CN112782583B - 一种筛选和匹配燃料电池单片电池的方法和测试夹具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种筛选和匹配燃料电池单片电池的方法，包括如下过程：使用测试夹具将一片膜电极和一组双极板用热熔胶粘结成一体成为单片电池，测试夹具与测试台上的氢气和空气气源连接后，进行单片电池测漏，以及膜电极润湿与磨合，然后进行I‑V曲线测试；测试台上容纳10个以上的测试夹具同时接受测试；根据所需电堆对电池一致性的要求，设定单片电池电压范围；对前述I‑V曲线测试的数据进行采集和存储；针对每个单片电池，选择n组I‑V数据进行分析，若有n/2~n个电压值超出前述设定的电压范围，则剔除该单片电池；剩余单片电池组合成电堆。本发明提供的单电池筛选和匹配的方法，以保障在装堆之前将性能一致的单电池独立出来，用于装在同一个电堆中。
Description
技术领域
本发明涉及一种筛选和匹配燃料电池单片电池的方法和测试夹具，属于燃料电池技术领域。
背景技术
质子交换膜燃料电池电堆的关键部件时双极板和膜电极，一片双极板和一片膜电极组成一组单电池。多组单电池叠加在一起组成电堆，单电池之间以串联的方式连接，所以电堆的电压为单电池电压的总和，电堆电流却等于通过每组单电池的电流。评价电堆中单电池性能的方法是在一定测试条件下，分析电压随电流变化的关系；尤其是在大电流下，反应物投递到膜电极催化剂表面时出现扩散极限时，单电池电压的变化情况。
影响单电池性能的因素有两大类：第一类是双极板和膜电极之间的配合，这类因素多通过设计阶段解决，主要是根据设计者的经验和仿真结果做出最佳的选择；第二类是工艺制作过程因素，即在生产膜电极或双电极的过程中，人、机、料、法、环对产品一致性的影响。第二类因素对电堆性能影响较大，因为这些因素具有随机性，其结果是单电池与单电池之间的电压差距随机变化；并且因为单电池之间的串联关系，最弱的单电池决定了整个电堆在大电流下的最终性能。因此，解决单电池之间一致性较差的问题对电堆性能有深远影响。目前对于单电池一致性不好的电堆，所采取的是拆堆方式将有问题的单电池替换掉。但这样做的负面影响是费时，并且会伤及电堆中其他性能较好的单电池。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种筛选和匹配燃料电池单片电池的方法和测试夹具。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种筛选和匹配燃料电池单片电池的方法，包括如下过程：
使用测试夹具将一片膜电极和一组双极板用热熔胶粘结成一体成为单片电池，测试夹具与测试台上的氢气和空气气源连接后，进行单片电池测漏，以及膜电极润湿与磨合，然后进行I-V曲线测试；测试台上容纳10个以上的测试夹具同时接受测试；
根据所需电堆对电池一致性的要求，设定单片电池电压范围；对前述I-V曲线测试的数据进行采集和存储；针对每个单片电池，选择n组I-V数据进行分析，若有n/2～n个电压值超出前述设定的电压范围，则剔除该单片电池；剩余单片电池组合成电堆。
进一步地，所述n/2若为小数，去除小数点后的小数部分，只取整数值。
进一步地，同一测试台上容纳的测试夹具数量为10～50个。
进一步地，针对每个单片电池，选择7组I-V数据进行分析，若有3～7个电压值超出所设电压范围，则剔除该单片电池，剩余单片电池组合成电堆。
进一步地，所述I-V曲线测试时间为15分钟。
一种测试夹具，用于上述筛选和匹配燃料电池单片电池的方法，包括阳极尾板底板，阳极尾板底板内侧依次用螺钉固定设置阳极绝缘板、铜电极A、热熔胶A、阳极安装板、密封圈A；
阴极尾板压板，阴极尾板压板内侧依次用螺钉固定设置加热盘、高导热绝缘板、铜电极C、热熔胶C、阴极安装板、密封圈C；所述阴极尾板压板的外侧面设置有活接头组；
