一種質子交換膜燃料電池分區域電流測試系統的製作方法
2023-05-18 11:42:31
專利名稱：一種質子交換膜燃料電池分區域電流測試系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於燃料電池技術領域，特別涉及一種質子交換膜燃料電池分區域電流測試系統。應用於質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell)的局部電流測試。
背景技術：
隨著人類文明的進步，傳統能源，譬如煤、石油及天然氣的消耗持續攀升，造成地球嚴重的汙染，導致溫室效應及酸雨等環節問題的惡化。人類已清楚地體會、認識到天然能源的儲量是有限的，如果被持續的濫用，可能在不久的將來便會消耗殆盡。因此，世界各個國家近來都在研究新的替代能源，而燃料電池(fuel cell)便是其中的一種總要且具有發展潛力及實用價值的選擇。與傳統的內燃機相比，燃料電池具有能量轉換效率高、無汙染、噪聲低、且不使用傳統燃油等多項優點。
簡而言之，燃料電池是一種將氫氧通過電化學反應產生電能的發電裝置，其基本上可以說是一種水電解的逆反應，以將其化學能轉換成電能。以質子交換膜燃料電池為例，其包含多個電池單體，每一電池單體的結構大致如圖1所示，包含位於中央的一質子交換膜10(proton exchange membrance，PEM)，其兩側各設一層催化劑11，其外再設置一層氣體擴散層12(gas diffusion layer，GDL)，最外側則分別設一陽極板13與陰極板14，將此結構件緊密結合在一起後，即形成一電池單體。由於燃料電池在實際應用時，通常是將多個上述的電池單體堆棧串聯起來，如圖2所示，能獲得足夠的發電效率；因此，互相串聯鄰接的電池，可以共用一電極板，如3圖所示，以分別作為兩個鄰接電池單體中的陽極與陰極，故此電極板通常便稱為雙極板(bipolar plate)。雙極板的兩面通常皆設有許多溝槽，如圖3所示，以輸送用來反應的氣體，如氫氣與空氣(以提供氧氣)，並排出反應後的生產物，如果液態水和水氣。
現有的燃料電池系統，是將膜電極產生的電流一起導出到極板上，之後再通過外電路來放電。對於單電池測試系統，也是通過將膜電極產生的電流一起導入集流板上後，再進行相關的測試內容。對於膜電極來說，陰極和陽極是整片的電極與質子交換膜緊密連接，因為陰極或陽極都是導電的，所以電流在通過陰極和陽極時不只是有垂直與膜的法向電流，同時還存在有面向電流。主要是因為氣體在電極表面反應時，不是均勻發生反應的，因為極板上氣體流道和氣體濃度已經電極上催化劑的均勻性等因素造成的。這就直接導致整個膜電極產生的電流是不均勻，有的區域電流大有的區域電流小。但電極和集流板是一體的而且是導電性很好，所以在膜電極產生不均勻的反應後，電流通過在電極和集流板的重新分配使電流通過集流板後形成較均勻分布。
因為燃料電池在陰極和陽極發生不同的電化學反應，所以電流在陰極和陽極產出規律不同。陰極氣體和陽極氣體在各自的氣體流道中流動，受各自的流道的影響；陰極和陽極的電極催化劑組成也不同；這些因素共同導致在燃料電池的陰極和陽極產生的電流分布也不同。為了能更仔細的研究燃料電池的反應過程和受不同因素影響，所以，對電池的陰極和陽極要進行各自的測試。
發明內容
本發明的目的在於提供一種質子交換膜燃料電池分區域電流測試系統，能更好的對燃料電池陰極和陽極進行測試，並保證測試的準確性。
本發明在研究流場形式對燃料電池的影響。可以通過一端採用本發明的結構而另一端實用常規的流場板來組裝成單電池來測試。通過測試不同區域的電流大小來研究流場對膜電極的影響。
本發明在研究膜電極在電池內部的放電情況。可以通過在不同區域採用不同膜電極催化劑的組成來研究膜電極在電池內部的放電情況。
本發明包括陽極集流板，膜電極、陰極集流板。
