燃料电池用气体扩散层渗透率与扩散系数测量方法及设备技术

本发明专利技术涉及一种燃料电池用气体扩散层渗透率与扩散系数测量方法及设备，该设备包括气源(12)、气体流量控制器(10)、增湿系统(9)、温控系统(11)、装夹装置、状态监测模块与信号接收模块(6)，其中，装夹装置包括上压块、下压块(13)、上多孔金属块(7)、下多孔金属块(15)、O型圈(4)与密封圈(16)，被测气体扩散层(14)夹在上压块和下压块(13)之间，上金属多孔压块(7)装夹在上压块中，下多孔金属块(15)装夹在下压块(13)中。与现有技术相比，本发明专利技术可实现可控温湿环境中，气体扩散层压缩状态下厚度与面内方向的气体渗透率与扩散系数测量，操作方便，可根据该设备测量结果评估不同气体扩散层的传质特性。

【技术实现步骤摘要】
燃料电池用气体扩散层渗透率与扩散系数测量方法及设备
本专利技术属于燃料电池
，尤其是涉及一种燃料电池气体扩散层压缩状态下渗透率与扩散系数测量方法及设备。
技术介绍
燃料电池是一种将原料中的化学能直接转变成电能的“化学能发电”装置，其能量转换效率不受卡诺循环的限制，电池组的发电效率可达50％以上，具有环境友好、启动特性优良和能量转换效率高等特征，可望在诸多领域得到应用。近年来，随着各国研究者的不断努力，燃料电池整体性能有了很大提高，但是为了满足不同应用需求，高功率密度、高稳定性的燃料电池仍然有待持续开发。燃料电池中，气体扩散层对反应物气体的扩散和水的管理起着至关重要的作用，因此有必要深入理解燃料电池气体扩散层中发生的各种传质过程。气体扩散层是反应气体和反应产物水的输运通道，从气体扩散层的电镜扫描图片可以看出，气体扩散层结构具有明显的各向异性，势必会造成气体扩散层传质的各向异性，同时在燃料电池装配以及运行环境中，复杂的工况致使气体扩散层的传质特性更加复杂多样。研究表明，气体在气体扩散层中的主要传递方式为扩散，另外还包括部分对流传质，因此，设计一种燃料电池气体扩散层渗透率与扩散系数测量设备具有重要意义。经对现有技术的文献检索发现，针对燃料电池气体扩散层渗透率与扩散系数的测量装置较少，中国专利CN103852406A公开了一种燃料电池气体扩散层及形成扩散层的碳纸的透气性测试装置及其使用方法,但是该装置只能测量气体扩散层厚度方向的本征透气率，无法表征气体扩散层在装配压缩以及复杂工况下的传质各向异性。美国专利US7913572B2公开了一种聚合物电解质燃料电池气体扩散层压缩物性综合测试系统，该系统可测量气体扩散层厚度方向本征渗透率以及面内方向渗透率，但是无法测量气体扩散层压缩状态下厚度方向渗透率，并且无法测试气体扩散层厚度方向以及面内方向的扩散系数，扩散气体的温湿度也不可控。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池气体扩散层压缩状态下渗透率与扩散系数测量方法及设备，可以实现可控温湿环境中，气体扩散层压缩情况下厚度方向与面内方向的气体渗透率与扩散系数测量。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种燃料电池气体扩散层压缩状态下渗透率与扩散系数测量设备，用于实现可控温湿环境中，气体扩散层压缩情况下厚度方向与面内方向的气体渗透率与扩散系数测量，评估不同气体扩散层的传质特性。该测量设备包括气源、气体流量控制器、增湿系统、温控系统、装夹装置、状态监测模块以及信号接收模块，所述的装夹装置包括上压块和下压块，所述的上压块和下压块均为中间设有凹槽的平板，凹槽侧壁上设有贯穿平板的气体进口和出口，上压块和下压块上的凹槽为对称结构且相对设置，构成纵向气体通道，所述的上压块和下压块之间构成横向气体通道，被测气体扩散层夹在上压块和下压块之间形成的横向气体通道内，在被测气体扩散层两端设有可拆卸式密封圈，被测气体通过流量控制器流出，经过增湿系统和温控系统后到达装夹装置中。所有传感器、流量控制器、温控系统以及增湿系统均与信号接收模块相连，实时记录所有实验数据。优选地，被测气体扩散层位于纵向气体通道的部分上下表面设有上多孔金属块和下多孔金属块，所述的上多孔金属块装夹在上压块中、下多孔金属块装夹在下压块中。所述的上压块分为上压块一和上压块二，上压块一和上压块二之间设有密封用O型圈，通过螺栓连接，两部分通过挤压中间的O型圈实现密封。