一种具有压力控制功能的膜电极组件电阻测量装置及方法与流程

[技术领域]

本发明属于氢燃料电池领域，具体地说是一种具有压力控制功能的膜电极组件电阻测量装置及方法。

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背景技术：
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膜电极组件(mea)是燃料电池电化学反应的核心组件，由质子交换膜、催化剂层、扩散层及边框组成，是燃料电池的心脏。mea性能的好坏，直接影响氢燃料电池的性能。而mea的电阻则是它的一个重要特性，电阻的大小直接影响mea的品质。

目前，测量mea的电阻没有标准的方法，一般是采用普通薄膜电阻的测试方法，该测试方法具体为：在薄膜两端放置两个电极，用手动方法通过旋转螺丝或者扳动手柄使两个电极夹在薄膜两端，通过伏安法计算出电极两端的电阻值。该测试方法对于普通薄膜测量没什么问题，但是对于mea的测量却有很大的局限性。首先，mea的电阻特性与压力有很大关系，现有的这种方法对压力没有控制或者控制的不够精确，会导致非常大的误差；其次，mea的电阻与时间也有关系，人工手动测量不能保证从开始测量到读数时的时间间隔的一致性。因此，这种测量方法测到的数据只能作为粗略参考，无法作为检测mea是否合格的依据。

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技术实现要素：
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本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种具有压力控制功能的膜电极组件电阻测量装置，对压力的控制精度和一致性都得到了大大的提高，减小了因压力带来的误差，同时减少了人力成本，大大提高了工作效率。

为实现上述目的设计一种具有压力控制功能的膜电极组件电阻测量装置，包括上电极1、下电极2、压力传感器3、台面4、气缸5、导杆6、电磁阀7、控制电路板8，所述下电极2嵌装于台面4中且不与台面4接触，所述下电极2的上表面与台面4的上表面位于同一水平面上，所述下电极2的上表面作为与膜电极组件的下接触面，所述下电极2的下表面固定在压力传感器3上，所述压力传感器3固定在底座9上，所述压力传感器3用于测量上电极1与下电极2间膜电极组件所承受的压力，所述上电极1位于下电极2的上方，且与下电极2相对布置，所述上电极1的下表面作为与膜电极组件的上接触面，所述上电极1的下表面面积小于下电极2的上表面面积，所述上电极1的上表面与导杆6相连接，所述导杆6另一端与气缸5的活塞端相连，所述上电极1在气缸5的带动下对膜电极组件施加压力，所述气缸5的进气口、排气口分别连接电磁阀7，所述电磁阀7另一端连接大气和压缩空气，所述电磁阀7的电路控制端通过线路连接控制电路板8，所述控制电路板8分别电连接上电极1、下电极2、压力传感器3。

进一步地，所述上电极1的下表面与侧面呈钝角，以免损伤膜电极组件。

进一步地，还设置有显示屏10，所述显示屏10通过线路连接控制电路板8。

进一步地，所述台面4底部设置有立柱，所述台面4通过立柱固定在底座9上。

进一步地，所述控制电路板8预留有通讯接口，并通过通讯接口与电脑通讯连接，以将测量到的数据传输至电脑。

本发明还提供了一种具有压力控制功能的膜电极组件电阻测量装置的测量方法，包括以下步骤：

1)在测试前，先进行压力校准，校准流程为：按下压力校准键，控制电路板控制上电极抬起，同时读取压力传感器的数值作为零点数值，且将此数值保存，之后测试过程中读到的压力数值减去此零点数值作为压力值；

2)然后设置测量时间、测试压力、测量电阻阈值、测量模式四个参数，其中，测量模式为分析模式和质检模式两种；分析模式用于完整地将所测量时间内的测量数据全部记录下来，绘制曲线供分析；质检模式用于检测产品是否合格，其检测速度快于分析模式；

