專利名稱：燃料電池測試夾具及其裝配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種新能源技術(shù)領(lǐng)域的測試工具，尤其涉及低、中溫燃料電池領(lǐng)域關(guān)于電解質(zhì)膜的電導率和單電池性能的測試夾具，即燃料電池測試夾具及其裝配方法。
背景技術(shù)：
燃料電池由于具有高的能量轉(zhuǎn)換效率、綠色無污染、多元化能源等諸多優(yōu)點，成為 21世紀重要的潛在新能源發(fā)展方向。燃料電池的核心部件是傳導離子并隔絕電子的電解質(zhì)膜，電解質(zhì)膜的優(yōu)劣直接影響燃料電池的輸出性能。目前，低溫燃料電池通常采用以美國杜邦公司的Nafionrp為代表的聚合物電解質(zhì)膜。Nafionrp類聚合物質(zhì)子膜有高質(zhì)子電導率和良好化學穩(wěn)定性，但也有成本高、水分子吸附導致溶脹、甲醇滲透率高、工作溫度和濕度窗口窄等問題。為此，研究者相繼開發(fā)了有機-無機復合電解質(zhì)膜和無機電解質(zhì)膜。在對電解質(zhì)膜的性能評價中，膜電極(MEA)裝配后的單電池性能測試最為關(guān)鍵。由于目前均以 Nafionrp作為測評對象，因此在對電解質(zhì)膜的性能評價中仍沿用傳統(tǒng)的單電池夾具來測試 (如專利US 2010/0196800 Al中圖7所示結(jié)構(gòu))。此類測試夾具存在如下缺點1.電池裝配復雜，體現(xiàn)在膜電極的對中和壓緊密封上，并且使用較多(一般四個以上)緊固螺栓，導致裝配費時；2.此類夾具在電池裝配上依靠很高的預緊力來保證電池的密封和集電板的良好接觸，然而在有機-無機復合電解質(zhì)膜和無機電解質(zhì)膜材料的單電池性能測試中，由于膜材料的差異，傳統(tǒng)夾具難以控制電池密封和膜電極預緊力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種燃料電池測試夾具及其裝配方法，旨在解決電解質(zhì)膜在導電率和單電池性能測試中的夾持問題，同時通過設(shè)計微調(diào)，使其成為通用型燃料電池電解質(zhì)膜的導電率和單電池性能測試夾具。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
本發(fā)明提供一種燃料電池測試夾具，包括行走壓緊機構(gòu)、固定外框、上絕緣板、下絕緣板、集成集電板的雙極板(上、下極板)和導向燕尾槽板，所述行走壓緊機構(gòu)包括壓臺和定位頭，行走壓緊機構(gòu)固定在固定外框上；所述上絕緣板固定在壓臺上，下絕緣板固定在固定外框上；所述集成集電板的上極板固定在上絕緣板中，集成集電板的下極板固定在下絕緣板中；所述導向燕尾槽板固定在固定外框上，壓臺嵌于導向燕尾槽板中。所述定位頭包括平面軸承、軸用擋圈以及定位止動螺釘，所述平面軸承、定位止動螺釘設(shè)置在固定外框上，并通過軸用擋圈固定。所述上絕緣板包括上絕緣基板，所述上絕緣基板上設(shè)有絕緣板燕尾槽導向板，雙極板定位孔，以及絕緣板導向燕尾槽。所述雙極板，其中間設(shè)有雙極板流場、密封槽，還設(shè)有與密封槽連通的進出孔道， 并且設(shè)有溫度傳感器孔、加熱棒孔以及定位孔。所述行走壓緊機構(gòu)依靠小螺距(0.5mm機械絲桿或者更為精確的步進電機)來控制壓力施加速度和大小，其壓力大小可通過在集成集電板的上極板底部或集成集電板的下極板上部安裝薄片式壓力傳感器來實現(xiàn)精密微調(diào)。為保證行走壓緊機構(gòu)在對電解質(zhì)膜或者單電池膜電極的壓制過程中始終保證垂直施壓，對壓臺進行了燕尾槽導向配合處理。通過壓臺突出的燕尾槽滑塊和固定在固定外框的燕尾槽配合，實現(xiàn)了壓臺的垂直升降。同時為了減小行走過程的摩擦力，對定位頭和固定外框的接觸處引入平面軸承等降低阻力措施。電解質(zhì)膜的有效活化面積兩側(cè)對中通過上下絕緣板定位集成集電板的雙極板來實現(xiàn)。絕緣板同時起到絕緣上下集電板和定位集成集電板的雙極板的作用。其中上絕緣板采用燕尾槽結(jié)構(gòu)或者其他類似配合結(jié)構(gòu)以保證在壓緊之前集成集電板的上極板可以懸空， 并且易于拆卸。所述集電板和雙極板預先通過螺紋預緊配合，同時為了進一步增強集電板和雙極板之間的接觸，可通過對雙極板和集電板進行增大有效接觸面積(溝槽凸凹設(shè)計或者夾持軟體導電材料)的方法來處理。對于不同的測試條件，只須對集成集電板的雙極板在上下接觸電解質(zhì)膜或者單電池膜電極的表面進行對應(yīng)的形狀設(shè)計和處理。本發(fā)明還提供一種燃料電池測試夾具的裝配方法，具體為
