CN117310512A - 一种燃料电池极板、膜电极测试工艺装置与使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种燃料电池极板、膜电极测试工艺装置与使用方法。该装置包括端板组件和气缸组件；所述端板组件和气缸组件之间通过限位柱连接。该使用方法为：将多片极板与膜电极把通过定位柱的导向定位功能放置在气缸平台上；把端板组件通过限位柱的导向定位功能放置在多片极板与膜电极上；把限位杆穿插在距离端板最近的中；将外部压缩空气气管连接在气管接头上，充入压缩空气后活塞举升，限位杆对于端板的卡位功能，使多片极板与膜电极得到加持力载荷。本发明减少了频繁拆卸组装的步骤和减少了加持力不均匀对测试的影响，能根据测试需求进行不同加持力的调整，并保持极板与膜电极之间受力均匀，还可实现不同功率需求对应的极板与膜电极片数调节。

Description

一种燃料电池极板、膜电极测试工艺装置与使用方法

技术领域

本发明属于燃料电池测试领域，涉及一种燃料电池测试工装，具体涉及一种燃料电池极板、膜电极测试工装。

背景技术

随着能源危机与环境污染问题日益突出，氢能源被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，也被称之为终极能源。氢气具有无碳排放、来源丰富、能量密度高、可大规模长时间储存的特点，是各国未来摆脱化石能源依赖的理想选择。氢能产业链包括制氢，储运，加注和下游应用环节，其中燃料电池车是目前主要的下游应用场景。氢能产业链上的各个环节都成为规划重点支持的对象，进一步增强了投资者对氢能产业发展的信心。而燃料电池因具有高效清洁，低噪音、高可靠性等优点受到广泛关注。

随着燃料电池行业的发展已经如火如荼，燃料电池的测试也得到了越来越多的关注和重视，而一种高可靠性的燃料电池测试工装对于提升燃料电池技术设计、开发和迭代至关重要。在燃料电池领域，极板以及膜电极发生电化学反应需要一个可以承载的测试工装，该装置能够满足提供适宜的温度、压力、湿度、流体传输等需求的功能。极板以及膜电极发生电化学时通常是多片堆叠在一起，堆叠时需要有一定的定位精度确保不发生偏移、错位，当极板和膜电极发生错位以后最直接的后果就是气密性不良。在极板和膜电极完成堆叠后需要加持，夹紧的过程中不能受到冲击、撞击，否则会使极板和膜电极发生受损。而压紧是为了给极板与膜电极提供一个合适的孔隙率与接触电阻之间的平衡，完成压紧以后连接好氢空水三路流体管路，就可以进行燃料电池电化学反应。

现有技术中，燃料电池的测试工装存在如下问题。第一是采用均布螺杆的形式产生加持力，此方案中螺杆预紧扭力的微小差异都会造成加持力不均匀，操作麻烦，螺杆均布的方式无法确保加持力均匀，螺杆锁紧扭力的微小差异会导致极板膜电极应力分布不均匀，会导致局部应力集中、局部膜电极碳纸孔隙率降低，气密性不良等。第二是伺服电机提供加持力，此方案体积大，装配精度较高，成本高，不利于推广。第三是没有过程定位结构；堆叠后的极板与膜电极在压堆过程中容易发生膜电极与极板错位；第四是流体进出口没有温度、压力采集点，测试时实际温度、压强与设定值有偏差。

发明内容

本发明提供了一种燃料电池极板、膜电极测试工艺装置与使用方法。本发明减少了频繁拆卸组装的步骤和减少了加持力不均匀对测试的影响，能根据测试需求进行不同加持力的调整，并保持极板与膜电极之间受力均匀，还可实现不同功率需求对应的极板与膜电极片数调节，安装效率提高也增强了其适用性，具有通用性和推广价值。

本发明所述的工装可以为燃料电池电堆极板以及膜电极的开发、测试、验证提供高匹配度、高可靠性的测试反应场所载体，为应对燃料电池技术的持续更新迭代以及多种多样的测试需求。

本发明技术方案如下。

一种燃料电池极板、膜电极测试工艺装置，包括端板组件和气缸组件；所述端板组件和气缸组件之间通过限位柱连接；所述端板组件包括集流板、三通块密封圈、端板绝缘板、端板、限位柱、前撑柱、限位杆、传感器和三通块；

