专利名称：燃料电池气体扩散层抗弯刚度的非破坏性测量装置和方法
技术领域：
本公开一般涉及用于燃料电池的气体扩散层(GDL)的抗弯刚度的非破坏性测量的装置和方法。更特别地，本公开涉及通过在不损伤或破坏可用于燃料电池的GDL样品的情况下测量GDL样品的下垂长度，来非破坏性且间接地测量燃料电池的GDL的抗弯刚度的装置和方法
背景技术：
通常，聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)被用作车辆的燃料电池。PEMFC应该能够在较宽的电流密度范围内稳定地工作并且典型地由通过堆叠几百个单元电池而构成的燃料电池堆组成，使得其能够在车辆的各种工作状况下展现出至少几十kW的高功率性能 [S. Park, J. Lee, and B. N. Popov, J.Power Sources,177,457(2008)]。燃料电池通过聚合物电解质膜电极组件中的氢气和氧气之间的电化学反应而产生电力。供应给作为燃料电池的氧化电极的阳极的氢气被分解为氢离子和电子。氢离子通过聚合物电解质膜被传送到作为还原电极的阴极，并且电子通过外部电路被传送到阴极。 在阴极处，氢离子和电子与含有氧气的空气反应从而产生电力和热，并且同时产生作为反应副产物的水。当在电化学反应过程中产生的适当量的水存在于燃料电池中时，其执行维持膜电极组件(membrane electrode assembly, MEA)的湿度的功能。然而，当过量的水存在并且未被适当地去除时，在高电流密度下会发生溢流现象，并且溢流的水会阻止反应气体被高效地供应给燃料电池，这会导致电压损失的增加。因此，为了提高用于燃料电池车的燃料电池堆的生产率并稳定其质量，有必要高效地组装和测试燃料电池堆的各部件，并同时快速且准确地测量燃料电池堆的各部件的特性。在本领域中仍然需要能够在不损伤或破坏GDL样品的情况下使用的用于燃料电池的气体扩散层(GDL)的抗弯刚度的非破坏性测量的装置和方法。本背景技术部分中公开的上述信息只是为了增强对本发明的背景的理解，并且因此可能包含不形成在该国对本领域普通技术人员而言已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明提供了通过在不损伤或破坏可优选地用于燃料电池的GDL样品的情况下测量GDL样品的下垂长度，来非破坏性地测量燃料电池的气体扩散层(GDL)的抗弯刚度的装置和方法。本发明的装置和方法不同于测量通过切割GDL原材料片而获得的GDL样品的抗弯刚度的常规方法。因此，在测量中使用的GDL样品不会被损伤，因此其可以在燃料电池堆的组装中重复利用。此外，由于为了制造燃料电池堆而制备的GDL样品被按照原样用于测量，所以选择⑶L样品并测量⑶L样品的下垂长度仅花费大约30秒，并且因此与常规方法相比可以将检查时间减少约40到120倍。结果，可以间接地评估所有气体扩散层、而不是用于制造燃料电池堆的GDL原材料片的一部分的抗弯刚度，并且因此可以显著地提高燃料电池堆的制造效率。
在一个方面中，本发明提供了一种用于燃料电池的气体扩散层的抗弯刚度的非破坏性测量的装置，该装置优选地包括竖立在具有预定区域的支撑装置上的第一和第二柱体；下垂长度测量装置，其沿纵向一体地加装到第一柱体上，用于测量气体扩散层样品的下垂长度；下垂长度极限值传感器，其安装在下垂长度测量装置上，用于确定所测量的下垂长度是否达到极限值；以及气体扩散层样品保持器，其安装在第二柱体的顶部，用于容纳具有与气体扩散层原材料片相等的尺寸的气体扩散层样品的一端。在优选实施例中，下垂长度极限值传感器还可以包括安装在其顶面上的接触敏感电子传感器。在另一优选实施例中，气体扩散层样品保持器可以包括安装在第二柱体顶部的样品支座；一体地安装在样品支座顶部的一对固定板；以及移动板，其安装在每个固定板的内侧，从而能够上下移动并通过位置固定销固定在期望的位置，其中每个固定板的水平板的顶面与每个移动板的水平板的底面之间的空间可以形成插入并支撑气体扩散层样品的插入孔。在又一优选实施例中，气体扩散层样品保持器可以包括单体式固定板，其具有敞开的顶部和敞开的前后侧；以及盖体，其可滑动地连接到固定板的竖直板从而能够上下移动，其中固定板的水平板的顶面与盖体的底面之间的空间可以形成插入并支撑气体扩散层样品的插入孔。在又一优选实施例中，插入孔的高度可以比气体扩散层样品的厚度大1 %至5 %， 并且插入孔的宽度可以比气体扩散层样品的宽度大至5%。在又一优选实施例中，气体扩散层样品保持器可以由透明材料形成，从而允许用户在测量气体扩散层样品的下垂长度期间用肉眼观察气体扩散层样品的损伤或变形。