CN110927212A - 一种气体扩散层压缩状态导热系数及接触热阻的测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种气体扩散层压缩状态导热系数及接触热阻的测试装置，包括加热单元、冷却单元、热流柱、绝热罩、温度测量单元、引伸计和数据处理单元；加热单元包括绝热垫块、加热水槽和加热恒温水箱；冷却单元包括顶部带有连接头的冷却水槽和冷却恒温水箱；热流柱包括上热流柱和下热流柱，上热流柱的下端和下热流柱的上端均螺纹连接有可更换测试头，上下两端的可更换测试头之间夹持测试样品；绝热罩包括上绝热罩和下绝热罩；温度测量单元包括若干铠装热电阻和微型热电偶；数据处理单元与温度测量单元和引伸计电连接。本发明结构简单，与万能试验机结合使用，高精度的控制压力，可测试气体扩散层在压缩状态下的有效导热系数。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言，尤其涉及一种气体扩散层压缩状态导热系数及接触热阻的测试装置。
背景技术
质子交换膜燃料电池运行过程中，很容易因为局部电流密度大，温度过高而导致质子交换膜失水，从而造成电池性能降低。气体扩散层是质子交换膜燃料电池的重要组成部分之一，消除电池运行过程中产生的余热是气体扩散层的重要功能之一，因此测量气体扩散层的导热系数在燃料电池的开发过程中至关重要。由于气体扩散层是多孔介质，在电池组装过程中会发生变形，导致其有效导热系数发生变化。此外气体扩散层在使用过程中还需要考虑与不同材质双极板间的接触热阻。因此对于气体扩散层导热性的测量需要包括两个关键参数：(1)气体扩散层受压状态下的有效导热系数；(2)气体扩散层与双极板的接触热阻。
稳态热流法是测量中低导热系数材料的常见方法，由于其原理清晰、便于实现，在国际上被广泛应用。此测试方法中，试样夹在两金属热流柱中呈现三明治状，在垂直方向加压并通入一个恒定的单向热流。在达到温度梯度稳定期后，测量样品的厚度、样品上下面的温度梯度及通过样品的热流量便可根据以下公式得到样品导热系数的绝对值。
其中：λ为样品的导热系数，δ为样品的厚度，Q为通过样品的热流量，ΔT是样品上下面的温度差，A为样品的面积。
目前质子交换膜燃料电池中使用的气体扩散层(GDL)厚度通常低于200μm，如此小的厚度尺度给导热系数的准确测量带来了巨大难度。并且在实际使用过程中，气体扩散层由于受组装压力的影响而厚度减小，其压缩率最大可达到40％，从而导致其有效导热系数与未压缩状态有较大差异。同时在使用过程中，气体扩散层与双极板的接触热阻和其本体热阻通常为同一量级，在测量过程中不可忽略，因此在测量过程中对接触热阻的测量也有十分重大的意义。
现有技术中，对薄板薄膜类材料和导热材料等的导热系数进行测量的装置有：将待测材料与一块导热系数已知的测量板完全贴合粘接制成组合试验件，通过稳态热流法测试组合件的导热系数，再通过反演分析得到待测样的导热系数；采用周向固定在顶板与底座之间的立柱所构成的测试支架，并采用两次测量法，可以剔除测试系统接触热阻的影响，得到材料准确的导热系数；通过设置压力施加装置对待测导热材料施加压力以模拟导热材料在实际使用时的状态，并设置压力测量装置以记录施加的压力值，从而测量待测导热材料在压力作用下发生压缩变形后的导热性能，并可以此得出该导热材料的压缩率与压力之间关系的导热材料性能测试设备。
目前现有的稳态热流法测试装置存在如下缺陷：
1)测试样品厚度通常要求在1mm以上，而GDL厚度通常在0.2mm以内，无法满足测试要求；
2)无法准确控制样品表面施加的压力及准确获取样品在压缩状态下的实际厚度；
3)在测量过程中通常忽略样品与接触面的接触热阻，给测量带来较大误差，并且无法根据实际需求更换与样品相接触的材料，测试不同材料与GDL的接触热阻；
4)操作仪器通常尺寸较大，且结构复杂，不易实施与操作。
发明内容
根据上述提出的现有测试装置测试样品厚度通常要求在1mm以上，而气体扩散层厚度通常在0.2mm以内，无法满足测试要求；无法准确控制样品表面施加的压力及准确获取样品在压缩状态下的实际厚度；在测量过程中通常忽略样品与接触面的接触热阻，给测量带来较大误差，并且无法根据实际需求更换与样品相接触的材料，测试不同材料与气体扩散层的接触热阻；操作仪器通常尺寸较大，且结构复杂，不易实施与操作的技术问题，而提供一种气体扩散层压缩状态导热系数及接触热阻的测试装置。本发明主要利用测量装置与万能试验机相连接，从而高精度的控制压力，并考虑了样品受压状态下的厚度变化，可以测试气体扩散层在压缩状态下的有效导热系数；通过一种可以更换的测试头，从而测试气体扩散层与不同材料表面相接触的接触热阻。