所述端板上开设有用于连接三通块的开口；所述三通块通过所述开口与端板绝缘板连接；所述三通块上设置有传感器；所述端板的下底面上设置有端板绝缘板，所述端板绝缘板的下底面上设置有集流板；所述端板的上方设置有前撑柱；所述端板边缘连接有若干限位柱，所述限位柱上开设有用于连接限位杆的孔；所述限位柱的端部连接至缸体上；

所述气缸组件包括气缸盖板、活塞密封圈、活塞、缓冲垫、缸体、缸体密封圈、气缸平台和集流板；

所述缸体的上下底面分别设置有气缸平台和气缸盖板；定位柱内嵌在气缸平台上；所述缸体内部设置有活塞，所述活塞的边缘设置有缓冲垫；所述气缸平台上连接有集流板；所述活塞的边缘设置有活塞密封圈；所述缸体内壁面上设置有缸体密封圈；所述气缸盖板底部连接有气管接头，所述气管接头与气缸内部连通。

进一步地，所述集流板通过集流板锁紧螺母分别固定于气缸平台与端板绝缘板上。

进一步地，所述端板与端板绝缘板之间通过绝缘板锁紧螺丝固定连接。

进一步地，所述三通块通过三通块锁紧螺栓固定于端板绝缘板上。

进一步地，所述缸体通过气缸紧固螺栓与气缸盖板固定连接。

进一步地，所述限位柱与缸体连接是通过设置于气缸盖板上的限位柱紧固螺栓固定连接。

进一步地，所述气缸盖板底部设置有撑柱。

进一步地，本发明还包括定位销；所述定位销设置于端板绝缘板与端板之间；所述定位销设置于气缸平台与活塞之间。

进一步地，本发明还包括拉手；所述缸体与端板上均设置有拉手。

一种燃料电池极板、膜电极测试工艺装置的使用方法，包括如下步骤：

（1）将多片极板与膜电极把通过定位柱的导向定位功能放置在气缸平台上；

（2）把端板组件通过限位柱的导向定位功能放置在多片极板与膜电极上；

（3）把限位杆穿插在距离端板最近的限位孔里面；

（4） 将外部压缩空气气管连接在气管接头上，充入压缩空气后活塞举升，限位杆对于端板的卡位功能，使多片极板与膜电极得到均匀的加持力载荷。

本发明的工作原理：压缩气体从气管接头进入气室内，气缸活塞连同放置在气缸平台上的膜电极、极板一起提升，直到接触绝缘板，通过安装在限位柱中的限位杆进行卡位，直到膜电极、极板压紧，在整个过程中定位柱始终提供膜电极、极板定位功能。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、结构简单，容易实现，操作方便，容易上手；

2、定位精准，有效防止偏移；

3、定位柱和气缸平台一体化的设计可以不用重复拆装定位柱；

4、温度压强监测更贴近燃料电池极板、膜电极反应状态；

5、可以兼容不同片数的燃料电池极板、膜电极测试；

6、气缸呼吸孔的设计可以调节活塞运行速度防止活塞出现急速上升发生撞击；

7、采用气缸的结构设计使燃料电池极板、膜电极受压更均匀；燃料电池极板、膜电极发生电化学反应需要尽可能小的接触电阻，当给极板、膜电极施加一定压力的时候，可以在一定程度上减少接触电阻，增加电化学反应效率。

附图说明

图1为一种燃料电池极板、膜电极测试工艺装置的结构示意图；

图2为端板组件的结构示意图；

图3为气缸组件的结构示意图；

图4为极板与膜电极叠片示意图；

图5为前端板组件与多片极板膜电极贴合示意图；

图6为限位杆卡位前端板组件示意图；

图7为气缸充气给多片极板膜电极施加均匀加持力示意图。

图中各个部件如下：1.气缸盖板，2.气缸紧固螺栓，3.限位柱紧固螺栓，4.撑柱，5.活塞密封圈，6.活塞，7.缓冲垫，8.缸体，9.定位销，10.拉手，11.缸体密封圈，12.气缸平台，13.集流板锁紧螺母，14.定位柱，15.集流板，16.多片极板与膜电极，17.三通块锁紧螺栓，18.三通块密封圈，19.端板绝缘板，20.绝缘板锁紧螺丝，21.端板，22. 限位柱，23.前撑柱，24.限位杆，25.传感器，26.三通块，27.气管接头。

