CN114204079B - 一种燃料电池电堆装配压力测试方法以及测试装置 - Google Patents

一种燃料电池电堆装配压力测试方法以及测试装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池电堆装配压力测试方法，所述方法通过针对燃料电池电堆的结构特点，利用燃料电池气体扩散层的压力与导热性的相关性，通过监测燃料电池启动过程中临近端板侧的不同部件间的温度值，利用燃料电池电堆部件瞬态温度与接触压力的对应关系,推导燃料电池电堆的压紧压力，可以实现燃料电池电堆装配压力在线检测；能够避免传统的压力检测引入的误差，有利于装配压力的实时监测与产品装配一致性控制。

Description

一种燃料电池电堆装配压力测试方法以及测试装置
技术领域
本发明涉燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池电堆装配压力测试方法以及测试装置。
背景技术
燃料电池电堆包括端板、绝缘板、集流板、单电池(包含双极板和膜电极(MEA))，他们之间通过压紧压力组装到一起。
所述双极板包括空气流道、冷却水流道和氢气流道；
所述膜电极包括质子交换膜、气体催化层和气体扩散层(GDL层)。
燃料电池电堆装配过程压紧压力及其控制会影响系统的综合性能，具体如下：
压紧压力过小：
欧姆损失增大：较小的压紧压力对导致双极板与GDL之间接触面积与接触力不够，导致接触电阻上升，电堆性能下降。
密封性难以保证：当压紧压力过小，电堆内部密封结构无法起到足够的密封作用，会导致漏气。
抗冲击能力降低：压紧压力过小，各零件之间的摩擦力也会相应减少，当电堆遇到晃动、冲击等情形时，容易产生零部件间错位。
压紧压力过大：
传质损失增加：电堆装配过程中压紧压力过大，一方面会导致GDL层自身因过度受压孔隙率降低；另一方面会导致GDL变形挤占据反应气体传输通道，阻碍反应气传入、生成液态水的传出。
机械损伤：导致单电池部件承受较大的机械应力，会造成部件损伤及裂纹。
因此选择合适的燃料电池电堆压紧压力对于保证燃料电池系统可靠、稳定运行非常重要。从燃料电池系统运行角度，期望有燃料电池电堆压紧压力的监控手段。
现有技术中，对燃料电池压紧压力检测的主要通过压力测量胶片检测，其主要原理是在燃料电池压紧单元内部增设压力测量胶片，施压时胶片内部微囊破裂，生成物质与显色物质相互反应，胶片显色。试验中通过胶片颜色与压力的对应关系预测压力分布。压力测量胶片检测方法可以预测面压分布，但燃料电池部件厚度较小，装配测量胶片本身会影响装配过盈量，引入测量误差。另外该方法只能在装配测试环节离线测试。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种通过燃料电池启动瞬时温度与接触压力对应关系可以实现燃料电池电堆装配压力检测的燃料电池电堆装配压力测试方法以及测试装置。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种燃料电池电堆装配压力测试方法，包括
利用燃料电池气体扩散层的压力与导热性的相关性，获取燃料电池启动过程中不同部件间的温度值，通过燃料电池电堆部件瞬态温度与接触压力的对应关系，获得燃料电池电堆的压紧压力。
进一步的，所述燃料电池电堆部件包括双极板，所述双极板有多个。
进一步的，所述“温度值”包括：
燃料电池启动瞬时的环境温度Tf、端板温度TEP、绝缘板温度TIP、集流板温度TCP以及双极板温度TBP。
进一步的，所述“对应关系”建立过程包括：
气体扩散层等效传热系数k与压紧压力p对应关系k＝f(p)；
