一种适用于金属燃料电池的性能测试装置

1.本发明涉及金属燃料电池领域，特别是涉及一种适用于金属燃料电池的性能测试装置。


背景技术：

2.金属燃料电池具有低成本、无毒、无污染、放电电压平稳、高比能量和高比功率等优点，又有丰富的资源，还能再生利用，是一种具有巨大发展和应用前景的新能源。近年来，随着一些理论工艺的发展与完善，金属燃料电池在电动车辆、国防工业、交通设备等领域有广泛的生产应用，并且在一些新兴能源产业中具有极大的发展潜力，但是与金属燃料电池产品生产环节相关的测试标准和设备尚未充分发展成完整的生态链。目前行业内对于各类金属燃料电池的核心性能指标，例如密封性能和放电性能，缺乏具体清晰的标准与定义，在这些性能测试装置方面也缺少一款能够适用于各种金属燃料电池产品出厂时检验及测试的性能测试仪器。检测指标与测试设备的缺失和不足，导致金属燃料电池在应用市场、产业选择等环节中缺乏足够的吸引力，难以达到其他类别电池产业的竞争力。
3.现有的技术具体有以下几个缺点：
4.1.关于金属燃料电池的研究与专利大多集中在电池理论设计结构(如cn202122267399.8、cn202122753280.1)、与外界热传递振动传递的交互技术(如cn202010325788.9、cn202111141482.9)、以及新型材料的应用方面(如cn202110592807.9、cn201580066255.0)，对于性能测试等产品生产后续步骤有所忽视，这些性能测试缺乏标准化的指标支持，也导致金属燃料电池难以投入市场进行生产与使用。
5.2.在金属燃料电池的性能测试方面，现有技术主要是对于耐久性能测试(如cn202010263777.2、cn201910447903.7)和电池温度维持性能测试(如cn201810958448.2)，对于金属燃料电池两项核心性能测试，即密封性能与放电性能测试，缺少明确意义上的测试标准。现有技术与现行标准无法满足金属燃料电池出厂时的核心性能测试需求。
6.3.电池性能测试使用的装夹设备与性能测试装置之间缺乏硬件上的联系(如cn201811527075.x、cn01254481.7)，装夹设备也未考虑到不同金属燃料电池、不同电池连接方式甚至不同尺寸、不同数量电池单体之间的几何外形差异性，也并未考虑电气线路的连接、电解液管路的外部循环，导致装夹装置一定程度上会阻碍产品的性能测试，因此需要多方面考虑，将电堆几何外形、线路管路连接、电池测试需求三方面综合考虑，将装夹设备与性能测试装置两者有机地集合起来，来满足金属燃料电池性能测试的需要。
7.4.金属燃料电池不同测试标准之间的联系被人为的割裂开，客观上造成了测试环节的不连贯性，也导致了对某一金属燃料电池的不同测试之间内部因素存在相互影响，以及电堆性能测试的时效性难以符合要求。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种适用于金属燃料电池的性能测试装置，以满足出厂电池
大批量与多类型的兼容要求，以及密封测试与放电测试的同步进行。
9.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
10.一种适用于金属燃料电池的性能测试装置，所述性能测试装置包括：自适应装夹设备、升降控制台、测试水池、密封性能测试设备和放电性能测试设备；
11.自适应装夹设备设置在测试水池中；所述自适应装夹设备用于对不同尺寸外形的电堆进行自主定位与夹紧；
12.升降控制台与自适应装夹设备连接，所述升降控制台用于控制自适应装夹设备的升降，调控自适应装夹设备到测试水池底部的高度；
13.密封性能测试设备与测试水池连接，所述密封性能测试设备用于通过所述测试水池对金属燃料电池进行密封性能测试；
14.放电性能测试设备与自适应装夹设备中的金属燃料电池连接，所述放电性能测试设备用于对金属燃料电池进行放电性能测试。
15.可选的，所述自适应装夹设备包括：托台、两个展板、四个夹紧结构和四个升降环；
