一种燃料电池极化曲线的测量系统及测量方法

1.本发明涉及一种燃料电池极化曲线的测量系统及测量方法，属于燃料电池技术领域。


背景技术：

2.为构建替代化石能源的可持续经济，缓解能源危机，世界各国均积极推进燃料电池产业发展，燃料电池的研发和商业化由此得到有力的推动。在燃料电池研发和测试中，实时快速获取燃料电池内部各个部位的极化曲线，对实时监控燃料电池内部性能变化，研发设计改进有着重要的意义。
3.近年来对于燃料电池极化曲线的测量方法主要是整堆或单池的极化曲线测量，缺少对于电池内部各个区域的极化曲线分布测试的方法，因而导致无法准确判断燃料电池的性能稳定性。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种燃料电池极化曲线的测量系统及测量方法，能够解决现有测量方法无法对电池内部各个区域的极化曲线分布进行测试，进而导致无法准确判断燃料电池的性能稳定性的问题。
5.一方面，本发明提供了一种燃料电池极化曲线的测量系统，所述系统包括：第一测量装置、第二测量装置、第一数据采集装置、第二数据采集装置和处理装置；所述第一测量装置和所述第二测量装置均包括基板，所述基板包括多个测量区域，每个所述测量区域上均设置有一个测量单元；每个所述测量单元均包括分别设置在所述基板的相对表面上的第一电极和第二电极，以及设置在所述第一电极和所述第二电极之间、且与所述第一电极和所述第二电极电连接的分流电阻；两个所述基板分别插入燃料电池堆中待测单电池的两端，以使所述第一测量装置的第二电极与所述待测单电池的阴极接触，第一电极与前一单电池的阳极接触；并使所述第二测量装置的第一电极与所述待测单电池的阳极接触，第二电极与后一单电池的阴极接触；所述第一数据采集装置用于采集所述第一测量装置的第一电极和第二电极之间的电压，所述电压记为电阻电压；所述第二数据采集装置用于采集所述第一测量装置的第二电极和所述第二测量装置的第一电极之间的电压，所述电压记为测量电压；所述处理装置用于根据所述电阻电压和所述分流电阻，计算流经所述待测单电池中与所述测量单元位置对应的区域的测量电流；并根据所述测量电流和所述测量电压，获取所述待测单电池不同区域的极化曲线。
6.可选的，所述处理装置用于根据公式i
ij
＝δu
ij
/r，得到所述测量电流；其中，δu
ij
为所述第一测量装置的基板上第i行第j列所述测量单元中的分流电阻两端电压差；r为所述分流电阻的阻值；i
ij
为流经所述待测单电池中与第i行第j列所述测量单元位置对应的区域的测量电流。
7.可选的，所述基板包括第一绝缘层和依次设置在所述第一绝缘层上的第二绝缘层
和第三绝缘层；所述导电结构包括第一导电层和第二导电层；所述第一导电层位于所述第一绝缘层和所述第二绝缘层之间；所述第二导电层位于所述第二绝缘层和所述第三绝缘层之间；所述分流电阻设置在所述第一导电层和所述第二绝缘层之间；所述第一导电层包括分离的第一导电部和第二导电部，所述第一导电部和所述第二导电部分别与所述分流电阻电连接；所述第一电极设置在所述第一绝缘层远离所述第一导电层的表面上，所述第二电极设置在所述第三绝缘层远离所述第二导电层的表面上；所述导电结构还包括设置在所述第一绝缘层上的第一导电通孔、设置在所述第三绝缘层上的第二导电通孔、以及设置在所述第二绝缘层上的第三导电通孔；所述第一导电通孔用于将所述第一电极与所述第一导电部电连接；所述第二导电通孔用于将所述第二电极与所述第二导电层电连接；所述第三导电通孔用于将所述第二导电层与所述第二导电部电连接。
8.可选的，所述基板的尺寸与所述待测单电池的尺寸相适应。
9.可选的，所述第一电极和所述第二电极均为金电极。
