一种燃料电池可视化测试装置

1.本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池可视化测试装置。


背景技术：

2.燃料电池是一种可以将储存在燃料和氧化剂内的化学能直接转化为电能的能源转换装置，具有能量转换效率高、产物无污染、使用寿命长等优点，可广泛地应用于交通、固定电站、可移动电源等多种领域。但目前，燃料电池仍存在成本高、寿命短等问题，严重阻碍了燃料电池的大规模商业化推广。在关于燃料电池众多研究中，水管理作为质子交换膜燃料电池的关键技术，通过优化水管理可以提升电池性能，相当于降低电池成本，同时还可以减缓关键部件如碳载体的衰减，提高电池的寿命。因此水管理的好坏对电池性能的提高与寿命的延长发挥着重要作用。可视化燃料电池装置作为一种低成本，操作简单，高效快捷的研究水管理问题的手段，可直接对燃料电池流道中及膜电极表面的水分布及流动情况进行实时观测，这对优化燃料电池水管理过程和开发关键电池组件结构，进一步提高燃料电池的性能具有非常重要的意义。申请号为：202120612938.4，实用新型名称为可视化燃料电池装置的中国专利中公开了一种可视化燃料电池装置：使用镂空流道直接与透明平板端板结合从而实现燃料电池流道的可视化，并通过高速摄像机实现图像采集，但是这种装置由于镂空流道会产生形变，当其直接与透明平板端板接触会使得水在不同流道中发生互窜流动，且随着燃料电池活性面积的增加会进一步加剧这一问题，严重影响流道中水分布的真实情况。申请号为：201910740781.0，发明名称为可视化燃料电池装置的中国专利中公开的技术方案也存在上述同样的问题。而为了满足商业化的需求，通常会使用较大活性面积的燃料电池。因此，开发可以准确真实的测量燃料电池水分布情况并且可以推广到大活性面积燃料电池的可视化装置非常重要。


