CN110646265B - 一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层的老化装置及老化方法 - Google Patents
一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层的老化装置及老化方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层的老化装置及老化方法,该装置包括:第一端板;第二端板,其与第一端板平行对称设置;多个分隔片,其平行叠放在第一端板和第二端板之间;以及多个力显螺栓,其连接在第一端板和第二端板之间;其中,力显螺栓包括:第一螺栓,其一端固定设置有螺栓头,第一螺栓垂直穿过第一端板,螺栓头抵靠在第一端板的顶部;第二螺栓,其垂直穿过第二端板,并且与第一螺栓同轴间隔设置;其中,第二螺栓具有螺纹;螺母,其匹配连接在第二螺栓上,螺母抵靠在第二端板的底部;弹簧,其设置在第一螺栓与第二螺栓之间;其中,第一螺栓的外壁上设置有刻度线;标尺,其一端固定连接在第二螺栓上,另一端沿伸至刻度线处。
Description
技术领域
本发明属于质子交换膜燃料电池的性能测试技术领域,特别涉及一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层的老化装置及老化方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池是最有发展前景的车用新能源之一,但是过短的使用寿命成为阻碍其全球商品化的主要原因。此类燃料电池的失效主要集中在膜电极结构中,主要包括机械性破损、化学退化、热降解等,均与膜电极材料的应力应变状态有关。其中,气体扩散层由导电的多孔材料组成,起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排出水等多重作用。实现了反应气体和产物水在流场和催化层之间的再分配,是影响电极性能的关键部件之一。但在实际研究中,气体扩散层作为膜电极结构中刚性最强的一层,其力学特性容易被忽略,然而研究表明,气体扩散层的力学属性复杂而且会影响其他层的应力应变分布。所以,通过对其进行拉伸、压缩、剪切以及导电率、物理结构的研究,对进一步了解气体扩散层的作用机理以及质子交换膜燃料电池的进一步优化都具有重大意义。为实现这一研究目的,适宜的气体扩散层老化装置及方法是必不可少的。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层的老化装置,其易于安装和操作,能够方便的设定对气体扩散层试样施加的应力,并且维持恒定应力;适用于在不同预加应力条件下质子交换膜燃料电池的气体扩散层的老化的试验。
本发明的目的之二是提供一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层的老化方法,该方法操作简单,能够很好地模拟实际工作中气体扩散层的工作条件,得到不同老化程度的气体扩散层试样。
本发明提供的技术方案为:
一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层的老化装置,包括:
第一端板;
第二端板,其与所述第一端板平行对称设置;
多个分隔片,其平行叠放在所述第一端板和所述第二端板之间;以及
多个力显螺栓,其连接在所述第一端板和所述第二端板之间;
其中,所述力显螺栓包括:
第一螺栓,其一端固定设置有螺栓头,所述第一螺栓垂直穿过所述第一端板后,所述螺栓头抵靠在所述第一端板的上部;
第二螺栓,其垂直穿过所述第二端板,并且与所述第一螺栓同轴间隔设置;
其中,所述第二螺栓具有螺纹;
螺母,其匹配连接在所述第二螺栓上,所述螺母抵靠在所述第二端板的下部;
弹簧,其设置在所述第一螺栓与所述第二螺栓之间;
其中,所述第一螺栓的外壁上设置有刻度线;
标尺,其一端固定连接在所述第二螺栓上,另一端沿伸至所述刻度线处;
其中,所述弹簧发生形变时,所述标尺指向弹簧形变对应的应力刻度值。
优选的是,所述标尺为套管,其同轴套设在所述弹簧的外侧。
优选的是,所述套管的一端与所述第二螺栓通过固定销连接。
优选的是,所述分隔片与所述第一端板和所述第二端板同轴设置。
优选的是,所述力显螺栓为4个,并且围绕所述分隔片均匀布置。
优选的是,所述第一螺栓与所述第二螺栓的直径相同。
一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层的老化方法,使用所述的质子交换膜燃料电池的气体扩散层的老化装置,包括如下步骤:
步骤一、设定需对气体扩散层材料试样施加的预应力,并且根据气体扩散层材料试样的面积计算力每个显螺栓需要施加的预设压紧力;
步骤二、将多个气体扩散层材料试样分别放置在分隔片之间,并通过转动螺母对所述气体扩散层材料试样施加压紧力,直到标尺指向的刻度达到所述预设压紧力;
其中,相邻两个分隔片之间放置一个所述材料试样;
步骤三、将放置有气体扩散层材料试样的质子交换膜燃料电池的气体扩散层的老化装置放置在环境箱中;
步骤四、设置所述环境箱的温度和湿度,对所述气体扩散层材料试样进行多个老化周期的冻融老化试验;每达到一个老化周期,取出一个所述气体扩散层材料试样,直到将全部所述材料试样取出,得到不同老化程度的材料试样。
优选的是,在所述步骤三中,每个老化周期包括多次冻融循环;
