CN102323454B - 燃料电池测试夹具及其装配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种燃料电池测试夹具及其装配方法，所述装置包括：行走压紧机构、固定外框、上绝缘板、下绝缘板、集成集电板的双极板和导向燕尾槽板，所述行走压紧机构包括压台和定位头，行走压紧机构固定在固定外框上；所述上绝缘板固定在压台上，下绝缘板固定在固定外框上；所述集成集电板的双极板，包括集成集电板的上极板和下极板，所述集成集电板的上极板固定在上绝缘板中，集成集电板的下极板固定在下绝缘板中；所述导向燕尾槽板固定在固定外框上，压台嵌于导向燕尾槽板中。本发明解决电解质膜在导电率和单电池性能测试中的夹持问题，同时通过设计微调，使其成为通用型燃料电池电解质膜的导电率和单电池性能测试夹具。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种新能源技术领域的测试工具，尤其涉及低、中温燃料电池领域关于电解质膜的电导率和单电池性能的测试夹具，即燃料电池测试夹具及其装配方法。
背景技术
燃料电池由于具有高的能量转换效率、绿色无污染、多元化能源等诸多优点，成为21世纪重要的潜在新能源发展方向。燃料电池的核心部件是传导离子并隔绝电子的电解质膜，电解质膜的优劣直接影响燃料电池的输出性能。目前，低温燃料电池通常采用以美国杜邦公司的Nafion®为代表的聚合物电解质膜。Nafion®类聚合物质子膜有高质子电导率和良好化学稳定性，但也有成本高、水分子吸附导致溶胀、甲醇渗透率高、工作温度和湿度窗口窄等问题。为此，研究者相继开发了有机-无机复合电解质膜和无机电解质膜。在对电解质膜的性能评价中，膜电极（MEA）装配后的单电池性能测试最为关键。由于目前均以Nafion®作为测评对象，因此在对电解质膜的性能评价中仍沿用传统的单电池夹具来测试(如专利US 2010/0196800 A1中图7所示结构)。此类测试夹具存在如下缺点：1.电池装配复杂，体现在膜电极的对中和压紧密封上，并且使用较多（一般四个以上）紧固螺栓，导致装配费时；2.此类夹具在电池装配上依靠很高的预紧力来保证电池的密封和集电板的良好接触，然而在有机-无机复合电解质膜和无机电解质膜材料的单电池性能测试中，由于膜材料的差异，传统夹具难以控制电池密封和膜电极预紧力。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种燃料电池测试夹具及其装配方法，旨在解决电解质膜在导电率和单电池性能测试中的夹持问题，同时通过设计微调，使其成为通用型燃料电池电解质膜的导电率和单电池性能测试夹具。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种燃料电池测试夹具，包括：行走压紧机构、固定外框、上绝缘板、下绝缘板、集成集电板的双极板（上、下极板）和导向燕尾槽板，所述行走压紧机构包括压台和定位头，行走压紧机构固定在固定外框上；所述上绝缘板固定在压台上，下绝缘板固定在固定外框上；所述集成集电板的上极板固定在上绝缘板中，集成集电板的下极板固定在下绝缘板中；所述导向燕尾槽板固定在固定外框上，压台嵌于导向燕尾槽板中。
所述定位头包括平面轴承、轴用挡圈以及定位止动螺钉，所述平面轴承、定位止动螺钉设置在固定外框上，并通过轴用挡圈固定。
所述上绝缘板包括上绝缘基板，所述上绝缘基板上设有绝缘板燕尾槽导向板，双极板定位孔，以及绝缘板导向燕尾槽。
所述双极板，其中间设有双极板流场、密封槽，还设有与密封槽连通的进出孔道，并且设有温度传感器孔、加热棒孔以及定位孔。
