CN112986489B - 一种阴极开放电堆单池膜电极性能测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种阴极开放电堆单池膜电极性能测试装置。包括可拆卸连接的阴极端板、阴极集流板、阴极单极板、阳极单极板、阳极集流板和阳极端板，待测试膜电极设置于阴极单极板和阳极单极板之间，阳极气体流道、阴极气体流道组成模拟密封的阳极气体测试条件和模拟开放的阴极气体测试条件，阴极集流板上固设贯通于阳极端板的第一阳极气体通气管，阳极集流板上固设贯通于阴极端板的第二阳极气体通气管和阴极气体通气管。本发明阴阳极集流板同时兼具阳极气体流道管路的功能，减少整体结构的体积，单池测试装置同时具有两块阴阳极端板，通过螺杆紧固的方式能够实现装置的快速拆装，降低装卸时间提高了使用效率，本发明结构简单，便于对膜电极进行检测。

Description

一种阴极开放电堆单池膜电极性能测试装置

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种阴极开放电堆单池膜电极性能测试装置。

背景技术

高温甲醇燃料电池电堆是一种工作点在160—180℃之间的以甲醇溶液重整制氢作为阳极燃料的新能源电池，其电堆阴极以空气中的氧气作为燃料，通过双极板及夹紧的一片膜电极组件(MEA)作为一个单电池单元。MEA两侧分别为阴、阳极燃料气体流道。通过质子交换膜以及扩散层和催化层的综合作用实现无污染的绿色发电装置。

高温甲醇燃料电池根据散热方式的不同分为空冷散热和冷却介质散热两种。阴极开放式高温甲醇燃料电池电堆即为阴极敞开式，工作过程中需要将大量的空气流经电池双极板的每一片阴极流道，通过10倍及以上的剂量比的阴极空气将电池工作过程中产生的多余热量带走从而保证电堆工作温度稳定且温度一致性较好。

相比于高温甲醇燃料电池电堆通过导热油等冷却介质散热效率高，冷却介质比热容大等优势，空气气体的比热容相对较小，通过阴极空气带走电堆产热的阴极开放式电堆需要大剂量的阴极空气，一般需要高于电堆工作所需要的阴极空气剂量的十倍以上。这就要求电堆阴极的流道具有横截面积大，阻力小且具有阴极密封性能好的特点。虽然阴极开放式高温甲醇燃料电池电堆阴极气量大且难于密封，但是相比于使用导热油等冷却介质散热的阴极封闭式高温甲醇燃料电池电堆，阴极开放式电堆结构简单，且不需要复杂的双极板流道设计，不需要专门提供导热油等冷却介质流通的通道，不存在因导热油泄漏等安全隐患导致的高温甲醇燃料电池电堆损坏等问题。

由于阴极开放式电堆的阴极直接与大气接触，裸露在环境中，因此对其中膜电极质量的检测极为重要，现有的阴极开放式高温甲醇燃料电池单池测试时对阴极气体管路的设计比较复杂，阴极空气在各阴极流道中分布不均匀。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种阴极开放电堆单池膜电极性能测试装置。本发明的集流板同时兼具了阳极气体流道管路的功能，整体结构紧凑、拆装便捷，使用效率高。本发明采用的技术手段如下：

一种阴极开放电堆单池膜电极性能测试装置，包括可拆卸连接的阴极端板、阴极集流板、阴极单极板、阳极单极板、阳极集流板和阳极端板，其中，待测试膜电极设置于阴极单极板和阳极单极板之间，所述阴极单极板、阳极单极板分别设有阴极气体流道、阳极气体流道，所述阴极集流板上固设顶端贯通于所述阳极端板的第一阳极气体通气管，其底端能够与其中一条阳极气体流道相连，所述阳极集流板上固设顶端贯通于所述阴极端板的第二阳极气体通气管，其底端能够与另一条阳极气体流道相连，基于以上通路模拟密封的阳极气体测试条件，所述阳极集流板上还固设贯通于所述阳极端板的阴极气体通气管，其底端能够与阴极气体流道入口相连，阴极单极板与阴极气体入口的相对侧的阴极流道直接在阴极单极板平面上贯通，基于此通路模拟开放的阴极气体测试条件，测试过程中，各板之间通过预设的预紧力紧固为主体形状规则的整体。

