一种燃料电池双极板的冷启动性能验证系统及方法与流程

本发明涉及燃料电池冷启动，特别是涉及一种燃料电池双极板的冷启动性能验证系统及方法。

背景技术：

1、氢能作为一种可再生的清洁能源，已逐渐代替传统能源能源，燃料电池作为氢能利用的重要载体，因其具备的零排放、低噪声、高效率且能实时补充燃料等优点，被广泛应用在交通运输领域；而以燃料电池作为动力来源的交通工具在运行时，需要考虑的较为重要的工况运行条件通常是在温度为零下的寒冷地区的启动，即冷启动。

2、双极板作为燃料电池的核心部件之一，常用的双极板有金属双极板和石墨双极板，金属双极板应用时所面临的最大问题在于腐蚀，因此需要进行镀层处理，而石墨烯在应用所面临的最大问题则在于其机械强度不高。对于双极板而言，其在冷启动过程中将面临着复杂的工况环境，由此导致的工程问题是燃料电池冷启动失败及耐久性严重下降的主要原因之一。

3、目前，针对燃料电池的冷启动问题，大多燃料电池的冷启动验证测试平台主要是针对等温边界单体燃料电池或电堆来对冷启动的失效机理和老化机理及冷启动策略进行验证，但由于其聚焦燃料电池整体或电推，验证过程耗时且成本较高，并且相对于双极板而言，双极板所面临的工况环境更加复杂，因此，现有的验证测试平台并不适用于双极板在冷启动过程中的性能验证。

4、由此，亟需开发一种能够模拟双极板的现实冷启动工况环境并对双极板的冷启动性能进行验证的测试方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种燃料电池双极板的冷启动性能验证系统及方法，以解决现有技术中验证成本高且费时以及无法专门对双极板在冷启动过程中进行性能验证的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明的一技术方案提供一种燃料电池双极板的冷启动性能验证系统，包括：

3、试验箱，用于对装载于试验箱内的燃料电池的双极板施加机械应力，模拟所述双极板在燃料电池冷启动过程中的工况；以及

4、控制模块，用于控制试验箱对双极板执行冷启动。

5、进一步的，所述工况至少包括作用于双极板上的压力、温度、震动及弯折；

6、所述试验箱包括：

7、极板夹持模块，用于夹持固定所述双极板并对双极板施加压力；

8、第一加热/冷却模块，用于对所述双极板按照预设周期数反复执行加热和冷却；

9、震动模块，用于对所述双极板施加震动；以及

10、弯扭模块，用于对所述双极板进行弯折；

11、所述控制模块包括：

12、第一温控子模块，用于调节第一加热/冷却模块执行加热和冷却的周期数以及加热和冷却的温度及时间；

13、震动控制子模块，用于同步调节所述震动模块的震动频率及震动强度；以及

14、弯扭控制子模块，用于同步调节所述弯扭模块的弯折频率、弯折力度及弯折角度。

15、进一步的，所述双极板包括相对设置且形成有极板流道沟槽的第一极板表面和第二极板表面；

16、所述第一加热/冷却模块包括相对设置的第一表面和第二表面，所述第一表面和/或第二表面具有与所述第一极板表面和/或第二极板表面接触的加热/冷却平面，且所述第一极板表面和/或第二极板表面与所述第一表面和/或第二表面之间以碳膜隔离。

17、进一步的，所述双极板包括相对设置且平整的第三极板表面和第四极板表面；

18、所述第一加热/冷却模块包括相对设置的第三表面和第四表面，所述第三和/或第四表面形成有与所述第三极板表面和/或第四极板表面接触的加热/冷却流道沟槽，且所述第三极板表面和/或第四极板表面与所述第三表面和/或第四表面之间以碳膜隔离。

19、进一步的，所述试验箱还用于对所述双极板进行电化学测试；

20、所述试验箱还包括：

21、腐蚀测试模块，用于对浸润的双极板进行电化学腐蚀；

22、第二加热/冷却模块，用于调节所述腐蚀测试模块中腐蚀溶液的温度；以及

23、极板驱动模块，用于驱动所述极板夹持模块携带双极板浸入所述腐蚀溶液。

24、进一步的，所述控制模块还包括：

25、第二温控子模块，用于调节所述腐蚀溶液在腐蚀过程中的温度；以及

26、浸润控制子模块，用于调节所述极板驱动模块的运动参数使所述极板驱动模块按照预设运动参数驱动所述极板夹持模块。

27、为解决上述技术问题，本发明的另一技术方案提供一种燃料电池双极板的冷启动性能验证方法，包括如上所述的燃料电池双极板的冷启动性能验证系统，包括以下步骤：

28、将双极板装载固定于试验箱内并对所述双极板施加压力；

29、按照预设周期数同步调节对作用于所述双极板上的温度、震动情况及弯折情况，模拟燃料电池冷启动过程中双极板的工况。

30、进一步的，在所述按照预设周期数同步调节对作用于所述双极板上的温度、震动情况及弯折情况，模拟燃料电池冷启动过程中双极板的工况的步骤中，执行冷启动的具体方法为：

