CN113451605B - 一种燃料电池离线可视化拼装式装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池离线可视化拼装式装置，包括从上到下依次排列组装的顶部端板、顶部垫片、流场板、内嵌式垫片、扩散层支撑板和供水供气机构，供水供气机构的一侧可拆卸连接有拍摄端板。流场板抵接拍摄端板的一侧开设有沟槽以形成流道。顶部端板和拍摄端板均采用透明材料,且均可设置高速摄像机，以实现流道顶部和侧面的离线可视化拍摄。相比于现有技术，本发明实现了流道和气体扩散层表面的可视化，同时实现了流道顶部和侧面的观测，可以模拟研究流道内液态水的传输行为，应用于离线可视化实验，并具有拆装方便的优点，通过调整内嵌式垫片的数量，可调节流道高度，以适应多种实验工况。

Description

一种燃料电池离线可视化拼装式装置

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池离线可视化拼装式装置。

背景技术

质子交换膜燃料电池具有能量转换率高，零排放，工作温度低等特点，在国内外已经引起了很大的关注，质子交换膜燃料电池技术已经成为车载动力系统中重要的发展方向之一。在质子交换膜燃料电池商业化的过程中，也面临许多的技术挑战，其中最重要的技术难点之一就是水管理，特别是在大电流密度工况下，大量的液态水在流道内聚集，阻塞反应物传输的通道，造成反应物不能通过气体扩散层孔隙到达反应的界面，影响电化学反应的速度，从而严重影响电池的性能。所以，流道中的水传输会对电池的性能产生重要的影响。

正因为这些原因，使得燃料电池水管理成为科研的热点。燃料电池可视化装置是一种简单的、低成本的可观测液态水在流道内，在扩散层表面传输现象的装置。可充分研究流道内液态水的流型变化，也可以采集气体的分布状态。因此可视化技术也是燃料电池实验领域最重要的实验手段之一。

直接可视化技术最为常用，是利用高速摄像机直接拍摄透明光学电池流道内液态水传输过程的方法，利用直接可视化方法可以对流道内的动态特性进行在线和离线的研究，时间和空间分辨率较高，常用电池流道尺寸中液态水传输过程都能满足拍摄要求，对于常规尺度液滴运动来说，电池改装不会带来较大影响。

对于在线可视化，优点是能实时观测流道内液态水的流动，但是由于窗口起雾，不可定量调节，不能对液态水的脱离过程进行定量的分析，受多种因素干扰，不能达到研究目的。由于在线可视化方法是在有电化学反应参与时进行的，对于流道内生成的液态水大多进行定性分析，不能深层次的对多种状态过程中的液态水的动态行为和液滴的脱离状态进行定量分析，因此必须采用离线可视化的手段研究流道内液态水的动态特性。即离线可视化的目的是将电化学过程分离出去，定量分析液态水透过扩散层并在流道中的动态特性。

申请号为：201510919434.6，发明名称为一种燃料电池双极板流场流体分布的可视化装置及方法,以及申请号为：200710012312.4，发明名称为双极板流场流体可视化装置和方法的中国专利中均公开了燃料电池可视化技术方案,两种技术方案的共同点都是将一块镂空的流道板与顶部端板结合形成顶部透明的燃料电池可视化装置，利用高分辨率的高速摄像机拍摄流体的分布，这两种装置是最简单的传统的燃料电池可视化装置的代表，其突出的问题在于只能涉及顶部的可视化，且镂空流道板的重复性差，结构特征固定，无法观测流道侧面。

申请号为：201810186909.9，发明名称为一种燃料电池装置及其极板流道气体分布的模拟方法的中国专利中，公开一种技术方案：将镂空的流道与透明端板相结合，在镂空流道底部放置一层重氨嗮图纸，实验过程中，氮气中通入氨气，当气体在流道中流动时。重氨嗮图纸表面会产生红色的印记，反映出气体的分布，这种方案虽然能反映出气体流动的分布情况，但是不能直接观测液态水的分布，也不能利用高速摄影机拍摄流道内侧面信息。

申请号CN201910740781.0，发明名称为可视化燃料电池装置的中国技术专利中，公开了一种技术方案：第二阴极流场板的底面开有沟槽以形成流道，并形成脊，第一阴极集电板的材质为导电透明材料，并开有镂空部，镂空部的大小和位置与沟槽相对，通过流场板沟槽和集电板镂空部的配合形成流道，同样利用带有显微镜的高分辨率的高速摄像机拍摄顶面和侧面，该技术方案在进行流道侧面可视化观测时需要对流道侧面进行加工，此流道结构导致最后加工误差较大，会影响拍摄质量，只能观测有实时电化学参与的液态水的分布，仅适用于在线可视化，离线可视化的研究要求流道侧面的平整度高，所以此技术方案并不适用于离线可视化的研究。

