CN210155214U - 双极板与碳纸界面接触电阻无损测量设备 - Google Patents

Abstract

一种双极板与碳纸界面接触电阻无损测量设备，包括驱动装置、两根安装柱、第二压块、第一压块、设置于第一压块的顶面上的第一夹持单元、设置于第二压块的底面上的第二夹持单元、与驱动装置的输出轴连接的传动机构、由传动机构驱动上下移动的螺杆、与第二压块连接的压力传感器、及与第一夹持单元及第二夹持单元均电性连接的微电阻计；螺杆的顶部与第一压块的底部固定连接。如此能够准确、快速且以无损的方式测量质子交换膜燃料电池的双极板与碳纸之间的接触电阻。

Description

双极板与碳纸界面接触电阻无损测量设备

技术领域

本实用新型涉及燃料电池领域，特别是一种双极板与碳纸界面接触电阻的无损测量设备。

背景技术

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，英文简称PEMFC)，具有极高的理论比能量(理论比能量高达32940Wh/kg)，被认为是未来交通工具、分布式电站及各类电子产品等最主要的供能电源之一。双极板是 PEMFC电池重要的部件，双极板与气体扩散层界面接触电阻对PEMFC电池的电学性能影响很大，是PEMFC的内阻主要来源，占总体电阻总内阻的55％左右。双极板与扩散层的界面电阻的测量一直是研究热点，许多学者制作出测量双极板与碳纸接触测量仪器，主要分为两类：在线测量与离线测量。在线测量是 Makkus、Miachon、Ihonen等采用通过测量电池工作状态下双极板和质子交换膜之间的电压差来获得二者间接触电阻，在线测量可以反应真实工况下的界面电阻，但是测量相对繁琐，难以对双极板涂层工艺进行管控。

目前常用的离线测量实验装置，见图1及图2，将碳纸放置在两个双极板21之间，再利用伏安法测试两个铜板11、12之间的总电阻R₁；然后再将一个双极板21直接放置在两个铜板11、12之间测量两个铜板11、12之间的电阻R₂，再用四探针法测试双极板21的本体电阻R_BP及碳纸的本体电阻R_GDL。当两个铜板 11、12与碳纸接触区域一致时，双极板21与碳纸之间的接触电阻R_BP-GDL为：

目前很多国内外学者采用这个方法测量双极板与碳纸之间的电阻，Barbir，Davies、李果等用对双极板与气体扩散层的接触电阻进行研究；此种方法虽可以测量双极板与碳纸之间的接触电阻，但存在较多的不足：碳纸只有10-20丝厚度，只在两个双极板中间流道区域放入碳纸，容易使其他双极板区域短路，造成测试误差；碳纸脆、价格高昂、易碎，在流道区域只要极板错位或阴阳极板流场不一致，碳纸在测试过程中会压碎；电极容易氧化，每一次测量必须同时测试 R1、R2；测试界面来自于不同双极板界面，不能对单独双极板进行检测；辅助定位工装要求较高，如果双极板已有密封条，超过碳纸厚度，即不能测量；测试工装只能针对单一双极板进行测量，不能应用所有双极板。所以此种方法针对特定双极板在实验室使用尚可，不能方便应用于生产实践。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种能够准确、快速且以无损的方式测量质子交换膜燃料电池的双极板与碳纸之间的接触电阻的双极板与碳纸界面接触电阻的无损测量设备，以解决上述问题。

一种双极板与碳纸界面接触电阻的无损测量设备，包括驱动装置、两根与驱动装置的顶部连接的安装柱、水平设置于两根安装柱之间的第二压块、水平活动地设置于驱动装置与第二压块之间的第一压块、设置于第一压块朝向第二压块的顶面上的第一夹持单元、设置于第二压块朝向第一压块的底面上的第二夹持单元、与驱动装置的输出轴连接的传动机构、由传动机构驱动上下移动的螺杆、与第二压块连接的压力传感器、及与第一夹持单元及第二夹持单元均电性连接的微电阻计；第一压块及第一夹持单元靠近两端的位置分别开设有轴孔，轴孔内设有第一直线轴承，两根安装柱分别穿过两个第一直线轴承，螺杆的顶部与第一压块的底部固定连接；压力传感器直接或间接地与驱动装置连接。

