可视化测量装置及其方法

摘要

本申请涉及一种可视化测量装置，包括装配体、流体回路和控制系统。装配体包括极板、第一侧板、第二侧板和加热组件，第一侧板与第二侧板分别位于极板的两侧以合围形成封闭的流场，加热组件设置于极板与第二侧板之间；流体回路包括驱动泵和温度传感器，驱动泵分别连接进液件和出液件，温度传感器用于检测流体温度；控制系统包括电连接于加热组件，电源和监测模块电源能够驱动加热组件加热，监测模块能够监测加热组件的电阻和温度。上述可视化测量装置，通过电源控制加热组件的温度，利用过热度越大沸腾气泡越小的原理，控制整个流体回路的过热度并使加热组件表面产生的沸腾气泡尺寸小于流道的截面尺寸，从而更为真实地反映流体在流道内的流动状态。

权利要求

1.一种可视化测量装置，其特征在于，所述可视化测量装置包括：装配体，包括极板、第一侧板、第二侧板和加热组件，所述第一侧板与所述第二侧板分别位于所述极板的两侧以合围形成封闭的流场，所述第一侧板为透明材料且其上设置有进液件和出液件，所述加热组件设置于所述极板与所述第二侧板之间；

流体回路，包括驱动泵和流体管道，所述驱动泵通过所述流体管道分别连接所述进液件和所述出液件，以将所述装配体连通进入所述流体回路；以及控制系统，包括电源、监测模块和温度传感器，所述电源和所述监测模块电连接于所述加热组件，所述电源能够驱动所述加热组件产生热量，所述监测模块能够监测所述加热组件的电阻和温度，所述温度传感器设置于所述流体管道上以检测流体温度；

所述进液件与所述出液件的数量至少为三个，分别用于液体的流通、空气的流通和氢气的流通。

2.根据权利要求1所述的可视化测量装置，其特征在于，所述流体回路还包括流量计和调节阀门，所述流量计与所述调节阀门均设置于所述流体管道上。

3.根据权利要求1所述的可视化测量装置，其特征在于，所述流体回路还包括压力控制组件，所述压力控制组件包括水箱、气瓶和减压阀，所述气瓶通过所述减压阀连接至所述水箱内，所述水箱与所述流体管道连通，以控制所述流体回路的系统压力。

4.根据权利要求1所述的可视化测量装置，其特征在于，所述加热组件包括热电偶和设置于所述热电偶两端的电极，所述电极穿设于所述第二侧板且部分外露于所述第二侧板，所述电源和所述监 测模块通过疏水电极电连接于所述加热组件。

5.根据权利要求1所述的可视化测量装置，其特征在于，所述极板上设置有若干流道，所述流道连通所述进液件与所述出液件。

6.根据权利要求1所述的可视化测量装置，其特征在于，所述流体回路上设置有控制阀门，所述控制阀门能够受控连通或阻断所述流体 回路。

7.一种可视化测量方法，采用如权利要求1‑6中任意一项所述的可视化测量装置，其特征在于，包括步骤：

测量加热组件的初始电阻和电阻温度系数；

打开摄像设备拍摄流道内的流体；

调节电源的输出电压以使所述加热组件表面间歇性地出现微小气泡；

分析气泡在所述流道内的移动轨迹和移动速度。

8.根据权利要求7所述的可视化测量方法，其特征在于，调节所述电源的输出电压以使所述加热组件表面间歇性地出现微小气泡具体包括：调节所述流体 回路的系统压力以调整流体的饱和温度并确定起始沸腾点参数和临界热流密度；

计算所述加热组件的表面发热率并调节电压以使所述表面发热率大于所述起始沸腾点参数且小于所述临界热流密度。

9.根据权利要求7所述的可视化测量方法，其特征在于，调节所述电源的输出电压以使所述加热组件表面间歇性地出现微小气泡具体还包括：调节所述流体 回路的系统压力以调整流体的饱和温度并确定起始点过热度；

