CN104006935A - 燃料电池双极板透气率测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池双极板透气率测定装置，包括底座，底座上固定连接有第一立柱、第二立柱以及低压室，第一立柱铰接有上连接板，上连接板用铰接形式通过V型连接板连接有高压室，第二立柱铰接有转轴，转轴连接有手柄，高压室与低压室之间设有双极板，高压室还连接有高压室气管、贯穿于高压室的U型高压室水管和高压室喷气嘴，低压室还连接有低压室气管、贯穿于低压室的U型低压室水管和低压室喷气嘴。本装置具有结构简单、操作方便、效率高，压下时压块能始终保持平行压下，且压力均衡、密封可靠，对于不同板厚的双极板可以方便的通过加垫块来调节高度的特点。与目前测量方法相比，本发明具有成本低，操作方面，通用性强，可调节等特点。

Description

燃料电池双极板透气率测定装置

技术领域

本发明涉及一种透气率测定装置，特别是涉及一种燃料电池双极板透气率的测定装置。

背景技术

燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。燃料电池是由催化剂的阳极，阴极和离子导电的电解质构成。燃料电池在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，电子从阳极通过负载流向阴极构成回路，产生电能而驱动负载工作。燃料电池与常规电池不同在于，它工作时需要连续不断地输入燃料和氧化剂，通过电化学反应生成水，并释放出电能；只要保持供应，电池就会不断工作提供电能。

依据电解质的不同，燃料电池可分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳盐酸燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)及质子交换膜燃料电池(PEMFC)等。

双极板是燃料电池的一个重要部件，对燃料电池的性能、重量、体积和成本起到关键作用。双极板的功能为：(1)分隔氧化剂与还原剂，要求双极板具有阻气功能，不能用多孔透气材料；(2)具有集流作用，因此必须是电的良导体；(3)已开发的几种燃料电池，电解质为酸(H⁺)或碱(OH^-)，故双极材料在工作单位下，并有氧化介质(如氧气)或还原介质(如氢气)存在时，必须具有抗腐蚀能力；(4)在双极板两侧加工或置有使反应气体均匀分布的流道，即所谓的流场，以确保反应气在整个电极各处能均匀分布；(5)应是热的良导体，以确保电池组的温度均匀分布和排热方案的实施。

至今PEMFC电池广泛采用的双极板材料为无孔石墨板，如开有蛇形流场的石墨板双极板。正在开发表面的改性的金属板和复合材料双极板，如金属双极板。但由于PEMFC双极板一侧为湿的氧化剂，如氧；另一侧为湿的还原剂，如氢；由于质子交换膜极微量降解，生成水的PH值为微弱酸性。在这种环境下，用金属(如不锈钢)作双极板材料、会导致氧电极侧氧化膜增厚，增加接触电阻，降低电池性能，性能上不如石墨板。

PEMFC双极板材料必须耐腐蚀，具有高的导电、导热性能、阻气性能好。目前主要使用的双极板材料有四种，人造石墨(无孔石墨)双极板，金属改性双极板，炭/炭复合材料双极板和柔性石墨双极板。人造石墨双极板耐腐蚀，阻气性能较好，但加工过程复杂，成本较高；金属改性双极板阻气性能好，易加工，但耐腐蚀性能差，成本也比较高；炭/炭复合材料双极板成本较低，加工比较简单，但阻气性能和导电性较差；柔性石墨双极板加工简单，具有耐腐蚀、导电、导热性能好等优点，因此是一种比较理想的双极板。炭/树脂复合材料双极板制造简单，但性能不如纯石墨材料。

透气率是指固体散料层允许气体通过的难易程度，也是衡量混合料孔隙率的标志。在一定的压差(真空度)条件下，透气性用单位时间内通过单位面积和一定料层高度的气体量来表示。当抽风面积和料层高度一定时，单位时间内通过料层的空气量愈大，则表明烧结料层的透气性愈好。

燃料电池的双极板要求有气密性，不能让气体穿过双极板，因此必须检测复合材料双极板的气体穿透性。对于氢-氧燃料电池，在双极板两侧流动的是氢气和氧气，由于氢气的穿透性要比氧气的穿透性强，所以一般选择氢气为复合板透过性实验的检测气体。

发明内容

发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种可用于测定各种材料制造的燃料电池双极板透气率，也可用于其他板件如金属板，塑料板等的透气性能测试，具有结构紧凑，成本低，操作方便，重复性高等特点的双极板透气率测定装置。