进一步地，所述第一阳极气体通气管垂直焊接于阴极集流板上，第二阳极气体通气管和阴极气体通气管均垂直焊接于阳极集流板上。

进一步地，所述阴极集流板、阴极单极板、阳极单极板、阳极集流板的主体形状与待测试膜电极外形相同，所述阴极端板和阳极端板为主体形状与待测试膜电极外形相同的异形件，其中的异形部用于连接紧固螺杆。

进一步地，所述异行部包括多个凸出于端板主体部的螺杆连接板和/或凸出于端板主体部的多个耳板，所述螺杆连接板上设有多个螺孔。

进一步地，所述阴极单极板和阳极单极板的2个阳极气体进出部凸出于主体部分，阴极集流板和阳极集流板的形状与阴极单极板和阳极单极板相匹配，阴极集流板和阳极集流板的其中一个凸出部供第一阳极气体通气管、第二阳极气体通气管的气体进出，另一个凸出部作为盖板固定在阴极单极板和阳极单极板的阳极气体进出部上，二者之间通过密封垫进行密封。

进一步地，各阴极螺孔内均设置有用于对碳杆螺杆绝缘的绝缘座。

进一步地，通过螺杆完成预设的预紧力紧固，其中，在螺杆的阴极端板一端设有预紧弹簧，预紧弹簧与螺杆之间设置垫片。

进一步地，各阳极螺孔内均设置有用于紧固螺杆的螺套。

进一步地，各端板与其相邻集流板接触的平面加工公差在±20μm以内。

本发明阴阳极两块集流板同时兼具了阳极气体流道管路的功能，减少了整体结构的体积，单池测试装置同时具有两块阴阳极端板，通过螺杆紧固的方式能够实现装置的快速拆装，降低了装卸时间提高了使用效率，本发明结构简单，便于对膜电极进行检测。

基于上述理由本发明可在燃料电池技术领域广泛推广。

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为本发明一种阴极开放电堆单池膜电极性能测试装置结构示意图。

图2为本发明实施例中阴极端板结构示意图。

图3为本发明实施例中阴极集流板结构示意图。

图4为本发明实施例中阴极单极板结构示意图。

图5为本发明实施例中阳极单极板结构示意图。

图6为本发明实施例中阳极集流板结构示意图。

图7为本发明实施例中阳极端板结构示意图。

图中：1、阴极端板；2、阴极集流板；3、阴极单极板；4、阳极单极板；5、阳极集流板；6、阳极端板；7、螺杆；8、弹簧；9、垫片；10、第一阳极气体通气管；11、第二阳极气体通气管；12、阴极气体通气管；13、螺杆连接板；14、耳板；15、凸出部。

具体实施方式

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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

本实施例公开了一种阴极开放电堆单池膜电极性能测试装置，本装置具有使单池电堆在不同电流密度下连续输出的功能，同时具有阴阳极两块集流板，集流板同时兼具了阳极气体流道管路的功能。单池测试装置同时具有两块阴阳极端板6，通过螺杆紧固的方式能够实现装置的快速拆装，降低了装卸时间提高了使用效率。

具体地，如图1所示，本发明包括可拆卸连接的阴极端板1、阴极集流板2、阴极单极板3、阳极单极板4、阳极集流板5和阳极端板6，其中，待测试膜电极设置于阴极单极板3和阳极单极板4之间，如图4、图5所示，所述阴极单极板3、阳极单极板4分别设有阴极气体流道、阳极气体流道，如图3所示，所述阴极集流板2上固设顶端贯通于所述阳极端板6的第一阳极气体通气管10，其底端能够与其中一条阳极气体流道相连，如图6所示，所述阳极集流板5上固设顶端贯通于所述阴极端板1的第二阳极气体通气管11，其底端能够与另一条阳极气体流道相连，基于以上通路模拟密封的阳极气体测试条件，所述阳极集流板5上还固设贯通于所述阳极端板6的阴极气体通气管12，其底端能够与阴极气体流道入口相连，阴极单极板3与阴极气体入口的相对侧的阴极流道直接在阴极单极板3平面上贯通，基于此通路模拟开放的阴极气体测试条件，测试过程中，各板之间通过预设的预紧力紧固为主体形状规则的整体。

阴极集流板2与阴极石墨单极板之间通过氟橡胶密封垫进行密封，防止阳极氢气在排出单电池的过程中通过两板之间的缝隙泄漏。同样在阳极集流板5与阳极石墨单极板之间通过氟橡胶密封垫进行密封，防止阳极氢气在进入单电池过程中通过两板之间的缝隙泄漏。所述氟橡胶密封垫的厚度为0.3mm。