第一步，將壓緊行走機構(gòu)定位頭和壓臺和絕緣板分別固定在固定外框上。第二步，固定壓臺與絕緣板，同時將導向燕尾槽板固定在固定外框上。第三步，固定膜導電率或單電池性能測試用雙極板與集電板。第四步，將集成集電板的上、下極板分別安放在上下絕緣板中并固定。第五步，將預先制備的膜電極或者電解質(zhì)膜夾持在上下極板中。本發(fā)明的設(shè)計思路以及優(yōu)點1.通過對上下極板的固定實現(xiàn)電解質(zhì)膜和單電池膜電極上下之間有效面積的對中；2.通過對雙極板和集電板的預先配合，降低了所需施加在單電池膜電極和電解質(zhì)膜的預緊力；3.通過引入行走壓緊機構(gòu)(精密絲桿行走機構(gòu))和選配的壓力傳感器實現(xiàn)了單電池膜電極和電解質(zhì)膜預緊力的精密微調(diào)和精確控制；4.省去了通常燃料電池單電池夾具所需要的緊固螺栓，節(jié)省裝配時間。綜合上述設(shè)計，實現(xiàn)了電池測試夾具的通用性和裝配簡單化。


圖1:本發(fā)明--實施例的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2:本發(fā)明--實施例中行走壓緊機構(gòu)、固定外框和上絕緣板裝配示意圖
圖3:本發(fā)明--實施例中上絕緣板、集電板、雙極板裝配示意圖。
圖4:本發(fā)明--實施例中雙極板與集電板之間的預緊配合示意圖。
圖5:本發(fā)明--實施例中圓形流場雙極板示意圖。
圖6:本發(fā)明--實施例中方形流場雙極板示意圖。
圖中符號說明
1定位頭，Ι-a平面軸承，Ι-b軸用擋圈，1-c定位止動螺釘；2固定外框，3壓臺；4上絕緣板，4-a絕緣基板，4-b絕緣板燕尾槽導向板，4-c雙極板定位孔，4-d絕緣板導向燕尾槽； 5集電板；6雙極板，6-a雙極板流場，6-b密封槽，6-c進出孔道，6_d溫度傳感器孔，6_e 加熱棒孔，6-f定位孔；7下絕緣板；8外框燕尾槽導向板；9預緊套件。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。如圖1所示，本發(fā)明提供一種燃料電池測試夾具，包括行走壓緊機構(gòu)、固定外框 2、上絕緣板4、下絕緣板7、集成集電板5的雙極板6和外框燕尾槽導向板8，所述行走壓緊機構(gòu)包括壓臺3和定位頭1，行走壓緊機構(gòu)固定在固定外框2上；所述上絕緣板4固定在壓臺3上，下絕緣板7固定在固定外框2上；所述集成集電板5的雙極板6，其中上級板固定在上絕緣板4中，下級板固定在下絕緣板7中；所述壓臺3與外框燕尾槽導向板8通過上絕緣板4上的燕尾槽配合。如圖2所示，所述定位頭1包括平面軸承、軸用擋圈以及定位止動螺釘，所述平面軸承、定位止動螺釘設(shè)置在固定外框2上，并通過軸用擋圈固定。如圖3所示，所述上絕緣板4包括上絕緣基板4-a，所述上絕緣基板4_a上設(shè)有絕緣板燕尾槽導向板4-b，雙極板6定位孔4-c以及絕緣板導向燕尾槽4-d。如圖4所示，所述集電板5和雙極板6預先通過預緊套件9 (螺紋預緊)配合，同時為了進一步增強集電板5和雙極板6之間的接觸，可通過對雙極板6和集電板5進行增大有效接觸面積(溝槽凸凹設(shè)計或者夾持軟體導電材料)的方法來處理。對于不同的測試條件，只須對集成集電板5的雙極板6在上下接觸電解質(zhì)膜或者單電池膜電極的表面進行對應(yīng)的形狀設(shè)計和處理。所述雙極板6，其材質(zhì)為碳、鈦、不銹鋼、鍍金碳、鍍金鈦、鍍金不銹鋼。