计算所述流体 回路的过热度并调节电压以使所述过热度大于所述起始点过热度。

说明书

可视化测量装置及其方法

技术领域

[0001] 本申请涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种可视化测量装置及其方法。

背景技术

[0002] 随着电池技术的发展，出现了质子交换膜燃料电池，其通过空气电极吸附氢气和氧气并且使用催化剂将其转化为离子态，在电解质溶液中生成水同时释放能量。在燃料电
池中，双极板的结构直接影响气体和液体的流场，从而影响燃料电池的性能，流场结构的设
计可通过可视化方法研究。

[0003] 现有技术的燃料电池双极板可视化装置主要是通过透明玻璃板与双极板组成可视化装置，透过透明双极板或者透明玻璃板观察气液混合流体在双极板上的流动及分布状
态。

[0004] 然而，在实际操作中，首先气体的体积随着液体流速的增加而减小，其次气泡会在流动过程中消散或者合并，因此需要装置离流道足够近来防止气泡的溃散或者合并。最后，
对于多通道的双极板而言，这种在主流道形成的气液两相流在实际的流动分配时气泡会在
分配区域形成栓塞，从而阻碍或者改变流场使得所得流场不能够反应真实状况。

发明内容

[0005] 基于此，有必要针对多通道极板模拟的流场容易形成栓塞的问题，提供一种可视化测量装置及其方法。

[0006] 一种可视化测量装置，包括装配体、流体回路和控制系统。所述装配体包括极板、第一侧板、第二侧板和加热组件，所述第一侧板与所述第二侧板分别位于所述极板的两侧
以合围形成封闭的流场，所述第一侧板为透明材料且其上设置有进液件和出液件，所述加
热组件设置于所述极板与所述第二侧板之间；所述流体回路包括驱动泵和温度传感器，所
述驱动泵通过流体管道分别连接所述进液件和出液件，所述温度传感器设置于所述管道上
以检测流体温度；所述控制系统包括电源和监测模块，所述电源和所述监测模块电连接于
所述加热组件，所述电源能够驱动所述加热组件产生热量，所述监测模块能够监测所述加
热组件的电阻和温度。

[0007] 上述可视化测量装置，通过电源控制加热组件的温度，利用过热度越大沸腾气泡越小的原理，控制整个流体回路的过热度并使加热组件表面产生的沸腾气泡尺寸小于流道
的截面尺寸，从而更为真实地反映流体在流道内的流动状态。

[0008] 在其中一个实施例中，述流体回路还包括流量计和调节阀门，所述流量计与所述调节阀门均设置于所述流体管道上。

[0009] 在其中一个实施例中，所述可视化测量装置还包括压力控制组件，所述压力控制组件包括水箱、气瓶和减压阀，所述气瓶通过所述减压阀连接至所述水箱内，所述水箱与所
述流体管道连通，以控制所述流体回路的系统压力。

[0010] 在其中一个实施例中，所述加热组件包括热电偶和设置于所述热电偶两端的电极，所述电极穿设于所述第二侧板且部分外露于所述第二侧板，所述电源和所述检测模块
通过疏水电极电连接于所述加热组件。

[0011] 在其中一个实施例中，所述极板上设置有若干流道，所述流道连通所述进液件与所述出液件。

[0012] 在其中一个实施例中，所述进液件与所述出液件的数量至少为三个，分别用于液体的流通、空气的流通和氢气的流通。

[0013] 一种可视化测量方法，其特征在于，包括步骤：测量所述加热组件的初始电阻和电阻温度系数，打开摄像设备拍摄所述流道内的流体，调节所述电源的输出电压以使所述加
热组件表面间歇性地出现微小气泡，分析所述气泡在所述流道内的移动轨迹和移动速度。

[0014] 在其中一个实施例中，调节所述电源的输出电压以使所述加热组件表面间歇性地出现微小气泡具体包括：调节所述流通回路的系统压力以调整流体的饱和温度并确定起始
沸腾点参数和临界热流密度，计算所述加热组件的表面发热率并调节电压以使所述表面发
热率大于所述起始沸腾点参数且小于所述临界热流密度。

[0015] 在其中一个实施例中，调节所述电源的输出电压以使所述加热组件表面间歇性地出现微小气泡具体还包括：调节所述流通回路的系统压力以调整流体的饱和温度并确定起
始点过热度，计算所述流通回路的过热度并调节电压以使所述过热度大于所述起始点过热
度。

