CN1945887A - 一种质子交换膜燃料电池分区域电流测试系统 - Google Patents
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Abstract
一种质子交换膜燃料电池分区域电流测试系统，属于燃料电池技术领域。包括，阳极集流板，膜电极、阴极集流板。在阳极集流板(17)上加工阳极气体流场(16)，以提供阳极气体的流动通道，收集膜电极产生的电流，将电流带出到外电路。膜电极提供阳极和阴极反应气体的反应场所，其中的质子交换膜导通质子和水以完成反应；阴极和阳极为各种的气体提供反应场所，并把电流输送到集流板上。在阴极集流板(18)上加工反应气体流场，以提供阴极气体的流动通道，收集膜电极产生的电流，将电流带出到外电路。优点在于，能更好的对燃料电池阴极和阳极进行测试，并保证测试的准确性。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种质子交换膜燃料电池分区域电流测试系统。应用于质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell)的局部电流测试。
背景技术
随着人类文明的进步，传统能源，譬如煤、石油及天然气的消耗持续攀升，造成地球严重的污染，导致温室效应及酸雨等环节问题的恶化。人类已清楚地体会、认识到天然能源的储量是有限的，如果被持续的滥用，可能在不久的将来便会消耗殆尽。因此，世界各个国家近来都在研究新的替代能源，而燃料电池(fuel cell)便是其中的一种总要且具有发展潜力及实用价值的选择。与传统的内燃机相比，燃料电池具有能量转换效率高、无污染、噪声低、且不使用传统燃油等多项优点。
简而言之，燃料电池是一种将氢氧通过电化学反应产生电能的发电装置，其基本上可以说是一种水电解的逆反应，以将其化学能转换成电能。以质子交换膜燃料电池为例，其包含多个电池单体，每一电池单体的结构大致如图1所示，包含位于中央的一质子交换膜10(proton exchange membrance，PEM)，其两侧各设一层催化剂11，其外再设置一层气体扩散层12(gas diffusion layer，GDL)，最外侧则分别设一阳极板13与阴极板14，将此结构件紧密结合在一起后，即形成一电池单体。由于燃料电池在实际应用时，通常是将多个上述的电池单体堆栈串联起来，如图2所示，能获得足够的发电效率；因此，互相串联邻接的电池，可以共用一电极板，如3图所示，以分别作为两个邻接电池单体中的阳极与阴极，故此电极板通常便称为双极板(bipolar plate)。双极板的两面通常皆设有许多沟槽，如图3所示，以输送用来反应的气体，如氢气与空气(以提供氧气)，并排出反应后的生产物，如果液态水和水气。
现有的燃料电池系统，是将膜电极产生的电流一起导出到极板上，之后再通过外电路来放电。对于单电池测试系统，也是通过将膜电极产生的电流一起导入集流板上后，再进行相关的测试内容。对于膜电极来说，阴极和阳极是整片的电极与质子交换膜紧密连接，因为阴极或阳极都是导电的，所以电流在通过阴极和阳极时不只是有垂直与膜的法向电流，同时还存在有面向电流。主要是因为气体在电极表面反应时，不是均匀发生反应的，因为极板上气体流道和气体浓度已经电极上催化剂的均匀性等因素造成的。这就直接导致整个膜电极产生的电流是不均匀，有的区域电流大有的区域电流小。但电极和集流板是一体的而且是导电性很好，所以在膜电极产生不均匀的反应后，电流通过在电极和集流板的重新分配使电流通过集流板后形成较均匀分布。
因为燃料电池在阴极和阳极发生不同的电化学反应，所以电流在阴极和阳极产出规律不同。阴极气体和阳极气体在各自的气体流道中流动，受各自的流道的影响；阴极和阳极的电极催化剂组成也不同；这些因素共同导致在燃料电池的阴极和阳极产生的电流分布也不同。为了能更仔细的研究燃料电池的反应过程和受不同因素影响，所以，对电池的阴极和阳极要进行各自的测试。
发明内容