在另外的优选实施例中，下垂长度测量装置可以包括具有标记刻度从而允许用户用肉眼确定气体扩散层样品的下垂长度的下垂长度测量尺，或者通过检测气体扩散层样品在下垂前后的长度来计算气体扩散层样品的下垂长度的激光光学传感器。在一个方面中，本发明提供了一种用于燃料电池的气体扩散层的抗弯刚度的非破坏性测量的方法，该方法包括预先测量将要实际组装到燃料电池堆中的各种类型的气体扩散层的抗弯刚度；将每个气体扩散层的一端以非接触方式插入气体扩散层样品保持器中，测量每个气体扩散层的另一端下垂的长度，并从测得的下垂长度获得平均值和标准偏差；将预先测得的气体扩散层的抗弯刚度与以非接触方式获得的气体扩散层的下垂长度进行比较，以建立抗弯刚度与下垂长度之间的相关性，并同时将与抗弯刚度相关的下垂长度定义为用于确定正常产品的下垂长度极限值；以及测量新的气体扩散层的下垂长度并将测得的下垂长度与下垂长度极限值进行比较，从而如果新的气体扩散层的下垂长度在下垂长度极限值内，则将新的气体扩散层确定为正常产品，或者如果新的气体扩散层的下垂长度超过下垂长度极限值，则将新的气体扩散层确定为异常产品。在优选实施例中，所述方法还可以包括通过将确定为正常产品的气体扩散层供应给燃料电池堆的实际装配线，来重复利用气体扩散层。本发明的其它方面和优选实施例在下文中讨论。
应该理解的是，本文中使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括一般的机动车辆(诸如包括运动型多功能车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆在内的客车)、 包括各种艇和船在内的水运工具、飞行器等，并且包括混合动力车、电动车、插电式混合电动车、氢动力车以及其它代用燃料车(例如从除石油以外的资源中取得的燃料)。如本文中所述，混合动力车是具有两个或更多个动力源的车辆，例如既有汽油动力又有电动力的车辆。本发明的上述和其它特征在下文中讨论。
现在将参考 通过附图示出的本发明的某些示例性实施例来详细描述本发明的上述及其它特征，其中附图将在下文中仅通过例证的方式给出，并且因此并非对本发明进行限制，其中图1是示出常规气体扩散层侵入双极板的流场通道中的示意图。图2A是示出通过切割GDL原材料片来制备样品以测量气体扩散层的抗弯刚度的常规处理的示意图。图2B是示出将⑶L原材料片输入制造燃料电池堆的处理的常规处理的流程图。图3是示出根据本发明的用于GDL的抗弯刚度的非破坏性和间接测量的取样方法的示意图。图4是示出根据本发明的测量作为用于GDL的抗弯刚度的非破坏性和间接测量的原材料片的GDL样品的下垂长度的装置的示意图。图5是示出根据本发明的用于GDL的抗弯刚度的非破坏性和间接测量的装置的 GDL样品保持器的示意图。图6是示出将作为原材料片的⑶L样品输入根据本发明的制造燃料电池堆的处理的处理的流程图。图7示出使用根据本发明的用于GDL的抗弯刚度的非破坏性和间接测量的装置测量GDL样品的下垂长度的测量方式。图8是示出通过本发明测得的GDL样品的下垂长度与预先测得的GDL的抗弯刚度之间的相关性的图。附图中陈列的附图标记包括对下面进一步讨论的以下元件的引用10:底板支座11:第一柱体12 第二柱体20 下垂长度测量装置30 下垂长度极限值传感器 32 接触敏感电子传感器40:⑶L样品保持器41:样品支座42:固定板42a:水平板42b 竖直板43 位置固定销44 移动板44a 水平板44b 竖直板45 插入孔46:固定板46a:水平板46b:竖直板47:盖体
48:插入孔50:GDL样品应该理解的是，附图不一定要依比例，而是呈现出说明本发明的基本原理的各种优选特征的稍微简化的表示。本文中公开的本发明的特定设计特征，包括例如特定尺寸、方向、位置和形状，将部分地由期望的特定应用和使用环境来确定。在附图中，附图标记在附图的几幅图中始终指代本发明的相同或等效部分。
具体实施例方式各种测试装置和方法已经被提出以便快速且准确地测量燃料电池堆的各部件的特性，并且可以分类如下(1)与燃料电池堆的组装/质量测试/活化相关的测试装置和方法，诸如韩国专利公开第10-2009-0106217号中公开的燃料电池堆的自动组装装置， 韩国专利公开第10-2009-0113429号和韩国专利公开第10-2009-0108478号中公开的用于测试燃料电池堆的气密性的装置和方法，以及韩国专利公开第10-2007-0060760号中公开的燃料电池的活化方法；(2)与各部件的特性的评估相关的测试装置和方法，诸如 Michael P. Balogh 和 Frederick A. Hayes 在美国专利公开第 US2009/0189076A1 