燃料电池多点分析方法与流程

本申请涉及电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池多点分析方法。

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50％以上。

大功率燃料电池电堆由多个大面积燃料电池单体串联而成。这种电池单体由双极板与膜电极依次叠合而成。在实际运行之中，各个单体的内部状态分布是不一样的，这导致了燃料电池每一个单体的内部电流密度的分布是不一样的。但是由于是串联工作，每一个单体的性能下降，都会限制整个电堆的工作状态。由于电池单体多块串联叠放，燃料电池内部状态被隐蔽。在不破坏燃料电池结构的情况下，无法检测每个单体的性能状况。

技术实现要素：

基于此，有必要针对由于电池单体叠放，燃料电池内部状态被隐蔽，无法检测每个单体的性能状况的问题，提供一种燃料电池多点分析方法。

一种燃料电池多点分析方法，所述电堆包括与燃料电池正极连接的第一单体和与所述第一单体串联的多个第二单体，所述单体包括相邻双极板，所述双极板的表面设置流道，其特征在于，所述方法包括：

s100，在与所述第一单体阴极间隔设置多个气体采样点，通过所述气体采样点获取所述第一单体阴极的不同组分的气体含量，通过所述气体采样点将所述第一单体阴极所在的双极板分为多个第一区域，基于所述气体含量，得到所述多个第一区域的基础电流密度，所述基础电流密度的方向为所述电堆内部的负极指向正极；

s200，将每个所述第二单体的阴极所在的所述双极板划分为与所述第一区域对应设置的多个第二区域，获取每个所述第二区域沿着流道方向的两端的电势，基于所述电势和所述第二区域的内阻计算每个所述第二区域的沿着流道方向的横向电流密度；

s300，根据所述基础电流密度和所述横向电流密度，通过电流密度公式，计算所述第二单体在每个所述第二区域的电流密度。

在一个实施例中，在所述步骤s100之前，所述方法还包括：

s010，获取所述燃料电池空气进口处的空气总流量和所述第一区域的面积。

在一个实施例中，在所述步骤s100中，所述不同组分的气体含量包括氧气体积百分比和氮气体积百分比。

在一个实施例中，在所述步骤s100中，基于所述气体含量，得到所述多个第一区域的指向基础电流密度包括：

s110，基于所述氧气体积百分比、所述氮气体积百分比和所述空气总流量，通过氧气流量公式，计算得到所述多个采样点处的所述氧气流量；

s120，基于所述氧气流量和所述面积，通过基础电流密度公式，计算得到所述多个第一区域的基础电流密度。

在一个实施例中，在所述步骤s200中，获取每个所述第二区域沿着流道方向的两端的电势包括：

s210，定义连接所述燃料电池负极侧的所述双极板阳极的电势为基础电势；

s220，获取每个所述第二单体沿流道方向，所述第二区域对应位置的电压；

s230，基于所述电压，通过电势公式，计算得到每个所述第二区域两端沿着流道方向的电势。

在一个实施例中，在所述步骤s200中，基于所述电势和所述第二区域的内阻计算每个所述第二区域的沿着流道方向的横向电流密度包括：

s240，获取所述第二区域的高度、所述双极板的厚度和导电率；

s250，基于所述第二区域的高度、所述双极板的厚度和导电率，通过内阻公式，计算得到所述第二区域的内阻；

s260，基于所述电势和所述第二区域的内阻，通过电流密度差公式，计算每个所述第二区域的沿着流道方向的横向电流密度。

在一个实施例中，在步骤s110中，所述氧气流量公式为：

其中，表示第j采样点的所述氧气流量，表示第j采样点的所述氧气体积百分比，表示第j采样点的所述氮气体积百分比，fa表示所述燃料电池空气进口处的空气总流量，表示空气中的氮气百分比。

在一个实施例中，在步骤s120中，所述基础电流密度公式为：

定义连接所述燃料电池负极侧的所述双极板为第n所述双极板，i为所述采样点j与所述采样点j+1之间的所述第一区域，其中，cn(i)表示所述双极板n在第i区域的所述基础电流密度，单位为a/cm²，表示氧气的摩尔质量，f表示法拉第常数，si表示所述第一区域i的所述面积。

