CN114942351B - 一种燃料电池极板-扩散层间非原位接触电阻测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于汽车技术领域，具体的说是一种燃料电池极板‑扩散层间非原位接触电阻测量方法。用于测量燃料电池各组件层间的界面接触电阻，通过一种非原位接触电组测量系统进行测量；对质子交换膜燃料电池的双极板‑扩散层界面接触电阻进行测量包括：控制压力对接触电阻进行测试和控制电流密度对接触电阻进行测试。本发明通过控制压实力，电流密度等变量，监测温度，测量接触电阻，用于研究非原位接触电阻及影响因素。

Description

一种燃料电池极板-扩散层间非原位接触电阻测量方法

技术领域

本发明属于汽车技术领域，具体的说是一种燃料电池极板-扩散层间非原位接触电阻测量方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池作为氢燃料汽车的储能单元，界面接触电阻(InterfacialContact Resistance ICR)反应了层级组件间的欧姆阻值，是质子交换膜燃料电池电阻的主要部分。较高且不稳定的ICR会导致燃料电池无法释放最佳的电化学性能，还会造成局部发热，对燃料电池水热管理造成困难。因此如何通过非原位测量界面接触电阻并研究其变化的影响因素变得尤其重要。

发明内容

本发明提供了一种质子交换膜燃料电池极板-扩散层间非原位接触电阻测量方法，通过一种非原位接触电阻测量系统对不同压实力、电流密度测量燃料电池ICR。

本发明技术方案结合附图说明如下：

一种燃料电池极板-扩散层间非原位接触电阻测量方法，包括：

控制压力对接触电阻进行测试；

控制电流密度对接触电阻进行测试。

进一步的，所述控制压力对接触电阻进行测试的具体方法如下：

11)安装装置一，采用绝缘垫板、铜集流板、碳纸、铜集流板、绝缘垫板依次堆叠放置，两侧集流板分别连接恒流源与毫伏表，铜板边缘通过绝热铝箔贴装热电偶，监测温度；

12)调节压力计，使施加在绝缘垫板上的压力P为0.5MPa；接通电源，使电流I₀稳定输出6A，使用万用表毫伏档测量上端铜集流板下表面与下端铜集流板上表面间电压，断开电源90s，再次接通电流重复测量直到相邻两组数据相对误差在2％以内，记录最后一次测量值为U_{p0.5 c1}；

13)调节压力计，以等梯度0.1MPa依次增加压力,重复步骤12)至施加压力为1.5MPa，过程中测量电压值稳定，不断开电源；更换碳纸样品，重复测量三次，得到三组不同压力下系列电压值U_{px c1}、U_{px c2}、U_{px c3}；

14)安装装置二，采用绝缘垫板、铜集流板、碳纸、石墨电极、碳纸、铜集流板、绝缘垫板的顺序依次堆叠放置，测量的石墨电极是没用刻印流场的两面均平整的双极板石墨复合材料，重复步骤11)-步骤13)，记录不同压力下系列电压值U_{px c/BPP1}、U_{px c/BPP2}、U_{px c/BPP3}；对于测得三组数据，均采用有效点数最多的一组作为测量所得数据；

15)计算碳纸扩散层与石墨极板间接触电阻为：

R_GDL-BPP＝(U_px-U_{px c/BPP})A_s/2I₀

其中，R_GDL-BPP为扩散层与极板间接触电阻，单位mΩ·cm²；A_s为扩散层与极板实际接触面积,单位cm²；I₀为恒流源输入电流，单位A；

进一步的，所述步骤11)中碳纸的大小为1.8×1.8cm；

进一步的，所述步骤14)中碳纸与极板的大小均为1.8×1.8cm。

进一步的，所述控制电流密度对接触电阻进行测试的具体方法如下：

21)安装装置一，采用绝缘垫板、铜集流板、碳纸样品、铜集流板、绝缘垫板依次堆叠放置，两侧集流板分别连接恒流源与毫伏表，铜板边缘通过绝热铝箔贴装热电偶，监测温度；

22)调节压力计，使施加在绝缘垫板上的压力为450N，通入6A恒流电流，接通时间45分钟，每分钟进行一次数据采集；采用与压力测试步骤二中相同的方法测得碳纸与集流板间电压U_{A6 c1}；更换碳纸，重复测量三次结果分别为U_{A6 c1}、U_{A6 c2}、U_{A6 c3}；

