的运动和形成，这是制作非润湿液体时必须注意的标准。这是制作非润湿液体时必须注意的标准。非润湿流体的特性必须与真实的燃料电池工况相似，这种相似性是通过考虑无量纲数，包括毛细管数、键数和粘度比建立的，非润湿液体的密度与水的密度完全相等，因此可以应用在燃料电池气体扩散层液体流动环境中。
在本实施例中，实际燃料电池中毛细管数为Ca＝10-8，因此进入多孔介质的非润湿流体处于约Vinv＝1.9μm s-1的低流速中。为满足上述流速条件，应选择横截面，使非湿润流体流量与Vinv相近。因此在透明燃料电池室6底部制作了直径为5～15cm圆孔，圆孔上还铺有玻璃纤维布模拟催化层10。利用玻璃纤维布，可以得到均匀的非润湿流体3流入气体扩散层12。
在本实施例中，为了制备疏水性气体扩散层12，水凝胶珠必须在蒸馏水中停留5h。当饱和水凝胶珠直径为1cm时，随机加入透明燃料电池室6。
在本实施例中，非润湿液体可以从液体突破层孔隙中传输出来。需要注意的是，当非润湿液体从液体突破层14中出来时，可以测量非润湿液滴的体积。
在本发明实施例中，透明燃料电池室6为方形无盖结构，其底部中心圆孔为液体进口9，孔直径为5～15cm，厚度为0.5～1cm，透明燃料电池室6材质包括透明石英玻璃或亚克力板，催化层10材质包括玻璃纤维，微孔层11材质包括小尺寸玻璃珠，气体扩散层12材质包括水凝胶珠，孔隙填充液材质包括蒸馏水，液体突破层14材质包括珍珠。采用了透明燃料电池室6，因此可以从试验开始到结束，全称动态实时观察气体扩散层内部水驱现象，包括非润湿液体流道指数、形貌等。
为了实现对模拟燃料电池气体扩散层内部水驱的试验装置更好的控制，本发明还提出了一种模拟燃料电池气体扩散层内部水驱的控制方法，具体控制过程如图3所示：
S1，控制器1收集第一温度传感器8反馈的透明燃料电池室6内的温度信号；
S2，控制器1基于S1中所获取的温度，设定燃料电池温度阈值，根据实际温度与温度阈值进行比较，进而由控制器1控制加热垫片7是否启动加热透明燃料电池室6，该燃料电池温度阈值设置为75℃，具体地如果温度小于75℃，加热垫片7持续工作，当温度等于75℃，停止加热垫片7工作。
S3，控制器1基于S 2中加热垫片7停止工作，控制器1中选取模拟工况，控制器1根据相应的模拟工况发出控制信号给注射泵2控制注射流量速度，观察透明燃料电池室6内部水驱现象，并且控制器1持续收集第二压力传感器15反馈的压降信号。当非润湿液体3注射总量为200ml，控制结束。
在本实施例中，模拟工况包括燃料电池中电流密度工况、出燃料电池中电流密度工况和燃料电池低电流密度工况；具体由控制器1控制注射泵2的液体注射速度，可以实现燃料电池真实情况下不同模拟工况的水驱现象观察。所述的控制器1与注射泵2的工作模式之间的对应关系为：
当控制器1给出燃料电池高电流密度工况下，注射泵2的注射速率为高速率档位，恒定流速为80ml/h。
当控制器1给出燃料电池中电流密度工况下，注射泵2的注射速率为中速率档位，恒定流速为40ml/h。
当控制器1给出燃料电池低电流密度工况下，注射泵2的注射速率为低速率档位，恒定流速为10ml/h。
在本实施例中，控制器1分别采集注射泵2出口和液体进口9两端的压差参数，以及液体进口9和液体突破层14两端的压差参数。
本发明对于考察质子交换膜燃料电池气体扩散层内部的水驱现象，分析影响气体扩散层中指数和液态水分支等物理行为的关键因素，研究气体扩散层内部毛细指进机制，具有重要的指导意义。
本发明采用了透明燃料电池室，因此可以从试验开始到结束，全称动态实时观察气体扩散层内部水驱现象，包括收缩现象、分流、后向流动、环路形成以及内部非润湿液体的参与体积。
