專利名稱：一種兼具發(fā)電功能的燃料電池堆測試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，尤其涉及一種兼具發(fā)電功能的燃料電池堆測試裝置。
背景技術(shù)：
電化學(xué)燃料電池是一種能夠?qū)浼把趸瘎┺D(zhuǎn)化成電能及反應(yīng)產(chǎn)物的裝置。該裝置的內(nèi)部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質(zhì)子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導(dǎo)電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細(xì)小分散的引發(fā)電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導(dǎo)電物體將發(fā)生電化學(xué)發(fā)應(yīng)過程中生成的電子，通過外電路引出，構(gòu)成電流回路。
在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移穿過質(zhì)子交換膜，到達(dá)膜電極的另一端陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化劑(如氧氣)的氣體，如空氣，通過滲透穿過多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)得到電子，形成負(fù)離子。在陰極端形成的陰離子與陽極端遷移過來的正離子發(fā)生反應(yīng)，形成反應(yīng)產(chǎn)物。
在采用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區(qū)的催化電化學(xué)反應(yīng)就產(chǎn)生了氫正離子(或叫質(zhì)子)。質(zhì)子交換膜幫助氫正離子從陽極區(qū)遷移到陰極區(qū)。除此之外，質(zhì)子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開來，使它們不會(huì)相互混合而產(chǎn)生爆發(fā)式反應(yīng)。
在陰極區(qū)，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負(fù)離子，并與陽極區(qū)遷移過來的氫正離子反應(yīng)，生成反應(yīng)產(chǎn)物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，陽極反應(yīng)與陰極反應(yīng)可以用以下方程式表達(dá)
陽極反應(yīng)陰極反應(yīng)在典型的質(zhì)子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導(dǎo)電的極板中間，每塊導(dǎo)流極板與膜電極接觸的表面通過壓鑄、沖壓或機(jī)械銑刻，形成至少一條以上的導(dǎo)流槽。這些導(dǎo)流極板可以上金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導(dǎo)流極板上的流體孔道與導(dǎo)流槽分別將燃料和氧化劑導(dǎo)入膜電極兩邊的陽極區(qū)與陰極區(qū)。在一個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu)造中，只存在一個(gè)膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導(dǎo)流板與陰極氧化劑的導(dǎo)流板。這些導(dǎo)流板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機(jī)械支撐，導(dǎo)流板上的導(dǎo)流槽又作為燃料與氧化劑進(jìn)入陽極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運(yùn)行過程中生成的水的通道。
為了增大整個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池的總功率，兩個(gè)或兩個(gè)以上的單電池通?？赏ㄟ^直疊的方式串聯(lián)成電池組或通過平鋪的方式聯(lián)成電池組。在直疊、串聯(lián)式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導(dǎo)流槽，其中一面可以作為一個(gè)膜電極的陽極導(dǎo)流面，而另一面又可作為另一個(gè)相鄰膜電極的陰極導(dǎo)流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過一定方式連在一起而組成一個(gè)電池組。電池組通常通過前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。
