CN114628740B - 一种燃料电池电堆流体分配一致性的检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于燃料电池技术领域，公开了一种燃料电池电堆流体分配一致性的检测方法及装置，且检测方法包括：于燃料电池电堆的阳极入口或阴极入口通入燃料；所述燃料电池电堆由2节以上的气路并联的单电池依次串联堆叠而成，且所述燃料电池电堆包括一阳极入口和一阴极入口；采集所述燃料电池电堆中各单电池的电压，并获取各单电池开路电压上升至最大值时的响应时间；通过所述各单电池开路电压的响应时间判断所述燃料电池电堆流体分配的一致性；在本发明中，所提供的提供一种燃料电池电堆流体分配一致性的检测方法，简单易行、实用有效，并通用于各种类型的燃料电池，对于研究燃料电池电堆各单电池流体分配一致性意义重大。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池电堆流体分配一致性的检测方法及装置。
背景技术
燃料电池是将燃料所具有的化学能直接转化为电能的发电装置，具有高效、安全、清洁、安静等特点，在便携式电源、车载动力源和分布式电源等领域应用前景广阔。
单个燃料电池依次由带有流道的极板、阳极、电解质、阴极、带有流道的极板构成。为满足大功率需求，通常将几十上百节相同的燃料电池串联堆叠成电堆。单电池的一致性水平将决定着电堆的性能与寿命。
电堆的一致性主要取决于：膜电极、双极板等工艺及材质的均匀性；质热电力分布的一致性。其中，流体分配一致是热和电分配均匀的基础。电堆中的流体分配主要包括三个层次：主管到单电池、单电池进口到流道、流道到催化层。催化层反应区的流体分配不一致将直接引起单电池性能的差异，缩短电堆的使用寿命。由于电堆结构紧凑且电池节数较多，电堆各节流体流量的检测难度较大。
在现有技术中，对于燃料电池电堆流体分配一致性的检测方法主要有：
1)内嵌微型传感器：比如将热式微型流量计嵌入流道中对气体流量进行监测，或者将压力测量杆插入电堆主管内测量单电池进出气端口的压力降进而计算电堆流体流量分配。由于电堆结构紧凑、各节电池进气口小，内嵌传感器不仅会使得电堆内部结构变得复杂，还会对电堆的运行存在干扰。
2)极限电流法：向电堆阳极或阴极侧通入惰性气体稀释的氢气，测试并比较各单电池的极限电流来判断流体分配的一致性。但是，在测试各节电池的极限电流时，被测试电池的氢气发生消耗，由于氢气在惰性气体中的扩散系数较高，单电池流道消耗的氢气会很快从主管内得到补充，使得测试结果偏高。
3)电压衰减法：依据欧姆损失主要受质子交换膜中含水量的影响，通过监测电堆在大气量吹扫、低载荷运行过程中各节电池电压的衰减值来判断流体流量的大小。由于水含量变化受到阴极和阳极两侧气量的影响，所体现的流体分配的差异是每节电池阴极和阳极两侧流体分配综合的差异，无法确定单电池单侧流体分配的差异。除此之外，该方法仅适用于欧姆电阻容易受电解质水含量影响的质子交换膜燃料电池。
针对以上问题，本申请有必要提供一种简便、有效、通用的燃料电池电堆流体分配一致性的检测方法及装置。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种燃料电池电堆流体分配一致性的检测方法及装置。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种燃料电池电堆流体分配一致性的检测方法，包括如下步骤：
于燃料电池电堆的阳极入口或阴极入口通入燃料；所述燃料电池电堆由2节以上的气路并联的单电池依次串联堆叠而成，且所述燃料电池电堆包括一阳极入口和一阴极入口；
采集所述燃料电池电堆中各单电池的电压，并获取各单电池开路电压上升至最大值时的响应时间；
通过所述各单电池开路电压的响应时间判断所述燃料电池电堆流体分配的一致性。
优选的，于所述燃料电池电堆的阳极入口或阴极入口通入燃料之前，还包括：采用电堆内部控温或电堆外部控温方式，将所述燃料电池电堆温度调整至预定恒温。
