【技术实现步骤摘要】
技术介绍
1、
2、随着全球经济社会发展，人们对能源的需求逐年攀升，大量使用化石能源造成了全球气候变暖、环境恶化、能源危机等问题频繁发生，迫切需要寻找一种无碳能源来支撑未来能源的发展。氢能作为一种绿色、高效的二次能源，能够很好地实现能源转换，广泛应用于建筑、钢铁、航空航天、高端制造业等领域，实现深度脱碳。pemec因其能够快速适应可再生能源出力波动而成为很有前途的电解水制氢技术。为了提高pemec工作效率，主要通过研发新型催化剂、开发高性能材料、寻找最佳操作条件、设计内部构造、优化制造工艺等方面进行深入研究。
3、常见的pemec结构由两个极板、两个扩散层和一张膜电极（mea）以对称结构组装而成，流道通常设计在双极板上。在组装完后，由螺栓将组件紧锁在一起，组件之间需要添加垫圈以提高密封性。多螺栓连接是pemec的关键组成部分，螺栓紧固方法直接影响螺栓末端的力值分布，进而影响设备的接触电阻。为降低接触电阻，pemec中各组件之间需要保持足够的压力。然而，由于加工误差、垫圈厚度不均、材料表面粗糙、各部件不贴合等原因，导致接触面不平整，引起接触电阻升高，进一步影响pemec性能和寿命。螺栓的行为成为影响pemec性能和寿命的关键因素，螺栓扭矩的大小直接影响pemec各组件的夹持压力。压力分布均匀和各部件接触紧密是pemec螺栓安装研究的最终目的，需要对螺栓安装过程进行全面分析。
4、目前为止，探索螺栓扭矩、夹持压力、垫片材料对pemec性能影响的研究较少。因此，本专利技术采用可视化的实验系统，考虑
5、本专利技术首次将安装顺序引入pemec的研究，也是首次采用透明pemec用于评估不同螺栓操作条件对pemec性能的影响，具有良好的借鉴意义。此外，本专利技术是当前已有研究的有效补充，实验结果有望更好地理解不同螺栓操作条件下pemec性能变化及内部传质变化，并为后续研究高性能pemec和pemec内部传质的研究人员提供数据参考和实验支撑。
技术实现思路
1、
2、专利技术目的：为了探索紧固螺栓行为对于pemec性能的影响，而提出基于透明可视化系统的探索质子交换膜电解槽中螺栓紧固行为对其性能影响的实验研究方法。
3、为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：基于透明可视化系统的探索pemec中螺栓紧固行为对其性能影响的实验研究方法，包括以下步骤：
4、s1:首先通过压敏纸测量不同实验条件下pemec气体扩散层与mea的压力分布，采用高清扫描仪和图像处理技术将压敏纸的压力图转换为二维和三维压力云图，通过三维压力云图研究螺栓扭矩、拧紧步数、拧紧顺序对pemec接触电阻的影响；
5、s2:然后截取高速相机相同时间段产生的两相流分布，将其和二维压力云图结合，验证螺栓扭矩、拧紧步数、拧紧顺序对pemec电化学性能的影响；
6、s3:在以上研究的基础上，测量整体pemec的电流密度和电压，绘制pemec极化曲线，再根据实验数据判断螺栓的最佳扭矩、最合适的拧紧步数、最适当的拧紧顺序。
7、具体的，所述实验细节如下：
8、s1:电解槽单元：可视化pemec为实验平台的核心部件，主要由端板、透明板、集流器、扩散层、膜电极、螺栓、垫片等部件组成，由8个对称分布的m6六角形螺栓来实现固定，螺栓材质为scm435合金钢，抗拉强度为1220mpa，标称扭矩为15-20n·m，标准验证载荷为830mpa。其组装图如图1所示。pemec端板采用带有观察窗的不锈钢制成，端板尺寸为100 mm×100 mm，观察窗口尺寸为50 mm×50 mm。透明板选用亚克力板材料，可通过端板上的观察窗，透过透明板，观察电解槽内气液两相流状态。集流板采用镜面处理的纯钛板，具有良好的抗腐蚀能力和导电性能。钛板上刻有宽为1 mm的蛇形流道。采用钛毡作为阴极和阳极的气体扩散层，其中阳极侧具有0.5 μm厚的镀铱涂层，阴极侧具有0.5 μm厚的镀铂涂层。质子交换膜采用nafion117膜，膜尺寸为50 mm×50 mm×0.17 mm。阳极侧和阴极侧分别采用2.0mg/cm2的二氧化铱和2.5 mg/cm2的铂作为催化剂。
9、s2:实验测试台：主要由pemec、水浴锅、蠕动泵、高速相机、电源、数显扭力扳手和气液分离器组成，可通过上位机进行数据收集及参数控制。水浴锅被用来控制循环水流温度，型号为hh-2双孔，其加热温度范围为10 ℃-100 ℃，温度波动小于0.1 ℃。蠕动泵被用来提供pemec水流输入，型号为bt100，其流量范围为0.002-570 ml/min。数显扭力扳手被用来调整螺栓扭矩，其型号为kpd-10，工作范围为0.5~10 n·m，精度为±0.1n·m。实验使用的高速相机具有240 fps和130万像素，用于记录扭矩实验过程中的气泡及气泡分布。系统电源为可编程直流电源，型号为ss-k1560sp 15v 60a，输出电压0~15v，电压分辨率1 mv，输出电流0~60 a，电流分辨率1 ma。该电源能够不使用额外电压表或安培计来实现极化曲线的记录。为保证pemec正常运行，阳极和阴极将被同时通水。气液分离器可将pemec排出的气液混合物分离，液体回流至水浴锅循环。
10、本专利技术的有益效果在于：
11、（1）本专利技术的一种基于透明可视化系统的探索pemec中螺栓紧固行为对其性能影响的实验研究方法，可为后续研究高性能pemec和pemec内部传质的研究人员提供数据参考和实验支撑。
