專利名稱：燃料電池內(nèi)部電流密度分布測量墊片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于燃料電池內(nèi)部電流密度分布測量裝置，涉及燃料電池電流密度分布的測量，是質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部電流密度分布的測量，特別涉及一種電流分布測量墊片。
現(xiàn)有技術(shù)現(xiàn)有的電流密度分布測試技術(shù)都需要對質(zhì)子交換膜燃料電池本身結(jié)構(gòu)(主要是電極)的改變。因此需要介紹質(zhì)子交換膜燃料電池的組成結(jié)構(gòu)陰極流場板、陽極流場板、墊片和MEA膜。其中在陰極流場板和陽極流場板上刻有流場(是指在兩個流場板上刻有通氣槽，在槽和槽間形成筋)。MEA膜包含一層質(zhì)子交換膜、兩層催化劑層和兩層擴散層(碳紙或碳布制成)。質(zhì)子交換膜燃料電池的性能與其內(nèi)部水分的含量、電池溫度和反應(yīng)氣體含量息息相關(guān)。測量其內(nèi)部電流密度的分布可以預(yù)測電池膜脫水、電極淹沒和反應(yīng)氣體的分布。
國際上對質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)電流密度分布的測量有如下幾種技術(shù)Wieser等人發(fā)明了一種磁環(huán)組方法來測量質(zhì)子交換膜燃料電池電流密度分布(Ch.Wieser，A.Helmbold and E.GuèLzow，A new technique fortwo-dimensional current distribution measurements in electrochemical cells，Journal of Applied Electrochemistry 30(2000)803-807)，這種技術(shù)通過電流在自身周圍產(chǎn)生磁場效應(yīng)來間接測量電流密度的大小。此技術(shù)是將質(zhì)子交換膜燃料電池原本為一個整體的流場板被改造為三層結(jié)構(gòu)最下面一層是一整塊流場板，起到電流收集的作用；最上面一層是開有流道的流場板，流場板被分割成幾塊相互絕緣的小流場板，每個小流場下面有一個突出的圓柱軸，圓柱軸底部與最下層的流場板相接觸起到傳導(dǎo)電流的作用；中間一層就是一組電流測試傳感器，每個電流測試傳感器由一個開口的環(huán)形軟磁鐵氧體和一個置于開口處的霍爾傳感器組成，環(huán)形的電流測試傳感器就套在小流場板突出的圓柱軸上，留下的空隙部分就用絕緣材料澆注填充以起到密封和絕緣作用。質(zhì)子交換膜燃料電池的其他部件組裝與普通的類似，當燃料電池運行對外供電時，就有電流通過分割的小流場板流過圓柱軸到達流場板進入外電路，而當電流通過小流場板的下端圓柱軸時，在圓柱軸周圍就會產(chǎn)生磁場，某個位置的磁場強度與電流值成正比，與距離軸中心的半徑成反比；對于位置確定的置于環(huán)形軟磁體開口處的霍爾傳感器來說，其距離軸中心的半徑一定，因此此處的磁場強度就與通過圓柱軸的電流成正比一一對應(yīng)的關(guān)系，而霍爾傳感器能把磁場強度轉(zhuǎn)化為電壓信號，通過電壓值就能反算出通過圓柱軸的電流值，即通過分割的小流場板的電流大??；通過測量不同位置上的電流傳感器輸出的電壓信號，就能得出在不同分割流場板上的電流大小，即可以認為得到了質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部的電流分布。
利用磁環(huán)組法技術(shù)可以測量電流在質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部不同位置的分布，但該方法相當復(fù)雜，使用不方便，加工難度很大，而且制作成本高。同時這種技術(shù)需要改變質(zhì)子交換膜燃料電池原來的結(jié)構(gòu)。此外該技術(shù)的空間分辨率較低。