进一步地，还包括与至少一个安装柱的顶部固定连接的安装块、与安装块连接的压力显示器，压力传感器通过第一线缆与压力显示器连接，压力显示器通过第二线缆与驱动装置连接，第二压块通过压力传感器与安装块连接。

进一步地，所述第二压块及第二夹持单元靠近两端的位置分别开设有第一通孔，第一通孔内设有第二直线轴承，两根安装柱分别穿过两个第二直线轴承。

进一步地，所述微电阻计具有两个连接端子，两个连接端子分别通过第三线缆及第四电缆与第一夹持单元及第二夹持单元连接。

进一步地，所述第一夹持单元及第二夹持单元均包括依次层状设置的电极板、银浆层及碳纸，且第一夹持单元的碳纸与第二夹持单元的碳纸相向设置。

进一步地，所述驱动装置为伺服电机。

与现有技术相比，本实用新型的双极板与碳纸界面接触电阻的无损测量设备包括驱动装置、两根与驱动装置的顶部连接的安装柱、水平设置于两根安装柱之间的第二压块、水平活动地设置于驱动装置与第二压块之间的第一压块、设置于第一压块朝向第二压块的顶面上的第一夹持单元、设置于第二压块朝向第一压块的底面上的第二夹持单元、与驱动装置的输出轴连接的传动机构、由传动机构驱动上下移动的螺杆、与第二压块连接的压力传感器、及与第一夹持单元及第二夹持单元均电性连接的微电阻计；第一压块及第一夹持单元靠近两端的位置分别开设有轴孔，轴孔内设有第一直线轴承，两根安装柱分别穿过两个第一直线轴承，螺杆的顶部与第一压块的底部固定连接；压力传感器直接或间接地与驱动装置连接。如此能够准确、快速且以无损的方式测量质子交换膜燃料电池的双极板与碳纸之间的接触电阻。

附图说明

以下结合附图描述本实用新型的实施例，其中：

图1为现有的离线测量方法的第一状态示意图。

图2为现有的离线测量方法的第二状态示意图。

图3为利用本实用新型提供的双极板与碳纸界面接触电阻的无损测量设备进行无损测量的步骤S2的示意图。

图4为利用本实用新型提供的双极板与碳纸界面接触电阻的无损测量设备进行无损测量的步骤S3的示意图。

图5利用本实用新型提供的双极板与碳纸界面接触电阻的无损测量设备进行无损测量的步骤S4的示意图。

图6为本实用新型提供的双极板与碳纸界面接触电阻的无损测量设备的立体示意图。

具体实施方式

以下基于附图对本实用新型的具体实施例进行进一步详细说明。应当理解的是，此处对本实用新型实施例的说明并不用于限定本实用新型的保护范围。

本实用新型提供的双极板与碳纸界面接触电阻的无损测量设备用于对双极板与碳纸界面之间的接触电阻进行无损测量。

接触电阻的介绍：质子交换膜燃料电池的内阻包括电池内部各层材料的本体电阻，如双极板(Bipolar Plate，BP)、质子交换膜(Proton Exchange Membrane， PEM)、催化层(Catalyst Layer，CL)、扩散层(Gas Diffusion LAYER,GDL)，也包括不同材料之间的界面接触电阻，如双极板/气体扩散层(R_BP-GDL)、气体扩散层/催化层(R_GDL-CL)、催化层/膜的接触电阻(R_CL-PEM)等。接触电阻的本质是电流通过材料相互接触部分而引起的收缩电阻与表面膜电阻之和，收缩电阻R可由Maxwell公式推导得出：

