CN109888322B - 一种用于测试燃料电池的单电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于测试燃料电池的单电池，其包括：空气侧双极板、氢气侧双极板以及设置于二者之间的膜电极；空气侧双极板在其第一侧面上设置空气流道、且第一侧面与膜电极的第一表面贴合设置，氢气侧双极板也在其第三侧面上设置氢气流道、且第三侧面与膜电极的第二表面贴合设置；且空气侧双极板能够进行更换、不同的空气侧双极板上的空气流道的结构不相同，氢气侧双极板也能够进行更换、且不同的氢气侧双极板上的氢气流道的结构不相同，且膜电极也能进行更换。通过本发明能灵活的更换不同种类的膜电极试样和双极板试样，实现一套单电池测试系统对多种膜及双极板的性能测试，测试范围和适用范围大大增加，且效率高、成本低廉。
Description
技术领域
本发明属于电池技术领域，具体涉及一种用于测试燃料电池的单电池。
背景技术
燃料电池是一项非常有前景的能源技术，与现有的传统能量转化技术相比，燃料电池具有许多优点，包括更高的能量转化效率、污染物零排放、无运动部件工作安静等。燃料电池有多种类型，本发明聚焦在质子交换膜燃料电池（PEMFC）领域。质子交换膜燃料电池结构示意图如图1所示。
在质子交换膜燃料电池中，膜电极和双极板是最核心的两个部件。氢气、氧气分别在膜电极上的阳极和阴极上，在催化剂的作用下发生反应，产生电流；而双极板为电堆起结构支撑，为参与反应的氢气、空气及冷却电堆的冷却液三种介质提供流通通道，又将三种介质隔离开，同时还起着导电作用，将各个单电池串联成一个整堆。可以说，膜电极和双极板性能的优劣直接决定了燃料电池的性能表现。对于膜电极而言，膜自身材料和催化剂涂氟工艺会对膜电极的性能有较大影响；对于双极板而言，无论是石墨双极板、金属双极板或是复合材料双极板，氢气、氧气及冷却液流道的设计是影响燃料电池发电性能的重要因素。
膜电极和双极板的对燃料电池而言如此重要，故燃料电池设计之初，就必须对将要应用的膜电极和双极板性能有必要的测试和较为全面的了解。由于膜电极和双极板的制作工艺复杂，成本高昂，一般不会制作出完整的膜电极或是双极板来进行测试，而是采用具有所使用膜或双极板关键特性的、尺寸较小的样品，在单电池上进行模拟测试，已到达提高测试效率，降低测试成本的效果。
由于现有技术中的用于测试燃料电池的单电池通常只能针对不同的膜电极进行测试（双极板保持不更换），而无法针对双极板进行测试从而导致无法针对多种膜及双极板的性能测试、测试范围和适用范围较窄，且测试过程中存在大量热量而无法散发出去、冷却效果差等技术问题，因此本发明研究设计出一种用于测试燃料电池的单电池。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的用于测试燃料电池的单电池通常只能针对不同的膜电极进行测试而导致测试范围和适用范围较窄的缺陷，从而提供一种用于测试燃料电池的单电池。
本发明提供一种用于测试燃料电池的单电池，其包括：
空气侧双极板、氢气侧双极板以及设置于所述空气侧双极板和所述氢气侧双极板之间的膜电极；
所述空气侧双极板在其第一侧面上设置空气流道、且所述第一侧面与所述膜电极的第一表面贴合设置，所述氢气侧双极板也在其第三侧面上设置氢气流道、且所述第三侧面与所述膜电极的第二表面贴合设置，且所述第一表面与所述第二表面相背；
且所述空气侧双极板能够进行更换、不同的空气侧双极板上的空气流道的结构不相同，所述氢气侧双极板也能够进行更换、且不同的氢气侧双极板上的氢气流道的结构不相同，且所述膜电极3也能进行更换。