在一个实施例中，在步骤s230中，所述电势公式为：

定义靠近所述燃料电池负极侧的所述双极板为第1所述双极板200，所述单体n-1与所述单体n共用所述双极板n，k表示任意所述单体，i′表示第n个所述双极板(200)上与所述第一区域对应设置的所述第二区域，vcell(k),j表示每个所述第二单体k在沿流道方向，所述第二区域i′对应位置的电压，un,j表示第n个所述双极板与所述采样点j对应位置的电势；

在步骤s250中，所述内阻公式为：

rn(i′)表示所述第二区域i′的内阻，h表示所述第二区域i′的高度，σ表示导电率，δ表示所述区域i′的厚度，l表示所述第二区域i′的长度；

在步骤s260中，所述电流密度差公式为：

表示第n个所述双极板上所述第二区域i′的横向电流密度，un,j+1表示第n个所述双极板与所述采样点j+1对应位置的电势，si′表示所述第二区域i′的所述面积。

在一个实施例中，在步骤s300中，所述电流密度公式为：

其中，cn(i′)为所述单体n在所述第二区域i′的所述电流密度。

本申请提供的所述燃料电池多点分析方法，通过气体采样的方法，获取与燃料电池正极连接的所述第一单体的所述基础电流密度。再通过获取第二单体的电势，可以得到所述第二单体的阴极所在的所述双极板的横向电流密度。最后根据所述基础电流密度和所述横向电流密度，计算所述第二单体在每个所述第二区域的电流密度。通过所述燃料电池多点分析方法，可以在不破坏所述燃料电池内部结构的情况下，得到每个所述单体的电流密度分布状况。通过每个所述单体的电流密度分布状况，判断所述单体的性能状况。所述燃料电池多点分析方法有助于提高所述电堆的设计评价的准确性，进而促进燃料电池结构优化。

附图说明

图1为本申请一个实施例中提供的电堆的结构示意图；

图2为本申请一个实施例中提供的燃料电池多点分析方法的流程图；

图3为本申请一个实施例中燃料电池多点分析方法所述涉及装置的结构示意图；

图4为本申请一个实施例中提供的第一单体的采样点布置示意图；

图5为本申请一个实施例中提供的燃料电池多点分析方法所涉及参数的计算流程图；

图6为本申请一个实施例中提供的基础电流密度计算流程图；

图7为本申请一个实施例中提供的第二区域两端电势计算流程图；

图8为本申请一个实施例中提供的第二单体的结构示意图。

附图标号：

燃料电池多点分析方法10

电堆100

正极101

负极102

第一单体110

第二单体120

双极板200

采样口201

阴极进口202

阴极出口203

基础电流密度测量装置20

毛细管210

多通阀220

三通阀230

第一端231

第二端232

第三段233

标准气240

质谱仪250

电压采样装置300

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

常见的质子交换膜燃料电池单体结构中采用能够传递质子的固体高分子膜作为电解质，阴极和阳极的催化剂层将电解质夹在中间。催化剂层和膜共称为膜电极(membraneelectrodeassembly，mea)。阴极的氧气和阳极的氢气分别通过多孔介质气体扩散层(gasdiffusionlayer，gdl)扩散到膜电极分别发生氧化反应(h2—2h⁺+e^-)和还原反应(o2+4h⁺+4e^-—2h2o)。质子通过质子交换膜从阳极传递到阴极，电子通过外接负载从阳极传递到阴极。由于单片燃料电池的电压常常小于1v，正常运行状况下电压大约为0.6-0.7v。在实际运用时往往要将多片燃料电池单体串联层叠起来组成燃料电池电堆100。

大功率所述燃料电池电堆100由多个大面积燃料电池单体串联而成。这种电池单体由双极板200与膜电极依次叠合而成。在实际运行之中，各个单体的内部状态分布是不一样的，这导致了燃料电池每一个所述单体的内部电流密度的分布是不一样的。但是由于是串联工作，每一个单体的性能下降，都会限制整个所述电堆100的工作状态。由于电池单体多块串联叠放，隐蔽设置于燃料电池内部。在不破坏燃料电池结构的情况下，无法检测每个所述单体的性能状况。