3)测量时将膜电极组件放置在台面上，移动膜电极组件，使测量点位于上电极与下电极之间。

其中，分析模式的测量步骤为：①按下测量键，控制电路板发送控制信号，使电磁阀进气口导通，为气缸充气，气缸推动导杆连同上电极向下移动，同时实时监测压力传感器的数据；②当压力数据逐渐上升至设定值时，控制电磁阀进气口关闭，使上电极与下电极之间压力保持，此时，在上电极与下电极间加载恒定电压；③开始计时，同时实时监测上电极与下电极间通过的电流，每间隔一定时间，记录该时间点电流的值；当时间达到设定值时，根据电压和电流计算出膜电极组件测试点的电阻随时间的变化。还可在显示屏上将电流值和电阻值随时间的变化绘制成两条曲线，或者将测量数据传输到电脑保存，以备分析数据。

质检模式的测量步骤为：①按下测量键，控制电路板发送控制信号，使电磁阀进气口导通，为气缸充气，气缸推动导杆连同上电极向下移动，同时实时监测压力传感器的数据；②当压力数据逐渐上升至设定值时，控制电磁阀进气口关闭，使上电极与下电极之间压力保持，此时，在上电极与下电极间加载恒定电压；③开始计时，同时实时监测上电极与下电极间通过的电流，根据电压和电流计算出膜电极组件测试点的电阻；当电阻值大于设定值时，停止测量，显示质检合格并显示该电阻值；若到达最大测量时间电阻值还未大于设定值，则停止测量，显示质检不合格并显示该电阻值。

本发明同现有技术相比，具有如下优点：

(1)本发明采用了自动化控制，对压力的控制精度和一致性都得到了大大的提高，减小了因压力带来的误差；

(2)本发明对测量时间进行了精确控制，时间误差小于1ms，提高了测量的误差和一致性；

(3)本发明自动化测量的同时可以提高测量速度，减少了人力成本，可以实现自动化记录，利于数据导出，使效率大大提高；

(4)本发明具有分析和质检两种模式，从而既可以满足分析时所需的详细数据记录，也可以满足质检情况下快速检测出产品是否合格，值得推广应用；

(5)本发明克服了现有方法对压力没有控制或者控制不够精确所导致非常大的误差，以及人工手动测量不能保证从开始测量到读数时的时间间隔一致性的问题。

[附图说明]

图1是本发明的结构示意图；

图中：1、上电极2、下电极3、压力传感器4、台面5、气缸6、导杆7、电磁阀8、控制电路板9、底座10、显示屏。

[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，本发明提供了一种具有压力控制功能的膜电极组件电阻测量装置，包括上电极1、下电极2、压力传感器3、台面4、气缸5、导杆6、电磁阀7、控制电路板8，下电极2嵌装于台面4中且不与台面4接触，下电极2的上表面与台面4的上表面位于同一水平面上，下电极2的上表面作为与膜电极组件的下接触面，下电极2的下表面固定在压力传感器3上，压力传感器3固定在底座9上，压力传感器3用于测量上电极1与下电极2间膜电极组件所承受的压力，上电极1位于下电极2的上方，且与下电极2相对布置，上电极1的下表面作为与膜电极组件的上接触面，上电极1的下表面面积小于下电极2的上表面面积，上电极1的上表面与导杆6相连接，导杆6另一端与气缸5的活塞端相连，上电极1在气缸5的带动下对膜电极组件施加压力，气缸5的进气口、排气口分别连接电磁阀7，电磁阀7另一端连接大气和压缩空气，电磁阀7的电路控制端通过线路连接控制电路板8，控制电路板8分别电连接上电极1、下电极2、压力传感器3。其中，上电极1的下表面与侧面呈钝角，以免损伤mea；还设置有显示屏10，显示屏10也通过线路连接控制电路板8；台面4底部设置有立柱，台面4通过立柱固定在底座9上；控制电路板8还可预留有通讯接口，并通过通讯接口与电脑通讯连接，以将测量到的数据传输至电脑。