本发明的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池分区域电流测试系统，能更好的对燃料电池阴极和阳极进行测试，并保证测试的准确性。
本发明在研究流场形式对燃料电池的影响。可以通过一端采用本发明的结构而另一端实用常规的流场板来组装成单电池来测试。通过测试不同区域的电流大小来研究流场对膜电极的影响。
本发明在研究膜电极在电池内部的放电情况。可以通过在不同区域采用不同膜电极催化剂的组成来研究膜电极在电池内部的放电情况。
本发明包括：阳极集流板，膜电极、阴极集流板。
阳极集流板，在阳极集流板17上加工阳极气体流场16，以提供阳极气体的流动通道。收集膜电极产生的电流，将电流带出到外电路；
膜电极，膜电极提供阳极和阴极反应气体的反应场所，其中的质子交换膜导通质子和水以完成反应；阴极和阳极为各种的气体提供反应场所，并把电流输送到集流板上；
阴极集流板，在阴极集流板18上加工反应气体流场，以提供阴极气体的流动通道。收集膜电极产生的电流，将电流带出到外电路。
本发明的阳极集流板上装有20-60个独立的小电极，能够将膜电极上局部的电流独立导出；在小电极和阳极集流板之间用绝缘密封材料20填充，达到密封和绝缘的效果；在整个阳极集流板上加工阳极气体流过的流场，使阳极气体可以通过流场到达膜电极上发生反应。
本发明的膜电极的阳极分成20-60个独立的小阳极，小阳极与大阳极为同种特性的阳极或不同种特性的阳极，为阳极反应提供反应场所；每个小阳极都与大阳极完全独立绝缘；质子交换膜10为一张完整的膜，分开阴阳极反应气体，导通质子和水；阴极为整张阴极或分成独立区域的阴极，为阴极反应提供反应场所，如果是独立的阴极，每个独立的阴极都与大阴极绝缘；将阴极和阳极热于质子交换膜进行热压成整体的膜电极。
本发明的阴极集流板分成20-60个独立的小电极和大阴极构成，每个小电极与大阴极板之间独立用绝缘密封材料填充；在整个阴极集流板上加工流场，为阴极反气体流动提供流道，将反应产生的水排出。
本发明的优点是：能准确测试膜电极的局部电流，本测试系统能排除由于面向电流导致的测试结构不准确，能真实的反应出局部区域的产生的电流大小。并且通过本测试系统可以测试不同流场板如何影响膜电极反应的，通过使用本系统中的膜电极和阳极集流板与要测试的阴极集流板组装成单电池来测试，可以测试出阴极流场板的不同引起膜电极局部电流的不同，有利于流场板的优化，如图4所示；通过本系统还可以测试膜电极在不同区域使用不同的催化剂组成对燃料电池的影响，通过对膜电极催化剂在不同区域的组成不同来测试不同区域实际的电流大小，从而对膜电极催化剂的组成提供试验依据，如图5所示。
附图说明
图1是显示现有燃料电池单体结构的剖面分解示意图。其中，质子交换膜10、催化剂层11、气体扩散层12、阳极板13、阴极板14、沟槽16。
图2是显示将多个现有电池单体组合后应用的剖面分解示意图。
图3是显示现有燃料电池部分结构的剖面示意图。其中，双极板15。
图4是显示使用单阳极集流板测试局部电流的剖面示意图。其中，阳极集流板17、阴极集流板18、金属小电极19、绝压密封材料20、阳极大电极21、阳极小电极22、阴极大电极23。
图5是显示使用双极集流板测试局部电流的剖面示意图。其中，阴极小电极24。
图6是显示使用单阴极集流板测试局部电流的剖面示意图。其中，
图7是显示局部电流测试用膜电极示意图。
图8是显示阳极局部电流测试用膜电极示意图。
图9是显示双极局部电流测试用膜电极示意图。
图10是显示阴极局部电流测试用膜电极示意图。
具体实施方式