请参见图1和图2，本申请实施例提供的燃料电池多点分析方法，所述电堆100包括与燃料电池正极101连接的第一单体110和与所述第一单体110串联的多个第二单体120，所述单体包括相邻双极板200，所述双极板200的表面设置流道，其特征在于，所述方法包括：

s100，在与所述第一单体110阴极间隔设置多个气体采样点，通过所述气体采样点获取所述第一单体110阴极的不同组分的气体含量，通过所述气体采样点将所述第一单体110划阴极所在的双极板200分为多个第一区域，基于所述气体含量，得到所述多个第一区域的基础电流密度，所述基础电流密度的方向为所述燃料电池电堆100内部的负极102指向正极101；

s200，将每个所述第二单体120的阴极所在的所述双极板200划分为与所述第一区域对应设置的多个第二区域，获取每个所述第二区域沿着流道方向的两端的电势，基于所述电势和所述第二区域的内阻计算每个所述第二区域的沿着流道方向的横向电流密度；

s300，根据所述基础电流密度和所述横向电流密度，通过电流密度公式，计算所述第二单体120在每个所述第二区域的电流密度。

本申请实施例提供的所述燃料电池多点分析方法，通过气体采样的方法，获取与燃料电池正极101连接的所述第一单体110的所述基础电流密度。再通过获取第二单体120的电势，可以得到所述第二单体120的阴极所在的所述双极板200的横向电流密度。最后根据所述基础电流密度和所述横向电流密度，计算所述第二单体120在每个所述第二区域的电流密度。通过所述燃料电池多点分析方法，可以在不破坏所述燃料电池内部结构的情况下，得到每个所述单体的电流密度分布状况。通过每个所述单体的电流密度分布状况，判断所述单体的性能状况。所述燃料电池多点分析方法有助于提高所述电堆100的设计评价的准确性，进而促进燃料电池结构优化。

请一并参见图3，本申请实施例提供一种燃料电池多点分析方法所涉及到的整体结构包括：燃料电池电堆100、基础电流密度测量装置20和电压采样装置300。

所述燃料电池电堆100包括与燃料电池正极101连接的所述第一单体110和与所述第一单体110串联的多个所述第二单体120。在与所述第一单体110阴极间隔设置多个气体采样点。在所述采样点开设采样口201。所述采样口201开设于所述双极板200的阴极进口202、阴极出口203和流道204。所述采样口210的开设位置可以依据待测点的位置而定。

在一个实施例中，所述单体n-1与所述单体n共用所述双极板200n，所述双极板200n-1的阳极、所述双极板200n的阴极和夹设于两个所述双极板200之间的膜电极共同构成所述单体n-1。基础电流密度的方向为所述双极板200n的阴极指向所述双极板200n-1的阳极的方向，即为所述燃料电池电堆100内部的负极102指向正极101的方向。

请一并参见图4，所述基础电流密度测量装置20包括：毛细管210、多通阀220、三通阀230、标准气240和质谱仪250。所述毛细管210的一端与所述采样口201连通，用于采集所述采样口201所在位置的不同组分的气体含量。通过所述采样口201将所述第一单体110阴极所在的双极板200分为多个第一区域。所述采样点j与j+1之间形成所述第一区域i。

所述多通阀220与多个所述毛细管210的另一端通过管道连接，用于选择性引出所述毛细管210中的气体。所述三通阀230的第一端231与所述多通阀220连接。所述三通阀230的第二端232与所述标准气240连接。所述三通阀230的第三端233与所述质谱仪250连接。经所述多通阀220引出的气体，与所述标准气240一同进入到所述质谱仪250，进行成分分析，得到所述采样口201所在所述采样点的不同组分的气体含量。

所述电压采样装置300通过电压采样点能够采集所述第二单体120沿流道方向不同位置的电压。所述电压采样点设置于每个所述第二单体120与所述气体采样点相应的位置。

在一个实施例中，所述电压采样装置300为电压巡检装置，所述电压巡检装置为多套。每套所述电压巡检装置包括与所述单体个数相同的电压采样端子组。所述电压采样端子组包括两个电压采样端子。所述两个电压采样端子分别与所述单体的阴极和阳极电连接，用于测量所述单体阴极和阳极之间的电压。

在步骤s100中，所述第一单体110阴极的所述双极板200开设直线型流道。空气由阴极入口进入流道，空气中的氧气参加还原反应，再由阴极出口流出。空气中的氧气沿流道方向逐渐被消耗。通过检测氧气的消耗量，可以计算得到还原反应中电子量。进而，得到多个所述第一区域的所述基础电流密度。沿所述流道方向上，空气中的氧气含量逐渐减少，反应的速率逐渐减小，所述第一区域的所述基础电流密度也随之减小。

