CN110620251A - 一种燃料电池用多流场测试夹具 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池用多流场测试夹具，涉及电池测试技术领域。包括阴极板和阳极板，阴极板和阳极板的相对侧面均设有一凹槽；凹槽的一端面设有一电源接口；凹槽的相对两侧面分别设有一通气孔；阴极板和阳极板的上表面对应设有若干贯通孔；贯通孔内安装有一固定螺栓；固定螺栓通过螺母将阴极板和阳极板进行固定。本发明通过将端板、集流板、双极板融合成一体，形成阴、阳极板，直接在阴、阳极板上设置测试凹槽、通气孔和电源接口，并通过螺栓进行固定；拆装方便，并且阴、阳极板的电阻值较小，对使用中间用槽夹具测试电池性能误差也会降低；并且可以放入不同类型的流场用于测试流场性能对燃料电池性能的影响。

Description

一种燃料电池用多流场测试夹具
技术领域
本发明属于电池测试技术领域，特别是涉及一种燃料电池用多流场测试夹具。
背景技术
质子交换膜燃料电池因其不受卡诺循环限制，能量转换效率高；产生的产物只有水，对环境零排放；结构简单；操作方便；可快速低温启动等优点成为固定发电站、电动汽车等的首选能源。在能源资源匮乏、环境问题频繁的今天，环境友好型新能源的质子交换膜燃料电池吸引了许多研究人员的关注。
其中，对质子交换膜燃料电池的流场的测试显得尤为重要。目前，质子交换膜燃料电池是以直通道和蛇形为主，为了能使反应气体在电极各处的均匀分配、扩散和相应的结构设计以及相应的加工设计还需要不断的深入研究。传统的电池性能的测试夹具以及测试方法拥有大致相似的结构，主要由双极板、流场、膜电极构成，在安装多孔流场的过程中需要将多孔流场置于夹具的中间用槽内，小心避免对金属泡沫挤压，在孔径较小时，金属泡沫的机械性能较小，易造成金属泡沫流场受到挤压，影响气体传输，测试结果的误差增大；拆装复杂，另外，由于多层材料叠合导致接触面积增大，同时也增大了测试夹具的接触电阻，增大了测试结果的误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池用多流场测试夹具，通过将端板、集流板、双极板融合成一体，形成阴、阳极板，直接在阴、阳极板上设置测试凹槽、通气孔和电源接口，并通过螺栓进行固定；拆装方便，并且阴、阳极板的电阻值较小，对使用中间用槽夹具测试电池性能误差也会降低；并且可以放入不同类型的流场用于测试流场性能对燃料电池性能的影响。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明为一种燃料电池用多流场测试夹具，包括阴极板和阳极板，所述阴极板和阳极板的相对侧面均设有一凹槽；所述凹槽的一端面设有一电源接口；所述凹槽的相对两侧面分别设有一通气孔；所述阴极板和阳极板的上表面对应设有若干贯通孔；所述贯通孔内安装有一固定螺栓；所述固定螺栓通过螺母将阴极板和阳极板进行固定。
进一步地，两所述通气孔分别为进气孔与出气孔；所述进气孔将空气或氢气通入凹槽内；其中，氢气通入所述阳极板上的进气孔，空气通入所述阴极板上的进气孔。
进一步地，所述凹槽为矩形凹槽；电源接口的中心轴与通气孔的中心轴相互垂直。
进一步地，所述凹槽内放置了孔径分别为450、580、800μm的多孔泡沫镍流场。
一种燃料电池用多流场测试夹具的测试方法，包括以下步骤：
步骤一：测试准备
取出一阴极板、一阳极板和若干固定螺栓和螺母备用；并准备橡胶密封垫、膜电极、金属泡沫镍流场、气体进出口接头以及电极接头；
步骤二：组装电池
将并准备橡胶密封垫、膜电极、金属泡沫镍流场、气体进出口接头以及电极接头组装到阴极板和阳极板上构成单电池；
步骤三：电池测试
分别测试孔径450、580、800μm的多孔泡沫镍流场的单电池极化性能。
进一步地，所述步骤二包括以下子步骤：