10.可选的，所述第一电极与所述第二电极为面电极；所述第一电极与所述第二电极分别与所述基板面接触。
11.可选的，所述基板上的多个所述测量单元阵列排布。
12.可选的，所述分流电阻为锰铜合金电阻、康铜合金电阻、铁铬铝合金电阻中的任一种。
13.另一方面，本发明提供一种应用于上述任一种所述的燃料电池极化曲线的测量系统的测量方法，所述方法包括：将所述第一测量装置和所述第二测量装置的基板分别插入燃料电池堆中待测单电池的两端，以使所述第一测量装置的第二电极与所述待测单电池的阴极接触，第一电极与前一单电池的阳极接触；并使所述第二测量装置的第一电极与所述待测单电池的阳极接触，第二电极与后一单电池的阴极接触；利用所述第一数据采集装置采集所述第一测量装置的第一电极和第二电极之间的电压，并将所述电压记为电阻电压；利用所述第二数据采集装置采集所述第一测量装置的第二电极和所述第二测量装置的第一电极之间的电压，并将所述电压记为测量电压；根据所述电阻电压和所述分流电阻，计算流经所述待测单电池中与所述测量单元位置对应的区域的测量电流；并根据所述测量电流和所述测量电压，获取所述待测单电池不同区域的极化曲线。
14.可选的，所述根据所述电阻电压和所述分流电阻，计算流经所述待测单电池中与所述测量单元位置对应的区域的测量电流，具体为：根据公式i
ij
＝δu
ij
/r，得到所述测量电流；其中，δu
ij
为所述第一测量装置的基板上第i行第j列所述测量单元中的分流电阻两端电压差；r为所述分流电阻的阻值；i
ij
为流经所述待测单电池中与第i行第j列所述测量单元位置对应的区域的测量电流。
15.本发明能产生的有益效果包括：
16.本发明提供的燃料电池极化曲线的测量系统，由于第一测量装置和第二测量装置可以插入燃料电池堆内部任一节单电池的两端，采用分流电阻的原理，进行电流的采集，因而可以对待测单电池各个部位进行极化曲线实时监测，这样可以准确判断燃料电池的性能稳定性。
附图说明
17.图1为本发明实施例提供的测量单元结构示意图；
18.图2为本发明实施例提供的第一测量装置和第二测量装置结构示意图；
19.图3为本发明实施例提供的燃料电池极化曲线的测量系统结构示意图；
20.图4为本发明实施例提供的高温甲醇燃料电池不同部位极化曲线分布情况示意图；
21.图5为本发明实施例提供的燃料电池极化曲线的测量方法流程图。
22.部件和附图标记列表：
23.11、测量单元；12、第一电极；13、第二电极；14、分流电阻；15、第一绝缘层；16、第二绝缘层；17、第三绝缘层；18、第一导电部；19、第二导电部；20、第二导电层；21、第一导电通孔；22、第二导电通孔；23、第三导电通孔；24、第一数据采集装置；25、第二数据采集装置。
具体实施方式
24.下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
25.本发明实施例提供了一种燃料电池极化曲线的测量系统，如图1至图3所示，所述系统包括：第一测量装置、第二测量装置、第一数据采集装置24、第二数据采集装置25和处理装置；第一测量装置和第二测量装置均包括基板，基板包括多个测量区域，每个测量区域上均设置有一个测量单元11；每个测量单元11均包括分别设置在基板的相对表面上的第一电极12和第二电极13，以及设置在第一电极12和第二电极13之间、且与第一电极12和第二电极13电连接的分流电阻14；两个基板分别插入燃料电池堆中待测单电池的两端，以使第一测量装置的第二电极13与待测单电池的阴极接触，第一电极12与前一单电池的阳极接触；并使第二测量装置的第一电极12与待测单电池的阳极接触，第二电极13与后一单电池的阴极接触；第一数据采集装置24用于采集第一测量装置的第一电极12和第二电极13之间的电压，所述电压记为电阻电压；第二数据采集装置25用于采集第一测量装置的第二电极13和第二测量装置的第一电极12之间的电压，所述电压记为测量电压；处理装置用于根据电阻电压和分流电阻14，计算流经待测单电池中与测量单元11位置对应的区域的测量电流；并根据测量电流和测量电压，获取待测单电池不同区域的极化曲线。
