专利名称：一种压力与位移测控装置的制作方法
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(membrane electrode 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 effects of compression and gas diffusion layers on the performance of a PEM fuel 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. Mishra， F. Yang, R. Pitchumani. Measurement and Prediction of Electrical
Contact Resistance Between Gas Diffusion Layers and Bipolar Plate for Applications to PEM Fuel Cells[J]. Journal of Fuel Cell Science and Technology, 2004(1): 2-9.利用万能试验机研究了 GDL的压縮弹性模 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Iwao Nitta， Tero Hottinen， Olli Himanen， et al. Inhomogeneous compression of PEMFC gas diffusion layer Part I. Experimental [J]. Journal of Power Sources, 2007(171): 26-36.采用一系列不同厚度的刚性垫圈来限制GDL 的压縮量，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 縮量，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縮量对燃料电池特性 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
本发明要解决的技术问题是克服以上缺陷提供一种压力与位移测控装 置，满足质子交换膜燃料电池原位封装中对压力和位移的测量与控制要求， 尤其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，具有测量可靠、操作简单、实用性强的特点。该装置还可用于与封 装压力和位移相关的电池特性或其组件特性的测试。
本发明采取的技术方案是 一种压力与位移测控装置，其特征在于，
包括方形移动支撑平台38、矩形机架、动力施加部件、动力传递部件、导 向部件、压力测量部件和压缩量测量部件，其中方形移动支撑平台38底部 安装有四个万向脚轮39;矩形机架固定于方形移动支撑平台38之上，包括 底板3、顶板13、侧板28和顶承压模板26，其中侧板28有两块，用机架 连接螺钉14固定在底板3之上，顶板13用机架连接螺钉14固定在两块侧 板28之上，顶承压模板26用模板固定螺钉22固定在顶板13之上；动力 施加部件可采用手动加载或电动加载两种方式，采用手动加载方式时，包 括加力手柄la、手柄连接块37a、丝杠2、丝杠螺母5和压力调整部件，其 中丝杠螺母5用螺母固定螺钉6固定在底板3的螺母安装孔内，三根加力 手柄la的螺纹端旋入手柄连接块37a内并且沿圆周均匀分布，手柄连接块 37a旋紧在丝杠2的下端，丝杠2的另一端穿过丝杠螺母5并插入压力调整 部件内，压力调整部件由用调整块连接螺钉36连接在一起的上调整块33、
中调整块34和两块下调整块35组成；动力传递部件包括下承压模板7、可