号中公开的用于评估燃料电池膜电极组件中的离聚物的空间分布的方法，韩国专利公开第10-2009-0107610号中公开的用于测量聚合物电解质膜的销孔的装置和方法，韩国专利公开第10-2009-0111898号中公开的用于制造燃料电池堆的各部件的自动化系统，以及韩国专利公开第10-2009-0113432号中公开的用于测试燃料电池隔板的气密性的装置；以及(3)与燃料电池性能的测量相关的测试装置和方法，诸如David Rea, Kenneth L. Kaye, Robert S. Foley、Michael F. Zawisa 和 Clark G. Hochgraf 在美国专利公开第 US2008/0091367A1号中公开的在存在大量不需要的信号的情况下测量燃料电池高频电阻的方法禾口装置，以及 John P. Salvador> Sriram Ganapathy> Kiran Mallavarapu、Frank X. Leo 和 Balasubramanian Lakshmanan 在美国专利公开第 US2009/0197125A1 号中公开的基于在线极化曲线估计来计算燃料电池系统的最大净功率的方法。随着用于车辆的PEMFC的研究与开发和大规模生产的进步，近来已经对用于评估气体扩散层(GDL)的特性的方法和GDL的微观结构/性能机理进行了广泛的研究与开发， 其中在燃料电池堆的各种部件当中GDL对确保燃料电池堆的稳定性能起到了重要作用。与气体扩散层的特性的评估相关的技术包括例如，韩国专利第10-0902316号中公开的能够测量聚合物电解质燃料电池的气体扩散层在被压缩时的厚度、电阻和压差的集成多测量系统，以及韩国专利公开第10-2009-0108767号中公开的用于感测膜电极组件的气体扩散层的分离的方法。这样的气体扩散层通常由微孔层和大孔基底组成。气体扩散层附着在燃料电池的聚合物电解质膜两侧的氧化电极和还原电极上所涂敷的各催化剂层的外表面上。气体扩散层起到供应反应气体诸如氢气和空气(氧气)，传送电化学反应所产生的电子，以及排出反应所产生的水从而使燃料电池中的溢流现象最小化的作用。目前，市场上可买到的气体扩散层具有双层结构，其包括微孔层(microporous layer, MPL)，具有通过压汞法测得的小于1 μ m的孔径；以及大孔基底(或敷层 (backing))，具有 1 至 300 μ m 的孑L径[L. Cindrella, A. M. Kannan, J. F. Lin, K. Saminathan,Y. Ho, C. W. Lin, J. ffertz, J. Power Sources, 194，146 (2009) ；X. L. Wang, H. M. Zhang, J. L. Zhang, H. F. Xu, Z. Q. Tian, J. Chen, H. X. Zhong, Y. M. Liang, B. L. Yi, Electrochim. Acta, 51,4909(2006)]ο气体扩散层的微孔层通过将碳粉(诸如碳黑，乙炔碳黑(acetylene black carbon)和黑珍珠色碳(black pearl carbon))与聚四氟乙烯 (polytetra f luoroethylene, PTFE)疏水剂混合，并将混合物涂敷到大孔基底的一侧或两侧而形成。气体扩散层的大孔基底通常由碳纤维和疏水剂(诸如聚四氟乙烯和氟化乙丙烯 (fluorinated ethylene propylene, FEP))组成[C. Lim and C. Y. Wang, Electrochim. Acta，49，4149(2004)]，并且可以由碳纤维布(carbon fiber cloth)、碳纤维毡(carbon fiber felt)禾口碳纤维 氏(carbon fiber paper)形成[S. Escribano, J. Blachot, J. Etheve, A. Morin, R. Mosdale, J. Power Sources, 156,8(2006) ；M. F. Mathias, J. Roth, J. Fleming, and W. Lehnert,Handbook of Fuel Cells-Fundamentals,Technology and Applications, Vol. 3, Ch. 42,John Wiley & Sons(2003)]。有必要最优化用于燃料电池车的气体扩散层的结构设计，使得其根据应用领域和工作状况来提供适当的性能。通常，在制造用于燃料电池车的气体扩散层时，碳纤维毡或碳纤维纸比碳纤维布更可取，因为碳纤维毡和碳纤维纸具有卓越的特性，诸如反应气体供给特性、产物水排出特性、压缩特性和处理特性。