该具有压力控制功能的测量膜电极组件(mea)电阻的装置具体为：由上电极、下电极、压力传感器、台面、气缸、导杆、电磁阀、控制电路板和显示屏组成，其中，下电极的上表面作为与mea的接触面，其面积为4cm²，其与台面的上表面在同一水平面上，整个电极嵌于台面中间，但是不与台面接触；下电极下表面固定在压力传感器上，传感器固定在底座上，台面也通过柱子固定在底座上。上电极的下表面作为与mea的接触面，其面积为3cm²，略小于下电极的上表面，所以上电极的接触面作为mea测量电阻时的有效面积。上电极与导杆相连，导杆与气缸相连；气缸的进气口和排气口分别连接电磁阀，电磁阀的另一端连接大气和压缩空气，电磁阀的电路控制端连接控制电路板，另外控制电路板还连接上电极、下电极、压力传感器和显示屏。

该装置中各个部件的作用分别为：上电极和下电极用于在mea两侧加载电压和测量电流，用以计算mea的电阻。台面用以放置mea。压力传感器用以测量上下电极间mea所承受的压力。底座用以固定台面和下电极。导杆用以连接气缸和上电极。气缸用以上下移动上电极和通过上电极为mea施加压力。电磁阀用以控制气缸的进气和排气，从而使气缸导杆移动或者改变所施加的压力。控制电路板是整个系统的控制中心，具有以下几个作用：①控制电磁阀的开闭，使气缸运动和施压；②在上电极下电极之间加载电压，并测量两端电流，计算电阻；③读取压力传感器测量到的压力数据；④具有计时功能，精确记录测量时间，可测量电阻随时间变化；⑤数据发送功能，把测量到的数据发送给显示器，同时还留有通讯接口，可与电脑通讯，将数据传输到电脑。

本发明所述的具有压力控制功能的膜电极组件电阻测量装置的测量方法包括以下具体步骤：

在测试前，需要先进行一次压力校准，校准流程为：按下压力校准键，控制电路板控制上电极抬起，读取压力传感器的数值作为零点数值，且将此数值保存，之后测试过程中读到的数值减去此零点数值作为压力值。

测量前，首先设置测量时间、测试压力、测量电阻阈值、测量模式四个参数，参数只需设置一次。其中，测量模式有两种，模式1为分析模式，能够完整地将所测量时间内的测量数据全部记录下来，绘制曲线供分析；模式2为质检模式，该模式用来检测产品是否合格，速度较快。测量时将mea放置在台面上，移动mea，使测量点位于上下电极之间。

模式1的测量流程为：按下测量键，此仪器自动进行测量，测量过程如下，①控制电路板发送控制信号，使电磁阀进气口导通，为气缸充气，气缸推动导杆连同上电极向下移动，同时实时监测压力传感器的数据。②当压力数据逐渐上升至设定值700n时，控制电磁阀进气口关闭，使上下电极之间压力保持，此时，在上下电极间加载恒定电压0.1v。③此时开始计时，同时实时监测上下电极间通过的电流，每间隔一定时间，记录该时间点电流的值。当时间达到设定值30秒时，根据电压和电流计算出mea测试点的电阻随时间的变化，在显示屏上将电流值和电阻值随时间的变化绘制成两条曲线，如有必要，也可将测量数据传输到电脑保存，以备分析数据。

模式2的测量流程为：第①、②步与模式1相同，第③步稍有区别，具体为，③此时开始计时，同时实时监测上下电极间通过的电流，根据电压和电流计算出mea测试点的电阻，当电阻值大于设定值20ω时，停止测量，显示质检合格并显示该电阻值和测量时间。若到达最大测量时间30秒电阻值还未大于设定值，停止测量，显示质检不合格并显示该电阻值和测量时间。因产品绝大多数是合格品，所以这些合格品不需要达到最大测量时间，因此可加快检测速度。

本发明采用自动化控制，对压力的控制精度和一致性大大提高，减小了因压力带来的误差；同时自动化测量可以提高测量速度，减少人力成本，实现自动化记录，利于数据导出，使效率大大提高。而且，对测量时间进行了精确控制，时间误差小于1ms，从而提高了测量的误差和一致性。此外，本发明具有分析和质检两种模式，既可以满足分析时所需的详细数据记录，也可以满足质检情况下快速检测出产品是否合格。

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。