式中ρ₁、ρ₂为两接触平面材料电阻率，a_i为两层材料接触斑点的半径。

表面膜电阻指的是双极板表面覆盖氧化膜或其他种膜(如粉尘、油膜等) 的电阻，成品双极板表面经过处理，基本不存在表面膜电阻。

请参考图3至图5，利用本实用新型提供的双极板与碳纸界面接触电阻的无损测量设备进行无损测量包括以下步骤：

步骤S1：准备测量设备、测试碳纸70及待测物料80。测量设备包括相对设置的第一夹持单元51及第二夹持单元52，以及第一压块61、第二压块62、微电阻计90。微电阻计90与第一夹持单元51及第二夹持单元52均连接，第一压块61与第一夹持单元51的第一侧连接，第二压块62与第二夹持单元52的第一侧连接。第一夹持单元51及第二夹持单元52均包括电极板511、银浆层 512及碳纸513，银浆层512用于粘合电极板511与碳纸513，第一夹持单元51 及第二夹持单元52的碳纸513相向设置，电极板511与第一压块61或第二压块62连接，微电阻计90的两个连接端子分别与第一夹持单元51的电极板511 及第二夹持单元52的电极板511连接；本实施方式中，第一夹持单元51的电极板511与第二夹持单元52的电极板511相对的侧面(称为相对面)的面积相同，银浆层512及碳纸513的面积与电极板511的相对面的面积相同，测试碳纸70的面积等于电极板511的相对面的面积，待测物料80的面积等于电极板 511的相对面的面积。若测试碳纸70的面积或待测物料80的面积小于电极板 511的相对面的面积则导致后续测试结果不准确，不能套用公式(8)；若测试碳纸70的面积或待测物料80的面积大于电极板511的相对面的面积则在压力作用下则测试碳纸70或待测物料80容易碎裂。

步骤S2：第一夹持单元51的碳纸513与第二夹持单元52的碳纸513直接充分地接触，如图3所示，测量此时的第一极间电阻R1。由于电极板511、银浆层512及碳纸513三者一体，其整体电阻用R_Cu-Ag-GDL表示。第一极间电阻R1 为：

其中R_GDL-GDL为第一夹持单元51的碳纸513与第二夹持单元52的碳纸513之间的碳纸间接触电阻。

步骤S3：请参考图4，在第一夹持单元51的碳纸513与第二夹持单元52 的碳纸513之间放上一层测试碳纸70，第一夹持单元51及第二夹持单元52分别从两侧夹持测试碳纸70，电极板511的相对面相对测试碳纸70的垂直投影完全落入测试碳纸70中，即电极板511的相对面没有垂直位于碳纸70外的部分，使得第一夹持单元51的碳纸513及第二夹持单元52的碳纸513分别与测试碳纸70的两侧充分接触，测量此时的第二极间电阻R2：

R₂＝2R_Cu-Ag-GDL+2R_GDL-GDL+R_GDL (3)

其中R_GDL为碳纸的本阻，用四探针低阻测量仪可以测量，由于碳纸的本阻极低，此处可以忽略。因此公式3可以简化为：

R₂＝2R_Cu-Ag-GDL+2R_GDL-GDL (4)

步骤S4：请参考图5，移除测试碳纸70，替换为待测物料80，即燃料电池双极板或燃料电池单极板，第一夹持单元51及第二夹持单元52分别从两侧夹持待测物料80，电极板511的相对面相对待测物料80的垂直投影完全落入待测物料80中，即电极板511的相对面没有垂直位于待测物料80外的部分，使得第一夹持单元51的碳纸513及第二夹持单元52的碳纸513分别与待测物料80 的两侧充分接触，测量此时的第三极间电阻R3：

R₃＝2R_Cu-Ag-GDL+R_SBP-GDL+R_XBP-GDL+R_BP (5)

其中：R_BP为待测物料80的本阻，用四探针低阻测量仪可以测量，由于待测物料80的本阻极低，此处可以忽略；R_XBP-GDL为待测物料80的下半部分与第一夹持单元51的碳纸513之间的第一接触电阻；R_SBP-GDL为待测物料80的上半部分与第二夹持单元52的碳纸513之间的第二接触电阻。公式5可以简化为：

R₃＝2R_Cu-Ag-GDL+R_SBP-GDL+R_XBP-GDL (6)

步骤S5：根据上述公式2、公式4、公式6，计算得出总接触电阻R_SBP-GDL+R_XBP-GDL (即第一接触电阻与第二接触电阻之和)，即：

R_SBP-GDL+R_XBP-GDL＝R₃+R₂-2R₁ (7)

