CN111430760A - 一种膜电极发电性能测试极板控温组件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种膜电极发电性能测试极板控温组件，包括膜电极测试用空气极板、膜电极测试用氢气极板，空气极板流场背面一侧的进出口角孔区布置有极板流场背面密封圈，氢气极板流场一侧的气体进出口角孔四周布置有极板流场侧密封圈，空气极板、氢气极板流场背面中部均安装收集电流的集流板，空气极板、氢气极板流场背面分别设置有空气极板电加热块、氢气极板电加热块，空气极板电加热块、氢气极板电加热块均采用铸铝或铸铜电加热块，且分别通过前端板、后端板固定，前端板、后端板外侧分别设有前压紧板、后压紧板；本发明能够解决现有测试极板控温技术中，存在的加热功率密度小，换热温差小，加热速度慢，不利于安全可靠运行的不足。
Description
[技术领域]
本发明属于氢燃料电池制造、检测技术领域，具体地说是一种膜电极发电性能测试极板控温组件。
[背景技术]
氢燃料电池通过氢气和氧气间的催化反应直接产生电能，是一种高效、清洁的能源转换系统。氢燃料单电池包括膜电极、双极板与密封件。膜电极是燃料电池电化学反应区域，由质子交换膜、催化剂和气体扩散层组成。膜电极电输出性能是设计、评价膜电极的重要技术参数，影响膜电极输出性能的因素有双极板流场结构，反应气体运行工况条件如流量、温度、压力和湿度。膜电极输出性能测试多采用单电池，因测试极板数量少，电化学反应产生废热少，不足以平衡极板环境散热损失。为控制膜电极测试工况温度条件，需要布置加热组件以平衡，控制测试极板温度。否则，随测试时间增加，测试极板的壁温逐渐下降，将会直接影响膜电极测试温度和测试结果。
目前，传统的膜电极单电池测试装置的结构是：膜电极两侧分布布置阴极板、阳极板。阴极板反应区背面依次叠落集流板、压紧板、硅胶加热。阳极板背面依次叠落集流板、压紧板和硅胶加热片。反应气体空气、氢气进出口均布置在极板厚度一侧。极板加热组件是硅胶加热片，由硅胶、玻璃纤维、合金电阻丝或金属箔热压硫化而成，标准厚度约1.5mm。由于常见硅胶加热片常见功率密度范围0.6-1.0W/cm2，耐温150℃，保护温度100℃，硅胶加热片通过加热压紧板后再导热给极板，使得换热温差小，加热负荷小，控温响应速度慢，加热时间长。而且，硅胶加热片属软性电加热膜元件，耐压和耐磨强度低，在膜电极性能测试过程，频繁拆装过程易导致材料破裂，不利于安全可靠运行。
[发明内容]
本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种膜电极发电性能测试极板控温组件，能够解决现有测试极板控温技术中，存在的加热功率密度小，换热温差小，加热速度慢，不利于安全可靠运行的不足。
为实现上述目的设计一种膜电极发电性能测试极板控温组件，包括膜电极测试用空气极板4、膜电极测试用氢气极板5，所述膜电极测试用空气极板4、膜电极测试用氢气极板5均采用石墨材质且均在反应区布置流场，所述膜电极测试用空气极板4流场背面一侧的进出口角孔区布置有极板流场背面密封圈9，所述膜电极测试用氢气极板5流场一侧的气体进出口角孔四周布置有极板流场侧密封圈10，所述膜电极测试用空气极板4、膜电极测试用氢气极板5流场背面中部均布置有卡槽16，所述卡槽16用于安装收集电流的集流板11，所述膜电极测试用空气极板4、膜电极测试用氢气极板5流场背面分别设置有空气极板电加热块8、氢气极板电加热块12，所述空气极板电加热块8、氢气极板电加热块12分别与集流板11接触连接，所述空气极板电加热块8、氢气极板电加热块12均采用铸铝或铸铜电加热块，且分别通过前端板3、后端板6固定，所述前端板3、后端板6外侧分别设置并压紧有前压紧板1、后压紧板7。
作为优选，所述集流板11材质为紫铜，所述集流板11表面设置有镀金层。
作为优选，所述空气极板电加热块8、氢气极板电加热块12的电加热芯体采用陶瓷绝缘，所述空气极板电加热块8、氢气极板电加热块12加热面积与待测膜电极活化反应面积相同。
作为优选，所述前端板3、后端板6内侧分别加工有用于固定空气极板电加热块8、氢气极板电加热块12的凹槽17，所述空气极板电加热块8、氢气极板电加热块12通过凹槽17内置于前端板3、后端板6上。
作为优选，所述前端板3、后端板6均采用耐温环氧树脂或聚四氟乙烯绝缘材料制成。
作为优选，所述前压紧板1、后压紧板7内侧均设置有压紧板密封垫13，所述压紧板密封垫13设置于前端板3、后端板6四周的反应气体进出口角孔处。
作为优选，所述极板流场背面密封圈9设置为B字型，所述压紧板密封垫13呈T型。