陽極集流板，在陽極集流板17上加工陽極氣體流場16，以提供陽極氣體的流動通道。收集膜電極產生的電流，將電流帶出到外電路；膜電極，膜電極提供陽極和陰極反應氣體的反應場所，其中的質子交換膜導通質子和水以完成反應；陰極和陽極為各種的氣體提供反應場所，並把電流輸送到集流板上；陰極集流板，在陰極集流板18上加工反應氣體流場，以提供陰極氣體的流動通道。收集膜電極產生的電流，將電流帶出到外電路。
本發明的陽極集流板上裝有20-60個獨立的小電極，能夠將膜電極上局部的電流獨立導出；在小電極和陽極集流板之間用絕緣密封材料20填充，達到密封和絕緣的效果；在整個陽極集流板上加工陽極氣體流過的流場，使陽極氣體可以通過流場到達膜電極上發生反應。
本發明的膜電極的陽極分成20-60個獨立的小陽極，小陽極與大陽極為同種特性的陽極或不同種特性的陽極，為陽極反應提供反應場所；每個小陽極都與大陽極完全獨立絕緣；質子交換膜10為一張完整的膜，分開陰陽極反應氣體，導通質子和水；陰極為整張陰極或分成獨立區域的陰極，為陰極反應提供反應場所，如果是獨立的陰極，每個獨立的陰極都與大陰極絕緣；將陰極和陽極熱於質子交換膜進行熱壓成整體的膜電極。
本發明的陰極集流板分成20-60個獨立的小電極和大陰極構成，每個小電極與大陰極板之間獨立用絕緣密封材料填充；在整個陰極集流板上加工流場，為陰極反氣體流動提供流道，將反應產生的水排出。
本發明的優點是能準確測試膜電極的局部電流，本測試系統能排除由於面向電流導致的測試結構不準確，能真實的反應出局部區域的產生的電流大小。並且通過本測試系統可以測試不同流場板如何影響膜電極反應的，通過使用本系統中的膜電極和陽極集流板與要測試的陰極集流板組裝成單電池來測試，可以測試出陰極流場板的不同引起膜電極局部電流的不同，有利於流場板的優化，如圖4所示；通過本系統還可以測試膜電極在不同區域使用不同的催化劑組成對燃料電池的影響，通過對膜電極催化劑在不同區域的組成不同來測試不同區域實際的電流大小，從而對膜電極催化劑的組成提供試驗依據，如圖5所示。
圖1是顯示現有燃料電池單體結構的剖面分解示意圖。其中，質子交換膜10、催化劑層11、氣體擴散層12、陽極板13、陰極板14、溝槽16。
圖2是顯示將多個現有電池單體組合後應用的剖面分解示意圖。
圖3是顯示現有燃料電池部分結構的剖面示意圖。其中，雙極板15。
圖4是顯示使用單陽極集流板測試局部電流的剖面示意圖。其中，陽極集流板17、陰極集流板18、金屬小電極19、絕壓密封材料20、陽極大電極21、陽極小電極22、陰極大電極23。
圖5是顯示使用雙極集流板測試局部電流的剖面示意圖。其中，陰極小電極24。
圖6是顯示使用單陰極集流板測試局部電流的剖面示意圖。其中，圖7是顯示局部電流測試用膜電極示意圖。
圖8是顯示陽極局部電流測試用膜電極示意圖。
圖9是顯示雙極局部電流測試用膜電極示意圖。
圖10是顯示陰極局部電流測試用膜電極示意圖。
具體實施例方式
本發明燃料電池局部電流密度測試系統，主要針對質子交換膜燃料電池的局部電流測試系統，其中一種實施例子大致如圖5所示，包含陽極集流大板17，以導出反應電流和為反應氣體提供流通通道，在質子交換膜燃料電池實例中，陽極氣體為氫氣。在陽極集電大板上襄有多個獨立的金屬小電極19，小電極和集電大板之間用絕緣材料密封20，使小電極之間以及小電極和陽極集流大板之間絕對絕緣，而且在小電極和陽極集電大板共同組成的陽極集電板上加工有陽極流場16，為氫氣提供流通通道。陰極集流板於陽極集電板結構相同，為陰極氣體提供流通通道，在在質子交換膜燃料電池實例中，陽極氣體為空氣。本發明另包括一膜電極，膜電極的陽極21由催化層和擴散層組成，在陽極上有多個獨立小陽極22，每個小陽極都與大陽極獨立，之間留有一定的空隙，為了使每個小陽極與大陽極絕緣。小陽極22與本發明中的陽極集流板17和陰極集流板18上的獨立小電極19相互對應成多了獨立的小電池，這樣每個小電池在反應過程中就不會收到大陽極21、大陰極23和大膜電極組成的大膜電極反應的影響，使測試過程更準確，不會有面向電流的支援而使測試結果存在不準確的因素。