12、（2）本专利技术的一种基于透明可视化系统的探索pemec中螺栓紧固行为对其性能影响的实验研究方法，阐述了紧固螺栓与pemec电化学性能的关系，展现了螺栓紧固与pemec内部气液两相流状态关系，研究结果可为pemec组装和安装流程优化提供参考。
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1.一种基于透明可视化系统的探索质子交换膜电解槽中螺栓紧固行为对其性能影响的实验研究方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于透明可视化系统的探索PEMEC中螺栓紧固行为对其性能影响的实验研究方法，其特征在于，所述实验测试台组成如下：PEMEC、水浴锅、蠕动泵、高速相机、电源、数显扭力扳手和气液分离器，可通过上位机进行数据收集及参数控制。
3.根据权利要求1所述的一种基于透明可视化系统的探索PEMEC中螺栓紧固行为对其性能影响的实验研究方法，其特征在于，所述S1中，压力分布测量主要通过压敏纸来实现局部压力可视化，实验采用的压敏纸量程为0-5 MPa，厚度约为0.2 mm，能够较为良好地替换膜电极。
4.根据权利要求1所述的一种基于透明可视化系统的探索PEMEC中螺栓紧固行为对其性能影响的实验研究方法，其特征在于，所述S2中，实验使用的高速相机具有240 fps和130万像素，用于记录扭矩实验过程中的气泡及气泡分布。
5.根据权利要求2所述的一种基于透明可视化系统的探索PEMEC中螺栓紧固行为对其性能影响的实验
6.根据权利要求2所述的一种基于透明可视化系统的探索PEMEC中螺栓紧固行为对其性能影响的实验研究方法，其特征在于：水浴锅被用来控制循环水流温度，实验采用型号为HH-2双孔，其加热温度范围为10 ℃-100 ℃，温度波动小于0.1 ℃；蠕动泵被用来提供PEMEC水流输入，型号为BT100，其流量范围为0.002-570 mL/min；数显扭力扳手被用来调整螺栓扭矩，其型号为KPD-10，工作范围为0.5~10 N·m，精度为±0.1 N·m；系统电源为可编程直流电源，型号为SS-K1560SP 15V 60A，输出电压0~15V，电压分辨率1 mV，输出电流0~60A，电流分辨率1 mA；为保证PEMEC正常运行，阳极和阴极将被同时通水；气液分离器可将PEMEC排出的气液混合物分离，液体回流至水浴锅循环。
7.根据权利要求5所述的一种基于透明可视化系统的探索PEMEC中螺栓紧固行为对其性能影响的实验研究方法，其特征在于：螺栓材质为SCM435合金钢，抗拉强度为1220MPa，标称扭矩为15-20N·m，标准验证载荷为830MPa；PEMEC端板采用带有观察窗的不锈钢制成，端板尺寸为100 mm×100 mm，观察窗口尺寸为50 mm×50 mm；透明板选用亚克力板材料，可通过端板上的观察窗，透过透明板，观察电解槽内气液两相流状态；集流板采用镜面处理的纯钛板，具有良好的抗腐蚀能力和导电性能。钛板上刻有宽为1 mm的蛇形流道；采用钛毡作为阴极和阳极的气体扩散层，其中阳极侧具有0.5 μm厚的镀铱涂层，阴极侧具有0.5 μm厚的镀铂涂层；质子交换膜采用Nafion117膜，膜尺寸为50 mm×50 mm×0.17 mm，阳极侧和阴极侧分别采用2.0 mg/cm2的二氧化铱（IrO2）和2.5 mg/cm2的铂（Pt）作为催化剂。
...【技术特征摘要】
1.一种基于透明可视化系统的探索质子交换膜电解槽中螺栓紧固行为对其性能影响的实验研究方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于透明可视化系统的探索pemec中螺栓紧固行为对其性能影响的实验研究方法，其特征在于，所述实验测试台组成如下：pemec、水浴锅、蠕动泵、高速相机、电源、数显扭力扳手和气液分离器，可通过上位机进行数据收集及参数控制。
3.根据权利要求1所述的一种基于透明可视化系统的探索pemec中螺栓紧固行为对其性能影响的实验研究方法，其特征在于，所述s1中，压力分布测量主要通过压敏纸来实现局部压力可视化，实验采用的压敏纸量程为0-5 mpa，厚度约为0.2 mm，能够较为良好地替换膜电极。
4.根据权利要求1所述的一种基于透明可视化系统的探索pemec中螺栓紧固行为对其性能影响的实验研究方法，其特征在于，所述s2中，实验使用的高速相机具有240 fps和130万像素，用于记录扭矩实验过程中的气泡及气泡分布。
5.根据权利要求2所述的一种基于透明可视化系统的探索pemec中螺栓紧固行为对其性能影响的实验研究方法，其特征在于，所述可视化pemec组成如下：端板、透明板、集流器、扩散层、膜电极、螺栓、垫片等部件，由8个对称分布的m6六角形螺栓来实现固定。
6.根据权利要求2所述的一种基于透明可视化系统的探索pemec中螺栓紧固行为对其性能影响的实验研究方法，其特征在于：水浴锅被用来控制循环水流温度，实验采用型号为hh-2双孔，其加热温度范围为10 ℃-1...
【专利技术属性】
技术研发人员：何山，胡兵，凌果，王维庆，程志江，程静，袁至，李笑竹，武家辉，杨涵棣，李宏扬，
申请(专利权)人：新疆大学，
类型：发明
国别省市：
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