所述行走压紧机构依靠小螺距（0.5mm机械丝杆或者更为精确的步进电机）来控制压力施加速度和大小，其压力大小可通过在集成集电板的上极板底部或集成集电板的下极板上部安装薄片式压力传感器来实现精密微调。
为保证行走压紧机构在对电解质膜或者单电池膜电极的压制过程中始终保证垂直施压，对压台进行了燕尾槽导向配合处理。通过压台突出的燕尾槽滑块和固定在固定外框的燕尾槽配合，实现了压台的垂直升降。同时为了减小行走过程的摩擦力，对定位头和固定外框的接触处引入平面轴承等降低阻力措施。
电解质膜的有效活化面积两侧对中通过上下绝缘板定位集成集电板的双极板来实现。绝缘板同时起到绝缘上下集电板和定位集成集电板的双极板的作用。其中上绝缘板采用燕尾槽结构或者其他类似配合结构以保证在压紧之前集成集电板的上极板可以悬空，并且易于拆卸。
所述集电板和双极板预先通过螺纹预紧配合，同时为了进一步增强集电板和双极板之间的接触，可通过对双极板和集电板进行增大有效接触面积（沟槽凸凹设计或者夹持软体导电材料）的方法来处理。对于不同的测试条件，只须对集成集电板的双极板在上下接触电解质膜或者单电池膜电极的表面进行对应的形状设计和处理。
本发明还提供一种燃料电池测试夹具的装配方法，具体为：
第一步，将压紧行走机构定位头和压台和上绝缘板分别固定在固定外框上。
第二步，固定压台与上绝缘板，同时将导向燕尾槽板固定在固定外框上。
第三步，固定膜导电率或单电池性能测试用双极板与集电板。
第四步，将集成集电板的上、下极板分别安放在上下绝缘板中并固定。
第五步，将预先制备的膜电极或者电解质膜夹持在上下极板中。
本发明的设计思路以及优点：1.通过对上下极板的固定实现电解质膜和单电池膜电极上下之间有效面积的对中；2.通过对双极板和集电板的预先配合，降低了所需施加在单电池膜电极和电解质膜的预紧力；3.通过引入行走压紧机构（精密丝杆行走机构）和选配的压力传感器实现了单电池膜电极和电解质膜预紧力的精密微调和精确控制；4.省去了通常燃料电池单电池夹具所需要的紧固螺栓，节省装配时间。综合上述设计，实现了电池测试夹具的通用性和装配简单化。
附图说明
图1:本发明一实施例的总体结构示意图。
图2:本发明一实施例中行走压紧机构、固定外框和上绝缘板装配示意图。
图3:本发明一实施例中上绝缘板、集电板、双极板装配示意图。
图4:本发明一实施例中双极板与集电板之间的预紧配合示意图。
图5:本发明一实施例中圆形流场双极板示意图。
图6:本发明一实施例中方形流场双极板示意图。
图中符号说明
:
1定位头，1-a平面轴承，1-b轴用挡圈，1-c定位止动螺钉；2固定外框，3压台；4上绝缘板，4-a 绝缘基板，4-b 绝缘板燕尾槽导向板，4-c双极板定位孔，4-d绝缘板导向燕尾槽；5集电板；6双极板，6-a 双极板流场，6-b 密封槽，6-c 进出孔道，6-d 温度传感器孔，6-e 加热棒孔，6-f 定位孔；7下绝缘板；8外框燕尾槽导向板；9预紧套件。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本发明提供一种燃料电池测试夹具，包括：行走压紧机构、固定外框2、上绝缘板4、下绝缘板7、集成集电板5的双极板6和外框燕尾槽导向板8，所述行走压紧机构包括压台3和定位头1，行走压紧机构固定在固定外框2上；所述上绝缘板4固定在压台3上，下绝缘板7固定在固定外框2上；所述集成集电板5的双极板6，其中上级板固定在上绝缘板4中，下级板固定在下绝缘板7中；所述压台3与外框燕尾槽导向板8通过上绝缘板4上的燕尾槽配合。