本发明采用的技术手段如下：
一种气体扩散层压缩状态导热系数及接触热阻的测试装置，包括：加热单元、冷却单元、热流柱、绝热罩、温度测量单元、引伸计和数据处理单元；
所述加热单元包括置于万能试验机底座上的绝热垫块、固定在绝热垫块上方的加热水槽以及与加热水槽进出口相连接的加热恒温水箱；所述冷却单元包括顶部带有连接头的冷却水槽以及与冷却水槽进出口相连接的冷却恒温水箱，所述连接头与所述万能试验机十字头匹配连接，连接头的规格可更换并匹配不同型号的万能试验机；
所述热流柱包括固定在所述冷却水槽下方的上热流柱和固定在所述加热水槽上方的下热流柱，所述上热流柱的下端和所述下热流柱的上端均螺纹连接有可更换测试头，上下两端的所述可更换测试头之间夹持有测试样品，用于测试样品和不同材料的表面的接触热阻；
所述绝热罩包括包裹在所述上热流柱外部四周的上绝热罩和包裹在所述下热流柱外部四周的下绝热罩，所述上绝热罩通过硅胶与所述冷却水槽相连，所述下绝热罩通过硅胶与所述加热水槽相连；
所述温度测量单元包括分别插入所述上热流柱和所述下热流柱上的若干铠装热电阻和插入所述可更换测试头内部的微型热电偶，其中，所述铠装热电阻的插入方向为垂直于所述上热流柱和所述下热流柱的轴线，所述微型热电偶的插入方向为垂直于所述可更换测试头的轴线；
所述引伸计分别垂直固定于所述上热流柱和所述下热流柱的侧面，用于测量不同压力下样品厚度的变形量；
所述数据处理单元由数据采集器及电子计算机组成；所述数据采集器与所述铠装热电偶和所述微型热电偶电连接，用于温度的数据采集，并将数据传输至所述电子计算机进行数据处理；所述引伸计的输出与万能试验机的控制器相连接并将信号输入给电子计算机进行数据处理。
进一步地，所述冷却水槽和所述加热水槽内部中心区域均设有由刚性材料制成的支撑柱，用于提高测试装置的稳定性及便于压力的传递。
进一步地，所述冷却水槽的温度控制范围为0-100℃，所述冷却水槽中置有冷却介质，所述冷却介质为水或乙二醇，所述冷却介质在所述冷却水槽内部做环形流动来对测试装置进行冷却；所述冷却水槽的进口Ⅰ和出口Ⅰ位于所述冷却水槽侧面并不在同一高度，所述进口Ⅰ的高度低于所述出口Ⅰ的高度，以便于加强内部流动换热。
进一步地，所述加热水槽的温度控制范围为0-100℃，所述加热水槽中置有换热介质，所述换热介质为水或乙二醇，所述换热介质在所述加热水槽内部做环形流动来对测试装置进行加热；所述加热水槽的进口Ⅱ和出口Ⅱ位于所述加热水槽侧面并不在同一高度，所述进口Ⅱ的高度低于所述出口Ⅱ的高度，以便于加强内部流动换热。
进一步地，所述上热流柱与所述冷却水槽一体加工成型，所述下热流柱与所述加热水槽一体加工成型，所述上热流柱和所述下热流柱的材料相同，为铝合金、电解铁或铝青铜。
进一步地，所述上热流柱和所述下热流柱的侧壁上沿轴向方向均开设有若干贯穿测温圆孔，所述测温圆孔垂直贯穿至所述上热流柱或所述下热流柱的轴线处；所述测温圆孔内插入所述铠装热电阻，相邻两根所述铠装热电阻中心距为5mm-10mm，相邻两根所述铠装热电阻间的水平夹角为90℃，用于平衡整个系统的受力分布以及减小温度分布的不均匀程度，所述铠装热电阻的测试精度为-0.1℃-0.1℃；所述测温圆孔的直径为1mm-3mm，相邻两个所述测温圆孔的中心距为5mm-10mm。
进一步地，所述上热流柱和下热流柱在距其端面处4mm-6mm处侧面均加工有外螺纹，两处所述外螺纹分别与两个所述可更换测试头的内螺纹配合连接，且所述外螺纹长度与所述可更换测试头的内螺纹长度匹配，其中，所述距其端面处4mm-6mm处侧面是指从所述上热流柱和下热流柱的端面开始在圆柱外表面上加工出的外螺纹的长度为4mm-6mm；所述可更换测试头与所述热流柱交界面加工高精度镜面，水平偏差度≤0.4μm；所述可更换测试头(8)的结构呈“瓶盖”型，与所述热流柱连接处加工有所述内螺纹；所述可更换测试头(8)上端面(与导热柱的接触面)与下端面(与测试样品的接触面)间厚度为1mm，上端面上加工