综上所述，现有燃料电池的可视化技术存在以下技术问题：

1、仅适用于顶部的可视化，无法观测流道侧面；

2、不能直接从流道侧面清洗观测液滴形貌和脱离过程；

3、只能观测有实时电化学参与的液态水的分布，仅适用于在线可视化。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃料电池离线可视化拼装式装置，可以同时从流道的顶部和侧面，实现液滴形貌、脱离和传输过程液态水分布情况的高质量拍摄，实现燃料电池无电化学反应下的可视化离线实验。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种燃料电池离线可视化拼装式装置，包括从上到下依次排列组装的顶部端板、顶部垫片、流场板、内嵌式垫片、扩散层支撑板和供水供气机构，所述供水供气机构的一侧可拆卸连接有拍摄端板；

所述流场板抵接拍摄端板的一侧开设有沟槽以形成流道；

所述顶部端板和拍摄端板均采用透明材料,且可根据需要在流道的顶部或侧面设置高速摄像机，以实现流道顶部和侧面的离线可视化拍摄。

进一步设置为：所述顶部端板、顶部垫片、流场板、内嵌式垫片和扩散层支撑板通过顶部螺栓固定安装于供水供气机构的上方,所述拍摄端板通过侧面螺栓固定安装于供水供气机构的前侧面。

进一步设置为：所述供水供气机构的底部贯穿开设有和流道连通的第一进水口、第一进气口和第一排水排气口，所述第一进水口、第一进气口和第一排水排气口分别通过管道连接外部的气体供应装置和液态水供应装置，以提供所需的气体和液态水。

进一步设置为：所述供水供气机构的左右两侧分别一体固设有凸台，所述凸台上开设有定位孔，可通过螺栓与外部夹持装置相连。

进一步设置为：所述供水供气机构顶部开设有内嵌式凹槽，所述扩散层支撑板嵌设于内嵌式凹槽上；所述扩散层支撑板上开设有垫片槽，所述内嵌式垫片与垫片槽紧密配合，以起到密封作用。

进一步设置为：所述扩散层支撑板的上端面为扩散层支撑面，所述扩散层支撑面用于放置气体扩散层；所述内嵌式垫片和扩散层支撑板安装平整后，所述扩散层支撑面与内嵌式垫片的上表面形成水平面，所述水平面与供水供气机构的上端面持平，为气体扩散层的放置提供平整的贴合面。

进一步设置为：所述扩散层支撑板上分别开设有与第一进水口连通的第二进水口、与第一进气口连通的第二进气口，以及与第一排水排气口连通的第二排水排气口。

进一步设置为：所述流场板放置在内嵌式垫片上表面和顶部垫片的下表面之间，形成面与面的紧密贴合；所述流场板背向拍摄端板的一侧开设有镂空凹槽，所述镂空凹槽处设置有高频率高强度的光源。

进一步设置为：所述扩散层支撑板可拆卸替换，通过调整内嵌式垫片的数量以调节流道的高度。

进一步设置为：所述流场板为可替换结构板，可以根据实验所需的具体流道结构进行更换。

综上所述，本发明的有益技术效果为：

(1)可以实现流道和扩散层表面的可视化，并且实现了流道顶部和侧面的观测。

(2)整个拼装式装置组装简单，便于拆卸，流场板和内嵌式垫片均可更换，通过调整内嵌式垫片的数量，可控制整体流道的高度，以适应多种实验工况。

(3)本装置设置了供水供气机构，通过气体供应装置和液态水供应装置可以精确稳定地控制气体流量和注水速率，相对于现有技术，无需对流道侧面进行加工，即可模拟燃料电池在离线状态下流道内液态水的传输行为，实现燃料电池无电化学反应下的可视化离线观测和分析。

(4)通过设置内嵌式垫片，内嵌式垫片与垫片槽紧密配合，可以提到本装置的密封性，当气体从第一进气口进入流场板内的流道时，可以有效避免气体从流道中部泄露。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种燃料电池离线可视化拼装式装置的爆炸示意图；