具体实施方式

在下面的描述中结合具体图示阐述了技术方案以便充分理解本发明申请。但是本发申请能够以很多不同于在此描述的其他方法来实施，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所做类似推广实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

为简化燃料电池测试工艺装备在使用中的操作，本申请所属方案进行了模块化设计，使得整个测试工艺装备分为两部分，提高了操作的便捷性。

其中由定位销9、拉手10、集流板15、三通块密封圈18、端板绝缘板19、端板21、前撑柱23、传感器25、三通块26、通过装配组成了端板组件；如图2。所述端板21上开设有用于连接三通块26的开口；所述三通块26通过所述开口与端板绝缘板19连接，所述三通块26与端板绝缘板19接触处设置有三通块密封圈18；具体为所述三通块26通过三通块锁紧螺栓17固定于端板绝缘板19上，所述端板21与端板绝缘板19之间通过绝缘板锁紧螺丝20固定连接，本实施例中，三通块26压紧接在端板绝缘板19触面上，而不是极板上，再使端板绝缘板19整块平板与极板接触，可以解决由三通块26压紧接触面平面度制造尺寸不足时导致的气密性不良问题，过盈时局部受力过大压碎极板的问题。

所述三通块26上设置有传感器25，本实施例中过在流体进出的三通块26上集成传感器25，安装点紧邻极板、膜电极的进出口，可以更准确的采集电化学反应时的温度、压力、湿度信息，便于数据分析；所述端板21的下底面上设置有端板绝缘板19，所述端板绝缘板19的下底面上设置有集流板15；所述端板21的上方设置有前撑柱23；所述端板21边缘连接有若干限位柱22，所述限位柱22上开设有用于连接限位杆24的通孔，限位杆24上等间距阵列设计的通孔，可以实现不同片数的燃料电池极板、膜电极的测试时，便于限位杆24放入，操作简单方便。所述限位柱22的端部连接至缸体8上；所述缸体8通过气缸紧固螺栓2与气缸盖板1固定连接。

本实施例中，定位销9的作用是实现端板21与端板绝缘板19的高精度装配，从而确保三通块26流体腔口与端板绝缘板19流体腔口边缘重合，防止错位产生台阶，进而减少流体发生涡流、紊流等不良因素的风险，从而达到更好的测试结果；拉手10的作用是用于在更换极板、膜电极时举升、转移放置端板组件；集流板15的作用是收集、传导电化学反应产生的电流；三通块密封圈18的作用是三通块26安装在端板21上时提供密封效果，防止流体泄露；端板绝缘板19的作用是用于金属端板与集流板之间的绝缘介质，隔离带电体，预防安全事故；端板21的作用是对于测试工艺装备内极板、膜电极、集流板等施加加持力，使内部部件得到一定合适范围的工作载荷；前撑柱23的作用是提供前端板组件翻转时的支撑作用，防止三通块与其他物体直接接触时被杂质污染；传感器25的作用是监测氢、空、水三路流体的瞬时压强、温度和湿度；三通块26的作用是提供外界流体进入极板和膜电极的桥梁。

气缸盖板1、气缸紧固螺栓2、限位柱紧固螺栓3、撑柱4、活塞密封圈5、活塞6、缓冲垫7、缸体8、定位销9、拉手10、缸体密封圈11、气缸平台12、定位柱14、集流板15、限位柱22通过装配组成了气缸组件，如图3所示。所述缸体8的上下底面分别设置有气缸平台12和气缸盖板1；所述缸体8内部设置有活塞6，所述活塞6的边缘设置有缓冲垫7；所述气缸平台12上连接有集流板15，具体为集流板15通过集流板锁紧螺母13分别固定于气缸平台12与端板绝缘板19上；所述活塞6的边缘设置有活塞密封圈5；所述缸体8内壁面上设置有缸体密封圈11；所述气缸盖板1底部连接有气管接头27，所述气管接头27与气缸内部连通。定位柱14内嵌在气缸平台12的一体化的设计不仅可以在膜电极与极板叠片时提供较高的定位精度，还可以在测试过程中发生电化学反应时，防止不同材料的热胀冷缩以及不同压强的流体变化时产生蠕动，极大的提高极板与膜电极的相对位置一致性，确保叠片定位精度，完全避免端板组件与气缸组件在对极板与膜电极变换不同压强的压缩空起时时产生相对错位，进而影响到气密性干扰测试以及局部应力过大导致极板与膜电极薄弱位置发生破损。