有一深度为0.5mm、宽度为0.5mm的矩形测温槽，所述测温槽的长度方向垂直于所述可更换测试头(8)的轴线，所述可更换测试头的壁面垂直于轴线开有贯穿圆柱形通孔，所述圆柱形通孔与所述矩形测温槽相通构成长通道，所述长通道由所述可更换测试头的圆柱外表面加工至轴线处；所述测温槽内插有所述微型热电偶(9)，所述微型热电偶插至轴线处，并粘贴在所述测温槽底部；插入所述微型热电偶后，所述测温槽其余区域采用硅胶填充；所述可更换测试头根据测试需求由不同的材料制成，与燃料电池双极板材料一致以模仿气体扩散层真实工作环境，所述可更换测试头的材料为镀金金属、镀碳金属或石墨。
进一步地，所述绝热垫块和所述绝热罩的材料相同，均由导热系数极低且具有一定强度的保温材料制成，防止热流量散失，所述材料为FR-4、石棉或玻璃纤维；所述绝热罩的侧面开有若干通孔，所述通孔的开孔尺寸及位置与所述热流柱上开有的所述测温圆孔一致，以便于插入所述铠装热电阻；所述绝热罩的长度比所述热流柱长度短2mm-3mm，以便于所述可更换测试头的安装以及避免与所述引伸计相互干涉。
进一步地，所述引伸计为机械式引伸计、光学引伸计或电磁式引伸计，测试精度为1μm，测试范围为0.01mm-10mm；所述引伸计的水平位置与所述热流柱端面间的距离为1mm-2mm。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的气体扩散层压缩状态导热系数及接触热阻的测试装置，通过与万能试验机配合使用，可高精度的控制压力，并考虑了样品受压状态下的厚度变化，克服了现有的导热测试装置无法对样品加压，或无法施加较大压力的弊端，可以测试气体扩散层在压缩状态下的有效导热系数；由于其压力加载由万能试验机提供，其加压加载范围和精度由万能试验机传感器规格决定，因此其加压的精度和范围不受测试装置本身的限制，可以根据实验要求灵活调整。
2、本发明提供的气体扩散层压缩状态导热系数及接触热阻的测试装置，提供了可更换的测试头，该测试头可与热流柱相连接，且便于拆卸和组装，其表面可以根据实验要求采用不同的材料加工而成，可以方便地测量不同材质接触表面与样品的接触热阻，解决了现有设备无法方便且准确地测量这一参数的弊端。
3、本发明提供的气体扩散层压缩状态导热系数及接触热阻的测试装置，尺寸较现有设备小的多，且结构较为简单，各配件组装和拆卸较为方便；该测试装置自带厚度测量装置，可以对样品压缩状态下的厚度进行测试，且厚度测量精度较高，可用于0.2mm以下气体扩散层的测量。
综上，应用本发明的技术方案能够解决现有技术中测试装置测试样品厚度通常要求在1mm以上，而气体扩散层厚度通常在0.2mm以内，无法满足测试要求；无法准确控制样品表面施加的压力及准确获取样品在压缩状态下的实际厚度；在测量过程中通常忽略样品与接触面的接触热阻，给测量带来较大误差，并且无法根据实际需求更换与样品相接触的材料，测试不同材料与气体扩散层的接触热阻；操作仪器通常尺寸较大，且结构复杂，不易实施与操作的问题。
基于上述理由本发明可在薄板薄膜类材料和导热材料等的导热系数测量或燃料电池等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的透视图。
图3为本发明的正视图。
图4为本发明的侧视剖面图。
图5为本发明中可更换测试头的结构示意图。
图6为本发明中两次测试时样品装夹方式的示意图，其中(a)为第一次试验时样品装夹方式，(b)为第二次试验时样品装夹方式。
图中：1、连接头；2、冷却水槽；3、加热水槽；4、上热流柱；5、下热流柱；6、绝热罩；61、上绝热罩；62、下绝热罩；7、铠装热电阻；8、可更换测试头；9、微型热电偶；10、绝热垫块；11、测试样品；12、引伸计；13、上测试头；14、下测试头；15、镀银层、16、支撑柱。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图所示，本发明提供了一种气体扩散层压缩状态导热系数及接触热阻的测试装置，包括：加热单元、冷却单元、热流柱、绝热罩6、温度测量单元、引伸计12和数据处理单元；
所述加热单元包括置于万能试验机底座上的绝热垫块10、固定在绝热垫块10上方的加热水槽3以及与加热水槽3进出口相连接的加热恒温水箱；所述冷却单元包括顶部带有连接头1的冷却水槽2以及与冷却水槽2进出口相连接的冷却恒温水箱，所述连接头1与所述万能试验机十字头匹配连接，连接头1的规格可更换并匹配不同型号的万能试验机；
