燃料电池液态水可视化与电流分区检测装置

本发明属于燃料电池测试，具体涉及燃料电池液态水可视化与电流分区检测装置。

背景技术：

1、随着新能源产业的蓬勃发展，氢能源燃料电池已经广泛应用在航天、汽车、移动电源等领域。质子交换膜燃料电池(简称燃料电池)由于其能量转换效率高、工作温度低、功率密度高等优点，成为了氢能燃料电池应用的重要领域之一。寿命和性能作为制约燃料电池产业发展的重要问题，受到电池内部多种因素的影响。燃料电池内部反应生成的水中有一部分以液态形式存在于流道和多孔介质内，如果液态水长期在其中积累，可能会发生水淹现象，导致氢气和氧气在其中传输困难，使燃料电池内部反应不一致性增强，进而导致催化层中电化学催化剂的降解腐蚀，最终影响燃料电池的使用寿命。

2、传统的燃料电池装置结构如图1所示，包括依次叠置的金属端板、绝缘端板、集流板、石墨流场板、膜电极、石墨流场板、集流板、绝缘端板和金属端板；由于膜电极和流道被金属端板压紧，因此只能检测电压变化情况，而无法获知燃料电池内部的工作情况。观察燃料电池内部液态水的分布情况，以及膜电极平面局部电流分布信息，便于分析燃料电池内部的工作情况，进一步优化水热平衡、燃料电池结构和控制条件设计，有助于延长燃料电池寿命。申请号为cn214797478u的实用新型专利公开了一种可视化燃料电池夹具，使用透明板内芯完成对燃料电池膜电极阴极或阳极单侧液态水分布情况的观察，但受限于夹具设计，难以进一步实现对内部电流分布的检测。申请号为cn115602884a的发明专利公开的一种燃料电池可视化测试装置同样存在上述问题。而燃料电池内部液态水的分布与内部电流分布密切相关，使得分析液态水的生成与分布对燃料电池性能的影响变得困难。因此，需要设计一种适用于大面积燃料电池，并能够同时观察燃料电池内部液态水分布情况，采集膜电极平面局部电流度分布的装置。

技术实现思路

1、针对可视化燃料电池夹具设计复杂、无法同时检测内部电流分布的问题，本发明提供了燃料电池液态水可视化与电流分区检测装置，实现对燃料电池膜电极平面液态水分布以及电流分布的同步在线高分辨率采集。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、燃料电池液态水可视化与电流分区检测装置，包括分区采集板、可视化端板和镂空金属端板；

4、所述分区采集板设置于燃料电池装置的集流板与石墨流场板之间，包括多个阵列排布的分区采集单元，所有分区采集单元形成的区域覆盖燃料电池的活性区域；各分区采集单元用于实时检测燃料电池内部的分区电流分布；

5、所述可视化端板设置于燃料电池装置的金属流场板与金属端板之间，包括覆盖金属流场板的气体流道区域的透明的液态水观测区；

6、所述镂空金属端板作为燃料电池装置的金属端板使用，其镂空的区域与液态水观测区相匹配；

7、将装配有所述燃料电池液态水可视化与电流分区检测装置的燃料电池装置作为测试装置本体，具体包括依次叠置的金属底板、绝缘底板、集流板、分区采集板、石墨流场板、膜电极、金属流场板、可视化端板和镂空金属端板；对测试装置本体通入压缩空气、氢气和循环水，通过分区采集板实时检测燃料电池内部的分区电流分布，同时利用相机，透过液态水观测区拍摄金属流场板的气体流道区域，处理得到与分区采集单元对应的分区液态水相对覆盖面积，进而获得燃料电池内部的分区液态水分布。

8、进一步地，所述分区采集板的各分区采集单元还用于实时检测燃料电池内部的分区温度分布。

9、进一步地，所述分区液态水相对覆盖面积sr为分区液态水实际覆盖面积sw与对应分区采集单元面积sc的比值，即sr＝sw/sc；其中，分区液态水实际覆盖面积sw通过相机拍摄的金属流场板的气体流道区域图片获得。