技术实现要素：

3.为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种燃料电池可视化测试装置，可以有效的阻止水在不同流道之间的互窜流动，真实准确的反映出燃料电池的水分布情况，提高了测试的准确性。同时，本发明提供的燃料电池可视化测试装置适用于多种活性面积的燃料电池可视化需求。
4.为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
5.一种燃料电池可视化测试装置，所述装置包括：带有凸台结构的透明端板及带有镂空流道结构的金属流场板，所述凸台结构由数块平行设置的平板组成，相邻所述平板之间设有第一空隙，所述镂空流道结构为在所述金属流场板上开设数条平行的条状通孔，所述条状通孔与所述平板对应设置，所述平板能插入所述条状通孔，使所述凸台结构能与所述镂空流道结构组合形成可视化燃料电池端板及流场结构；
6.其中，所述流场结构的沟槽结构由所述平板插入所述条状通孔组合构成，相邻所述条状通孔之间为未镂空结构，所述流场结构的脊背结构由所述未镂空结构构成。所述可
视化燃料电池端板及流场结构可单独作为燃料电池阴极端板和流场以及集流板结构或燃料电池阳极端板和流场以及集流板结构，也可以同时作为燃料电池阴极和阳极端板和流场以及集流板结构使用，可以实现对燃料电池膜电极结构表面的水和流道结构中的水分布情况进行实时观测。
7.进一步地，所述凸台结构垂直设置在所述透明端板的表面，所述透明端板的表面还设有第一密封线槽结构，所述第一密封线槽结构设置在所述凸台结构的外围，所述凸台结构的高度为0～5mm，凸台结构的引入可以有效阻隔不同流道之间水的互窜流动。
8.进一步地，所述透明端板的材质为有机玻璃、聚苯乙烯、聚碳酸酯或光学玻璃，所述透明端板通过机械加工或刻蚀技术制成。
9.进一步地，所述透明端板的边缘位置设有第一定位孔结构和固定孔结构，所述固定孔结构的外侧设置有挡板结构，所述挡板结构能保护透明端板。挡板结构的使用可以有效缓解紧固螺栓对透明端板的磨损，同时可以降低组装力不均匀对透明端板的损伤起到保护透明端板的作用，所述挡板结构的材质为环氧树脂、聚乙烯、聚氯乙烯或橡胶。
10.进一步地，所述镂空流道结构的深度等于需要使用的流道的深度与所述凸台结构的高度的总和，所述镂空流道结构的宽度等于所述需要使用的流道的宽度，所述凸台结构的宽度为所述镂空流道结构的宽度的0.8～1.0倍。
11.进一步地，所述金属流场板还设有反应气进出口结构、第二密封线槽结构和第二定位孔结构，所述反应气进出口结构设置在所述透明端板的背离所述凸台结构的一侧。反应气进出口结构在与透明端板表面接触的金属流场板的背面，这样可以避免在透明端板表面加工进出气孔，有效的保护了透明端板的可视化窗口；并且可以对燃料电池的进出气口处的水分布进行观测，使得可视化窗口的观测区域最大化；此外，使用背面进出反应气可以有效的降低电池漏气的风险，提高实验的安全性，进气密封胶线槽结构在与燃料电池膜电极结构接触的金属流场板的正面。
12.进一步地，所述金属流场板上设置有电流接口，所述电流接口能直接与外部负载装置连接，免去了金属集流板的使用，进一步降低了电池的欧姆电阻，可以使得电池在更高电流密度下进行测试。
13.进一步地，所述镂空流道结构通过机械加工或刻蚀技术制成，金属流场板的表面镀有金镀层或者银镀层，能降低与膜电极结构之间的接触电阻。
14.进一步地，所述透明端板和所述金属流场板之间以及燃料电池可视化测试装置中的其他组件之间通过密封件密封，所述密封件为密封胶或密封垫。
15.进一步地，还包括：能变焦距的高速摄像机，用于对的燃料电池可视化测试装置的可视化区域进行实时的观察和记录。
16.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
17.(1)本发明燃料电池可视化测试装置，通过在透明端板表面加工凸台结构，可以有效的阻止水在不同流道之间的互窜流动，真实准确的反映出燃料电池的水分布情况，提高了测试的准确性。
18.(2)本发明燃料电池可视化测试装置，通过金属流场板将反应气进出口结构加工在与透明端板表面接触的金属流场板的背面，可以避免在透明端板表面加工进出气孔有效的保护了透明端板，并且使得可视化窗口的观测区域最大化；此外，使用背面进出反应气可
以有效的降低电池漏气的风险，提高实验的安全性。
19.(3)本发明燃料电池可视化测试装置，还具有加工制作简单，成本低等优点，可以实时在线显示燃料电池流道和mea(尤其扩散层)表面的水分布及流动情况。
20.(4)本发明燃料电池可视化测试装置，可推广应用到多种流场形状，多种活性面积的燃料电池，具有良好的通用性。
附图说明
21.图1为本发明实施例提供的带有凸台结构的透明端板的示意图。
22.图2为图1中凸台结构的结构示意图。
23.图3为本发明实施例提供的带有镂空流道结构的金属流场板的示意图。
24.图4为本发明实施例提供的带有镂空流道结构的金属流场板背部的示意图。
25.图5为本发明实施例提供的透明端板的挡板结构的示意图。
26.图6为本发明实施例提供的应用燃料电池可视化测试装置的燃料电池装配示意图。
27.图7为本发明实施例提供的测量燃料电池阳极水分布图。
28.图中标记说明：
29.1、透明端板，2、凸台结构，3、第一密封线槽结构，4、第一定位孔结构，5、固定孔结构，6、平板，7、第一空隙，8、金属流场板，9、流道镂空结构，10、未镂空结构，11、第二密封线槽结构，12、第二定位孔结构，13、电流接口，14、反应气进出口结构，15、挡板结构，16、固定孔结构，17、膜电极结构，18、阴极石墨流场结构，19、阴极集流板，20、阴极端板。
具体实施方式
30.为使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