此外，根据复杂和多样的结构差异，诸如厚度、透气性、压缩性、微孔和大孔层的疏水性、碳纤维的结构、孔隙率/孔径分布、孔隙扭曲性、电阻和抗弯刚度，气体扩散层对燃料电池的性能具有显著的影响。此外，气体扩散层应该具有适当水平的刚度以便在燃料电池中提供卓越的性能以及在几百个电池被组装到燃料电池堆中时提供卓越的处理特性。根据先前的报道，当在燃料电池中气体扩散层的刚度不够时，如图1所示，堆叠在聚合物电解质膜电极组件300的两个表面上的气体扩散层100可能会在燃料电池的组装过程中侵入双极板200 (或隔板)的流场通道220中(这被称为“⑶L侵入” KIwao Nitta, Tero Hottinen, Olli Himanen, Mikko Mikkola, J. Power Sources, 171, 26 (2007)； Yeh-Hung Lai, Pinkhas A. Rapaport, Chunxin Ji, Vinod Kumar, J. Power Sources, 184,120 (2008) ；J. Kleemann, F. Finsterwalder, W. Tillmetz, J. Power Sources,190, 92(2009) ；M. F. Mathias, J. Roth,M. K. Budinski,US 7, 455, 928 B2 ；T. Kawashima,T. Osumi, M. Teranishi, T.Sukawa, US 2008/0113243 Al]。当发生⑶L侵入双极板的流场通道时，转移反应气体和产物水所需的通道空间被减小，并且气体扩散层、双极板的肋或槽脊与聚合物电解质膜电极组件之间的接触电阻被增大，这会导致燃料电池性能的显著恶化。因此，很重要的是，提高气体扩散层的机械特性(诸如抗弯刚度)并在燃料电池堆的制造过程中使用具有高抗弯刚度的气体扩散层。特别地，为了便于制造车辆用燃料电池堆并确保它们的稳定质量，有必要快速且容易地评估每次使用在燃料电池堆中的几百个气体扩散层的抗弯刚度。在评估气体扩散层的抗弯刚度的过程中，如果将样品评估为正常，则很重要的是重复利用相应的样品，从而提高重复利用率。常规地，气体扩散层的抗弯刚度通过各种方法诸如2点弯曲测试(DIN 53121)、3 点弯曲测试(ASTM D790)或泰伯尔型测试仪(ASTM D5342)来测量。 然而，如图2A和2B所示，常规测量方法具有以下缺点由于⑶L原材料片100被切割成具有较小尺寸的样品102，所以GDL原材料片100的形状遭到破坏；并且由于使用切割的样品102测量抗弯刚度，所以用于测量的GDL原材料片100不能被再利用。此外，需要花费相对长的时间(大约20分钟至1小时)来将GDL原材料片切割成样品，研究样品的基本特性诸如厚度、外观等，测量抗弯刚度，并在测量之后丢弃GDL原材料片和样品。此外，由于通过局部地切割⑶L原材料片来获得样品，所以样品不能代表在制造车辆用燃料电池堆时使用的所有气体扩散层的抗弯刚度。如在此所述，在优选方面中，本发明的特征在于一种用于燃料电池的气体扩散层的抗弯刚度的非破坏性测量的装置，该装置包括第一柱体和第二柱体，其中第一和第二柱体竖立在支撑装置上；下垂长度测量装置，用于测量气体扩散层样品的下垂长度；下垂长度极限值传感器，用于确定所测量的下垂长度是否达到极限值；以及气体扩散层样品保持
ο在一个实施例中，第一和第二柱体竖立在具有预定区域的支撑装置上。在另一实施例中，下垂长度测量装置沿纵向一体地加装到第一柱体上，用于测量气体扩散层样品的下垂长度。在又一实施例中，下垂长度极限值传感器安装在下垂长度测量装置上，用于确定所测量的下垂长度是否达到极限值。在又一实施例中，气体扩散层样品保持器安装在第二柱体的顶部，用于容纳具有与气体扩散层原材料片相等的尺寸的气体扩散层样品的一端。在另一方面中，本发明的特征在于一种用于燃料电池的气体扩散层的抗弯刚度的非破坏性测量的方法，该方法包括预先测量将要实际组装到燃料电池堆中的各种类型的气体扩散层的抗弯刚度；将每个气体扩散层的一端以非接触方式插入气体扩散层样品保持器中，测量每个气体扩散层的另一端下垂的长度，并从测得的下垂长度获得平均值和标准偏差；将预先测得的气体扩散层的抗弯刚度与以非接触方式获得的气体扩散层的下垂长度进行比较，以建立抗弯刚度与下垂长度之间的相关性，并同时将与抗弯刚度相关的下垂长度定义为用于确定正常产品的下垂长度极限值；以及测量新的气体扩散层的下垂长度并将测得的下垂长度与下垂长度极限值进行比较，从而如果新的气体扩散层的下垂长度在下垂长度极限值内，则将新的气体扩散层确定为正常产品，或者如果新的气体扩散层的下垂长度超过下垂长度极限值，则将新的气体扩散层确定为异常产品。