调整弹性元件32、中承压模板8、上承压模板ll、上夹具连接板25和下夹 具连接板27，其中上夹具连接板25和下夹具连接板27分别用夹具连接板 螺钉24固定在顶承压模板26和上承压模板11之上，用于提高位移控制精 度的可调整弹性元件32放置在下承压模板7之上；导向部件包括导柱12、 导向导套10、下紧固导套4、上紧固导套18和导柱固定块16，其中导柱 12有四根，均布在装置四角，上端插入嵌入在顶板13内的上紧固导套18 内，下端插入嵌入在底板3内的下紧固导套4内，顶端用导柱固定螺钉17 与导柱固定块16连接，导柱固定块16用沿圆周分布的四根导柱固定块螺 钉15固定在顶板13之上，与导柱12配合的导向导套10共十二个，分别 用导套固定螺钉9固定于下承压模板7、中承压模板8和上承压模板11的 相应的导套安装孔内；压力测量部件布置于中承压模板8之上，包括称重 传感器29和四个夹持块31，其中四个夹持块31呈十字状布置并分别用两 根夹持块限位螺钉30固定在中承压模板8之上；压缩量测量部件包括位移 传感器19、位移测量杆23和位移传感器固定块21，其中位移传感器固定 块21安装在顶板13的方形豁口 a或方形槽b内并用两根固定块螺钉20固 定在顶承压模板26之上，位移传感器19的测量端插入位移传感器固定块 21的通孔内并用紧定螺钉40从侧面定紧，位移测量杆23的螺纹端旋入上 承压模板11内。
一种压力与位移测控装置，其特征在于，其动力施加部件采用电动加 载方式时，包括电动机lb、联轴器37b、丝杠2、丝杠螺母5和压力调整部 件，其中丝杠螺母5用螺母固定螺钉6固定在底板3的螺母安装孔内，电 动机lb的主轴通过联轴器37b与丝杠2的下端相连接，丝杠2的另一端穿 过丝杠螺母5并插入压力调整部件内，压力调整部件由用调整块连接螺钉 36连接于一起的上调整块33、中调整块34和两块下调整块35组成；动力 传递部件包括中承压模板8、上承压模板ll、上夹具连接板25和下夹具连 接板27，其中上夹具连接板25和下夹具连接板27分别用夹具连接板螺钉 24固定在顶承压模板26和上承压模板11之上；导向部件包括导柱12、导 向导套IO、下紧固导套4、上紧固导套18和导柱固定块16，其中导柱12 有四根，均布在装置四角，上端插入嵌入在顶板13内的上紧固导套18内， 下端插入嵌入在底板3内的下紧固导套4内，顶端用导柱固定螺钉17与导 柱固定块16连接，导柱固定块16用沿圆周分布的四根导柱固定块螺钉15 固定在顶板13之上，与导柱12配合的导向导套10共八个，分别用导套固 定螺钉9固定于中承压模板8和上承压模板11的相应的导套安装孔内。
一种压力与位移测控装置，其特征在于，所述夹持块31中央开有腰形
调整槽C，夹持块限位螺钉30穿过腰形调整槽C将夹持块31固定在中承压
模板8之上，夹持块31的一端加工成内凹圆弧d，安装时，内凹圆弧d靠 紧称重传感器29的圆形外壁。
本发明的显著效果是实现了在监测质子交换膜燃料电池性能参数的情 况下，调节封装压力和位移，进行原位封装的目的。该装置操作简单、实 用性强，可大大提高燃料电池封装的成品率和效率。该装置还可用于与封 装压力和位移有关的电池特性或其组件特性的测试，可大大提高测试的精 度和效率。
图1是手动加载的压力与位移测控装置主视图。
图2是该装置顶部装配示意图。
图3是称重传感器及其固定方式示意图。
图4是手动加载的动力施加部件装配示意图。
图5是电动加载的压力与位移测控装置主视图。
其中la-加力手柄，lb-电动机，2-丝杠，3-底板，4-下紧固导套， 5-丝杠螺母，6-螺母固定螺钉，7-下承压模板，8-中承压模板，9-导套固 定螺钉，10-导向导套，11-上承压模板，12-导柱，13-顶板，14-机架连接 螺钉，15-导柱固定块螺钉，16-导柱固定块，17-导柱固定螺钉，18-上紧 固导套，19-位移传感器，20-固定块螺钉，21-位移传感器固定块，22-模 板固定螺钉，23-位移测量杆，24-夹具连接板螺钉，25-上夹具连接板，26-顶承压模板，27-下夹具连接板，28-侧板，29-称重传感器，30-夹持块限 位螺钉，31-夹持块，32-弹性元件，33-上调整块，34-中调整块，35-下调 整块，36-调整块连接螺钉，37a-手柄连接块，37b-联轴器，38-方形移动 支撑平台，39-万向脚轮，40-紧定螺钉，a-方形豁口， b-方形槽，c-腰形 调整槽，d-内凹圆弧。
具体实施例方式
