一种流场板检测装置及方法与流程

1.本发明属于燃料电池和电解槽研发领域，具体涉及一种流场板检测装置及方法。


背景技术：

2.氢能的利用为碳中和目标的实现提供了一种切实可行的路径，其中氢能利用涉及的电解水制氢、氢燃料电池等技术的实现依赖于设备的优化，其对应的设备电解槽、燃料电池等氢能设备中均需要设计流场以促进气、液均匀分配传输。为了适应大功率的要求，电解槽和燃料电池都是由多块双极板(流场板)、扩散层、膜电极等堆叠而成，形成串联的多个电解池或燃料电池。然而，设备需要将很多块双极板 (流场板)进行产物和反应物的输配，其流场对于输配效果的均匀性至关重要，比如，燃料电池中阳极流场对氢气输配不均匀会导致电流、热量分布不均匀甚至反极工况，严重时会发生烧堆。电解槽的流场如果对流体输配不均匀也会造成局部温度过高，严重时膜电极烧穿，造成氢气、氧气混合，带来很大的安全隐患。但是，由于电解槽和电堆都是多个单池堆叠而成，无法通过常规手段进行原位表征流场对于流体输配效果，造成了设备研究如同一个黑箱，对流体的实际输配效果无法通过实验手段获得。目前，主要是通过cfd模拟的方式进行仿真计算，预估流场分配效果。但是仿真计算依赖于模型体系以及计算机资源，通常通过模型简化得到的计算结果对实际工况效果的预测有着较大的偏差，这种完全依赖仿真的手段对设备的不断优化有着明显的限制。随着流场越来越精细，仿真对计算机的要求越来越高，计算花费的时间也越来越长，其中求解失败的情况也时常发生。综上考虑，开发一种利用实验手段来评估流场分配效果的技术和设备对设备优化具有重要支撑作用。


技术实现要素：

3.本公开提出一种新型的，利用热成像技术，检测流场板对反应物分配效果的方法。
4.在一些方面，本公开提供一种流场板检测装置，包括：
5.气体可透过层(gas permeable layer)，所述气体可透过层用于层叠于待测流场板的表面，在气体可透过层与待测流场板之间形成流道场；
6.供气装置，所述供气装置用于向所述流道场提供第一气体；
7.催化剂，所述催化剂设置在所述气体可透过层的层内、层表面、和/ 或层附近，用于催化从所述气体可透过层背向待测流场板一侧渗出的第一气体与环境气氛中的第二气体发生吸热或放热反应；
8.热成像仪，所述热成像仪用于获取所述气体可透过层的热成像图像 (例如气体可透过层背向待测流场板一侧的热成像图像)。
9.在一些实施方案中，本公开使用透气率格利值(gurley值)作为评判气体可透过层透气性指标。
10.在一些实施方案中，透气率格利值的测量仪器利用纸和纸板的透气性
‑
格利试验机方法(jis p 8177：2009)测定。例如，透气率格利值被定义为100ml的空气通过642mm2的
气体可透过层所用的时间(秒)。
11.在一些实施方案中，所述气体可透过层的透气率格利值为100～1000 秒，例如100～200秒、200～300秒，300～400秒，400～500秒，500～600 秒，600～700秒，700～800秒，800～900秒，900～1000秒。在一些实施方案中，所述气体可透过层的透气率格利值为400～450秒，450～500秒， 500～550秒，550～600秒，600～650秒，650～700秒，700～750秒。在一些实施方案中，所述气体可透过层的透气率格利值为600～620秒，620～640 秒，640～660秒，660～680秒，680～700秒。在一些实施方案中，所述气体可透过层的透气率格利值为620秒。基于上述方案，单位时间气体透过气体可透过层的量是有利的，第一气体与第二气体发生反应的程度是有利于检测的，单位时间吸热和放热的量是有利于热成像仪成像的，热成像仪获取所述气体可透过层背向待测流场板一侧的热成像图像是能够清楚准确反应流场性能的。
