CN113176502A - 一种燃料电池膜电极的测试夹具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池膜电极的测试夹具，包括框架、单电池组件、压紧组件、气体输送组件和检测组件；框架内部具有容置腔，容置腔的底部水平；单电池组件包括第一极板和第二极板，第一极板水平设置于容置腔底部，第二极板可拆卸的安装于第一极板的上端，压紧组件包括压紧机构和压力检测器，压力检测器用于检测压紧力；检测组件与单电池组件连接，气体输送组件与单电池组件连接；其通过第一极板和第二极板之间组成一个临时单电池，并采用带有压力检测器的压紧组件压紧第一极板和第二极板，可实时监测并显示临时单电池的装配压力数值，快速了解膜电极受压状态，能准确获知临时单电池的装配压力对膜电极性能的影响，使测试结果更准确。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池膜电极的测试夹具。
背景技术
质子交换膜燃料电池已广泛应用于交通汽车，公共汽车，船舶，水下航行器和航天器等领域。与其它电能源类型技术相比，质子交换膜燃料电池具有许多优点，包括启动时间短、系统体积小、污染物排放低、系统效率相对较高以及噪音级别低等，是21世纪重要的潜在新能源发展方向。
燃料电池是一种前景广阔的清洁能源，质子交换膜燃料电池是其中最重要的一类。质子交换膜燃料电池的核心部件是传导离子并隔绝电子的电解质膜，其性能的好坏直接影响燃料电池的性能输出。目前，低温型质子交换膜燃料电池通常采用以聚合物电解质膜作为隔膜材料，同时在阴阳两侧设计铂/碳类催化剂层和多孔扩散层，最终形成能够发电的膜电极组件。单电池及相关材料(膜电极、质子交换膜、扩散层、碳纸等)的测试是质子交换膜燃料电池研发过程的重要环节。
传统的质子交换膜燃料电池单电池或材料的测试夹具是通过4～8根螺栓将其锁紧，不仅工作效率较低，而且样品各部位压缩受力不均匀，影响测试结果的准确性。还有，传统的测试夹具依靠很高的预紧力来保证电池的密封和集电板的良好接触，无法实时监测真实膜电极测试状态的受力状态以及膜电极压缩量比例，进而难以快速了解单电池装配压力对膜电极性能的影响，指导电堆装配工艺设计。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种燃料电池膜电极的测试夹具，用以解决现有技术中膜电极测试时无法实时监测膜电极受力状态，难以快速了解单电池装配压力对膜电极性能的技术问题。
本发明提供一种燃料电池膜电极的测试夹具，包括框架、单电池组件、压紧组件、气体输送组件和检测组件；
所述框架内部具有容置腔，所述容置腔的底部水平；
所述单电池组件包括第一极板和第二极板，所述第一极板水平设置于所述容置腔底部，所述第二极板可拆卸的安装于所述第一极板的上端，以用于与待测试的膜电极组成临时单电池；
所述压紧组件包括压紧机构和压力检测器，所述压紧机构用于对所述第二极板产生靠近所述第一极板的压紧力，所述压力检测器用于检测所述压紧力；
所述检测组件与所述单电池组件连接，用于检测所述临时单电池的电压或电流；
所述气体输送组件与所述单电池组件连接，用于向所述单电池组件输送反应气体。
优选的，所述框架包括底板、导向柱和顶板，所述底板的上端具有水平设置的承载面，所述导向柱竖直安装于所述底板的上端，所述顶板安装于所述导向柱的上端，所述顶板和所述水平承载面之间形成容置腔；
所述压紧机构包括压板和压紧驱动件，所述压板可滑动的安装于所述导向柱，所述压紧驱动件用于驱动所述压板运动，以推动所述第二极板靠近所述第一极板。
优选的，所述压紧驱动件包括丝杆，所述顶板上形成有上下贯穿的通孔，所述通孔处安装有螺母，所述丝杆可活动的螺纹连接于所述螺母，所述丝杆的下端可转动的连接于所述压板。
