CN114420980A - 一种跨尺度多功能集成的质子交换膜燃料电池测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种跨尺度多功能集成的质子交换膜燃料电池测试系统，主要包括用于电池整体输出性能测试的质子交换膜燃料电池测试平台，用于多孔电极各项性能测试的多孔电极扩散率测试系统、多孔电极渗透率测试系统、多孔电极电导率测试系统，用于多孔电极微结构的应力应变测试和多孔电极压缩比控制的多孔电极装配压力测试系统，用于观察多孔电极微结构变化和燃料电池液态水分布情况的微结构及液态水光学表征系统，ECU电子控制单元以及计算机控制处理集成系统。本发明的测试系统，具备质子交换膜燃料电池微观尺度多孔电极传输特性、力学强度与宏观尺度电池性能测试功能，解决质子交换膜燃料电池领域微观尺度实验测试欠缺和集成度不高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池的技术领域，尤其涉及一种跨尺度多功能集成的质子交换膜燃料电池测试系统。
背景技术
质子交换膜燃料电池是在电动汽车上最有应用前景的电力能源之一。组成质子交换膜燃料电池的基本单元是单体燃料电池。一个实用化的质子交换膜燃料电池系统，必须通过单体电池的串联和并联形成具有一定功率的电池组，才能满足绝大多数用电负载的需求。此外，还要为系统配置氢燃料储存单元，空气(氧化剂)供给单元，电池组温度、湿度调节单元，功率变换单元及系统控制单元等，将燃料电池组成为一个连续、稳定的供电电源。
现有质子交换膜燃料电池测试平台，局限于测量电池运行过程中不同工况下的电压和电流等参数，仅可以反映电池短期内的宏观输出性能，但不能反映更深层次机理性的微观尺度结构变化及传输特性变化，如微结构变化、液态水动态传输与分布、多孔电极微结构内部的气体扩散率、渗透率及电导率变化，这些都是决定宏观电池性能优劣的重要因素。
发明内容
鉴于以上现有技术的不足之处，本发明提供了一种跨尺度多功能集成的质子交换膜燃料电池测试系统，以解决现有质子交换膜燃料电池测试系统无法兼具质子交换膜燃料电池微观尺度多孔电极传输特性、力学强度与宏观尺度电池输出性能测试功能的问题。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
一种跨尺度多功能集成的质子交换膜燃料电池测试系统，所述测试系统包括：
质子交换膜燃料电池测试平台，其包括连接在质子交换膜燃料电池测试平台上的进气管和出气管，用于质子交换膜燃料电池的整体输出性能测试；
多孔电极扩散率测试系统、多孔电极渗透率测试系统和多孔电极电导率测试系统中的至少一项测试系统，用于质子交换膜燃料电池中多孔电极的各项性能测试；
多孔电极装配压力测试系统，其包括一压力执行机构，所述压力执行机构与多孔电极扩散率测试系统、多孔电极渗透率测试系统、多孔电极电导率测试系统中的多孔电极夹装板连接，用于多孔电极微结构的应力应变测试和多孔电极压缩比的控制；本发明多孔电极扩散率测试系统、多孔电极渗透率测试系统和多孔电极电导率测试系统中的多孔电极夹装板可采用透明夹装板，亦可用普通光滑金属板替换，三个测试系统的多孔电极夹装板可以通用；本发明的多孔电极装配压力测试系统采用机械传动的方式，实现精密控制压缩位移，压缩位移精度为1微米；
微结构及液态水光学表征系统，其分别与多孔电极装配压力测试系统和质子交换膜燃料电池测试平台连接，用于拍摄并显示多孔电极压缩过程中的微结构变化和燃料电池不同工况运行过程中的液态水流动及分布情况；
