CN105842072A - 一种金属双极板抗压和抗弯刚度一体式测试装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种金属双极板抗压和抗弯刚度一体式测试装置及方法。本装置由液压系统、支撑板、导套、导柱、传力杆、压板、压头、金属双极板、支撑台、滑块、滑轨、工作台、位移传感器、数据处理系统和液压控制系统构成。测试方法为，通过液压控制系统使压板或压头逐步增加压力对金属双极板进行冲压，观察数据处理系统中位移‑压力图像，图像中出现拐点处所对应的压力即为金属双极板所能承受的极限载荷。本发明为金属双极板抗压和抗弯刚度测试领域提供了一种可行有效的测试装置和使用方法，能够提前预测金属双极板所能承受的极限载荷，进而避免金属双极板因承受过大载荷变形失效所带来的损失。

Description

一种金属双极板抗压和抗弯刚度一体式测试装置及方法
一、技术领域
本发明涉及薄板件极限载荷测试技术，具体是一种金属双极板抗压和抗弯刚度一体式测试装置及方法。
二、背景技术
质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)是一种将化学能高效转化成电能的装置，他的主要燃料为氧气和氢气。PEMFC具有能量转化效率高、环境友好、室温快速启动、无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率与比能量高等突出特点，因而被认为是代替传统能源的最有力竞争者。阻碍PEMFC商业化应用的主要因素是成本太高。而双极板作为PEMFC的主要组成部分，占据了PEMFC成本的30％-45％。为了降低燃料电池的生产成本，同时由于金属材料自身具有的优点，金属双极板成为了PEMFC领域研究的热点。
由于金属双极板必须实现单池之间电的联结功能，所以金属双极板除了满足必须是电的良导体之外，还要实现金属双极板流场区脊部与气体扩散层的紧密接触以减小接触阻力。目前，绝大多数质子交换膜燃料电池的单池是用螺栓连接的方法装配形成电池堆，流场区脊部靠电池组装力与气体扩散层接触。但是，用冲压方法加工的普通金属双极板由于其厚度过于薄，刚度不足，抗变形能力差，再加上成形后易受到残余应力的影响，使其不可避免的发生翘曲变形。翘曲变形方向不固定，无规律，降低了金属极板的平面度，导致流场区脊部与气体扩散层接触不良，增大接触电阻，降低燃料电池性能。更甚者，若变形严重则反应物质和冷却液可能会渗漏，将使电池性能下降或失去工作能力。例如，质子交换膜燃料电池中的氢气渗漏还可能引发危险事故。
刚度是指构件或结构在外加载荷作用下抵抗弹性变形的能力，金属双极板的刚度主要是指金属双极板装配成电堆时在有可能不均匀分布的装配压力作用下抵抗弹性变形的能力。装配成电池堆时金属双极板整体都受到装配压力的作用，且装配压力的方向垂直于金属双极板所在的面，即沿着金属双极板所在面的法向。金属极板的变形指的是在受载方向的位移，也就是垂直于极板所在面方向的位移。因金属极板是薄层板料，其发生翅曲等弹性变形时，极板上的点在法向的位移最明显，在极板板面即切平面内的位移很小且可以忽略不计。目前关于金属双极板抵抗外压能力的测试装置几乎没有。因此，开发一种有利于提前测定金属双极板抗压和抗弯刚度的装置及方法是非常必要的。
经检索国内外专利文献，中国国家知识产权局2015年12月16日公开了公开号为CN204882241U，名称为“一种刚度测试装置及系统”，该发明主要通过测试支架对构件进行测试，这种方法固然简便易行，但是该装置使用压头，无法对金属双极板这样的构件整体部位进行刚度测试。中国国家知识产权局2014年06月25日公开了公开号为CN203672706U，名称为“一种抗弯强度测试试验装置”，该实用新型提供了一种抗弯强度测试试验装置，可以保证在进行检测时样品的稳定性，但是该装置无法记录构件发生弯曲时所能承受的最大压力值。此外，没有检索到能够同时满足测量构件抗压刚度与抗弯刚度的专利文献。
