CN100414761C - 一种兼具发电功能的燃料电池堆测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种兼具发电功能的燃料电池堆测试装置，包括工作台、燃料电池堆、定位导杆、压力可调压紧单元、数据采集与处理单元、电力输出单元，所述的工作台设有用于支承燃料电池堆和压力可调压紧单元的板式台面，所述的燃料电池堆设在台面的一端，所述的压力可调压紧单元设在台面的另一端，所述的定位导杆设有至少两根，所述的数据采集与处理单元采集燃料电池堆的各种数据后进行记录与处理，所述的电力输出单元将燃料电池堆在测试过程中发出的电力输送给公共电网或者直接提供给用户使用。

Description

一种兼具发电功能的燃料电池堆测试装置

技术领域

本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种兼具发电功能的燃料电池堆测试装置。

背景技术

电化学燃料电池是一种能够将氢及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学发应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。

在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。

在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。

在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达：

阳极反应：H₂→2H⁺+2e

阴极反应：1/2O₂+2H⁺+2e→H₂O

在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间，每块导流极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导流极板可以上金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流极板上的流体孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流板与阴极氧化剂的导流板。这些导流板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。

为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。

一个典型电池组通常包括：(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。

质子交换膜燃料电池既可以用作车、船等运载工具的动力系统，又可以用作移动式或固定式发电站。

质子交换膜燃料电池一般由若干个单电池通过串联或并联的方式组装在一起成为燃料电池堆。

如图1是现有燃料电池单电池中的导流极板，它包括空气进气口1a，进水口2a，氢气进气口3a，流道4a，空气出气口5a，出水口6a，氢气出气口7a；如图2是现有燃料电池单电池中的三合一膜电极，它包括空气进气口1a，进水口2a，电极活性区域8a，空气出气口5a，出水口6a，氢气出气口7a；如图3是现有的燃料电池堆，它包括燃料电池堆9a，集流母板10a、10b，端板11a、11b，金属拉杆12a，螺帽13a。

现有燃料电池堆一般由若干单电池(单电池由导流极板、三合一膜电极构成)，集流母板，前、后端板组装而成，前、后端板上有许多条拉杆，一般用紧固件使拉杆将前、后端板压紧成为一个燃料电池堆；紧固件拉杆加螺丝的方法是通常的紧固方法。

燃料电池堆必须用紧固件将前、后端板充分压紧，但又必须均匀地压紧到某一合适的压力范围内，确保燃料电池堆安全、高效运行。

在燃料电池大规模生产时，必须首先实现可以对大量的单电池(单电池一般由导流极板、三合一膜电极构成)，正、负集流导电母板以及前、后端板的大规模装配成为燃料电池堆，并且对燃料电池堆进行运行测试。主要是对初次装配成功的燃料电池堆按产品设计技术指标进行运行测试，主要是在不同压力、流量、温度等运行参数下检测燃料电池堆输出的电流、电压，甚至是燃料电池堆中的每个单电池的工作电压。

一般来说，在初次装配成功的燃料电池堆组成的每个单电池或其它部件可能没有达到产品设计的技术指标，所以必须将整个燃料电池堆重新拆卸下来，更换掉质量次的单电池或部件，重新装配，直至通过运行测试要求为止。

目前，这种通常的用拉杆加紧固件的紧固装配的燃料电池堆对反复装配非常不利，对实现大规模的燃料电池堆装配与测试带来巨大障碍。

1.对燃料电池堆拉杆紧固装配要求特别高，必须达到整个燃料电池堆的前、后端板上每个区域受到基本一致及相同的紧固力，这种要求是非常困难的，实际操作往往会使整个燃料电池堆的前、后端板上某个区域受到的紧固力比较小，而某个区域受到的紧固力较大，而导致燃料电池极板上的某些区域受到压紧力不够，导致电极与导流极板接触电阻太大，而某些区域受到压紧力太大，导致极板变形或碎裂，或导致电极受伤。