优选的，所述压紧驱动件还包括手轮和紧定螺钉，所述手轮固定安装于所述丝杆上端，以在外力作用下带动所述丝杆转动，所述紧定螺钉安装于所述螺母的一侧且一端伸入所述螺母的内腔以抵接所述丝杆。
优选的，所述测试夹具还包括位移测量组件，所述位移测量组件包括标尺、位移游标、位移数显器和连接件，所述标尺竖直安装于所述底板上，所述位移游标可滑动的安装于所述标尺，所述位移数显器用于显示所述位移游标在所述标尺上的位移，所述压板通过所述连接件与所述位移游标连接，以带动所述位移游标同步运动。
优选的，所述框架还包括封装面板和三个侧封板，所述顶板和所述底板均为矩形块状，所述位移测量组件位于所述底板的一侧，三个所述侧封板分别可翻转的安装于所述顶板除所述位移测量组件所在一侧之外的另外三个侧面，所述封装面板安装于所述顶板对应所述位移测量组件的一侧，所述位移数显器位于所述封装面板的外侧，所述封装面板上形成有竖直设置的条形限位孔，所述连接件活动设置于所述条形限位孔。
优选的，所述测试夹具还包括控温组件，所述控温组件包括第一加热板、第二加热板和散热风扇，所述第一加热板安装于所述第一极板下端，用于对所述第一极板加热，所述第二加热板安装于所述第二极板下端，用于对所述第二极板加热，所述散热风扇安装于所述封装面板或任一个所述侧封板。
优选的，所述第一极板的上端面形成有第一极流场，所述第二极板的下端面形成有第二极流场，所述第一极流场和所述第二极流场之间用于放置待测试的膜电极；
所述气体输送组件包括第一进气管路、第二进气管路、第一排气管路和第二排气管路，所述第一极流场分别对应通过所述第一进气管路和所述第一排气管路与外部连通，所述第二极流场分别对应通过所述第二进气管路和所述第二排气管路与外部连通。
优选的，还包括分水组件，所述分水组件包括第一分水器、第一尾排气管路、第二分水器和第二尾排气管路，所述第一排气管路连接所述第一分水器的进气端，所述第一尾排气管路连接所述第一分水器的出气端，所述第二排气管路连接所述第二分水器的进气端，所述第二尾排气管路连接所述第二分水器的出气端；
所述顶板上形成有第一进气口、第二进气口、第一尾排气口和第二尾排气口，所述第一进气管路和所述第二进气管路远离所述单电池组件的一端分别对应连接至所述第一进气口和所述第二进气口，所述第一尾排气管路远离所述第一分水器的一端连接至所述第一尾排气口，所述第二尾排气管路远离所述第二分水器的一端连接至所述第二尾排气口。
优选的，所述检测组件包括第一集流板、第二集流板、第一线缆、第二线缆、第一极柱和第二极柱，所述第一集流板安装于所述第一极板下端，所述第二集流板安装于所述第二极板上端，所述第一集流板通过所述第一线缆与所述第一极柱电连接，所述第二集流板通过所述第二线缆与所述第二极柱电连接，所述第一极柱和所述第二极柱并列安装于所述顶板。
本发明提供的燃料电池膜电极的测试夹具，通过可拆卸的第一极板和第二极板之间组成一个临时单电池，并采用带有压力检测器的压紧组件压紧第一极板和第二极板，可实时监测并显示临时单电池的装配压力数值，快速了解膜电极受压状态，通过监测组件对临时单电池的电压或这电流的实时测定，能准确获知临时单电池的装配压力对膜电极性能的影响，使测试结果更准确，更有助于电堆装配工艺的设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种燃料电池膜电极的测试夹具的内部结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种燃料电池膜电极的测试夹具的外部结构示意图；
图3为本发明实施例中测试夹具的内部的局部结构示意图；
图4为图1的侧面结构示意图；
图5为图1的背面结构示意图；
图6为本发明中第一分水器和第二分水器的结构示意图；