三、发明内容
为了克服现有技术的不足，在金属双极板承受较大载荷而变形失效之前预测其承载极限，防止金属双极板承受较大压力而失效，提供了一种金属双极板抗压和抗弯刚度一体式测试装置及方法。
本发明的技术方案是：由液压系统、支撑板、导套、导柱、传力杆、压板、压头、金属双极板、支撑台、滑块、滑轨、工作台、位移传感器、数据处理系统和液压控制系统构成。
工作台与支撑板为对应匹配的矩形刚性体，工作台左右两边分别固定一条导柱，在支撑板与工作台上固定的导柱对应的位置固定导套；导套内装弹簧并套装在导柱上，导套与导柱的配合关系为滑动配合；支撑板上方中心位置固定有液压系统装置，支撑板下方中心位置固定有传力杆；传力杆下端安装有压板或压头，压板为矩形刚性体，压头下端为半球形刚性体，压板或压头通过螺钉与传力杆连接；压板和压头上装有位移传感器，位移传感器外接数据处理系统，液压系统外接液压控制系统，液压控制系统与数据处理系统相连接。
滑轨截面形状为“工”字形，并通过螺钉固定在工作台上，左右放置；滑轨上嵌有两个滑块，滑轨与滑块为滑动配合，通过阻尼制动；每个滑块上方通过螺钉固定有长方体形支撑台，金属双极板水平放置于两个支撑台上。
优选的是，根据测试要求不同，压板、压头可以从传力杆上自由拆卸和安装。
优选的是，当测试金属双极板抗压刚度时，传力杆下方安装压板，移动滑块使两支撑台合并在一起并置于滑轨中间位置。
优选的是，当测试金属双极板抗弯刚度时，传力杆下方安装压头，移动滑块使两支撑台之间保持一定间隔，间隔距离稍微小于金属双极板长度，两支撑台关于传力杆轴线位置左右对称。
应用一种金属双极板抗压和抗弯刚度一体式测试装置实施的测试方法，当测试金属双极板抗压刚度时，包括以下步骤：
(1)按照测试要求，安放装置中各构件，将压板安装于传力杆下端，移动滑块使得两支撑台合并在一起，将金属双极板放于支撑台上方，准备测试；
(2)启动液压控制系统和数据处理系统，开始测试；
(3)通过调节液压控制系统使压板对金属双极板向下施加压力，且压力从零开始缓慢增加；
(4)从压板开始运动时，注意观察数据处理系统收集的位移-压力数据及图像；
(5)当数据处理系统显示的位移-压力图像出现拐点，得到金属双极板所能承受的最大压力，并记录拐点对应的压力大小；
(6)关闭液压控制系统与数据处理系统，取出失效后的金属双极板，完成测试。
应用一种金属双极板抗压和抗弯刚度一体式测试装置实施的测试方法，当测试金属双极板抗弯刚度时，包括以下步骤：
(1)按照测试要求，安放装置中各构件，将压头安装于传力杆下端，移动滑块使得两支撑台之间的距离略小于金属双极板的长度，将金属双极板放于支撑台上方，准备测试；
(2)启动液压控制系统和数据处理系统，开始测试；
(3)通过调节液压控制系统使压头对金属双极板向下施加压力，且压力从零开始缓慢增加；
(4)从压头开始运动时，注意观察数据处理系统收集的位移-压力数据及图像；
(5)当数据处理系统显示的位移-压力图像出现拐点，得到金属双极板抗弯曲极限载荷，并记录拐点对应的压力大小；
(6)关闭液压控制系统与数据处理系统，取出失效后的金属双极板，完成测试。
本发明的优点在于：提供一种金属双极板抗压和抗弯刚度一体式测试装置及方法，使得金属双极板受外载荷之前，提前预测其能承受的极限载荷，以防止施加较大的载荷使金属双极板变形失效，进而避免金属双极板失效带来的损失。
四、附图说明
图1为测试金属双极板抗压刚度装置结构示意图；
图2为图1中Ⅰ部位的局部放大图；
图3为测试金属双极板抗弯刚度装置结构示意图；
图4为图3中Ⅱ部位的局部放大图；
图5为滑块和滑轨装配时截面剖视图；
图6为测试金属双极板抗压和抗弯刚度时压板或压头的位移-压力曲线。
附图标记：