在s200，所述单体n-1与所述单体n共用所述双极板200n，所述双极板200n-1的阳极、所述双极板200n的阴极和夹设于两个所述双极板200之间的膜电极共同构成所述单体n-1。每个所述第二单体120的阴极所在的所述双极板200与所述第一区域i对应设置多个第二区域i′。由于燃料电池每一个所述单体都是串联在一起工作，所述双极板200n附近的两个所述单体分别是所述单体n-1与所述单体n。因此所述双极板200n上所述第二区域i′的电流横向流动就是燃料电池所述单体n-1与所述单体n在所述第二区域i′上的电流密度差。所述双极板200n上所述第二区域i′的电流横向流动形成所述横向电流密度。

所述单体n的阴极所在所述双极板200n沿流道方向划分为多个所述第二区域i′。当所述单体n-1与所述单体n的沿阴极指向阳极的电流密度不同时，所述第二区域i′的两端的电势不同。所述电势不同，电子会由电势低的一侧流向电势高的一侧，形成电流。通过所述第二区域i′的两端的电势和所述第二区域i′的内阻，可知所述双极板200n的所述第二区域i′的横向电流密度，即所述燃料电池的所述单体n-1与所述单体n在所述第二区域i′的电流密度差。

s300，将所述第一区域i的所述基础电流密度和所述燃料电池的所述单体n-1与所述单体n在所述第二区域i′的电流密度差相减，得到所述单体n在所述第二区域i′的电流密度。由于，所述燃料电池的所述单体n-1与所述单体n在所述第二区域i′的电流密度差等于所述双极板200n的所述第二区域i′的横向电流密度。所以，将所述第一区域i的所述基础电流密度和所述燃料电池的所述单体n-1与所述单体n在所述第二区域i′的电流密度差相减，得到所述单体n在所述第二区域i′的电流密度。由此类推，分别计算所述单体n在不同所述第二区域的电流密度，可得到所述单体n的电流密度分布情况。

所述燃料电池电堆100的其他所述单体的电流密度分布也可由上述方法得到。通过所述燃料电池多点分析方法，可以在不破坏所述燃料电池内部结构的情况下，得到每个所述单体的电流密度分布状况。通过每个所述单体的电流密度分布状况，可以判断所述单体的性能状况。所述燃料电池多点分析方法有助于提高所述电堆100的设计评价的准确性，进而促进燃料电池结构优化。

请一并参见图5，在一个实施例中，在所述步骤s100之前，所述方法还包括：

s010，获取所述燃料电池空气进口处的空气总流量和所述第一区域的面积。

所述燃料电池空气进口处的空气总流量即为所述阴极入口处的空气流量。所述第一区域i的面积为沿流道方向所述双极板200的厚度与高度的乘积。

在一个实施例中，在所述步骤s100中，所述不同组分的气体含量包括氧气体积百分比和氮气体积百分比。

空气由所述阴极入口处进入。空气中氮气的体积分为约为78％，且氮气为惰性气体。对于所述燃料电池来说，由于水蒸气的比例是不确定的，直接按照体积百分比计算所述氧气含量，难以确定所述氧气的反应量。由于阴极流道里面的氮气是不参与反应，氮气的总量可以认为是不变的，氮气的总量作为参考值来计算氧气流量。

请一并参见图6，在一个实施例中，在所述步骤s100中，基于所述气体含量，得到所述多个第一区域的指向基础电流密度包括：

s110，基于所述氧气体积百分比、所述氮气体积百分比和所述空气总流量，通过氧气流量公式，计算得到所述多个采样点处的所述氧气流量；

s120，基于所述氧气流量和所述面积，通过基础电流密度公式，计算得到所述多个区域的所述基础电流密度。

在一个实施例中，获取所述采样点j与j+1的所述氧气体积百分比、所述氮气体积百分比和所述空气总流量，通过氧气流量公式，计算得到所述采样点j与j+1的所述氧气流量。基于所述采样点j与j+1的所述氧气流量和所述采样点j与j+1的之间形成所述第一区域i的所述面积，通过基础电流密度公式，计算得到所述第一区域i的基础电流密度。通过上述方法可以分别得到多个所述第一区域的基础电流密度，即所述第一单体110的电流密度分布。