现在将在下文中详细参考本发明的各种实施例，其实例在附图中示出并在下面描述。虽然将结合示例性实施例来描述本发明，但应理解的是，本说明并非旨在将本发明限于那些示例性实施例。相反，本发明旨在不仅涵盖这些示例性实施例，而且涵盖可包括在所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的各种替代形式、改型、等效形式和其它实施例。在本发明的某些示例性实施例中，例如如图3所示，图3A和3B是示出用于GDL的抗弯刚度的非破坏性和间接测量的取样方法的示意图，其中作为图3A的原材料片50的GDL 样品被用作图3B的用于测量下垂长度的样品。
如在此所述，尽管在常规方法中将GDL原材料片切割成样品，但是本发明优选地使用GDL样品50作为用于间接测量GDL的抗弯刚度的样品来适当地测量GDL的下垂长度。根据本发明的优选实施例并且例如如图4所示，图4是示出根据本发明的测量作为用于GDL的抗弯刚度的非破坏性和间接测量的原材料片的GDL样品的下垂长度的装置的示意图。如图4所示，根据本发明优选实施例的用于GDL的抗弯刚度的非破坏性和间接测量的装置优选地包括具有预定区域的底板支座10 ；竖立在底板支座10的顶部两侧的第一和第二柱体11和12 ；下垂长度测量装置20，其沿纵向一体地加装到第一柱体11上，用于测量GDL的下垂长度；下垂长度极限值传感器30，其内端安装在下垂长度测量装置20的预定位置从而能够上下移动，并且外端水平地布置为自由端；以及⑶L样品保持器40，其布置在安装于第二柱体12顶部的样品支座41上，用于保持GDL样品。优选地，在本发明另外的实施例中，底板支座10被仅设置为用于支撑第一和第二柱体11和12的支撑装置，并且可以是同时支撑第一和第二柱体11和12的单个底板支座 10或者分别单独地支撑第一和第二柱体11和12的多个底板支座10。此外，在本发明的其它优选实施例中，第一和第二柱体11和12可以竖直地安装在安装有该装置的地方的地板上而不使用底板支座10。在本发明的其它实施例中，下垂长度测量装置20可以优选地包括下垂长度测量尺，其在本体上标记有刻度从而允许用户用肉眼确定⑶L样品的下垂长度；或者激光光学传感器。例如，在本发明的其它实施例中，安装在下垂长度测量装置20的本体上的激光光学传感器对GDL样品下垂前的位置照射激光束并接收反射光束，使得控制器(未示出)执行对GDL样品下垂前的位置的计算。随后，在其它实施例中，激光光学传感器对GDL样品下垂后的最低位置照射激光束并接收反射光束，使得控制器执行对⑶L样品下垂后的位置的计算。因此，控制器能够通过从GDL样品下垂后的位置中减去GDL样品下垂前的位置来测量GDL样品的实际下垂长度。在其它示例性实施例中，特别地，下垂长度极限值传感器30可以是手动传感器或自动传感器。优选地，在手动传感器的情况下，作为下垂长度测量装置20的长缝沿测量尺的纵向形成在测量尺上，并且下垂长度极限值传感器30的内端连接到长缝的内部从而能够上下移动，使得下垂长度极限值传感器30的位置能够上下移动从而改变GDL样品的下垂长度极限值以满足每个GDL样品的特性。相反，在本发明其它实施例中，在自动传感器的情况下，接触敏感电子传感器32设置在下垂长度极限值传感器30的顶面上，以便自动确定是否达到极限值或者以便通过人来执行感觉测试(sensory test)。例如，在某些示例性实施例中，在手动传感器的情况下，固定槽(未示出)形成在下垂长度测量装置20的测量尺的缝(未示出)中，并且可拆卸地插入并固定到固定槽的突起(未示出)与下垂长度极限值传感器30的内端一体地形成，使得能够通过将突起插入固定槽中来调节下垂长度极限值传感器30的上下位置(即满足对应的各GDL产品的特性的正常产品的下垂长度极限值)。此外，在本发明的其它优选实 施例中，在自动传感器的情况下，接触敏感电子传感器32还被设置在下垂长度极限值传感器30的与GDL样品50相接触的顶面上，并且电子传感器32的检测值通过控制器(未示出)的计算而被显示在显示装置(未示出)上，从而自动地确定是否达到对应GDL样品的下垂长度极限值。 可选地，在自动传感器的情况下，激光光学传感器可以用作下垂长度测量装置。优选地，当从激光光学传感器照射的光入射到⑶L样品的下垂端上时，可以确定⑶L样品的下垂长度达到极限值。在本发明的其它实施例中，当从激光光学传感器照射的光没有入射到 ⑶L样品的下垂端上时，可以确定⑶L样品的下垂长度没有达到极限值。同时，在本发明的其它优选实施例中，例如，如图5A和5B所示，GDL样品保持器40 可以优选地具有例如如图5A所示的GDL样品50直接插入GDL样品保持器40中的结构，或者如图5B所示的⑶L样品50被放置到⑶L样品保持器40之上并且然后用盖体覆盖的结构。