被测气体扩散层样品夹在上压块和下压块之间，为了避免装配错位，上下压块分别开有定位孔，上下压块之间通过垫块或位移传感器控制被测气体扩散层的压缩程度，上下压块通过螺栓或气缸施加夹紧力。进一步地，所述的上多孔金属块与下多孔金属块采用刚性较大且透气性远大于被测气体扩散层的金属材料，包括钛合金或不锈钢；上多孔金属块与下多孔金属块分别装夹在上压块和下压块中，并且所述的上多孔金属块与下多孔金属块与上压块和下压块装配面的尺寸精度和平面度控制在0.001以内。进一步地，所述的密封圈为活动密封圈，可以自由装拆，并且密封圈内侧紧靠被测气体扩散层，外侧与上下压块的边缘距离不大于1mm。进一步地，所述的温控系统的升温方式为电加热或循环水浴加热，温控系统同时控制气体管路以及装夹装置中的气体温度，确保装夹装置中的气体稳定在指定温湿度。进一步地，所述的状态监测模块包括氧浓度传感器、温湿度传感器与压差传感器；所述的氧浓度传感器、温湿度传感器、压差传感器、气体流量控制器、温控系统以及增湿系统均与信号接收模块相连，实时记录所有实验数据。所述的氧浓度传感器安装在下压块中，并且使氧浓度传感器的探头紧贴在被测气体扩散层上，氧浓度传感器的测量范围为0～100％，测量精度为0.01％；所述的压差传感器的两个探头分别安装在上压块二和下压块中，使其连通上下腔体，并且使压力测点与被测气体扩散层的距离小于1mm，压差传感器的测量范围为0～10kPa，测量精度为1Pa。一种燃料电池气体扩散层压缩状态下渗透率与扩散系数测量设备的使用方法，该方法包括气体扩散层厚度方向渗透率测量方法、气体扩散层厚度方向扩散系数测量方法、气体扩散层面内方向渗透率测量方法、气体扩散层面内方向扩散系数测量方法。具体地，所述的气体扩散层厚度方向渗透率测量方法包括以下步骤：(ⅰ)将被测气体扩散层装夹在上压块和下压块之间，上下压块施加压力，控制其在指定压缩率状态下；(ⅱ)将指定流量和温湿度的被测气体通过上压块上的气体气口进入装夹装置中，经过被测气体扩散层从下压块的气体出口排到气体回收装置中；(ⅲ)通过测量被测气体通过气体扩散层的压差，根据多孔材料达西定律计算得到气体扩散层厚度方向渗透率；具体地，所述的气体扩散层厚度方向扩散系数测量方法包括以下步骤：(ⅰ)将被测气体扩散层装夹在上压块和下压块之间，上下压块施加压力，控制其在指定压缩率状态下；(ⅱ)将氮气通过上压块上的气体气口进入装夹装置中，经过被测气体扩散层从下压块的气体出口排到气体回收装置中，使用氮气吹扫5分钟以上，直至装夹装置和被测气体扩散层全部充满氮气，氧浓度传感器显示氧浓度为0，停止通入氮气；(ⅲ)立即将下压块的气体出口堵上，并将上压块一拆掉，使被测气体扩散层上方尽快充满空气，通过氧浓度传感器记录空气中的氧气向被测气体扩散层下侧的扩散过程；(ⅳ)通过测量被测气体扩散层下侧氧浓度的变化曲线，根据菲克扩散定律计算得到气体扩散层厚度方向扩散系数；具体地，所述的气体扩散层面内方向渗透率测量方法包括以下步骤：(ⅰ)拆掉密封圈、上多孔金属块与下多孔金属块，并将下压块的气体出口堵上；(ⅱ)将被测气体扩散层装夹在上下压块之间，上下压块施加压力，控制其在指定压缩率状态下；(ⅲ)将指定流量和温湿度的被测气体通过上压块的气体进口进入装夹装置中，经过被测气体扩散层从四周排到气体回收装置中；(ⅳ)通过测量被测气体通过气体扩散层的压差，根据多孔材料达西定律计算得到气体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池气体扩散层渗透率与扩散系数测量设备，包括气源(12)、气体流量控制器(10)、增湿系统(9)、温控系统(11)、装夹装置、状态监测模块以及信号接收模块(6)，所述的装夹装置包括上压块和下压块(13)，所述的上压块和下压块(13)均为中间设有凹槽的平板，凹槽侧壁上设有贯穿平板的气体进口和出口，上压块和下压块(13)上的凹槽为对称结构且相对放置，构成纵向气体通道，其特征在于，所述的上压块和下压块(13)之间构成横向气体通道，被测气体扩散层(14)夹在上压块和下压块(13)之间形成的横向气体通道内，在被测气体扩散层(14)外侧设有可拆卸式密封圈(16)，被测气体通过流量控制器(10)流出，经过增湿系统(9)和温控系统(11)后到达装夹装置中。/n