一個(gè)典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導(dǎo)流進(jìn)口和導(dǎo)流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或甲醇、天然氣、汽油經(jīng)重整后得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個(gè)陽極、陰極面的導(dǎo)流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進(jìn)出口與導(dǎo)流通道，將冷卻流體均勻分布到各個(gè)電池組內(nèi)冷卻通道中，將燃料電池內(nèi)氫、氧電化學(xué)放熱反應(yīng)生成的熱吸收并帶出電池組進(jìn)行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應(yīng)的導(dǎo)流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時(shí)，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態(tài)的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進(jìn)出口都開在燃料電池組的一個(gè)端板上或兩個(gè)端板上。
質(zhì)子交換膜燃料電池既可以用作車、船等運(yùn)載工具的動(dòng)力系統(tǒng)，又可以用作移動(dòng)式或固定式發(fā)電站。
質(zhì)子交換膜燃料電池一般由若干個(gè)單電池通過串聯(lián)或并聯(lián)的方式組裝在一起成為燃料電池堆。
如圖1是現(xiàn)有燃料電池單電池中的導(dǎo)流極板，它包括空氣進(jìn)氣口1a，進(jìn)水口2a，氫氣進(jìn)氣口3a，流道4a，空氣出氣口5a，出水口6a，氫氣出氣口7a；如圖2是現(xiàn)有燃料電池單電池中的三合一膜電極，它包括空氣進(jìn)氣口1a，進(jìn)水口2a，電極活性區(qū)域8a，空氣出氣口5a，出水口6a，氫氣出氣口7a；如圖3是現(xiàn)有的燃料電池堆，它包括燃料電池堆9a，集流母板10a、10b，端板11a、11b，金屬拉桿12a，螺帽13a。
現(xiàn)有燃料電池堆一般由若干單電池(單電池由導(dǎo)流極板、三合一膜電極構(gòu)成)，集流母板，前、后端板組裝而成，前、后端板上有許多條拉桿，一般用緊固件使拉桿將前、后端板壓緊成為一個(gè)燃料電池堆；緊固件拉桿加螺絲的方法是通常的緊固方法。
燃料電池堆必須用緊固件將前、后端板充分壓緊，但又必須均勻地壓緊到某一合適的壓力范圍內(nèi)，確保燃料電池堆安全、高效運(yùn)行。
在燃料電池大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，必須首先實(shí)現(xiàn)可以對大量的單電池(單電池一般由導(dǎo)流極板、三合一膜電極構(gòu)成)，正、負(fù)集流導(dǎo)電母板以及前、后端板的大規(guī)模裝配成為燃料電池堆，并且對燃料電池堆進(jìn)行運(yùn)行測試。主要是對初次裝配成功的燃料電池堆按產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行運(yùn)行測試，主要是在不同壓力、流量、溫度等運(yùn)行參數(shù)下檢測燃料電池堆輸出的電流、電壓，甚至是燃料電池堆中的每個(gè)單電池的工作電壓。
一般來說，在初次裝配成功的燃料電池堆組成的每個(gè)單電池或其它部件可能沒有達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)，所以必須將整個(gè)燃料電池堆重新拆卸下來，更換掉質(zhì)量次的單電池或部件，重新裝配，直至通過運(yùn)行測試要求為止。
目前，這種通常的用拉桿加緊固件的緊固裝配的燃料電池堆對反復(fù)裝配非常不利，對實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的燃料電池堆裝配與測試帶來巨大障礙。