气体扩散层等效传热系数k包括气体扩散层接触热阻RGDL，两者的对应关系为RGDL＝f(k)；
所述燃料电池中单电池的膜电极热阻RMEA与气体扩散层接触热阻RGDL对应关系：RMEA＝f(RGDL，RCL，RMEM)，所述RCL为气体催化层热阻，RMEM为质子交换膜热阻；
燃料电池单元电化学反应放热量qRec与燃料电池的运行电流i，环境温度Tf对应关系为：qRec＝f(i，Tf)；
燃料电池电堆各部件瞬态温度T(t)与时间t，电化学反应放热量qRec，各部件热阻R，各部件质量与比热容乘积ρm，环境温度Tf间的对应关系为：[TEP，TIP，TCP，TBP]＝f(t，qRec，Tf，ρm，R)；
基于电堆部件特性数据，获得燃料电池电堆部件瞬态温度与环境温度Tf、运行电流i、时间t的对应关系：[TEP，TIP，TCP，TBP]＝f(t，Tf，i，p)。
进一步的，所述双极板有三个，由靠近端板逐渐远离的双极板为第一双极板，第二双极板和第三双极板，所述第一双极板温度为TBP1，第二双极板为TBP2，第三双极板为TBP3；
则
燃料电池电堆各部件瞬态温度T(t)与时间t，电化学反应放热量qRec，各部件热阻R，各部件质量与比热容乘积ρm，环境温度Tf间的对应关系为：[TEP，TIP，TCP，TBP1，TBP2，TBP3，]＝f(t，qRec，Tf，ρm，R)；
基于电堆部件特性数据，获得燃料电池电堆部件瞬态温度与环境温度Tf、运行电流i、时间t的对应关系：[TEP，TIP，TCP，TBP1，TBP2，TBP3]＝f(t，Tf，i，p)。
进一步的，所述燃料电池电堆各部件瞬态温度T(t)与时间t，电化学反应放热量qRec，各部件热阻R，各部件质量与比热容乘积ρm，环境温度Tf间的对应关系由非稳态的导热微分公式推导获得。
进一步的，所述燃料电池电堆各部件瞬态温度T(t)与时间t，电化学反应放热量qRec，各部件热阻R，各部件质量与比热容乘积ρm，环境温度Tf间的对应关系由一维非稳态的导热微分公式推导获得。
进一步的，所述双极板温度的测试点靠近或位于双极板中心的位置。
为了解决上述技术问题，本发明采用的另一技术方案为：
一种燃料电池电堆装配压力装置，使用上述的燃料电池电堆装配压力测试方法。
本发明的有益效果在于：通过本申请的方法，针对燃料电池电堆的结构特点，利用燃料电池气体扩散层的压力与导热性的相关性，通过监测燃料电池启动过程中临近端板侧的不同部件间的温度值，利用燃料电池电堆部件瞬态温度与接触压力的对应关系,推导燃料电池电堆的压紧压力，可以实现燃料电池电堆装配压力在线检测；能够避免传统的压力检测引入的误差，有利于装配压力的实时监测与产品装配一致性控制。
附图说明
图1为本申请的燃料电池电堆装配压力测试方法所采用的燃料电池电堆及温度测点布置；
图2为本申请的燃料电池电堆装配压力测试方法所采用的燃料电池电堆中单电池的结构示意图；
图3为本申请的燃料电池电堆装配压力测试方法所采用的燃料电池电堆中单电池的热阻图；
图4为本申请的燃料电池电堆装配压力测试方法所采用的燃料电池电堆中单电池的气体扩散层等效传热系数与压紧压力对应关系图；
图5为本申请的燃料电池电堆装配压力测试方法所采用的燃料电池电堆的热阻图；
图6为本申请的燃料电池电堆装配压力测试方法不同压紧压力状态下，燃料电池测点温度瞬态变化(计算分析结果)；
标号以及符号释义说明：
1、第一端板；2、第一连接螺栓；3、第一绝缘板；4、第一集流板；5、双极板；51、第一双极板；52、第二双极板；5n+1、第n+1双极板；5a、空气流道；5b、冷却水流道；5c、氢气流道；61、第一膜电极；62、第二膜电极；6n、第n膜电极；6a、质子交换膜；6b、气体催化层；6c、气体扩散层；7、第二集流板；8、第二绝缘板；9、第二端板；10、第二连接螺栓。