优选地，
所述空气侧双极板还包括与所述第一侧面相背的第二侧面，且以贯穿所述第一侧面和所述第二侧面的方式形成有第一空气进口和第一空气出口，所述第一空气进口和所述第一空气出口分别位于所述空气流道的两端、且分别与所述空气流道相连通。
优选地，
在所述空气侧双极板的所述第二侧面上还设置有冷却板，所述冷却板包括与所述空气侧双极板相对的第五侧面，且在所述第五侧面上设置有冷却液流道，且所述冷却板还包括与所述第五侧面相背设置的第六侧面、以及包括以贯穿所述第五侧面和所述第六侧面的方式形成的冷却液进口和冷却液出口，所述冷却液进口和所述冷却液出口分别与所述冷却液流道连通。
优选地，
所述冷却板上还包括以贯穿所述第五侧面和所述第六侧面的方式形成的第二空气进口和第二空气出口，且所述第二空气进口与所述第一空气进口连通、所述第二空气出口与所述第二空气进口连通。
优选地，
所述冷却板的所述第六侧面上还设置有第一采电板接触凹坑，所述单电池还包括电连接的第一采电柱和第一采电板，所述第一采电板能够设置于所述第一采电板接触凹坑中。
优选地，
还包括设置于所述冷却板上端的上压板，所述上压板与所述冷却板压贴配合；还包括设置于所述氢气侧双极板下端的下压板，所述下压板与所述氢气侧双极板压贴配合。
优选地，
所述空气侧双极板、所述氢气侧双极板和所述冷却板均为石墨板；所述上压板和所述下压板采用绝缘材料制作。
优选地，
所述氢气侧双极板还包括与所述第三侧面相背的第四侧面，且以贯穿所述第三侧面和所述第四侧面的方式形成有氢气进口和氢气出口，所述氢气进口和所述氢气出口分别位于所述氢气流道的两端、且分别与所述氢气流道相连通。
优选地，
在所述氢气侧双极板的所述第四侧面上还设置有第二采电板接触凹坑，所述单电池还包括电连接的第二采电柱和第二采电板，所述第二采电板能够设置于所述第二采电板接触凹坑中。
优选地，
所述空气侧双极板与所述膜电极之间还设置有第一碳纸，在所述氢气侧双极板和所述膜电极之间还设置有第二碳纸，且所述单电池还包括膜电极密封垫，所述膜电极密封垫压在所述第一碳纸和所述第二碳纸的封边处。
本发明提供的一种用于测试燃料电池的单电池具有如下有益效果：
本发明通过设置空气侧双极板、氢气侧双极板以及在二者之间的膜电极，并且通过在空气侧双极板的第一侧面上设置的空气通道以及第一侧面与膜电极第一表面贴合设置，能够有效地将空气通入至膜电极处，并且通过在氢气侧双极板的第三侧面上设置的氢气通道以及第三侧面与膜电极第一表面贴合设置，能够有效地将氢气通入至膜电极处，并使得氢气和氧气能够在膜电极处发生反应而产生电流，并且空气侧双极板能根据实际不同的双极板空气侧流道而做成多个不同的单侧具有空气流道的结构、能针对不同的空气流道进行更换测试，形成对不同空气流道的双极板进行测试，同时氢气侧双极板能根据实际不同的双极板氢气侧流道而做成多个不同的单侧具有氢气流道的结构、能针对不同的氢气流道进行更换测试，形成对不同氢气流道的双极板，使得本发明的用于测试燃料电池的单电池能灵活的更换不同种类的膜电极试样和双极板试样，实现一套单电池测试系统对多种膜及双极板的性能测试，测试范围和适用范围大大增加，且效率高、成本低廉。
附图说明
图1是本发明的用于测试燃料电池的单电池的整体结构图；
图2是本发明的用于测试燃料电池的单电池的内部剖视结构图；
图3是本发明的用于测试燃料电池的单电池中的空气侧双极板的第一侧面的结构示意图；
图4是本发明的用于测试燃料电池的单电池中的空气侧双极板与冷却板相结合的内部剖视结构示意图；