12.在一些实施方案中，气体可透过层的材料可以选自聚合物材料、碳材料、陶瓷材料、金属材料、天然纤维或其组合。
13.在一些实施方案中，气体可透过层包括织物层，织物层可以采用织造或非织造的方法制备获得。
14.在一些实施方案中，所述气体可透过层包括多孔聚合物层。多孔聚合物层可以采用相分离法或拉伸致孔法制备获得。
15.在一些实施方案中，所述气体可透过层背向待测流场板一侧的至少部分表面与环境气氛接触。基于此，从气体可透过层背向待测流场板一侧渗出的第一气体与环境气氛中的第二气体发生吸热或放热反应。
16.在一些实施方案中，流场板检测装置，还包括：压装夹具，所述压装夹具用于压紧气体可透过层与待测流场板。基于此，在气体可透过层与待测流场板之间形成具有良好密封的流道场，使得第一气体能够按照流道场的路径流动，而不是从气体可透过层与待测流场板的缝隙泄漏。
17.在一些实施方案中，所述压装夹具包括第一夹板，气体可透过层位于第一夹板与待测流场板之间，气体可透过层被第一夹板压紧在待测流场板上。基于此，第一夹板与气体可透过层具有面面接触，第一夹板能够将气体可透过层充分地(全面地)压紧在待测流场板上。第一夹板的尺寸 /面积被配置为能够其投影能够覆盖待测流场区域。
18.在一些实施方案中，所述压装夹具包括第一夹板和第二夹板，气体可透过层与待测流场板被压紧在第一夹板和第二夹板之间，第一夹板更靠近气体可透过层，第二夹板更靠近待测流场板。基于此，可以通过将第一夹板和第二夹板螺栓连接拧紧。
19.在一些实施方案中，所述第一夹板上设有一个或多个通孔。上述通孔被配制为使气体可透过层背向待测流场板一侧的至少部分表面与环境气氛接触。
20.在一些实施方案中，所述第一夹板是具有网孔的网格板。网格板上的网孔的孔径为0.1mm～100mm，例如0.1～1mm，例如1～10mm，例如 10～100mm。在一些实施方案中，网格板上的网孔的孔距为 0.1mm～100mm，例如0.1～1mm，例如1～10mm，例如10～100mm。
21.在一些实施方案中，所述第一夹板上设有阵列状的通孔，例如面状阵列排布的通孔。
22.在一些实施方案中，所述第一气体包括h2，所述第二气体包括o2。
23.在一些实施方案中，所述环境气氛是空气气氛。
24.在一些实施方案中，第一气体与第二气体发生的放热反应如下：
25.h2 o2→
h2o。
26.在一些实施方案中，所述气体可透过层具有多层复合结构。基于此，不同的层可以起到不同的功效，赋予气体可透过层良好的综合性能。
27.在一些实施方案中，所述气体可透过层包括彼此层叠的第一多孔层和第二多孔层，所述第一多孔层比所述第二多孔层更靠近所述待测流场板，所述第二多孔层的透气率格利值小于所述第一多孔层；所述第二多孔层的厚度大于所述第一多孔层。基于此，第二多孔层提供了一个适合气体扩散和反应的场所。
28.可以理解，当气体可透过层具有复合多层结构时，气体可透过层的透气率格利值基本上由其中透气率格利值最大的一层确定。在一个例子中，气体可透过层包括彼此层叠的第一多孔层和第二多孔层，第二多孔层的透气率格利值小于所述第一多孔层，此时，气体可透过层的透气率格利值基本上等于第一多孔层的格利值。
29.在一些实施方案中，第二多孔层与第一多孔层的厚度比值为2～10： 1，例如2
‑
3:1、3
‑
4:1、4
‑
5:1、5
‑
6:1、6
‑
7:1、7
‑
8:1、8
‑
9:1或9
‑
10:1。
30.在一些实施方案中，第一多孔层与第二多孔层的透气率格利值比值为2～50:1，例如2
