一种用于快速测试膜电极性能的多功能设备及测试方法

[技术领域]

本发明属于氢燃料电池领域，具体地说是一种用于快速测试膜电极性能的多功能设备及测试方法。

[背景技术]

膜电极组件(MEA)是燃料电池电化学反应的组件，是燃料电池的核心部件。膜电极两侧通入空气和氢气，在合适的温湿度情况下，会产生电流和电压。电压随电流的变化曲线称为极化曲线，它是衡量膜电极性能的一个重要参数。目前，主流的测试方法是通过燃料电池测试台，测试台测试的参数比较全面，准确度高，但是仍有如下几个缺点：(1)测试时间比较长，整个流程测试完成根据功率不同需要1-5个小时；(2)只能测试整个膜电极，不能分析膜电极性能的分布情况；(3)灵活性低；(4)成本高，体积大；(5)不能测试电化学性能，必须用另外一台电化学工作站来测试。由于以上缺点，在研发过程中，经常会更改配方，需要迅速测试验证，如果测试时间较长，则不利于迅速迭代升级。

[发明内容]

本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种用于快速测试膜电极性能的多功能设备，该设备同时具有极化曲线测试和电化学性能曲线测试功能，能够直接对膜电极进行两种性能测试，大大加快了测试效率。

为实现上述目的设计一种用于快速测试膜电极性能的多功能设备，包括工装夹具、控制电路和人机交互部分，其中，所述工装夹具包括上电极、下电极、气缸、导杆、电磁阀，所述气缸与电磁阀相连接，所述气缸的活塞端连接导杆，所述导杆另一端安装有上电极，所述气缸通过导杆拉动上电极抬起或压下，所述下电极设于上电极下方，所述上电极与下电极之间夹设有待测试的膜电极，所述上电极和下电极内部均设置有气体流道和水流道，所述气体流道用于通入空气或者氢气从而为膜电极反应提供反应气体，所述水流道用于控温从而使膜电极保持特定的温度条件；所述控制电路包括控制信号输出电路、恒电位输出电路、电子负载、模拟信号采集电路、开关信号采集电路、通讯电路以及控制芯片，所述控制信号输出电路的输出端连接电磁阀，并通过控制电磁阀开闭进而控制气缸抬起或压下，所述控制信号输出电路、恒电位输出电路、电子负载、模拟信号采集电路、开关信号采集电路、通讯电路分别电连接控制芯片，所述恒电位输出电路用于输出恒定电压信号并测量电流，所述电子负载用于在膜电极反应时快速改变负载电流并实时测量电压，所述模拟信号采集电路用于采集上电极和下电极传感器的参数；所述人机交互部分包括控制开关和显示设备，所述控制开关连接开关信号采集电路，所述开关信号采集电路用于采集控制开关的状态，所述显示设备用于显示数据和当前的工作状态，所述显示设备连接通讯电路，所述通讯电路用于控制芯片与显示设备的数据交换。

进一步地，所述气缸、下电极均固定在此多功能设备的台架上，台架为可移动式，所述上电极和下电极中气体流道和水流道的另一端均连接至燃料电池测试台，且气体流道和水流道中的气体和水均由燃料电池测试台提供。

进一步地，所述传感器为温度传感器、湿度传感器、压力传感器中的一种或几种。

进一步地，所述显示设备为显示屏或者电脑。

本发明还提供了一种用于快速测试膜电极性能的多功能设备的极化曲线测试方法，包括以下步骤，1)准备工作：将待测试的膜电极放入上电极与下电极之间，控制电路启动电磁阀，使上电极下压压住膜电极，燃料电池测试台开启，向上电极通入氢气，下电极通入空气，上电极和下电极同时通入控温水，在人机交互部分的显示设备上调节测试条件及测量流程方案，并通过通讯电路将相关参数传输给控制芯片，打开控制开关，等待整个系统达到测试条件；2)监控条件：控制芯片通过模拟信号采集电路读取上电极和下电极传感器的数据，等待温度湿度压力等参数都达到设置条件，则启动测试；3)极化曲线测试：首先开启电子负载，快速阶梯式增加负载电流，同时通过对经验数据的分析，自由设定电流变化后的测量电压的时间点，在最稳定的时刻测量，记录电压随电流的变化，存储于控制芯片中；4)数据分析：控制芯片通过通讯电路导出测试数据到显示设备，并在显示设备上绘制出极化曲线；5)测试其他测量点数据：断开燃料电池测试台供气开关，抬起上电极，移动膜电极，使待测点在上电极和下电极中间，然后压下上电极，通入气体；6)重复步骤2)至步骤4)，直到将想测量的数据都测试完为止。