RBP、双极板热阻；RGDL、气体扩散层热阻；RCL、气体催化层热阻；RMEM、质子交换膜热阻；RMEA、膜电极热阻；REP、端板热阻；RIP、绝缘板热阻；RCP、集流板热阻；RMEA、膜电极热阻；TEP、端板温度；TIP、绝缘板温度；TCP、集流板温度；TBP、双极板温度；Tf，环境温度；qRec、单元电化学反应放热；i、燃料电池工作电流；p、燃料电池压紧压力。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
请参照图1以及图2，本申请的燃料电池电堆装配压力测试方法所采用的燃料电池电堆包括：
请参照图1以及图2，本申请的燃料电池电堆装配压力测试方法所采用的燃料电池电堆包括：
第一端板1、第一连接螺栓2、第一绝缘板3、第一集流板4、双极板5、膜电极、第二集流板7、第二绝缘板8、第二端板9和第二连接螺栓10。
其中
所述双极板5包括第一双极板51、第二双极板52、第n+1双极板5n+1、空气流道5a、冷却水流道5b和氢气流道5c；
所述膜电极包括第一膜电极61、第二膜电极62、第n膜电极6n、质子交换膜6a、气体催化层6b和气体扩散层。
实施例一
一种燃料电池电堆装配压力测试方法，包括
所述双极板有三个，由靠近端板逐渐远离的双极板为第一双极板，第二双极板和第三双极板，所述第一双极板温度为TBP1，第二双极板为TBP2，第三双极板为TBP3；所述双极板温度的测试点靠近双极板中心的位置。
获取燃料电池启动瞬时的环境温度Tf、端板温度TEP、绝缘板温度TIP、集流板温度TCP以及双极板温度TBP。
燃料电池启动瞬时温度与压紧压力的对应关系建立过程包括：
参照图4所示，根据部件特性(可以通过部件测试之后获得，为已知条件)，气体扩散层等效传热系数k与压紧压力p对应关系k＝f(p)；
气体扩散层等效传热系数k包括气体扩散层接触热阻RGDL，两者的对应关系为RGDL＝f(k)或者为RGDL＝f(f(p))；
参照图2和图3，能够推导出所述燃料电池中单电池的膜电极热阻RMEA与气体扩散层接触热阻RGDL对应关系：RMEA＝f(RGDL，RCL，RMEM)，所述RCL为气体催化层热阻，RMEM为质子交换膜热阻；该公式根据串联热阻叠加原则推导：串联热阻等于串联支路热阻之和，即RMEA＝RGDL+RCL+RMEM；通常燃料电池催化层、质子膜厚度通常十几微米至几十微米，气体扩散层厚度约几百微米，MEA热阻主要由气体扩散层热阻决定。
燃料电池系统在启动过程中，燃料电池单元电化学反应放热量qRec与燃料电池的运行电流i，环境温度Tf对应关系为：qRec＝f(i，Tf)；燃料电池开机过程中一般维持恒定的启动电流，而各单片间燃料电池反应生成热间差异幅度较小，可以近似相等。
参照图5，燃料电池电堆热阻网络图，依据燃料电池电堆热阻网络及非稳态的导热微分理论，通过一维非稳态的导热微分公式可推导燃料电池电堆各部件瞬态温度T(t)与时间t，电化学反应放热量qRec，各部件热阻R，各部件质量与比热容乘积ρm，环境温度Tf间的对应关系为：[TEP，TIP，TCP，TBP1，TBP2，TBP3，]＝f(t，qRec，Tf，ρm，R)；
综合以上环节中，基于电堆部件特性数据，获得燃料电池电堆部件瞬态温度与环境温度Tf、运行电流i、时间t的对应关系：[TEP，TIP，TCP，TBP1，TBP2，TBP3]＝f(t，Tf，i，p)。上式中在已知燃料电池运行电流条件下，获得燃料电池电堆部件瞬态温度与压紧压力p的对应关系。
实施例二