所述热流柱包括固定在所述冷却水槽2下方的上热流柱4和固定在所述加热水槽3上方的下热流柱5，所述上热流柱4的下端和所述下热流柱5的上端均螺纹连接有可更换测试头8，上下两端的所述可更换测试头8之间夹持有测试样品11，用于测试样品和不同材料的表面的接触热阻；
所述绝热罩6包括包裹在所述上热流柱4外部四周的上绝热罩61和包裹在所述下热流柱5外部四周的下绝热罩62，所述上绝热罩61通过硅胶与所述冷却水槽2相连，所述下绝热罩62通过硅胶与所述加热水槽3相连；
所述温度测量单元包括分别插入所述上热流柱4和所述下热流柱5上的若干铠装热电阻7和插入所述可更换测试头8内部的微型热电偶9，其中，所述铠装热电阻7的插入方向为垂直于所述上热流柱4和所述下热流柱5的轴线，所述微型热电偶9的插入方向为垂直于所述可更换测试头8的轴线；
所述引伸计(12)分别垂直固定于所述上热流柱(4)和所述下热流柱(5)的侧面，用于测量不同压力下样品厚度的变形量；
所述数据处理单元由数据采集器及电子计算机组成；所述数据采集器与所述铠装热电偶7和所述微型热电偶9电连接，用于温度的数据采集，并将数据传输至所述电子计算机进行数据处理；所述引伸计12的输出与万能试验机的控制器相连接并将信号输入给电子计算机进行数据处理。
优选的，所述冷却水槽2和所述加热水槽3内部中心区域均设有由刚性材料制成的支撑柱16，用于提高测试装置的稳定性及便于压力的传递。
优选的，所述冷却水槽2的温度控制范围为0-100℃，所述冷却水槽2中置有冷却介质，所述冷却介质为水或乙二醇，所述冷却介质在所述冷却水槽2内部做环形流动来对测试装置进行冷却；所述冷却水槽2的进口Ⅰ和出口Ⅰ位于所述冷却水槽2侧面并不在同一高度，所述进口Ⅰ的高度低于所述出口Ⅰ的高度，以便于加强内部流动换热。
优选的，所述加热水槽3的温度控制范围为0-100℃，所述加热水槽3中置有换热介质，所述换热介质为水或乙二醇，所述换热介质在所述加热水槽3内部做环形流动来对测试装置进行加热；所述加热水槽3的进口Ⅱ和出口Ⅱ位于所述加热水槽3侧面并不在同一高度，所述进口Ⅱ的高度低于所述出口Ⅱ的高度，以便于加强内部流动换热。
优选的，所述上热流柱4与所述冷却水槽2一体加工成型，所述下热流柱5与所述加热水槽3一体加工成型，所述上热流柱4和所述下热流柱5的材料相同，为铝合金、电解铁或铝青铜。
优选的，所述上热流柱4和所述下热流柱5的侧壁上沿轴向方向均开设有若干贯穿测温圆孔，所述测温圆孔垂直贯穿至所述上热流柱4或所述下热流柱5的轴线处；所述测温圆孔内插入所述铠装热电阻7，相邻两根所述铠装热电阻7中心距为5mm-10mm，相邻两根所述铠装热电阻7间的水平夹角为90℃，用于平衡整个系统的受力分布以及减小温度分布的不均匀程度，所述铠装热电阻7的测试精度为-0.1℃-0.1℃；所述测温圆孔的直径为1mm-3mm，相邻两个所述测温圆孔的中心距为5mm-10mm。
优选的，所述上热流柱4和下热流柱5在距其端面处4mm-6mm处侧面均加工有外螺纹，两处所述外螺纹分别与两个所述可更换测试头8的内螺纹配合连接，且所述外螺纹长度与所述可更换测试头8的内螺纹长度匹配；所述可更换测试头8与所述热流柱交界面加工高精度镜面，水平偏差度≤0.4μm；所述可更换测试头8的结构呈“瓶盖”型，与所述热流柱连接处加工有所述内螺纹；所述可更换测试头8上端面与下端面间的厚度为1mm，上端面上加工有一深度为0.5mm、宽度为0.5mm的矩形测温槽，所述测温槽的长度方向垂直于所述可更换测试头8的轴线，所述可更换测试头8的壁面垂直于轴线开有贯穿圆柱形通孔，所述圆柱形通孔与所述矩形测温槽相通构成长通道，所述长通道由所述可更换测试头8的圆柱外表面加工至轴线处；所述测温槽内插有所述微型热电偶9，用于测量所述可更换测试头8端面的温度，所述微型热电偶插至轴线处，并粘贴在所述测温槽底部；插入所述微型热电偶后，所述测温槽其余区域采用硅胶填充；9所述可更换测试头8根据测试需求由不同的材料制成，与燃料电池双极板材料一致以模仿气体扩散层真实工作环境，所述可更换测试头8的材料为镀金金属、镀碳金属或石墨。