图2为本发明提供的一种燃料电池离线可视化拼装式装置的侧视剖面图；

图3为本发明中供水供气机构的结构示意图；

图4为本发明中供水供气机构的俯视图；

图5为本发明中扩散层支撑板的结构示意图；

图6为本发明中流场板的结构示意图。

附图标记：

1、顶部端板 2、顶部垫片 3、流场板

31、流道 32、镂空凹槽 4、内嵌式垫片

5、扩散层支撑板 51、第二进水口 52、第二进气口

53、第二排水排气口 54、垫片槽 55、扩散层支撑面

6、供水供气机构 61、第一进水口 62、第一进气口

63、第一排水排气口 64、凸台 65、定位孔

66、内嵌式凹槽 7、拍摄端板 8、顶部螺栓

9、侧面螺栓

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

参照图1，为本发明公开的一种燃料电池离线可视化拼装式装置，包括从上到下依次排列组装的顶部端板1、顶部垫片2、流场板3、内嵌式垫片4、扩散层支撑板5和供水供气机构6，供水供气机构6的一侧可拆卸连接有拍摄端板7。流场板3抵接拍摄端板7的一侧开设有沟槽以形成流道31，流场板3垂直抵接于拍摄端板7的侧面后，才能实现流道31侧面的封闭，形成完整的流道31结构，即拍摄端板7的侧面和流场板3的沟槽共同构成了流道31结构。

参照图2，顶部端板1、顶部垫片2、流场板3、内嵌式垫片4和扩散层支撑板5通过顶部螺栓8固定安装于供水供气机构6的上方,拍摄端板7通过侧面螺栓9固定安装于供水供气机构6的前侧面。流场板3为可替换结构板，可以根据实验所需的具体流道31结构进行更换，通过拆卸顶部螺栓8，可以方便地更换流场板3。并且扩散层支撑板5可拆卸替换，通过调整内嵌式垫片4的数量以调节流道31的高度。

参照图3，供水供气机构6的底部贯穿开设有和流道31连通的第一进水口61、第一进气口62和第一排水排气口63，第一进水口61、第一进气口62和第一排水排气口63分别通过管道连接外部的气体供应装置和液态水供应装置，以提供离线可视化实验所需的气体和液态水。通过气体供应装置和液态水供应装置可以精确稳定地控制气体流量和注水速率，满足多种实验工况，从而反映液滴的成长和脱离过程，实现定量分析和观测液态水透过扩散层并在流道31中的动态特性。气体供应装置包括相互连接的空气发生器、气体稳压器和气体管路，可以保证气体实验过程中气体的稳定供应。液态水供应装置采用注射泵，注射泵型号为Harvard Pump 11Elite，注射泵进给流量的范围为1.26pL min^-1-88.40mL min^-1，精度为±0.5％，可满足持续的可控压力的注射，支持恒定压力模式和恒定流速模式。

参照图4，供水供气机构6的左右两侧分别一体固设有凸台64，凸台64对称设置于供水供气机构6的左右两侧，凸台64上开设有两个定位孔65，可通过螺栓与外部夹持装置相连，以保证实验过程中可视化装置的稳定性和水平度。

参照图4和图5，供水供气机构6顶部开设有内嵌式凹槽66，扩散层支撑板5嵌设于内嵌式凹槽66上。扩散层支撑板5上开设有垫片槽54，内嵌式垫片4与垫片槽54紧密配合，以起到密封作用，当气体从第一进气口62进入流场板3内的流道31时，可以有效避免气体从流道31中部泄露。

参照图5，扩散层支撑板5上分别开设有与第一进水口61连通的第二进水口51、与第一进气口62连通的第二进气口52，以及与第一排水排气口63连通的第二排水排气口53。扩散层支撑板5的上端面为扩散层支撑面55，扩散层支撑面55用于放置气体扩散层。内嵌式垫片4和扩散层支撑板5安装平整后，扩散层支撑面55与内嵌式垫片4的上表面共同形成水平面，水平面与供水供气机构6的上端面持平，为气体扩散层的放置提供了平整的贴合面。气体扩散层可分别采用亲水碳纸和疏水碳纸来做离线的直接可视化实验，研究观察碳纸的不同表面润湿性对于液态水流动形态的影响。

参照图6，流场板3放置在内嵌式垫片4上表面和顶部垫片2的下表面之间，形成面与面的紧密贴合。流场板3背向拍摄端板7的一侧开设有不规则的镂空凹槽32，镂空凹槽32处设置有高频率高强度的光源，以缩短光源后置过程中光线的传播距离，光源可透过流道31侧面，实现背光法侧面拍摄流道31内的液态水分布。

