一種兼具發電功能的燃料電池堆測試裝置的制作方法

專利名稱：一種兼具發電功能的燃料電池堆測試裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池，尤其涉及一種兼具發電功能的燃料電池堆測試裝置。
背景技術：
電化學燃料電池是一種能夠將氫及氧化劑轉化成電能及反應產物的裝置。該裝置的內部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細小分散的引發電化學反應的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導電物體將發生電化學發應過程中生成的電子，通過外電路引出，構成電流回路。
在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發生電化學反應，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移穿過質子交換膜，到達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散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發生電化學反應得到電子，形成負離子。在陰極端形成的陰離子與陽極端遷移過來的正離子發生反應，形成反應產物。
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)的質子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區的催化電化學反應就產生了氫正離子(或叫質子)。質子交換膜幫助氫正離子從陽極區遷移到陰極區。除此之外，質子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開來，使它們不會相互混合而產生爆發式反應。
在陰極區，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負離子，并與陽極區遷移過來的氫正離子反應，生成反應產物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質子交換膜燃料電池中，陽極反應與陰極反應可以用以下方程式表達
陽極反應陰極反應在典型的質子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導電的極板中間，每塊導流極板與膜電極接觸的表面通過壓鑄、沖壓或機械銑刻，形成至少一條以上的導流槽。這些導流極板可以上金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導流極板上的流體孔道與導流槽分別將燃料和氧化劑導入膜電極兩邊的陽極區與陰極區。在一個質子交換膜燃料電池單電池的構造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導流板與陰極氧化劑的導流板。這些導流板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機械支撐，導流板上的導流槽又作為燃料與氧化劑進入陽極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運行過程中生成的水的通道。
為了增大整個質子交換膜燃料電池的總功率，兩個或兩個以上的單電池通常可通過直疊的方式串聯成電池組或通過平鋪的方式聯成電池組。在直疊、串聯式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導流槽，其中一面可以作為一個膜電極的陽極導流面，而另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導流面，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。
一個典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導流進口和導流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或甲醇、天然氣、汽油經重整后得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進出口與導流通道，將冷卻流體均勻分布到各個電池組內冷卻通道中，將燃料電池內氫、氧電化學放熱反應生成的熱吸收并帶出電池組進行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應的導流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進出口都開在燃料電池組的一個端板上或兩個端板上。
質子交換膜燃料電池既可以用作車、船等運載工具的動力系統，又可以用作移動式或固定式發電站。
質子交換膜燃料電池一般由若干個單電池通過串聯或并聯的方式組裝在一起成為燃料電池堆。
如圖1是現有燃料電池單電池中的導流極板，它包括空氣進氣口1a，進水口2a，氫氣進氣口3a，流道4a，空氣出氣口5a，出水口6a，氫氣出氣口7a；如圖2是現有燃料電池單電池中的三合一膜電極，它包括空氣進氣口1a，進水口2a，電極活性區域8a，空氣出氣口5a，出水口6a，氫氣出氣口7a；如圖3是現有的燃料電池堆，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。
現有燃料電池堆一般由若干單電池(單電池由導流極板、三合一膜電極構成)，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，確保燃料電池堆安全、高效運行。