进一步地，步骤3)中，极化曲线测试在1秒内完成电流变化与电压测试。

本发明还提供了一种用于快速测试膜电极性能的多功能设备的电化学特性测试方法，包括以下步骤，1)准备工作：将待测试的膜电极放入上电极与下电极之间，控制电路启动电磁阀，使上电极下压压住膜电极，燃料电池测试台开启，向上电极通入氢气，下电极通入空气或者氮气，上电极和下电极同时通入控温水，在人机交互部分的显示设备上调节测试条件及测量流程方案，并通过通讯电路将相关参数传输给控制芯片，打开控制开关，等待整个系统达到测试条件；2)监控条件：控制芯片通过模拟信号采集电路读取上电极和下电极传感器的数据，等待温度湿度压力等参数都达到设置条件，则启动测试；3)电化学性能曲线测试：保持电子负载开路状态，启动恒电位输出电路，使电压按照一定速度递增，同时实时测量输出电流，将电流随电压变化的数据存储于控制芯片中；4)数据分析：控制芯片通过通讯电路导出测试数据到显示设备，并在显示设备上绘制出电化学性能曲线；5)测试其他测量点数据：断开燃料电池测试台供气开关，抬起上电极，移动膜电极，使待测点在上电极和下电极中间，然后压下上电极，通入气体；6)重复步骤2)至步骤4)，直到将想测量的数据都测试完为止。

本发明同现有技术相比，具有如下优点：

(1)本发明同时具有极化曲线测试和电化学性能曲线测试功能，在工装夹具不变的情况下，无需改变接线，可以直接对膜电极进行两种性能测试，大大加快了测试效率；

(2)本发明极化曲线测试速度快，传统极化曲线测试需要1-5个小时，而本发明测试时间最短只需要1秒，加上等待测试条件的准备工作，也仅需几分钟即可完成，大大降低了测量时间；

(3)本发明极化曲线测试中，通过控制改变电流后的测量电压的时间，使测量数据稳定，增加测量的可靠性；

(4)本发明测量面积小，可测量膜电极局部小范围内的参数，可判断膜电极的均匀性，而传统测试设备只能整个膜电极的综合参数。

[附图说明]

图1是本发明的结构示意图。

[具体实施方式]

下面结合附图对本发明作以下进一步说明：

如附图1所示，本发明提供了一种用于快速测试膜电极性能的多功能设备和方法，该设备由工装夹具、控制电路和人机交互部分等组成，其中，工装夹具由上电极、下电极、气缸、导杆、电磁阀组成，气缸与电磁阀相连接，气缸的活塞端连接导杆，导杆另一端安装有上电极，气缸通过导杆拉动上电极抬起或压下，下电极设于上电极下方，上电极与下电极之间夹设有待测试的膜电极，上电极和下电极内部均设置有气体流道和水流道，气体流道用于通入空气或者氢气从而为膜电极反应提供反应气体，水流道用于控温从而使膜电极保持特定的温度条件；控制电路由控制信号输出电路、恒电位输出电路、电子负载、模拟信号采集电路、开关信号采集电路、通讯电路以及控制芯片组成，控制信号输出电路的输出端连接电磁阀，并通过控制电磁阀开闭进而控制气缸抬起或压下，控制信号输出电路、恒电位输出电路、电子负载、模拟信号采集电路、开关信号采集电路、通讯电路分别电连接控制芯片，恒电位输出电路用于输出恒定电压信号并测量电流，电子负载用于在膜电极反应时快速改变负载电流并实时测量电压，模拟信号采集电路用于采集上电极和下电极传感器的参数；人机交互部分由控制开关和显示设备组成，控制开关连接开关信号采集电路，开关信号采集电路用于采集控制开关的状态，显示设备用于显示数据和当前的工作状态，显示设备连接通讯电路，通讯电路用于控制芯片与显示设备的数据交换；气缸、下电极均固定在此多功能设备的台架上，台架为可移动式，上电极和下电极中气体流道和水流道的另一端均连接至燃料电池测试台，且气体流道和水流道中的气体和水均由燃料电池测试台提供。