31.参考图1～6，本发明保护一种燃料电池可视化测试装置，装置包括：带有凸台结构2的透明端板1及带有镂空流道结构9的金属流场板8，凸台结构2由数块平行设置的平板6组成，平板6均与透明端板1垂直，相邻平板6之间设有第一空隙7，镂空流道结构9为在金属流场板8上开设数条平行的条状通孔，条状通孔与平板6对应设置，平板6能插入条状通孔，使凸台结构2能与镂空流道结构9组合形成可视化燃料电池端板及流场结构。
32.其中，流场结构的沟槽结构由平板6插入条状通孔组合构成，相邻条状通孔之间为未镂空结构10，流场结构的脊背结构由未镂空结构10构成。
33.本发明中的可视化燃料电池端板及流场结构可单独作为燃料电池阴极端板和流场以及集流板结构或燃料电池阳极端板和流场以及集流板结构，也可以同时作为燃料电池阴极和阳极端板和流场以及集流板结构使用，可以实现对燃料电池膜电极结构表面的水和流道结构中的水分布情况进行实时观测。
34.参考图1，在一个具体实施例中，凸台结构2垂直设置在透明端板1的表面，透明端板1的表面还设有第一密封线槽结构3，第一密封线槽结构3设置在凸台结构2的外围，凸台结构2的高度为0～5mm，凸台结构2的宽度为需要使用的流道的宽度0.8～1.0倍，需要使用的流道为根据实际情况设计的流道，全文将其简称为需要使用的流道。
35.在一个具体实施例中，透明端板1的材质选自有机玻璃、聚苯乙烯、聚碳酸酯和光学玻璃中的一种。
36.参考图1，在一个具体实施例中，透明端板1的边缘位置设有第一定位孔结构4和固定孔结构5，固定孔结构5的外侧设置有挡板结构15，挡板结构15能保护透明端板1；挡板结构15的材质选自环氧树脂、聚乙烯、聚氯乙烯和橡胶中的一种。
37.参考图1，在一个具体实施例中，镂空流道结构9的深度即金属流场板8的厚度，等于需要使用的流道的深度与凸台结构2的高度的总和，镂空流道结构9的宽度等于需要使用的流道的宽度。
38.参考图3～4，在一个具体实施例中，金属流场板8还设有反应气进出口结构14、第二密封线槽结构11和第二定位孔结构12，反应气进出口结构14设置在在透明端板1的背离凸台结构2的一侧。
39.参考图1，在一个具体实施例中，金属流场板8设置有突出部，突出部上设置有电流接口13，电流接口13能直接与外部负载装置连接。
40.参考图3，在一个具体实施例中，镂空流道结构9通过机械加工或刻蚀技术制成，金属流场板8的表面镀有金镀层或者银镀层，能降低与膜电极结构之间的接触电阻。
41.在一个具体实施例中，透明端板1和金属流场板8之间以及燃料电池可视化测试装置中的其他组件之间通过密封件密封，密封件为密封胶或密封垫。
42.在一个具体实施例中，还包括能变焦距的高速摄像机，用于对的燃料电池可视化测试装置的可视化区域进行实时的观察和记录。
43.以下为实施例。
44.实施例1
45.本发明实施例提供了一种燃料电池可视化测试装置包括：带有凸台结构的透明端板1及带有镂空流道结构9的金属流场板8，透明端板1的凸台结构2与金属流场板8的镂空流道结构9组合后形成可视化燃料电池端板及流场结构，流场结构的沟槽结构为透明端板1的凸台结构2与金属流场板8的镂空流道结构9组合构成，流场结构的脊背结构由金属流场板8未镂空结构10构成，可视化燃料电池端板及流场结构作为燃料电池阳极端板和流场以及集流板结构使用，对燃料电池膜电极结构表面的水和流道结构中的水分布情况进行实时观测。
46.透明端板1表面加工有凸台结构2、第一密封线槽结构3、第一定位孔结构4以及固定孔结构5，凸台结构2的高度为1.0mm，宽度为设计所需流道宽度的0.9倍，第一密封线槽结构3宽度为2.5mm，深度为0.4mm、第一定位孔结构4直径为4.0mm以及固定孔结构5直径7.0mm。
47.透明端板1由厚度为25mm的有机玻璃板(亚克力)通过机械加工制成。
48.透明端板1的固定孔结构5外侧设置有挡板结构15，挡板结构15使用2.0mm厚的环氧树脂板制作，加工有与透明端板1的固定孔结构5对应的固定孔结构16。
49.金属流场板8使用铜板作为基材板，金属流场板8的镂空流道结构9高度(即金属板厚度)为2.0mm，镂空流道结构9宽度等于设计所需要的流道宽度为1.0mm，流道未镂空结构10宽度也为1.0mm。
50.金属流场板8还加工有反应气进出口结构14，进出气口具有相同的尺寸参数、第二
密封线槽结构11和第二定位孔结构12的尺寸参数与第一密封线槽结构3和第一定位孔结构4相同，反应气进出口结构14在与透明端板1表面接触的金属流场板8的背面，使用背面进出反应气可以有效的降低电池漏气的风险，提高实验的安全性，进气密封胶线槽结构11在与燃料电池膜电极结构17接触的金属流场板8的正面。
51.金属流场板8上设置有电流接口13，可直接与外部负载装置连接，免去了金属集流板的使用，进一步降低了电池的欧姆电阻，可以使得电池在更高电流密度下进行测试。
52.金属流场板8的镂空流道结构9通过机械加工制成，金属流场板8的表面镀有金镀层，以降低与膜电极结构17之间的接触电阻。
53.透明端板1和金属流场板8与膜电极结构17，阴极石墨流场结构18，阴极集流板19，阴极端板20共同组成应用燃料电池可视化测试装置的燃料电池，各组件之间通过放置于密封线槽结构中的0.5mm厚的硅胶密封垫进行密封。
54.燃料电池可视化测试装置还包括：可以变焦距的高速摄像机，用于对的燃料电池可视化装置的可视化区域进行实时的观察和记录。
55.使用高速摄像机拍摄实施例1中的水分布图，拍摄结果参考图7，可以看到水独立的分布在各流道，没有出现水在不同流道乱窜的情况。
56.以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，然而并非用以限制本技术，对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用本发明揭示的技术内容对技术方案作出许多可能的变动和修饰。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应仍属于本技术方案保护的范围内。