本实施例中，阴极端板1与阳极端板6均由7系铝合金材料制成，主体厚度为12mm。阴极端板1如附图2所示，阴极端板1的外形尺寸匹配MEA的外形尺寸。在阴极端板1与阴极集流板2上氢气管路相对应的位置上需要有一个直径大于集流板上管路外径的通孔，本实施例中通孔直径为16mm。阴极端板1上还设计有6个直径为8mm的通孔，通孔的作用为将绝缘座嵌入到通孔中然后将碳钢螺杆穿过绝缘座的通孔进行绝缘。所述绝缘座即为采用PEEK或者PPS耐高温耐酸腐蚀材料制成的T型绝缘件，其作用为安装在阴极端板1的6个通孔中，T型绝缘件的螺杆与端板通孔的内壁绝缘，同时将弹簧防止在T型绝缘件的上面，使弹簧与端板绝缘，同时做到两处绝缘。当碳钢螺杆穿过阴极端板1与阳极端板6的钢丝套紧固连接时能够使阴、阳极两块端板之间相互绝缘，防止单电池装置在测试MEA性能过程中正负极短路造成MEA损坏。

如图7所示，所述阳极端板6为与阴极端板1外形尺寸一致的，与阴极端板1相同的是在阳极端板6与阳极集流板5上氢气管路相对应的位置上需要有一个直径大于集流板上管路外径的通孔，本实施例中通孔直径为16mm。与阴极端板1不同的是在阳极端板6上的6个通孔中，每个通孔中都需要嵌入钢丝套以方便阴阳极两块端板通过螺杆以及钢丝套进行紧固。与阴极端板1另一个不同之处为在阳极集流板5的另一根阴极空气管路的相应位置上需要有一个直径大于阳极集流板5上管路外径的通孔，本实施例中设计通孔直径为11mm，各端板与其相邻集流板接触的平面加工公差在±20μm以内。

本实施例中，所述单池检测装置中阴、阳极集流板5为两块采用316L不锈钢镀碳工艺制程的集流装置，两块板厚均为2mm。在阴极集流板2上位置对应于阴极端板1上16mm直径通孔的位置处通过激光焊接方式焊接有一根外径为12mm、内径8mm的316L不锈钢管，此管即为单池测试装置中阳极的气体管路流道。焊接时需要保证钢管与阴极集流板2的垂直度。在阳极集流板5上位置对应于阳极端板6上16mm直径通孔的位置处通过激光焊接方式焊接有一根外径为12mm、内径8mm的316L不锈钢管，此管即为单池测试装置中阳极的气体管路流道。焊接时需要保证钢管与阳极集流板5的垂直度。两根焊接在阴阳极集流板5上的外径为16mm的不锈钢管均为阳极氢气的流道，在阳极集流板5上的不锈钢管为氢气的进口通道，在阴极集流板2上的不锈钢管为氢气的出口通道。与阴极集流板2不同的是在阳极集流板5对应于阳极端板6上12mm直径通孔的位置处通过激光焊接方式焊接有一根外径为10mm、内径6mm的316L不锈钢管，此管即为单池测试装置中阴极的气体管路进口通道。

所述阴阳极石墨单极板即为石墨填加树脂材料制成的两块厚度均为12mm的外形尺寸与集流板外形尺寸相同的异型加工件。阴极单极板3上有用于氢气进出的凸出部15，其中具有方形通孔，同时在单极板的一侧有一个长宽高分别为70/7/6mm的方形槽用于外部阴极空气进入到单池测试装置后均匀分配至单电池阴极的每个流道中。阳极单极板4上同样有用于氢气进出的方形通孔，同时在阳极单极板4的一侧有一个长宽高分别为70/7/6mm的方形槽用于外部阴极空气进入到单池测试装置后均匀分配至单电池阴极的每个流道中。与阴极单极板3不同的是在方形槽的正中间有一个直径为6mm的通孔，通孔的位置与阳极集流板5上外径为10mm内径为6mm的不锈钢管的位置相对应。此通孔即为外部阴极空气起源进入单电池阴极的通道。与阳极单极板4不同的是阴极单极板3相对应与方槽的另一侧的阴极流道直接在单极板平面上贯通，是单电池阴极的出口直接与外部大气环境相同，测试过程中的阴极尾气直接排放到大气环境中。