如图2所示，所述定位头1包括平面轴承、轴用挡圈以及定位止动螺钉，所述平面轴承、定位止动螺钉设置在固定外框2上，并通过轴用挡圈固定。
如图3所示，所述上绝缘板4包括上绝缘基板4-a，所述上绝缘基板4-a上设有绝缘板燕尾槽导向板4-b，双极板6定位孔4-c以及绝缘板导向燕尾槽4-d。
如图4所示，所述集电板5和双极板6预先通过预紧套件9（螺纹预紧）配合，同时为了进一步增强集电板5和双极板6之间的接触，可通过对双极板6和集电板5进行增大有效接触面积（沟槽凸凹设计或者夹持软体导电材料）的方法来处理。对于不同的测试条件，只须对集成集电板5的双极板6在上下接触电解质膜或者单电池膜电极的表面进行对应的形状设计和处理。
所述双极板6，其材质为碳、钛、不锈钢、镀金碳、镀金钛、镀金不锈钢。
所述集电板5，其材质为铜、不锈钢、钛、镀金铜、镀金不锈钢、镀金钛。
如图5所示，为圆形流场双极板示意图，图中双极板6中间设有圆形流场6-a、密封槽6-b，双极板6上设有与密封槽6-b连通的进出孔道6-c，用于进出氢气（或者甲醇）/氧气（或空气），并且双极板6四周设有温度传感器孔6-d、加热棒孔6-e以及定位孔6-f。
如图6所示，为方形流场双极板示意图，双极板中间设有方形流场、密封槽。
实施例
1
1. 将定位头1安装平面轴承1-a以及定位止动螺钉，装入固定外框2上表面的中心孔中，由轴用挡圈1-b固定。同时将外框燕尾槽导向板8固定在固定外框2上；
2. 将上绝缘板基板4-a与绝缘板燕尾槽导向板4-b固定，而后将上绝缘板套件与压台3固定；
3. 将压台3与定位头1配合，并调整压台燕尾槽滑块与外框燕尾槽导向板8配合。后将绝缘板燕尾槽导向板4-b与固定外框2固定；
4. 将下绝缘板7与固定外框2固定；
5. 将圆形流场双极板6分别与集电板5固定，而后将双极板6与对应的绝缘板固定，并通过上绝缘板的定位孔4-c与其中的上极板固定；
6. 将集电板5与外接集电导线固定。
7. 将预先制备的膜电极或者电解质膜夹持在上下极板中。
实施例
2
1. 将定位头1安装平面轴承1-a以及定位止动螺钉，装入固定外框2上表面的中心孔中，由轴用挡圈1-b固定。同时将外框燕尾槽导向板8固定在固定外框上；
2. 将上绝缘板基板4-a与绝缘板燕尾槽导向板4-b固定，而后将上绝缘板套件与压台3固定；
3. 将压台3与定位头配合，并调整压台燕尾槽滑块与外框燕尾槽导向板8配合。后将绝缘板燕尾槽导向板4-b与固定外框2固定；
4. 将下绝缘板7与固定外框2固定；
5. 将方形流场双极板6分别与集电板5固定，而后将双极板6与对应的绝缘板固定，并通过上绝缘板的定位孔4-c与其中的上极板固定；
6. 将集电板5与外接集电导线固定。
7. 最后将预先制备的膜电极或者电解质膜夹持在上下极板中。
在具体的测试过程中，只须根据实际测试项目对集成集电板5的双极板6在上下接触单电池膜电极的表面进行对应的形状设计和处理。
对于电解质膜对压紧力有更为敏感的要求时，本发明还提供如下设计方案：可将行走压紧机构（包括定位头1和压台3）设计成步进电机，并由外电路控制，通过在集成集电板的下极板底部或者集成集电板的上极板上部安装的薄片式压力传感器的数字信号反馈来保证步进电机的精确行走。
同样对于聚合物电解质膜等可承受高强度预紧力的特点，本发明还提供如下设计方案：对双极板6四周的定位孔采取绝缘和贯通处理，并在固定外框2与双极板四周定位孔对应位置加装螺杆，以加大膜电极的预紧力。
对测试夹具采取不同的材料选择（如结构件部件，绝缘部件等）可以拓展电池测试夹具使其应用于100-300℃范围的中低温燃料电池测试夹具。