优选的，通入的所述燃料视燃料电池类型而定，可为氢气、甲醇水溶液或氢氮混合气。
优选的，所述各单电池的电压的采集频率为500Hz以上。
优选的，所述的检测方法还包括如下步骤：在检测之前，调整所述燃料电池电堆中各单电池阴极和阳极两侧气体状态一致，使各单电池初始电压为0V。
具体，调整所述燃料电池电堆中各单电池阴极和阳极两侧气体状态一致时，包括：首先检测所述燃料电池电堆中各单电池的初始电压；然后在各单电池的初始电压不一致或不为0时，向所述燃料电池电堆的预检测电极入口先通入惰性气体后通入氧化剂使得两电极环境一致，以调整各单电池的初始电压为0V。
一种燃料电池电堆流体分配一致性的检测装置，包括；
燃料供应模块，用于向燃料电池电堆的阳极入口或阴极入口通入燃料；所述燃料电池电堆由2节以上的气路并联的单电池依次串联堆叠而成，且所述燃料电池电堆包括一阳极入口和一阴极入口；
电压采集模块，用于采集所述燃料电池电堆中各单电池的开路电压；
计时模块，用于获取各单电池开路电压上升至最大值时的响应时间；
确定模块，用于根据所述计时模块获取的响应时间确定所述燃料电池电堆流体分配的一致性。
优选的，所述电压采集装置包括一多通道的电压信号采集模块和一按压式的巡检探针模块；其中，所述电压信号采集单元的一个通道与巡检探针单元中的一个探针对应连接，所述巡检探针单元可拆卸的安装于燃料电池电堆上，且巡检探针单元中的多个探针可通过按压的方式分别与各单电池独立配合。
优选的，所述的检测装置还包括控温系统，且所述控温系统用于在检测前调整燃料电池电堆温度至预定恒温，所述控温系统采用电堆内控温系统或电堆外控温系统。
优选的，所述的检测装置还包括惰性气体及氧化剂供应装置，且所述惰性气体及氧化剂供应装置用于在检测前向燃料电池电堆的预检测电极入口先通入惰性气体后通入氧化剂使得两电极环境一致，以调整各单电池的初始电压为0V。
优选的，所述的检测装置还包括与所述燃料电池电堆连接的负载，且所述负载用于在检测前拉载降低初始电压或用于在检测后拉载消耗氧化剂降低开路电压。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
在本发明中，所提供的提供一种燃料电池电堆流体分配一致性的检测方法，简单易行、实用有效，并通用于各种类型的燃料电池。其检测装置易于装卸且对电堆不产生任何影响，并且可单独检测阴极或阳极的流体分配，同时在电堆启动过程中即可完成检测，对于研究燃料电池电堆各单电池流体分配一致性意义重大。
附图说明
图1为本发明所提供的燃料电池电堆流体分配一致性的检测装置的结构示意图；
图2为注入不同流量的燃料过程中燃料电池开路电压随时间变化的示意图；
图3为同一燃料电池中开路电压的响应时间与燃料流量的关系示意图；
图4为在燃料电池电堆阴极入口通入燃料时的测试原理示意图；
图5为在燃料电池电堆阳极入口通入燃料时的测试原理示意图；
图6为高温质子交换膜燃料电池6节短堆的阳极侧流体分配的测试结果图；
图中：1-燃料供应模块、2-电压采集模块、21-电压信号采集模块、22-巡检探针模块、3-计时模块、4-惰性气体及氧化剂供应装置、5-控温系统、6-负载、7-确定模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明中，提供由2节以上的气路并联的单电池依次串联堆叠而成的燃料电池电堆作为检测电堆，且所述的燃料电池电堆包括一阳极入口和一阴极入口；针对所述的燃料电池电堆：
1)提供一种燃料电池电堆流体分配一致性的检测方法，且所述的检测方法包括如下步骤：
S1.在检测之前，调整燃料电池电堆中各单电池阴极和阳极两侧气体状态一致，使各单电池初始电压为0V。
具体，在本步骤中，包括：
S11.检测燃料电池电堆中各单电池的初始电压；
S12.在各单电池的初始电压不一致或不为0时，向燃料电池电堆的预检测电极入口先通入惰性气体后通入氧化剂使得两电极环境一致，以调整各单电池的初始电压为0V。
