CN113495047A - 一种燃料电池气体扩散层的性能测试装置及方法 - Google Patents

一种燃料电池气体扩散层的性能测试装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明适用于燃料电池性能测试技术领域，提供了一种燃料电池气体扩散层的性能测试装置及方法，该性能测试装置包括底座；上盖；第一腔体；所述第一腔体设置在所述底座上，所述底座上设有排液口，所述排液口与所述第一腔体相通；第二腔体；所述第二腔体设置在所述上盖上；置物组件，用于放置待测试样品；所述置物组件设置在所述第一腔体与所述第二腔体之间；输液组件。本发明通过可控制流量的输液组件往置物组件中输送去离子水，可以模拟预处理后GDL在电堆里运行时保水和排水环境，将水平衡性能通过直观单一参数进行测量和标定，以用于快速、准确地测量和评估预处理后GDL的性能和质量。

Description

一种燃料电池气体扩散层的性能测试装置及方法
技术领域
本发明属于燃料电池性能测试技术领域，尤其涉及一种燃料电池气体扩散层的性能测试装置及方法。
背景技术
气体扩散层(Gas diffusion layer，GDL)通常由导电的多孔材料构成，作用是收集电流、传导气体和排出反应产物(水)，需要同时具备良好的排水性、透气性和导电性。
其中，GDL预处理是燃料电池膜电极组件(MEA)开发和生产中的一个关键工艺技术。为了保证质子交换膜处于良好的含水状态，要求预处理GDL具有良好的保水和排水的平衡能力。一方面，需要把反应后生成的水保留并用于膜的加湿，同时多余的水通过不同孔隙率的多层结构排出到扩散层表面，形成微小的液滴(少量水蒸气)，再通过流道中的一定速度的气流将预处理GDL表面的水滴吹扫排出电堆。另一方面，将流道中的氢气或者空气(或氧气)通过预处理GDL的孔隙扩散到催化剂层，源源不断的为催化剂提供反应燃料(氢气)和空气(空气中的氧气)。所以，预处理GDL若干指标中保水和排水能力(水平衡)是衡量产品性能的关键指标。
虽然，现有GDL材料均有用于质量控制的测量标准和装置，但是经过预处理相关工艺后GDL排水能力因受到多种因素影响，难以用现有测量标准和装置进行精准测量和评价。因此，目前亟待寻求一种能真实反映预处理GDL水平衡性能的测试装置。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种燃料电池气体扩散层的性能测试装置，旨在解决背景技术中提出的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种燃料电池气体扩散层的性能测试装置，包括：
底座；
上盖；
第一腔体；所述第一腔体设置在所述底座上，所述底座上设有排液口，所述排液口与所述第一腔体相通；
第二腔体；所述第二腔体设置在所述上盖上；
置物组件，用于放置待测试样品；所述置物组件设置在所述第一腔体与所述第二腔体之间；
输液组件，用于往所述置物组件中输送液体以及控制输送的液体流量，以对待测试样品的水平衡性能进行测试；所述输液组件与所述第二腔体相通。
作为本发明实施例的一种优选方案，所述输液组件包括：
量筒；所述量筒通过导液管与所述第二腔体相通，并设置在所述上盖的上方；
流量计；所述流量计设置在所述量筒的上方。
作为本发明实施例的另一种优选方案，所述上盖上设有进液口，所述进液口分别与所述第二腔体和所述导液管相通。
作为本发明实施例的另一种优选方案，所述量筒上设有刻度。
作为本发明实施例的另一种优选方案，所述置物组件包括：
凹槽；所述凹槽设置在所述底座上，所述凹槽与所述第一腔体相通；
与所述凹槽相匹配的凸起；所述凸起设置在所述上盖上。
作为本发明实施例的另一种优选方案，所述置物组件还包括：
密封垫；所述密封垫设置在所述凹槽与所述凸起之间。
本发明实施例的另一目的在于提供一种燃料电池气体扩散层的性能测试方法，所述性能测试方法采用上述性能测试装置进行测试，其包括以下步骤：
对待测试样品进行封边处理；
将封边处理后的待测试样品置于所述置物组件中，盖上所述上盖，并对所述底座和所述上盖施加轴向压合力；