10、进一步地，测试装置本体中，镂空金属端板与可视化端板之间、可视化端板与金属流场板之间、金属流场板与膜电极之间、石墨流场板与膜电极之间、石墨流场板与分区采集板之间、集流板与绝缘底板之间、绝缘底板与金属底板之间均设有密封圈。

11、进一步地，所述可视化端板具有通气沟槽，用于辅助气体流入与之贴合的金属流场板的气体流道中。

12、进一步地，测试装置本体中膜电极的厚度为0.49～0.5mm。

13、进一步地，测试装置本体中石墨流场板与金属流场板的气体流道为对称结构。

14、进一步地，所述测试装置本体具有两种运行方式，具体为：

15、第一种运行方式：以金属流场板为阴极空气流场，与膜电极的阴极侧贴合；以石墨流场板为阳极氢气流场，与膜电极的阳极侧贴合；测试装置本体装配完成后，对测试装置本体通入循环水，金属流场板通入压缩空气，石墨流场板通入氢气，通过分区采集板实时检测燃料电池内部的分区电流分布，同时利用相机拍摄金属流场板的气体流道区域，进而处理得到燃料电池阴极侧的分区液态水分布；

16、第二种运行方式：以金属流场板为阳极氢气流场，与膜电极的阳极侧贴合；以石墨流场板为阴极空气流场，与膜电极的阴极侧贴合；测试装置本体装配完成后，对测试装置本体通入循环水，金属流场板通入氢气，石墨流场板通入压缩空气，通过分区采集板实时检测燃料电池内部的分区电流分布，同时利用相机拍摄金属流场板的气体流道区域，进而处理得到燃料电池阳极侧的分区液态水分布。

17、进一步地，利用燃料电池内部的分区电流分布以及分区液态水分布，分析各分区采集单元的膜含水量情况，具体为：

18、当分区液态水相对覆盖面积高于分区采集板的分区液态水相对覆盖面积均值，且分区电流密度高于分区采集板的分区电流密度均值时，认为该分区采集单元的膜含水量适宜，属于高性能反应区；

19、当分区液态水相对覆盖面积高于分区液态水相对覆盖面积均值，且分区电流密度低于分区电流密度均值时，认为该分区采集单元的膜含水量过高，存在水淹现象；

20、当分区液态水相对覆盖面积低于分区液态水相对覆盖面积均值，且分区电流密度低于分区电流密度均值时，认为该分区采集单元的膜含水量较低或存在膜干现象。

21、进一步地，根据各分区采集单元的膜含水量情况，调整金属流场板对应各分区采集单元的气体流道设计，以避免各分区采集单元出现水淹现象和膜干现象。

22、进一步地，由于燃料电池装置采用恒流运行，根据燃料电池内部的分区液态水相对覆盖面积均值和设置的运行电流，得到分区液态水相对覆盖面积均值随运行电流的变化曲线，其中，对斜率变化率小于0的运行电流，此时金属流场板内的气体流量适宜，而对于斜率变化率大于0的运行电流，通过增大金属流场板内的气体流量，防止出现水淹现象。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

24、1、本发明提出的燃料电池液态水可视化与电流分区检测装置，通过设计特殊结构的可视化端板和镂空金属端板，在几乎不改变燃料电池装置本体结构的前提下实现液态水可视化检测，进而可以在燃料电池装置中设置分区采集板，实现燃料电池膜电极平面液态水分布以及电流分布的同步在线高分辨率采集；

25、2、本发明具有两种运行方式，可以对燃料电池的阴极侧和阳极侧分别进行液态水分区检测，与分区电流分布相结合，对研究水热电分布的关联性有重要意义；

26、3、本发明还可以基于燃料电池内部的分区电流分布以及分区液态水分布结果，指导金属流场板对应各分区采集单元的气体流道设计，以及金属流场板内气体流量大小调节，进而改善燃料电池装置的操作条件，提高电池性能并延长使用寿命。