‑
5:1、5
‑
8:1、8
‑
11:1、11
‑
14:1、14
‑
17:1、17
‑
20:1、20
‑ꢀ
23:1、23
‑
26:1、26
‑
29:1、30～40:1或40～50:1。
31.所述第一多孔层的在一些实施方案中，所述第一多孔层透气率格利值为100～1000秒，例如100～200秒、200～300秒，300～400秒，400～500 秒，500～600秒，600～700秒，700～800秒，800～900秒，900～1000秒。在一些实施方案中，所述气体可透过层的透气率格利值为400～450秒， 450～500秒，500～550秒，550～600秒，600～650秒，650～700秒，700～750 秒。在一些实施方案中，所述气体可透过层的透气率格利值为600～620 秒，620～640秒，640～660秒，660～680秒，680～700秒。
32.在一些实施方案中，第一多孔层的厚度为10～200μm，例如10～20μm、 20～30μm，30～40μm，40～50μm，50～60μm，60～70μm，70～80μm，80～90μm， 90～100μm、100～200μm。在一些实施方案中，第一多孔层的厚度为 15～20μm，例如20～25μm，例如25～30μm，例如30～35μm。
33.所述第二多孔层的在一些实施方案中，所述第二多孔层的透气率格利值为1～500秒，例如1～10秒，10
‑
20秒、20
‑
30秒、30
‑
40秒、40
‑
50秒、 50
‑
60秒、60
‑
70秒、70
‑
80秒、80
‑
90秒、90
‑
100例如100～200秒、200～300 秒，300～400秒，400～500秒。
34.在一些实施方案中，第二多孔层的厚度为20～400μm、例如20～50μm、 50～100μm、100～100μm、150～200μm、200～250μm、250～300μm、 300～350μm、350～400μm。在一些实施方案中，第二多孔层的厚度为150
‑ꢀ
170μm、170
‑
190μm、190
‑
210μm、210
‑
230μm、230
‑
250μm。
35.所述第二多孔层的透气率为500～3000ml*mm/cm2*hr*mmaq，例如 1500～2500ml*mm/cm2*hr*mmaq，170～2100ml*mm/cm2*hr*mmaq，例如1900ml*mm/cm2*hr*mmaq。
36.在一些实施方案中，第二多孔层的层内、层表面、和/或层附近负载有所述催化剂。
37.在一些实施方案中，所述催化剂为层状，即催化剂层。催化剂层可以层叠于第一多孔层和第二多孔层之间。催化剂层可以层叠地位于第二多孔层面向第一多孔层的一侧。催
化剂层也可以层叠地位于第二多孔层背向第一多孔层的一侧。
38.在一些实施方案中，所述催化剂以均一的面密度分布在所述多孔载体层的预设区域。
39.在一些实施方案中，合适的催化剂包括但不限于，铂(pt)中的一种或多种，钌(ru)，铁(fe)，钴(co)，金(au)，铬(cr)，钼(mo)，钨(w)，锰(mn)，锝(tc)，铼(re)，锇(os)，铑(rh)，铱(ir)，镍(ni)，钯(pd)，铜(cu)，银(ag)，锌(zn)，锡(sn)，铝(al) 及其组合和合金(如双金属pt:ru纳米粒子)。
40.在一些实施方案中，所述热成像仪为红外热成像仪。
41.在一些实施方案中，流场板检测装置包括必要的密封组件。密封组件用于密封气体可透过层与待测流场板的四周。例如，密封组件是密封垫片。
42.在一些方面，本公开还提供一种流场板检测方法，包括：