作为优选，所述前压紧板1、后压紧板7内侧均设置有定位槽14，所述定位槽14设置在压紧板密封垫13处，所述定位槽14内插设有用于定位的定位柱2。
作为优选，所述前端板3、后端板6四角处均设置有切槽15，并通过切槽15与定位柱2配合连接。
作为优选，所述极板流场侧密封圈10包括反应区密封圈和角孔区密封圈，所述角孔区密封圈设置在反应区密封圈左右两侧且左右对称布置，所述反应区密封圈、角孔区密封圈均采用矩形密封圈。
本发明同现有技术相比，具有如下优点：
(1)本发明加热元件具有强度高，耐温高特点。其铸铝或铸铜电加热块耐温可达400℃，即使设置安全温度按100℃计，较硅胶加热片更耐温、耐磨，利用安全测试使用。
(2)本发明加热效率更高。铸铝或铸铜电加热块，因采用较粗的电阻丝，使得加热块加热功率密度可达4-5w/cm2；而常见硅胶加热片加热功率密度0.6-1.2w/cm2，从而控制测试极板温度响应较快，升温速度较快。
(3)本发明加热元件采用内置式，加热块与集体流板直接接触，从而使得加热块热量可快速导热给集流板来加热测试极板；而硅胶加热块的加热片需先加热压紧板、集流板才可加热测试极板。
(4)本发明能够解决现有测试极板控温技术中，存在的加热功率密度小，换热温差小，加热速度慢，不利于安全可靠运行的不足之处。
[附图说明]
图1是本发明的装配结构示意图一；
图2是本发明的装配结构示意图二；
图3是图1的俯视结构示意图；
图4是本发明前压紧板、后压紧板的结构示意图；
图5是本发明前端板、后端板的结构示意图；
图6是本发明空气极板电加热块、氢气极板电加热块的结构示意图；
图7是本发明膜电极测试用空气极板反应侧的结构示意图；
图8是本发明膜电极测试用空气极板反应气体背面的结构示意图；
图9是本发明压紧板密封垫的结构示意图；
图10是本发明极板流场背面密封圈的结构示意图；
图11是本发明极板流场侧密封圈的结构示意图；
图中：1、前压紧板2、定位柱3、前端板4、膜电极测试用空气极板5、膜电极测试用氢气极板6、后端板7、后压紧板8、空气极板电加热块9、极板流场背面密封圈10、极板流场侧密封圈11、集流板12、氢气极板电加热块13、压紧板密封垫14、定位槽15、切槽16、卡槽17、凹槽18、反应区19、密封区20、角孔区。
[具体实施方式]
下面结合附图对本发明作以下进一步说明：
如附图所示，本发明提供了一种膜电极发电性能测试极板控温组件，包括膜电极测试用空气极板4、膜电极测试用氢气极板5，膜电极测试用空气极板4、膜电极测试用氢气极板5均采用石墨材质且均在反应区布置流场，膜电极测试用空气极板4流场背面一侧的进出口角孔区布置有极板流场背面密封圈9，膜电极测试用氢气极板5流场一侧的气体进出口角孔四周布置有极板流场侧密封圈10，膜电极测试用空气极板4、膜电极测试用氢气极板5流场背面中部均布置有卡槽16，卡槽16用于安装收集电流的集流板11，膜电极测试用空气极板4、膜电极测试用氢气极板5流场背面分别设置有空气极板电加热块8、氢气极板电加热块12，空气极板电加热块8、氢气极板电加热块12分别与集流板11接触连接，空气极板电加热块8、氢气极板电加热块12均采用铸铝或铸铜电加热块，且分别通过前端板3、后端板6固定，前端板3、后端板6外侧分别设置并压紧有前压紧板1、后压紧板7。
其中，集流板11材质为紫铜，集流板11表面设置有镀金层；空气极板电加热块8、氢气极板电加热块12的电加热芯体采用陶瓷绝缘，空气极板电加热块8、氢气极板电加热块12加热面积与待测膜电极活化反应面积相同，前端板3、后端板6内侧分别加工有用于固定空气极板电加热块8、氢气极板电加热块12的凹槽17，空气极板电加热块8、氢气极板电加热块12通过凹槽17内置于前端板3、后端板6上，前端板3、后端板6均采用耐温环氧树脂或聚四氟乙烯绝缘材料制成，前端板3、后端板6四角处均设置有切槽15，并通过切槽15与定位柱2配合连接。
本发明中，前压紧板1、后压紧板7内侧均设置有压紧板密封垫13，压紧板密封垫13呈T型，压紧板密封垫13设置于前端板3、后端板6四周的反应气体进出口角孔处；前压紧板1、后压紧板7内侧均设置有定位槽14，定位槽14设置在压紧板密封垫13处，定位槽14内插设有用于定位的定位柱2。极板流场背面密封圈9设置为B字型，极板流场侧密封圈10包括反应区密封圈和角孔区密封圈，角孔区密封圈设置在反应区密封圈左右两侧且左右对称布置，反应区密封圈、角孔区密封圈均采用矩形密封圈。