ECU电子控制单元，其与质子交换膜燃料电池测试平台、多孔电极扩散率测试系统、多孔电极渗透率测试系统、多孔电极电导率测试系统、多孔电极装配压力测试系统和微结构及液态水光学表征系统连接，用于接收各系统反馈的测试数据信号和响应计算机控制处理集成系统所发出的测试指令；以及
计算机控制处理集成系统，其与ECU电子控制单元连接，用于处理测试系统接收到的数据信号与向各测试系统发出测试指令。
进一步地，所述质子交换膜燃料电池为单电池或由若干膜电极组件组装成的电堆；所述膜电极组件包括多孔电极和质子交换膜；单一膜电极组件与双极板、集流板、装配夹装板一起组装成一个单电池，多个膜电极组件与双极板、集流板、装配夹装板一起组装成一个电堆。
进一步地，所述多孔电极扩散率测试系统和多孔电极渗透率测试系统均与质子交换膜燃料电池测试平台中的气体管路相连通，并分别与多孔电极装配压力测试系统相连接，所述多孔电极扩散率测试系统用于测量不同工况下多孔电极的气体扩散率；所述多孔电极渗透率测试系统用于测量不同工况下多孔电极的气体和/或液体渗透率。
进一步地，所述多孔电极电导率测试系统与多孔电极装配压力测试系统连接，用于测量多孔电极不同压缩比下在厚度方向和面内方向的电阻率。
进一步地，所述质子交换膜燃料电池测试平台包括氢气监测报警装置、质子交换膜燃料电池、进气管、出气管、高精度流量计、压力传感器、温度传感器、控制阀和电化学工作站；所述质子交换膜燃料电池两侧设置有透明装配夹装板，其中一侧装配夹装板设有卡槽，所述卡槽用于质子交换膜燃料电池与微结构及液态水光学表征系统建立连接关系；所述进气管和出气管设置在质子交换膜燃料电池侧边，且所述进气管和出气管上分别设有高精度流量计、压力传感器及阀门。
进一步地，所述多孔电极装配压力测试系统还包括压缩位移传动机构、压缩力传感探针、压缩位移传感器和多孔电极夹装板；所述压缩位移传动机构与压力执行机构连接，用于驱动压力执行机构动作，所述压缩位移传感器和压缩力传感探针设置在压力执行机构上方，用于感应压缩位移大小及压力执行机构所施加压力；所述多孔电极夹装板设置在多孔电极的两侧，两侧多孔电极夹装板分别设有卡槽，其中一侧多孔电极夹装板通过卡槽与微结构及液态水光学表征系统连接，另一侧多孔电极夹装板通过卡槽与压力执行机构连接。
进一步地，所述多孔电极扩散率测试系统和多孔电极渗透率测试系统均包括氢气监测报警装置、多孔电极密封固定机构、多孔电极夹装板、高精度流量计、压力传感器及阀门；所述多孔电极夹装板设置在多孔电极的两侧，其中一侧多孔电极夹装板设有卡槽，所述卡槽用于质子交换膜燃料电池与多孔电极装配压力测试系统中的压力执行机构建立连接关系；所述高精度流量计、压力传感器及阀门共用于质子交换膜燃料电池测试平台；所述多孔电极扩散率测试系统还包括温度传感器。所述多孔电极扩散率测试系统可以测量多孔电极的氢气、氧气、空气、氮气、水蒸气及混合气体的扩散率，测量范围覆盖0.1到2cm2/s。所述多孔电极渗透率测试系统可以测量多孔电极的气体和/或液体渗透率，测量范围覆盖0.05到100μm2；
进一步地，所述多孔电极电导率测试系统包括电压表、电流表和多孔电极夹装板；所述多孔电极夹装板设置在多孔电极的两侧，其中一侧多孔电极夹装板设有卡槽，所述卡槽用于质子交换膜燃料电池与多孔电极装配压力测试系统中的压力执行机构建立连接关系。
进一步地，所述微结构及液态水光学表征系统包括高分辨率成像仪、摄像头、固定及旋转机构和加长臂杆；所述固定及旋转机构可与质子交换膜燃料电池测试平台中的质子交换膜燃料电池装配夹装板和多孔电极装配压力测试系统中多孔电极夹装板上的卡槽连接；所述加长臂杆可以延伸旋转至质子交换膜燃料电池测试平台和多孔电极装配压力测试系统中的合适位置。
