幹氫測試條件下的質子交換膜燃料電池單電池測試裝置的製作方法

2023-10-26 06:24:07 2

本發明涉及質子交換膜燃料電池的測試裝置，具體地，涉及幹氫測試條件下的質子交換膜燃料電池單電池測試裝置。

背景技術：

燃料電池的測試裝置是評價燃料電池的重要部件之一，作為對評價電池優劣的必要設備，其合理的設計會使電池測試時表現出更好的性能。近年來為了降低成本和推進質子交換膜燃料電池的商業化，通常需要使用乾燥的氫氣作為陽極燃料。

質子交換膜燃料電池工作時在陰極側產生大量的水，在乾燥氫氣條件下，這些水會通過質子膜反滲透到乾燥的陽極側。在氣流作用下，陰極處會有局部水淹或過於乾燥，這會降低電池陰極側催化反應效率；另外也會導致滲透至陽極側的水分布不均勻，從而影響陽極側膜的潤溼，增加了電池的內阻，降低了電池的輸出功率。因此通過對測試裝置的合理設計，調節測試條件，充分利用陰極側產生的水，使電池內部的水氣環境合理均勻地分布，就能夠提高電池性能。

技術實現要素：

針對現有技術中的缺陷，本發明的目的在於克服質子交換膜燃料電池幹氫測試時性能下降的缺陷，提供一種優化設計的質子交換膜燃料電池測試裝置；其具有坡度結構設計的流道，保證了陰極側水氣的相對均勻分布，使陰極側流道前端和後端的水均勻地反滲透至陽極側，測試時電池膜電極的電流分布更為均勻，電池性能有所提升。

根據本發明提供的一種幹氫測試條件下的質子交換膜燃料電池單電池測試裝置，包括兩個測試裝置單件，分別記為陽極單件、陰極單件；

測試裝置單件包括依次連通的進氣口、流道區域、出氣口；流道區域所在平面是相對於水平面的坡面；

陽極單件緊固連接在陰極單件的上方，且陽極單件的流道區域與陰極單件的流道區域之間相對設置形成膜電極容納空間；

在陽極單件中，進氣口高於出氣口；

在陰極單件中，進氣口低於出氣口。

優選地，流道區域包括直行排布的多個槽道；測試裝置單件包括多個圓形定位孔，陽極單件、陰極單件之間位置對應的圓形定位孔之間通過螺杆連接。

優選地，測試裝置單件高為22.2至63.6mm，寬為65至90mm，長為65至89mm。

優選地，流道區域所在平面與水平面之間構成的夾角為10至50°。

優選地，流道區域呈正方形且邊長為7mm，流道區域中槽道的槽寬為0.7至1.3mm，槽道之間的脊寬為0.7至1.3mm；流道區域兩端分別連接的氣體進口分散槽、氣體出口分散槽的寬為0.8至1mm。

優選地，進氣口、出氣口為圓形。

與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：

1、本發明所設計的測試裝置採用坡度設計，電池測試時內部產生的水順坡度向下匯集，匯集於陰極入口處的水加溼進入氣體，部分被氣流帶至電池的上端反應區域。

2、本發明通過調節氣體流速達到控制電池內部整體溼度相對一致的目的，避免出現電池內部入口區域過幹而出口區域過溼的現象。

3、本發明在有效改善了陰極側乾濕度的同時也保證了水能夠從電池陰極側相對均勻地反透過質子交換膜進入陽極側，提高幹氫測試時電池的性能。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯：

圖1為測試裝置單件的主視圖；

圖2為測試裝置單件的左視圖；

圖3為測試裝置單件的俯視圖；

圖4為幹氫測試條件下的質子交換膜燃料電池單電池測試裝置整體的主視圖；

圖5為幹氫測試條件下的質子交換膜燃料電池單電池測試裝置整體的左視圖；

圖6為實施例1至3中幹氫電池與實施例4溼氫電池的性能比較圖。

圖中：

1-膜電極

2-陽極單件

3-陰極單件

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助於本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變化和改進。這些都屬於本發明的保護範圍。