优选的，所述绝热垫块10和所述绝热罩6的材料相同，均由导热系数极低且具有一定强度的保温材料制成，防止热流量散失，所述材料为FR-4、石棉或玻璃纤维；所述绝热罩的侧面开有若干通孔，所述通孔的开孔尺寸及位置与所述热流柱上开有的所述测温圆孔一致，以便于插入所述铠装热电阻7；所述绝热罩6的长度比所述热流柱长度短2mm-3mm，以便于所述可更换测试头8的安装以及避免与所述引伸计12相互干涉。
优选的，所述引伸计12为机械式引伸计、光学引伸计或电磁式引伸计，测试精度为1μm，测试范围为0.01mm-10mm；所述引伸计12的水平位置与所述热流柱端面间的距离为1mm-2mm。
实施例1
如图1-5所示，一种可测试压缩状态下气体扩散层导热系数及接触热阻的测试装置。使用该测试装置可测试不同压力下气体扩散层的有效导热系数及气体扩散层与不同材质双极板的接触热阻。该测试装置是基于稳态热流法的测试方法设计而成。该测试装置主要配合万能试验机使用，可以组装在万能试验机上，通过万能试验机提供测试过程中所需的压力，万能试验机为现有技术，图中未画出。测试装置上配套有引伸计12，可以测量不同压力下样品厚度的变形量。穿过样品的热流量通过将不同温度的换热介质通入测试装置中的加热水槽3来实现，通过控制换热介质的温度，可以控制热流量的大小。测试装置配套有不同材料制备而成的可更换测试头8，便于组装和拆卸，可以很方便的测试样品和不同材料的表面的接触热阻。
测试装置包括加热单元、冷却单元、热流柱、绝热罩6、温度测量单元、引伸计12和数据处理单元。其中加热单元包括固定在绝热垫块10上方的加热水槽3以及与加热水槽3进出口相连接的加热恒温水箱。冷却单元包括顶部带有连接头1的冷却水槽2以及与冷却水槽2进出口相连接的冷却恒温水箱。热流柱包括固定在冷却水槽2下方的上热流柱4、固定在加热水槽3上方的下热流柱5，以及同热流柱端面螺纹连接的可更换测试头8。绝热罩6包括包裹上热流柱4的上绝热罩61以及包裹下热流柱5的下绝热罩62两部分。温度测试单元包括沿热流柱轴向插入的若干铠装热电阻7，以及插入测试头内部槽内的微型热电偶9。数据处理单元由数据采集器及电子计算机组成；数据采集器与铠装热电偶7和微型热电偶9电连接，用于温度的数据采集，并将数据传输至电子计算机进行数据处理。引伸计12的输出与万能试验机的控制器相连接并将信号输入给电子计算机进行数据处理。
在使用过程中绝热垫块10放置在万能试验机底座上，加热水槽3通过其上方的连接头1与万能试验机十字头相连接，连接头1的规格可更换并匹配不同型号的万能试验机。
冷却水槽2和加热水槽3内部中心区域有刚性材料制成的支撑柱16，以便于提高装置的稳定性及便于压力的传递。冷却水槽2和加热水槽3的温度控制均为0-100℃，换热介质或冷却介质优选水、乙二醇，换热介质或冷却介质在各水槽内部做环形流动来对装置进行加热或冷却。冷却水槽2或加热水槽3的进出口位于各自水槽侧面并不在同一高度，各水槽进口高度略低于出口高度，以便于加强内部流动换热。将进出口设置为不同高度，其目的在于可以避免出现流动死区，从而加强内部流动换热。此外下进上出方式可以增加冷却液在水槽内的停留时间，加强换热。
上热流柱4与冷却水槽2、下热流柱5与加热水槽3均为一体加工制成，上热流柱4和下热流柱5的材料优选铝合金、电解铁和铝青铜等导热性较高的刚性材料。上热流柱4和下热流柱5沿轴向方向每隔5mm-10mm开有一直径1mm-3mm的测温圆孔，测温圆孔深至两个热流柱轴线处。各测温圆孔内插入铠装热电阻7，铠装热电阻7的测试精度在±0.1℃以内。相邻两根铠装热电阻7中心距为5mm-10mm，相邻两根铠装热电阻间水平夹角为90℃，起到平衡整个系统的受力分布以及减小温度分布的不均匀程度的作用。
上热流柱4和下热流柱5在距其端面处4mm-6mm处侧面均加工有外螺纹，分别与可更换测试头8螺纹连接。可更换测试头8与热流柱交界面加工高精度镜面，水平偏差度≤0.4μm。可更换测试头8呈“瓶盖”型设计(如图5所示)，与热流柱连接处加工有内螺纹。可更换测试头8厚1mm，距可更换测试头8上端面0.5mm处开有一测温槽，测温槽内插有微型热电偶9，用于测试可更换测试头8端面的温度。可更换测试头8可以根据需要测试需求由不同的材料制成，其通常与燃料电池双极板材料一致以模仿气体扩散层真实工作环境，可更换测试头8的材料优选镀金金属、镀碳金属和石墨等材料。