以下结合技术方案和附图详细说明本发明的实施。如附图1、附图5所 示，本发明提供一种压力与位移测控装置，包括方形移动支撑平台、矩形 机架、动力施加部件、动力传递部件、导向部件、压力测量部件和压縮量 测量部件。所述动力施加部件可采用手动加载方式或电动加载方式，动力 传递部件由多块之间具有很高平行度的承压模板组成，固定在动力传递部 件末端的夹具连接板可方便的与燃料电池夹具相连接。动力施加部件将动 力传递至动力传递部件，动力传递过程中，由导向部件保证各承压模板相 互间的平行，依靠机构的平行度保证所压燃料电池或其组件均匀受压。压 力测量部件的称重传感器放置于动力传递部件的两块承压模板之间，动力
经由该称重传感器传递，从而实现压力的测量。压縮量测量部件的传感器 固定于机架之上，与该传感器对应的位移测量杆固定于动力传递部件末端 的承压模板上，该传感器通过测量该位移测量杆顶端位置的变化，实现压 縮量的测量。该压力与位移测控装置可方便地与其电化学工作站等测量仪 器相连接，实现了在监测质子交换膜燃料电池性能参数的情况下，调节封 装压力和位移，进行原位封装的目的。
实施例一是采用手动加载的压力与位移测控装置，运用了以下原理 两弹性元件串联后，其整体刚度系数减小，且两串联弹性元件的压縮量之 比为其刚度系数的反比。根据以上原理，在装置中设置有一弹性元件32， 将其与所压燃料电池或其组件形成串联关系，并设计其刚度系数小于所压 燃料电池或其组件的刚度系数，则可降低对人手控制精度的要求。如附图1、
附图2、附图3和附图4所示，采用手动加载的压力与位移测控装置包括方 形移动支撑平台38、矩形机架、动力施加部件、动力传递部件、导向部件、 压力测量部件和压縮量测量部件，其中弹性元件32采用弹簧并联方式，所 用弹簧按刚度系数分为多组，每组包括4至6根刚度系数一致的弹簧，使 用时，根据所压试样的刚度系数更换弹簧的数量或者型号，压縮试样的刚 度系数越小，所使用的弹簧刚度系数越小，数量也越少，位移传感器固定 块21尽量布置于顶板13的左右方形槽b内，以减小压缩量测量误差，当 所压燃料电池或其组件面积较大不允许将位移传感器固定块21布置于方形 槽b内时，可将其布置于顶板13的前后方形豁口 a内。
封装开始前，首先估计待封装燃料电池组件的刚度系数，确定组成弹 性元件32所需的弹簧的刚度系数和数量，并将之均布于下承压模板7之上， 然后将放置有待封装燃料电池组件的夹具固定于下夹具连接板27和上夹具 连接板25之间，将位移传感器19插入位移传感器固定块21的通孔内并旋 紧紧定螺钉40使位移传感器19固定，旋动位移测量杆23至合适高度，保 证在封装过程中位移传感器19不超出量程。封装过程中，缓慢旋动加力手 柄la带动丝杠2上升将作用力传递给压力调整部件，当丝杠2的轴线在加 压过程中发生轻微倾斜时，压力调整部件可以保证压力仍然施加于下承压 模板7的中心，并且调整块33的存在避免了丝杠2顶端直接接触下承压模 板7致使其磨损；在导柱12与导向导套10的导向下，作用力依次传递至 下承压模板7、弹性元件32、中承压模板8，然后经由固定于中承压模板8 上的称重传感器29传递至上承压模板11，从而实现压力的施加；在此过程 当中，称重传感器29测量压力的数值，并通过相应的显示装置显示出来， 同时位移传感器19的测量头与位移测量杆23顶端接触并受到压縮，显示 燃料电池组件的压縮量；调节封装压力和压縮量，并由电化学工作站或其
他测量仪器等观测燃料电池的性能，直至达到其最佳封装状态；在此状态 下，通过螺栓紧固、环氧树脂灌封或其他封装方法对燃料电池进行封装。
封装完成后，反向旋转加力手柄la，松开燃料电池，之后可将其取下。
实施例二是采用电动加载的压力与位移测控装置，利用电动机如步进
电机等对燃料电池或其组件实现精确施压。如附图5、附图2和附图3所示， 采用电动加载的压力与位移测控装置包括方形移动支撑平台38、矩形机架、 动力施加部件、动力传递部件、导向部件、压力测量部件和压縮量测量部 件，其中位移传感器固定块21尽量布置于顶板13的左右方形槽b内，以 减小压缩量测量误差，当所压燃料电池或其组件面积较大不允许将位移传 感器固定块21布置于方形槽b内时，可将其布置于顶板13的前后方形豁 口 a内。