一种燃料电池电堆装配压力测试方法，与实施例一相同之处不再赘述，其区别在于：所述双极板温度的测试点位于双极板中心的位置；
所述非稳态的导热微分理论采用三维非稳态的导热微分公式。
实施例三
一种燃料电池电堆装配压力装置，使用实施例一或实施例二所述的燃料电池电堆装配压力测试方法。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种燃料电池电堆装配压力测试方法，其特征在于，包括
利用燃料电池气体扩散层的压力与导热性的相关性，获取燃料电池启动过程中不同部件间的温度值，通过燃料电池电堆部件瞬态温度与接触压力的对应关系，获得燃料电池电堆的压紧压力；
其中，所述“温度值”包括：
燃料电池启动瞬时的环境温度Tf、端板温度TEP、绝缘板温度TIP、集流板温度TCP以及双极板温度TBP；
其中，所述“对应关系”建立过程包括：
气体扩散层等效传热系数k与压紧压力p对应关系k＝f(p)；
气体扩散层等效传热系数k包括气体扩散层接触热阻RGDL，两者的对应关系为RGDL＝f(k)；
所述燃料电池中单电池的膜电极热阻RMEA与气体扩散层接触热阻RGDL对应关系：RMEA＝f(RGDL，RCL，RMEM)，所述RCL为气体催化层热阻，RMEM为质子交换膜热阻；
燃料电池单元电化学反应放热量qRec与燃料电池的运行电流i，环境温度Tf对应关系为：qRec＝f(i，Tf)；燃料电池电堆各部件瞬态温度T(t)与时间t，电化学反应放热量qRec，各部件热阻R，各部件质量与比热容乘积ρm，环境温度Tf间的对应关系为：[TEP，TIP，TCP，TBP]＝f(t，qRec，Tf，ρm，R)；
基于电堆部件特性数据，获得燃料电池电堆部件瞬态温度与环境温度Tf、运行电流i、时间t的对应关系：[TEP，TIP，TCP，TBP]＝f(t，Tf，i，p)。
2.根据权利要求1所述的燃料电池电堆装配压力测试方法，其特征在于，所述燃料电池电堆部件包括双极板，所述双极板有多个。
3.根据权利要求2所述的燃料电池电堆装配压力测试方法，其特征在于，所述双极板有三个，由靠近端板逐渐远离的双极板为第一双极板，第二双极板和第三双极板，所述第一双极板温度为TBP1，第二双极板温度为TBP2，第三双极板温度为TBP3，
则燃料电池电堆各部件瞬态温度T(t)与时间t，电化学反应放热量qRec，各部件热阻R，各部件质量与比热容乘积ρm，环境温度Tf间的对应关系为：[TEP，TIP，TCP，TBP1，TBP2，TBP3，]＝f(t，qRec，Tf，ρm，R)；
基于电堆部件特性数据，获得燃料电池电堆部件瞬态温度与环境温度Tf、运行电流i、时间t的对应关系：[TEP，TIP，TCP，TBP1，TBP2，TBP3]＝f(t，Tf，i，p)。
4.根据权利要求3所述的燃料电池电堆装配压力测试方法，其特征在于，所述燃料电池电堆各部件瞬态温度T(t)与时间t，电化学反应放热量qRec，各部件热阻R，各部件质量与比热容乘积ρm，环境温度Tf间的对应关系由非稳态的导热微分公式推导获得。
5.根据权利要求4所述的燃料电池电堆装配压力测试方法，其特征在于，所述燃料电池电堆各部件瞬态温度T(t)与时间t，电化学反应放热量qRec，各部件热阻R，各部件质量与比热容乘积ρm，环境温度Tf间的对应关系由一维非稳态的导热微分公式推导获得。
6.根据权利要求5所述的燃料电池电堆装配压力测试方法，其特征在于，所述双极板温度的测试点靠近或位于双极板中心的位置。
7.一种燃料电池电堆装配压力测试装置，其特征在于，使用权利要求1-6任意一项所述的燃料电池电堆装配压力测试方法。
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