[发明专利]燃料电池装置

说明书

技术领域

本发明涉及电池领域，具体而言，涉及一种燃料电池装置。

背景技术

燃料电池是一种环境友好、高效、长寿命的发电装置。以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为例，燃料气体从阳极侧进入，氢原子在阳极失去电子变成质子，质子穿过质子交换膜到达阴极，电子同时经由外部回路也到达阴极，而在阴极质子、电子与氧气结合生成水。燃料电池采用非燃烧的方式将化学能转化为电能，由于不受卡诺循环的限制其直接发电效率可高达45％。以电池堆为核心发电装置，燃料电池系统集成了电源管理，热管理等模块，具有热、电、水、气统筹管理的特征。燃料电池系统产品从固定式电站，到移动式电源；从电动汽车，到航天飞船；从军用装备，到民用产品有着广泛的应用空间。

在现有的燃料电池结构中，一般为双极板与膜电极依次叠合，形成多节甚至数十节的电池堆，从而形成功率较高的发电装置。如图1所示，燃料电池结构由双极板B和膜电极MEA叠放而成，其中双极板的上表面为阳极，下表面为阴极，膜电极的上表面为阴极，膜电极的下表面为阳极，在电池堆的两端通过集流板C1与C2实现电池堆整体电流的收集。其中，膜电极为电化学反应发生的场所，由催化剂(一般为Pt/C)和质子交换膜组成。其中，双极板上刻有流道，以均匀分配反应气体。

现有的设计中，一般采用石墨雕刻加工的双极板，如图2所示，B1为阳极板，B2为阴极板，B3为阳极板的流道以供燃料氢气的流通，B4为阴极板的流道以供氧化剂气体(空气或氧气)的流通，B5为阴极板另一侧的流道以供冷却液(去离子水)的流通。图3为燃料电池膜电极截面结构。其中M1为阳极气体扩散层，M2为阳极催化剂层，M3为质子交换膜，M4为阴极催化剂层，M5为阴极气体扩散层。图4为现有燃料电池电堆截面结构，其中，MEA为膜电极，B1为阳极板，B2为阴极板。

对于现有燃料电池堆的设计与操作，燃料电池的性能只能通过电池堆整体的电压来判断或者通过电池堆内每一节电池的电压判断。然而，当电池堆整体性能下降或者某一节电压下降时，却无法判断燃料电池某一节电池在具体哪个部位出现了故障，从而无法针对现有设计进行优化与改进。如图5所示，为现有设计较为常见的燃料电池的双极板的阳极端正面图，其中虚线区域为膜电极反应区，而显然，氢气从氢气进口到氢气出口的过程中经过流道的输运与反应的消耗，氢气的浓度、湿度、温度等反应条件在整个膜电极反应区域是不可能完全一致的；对于空气端也存在相同的问题，空气从空气进口到空气出口的过程中经过流道的输运不可能完全一致；对于冷却水也存在相同的问题，冷却水从冷却水进口到冷却水出口的过程中经过流道的输运不可能完全一致。不一致的局部反应条件与膜电极工作环境，导致膜电极在不同区域的性能以及不同区域的性能衰减分布不均，而限制燃料电池性能与寿命的关键则是性能最低以及性能衰减最快的局部区域。

如图6所示为燃料电池双极板正面图(没有显示流道)，将虚线膜电极反应区域划分为从R1到R16的不同区域，以该图为例进行定性分析，在燃料电池不加湿操作的条件下，进口处R1的相对湿度最低，而出口处R16的相对湿度则最高，因此R1处的质子交换膜最干燥，电池内阻最大，导致该区域的性能最低，衰减也最为迅速；在大电流密度操作条件下，由于生成水的增加，R16区域的相对湿度往往超过100％，造成液态水在流道中的堆积，从而导致气体无法输送至反应电极的表面，加速膜电极的性能衰减。

燃料电池的性能下降与寿命衰减，一般最先发生在某些局部区域(如上述定性分析，不局限于上述分析)，而其他大部分区域则保持良好的性能与使用寿命，然而，这些现象在现有燃料电池装置条件下无法实验定量测出(现有燃料电池只能测出电池在给定电流条件下的整体输出电压)，从而无法通过目的性的改善局部区域的反应条件与性能，而大幅提高燃料电池性能与寿命。

因此，如何实时监测电池内部各局部区域的实际反应性能分布及反应条件分布等，从而有目的性的改善电池的设计与操作参数，优化燃料电池性能与寿命，并大幅提高燃料电池研发效率，成为本领域亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种燃料电池装置，以实时监测电池内部各局部区域的实际反应性能分布及反应条件分布。