绝热垫块10和绝热罩6均用导热系数极低且有一定强度的保温材料制成，防止热流量散失，其材料优选FR-4、石棉和玻璃纤维等材料。绝热罩6包裹在热流柱四周，并通过硅胶与冷却水槽2和加热水槽3相连。绝热罩侧面钻有一定数量的通孔，开孔尺寸及位置与热流柱上的测温圆孔一致，以便于插入热电阻。绝热罩6长度比热流柱长度短2mm，以便于可更换测试头8的安装以及避免与引伸计12相互干涉。
引伸计12可选用机械式引伸计12、光学引伸计12和电磁式引伸计12中的一种，测试精度达到1μm，测试范围为0.01mm-10mm。引伸计12分别垂直固定于上热流柱4和下热流柱5侧面，引伸计12的水平位置距两个热流柱端面的距离均为1mm。
实施例2
与实施例1不同的是，本实施例中冷却介质和换热介质均为乙二醇。上热流柱4和下热流柱5的材料均为电解铁。上热流柱4和下热流柱5沿轴向方向每隔10mm开有一直径1mm的测温圆孔。上热流柱4和下热流柱5在距其端面处6mm处侧面均加工有外螺纹。
本实施例中，可更换测试头8的厚度为1mm，距可更换测试头8的上端面0.5mm处开有测温槽，可更换测试头8的材料为镀碳金属。
本实施例中，绝热垫块10和绝热罩6的材料为石棉。绝热罩6的长度比热流柱长度短3mm。引伸计12选用光学引伸计12，引伸计12的水平位置距两个热流柱端面的距离均为2mm。
实施例3
一种气体扩散层压缩状态下导热系数及接触热阻的测试装置，其具体结构如图1-4所示，该装置可与万能试验机配合使用，由万能试验机提供测试过程中所需压力。测试时选用需要测量接触热阻的材料制成的测试头，将两个测试头分别旋紧在上热流柱4和下热流柱5端面上，测试头与各热流柱端面交界面需热接触良好，以确保热流量能完整传递至测试头上。将微型热电偶9插入各测试头的测温槽中，使用硅胶将测温槽封住以固定微型热电偶9，防止测试过程中微型热电偶9掉落。将上热流柱4及冷却水槽2通过连接头1旋紧在万能试验机十字头上，将绝热垫片放置在万能试验机底座上，加热水槽3和下热流柱5通过硅胶粘在绝热垫片上，并和上热流柱4同轴对齐。上绝热罩61和下绝热罩61分别包裹在上热流柱4和下热流柱5外侧，并通过硅胶进行固定。保证绝热罩6的通孔与各热流柱测温圆孔位置对齐，将8根铠装热电阻7分别插在上下两个热流柱的8个测温圆孔中，每个热流柱上插入4根铠装热电阻7。8根铠装热电阻7和测试头上的两个微型热电偶9与数据处理单元相连接，以对实验过程中的温度进行采样。其中，铠装热电阻7的型号为OMEGA PR-17-2-100-1/16-2”-E(A”精度)，微型热电偶9的型号为TE-PF5040138-X微型热电偶。数据处理单元选用型号为HOKIA LR8402的数据采集器，结合连接的计算机，对采集的数据进行处理。引伸计12固定在上热流柱4和下热流柱5的侧面，可以测量测试样品11在实验过程中的实时厚度，其中，引伸计12选用Epsilon通用型金属小变形引伸计，型号为3542-010-005-LT。加热水槽3和冷却水槽2同两台恒温水箱连接，分别用于测试装置的加热和冷却。由于加热水槽3和冷却水槽2有一定的温度差，会导致热量由加热水槽3处沿热流柱传递至冷却水槽2处，当加热功率和冷却功率一致时，系统达到稳定状态，各测温点温度不随时间变化。由于热流柱边缘包裹有导热系数极低的绝热罩6，热流只能沿热流柱轴向传递，该导热现象可按一维稳态导热问题处理。此时通过求解傅里叶方程即可求出样品的导热系数及接触热阻。
为了分离样品的本体热阻和接触热阻，测试过程中进行两次测试。两次测试条件一致，即两次测试采用同样的测试头，并保持相同的压力和水槽温度。首先按上述方式将测试装置组装并连接至万能试验机上，并制备三片样品，样品尺寸与测试头尺寸一致。一片样品表面不进行处理，另外两片样品分别在其一侧喷溅很薄一层银粉，银粉层厚度不超过样品厚度的5％。
第一次测试中，先按上述方式将测试装置组装并连接至万能试验机上，将表面未经处理的样品放置在上测试头13和下测试头14间，保证样品与两个测试头对齐，如图6(a)所示。操作万能试验机将样品压缩至测试所需压力，分别设定加热恒温水箱和冷却恒温水箱的温度，将一定流量的换热介质通入测试装置的加热水槽3及冷却水槽2中。观察8根铠装热电阻7及2根微型热电偶9的温度，铠装热电阻7用于测量热流柱轴线上的温度，微型热电偶9用于测量测试头表面的温度，当温度随时间变化≤0.1℃并保持30min以上，认为系统达到稳态。记录8根铠装热电阻7温度T1-T8、两根微型热电偶9温度Tup1和Tdown1以及样品受压后的厚度δ1，其中，上热流柱4上的4根铠装热电阻7分别测得温度为T1-T4，下热流柱5上的4根铠装热电阻7分别测得温度为T5-T8。