图7为为本发明中第一极板和第二极板的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种燃料电池膜电极的测试夹具，包括框架1、单电池组件2、压紧组件3、检测组件4和气体输送组件5。
所述框架1内部具有容置腔1a，所述容置腔1a的底部水平。
具体的，结合图3所示，所述框架1包括底板11、导向柱12和顶板13，所述底板11的上端具有水平设置的承载面111，所述导向柱12竖直安装于所述底板11的上端，所述顶板13安装于所述导向柱12的上端，所述顶板13和所述水平承载面111之间形成容置腔1a。
优选的，所述顶板13和所述底板11均为矩形块状，所述导向柱12的数目为四个，四个导向柱12分别对应安装在所述顶板13和所述底板11的角落位置。
其中，结合图7所示，所述单电池组件2包括第一极板21和第二极板22，所述第一极板21水平设置于所述容置腔1a底部，所述第二极板22可拆卸的安装于所述第一极板21的上端，以用于与待测试的膜电极组成临时单电池。
具体的，所述第一极板21的上端面形成有第一极流场211，所述第二极板22的下端面形成有第二极流场221，所述第一极流场211和所述第二极流场221之间用于放置待测试的膜电极。
其中，所述压紧组件3包括压紧机构31和压力检测器32，所述压紧机构31用于对所述第二极板22产生靠近所述第一极板21的压紧力，所述压力检测器32用于检测所述压紧力。
在本申请的一些实施例中，所述压紧机构31包括压板311和压紧驱动件312，所述压板311可滑动的安装于所述导向柱12，所述压紧驱动件312用于驱动所述压板311运动，以推动所述第二极板22靠近所述第一极板21。
在本申请一些优选的实施例中，如图1至图4所示，所述压紧驱动件312包括丝杆3121，所述顶板13上形成有上下贯穿的通孔，所述通孔处安装有螺母3122，所述丝杆3121可活动的螺纹连接于所述螺母3122，所述丝杆3121的下端可转动的连接于所述压板311。
可以理解的是，为了保证压板311的垂直升降和平行度，所述压板311为矩形或者接近矩形的板状结构，压板311的四个顶角部位分别通过直线滑动轴承套设在四个导向柱12上。
其中，丝杆3121与压板311的连接处位于压板311中心位置，压力检测器32包括压力传感器321和压力表322，其中，压力传感器321安装在丝杆3121和压板311之间，压力表322与压力传感器321电性连接，以实时反应压力传感器321感应到的压紧力大小，以确保可实时监测并显示临时单电池的装配压力数值，快速了解膜电极的受压状态。
在本申请优选的实施例中，所述压紧驱动件312还包括手轮3123和紧定螺钉3124，所述手轮3123固定安装于所述丝杆3121上端，以在外力作用下带动所述丝杆3121转动，所述紧定螺钉3124安装于所述螺母3122的一侧且一端伸入所述螺母3122的内腔以抵接所述丝杆3121，手轮3123的设置方便了工作人员转动丝杆3121以压紧第一极板21和第二极板22；紧定螺钉3124可以有效锁紧丝杆，防止丝杆3121在测试过程中回弹，确保了压紧力的持续和稳定。
所述气体输送组件5与所述单电池组件2连接，用于向所述单电池组件2输送反应气体。
具体的，结合图3所示，所述气体输送组件5包括第一进气管路51、第二进气管路52、第一排气管路53和第二排气管路54，所述第一极流场211分别对应通过所述第一进气管路51和所述第一排气管路53与外部连通，所述第二极流场221分别对应通过所述第二进气管路53和所述第二排气管路54与外部连通。
可以理解的是，对于氢氧燃料电池而言，其反应气体为氢气和氧气，因而在本申请的一些实施例中，气体输送组件5主要用于向单电池组件2输送氢气和氧气，作为一种可选的实施例方式，第一极板21为阳极极板，其上第一极流场211为阳极流场，第二极板为阴极极板，其上第二极流场221为阴极流场；对应的，由于氢氧燃料电池工作时，氢气位于阳极流场，氧气位于阴极流场，故第一进气管路51为氢气进气管路，第一排气管路52为氢气排气管路，对应的，第二进气管路53为氧气进气管路，第二排气管路54为氧气排气管路。
