CN112945719A - 一种燃料电池膜电极测试装置及测试膜电极性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池膜电极测试装置及测试膜电极性能的方法，该测试装置通过对膜电极压力及位移的监控，精确控制膜电极的压缩率，从而更准确的测量膜电极的放电性能、欧姆阻抗与膜电极压缩率的关系，对膜电极材料选型及膜电极条件测试提供测试依据。

Description

一种燃料电池膜电极测试装置及测试膜电极性能的方法
技术领域
本发明设计一种测试装置，具体涉及一种燃料电池膜电极的单池测试装置。
背景技术
随着全球资源的紧张以及人们对环保要求的逐渐提高，使得燃料电池技术的研发日益成熟，工业化进程日益加深，因此对于燃料电池各零部件的测试检测方法及装置收到各研究机构的重视。
燃料电池膜电极是燃料电池在工作过程中将化学能转换为电能的核心场所，是燃料电池的首要核心部件，其英文缩写为MEA。在膜电极研制过程中，膜电极的放电性能、欧姆阻抗与其压缩率存在密切的关系，如何精确的控制膜电极的压缩率成为必要，同时在材料选择及膜电极寿命测试中，需要对膜电极各部件的物性参数进行考察。
目前，膜电极单池测试装置通常通过扭矩或压力控制膜电极受到的压力，然后通过膜电极及密封垫的模量计算膜电极的压缩率。但目前膜电极及密封垫均为非线性压缩材料，当压缩区间进入非线性区域，其压缩比难以计算准确。
基于此，设计一款可靠的、快速的、可精确控制膜电极压缩率的单池测试装置成为必要。
发明内容
本发明是设计一款可靠的、快速的、可精确控制膜电极压缩率的单池测试装置。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种燃料电池膜电极性能测试装置，包括膜电极反应环境保持组件；
所述膜电极反应环境保持组件包括温度控制组件、气体控制组件及集流的上下端板；
所述温度控制组件包括热电偶、电加热元件及温度控制器；
所述气体控制组装件包括气体管路、电磁阀、质量流量控制器；
所述上端板和下端板相对设置，上端板置于下端板正上方，上端板下表面中部设有气体流场，下端板上表面中部设有气体流场，上端板和下端板气体流场相对设置，上端板和下端板间构成测试区域，待测膜电极置于测试区域内；上端板和下端板的气体流场进口分别通过气体管路经电磁阀和质量流量控制器分别与燃料气气源和氧化气气源相连，上端板和下端板的气体流场出口放空；于上端板和下端板内部分别设有热电偶和电加热元件，电加热元件经温度控制器与外电源相连，热电偶与温度控制器相连；
所述测试装置还包括位移及压力测试组件、加载组件及电子负载组件；
所述加载组装件包括保持架、驱动装置、滑动导轨、位移控制器；所述下端板置于保持架上；于保持架上设有竖向的滑动导轨，滑动导轨上设有滑杆或滑块，滑杆或滑块与上端板固定连接；上端板与驱动装置的动力输出端相连，由驱动装置驱动上端板沿滑动导轨上下滑动；
所述位移及压力测试组件包括位移传感器、压力传感器；位移传感器与位移控制器信号连接，驱动装置由位移控制器控制沿滑动导轨上下滑动；
于所述下端板的下方设置压力传感器，于所述保持架上设有用于监测上端板上下滑动位移的位移传感器；
于上端板和下端板上分别设有接线端，接线端分别通过导线与电子负载相连。
驱动装置为一电机或气缸，电机输出轴或气缸的推杆与上端板相连。
燃料气为氢气、甲烷、一氧化碳中的一种或二种以上，氧化气为空气、氧气中的一种或二种以上。
电子负载为可变电阻、可变电容、可变电感中的一种或二种以上。
于上端板下表面气体流场四周设有一环形凹槽，环形凹槽内设有第一密封圈；于下端板上表面气体流场四周设有一环形凹槽，环形凹槽内设有第二密封圈。
所述测试装置测试膜电极性能的方法，包括将待测膜电极置于测试区域内；调节膜电极反应环境保持组件至测试环境，包括利用温度控制组件中的温度控制器对温度进行调节，利用气体控制组装件对燃料气及氧化气气源、以及二者的流量进行调节；还包括以下步骤，
1)调节加载组组件中的位移控制器，驱动装置驱动上端板沿滑动导轨向下滑动至设定的位移Sn，读取对应的压力值Pn；于一位移-加载压力(分别为横纵坐标)曲线上记录该点位置。
