专利名称：质子交换膜燃料电池密封件耐久性测试装置及方法
技术领域：
本发明属于燃料电池领域，涉及一种质子交换膜燃料电池用密封件耐久性的测试装置及方法，具体地说，就是通过模拟质子交换膜燃料电池内部反应环境来考察各因素对质子交换膜燃料电池密封件耐久性的综合影响。
背景技术：
质子交换膜燃料电池作为一种清洁高效的能源转换装置，得到了广泛的关注与应用。它的基本原理是在阳极侧通入燃料(H2或者甲醇等)在阴极侧通入氧化剂(O2或者空气)，并使之在催化剂的作用下发生电化学反应，生成水(以甲醇作燃料时为水与CO2)并产生电能。同时，为了即时排除电化学反应过程中产生的热量，还需要将冷却流体(一般为水或空气)通入电池内部进行散热。燃料电池密封件的主要作用是防止燃料电池内部的燃料、氧化剂及冷却流体的互窜(内漏)与向周围环境的泄漏(外漏)。因为在反应过程中不管发生内漏还是外漏，都会使燃料电池的能量转换效率降低、影响其发电性能，甚至还存在爆炸的危险。而在燃料电池的运行过程中，其内部的酸性及温湿度环境、电化学反应过程中产生的强氧化性物质(如 H2O2和HO ·、HOO ·等游离基)均会对密封件的耐久性产生一定影响，使其老化甚至降解， 造成密封性能衰减。因此，密封件的耐久性是考察燃料电池可靠性与耐久性的重要因素之一；考察组装压力、酸度、环境温度以及氧化性物质对于燃料电池密封件的耐久性的影响对于研究燃料电池的耐久性、促进燃料电池的商业化非常重要。清华大学申请的中国专利ZL200610144011. 2涉及和一种燃料电池的密封装置， 在膜电极组件(MEA)与双极板之间形成密封面；上海神力科技有限公司申请的中国专利 ZL200610030850. 1涉及一种燃料电池的密封结构，可实现电池的自由更换，降低成本；三井化学株式会社等申请的国际专利申请PCT/JP2006/312860则涉及一种可用于燃料电池密封的橡胶组合物材料，适用于液态注射成形(LIM)工艺。C. C. Chen等人发明的美国专利 09/794, 674涉及一种不同厚度的密封件，目的是为了使双极板上的应力分布更均勻，以提高其耐久性。MA. Yandrasits等人发明的美国专利10/322，225涉及一种一步法密封MEA的方法。类似的专利还有很多，但迄今为止，这些与燃料电池密封有关的专利基本都只涉及密封件的材料、结构与工艺，而没有涉及燃料电池密封件的耐久性测试。
发明内容
为了考察组装压力、酸度、环境温度以及氧化性物质对于燃料电池密封件耐久性的影响，本发明提供了一种质子交换膜燃料电池密封件耐久性测试装置及方法。为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是—种质子交换膜燃料电池密封件耐久性测试装置，其包括石墨板、石墨盖板和待测密封件，石墨板上刻有凹槽，待测密封件置于凹槽内，并在待测密封件上部覆盖石墨盖板形成密封腔体。
所述石墨板上的凹槽至少为一个，且各凹槽的深度相同。所述石墨板和石墨盖板的对应位置设有螺孔，连接件穿过该螺孔固定石墨板和石
墨盖板。所述石墨板的螺孔处垫设有调整垫片。其还包括夹具，夹具设有螺孔，置于石墨板和石墨盖板不接触的两端面的外侧，通过连接件锁固石墨板和石墨盖板。一种质子交换膜燃料电池密封件耐久性测试方法，其包括以下步骤1)在进行耐久性测试前，先行测试待测密封件的厚度、硬度及其拉伸强度；每个指标至少测五次，并进行算术平均，记录其平均值；2)将待测密封件制成权利要求1所述的测试装置的密封腔体，并在密封腔体中注入溶液，该溶液模拟燃料电池反应时内部的化学环境；3)将该测试装置放于相对湿度80 %，温度800C的环境箱中，且每隔M小时补充上述溶液一次，直至测试结束；4)取出经耐久性测试后的待测密封件，再次测试其厚度、硬度及拉伸强度；每个指标至少测五次，并进行算术平均，记录其平均值；与步骤1)中的结果进行比较，以确定待测密封件的耐久性变化。