封装开始前，将放置有待封装燃料电池组件的夹具固定于下夹具连接 板27和上夹具连接板25之间，将位移传感器19插入位移传感器固定块21 的通孔内并旋紧紧定螺钉40使位移传感器19固定，旋动位移测量杆23至 合适高度，保证在封装过程中位移传感器19不超出量程。封装过程中，启 动电动机lb，由联轴器37b带动丝杠2上升将作用力传递给压力调整部件， 当丝杠2的轴线在加压过程中发生轻微倾斜时，压力调整部件可以保证压 力仍然施加于中承压模板8的中心，并且调整块33的存在避免了丝杠2顶 端直接接触中承压模板8致使其磨损；在导柱12与导向导套10的导向下， 作用力依次传递至中承压模板8、称重传感器29、上承压模板ll，从而实 现压力的施加；在此过程当中，称重传感器29测量压力的数值，并通过相 应的显示装置显示出来，同时位移传感器19的测量头与位移测量杆23顶 端接触并受到压縮，显示燃料电池或其组件的压縮量；调节封装压力和压 縮量，并由电化学工作站或其他测量仪器等观测燃料电池的性能，直至达 到其最佳封装状态；在此状态下，通过螺栓紧固、环氧树脂灌封或其他封 装方法对燃料电池进行封装。封装完成后，反向启动电动机lb，松开燃料 电池，之后可将其取下。
实施例1和2所述的压力与位移测控装置，还可用于与封装压力和位 移有关的电池特性或其组件特性的测试，如燃料电池在不同封装压力下的 I-V曲线测试，气体扩散层压缩弹性模量测定，流场板与气体扩散层接触电 阻测定等。
对实施例1和2所述的压力与位移测控装置，当所要封装或测试的燃 料电池组件的面积或者材质差别很大时，试样的整体刚度系数差别可能也 很大，这时需要更换称重传感器29以满足量程和精度的要求，更换时首先 抬起上承压模板11，然后松开夹持块限位螺钉30并沿腰形调整槽c调整夹
持块31的位置，更换称重传感器，之后再次调整夹持块31的位置使内凹
圆弧d靠紧称重传感器29的外壁，最后旋紧夹持块限位螺钉30使夹持块 31位置固定，即完成称重传感器29的更换。
本发明提供的压力与位移测控装置，实现了在监测质子交换膜燃料电 池性能参数的情况下，调节封装压力和位移，进行原位封装的目的。该装 置可采用手动加载或电动加载，手动加载时采用串联弹性元件方法提高位 移控制精度，电动加载时采用高精度电机进行位移控制；其采用多导柱导 向，以相互平行的承压模板对燃料电池或其组件进行均匀压缩，并由相应 传感器对压力和位移进行测量，测量结果可实时显示。该装置具有操作简 单、实用性强的特点，可大大提高燃料电池封装的成品率和效率。该装置 还可用于与封装压力和位移有关的电池特性或其组件特性的测试，可大大 提高测试的精度和效率。
权利要求
1. 一种压力与位移测控装置，其特征在于，包括方形移动支撑平台(38)、矩形机架、动力施加部件、动力传递部件、导向部件、压力测量部件和压缩量测量部件，其中方形移动支撑平台(38)底部安装有四个万向脚轮(39)；矩形机架固定于方形移动支撑平台(38)之上，包括底板(3)、顶板(13)、侧板(28)和顶承压模板(26)，其中侧板(28)有两块，用机架连接螺钉(14)固定在底板(3)之上，顶板(13)用机架连接螺钉(14)固定在两块侧板(28)之上，顶承压模板(26)用模板固定螺钉(22)固定在顶板(13)之上；动力施加部件采用手动加载或电动加载两种方式，采用手动加载方式时，包括加力手柄(1a)、手柄连接块(37a)、丝杠(2)、丝杠螺母(5)和压力调整部件，其中丝杠螺母(5)用螺母固定螺钉(6)固定在底板(3)的螺母安装孔内，三根加力手柄(1a)的螺纹端旋入手柄连接块(37a)内并且沿圆周均匀分布，手柄连接块(37a)旋紧在丝杠(2)的下端，丝杠(2)的另一端穿过丝杠螺母(5)并插入压力调整部件内，压力调整部件由用调整块连接螺钉(36)连接在一起的上调整块(33)、中调整块(34)和两块下调整块(35)组成；动力传递部件包括下承压模板(7)、可调整弹性元件(32)、中承压模板(8)、上承压模板(11)、上夹具连接板(25)和下夹具连接板(27)，其中上夹具连接板(25)和下夹具连接板(27)分别用夹具连接