1、液压系统 2、支撑板 3、导套 4、导柱 5、传力杆 6、压板 7、压头 8、金属双极板 9、支撑台 10、滑块 11、滑轨 12、工作台 13、位移传感器 14、数据处理系统 15、液压控制系统
五、具体实施方式
结合说明书附图，进一步说明本发明的具体实施过程。
如图1、图2、图3、图4、图5所示，一种金属双极板抗压和抗弯刚度一体式测试装置，由液压系统1、支撑板2、导套3、导柱4、传力杆5、压板6、压头7、金属双极板8、支撑台9、滑块10、滑轨11、工作台12、位移传感器13、数据处理系统14和液压控制系统15构成。
工作台12与支撑板2为对应匹配的矩形刚性体，工作台12左右两边分别固定一条导柱4，在支撑板2与工作台12上固定的导柱4对应的位置固定导套3；导套3内装弹簧并套装在导柱4上，导套3与导柱4的配合关系为滑动配合；支撑板2上方中心位置固定有液压系统1，支撑板2下方中心位置固定有传力杆5；传力杆5下端安装有压板6或压头7，压板6为矩形刚性体，压头7下端为半球形刚性体，压板6或压头7通过螺钉与传力杆5连接；压板6和压头7上装有位移传感器13，位移传感器13外接数据处理系统14，液压系统1外接液压控制系统15，液压控制系统15与数据处理系统14相连接。
滑轨11截面形状为“工”字形，并通过螺钉固定在工作台12上，左右放置；滑轨11上嵌有两个滑块10，滑轨11与滑块10为滑动配合，通过阻尼制动；每个滑块10上方通过螺钉固定有长方体形支撑台9，金属双极板8水平放置于两个支撑台9上。
根据测试要求不同，压板6、压头7可以从传力杆5上自由拆卸和安装。当测试金属双极板8的抗压刚度时，传力杆5下方安装压板6，移动滑块10使两支撑台9合并在一起并置于滑轨11中间位置。当测试金属双极板8的抗弯刚度时，传力杆5下方安装压头7，移动滑块10使两支撑台9之间保持一定间隔，间隔距离稍微小于金属双极板8的长度，两支撑台9关于传力杆5轴线位置左右对称。
如图1、图3、图5、图6所示，利用该装置测试金属双极板8抗压刚度时的具体使用方法包括以下步骤：
(1)按照测试要求，安放装置中各构件，将压板6安装于传力杆5下端，移动滑块10使得两支撑台9合并在一起，将金属双极板8放于支撑台9上方，将液压控制系统15与液压系统1相连，液压控制系统15和位移传感器13分别与数据处理系统14相连，准备后续步骤；
(2)装置构件安放完毕后，启动液压控制系统15和数据处理系统14，进入测试程序；
(3)通过调节液压控制系统15使压板6对金属双极板8向下施加压力，且压力从零开始缓慢增加；
(4)压板6开始运动后，数据处理系统14收集得到液压控制系统15传来的压力F信息和位移传感器13传来的位移S信息，并进行数据处理建立F-S图像，此过程一定要注意观察图像走势；
(5)当数据处理系统14显示的F-S图像出现拐点，即压板6向下移动S0时得到金属双极板8所能承受的最大压力F0，并记录拐点对应的压力大小；
(6)关闭液压控制系统15与数据处理系统14，取出失效后的金属双极板8，完成测试。
如图2、图4、图5、图6所示，利用该装置测试金属双极板抗弯刚度时的具体使用方法包括以下步骤：
(1)按照测试要求，安放装置中各构件，将压头7安装于传力杆5下端，移动滑块10使得两支撑台9之间的距离略小于金属双极板8的长度，将金属双极板8放于两支撑台9上方，将液压控制系统15与液压系统1相连，液压控制系统15和位移传感器13分别与数据处理系统14相连，准备后续步骤；
(2)装置构件安放完毕后，启动液压控制系统15和数据处理系统14，进入测试程序；
(3)通过调节液压控制系统15使压头7对金属双极板8向下施加压力，且压力从零开始缓慢增加；
(4)压头7开始运动后，数据处理系统14收集得到液压控制系统15传来的压力F信息和位移传感器13传来的位移S信息，并进行数据处理建立F-S图像，此过程一定要注意观察图像走势；