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池气体扩散层渗透率与扩散系数测量设备，包括气源(12)、气体流量控制器(10)、增湿系统(9)、温控系统(11)、装夹装置、状态监测模块以及信号接收模块(6)，所述的装夹装置包括上压块和下压块(13)，所述的上压块和下压块(13)均为中间设有凹槽的平板，凹槽侧壁上设有贯穿平板的气体进口和出口，上压块和下压块(13)上的凹槽为对称结构且相对放置，构成纵向气体通道，其特征在于，所述的上压块和下压块(13)之间构成横向气体通道，被测气体扩散层(14)夹在上压块和下压块(13)之间形成的横向气体通道内，在被测气体扩散层(14)外侧设有可拆卸式密封圈(16)，被测气体通过流量控制器(10)流出，经过增湿系统(9)和温控系统(11)后到达装夹装置中。


2.根据权利要求1所述的燃料电池气体扩散层渗透率与扩散系数测量设备，其特征在于，被测气体扩散层(14)位于纵向气体通道的部分上下表面设有上多孔金属块(7)和下多孔金属块(15)，所述的上多孔金属块(7)装夹在上压块中、下多孔金属块(15)装夹在下压块(13)中。


3.根据权利要求2所述的燃料电池气体扩散层渗透率与扩散系数测量设备，其特征在于，所述的上多孔金属块(7)与下多孔金属块(15)采用刚性较大且透气性远大于被测气体扩散层(14)的金属材料，包括钛合金或不锈钢；所述的上多孔金属块(7)和下多孔金属块(15)与上压块和下压块(13)装配面的尺寸精度和平面度控制在0.001以内。


4.根据权利要求1所述的燃料电池气体扩散层渗透率与扩散系数测量设备，其特征在于，所述的上压块分为上压块一(5)和上压块二(8)，上压块一(5)和上压块二(8)之间设有密封用O型圈(4)。


5.根据权利要求1所述的燃料电池气体扩散层渗透率与扩散系数测量设备，其特征在于，所述的密封圈(16)为活动密封圈，可以自由装拆，并且密封圈(16)内侧紧靠被测气体扩散层(14)，外侧与上下压块的边缘距离不大于1mm。


6.根据权利要求1所述的燃料电池气体扩散层渗透率与扩散系数测量设备，其特征在于，所述的温控系统(11)的升温方式为电加热或循环水浴加热，温控系统(11)同时控制气体管路以及装夹装置中的气体温度；
所述的上压块和下压块(13)分别开有定位孔，上下压块之间通过垫块或位移传感器控制被测气体扩散层(14)的压缩程度，上下压块通过螺栓或气缸施加夹紧力。


7.根据权利要求1所述的燃料电池气体扩散层渗透率与扩散系数测量设备，其特征在于，所述的状态监测模块包括氧浓度传感器(2)、温湿度传感器(1)与压差传感器(3)；
所述的氧浓度传感器(2)、温湿度传感器(1)、压差传感器(3)、气体流量控制器(10)、温控系统(11)以及增湿系统(9)均与信号接收模块(6)相连，实时记录所有实验数据。


8.根据权利要求7所述的燃料电池气体扩散层渗透率与扩散系数测量设备，其特征在于，所述的氧浓度传感器(2)安装在下压块(13)中，并且使氧浓度传感器(2)的探头紧贴在被测气体扩散层(14)上，氧浓度传感器(2)的测量范围为0～100％，测量精度为0.01％；
所述的压差传感器(3)的两个探头分别安装在上压块二(8)和下压块(13)中，使其连通上下腔体，并...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱殿凯，黄福享，彭林法，易培云，来新民，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31