图5是本发明的用于测试燃料电池的单电池中的冷却板的第五侧面的结构示意图；
图6是本发明的用于测试燃料电池的单电池中的冷却板的第六侧面的结构示意图；
图7是本发明的单电池中的第一采电柱和第一采电板的结构示意图；
图8是本发明的单电池中的氢气侧双极板的第三侧面的结构示意图；
图9是本发明的单电池中的氢气侧双极板的第四侧面的结构示意图。
图中附图标记表示为：
1、空气侧双极板；11、第一侧面；12、第二侧面；13、空气流道；14、第一空气进口；15、第一空气出口；2、氢气侧双极板；21、第三侧面；22、第四侧面；23、氢气流道；24、氢气进口；25、氢气出口；26、第二采电板接触凹坑；3、膜电极；4、冷却板；41、第五侧面；42、第六侧面；43、冷却液流道；44、冷却液进口；45、冷却液出口；46、第二空气进口；47、第二空气出口；48、第一采电板接触凹坑；51、第一采电柱；52、第二采电柱；61、第一采电板；62、第二采电板；7、上压板；8、下压板；91、空气进管；92、空气出管；93、氢气进管；94、氢气出管；95、冷却液进管；96、冷却液出管；10、紧固螺栓/螺母；101、膜电极密封垫；102、采电板密封垫。
具体实施方式
如图1-9所示，本发明提供一种用于测试燃料电池的单电池，其包括：
空气侧双极板1、氢气侧双极板2以及设置于所述空气侧双极板1和所述氢气侧双极板2之间的膜电极3；
所述空气侧双极板1在其第一侧面11上设置空气流道13（尤其是仅在第一侧面上设置空气流道、另一侧不设）、且所述第一侧面11与所述膜电极3的第一表面贴合设置，所述氢气侧双极板2也在其第三侧面21上设置氢气流道23（尤其是仅在第三侧面上设置空气流道、另一侧不设）、且所述第三侧面21与所述膜电极3的第二表面贴合设置，且所述第一表面与所述第二表面相背；
且所述空气侧双极板1能够进行更换、不同的空气侧双极板1上的空气流道13的结构不相同，所述氢气侧双极板2也能够进行更换、且不同的氢气侧双极板2上的氢气流道23的结构不相同，且所述膜电极3也能进行更换。
本发明通过设置空气侧双极板、氢气侧双极板以及在二者之间的膜电极，并且通过在空气侧双极板的第一侧面上设置的空气通道以及第一侧面与膜电极第一表面贴合设置，能够有效地将空气通入至膜电极处，并且通过在氢气侧双极板的第三侧面上设置的氢气通道以及第三侧面与膜电极第一表面贴合设置，能够有效地将氢气通入至膜电极处，并使得氢气和氧气能够在膜电极处发生反应而产生电流，并且空气侧双极板能根据实际不同的双极板空气侧流道而做成多个不同的单侧具有空气流道的结构、能针对不同的空气流道进行更换测试，形成对不同空气流道的双极板进行测试，同时氢气侧双极板能根据实际不同的双极板氢气侧流道而做成多个不同的单侧具有氢气流道的结构、能针对不同的氢气流道进行更换测试，形成对不同氢气流道的双极板，且膜电极也能进行更换，使得本发明的用于测试燃料电池的单电池能灵活的更换不同种类的膜电极试样和双极板试样，实现一套单电池测试系统对多种膜及双极板的性能测试，测试范围和适用范围大大增加，且效率高、成本低廉。
本发明所述的单电池能灵活的更换不同种类的膜电极试样和双极板试样，实现一套单电池测试系统对多种膜及双极板的性能测试，效率高、成本低廉。膜电极试样和双极板试样上的流道可以根据产品设计方案来简化设计，以到达用试样模拟所用的膜或双极板性能的目的。
优选地，
所述空气侧双极板1还包括与所述第一侧面11相背的第二侧面12，且以贯穿所述第一侧面11和所述第二侧面12的方式形成有第一空气进口14和第一空气出口15，所述第一空气进口14和所述第一空气出口15分别位于所述空气流道13的两端、且分别与所述空气流道13相连通。
