[发明专利]具备反应分布监测功能的燃料电池堆及燃料电池堆系统

说明书

本发明提供了一种具备反应分布监测功能的燃料电池堆及燃料电池堆系统，其中，燃料电池堆，包括依次设置的第一绝缘板、第一集流板、多节电池、第二集流板以及第二绝缘板，第一集流板装配在第一绝缘板上，第二集流板装配在第二绝缘板上，其中，第一集流板和/或第二集流板包括间隔设置的多个子集流板组，多个子集流板组由上至下布置，每个子集流板组包括左右间隔设置的两个子集流板，每个子集流板能够收集每节电池与该子集流板对应区域的电流。本申请的技术方案有效解决了现有技术中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，判断过程中无法获悉电堆内部具体性能分布的问题。

技术领域

本发明涉及电池领域，具体而言，涉及一种具备反应分布监测功能的燃料电池堆及具有其的燃料电池堆系统。

背景技术

在现有技术中，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，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，为燃料电池堆结构，由双极板B和膜电极20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，C1为阴极集流板(电池正极)，C2为阳极集流板(电池负极)。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。

在现有技术中，一般采用石墨雕刻加工的双极板，如图2所示，雕刻加工的石墨双极板截面结构图，其中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。

对于现有燃料电池堆的设计与操作，如图4所示，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，从而无法提出准确、高效的反馈控制策略。例如，当电堆电压或节电池电压下降，可能存在多种原因，比如：第一，电堆内部湿度过高，造成液态水堆积，阻碍反应气体传质，即水淹；第二，电堆内部过度干燥，造成膜内阻偏大，降低电压性能；第三，阴极或阳极的反应气体流量不足，造成反应物缺乏，降低电压性能。