通过所述流量计往所述量筒内滴入去离子水，直至所述量筒内的水位处于平衡状态后，记录所述量筒内的水位高度，以评价所述待测试样品的水平衡性能。
作为本发明实施例的另一种优选方案，所述通过所述流量计往所述量筒内滴入去离子水，直至所述量筒内的水位处于平衡状态后，记录所述量筒内的水位高度的步骤，具体包括：
通过所述流量计并以每5～15秒一滴的速度往所述量筒内滴入去离子水，直至所述量筒内的水位不再增加后，记录所述量筒内的水位高度，作为待测试样品的静态保水压力参数。
作为本发明实施例的另一种优选方案，所述通过所述流量计往所述量筒内滴入去离子水，直至所述量筒内的水位处于平衡状态后，记录所述量筒内的水位高度的步骤，具体包括：
计算燃料电池中膜电极组件产生水的流量，得到理论流量值；
通过所述流量计并以所述理论流量值的速度往所述量筒内滴入去离子水，直至所述量筒内的水位处于动态平衡后，记录所述量筒内的水位高度，作为待测试样品的动态保水压力参数。
本发明实施例提供的一种燃料电池气体扩散层的性能测试装置，通过在带有第一腔体和排液口的底座以及带有第二腔体的上盖之间设置置物组件，便可通过可控制流量的输液组件往置物组件中输送去离子水，以模拟预处理后GDL在电堆里运行时保水和排水环境，将水平衡性能通过直观单一参数进行测量和标定，以用于快速、准确地测量和评估预处理后GDL的性能和质量。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种燃料电池气体扩散层的性能测试装置的立体结构图。
图2为本发明实施例提供的一种燃料电池气体扩散层的性能测试装置的主视角结构示意图。
图3为本发明实施例提供的底座和上盖的侧视角结构示意图。
图4为本发明实施例提供的底座的俯视角结构示意图。
图5为本发明实施例提供的上盖的仰视角结构示意图。
图中：1-底座、2-上盖、3-支撑件、4-流量计、5-量筒、6-导液管、7-安装套、8-排液口、9-基准面、10-第一腔体、11-第二腔体、12-进液口、13-密封垫、14-待测试样品、15-凹槽、16-凸起。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
另外，在本申请的描述中，所采用到的术语应当作广义的理解，对于本领域的技术人员而言，可以根据实际的具体情况来理解术语的具体含义。譬如，本申请中所采用的术语“安装”可以定义为可拆卸的固定安装或者是不可拆卸的固定安装等；所采用的术语“设置”和“设有”，可以定义为接触式设置或者未接触式设置等；所采用的术语“连接”和“相连”可以定义为焊接、铆接、螺栓连接、过盈配合等固定式机械连接或者定义为铰接、通过轴承连接等活动式机械连接；所采用的方位词术语均是以附图为参考或者根据以实际情况以及公知常识所定义的方向为准。
如附图1和3所示，为本发明实施例提供的一种燃料电池气体扩散层的性能测试装置，该性能测试装置包括：
底座1；
上盖2；
第一腔体10；所述第一腔体10设置在所述底座1上，所述底座1上设有排液口8，所述排液口8与所述第一腔体10相通；
第二腔体11；所述第二腔体11设置在所述上盖2上；
置物组件，用于放置待测试样品14；所述置物组件设置在所述第一腔体10与所述第二腔体11之间；
输液组件，用于往所述置物组件中输送液体以及控制输送的液体流量，以对待测试样品14的水平衡性能进行测试；所述输液组件与所述第二腔体11相通。
在实际应用中，可以通过将待测试样品14放置在置物组件中，然后将上盖2盖在上方，并通过输液组件往上盖2的第二腔体11内送入去离子水，即可通过对待测试样品14的水平衡性能进行测试。
本发明实施例通过在带有第一腔体10和排液口8的底座1以及带有第二腔体11的上盖2之间设置置物组件，便可通过可控制流量的输液组件往置物组件中输送去离子水，以模拟预处理后GDL在电堆里运行时保水和排水环境，将水平衡性能通过直观单一参数进行测量和标定，以用于测量和评估预处理后GDL的性能和质量。
如附图1和2所示，作为本发明实施例的一个优选方案，所述输液组件包括：
量筒5；所述量筒5通过导液管6与所述第二腔体11相通，并设置在所述上盖2的上方；