23)更换碳纸，并测量电流9A、12A、15A、18A下对应电压值U_{A9 c}、U_{A12 c}、U_{A15 c}、U_{A18 c}；

24)安装装置二，采用绝缘垫板、集流板、碳纸样品、石墨极板、碳纸样品、集流板、绝缘垫板的顺序依次堆叠放置，在余出面积上安装热电偶监测钛板温度；调节压力计，使施加在绝缘垫板上的压力为450N，通入6A恒流电流，接通时间45分钟，每分钟进行一次数据采集；采用与压力测试步骤三相同的方法测得碳纸与集流板间电压U_{A6 c/BPP1},更换碳纸，重复测量三次结果分别为U_{A6 c/BPP1}、U_{A6 c/BPP2}、U_{A6 c/BPP3}；

25)更换碳纸，并测量电流9A、12A、15A、18A下对应电压值U_A9、U_A12、U_A15、U_A18；

26)计算碳纸扩散层与石墨极板间接触电阻为：

R_GDL-BPP＝(U_Ax-U_{Ax c/BPP})A_s/2I₀

其中，R_GDL-BPP为扩散层与极板间接触电阻，单位mΩ·cm²；A_s为扩散层与极板实际接触面积,单位cm²；I₀为恒流源输入电流，单位A。

进一步的，所述步骤21)中碳纸样品的大小为5×10cm；

进一步的，所述步骤24)中极板样品的大小为5×11cm，实际反应面积为5×10cm。

本发明的有益效果为：

本发明通过一种非原位接触电阻测量系统对不同压实力、电流密度测量燃料电池ICR，成本更低，操作便捷，能够通过非原位发放有连续性地观察到压实力、电流密度对于ICR的影响趋势，便于分析其对于ICR的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为装置一的结构示意图；

图2为装置二的结构示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

一种质子交换膜燃料电池极板-扩散层间非原位接触电阻测量方法，包括：

控制压力对接触电阻进行测试；

控制电流密度对接触电阻进行测试。

其中，控制压力对接触电阻进行测试的具体方法如下：

参阅图1，11)安装装置一，采用绝缘垫板、铜集流板、碳纸、铜集流板、绝缘垫板依次堆叠放置，两侧集流板分别连接恒流源与毫伏表，铜板边缘通过绝热铝箔贴装热电偶，用于监测温度；

12)调节压力计，使施加在绝缘垫板上的压力P为0.5MPa；接通电源，使电流I₀稳定输出6A，使用万用表毫伏档测量上端铜集流板下表面与下端铜集流板上表面间电压，断开电源90s，再次接通电流重复测量直到相邻两组数据相对误差在2％以内，记录最后一次测量值为U_{p0.5 c1}；

13)调节压力计，以等梯度0.1MPa依次增加压力,重复步骤12)至施加压力为1.5MPa，过程中测量电压值稳定，不断开电源；更换碳纸样品，重复测量三次，得到三组不同压力下系列电压值U_{px c1}、U_{px c2}、U_{px c3}；

14)安装装置二，采用绝缘垫板、铜集流板、碳纸、石墨电极、碳纸、铜集流板、绝缘垫板的顺序依次堆叠放置，测量的石墨电极是没用刻印流场的两面均平整的双极板石墨复合材料，重复步骤11)-步骤13)，记录不同压力下系列电压值U_{px c/BPP1}、U_{px c/BPP2}、U_{px c/BPP3}；对于测得三组数据，均采用有效点数最多的一组作为测量所得数据；