其中,每次所述冻融循环包括:
温度-15℃至95℃,湿度0%至90%,持续时间1小时;
温度95℃,湿度90%持续时间2小时;
温度95℃至-15℃,湿度90%至0%,持续时间2小时;以及
温度-15℃,湿度0%持续时间2小时。
优选的是,所述老化周期设定为2个星期。
优选的是,最大老化周期为12个星期。
本发明的有益效果是:
本发明提供的质子交换膜燃料电池的气体扩散层的老化装置,体积小巧,便于操作,可直观控制施加在所测材料上的预紧力;对于需要施加预应力的老化实验,使用该老化装置与直接通过力学试验机对试样加力相比,更易于维持恒定应力。
本发明提供的质子交换膜燃料电池的气体扩散层的老化方法,操作简单,能够很好地模拟实际工作中气体扩散层的工作条件,得到不同老化程度的气体扩散层试样。
附图说明
图1为本发明所述的质子交换膜燃料电池的气体扩散层的老化装置总体结构示意图。
图2为本发明所述的力显螺栓的结构示意图。
图3为本发明所述的力显螺栓未安装标尺时的结构示意图。
图4为本发明所述的冻融循环参数设置与持续时间的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明,以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1所示,本发明提供了一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层的老化装置,主要包括:第一端板110、第二端板120、多个分隔片130和多个力显螺栓140。
第一端板110水平设置,第二端板120与第一端板110平行对称设置;多个分隔片130平行叠放在第一端板120和第二端板130之间;以及多个力显螺栓,其连接在第一端板110和第二端板120之间。其中,分隔片130采用金属板,位于最上层的分隔片130抵靠在第一端板110的下部,位于最下侧的分隔片130抵靠在第二端板120的上部。
作为进一步的优选,分隔板130采用铝板,其具有质量轻,表面质量较好,耐腐蚀的特点,而且成本也相对较低。
如图1-3所示,力显螺栓140包括:第一螺栓141、第二螺栓142、螺母143、弹簧144及标尺145。第一螺栓141的上端固定设置有六角螺栓头141a,第一螺栓141垂直穿过第一端板110,螺栓头141a抵靠在第一端板110的顶部。第二螺栓142垂直穿过第二端板120,并且与第一螺栓141同轴间隔设置;其中,第二螺栓142表面具有螺纹;螺母143通过内螺纹匹配连接第二螺栓142上,螺母143抵靠在第二端板120的底面上。弹簧144与第一螺栓141和第二螺栓142同轴设置,弹簧144的一端连接第一螺栓141,另一端连接第二螺栓142。其中,第一螺栓141的外壁上设置有刻度线141b。标尺的一端固定连接在第二螺栓142上,另一端沿伸至所述刻度线141b处。其中,根据弹簧刚度系数确定力与弹簧形变的关系后,进行标定刻度。
将气体扩散层材料试样分别放置在分隔片130之间,通过转动螺母能够实现对扩散层材料试样施加预应力。当转动螺母143,使螺母向靠近第一螺栓141的方向移动时,第一端板110与第二端板120之间的距离发生变化,相当于对间隔板使弹簧144受到挤压发生形变,带动第二螺栓142向靠近第一螺栓141的方向移动;标尺145随第二螺栓142移动,标尺145的上端指向弹簧形变对应的压紧力刻度值。
在本实施例中,为保证标尺的稳定移动将标尺145设置为套管结构,标尺145同轴套设在弹簧144的外侧。其中,第二螺栓142的上端部142a为光滑杆状结构,标尺145的下端套接在与第二螺栓142的上端部142a处,并且通过固定销146进行固定。标尺145采用套管结构在能够指示刻度的同时,能够对弹簧144起到导向作用。为保证分隔片130受力均匀,将分隔片130放置在第一端板110和第二端板120的中心位置处,即将分隔片130与第一端板110和第二端板120同轴设置。力显螺栓140设置为4个,并且围绕分隔片130均匀布置;同时第一螺栓141与142第二螺栓的直径相同,以进一步保证力的传导效果,。
为了满足试验需要,设置分隔片130的数量至少为7个,即至少能安装6个气体扩散层材料试样。
同时,本发明还提供了一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层的老化方法,使用所述的质子交换膜燃料电池的气体扩散层的老化装置,包括如下步骤:
步骤1:准备气体扩散层(碳纤维层)试样,恒温箱;
步骤2:确定单张气体扩散层(碳纤维层)试样的面积大小,记为A,将多个试样一一夹入预应力施加机构的分隔片之间,其中,每两个相邻的分隔片之间放入一个气体扩散层试样。在确定对气体扩散层试样所需施加的预应力σ后,根据公式σ=F/A,其中,F为施加在机构上的合力,其由四角的四个力显螺栓共同提供;由此,单个力显螺栓所需提供的压紧力为:F1=σ*A/4,通过控制每个力显螺栓的螺母施加压紧力,直到标尺对准响应的压紧力刻度即可。
在本实施例中,通过气体扩散层(碳纤维层)预应力施加机构,对试样施加其30%变形量的预紧力夹紧,模拟其在质子交换膜燃料电池中的工作状态,并放入恒温箱中;
步骤3:为模拟气体扩散层在实际情况下的工作环境,设置所述环境箱的温度和湿度,对所述气体扩散层材料试样进行多个老化周期的冻融老化试验;其中,每个老化周期包括多个冻融循环;
每个冻融循环过程具体如表1和图4所示:
表1 每个冻融循环的参数设置表
即每个冻融循环包括如下过程:
(1)温度-15℃至95℃,湿度0%至90%,持续时间1小时;
(2)温度95℃,湿度90%持续时间2小时;
(3)温度95℃至-15℃,湿度90%至0%,持续时间2小时;
(4)温度-15℃,湿度0%持续时间2小时。
步骤4:考虑到汽车的燃料电池的预计使用寿命为2000~4000小时(12~24周)。在节省时间的前提下,选择2000小时左右作为最大老化时间。以两周(两个星期)为一个单次老化周期,从老化开始之日起,每两周取出一份试样,直至第12周可得6份试样,即为被老化至不同程度的碳纤维材料。
本发明提供的质子交换膜燃料电池的气体扩散层的老化装置,体积小巧,便于操作,可直观控制施加在所测材料上的预紧力;对于需要施加预应力的老化实验,使用该老化装置与直接通过力学试验机对试样加力相比,更易于维持恒定应力。
本发明提供的质子交换膜燃料电池的气体扩散层的老化方法,操作简单,能够很好地模拟实际工作中气体扩散层的工作条件,得到不同老化程度的气体扩散层试样。
尽管本发明的实施方案已公开如上,但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用,它完全可以被适用于各种适合本发明的领域,对于熟悉本领域的人员而言,可容易地实现另外的修改,因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下,本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (10)
1.一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层的老化装置,其特征在于,包括:
第一端板;
第二端板,其与所述第一端板平行对称设置;
多个分隔片,其平行叠放在所述第一端板和所述第二端板之间,所述分隔片采用金属板;以及
多个力显螺栓,其连接在所述第一端板和所述第二端板之间;
其中,所述力显螺栓包括:
第一螺栓,其一端固定设置有螺栓头,所述第一螺栓垂直穿过所述第一端板后,所述螺栓头抵靠在所述第一端板的上部;
第二螺栓,其垂直穿过所述第二端板,并且与所述第一螺栓同轴间隔设置;
其中,所述第二螺栓具有螺纹;
螺母,其匹配连接在所述第二螺栓上,所述螺母抵靠在所述第二端板的下部;
弹簧,其设置在所述第一螺栓与所述第二螺栓之间;
其中,所述第一螺栓的外壁上设置有刻度线;
标尺,其一端固定连接在所述第二螺栓上,另一端沿伸至所述刻度线处;
其中,所述弹簧发生形变时,所述标尺指向弹簧形变对应的应力刻度值。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的气体扩散层的老化装置,其特征在于,所述标尺为套管,其同轴套设在所述弹簧的外侧。
3.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池的气体扩散层的老化装置,其特征在于,所述套管的一端与所述第二螺栓通过固定销连接。
4.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池的气体扩散层的老化装置,其特征在于,所述分隔片与所述第一端板和所述第二端板同轴设置。
5.根据权利要求3或4所述的质子交换膜燃料电池的气体扩散层的老化装置,其特征在于,所述力显螺栓为4个,并且围绕所述分隔片均匀布置。
6.根据权利要求5所述的质子交换膜燃料电池的气体扩散层的老化装置,其特征在于,所述第一螺栓与所述第二螺栓的直径相同。
7.一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层的老化方法,使用如权利要求1-6任意一项所述的质子交换膜燃料电池的气体扩散层的老化装置,其特征在于,包括如下步骤:
步骤一、设定需对气体扩散层材料试样施加的预应力,并且根据气体扩散层材料试样的面积计算力每个显螺栓需要施加的预设压紧力;
步骤二、将多个气体扩散层材料试样分别放置在分隔片之间,并通过转动螺母对所述气体扩散层材料试样施加压紧力,直到标尺指向的刻度达到所述预设压紧力;
其中,相邻两个分隔片之间放置一个所述材料试样;
步骤三、将放置有气体扩散层材料试样的质子交换膜燃料电池的气体扩散层的老化装置放置在环境箱中;
步骤四、设置所述环境箱的温度和湿度,对所述气体扩散层材料试样进行多个老化周期的冻融老化试验;每达到一个老化周期,取出一个所述气体扩散层材料试样,直到将全部所述材料试样取出,得到不同老化程度的材料试样。
8.根据权利要求7所述的质子交换膜燃料电池的气体扩散层的老化方法,其特征在于,在所述步骤三中,每个老化周期包括多次冻融循环;
其中,每次所述冻融循环包括:
温度-15℃至95℃,湿度0%至90%,持续时间1小时;
温度95℃,湿度90%持续时间2小时;
温度95℃至-15℃,湿度90%至0%,持续时间2小时;以及
温度-15℃,湿度0%持续时间2小时。
9.根据权利要求8所述的质子交换膜燃料电池的气体扩散层的老化方法,其特征在于,所述老化周期设定为2个星期。
10.根据权利要求8所述的质子交换膜燃料电池的气体扩散层的老化方法,其特征在于,最大老化周期为12个星期。
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