本发明中，各个部件的作用如下：

(1)工装夹具：电磁阀用来控制气缸气体的进出，使气缸抬起和压下，通过导杆拉动上电极的抬起和压下。下电极固定。上电极和下电极内部有气体流道和水流道，气体流道用来通入空气或者氢气，为膜电极反应提供反应气体。水流道用来控温，使电极保持特定的温度条件。上电极下电极流道中的气体和水由燃料电池测试台提供。上电极和下电极压下时，夹住膜电极进行测试。

(2)控制电路：控制信号输出电路用来控制电磁阀的开闭，从而控制气缸的抬起和压下。恒电位输出电路用来输出恒定电压信号，并测量电流，用于进行电化学性能测试。电子负载具有吸收电流的能力，并同时测量电压，在膜电极反应时，可快速改变负载电流并实时测量电压，此数据即为膜电极极化曲线。模拟信号采集电路采集上电极和下电极传感器的参数，用于判断是否满足测试要求，传感器可以为温度传感器、湿度传感器、压力传感器的一种或几种，根据需要选配。通讯电路用于控制芯片与显示设备的数据交换。开关信号采集电路用于采集控制开关的状态。

(3)人机交互：包括两个部分，显示设备用于显示数据和当前的工作状态，可以是显示屏或者电脑，本实例用的是电脑。控制开关用于通过按钮控制控制电路的工作状态。

本发明中，极化曲线测试具体工作流程为：

1)准备工作：将膜电极放入上电极和下电极之间，控制电路启动电磁阀，使上电极下压压住膜电极，燃料电池测试台开启，向上电极通入氢气，下电极通入空气，两电极同时通入控温水，在人机交互部分的显示设备上调节测试条件及测量流程方案，通过通讯电路将相关参数传输给控制芯片，打开控制开关，等待整个系统达到测试条件。

2)监控条件：控制芯片通过模拟信号读取上电极下电极传感器的数据，等待温度湿度压力等参数都达到了设置条件，则启动测试。

3)极化曲线测试：启动极化曲线测试首先开启电子负载，快速阶梯式增加负载电流，同时通过对经验数据的分析，可自由设定电流变化后的测量电压的时间点，在最稳定的时刻测量，记录电压随电流的变化，存储于控制芯片中。本测试可在1秒内完成电流变化与电压测试。

4)数据分析：控制芯片可以通过通讯电路导出测试数据到显示设备，在显示设备上绘制出极化曲线。

5)测试其他测量点数据：断开燃料电池测试台供气开关，抬起上电极，移动膜电极，使待测点在上电极下电极中间，然后压下上电极，通入气体。

6)重复步骤2)-步骤4)过程，直到将想测量的数据都测试完为止。

本发明中，电化学特性测试具体工作流程如下。此过程与极化曲线测试过程类似，通入气体和测量电路不同，具体流程为：

1)准备工作：把膜电极放入上电极和下电极之间，控制电路启动电磁阀，使上电极下压压住膜电极，燃料电池测试台开启，向上电极通入氢气，下电极通入空气或者氮气，两电极同时通入控温水，在人机交互部分的显示设备上调节测试条件及测量流程方案，通过通讯电路将相关参数传输给控制芯片，打开控制开关，等待整个系统达到测试条件。

2)监控条件：控制芯片通过模拟信号读取上电极下电极传感器的数据，等待温度湿度压力等参数都达到了设置条件，则启动测试。

3)电化学性能曲线测试：保持电子负载开路状态，启动恒电位输出电路，使电压按照一定速度递增，同时实时测量输出电流，把电流随电压变化的数据存储于控制芯片中。

4)数据分析：控制芯片可以通过通讯电路导出测试数据到显示设备，在显示设备上绘制出电化学性能曲线。

5)测试其他测量点数据：断开燃料电池测试台供气开关，抬起上电极，移动膜电极，使待测点在上电极下电极中间，然后压下上电极，通入气体。

6)重复步骤2)-步骤4)过程，直到将想测量的数据都测试完为止。

本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。