Cleghorn等人發(fā)明了一種印刷電路板方法來測量質(zhì)子交換膜燃料電池的電流密度分布(S.J.C.Cleghorn，C.R.Derouin，M.S.Wilson，S.Gottesfeld，Aprinted circuit board approach to measuring current distribution in a fuel cell，Journal of Applied Electrochemistry 28(1998)663-672)。這種技術(shù)是把陽極流場板、陽極擴散層和陽極催化劑層均進行分割，然后測試各個分割塊上的電流大小。首先在印刷電路板上制備所需數(shù)目和尺寸的彼此絕緣的薄銅塊，在銅塊上鍍金，然后在銅塊的表面加工氣體流道；在每個銅塊的下表面的印刷電路板上有和銅塊相連的兩根導(dǎo)線，分別用來導(dǎo)出電壓信號和電流信號，這個部分一起構(gòu)成分割的流場板/流場板。第二個部分是擴散層(碳紙)的分割，在絕緣硅密封墊片上切割出與分割流場數(shù)量和尺寸相當?shù)目崭?，在每個格里裝入碳紙，與分割的流場板/流場板一一對應(yīng)，從而構(gòu)成擴散層的分割。第三部分是陽極催化劑層的分割，先用蝕刻法把制得的陽極催化劑層分割成與分割流場數(shù)量和尺寸相對應(yīng)的相互絕緣的部分；再通過熱壓的方法與質(zhì)子交換膜和陰極催化劑層一起制備成膜電極(MEA)。把分割的陽極流場板、分割的陽極擴散層、分割陽極催化劑層的膜電極與未分割的陰極擴散層、催化劑層一起組裝成一個單電池，通過相應(yīng)的測試設(shè)備就可以測試出在不同分割塊上的電流大小。
Cleghorn等人開發(fā)的這種技術(shù)也存在一些不足制備工藝太復(fù)雜，把銅塊固定在印刷電路板基板上，然后在銅塊上加工流場難度很大，需要有特殊的精密加工設(shè)備才行；對陽極催化劑層的分割也比較復(fù)雜，而且先分割催化劑層再將其熱壓很可能會導(dǎo)致分割情況下的性能，如氣體的擴散等與未分割的情況有所不同。此外技方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用不方便，制作成本高，需要改變質(zhì)子交換膜燃料電池原來的結(jié)構(gòu)。
Zhixiang Liu等人使用了子電池法測量質(zhì)子交換膜燃料電池的電流密度分布(Zhixiang Liu，Zongqiang Mao，Bing Wu，Lisheng Wang，Volkmar M.Schmidt，Current density distribution in PEFC，Journal of Power Sources，141(2005)205-210)。這種技術(shù)使用了一塊20mm厚銅板作為底板，在銅板一定位置上鉆了12個一定尺寸的圓形通孔，然后把相應(yīng)的銅圓銷填充到臺階孔中，并利用絕緣墊片使銅圓銷和銅底板之間保持絕緣。將填上銅圓銷的銅底板表面磨平，然后在其表面上加工氣體流道，這樣就制成了利用子電池法的陽極流場板。接著在鍍有催化劑的陽極碳紙上裁出12個與銅圓銷相對應(yīng)的圓片，作為子電池的陽極擴散層和催化劑層，再把裁下來的圓片稍微裁小一些，然后把圓片放回其在陽極碳紙上原來的位置，最后與質(zhì)子交換膜和鍍有催化劑的陰極碳紙熱壓在一起，制成陽極側(cè)被分割為子電池的MEA。把MEA與具有子電池分割的陽極流場板和未分割的陰極流場板一起組裝成單電池，即可進行電流密度分布的相關(guān)測試。
這種技術(shù)的缺點是制作工藝復(fù)雜；加工難度大；制作成本高；使用不方便；測量裝置不能獨立于原來的質(zhì)子交換膜燃料電池。
Noponen等人采用了分割流道法來研究電流密度的分布情況(MattiNoponen，Tuomas Mennola，Mikko Mikkola，Tero Hottinen，Peter Lund，Measurement of current distribution in a free-breathing PEMFC Journal of PowerSources 106(2002)304-312)。這種技術(shù)是采用PVC塑料作為流場基板，在PVC塑料表面上刻出12條溝槽，在每條槽里插入4根長12mm、寬和厚都為1mm的鍍金不銹鋼條收集電流，每個槽里首尾相連的兩根集電不銹鋼條間相距0.7mm，起到相互絕緣作用，相鄰溝槽的間距為3mm，形成流道，因此相鄰溝槽的集電不銹鋼條也是絕緣的。在每根集電不銹鋼條的背面都連有導(dǎo)線以導(dǎo)出電流，并通過PVC刻槽內(nèi)的孔接出；每根集電不銹鋼條背部還各有兩個高度調(diào)節(jié)螺釘以調(diào)節(jié)集電不銹鋼條的高度使被分割的集電條保持平整。這樣就形成了流道分割的流場板，為了防止PVC塑料在燃料電池組裝時發(fā)生變形，還采用了鋁板對其進行加固。