对于双极板6的加热将不仅局限于加热棒，贴片等加热方式同样适用于本发明装置。
因此本电池测试夹具在中低温燃料电池测试中将具有通用性。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (8)
1.一种燃料电池测试夹具，其特征在于该夹具包括：行走压紧机构、固定外框、上绝缘板、下绝缘板、导向燕尾槽板和集成集电板的双极板，所述行走压紧机构包括压台和定位头，行走压紧机构固定在固定外框上；所述上绝缘板固定在压台上，下绝缘板固定在固定外框上；所述集成集电板的双极板包括集成集电板的上极板和集成集电板的下极板，所述集成集电板的上极板固定在上绝缘板中，集成集电板的下极板固定在下绝缘板中；
所述集电板包括上集电板和下集电板，分别对应集成在所述双极板的上极板、下极板上，所述上集电板和所述上极板预先通过螺纹预紧配合构成集成集电板的上极板，所述下集电板和所述下极板预先通过螺纹预紧配合构成集成集电板的下极板，所述上集电板和所述上极板之间、所述下集电板和所述下极板之间进行增大有效接触面积的方法来处理；所述集成集电板的上极板、集成集电板的下极板接触电解质膜或者单电池膜电极的表面，根据测试条件进行对应的形状设计；
所述导向燕尾槽板固定在固定外框上，压台嵌于导向燕尾槽板中；所述压台设有突出的燕尾槽滑块，通过压台突出的燕尾槽滑块和固定在固定外框的燕尾槽配合，实现压台的垂直升降。
2.根据权利要求1所述的燃料电池测试夹具，其特征在于：所述定位头包括平面轴承、轴用挡圈以及定位止动螺钉，所述平面轴承、定位止动螺钉设置在固定外框上，并通过轴用挡圈固定。
3.根据权利要求1所述的燃料电池测试夹具，其特征在于：所述上绝缘板包括上绝缘基板，所述上绝缘基板上设有绝缘板燕尾槽导向板，双极板定位孔，以及绝缘板导向燕尾槽。
4.根据权利要求1所述的燃料电池测试夹具，其特征在于：所述集成集电板的双极板，其中间设有双极板流场、密封槽，还设有与密封槽连通的进出孔道，并且四周设有温度传感器孔、加热棒孔以及定位孔。
5.根据权利要求1所述的燃料电池测试夹具，其特征在于：所述行走压紧机构依靠小螺距来控制压力施加速度和大小，其压力大小通过在集成集电板的下极板底部或者集成集电板的上极板上部安装薄片式压力传感器来实现精密微调。
6.根据权利要求1所述的燃料电池测试夹具，其特征在于：所述行走压紧机构设有步进电机，步进电机由外电路控制，通过在集成集电板的下极板底部或者集成集电板的上极板上部安装的薄片式压力传感器的数字信号反馈来保证步进电机的精确行走。
7.根据权利要求4所述的燃料电池测试夹具，其特征在于：所述双极板四周的定位孔采取绝缘和贯通处理，并在固定外框与双极板四周的定位孔对应位置加装螺杆，以加大膜电极的预紧力。
8.一种采用权利要求1所述的燃料电池测试夹具的装配方法，其特征在于具体为：
第一步，将上绝缘板、行走压紧机构的定位头和压台分别固定在固定外框上；
第二步，固定压台与上绝缘板，同时将导向燕尾槽板固定在固定外框上；
第三步，固定膜导电率或单电池性能测试用双极板与集电板，所述上集电板和所述上极板预先通过螺纹预紧配合，所述下集电板和所述下极板预先通过螺纹预紧配合，形成集成集电板的上极板和集成集电板的下极板；
第四步，将集成集电板的上极板、集成集电板的下极板分别安放在上绝缘板、下绝缘板中并固定；
第五步，将预先制备的膜电极或者电解质膜夹持在集成集电板的上极板和集成集电板的下极板中。
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