SS01：将阴极板和阳极板上的凹槽内均放置有多孔泡沫镍流场；
SS02：将放置了多孔泡沫镍流场的凹槽上覆盖密封垫进行密封；
SS03：将所述膜电极夹设在所述密封垫内，使用固定螺栓插入贯通孔内并通过螺母将阴极板和阳极板进行紧固；
SS04：将所述气体进出口接头安装于所述进气孔和出气孔处，将所述电极接头安装于所述电源接口处；
进一步地，所述步骤三包括以下子步骤：
SS11：将单电池的气体进出口接头，通过温控仪水浴加热升高阴极端气体，空气加湿温度，为30℃；
SS12：往单电池内通入氮气以排空所述单电池内的空气；
SS13：提供空压机，往单电池内通入空气；向阳极板上的进气孔通入氢气；
SS14：将单电池接入负载，用万用表测试单电池两端开路电压，待开路电压稳定后，改变电压，记录电流数据，使用加热片设置电池操作温度，为30℃。
SS15：将单电池拆开，更换金属泡沫流场，在相同的加湿温度和电池操作温度下测试电池性能。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过将端板、集流板、双极板融合成一体，形成阴、阳极板，直接在阴、阳极板上设置测试凹槽、通气孔和电源接口，并通过螺栓进行固定；拆装方便，并且阴、阳极板的电阻值较小，对使用中间用槽夹具测试电池性能误差也会降低；并且可以放入不同类型的流场用于测试流场性能对燃料电池性能的影响。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种燃料电池用多流场测试夹具的结构示意图；
图2为在加湿温度30℃，电池工作温度30℃下，不同孔径(450、580、800μm)金属泡沫流场测试性能结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1所示，本发明为一种燃料电池用多流场测试夹具，包括阴极板1和阳极板2，阴极板1和阳极板2的相对侧面均设有一凹槽3；凹槽3的一端面设有一电源接口4；凹槽3的相对两侧面分别设有一通气孔5；阴极板1和阳极板2的上表面对应设有若干贯通孔6；贯通孔6内安装有一固定螺栓7；固定螺栓7通过螺母8将阴极板1和阳极板2进行固定；可以在凹槽中放入不同类型的流场用于测试流场性能对燃料电池性能的影响；包括石墨流场和金属流场。
进一步地，两通气孔5分别为进气孔与出气孔；进气孔将空气或氢气通入凹槽3内；其中，氢气通入阳极板2上的进气孔，空气通入阴极板1上的进气孔。
其中，凹槽3为矩形凹槽；电源接口4的中心轴与通气孔5的中心轴相互垂直。
其中，凹槽3内放置了孔径分别为450、580、800μm的多孔泡沫镍流场。
一种燃料电池用多流场测试夹具的测试方法，包括以下步骤：
步骤一：测试准备
取出一阴极板1、一阳极板2和若干固定螺栓7和螺母8备用；并准备橡胶密封垫、膜电极、金属泡沫镍流场、气体进出口接头以及电极接头；
步骤二：组装电池
将并准备橡胶密封垫、膜电极、金属泡沫镍流场、气体进出口接头以及电极接头组装到阴极板1和阳极板2上构成单电池；
步骤三：电池测试
分别测试孔径450、580、800μm的多孔泡沫镍流场的单电池极化性能。
进一步地，步骤二包括以下子步骤：
SS01：将阴极板1和阳极板2上的凹槽3内均放置有多孔泡沫镍流场；
SS02：将放置了多孔泡沫镍流场的凹槽3上覆盖密封垫进行密封；
SS03：将膜电极夹设在密封垫内，使用固定螺栓7插入贯通孔6内并通过螺母8将阴极板1和阳极板2进行紧固；
SS04：将气体进出口接头安装于进气孔和出气孔处，将电极接头安装于电源接口4处；
进一步地，步骤三包括以下子步骤：
SS11：将单电池的气体进出口接头，通过温控仪水浴加热升高阴极端气体，空气加湿温度，为30℃；
SS12：往单电池内通入氮气以排空单电池内的空气；
SS13：提供空压机，往单电池内通入空气；向阳极板2上的进气孔通入氢气；