15)计算碳纸扩散层与石墨极板间接触电阻为：

R_GDL-BPP＝(U_px-U_{px c/BPP})A_s/2I₀

其中，R_GDL-BPP为扩散层与极板间接触电阻，单位mΩ·cm²；A_s为扩散层与极板实际接触面积,单位cm²；I₀为恒流源输入电流，单位A；

控制电流密度对接触电阻进行测试的具体方法如下：

参阅图1，21)安装装置一，采用绝缘垫板、铜集流板、碳纸样品、铜集流板、绝缘垫板依次堆叠放置，两侧集流板分别连接恒流源与毫伏表，铜板边缘通过绝热铝箔贴装热电偶，监测温度；

22)调节压力计，使施加在绝缘垫板上的压力为450N，通入6A恒流电流，接通时间45分钟，每分钟进行一次数据采集；采用与压力测试步骤二中相同的方法测得碳纸与集流板间电压U_{A6 c1}；更换碳纸，重复测量三次结果分别为U_{A6 c1}、U_{A6 c2}、U_{A6 c3}；

其中，碳纸的大小为5×10cm。

23)更换碳纸，并测量电流9A、12A、15A、18A下对应电压值U_{A9 c}、U_{A12 c}、U_{A15 c}、U_{A18 c}；

参阅图2，24)安装装置二，采用绝缘垫板、铜集流板、碳纸样品、石墨极板、碳纸、铜集流板、绝缘垫板的顺序依次堆叠放置，在余出面积上安装热电偶监测钛板温度；调节压力计，使施加在绝缘垫板上的压力为450N，通入6A恒流电流，接通时间45分钟，每分钟进行一次数据采集；采用与压力测试步骤三相同的方法测得碳纸与集流板间电压U_{A6 c/BPP1},更换碳纸，重复测量三次结果分别为U_{A6 c/BPP1}、U_{A6 c/BPP2}、U_{A6 c/BPP3}；

其中，石墨极板的大小为5×11cm，实际反应面积为5×10cm。

25)更换碳纸，并测量电流9A、12A、15A、18A下对应电压值U_A9、U_A12、U_A15、U_A18；

26)计算碳纸扩散层与石墨极板间接触电阻为：

R_GDL-BPP＝(U_Ax-U_Axc/BPP)A_s/2I₀

其中，R_GDL-BPP为扩散层与极板间接触电阻，单位mΩ·cm²；A_s为扩散层与极板实际接触面积,单位cm²；I₀为恒流源输入电流，单位A。

将装置一和装置二放置在测试台上构成测量系统；装置一采用绝缘垫板、铜集流板、碳纸、铜集流板、绝缘垫板依次堆叠放置，两侧铜集流板分别连接恒流源与毫伏表，绝缘垫板两端通过压力计施加压实力，铜板边缘通过绝热铝箔贴装热电偶，用于监测温度。输出恒定电流I，测量被测电路电压值为U₁，所测电阻为2R_GDL-Cop+R_GDL。其中，R_GDL-Cop为扩散层与铜集流板件接触电阻；R_GDL为扩散层内阻；

装置二采用同样的方式按绝缘垫板、铜集流板、碳纸、石墨极板、碳纸、铜集流板、绝缘垫板的顺序安装装置，测量的石墨极板是没用刻印流场的两面均平整的双极板石墨复合材料，以相同的试验方法测量出同样工况下的电压值U₂，所测电阻为2R_GDL-Cop+2R_GDL+2R_GDL-BPP+R_BPP。

其中，R_GDL-Cop为扩散层与铜集流板件接触电阻；R_GDL为扩散层内阻；R_GDL-BPP为扩散层与极板间接触电阻，单位mΩ·cm²；R_BPP为极板内阻；

由于极板与碳纸内阻与接触电阻不在一个数量级，可忽略不计，则碳纸扩散层与石墨极板间接触电阻为：

R_GDL-BPP＝(U₂-U₁)A_s/2I

R_GDL-BPP为扩散层与极板间接触电阻，单位mΩ·cm²；A_s为扩散层与极板实际接触面积,单位cm²；I为恒流源输入电流，单位A。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施模式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (1)