其中，第一进气管路51和第一排气管路53均通过密封接头可拔插的安装于所述第一极板21的两侧，第一排气管路53和第二排气管路54均通过密封接头可拔插的安装于所述第二极板22的两侧。
在本申请优选的实施例中，该测试夹具还包括分水组件7，所述分水组件7包括第一分水器71、第一尾排气管路72、第二分水器73和第二尾排气管路74，分水组件7将临时单电池反应生产的水及冷凝水通过第一分水器71和第二分水器73，避免液态水堵住第一尾排气管路72和第二尾排气管路74导致通气不流畅。
其中，所述第一排气管路52连接所述第一分水器71的进气端，所述第一尾排气管路72连接所述第一分水器71的出气端，与上面实施例相对应的，第一分水器71用于将阳极流场反应气体氢气及产生的水分离，以保证剩余氢气的排出回收。
具体的，如图6所示，所述第一分水器71包括第一分水腔体711、第一分水进口712、第一液体出口713和第一气体出口714，其中，第一分水进口712和第一气体出口714并列设置于所述第一分水腔体711的上端，第一液体出口713位于所述第一分水腔体711的下端，第一液体出口713处连接有第一排液电磁阀，第一排气管路53与第一分水进口712连接，第一尾排气管路72与第一气体出口714连接。
所述第二排气管路54连接所述第二分水器73的进气端，所述第二尾排气管路74连接所述第二分水器73的出气端，与上面实施例相对应的，第二分水器73用于将阴极流场反应气体氧气及产生的水分离，以保证剩余氧气的排出回收。
具体的，所述第二分水器73包括第二分水腔体731、第二分水进口732、第二液体出口733和第二气体出口734，其中，第二分水进口732和第二气体出口734并列设置于所述第二分水腔体731的上端，第二液体出口733位于所述第二分水腔体731的下端，第二液体出口733处连接有第二排液电磁阀，第二排气管路54与第二分水进口732连接，第一尾排气管路74与第二气体出口734连接。
所述顶板13上形成有第一进气口131、第二进气口132、第一尾排气口133和第二尾排气口134，所述第一进气管路51和所述第二进气管路53远离所述单电池组件2的一端分别对应连接至所述第一进气口131和所述第二进气口132，所述第一尾排气管路72远离所述第一分水器71的一端连接至所述第一尾排气口133，所述第二尾排气管路74远离所述第二分水器73的一端连接至所述第二尾排气口134。
在本申请的实施例中，所述测试夹具还包括位移测量组件8，所述位移测量组件8包括标尺81、位移游标82、位移数显器83和连接件84，所述标尺81竖直安装于所述底板11上，所述位移游标82可滑动的安装于所述标尺81，所述位移数显器83用于显示所述位移游标82在所述标尺81上的位移，所述压板311通过所述连接件84与所述位移游标82连接，以带动所述位移游标82同步运动。
位移测量组件8通过标尺81、位移游标82、位移数显器83的设置，保证了当压板311运动时，位移数显器83能准确显示压板311的运动位移，保证测试人员能准确获知单电池组件2内部膜电极的压缩量。
传统测试夹具一般全部裸露在测试环境条件下，测试结果受外界环境条件因素影响，导致同样实验内容在不同温度和不同季节(如夏天和冬天)的测试结果相差较大，无法保证膜电极测试研究的稳定性和真实性，因此，在本申请优选的实施例中，所述框架1还包括封装面板44和三个侧封板15，所述位移测量组件8位于所述底板11的一侧，三个所述侧封板15分别可翻转的安装于所述顶板13除所述位移测量组件8所在一侧之外的另外三个侧面，所述封装面板14安装于所述顶板13对应所述位移测量组件8的一侧，所述位移数显器83位于所述封装面板15的外侧，所述封装面板15上形成有竖直设置的条形限位孔151，所述连接件84活动设置于所述条形限位孔151。