SS14：将单电池接入负载，用万用表测试单电池两端开路电压，待开路电压稳定后，改变电压，记录电流数据，使用加热片设置电池操作温度，为30℃。
SS15：将单电池拆开，更换金属泡沫流场，在相同的加湿温度和电池操作温度下测试电池性能。
其中阴极板1和阳极板2的材料选择不锈钢材料，不锈钢材料具有优良的导电导热性、良好的机械性能、较好的气密性、易于加工以及成本低廉等优点。双极板上的流场形式和结构对反应物和生成物在电堆内部的流动、分配、扩散起关键作用，对质子交换膜燃料电池性能的改变起着重要作用，因此，双极板流场的设计直接影响到电池内部反应气的分布、传输、水管理、燃料利用率。阴极板1和阳极板2的两面分别设有空气和氢气的反应区域。流场设计要求能够均匀的分配电池放电所需的燃料和氧化剂，保证电流密度分布均匀，避免局部过热，能使反应生成的水被流动的反应气体夹带顺利排出。目前，质子交换膜燃料电池流场是以直通道和蛇形为主；直通道流场能够减小压力提高效率，但是水和杂质等可能在某个通道无法排出，导致某个电极区域没有反应物供给；单通道蛇型流场能够迅速排除产生的水，但是若通道太长，转弯太多，压降太大易造成电流密度分布不均匀；多通道蛇形流场是结合平行沟槽和单通道蛇形流场的有点而设计，具有较大的灵活性，效果较好。本发明采用金属泡沫多孔流场，使用高孔隙率高达95％的金属泡沫，能有效改善传质问题，同时金属泡沫的导电性高有限减少欧姆极化影响。改变电池操作温度、气体加湿温度，发现具有高透气性的金属泡沫流场改善了气体的对流和扩散，增加了与催化剂反应的机会，金属泡沫的多孔结构可有效降低流动板与碳纸之间的接触阻力。
实施例一：本实施例中提供了一种燃料电池用多流场测试夹具的测试方法，包括以下步骤：
1提供一个如上述描述的中间用槽测量夹具；
2提供多孔流场、密封垫、膜电极、气体进出口接头以及电极接头，组装形成单电池，包括以下步骤：
a在阴极板1和阳极板2上的凹槽3内均安装尺寸为3*3cm的金属泡沫镍流场，并在装有流场的阴极板1和阳极板2上均安装一橡胶密封垫；
b将膜电极夹在阴极板1和阳极板2的橡胶密封垫内，然后用固定螺栓7和螺母8配合将阴极板1和阳极板2进行固定拧紧，该过程中，使用扭力计使得每个固定螺栓7和螺母8的扭力设置为等值。
c最后将气体进出口接头安装在通气孔5处，阴极板1和阳极板2上的电极接头4连接在负载的正负极上；
3利用质子交换膜燃料电池测试系统连通单电池，并用万用表来测量单电池的开路电压，利用温控仪和加湿器控制气体加湿温度，利用加热片控制电池工作温度。步骤如下：
a依次将组装好的单电池气体进出口与质子交换膜燃料电池测试系统气体进出口连接，并通过温控仪和加热器设置加湿温度为30℃，利用加热片设置电池工作温度为30℃；
b打开氮气阀门通入氮气，同时开始计时，通气时间5分钟，待通气结束后关闭氮气阀门；打开空压机阀门往阴极板1上的进气孔通入空气，然后打开氢气钢瓶朝阳极板2上的进气孔通入氢气，设置氢气和空气的流量比例，打开测试系统控制面板中氢气开关；
c使用万用表测试单电池两端开路电压，待开路电压稳定后，改变电池工作电压，记录电流数据；
d测试结束后先关闭测试系统控制面板中氢气和空气开关，依次将氢气与空气电子阀流量设置为0，关闭氢气瓶阀门和空压机阀门，拆下单电池；
e更换阴极板1和阳极板2中间凹槽3内的气体流场，重复上述步骤。
本发明通过由两块阴、阳极板固定构成，融合端板、集流板、双极板为一体，在阴、阳极板相对的表面上设有气体流场，并在阴、阳极板的侧边上设置进气孔、出气孔以及电源接口，进气孔和出气孔与气体流场连通，空气和氢气通过进气孔进入气体流场发生化学变化产生电能，夹具结构简单，拆装方便，并且本发明的简单结构降低了测试夹具的电阻，减小对使用中间用槽夹具测试电池性能结果的影响。