采用分割流道法技術(shù)測量電流密度的分布，也有其缺點加工難度大；使用復(fù)雜，不方便；流道間相互串氣；不能獨立于質(zhì)子交換膜燃料電池本體。
從上述可以看出，這些質(zhì)子交換膜燃料電池電流密度分布測量方法的缺點有1)制作成本高，加工難度大；2)對質(zhì)子交換膜燃料電池的電極進行改造；3)為測量電流分布專門制造一種特殊的質(zhì)子交換膜燃料電池；4)使用不方便；5)測量部件不是一個獨立于質(zhì)子交換膜燃料電池的裝置；6)測量出來的電流密度分布不能和同類型的普通質(zhì)子交換膜燃料電池的電流密度分布做比較。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種燃料電池內(nèi)部電流密度分布測量墊片，它是一種結(jié)構(gòu)簡單、低成本、易加工、使用方便、無需對質(zhì)子交換膜燃料電池原來結(jié)構(gòu)進行任何改造的電流密度分布測量裝置。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的燃料電池內(nèi)部電流密度分布測量墊片，包括基片，基片上設(shè)置有若干個漏縫，相鄰的漏縫之間設(shè)置有筋，筋的整個面上鍍有鍍銅層，鍍銅層延伸至基片的邊緣，鍍銅層上再鍍上鍍金層，鍍層的末端均設(shè)置有接線端子。
基片上所設(shè)置漏縫和筋與待測的質(zhì)子交換膜燃料電池的流場板上的槽和筋的幾何尺寸、幾何形狀相同，位置相對應(yīng)。
基片是一種絕緣薄片，基片的厚度為0.1-0.5mm。
有鍍銅層的厚度10-40μm，鍍金層的厚度是1-10μm。
本發(fā)明由于使用一個絕緣的基片，基片將原本相連的流場板和MEA膜隔離，使二者絕緣。
在基片上設(shè)置有和質(zhì)子交換膜燃料電池流場板上流場一樣的漏縫和筋，由于漏縫的寬度和長度與流場板上槽的寬度和長度一樣，基片安裝好后，漏縫和槽對應(yīng)，反應(yīng)氣體可以通過漏縫向MEA膜內(nèi)擴散。節(jié)省了在分割的小流場板上加工流場。
在基片的筋上有鍍銅層和鍍金層，鍍層替代流場板上的筋收集電流。避免了現(xiàn)有技術(shù)將質(zhì)子交換膜燃料電池流場板分成許多小塊、或分割流場板上的流場、或在流場板上設(shè)置子電池等復(fù)雜工藝和高昂的成本。
在鍍層的末端設(shè)置有接線端子，通過接線端子將該鍍層收集到的電流導(dǎo)向外電路。避免了現(xiàn)有技術(shù)的在質(zhì)子交換膜燃料電池流場板上開許多小孔來導(dǎo)出電流。
采用本發(fā)明的電流密度分布測量技術(shù)測量質(zhì)子交換膜燃料電池的電流分布可以使測量電流密度分布的裝置獨立于被測量的質(zhì)子交換膜燃料電池；本發(fā)明的燃料電池內(nèi)部電流密度分布測量墊片結(jié)構(gòu)十分簡單，大大降低加工難度和加工成本；同時也使電流密度分布測量變得十分方便。


圖1是燃料電池內(nèi)部電流密度分布測量墊片示意主視圖；圖2是燃料電池內(nèi)部電流密度分布測量墊片截面圖；圖3是燃料電池內(nèi)部電流密度分布測量墊片和燃料電池裝配圖；圖4是局部性能特性曲線，其中，橫坐標表示電流，縱坐標表示電壓；圖5是不同電壓下各局部區(qū)域電流密度分布；其中，橫坐標表示局部區(qū)域編號，縱坐標表示電流；圖6是電壓為0.3V時，不同加濕溫度下各局部區(qū)域電流密度分布，其中，橫坐標表示局部區(qū)域編號，縱坐標表示電流。
具體實施例方式