16.两个展板均呈梳齿状，托台的相对两侧均呈与展板相匹配的梳齿状，每个展板与托台一侧可伸缩连接；当两个展板不展开时，与托台组成一块完整的平板；两个展板根据电堆的尺寸展开相对应的长度，展板的梳齿之间的空隙用于让电堆泄露的电解液流下并在测试水池中收集；
17.两个夹紧结构相对设置在两个展板上，另外两个夹紧结构相对设置在托台上，两个夹紧结构的连线与另外两个夹紧结构的连线垂直；四个夹紧结构用于对不同尺寸外形的电堆进行自主定位与夹紧；
18.四个升降环与托台固定连接，四个升降环的控制端与升降控制台连接；四个所述升降环用于在升降控制台的控制下带动托台与电堆进行升降，调控电堆到测试水池底部的高度。
19.可选的，所述夹紧结构包括：高度调节支杆、高度锁紧装置、夹紧支杆、球铰连接装置和自适应爪板；
20.高度调节支杆的一端与高度锁紧装置连接，高度调节支杆的另一端与夹紧支杆的一端垂直连接；高度锁紧装置固定在展板或托台上；夹紧支杆的另一端通过球铰连接装置与自适应爪板连接；自适应爪板可绕球铰连接装置旋转120
°
；
21.高度调节支杆用于调节垂向高度，使夹紧支杆轴线与电堆轴线重合，并通过高度锁紧装置固定；
22.夹紧支杆用于调节水平伸长度，通过自适应爪板夹紧电堆。
23.可选的，所述自适应爪板包括：三向杆和连接平板；
24.三向杆的一端与连接平板的同一侧面连接，三向杆的另一端与球铰连接装置连接。
25.可选的，所述性能测试装置还包括：四个升降柱；
26.四个升降柱的一端与测试水池的底部固定连接；四个升降柱分别一一对应地穿过四个升降环，所述自适应装夹设备沿着升降柱上下移动。
27.可选的，所述密封性能测试设备包括：蒸馏水箱、蒸馏水管、水泵、电子质量秤和漏水检测仪器；
28.蒸馏水箱通过蒸馏水管与测试水池连接，蒸馏水管上设置有水泵；所述蒸馏水箱用于通过蒸馏水管和水泵向测试水池提供密封性能测试渗透实验所需的蒸馏水；
29.电子质量秤设置在测试水池的下方，所述电子质量秤用于密封性能测试泄露实验时测量电堆反应运行前后的质量，从而得到电堆漏水量；
30.漏水检测仪器用于密封性能测试泄露实验时放置在测试水池底部，检测是否存在电堆泄露现象。
31.可选的，所述电堆漏水量的计算公式为
[0032][0033]
式中，v
t
为单位时间电堆运行泄露量，v
l
为时间t1内泄露液体体积，m
l
为时间t1内运行泄露液体质量，ρs为泄露液体密度，m0为电堆在稳定运行时开始测量初始质量，m1为测量结束质量。
[0034]
可选的，所述性能测试装置还包括：测试平台；
[0035]
测试平台分为三层，包括顶层、中间层和底层；所述顶层用于放置电子质量秤；所述中间层用于放置蒸馏水箱；所述底层用于放置金属燃料电池的电解液循环系统和附属设备。
[0036]
可选的，所述放电性能测试设备包括：电学测试设备、数据采集仪和电脑；
[0037]
电堆的阴阳极接线柱连接至电学测试设备的正负极上；
[0038]
电学测试设备的信号输出端与数据采集仪的信号输入端连接，数据采集仪的信号输出端与电脑连接；
[0039]
所述电学测试设备用于采集电堆的电学参数数据，并传输至数据采集仪；
[0040]
所述数据采集仪用于将采集的电学参数数据形成时域数据集文件，并传输至电脑；
[0041]
所述电脑用于对时域数据集文件中的电学参数数据进行分析与计算，完成放电性能测试。
[0042]
可选的，放电性能评价的测试指标包括：平均稳定运行功率we与最大功率差w
δ
；
[0043]
所述平均稳定运行功率we的计算公式为：式中，w
t
为电堆实时功率，t2为电堆稳定运行测试时长；
[0044]
所述最大功率差w
δ
的计算公式为：w
δ
＝|w
e-(w
t
)
max
|；式中，(w
t
)
max
为电堆实时功率的最大值。
[0045]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0046]