例如，在本发明的某些优选实施例中，例如如图5A所示，⑶L样品50直接插入⑶L 样品保持器40中的插入式结构优选地包括具有弯曲形状并且一体地安装在样品支座41 上的一对固定板42，以及具有弯曲形状、与固定板42的内侧重叠并且分别由位置固定销43 固定的一对移动板44。优选地，在此，每个固定板42的竖直板42b和每个移动板44的竖直板44b相互重叠并且通过位置固定销43彼此连接。因此，在某些优选实施例中，形成装配固定板42和移动板44的插入孔(未示出)，使得位置固定销43插入插入孔中以调节移动板44相对于固定板42的高度，从而适当地固定移动板44的位置。在特别优选的实施例中，固定板42的水平板42a的顶面与移动板44的水平板44a 的底面之间的空间形成插入并支撑⑶L样品50的插入孔45。因此，插入孔45的高度保持在适当的水平，使得⑶L样品50的一端插入插入孔45中。因此，在某些优选实施例中，作为固定板42的水平板42a与移动板44的水平板 44a之间的空间的插入孔45可以具有比⑶L样品50的厚度大的高度，使得在将⑶L样品 50插入插入孔45中时，GDL样品50的微孔层的表面不会被损伤或刮伤。优选地，插入孔45 具有比⑶L样品50的厚度大5%的高度。根据本发明另外的优选实施例，一对固定板42的左右竖直板42b之间的距离可以比⑶L样品50的宽度大5%，使得在⑶L样品50的下垂长度测量前后，样品能够容易地插入插入孔45以及从插入孔45移除。在某些优选实施例中，例如如图5B所示，盖式结构优选地包括具有敞开的顶部和敞开的前后侧的单体式固定板46 ；以及连接到固定板46从而能够上下移动的盖体47。例如，在本发明的某些示例性实施例中，在固定板46的竖直板46b的内表面上竖直地形成滑槽(未示出)，并且盖体47连接到滑槽从而能够上下移动。此外，在竖直板46b 的滑槽中形成多个固定槽(未示出)并且形成插入固定槽中的突起(未示出)，使得能够将盖体47相对于固定板46的高度调节到期望的水平。优选地，在某些优选实施例中，将⑶L样品50插入固定板46的水平板46a的顶面与盖体47的底面之间的插入孔48中以便测量⑶L样品50的下垂长度。S卩，⑶L样品50 优选地放置在固定板46的水平板46a上并且将盖体47适当地覆盖在其上从而被固定。优选地，盖体47与⑶L样品50之间的空间即插入孔48的高度，可以比⑶L样品50的厚度大 5%,使得⑶L样品50的微孔层的表面不会由于与盖体47接触而被损伤或刮伤。此外，固定板46的左右竖直板46b之间的距离可以比⑶L样品50的宽度大5 %，使得样品能够容易地插入插入孔48以及从插入孔48移除。在本发明另外的优选实施例中，具有上述插入式或盖式结构的GDL样品保持器40 可以由选自金属、陶瓷和聚合材料所构成的组的至少一种材料形成。优选地，GDL样品保持器40可以由重量轻且透明的材料形成，以便使GDL的损伤或变形最小化并允许用户在测量 ⑶L的下垂长度期间用肉眼观察⑶L的损伤或变形。因此，在本发明的某些优选实施例中，用于⑶L样品保持器40的适当的材料的实例包括但不限于丙烯酸类聚合物，诸如聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate)、 聚甲基丙烯酸乙酯(polyethylmethacrylate)、聚丙烯酸甲酯(polymethylacrylate)、聚丙烯酸乙酯(polyethylacrylate)和丙烯酸丁酯(polybutylacrylate)；苯乙烯聚合物， 诸如聚苯乙烯(polystyrene)、聚对甲基苯乙烯(polyparamethylstyrene)和聚α甲基苯乙烯(polyalphamethylstyrene)；酯聚合物，诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate)禾口聚对苯二甲酸丁二醇酉旨(polybutylene terephthalate) ；;I；希经聚合物(olefin polymers)，诸如聚乙烯(polyethylene)、乙烯醋酸乙烯酯(ethylene vinyl acetate)禾口聚丙烯(polypropylene)；聚碳酸酉旨聚合物(polycarbonate polymers )；聚醚酰亚胺聚合物(polyetherimide polymers)；以及环氧聚合物(印oxy polymers)。此外， 每个上述聚合物的均聚物或者无规、接枝、嵌段和交替共聚物可以优选地单独使用，或者所述聚合物可以与热塑性、热固性和橡胶聚合物中的至少一种混合或者与有机或无机材料混