43.提供待检测流场板；
44.提供如上述任一项所述的流场板检测装置；
45.将气体可透过层层叠于待测流场板的表面，在气体可透过层与待测流场板之间形成流道场；
46.通过供气装置向所述流道场提供第一气体；
47.使从所述气体可透过层背向待测流场板一侧渗出的第一气体与环境气氛中的第二气体在催化剂的催化作用下发生吸热或放热反应；
48.使用热成像仪获取所述气体可透过层背向待测流场板一侧的热成像图像。
49.在一些实施方案中，流场板检测方法包括：
50.使第一气体在流场板内的流动过程中透过气体可透过层向环境中扩散，进而与环境中的第二气体接触，进而在催化剂的作用下发生吸热或放热反应；
51.利用热成像仪对催化层检测热成像；
52.根据热成像图像分析流场对第一气体的输配均匀性。
53.在一些实施方案中，流场板检测方法还包括以下步骤：
54.比较流场板的热成像图像与流场板的流场图像；
55.根据比较结果评价流场板流场对气体的分配效果。
56.在一些实施方案中，检测流场板的方法通过在流场板分配氢氩混合气，混合气中的氢气透过多孔膜扩散到流场板上层的气体扩散电极(gde，表面负载有铂碳催化剂(pt/c)，置于暴露在空气侧)，与空气中的氧气在pt/c表面发生催化燃烧反应，生成热量，所产生的热量会造成表面温度升高，形成局域化的热信号，可以用红外热成像仪捕捉分析。因此，流场对气体的分配效果与热信号呈现极大的相关性，捕捉热信号即可检测出流场板对气体的分配效果。
57.本发明的有益效果：
58.本公开一个或多个实施方案具有以下一项或多项有益效果：
59.本公开流场板检测装置巧妙地利用催化剂催化从所述气体可透过层背向待测流场板一侧渗出的第一气体与环境气氛中的第二气体发生吸热或放热反应，并通过热成像技术采集热成像图像，实现对流场性能的检测。
60.本公开流场板检测装置的结构简单、成本低。在一些实施例中，除了待检测的流场
亦可称为流体流通的“次通道”。
72.在一些实施方案中，如本文中所使用的，术语“流体”是指液体或气体。特别地，术语流体是指通常用于燃料电池应用中的反应物和冷却剂。
73.本文使用的术语“层”是指几何结构的层或薄板，每一层可具有三个维度(例如，高度、宽度及深度)且可覆盖表面的至少一部分。举例来说，层可为三维结构，其中两个维度大于第三(例如)薄膜。层可包含不同元件、组件及/或材料。在一些情况中，一个层可由两个或两个以上子层组成。在部分附图中，出于说明目的描绘三维层的两个维度。然而，所属领域的技术人员应认识到，层的性质是三维的。
74.术语“气体可透过层”是指例如由于微孔的存在而允许气体通过的层。
75.本文所用术语“聚合物膜”是指通过流延或吹塑挤出工艺挤出热塑性聚合物材料的熔融片材，然后冷却该片材以形成固体聚合物膜。膜可以是单层膜，共挤出膜，涂膜和复合膜。涂膜是包括单层或共挤出膜的膜，随后用与其粘合的相同或不同材料的薄层涂覆(例如挤出涂覆，压印涂覆，印刷等)。“复合膜”是包括多于一个组分膜的层的膜，并且组分膜在粘合过程中结合。每个分离的组分膜不必在整个复合膜上是连续的，并且可以具有不连续的部分。粘合工艺可以在膜层之间结合粘合剂层。
76.本文所用术语“天然纤维”是指从植物的任何部分提取的植物纤维，包括但不限于茎，种子，叶，根或茎。适合用作增强纤维材料的天然纤维的例子包括木纤维，纤维素纤维，秸秆，木片，木股，棉花，黄麻，竹子，苎麻，甘蔗渣，大麻，椰壳，亚麻，红麻，剑麻，亚麻，淡竹以及它们的组合。
附图说明
77.图1示出本公开一实施例的流场板检测装置。
78.图2示出本公开又一实施例的流场板检测装置。
79.图3示出本公开又一实施例的流场板检测装置的示意图.
