本发明专利技术提出质子交换膜电解槽流场平面温度分布及电流密度测试装置，包括温度分布测试装置和电流密度测试装置。温度分布测试装置由带螺纹孔的金属板和螺纹微型热电偶组成，微型热电偶与电解槽流道的流体接触从而实时测温；电流密度测试装置采用分段印刷电路板，测试每个分区电路上的分流电阻的电压降，根据欧姆定律计算通过分区的局部电流密度。本发明专利技术针对质子交换膜电解槽内部温度场和电流场的原位测量，在电解过程中，电解槽反应区域内呈现平面温度和电流密度的不均匀分布，采用温度分布及电流密度测试装置，可监测在不同运行条件下电解槽温度和电流密度的动态行为以及异质性演化特征，有助于理解电解槽运行过程的电‑热特性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电化学测试，特别涉及质子交换膜电解槽流场平面温度分布及电流密度测试装置。
技术介绍
1、氢能作为一种多功能的清洁能源载体，具有深远的意义，它在交通、工业和能源储存等各个领域的应用，有望显著减少我们对化石燃料的依赖，并减轻对环境的影响，电解水制氢作为以氢能为核心的能源体系中的基础环节，能够助力全球实现碳中和，其中质子交换膜电解水制氢以运行电流密度高、产物清洁无污染、灵活性强等特点受到广泛关注。研究表明，质子交换膜电解槽（pemec）在实际运行过程中，其内部反应与多个物理场之间具有复杂的耦合关系，这些反应速率受到温度、压力和电流密度等因素的影响。此外，pemec经历各种物理场之间的耦合效应，包括电场、热场和传质场等，电场通过施加电压驱动电解反应，热场影响温度分布，传质场涉及气体扩散和质子传输等过程，上述领域之间错综复杂的相互关系可能会引发非线性效应，进一步加剧问题的复杂性。所以，pemec在各种操作条件下的动态响应需要综合考虑多个物理场之间的相互作用，有效的操作策略必须考虑电流密度、温度和气体饱和度等参数的变化，以维持电池的稳定性和效率。多物理场之间的耦合关系引发了pemec的平面异质性问题，即电池内多物理场分布不均匀的现象，它包括局部电流密度分布、温度梯度以及质子和气体传输的差异，这可能导致反应效率降低、局部热点、膜材料降解、能量损失增加，甚至寿命缩短，多年来，平面异质性的研究一直是质子交换膜燃料电池研究的热点。
2、现有技术，dedigama等人（dedigama, i., angeli, p., ayers, k., robinson,j.b., shearing, p.r., tsaoulidis, d., brett, d. j.l., 2014. in situdiagnostic techniques for characterisation of polymer electrolyte membranewater electrolysers – flow visualisation and electrochemical impedancespectroscopy. int. j. hydrogen energy 39, 4468–4482.）和gagliardo等人（gagliardo, j.j., owejan, j.p., trabold, t.a., tighe, t.w., 2009. neutronradiography characterization of an operating proton exchange membrane fuelcell with localized current distribution 膜电极surements. nucl. instrum.methods phys. res. sect. a accel. spectrom. detect. assoc. equip. 605, 115–118.）提出了中子射线照相技术和高速相机可以提供对pemfc内水和气体含量的实时二维洞察，从而实现映射水煤气分配。温度分布测试技术也得到了发展，包括li等人（li, y.,yang, g., yu, s., kang, z., talley, d.a., zhang, f.-y., 2019. direct thermalvisualization of micro-scale hydrogen evolution reactions in proton exchangemembrane electrolyzer cells. energy convers. manag. 199, 111935）提出的红外热成像法、ali等人（ali, s.t., lebæk, j., nielsen, l.p., mathiasen, c., møller,p., kær, s.k., 2010. thin film thermocouples for in situ membrane electrodeassembly temperature 膜电极surements in a polybenzimidazole-based hightemperature proton exchange membrane unit cell. j. power sources 195, 4835–4841.）和lee等人（lee, c.-y., chen, c.-h., li, s.-c., wang, y.-s., 2019.development and application of flexible integrated microsensor as real-timemonitoring tool in proton exchange membrane water electrolyzer. renew. energy143, 906–914.）提出的热电偶探针法和haase等人（haase, s., moser, m., hirschfeld,j.a., jozwiak, k., 2016. current density and catalyst-coated membraneresistance distribution of hydro-formed metallic bipolar plate fuel cellshort stack with 250 cm2 active area. j. power sources 301, 251–260.）提出的印刷电路板（pcb）法。