国标要求双极板30与上下两侧的碳纸之间的接触电阻之和不能高于一预定值，因此一般情况下，步骤S1-S5即可满足测试要求。

步骤S6：若待测物料的上下两侧与对应的碳纸之间的接触形状一致，即第一接触电阻与第二接触电阻一致，可以计算出待测物料80的任意一侧与碳纸513 之间的接触电阻R_BP-GDL为：

平面形状一样的待测物料和碳纸，由于待测物料的表面凹凸不平或碳纸呈波浪状，会导致第一接触电阻与第二接触电阻不一致，此时需再制作一个标准试样，标准试样的上下接触面的形状大小与待测物料80的上下平面完全相同，在相同压力下分别测试标准试样及待测物料80的总接触电阻，计算这个总接触电阻与公式(7)计算的总接触电阻之差。

界面间接触电阻与界面间接触面积相关，接触面积越大，接触电阻越小。一般采用接触电阻率表征两种界面之间的接触电阻的大小，电极板511与碳纸 513之间的极间接触电阻率为

ρ_SBP-GDL+ρ_XBP-GDL＝(R₃+R₂-2R₁)×A (9)

ρ_XBP-GDL为待测物料80的下半部分与第一夹持单元51的碳纸513之间的第一接触电阻率，ρ_SBP-GDL为待测物料80的上半部分与第二夹持单元52的碳纸513 之间的第二接触电阻率，单位为mΩ·cm²；A为电极板511的电极面积，单位为 cm²。

若待测物料的上下两侧与对应的碳纸之间的接触形状一致，即：第一接触电阻与第二接触电阻一致，则待测物料80的任意一侧与碳纸513之间的接触电阻率ρ_BP-GDL为：

如此引入银浆层512，使得电极板511、银浆层512及碳纸513三者一体，使用差值法求解，在计算的过程中相关电阻得到消除，不影响测量精度。利用液压平台驱动第一压块61、第二压块62移动，实现第一夹持单元51及第二夹持单元52相互靠近或远离，待测物料80无需切割成标准试样，也可保证碳纸与待测物料80的接触面积为电极面积(定值)。银浆层512可用酒精或者热风枪等工具使得碳纸513与电极板511分离，便于更换碳纸。

请参考图6，本实用新型的双极板与碳纸界面接触电阻的无损测量设备包括工作台10、设置于工作台10上的驱动装置20、两根与驱动装置20的顶部连接的安装柱22、与两个安装柱22的顶部固定连接的安装块30、水平设置于两根安装柱22之间的第二压块62、连接安装块30与第二压块62的压力传感器50，活动设置于驱动装置20与第二压块62之间的第一压块61、设置于第一压块61 朝向第二压块62的顶面上的第一夹持单元51、设置于第二压块62朝向第一压块61的底面上的第二夹持单元52、与驱动装置20的输出轴连接的传动机构、由传动机构驱动上下移动的螺杆23、与第二压块62连接的压力传感器50、与安装块30连接的压力显示器60及设置于工作台10上的微电阻计90。

第一压块61及第一夹持单元51靠近两端的位置分别开设有轴孔，轴孔内设有第一直线轴承，两根安装柱22分别穿过两个第一直线轴承，螺杆23的顶部与第一压块61的底部固定连接。

驱动装置20为伺服电机，伺服电机的输出轴转动时通过传动机构带动螺杆 23上下移动，螺杆23带动第一压块61及第一夹持单元51向上移动或者向下移动。螺杆的设置使得第一压块61的上下移动的控制更为精确。

安装柱22及第一直线轴承对第一压块61及第一夹持单元51的上下移动起到导向作用。

第二压块62及第二夹持单元52靠近两端的位置分别开设有第一通孔，第一通孔内设有第二直线轴承，两根安装柱22分别穿过两个第二直线轴承。

第二压块62承受到压力后将向上移动一定的距离，同时将压力传递至压力传感器50。压力传感器50的形状为S形，能够在受到压力时发生轻微形变并感应压力的大小。

压力传感器50通过第一线缆与压力显示器60连接，压力显示器60通过第二线缆与驱动装置20连接。微电阻计90具有两个连接端子，两个连接端子分别通过第三线缆及第四电缆与第一夹持单元51及第二夹持单元52连接。