板螺钉(24)固定在顶承压模板(26)和上承压模板(11)之上，用于提高位移控制精度的可调整弹性元件(32)放置在下承压模板(7)之上；导向部件包括导柱(12)、导向导套(10)、下紧固导套(4)、上紧固导套(18)和导柱固定块(16)，其中导柱(12)有四根，均布在装置四角，上端插入嵌入在顶板(13)内的上紧固导套(18)内，下端插入嵌入在底板(3)内的下紧固导套(4)内，顶端用导柱固定螺钉(17)与导柱固定块(16)连接，导柱固定块(16)用沿圆周分布的四根导柱固定块螺钉(15)固定在顶板(13)之上，与导柱(12)配合的导向导套(10)共十二个，分别用导套固定螺钉(9)固定于下承压模板(7)、中承压模板(8)和上承压模板(11)的相应的导套安装孔内；压力测量部件布置于中承压模板(8)之上，包括称重传感器(29)和四个夹持块(31)，其中四个夹持块(31)呈十字状布置并分别用两根夹持块限位螺钉(30)固定在中承压模板(8)之上；压缩量测量部件包括位移传感器(19)、位移测量杆(23)和位移传感器固定块(21)，其中位移传感器固定块(21)安装在顶板(13)的方形豁口(a)或方形槽(b)内并用两根固定块螺钉(20)固定在顶承压模板(26)之上，位移传感器(19)的测量端插入位移传感器固定块(21)的通孔内并用紧定螺钉(40)从侧面定紧，位移测量杆(23)的螺纹端旋入上承压模板(11)内。
2. 如权利要求l所述的一种压力与位移测控装置，其特征在于，其动力施加部件采用电动加载方式时，包括电动机(lb)、联轴器(37b)、丝杠(2)、 丝杠螺母(5)和压力调整部件，其中丝杠螺母(5)用螺母固定螺钉(6) 固定在底板(3)的螺母安装孔内，电动机(lb)的主轴通过联轴器(37b) 与丝杠(2)的下端相连接，丝杠(2)的另一端穿过丝杠螺母(5)并插入 压力调整部件内，压力调整部件由用调整块连接螺钉(36)连接于一起的 上调整块(33)、中调整块(34)和两块下调整块(35)组成；动力传递部 件包括中承压模板(8)、上承压模板(11)、上夹具连接板(25)和下夹具 连接板(27)，其中上夹具连接板(25)和下夹具连接板(27)分别用夹具 连接板螺钉(24)固定在顶承压模板(26)和上承压模板(11)之上；导 向部件包括导柱(12)、导向导套(10)、下紧固导套(4)、上紧固导套(18) 和导柱固定块(16)，其中导柱(12)有四根，均布在装置四角，上端插入 嵌入在顶板(13)内的上紧固导套(18)内，下端插入嵌入在底板(3)内 的下紧固导套(4)内，顶端用导柱固定螺钉(17)与导柱固定块(16)连 接，导柱固定块(16)用沿圆周分布的四根导柱固定块螺钉(15)固定在 顶板(13)之上，与导柱(12)配合的导向导套(10)共八个，分别用导 套固定螺钉(9)固定于中承压模板(8)和上承压模板(11)的相应的导 套安装孔内。
3. 如权利要求1或2所述的压力与位移测控装置，其特征在于，所述夹持 块(31)中央开有腰形调整槽(c)，夹持块限位螺钉(30)穿过腰形调整 槽(c)将夹持块(31)固定在中承压模板(8)之上，夹持块(31)的一 端加工成内凹圆弧(d)，安装时，内凹圆弧(d)靠紧称重传感器(29)的 圆形外壁。
全文摘要
本发明一种压力与位移测控装置涉及一种测控装置，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。该装置包括方形移动支撑平台、矩形机架、动力施加部件、动力传递部件、导向部件、压力测量部件和压缩量测量部件。动力施加部件可采用手动加载或电动加载两种方式，采用手动加载方式时，包括加力手柄、手柄连接块、丝杠、丝杠螺母和压力调整部件，当采用电动加载方式，包括电动机、联轴器、丝杠、丝杠螺母和压力调整部件。本发明操作简单、测量可靠、实用性强，提高了封装和测试的精度及效率。
文档编号H01M8/00GK101388464SQ20081022804
公开日2009年3月18日 申请日期2008年10月9日 优先权日2008年10月9日
发明者冲 刘, 施维枝, 梁军生, 王立鼎, 马天亮 申请人:大连理工大学