1.對燃料電池堆拉桿緊固裝配要求特別高，必須達(dá)到整個(gè)燃料電池堆的前、后端板上每個(gè)區(qū)域受到基本一致及相同的緊固力，這種要求是非常困難的，實(shí)際操作往往會(huì)使整個(gè)燃料電池堆的前、后端板上某個(gè)區(qū)域受到的緊固力比較小，而某個(gè)區(qū)域受到的緊固力較大，而導(dǎo)致燃料電池極板上的某些區(qū)域受到壓緊力不夠，導(dǎo)致電極與導(dǎo)流極板接觸電阻太大，而某些區(qū)域受到壓緊力太大，導(dǎo)致極板變形或碎裂，或?qū)е码姌O受傷。
2.這種燃料電池堆靠拉桿緊固裝配在燃料電池受熱膨脹或冷縮時(shí)，燃料電池堆的前、后端板上受到的壓力大不一樣，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致極板或電極受傷。
每次這種燃料電池堆靠拉桿緊固裝配時(shí)都必須花大量時(shí)間，無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模地快速裝配與測試。
為了克服上述缺陷，上海神力科技有限公司申請了專利“一種適合燃料電池大規(guī)?？焖傺b配與測試的裝配架”(發(fā)明專利申請?zhí)?00410066321，實(shí)用新型專利申請?zhí)?00420090002)，但該發(fā)明及實(shí)用新型專利申請仍存在以下不足之處一般情況下，燃料電池堆組裝后要進(jìn)行性能測試，測試時(shí)間短則一、二十小時(shí)，長則數(shù)十小時(shí)甚至幾天；由于現(xiàn)有的電堆測試裝置不包括電力輸出單元，因此，在燃料電池堆測試過程中所產(chǎn)生的電力無法輸送到需要電力的場合。傳統(tǒng)的做法是將燃料電池堆發(fā)出的電力點(diǎn)亮燈泡以消耗部分電力，這樣做法浪費(fèi)非常嚴(yán)重，尤其是當(dāng)燃料電池堆批量生產(chǎn)時(shí)，在電堆測試車間所發(fā)出的電力是大量的，如果還按傳統(tǒng)做法，其浪費(fèi)的電力非?？上А?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種兼具發(fā)電功能的燃料電池堆測試裝置，該測試裝置可將電堆測試過程中所發(fā)出的電力提供給電網(wǎng)或用戶使用。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)一種兼具發(fā)電功能的燃料電池堆測試裝置，包括工作臺、燃料電池堆、定位導(dǎo)桿、壓力可調(diào)壓緊單元、數(shù)據(jù)采集與處理單元，所述的工作臺設(shè)有用于支承燃料電池堆和壓力可調(diào)壓緊單元的板式臺面，所述的燃料電池堆設(shè)在臺面的一端，該燃料電池堆包括單電池、集流母板、前后端板，所述的壓力可調(diào)壓緊單元設(shè)在臺面的另一端，該壓力可調(diào)壓緊單元設(shè)有頂桿，該頂桿推動(dòng)燃料電池堆的后端板沿軸向向前端板方向做壓緊動(dòng)作，所述的定位導(dǎo)桿設(shè)有至少兩根，該定位導(dǎo)桿沿軸向垂直穿設(shè)于燃料電池堆的前后端板上，所述的數(shù)據(jù)采集與處理單元外設(shè)，該單元采集燃料電池堆的各種數(shù)據(jù)后進(jìn)行記錄與處理；其特征在于，還包括電力輸出單元，該電力輸出單元將燃料電池堆在測試過程中發(fā)出的電力輸送給公共電網(wǎng)或者直接提供給用戶使用。
所述的電力輸出單元包括直流-直流變換器，和/或直流-交流變換器，和/或變頻器，該電力輸出單元將燃料電池堆所輸出的直流電變換成用戶所需要的特定的電流電壓或頻率范圍的直流或交流電。
所述的壓力可調(diào)壓緊裝置包括活塞式氣缸、氣缸固定前端板、氣缸固定后端板、頂桿、固定拉桿、連接套筒，所述的頂桿為與汽缸活塞連接的頂出機(jī)構(gòu)，所述的固定拉桿沿軸向穿設(shè)于氣缸固定前、后端板的四個(gè)角部并予以固定，所述的連接套筒將固定拉桿與燃料電池堆的金屬拉桿套接，所述的頂桿推動(dòng)燃料電池堆后端板沿軸向向前端板方向做壓緊動(dòng)作。
所述的壓力可調(diào)壓緊裝置采用液壓千斤頂代替活塞式氣缸。
所述的定位導(dǎo)桿設(shè)有四根，分別設(shè)在需裝配與測試的燃料電池堆前后端板的左右與底部，其中，左右兩根為定位導(dǎo)桿，底部兩根為除了定位之外，還具有支撐燃料電池堆作用的表面光滑的導(dǎo)桿。
所述的燃料電池堆的前端板上集中設(shè)置空氣進(jìn)出口、氫氣進(jìn)出口以及冷卻流體進(jìn)出口。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下特點(diǎn)1.可以準(zhǔn)確無誤地將前、后端板、正負(fù)集流導(dǎo)電母板及數(shù)個(gè)單電池等部件按次序裝入裝配架；裝配架上有精確度很高的二根以上的導(dǎo)桿組成，可以讓上述所有部件自動(dòng)對齊。