所述阳极尾板底板与阴极尾板压板合并形成测试夹具，测试夹具的一侧使用合页连接固定，另一侧使用螺栓、螺母压紧固定。
进一步地，所述高导热绝缘板上设有热电偶。
进一步地，所述阳极安装板上还设有定位柱销。
利用上述测试夹具组装单片电池的方法，过程如下：
将密封圈B、双极板、热熔胶B、膜电极依序叠加后，放置在阳极尾板底板与阴极尾板压板之间，通过活节螺栓和压紧螺母锁紧夹具，加热盘通电加热，热熔胶熔化将双极板与膜电极粘结形成单片电池；然后根据所述筛选和匹配燃料电池单片电池的方法进行单片电池的筛选和匹配。
有益效果：本发明提供的筛选和匹配燃料电池单片电池的方法，将单片电压的问题以单片电池组件方式进行评价，避免了因制程复杂而造成的单片电压变化的问题，确保了电堆中单片电压的一致性；电堆集成前先形成单片电池，因此电堆集成过程中涉及的部件数量减少一半，从而简化了集成过程，节约了集成时间，便于大规模生产。
所述测试夹具也是单片电池的制作夹具，单片电池制作包含了双极板和膜电极测漏，测试过程包括了润湿和磨合，另外测试过程的数据采集和分析都是自动化；根据生产需要设定单片电池筛选标准，便于大规模生产过程中的品质管控。
附图说明
图1为本发明测试夹具的整体结构示意图；
图2为本发明测试夹具的爆炸图；
图2中标识：1.阳极尾板底板，2.阳极绝缘板，3.铜电极A，4.绝缘护套，5.定位柱销，6.绝缘沉头螺钉A，7.合页，8.沉头螺钉，9.活节螺栓定位销，10.活节螺栓，11.热熔胶A，12.阳极安装板，13压紧螺母，14.密封圈B，15.双极板，16.热熔胶B，17.膜电极，18.密封圈C，19.阴极安装板，20.热熔胶C，21.铜电极C，22.热电偶，23.绝缘沉头螺钉C，24.高导热绝缘板，25.加热盘，26.阴极尾板压板，27.活接头密封圈，28.活接头组，29.内六角螺栓。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1、图2所示，一种测试夹具，包括阳极尾板底板1，阳极尾板底板1内侧依次用绝缘沉头螺钉A6螺钉固定设置阳极绝缘板2、铜电极A3、热熔胶A11、阳极安装板12。阳极尾板底板1外设置绝缘护套4。
阴极尾板压板26，阴极尾板压板26内侧依次用绝缘沉头螺钉C23固定设置加热盘25、高导热绝缘板24、铜电极C21、热熔胶C20、阴极安装板19、密封圈C18，所述高导热绝缘板24上设有热电偶22；所述阴极尾板压板26的外侧面设置有活接头组28，活接头组28与阴极尾板压板26之间设置活接头密封圈28，并通过内六角螺栓29固定；所述活接头组28上布置有若干个氢气和空气快接头，便于在测试台上的拆装。
所述阳极尾板底板1与阴极尾板压板26合并形成测试夹具，测试夹具的一侧使用合页7连接固定，合页7的两边分别通过沉头螺钉3固定在阳极尾板底板1和阴极尾板压板26的侧边；测试夹具的另一侧通过活节螺栓10和压紧螺母13压紧固定，活节螺栓10通过活节螺栓定位销9固定连接在阳极尾板底板1的侧边。
上述测试夹具也是制作单片电池的制作夹具，单片电池制作过程如下：
将密封圈B14、双极板15、热熔胶B16、膜电极17依序叠加后，放置在阳极尾板底板1与阴极尾板压板26之间，所述阳极安装板12上设置定位销5，便于双极板15的阴极面固定在阳极安装板12上，然后通过活节螺栓10和压紧螺母13锁紧夹具；加热盘25通电加热，将预先位于膜电极边框表面的热熔胶粘结在双极板15的阳极面上。
单片电池制作形成后，进行如下筛选和匹配燃料单片电池的过程：
测试夹具通过活接头组28上的快接头与测试台上的氢气和空气气源连接，对单片电池进行测漏，首先在0.2A/cm2电流密度下膜电极磨合15分钟，然后进行I-V曲线测试，单片电池电压的采集是在下表1所示测试条件下进行的：
表1单片电池电压采集的测试条件
测试台上可容纳10-50个测试夹具，即可同时对10-50组单片电池进行测试。