31、同步启动第一加热/冷却模块、震动模块及弯扭模块；于t1时段内将作用于所述双极板上的温度由第一温度升温至第二温度，并以第二温度持续加热t2时段后于t3时段内降温至第一温度，并重复执行升温及降温过程，直至双极板破损后记录起始时刻至双极板破损时的弯折次数或重复执行直至达到预设周期数。

32、进一步的，在所述按照预设周期数同步调节对作用于所述双极板上的温度、震动情况及弯折情况，模拟燃料电池冷启动过程中双极板的工况的步骤之后，还包括以下步骤：

33、将所述双极板浸入腐蚀溶液中，调节腐蚀溶液的温度并所述双极板进行电化学测试。

34、进一步的，在所述将所述双极板浸入腐蚀溶液中，对所述双极板进行电化学测试的步骤中，所述腐蚀溶液包括ph值为2.8～3.5的h2so4或浓度为75～85％的h3po4与浓度为0.08～0.15ppm的hf的混合溶液，且所述腐蚀溶液的温度为70～150℃。

35、本发明通过设计能够模拟双极板在冷启动过程中的复杂工况的试验箱，将双极板置于试验箱内并施加压力，通过冷启动控制系统控制试验箱对双极板进行加热、降温、震动及弯折，以模拟双极板在实际冷启动过程中的受热情况以及可能遇到的机械压力、机械摩擦及机械损伤，以便对冷启动下的双极板的机械性能进行验证；同时，将第一加热/冷却模块的第一表面或第二表面设置成与双极板的极板流道沟槽匹配的平面或与双极板的平面匹配的加热/冷却流道沟槽，并且二者通过碳膜相接触，从而能够模拟双极板冷启动过程中的非均匀受热，更接近双极板冷启动的现实工况。另外，本发明还通过设置腐蚀测试模块对冷启动后的双极板进行腐蚀测试，验证冷启动后双极板的耐腐蚀性能表示，有利于针对冷启动条件下的双极板涂层工艺的改进做出指导。

技术特征：

1.一种燃料电池双极板的冷启动性能验证系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的燃料电池双极板的冷启动性能验证系统，其特征在于，所述工况至少包括作用于双极板上的压力、温度、震动及弯折；

3.根据权利要求2所述的燃料电池双极板的冷启动性能验证系统，其特征在于，所述双极板包括相对设置且形成有极板流道沟槽的第一极板表面和第二极板表面；

4.根据权利要求2所述的燃料电池双极板的冷启动性能验证系统，其特征在于，所述双极板包括相对设置且平整的第三极板表面和第四极板表面；

5.根据权利要求3所述的燃料电池双极板的冷启动性能验证系统，其特征在于，所述试验箱还用于对所述双极板进行电化学测试；

6.根据权利要求5所述的燃料电池双极板的冷启动性能验证系统，其特征在于，所述控制模块还包括：

7.一种燃料电池双极板的冷启动性能验证方法，包括如权利要求1～6任一项所述的燃料电池双极板的冷启动性能验证系统，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的燃料电池双极板的冷启动性能验证方法，其特征在于，在所述按照预设周期数同步调节对作用于所述双极板上的温度、震动情况及弯折情况，模拟燃料电池冷启动过程中双极板的工况的步骤中，执行冷启动的具体方法为：

9.根据权利要求7所述的燃料电池双极板的冷启动性能验证方法，其特征在于，在所述按照预设周期数同步调节对作用于所述双极板上的温度、震动情况及弯折情况，模拟燃料电池冷启动过程中双极板的工况的步骤之后，还包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的燃料电池双极板的冷启动性能验证方法，其特征在于，在所述将所述双极板浸入腐蚀溶液中，对所述双极板进行电化学测试的步骤中，所述腐蚀溶液包括ph值为2.8～3.5的h2so4或浓度为75～85％的h3po4与浓度为0.08～0.15ppm的hf的混合溶液，且所述腐蚀溶液的温度为70～150℃。

技术总结
本发明公开了一种燃料电池双极板的冷启动性能验证系统及方法，包括试验箱和控制模块，所述试验箱用于对装载于试验箱内的燃料电池的双极板施加机械应力，模拟所述双极板在燃料电池冷启动过程中的工况；所述控制模块用于控制试验箱对双极板执行冷启动。本发明通过模拟双极板的实际运行工况，能够对双极板在实际运行过程的性能进行验证，进而为双极板结构及其涂层工艺的改进提供理论和实验支撑，从而完善和解决燃料电池在零下环境的冷启动失败问题。

技术研发人员：李瑞宇,来旭春,谢子奇,郑敏峰,蔡云,刘一麟,樊毅,彭隽曦,陈琛
受保护的技术使用者：深圳市长盈精密技术股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12