本发明采用一种膜电极发电性能测试极板控温组件，该组件结构如下：膜电极发电性能测试用空气极板、氢气极板各一片，材质选用石墨，极板一侧在反应区布置流场，在进出口角孔区布置密封槽，用于密封膜电极两侧反应气体。在极板流场背面一侧的气体进出口角孔四周布置密封槽，用于保证反应气体流入、流出极板时的密封要求。在流场背面布置有卡槽，用于安装收集电流的集流板，集流板材质为紫铜，表面镀金。在空气板、氢气板流场背面分别布置一块铸铝或铸铜绝缘电加热块，电加热块采用铸铝、铸铜导热性能优良，电加热芯体采用陶瓷绝缘，电加热块加热面积与待测膜电极活化反应面积相同。
本发明为固定电加热块，分别加工前端板、后端版，材料选用具有一定硬度的耐温环氧树脂、聚四氟乙烯等绝缘材料。前端板、后端版一侧加工有凹槽，用于固定电加热块，在前端板加工反应气体进出口角孔，角孔区布置密封垫。组装时，上述膜电极发电性能测试组件水平放置在后压紧板上，并用定位柱定位各组件叠落装配位置，最后，水平放置前压紧板，并通过螺栓或气缸夹紧。
本发明为保证反应气体流入、流出膜电极发电性能测试组件密封性能，需要安装压紧板密封垫，如附图9所示。为保证膜电极反应时，空气侧、氢气侧气密性能，需要在双极板上安装极板流场侧密封圈，如附图11所示。为保证反应气体流入、流出前、后端板密封性能，需要安装极板流场背面密封圈，如附图10所示。
本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种膜电极发电性能测试极板控温组件，其特征在于：包括膜电极测试用空气极板(4)、膜电极测试用氢气极板(5)，所述膜电极测试用空气极板(4)、膜电极测试用氢气极板(5)均采用石墨材质且均在反应区布置流场，所述膜电极测试用空气极板(4)流场背面一侧的进出口角孔区布置有极板流场背面密封圈(9)，所述膜电极测试用氢气极板(5)流场一侧的气体进出口角孔四周布置有极板流场侧密封圈(10)，所述膜电极测试用空气极板(4)、膜电极测试用氢气极板(5)流场背面中部均布置有卡槽(16)，所述卡槽(16)用于安装收集电流的集流板(11)，所述膜电极测试用空气极板(4)、膜电极测试用氢气极板(5)流场背面分别设置有空气极板电加热块(8)、氢气极板电加热块(12)，所述空气极板电加热块(8)、氢气极板电加热块(12)分别与集流板(11)接触连接，所述空气极板电加热块(8)、氢气极板电加热块(12)均采用铸铝或铸铜电加热块，且分别通过前端板(3)、后端板(6)固定，所述前端板(3)、后端板(6)外侧分别设置并压紧有前压紧板(1)、后压紧板(7)。
2.如权利要求1所述的膜电极发电性能测试极板控温组件，其特征在于：所述集流板(11)材质为紫铜，所述集流板(11)表面设置有镀金层。
3.如权利要求1所述的膜电极发电性能测试极板控温组件，其特征在于：所述空气极板电加热块(8)、氢气极板电加热块(12)的电加热芯体采用陶瓷绝缘，所述空气极板电加热块(8)、氢气极板电加热块(12)加热面积与待测膜电极活化反应面积相同。
4.如权利要求1所述的膜电极发电性能测试极板控温组件，其特征在于：所述前端板(3)、后端板(6)内侧分别加工有用于固定空气极板电加热块(8)、氢气极板电加热块(12)的凹槽(17)，所述空气极板电加热块(8)、氢气极板电加热块(12)通过凹槽(17)内置于前端板(3)、后端板(6)上。
5.如权利要求4所述的膜电极发电性能测试极板控温组件，其特征在于：所述前端板(3)、后端板(6)均采用耐温环氧树脂或聚四氟乙烯绝缘材料制成。
6.如权利要求1至5中任一项所述的膜电极发电性能测试极板控温组件，其特征在于：所述前压紧板(1)、后压紧板(7)内侧均设置有压紧板密封垫(13)，所述压紧板密封垫(13)设置于前端板(3)、后端板(6)四周的反应气体进出口角孔处。
7.如权利要求6所述的膜电极发电性能测试极板控温组件，其特征在于：所述极板流场背面密封圈(9)设置为B字型，所述压紧板密封垫(13)呈T型。
8.如权利要求6所述的膜电极发电性能测试极板控温组件，其特征在于：所述前压紧板(1)、后压紧板(7)内侧均设置有定位槽(14)，所述定位槽(14)设置在压紧板密封垫(13)处，所述定位槽(14)内插设有用于定位的定位柱(2)。
9.如权利要求8所述的膜电极发电性能测试极板控温组件，其特征在于：所述前端板(3)、后端板(6)四角处均设置有切槽(15)，并通过切槽(15)与定位柱(2)配合连接。
10.如权利要求1至5中任一项所述的膜电极发电性能测试极板控温组件，其特征在于：所述极板流场侧密封圈(10)包括反应区密封圈和角孔区密封圈，所述角孔区密封圈设置在反应区密封圈左右两侧且左右对称布置，所述反应区密封圈、角孔区密封圈均采用矩形密封圈。
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