附图说明

[0016] 图1为本申请一实施例中可视化测量装置的结构示意图；

[0017] 图2为本申请一实施例中装配体的结构爆炸图；

[0018] 图3为本申请一实施例中极板的结构示意图；

[0019] 图4为本申请一实施例中可视化测量方法的流程示意图；

[0020] 图5为标准大气压下饱和水的沸腾曲线图。

具体实施方式

[0021] 为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申
请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不
违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

[0022] 在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时
针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或
位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必
须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

[0023] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者
隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三
个等，除非另有明确具体的限定。

[0024] 在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连
接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内
部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员
而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

[0025] 在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在
第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示
第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第
一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

[0026] 需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以
是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平
的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施
方式。

[0027] 参阅图1，图1示出了本申请一实施例中的可视化测量装置的结构示意图。

[0028] 本申请一实施例提供的可视化测量装置，包括装配体10、流体回路20以及控制系统30。装配体10连接于流体回路20中，使得流体在通入装配体10后能够在整个流体回路20
中循环，控制系统30与装配体10连接且能够监测和控制装配体10和流体回路20中的部分流
体参数。

[0029] 请结合参阅图2和图3，图2为本申请一实施例中装配体10的结构爆炸图，图3为本申请一实施例中极板100的结构示意图。

[0030] 装配体10包括极板100、第一侧板110、第二侧板120和加热组件130。具体地，极板100包括活化区101与非活化区102，其中，活化区101设置于极板100上，非活化区102环绕活
化区101设置。非活化区102上设置有多个用于通入流体和排出流体的通孔1020，具体到本
实施例中，通孔1020包括第一进气通孔1021、第二进气通孔1022、进液通孔1023、第一出气
通孔1024、第二出气通孔1025、以及出液通孔1026，其中第一进气通孔1021和第一出气通孔
1024用于与氢气连通，第二进气通孔1022和第二出气通孔1025用于与氧气或者空气连通，
进液通孔1023和出液通孔1026用于与流体回路20中的水流连通。通孔1020的周缘设置有密
封胶条，以防止液体或者气体从通孔1020中溢出。非活化区102上还设置有若干定位销孔，
用于与对应定位销配合，实现极板100与第一侧板110和第二侧板120的组合装配。

[0031] 活化区101上设置有若干凹槽连通形成的流道1010，第一进气通孔1021、第二进气通孔1022、进液通孔1023、第一出气通孔1024、第二出气通孔1025、以及出液通孔1026分别
与流道1010连通，从第一进气通孔1021、第二进气通孔1022和进液通孔1025中进入活化区
101的氢气、氧气以及水按流道1010预设的轨迹混合后形成流场并从出液通孔1026中流出，
剩余的氢气、氧气分别从第一出气通孔1024和第二出气通孔1025中流出。流道1010的结构
能够影响流场的分布，而流体在流场中的分布能够决定了极板100各种的反应效率和排水
性能，从而影响燃料电池的工作性能和稳定性。

[0032] 第一侧板110与极板100通过定位销与定位销孔的配合固定连接。第一侧板110为透明材料制作，以方便实验人员观察分析流体在极板100流道1010内的流动状态。

[0033] 装配体10还包括流通件140。具体地，流通件140设置于第一侧板110背离极板100的一侧。具体到本实施例中，流通件包括第一进气件141、第二进气件142、进液件143、第一
出气件144、第二出气件145、以及出液件1116，分别对应非活化区102上的第一进气通孔
1021、第二进气通孔1022、进液通孔1023、第一出气通孔1024、第二出气通孔1025、以及出液
通孔1026，流通件140与流体回路20连通，以使外部的氢气、氧气或水能够进入极板100和从
极板100中排出。

[0034] 第二侧板120设置于极板100背离第一侧板110的一侧。具体地，第二侧板120与第一侧板110的边缘设置有装配螺孔，通过螺栓将第一侧板110与第二侧板120连接并合围形
成装配体10的轮廓，以增加装配体10的稳定性。极板100设置于装配体10内部，以防止流体
从极板100中逸出。