微电阻计90用于测量两个连接端子之间的极间电阻。

驱动装置20内设置有控制器，工作前，先通过控制器设置并保存一个预定压力值，将待测物体，如双极板80放置于第一夹持单元51上，驱动装置20通过螺杆23驱动第一压块61及第一夹持单元51向上移动，使得待测物体被夹持于第一夹持单元51与第二夹持单元52之间，压力传感器50感应其所受到的压力，并将压力值通过压力显示器60进行显示，压力显示器60将压力值反馈给控制器，控制器比较压力值与预定压力值，向压力值达到预定压力值时，控制驱动装置20停止驱动第一压块61及第一夹持单元51向上移动。

与现有技术相比，本实用新型的双极板与碳纸界面接触电阻的无损测量设备包括驱动装置20、两根与驱动装置20的顶部连接的安装柱22、水平设置于两根安装柱22之间的第二压块62、水平活动地设置于驱动装置20与第二压块 62之间的第一压块61、设置于第一压块61朝向第二压块62的顶面上的第一夹持单元51、设置于第二压块62朝向第一压块61的底面上的第二夹持单元52、与驱动装置20的输出轴连接的传动机构、由传动机构驱动上下移动的螺杆23、与第二压块62连接的压力传感器50、及与第一夹持单元51及第二夹持单元52 均电性连接的微电阻计90；第一压块61及第一夹持单元51靠近两端的位置分别开设有轴孔，轴孔内设有第一直线轴承，两根安装柱22分别穿过两个第一直线轴承，螺杆23的顶部与第一压块61的底部固定连接。如此能够准确、快速且以无损的方式测量质子交换膜燃料电池的双极板与碳纸之间的接触电阻。

以上仅为本实用新型的较佳实施例，并不用于局限本实用新型的保护范围，任何在本实用新型精神内的修改、等同替换或改进等，都涵盖在本实用新型的权利要求范围内。

Claims (6)

1.一种双极板与碳纸界面接触电阻无损测量设备，其特征在于：包括驱动装置、两根与驱动装置的顶部连接的安装柱、水平设置于两根安装柱之间的第二压块、水平活动地设置于驱动装置与第二压块之间的第一压块、设置于第一压块朝向第二压块的顶面上的第一夹持单元、设置于第二压块朝向第一压块的底面上的第二夹持单元、与驱动装置的输出轴连接的传动机构、由传动机构驱动上下移动的螺杆、与第二压块连接的压力传感器、及与第一夹持单元及第二夹持单元均电性连接的微电阻计；第一压块及第一夹持单元靠近两端的位置分别开设有轴孔，轴孔内设有第一直线轴承，两根安装柱分别穿过两个第一直线轴承，螺杆的顶部与第一压块的底部固定连接；压力传感器直接或间接地与驱动装置连接。

2.如权利要求1所述的双极板与碳纸界面接触电阻无损测量设备，其特征在于：还包括与至少一个安装柱的顶部固定连接的安装块、与安装块连接的压力显示器，压力传感器通过第一线缆与压力显示器连接，压力显示器通过第二线缆与驱动装置连接，第二压块通过压力传感器与安装块连接。

3.如权利要求1所述的双极板与碳纸界面接触电阻无损测量设备，其特征在于：所述第二压块及第二夹持单元靠近两端的位置分别开设有第一通孔，第一通孔内设有第二直线轴承，两根安装柱分别穿过两个第二直线轴承。

4.如权利要求1所述的双极板与碳纸界面接触电阻无损测量设备，其特征在于：所述微电阻计具有两个连接端子，两个连接端子分别通过第三线缆及第四电缆与第一夹持单元及第二夹持单元连接。

5.如权利要求1所述的双极板与碳纸界面接触电阻无损测量设备，其特征在于：所述第一夹持单元及第二夹持单元均包括依次层状设置的电极板、银浆层及碳纸，且第一夹持单元的碳纸与第二夹持单元的碳纸相向设置。

6.如权利要求1所述的双极板与碳纸界面接触电阻无损测量设备，其特征在于：所述驱动装置为伺服电机。

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