在本較佳的實例中，如圖4所示，本測試系統的陰極為常規陰極集流板14，通過本測試系統可以對其陰極的流場進行相應的測試來查看對膜電極的影響。陽極氣體通過陽極集流板17上的氣體通道到達膜電極的陽極電極21上，在催化劑的作用下發生陽極的電化學反應。因為在陽極集流板和陽極電極上有多個在不同區域的小分區，使在小分區上的反應能獨立大陽極而進行。因為流場和氣體擴散程度的不同使每個小分區上的反應都不同，從而產生不同大小的電流，電流通過各自的金屬電極到達外電路進行測試，從而達到廁所不同區域電路的目的。結合對陰極流場板的研究測試，達到測試不同陰極流場板對膜電極反應的影響。如本實例中，膜電極的有效反應面積為400cm2，獨立小電池數為35個，每個小電極的有效反應面積為1cm2左右。反應溫度為65℃，氣體工作壓力為0.3MPa(絕對壓力)。通過測試得出在電池陰極入口處的電流要高於電池陰極出口處的電流，而電池中間部分的電流也要高出電池其它部位的電流大小。
其次，本發明如此的設計，可以將本測試系統用在不同陰極流場的電池中，如圖6所示。可以根據不同陰極流場的要求而設計在不同區域進行分區測試，可以在比較總要的測試區域將膜電極分成較密的獨立分區，這樣可以增加測試的精度和準確性。因為系統中的膜電極採用熱壓成型技術，膜電極可以重複使用，可以減少測試成本，如圖7、8、9所示。本發明的可以將陰極和陽極集流板與膜電極單獨配合使用，在同時使用時可以測試膜電極不同催化劑組成的影響，在單獨使用時可以分別測試陽極或陰極流場對膜電極的影響。
權利要求
1.一種質子交換膜燃料電池分區域電流測試系統，包括，陽極集流板，膜電極、陰極集流板；其特徵在於，陽極集流板，在陽極集流板(17)上加工陽極氣體流場(16)，以提供陽極氣體的流動通道，收集膜電極產生的電流，將電流帶出到外電路；膜電極，膜電極提供陽極和陰極反應氣體的反應場所，其中的質子交換膜導通質子和水以完成反應；陰極和陽極為各種的氣體提供反應場所，並把電流輸送到集流板上；陰極集流板，在陰極集流板(18)上加工反應氣體流場，以提供陰極氣體的流動通道，收集膜電極產生的電流，將電流帶出到外電路。
2.根據權力要求1所述的系統，其特徵在於陽極集流板上裝有20-60個獨立的小電極，能夠將膜電極上局部的電流獨立導出；在小電極和陽極集流板之間用絕緣密封材料(20)填充，達到密封和絕緣的效果；在整個陽極集流板上加工陽極氣體流過的流場，使陽極氣體可以通過流場到達膜電極上發生反應。
3.根據權力要求1所訴的系統，其特徵在於膜電極的陽極分成20-60個獨立的小陽極，小陽極與大陽極為同種特性的陽極或不同種特性的陽極，為陽極反應提供反應場所；每個小陽極都與大陽極完全獨立絕緣；質子交換膜(10)為一張完整的膜，分開陰陽極反應氣體，導通質子和水；陰極為整張陰極或分成獨立區域的陰極，為陰極反應提供反應場所，如果是獨立的陰極，每個獨立的陰極都與大陰極絕緣；將陰極和陽極熱於質子交換膜進行熱壓成整體的膜電極。
4.根據權力要求1所述的系統，其特徵在於陰極集流板分成20-60個獨立的小電極和大陰極構成，每個小電極於大陰極板之間獨立用絕緣密封材料填充；在整個陰極集流板上加工流場，為陰極反氣體流動提供流道，將反應產生的水排出。
全文摘要
一種質子交換膜燃料電池分區域電流測試系統，屬於燃料電池技術領域。包括，陽極集流板，膜電極、陰極集流板。在陽極集流板(17)上加工陽極氣體流場(16)，以提供陽極氣體的流動通道，收集膜電極產生的電流，將電流帶出到外電路。膜電極提供陽極和陰極反應氣體的反應場所，其中的質子交換膜導通質子和水以完成反應；陰極和陽極為各種的氣體提供反應場所，並把電流輸送到集流板上。在陰極集流板(18)上加工反應氣體流場，以提供陰極氣體的流動通道，收集膜電極產生的電流，將電流帶出到外電路。優點在於，能更好的對燃料電池陰極和陽極進行測試，並保證測試的準確性。
文檔編號G01R31/36GK1945887SQ200610114208
公開日2007年4月11日 申請日期2006年11月1日 優先權日2006年11月1日
發明者吳兵, 王利生, 張立芳, 張黛, 史桂燕 申請人:北京飛馳綠能電源技術有限責任公司