这是本发明的空气侧双极板的优选结构形式，通过包括第一空气进口和第一空气出口，并且使得第一空气进口和第一空气出口分别与空气流道连通，能够使得通过第一空气进口导入空气至空气流道中、并将完成反应的空气从第一空气出口导出空气侧双极板，实现空气的导入和导出的作用。
优选地，
在所述空气侧双极板1的所述第二侧面12上（优选与第二侧面贴合设置）还设置有冷却板4，所述冷却板4包括与所述空气侧双极板1相对的第五侧面41，且在所述第五侧面41上设置有冷却液流道43，且所述冷却板4还包括与所述第五侧面41相背设置的第六侧面42、以及包括以贯穿所述第五侧面41和所述第六侧面42的方式形成的冷却液进口44和冷却液出口45，所述冷却液进口44和所述冷却液出口45分别与所述冷却液流道43连通。
这是本发明的单电池的进一步优选结构形式，即通过设置冷却板的方式以及在冷却板上设置的冷却液流道、冷却液进口和冷却液出口，能够将冷却液导入至冷却板上的冷却液流道中，并通过路冷却液的流动进而对膜电极上的放电反应产生的热量进行冷却，实现有效冷却和散热的作用，有效提高了单电池的正常工作性能。
优选地，
所述冷却板4上还包括以贯穿所述第五侧面41和所述第六侧面42的方式形成的第二空气进口46和第二空气出口47，且所述第二空气进口46与所述第一空气进口14连通、所述第二空气出口47与所述第二空气进口46连通。这是本发明的单电池中冷却板的进一步优选结构形式，即在冷却板上还设置第二空气进口和第二空气出口，并使第二空气进口与第一空气进口连通，使得进流空气通过第一空气进口和第二空气进口依次进入空气侧双极板的空气流动中，完成空气的导入作用，并使第二空气出口与第一空气出口连通，使得出流空气通过第二空气出口和第一空气出口依次流出空气侧双极板的空气流道，完成空气的导出作用。
优选地，
所述冷却板4的所述第六侧面42上还设置有第一采电板接触凹坑48，所述单电池还包括电连接的第一采电柱51和第一采电板61，所述第一采电板61能够设置于所述第一采电板接触凹坑48中。这是本发明的冷却板上的进一步优选结构形式，即通过第一采电板接触凹坑能够用来容置第一采电板，通过第一采电板能够采集空气和氢气在膜电极的阴阳极碰撞而产生的放电反应而产生的电流，并通过第一采电柱将电流导出。
优选地，
还包括设置于所述冷却板4上端的上压板7，所述上压板7与所述冷却板4压贴配合；还包括设置于所述氢气侧双极板2下端的下压板8，所述下压板8与所述氢气侧双极板2压贴配合。这是本发明的进一步优选结构形式，即通过在冷却板上设置的上压板和在氢气侧双极板下端设置的下压板，能够通过上压板和下压板将空气侧双极板、氢气侧双极板、膜电极以及冷却板压紧在中间，从而形成一个完整的整体结构，并且使得结构紧凑，各部件之间紧密结合，保证正常的电池反应和放电功能。
优选地，
所述空气侧双极板1、所述氢气侧双极板2和所述冷却板4均为石墨板；和/或，所述上压板7和所述下压板8采用绝缘材料制作。这是本发明的空气侧双极板、氢气侧双极板以及冷却板的优选结构形式，起到导气、导电以及支承的作用，上、下压板采用绝缘材料用以隔电、防止电流渗漏。
优选地，
所述氢气侧双极板2还包括与所述第三侧面21相背的第四侧面22，且以贯穿所述第三侧面21和所述第四侧面22的方式形成有氢气进口24和氢气出口25，所述氢气进口24和所述氢气出口25分别位于所述氢气流道23的两端、且分别与所述氢气流道23相连通。这是本发明的氢气侧双极板的优选结构形式，通过包括氢气进口和氢气出口，并且使得氢气进口和氢气出口分别与氢气流道连通，能够使得通过氢气进口导入氢气至氢气流道中、并将完成反应的氢气从氢气出口导出氢气侧双极板，实现氢气的导入和导出的作用。