请一并参见图7，在一个实施例中，在所述步骤s200中，获取每个所述第二区域沿着流道方向的两端的电势包括：

s210，定义连接所述燃料电池负极102侧的所述双极板200阳极的电势为0v；

s220，获取每个所述第二单体120沿流道方向，所述第二区域对应位置的电压；

s230，基于所述电压，通过电势公式，计算得到每个所述第二区域两端沿着流道方向的电势。

定义连接所述燃料电池负极101侧的所述双极板200阳极的电势为参考电势0v。通过所述电压采样装置300可以获取任意所述第二单体120的电压。由于所述第二单体120与连接所述燃料电池负极102侧的所述双极板200的相对位置不同，所述第二单体120的阴极的电势不同。将所述第二单体120的阴极所在所述双极板200与连接所述燃料电池负极102侧的所述双极板200之间的多组电压叠加，即可得到将所述第二单体120的阴极所在所述双极板200的电势。已知任意所述第二单体120的任意位置的电压通过所述电压采样装置300可就直接获得，则每个所述第二区域两端沿着流道方向的电势均可计算获得。

在一个实施例中，在所述步骤s200中，基于所述电势和所述第二区域的内阻计算每个所述第二区域的沿着流道方向的横向电流密度包括：

s240，获取所述第二区域的高度、所述双极板200的厚度和导电率；

s250，基于所述第二区域的高度、所述双极板200的厚度和导电率，通过内阻公式，计算得到所述第二区域的内阻；

s260，基于所述电势和所述第二区域的内阻，根据电流密度差公式，计算每个所述第二区域的沿着流道方向的横向电流密度。

定义连接所述燃料电池正极101侧的所述双极板200为第1个所述双极板200。定义连接所述燃料电池负极102侧的所述双极板200为第n个所述双极板200，即所述第一单体110的阴极102侧的所述双极板200为第n个所述双极板200。所述单体n-1与所述单体n共用第n个所述双极板200。通过所述步骤s200可以得到第n个所述双极板200上所述第二区域i′的横向电流密度。由于第n个所述双极板200上所述第二区域i′的横向电流密度，等于第n个所述双极板200所在所述单体n-1和所述单体n之间的电流密度差。故通过所述步骤s200可以得到所述单体n-1和所述单体n之间的电流密度差。所述单体n与所述第一单体110之间相隔n-n-1个所述单体。

在一个实施例中，在步骤s110中，所述氧气流量公式为：

其中，表示第j的采样点的所述氧气流量，表示第j采样点的所述氧气体积百分比，表示第j采样点的所述氮气体积百分比，fa表示所述燃料电池空气进口处的空气总流量，表示空气中的氮气百分比。

在一个实施例中，在步骤s120中，所述基础电流密度公式为：

定义连接所述燃料电池正极101侧的所述双极板200为第n个所述双极板200，i为所述采样点j与所述采样点j+1之间的所述第一区域，其中，cn(i)表示所述双极板200n在第i区域的所述基础电流密度，单位为a/cm²，表示氧气的摩尔质量，f表示法拉第常数，si表示所述第一区域i的所述面积。

请一并参见图8，在一个实施例中，在步骤s230中，所述电势公式为：

定义连接所述燃料电池负极102侧的所述双极板200为第1所述双极板200，所述单体n-1与所述单体n共用所述双极板200n，k表示任意所述单体，i′表示第n个所述双极板200上与所述第一区域i对应设置的所述第二区域，vcell(k),j表示每个所述第二单体120沿流道方向，所述第二区域i′对应位置的电压，un,j表示第n个所述双极板200与所述采样点j对应位置的电势；

在步骤s250中，所述内阻公式为：

rn(i′)表示所述第二区域i′的内阻，h表示所述第二区域i′的高度，σ表示导电率，δ表示所述区域i的厚度，l表示所述第二区域i′的长度；

在步骤s260中，所述电流密度差公式为：

表示第n个所述双极板200上所述第二区域i′的横向电流密度，即为第n个所述双极板200所在所述单体n-1和n之间的电流密度差，un,j+1表示第n个所述双极板200与所述采样点j+1对应位置的电势，si′表示所述第二区域i′的所述面积。

在一个实施例中，在步骤s300中，所述电流密度公式为：

其中cn(i′)为任意所述单体n在所述第二区域i′的所述电流密度。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。