[发明专利]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

权利要求书

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，并且使压力测点与被测气体扩散层(14)的距离小于1mm，压差传感器(3)的测量范围为0～10kPa，测量精度为1Pa。

9.一种如权利要求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的使用方法，其特征在于，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。

10.根据权利要求9所述的燃料电池气体扩散层渗透率与扩散系数测量设备的使用方法，其特征在于，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(14)装夹在上压块和下压块(13)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(14)从下压块(13)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；

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(14)装夹在上压块和下压块(13)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(14)从下压块(13)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(14)全部充满氮气，氧浓度传感器(2)显示氧浓度为0，停止通入氮气；

(ⅲ)立即将下压块(13)的气体出口堵上，并将上压块一(5)拆掉，使被测气体扩散层(14)上方尽快充满空气，通过氧浓度传感器(2)记录空气中的氧气向被测气体扩散层(14)下侧的扩散过程；

(ⅳ)通过测量被测气体扩散层(14)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；

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(16)、上多孔金属块(7)与下多孔金属块(15)，并将下压块(13)的气体出口堵上；

(ⅱ)将被测气体扩散层(14)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(14)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扩散层面内方向渗透率；

所述的气体扩散层面内方向扩散系数测量方法包括以下步骤：

(ⅰ)拆掉密封圈(16)、上多孔金属块(7)与下多孔金属块(15)，并将下压块(13)的气体出口堵上；

(ⅱ)将被测气体扩散层(14)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)将氮气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(14)从四周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(14)全部充满氮气，氧浓度传感器(2)显示氧浓度为0，停止通入氮气；

(ⅳ)氧浓度传感器(2)记录空气中的氧气经过被测气体扩散层(14)向装夹装置内扩散的过程，通过测量装夹装置内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面内方向扩散系数。