CN113745597B

CN113745597B - 一种质子交换膜燃料电池流道内水含量测量系统

Info

Publication number: CN113745597B
Application number: CN202111014744.5A
Authority: CN
Inventors: 苏进展; 张研; 王宝元
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2021-08-31
Filing date: 2021-08-31
Publication date: 2022-10-25
Anticipated expiration: 2041-08-31
Also published as: CN113745597A

Abstract

本发明提出一种质子交换膜燃料电池流道内水含量测量系统，通过安装在双极板的三种传感器，实现流道内部水含量的实时原位检测。通过加热单元两端热电偶的温度差值可实时监测局部流道中气体的水含量，具有装置简单，灵活监测的特点，通过伸入流道内部探头电路是否接通来确定水的有无，提升测量的精确性。该系统提出三种传感器单独或组合使用来检测水含量的方法，并提出基于此信号的水含量优化系统，以保证电池持续在最佳含水量下工作。

Description

一种质子交换膜燃料电池流道内水含量测量系统

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及到质子交换膜燃料电池水管理及故障检测，尤其是一种质子交换膜燃料电池流道内水含量测量系统。

背景技术

21世纪以来，随着氢能资源的开发和利用，一些新能源技术和装置被广泛研究设计出来，其中包括燃料电池、氢氧发动机等。其中质子交换膜燃料电池由于其无污染和高效的能量利用率被广泛应用到便携式电源、电动汽车和热电联产等领域。质子交换膜燃料电池(PEMFC)在提供高能量密度的同时，具有质量轻、成本低、体积小等特点。燃料电池系统的中心部分是膜电极组件(MEA)，由一个带有阳极和阴极催化剂层的质子导电膜组成。膜需要水合以保持高质子传导性并确保足够的燃料电池性能。然而，电极中过量的水会导致电极泛洪，从而阻止电化学反应的发生并降低性能。在较低的电池温度和较高的入口湿度，更多的蒸汽凝结成水和积累。在较低的化学计量流量和不适当的背压下，水的运动和排出受阻。因此，更多的水滞留在气体扩散层(GDL)和流道中，阻碍了反应物向反应界面的传输。

对于质子交换膜燃料电池而言，水管理是一项极其复杂和重要的任务。因此，许多研究都集中在基于水资源管理的故障诊断与恢复问题上。PEMFC的水故障诊断可以采用多种诊断方法，这些方法通常分为两类。一类是基于模型的方法，通常通过比较实际值和模型期望值来进行故障诊断。另一类是基于非模型的方法(也称为模式识别)，它依赖于大量的实验数据，如通过电化学阻抗谱(EIS)直接获得的电压数据和阻抗数据、电流中断、恒电流法、极化曲线等。以上两类关于质子交换膜燃料电池中水管理和故障检测技术准确性较低、操作复杂、难以实时反映质子交换膜燃料电池流道内水含量的变化。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种质子交换膜燃料电池流道内水含量测量系统，以解决现有技术中质子交换膜燃料电池中水管理和故障检测准确性低，操作复杂的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种质子交换膜燃料电池流道内水含量测量系统，包括水含量检测装置、信号处理单元和动作执行单元；所述水含量检测装置和信号处理单元连接，信号处理单元和动作执行单元连接；

所述水含量检测装置安装在双极板中；所述水含量检测装置包括湿敏传感器、温差变化传感器和通断电传感器；所述湿敏传感器包括湿敏材料，湿敏材料设置在双极板中，湿敏材料通过金属导线和信号处理单元连接；