[0035] 加热组件130设置于极板100与第二侧板120之间。具体地，加热组件130包括热电偶131与电极132，第二侧板120上开设有一通槽，热电偶131安装于通槽内，电极132设置于
热电偶131上并与电源电连接，热电偶131在通电后能够将电能转化为热能发热，通过热电
偶131加热流道1010内的流体并使其沸腾产生气泡，从而模拟流道1010内气相和液相混合
的流动状态。具体到实施例中，热电偶131为一根金属棒，由高纯度金属制作而成，如铜、银、
铂等金属。热电偶131的两端分别设置有电极132，电极132的一端与热电偶131连接，电极
132的另一端穿过第二侧板120上的通槽连接于控制系统30，以使控制系统30能够为热电偶
131提供电能并监测热电偶131的电阻和温度。

[0036] 请再次参阅图1，流体回路20包括驱动泵210和流体管道200，其中，驱动泵210通过流体管道200连接于流体回路20中，装配体10通过流体管道200连接于流体回路20中。具体
地，流体管道200与装配体10的进液件和出液件相连接，驱动泵210用于将流体回路20中的
水流加压后泵至流体回路20中以提供流体在流场中流动的动力。

[0037] 流体回路20还包括流量计220，流量计220设置于流体回路20中。由于驱动泵210的电机工作具有波动性，且调整精度较低，为了保持流场中的流量稳定，流量计220设置于驱
动泵210的进液端处，以监测流体回路20中流体的流量。具体到本实施例中，流量计220的两
端与流体管道200连接并设置于与驱动泵210相邻的位置。

[0038] 流体回路20还包括调节阀门230。具体地，调节阀门230设置于流体回路20中邻近流量计220的位置，调节阀门230能够通过调节阀门230开闭的程度，调节流体回路20中流体
的流量。通过流量计220和调节阀门230的设置与配合，不仅能够稳定流体回路20中流体的
流量，还能过通过控制流量的大小，模拟不同流量条件下流场的分布。

[0039] 流体回路20还包括控制阀门240。具体地，控制阀门240通过流体管道200设置于流体回路20中且能够受控连通或阻断流体回路20。具体到本实施例中，控制阀门240与调节阀
门230均为三通阀门，且控制阀门240与调节阀门230之间设置有流体管道200以直接连通控
制阀门240与调节阀门230。当需要阻断流体回路20时，将控制阀门240与调节阀门230的三
通阀转动，使得流体通过控制阀门240与调节阀门230之间的流体管道200流动，而无法进入
装配体10所连接的流体管道200中。从而使极板100内的流体失去驱动力停止流动。

[0040] 流体回路20还包括压力控制组件250。具体地，压力控制组件250包括水箱251、气瓶253和减压阀252，压力控制组件250通过流体管道200连接至流体回路20中。具体到本实
施例中，水箱251为封闭结构，水箱251中的水位在处于一半的位置，以方便实验人员进行调
节。水箱251的一端通过流体管道200连接至驱动泵210的进液端，水箱251的另一端通过减
压阀252连接至气瓶253。实验人员能够通过减压阀252控制水箱251的压力从而控制流体回
路20中的流体压力。

[0041] 控制系统30包括电源310、监测模块320。具体地，电源310和监测模块320通过导线连接至加热组件130的电极132上。电源310用于将电能通过导线传递至热电偶131上，使热
电偶131做功发热。监测模块320则用于检测加热组件130的实时电阻和温度。具体到本实施
例中，电源310为可调直流电源310且功率远大于检测模块的功率。

[0042] 控制系统30还包括温度传感器330，温度传感器330设置于流体回路20中，具体地，温度传感器330设置于流体回路20中与装配体10相邻的位置，以监测装配体10中流体的温
度。

[0043] 电源310、监测模块320与温度传感器330能够与个人计算机建立通讯连接，以将加热组件130与流体的监测数据传输至个人计算机中，并通过计算程序分析流体的数据和控
制流体的流动状态。具体到本实施例中，电源310、监测模块320与温度传感器330与个人计
算机之间通过数据传输导线或者无线连接。

