[发明专利]一种压力与位移测控装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种压力与位移测控装置，特别是用于质子交换膜燃料电池封装的压力与位移测控装置，尤其是适于在监测电池性能参数的情况下，调节封装压力和位移，进行原位封装的装置。

背景技术

燃料电池是一种新型的清洁能源，具有能量密度高、环境有好、操作简便和安全可靠等优点。其中，质子交换膜燃料电池是近年来重点发展的燃料电池类型，它以氢气或甲醇水溶液为燃料，以纯氧或空气为氧化剂，产物为无污染的水及二氧化碳。相对于传统电池，它可以提供更高的电流密度，燃料更容易更换、储存和获得，因此被认为是便携式电子装置如随身听、手机、电脑等的理想能源，获得了越来越广泛的重视。

质子交换膜燃料电池的关键部件包括：流场板(flow field plate，FFP)、气体扩散层(gas diffusion layer，GDL)和膜电极(membraneelectrode assembly，MEA)，其他部件还包括集流网、匹配框、电池端板等。其中，流场板的表面加工有不同形式的沟道，分散反应物的同时收集电流；膜电极是燃料电池的核心部件，两侧是电化学反应的催化剂，中间是传导质子的全氟磺酸膜；气体扩散层位于流场板与膜电极之间，是反应物和生成物的扩散通道，是热量和电流的传导介质，同时MEA还起到机械支撑作用。燃料电池封装是将上述部件组装并包封为一体的过程，其中封装压力和压缩量是至关重要的封装参数，因为气体扩散层传质特性和导电特性，气体扩散层与流场板以及气体扩散层与膜电极之间的接触特性，都强烈地依赖于施加于其上的封装压力。研究结果表明，增大封装压力可以降低接触电阻以及GDL的本体电阻，但同时会降低GDL的气液传质特性，过大的封装压力还可能引起GDL结构的破环；对不同流场板结构、不同电池材料的直接甲醇燃料电池存在不同的最佳压力值，在此压力下，电池的性能达到最优。

文献Woo-kum Lee，Chien-Hsien Ho，J.W.Van Zee，et al.The effectsof compression and gas diffusion layers on the performance of a PEMfuel cell[J].Journal of Power Sources，1999(84)：45-51.通过螺栓扭矩表示封装压力，研究了封装压力与燃料电池输出性能之间的关系，其主要缺点是压力测量数据精度低，且各个螺栓的扭矩很难同时施加，易造成燃料电池各处压力不均匀，其封装状态难于保证一致。文献V.Mi shra，F.Yang，R.Pitchumani.Measurement and Prediction of Electrica]Contact Resistance Between Gas Diffusion Layers and Bipolar Platefor Applications to PEM Fuel Cells[J].Journal of Fuel Cell Scienceand Technology，2004(1)：2-9.利用万能试验机研究了GDL的压缩弹性模量和燃料电池组件间的接触电阻，万能试验机精度较高，但是不便于和燃料电池封装夹具连接，难于实现燃料电池的在线原位测试。文献1wao Nitta，Tero Hottinen，Olli Himanen，et al.Inhomogeneous compression ofPEMFC gas diffusion layer PartI.Experimental[J].Journal of PowerSources，2007(171)：26-36.采用一系列不同厚度的刚性垫圈来限制GDL的压缩量，结合自行设计的夹具，研究了封装压力对GDL机械变形、电阻、透气特性的影响，采用刚性垫圈限制GDL压缩量，可以较好地控制封装压缩量，但是得不到封装压力信息，并且刚性垫圈的厚度不能连续变化，高精度的垫圈加工困难。以上文献集中于封装压力及压缩量对燃料电池特性或其部件特性的影响研究，虽然取得了一定成果，但是由于存在上述缺点和困难，影响了测试的精度和效率；更为关键的是以上研究所采用的装置均不能实现燃料电池的原位封装，即在监测电池性能参数的情况下，调节封装压力和位移，对燃料电池进行可靠封装。

发明内容