前述测试装置的石墨板、石墨盖板组件在测试时可以采用两组及更多组堆叠的方式进行组装，每个组件的密封腔体可以分别采用不同材质、不同外形或不同制作工艺的密封件，并注入相同的模拟溶液。这样即可同时进行不同材质密封件的耐久性测试与比较，提
高效率。由于采用了上述方案，本发明具有以下特点1.模拟燃料电池密封件使用的实际环境对其进行耐久性考察，结果真实可靠；2.操作简便易行，可保证实验结果的可重复性；3.利用一套装置，可同时对不同材质、不同外形或不同制作工艺的多个密封件进行耐久性测试，试验结果可对比性强；4.利用一套装置，可以通过改变化学试剂的酸度与氧化性，同时测定一种密封件样品在不同内环境影响下的耐久性差异；5.通过对多个(种)密封件进行同时测试，减少了试验所需时间，节约了经济成本。
图1为本发明质子交换膜燃料电池密封件耐久性测试装置的结构示意图。图2为本发明石墨板的结构示意图。图3为沿图2中A-A线的剖面图。
具体实施例方式以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。如图1所示，本发明的测试装置包括夹具1、调整垫片2、测试用石墨板3、石墨盖板4和螺栓5。测试用石墨板的结构如图2所示，石墨板3上刻有多个相同深度、固定形状的凹槽7，测试前将一定厚度的待测密封件6按照测试要求以及特定的密封件成型工艺置于测试用石墨板3上，再将石墨盖板4覆于待测密封件6之上。根据工艺不同，这些密封件可以是预成型的，也可以是在石墨板上原位成型固化的，但在本发明中都被无区别地对待。 这样测试用石墨板3与密封件6和石墨盖板4共同围成了一个密闭的腔体，可以通过在这个腔体内注入一定酸度或者氧化性的溶液来模拟燃料电池反应时内部的化学环境。石墨板 3和石墨盖板4的对应位置设有多个螺孔8，安装时在两石墨板间的螺孔8处分别垫设一定厚度的调整垫片2。将石墨板3、石墨盖板4及调整垫片2置于夹具1中，通过螺栓5紧固至石墨板3、石墨盖板4与调整垫片2完全接触。这样，待测密封件6的压缩变形量就可以通过固定调整垫片2的高度得以保证。测试开始后，每隔24小时补充上述一定酸度或者氧化性的溶液一次，直至用户定义的测试终止时间。测试结束后，将密封件6从该耐久性测试装置中取出，用于后续表征。根据需要，这些表征手段可以包括各种常规密封件物化指标的测试，例如厚度、硬度、拉伸强度及压缩永久形变等物理指标以及离子溶出、高分子降解等化学指标。对比耐久性测试前后这些物化指标发生的变化，即可对待测密封件的耐久性做出综合评价。实施例1 以两种燃料电池密封件的耐久性同时测定为例。如图1所示，是一个同时测定分别由两种密封材料(即下文所称材料A和材料B， 其中材料A为硅酮、材料B为聚烯烃)构成的密封件耐久性的装置实施例。图2是本实施例中所采用的测试用石墨板的俯视图。但本实施例并不构成对由一个或两个以上测试组件构成的，可测试一种或多种燃料电池密封圈耐久性的测试装置的限制。如图2所示，将高度和宽度分别为Imm和2mm的由材料A构成的四个密封件6放置于深度和宽度分别为0. 5mm和3mm的密封凹槽7内，并在5个螺孔8处的石墨板3上表面分别垫上高度为0. 2mm的调整垫片2，这样密封件的压缩形变量即被固定在30%。然后， 将含有0. 05mol/L的HF、0. 05mol/L的H2SO4和0. 