本发明公开一种适用于金属燃料电池的性能测试装置，自适应装夹设备能够对不同尺寸外形的电堆进行自主定位与夹紧，且能够根据外形自适应的固定，密封性能测试设备通过测试水池对金属燃料电池进行密封性能测试，放电性能测试设备对金属燃料电池进行放电性能测试。本发明可以同时进行密封与放电两种性能测试，并可实现不同电解液的灌注以及不同尺寸、不同数量电池单体组成的电堆的测量，满足出厂电池大批量与多类型的兼容要求。
附图说明
[0047]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0048]
图1为本发明实施例提供的一种适用于金属燃料电池的性能测试装置的结构示意图；
[0049]
图2为本发明实施例提供的自适应装夹设备的结构示意图；
[0050]
图3为本发明实施例提供的升降控制台的结构示意图；
[0051]
图4为本发明实施例提供的放电性能测试设备接线图。
[0052]
符号说明：1升降控制台，2升降柱，3自适应装夹设备，3-1托台，3-2展板，3-3高度调节支杆，3-4高度锁紧装置，3-5夹紧支杆，3-6球铰连接装置，3-7升降环，3-8自适应爪板，4测试水池，5电子质量秤，6蒸馏水管，7水泵，8测试平台，9蒸馏水箱，10电学测试设备，11数据采集仪，12电脑，13电堆。
具体实施方式
[0053]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0054]
本发明的目的是提供一种适用于金属燃料电池的性能测试装置，以满足出厂电池大批量与多类型的兼容要求，以及密封测试与放电测试的同步进行。
[0055]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0056]
金属燃料电池也称金属空气电池，是以金属为燃料，与空气中的氧气发生氧化还原反应产生电能的一种特殊燃料电池。金属燃料电池结构由金属阳极、电解质、空气阴极构成，以电极电位较负的活泼固体金属(如铝、锌、锂、镁等)为燃料源，以碱性溶液或中性盐溶液为电解液，以空气中的氧作为阴极，具有低成本、无毒、无污染、放电电压平稳、高比能量和高比功率等优点。
[0057]
密封性能与放电性能是金属燃料电池的两个重要的核心性能指标，密封性能是保证合格的电池产品达到一定的防漏标准：第一、电解质溶液不得泄露出电池，第二、任何水分不得泄漏入电池，密封性能测试是检验金属燃料电池的密封性的标准测试。放电性能是电池在稳定工况下放电的电池内阻、开路电压、放电功率等电学参数以及放电过程中温度变化的指标，放电性能测试是检验金属燃料电池的放电性能的标准测试。
[0058]
本发明创新性的将金属燃料电池的密封性能与放电性能这两个核心性能指标测试有机组合在一起，设计了一种适用于金属燃料电池的性能测试装置，并且配合该装置，对金属燃料电池的出厂检验定义了明确的性能测试指标。如图1所示，本发明实施例提供的一种适用于金属燃料电池的性能测试装置包括：自适应装夹设备3、升降控制台1、测试水池4、密封性能测试设备和放电性能测试设备。自适应装夹设备3设置在测试水池4中，自适应装
夹设备3用于对不同尺寸外形的电堆13进行自主定位与夹紧，并且能够根据外形自适应的固定。升降控制台1与自适应装夹设备3连接，升降控制台1用于控制自适应装夹设备3的升降，调控自适应装夹设备3到测试水池4底部的高度。密封性能测试设备与测试水池4连接，密封性能测试设备用于通过所述测试水池4对金属燃料电池进行密封性能测试。放电性能测试设备与自适应装夹设备3中的金属燃料电池连接，放电性能测试设备用于对金属燃料电池进行放电性能测试。其中，电堆13由多片金属燃料电池单体通过串联或并联的电气结构连接组成的一个复数电池整体，单体间有通道用于交互电解液。电解液是化学电池中使用的有一定的腐蚀性介质，为金属燃料电池的正常工作提供离子。
[0059]
该性能测试装置能够自适应地夹持各种金属燃料电池和电堆13，同时进行密封与放电两种性能测试，可实现不同电解液的灌注以及不同尺寸、不同数量电池单体的测量，适用于目前所有的金属燃料电池厂商在电池出厂时的检验及测试。
[0060]
下面结合附图进一步详细说明性能测试装置的具体结构。
[0061]