本发明的有益效果：
与现有质子交换膜燃料电池测试台相比，本技术方案集成多孔电极微结构的扩散率、渗透率、电阻率、微结构光学表征及微尺度压缩测试系统，具备跨尺度反馈更真实准确、功能更齐全等优点，可以同时反映宏观电池输出性能和微结构传输性能变化，如微结构变化、液态水动态传输与分布、多孔电极微结构内部的气体扩散率、渗透率、电导率及电压电流变化，更有利于理解微观及宏观性能变化的深层次原因，并针对性地进行设计改进及性能强化。此外，各测试模块共用价值较高的高精度流量计/压力传感器及各类阀等组件，通过集成系统的阀门开关自由切换，具备高精度高价值实验组件利用价值更高等有益效果。
附图说明
图1为本发明质子交换膜燃料电池的单电池结构示意图；
图2为本发明质子交换膜燃料电池的电池堆结构示意图；
图3为本发明跨尺度多功能集成的质子交换膜燃料电池测试系统结构示意图；
图4为本发明ECU电子控制单元工作流程示意图。
附图标记：质子交换膜燃料电池测试平台1、多孔电极扩散率测试系统2、多孔电极渗透率测试系统3、多孔电极电导率测试系统4、多孔电极装配压力测试系统5、微结构及液态水光学表征系统6、ECU电子控制单元7、计算机控制处理集成系统8。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。
实施例1
如图1至图4所示，本实施例的跨尺度多功能集成的质子交换膜燃料电池测试系统，其包括质子交换膜燃料电池测试平台1、多孔电极扩散率测试系统2、多孔电极渗透率测试系统3、多孔电极电导率测试系统4、多孔电极装配压力测试系统5、微结构及液态水光学表征系统6、ECU电子控制单元7以及计算机控制处理集成系统8。本实施例的测试系统，具备质子交换膜燃料电池微观尺度多孔电极传输特性、力学强度与宏观尺度电池输出性能测试功能，解决质子交换膜燃料电池领域微观尺度实验测试欠缺的问题。
所述质子交换膜燃料电池测试平台1包括连接在质子交换膜燃料电池测试平台1上的进气管和出气管，用于质子交换膜燃料电池的整体输出性能测试。所述质子交换膜燃料电池为单电池或由若干膜电极组件组装成的电堆；所述膜电极组件包括多孔电极和质子交换膜；单一膜电极组件与双极板、集流板、装配夹装板一起组装成一个单电池，多个膜电极组件与双极板、集流板、装配夹装板一起组装成一个电堆。所述装配夹装板采用高强度透明材料。所述质子交换膜燃料电池测试平台1包括氢气监测报警装置、质子交换膜燃料电池、进气管、出气管、高精度流量计、压力传感器、温度传感器、控制阀和电化学工作站；所述质子交换膜燃料电池两侧设置有透明装配夹装板，其中一侧装配夹装板设有卡槽，所述卡槽用于质子交换膜燃料电池与微结构及液态水光学表征系统6建立连接关系；所述进气管和出气管设置在质子交换膜燃料电池侧边，且所述进气管和出气管上分别设有高精度流量计、压力传感器及阀门。所述高精度流量计、压力传感器及阀门，这些高精度零部件，与多孔电极渗透率测试系统3和多孔电极扩散率测试系统2共用，提高资源利用率，降低成本。
所述多孔电极扩散率测试系统2、多孔电极渗透率测试系统3和多孔电极电导率测试系统4用于质子交换膜燃料电池中多孔电极的各项性能测试。所述多孔电极扩散率测试系统2和多孔电极渗透率测试系统3均与质子交换膜燃料电池测试平台1中的气体管路相连通，并分别与多孔电极装配压力测试系统5相连接，所述多孔电极扩散率测试系统2用于测量不同工况下多孔电极的气体扩散率，所述多孔电极渗透率测试系统3用于测量不同工况下多孔电极的气体和/或液体渗透率。