优选地，
在所述氢气侧双极板2的所述第四侧面22上还设置有第二采电板接触凹坑26，所述单电池还包括电连接的第二采电柱52和第二采电板62，所述第二采电板62能够设置于所述第二采电板接触凹坑26中。这是本发明的氢气侧双极板上的进一步优选结构形式，即通过第二采电板接触凹坑能够用来容置第二采电板，通过第二采电板能够采集空气和氢气在膜电极的阴阳极碰撞而产生的放电反应而产生的电流，并通过第二采电柱将电流导出。
优选地，
所述空气侧双极板1与所述膜电极3之间还设置有第一碳纸，在所述氢气侧双极板2和所述膜电极3之间还设置有第二碳纸，且所述单电池还包括膜电极密封垫101，所述膜电极密封垫101压在所述第一碳纸和所述第二碳纸的封边处。通过第一碳纸和第二碳纸的设置以及配合膜电极密封垫能够对膜电极部分的空气和氢气起到较好的密封作用，保证其能在膜电极位置发生充分的反应、以放出足量的电流。
本发明提供一种单电池，能灵活高效的对膜电极和双极板性能进行测试。
本发明的单电池的整体结构如图1所示；内部剖视图如图2所示；上、下压板采用刚度较好的绝缘材料制作，常用的材料为电木；采电板和采电柱材料为铜，焊接成一体，如图7所示；冷却板采用石墨板，正面设计出冷却液液流道，背面设计采电板接触凹坑，如图5、图6所示；空气侧双极板采用石墨板，正面设计空气流道，背面为平面光板，如图3所示；冷却板和空气侧双极板粘合，冷却板正面和空气侧双极板背面形成冷却液流动区，如图4所示；氢气侧双极板采用石墨板，正面设计氢气流道，背面设计采电板凹坑，如图8、图9所示。采电板压在冷却板和氢气侧双极板上的凹坑内；氢气侧双极板和空气侧双极板压在碳纸上，两片碳纸之间夹着带封边的膜电极，膜电极密封垫压在封边上，实现对氢气、空气两种介质的密封。
本发明所述的单电池能灵活的更换不同种类的膜电极试样和双极板试样，实现一套单电池测试系统对多种膜及双极板的性能测试，效率高、成本低廉。膜电极试样和双极板试样上的流道可以根据产品设计方案来简化设计，以到达用试样模拟所用的膜或双极板性能的目的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种用于测试燃料电池的单电池，其特征在于：包括：
空气侧双极板（1）、氢气侧双极板（2）以及设置于所述空气侧双极板（1）和所述氢气侧双极板（2）之间的膜电极（3）；
所述空气侧双极板（1）在其第一侧面（11）上设置空气流道（13）、且所述第一侧面（11）与所述膜电极（3）的第一表面贴合设置，所述氢气侧双极板（2）也在其第三侧面（21）上设置氢气流道（23）、且所述第三侧面（21）与所述膜电极（3）的第二表面贴合设置，且所述第一表面与所述第二表面相背；
且所述空气侧双极板（1）能够进行更换、不同的空气侧双极板（1）上的空气流道（13）的结构不相同，所述氢气侧双极板（2）也能够进行更换、且不同的氢气侧双极板（2）上的氢气流道（23）的结构不相同，且所述膜电极（3）也能进行更换；
所述空气侧双极板（1）还包括与所述第一侧面（11）相背的第二侧面（12），在所述空气侧双极板（1）的所述第二侧面（12）上还设置有冷却板（4），还包括设置于所述冷却板（4）上端的上压板（7），所述上压板（7）与所述冷却板（4）压贴配合；还包括设置于所述氢气侧双极板（2）下端的下压板（8），所述下压板（8）与所述氢气侧双极板（2）压贴配合；