参照图2，自适应装夹设备3包括：托台3-1、两个展板3-2、四个夹紧结构和四个升降环3-7。两个展板3-2均呈梳齿状，托台3-1的相对两侧均呈与展板3-2相匹配的梳齿状，每个展板3-2与托台3-1一侧可伸缩连接；当两个展板3-2不展开时，与托台3-1组成一块完整的平板；两个展板3-2根据电堆13的尺寸展开相对应的长度，展板3-2的梳齿之间的空隙用于让电堆13泄露的电解液流下并在测试水池4中收集。两个夹紧结构相对设置在两个展板3-2上，另外两个夹紧结构相对设置在托台3-1上，两个夹紧结构的连线与另外两个夹紧结构的连线垂直；四个夹紧结构用于对不同尺寸外形的电堆13进行自主定位与夹紧。四个升降环3-7与托台3-1固定连接，四个升降环3-7的控制端与升降控制台1连接；四个所述升降环3-7用于在升降控制台1的控制下带动托台3-1与电堆13进行升降，调控电堆13到测试水池4底部的高度。
[0062]
夹紧结构包括：高度调节支杆3-3、高度锁紧装置3-4、夹紧支杆3-5、球铰连接装置3-6和自适应爪板3-8。高度调节支杆3-3的一端与高度锁紧装置3-4连接，高度调节支杆3-3的另一端与夹紧支杆3-5的一端垂直连接；高度锁紧装置3-4固定在展板3-2或托台3-1上；夹紧支杆3-5的另一端通过球铰连接装置3-6与自适应爪板3-8连接；自适应爪板3-8可绕球铰连接装置3-6旋转120
°
。高度调节支杆3-3用于调节垂向高度，使夹紧支杆3-5轴线与电堆13轴线重合，并通过高度锁紧装置3-4固定。夹紧支杆3-5用于调节水平伸长度，通过自适应爪板3-8夹紧电堆13。
[0063]
自适应爪板3-8包括：三向杆和连接平板。三向杆的一端与连接平板的同一侧面连接，三向杆的另一端与球铰连接装置3-6连接。
[0064]
性能测试装置还包括：四个升降柱2。四个升降柱2的一端与测试水池4的底部固定连接；四个升降柱2分别一一对应地穿过四个升降环3-7，所述自适应装夹设备3沿着升降柱2上下移动。
[0065]
作为一种优选方式，夹紧支杆3-5接入液压控制系统，可由液压系统控制夹紧支杆3-5伸长，并且提供一定的夹紧力防止掉落。整个自适应装夹设备3通过托台3-1四角的升降环3-7固定水平位置和垂向的平移量，实现平台自动升降。
[0066]
自适应装夹设备3的具体工作原理是：首先根据电堆13的轴向尺寸，大致确定安装的径向尺寸，即托台3-1与两块展板3-2的总长度，确定展板3-2伸长量并固定位置，调整高
度调节支杆3-3，使夹紧支杆3-5轴线与电堆13轴线重合并通过高度锁紧装置3-4固定。液压系统控制四个方向上的夹紧支杆3-5伸长到夹住电堆13，并提供给夹板足够的夹紧力，两侧进出水口如果发生干涉，可调节高度调节支杆3-3二次定位。在做密封性能测试时，需要将整个电堆13没入液面以下，升降环3-7在升降控制台1的操控下带动整个自适应装夹设备3与电堆13垂向下降到测试水池4底部。
[0067]
自适应装夹设备3与升降控制台1组装配合如图3所示，图3中，升降柱2与测试水池4底部焊接在一起，可以驱动自适应装夹设备3上下移动。电堆13安装时，升降控制台1操控自适应装夹设备3下落到测试水池4底部，安装完电堆13后进行放电性能测试。做密封性能测试泄露实验时，需要将自适应装夹设备3与待测试电堆13抬升，底部放置漏水检测仪器(漏水检测试纸)用于检测是否存在泄露现象；做渗透实验时，将装夹设备与电堆13(待测试电堆)下落至底部，测试水池4开始进水至液面没过电堆13壳体顶部。检测试纸：密封性试验的检测试纸采用石蕊试纸，金属燃料电池的电解液反应后含有碱性物质，例如镁燃料电池反应产物有氢氧化镁呈碱性，红色石蕊试纸遇到碱性物质会变成蓝色，因此可以观察石蕊试纸是否变色来检测电堆13是否存在电解液泄露现象。
[0068]