通过封装面板44和三个侧封板15将膜电极包容在在夹具装置的内部，从而形成一个内部环境稳定的测试腔室，同时侧封板15可翻转的安装于所述顶板13可以采用合页翻转连接的方式，保证了当需要放置膜电极时，可以揭开任一侧封板15进行操作。
在本申请优选的实施例中，所述框架1还包括基座16，基座16位于底板11下端，用于承载底板，基座16内部具有容置第一分水器71和第二分水器73的容置腔，同时压力表322安装在基座16对应所述位移测量组件8的一侧。
所述检测组件4与所述单电池组件2连接，用于检测所述临时单电池的电压或电流。
在本申请优选的实施例中，结合图5所示，所述检测组件4包括第一集流板41、第二集流板42、第一线缆43、第二线缆44、第一极柱45和第二极柱46，所述第一集流板42安装于所述第一极板21下端，所述第二集流板42安装于所述第二极板22上端，所述第一集流板41通过所述第一线缆43与所述第一极柱45电连接，所述第二集流板42通过所述第二线缆44与所述第二极柱46电连接，所述第一极柱45和所述第二极柱46并列安装于所述顶板13。
进行测试工作时，在第一极柱45和第二极柱46上连接电压表或者电流表，即可对临时单电池的电压和电流进行测量，第一极柱45和第二极柱46均设置在顶板13可以有效的保证测试夹具内部不被操作人员干扰，保证测试结果的准确性。
如图4所示，所述测试夹具还包括控温组件9，所述控温组件9包括第一加热板91、第二加热板92和散热风扇93，所述第一加热板91安装于所述第一极板21下端，用于对所述第一极板21加热，更具体的设置在第一集流板41的下端，所述第二加热板92安装于所述第二极板22下端，用于对所述第二极板22加热，更具体的设置在第二集流板42的下端，所述散热风扇93安装于所述封装面板14或任一个所述侧封板15。
本发明提供的燃料电池膜电极的测试夹具，通过可拆卸的第一极板21和第二极板22之间组成一个临时单电池，并采用带有压力检测器32的压紧组件3压紧第一极板21和第二极板22，可实时监测并显示临时单电池的装配压力数值，快速了解膜电极受压状态，通过监测组件对临时单电池的电压或这电流的实时测定，能准确获知临时单电池的装配压力对膜电极性能的影响，使测试结果更准确，更有助于电堆装配工艺的设计。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种燃料电池膜电极的测试夹具，其特征在于，包括框架、单电池组件、压紧组件、气体输送组件和检测组件；
所述框架内部具有容置腔，所述容置腔的底部水平；
所述单电池组件包括第一极板和第二极板，所述第一极板水平设置于所述容置腔底部，所述第二极板可拆卸的安装于所述第一极板的上端，以用于与待测试的膜电极组成临时单电池；
所述压紧组件包括压紧机构和压力检测器，所述压紧机构用于对所述第二极板产生靠近所述第一极板的压紧力，所述压力检测器用于检测所述压紧力；
所述检测组件与所述单电池组件连接，用于检测所述临时单电池的电压或电流；
所述气体输送组件与所述单电池组件连接，用于向所述单电池组件输送反应气体。
2.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极的测试夹具，其特征在于，所述框架包括底板、导向柱和顶板，所述底板的上端具有水平设置的承载面，所述导向柱竖直安装于所述底板的上端，所述顶板安装于所述导向柱的上端，所述顶板和所述水平承载面之间形成容置腔；
所述压紧机构包括压板和压紧驱动件，所述压板可滑动的安装于所述导向柱，所述压紧驱动件用于驱动所述压板运动，以推动所述第二极板靠近所述第一极板。