2)利用位移控制器设定不同的位移值，且位移值逐渐增大，重复上述步骤 1)和2)n+1次，将n+1和n的点依次通过线段n相连，若线段n的斜率与线段n-1的斜率差除以线段n-1的斜率大于20％时，第n+1个点为斜率发生突变点； n正整数；n+1测试点和n测试点间的位移Sn+1与Sn之差小于等于0.01mm。
3)将上端板和下端板上的接线端分别通过导线与电子负载相连，进行加载测试。
选取斜率突变点为起始点，此时对应的位移值为S0，此时膜电极的初始厚度为L0；利用位移控制器设定不同的位移值，且位移值逐渐增大，共重复测试m 次，记录膜电极在位移为Sm条件下的电化学性能；选取斜率变化后的任一点对应的位移值为Sm；利用以下公式计算压缩比η＝(Sm-S0)/L0×100％；m为大于等于3的整数。
还包括以下步骤：选取测试得到的最优电化学性能对应的压缩比ηo为单电池或电堆组装压缩比。
可用于膜电极部件材料选择、膜电极最优压缩比选择、膜电极寿命测试中的各部件物性参数的变化。
调节加载组件中的位移控制器，对于一般膜电极与密封垫的匹配，密封垫厚度会高于膜电极厚度，因此，在加载时，首先被压缩的应该是密封垫，此时压力传感器采集到的压力值为密封垫变形引起的反作用力，其值与位移的比值应为密封垫的刚度值；在压缩至一定量后，膜电极开始压缩，此时压力传感器采集到的压力值为密封垫与膜电极共同变形引起的反作用力，其值与位移的比值应为密封垫与膜电极的混合刚度。因此，随着不同位移对应的压力值的采集，位移-加载力曲线可以反映出不同压缩阶段的压力变化情况；当加载组件压缩至膜电极压缩时，将上端板和下端板上的接线端分别通过导线与电子负载相连，进行加载测试，记录不同压缩位置下膜电极电化学性能，包括I-V测试、CV测试以及EIS测试等。
该装置具有模块化设计，便于改型、安装与维护，同时其具备了精确控制膜电极压缩率的功能，可随时改变被测膜电极材料，快速获得其适合的压缩率。可用于膜电极部件材料选择、膜电极最优压缩比选择。同时，在膜电极寿命测试中，可以通过此装置检测膜电极各部件原位的蠕变、屈服等失效模式。
相较于传统的压缩比控制方法，该方法将控制精度从10μm级提高至1μm 级，相对于膜电极厚度500-1000微米厚度，精度提高了一个数量级，对于膜电极的精细控制，可提高其在电堆中的一致性及寿命。
附图说明
图1为发明的组装图。
图2为位移-加载力曲线，用于读取膜电极压缩比数值。
其中：1加载装置；2位移传感器；3气体控制组件；4上下端板；5压力传感器；6电子负载组件；7温度控制组件。
具体实施方式
本发明燃料电池膜电极性能测试装置包括膜电极反应环境保持组件、位移及压力测试组件、加载组件及电子负载组件，各组件采用模块化设计，便于改型、安装与维护。具体实施方式如下：
选取以有效面积为50cm2，平均厚度为500-520微米，密封垫厚度为550-600 微米的膜电极进行测试。将待测膜电极置于测试区域内，调节膜电极反应环境保持组件至膜电极需要的测试环境，包括利用温度控制组件中的温度控制器对温度进行调节，设置温度为膜电极反应温度120℃；利用气体控制组装件对燃料气及氧化气气源、以及二者的流量进行调节，使其气量为膜电极反应的充足气量，该实施例中采用阳极氢气0.2L/min，阴极空气为0.6L/min；
调节加载组件中的位移控制器，在加载时，首先密封垫被压缩，此时压力传感器采集到的压力值为密封垫变形引起的反作用力，其值与位移的比值应为密封垫的刚度值；在压缩至一定位移后，膜电极开始压缩，此时压力传感器采集到的压力值为密封垫与膜电极共同变形引起的反作用力，其值与位移的比值应为密封垫与膜电极的混合刚度。因此，每隔3-5微米移采集一次压力值，将采集到的压力值与其位移对应值做出位移-加载力曲线，如图1所示，该曲线反映出不同压缩阶段的压力变化情况；利用位移控制器设定不同的位移值，重复上述步骤至n 个点连成的曲线斜率发生突变，此时突变后的压缩为膜电极的真实压缩。
当加载组件压缩至膜电极压缩时，将上端板和下端板上的接线端分别通过导线与电子负载相连，进行加载测试，记录不同压缩位置下膜电极电化学性能，包括I-V测试、CV测试以及EIS测试等；
选取曲线上斜率突变点为起始点，此时对应的位移值为0.1mm，相对于基底位置，此时可计算膜电极的初始厚度为0.512mm；选取斜率变化后的任一点对应的位移值为0.12；利用以下公式计算压缩比η＝(0.12-0.1)/0.512×100％＝3.9％，在该压缩比条件下，其200mA/cm2恒流放电电压为0.68V，在其余压缩比下， 200mA/cm2恒流放电电压均小于0.68V，以此选取3.9％为单电池组或电堆组装压缩比。