本发明燃料电池局部电流密度测试系统，主要针对质子交换膜燃料电池的局部电流测试系统，其中一种实施例子大致如图5所示，包含阳极集流大板17，以导出反应电流和为反应气体提供流通通道，在质子交换膜燃料电池实例中，阳极气体为氢气。在阳极集电大板上襄有多个独立的金属小电极19，小电极和集电大板之间用绝缘材料密封20，使小电极之间以及小电极和阳极集流大板之间绝对绝缘，而且在小电极和阳极集电大板共同组成的阳极集电板上加工有阳极流场16，为氢气提供流通通道。阴极集流板于阳极集电板结构相同，为阴极气体提供流通通道，在在质子交换膜燃料电池实例中，阳极气体为空气。本发明另包括一膜电极，膜电极的阳极21由催化层和扩散层组成，在阳极上有多个独立小阳极22，每个小阳极都与大阳极独立，之间留有一定的空隙，为了使每个小阳极与大阳极绝缘。小阳极22与本发明中的阳极集流板17和阴极集流板18上的独立小电极19相互对应成多了独立的小电池，这样每个小电池在反应过程中就不会收到大阳极21、大阴极23和大膜电极组成的大膜电极反应的影响，使测试过程更准确，不会有面向电流的支援而使测试结果存在不准确的因素。
在本较佳的实例中，如图4所示，本测试系统的阴极为常规阴极集流板14，通过本测试系统可以对其阴极的流场进行相应的测试来查看对膜电极的影响。阳极气体通过阳极集流板17上的气体通道到达膜电极的阳极电极21上，在催化剂的作用下发生阳极的电化学反应。因为在阳极集流板和阳极电极上有多个在不同区域的小分区，使在小分区上的反应能独立大阳极而进行。因为流场和气体扩散程度的不同使每个小分区上的反应都不同，从而产生不同大小的电流，电流通过各自的金属电极到达外电路进行测试，从而达到厕所不同区域电路的目的。结合对阴极流场板的研究测试，达到测试不同阴极流场板对膜电极反应的影响。如本实例中，膜电极的有效反应面积为400cm2，独立小电池数为35个，每个小电极的有效反应面积为1cm2左右。反应温度为65℃，气体工作压力为0.3MPa(绝对压力)。通过测试得出在电池阴极入口处的电流要高于电池阴极出口处的电流，而电池中间部分的电流也要高出电池其它部位的电流大小。
其次，本发明如此的设计，可以将本测试系统用在不同阴极流场的电池中，如图6所示。可以根据不同阴极流场的要求而设计在不同区域进行分区测试，可以在比较总要的测试区域将膜电极分成较密的独立分区，这样可以增加测试的精度和准确性。因为系统中的膜电极采用热压成型技术，膜电极可以重复使用，可以减少测试成本，如图7、8、9所示。本发明的可以将阴极和阳极集流板与膜电极单独配合使用，在同时使用时可以测试膜电极不同催化剂组成的影响，在单独使用时可以分别测试阳极或阴极流场对膜电极的影响。
Claims (4)
1.一种质子交换膜燃料电池分区域电流测试系统，包括，阳极集流板，膜电极、阴极集流板；其特征在于，
阳极集流板，在阳极集流板(17)上加工阳极气体流场(16)，以提供阳极气体的流动通道，收集膜电极产生的电流，将电流带出到外电路；
膜电极，膜电极提供阳极和阴极反应气体的反应场所，其中的质子交换膜导通质子和水以完成反应；阴极和阳极为各种的气体提供反应场所，并把电流输送到集流板上；
阴极集流板，在阴极集流板(18)上加工反应气体流场，以提供阴极气体的流动通道，收集膜电极产生的电流，将电流带出到外电路。
2.根据权力要求1所述的系统，其特征在于：阳极集流板上装有20-60个独立的小电极，能够将膜电极上局部的电流独立导出；在小电极和阳极集流板之间用绝缘密封材料(20)填充，达到密封和绝缘的效果；在整个阳极集流板上加工阳极气体流过的流场，使阳极气体可以通过流场到达膜电极上发生反应。
3.根据权力要求1所诉的系统，其特征在于：膜电极的阳极分成20-60个独立的小阳极，小阳极与大阳极为同种特性的阳极或不同种特性的阳极，为阳极反应提供反应场所；每个小阳极都与大阳极完全独立绝缘；质子交换膜(10)为一张完整的膜，分开阴阳极反应气体，导通质子和水；阴极为整张阴极或分成独立区域的阴极，为阴极反应提供反应场所，如果是独立的阴极，每个独立的阴极都与大阴极绝缘；将阴极和阳极热于质子交换膜进行热压成整体的膜电极。
4.根据权力要求1所述的系统，其特征在于：阴极集流板分成20-60个独立的小电极和大阴极构成，每个小电极于大阴极板之间独立用绝缘密封材料填充；在整个阴极集流板上加工流场，为阴极反气体流动提供流道，将反应产生的水排出。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20080917 Termination date: 20111101 |