2.这种燃料电池堆靠拉杆紧固装配在燃料电池受热膨胀或冷缩时，燃料电池堆的前、后端板上受到的压力大不一样，严重时会导致极板或电极受伤。

每次这种燃料电池堆靠拉杆紧固装配时都必须花大量时间，无法实现大规模地快速装配与测试。

为了克服上述缺陷，上海神力科技有限公司申请了专利“一种适合燃料电池大规模快速装配与测试的装配架”(发明专利申请号：200410066321，实用新型专利申请号：200420090002)，但该发明及实用新型专利申请仍存在以下不足之处：一般情况下，燃料电池堆组装后要进行性能测试，测试时间短则一、二十小时，长则数十小时甚至几天；由于现有的电堆测试装置不包括电力输出单元，因此，在燃料电池堆测试过程中所产生的电力无法输送到需要电力的场合。传统的做法是将燃料电池堆发出的电力点亮灯泡以消耗部分电力，这样做法浪费非常严重，尤其是当燃料电池堆批量生产时，在电堆测试车间所发出的电力是大量的，如果还按传统做法，其浪费的电力非常可惜。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种兼具发电功能的燃料电池堆测试装置，该测试装置可将电堆测试过程中所发出的电力提供给电网或用户使用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种兼具发电功能的燃料电池堆测试装置，包括工作台、燃料电池堆、定位导杆、压力可调压紧单元、数据采集与处理单元，所述的工作台设有用于支承燃料电池堆和压力可调压紧单元的板式台面，所述的燃料电池堆设在台面的一端，该燃料电池堆包括单电池、集流母板、前后端板，所述的压力可调压紧单元设在台面的另一端，该压力可调压紧单元设有顶杆，该顶杆推动燃料电池堆的后端板沿轴向向前端板方向做压紧动作，所述的定位导杆设有至少两根，该定位导杆沿轴向垂直穿设于燃料电池堆的前后端板上，所述的数据采集与处理单元外设，该单元采集燃料电池堆的各种数据后进行记录与处理；其特征在于，还包括电力输出单元，该电力输出单元将燃料电池堆在测试过程中发出的电力输送给公共电网或者直接提供给用户使用。

所述的电力输出单元包括直流-直流变换器，和/或直流-交流变换器，和/或变频器，该电力输出单元将燃料电池堆所输出的直流电变换成用户所需要的特定的电流电压或频率范围的直流或交流电。

所述的压力可调压紧装置包括活塞式气缸、气缸固定前端板、气缸固定后端板、顶杆、固定拉杆、连接套筒，所述的顶杆为与汽缸活塞连接的顶出机构，所述的固定拉杆沿轴向穿设于气缸固定前、后端板的四个角部并予以固定，所述的连接套筒将固定拉杆与燃料电池堆的金属拉杆套接，所述的顶杆推动燃料电池堆后端板沿轴向向前端板方向做压紧动作。

所述的压力可调压紧装置采用液压千斤顶代替活塞式气缸。

所述的定位导杆设有四根，分别设在需装配与测试的燃料电池堆前后端板的左右与底部，其中，左右两根为定位导杆，底部两根为除了定位之外，还具有支撑燃料电池堆作用的表面光滑的导杆。

所述的燃料电池堆的前端板上集中设置空气进出口、氢气进出口以及冷却流体进出口。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1.可以准确无误地将前、后端板、正负集流导电母板及数个单电池等部件按次序装入装配架；装配架上有精确度很高的二根以上的导杆组成，可以让上述所有部件自动对齐。

2.装配架后端有一自动、压力可调的压紧装置，可以由采用一种液压千斤顶式的压紧装置或充气气压活塞式气缸压紧装置；

3.按上述预设压力要求压紧后，压紧压力一般在单电池每平方厘米受力2～10公斤左右，可以将上述燃料电池堆前、后端板穿上拉杆，并用手拧上紧固螺帽，当松开上述压紧装置时，也就是说压紧装置去掉对燃料电池堆的压力时，拉杆与紧固螺帽继续对前、后端板压紧，所施压力与上述压紧装置相同。

4.燃料电池堆在上述装配架上，并按预设压力压紧后，也可以暂时不穿上拉杆与紧固螺帽，直接进行燃料电池堆的运行测试。如发现有质量问题的单电池或部件，可以立即解除压紧装置中的压力，并且进行快速更换，随后又重新施加压紧装置上的压力，并继续进行运行测试，直至整个燃料电池堆运行性能达到产品技术指标要求。

5.本发明还包括电力输出单元，该电力输出单元将燃料电池堆在测试过程中发出的电力输送给公共电网或者直接提供给用户使用，从而大大节约了能源。

附图说明

图1为现有燃料电池堆导流极板的结构示意图；

图2为现有燃料电池堆膜电极的结构示意图；

图3为现有燃料电池堆的结构示意图；

图4为本发明的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图4所示，一种兼具发电功能的燃料电池堆测试装置，包括工作台1、燃料电池堆4、定位导杆3、压力可调压紧单元2、数据采集与处理单元5、电力输出单元6，所述的工作台1设有用于支承燃料电池堆和压力可调压紧单元的板式台面11，所述的燃料电池堆4设在台面11的一端，该燃料电池堆4由120个单电池以串联方式叠加成堆，每个单电池由一块双极板与一张电极组成，双极板(内置冷却流体夹层)尺寸是206×206×1.5mm，该燃料电池堆4还包括集流母板、前后端板41、42，所述的压力可调压紧单元2设在台面11的另一端，该压力可调压紧单元设有顶杆21，该顶杆21推动燃料电池堆的后端板42沿轴向向前端板41方向做压紧动作，所述的定位导杆3设有四根，该定位导杆3沿轴向垂直穿设于燃料电池堆的前后端板41、42上，所述的数据采集与处理单元5外设，该单元采集燃料电池堆的各种数据后进行记录与处理，所述的电力输出单元6将燃料电池堆在测试过程中发出的电力输送给公共电网或者直接提供给用户使用。