I=I ο因此，在将⑶L样品50的一端插入⑶L样品保持器40之后，测量⑶L样品50的另一端下垂的下垂长度。因此，通过该测量方法，重复测量多个⑶L样品的下垂长度，并且获得它们的平均值和标准偏差并将其与先前测得的泰伯尔抗弯刚度值进行比较，以建立它们之间的相关性，从而确定GDL正常产品的适当的下垂长度范围和下垂长度极限值。这里，尽管在将作为原材料片的⑶L样品插入⑶L样品保持器40之后测量下垂长度，但是也可以测量通过切割常规GDL原材料片而获得的GDL样品的下垂长度。因此，以上述方式，将⑶L样品50的适当的下垂长度范围和下垂长度极限值优选地用作用于间接评估GDL样品的抗弯刚度的下垂长度的基准，并且同时，调节下垂长度极限值传感器30的高度以便符合关于GDL正常产品50的下垂长度极限值。因此，在⑶L样品50的另一端下垂并且没有达到下垂长度极限值传感器30或者没有下垂到下垂长度极限值传感器30下方的状态下，读取下垂长度测量装置20的测量尺上的刻度或者通过激光光学传感器执行自动测量。然后，优选地，如果测量值在极限值内， 则将GDL样品50确定为正常并然后将其再利用，而如果测量值超过极限值，则将其确定为异常并然后将其丢弃。根据本发明的某些示例性实施例，例如如图6的流程图所示，与用于测量气体扩散层的抗弯刚度的常规方法不同，本发明通过在不损伤或破坏⑶L样品50的情况下测量下垂长度，来间接地测量气体扩散层的抗弯刚度。因此，根据本发明，仅需要花费大约30秒来选择⑶L样品和测量⑶L样品的下垂长度，因此与常规方法相比，可以将检查时间减少约40 到120倍。此外，与独立地形成并在测量后丢弃的常规GDL样品不同，本发明的确定为正常的GDL样品50能够在燃料电池堆的组装过程中重复利用。这里，描述了通过重复测量多个GDL样品的下垂长度，获得它们的平均值和标准偏差，将它们与先前测得的泰伯尔抗弯刚度值进行比较，并建立它们之间的相关性，来确定 GDL正常产品的适当的下垂长度范围和下垂长度极限值的方法。在第一示例性实施例中，选择并评估五种类型的可从市场上买到的气体扩散层。 详细地，选择三种碳纤维毡类型的⑶L (⑶L1-F、⑶L2-F和⑶L3-F)和两种碳纤维纸类型的 GDL(GDL4-P和GDL5-P)并将其用作样品，它们由于卓越的特性(诸如反应气体供给特性、产物水排出特性、压缩特性和处理特性)而最广泛地用在车辆燃料电池的制造中。此外，尽管根据本发明的在测量中使用的⑶L样品可以包括微孔层和大孔基底两者或者仅包括大孔基底，但是在该特定实施例中使用包括微孔层和大孔基底两者的GDL样品。在该实施例中选择的五种类型的GDL中的每种GDL的微孔层和大孔基底使用疏水材料经历过疏水处理，并且它们的基本特性如下表1所示。通过使用Mitutoyo测厚仪 (Mitutoyo Co.，日本)对各⑶L样品测量⑶L样品的厚度超过50次，来获得平均值和标准偏差。[表1]
~每单位面积~ GDL代码大孔基底微孔层服ZZ T
_ (μηι)重量(g/m2)
GDLl-F碳纤维租^432士 5140±2
GDL2-F碳纤维 S^423士 5149±1
GDL3-F碳纤维租^260土 6Π0±1
GDL4-P碳纤维纸^365士 6100±1
GDL5-P碳纤维纸244 387±2当使用本发明的下垂长度测量装置测量具有表1所示的特性的五种类型的GDL样品的下垂长度时，可以看出GDL样品根据GDL样品的类型和特性而具有不同的下垂长度，如图7的实际测量结果所示(图7中示出了⑶L1-F、⑶L4-P和⑶L5-P的测得的下垂长度)。因此，可以通过一并考虑各给定的燃料电池系统的特性、工作状况和电池组装状况来选择适当的GDL样品，获得GDL样品的下垂长度的平均值和标准偏差，并将它们用作评价GDL样品的质量时的因素。在本发明的其它示例性实施例中，通过常规的泰伯尔方法、使用通常的泰伯尔抗弯刚度测试仪(型号:150E V-5, Taber Industries，美国)以15°的弯曲角测量每种类型的GDL的至少三个样品的长度方向上的实际抗弯刚度，并将结果与通过本发明的方法测得的下垂长度进行比较，这在下面的表2和附图8中示出。[表 2]
权利要求