流量计4；所述流量计4设置在所述量筒5的上方。
具体的，量筒5为圆筒状结构，流量计4和量筒5均可通过安装套7固定安装在支撑件3上；支撑件3为柱状结构，其固定安装在底座1上。通过流量计4可以往量筒5内滴水，以及可以控制滴水的速度，从而可以模拟燃料电池中膜电极组件产生水的流量。
如附图2和3所示，作为本发明实施例的另一个优选方案，所述上盖2上设有进液口12，所述进液口12分别与所述第二腔体11和所述导液管6相通。
具体的，导液管6可以采用软管结构，以便于在与上盖2上的进液口12连通后，上盖2可以自由地活动。另外，进液口12位于上盖2靠近底座1的一端；通过导液管6和进液口12的设置，可以使量筒5内的水流入到第二腔体11内并与待测试样品14进行接触。
作为本发明实施例的另一个优选方案，所述量筒5为透明材质，所述量筒5的侧壁上设有刻度(图中未画出)，该刻度用于表示为量筒5内的水位距离基准面9(即待测试样品14平面)的垂直距离，用毫米表示。
如附图3～5所示，作为本发明实施例的另一个优选方案，所述置物组件包括：
凹槽15；所述凹槽15设置在所述底座1上，所述凹槽15与所述第一腔体10相通；
与所述凹槽15相匹配的凸起16；所述凸起16设置在所述上盖2上。
具体的，凹槽15的形状可与待测试样品14的形状相匹配，以便于放置待测试样品14；凸起16为环形结构，其形状大小与凹槽15的相匹配，以便于使上盖2可以稳定地盖在底座1上。
如附图3所示，作为本发明实施例的另一个优选方案，所述置物组件还包括：
密封垫13；所述密封垫13设置在所述凹槽15与所述凸起16之间。
具体的，密封垫13为环形结构，其形状大小与凸起16相匹配；在使用时，将待测试样品14放置在凹槽15上后，再在待测试样品14上放置密封垫13，然后，盖上上盖2并施加轴向压合力，即可提高第一腔体10、第二腔体11和待测试样品14之间的密封性，以保证第二腔体11内水只能通过待测试样品14才能进入到第一腔体10内。
在本发明的另一个实施例中，还提供了一种燃料电池气体扩散层的性能测试方法，所述性能测试方法采用上述性能测试装置进行测试，其包括以下步骤：
S1、对待测试样品14进行封边处理；
S2、将封边处理后的待测试样品14置于所述置物组件中，盖上所述上盖2，并对所述底座1和所述上盖2施加轴向压合力；
S3、通过所述流量计4往所述量筒5内滴入去离子水，直至所述量筒5内的水位处于平衡状态后，记录所述量筒5内的水位高度，以评价所述待测试样品14的水平衡性能。
具体的，上述测试可以在室温下进行；待测试样品14为预处理后的GDL，其外形尺寸为边长60×60mm的正方形，其中心部分的微孔层为边长50×50mm的正方形；另外，由于预处理后的GDL周边有5毫米宽的边缘没有被微孔层覆盖，故需要进行封边处理，将未被微孔层覆盖的部分用液体胶(硅胶)均匀涂抹，并放置24小时进行固化，以将孔隙封闭，从而可以防止待测试样品14封边部分出现漏水漏气现象。
此外，步骤S2具体包括：将待测试样品14平放在底座1的凹槽15内，并使待测试样品14的微孔层向上；接着，在底座1上盖上上盖2；然后沿着待测试样品14中心线分别向底座1和上盖2施加轴向压合力，以确保第二腔体11中的水和气体只能透过待测样品具有微孔层的部分到达第一腔体10，而不会通过待测样品封边部分以及周边缝隙到达第一腔体10。
作为本发明实施例的另一个优选方案，步骤S3具体包括：通过所述流量计4并以每5～15秒一滴的速度往所述量筒5内滴入去离子水，直至所述量筒5内的水位不再增加后，通过量筒5上的刻度记录所述量筒5内的水位高度，作为待测试样品14的静态保水压力参数。
作为本发明实施例的另一个优选方案，步骤S3具体也可包括：
S31、计算燃料电池中膜电极组件产生水的流量，得到理论流量值；
S31、通过所述流量计4并以所述理论流量值的速度往所述量筒5内滴入去离子水，直至所述量筒5内的水位处于动态平衡后，通过量筒5上的刻度记录所述量筒5内的水位高度，作为待测试样品14的动态保水压力参数。
具体的，步骤S31具体包括：按照膜电极组件设计电流面密度以及下述公式(1)计算燃料电池中膜电极组件产生水的流量，得到理论流量值；