技术方案：本发明所述的一种燃料电池双极板透气率测定装置，包括底座，所述底座上固定连接有第一立柱、第二立柱以及低压室，所述第一立柱铰接有上连接板，所述上连接板用铰接形式通过V型连接板连接有高压室，所述第二立柱铰接有转轴，所述转轴螺纹连接有手柄，所述高压室与低压室之间设有双极板，所述高压室还连接有高压室气管、贯穿于所述高压室的U型高压室水管和高压室喷气嘴，所述低压室还连接有低压室气管、贯穿于所述低压室的U型低压室水管和低压室喷气嘴。

作为优化，所述手柄和上连接板之间设有开口垫圈。

作为优化，所述高压室、低压室与双极板接触面设有密封橡胶圈，防止氢气泄漏。

作为优化，所述高压室气管以及低压室气管上分别设有截止阀和压力表。

作为优化，所述高压室和低压室上分别设有测温探头。

作为优化，所述高压室气管、低压室气管、高压室水管以及低压室水管均为软管管体结构。

作为优化，还包括气源、气源阀、真空泵、放空阀以及隔断阀。

作为优化，该装置采用压差法中的真空法来测定双极板的透气率。

作为优化，该装置测量时外接有计算机。

有益效果：本检测装置具有结构简单，操作方便、效率高，压下时压块能始终保持平行压下，且压力均衡、密封可靠，对于不同板厚的双极板可以方便的通过加垫块来调节高度的特点。与目前测量方法相比，本发明具有成本低，操作方面，通用性强，可调节等特点。

附图说明

图1为本发明的主视图。

图2为本发明的俯视图。

图3为本发明的侧视图。

图4为本发明的测量原理图。

具体实施方式

如图1到图3所示的一种燃料电池双极板透气率测定装置，包括底座1，底座1上固定连接有第一立柱2、第二立柱10以及低压室6，第一立柱2铰接有上连接板3，上连接板3用铰接形式通过V型连接板13连接有高压室4，第二立柱10铰接有转轴8，转轴8螺纹连接有手柄9，手柄9和上连接板3之间设有开口垫圈14。高压室4与低压室6之间设有双极板7，高压室4、低压室6与双极板7接触面设有密封橡胶圈5，防止氢气泄漏。高压室4还连接有高压室气管15、贯穿于所述高压室4的U型高压室水管17和高压室喷气嘴19，低压室6还连接有低压室气管16、贯穿于所述低压室6的U型低压室水管18和低压室喷气嘴20，高压室气管15以及低压室气管16上分别设有截止阀11和压力表12，高压室4和低压室6上分别设有测温探头21。

本装置采用压差法中的真空法来测定双极板的透气率(测量原理如图4所示)，真空法是压差法中最具代表性的一种测试方法，参照GB/T1038-2000，给出测定原理示意图及测量步骤以及结果计算：

(1)按GB/T6672测量试样厚度至少测量5点取算术平均值；

(2)关闭透气室各针阀，开启真空泵。开启低压室针阀，在上盖的凹槽内放置密封圈盖好上盖并紧固。打开高压室针阀及隔断阀开始抽真空直到27Pa以下并继续脱气以排除试样所吸附的气体等；

(3)关闭隔断阀，打开试验气瓶和气源开关向高压室充试验气体高压室的气体压力应在(1.0～1.1)×10⁵Pa范围内。压力过高时应开启隔断阀排出；

(4)关闭高、低压室排气针阀开始透气试验；

(5)为剔除开始试验时的非线性阶段应进行10min的预透气试验。随后开始正式透气试验记录低压室的压力变化值Δp和试验时间t。继续试验直到在相同的时间间隔内压差的变化保持恒定达到稳定透过。至少取3个连续时间间隔的压差值求其算术平均值以此计算该试样的气体透过量及气体透过率。

结果计算：

(1)气体透过量Q_g按照式(1)计算：

$Q_g=\frac{\mathrm{\Δp}}{\mathrm{\Δt}}\×\frac{V}{S}\×\frac{T_0}{p_{0}T}\×\frac{24}{(p_1-p_2)}---\left(1\right)$

式中Q_g-材料的气体透过量，cm³/m²·d·Pa；

Δp/Δt-在稳定透过时，单位时间内低压室气体压力变化的算术平均值，Pa/h；

V-低压室体积，cm³；

S-试样的试验面积，m²；

T-试验温度，K；

p₁-p₂试样两侧的压差，Pa；

T₀，p₀-标准状态下的温度(273.15K)和压力(10133×10⁵pa)。

(2)气体透过系数p_g按照式(2)计算：

$p_g=\frac{\mathrm{\Δp}}{\mathrm{\Δt}}\×\frac{V}{S}\×\frac{T_o}{p_{o}T}\×\frac{D}{(p_1-p_2)}---\left(2\right)$