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，均应包含本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种模拟燃料电池气体扩散层内部水驱的试验装置，其特征在于，包括透明燃料电池室(6)、非润湿液体注入单元、信息采集单元和控制器(1)；在透明燃料电池室(6)内部自下往上设为催化层(10)、微孔层(11)、气体扩散层(12)和液体突破层(14)；将玻璃纤维布作为催化层(10)，在玻璃纤维布上表面浇注尺寸均匀的玻璃珠，形成微孔层(11)；在微孔层(11)的上部填充水凝胶珠形成气体扩散层(12)；将珍珠或玻璃球填充在气体扩散层(12)的顶部作为液体突破层(14)；且透明燃料电池室(6)内用蒸馏水作为孔隙填充液(13)；
信息采集单元包括压力传感器和温度传感器(8)，信息采集单元信号连接控制器(1)，将采集试验过程中的压力信息和温度信息输入控制器(1)；
非润湿液体注入单元包括输入管路及非润湿液体，通过输入管路连接透明燃料电池室(6)，将非润湿液体注入透明燃料电池室(6)内。
2.根据权利要求1所述的一种模拟燃料电池气体扩散层内部水驱的试验装置，其特征在于，输入管路包括管路(4)和注射泵(2)，管路(4)的一端连接透明燃料电池室(6)的液体进口(9)，另一端连接注射泵(2)，在注射泵(2)内储存有非润湿液体(3)，注射泵(2)电信号连接控制器(1)，由控制器(1)控制注射泵(2)的工作启停，进而实现对透明燃料电池室(6)内注入非润湿液体(3)的启停。
3.根据权利要求2所述的一种模拟燃料电池气体扩散层内部水驱的试验装置，其特征在于，在管路(4)和液体进口(9)处设置第一压力传感器(5)，用于采集注射泵(2)出口和液体进口(9)两端的压差参数；在液体进口(9)、液体突破层(14)处设置第二压力传感器(15)，用于采集液体进口(9)和液体突破层(14)两端的压差参数。
4.根据权利要求1所述的一种模拟燃料电池气体扩散层内部水驱的试验装置，其特征在于，在透明燃料电池室(6)内设置加热垫片(7)，用于对透明燃料电池室(6)内部进行加热模拟工作时的温度；在透明燃料电池室(6)内部设置温度传感器(8)，利用温度传感器(8)采集透明燃料电池室(6)内的温度。
5.根据权利要求1所述的一种模拟燃料电池气体扩散层内部水驱的试验装置，其特征在于，采用大豆油和四氯化碳的染色混合物作为非润湿液体(3)。
6.根据权利要求1所述的一种模拟燃料电池气体扩散层内部水驱的试验装置，其特征在于，为了制备疏水性气体扩散层(12)，水凝胶珠须在蒸馏水中停留5h；当饱和水凝胶珠直径为1cm时，随机加入透明燃料电池室(6)。
7.一种基于权利要求1所述的一种模拟燃料电池气体扩散层内部水驱的试验装置的模拟燃料电池气体扩散层内部水驱的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，采集透明燃料电池室(6)内的温度信号；
S2，将所采集的透明燃料电池室(6)内的温度信号与燃料电池温度阈值进行比较，当透明燃料电池室(6)内的温度低于温度阈值，则需要对透明燃料电池室(6)进行加热，否者不加热；
S3，控制器(1)中选取模拟工况，控制器(1)根据相应的模拟工况发出控制信号给注射泵(2)控制注射流量速度，观察透明燃料电池室(6)内部水驱现象，并且控制器(1)持续收集第二压力传感器(15)反馈的压降信号；当非润湿液体(3)注射总量为200ml，控制结束。
8.根据权利要求7所述的一种模拟燃料电池气体扩散层内部水驱的控制方法，其特征在于，所述燃料电池温度阈值设置为75℃。
9.根据权利要求7所述的一种模拟燃料电池气体扩散层内部水驱的控制方法，其特征在于，所述模拟工况包括燃料电池中电流密度工况、出燃料电池中电流密度工况和燃料电池低电流密度工况，各工况所对应的注射速率关系为：
当控制器(1)给出燃料电池高电流密度工况下，注射泵(2)的注射速率为高速率档位，恒定流速为80ml/h。
当控制器(1)给出燃料电池中电流密度工况下，注射泵(2)的注射速率为中速率档位，恒定流速为40ml/h。
当控制器(1)给出燃料电池低电流密度工况下，注射泵(2)的注射速率为低速率档位，恒定流速为10ml/h。
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