本实施例中，所述限位柱22与缸体连接是通过设置于气缸盖板1上的限位柱紧固螺栓3固定连接。所述气缸盖板1底部设置有撑柱4。

气缸盖板1的作用是密封气缸，通过与缸体8装配，与活塞6共同形成一个气室空间；气缸紧固螺栓2的作用是紧固气缸盖板1；限位柱紧固螺栓3的作用是紧固限位柱22；撑柱4的作用是给测试工艺装备提供一个摆放的受力支点；

活塞密封圈5的作用是起到密封作用，使活塞6、缸体8与气缸盖板1之间的形成一个密闭气室；活塞6的作用是承受气体压力、传导压力并提供一个可以往复运动的结构；缓冲垫7的作用是防止空载充气状态下活塞6迅速撞击缸体8产生机械损伤；缸体8的作用是支承和保证活塞6运动工作时的准确位置；定位销9的作用是确保（活塞6与气缸平台12的装配位置精度；拉手10的作用是用于翻转、转移、放置气缸组件时提供一个着力点；

缸体密封圈11的作用是防止活塞6往复运动时异物进入缸体内部；气缸平台12的作用是承载、支撑待测试极板与膜电极，兼具隔离带电体的绝缘效果，同时带有定位柱14安装位；定位柱14的作用是提供待测试多片极板与膜电极16的精准定位功能，便于极板流体进出口轮廓与端板组件中的三通块26进出口重叠，同时防止活塞6通过气缸平台12对于待测试多片极板与膜电极16施加载荷时发生错位，进而导致极板受力不均而发生破裂，流体泄露等风险；集流板15的作用是收集、传导电化学反应产生的电流；限位柱22的作用是首先通过定位销9的定位作用实现与缸体8的精确装配，进而确保待测试极板与膜电极放置在气缸平台12后，定位、导向端板组件放置在待测试多片极板与膜电极16样品上，根据样品高度不同，通过限位杆24穿插在限位柱22上阵列的同平面的通孔内，实现对端板组件的限位功能。限位柱12与气缸缸体16通过定位销19进行精密安装定位，可以实现前端板组件与气缸组件进行组合时实现工艺装备整体精准定位，从而可以确保端板组件的流体进出口与放置在气缸组件中气缸平台15的极板膜电极进出口不会发生错位，减少流体通道内因内壁不平整而产生紊流、湍流的风险，进而影响到极板流体分配的均匀性。

实施例2

一种燃料电池极板、膜电极测试工艺装置的使用方法，包括如下步骤：

（1）将多片极板与膜电极16把通过定位柱14的导向定位功能放置在气缸平台12上，如图4；

（2）把端板组件通过限位柱22的导向定位功能放置在多片极板与膜电极16上，如图5；

（3）把限位杆24穿插在距离端板21最近的里面，如图6；

（4）将外部压缩空气气管连接在气管接头上，充入压缩空气后活塞6举升，限位杆24对于端板21的卡位功能，使多片极板与膜电极16得到均匀的加持力载荷，如图7。

本实施例中，气缸充入压缩气体后，活塞6举升时上方空间的气体会被挤压出去，而根据气缸内部空间的大小，在缸体8上设计合理大小的呼吸孔可以控制活塞6的升降速度，从而防止气缸充气时活塞举升过快导致极板、膜电极发生互相撞击而产生机械损伤，呼吸孔位置如图3所示。