根据所需电堆对电池一致性的要求，设定单片电池电压范围；对前述I-V曲线测试的数据进行自动化采集和存储分析；针对每个单片电池，选择7组I-V数据进行分析，若有3个及以上电压值超出前述设定的电压范围，则剔除该单片电池；剩余单片电池组合成电堆。
本实施例进行了65组单片电池的测试，测试结果如表2所示，其中共有9组因有三个或三个以上电压值超过内定标准而被剔除，剩余56组单片电池符合±1％的偏差范围内的标准，从而可以被集成到一个电堆中，判断标准如表3所示。所剔除的单片电池会被标注，并被用于其他标准的电堆集成工作。
表2不同电流密度下65组单片电池的电压测试值
表3不同电流密度下的电压判断标准
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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种筛选和匹配燃料电池单片电池的方法，其特征在于，包括如下过程：
使用测试夹具将一片膜电极和一组双极板用热熔胶粘结成一体成为单片电池，测试夹具与测试台上的氢气和空气气源连接后，进行单片电池测漏，以及膜电极润湿与磨合，然后进行I-V曲线测试；测试台上容纳10个以上的测试夹具同时接受测试；
根据所需电堆对电池一致性的要求，设定单片电池电压范围；对前述I-V曲线测试的数据进行采集和存储；针对每个单片电池，选择n组I-V数据进行分析，若有n/2～n个电压值超出前述设定的电压范围，则剔除该单片电池；剩余单片电池组合成电堆；
所述测试夹具包括阳极尾板底板，阳极尾板底板内侧依次用螺钉固定设置阳极绝缘板、铜电极A、热熔胶A、阳极安装板、密封圈A；阴极尾板压板，阴极尾板压板内侧依次用螺钉固定设置加热盘、高导热绝缘板、铜电极C、热熔胶C、阴极安装板、密封圈C；所述阴极尾板压板的外侧面设置有活接头组；所述阳极尾板底板与阴极尾板压板合并形成测试夹具，测试夹具的一侧使用合页连接固定，另一侧使用螺栓、螺母压紧固定。
2.根据权利要求1所述的一种筛选和匹配燃料电池单片电池的方法，其特征在于，所述n/2若为小数，去除小数点后的小数部分，只取整数值。
3.根据权利要求1所述的一种筛选和匹配燃料电池单片电池的方法，其特征在于，同一测试台上容纳的测试夹具数量为10～50个。
4.根据权利要求1所述的一种筛选和匹配燃料电池单片电池的方法，其特征在于，针对每个单片电池，选择7组I-V数据进行分析，若有3～7个电压值超出所设电压范围，则剔除该单片电池，剩余单片电池组合成电堆。
5.根据权利要求1所述的一种筛选和匹配燃料电池单片电池的方法，其特征在于，所述I-V曲线测试时间为15分钟。
6.一种测试夹具，用于权利要求1所述的筛选和匹配燃料电池单片电池的方法，其特征在于，包括阳极尾板底板，阳极尾板底板内侧依次用螺钉固定设置阳极绝缘板、铜电极A、热熔胶A、阳极安装板、密封圈A；
阴极尾板压板，阴极尾板压板内侧依次用螺钉固定设置加热盘、高导热绝缘板、铜电极C、热熔胶C、阴极安装板、密封圈C；所述阴极尾板压板的外侧面设置有活接头组；
所述阳极尾板底板与阴极尾板压板合并形成测试夹具，测试夹具的一侧使用合页连接固定，另一侧使用螺栓、螺母压紧固定。
7.根据权利要求6所述的一种测试夹具，其特征在于，所述高导热绝缘板上设有热电偶。
8.根据权利要求6所述的一种测试夹具，其特征在于，所述阳极安装板上还设有定位柱销。
9.利用权利要求6所述测试夹具组装单片电池的方法，其特征在于，过程如下：
将密封圈B、双极板、热熔胶B、膜电极依序叠加后，放置在阳极尾板底板与阴极尾板压板之间，通过活节螺栓和压紧螺母锁紧夹具，加热盘通电加热，热熔胶熔化将双极板与膜电极粘结形成单片电池；然后根据权利要求1所述方法进行单片电池的筛选和匹配。
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