所述通断电传感器包括两个细金属导电探头，所述两个细金属导电探头设置在双极板中，两个细金属导电探头的后端连接至电流检测装置，电流检测装置和信号处理单元连接；

所述温差变化传感器包括两个热电偶，两个热电偶之间设置有加热单元，两个热电偶和信号处理单元连接，所述加热单元和两个热电偶均设置在双极板中。

本发明的进一步改进在于：

优选的，所述双极板中设置有流道，流道为迂回状，所述流道包括若干个相互平行的横向管道，两两相邻的横向管道端部均通过竖向管道连通。

优选的，横向管道的上部设置有上脊，下部设置有下脊，湿敏传感器设置在上脊中，温差传感器设置在下脊中。

优选的，所述细金属导电探头插入在流道中，金属导电探头通过金属导线连接有恒压电源。

优选的，所述上脊和下脊均为凹槽。

优选的，所述流道的一端为氧气进气口，另一端为氧气出气口。

优选的，所述湿敏材料通过金属导线和稳压电源连接，所述湿敏材料通过金属导线和信号处理单元连接。

优选的，所述加热单元通过两个金属导线分别连接有一个触点，两个触点同时连接至供电装置。

优选的，所述加热单元为聚酰亚胺薄膜包裹的铜线。

优选的，每一个热电偶和加热单元之间的距离为1mm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

附图说明

图1为传感器安装位置示意图；

图2为三个传感器安装空间关系示意图；

图3为温差变化传感器放大示意图；

图4为优化流程图；

图5为蛇形流道内传感器安装三维图。

1—氧气进气口；2—双极板；3—监测区域；4—氧气出气口；5—第一热电偶；6—加热单元；7—第二热电偶；8—第一触点；9—第二触点；10—湿敏传感器；11—通断电传感器；12—温差变化传感器；13-上脊；14-流道；15-下脊；16-横向管道；17-竖向管道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了解决现有的质子交换膜燃料电池水管理和故障检测困难的问题，本发明提出一种检测流道内部水含量的装置，并提出三种传感器的检测原理和使用方法，该系统由水含量检测装置、信号处理单元和动作执行单元三部分组成。

参见图1和图5，水含量检测装置用于测量双极板的流道14中的含水量，参见图1，双极板2中设置有流道14，流道14在双极板2中迂回设置，流道14在双极板2中分为多个平行的横向管道16与竖向管道17，两两相邻的横向管道16端部通过一个竖向管道连通，横向管道16与竖向管道17均一体连接，共同组成一个迂回的流道14。参见图1，水含量检测装置设置在横向管道16上，一个横向管道16上能够设置多个水含量检测装置，多个横向管道16上也能设置多个水含量检测装置，更为优选的，同一个横向管道16上相邻的水含量检测装置之间的距离相等。参见图2，每一个水含量检测装置包括一个湿敏传感器10、一个通断电传感器11和一个温差变化传感器12，每一个横向管道16的上端为上脊13，下端为下脊15，在设计好的上脊13和下脊15中需要监测水含量的位置分别加工1mm厚的凹槽，用于安装不同的传感器。流道14的一端为氧气进气口1，另一端为氧气出气口4。

湿敏传感器10安装在流道14的上脊13中，包括遇水电阻变化的材料(湿敏材料)、金属导线、恒压电源和电流检测装置。湿敏材料通过金属导线和稳压电源及电流检测装置串联。该湿敏传感器10利用材料遇水后电阻的变化特性来检测电池流道14内液态水的位置，湿敏材料利用疏水材料遇水电阻降低，水流过后电阻升高的特性来检测液态水的位置。将这种湿敏材料安装于上脊13的向下开口的凹槽中，通过设定湿敏材料在流道14中设置的宽度，当液态水滴流过时，电阻会显著降低，当水滴流过后，电阻又恢复，利用特殊材料的电阻特性，可以分辨出液态水在特定位置的有无。最后将这种电信号传给信号处理单元，并作为反馈信号进一步执行除水或加水操作，从而保证电池始终在最佳的水含量下工作。湿敏材料通过金属导线和稳压电源连接，同时通过金属导线和电流检测装置连接。所述金属导线穿过双极板2和稳压电源以及电流检测装置连接。

考虑到电池水淹流道内会积聚液态水，所以可以利用液态水的导电作用来检测水含量的变化和水淹的故障判断。本发明通过利用线路的接通/断开来检测液态水的有无。本发明将通断电传感器11设置在流道14中，通断电传感器11包括悬空在流道腔体内的两个细金属导电探头、恒压电源和电流检测装置，具体的，将成对的细金属导电探头的前端从双极板2背部深入到流道14的中间，每一个细金属导电探头的后端与恒压电源以及电流检测装置串联。每组探头都施加电压，当流道14内有水滴流过，覆盖一组探头，就会接通回路，检测到水滴的位置，通过布置探头的深浅，每组两个探头之间的距离，还可检测水滴的大小，如液滴较大，说明探针距离较远，连通时检测出水滴的大小。