80.图4示出本公开一实施例的待测流场板和热成像图像。
81.图5示出本公开又一实施例的待测流场板和热成像图像。
82.图6示出本公开又一实施例的待测流场板和热成像图像。
具体实施方式
83.现在将详细提及本发明的具体实施方案。尽管结合这些具体的实施方案描述本发明，但应认识到不打算限制本发明到这些具体实施方案。相反，这些实施方案意欲覆盖可包括在由权利要求限定的发明精神和范围内的替代、改变或等价实施方案。在下面的描述中，阐述了大量具体细节以便提供对本发明的全面理解。本发明可在没有部分或全部这些具体细节的情况下被实施。在其它情况下，为了不使本发明不必要地模糊，没有详细描述熟知的工艺操作。
84.当与本说明书和附加权利要求中的“包括”、“方法包括”、或类似语言联合使用时，单数形式“某”、“某个”、“该”包括复数引用，除非上下文另外清楚指明。除非另外定义，本文中使用的所有技术和科学术语具有本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
85.除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本领域常规食品级试剂、方法和设备。除非特别说明，本发明实施例所用试验条件为本领域常规试验条件。除非特别说明，本发明实施例所用试剂均为市购。
86.图1示出本公开一实施例的流场板检测装置的示意图。包括：气体可透过层10、供气装置30、催化剂40和热成像仪50。气体可透过层10 用于层叠于待测流场板20的表面，在气体可透过层10与待测流场板20 之间形成流道场15。供气装置30用于向流道场15提供第一气体35。催化剂40设置在气体可透过层10的层内、层表面和/或层附近，用于催化从气体可透过层10背向待测流场板20一侧渗出的第一气体35与环境气氛中的第二气体37发生吸热或放热反应。热成像仪50用于获取气体可透过层10背向待测流场板20一侧的热成像图像。
87.在一些实施例中，气体可透过层10的透气率格利值为500～700秒，例如600～650秒，例如620秒。
88.在一些实施例中，气体可透过层10的厚度为205μm～245μm
89.在一些实施例中，气体可透过层10的孔隙率为40％～45％。
90.在一些实施例中，气体可透过层10包括多孔聚合物层。
91.在一些实施例中，气体可透过层10包括多孔聚丙烯层。
92.在一些实施例中，气体可透过层10背向待测流场板20一侧的至少部分表面与环境气氛接触。
93.图2示出本公开又一实施例的流场板检测装置的示意图(爆炸图)。如图2所示。流场板检测装置还包括压装夹具60，压装夹具60用于压紧气体可透过层10与待测流场板20。
94.图3示出本公开又一实施例的流场板检测装置的示意图(爆炸图)。如图3所示，压装夹具60包括第一夹板61和第二夹板62，气体可透过层10与待测流场板20被压紧在第一夹板61和第二夹板62之间，第一夹板61更靠近气体可透过层10，第二夹板62更靠近待测流场板20。
95.在一些实施例中，第一夹板61上设有一个或多个通孔63。通孔63 使得气体可透过层10背向待测流场板20一侧的至少部分表面暴露于环境气氛。
96.在一些实施方案中，气体可透过层10背向待测流场板20一侧的50％以上(例如80％以上)的面积暴露于环境气氛。
97.在一些实施例中，第一气体35包括h2，第二气体37包括o2。
98.在一些实施方案中，第一气体35含有氢气和惰性气体。
99.在一些实施例中，第一气体35中的氢气含量为1～15体积％。基于此，第一气体35具有适中的反应活性，既能够通过放热反应获得良好的成像效果，流场板检测装置的温度又不会过高(例如不超过80℃)。如此，有利于延长流场板检测装置使用寿命。
100.在一些实施例中，供气装置30用于向流道场15提供第一气体35的压力为0.5～1.5bar，例如1bar。
101.在一些实施例中，气体可透过层10包括第一多孔层11和第二多孔层12，气体可透过层10包括彼此层叠的第一多孔层11和第二多孔层12，第一多孔层11比第二多孔层12更靠近待测流场板20。
102.在一些实施方案中，第一多孔层为多孔聚丙烯膜(例如2400)。
103.在一些实施方案中，第一多孔层的参数如下：
104.厚度(thickness)；μm25格利值(jis gurley)；seconds620孔隙率(porosity)41％平均孔径(pore size)；μm0.043热收缩(td shrinkage)@90℃/1hour0.0％热收缩(md shrinkage)@90℃/1hour<5.0％穿刺强度(puncture strength)；grams>450拉伸强度(td tensile strength)；kgf/cm2140拉伸强度(md tensile strength)；kgf/cm21420
105.在一些实施方案中，第二多孔层包括碳纸(牌号tgp
‑
h
‑ꢀ
060).