1.一种燃料电池极板-扩散层间非原位接触电阻测量方法，其特征在于，包括：

控制压力对接触电阻进行测试；

控制电流密度对接触电阻进行测试；

所述控制压力对接触电阻进行测试的具体方法如下：

11)安装装置一，采用绝缘垫板、铜集流板、碳纸样品、铜集流板、绝缘垫板依次堆叠放置，两侧集流板分别连接恒流源与毫伏表，铜板边缘通过绝热铝箔贴装热电偶，监测温度；

12)调节压力计，使施加在绝缘垫板上的压力P为0.5MPa；接通电源，使电流I₀稳定输出6A，使用万用表毫伏档测量上端铜集流板下表面与下端铜集流板上表面间电压，断开电源90s，再次接通电流重复测量直到相邻两组数据相对误差在2％以内，记录最后一次测量值为U_p0.5c1；

13)调节压力计，以等梯度0.1MPa依次增加压力,重复步骤12)至施加压力为1.5MPa，过程中测量电压值稳定，不断开电源；更换碳纸样品，重复测量三次，得到三组不同压力下系列电压值U_pxc1、U_pxc2、U_pxc3；

14)安装装置二，采用绝缘垫板、集流板、碳纸样品、石墨极板、碳纸样品、集流板、绝缘垫板的顺序依次堆叠放置，测量的石墨极板是没用刻印流场的两面均平整的双极板石墨复合材料，重复步骤11)-步骤13)，记录不同压力下系列电压值U_pxc/BPP1、U_pxc/BPP2、U_pxc/BPP3；对于测得三组数据，均采用有效点数最多的一组作为测量所得数据；

15)计算碳纸扩散层与石墨极板间接触电阻为：

R_GDL-BPP＝(U_px-U_pxc/BPP)A_s/2I₀

其中，R_GDL-BPP为扩散层与极板间接触电阻，单位mΩ·cm²；A_s为扩散层与极板实际接触面积,单位cm²；I₀为恒流源输入电流，单位A；

所述步骤11)中碳纸样品的大小为1.8×1.8cm；

所述步骤14)中碳纸样品与极板样品的大小均为1.8×1.8cm；

所述控制电流密度对接触电阻进行测试的具体方法如下：

21)安装装置一，采用绝缘垫板、铜集流板、碳纸样品、铜集流板、绝缘垫板依次堆叠放置，两侧集流板分别连接恒流源与毫伏表，铜板边缘通过绝热铝箔贴装热电偶，监测温度；

22)调节压力计，使施加在绝缘垫板上的压力为450N，通入6A恒流电流，接通时间45分钟，每分钟进行一次数据采集；采用与压力测试步骤二中相同的方法测得碳纸与集流板间电压U_{A6 c1}；更换碳纸，重复测量三次结果分别为U_{A6 c1}、U_{A6 c2}、U_{A6 c3}；

23)更换碳纸，并测量电流9A、12A、15A、18A下对应电压值U_{A9 c}、U_{A12 c}、U_{A15 c}、U_{A18 c}；

24)安装装置二，采用绝缘垫板、集流板、碳纸样品、石墨极板、碳纸样品、集流板、绝缘垫板的顺序依次堆叠放置，在余出面积上安装热电偶监测钛板温度；调节压力计，使施加在绝缘垫板上的压力为450N，通入6A恒流电流，接通时间45分钟，每分钟进行一次数据采集；采用与压力测试相同的方法测得碳纸与集流板间电压U_{A6 c/BPP1},更换碳纸，重复测量三次结果分别为U_{A6 c/BPP1}、U_{A6 c/BPP2}、U_{A6 c/BPP3}；

25)更换碳纸，并测量电流9A、12A、15A、18A下对应电压值U_A9、U_A12、U_A15、U_A18；

26)计算碳纸扩散层与石墨极板间接触电阻为：

R_GDL-BPP＝(U_Ax-U_Axc/BPP)A_s/2I₀

其中，R_GDL-BPP为扩散层与极板间接触电阻，单位mΩ·cm²；A_s为扩散层与极板实际接触面积,单位cm²；I₀为恒流源输入电流，单位A；

所述步骤21)中碳纸样品的大小为5×10cm；所述步骤24)中极板样品的大小为5×11cm，实际反应面积为5×10cm。