26.参考图1和图3所示，第一测量装置和第二测量装置均包括基板，基板的尺寸可以与待测单电池的尺寸相适应。基板包括多个测量区域，每个测量区域上均设置有一个测量单元11，基板上的多个测量单元11阵列排布。每个测量单元11均包括分别设置在基板的相对表面上的第一电极12和第二电极13，以及设置在第一电极12和第二电极13之间的分流电阻14；第一电极12与第二电极13可以为面电极；第一电极12与第二电极13分别与基板面接触；分流电阻14的两端通过导电结构分别与第一电极12和第二电极13电连接；本发明实施例对于第一电极12与第二电极13的材质不做限定，为了获得更好的导电性能，在实际应用中，第一电极12和第二电极13可以均为金电极。本发明实施例对于分流电阻14的类型亦不做限定，示例的，分流电阻14可以为锰铜合金电阻、康铜合金电阻、铁铬铝合金电阻中的任一种。
27.第一测量装置和第二测量装置的基板分别插入燃料电池堆中待测单电池的两侧，以使第一测量装置的第二电极13与待测单电池的阴极电极接触，第一测量装置的第一电极
12与前一单电池的阳极电极接触，第二测量装置的第一电极12与待测单电池的阳极电极接触，第二测量装置的第二电极13与后一单电池的阴极电极接触。这样第一数据采集装置24通过采集第一测量装置的第一电极12和第二电极13之间的电压，根据该电压和分流电阻14的阻值，就可以计算出流经待测单电池中与测量单元11位置对应的区域的测量电流；再通过第二数据采集装置25采集第一测量装置的第二电极13和第二测量装置的第一电极12之间的电压，该电压即为待测单电池中与测量单元11位置对应的区域两端的测量电压；最后处理装置根据测量电流和测量电压，就可以获取待测单电池不同区域的极化曲线。
28.本发明中由于第一测量装置和第二测量装置可以插入燃料电池堆内部任一节单电池的两端，采用分流电阻14的原理，进行电流的采集，因而可以对待测单电池各个部位进行极化曲线实时监测，这样可以准确判断燃料电池的性能稳定性。
29.进一步的，处理装置用于根据公式i
ij
＝δu
ij
/r，得到测量电流；其中，δu
ij
为第一测量装置的基板上第i行第j列测量单元11中的分流电阻14两端电压差；r为分流电阻14的阻值；i
ij
为流经待测单电池中与第i行第j列测量单元11位置对应的区域的测量电流。
30.参考图3所示，将两个测量装置放入到燃料电池待测单节电池两端，与待测单节电池两侧极板紧密接触，电池运行过程中，电流通过阴极侧测量装置上的金电极a
ij
流经分流电阻14到下一节单电池，通过第一数据采集设备(daq设备)同步采集分流电阻14两端压差
△uij
，根据i
ij
＝
△uij
/r，即可得到金电极a
ij
对应位置(第i行第j列)的电流大小，再通过第二数据采集设备同步采集阴极侧金电极a
ij
与阳极侧金电极a
ij’之间的电压u
ij
，即得到对应位置(第i行第j列)的电压大小，测量装置上金电极阵列式排布，将整节单池在平面内进行微分切割成不同区域。在电池运行过程中，改变阴阳极的流量，控制负载恒流拉载从0a逐步增大，同时采集各个区域的电流电压值，即可得到各个位置的极化曲线。