所述的压力可调压紧装置2包括活塞式气缸22、气缸固定前端板221、气缸固定后端板222、顶杆21、固定拉杆23、连接套筒24，所述的顶杆21为与汽缸活塞连接的顶出机构，所述的固定拉杆23沿轴向穿设于气缸固定前、后端板221、222的四个角部并予以固定，所述的连接套筒24将固定拉杆23与燃料电池堆4的金属拉杆43套接，所述的顶杆21推动燃料电池堆4后端板42沿轴向向前端板41方向做压紧动作。

所述的燃料电池堆4的前端板41上集中设有氢气进出口411、411’，空气进出口412、412’以及冷却水进出口413、413’。

本实施例中，燃料电池堆4由前端板、正极导电集流母板、120个单电池、负极导电集流母板以及后端板组成。单电池高206mm，宽206mm。装配架上有四根定位导杆，底部二根定位导杆(图未示)，左、右二根定位导杆3。其中底部二根供支撑燃料电池堆之用，表面做得非常光滑，有利于当燃料电池堆受到压紧装置压力而紧缩时可以滑动；左、右二根定位导杆3距离比206mm稍宽0.05～0.20mm，有利于各个单电池装配整齐。

压紧装置采用一个活塞式气缸2，当气缸22中充入空气或氮气六个大气压时，活塞向燃料电池堆后端板移动，活塞顶杆21将后端板42压紧。此时，将燃料电池堆4前端板41上的三种流体进、出口用管子引出，直接进行燃料电池堆运行测试。燃料电池堆输出电压为120V～50V，输出电流为0～400A，输出功率为0～20千瓦。

本实施例的电力输出单元6包括直流-交流变换器(输入直流电压范围是120V～50V)、变频器，该电力输出单元将燃料电池堆所输出的120V～50V之间的直流电变换成电网所需要的220V、50Hz的交流电。

实施例2

本实施例的电力输出单元6包括直流-直流变换器，该电力输出单元将燃料电池堆所输出的直流电变换成用户直流水泵所需要的特定电流电压范围(120V～50V)的直流电。其余结构与实施例1相同。

Claims (5)

1. 一种兼具发电功能的燃料电池堆测试装置，包括工作台、燃料电池堆、定位导杆、压力可调压紧单元、数据采集与处理单元，所述的工作台设有用于支承燃料电池堆和压力可调压紧单元的板式台面，所述的燃料电池堆设在台面的一端，该燃料电池堆包括单电池、集流母板、前后端板，所述的压力可调压紧单元设在台面的另一端，该压力可调压紧单元设有顶杆，该顶杆推动燃料电池堆的后端板沿轴向向前端板方向做压紧动作，所述的定位导杆设有至少两根，该定位导杆沿轴向垂直穿设于燃料电池堆的前后端板上，所述的数据采集与处理单元外设，该单元采集燃料电池堆的各种数据后进行记录与处理；其特征在于，还包括电力输出单元，该电力输出单元将燃料电池堆在测试过程中发出的电力输送给公共电网或者直接提供给用户使用。

2. 根据权利要求1所述的一种兼具发电功能的燃料电池堆测试装置，其特征在于，所述的电力输出单元包括直流-直流变换器，和/或直流-交流变换器，和/或变频器，该电力输出单元将燃料电池堆所输出的直流电变换成用户所需要的特定的电流电压或频率范围的直流或交流电。

3. 根据权利要求1所述的一种兼具发电功能的燃料电池堆测试装置，其特征在于，所述的压力可调压紧装置包括活塞式气缸、气缸固定前端板、气缸固定后端板、顶杆、固定拉杆、连接套筒，所述的顶杆为与汽缸活塞连接的顶出机构，所述的固定拉杆沿轴向穿设于气缸固定前、后端板的四个角部并予以固定，所述的连接套筒将固定拉杆与燃料电池堆的金属拉杆套接，所述的顶杆推动燃料电池堆后端板沿轴向向前端板方向做压紧动作。

4. 根据权利要求1所述的一种兼具发电功能的燃料电池堆测试装置，其特征在于，所述的定位导杆设有四根，分别设在需装配与测试的燃料电池堆前后端板的左右与底部，其中，左右两根为定位导杆，底部两根为除了定位之外，还具有支撑燃料电池堆作用的表面光滑的导杆。

5. 如权利要求1所述的一种兼具发电功能的燃料电池堆测试装置，其特征在于，所述的燃料电池堆的前端板上集中设置空气进出口、氢气进出口以及冷却流体进出口。

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