[0044] 请参阅图4，图4为本申请一实施例中可视化测量方法的流程示意图。本申请提供一种可视化测量方法，其包括步骤：

[0045] S10：测量加热组件130的电阻和电阻温度系数。具体地，在测量开始前，首先将加热组件130放置于恒温水浴中，在一定温度范围，电阻与温度能够近似用公式R＝R0(1+aTa+
2
Ta)计算。其中，R为加热组件130的实时电阻，R0为加热组件130在0K条件下的电阻，a和b均
为电阻温度系数。通过测量两组不同的温度和对应的实时电阻，能够计算得到常数R0、a和
b。根据所求得的常数，在进行可视化测量时能够根据公式 受推
得到加热组件130的温度。

[0046] S20：打开摄像设备拍摄流道1010内的流体。具体地，摄像设备架设于透明的第一侧板110上以连续地拍摄流道1010内的流体流动状态。

[0047] S30：调节电源310的输出电压以使加热组件130表面间歇性地出现微小气泡。具体包括步骤：

[0048] S310：调节流体回路20的系统压力以调整流体的饱和温度并确定起始沸腾点参数和临界热流密度，计算加热组件130的表面发热率并调节电压以使所述表面发热率大于所
述起始沸腾点参数且小于所述临界热流密度。具体地，请结合参阅图5，图5为标准大气压下
饱和水的沸腾曲线图。首先通过调节阀门230和流量计220将流体回路20中的流量调节至目
标流量，然后通过减压阀252将流体回路20中的流体压力调节至目标压力，通过查阅对应流
体的参数表能够根据压力能够确定对应的流体饱和温度Tsat，并且根据目标压力查阅对应
流体的沸腾曲线得到起始点过热度Δtoh ini、起始沸腾点参数qc和临界热流密度qmax。

[0049] S320：计算加热组件130的表面发热率并调节电源310的电压以使表面发热率大于起始点沸腾点参数且小于临界热流密度。具体地，表面发热率的计算公式为
其中q(t)为加热组件130的表面发热率，V为加热组件130的体
积、S为加热组件130的表面积、ρ为加热组件130的密度、c为加热组件130的比热、Q(t)为加
热组件130的加热功率，加热组件130的加热功率能够由公式 计算得到，其中，R
能够由监测模块320直接测量加热组件130得到。

[0050] 通过逐渐增加电源310的电压U，加热组件130的表面开始出现沸腾现象，由于沸腾会导致加热组件130的表面局部过热从而使得电阻R不稳定，因此需要不断调节电源310的
电压U使得加热组件130的表面发热率处于起始沸腾点参数qc与临界热流密度qmax之间，以
使加热组件130表面产生的气泡处于核态沸腾状态，即产生的沸腾气泡具有较小的尺寸。

[0051] S330：计算流体回路20的过热度并调节电压以使过热度大于起始点过热度。具体地，过热度能够由公式Δtoh＝Ta‑Ts计算得到，其中Ts为温度传感器330监测的流体温度。当
流体回路20中的过热度从上升状态出现突然下降时，或者通过观察发现沸腾的微小气泡在
加热组件130表面出现较大的膜状气泡时应当立即减小电源310的电压到过热度低于上升
状态时的最大过热度。

[0052] S40：分析气泡在流道1010内的移动轨迹和移动速度。具体地，通过间歇性地调节电源310的电压U的大小，使得加热组件130的表面间歇性地出现微小气泡，从而模拟燃料电
池工作时，流体在流场内的流动状况。实验人员通过分析微小气泡在各流道1010内的运行
轨迹和单个流道1010内气泡的流动快慢能够判断流体在流道1010内的分布均匀性。

[0053] 上述可视化测量装置，通过电源310控制加热组件130的温度，利用过热度越大沸腾气泡越小的原理，控制整个流体回路20的过热度和加热组件130的表面发热率，使产生的
沸腾气泡尺寸小于流道1010的截面尺寸，从而能够更为真实地反映燃料电池工作时，流体
在流道1010内的流动状态。

[0054] 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。

[0055] 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申请专利范围的限制。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。