31.在本发明实施例中，参考图1所示，基板包括第一绝缘层15和依次设置在第一绝缘层15上的第二绝缘层16和第三绝缘层17；导电结构包括第一导电层和第二导电层20；第一导电层位于第一绝缘层15和第二绝缘层16之间；第二导电层20位于第二绝缘层16和第三绝缘层17之间；分流电阻14设置在第一导电层和第二绝缘层16之间；第一导电层包括分离的第一导电部18和第二导电部19，第一导电部18和第二导电部19分别与分流电阻14电连接；第一电极12设置在第一绝缘层15远离第一导电层的表面上，第二电极13设置在第三绝缘层17远离第二导电层20的表面上；导电结构还包括设置在第一绝缘层15上的第一导电通孔21、设置在第三绝缘层17上的第二导电通孔22、以及设置在第二绝缘层16上的第三导电通孔23；第一导电通孔21用于将第一电极12与第一导电部18电连接；第二导电通孔22用于将第二电极13与第二导电层20电连接；第三导电通孔23用于将第二导电层20与第二导电部19电连接。
32.在实际应用中，第一绝缘层15上、第二绝缘层16和第三绝缘层17可以为绝缘板材；第一导电部18、第二导电部19和第二导电层20的材质可以为铜；基板还可以包括板材支撑层，板材支撑层上设置有通槽，分流电阻14放置在该通槽内，该通槽可以起到支撑分流电阻14两侧结构的目的。
33.图4为本发明测量系统测试的高温甲醇燃料电池在工作电流为32a时的不同部位极化曲线分布情况，被测燃料电池的反应面积为160cm2，平均电流密度为200ma/cm2，采用n等于180的测量装置，分割成180个测量区域进行极化曲线的测量，由图4可看出，整个电池
平面上各个区域的极化曲线存在差异性，阴阳极进口处至出口处，极化曲线斜率逐渐增大，这是由于阴极氧气随流场消耗导致浓度逐渐减少，产水增加，氧气传输受阻，传质极化增加，导致极化曲线衰减加快。
34.本发明另一实施例提供一种应用于上述任一种所述的燃料电池极化曲线的测量系统的测量方法，如图5所示，所述方法包括：
35.步骤51、将第一测量装置和第二测量装置的基板分别插入燃料电池堆中待测单电池两端，以使第一测量装置的第二电极13与待测单电池的阴极接触，第一电极12与前一单电池的阳极接触；并使第二测量装置的第一电极12与待测单电池的阳极接触，第二电极13与后一单电池的阴极接触；
36.步骤52、利用第一数据采集装置24采集第一测量装置的第一电极12和第二电极13之间的电压，并将该电压记为电阻电压；
37.步骤53、利用第二数据采集装置25采集第一测量装置的第二电极13和第二测量装置的第一电极12之间的电压，并将该电压记为测量电压；
38.步骤54、根据电阻电压和分流电阻14，计算流经待测单电池中与测量单元11位置对应的区域的测量电流；并根据测量电流和测量电压，获取待测单电池不同区域的极化曲线。
39.进一步的，根据电阻电压和分流电阻14，计算流经待测单电池中与测量单元11位置对应的区域的测量电流，具体为：
40.根据公式i
ij
＝δu
ij
/r，得到测量电流；
41.其中，δu
ij
为第一测量装置的基板上第i行第j列测量单元11中的分流电阻14两端电压差；r为分流电阻14的阻值；i
ij
为流经待测单电池中与第i行第j列测量单元11位置对应的区域的测量电流。
42.上述测量方法中各步骤的具体描述可以参考测量系统中对每个装置的描述，在此不再赘述，上述测量方法可以实现与测量系统侧同样的功能。
43.以上所述，仅是本技术的几个实施例，并非对本技术做任何形式的限制，虽然本技术以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本技术，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本技术技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。