mH2O.prod＝(I*N/2F)*MH2O (1)；
式中，I为电流；N为膜电极数量；F为法拉第常数；MH2O为水的摩尔质量。
本发明实施例通过量筒5上的刻度可以直接获得待测试样品14的静态保水压力参数和动态保水压力参数，从而便可根据静态保水压力参数和动态保水压力参数，来评价待测试样品14的保水和排水性能。
综上所述，本发明实施例提供的性能测试装置通过给去离子水施加一定压力和水流量，分别测量待测试样品14静态保水时水压刻度(mm水柱)以及在设计水流量状态下的水压刻度，其可模拟预处理后GDL在电堆里运行时保水和排水环境，将水平衡性能通过直观单一参数进行测量和标定，该参数更贴近膜电极组件制成后实际运行的结果，可以显著提高预处理GDL性能测量的准确性，即可以简单、快速和准确地测量预处理后GDL的水平衡性能和质量，故可作为燃料电池膜电极组件开发和生产的主要评价手段。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种燃料电池气体扩散层的性能测试装置，包括底座和上盖，其特征在于，所述性能测试装置还包括：
第一腔体；所述第一腔体设置在所述底座上，所述底座上设有排液口，所述排液口与所述第一腔体相通；
第二腔体；所述第二腔体设置在所述上盖上；
置物组件，用于放置待测试样品；所述置物组件设置在所述第一腔体与所述第二腔体之间；
输液组件，用于往所述置物组件中输送液体以及控制输送的液体流量，以对待测试样品的水平衡性能进行测试；所述输液组件与所述第二腔体相通。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池气体扩散层的性能测试装置，其特征在于，所述输液组件包括：
量筒；所述量筒通过导液管与所述第二腔体相通，并设置在所述上盖的上方：
流量计；所述流量计设置在所述量筒的上方。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池气体扩散层的性能测试装置，其特征在于，所述上盖上设有进液口，所述进液口分别与所述第二腔体和所述导液管相通。
4.根据权利要求2所述的一种燃料电池气体扩散层的性能测试装置，其特征在于，所述量筒上设有刻度。
5.根据权利要求2所述的一种燃料电池气体扩散层的性能测试装置，其特征在于，所述置物组件包括：
凹槽；所述凹槽设置在所述底座上，所述凹槽与所述第一腔体相通；
与所述凹槽相匹配的凸起；所述凸起设置在所述上盖上。
6.根据权利要求5所述的一种燃料电池气体扩散层的性能测试装置，其特征在于，所述置物组件还包括：
密封垫；所述密封垫设置在所述凹槽与所述凸起之间。
7.一种燃料电池气体扩散层的性能测试方法，其特征在于，所述性能测试方法采用如权利要求2～6中任一项所述性能测试装置进行测试，其包括以下步骤：
对待测试样品进行封边处理；
将封边处理后的待测试样品置于所述置物组件中，盖上所述上盖，并对所述底座和所述上盖施加轴向压合力；
通过所述流量计往所述量筒内滴入去离子水，直至所述量筒内的水位处于平衡状态后，记录所述量筒内的水位高度，以评价所述待测试样品的水平衡性能。
8.根据权利要求7所述的一种燃料电池气体扩散层的性能测试方法，其特征在于，所述通过所述流量计往所述量筒内滴入去离子水，直至所述量筒内的水位处于平衡状态后，记录所述量筒内的水位高度的步骤，具体包括：
通过所述流量计并以每5～15秒一滴的速度往所述量筒内滴入去离子水，直至所述量筒内的水位不再增加后，记录所述量筒内的水位高度，作为待测试样品的静态保水压力参数。
9.根据权利要求7所述的一种燃料电池气体扩散层的性能测试方法，其特征在于，所述通过所述流量计往所述量筒内滴入去离子水，直至所述量筒内的水位处于平衡状态后，记录所述量筒内的水位高度的步骤，具体包括：
计算燃料电池中膜电极组件产生水的流量，得到理论流量值；
通过所述流量计并以所述理论流量值的速度往所述量筒内滴入去离子水，直至所述量筒内的水位处于动态平衡后，记录所述量筒内的水位高度，作为待测试样品的动态保水压力参数。
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