(5)当数据处理系统14显示的F-S图像出现拐点，即压头7向下移动S0时得到金属双极板8所能承受的抗弯曲极限载荷，并记录拐点对应的压力F0大小；
(6)关闭液压控制系统15与数据处理系统14，取出失效后的金属双极板8，完成测试。
整个过程简单易行，并能准确测量金属双极板所能承受的抗压和抗弯曲极限载荷，可防止施加较大的载荷使金属双极板变形失效，进而避免金属双极板失效带来的损失。

Claims (6)

1.一种金属双极板抗压和抗弯刚度一体式测试装置，其特征为由液压系统、支撑板、导套、导柱、传力杆、压板、压头、金属双极板、支撑台、滑块、滑轨、工作台、位移传感器、数据处理系统和液压控制系统构成；
工作台与支撑板为对应匹配的矩形刚性体，工作台左右两边分别固定一条导柱，在支撑板与工作台上固定的导柱对应的位置固定导套；导套内装弹簧并套装在导柱上，导套与导柱的配合关系为滑动配合；支撑板上方中心位置固定有液压系统装置，支撑板下方中心位置固定有传力杆；传力杆下端安装有压板或压头，压板为矩形刚性体，压头下端为半球形刚性体，压板或压头通过螺钉与传力杆连接；压板和压头上装有位移传感器，位移传感器外接数据处理系统，液压系统外接液压控制系统，液压控制系统与数据处理系统相连接；滑轨截面形状为“工”字形，并通过螺钉固定在工作台上，左右放置；滑轨上嵌有两个滑块，滑轨与滑块为滑动配合，通过阻尼制动；每个滑块上方通过螺钉固定有长方体形支撑台，金属双极板水平放置于两个支撑台上。
2.如权利要求1所述的一种金属双极板抗压和抗弯刚度一体式测试装置，其特征在于：根据测试要求不同，所述压板、压头可以从传力杆上自由拆卸和安装。
3.如权利要求1所述的一种金属双极板抗压和抗弯刚度一体式测试装置，其特征在于：当测试金属双极板抗压刚度时，传力杆下方安装压板，移动滑块使两支撑台合并在一起并置于滑轨中间位置。
4.如权利要求1所述的一种金属双极板抗压和抗弯刚度一体式测试装置，其特征在于：当测试金属双极板抗弯刚度时，传力杆下方安装压头，移动滑块使两支撑台之间保持一定间隔，间隔距离稍微小于金属双极板长度，两支撑台关于传力杆轴线位置左右对称。
5.应用权利要求1所述的一种金属双极板抗压和抗弯刚度一体式测试装置实施的测试方法，当测试金属双极板抗压刚度时，包括以下步骤：
(1)按照测试要求，安放装置中各构件，将压板安装于传力杆下端，移动滑块使得两支撑台合并在一起，将金属双极板放于支撑台上方，准备测试；
(2)启动液压控制系统和数据处理系统，开始测试；
(3)通过调节液压控制系统使压板对金属双极板向下施加压力，且压力从零开始缓慢增加；
(4)从压板开始运动时，注意观察数据处理系统收集的位移-压力数据及图像；
(5)当数据处理系统显示的位移-压力图像出现拐点，得到金属双极板所能承受的最大压力，并记录拐点对应的压力大小；
(6)关闭液压控制系统与数据处理系统，取出失效后的金属双极板，完成测试。
6.应用权利要求1所述的一种金属双极板抗压和抗弯刚度一体式测试装置实施的测试方法，当测试金属双极板抗弯刚度时，包括以下步骤:
(1)按照测试要求，安放装置中各构件，将压头安装于传力杆下端，移动滑块使得两支撑台之间的距离略小于金属双极板的长度，将金属双极板放于支撑台上方，准备测试；
(2)启动液压控制系统和数据处理系统，开始测试；
(3)通过调节液压控制系统使压头对金属双极板向下施加压力，且压力从零开始缓慢增加；
(4)从压头开始运动时，注意观察数据处理系统收集的位移-压力数据及图像；
(5)当数据处理系统显示的位移-压力图像出现拐点，得到金属双极板抗弯曲极限载荷，并记录拐点对应的压力大小；
(6)关闭液压控制系统与数据处理系统，取出失效后的金属双极板，完成测试。
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