所述空气侧双极板能根据实际不同的双极板空气侧流道而做成多个不同的单侧具有空气流道的结构、能针对不同的空气流道进行更换测试，形成对不同空气流道的双极板进行测试，同时氢气侧双极板能根据实际不同的双极板氢气侧流道而做成多个不同的单侧具有氢气流道的结构、能针对不同的氢气流道进行更换测试，形成对不同氢气流道的双极板，且所述膜电极也能进行更换。
2.根据权利要求1所述的用于测试燃料电池的单电池，其特征在于：
以贯穿所述第一侧面（11）和所述第二侧面（12）的方式形成有第一空气进口（14）和第一空气出口（15），所述第一空气进口（14）和所述第一空气出口（15）分别位于所述空气流道（13）的两端、且分别与所述空气流道（13）相连通。
3.根据权利要求2所述的用于测试燃料电池的单电池，其特征在于：
所述冷却板（4）包括与所述空气侧双极板（1）相对的第五侧面（41），且在所述第五侧面（41）上设置有冷却液流道（43），且所述冷却板（4）还包括与所述第五侧面（41）相背设置的第六侧面（42）、以及包括以贯穿所述第五侧面（41）和所述第六侧面（42）的方式形成的冷却液进口（44）和冷却液出口（45），所述冷却液进口（44）和所述冷却液出口（45）分别与所述冷却液流道（43）连通。
4.根据权利要求3所述的用于测试燃料电池的单电池，其特征在于：
所述冷却板（4）上还包括以贯穿所述第五侧面（41）和所述第六侧面（42）的方式形成的第二空气进口（46）和第二空气出口（47），且所述第二空气进口（46）与所述第一空气进口（14）连通、所述第二空气出口（47）与所述第二空气进口（46）连通。
5.根据权利要求3所述的用于测试燃料电池的单电池，其特征在于：
所述冷却板（4）的所述第六侧面（42）上还设置有第一采电板接触凹坑（48），所述单电池还包括电连接的第一采电柱（51）和第一采电板（61），所述第一采电板（61）能够设置于所述第一采电板接触凹坑（48）中。
6.根据权利要求1所述的用于测试燃料电池的单电池，其特征在于：
所述空气侧双极板（1）、所述氢气侧双极板（2）和所述冷却板（4）均为石墨板；和/或，所述上压板（7）和所述下压板（8）采用绝缘材料制作。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的用于测试燃料电池的单电池，其特征在于：
所述氢气侧双极板（2）还包括与所述第三侧面（21）相背的第四侧面（22），且以贯穿所述第三侧面（21）和所述第四侧面（22）的方式形成有氢气进口（24）和氢气出口（25），所述氢气进口（24）和所述氢气出口（25）分别位于所述氢气流道（23）的两端、且分别与所述氢气流道（23）相连通。
8.根据权利要求7所述的用于测试燃料电池的单电池，其特征在于：
在所述氢气侧双极板（2）的所述第四侧面（22）上还设置有第二采电板接触凹坑（26），所述单电池还包括电连接的第二采电柱（52）和第二采电板（62），所述第二采电板（62）能够设置于所述第二采电板接触凹坑（26）中。
9.根据权利要求1-6中任一项所述的用于测试燃料电池的单电池，其特征在于：
所述空气侧双极板（1）与所述膜电极（3）之间还设置有第一碳纸，在所述氢气侧双极板（2）和所述膜电极（3）之间还设置有第二碳纸，且所述单电池还包括膜电极密封垫（101），所述膜电极密封垫（101）压在所述第一碳纸和所述第二碳纸的封边处。
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