所述集電板5，其材質(zhì)為銅、不銹鋼、鈦、鍍金銅、鍍金不銹鋼、鍍金鈦。如圖5所示，為圓形流場雙極板示意圖，圖中雙極板6中間設(shè)有圓形流場6-a、密封槽6-b，雙極板6上設(shè)有與密封槽6-b連通的進出孔道6-c，用于進出氫氣(或者甲醇)/氧氣(或空氣)，并且雙極板6四周設(shè)有溫度傳感器孔6-d、加熱棒孔6-e以及定位孔6-f。如圖6所示，為方形流場雙極板示意圖，雙極板中間設(shè)有方形流場、密封槽。實施例1
1.將定位頭1安裝平面軸承l(wèi)_a以及定位止動螺釘，裝入固定外框2上表面的中心孔中，由軸用擋圈l_b固定。同時將外框燕尾槽導向板8固定在固定外框2上；
2.將上絕緣板基板4-a與絕緣板燕尾槽導向板4-b固定，而后將上絕緣板套件與壓臺 3固定；
3.將壓臺3與定位頭1配合，并調(diào)整壓臺燕尾槽滑塊與外框燕尾槽導向板8配合。后將絕緣板燕尾槽導向板4-b與固定外框2固定；
4.將下絕緣板7與固定外框2固定；
5.將圓形流場雙極板6分別與集電板5固定，而后將雙極板6與對應(yīng)的絕緣板固定，并通過上絕緣板的定位孔4-c與其中的上極板固定；
6.將集電板5與外接集電導線固定。7.將預先制備的膜電極或者電解質(zhì)膜夾持在上下極板中。實施例21.將定位頭1安裝平面軸承l(wèi)_a以及定位止動螺釘，裝入固定外框2上表面的中心孔中，由軸用擋圈l_b固定。同時將外框燕尾槽導向板8固定在固定外框上；
2.將上絕緣板基板4-a與絕緣板燕尾槽導向板4-b固定，而后將上絕緣板套件與壓臺 3固定；
3.將壓臺3與定位頭配合，并調(diào)整壓臺燕尾槽滑塊與外框燕尾槽導向板8配合。后將絕緣板燕尾槽導向板4-b與固定外框2固定；
4.將下絕緣板7與固定外框2固定；
5.將方形流場雙極板6分別與集電板5固定，而后將雙極板6與對應(yīng)的絕緣板固定，并通過上絕緣板的定位孔4-c與其中的上極板固定；
6.將集電板5與外接集電導線固定。7.最后將預先制備的膜電極或者電解質(zhì)膜夾持在上下極板中。在具體的測試過程中，只須根據(jù)實際測試項目對集成集電板5的雙極板6在上下接觸單電池膜電極的表面進行對應(yīng)的形狀設(shè)計和處理。對于電解質(zhì)膜對壓緊力有更為敏感的要求時，本發(fā)明還提供如下設(shè)計方案可將行走壓緊機構(gòu)(包括定位頭1和壓臺3)設(shè)計成步進電機，并由外電路控制，通過在集成集電板的下極板底部或者集成集電板的上極板上部安裝的薄片式壓力傳感器的數(shù)字信號反饋來保證步進電機的精確行走。同樣對于聚合物電解質(zhì)膜等可承受高強度預緊力的特點，本發(fā)明還提供如下設(shè)計方案對雙極板6四周的定位孔采取絕緣和貫通處理，并在固定外框2與雙極板四周定位孔對應(yīng)位置加裝螺桿，以加大膜電極的預緊力。對測試夾具采取不同的材料選擇(如結(jié)構(gòu)件部件，絕緣部件等)可以拓展電池測試夾具使其應(yīng)用于100-300 °C范圍的中低溫燃料電池測試夾具。對于雙極板6的加熱將不僅局限于加熱棒，貼片等加熱方式同樣適用于本發(fā)明裝置。因此本電池測試夾具在中低溫燃料電池測試中將具有通用性。盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細介紹，但應(yīng)當認識到上述的描述不應(yīng)被認為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池測試夾具，其特征在于該夾具包括行走壓緊機構(gòu)、固定外框、上絕緣板、下絕緣板、集成集電板的雙極板和導向燕尾槽板，所述行走壓緊機構(gòu)包括壓臺和定位頭，行走壓緊機構(gòu)固定在固定外框上；所述上絕緣板固定在壓臺上，下絕緣板固定在固定外框上；所述集成集電板的雙極板包括集成集電板的上極板和下極板，所述集成集電板的上極板固定在上絕緣板中，集成集電板的下極板固定在下絕緣板中；所述導向燕尾槽板固定在固定外框上，壓臺嵌于導向燕尾槽板中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池測試夾具，其特征在于所述定位頭包括平面軸承、 軸用擋圈以及定位止動螺釘，所述平面軸承、定位止動螺釘設(shè)置在固定外框上，并通過軸用擋圈固定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池測試夾具，其特征在于所述上絕緣板包括上絕緣基板，所述上絕緣基板上設(shè)有絕緣板燕尾槽導向板，雙極板定位孔，以及絕緣板導向燕尾槽。