106.在一些实施方案中，第二多孔层的参数如下：
[0107][0108][0109]
在一些实施方案中，第二多孔层12上还负载有催化剂40。
[0110]
第一多孔层11与第二多孔层12层叠，且第一多孔层11比第二多孔层12更靠近待测流场板20。
[0111]
在一些实施方案中，第一多孔层11为多孔聚合物膜，例如多孔聚丙烯膜。
[0112]
在一些实施例中，第二多孔层12为气体扩散电极。
[0113]
在一些实施例中，催化剂40以均一的面密度分布在多孔载体层的预设区域。
[0114]
在一些实施方案中，催化剂40为铂系催化剂。
[0115]
在一些实施方案中，多孔载体层的预设区域的催化剂载量(例如铂载量)为0.1～0.5mg/cm2，例如0.3mg/cm2。
[0116]
在一些实施例中，热成像仪50为红外热成像仪50。
[0117]
在一些实施例中，本公开还提供一种流场板20检测方法，包括：
[0118]
(1)提供待检测流场板20；
[0119]
(2)提供如上任一实施例的流场板检测装置；
[0120]
(3)将气体可透过层10层叠于待测流场板20的表面，在气体可透过层10与待测流场板20之间形成流道场15；
[0121]
(4)通过供气装置30向流道场15提供第一气体35；
[0122]
(5)使从气体可透过层10背向待测流场板20一侧渗出的第一气体 35与环境气氛中的第二气体37在催化剂40的催化作用下发生吸热或放热反应；
[0123]
(6)使用热成像仪50获取气体可透过层10背向待测流场板20一侧的热成像图像。
[0124]
在一些实施例中，流场板20检测方法还包括以下步骤：
[0125]
(7)比较流场板20的热成像图像与流场板20的流场图像；
[0126]
(8)根据比较结果评价流场板20流场对气体的分配效果。
[0127]
图4示出本公开一实施例的待测流场板和热成像图像。
[0128]
如图4所示，流场板所有的位置均有代表温度的色块显现，说明流场板各处位置均有热量产生，流场板对气体的分配效果较好；最高温度和最低温度分别为60℃和22.5℃，并且最高温度集中分布于流场板右上侧，沿着对角线方向呈现梯度分布，和气体浓度减小方向(与气体进出口位置有关)高度符合。
[0129]
图5示出本公开又一实施例的待测流场板和热成像图像。
[0130]
如图5所示，流场板上代表温度的色块分布不均匀，说明流场板上温度分布不均匀，流场板对气体分配效果较差；最高温度和最低温度分别为58.4℃和23.9℃，代表温度的色块集中分布于流场板右侧，沿着左侧方向呈现锥状分布，上下对称性好，温度对称分布与气体进出口位置左右对称有关。
[0131]
图6示出本公开又一实施例的待测流场板和热成像图像。
[0132]
如图6所示，流场板上代表温度的色块分布均匀性介于图4与图5 之间，几乎填充了流场板各个位置，说明流场板上温度分布相对均匀，流场板对气体分配效果相对较好；最高温度和最低温度分别为59.9℃和 24.2℃，代表温度的色块集中分布于流场板右侧，沿着左侧方向呈梯度分布(中部略微向前突出)。虽然气体进出口方向不对称，但是气体经过设计良好的气体分散流道以及平行流场，相对于图4其温度分布上下对称性较好。
[0133]
在一些实实施例中，根据热成像图像中热信号强弱(即颜色分布) 判断反应物在流场板20各个部位分配情况。热信号强弱分布与第一气体35的浓度呈正相关关系，从气体入口向气体出口方向递减。并且不同流场板20对气体分配效果不同，其热信号分布也不同，因此通过检测热信号分布情况，可以达到可视化观测流场板20对气体分配效果。
[0134]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。