参见图2，所述温差变化传感器12安装在管道的下脊15中开设的凹槽中。参见图3，该传感器包括成对的热电偶(具体为第一热电偶5和第二热电偶7)、加热单元6、导线16。所述加热单元6采用聚酰亚胺薄膜包裹的铜线电热丝，加热单元6用于加热其所在位置的空间，加热单元6的两侧分别设置有一个热电偶，分别为第一热电偶5和第二热电偶7，两个热电偶均连接至信号处理单元，加热单元6的两端分别引出一个导线16，每一个导线16的内端部和加热单元6连接，另一端设置为一个触点，分别为第一触点8和第二触点9，两个触点连接至供电装置，对加热单元6进行供电。利用双热电偶和加热片的组合传感器测量比热值来实时检测质子交换膜燃料电池流道14内不同位置中水含量的变化并判断是否发生水淹现象，利用加热片两端热电偶所测得实时温度的差值进一步计算热电偶所在流道14的含水量；在燃料电池流道14布置多个组合传感器，实现对燃料电池全局的温度检测，最后来判断燃料电池是否发生故障，而且可以确定故障所发生的位置。使得经过加热单元6后的气体或者气水混合物温度短暂升高，热电偶布置在加热单元6左右两侧，加热单元6与左右两侧热电偶共同组成流道14内水含量的监测装置。该装置布置在流道14脊的上侧，第一个热电偶5会测得温度T1，在经过第二个热电偶7时温度会测得升高后的温度T2(T2>T1)，两个温度值均会在信号处理单元显示。氢气、氧气的比热容比水的低，所以不同比例的气水混合物流经该传感器会得到不同的温度变化，水含量越高，所测得的温差越低。该传感器的连接过程为：(1)选取铜线电热丝作为加热单元6，利用其背部所带自粘胶使其粘在流道14监测区域3的凹槽中，固定好加热单元6后，将导线延伸至双极板2外侧与电源连接；(2)将两个热电偶测温触点分别布置在步骤(1)中加热单元6左右两侧，使每一个热电偶距离加热单元6侧边距离分别为1mm，另一端产生的电势差信号通过信号采集器采集，得到T1和T2。

参见图4，信号处理单元：上述传感器的中湿敏传感器10和通断电传感器11均能够判断出水在流道14中的具体位置，通过不同位置的温差变化传感器12能够判断出水流的温度变化。信号处理单元通过采集的水在流道14的具体位置判断电池内部液态水含量。

动作执行单元：根据信号处理单元得出的结论，执行相应的除水或加水操作，例如增大气体流速，降低进气湿度等，如果测,得结果是水过少，则执行增湿操作，例如增加进气湿度等。。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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

1.一种质子交换膜燃料电池流道内水含量测量系统，其特征在于，包括水含量检测装置、信号处理单元和动作执行单元；所述水含量检测装置和信号处理单元连接，信号处理单元和动作执行单元连接；

所述水含量检测装置安装在双极板（2）中；所述水含量检测装置包括湿敏传感器（10）、温差变化传感器（12）和通断电传感器（11）；所述湿敏传感器（10）包括湿敏材料，湿敏材料设置在双极板（2）中，湿敏材料通过金属导线和信号处理单元连接；

所述通断电传感器（11）包括两个细金属导电探头，所述两个细金属导电探头设置在双极板（2）中，两个细金属导电探头的后端连接至电流检测装置，电流检测装置和信号处理单元连接；

所述温差变化传感器（12）包括两个热电偶，两个热电偶之间设置有加热单元（6），两个热电偶和信号处理单元连接，所述加热单元（6）和两个热电偶均设置在双极板（2）中；

所述双极板（2）中设置有流道（14），流道（14）为迂回状，所述流道包括若干个相互平行的横向管道（16），两两相邻的横向管道（16）端部均通过竖向管道（17）连通；

横向管道（16）的上部设置有上脊（13），下部设置有下脊（15），湿敏传感器（10）设置在上脊（13）中，温差传感器（12）设置在下脊（15）中；

所述细金属导电探头插入在流道（14）中，金属导电探头通过金属导线连接有恒压电源；

所述动作执行单元，根据信号处理单元得出的结论，执行相应的除水或加水操作。

2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池流道内水含量测量系统，其特征在于，所述上脊（13）和下脊（15）均为凹槽。

3.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池流道内水含量测量系统，其特征在于，所述流道（14）的一端为氧气进气口（1），另一端为氧气出气口（4）。

4.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池流道内水含量测量系统，其特征在于，所述湿敏材料通过金属导线和稳压电源连接，所述湿敏材料通过金属导线和信号处理单元连接。

5.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池流道内水含量测量系统，其特征在于，所述加热单元（6）通过两个金属导线分别连接有一个触点，两个触点同时连接至供电装置。

6.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池流道内水含量测量系统，其特征在于，所述加热单元（6）为聚酰亚胺薄膜包裹的铜线。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的质子交换膜燃料电池流道内水含量测量系统，其特征在于，每一个热电偶和加热单元（6）之间的距离为1mm。