[发明专利]一种燃料电池电流分布测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于清洁能源质子交换膜燃料电池测试技术领域，特别涉及一种燃料电池内部电流分布测量方法及装置，具体说涉及用磁场的方法对质子交换膜燃料电池内部电流分布进行测量。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将化学能直接转化为电能的装置。这里结合附图对其结构和工作原理进行简要描述：

如图1所示，质子交换膜燃料电池由膜电极和双极性集流板等部件组成。其中膜电极包括质子交换膜101、阴极催化剂层102、阴极扩散层103、阳极催化剂层105、阳极扩散层106；双极性集流板(简称双极板或集流板)则分别为阴极集流板104和阳极集流板107，用于导电和导流。

燃料电池工作时由氢气入口109向阳极供给燃料(氢气)，由空气入口108向阴极供给氧化剂(空气)。在Pt催化剂作用下，氢气分子在阳极催化剂层105分解为氢离子(质子)与电子，氢离子通过质子交换膜101迁移到阴极侧，产生电势。当外部负载电路接通时，电子则通过外部负载电路迁移到阴极，在阴极催化剂的作用下，空气中的氧分子和抵达阴极的氢离子吸收电子，在阴极催化剂层102反应生成水。一系列的反应促使电子不断地流过外部电路而输出电能。

电化学反应在扩散层、催化剂层和质子交换膜的整个表面进行，因此质子迁移在整个质子交换膜上均有发生，也就形成整个交换膜上均有电流穿透过去。在此过程中，由于催化剂分布均匀程度、催化剂活性差异、流场及扩散层一致性引起的反应气体浓度和压力分布差异、水热分布不均、各层间接触电阻分布不匀等因素，均可影响质子交换膜两侧界面电化学反应的分布，也就影响电池内部各部分的穿透电流密度(单位面积上单位时间内穿透的电荷数量)，也就是说燃料电池的各个区域电流分布往往存在不均匀的现象。

电池的这种不均匀性，限制了燃料电池输出功率，严重的时候可能导致电池内产生局部的反向电流、局部温度过高(局部的热点)，质子交换膜穿透等问题。

因此，有必要研究电流密度分布的测量方法以及在线监测装置。

目前，质子交换膜燃料电池内部电流分布测量技术主要有以下几种：

刘志祥等人使用了子电池法测量质子交换膜燃料电池内部电流分布。该技术利用铜板、阳极碳纸等改造阳极流场板、阳极扩散层和催化剂层，并把膜电极与具有子电池分割的阳极流场板和未分割的阴极流场板一起组装成单电池，进行电流密度的相关测试。这种方法制作工艺复杂，加工难度大，制作成本高，使用不方便，测量装置不能独立于原来的质子交换膜燃料电池。

Noponen等人采用了分割流道法来研究电流分布。这种技术是采用PVC塑料作为流场基板，在塑料表面刻出沟槽并装入钢条收集电流。采用分割流道技术的缺点是：加工难度大，使用复杂，流道间相互串气，不能独立于质子交换膜燃料电池本体。

Partridge等人利用设置在电池外部的红外传感器测量电池内部的温度场来间接测量电流分布。因为电流存在热效应，所以电流分布不均匀会引起温度场的变化。这种方法需要对电池的密封壳体进行改装，采用可透过红外辐射的材料，通常是换成透过红外线的玻璃窗。此法存在若干缺点：其一，玻璃的强度低、脆性大，需要留意其安全性；其二，由于材料存在热惯性，电流到温度的响应速度很慢，其延迟一般在秒级，难以反映瞬态变化的电流分布。对于在线监控，就不能及时对于故障进行预防，往往产生破坏性故障的后果。

可见，上述这些分布电流测量方法的缺点主要包括：

(1)制作成本高，加工难度大；

(2)使用不方便；

(3)对质子交换膜燃料电池的电极进行改造；

(4)测量部件不是一个独立于质子交换膜燃料电池的装置。

为了解决这些问题，作者提出了一种利用电流的磁效应测量质子交换膜燃料电池内部电流分布的方法以及相应的测量装置。

发明内容

本发明的目的是提出利用电流的磁效应测量质子交换膜燃料电池内部电流分布的一种燃料电池内部电流分布测量方法及装置。其特征在于，所述燃料电池内部电流分布测量方法是利用磁传感器来测量磁场和电流的分布情况；具体步骤为：

1)确认燃料电池的封装没有用软磁材料、易磁化材料作为盖板；将多个磁传感器布置于与燃料电池表面平行的某个平面内；

2)传感器及燃料电池进入工作状态，测量燃料电池表面的磁场分布；

3)根据磁场的分布，解算燃料电池表面的电流分布；