在电流密度分布研究中，分段单元的设计是一种常见的想法，如sun等人（sun, s., xiao, y., liang, d., shao, z., yu, h., hou, m., yi, b., 2015.behaviors of a proton exchange membrane electrolyzer under water starvation.rsc adv. 5, 14506–14513.）提出的子单元法、hung等人（hung, c.-y., huang, h.-s.,tsai, s.-w., chen, y.-s., 2016. a purge strategy for proton exchange membranefuel cells under varying-load operations. int. j. hydrogen energy 41, 12369–12376.）提出的电阻阵列法、santis等人（santis, m., freunberger, s.a., papra, m.,wokaun, a., büchi, f.n., 2006. experimental investigation of couplingphenomena in polymer electrolyte fuel cell stacks. j. power sources 161,1076–1083.）提出的霍尔本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.质子交换膜电解槽流场平面温度分布及电流密度测试装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的质子交换膜电解槽流场平面温度分布及电流密度测试装置，其特征在于：所述测温端板表面的螺纹孔设计为16个，为了避免测温探针接触到PEMEC内部流场的肋表面，使每个区域对应的测温探针都能够精准地伸入流道内测量，流场区域被划分为4×4阵列。
3.根据权利要求1所述的质子交换膜电解槽流场平面温度分布及电流密度测试装置，其特征在于：所述螺纹微型热电偶和测温端板具有相同的螺纹通孔长度6mm，测温探针的长度为0.5mm，直径为0.08mm，探针伸入流道测试温度。
4.根据权利要求1所述的质子交换膜电解槽流场平面温度分布及电流密度测试装置，其特征在于：通过测温探针对PEMEC内部不同区域的温度进行测量，利用数据采集系统进行实时记录，得到PEMEC内部流场平面温度分布数据。
5.根据权利要求1所述的质子交换膜电解槽流场平面温度分布及电流密度测试装置，其特征在于：所述PCB板设计为5×5的镀金阵列，与电流分配板的5×5阵列相匹配。
6.根据权利要求1所述的质子交换膜电解槽流场平面温度分布及电流密度测试装置，其特征在于：采用杜邦线与插针端子相接的方式测量PCB板上方分流电阻两端的电压，根据欧姆定律计算通过每个分段的局部电流密度，从而反映整个流场平面的电流密度分布，能够对25cm2实验室规模PEMEC内的平面电流密度分布进行原位测量。
7.根据权利要求1所述的质子交换膜电解槽流场平面温度分布及电流密度测试装置，其特征在于：所述测温端板位于最外面，其次是双极板，然后依次是聚四氟乙烯垫片和膜电极，最后是不锈钢端板。
8.根据权利要求6所述的质子交换膜电解槽流场平面温度分布及电流密度测试装置，其特征在于：所述测试局部电流密度的分段印刷电路板PCB，位于阳极分段流场板和电流分配板之间，PCB板单元尺寸为1cm2，使用高精度直流电阻测试仪进行分流电阻校准。
9.根据权利要求1所述的质子交换膜电解槽流场平面温度分布及电流密度测试装置，其特征在于：所述分段印刷电路板PCB是将电路板分割成多个独立段，稳定工作后通过数据采集系统采集PCB板测得的分流电阻的电压信号，并将数据处理结果传入计算机，分流电阻为50mΩ，利用欧姆定律来计算出通过每个分段的局部电流密度。
10.根据权利要求8所述的质子交换膜电解槽流场平面温度分布及电流密度测试装置，其特征在于：对于分段流场板的中间段或边缘段，每个段有相同的导电和绝缘区域，每个导电区域控制相同的电流收集范围；对于整个流场区域，25个PCB段的设计可以有效地表征平面电流密度分布。
11.质子交换膜电解槽流场平面温度分布及电流密度测试方法，其特征为：
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【技术特征摘要】
1.质子交换膜电解槽流场平面温度分布及电流密度测试装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的质子交换膜电解槽流场平面温度分布及电流密度测试装置，其特征在于：所述测温端板表面的螺纹孔设计为16个，为了避免测温探针接触到pemec内部流场的肋表面，使每个区域对应的测温探针都能够精准地伸入流道内测量，流场区域被划分为4×4阵列。
3.根据权利要求1所述的质子交换膜电解槽流场平面温度分布及电流密度测试装置，其特征在于：所述螺纹微型热电偶和测温端板具有相同的螺纹通孔长度6mm，测温探针的长度为0.5mm，直径为0.08mm，探针伸入流道测试温度。
4.根据权利要求1所述的质子交换膜电解槽流场平面温度分布及电流密度测试装置，其特征在于：通过测温探针对pemec内部不同区域的温度进行测量，利用数据采集系统进行实时记录，得到pemec内部流场平面温度分布数据。
5.根据权利要求1所述的质子交换膜电解槽流场平面温度分布及电流密度测试装置，其特征在于：所述pcb板设计为5×5的镀金阵列，与电流分配板的5×5阵列相匹配。
6.根据权利要求1所述的质子交换膜电解槽流场平面温度分布及电流密度测试装置，其特征在于：采用杜邦线与插针端子相接的方式测量pcb板上方分流电阻两端的电压，根据欧姆定律计算通过每个分段的局部电流密度，从而反映整个流场平面...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐超，王凯晨，张茜，马帅豪，梁佳璇，叶锋，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：
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