在燃料電池大規模生產時，必須首先實現可以對大量的單電池(單電池一般由導流極板、三合一膜電極構成)，正、負集流導電母板以及前、后端板的大規模裝配成為燃料電池堆，并且對燃料電池堆進行運行測試。主要是對初次裝配成功的燃料電池堆按產品設計技術指標進行運行測試，主要是在不同壓力、流量、溫度等運行參數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單電池或其它部件可能沒有達到產品設計的技術指標，所以必須將整個燃料電池堆重新拆卸下來，更換掉質量次的單電池或部件，重新裝配，直至通過運行測試要求為止。
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裝配非常不利，對實現大規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，必須達到整個燃料電池堆的前、后端板上每個區域受到基本一致及相同的緊固力，這種要求是非常困難的，實際操作往往會使整個燃料電池堆的前、后端板上某個區域受到的緊固力比較小，而某個區域受到的緊固力較大，而導致燃料電池極板上的某些區域受到壓緊力不夠，導致電極與導流極板接觸電阻太大，而某些區域受到壓緊力太大，導致極板變形或碎裂，或導致電極受傷。
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，燃料電池堆的前、后端板上受到的壓力大不一樣，嚴重時會導致極板或電極受傷。
每次這種燃料電池堆靠拉桿緊固裝配時都必須花大量時間，無法實現大規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模快速裝配與測試的裝配架”(發明專利申請號200410066321，實用新型專利申請號200420090002)，但該發明及實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行性能測試，測試時間短則一、二十小時，長則數十小時甚至幾天；由于現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生的電力無法輸送到需要電力的場合。傳統的做法是將燃料電池堆發出的電力點亮燈泡以消耗部分電力，這樣做法浪費非常嚴重，尤其是當燃料電池堆批量生產時，在電堆測試車間所發出的電力是大量的，如果還按傳統做法，其浪費的電力非常可惜。

發明內容
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種兼具發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出的電力提供給電網或用戶使用。
本發明的目的可以通過以下技術方案來實現一種兼具發電功能的燃料電池堆測試裝置，包括工作臺、燃料電池堆、定位導桿、壓力可調壓緊單元、數據采集與處理單元，所述的工作臺設有用于支承燃料電池堆和壓力可調壓緊單元的板式臺面，所述的燃料電池堆設在臺面的一端，該燃料電池堆包括單電池、集流母板、前后端板，所述的壓力可調壓緊單元設在臺面的另一端，該壓力可調壓緊單元設有頂桿，該頂桿推動燃料電池堆的后端板沿軸向向前端板方向做壓緊動作，所述的定位導桿設有至少兩根，該定位導桿沿軸向垂直穿設于燃料電池堆的前后端板上，所述的數據采集與處理單元外設，該單元采集燃料電池堆的各種數據后進行記錄與處理；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出的電力輸送給公共電網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構，所述的固定拉桿沿軸向穿設于氣缸固定前、后端板的四個角部并予以固定，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，所述的頂桿推動燃料電池堆后端板沿軸向向前端板方向做壓緊動作。
所述的壓力可調壓緊裝置采用液壓千斤頂代替活塞式氣缸。
所述的定位導桿設有四根，分別設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桿。
所述的燃料電池堆的前端板上集中設置空氣進出口、氫氣進出口以及冷卻流體進出口。
與現有技術相比，本發明具有以下特點1.可以準確無誤地將前、后端板、正負集流導電母板及數個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桿組成，可以讓上述所有部件自動對齊。
2.裝配架后端有一自動、壓力可調的壓緊裝置，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.按上述預設壓力要求壓緊后，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，并用手擰上緊固螺帽，當松開上述壓緊裝置時，也就是說壓緊裝置去掉對燃料電池堆的壓力時，拉桿與緊固螺帽繼續對前、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，并按預設壓力壓緊后，也可以暫時不穿上拉桿與緊固螺帽，直接進行燃料電池堆的運行測試。如發現有質量問題的單電池或部件，可以立即解除壓緊裝置中的壓力，并且進行快速更換，隨后又重新施加壓緊裝置上的壓力，并繼續進行運行測試，直至整個燃料電池堆運行性能達到產品技術指標要求。
5.本發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出的電力輸送給公共電網或者直接提供給用戶使用，從而大大節約了能源。