S2.在检测之前，调整燃料电池电堆温度至预定恒温；且调整温度时可采用电堆内部控温或电堆外部控温。
S3.在检测时，于燃料电池电堆的阳极入口或阴极入口通入燃料，并采集燃料电池电堆中各单电池的电压，并获取各单电池开路电压上升至最大值时的响应时间；然后，通过各单电池开路电压的响应时间判断燃料电池电堆流体分配的一致性。
具体，在本步骤中：
通入的燃料视燃料电池类型而定，可为氢气、甲醇水溶液或氢氮混合气；
在各单电池两极处所设置的电压信号采集点中，电压信号采集频率为500Hz以上。
上述，本发明所提供的检测方法的原理为：
在检测之前，调整各单电池初始电压为0V，以此保证检测时初始电压的均衡，进而保证测试结果的准确。
在检测之前，调整燃料电池电堆温度至预定恒温，以此排除温度分布一致性对流体分配的影响，具体优选采用电堆外部控温的方式，例如采用烘箱等外部环境加热控温。
在检测时，燃料通过阳极入口或阴极入口通入，并进入各单电池的阳极流道或阴极流道中，且在此过程中，各单电池腔体内气体燃料的分压或液体燃料的浓度逐渐提高；具体在开路状态下，燃料分压或浓度的提高会降低该电极的电极电势；由此可知，燃料的注入会使该电极的电极电势下降，进而使电池电动势增加，具体在开路状态下，即表现为开路电压的增加。
进一步的，结合图2所示的变化示意图可知(图2中所示数据是基于一个高温质子交换膜燃料电池在室温下注入不同流量的氢气过程所得)：燃料流量的大小与开路电压达到最大值的响应时间相关；
更进一步的，结合图3所示的关系示意图可知：进入单电池的流量越大，对应的响应时间越短。
综上，可利用燃料电池电堆各单电池本身作为流量传感器，以检测单电池开路电压达到最大值的响应时间，进而以响应时间为流量大小的指示符，间接判断所检测的燃料电池电堆流体分配的一致性。
更具体的，关于电池的阳/阴极电势，是燃料、氧化剂(氧气、空气等)、催化剂和载体电化学行为综合的混合电势，且该混合电势的计算公式为：
式中，为电极的平衡电极电势，/>电极的标准电极电势，R为气体常数，且数值为8.314J/(mol*k)，n为电子转移数，F为法拉第常数，且数值为96485C/mol，aR为还原态物质(燃料)活度，a0为氧化态物质(氧化剂)活度。
2)提供一种燃料电池电堆流体分配一致性的检测装置，具体结合图1所示，所述的检测装置包括：
燃料供应模块1，用于向燃料电池电堆的阳极入口或阴极入口通入燃料。
电压采集模块2，用于采集燃料电池电堆中各单电池的开路电压，且电压采集模块2包括一多通道的电压信号采集单元21和一按压式的巡检探针单元22；其中，电压信号采集单元21的一个通道与巡检探针单元22中的一个探针对应连接，巡检探针单元22可拆卸的安装于燃料电池电堆上，从而避免巡检探针模块22对燃料电池电堆结构的影响，且巡检探针单元22中的多个探针可通过按压的方式分别与各单电池独立配合，因此可单独实现任一单电池的检测。
计时模块3，用于获取各单电池开路电压上升至最大值时的响应时间；
确定模块7，用于根据计时模块3获取的响应时间确定燃料电池电堆流体分配的一致性。
惰性气体及氧化剂供应装置4，且惰性气体及氧化剂供应装置4用于在检测前向燃料电池电堆的预检测电极入口先通入惰性气体后通入氧化剂使得两电极环境一致，以调整各单电池的初始电压为0V。
控温系统5，控温系统5采用电堆内控温系统或电堆外控温系统，且控温系统5用于在检测前调整燃料电池电堆温度至预定恒温。
与燃料电池电堆连接的负载6，且负载6用于在检测前拉载降低初始电压(以此确保各单电池电压趋于相近)或用于在检测后拉载消耗氧化剂降低开路电压(以减缓燃料电池电堆性能的衰减)。
具体，本发明所提供的检测装置在执行检测时，根据上述检测方法的原理进行执行。
另外，针对上述所提供的检测方法和检测装置，提供如下一测试实施例：