3.根据权利要求2所述的燃料电池膜电极的测试夹具，其特征在于，所述压紧驱动件包括丝杆，所述顶板上形成有上下贯穿的通孔，所述通孔处安装有螺母，所述丝杆可活动的螺纹连接于所述螺母，所述丝杆的下端可转动的连接于所述压板。
4.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极的测试夹具，其特征在于，所述压紧驱动件还包括手轮和紧定螺钉，所述手轮固定安装于所述丝杆上端，以在外力作用下带动所述丝杆转动，所述紧定螺钉安装于所述螺母的一侧且一端伸入所述螺母的内腔以抵接所述丝杆。
5.根据权利要求4所述的燃料电池膜电极的测试夹具，其特征在于，所述测试夹具还包括位移测量组件，所述位移测量组件包括标尺、位移游标、位移数显器和连接件，所述标尺竖直安装于所述底板上，所述位移游标可滑动的安装于所述标尺，所述位移数显器用于显示所述位移游标在所述标尺上的位移，所述压板通过所述连接件与所述位移游标连接，以带动所述位移游标同步运动。
6.根据权利要求5所述的燃料电池膜电极的测试夹具，其特征在于，所述框架还包括封装面板和三个侧封板，所述顶板和所述底板均为矩形块状，所述位移测量组件位于所述底板的一侧，三个所述侧封板分别可翻转的安装于所述顶板除所述位移测量组件所在一侧之外的另外三个侧面，所述封装面板安装于所述顶板对应所述位移测量组件的一侧，所述位移数显器位于所述封装面板的外侧，所述封装面板上形成有竖直设置的条形限位孔，所述连接件活动设置于所述条形限位孔。
7.根据权利要求6所述的燃料电池膜电极的测试夹具，其特征在于，所述测试夹具还包括控温组件，所述控温组件包括第一加热板、第二加热板和散热风扇，所述第一加热板安装于所述第一极板下端，用于对所述第一极板加热，所述第二加热板安装于所述第二极板下端，用于对所述第二极板加热，所述散热风扇安装于所述封装面板或任一个所述侧封板。
8.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极的测试夹具，其特征在于，所述第一极板的上端面形成有第一极流场，所述第二极板的下端面形成有第二极流场，所述第一极流场和所述第二极流场之间用于放置待测试的膜电极；
所述气体输送组件包括第一进气管路、第二进气管路、第一排气管路和第二排气管路，所述第一极流场分别对应通过所述第一进气管路和所述第一排气管路与外部连通，所述第二极流场分别对应通过所述第二进气管路和所述第二排气管路与外部连通。
9.根据权利要求8所述的燃料电池膜电极的测试夹具，其特征在于，还包括分水组件，所述分水组件包括第一分水器、第一尾排气管路、第二分水器和第二尾排气管路，所述第一排气管路连接所述第一分水器的进气端，所述第一尾排气管路连接所述第一分水器的出气端，所述第二排气管路连接所述第二分水器的进气端，所述第二尾排气管路连接所述第二分水器的出气端；
所述顶板上形成有第一进气口、第二进气口、第一尾排气口和第二尾排气口，所述第一进气管路和所述第二进气管路远离所述单电池组件的一端分别对应连接至所述第一进气口和所述第二进气口，所述第一尾排气管路远离所述第一分水器的一端连接至所述第一尾排气口，所述第二尾排气管路远离所述第二分水器的一端连接至所述第二尾排气口。
10.根据权利要求2所述的燃料电池膜电极的测试夹具，其特征在于，所述检测组件包括第一集流板、第二集流板、第一线缆、第二线缆、第一极柱和第二极柱，所述第一集流板安装于所述第一极板下端，所述第二集流板安装于所述第二极板上端，所述第一集流板通过所述第一线缆与所述第一极柱电连接，所述第二集流板通过所述第二线缆与所述第二极柱电连接，所述第一极柱和所述第二极柱并列安装于所述顶板。
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