所述多孔电极扩散率测试系统2和多孔电极渗透率测试系统3均包括氢气监测报警装置、多孔电极密封固定机构、多孔电极夹装板、高精度流量计、压力传感器及阀门；所述多孔电极夹装板设置在多孔电极的两侧，其中一侧多孔电极夹装板设有卡槽，所述卡槽用于质子交换膜燃料电池与多孔电极装配压力测试系统5中的压力执行机构建立连接关系；所述高精度流量计、压力传感器及阀门共用于质子交换膜燃料电池测试平台1；所述多孔电极扩散率测试系统2还包括温度传感器。通过氢气监测报警装置、高精度流量计、压力传感器的测试数据监测不同工况下质子交换膜燃料电池的气体渗透率。多孔电极密封固定机构用于密封多孔电极夹装板，起到密封作用。
所述多孔电极电导率测试系统4与多孔电极装配压力测试系统5连接，用于测量多孔电极在厚度方向和面内方向的电阻率。所述多孔电极电导率测试系统4包括电压表、电流表和多孔电极夹装板；所述多孔电极夹装板设置在多孔电极的两侧，其中一侧多孔电极夹装板设有卡槽，所述卡槽用于质子交换膜燃料电池与多孔电极装配压力测试系统5中的压力执行机构建立连接关系。通过电压表、电流表测得的电压和电流值，计算多孔电极不同压缩比下在厚度方向和面内方向的电阻率。
所述多孔电极装配压力测试系统5包括一压力执行机构，所述压力执行机构与多孔电极扩散率测试系统2、多孔电极渗透率测试系统3、多孔电极电导率测试系统4中的多孔电极夹装板连接，用于多孔电极微结构的应力应变测试和多孔电极压缩比的控制。所述多孔电极装配压力测试系统5还包括压缩位移传动机构、压缩力传感探针、压缩位移传感器和多孔电极夹装板；所述压缩位移传动机构与压力执行机构连接，用于驱动压力执行机构动作，所述压缩位移传感器和压缩力传感探针设置在压力执行机构上方，用于感应压缩位移大小及压力执行机构所施加压力；所述多孔电极夹装板采用高强度透明材料；所述多孔电极夹装板设置在多孔电极的两侧，两侧多孔电极夹装板分别设有卡槽，其中一侧多孔电极夹装板通过卡槽与微结构及液态水光学表征系统6连接，另一侧多孔电极夹装板通过卡槽与压力执行机构连接。
所述微结构及液态水光学表征系统6分别与多孔电极装配压力测试系统5和质子交换膜燃料电池测试平台1连接，用于拍摄并显示多孔电极压缩过程中的微结构变化和燃料电池不同工况运行过程中的液态水流动及分布情况。所述微结构及液态水光学表征系统6包括高分辨率成像仪、摄像头、固定及旋转机构和加长臂杆；所述固定及旋转机构可与质子交换膜燃料电池测试平台1中的质子交换膜燃料电池装配夹装板和多孔电极装配压力测试系统5中多孔电极夹装板上的卡槽连接；所述加长臂杆可以延伸旋转至质子交换膜燃料电池测试平台1和多孔电极装配压力测试系统5中的合适位置。通过高分辨率成像仪和摄像头拍摄并显示多孔电极压缩过程中的微结构变化和燃料电池不同工况运行过程中的液态水流动及分布情况。
所述ECU电子控制单元7与质子交换膜燃料电池测试平台1、多孔电极扩散率测试系统2、多孔电极渗透率测试系统3、多孔电极电导率测试系统4、多孔电极装配压力测试系统5和微结构及液态水光学表征系统6通过总线进行连接，用于接收各系统反馈的测试数据信号和响应计算机控制处理集成系统8所发出的测试指令。
所述计算机控制处理集成系统8与ECU电子控制单元7连接，用于处理测试系统接收到的数据信号与向各测试系统发出测试指令,完成测试数据处理和图表输出。
本实施例质子交换膜燃料电池测试系统的工作方式如下：
步骤S1实验材料准备:选取合适的膜电极材料，如不同品牌不同型号规格的气体扩散层、微孔层和催化层，在不同区域选取若干个样品，并编号；同时装配得到不同型号的单电池或电池堆，用于运行测试，并编号；
步骤S2实验准备：连接好各子系统的相应管路，并使用空气或氮气吹扫管路系统，做好仪器设备及零部件的标定工作，开启微结构及液态水光学表征系统6；