2.裝配架后端有一自動(dòng)、壓力可調(diào)的壓緊裝置，可以由采用一種液壓千斤頂式的壓緊裝置或充氣氣壓活塞式氣缸壓緊裝置；3.按上述預(yù)設(shè)壓力要求壓緊后，壓緊壓力一般在單電池每平方厘米受力2～10公斤左右，可以將上述燃料電池堆前、后端板穿上拉桿，并用手?jǐn)Q上緊固螺帽，當(dāng)松開上述壓緊裝置時(shí)，也就是說壓緊裝置去掉對燃料電池堆的壓力時(shí)，拉桿與緊固螺帽繼續(xù)對前、后端板壓緊，所施壓力與上述壓緊裝置相同。
4.燃料電池堆在上述裝配架上，并按預(yù)設(shè)壓力壓緊后，也可以暫時(shí)不穿上拉桿與緊固螺帽，直接進(jìn)行燃料電池堆的運(yùn)行測試。如發(fā)現(xiàn)有質(zhì)量問題的單電池或部件，可以立即解除壓緊裝置中的壓力，并且進(jìn)行快速更換，隨后又重新施加壓緊裝置上的壓力，并繼續(xù)進(jìn)行運(yùn)行測試，直至整個(gè)燃料電池堆運(yùn)行性能達(dá)到產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)要求。
5.本發(fā)明還包括電力輸出單元，該電力輸出單元將燃料電池堆在測試過程中發(fā)出的電力輸送給公共電網(wǎng)或者直接提供給用戶使用，從而大大節(jié)約了能源。


圖1為現(xiàn)有燃料電池堆導(dǎo)流極板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為現(xiàn)有燃料電池堆膜電極的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為現(xiàn)有燃料電池堆的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1如圖4所示，一種兼具發(fā)電功能的燃料電池堆測試裝置，包括工作臺1、燃料電池堆4、定位導(dǎo)桿3、壓力可調(diào)壓緊單元2、數(shù)據(jù)采集與處理單元5、電力輸出單元6，所述的工作臺1設(shè)有用于支承燃料電池堆和壓力可調(diào)壓緊單元的板式臺面11，所述的燃料電池堆4設(shè)在臺面11的一端，該燃料電池堆4由120個(gè)單電池以串聯(lián)方式疊加成堆，每個(gè)單電池由一塊雙極板與一張電極組成，雙極板(內(nèi)置冷卻流體夾層)尺寸是206×206×1.5mm，該燃料電池堆4還包括集流母板、前后端板41、42，所述的壓力可調(diào)壓緊單元2設(shè)在臺面11的另一端，該壓力可調(diào)壓緊單元設(shè)有頂桿21，該頂桿21推動(dòng)燃料電池堆的后端板42沿軸向向前端板41方向做壓緊動(dòng)作，所述的定位導(dǎo)桿3設(shè)有四根，該定位導(dǎo)桿3沿軸向垂直穿設(shè)于燃料電池堆的前后端板41、42上，所述的數(shù)據(jù)采集與處理單元5外設(shè)，該單元采集燃料電池堆的各種數(shù)據(jù)后進(jìn)行記錄與處理，所述的電力輸出單元6將燃料電池堆在測試過程中發(fā)出的電力輸送給公共電網(wǎng)或者直接提供給用戶使用。
所述的壓力可調(diào)壓緊裝置2包括活塞式氣缸22、氣缸固定前端板221、氣缸固定后端板222、頂桿21、固定拉桿23、連接套筒24，所述的頂桿21為與汽缸活塞連接的頂出機(jī)構(gòu)，所述的固定拉桿23沿軸向穿設(shè)于氣缸固定前、后端板221、222的四個(gè)角部并予以固定，所述的連接套筒24將固定拉桿23與燃料電池堆4的金屬拉桿43套接，所述的頂桿21推動(dòng)燃料電池堆4后端板42沿軸向向前端板41方向做壓緊動(dòng)作。
所述的燃料電池堆4的前端板41上集中設(shè)有氫氣進(jìn)出口411、411’，空氣進(jìn)出口412、412’以及冷卻水進(jìn)出口413、413’。
本實(shí)施例中，燃料電池堆4由前端板、正極導(dǎo)電集流母板、120個(gè)單電池、負(fù)極導(dǎo)電集流母板以及后端板組成。單電池高206mm，寬206mm。裝配架上有四根定位導(dǎo)桿，底部二根定位導(dǎo)桿(圖未示)，左、右二根定位導(dǎo)桿3。其中底部二根供支撐燃料電池堆之用，表面做得非常光滑，有利于當(dāng)燃料電池堆受到壓緊裝置壓力而緊縮時(shí)可以滑動(dòng)；左、右二根定位導(dǎo)桿3距離比206mm稍寬0.05～0.20mm，有利于各個(gè)單電池裝配整齊。
壓緊裝置采用一個(gè)活塞式氣缸2，當(dāng)氣缸22中充入空氣或氮?dú)饬鶄€(gè)大氣壓時(shí)，活塞向燃料電池堆后端板移動(dòng)，活塞頂桿21將后端板42壓緊。此時(shí)，將燃料電池堆4前端板41上的三種流體進(jìn)、出口用管子引出，直接進(jìn)行燃料電池堆運(yùn)行測試。燃料電池堆輸出電壓為120V～50V，輸出電流為0～400A，輸出功率為0～20千瓦。