附圖是本發(fā)明的具體實施例；下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的內(nèi)容作進一步詳細說明參照圖1、圖2所示，本發(fā)明包括基片1，在基片1上設(shè)置有若干個漏縫5，在相鄰的漏縫5之間設(shè)置有筋2，在筋2的整個面上鍍有鍍銅層3，鍍銅層3延伸至基片1的邊緣，同時在鍍銅層3的整個面上再鍍上鍍金層4，在鍍層的末端均設(shè)置有接線端子6。
基片1是一種絕緣薄片，由玻璃氈(芯)-玻璃布(面)-環(huán)氧樹脂或玻璃纖維(芯)-玻璃布(面)-聚酯樹脂制成。在基片上加工了蛇形的漏縫5，漏縫5的位置和形狀與電極流場板上槽的位置和形狀相同，漏縫5的寬度和質(zhì)子交換膜燃料電池流場板上槽的寬度一樣。在相鄰的漏縫5之間有筋2，筋2的寬度和長度與質(zhì)子交換膜燃料電池流場板上筋的寬度和長度一致。鍍金層長度和鍍銅層一樣。鍍銅層3的厚度10-40μm，鍍金層4的厚度是1-10μm。在鍍銅層3和鍍金層4的末端，即基片1的邊緣加工有接線端子6。
參照圖3所示，燃料電池內(nèi)部電流密度分布測量墊片夾裝在質(zhì)子交換膜燃料電池流場板7和MEA膜之間，燃料電池內(nèi)部電流密度分布測量墊片的筋2和流場板7上的筋8完全重合，燃料電池內(nèi)部電流密度分布測量墊片上的鍍銅層3和鍍金層4面向MEA膜的氣體擴散層9。10是催化劑層，11是質(zhì)子交換膜，12是質(zhì)子交換膜燃料電池的另外一個電極。13是流場板上的氣體通道，即槽。
電流密度分布測量實施中質(zhì)子交換膜燃料電池的基本參數(shù)見表一。
表一 質(zhì)子交換膜燃料電池的基本參數(shù)

由于燃料電池內(nèi)部電流密度分布測量墊片上的筋2和漏縫5與流場板7上的槽13和筋8的尺寸和位置一樣，因此按照表一的參數(shù)可知，質(zhì)子交換膜燃料電池被電流密度分布測量墊片分為和筋一樣多數(shù)目的區(qū)域，每個區(qū)域上的電流由對應(yīng)的燃料電池內(nèi)部電流密度分布測量墊片上筋表面的鍍金層4和鍍銅層3收集，并通過各條鍍金層4和鍍銅層3末端的接線端子6輸出到多通道恒電流/恒電壓測試儀上，由控制計算機收集和儲存測量數(shù)據(jù)。得到每個局部區(qū)域上的伏安特性曲線。由于很難在同一個圖上將所有特性曲線表達出來，因此在描述伏安曲線時，圖上只選用一些代表性區(qū)域上伏安曲線。燃料電池局部區(qū)域1對應(yīng)反應(yīng)氣體的入口，本實施例中最大編號對應(yīng)反應(yīng)氣體出口。
沒有安裝燃料電池內(nèi)部電流密度分布測量墊片的燃料電池工作時，在MEA膜上生成的電流由流場板上的筋來收集，然后經(jīng)過流場板向外電路輸送。在某一流場板和MEA膜之間夾裝燃料電池內(nèi)部電流密度分布測量墊片后，基片1將MEA膜和流場板隔離，基片1的筋2上和MEA膜接觸的鍍金層4和鍍銅層3取代流場板上的筋8，收集電流。由于燃料電池內(nèi)部電流密度分布測量墊片上任意兩條筋2上的鍍金層4和鍍銅層3都是絕緣的，每個鍍層上收集到的電流通過接線端子6和多通道恒電流/恒電壓測試儀相連，形成一個小的局部電流回路。
參照圖4所示，是質(zhì)子交換膜燃料電池的局部性能特性曲線。實驗的已知條件是陽極氫氣的加濕溫度是323.15K，陰極空氣的加濕溫度為323.15K，燃料電池的加熱溫度為343.15K，電池的背壓為0.1MPa，氫氣流量為150sccm，空氣的流量為200sccm。圖中顯示從反應(yīng)氣體入口到出口，質(zhì)子交換膜燃料電池的局部性能逐步變好，在第14個區(qū)域最好，隨后開始下降。
參照圖5所示，是質(zhì)子交換膜燃料電池在不同電壓下局部電流密度分布，實驗條件和圖4一樣。圖中可以看出，從第1個區(qū)域到第23個區(qū)域，局部電流由小到大，然后由大變小；在中間局部區(qū)域出現(xiàn)了一個電流峰值；隨著電壓的變小，電流峰值有向反應(yīng)氣體出口方向移動的趨勢。