拍摄端板7和顶部端板1采用透明材料，透明材料优选采用有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯)，在拍摄端板7处设置带有微距镜头的高速摄像机，可从侧面捕获流道31内液态水的分布情况和传输过程。在顶部端板1的上部架设带有微距镜头的高速摄像机，可实现从顶部拍摄液态水的分布情况和传输过程。高速摄像机、微距镜头及光学玻璃组成光学拍摄系统，准确获得流道31内液态水的动态变化过程，高速摄像机通信连接计算机，实时储存动态信息。

本实施例的工作原理及有益效果为：

液态水供应装置向装置供应液态水，液态水为去离子水，液态水从第一进水口61经第二进水口51进入流道31内。气体供应装置向装置供应气体，气体从第一进气口62经第二进气口52进入流道31内，从而模拟流道31内液态水在气体扩散层表面的成长、脱离及传输过程。通过高速摄像机分别从流道31顶部和侧面捕获流道31内液态水的成长、脱离及传输分布过程。

相比于现有技术，本实施例可以实现流道31和扩散层表面的可视化，同时实现了流道31顶部和侧面的观测，可以模拟研究流道31内液态水的传输行为，实现燃料电池无电化学反应下的可视化离线实验；通过调整内嵌式垫片4的数量，可控制整体流道31的高度，以适应多种实验工况。

最后应说明的是：以上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 (6)

1.一种燃料电池离线可视化拼装式装置，其特征在于：包括从上到下依次排列组装的顶部端板（1）、顶部垫片（2）、流场板（3）、内嵌式垫片（4）、扩散层支撑板（5）和供水供气机构（6），所述供水供气机构（6）的一侧可拆卸连接有拍摄端板（7）；

所述流场板（3）抵接拍摄端板（7）的一侧开设有沟槽以形成流道（31）；

所述顶部端板（1）和拍摄端板（7）均采用透明材料,且均可设置高速摄像机，以实现流道（31）顶部和侧面的离线可视化拍摄；

所述供水供气机构（6）的底部贯穿开设有和流道（31）连通的第一进水口（61）、第一进气口（62）和第一排水排气口（63），所述第一进水口（61）、第一进气口（62）和第一排水排气口（63）分别通过管道连接外部的气体供应装置和液态水供应装置，以提供所需的气体和液态水；

所述扩散层支撑板（5）上分别开设有与第一进水口（61）连通的第二进水口（51）、与第一进气口（62）连通的第二进气口（52），以及与第一排水排气口（63）连通的第二排水排气口（53），能够反映液滴的成长和脱离过程；

所述供水供气机构（6）顶部开设有内嵌式凹槽（66），所述扩散层支撑板（5）嵌设于内嵌式凹槽（66）上；

所述扩散层支撑板（5）上开设有垫片槽（54），所述内嵌式垫片（4）与垫片槽（54）紧密配合，以起到密封作用；

所述扩散层支撑板（5）的上端面为扩散层支撑面（55），所述扩散层支撑面（55）用于放置气体扩散层；

所述内嵌式垫片（4）和扩散层支撑板（5）安装平整后，所述扩散层支撑面（55）与内嵌式垫片（4）的上表面形成水平面，所述水平面与供水供气机构（6）的上端面持平，为气体扩散层的放置提供平整的贴合面。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池离线可视化拼装式装置，其特征在于：所述顶部端板（1）、顶部垫片（2）、流场板（3）、内嵌式垫片（4）和扩散层支撑板（5）通过顶部螺栓（8）固定安装于供水供气机构（6）的上方,所述拍摄端板（7）通过侧面螺栓（9）固定安装于供水供气机构（6）的前侧面。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池离线可视化拼装式装置，其特征在于：所述供水供气机构（6）的左右两侧分别设有凸台（64），所述凸台（64）上开设有定位孔（65），可通过螺栓与外部夹持装置相连。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池离线可视化拼装式装置，其特征在于：所述流场板（3）放置在内嵌式垫片（4）上表面和顶部垫片（2）的下表面之间，形成面与面的紧密贴合；

所述流场板（3）背向拍摄端板（7）的一侧开设有镂空凹槽（32），所述镂空凹槽（32）处设置有高频率高强度的光源。

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池离线可视化拼装式装置，其特征在于：所述扩散层支撑板（5）可拆卸替换，通过调整内嵌式垫片（4）的数量以调节流道（31）的高度。

6.根据权利要求1所述的一种燃料电池离线可视化拼装式装置，其特征在于：所述流场板（3）为可替换结构板，可以根据实验所需的具体流道（31）结构进行更换。

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