根据傅里叶定律可分别求出上下两个热流柱的热流量Q1和Q2，如下式所示：
其中，Q为穿过热流柱的热流量(W)；k为热流柱的导热系数(W/(m·K))；S为热流柱的横截面积(m2)；
为上下热流柱的温度梯度，分别对上热流柱四个测点T1-T4及下热流柱四个测点T5-T8使用线性最小二乘拟合得出。
对计算得出的上下两个热流柱热量Q1和Q2，取二者的平均值为通过样品的热流量Qave1(W)。
由于测试头的导热良好，且微型热电偶9距离测试头端面距离很近，其温度可认为和测试头端面的温度一致，则根据傅里叶导热获得如下公式(1)：
式中，Tup1和Tdown1为第一次测试中两根微型热电偶测得的温度(℃)；Qave1为第一次测试中通过样品的热流量(W)；δ1为第一次测试中样品受压后的厚度(m)；A为样品的面积(m2)；λ为样品本体导热系数(W/(m·K))；Rc接触热阻(m2·K/W)。
第二次测试中，将剩余两片样品相互叠加，将两片样品放置在上测试头13和下测试头14间，喷溅银粉的一面相互接触，即两片样品的镀银层15相互接触，两片样品中未喷溅银粉的一面分别与上测试头13和下测试头14相接触，如图6(b)所示。保持其他条件不变，进行测试，测试流程与第一次试验相同，并记录下第二次实验中的温度测值和厚度值。由于样品间接触面喷溅有银粉，其接触热阻可忽略不计，因此第二次试验中获得如下公式(2)：
式中，，Tup2和Tdown2为第二次测试中两根微型热电偶测得的温度(℃)；Qave2为第二次测试中通过样品的热流量(W)；δ2为第二次测试中样品受压后的厚度(m)。
联立公式(2)和公式(3)，即可获得样品的本体导热系数λ和接触热阻Rc。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种气体扩散层压缩状态导热系数及接触热阻的测试装置，其特征在于，包括：加热单元、冷却单元、热流柱、绝热罩(6)、温度测量单元、引伸计(12)和数据处理单元；
所述加热单元包括置于万能试验机底座上的绝热垫块(10)、固定在绝热垫块(10)上方的加热水槽(3)以及与加热水槽(3)进出口相连接的加热恒温水箱；所述冷却单元包括顶部带有连接头(1)的冷却水槽(2)以及与冷却水槽(2)进出口相连接的冷却恒温水箱，所述连接头(1)与所述万能试验机十字头匹配连接；
所述热流柱包括固定在所述冷却水槽(2)下方的上热流柱(4)和固定在所述加热水槽(3)上方的下热流柱(5)，所述上热流柱(4)的下端和所述下热流柱(5)的上端均螺纹连接有可更换测试头(8)，上下两端的所述可更换测试头(8)之间夹持有测试样品(11)，用于测试样品和不同材料的表面的接触热阻；
所述绝热罩(6)包括包裹在所述上热流柱(4)外部四周的上绝热罩(61)和包裹在所述下热流柱(5)外部四周的下绝热罩(62)，所述上绝热罩(61)通过硅胶与所述冷却水槽(2)相连，所述下绝热罩(62)通过硅胶与所述加热水槽(3)相连；
所述温度测量单元包括分别插入所述上热流柱(4)和所述下热流柱(5)上的若干铠装热电阻(7)和插入所述可更换测试头(8)内部的微型热电偶(9)，其中，所述铠装热电阻(7)的插入方向为垂直于所述上热流柱(4)和所述下热流柱(5)的轴线，所述微型热电偶(9)的插入方向为垂直于所述可更换测试头(8)的轴线；
所述引伸计(12)分别垂直固定于所述上热流柱(4)和所述下热流柱(5)的侧面，用于测量不同压力下样品厚度的变形量；
所述数据处理单元由数据采集器及电子计算机组成；所述数据采集器与所述铠装热电偶(7)和所述微型热电偶(9)电连接，用于温度的数据采集，并将数据传输至所述电子计算机进行数据处理；所述引伸计(12)的输出与万能试验机的控制器相连接并将信号输入给电子计算机进行数据处理。
2.根据权利要求1所述的气体扩散层压缩状态导热系数及接触热阻的测试装置，其特征在于，所述冷却水槽(2)和所述加热水槽(3)内部中心区域均设有由刚性材料制成的支撑柱(16)，用于提高测试装置的稳定性及便于压力的传递。