1.一种用于燃料电池的气体扩散层的抗弯刚度的非破坏性测量的装置，该装置包括 竖立在具有预定区域的支撑装置上的第一和第二柱体；下垂长度测量装置，其沿纵向一体地加装到所述第一柱体上，用于测量气体扩散层样品的下垂长度；下垂长度极限值传感器，其安装在所述下垂长度测量装置上，用于确定所测量的下垂长度是否达到极限值；以及气体扩散层样品保持器，其安装在所述第二柱体的顶部，用于容纳具有与气体扩散层原材料片相等的尺寸的所述气体扩散层样品的一端。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述下垂长度极限值传感器具有板式结构并且还包括安装在其顶面上的接触敏感电子传感器。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述气体扩散层样品保持器包括 安装在所述第二柱体顶部的样品支座；一体地安装在所述样品支座顶部的一对固定板；以及移动板，其安装在每个固定板的内侧，从而能够上下移动并通过位置固定销固定在期望的位置，其中每个固定板的水平板的顶面与每个移动板的水平板的底面之间的空间形成插入并支撑所述气体扩散层样品的插入孔。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述气体扩散层样品保持器包括 单体式固定板，其具有敞开的顶部和敞开的前后侧；以及盖体，其可滑动地连接到所述固定板的竖直板从而能够上下移动， 其中所述固定板的水平板的顶面与所述盖体的底面之间的空间形成插入并支撑所述气体扩散层样品的插入孔。
5.如权利要求3所述的装置，其中所述插入孔的高度比所述气体扩散层样品的厚度大至5%，并且所述插入孔的宽度比所述气体扩散层样品的宽度大至5%。
6.如权利要求3所述的装置，其中所述气体扩散层样品保持器由透明材料形成，从而允许用户在测量所述气体扩散层样品的下垂长度期间用肉眼观察所述气体扩散层样品的损伤或变形。
7.如权利要求1所述的装置，其中所述下垂长度测量装置包括具有标记刻度从而允许用户用肉眼确定所述气体扩散层样品的下垂长度的下垂长度测量尺，或者通过检测所述气体扩散层样品在下垂前后的长度来计算所述气体扩散层样品的下垂长度的激光光学传感器。
8.一种用于燃料电池的气体扩散层的抗弯刚度的非破坏性测量的方法，该方法包括 预先测量将要实际组装到燃料电池堆中的各种类型的气体扩散层的抗弯刚度；将每个气体扩散层的一端以非接触方式插入气体扩散层样品保持器中，测量每个气体扩散层的另一端下垂的长度，并从测得的下垂长度获得平均值和标准偏差；将预先测得的气体扩散层的抗弯刚度与以非接触方式获得的气体扩散层的下垂长度进行比较，以建立所述抗弯刚度与所述下垂长度之间的相关性，并同时将与所述抗弯刚度相关的所述下垂长度定义为用于确定正常产品的下垂长度极限值；以及测量新的气体扩散层的下垂长度并将测得的下垂长度与所述下垂长度极限值进行比较，从而如果所述新的气体扩散层的下垂长度在所述下垂长度极限值内，则将所述新的气体扩散层确定为正常产品，或者如果所述新的气体扩散层的下垂长度超过所述下垂长度极限值，则将所述新的气体扩散层确定为异常产品。
9.如权利要求8所述的方法，还包括通过将确定为正常产品的气体扩散层供应给燃料电池堆的实际装配线，来重复利用所述气体扩散层。
10.一种用于燃料电池的气体扩散层的抗弯刚度的非破坏性测量的装置，该装置包括第一柱体和第二柱体，其中所述第一和第二柱体竖立在支撑装置上； 下垂长度测量装置，用于测量气体扩散层样品的下垂长度； 下垂长度极限值传感器，用于确定所测量的下垂长度是否达到极限值；以及气体扩散层样品保持器。
11.所述用于燃料电池的气体扩散层的抗弯刚度的非破坏性测量的装置，其中所述第一和第二柱体竖立在具有预定区域的支撑装置上。
12.所述用于燃料电池的气体扩散层的抗弯刚度的非破坏性测量的装置，其中所述下垂长度测量装置沿纵向一体地加装到所述第一柱体上，用于测量气体扩散层样品的下垂长度。
13.所述用于燃料电池的气体扩散层的抗弯刚度的非破坏性测量的装置，其中所述下垂长度极限值传感器安装在所述下垂长度测量装置上，用于确定所测量的下垂长度是否达到极限值。
14.所述用于燃料电池的气体扩散层的抗弯刚度的非破坏性测量的装置，其中所述气体扩散层样品保持器安装在所述第二柱体的顶部，用于容纳具有与气体扩散层原材料片相等的尺寸的所述气体扩散层样品的一端。
全文摘要
本发明提供了用于燃料电池的气体扩散层的抗弯刚度的非破坏性测量的装置和方法，该装置包括竖立在具有预定区域的支撑装置上的第一和第二柱体；下垂长度测量装置，其沿纵向一体地加装到第一柱体上，用于测量气体扩散层样品的下垂长度；下垂长度极限值传感器，其安装在下垂长度测量装置上，用于确定所测量的下垂长度是否达到极限值；以及气体扩散层样品保持器，其安装在第二柱体的顶部，用于容纳具有与气体扩散层原材料片相等的尺寸的气体扩散层样品的一端。
文档编号G01N3/20GK102313672SQ20101053025
公开日2012年1月11日 申请日期2010年10月29日 优先权日2010年6月29日
发明者安商悦, 朴智研, 洪普基, 郑炳宪, 韩国一 申请人:现代自动车株式会社