5mol/L的H2O2的混合水溶液分别注入四个密封件6所围的面积中，再盖上石墨盖板4。于是一个考察密封件6的耐久性的内部密闭环境就形成了。同样地，可形成由材料B构成的密封件的内部密闭环境。再通过螺栓5紧固夹具1至各垫片与上下面的石墨板完全接触。为了使模拟测试的结果更真实，还将该装置放于相对湿度80%，温度80°C的环境箱中。每隔24小时补充上述水溶液一次，直至1000 小时结束。测试结束后，将分别由材料A和材料B构成的密封件(各四个)从耐久性测试装置中取出，进行表征。首先，分别测试这些密封件的厚度与硬度，然后再测试其拉伸强度；将每种材料的四个密封件的测试结果进行算术平均，记录其平均值。硬度和拉伸强度的测试分别参照如下标准方法(1)硬度GB/T 1698-2003(2)拉伸强度GB/T 1701-2001表1显示了实测的密封件性能，并与耐久性测试前的密封件性能进行对比。表1材料A与材料B在耐久性测试前后的性能比较
权利要求
1.一种质子交换膜燃料电池密封件耐久性测试装置，其特征在于其包括石墨板、石墨盖板和待测密封件，石墨板上刻有凹槽，待测密封件置于凹槽内，并在待测密封件上部覆盖石墨盖板形成密封腔体。
2.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池密封件耐久性测试装置，其特征在于所述石墨板上的凹槽至少为一个，且各凹槽的深度相同。
3.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池密封件耐久性测试装置，其特征在于所述石墨板和石墨盖板的对应位置设有螺孔，连接件穿过该螺孔固定石墨板和石墨盖板。
4.如权利要求3所述的质子交换膜燃料电池密封件耐久性测试装置，其特征在于所述石墨板的螺孔处垫有调整垫片。
5.如权利要求3所述的质子交换膜燃料电池密封件耐久性测试装置，其特征在于其还包括夹具，夹具设有螺孔，置于石墨板和石墨盖板不相接触的两端面的外侧，通过连接件锁固石墨板和石墨盖板。
6.一种质子交换膜燃料电池密封件耐久性测试方法，其特征在于其包括以下步骤1)在进行耐久性测试前，先测试待测密封件的厚度、硬度及其拉伸强度；每个指标至少测五次，并进行算术平均，记录其平均值；2)将待测密封件制成权利要求1所述的测试装置的密封腔体，并在密封腔体中注入溶液，该溶液模拟燃料电池反应时内部的化学环境；3)将该测试装置放于相对湿度80%，温度800C的环境箱中，且每隔M小时补充上述溶液一次，直至测试结束；4)取出经耐久性测试后的待测密封件，再次测试其厚度、硬度及拉伸强度；每个指标至少测五次，并进行算术平均，记录其平均值；与步骤1)中的结果进行比较，以确定待测密封件的耐久性变化。
全文摘要
本发明公开了一种质子交换膜燃料电池密封件耐久性测试装置及方法，该装置包括石墨板、石墨盖板和待测密封件，石墨板上刻有凹槽，待测密封件置于凹槽内，并在待测密封件上部覆盖石墨盖板形成密封腔体。该方法是将待测密封件与石墨板形成前述测试装置中的密封腔体，并在密封腔体中注入溶液，该溶液可模拟燃料电池反应时内部的化学环境；将该装置置于一定的温湿度环境中一定时间后，取出密封件进行测试，以获得特定的酸度、氧化性、温度、压缩形变量和时间等因素的共同作用对于密封件耐久性的影响。
文档编号G01N17/00GK102175593SQ20111004590
公开日2011年9月7日 申请日期2011年2月25日 优先权日2011年2月25日
发明者吕洪, 张 浩, 杨代军, 林瑞, 郑俊生, 郑小亮, 马建新 申请人:同济大学