3.根据权利要求1或2所述的气体扩散层压缩状态导热系数及接触热阻的测试装置，其特征在于，所述冷却水槽(2)的温度控制范围为0-100℃，所述冷却水槽(2)中置有冷却介质，所述冷却介质为水或乙二醇，所述冷却介质在所述冷却水槽(2)内部做环形流动来对测试装置进行冷却；所述冷却水槽(2)的进口Ⅰ和出口Ⅰ位于所述冷却水槽(2)侧面并不在同一高度，所述进口Ⅰ的高度低于所述出口Ⅰ的高度，以便于加强内部流动换热。
4.根据权利要求1或2所述的气体扩散层压缩状态导热系数及接触热阻的测试装置，其特征在于，所述加热水槽(3)的温度控制范围为0-100℃，所述加热水槽(3)中置有换热介质，所述换热介质为水或乙二醇，所述换热介质在所述加热水槽(3)内部做环形流动来对测试装置进行加热；所述加热水槽(3)的进口Ⅱ和出口Ⅱ位于所述加热水槽(3)侧面并不在同一高度，所述进口Ⅱ的高度低于所述出口Ⅱ的高度，以便于加强内部流动换热。
5.根据权利要求1所述的气体扩散层压缩状态导热系数及接触热阻的测试装置，其特征在于，所述上热流柱(4)与所述冷却水槽(2)一体加工成型，所述下热流柱(5)与所述加热水槽(3)一体加工成型，所述上热流柱(4)和所述下热流柱(5)的材料相同，为铝合金、电解铁或铝青铜。
6.根据权利要求1或5所述的气体扩散层压缩状态导热系数及接触热阻的测试装置，其特征在于，所述上热流柱(4)和所述下热流柱(5)的侧壁上沿轴向方向均开设有若干贯穿测温圆孔，所述测温圆孔垂直贯穿至所述上热流柱(4)或所述下热流柱(5)的轴线处；所述测温圆孔内插入所述铠装热电阻(7)，相邻两根所述铠装热电阻(7)中心距为5mm-10mm，相邻两根所述铠装热电阻(7)间的水平夹角为90℃，用于平衡整个系统的受力分布以及减小热电阻插入所导致的温度不均匀程度，所述铠装热电阻(7)的测试精度为-0.1℃-0.1℃；所述测温圆孔的直径为1mm-3mm，相邻两个所述测温圆孔的中心距为5mm-10mm。
7.根据权利要求6所述的气体扩散层压缩状态导热系数及接触热阻的测试装置，其特征在于，所述上热流柱(4)和下热流柱(5)在距其端面处4mm-6mm处侧面均加工有外螺纹，两处所述外螺纹分别与两个所述可更换测试头(8)的内螺纹配合连接，且所述外螺纹长度与所述可更换测试头(8)的内螺纹长度匹配；所述可更换测试头(8)与所述热流柱交界面加工高精度镜面，水平偏差度≤0.4μm；所述可更换测试头(8)的结构呈“瓶盖”型，与所述热流柱连接处加工有所述内螺纹；所述可更换测试头(8)上端面与下端面间厚度为1mm，上端面上加工有深度为0.5mm、宽度为0.5mm的矩形测温槽，所述测温槽的长度方向垂直于所述可更换测试头(8)的轴线，所述可更换测试头(8)的壁面垂直于轴线开有贯穿圆柱形通孔，所述圆柱形通孔与所述矩形测温槽相通构成长通道，所述长通道由所述可更换测试头(8)的圆柱外表面加工至轴线处；所述测温槽内插有所述微型热电偶(9)，所述微型热电偶插至轴线处，并粘贴在所述测温槽底部；插入所述微型热电偶后，所述测温槽其余区域采用硅胶填充；所述可更换测试头(8)根据测试需求由不同的材料制成，与燃料电池双极板材料一致以模仿气体扩散层真实工作环境，所述可更换测试头(8)的材料为镀金金属、镀碳金属或石墨。
8.根据权利要求1所述的气体扩散层压缩状态导热系数及接触热阻的测试装置，其特征在于，所述绝热垫块(10)和所述绝热罩(6)的材料相同，均由导热系数极低且具有一定强度的保温材料制成，防止热流量散失，所述材料为FR-4、石棉或玻璃纤维；所述绝热罩的侧面开有若干通孔，所述通孔的开孔尺寸及位置与所述热流柱上开有的所述测温圆孔一致，以便于插入所述铠装热电阻(7)；所述绝热罩(6)的长度比所述热流柱长度短2mm-3mm，以便于所述可更换测试头(8)的安装以及避免与所述引伸计(12)相互干涉。
9.根据权利要求1所述的气体扩散层压缩状态导热系数及接触热阻的测试装置，其特征在于，所述引伸计(12)为机械式引伸计、光学引伸计或电磁式引伸计，测试精度为1μm，测试范围为0.01mm-10mm；所述引伸计(12)的水平位置与所述热流柱端面间的距离为1mm-2mm。
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