如图2所示，在加湿温度30℃，加热温度30℃的条件下，多孔泡沫镍流场的孔径从450增大至580以及800μm时，在相同的电流密度下，最大功率密度先增加后减少，分析其原因，可能原因是，孔径增大，有利于气体传输，阴极侧空气和气态水及时传输到膜反应界面，质子交换膜中的含水量相对增加，传递质子能力升高，电化学反应速度加快，因而，电池性能升高；随着孔径继续增大，金属泡沫的阻力因子增大，电池的欧姆电阻也增大，电池性能下降。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (7)

1.一种燃料电池用多流场测试夹具，包括阴极板(1)和阳极板(2)，其特征在于：所述阴极板(1)和阳极板(2)的相对侧面均设有一凹槽(3)；所述凹槽(3)的一端面设有一电源接口(4)；所述凹槽(3)的相对两侧面分别设有一通气孔(5)；所述阴极板(1)和阳极板(2)的上表面对应设有若干贯通孔(6)；所述贯通孔(6)内安装有一固定螺栓(7)；所述固定螺栓(7)通过螺母(8)将阴极板(1)和阳极板(2)进行固定。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池用多流场测试夹具，其特征在于，两所述通气孔(5)分别为进气孔与出气孔；所述进气孔将空气或氢气通入凹槽(3)内；其中，氢气通入所述阳极板(2)上的进气孔，空气通入所述阴极板(1)上的进气孔。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池用多流场测试夹具，其特征在于，所述凹槽(3)为矩形凹槽；电源接口(4)的中心轴与通气孔(5)的中心轴相互垂直。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池用多流场测试夹具，其特征在于，所述凹槽(3)内放置了孔径分别为450、580、800μm的多孔泡沫镍流场。
5.根据权利要求1-4任意一所述的一种燃料电池用多流场测试夹具的测试方法，特征在于，包括以下步骤：
步骤一：测试准备
取出一阴极板(1)、一阳极板(2)和若干固定螺栓(7)和螺母(8)备用；并准备橡胶密封垫、膜电极、金属泡沫镍流场、气体进出口接头以及电极接头；
步骤二：组装电池
将并准备橡胶密封垫、膜电极、金属泡沫镍流场、气体进出口接头以及电极接头组装到阴极板(1)和阳极板(2)上构成单电池；
步骤三：电池测试
分别测试孔径450、580、800μm的多孔泡沫镍流场的单电池极化性能。
6.根据权利要求5所述的一种燃料电池用多流场测试夹具的测试方法，其特征在于，步骤二包括以下子步骤：
SS01：将阴极板(1)和阳极板(2)上的凹槽(3)内均放置有多孔泡沫镍流场；
SS02：将放置了多孔泡沫镍流场的凹槽(3)上覆盖密封垫进行密封；
SS03：将所述膜电极夹设在所述密封垫内，使用固定螺栓(7)插入贯通孔(6)内并通过螺母(8)将阴极板(1)和阳极板(2)进行紧固；
SS04：将所述气体进出口接头安装于所述进气孔和出气孔处，将所述电极接头安装于所述电源接口(4)处。
7.根据权利要求5所述的一种燃料电池用多流场测试夹具所述测试夹具的测试方法，其特征在于，步骤三包括以下子步骤：
SS11：将单电池的气体进出口接头，通过温控仪水浴加热升高阴极端气体，空气加湿温度，为30℃；
SS12：往单电池内通入氮气以排空所述单电池内的空气；
SS13：提供空压机，往单电池内通入空气；向阳极板(2)上的进气孔通入氢气；
SS14：将单电池接入负载，用万用表测试单电池两端开路电压，待开路电压稳定后，改变电压，记录电流数据，使用加热片设置电池操作温度，为30℃；
SS15：将单电池拆开，更换金属泡沫流场，在相同的加湿温度和电池操作温度下测试电池性能。
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