參照圖6所示，是不同加濕溫度條件下，當電壓為0.3V時，質(zhì)子交換膜燃料電池局部電流密度的分布。實驗已知條件是電池的陰極和陽極的加濕溫度相同，電池的加熱溫度為343.15K，電池兩個電極的的背壓均為0.1MPa，氫氣的流量為150sccm，空氣的流量為sccm，電池的電壓0.3V。圖中顯示，當陽極和陰極的加濕溫度為313.15K時，在反應(yīng)氣體出口處電流最大；當陽極和陰極加濕溫度為353.15K時，在反應(yīng)氣體入口處的電流最大；隨著陽極和陰極的加濕溫度升高，電流分布峰值從反應(yīng)氣體出口處向入口處移動。
試驗時將燃料電池內(nèi)部電流密度分布測量墊片夾裝在質(zhì)子交換膜燃料電池任意一個電極的流場板7和MEA之間，鍍金面4向著MEA膜，基片1的背面(既絕緣面)向著流場板。夾裝燃料電池內(nèi)部電流密度分布測量墊片前的質(zhì)子交換膜燃料電池由石墨流場板上的筋來收集電流，通過石墨板和終端金屬夾板輸出。夾裝燃料電池內(nèi)部電流密度分布測量墊片后，質(zhì)子交換膜燃料電池中的電流由燃料電池內(nèi)部電流密度分布測量墊片上的鍍銅層3和鍍金層4來收集，并通過接線端子6輸出。
本發(fā)明是通過在燃料電池質(zhì)子交換膜任意一個流場板7和MEA膜之間夾裝一塊薄薄的燃料電池內(nèi)部電流密度分布測量墊片來測量電流分布。這種測量技術(shù)使電流密度分布測量裝置和質(zhì)子交換膜燃料電池完全脫離開來，無需對原來的質(zhì)子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)做任何改動；因而使用十分方便；而且這種燃料電池內(nèi)部電流密度分布測量墊片結(jié)構(gòu)簡單、加工容易、制作成本很低。
權(quán)利要求
1.燃料電池內(nèi)部電流密度分布測量墊片，包括基片(1)，其特征在于，基片(1)上設(shè)置有若干個漏縫(5)，相鄰的漏縫(5)之間設(shè)置有筋(2)，筋(2)的整個面上鍍有鍍銅層(3)，鍍銅層(3)延伸至基片(1)的邊緣，鍍銅層(3)的整個面上再鍍上鍍金層(4)，鍍銅層(3)和鍍金層(4)的末端均設(shè)置有接線端子(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部電流密度分布測量墊片，其特征在于，基片(1)上所設(shè)置漏縫(5)和筋(2)與待測的質(zhì)子交換膜燃料電池的流場板(7)上的槽(13)和筋(8)的幾何尺寸、幾何形狀相同，位置相對應(yīng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部電流密度分布測量墊片，其特征在于，基片(1)是一種絕緣薄片，基片(1)的厚度為0.1-0.5mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部電流密度分布測量墊片，其特征在于，鍍銅層(3)的厚度為10-40μm，鍍金層(4)的厚度為1-10μm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種燃料電池內(nèi)部電流密度分布測量墊片，是質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部電流密度分布的測量裝置，它包括基片，在基片上設(shè)置有若干個漏縫，相鄰的漏縫之間設(shè)置有筋，筋的整個面上鍍有鍍銅層，鍍銅層延伸至基片的邊緣，鍍銅層上再鍍上鍍金層，鍍層的末端均設(shè)置有接線端子。基片上所設(shè)置漏縫和筋與待測的質(zhì)子交換膜燃料電池的流場板上的槽和筋的幾何尺寸、幾何形狀相同，位置相對應(yīng)?；且环N絕緣薄片，基片的厚度為0.1－0.5mm。鍍銅層的厚度10－40μm，鍍金層的厚度是1－10μm。本發(fā)明的燃料電池內(nèi)部電流密度分布測量墊片完全獨立于被測量對象，結(jié)構(gòu)十分簡單，加工容易，成本低，使操作十分方便。
文檔編號G01R19/08GK1664603SQ20051004187
公開日2005年9月7日 申請日期2005年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月28日
發(fā)明者郭烈錦, 孫紅, 劉洪潭, 張廣升 申請人:西安交通大學(xué)