步骤S3多孔电极应力应变及微观表征：开启多孔电极装配压力测试系统5，精确控制压缩位移，测量多孔电极不同装配压力下的应力应变响应，并应用微结构及液态水光学表征系统6表征不同装配压力下的多孔电极微结构变形及破坏情况；并将测试数据通过ECU电子控制单元7反馈传输给计算机控制处理集成系统8；
步骤S4不同压缩状态电导率测试：开启多孔电极电导率测试系统4，通过多孔电极装配压力测试系统5改变多孔电极压缩程度，测量不同压缩比下多孔电极的电压、电流响应，进一步得到电导率变化；并将测试数据通过ECU电子控制单元7反馈传输给计算机控制处理集成系统8；
步骤S5不同压缩比扩散率和渗透率测试：将质子交换膜燃料电池测试平台1中的高精度流量计/压力传感器/各类阀及相关管路，通过集成系统的阀门组合开关，切换到多孔电极扩散率测试系统2和多孔电极渗透率测试系统3，测量系统管路中气体压力、流量和温度，进一步得到不同压缩比下的扩散率和渗透率；并将测试数据通过ECU电子控制单元7反馈传输给计算机控制处理集成系统8；
步骤S6切换至宏观性能测试模式：通过集成系统的阀门组合开关，切换到质子交换膜燃料电池测试平台1；
步骤S7电池性能测试：启动质子交换膜燃料电池测试平台1，测试不同工况下的电池伏安特性及动态响应，并应用微结构及液态水光学表征系统6表征不同工况下的液态水瞬态流动及分布情况；并将测试数据通过ECU电子控制单元7反馈传输给计算机控制处理集成系统8；
步骤S8不同多孔电极的单电池/电堆分别测试：同理，将不同编号的多孔电极样品及装配好的单电池/电堆分别进行测试，测试过程中所有测试数据传输到计算机控制处理集成系统8，并进行数据后处理，测试过程中，通过计算机控制处理集成系统8对各集成子系统测试参数及步骤进行控制。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。
Claims (9)
1.一种跨尺度多功能集成的质子交换膜燃料电池测试系统，其特征在于，所述测试系统包括：
质子交换膜燃料电池测试平台，用于质子交换膜燃料电池/电堆的宏观尺度整体输出性能测试；
多孔电极扩散率测试系统、多孔电极渗透率测试系统和多孔电极电导率测试系统中的至少一项测试系统，用于质子交换膜燃料电池中多孔电极的各项性能测试；
多孔电极装配压力测试系统，其包括一压力执行机构，所述压力执行机构与多孔电极扩散率测试系统、多孔电极渗透率测试系统、多孔电极电导率测试系统中的多孔电极夹装板连接，用于多孔电极微结构的应力应变测试和多孔电极压缩比的控制；
微结构及液态水光学表征系统，其分别与多孔电极装配压力测试系统和质子交换膜燃料电池测试平台连接，用于拍摄并显示多孔电极压缩过程中的微结构变化和燃料电池不同工况运行过程中的液态水流动及分布情况；
ECU电子控制单元，其与质子交换膜燃料电池测试平台、多孔电极扩散率测试系统、多孔电极渗透率测试系统、多孔电极电导率测试系统、多孔电极装配压力测试系统和微结构及液态水光学表征系统连接，用于接收各系统反馈的测试数据信号和响应计算机控制处理集成系统所发出的测试指令；以及
计算机控制处理集成系统，其与ECU电子控制单元连接，用于处理测试系统接收到的数据信号与向各测试系统发出测试指令。
2.如权利要求1所述的跨尺度多功能集成的质子交换膜燃料电池测试系统，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池为单电池或由若干膜电极组件组装成的电堆；所述膜电极组件包括多孔电极和质子交换膜；单一膜电极组件与双极板、集流板、装配夹装板一起组装成一个单电池，多个膜电极组件与双极板、集流板、装配夹装板一起组装成一个电堆。