示例性的，密封性能测试设备包括：蒸馏水箱9、蒸馏水管6、水泵7、电子质量秤5和漏水检测仪器。如图1所示，蒸馏水箱9通过蒸馏水管6与测试水池4连接，蒸馏水管6上设置有水泵7。蒸馏水箱9用于通过蒸馏水管6和水泵7向测试水池4提供密封性能测试渗透实验所需的蒸馏水。电子质量秤5设置在测试水池4的下方，电子质量秤5用于密封性能测试泄露实验时测量电堆13反应运行前后的质量，从而得到电堆13漏水量。漏水检测仪器用于密封性能测试泄露实验时放置在测试水池4底部，检测是否存在电堆13泄露现象。
[0069]
泄漏水量的计算：
[0070]
设待测试电堆在稳定运行时开始测量初始质量m0，记录一定时间t1的电学参数数值变化后，测量结束质量m1，则待测试电堆在该段时间内运行泄露液体质量m
l
为
[0071]ml
＝m
0-m1[0072]
泄露液蒸发量小，计算中将其忽略不考虑。开始计算泄露液体体积v
l
为
[0073][0074]
计算单位时间电堆运行泄露量v
t
：
[0075][0076]
将单位时间电堆泄露量v
t
作为测试指标代入评价体系。
[0077]
电堆漏水量的计算公式为
[0078][0079]
性能测试装置还包括：测试平台8。测试平台8分为三层，包括顶层、中间层和底层。顶层用于放置电子质量秤5；中间层用于放置蒸馏水箱9。底层用于放置金属燃料电池的电解液循环系统和附属设备。
[0080]
由图1可看出，测试平台8分为三层，顶层安放放电性能测试以及密封性能测试的
主要设备，升降控制台1控制自适应装夹设备3及待测电堆13沿着升降柱2上下移动，满足不同测试的需求。待测试电堆13安装于自适应装夹设备3中，阴阳极接线柱连接电学测试设备10，可以实时观测各项电学指标数值，所测数值用于放电性能测试的评价中。测试水池4用于在密封性能测试渗透实验中检查电堆13壳体的气体密封性。电子质量秤5测量装夹设备整体的质量，根据反应运行前后的质量变化推算电堆13设备漏水量，精度精确到克，所测数值用于泄露实验评价中。第二层放置蒸馏水箱9，提供密封性能测试渗透实验所需的蒸馏水作为辅助介质。通过蒸馏水管6与测试水池4相连接，水泵7为蒸馏水的输送提供动力。测试平台8底层用于放置金属燃料电池的电解液循环系统和其他可能的附属设备。
[0081]
在一个示例中，参照图4，放电性能测试设备包括：电学测试设备10、数据采集仪11和电脑12。电堆13的阴阳极接线柱连接至电学测试设备10的正负极上。电学测试设备10的信号输出端与数据采集仪11的信号输入端连接，数据采集仪11的信号输出端与电脑12连接。电学测试设备10用于采集电堆13的电学参数数据，并传输至数据采集仪11。数据采集仪11用于将采集的电学参数数据形成时域数据集文件，并传输至电脑12。电脑12用于对时域数据集文件中的电学参数数据进行分析与计算，完成放电性能测试。
[0082]
放电性能指标计算
[0083]
设记录的电堆实时功率为w
t
，记录电堆稳定运行测试时长为t2，则平均稳定运行功率we[0084][0085]
计算最大功率差w
δ
[0086]wδ
＝|w
e-(w
t
)
max
|
[0087]
最大功率差w
δ
与平均稳定运行功率we作为放电性能评价的测试指标。
[0088]
本发明将金属燃料电池两项核心性能测试综合考虑以及测试装夹设备的改良创新，设计的一款适用于金属燃料电池的性能测试装置，具体地说是一种适用于金属燃料电池的密封性能和放电性能测试的装置，搭配两项性能的测试指标，测试装置实现出厂电池大批量与多类型的兼容要求，密封测试与放电测试同步进行，能最大限度地消除电池测试地不连贯性，满足电池测试的时效性与准确性。本发明可实现不同电解液的灌注以及不同尺寸、不同数量金属燃料电池单体的测量，适用于目前所有的金属燃料电池厂商在电池出厂时的检验及测试。
[0089]
本发明推动金属燃料电池出厂检验的标准化与规范化，能够促进金属燃料电池行业全方位多角度的发展，让金属燃料电池充分发挥巨大的市场应用前景与发展潜力，更广泛的应用于各种新能源产业链中。
[0090]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0091]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。