式中□p_g-材料的气体透过率cm³·cm/(cm²·s·Pa)；

Δp/Δt-在稳定透过时，单位时间内低压室气体压力变化的算术平均值，Pa/s；

T-试验温度，K；

D-试样厚度，cm。

利用上述测量原理，本装置(图1到图3所示，测试原理图中的气源，气源阀，隔断阀，真空泵，放空阀未画出)的测量过程如下：

测量时，将双极板放置在高压室和低压室之间，并上下压室与双极板接触端有密封用的一圈橡胶垫，以防止氢气泄露，然后将高压室盖在双极板上，将开口垫圈放在手柄及上连接板之间，双极板试样厚度一般为1～10mm，试样厚度增加时，可在上连接板和手柄之间增加垫片，以保证高压室平行压下，拧紧手柄压住上连接板，上连接板通过V型连接板将双极板压紧于高低压室之间，按照测量原理开始测量。测试时可外接计算机等，通过采集信息及软件处理等功能，实现测试结果的数字显示。

测试装置的开合依靠旋转手柄完成，手柄下放置开口垫圈。测量完成后，拧松手柄并取下开口垫圈(操作方便)，手柄带动转轴向下旋转，将上连接板抬起，上连接板带起高压室，取下试样，测试完成。

高压室和低压室设置的水管中可注入一定温度的水(由外部水箱供给的循环水，水的温度通过外部水箱加热系统调节)，用于调节测试腔中的温度，并设置测温探头，可测出在特定温度下双极板的透气系数。温度检测即可通过测量压块腔内达到平衡时的温度来间接获得双极板的温度，也可把测温探头从侧面接触双极板，而直接获得双极板温度。

由于双极板工作环境具有一定的湿度，在高压室和低压室上设置喷水嘴，可向高压室和低压室腔喷入一定的雾化水汽(保证上低压室喷入水汽压强相同，防止水汽对测试结果产生干扰)，这样就可测出在真实工作状态下，即具有一定温度和湿度情况下，双极板的透气系数大小。

由于高压室在安装双极板过程中会抬起，因此靠近高压室连接的进气管及水管要用软管连接。

本方法适用于双极板的透气率检测，可以是石墨双极板、金属板或石墨/树脂复合双极板。因质子交换膜燃料电池工作时有热产生，双极板温度会上升到60℃左右，且氢和氧混合后生成水，会存在双极板流道上，特别是石墨/树脂复合双极板的透气率受温度和湿度影响大，所以本方法除结构先进外，还可模拟双极板真实的工作状态，如可通过调节循环水温度来调节双极板温度，通过喷水嘴喷入雾化水来调节双极板表面湿度，所以检测结果更具有实际应用价值。

本检测装置具有结构简单，操作方便、效率高，压下时压块能始终保持平行压下，且压力均衡、密封可靠，对于不同板厚的双极板可以方便的通过加垫块来调节高度的特点。与目前测量方法相比，本发明具有成本低，操作方面，通用性强，可调节和更符合实际工作环境等特点。

本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种燃料电池双极板透气率测定装置，其特征在于：包括底座(1)，所述底座(1)上固定连接有第一立柱(2)、第二立柱(10)以及低压室(6)，所述第一立柱(2)铰接有上连接板(3)，所述上连接板(3)用铰接形式通过V型连接板(13)连接有高压室(4)，所述第二立柱(10)铰接有转轴(8)，所述转轴(8)螺纹连接有手柄(9)，所述高压室(4)与低压室(6)之间设有双极板(7)，所述高压室(4)还连接有高压室气管(15)、贯穿于所述高压室(4)的U型高压室水管(17)和高压室喷气嘴(19)，所述低压室(6)还连接有低压室气管(16)、贯穿于所述低压室(6)的U型低压室水管(18)和低压室喷气嘴(20)。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板透气率测定装置，其特征在于：所述手柄(9)和上连接板(3)之间设有开口垫圈(14)。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板透气率测定装置，其特征在于：所述高压室(4)、低压室(6)与双极板(7)接触面设有密封橡胶圈(5)。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板透气率测定装置，其特征在于：所述高压室气管(15)以及低压室气管(16)上分别设有截止阀(11)和压力表(12)。

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板透气率测定装置，其特征在于：所述高压室(4)和低压室(6)上分别设有测温探头(21)。

6.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板透气率测定装置，其特征在于：所述高压室气管(15)、低压室气管(16)、高压室水管(17)以及低压室水管(18)均为软管管体结构。

7.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板透气率测定装置，其特征在于：还包括气源、气源阀、真空泵、放空阀以及隔断阀。

8.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板透气率测定装置，其特征在于：该装置采用压差法中的真空法来测定双极板的透气率。

9.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板透气率测定装置，其特征在于：该装置测量时外接有计算机。