3.如权利要求1所述的跨尺度多功能集成的质子交换膜燃料电池测试系统，其特征在于，所述多孔电极扩散率测试系统和多孔电极渗透率测试系统均与质子交换膜燃料电池测试平台中的气体管路相连通，并分别与多孔电极装配压力测试系统相连接，所述多孔电极扩散率测试系统用于测量不同工况下多孔电极的气体扩散率，所述多孔电极渗透率测试系统用于测量不同工况下多孔电极的气体和/或液体渗透率。
4.如权利要求1所述的跨尺度多功能集成的质子交换膜燃料电池测试系统，其特征在于，所述多孔电极电导率测试系统与多孔电极装配压力测试系统连接，用于测量多孔电极不同压缩比下在厚度方向和面内方向的电阻率。
5.如权利要求1所述的跨尺度多功能集成的质子交换膜燃料电池测试系统，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池测试平台包括氢气监测报警装置、质子交换膜燃料电池、进气管、出气管、高精度流量计、压力传感器、温度传感器、控制阀和电化学工作站；所述质子交换膜燃料电池两侧设置有透明装配夹装板，其中一侧装配夹装板设有卡槽，所述卡槽用于质子交换膜燃料电池与微结构及液态水光学表征系统建立连接关系；所述进气管和出气管设置在质子交换膜燃料电池侧边，且所述进气管和出气管上分别设有高精度流量计、压力传感器及阀门。
6.如权利要求1所述的跨尺度多功能集成的质子交换膜燃料电池测试系统，其特征在于，所述多孔电极装配压力测试系统还包括压缩位移传动机构、压缩力传感探针、压缩位移传感器和多孔电极夹装板；所述压缩位移传动机构与压力执行机构连接，用于驱动压力执行机构动作，所述压缩位移传感器和压缩力传感探针设置在压力执行机构上方，用于感应压缩位移大小及压力执行机构所施加压力；所述多孔电极夹装板设置在多孔电极的两侧，两侧多孔电极夹装板分别设有卡槽，其中一侧多孔电极夹装板通过卡槽与微结构及液态水光学表征系统连接，另一侧多孔电极夹装板通过卡槽与压力执行机构连接。
7.如权利要求1所述的跨尺度多功能集成的质子交换膜燃料电池测试系统，其特征在于，所述多孔电极扩散率测试系统和多孔电极渗透率测试系统均包括氢气监测报警装置、多孔电极密封固定机构、多孔电极夹装板、高精度流量计、压力传感器及阀门；所述多孔电极夹装板设置在多孔电极的两侧，其中一侧多孔电极夹装板设有卡槽，所述卡槽用于质子交换膜燃料电池与多孔电极装配压力测试系统中的压力执行机构建立连接关系；所述高精度流量计、压力传感器及阀门共用于质子交换膜燃料电池测试平台；所述多孔电极扩散率测试系统还包括温度传感器。
8.如权利要求1所述的跨尺度多功能集成的质子交换膜燃料电池测试系统，其特征在于，所述多孔电极电导率测试系统包括电压表、电流表和多孔电极夹装板；所述多孔电极夹装板设置在多孔电极的两侧，其中一侧多孔电极夹装板设有卡槽，所述卡槽用于质子交换膜燃料电池与多孔电极装配压力测试系统中的压力执行机构建立连接关系。
9.如权利要求1所述的跨尺度多功能集成的质子交换膜燃料电池测试系统，其特征在于，所述微结构及液态水光学表征系统包括高分辨率成像仪、摄像头、固定及旋转机构和加长臂杆；所述固定及旋转机构可与质子交换膜燃料电池测试平台中的质子交换膜燃料电池装配夹装板和多孔电极装配压力测试系统中多孔电极夹装板上的卡槽连接；所述加长臂杆可以延伸旋转至质子交换膜燃料电池测试平台和多孔电极装配压力测试系统中的合适位置。
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