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池測試夾具，其特征在于所述雙極板，其中間設(shè)有雙極板流場、密封槽，還設(shè)有與密封槽連通的進出孔道，并且設(shè)有溫度傳感器孔、加熱棒孔以及定位孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池測試夾具，其特征在于所述行走壓緊機構(gòu)依靠小螺距來控制壓力施加速度和大小，其壓力大小通過在集成集電板的下極板底部或者集成集電板的上極板上部安裝薄片式壓力傳感器來實現(xiàn)精密微調(diào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池測試夾具，其特征在于所述行走壓緊機構(gòu)或者為步進電機，步進電機由外電路控制，通過在集成集電板的下極板底部或者集成集電板的上極板上部安裝的薄片式壓力傳感器的數(shù)字信號反饋來保證步進電機的精確行走。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池測試夾具，其特征在于所述壓臺設(shè)有突出的燕尾槽滑塊，通過壓臺突出的燕尾槽滑塊和固定在固定外框的燕尾槽配合，實現(xiàn)壓臺的垂直升降。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池測試夾具，其特征在于所述集電板和雙極板預先通過螺紋預緊配合，集電板和雙極板之間進行增大有效接觸面積的方法來處理；所述集成集電板的上、下極板接觸電解質(zhì)膜或者單電池膜電極的表面，根據(jù)測試條件進行對應(yīng)的形狀設(shè)計。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或8所述的燃料電池測試夾具，其特征在于所述雙極板四周的定位孔采取絕緣和貫通處理，并在固定外框與雙極板四周定位孔對應(yīng)位置加裝螺桿，以加大膜電極的預緊力。
10.一種采用權(quán)利要求1所述的燃料電池測試夾具的裝配方法，其特征在于具體為第一步，將壓緊行走機構(gòu)定位頭和壓臺和絕緣板分別固定在固定外框上；第二步，固定壓臺與絕緣板，同時將導向燕尾槽板固定在固定外框上；第三步，固定膜導電率或單電池性能測試用雙極板與集電板；第四步，將集成集電板的上、下極板分別安放在上下絕緣板中并固定；第五步，將預先制備的膜電極或者電解質(zhì)膜夾持在上下極板中。
全文摘要
本發(fā)明公開一種燃料電池測試夾具及其裝配方法，所述裝置包括行走壓緊機構(gòu)、固定外框、上絕緣板、下絕緣板、集成集電板的雙極板和導向燕尾槽板，所述行走壓緊機構(gòu)包括壓臺和定位頭，行走壓緊機構(gòu)固定在固定外框上；所述上絕緣板固定在壓臺上，下絕緣板固定在固定外框上；所述集成集電板的雙極板，包括集成集電板的上極板和下極板，所述集成集電板的上極板固定在上絕緣板中，集成集電板的下極板固定在下絕緣板中；所述導向燕尾槽板固定在固定外框上，壓臺嵌于導向燕尾槽板中。本發(fā)明解決電解質(zhì)膜在導電率和單電池性能測試中的夾持問題，同時通過設(shè)計微調(diào)，使其成為通用型燃料電池電解質(zhì)膜的導電率和單電池性能測試夾具。
文檔編號G01R1/04GK102323454SQ20111022459
公開日2012年1月18日 申請日期2011年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月5日
發(fā)明者李海濱, 邸志剛 申請人:上海交通大學