圖1為現有燃料電池堆導流極板的結構示意圖；圖2為現有燃料電池堆膜電極的結構示意圖；圖3為現有燃料電池堆的結構示意圖；圖4為本發明的結構示意圖。
具體實施例方式
實施例1如圖4所示，一種兼具發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、定位導桿3、壓力可調壓緊單元2、數據采集與處理單元5、電力輸出單元6，所述的工作臺1設有用于支承燃料電池堆和壓力可調壓緊單元的板式臺面11，所述的燃料電池堆4設在臺面11的一端，該燃料電池堆4由120個單電池以串聯方式疊加成堆，每個單電池由一塊雙極板與一張電極組成，雙極板(內置冷卻流體夾層)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，所述的壓力可調壓緊單元2設在臺面11的另一端，該壓力可調壓緊單元設有頂桿21，該頂桿21推動燃料電池堆的后端板42沿軸向向前端板41方向做壓緊動作，所述的定位導桿3設有四根，該定位導桿3沿軸向垂直穿設于燃料電池堆的前后端板41、42上，所述的數據采集與處理單元5外設，該單元采集燃料電池堆的各種數據后進行記錄與處理，所述的電力輸出單元6將燃料電池堆在測試過程中發出的電力輸送給公共電網或者直接提供給用戶使用。
所述的壓力可調壓緊裝置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構，所述的固定拉桿23沿軸向穿設于氣缸固定前、后端板221、222的四個角部并予以固定，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推動燃料電池堆4后端板42沿軸向向前端板41方向做壓緊動作。
所述的燃料電池堆4的前端板41上集中設有氫氣進出口411、411’，空氣進出口412、412’以及冷卻水進出口413、413’。
本實施例中，燃料電池堆4由前端板、正極導電集流母板、120個單電池、負極導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桿，底部二根定位導桿(圖未示)，左、右二根定位導桿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，有利于當燃料電池堆受到壓緊裝置壓力而緊縮時可以滑動；左、右二根定位導桿3距離比206mm稍寬0.05～0.20mm，有利于各個單電池裝配整齊。
壓緊裝置采用一個活塞式氣缸2，當氣缸22中充入空氣或氮氣六個大氣壓時，活塞向燃料電池堆后端板移動，活塞頂桿21將后端板42壓緊。此時，將燃料電池堆4前端板41上的三種流體進、出口用管子引出，直接進行燃料電池堆運行測試。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所需要的220V、50Hz的交流電。
實施例2本實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。其余結構與實施例1相同。
權利要求
1.一種兼具發電功能的燃料電池堆測試裝置，包括工作臺、燃料電池堆、定位導桿、壓力可調壓緊單元、數據采集與處理單元，所述的工作臺設有用于支承燃料電池堆和壓力可調壓緊單元的板式臺面，所述的燃料電池堆設在臺面的一端，該燃料電池堆包括單電池、集流母板、前后端板，所述的壓力可調壓緊單元設在臺面的另一端，該壓力可調壓緊單元設有頂桿，該頂桿推動燃料電池堆的后端板沿軸向向前端板方向做壓緊動作，所述的定位導桿設有至少兩根，該定位導桿沿軸向垂直穿設于燃料電池堆的前后端板上，所述的數據采集與處理單元外設，該單元采集燃料電池堆的各種數據后進行記錄與處理；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出的電力輸送給公共電網或者直接提供給用戶使用。
2.根據權利要求1所述的一種兼具發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.根據權利要求1所述的一種兼具發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構，所述的固定拉桿沿軸向穿設于氣缸固定前、后端板的四個角部并予以固定，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，所述的頂桿推動燃料電池堆后端板沿軸向向前端板方向做壓緊動作。
4.根據權利要求3所述的一種兼具發電功能的燃料電池堆測試裝置，其特征在于，所述的壓力可調壓緊裝置采用液壓千斤頂代替活塞式氣缸。
5.根據權利要求1所述的一種兼具發電功能的燃料電池堆測試裝置，其特征在于，所述的定位導桿設有四根，分別設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桿。
6.如權利要求1所述的一種兼具發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置空氣進出口、氫氣進出口以及冷卻流體進出口。
全文摘要
本發明涉及一種兼具發電功能的燃料電池堆測試裝置，包括工作臺、燃料電池堆、定位導桿、壓力可調壓緊單元、數據采集與處理單元、電力輸出單元，所述的工作臺設有用于支承燃料電池堆和壓力可調壓緊單元的板式臺面，所述的燃料電池堆設在臺面的一端，所述的壓力可調壓緊單元設在臺面的另一端，所述的定位導桿設有至少兩根，所述的數據采集與處理單元采集燃料電池堆的各種數據后進行記錄與處理，所述的電力輸出單元將燃料電池堆在測試過程中發出的電力輸送給公共電網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 優先權日2005年5月20日
發明者胡里清, 夏建偉, 付明竹, 章波 申請人:上海神力科技有限公司