被测燃料电池电堆的反应面积为163.5cm2，被测燃料电池电堆中包含6个单电池，分别进行开路电压采集，在图6中示出该6节短堆的阳极侧流体分配测试结果。
具体的，在测试实施例中，可按照图4及图5所示的方式进行测试：
在图4中(仅示出5个单电池)，从被测燃料电池电堆的阴极入口通入燃料，从而使得燃料进入单电池的阴极流道中，对应的单电池负极极板连接电压信号采集模块21的负极；
在图5中(仅示出5个单电池)，从被测燃料电池电堆的阳极入口通入燃料，从而使得燃料进入单电池的阳极流道中，对应的单电池负极极板连接电压信号采集模块21的负极。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种燃料电池电堆流体分配一致性的检测方法，其特征在于：
于燃料电池电堆的阳极入口或阴极入口通入燃料；
通入的所述燃料视不同燃料电池类型而定，可为氢气、甲醇水溶液或氢氮混合气；
所述燃料电池电堆由2节以上的气路并联的单电池依次串联堆叠而成，且所述燃料电池电堆包括一阳极入口和一阴极入口；
采集所述燃料电池电堆中各单电池的电压，并获取各单电池开路电压上升至最大值时的响应时间；所述各单电池的电压的采集频率为500Hz以上；
通过所述各单电池开路电压的响应时间判断所述燃料电池电堆流体分配的一致性；
于所述燃料电池电堆的阳极入口或阴极入口通入燃料之前，还包括：
采用电堆内部控温或电堆外部控温方式，将所述燃料电池电堆温度调整至预定恒温；
所述的检测方法还包括如下步骤：
在检测之前，调整所述燃料电池电堆中各单电池阴极和阳极两侧气体状态一致，使各单电池初始电压为0V。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆流体分配一致性的检测方法，其特征在于，调整所述燃料电池电堆中各单电池阴极和阳极两侧气体状态一致时，包括：
检测所述燃料电池电堆中各单电池的初始电压；
在各单电池的初始电压不一致或不为0时，向所述燃料电池电堆的预检测电极入口先通入惰性气体后通入氧化剂使得两电极环境一致，以调整各单电池的初始电压为0V。
3.一种燃料电池电堆流体分配一致性的检测装置，其特征在于：所述的检测装置包括：
燃料供应模块，用于向燃料电池电堆的阳极入口或阴极入口通入燃料；所述燃料电池电堆由2节以上的气路并联的单电池依次串联堆叠而成，且所述燃料电池电堆包括一阳极入口和一阴极入口；
电压采集模块，用于采集所述燃料电池电堆中各单电池的开路电压；
计时模块，用于获取各单电池开路电压上升至最大值时的响应时间；
确定模块，用于根据所述计时模块获取的响应时间确定所述燃料电池电堆流体分配的一致性；
所述的检测装置还包括惰性气体及氧化剂供应装置，且所述惰性气体及氧化剂供应装置用于在检测前向燃料电池电堆的预检测电极入口先通入惰性气体后通入氧化剂使得两电极环境一致，以调整各单电池的初始电压为0V。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池电堆流体分配一致性的检测装置，其特征在于：所述电压采集模块包括一多通道的电压信号采集单元和一按压式的巡检探针单元；
其中，所述电压信号采集单元的一个通道与巡检探针单元中的一个探针对应连接，所述巡检探针单元可拆卸的安装于燃料电池电堆上，且巡检探针单元中的多个探针可通过按压的方式分别与各单电池独立配合。
5.根据权利要求3或4所述的一种燃料电池电堆流体分配一致性的检测装置，其特征在于：所述的检测装置还包括控温系统，且所述控温系统用于在检测前调整燃料电池电堆温度至预定恒温，所述控温系统采用电堆内控温系统或电堆外控温系统。
6.根据权利要求3所述的一种燃料电池电堆流体分配一致性的检测装置，其特征在于：所述的检测装置还包括与所述燃料电池电堆连接的负载，且所述负载用于在检测前拉载降低初始电压或用于在检测后拉载消耗氧化剂降低开路电压。
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