为了有效减少整体体积，作为优选的实施方式，所述阴极集流板2、阴极单极板3、阳极单极板4、阳极集流板5的主体形状与待测试膜电极外形相同，所述阴极端板1和阳极端板6为主体形状与待测试膜电极外形相同的异形件，其中的异形部用于连接紧固螺杆。所述异行部包括多个凸出于端板主体部的螺杆连接板13和/或凸出于端板主体部的多个耳板14，所述螺杆连接板上设有多个螺孔。本实施例中，阴、阳极端板6靠近阳极单极板4方形通孔侧为耳板14，阴极端板1原理阳极单极板4方形通孔侧为螺杆连接板，可根据实际情况选取相应的连接构造。

所述单池测试装置由于工作温度在160—180℃之间且在进行启停测试过程中整个装置的温度均在室温与工作温度之间循环，因此整个装置的材料均容易产生热应力导致螺杆在反复的升降温后紧固力降低。由于在测试单电池的过程中紧固力的恒定能够影响MEA的压缩比，而MEA的压缩比又是影响MEA性能的关键参数，因此在温度循环的过程中要保证装置紧固力的恒定。基于以上要求，对装置设计了预紧弹簧8。弹簧的力学性能参数匹配电堆的紧固力，在6根螺杆的阴极端板1一端设计六根预紧弹簧来抵消温度循环产生的应力变化情况，预紧弹簧与螺杆7之间设置垫片9。

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 (7)

1.一种阴极开放电堆单池膜电极性能测试装置，其特征在于，包括可拆卸连接的阴极端板、阴极集流板、阴极单极板、阳极单极板、阳极集流板和阳极端板，其中，待测试膜电极设置于阴极单极板和阳极单极板之间，所述阴极单极板、阳极单极板分别设有阴极气体流道、阳极气体流道，所述阴极集流板上固设顶端贯通于所述阳极端板的第一阳极气体通气管，其底端能够与其中一条阳极气体流道相连，所述阳极集流板上固设顶端贯通于所述阴极端板的第二阳极气体通气管，其底端能够与另一条阳极气体流道相连，基于以上通路模拟密封的阳极气体测试条件，所述阳极集流板上还固设贯通于所述阳极端板的阴极气体通气管，其底端能够与阴极气体流道入口相连，阴极单极板与阴极气体入口的相对侧的阴极流道直接在阴极单极板平面上贯通，基于此通路模拟开放的阴极气体测试条件，测试过程中，各板之间通过预设的预紧力紧固为主体形状规则的整体；

所述第一阳极气体通气管垂直焊接于阴极集流板上，第二阳极气体通气管和阴极气体通气管均垂直焊接于阳极集流板上；

通过螺杆完成预设的预紧力紧固，其中，在螺杆的阴极端板一端设有预紧弹簧，预紧弹簧与螺杆之间设置垫片。

2.根据权利要求1所述的阴极开放电堆单池膜电极性能测试装置，其特征在于，所述阴极集流板、阴极单极板、阳极单极板、阳极集流板的主体形状与待测试膜电极外形相同，所述阴极端板和阳极端板为主体形状与待测试膜电极外形相同的异形件，其中的异形部用于连接紧固螺杆。

3.根据权利要求2所述的阴极开放电堆单池膜电极性能测试装置，其特征在于，所述异形部包括多个凸出于端板主体部的螺杆连接板和/或凸出于端板主体部的多个耳板，所述螺杆连接板上设有多个螺孔。

4.根据权利要求1所述的阴极开放电堆单池膜电极性能测试装置，其特征在于，各阴极螺孔内均设置有用于对碳杆螺杆绝缘的绝缘座。

5.根据权利要求1所述的阴极开放电堆单池膜电极性能测试装置，其特征在于，各阳极螺孔内均设置有用于紧固螺杆的螺套。

6.根据权利要求1所述的阴极开放电堆单池膜电极性能测试装置，其特征在于，所述阴极单极板和阳极单极板的2个阳极气体进出部凸出于主体部分，阴极集流板和阳极集流板的形状与阴极单极板和阳极单极板相匹配，阴极集流板和阳极集流板的其中一个凸出部供第一阳极气体通气管、第二阳极气体通气管的气体进出，另一个凸出部作为盖板固定在阴极单极板和阳极单极板的阳极气体进出部上，二者之间通过密封垫进行密封。

7.根据权利要求1所述的阴极开放电堆单池膜电极性能测试装置，其特征在于，各端板与其相邻集流板接触的平面加工公差在±20μm以内。

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