本实施例中，气缸充入不同压强的压缩气体可以获得不同的均匀载荷，便于极板、膜电极在测试时通过加持力的不同，获得不同的接触电阻与膜电极孔隙率。

应当理解，以上借助优化实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，都应当视为属于本发明提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池极板、膜电极测试工艺装置，其特征在于，包括端板组件和气缸组件；所述端板组件和气缸组件之间通过限位柱（22）连接；所述端板组件包括集流板（15）、三通块密封圈（18）、端板绝缘板（19）、端板（21）、限位柱（22）、前撑柱（23）、限位杆（24）、传感器（25）和三通块（26）；

所述端板（21）上开设有用于连接三通块（26）的开口；所述三通块（26）通过所述开口与端板绝缘板（19）连接；所述三通块（26）与端板绝缘板（19）接触处设置有三通块密封圈（18）；所述三通块（26）上设置有传感器（25）；所述端板（21）的下底面上设置有端板绝缘板（19），所述端板绝缘板（19）的下底面上设置有集流板（15）；所述端板（21）的上方设置有前撑柱（23）；所述端板（21）边缘连接有若干限位柱（22），所述限位柱（22）上开设有用于连接限位杆（24）的孔；所述限位柱（22）的端部连接至缸体（8）上；

所述气缸组件包括气缸盖板（1）、活塞密封圈（5）、活塞（6）、缓冲垫（7）、缸体（8）、缸体密封圈（11）、气缸平台（12）和集流板（15）；

所述缸体（8）的上下底面分别设置有气缸平台（12）和气缸盖板（1）；定位柱（14）内嵌在气缸平台（12）上；所述缸体（8）内部设置有活塞（6），所述活塞（6）的边缘设置有缓冲垫（7）；所述气缸平台（12）上连接有集流板（15）；所述活塞（6）的边缘设置有活塞密封圈（5）；所述缸体（8）内壁面上设置有缸体密封圈（11）；所述气缸盖板（1）底部连接有气管接头（27），所述气管接头（27）与气缸内部连通。

2.根据权利要求1所述燃料电池极板、膜电极测试工艺装置，其特征在于，所述集流板（15）通过集流板锁紧螺母（13）分别固定于气缸平台（12）与端板绝缘板（19）上。

3.根据权利要求1所述燃料电池极板、膜电极测试工艺装置，其特征在于，所述端板（21）与端板绝缘板（19）之间通过绝缘板锁紧螺丝（20）固定连接。

4.根据权利要求1所述燃料电池极板、膜电极测试工艺装置，其特征在于，所述三通块（26）通过三通块锁紧螺栓（17）固定于端板绝缘板（19）上。

5.根据权利要求1所述燃料电池极板、膜电极测试工艺装置，其特征在于，所述缸体（8）通过气缸紧固螺栓（2）与气缸盖板（1）固定连接。

6.根据权利要求1所述燃料电池极板、膜电极测试工艺装置，其特征在于，所述限位柱（22）与缸体连接是通过设置于气缸盖板（1）上的限位柱紧固螺栓（3）固定连接。

7.根据权利要求1所述燃料电池极板、膜电极测试工艺装置，其特征在于，所述气缸盖板（1）底部设置有撑柱（4）。

8.根据权利要求1所述燃料电池极板、膜电极测试工艺装置，其特征在于，还包括定位销（9）；所述定位销（9）设置于端板绝缘板（19）与端板（21）之间；所述定位销（9）设置于气缸平台（12）与活塞（6）之间。

9.根据权利要求1所述燃料电池极板、膜电极测试工艺装置，其特征在于，还包括拉手（10）；所述缸体（8）与端板（21）上均设置有拉手（10）。

10.权利要求1~9任一项所述一种燃料电池极板、膜电极测试工艺装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）将多片极板与膜电极（16）把通过定位柱（14）的导向定位功能放置在气缸平台（12）上；

（2）把端板组件通过限位柱（22）的导向定位功能放置在多片极板与膜电极(16)上；

（3）把限位杆（24）穿插在距离端板（21）最近的限位孔里面；

（4）将外部压缩空气气管连接在气管接头上，充入压缩空气后活塞（6）举升，限位杆（24）对于端板（21）的卡位功能，使多片极板与膜电极(16)得到均匀的加持力载荷。