本實施例針對幹氫測試條件下的質子交換膜燃料電池，對氣體流速、陰極側空氣溼度進行控制，從而提高電池內部陰極側水分布的均勻性，增強陰極側水反滲透至陽極側的能力，以期實現電池性能的提升。

具體地，所述幹氫測試條件下的質子交換膜燃料電池單電池測試裝置，包括兩個測試裝置單件，分別記為陽極單件、陰極單件；測試裝置單件包括依次連通的進氣口、流道區域、出氣口；流道區域所在平面是相對於水平面的坡面；陽極單件緊固連接在陰極單件的上方，且陽極單件的流道區域與陰極單件的流道區域之間相對設置形成膜電極容納空間；在陽極單件中，進氣口高於出氣口；在陰極單件中，進氣口低於出氣口。

流道區域包括直行排布的多個槽道；測試裝置單件包括多個圓形定位孔，陽極單件、陰極單件之間位置對應的圓形定位孔之間通過螺杆連接。測試裝置單件高為22.2至63.6mm，寬為65至90mm，長為65至89mm。流道區域所在平面與水平面之間構成的夾角為10至50°。流道區域呈正方形且邊長為7mm，流道區域中槽道的槽寬為0.7至1.3mm，槽道之間的脊寬為0.7至1.3mm；流道區域兩端分別連接的氣體進口分散槽、氣體出口分散槽的寬為0.8至1mm。進氣口、出氣口為圓形，位於中軸線上下處。

本發明所設計的測試裝置採用坡度設計，兩個測試裝置單件使用螺杆組裝後可以進行燃料電池的測試，陰極氣體從裝置的下端模塊低處進氣口進入，上端出氣口排出；陽極氣體從裝置的上端模塊高處進氣口進入，下端出氣口排出。電池測試時內部產生的水順坡向下匯集，進入陰極的氣體可以自加溼，還可以帶部分水至電池的上端反應區域。通過調節氣體流速達到控制電池內部整體溼度相對一致，防止電池內部局部區域過幹或過溼。有效改善了陰極側乾濕度的同時也保證了水能夠從電池陰極側相對均勻地透過質子交換膜反滲透至陽極側，提高幹氫測試時電池的性能。

實施例1

採用流道區域所在平面與水平面構成10°夾角的測試裝置單件組裝成電池進行測試，使用內六角螺杆組裝固定，扭矩4N·m，保證密閉不漏氣。基本測試條件如下：電池反應區域面積49cm2，電池溫度80℃，氫氣計量比為2.0且不加溼，空氣計量比為2.0且溼度為100％，不施加任何背壓。所測得的電流電壓曲線如圖6中實施例1所示。

實施例2

本實施例的電池裝配和測試條件同實施例1，所不同之處在於：

採用流道區域所在平面與水平面構成15°夾角的測試裝置單件進行組裝，所測得的電流電壓曲線如圖6中實施例2所示。

實施例3

本實施例的電池裝配和測試條件同實施例1和實施例2，所不同之處在於：

採用流道區域所在平面與水平面構成20°夾角的測試裝置單件進行組裝，所測得的電流電壓曲線如圖6中實施例3所示。

實施例4

本實施例採用與實施例1相同的測試裝置單件進行電池裝配，所不同之處在於：

在其他測試條件不變的條件下，氫氣計量比為2.0且溼度為100％，所測得的電流電壓曲線如圖6中實施例4所示。

各實施例的測試結果如圖6所示，可以看出在較高的電流密度時利用本發明所述的裝置進行測試，在較高電流密度以1200mA cm-2時為例，實施例3比實施例4的電池電壓提高了4％。在較低電流密度時，以300、200、100mA cm-2時為例，實施例1的電池電壓僅僅比實施例4小了0.3％、0.9％、0.6％，幾乎相同。通過比較發現利用本發明所述的裝置進行幹氫條件下的電池測試，能夠使得幹氫條件下電池的性能與外加溼氫氣電池性能保持一致，高電流密度時電池性能甚至更好。說明本發明利於提升幹氫質子交換膜燃料電池的性能。

以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變化或修改，這並不影響本發明的實質內容。在不衝突的情況下，本申請的實施例和實施例中的特徵可以任意相互組合。