本實(shí)施例的電力輸出單元6包括直流-交流變換器(輸入直流電壓范圍是120V～50V)、變頻器，該電力輸出單元將燃料電池堆所輸出的120V～50V之間的直流電變換成電網(wǎng)所需要的220V、50Hz的交流電。
實(shí)施例2本實(shí)施例的電力輸出單元6包括直流-直流變換器，該電力輸出單元將燃料電池堆所輸出的直流電變換成用戶直流水泵所需要的特定電流電壓范圍(120V～50V)的直流電。其余結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同。
權(quán)利要求
1.一種兼具發(fā)電功能的燃料電池堆測試裝置，包括工作臺、燃料電池堆、定位導(dǎo)桿、壓力可調(diào)壓緊單元、數(shù)據(jù)采集與處理單元，所述的工作臺設(shè)有用于支承燃料電池堆和壓力可調(diào)壓緊單元的板式臺面，所述的燃料電池堆設(shè)在臺面的一端，該燃料電池堆包括單電池、集流母板、前后端板，所述的壓力可調(diào)壓緊單元設(shè)在臺面的另一端，該壓力可調(diào)壓緊單元設(shè)有頂桿，該頂桿推動(dòng)燃料電池堆的后端板沿軸向向前端板方向做壓緊動(dòng)作，所述的定位導(dǎo)桿設(shè)有至少兩根，該定位導(dǎo)桿沿軸向垂直穿設(shè)于燃料電池堆的前后端板上，所述的數(shù)據(jù)采集與處理單元外設(shè)，該單元采集燃料電池堆的各種數(shù)據(jù)后進(jìn)行記錄與處理；其特征在于，還包括電力輸出單元，該電力輸出單元將燃料電池堆在測試過程中發(fā)出的電力輸送給公共電網(wǎng)或者直接提供給用戶使用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兼具發(fā)電功能的燃料電池堆測試裝置，其特征在于，所述的電力輸出單元包括直流-直流變換器，和/或直流-交流變換器，和/或變頻器，該電力輸出單元將燃料電池堆所輸出的直流電變換成用戶所需要的特定的電流電壓或頻率范圍的直流或交流電。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兼具發(fā)電功能的燃料電池堆測試裝置，其特征在于，所述的壓力可調(diào)壓緊裝置包括活塞式氣缸、氣缸固定前端板、氣缸固定后端板、頂桿、固定拉桿、連接套筒，所述的頂桿為與汽缸活塞連接的頂出機(jī)構(gòu)，所述的固定拉桿沿軸向穿設(shè)于氣缸固定前、后端板的四個(gè)角部并予以固定，所述的連接套筒將固定拉桿與燃料電池堆的金屬拉桿套接，所述的頂桿推動(dòng)燃料電池堆后端板沿軸向向前端板方向做壓緊動(dòng)作。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種兼具發(fā)電功能的燃料電池堆測試裝置，其特征在于，所述的壓力可調(diào)壓緊裝置采用液壓千斤頂代替活塞式氣缸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兼具發(fā)電功能的燃料電池堆測試裝置，其特征在于，所述的定位導(dǎo)桿設(shè)有四根，分別設(shè)在需裝配與測試的燃料電池堆前后端板的左右與底部，其中，左右兩根為定位導(dǎo)桿，底部兩根為除了定位之外，還具有支撐燃料電池堆作用的表面光滑的導(dǎo)桿。
6.如權(quán)利要求1所述的一種兼具發(fā)電功能的燃料電池堆測試裝置，其特征在于，所述的燃料電池堆的前端板上集中設(shè)置空氣進(jìn)出口、氫氣進(jìn)出口以及冷卻流體進(jìn)出口。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種兼具發(fā)電功能的燃料電池堆測試裝置，包括工作臺、燃料電池堆、定位導(dǎo)桿、壓力可調(diào)壓緊單元、數(shù)據(jù)采集與處理單元、電力輸出單元，所述的工作臺設(shè)有用于支承燃料電池堆和壓力可調(diào)壓緊單元的板式臺面，所述的燃料電池堆設(shè)在臺面的一端，所述的壓力可調(diào)壓緊單元設(shè)在臺面的另一端，所述的定位導(dǎo)桿設(shè)有至少兩根，所述的數(shù)據(jù)采集與處理單元采集燃料電池堆的各種數(shù)據(jù)后進(jìn)行記錄與處理，所述的電力輸出單元將燃料電池堆在測試過程中發(fā)出的電力輸送給公共電網(wǎng)或者直接提供給用戶使用。
文檔編號G01R31/36GK1866599SQ20051002600
公開日2006年11月22日 申請日期2005年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月20日
發(fā)明者胡里清, 夏建偉, 付明竹, 章波 申請人:上海神力科技有限公司