Claims (9)

1.一种燃料电池膜电极测试装置，包括膜电极反应环境保持组件；
所述膜电极反应环境保持组件包括温度控制组件、气体控制组件及集流的上下端板；
所述温度控制组件包括热电偶、电加热元件及温度控制器；
所述气体控制组装件包括气体管路、电磁阀、质量流量控制器；
所述上端板和下端板相对设置，上端板置于下端板正上方，上端板下表面中部设有气体流场，下端板上表面中部设有气体流场，上端板和下端板气体流场相对设置，上端板和下端板间构成测试区域，待测膜电极置于测试区域内；上端板和下端板的气体流场进口分别通过气体管路经电磁阀和质量流量控制器分别与燃料气气源和氧化气气源相连，上端板和下端板的气体流场出口放空；于上端板和下端板内部分别设有热电偶和电加热元件，电加热元件经温度控制器与外电源相连，热电偶与温度控制器相连；
其特征在于：所述测试装置还包括位移及压力测试组件、加载组件及电子负载组件；
所述加载组装件包括保持架、驱动装置、滑动导轨、位移控制器；所述下端板置于保持架上；于保持架上设有竖向的滑动导轨，滑动导轨上设有滑杆或滑块，滑杆或滑块与上端板固定连接；上端板与驱动装置的动力输出端相连，由驱动装置驱动上端板沿滑动导轨上下滑动；
所述位移及压力测试组件包括位移传感器、压力传感器；位移传感器与位移控制器信号连接，驱动装置由位移控制器控制沿滑动导轨上下滑动；
于所述下端板的下方设置压力传感器，于所述保持架上设有用于监测上端板上下滑动位移的位移传感器；
于上端板和下端板上分别设有接线端，接线端分别通过导线与电子负载相连。
2.按照权利要求1所述测试装置，其特征在于：
驱动装置为一电机或气缸，电机输出轴或气缸的推杆与上端板相连。
3.按照权利要求1所述测试装置，其特征在于：
燃料气为氢气、甲烷、一氧化碳中的一种或二种以上，氧化气为空气、氧气中的一种或二种以上。
4.按照权利要求1所述测试装置，其特征在于：
电子负载为可变电阻、可变电容、可变电感中的一种或二种以上。
5.按照权利要求1所述测试装置，其特征在于：
于上端板下表面气体流场四周设有一环形凹槽，环形凹槽内设有第一密封圈；于下端板上表面气体流场四周设有一环形凹槽，环形凹槽内设有第二密封圈。
6.按照权利要求1-5任一所述测试装置测试膜电极性能的方法，包括将待测膜电极置于测试区域内；调节膜电极反应环境保持组件至测试环境，包括利用温度控制组件中的温度控制器对温度进行调节，利用气体控制组装件对燃料气及氧化气气源、以及二者的流量进行调节；其特征在于：还包括以下步骤，
1)调节加载组组件中的位移控制器，驱动装置驱动上端板沿滑动导轨向下滑动至设定的位移Sn，读取对应的压力值Pn；于一位移-加载压力(分别为横纵坐标)曲线上记录该点位置；
2)利用位移控制器设定不同的位移值，且位移值逐渐增大，重复上述步骤1)和2)n+1次，将n+1和n的点依次通过线段n相连，若线段n的斜率与线段n-1的斜率差除以线段n-1的斜率大于20％时，第n+1个点为斜率发生突变点；n正整数；
3)将上端板和下端板上的接线端分别通过导线与电子负载相连，进行加载测试；
选取斜率突变点为起始点，此时对应的位移值为S0，此时膜电极的初始厚度为L0；利用位移控制器设定不同的位移值，且位移值逐渐增大，共重复测试m次，记录膜电极在位移为Sm条件下的电化学性能；选取斜率变化后的任一点对应的位移值为Sm；利用以下公式计算压缩比η＝(Sm-S0)/L0×100％；m为大于等于3的整数。
7.按照权利要求6所述测试装置测试膜电极性能的方法，其特征在于：还包括以下步骤：选取测试得到的最优电化学性能对应的压缩比ηo为单电池或电堆组装压缩比。
8.权利要求6所述测试方法的应用，其特征在于：可用于膜电极部件材料选择、膜电极最优压缩比选择、膜电极寿命测试中的各部件物性参数的变化。
9.权利要求6所述测试方法的应用，其特征在于：n+1测试点和n测试点间的位移Sn+1与Sn之差小于等于0.01mm。
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